JP2019060752A - バイアス磁界発生用磁石ユニット及び磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を与えるための磁石であって、簡便にかつ精度良く加工することができ、磁気抵抗効果素子の小型化が可能である磁石を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットであって、一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向するように配置される直方体の永久磁石からなり、前記永久磁石は、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に直線状の溝を有することを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。【選択図】図１(a)

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニット及び磁気センサに関する。

自動販売機やキャッシュディスペンサーには、紙幣に磁気インクで印刷されたパターンを検出し、紙幣の識別を行うための磁気センサを有する紙幣識別装置が組み込まれている。磁気センサ素子としては、ホール素子、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス(MI)素子、SQUID（超伝導量子素子）等が挙げられるが、これらの中でも、磁場の強さにより電気抵抗値が変化する現象を用いた磁気抵抗効果素子（以下、MR素子とも言う。）は、磁気インクを印刷した紙幣のパターン検出や識別に多く用いられている。

従来の磁気センサを用いた磁気インク検出方法を図5に示す。磁気センサは、磁気センサチップ101と、バイアス磁界を与えるための立方体の永久磁石102とから構成され、磁気センサチップ101は、永久磁石102の中心位置付近の上方に、永久磁石102の上面に平行に配置されている。磁気センサチップ101に形成された磁気センサ素子104（例えば,MR素子）は、通常、水平方向（x方向）磁界を検知するため、永久磁石102からのバイアス磁界のうち、水平方向磁界を有する磁界A1が作用するように、永久磁石102の中心を通る垂直方向（z方向）磁界A0から水平方向にずれた位置に配置されている。このとき磁気センサ素子104には、磁界A1の水平成分である磁界H_1xがバイアス磁界として作用している。紙幣などに印刷された磁気インク103は、磁気センサチップ101の上方を水平方向（C方向）に移動するように構成されており、磁気インク103が磁界A1を横切るときに、磁気センサ素子104に作用している磁界H_1xが変化すると、磁気センサ素子104の抵抗値に変化が生じる。この抵抗値の変化を取り出すことにより磁気インク検出するセンサとして機能させることができる。

特開2008-145379号（特許文献１）は、前記磁気センサを用いた磁気インク検出方法において、MR素子に作用する水平方向（感磁方向）のバイアス磁界の強度が、MR素子の飽和磁界以下の磁束量となるように永久磁石、MR素子及び検出対象（磁気インク）の位置関係、永久磁石の強さ等を調整して配置した磁気センサを開示している。

しかしながら、特許文献１に記載の磁気センサは、矩形断面を有する永久磁石を磁気センサの飽和磁界以下になるように永久磁石の位置を調整するため、その調整エリアを確保しなければならず、磁気センサ全体が大きくなってしまうといった問題がある。

前述したような磁気センサは、通常、複数のMR素子を紙幣の搬送方向に並列に並べて、紙幣の複数の箇所に印刷された磁気インクを検出するよう構成されている。図6は、複数のMR素子104を搬送方向（C方向）に並列に並べてなる磁気センサを上方（MR素子104側）から見た平面図であり、複数のMR素子104と永久磁石102との位置関係のみを表している。前述したように、MR素子104に水平方向（感磁方向）のバイアス磁界が作用するように、MR素子104は永久磁石102の中心線V0から水平方向にずれた位置V1上に配置されている。

ここでバイアス磁界を与えるための永久磁石102は、磁石の材質や着磁の仕方などの製造バラツキ等により水平方向磁界がゼロになる位置は、永久磁石102の中心線V0と一致せず、例えば図6に示す曲線V2のようになってしまう。このように水平方向磁界がゼロになる位置がMR素子104ごとに変化してしまうと、全てのMR素子104に適切なバイアス磁界をかけることができなくなり、各MR素子104によって検出する抵抗値変化量がばらついてしまうことにより、磁気センサの感度がばらついてしまうといった問題がある。従って、磁気センサにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石の高性能化が望まれている。

特開2015-64309号（特許文献２）は、断面が長方形のバイアス磁界発生用永久磁石の代わりに断面上部が三角形である多角柱形状のバイアス磁界発生用永久磁石を使用した磁気センサを開示しており、断面上部が三角形である多角柱形状のバイアス磁界発生用永久磁石を使用することにより、水平方向磁場がゼロになる点のバラツキを小さくすることができ、それぞれの磁気抵抗効果素子に適切なバイアス磁界をかけることができ、各磁気抵抗効果素子の感度を一定に揃えることができると記載している。

しかしながら、特許文献２に記載の断面上部が三角形である多角柱形状の永久磁石は、断面上部を三角形に加工する際に高い精度が必要であることと、三角形の稜の部分が製造過程で欠けたりする場合があり、歩留まりが悪かったり、所望の特性が得られないといった問題や、断面上部が三角形であるため磁石が大きくなるといった問題がある。

特開2008-145379号公報 特開2015-64309号公報

従って、本発明の目的は、磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を与えるための磁石ユニットであって、簡便にかつ精度良く加工することができ、磁気センサの小型化が可能である磁石ユニットを提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、磁気抵抗効果素子のバイアス磁界を与えるための永久磁石において、磁極面に直線状の溝を設けることにより、水平方向磁界がゼロになる位置のばらつきを極めて小さくすることができ、その結果、直線状に配列された複数の磁気抵抗効果素子に適切なバイアス磁界をかけることができることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットは、磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのものであって、
その第一の態様は、
一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向するように配置される直方体の永久磁石からなり、
前記永久磁石は、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に直線状の溝を有することを特徴とする。

前記第一の態様において、前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側とは反対側の磁極面にポールピースが配置されているのが好ましい。

本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットの第二の態様は、
磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットであって、
一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向するように配置される直方体の永久磁石と、
前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設置されたポールピースとからなり、
前記ポールピースは、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の面に直線状の溝を有することを特徴とする。

前記ポールピースは1〜3 mmの厚みを有するのが好ましい。

前記永久磁石は、複数の永久磁石を長手方向に連接してなるのが好ましい。

前記永久磁石は、フェライト磁石、希土類系焼結磁石又はボンド磁石であるのが好ましい。

本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、前記第一又は第二のいずれかのバイアス磁界発生用磁石ユニットとを有し、磁性体を有する被検出物の移動による磁束の変化を検出することを特徴とする。

本発明の磁気センサは、複数の前記磁気抵抗効果素子が前記被検出物の移動方向に平行に配置された構成を有していてもよい。

本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットは、単純な構造で高い効果を発揮するので、加工が容易であり、従って、精度良く加工することができる。また、磁石ユニット自体を小型化することができるので、磁気センサユニット全体のサイズを小さくすることができる。高い精度で加工できるので、磁気センサユニットごとの調整が不要となり、磁気センサユニット全体の製作コストを低減できる。一方で、さらに磁石ユニットの長手方向長さを大きくしても精度を維持することができるので、紙幣等の縦送りだけでなく、横送りにも容易に対応でき、センシングの拡大が容易である。

本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットの一例を模式的に示す斜視図である。 図1(a)のバイアス磁界発生用磁石ユニットの長手方向に垂直な断面図である。 本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットの他の一例を模式的に示す斜視図である。 図2(a)のバイアス磁界発生用磁石ユニットの長手方向に垂直な断面図である。 本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットの磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設けられた直線状の溝の一例を示す模式断面図である。 本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットの磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設けられた直線状の溝の他の一例を示す模式断面図である。 磁気抵抗効果素子を複数配置した磁気センサにおける本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットと磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図である。 本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットと磁気抵抗効果素子とから構成される磁気センサを示す模式断面図である。 バイアス磁界発生用磁石と磁気抵抗効果素子とから構成される従来の磁気センサを示す模式断面図である。 磁気抵抗効果素子を複数配置した従来の磁気センサのバイアス磁界発生用磁石と磁気抵抗効果素子との位置関係を示す模式図である。

[1] バイアス磁界発生用磁石ユニット
本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットは、磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのものであり、磁石ユニットの磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に直線状の溝を有することを特徴とする。本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットは、特許文献１に記載の従来の磁気抵抗効果素子に用いられている断面矩形（直方体）のバイアス永久磁石や特許文献２に記載の断面上部が三角形である多角柱形状のバイアス永久磁石の代わりに用いることができる。

本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットは、直方体形状の永久磁石のみ、又は直方体形状の永久磁石と前記永久磁石の磁極面に配置されたポールピースとからなる。直方体形状の永久磁石とポールピースとからなる場合、前記直線状の溝は、永久磁石に設けても良いし、ポールピースに設けても良い。ただし、前記直線状の溝は、磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設ける必要がある。本願において、永久磁石に前記直線状の溝を設けたバイアス磁界発生用磁石ユニットを第一の態様と呼び、ポールピースに前記直線状の溝を設けたバイアス磁界発生用磁石ユニットを第二の態様と呼ぶ。以下、これらの第一の態様及び第二の態様について詳細に説明する。

(1)第一の態様
バイアス磁界発生用磁石ユニットの第一の態様は、図1(a)及び図1(b)に示すように、一方の磁極面11aが前記磁気抵抗効果素子（図示せず）と対向するように配置される直方体の永久磁石11からなり、前記永久磁石11は、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面11aに直線状の溝12を有することを特徴とする。第一の態様において、前記永久磁石11の前記磁気抵抗効果素子と対向する側とは反対側の磁極面にポールピース13が配置されているのが好ましい。

本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット1は、磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面11aに直線状の溝12を形成することにより、必要な磁界を磁石ユニット近傍で得ることができる。このため、磁気抵抗効果素子をバイアス磁界発生用磁石ユニットに近づけることができ、紙幣識別装置を小型化することができる。

(a) 永久磁石
前記永久磁石11は、図1(a)に示すように、複数の永久磁石11,11,11から構成されていても良い。複数の永久磁石からなる場合、前記ポールピース13に各永久磁石11,11,11を固定して構成するのが好ましい。

バイアス磁界発生用磁石ユニット1を構成する永久磁石11は、公知の永久磁石材料で形成することができる。使用する永久磁石の材質は磁気センサの構成によって適宜設定すれば良いが、R（Nd等の希土類元素のうちの少なくとも一種）、T（Fe又はFe及びCo）及びBを必須成分とする希土類鉄ボロン系異方性焼結磁石（ネオジム磁石）等の希土類系焼結磁石（耐食性の点から各種の表面処理を施したもの）、フェライト磁石、又はボンド磁石が好ましく、希土類磁石がより好ましい。希土類系焼結磁石としては、特にネオジム磁石が好ましい。

(b) 直線状の溝
磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面11aに形成された直線状の溝12は、図3(a)に示すように、底の形状がR=0.5Wの円弧状（但し、Wは溝の幅）となったものであってもよいし、図3(b)に示すように、溝12の底が平面であり、側壁と底面との交差する部分に0<R<0.5Wの面取りを有するものであってもよい。

図3(a)及び図3(b)に示す断面において、永久磁石11の幅をZ、溝12の幅をWとしたとき、磁石幅に対する溝幅の比率P（W/Z）は0.2以下であるのが好ましく、0.1以下であるのがより好ましい。Pが0.2を越えた場合、バイアス磁界が大きくなりすぎるので好ましくない。さらに、溝12の深さをSDとしたとき、溝幅(W)に対する溝深さSDの比率Q（=SD/W）は0.5〜2であるのが好ましく、0.5〜0.7であるのがより好ましい。Qの値が0.5未満である場合、溝12が浅すぎて溝を形成する効果がほとんど得られない。Qの値が2超の場合、溝12を形成することによって得られる効果が飽和してしまうのでそのような深い溝は不必要であり、あまり深すぎる場合は強度が低下するので好ましくない。

この直線状の溝12は、例えば、砥石で一工程で加工できるため、特許文献２に記載の断面上部が三角形である多角柱形状のバイアス永久磁石と同等の性能のバイアス永久磁石を、より簡便でかつ高い加工精度で得ることができる。

(c) ポールピース
バイアス磁界発生用磁石ユニットの第一の態様において、永久磁石11の前記磁気抵抗効果素子と対向する側とは反対側の磁極面にポールピース13が配置されていてもよい。ポールピース13は、整磁効果（磁場の均一性を高める）を発揮すると共に、複数の永久磁石を連接して使用する場合にそれらの永久磁石を固定するためのベースとすることができる。ポールピース13の厚みは特に限定されないが、永久磁石11の高さの5〜20％であるのが好ましく、通常、1〜3 mmであるのが好ましい。ポールピース13には公知の磁性体(軟磁性体)を用いるのが好ましい、特に磁性を有する鋼材を用いるのが好ましい。

(2)第二の態様
バイアス磁界発生用磁石ユニットの第二の態様は、図2(a)及び図2(b)に示すように、一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子（図示せず）と対向するように配置される直方体の永久磁石21と、前記永久磁石21の前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設置されたポールピース23とからなり、前記ポールピース23は、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面23aに直線状の溝22を有することを特徴とする。

第二の態様は、第一の態様において、永久磁石11の磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面11aに溝12を設ける代わりに、前記磁極面11aにポールピース23を配置し、そのポールピース23に溝22を設けた構成である。使用する永久磁石、ポールピース23の材質は第一の態様と同じでよい。またポールピース23の磁気抵抗効果素子と対向する側の面23aに設けた直線状の溝22の形状は、第一の態様において永久磁石11の磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面11aに設けた溝12の形状と同じでよい。なお第二の態様において、永久磁石21の前記磁気抵抗効果素子と対向する側とは反対側の磁極面にはポールピースを配置する必要はない。

[2]磁気センサ
本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニットとを有し、磁性体を有する被検出物の移動による磁束の変化を検出する。

本発明の第一の磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットとを有し、磁性体を有する被検出物の移動による磁束の変化を検出する磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、感磁方向が前記被検出物の移動方向に平行になるように配置され、
前記バイアス磁界発生用磁石ユニットは、一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向し、かつ前記一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子の感磁方向と平行になるように配置された直方体の永久磁石からなり、
前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に、前記被検出物の移動方向に直交する方向に形成された直線状の溝を有することを特徴とする。

前記バイアス磁界発生用磁石ユニットは、他方の磁極面に設置されたポールピースを有してもよい。すなわち、本発明の第一の磁気センサは、本発明の第一の態様のバイアス磁界発生用磁石ユニットを用いて構成される。

本発明の第二の磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットとを有し、磁性体を有する被検出物の移動による微弱な磁束の変化を検出する磁気センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、感磁方向が前記被検出物の移動方向に平行になるように配置され、
前記バイアス磁界発生用磁石ユニットは、一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向し、かつ前記一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子の感磁方向と平行になるように配置された直方体の永久磁石と、前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設置されたポールピースとからなり、
前記ポールピースの前記磁気抵抗効果素子と対向する側の面に、前記被検出物の移動方向に直交する方向に形成された直線状の溝を有することを特徴とする。すなわち、本発明の第一の磁気センサは、本発明の第二の態様のバイアス磁界発生用磁石ユニットを用いて構成される。

第一及び第二の磁気センサにおいて、複数の前記磁気抵抗効果素子が前記被検出物の移動方向に平行に配置されていてもよい。このように前記磁気抵抗効果素子が複数配置されることにより、被検出物の幅方向に複数の箇所に印刷された磁気インクを検出することが可能になる。このような、複数の磁気抵抗効果素子が被検出物の移動方向に平行に配置されてなる磁気センサ200は、例えば、図4(a)及び図4(b)に示すように、複数の磁気抵抗効果素子（MR素子204）を搬送方向（C方向）に並列に並べて、そのバイアス磁界発生用磁石として本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット1（第一の態様）を使用して構成される。以下に詳細に説明する。

図4(a)は、磁気センサ200を上方（MR素子204側）から見た平面図であり、バイアス磁界発生用磁石ユニット1とy方向に配列した複数のMR素子204との位置関係のみを示し、図4(b)は、図4(a)のA-A断面に、MR素子201が配置された磁気センサチップ201及び磁気インク103の位置関係を追加して模式的に示す。このような磁気センサは、例えば、紙幣識別装置等に用いられ、紙幣の複数の箇所に印刷された磁気インク103を検出するよう構成されている。

磁気センサ200は、図6に示した従来の磁気センサにおける永久磁石102を本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット1に置き換えた構成を有している。ここで、本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット1は、MR素子204と対向する側の磁極面11aに形成された直線状の溝12の中心線を、図6における永久磁石102の中心線V0に重なるように配置する。MR素子204はバイアス磁界発生用磁石ユニット1の中心線V0から水平方向（x方向）にずれた位置V1上に配置されている。このようにバイアス磁界発生用磁石ユニット1に直線状の溝12を設けることにより、水平方向磁場がゼロになる点の長手方向（y方向）のバラツキを小さくすることができ、各MR素子204に適切なバイアス磁界をかけることができる。なお本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット1（第一の態様）の代わりに、本発明のバイアス磁界発生用磁石ユニット2（第二の態様）を使用しても同様の効果が得られる。

1・・・バイアス磁界発生用磁石ユニットの第一の態様
11・・・永久磁石
11a・・・磁極面
12・・・溝
13・・・ポールピース
2・・・バイアス磁界発生用磁石ユニットの第二の態様
21・・・永久磁石
21a・・・磁極面
22・・・溝
23・・・ポールピース
101・・・磁気センサチップ
102・・・永久磁石
103・・・磁気インク
104・・・MR素子
200・・・磁気センサ
201・・・磁気センサチップ
204・・・MR素子

Claims (8)

1. 磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットであって、
   一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向するように配置される直方体の永久磁石からなり、
   前記永久磁石は、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に直線状の溝を有することを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
2. 請求項１に記載のバイアス磁界発生用磁石ユニットにおいて、
   前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側とは反対側の磁極面にポールピースが配置されていることを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
3. 磁気抵抗効果素子に、前記磁気抵抗効果素子の飽和磁界以下になるようにバイアス磁界を与えるためのバイアス磁界発生用磁石ユニットであって、
   一方の磁極面が前記磁気抵抗効果素子と対向するように配置される直方体の永久磁石と、
   前記永久磁石の前記磁気抵抗効果素子と対向する側の磁極面に設置されたポールピースとからなり、
   前記ポールピースは、前記磁気抵抗効果素子と対向する側の面に直線状の溝を有することを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
4. 請求項２又は３に記載のバイアス磁界発生用磁石ユニットにおいて、
   前記ポールピースが1〜3 mmの厚みを有することを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のバイアス磁界発生用磁石ユニットにおいて、
   前記永久磁石が、複数の永久磁石を長手方向に連接してなることを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のバイアス磁界発生用磁石ユニットにおいて、
   前記永久磁石が、フェライト磁石、希土類系焼結磁石又はボンド磁石であることを特徴とするバイアス磁界発生用磁石ユニット。
7. 磁気抵抗効果素子と、請求項１〜６のいずれかに記載のバイアス磁界発生用磁石ユニットとを有し、磁性体を有する被検出物の移動による磁束の変化を検出する磁気センサ。
8. 請求項７に記載の磁気センサにおいて、
   複数の前記磁気抵抗効果素子が前記被検出物の移動方向に平行に配置された構成を有していることを特徴とする磁気センサ。

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