JP2020071096A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップ及び磁性体を磁気シールドで覆った構造を有する磁気センサにおいて、検出感度の空間的なムラを低減する。【解決手段】本発明による磁気センサは、センサチップ３０と、磁束をセンサチップ３０に集める磁性体４０と、センサチップ３０及び磁性体４０を覆う磁気シールド５０とを備える。磁性体４０は、磁気シールド５０のギャップＧ内に配置され、ギャップＧのｙ方向における間隔は、磁性体４０のｘ方向における中央部を挟み込む位置よりも、磁性体４０のｘ方向における端部を挟み込む位置の方が広い。本発明によれば、磁性体４０の端部を挟み込む位置においてギャップＧの間隔が拡大されていることから、磁性体４０の端部における集磁能力を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、紙幣などの被測定部材を一軸方向にスキャンするタイプに適した磁気センサに関する。

紙幣などの被測定部材を一軸方向にスキャンするタイプの磁気センサとしては、特許文献１に記載された磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、ケースに取り付けられた磁気検出素子を金属製のカバーで覆った構成を有しており、紙幣などの被測定部材がカバー上を通過する際に、被測定部材に埋め込まれた磁気パターンを磁気検出素子によって読み取る。

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサは、磁気検出素子を単にカバーで覆っているだけであることから、スキャン方向における分解能（空間分解能）が不十分であるという問題があった。

また、特許文献２及び３に記載されているように、磁気センサには、磁気検出素子に磁束を集めるための磁性体が設けられることがある。磁気センサに磁性体を設けると、磁気の検出感度が高められるとともに、指向性を持たせることも可能となる。

国際公開第２００５／０８３４５７号 特許第５５００７８５号公報 特開２０１６−１７００２８号公報

しかしながら、磁性体の集磁能力は必ずしも均一ではなく、場合によっては局所的に集磁能力が高かったり、局所的に集磁能力が低かったりすることがあり、この場合には、検出感度に空間的なムラが生じてしまう。このような現象は、空間分解能を高めるためにセンサチップ及び磁性体を磁気シールドで覆うと特に顕著となる。

したがって、本発明は、センサチップ及び磁性体を磁気シールドで覆った構造を有する磁気センサにおいて、検出感度の空間的なムラを低減することを目的とする。

本発明による磁気センサは、磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、素子形成面と平行な第１の方向を長手方向とし、素子形成面と平行且つ第１の方向と直交する第２の方向を厚み方向とする板状部材であり、磁束を磁気検出素子に集める磁性体と、センサチップ及び磁性体を覆う磁気シールドとを備え、磁気シールドは、第２の方向からセンサチップを挟み込む第１及び第２の側壁部と、第１の側壁部の一端に接続され、磁性体に向けて第２の方向に延在する第１の天板部と、第２の側壁部の一端に接続され、磁性体に向けて第２の方向に延在する第２の天板部とを含み、磁性体は、第１及び第２の天板部と接することなく、第１の天板部の先端と第２の天板部の先端によって形成されるギャップ内に配置され、ギャップの第２の方向における間隔は、磁性体の第１の方向における中央部を挟み込む位置よりも、磁性体の第１の方向における端部を挟み込む位置の方が広いことを特徴とする。

本発明によれば、磁気シールドによって形成されるギャップ内に磁性体を配置していることから、磁性体の直下（又は直上）に位置する磁気パターンに対する検出選択性を高めることが可能となる。したがって、例えば、ギャップの幅方向に被測定部材をスキャンすれば、特にスキャン方向における空間分解能を高めることが可能となる。しかも、磁性体の端部を挟み込む位置においてギャップの間隔が拡大されていることから、磁性体の端部における集磁能力を高めることができる。

本発明において、磁性体の第１の方向におけるサイズは、センサチップの第１の方向におけるサイズよりも大きくても構わない。センサチップよりもサイズの大きい磁性体を用いる場合、検出感度の空間的なムラが顕著となるが、本発明によればこのような場合であっても、検出感度の空間的なムラを低減することが可能となる。

このように、本発明によれば、センサチップ及び磁性体を磁気シールドで覆った構造を有する磁気センサにおいて、検出感度の空間的なムラを低減することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による磁気センサの構造を説明するための略斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態による磁気センサの構造を説明するための略上面図である。 図３は、本体部１０の構造を説明するための略斜視図である。 図４は、本体部１０の構造を説明するための略上面図である。 図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。 図６は、本発明の一実施形態による磁気センサのｙｚ断面図である。 図７は、磁気シールド５０の効果を説明するためのグラフである。 図８は、本発明の一実施形態による磁気センサのｘ方向における感度分布を示すグラフである。 図９は、切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１の位置と磁気センサのｘ方向における感度分布との関係を示すグラフである。 図１０は、本体部１０を複数用いた長尺型の磁気センサを示す略斜視図である。 図１１は、第１の変形例による磁気センサを示す略上面図である。 図１２は、第２の変形例による磁気センサを示す略上面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２は本発明の一実施形態による磁気センサの構造を説明するための図であり、図１は略斜視図、図２は略上面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による磁気センサは、基板２０に搭載された本体部１０と、本体部１０及び基板２０を覆う磁気シールド５０とを備えている。本体部１０は、略直方体形状を有し、基板２０の実装領域２１に実装されたセンサチップ３０と、ｘ方向を長手方向とする板状の磁性体４０からなる。磁気シールド５０は、ノイズとなる磁束を遮断することによって磁気センサの指向性を高めるための部材であり、パーマロイなど透磁率の高い磁性金属材料を用いることが好ましい。

図３及び図４は本体部１０の構造を説明するための図であり、図３は略斜視図、図４は略上面図である。

図３及び図４に示すように、基板２０は実装領域２１を有しており、実装領域２１に本体部１０が実装される。上述の通り、本体部１０はセンサチップ３０と磁性体４０からなる。センサチップ３０の上面である素子形成面３１上には、４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４と複数の端子電極３２が形成されており、これら端子電極３２は、ボンディングワイヤＢＷを介して基板２０に設けられた端子電極２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４としては、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることが好ましい。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、図２の矢印Ｐが示す方向（ｙ方向）に全て揃えられている。

センサチップ３０の素子形成面３１上には、フェライトなどの高透磁率材料からなる磁性体４０が固定されている。磁性体４０は、ｘ方向を長手方向とし、ｙ方向を厚み方向とする板状部材であり、磁束φをセンサチップ３０に集める役割を果たす。磁性体４０のｘ方向における長さＬ１は、センサチップ３０のｘ方向における長さＬ０よりも長く、磁性体４０のｙ方向における厚みＴ１は、センサチップ３０のｙ方向における幅Ｔ０よりも薄い。

磁性体４０は、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３と磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４との間に配置される。ここで、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３はｙ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４はｙ方向における位置が等しい。また、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４はｘ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３はｘ方向における位置が等しい。磁性体４０は、垂直方向（ｚ方向）の磁束φを集める役割を果たし、磁性体４０によって集磁された磁束φは、ｙ方向にほぼ均等に分配される。このため、垂直方向の磁束φは、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に対してほぼ均等に与えられることになる。

図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。

図５に示すように、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ１は、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。同様に、磁気検出素子Ｒ３，Ｒ４も、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。そして、磁気検出素子Ｒ１と磁気検出素子Ｒ２の接続点の電位Ｖａは所定の端子電極３２を介して外部に出力され、磁気検出素子Ｒ３と磁気検出素子Ｒ４の接続点の電位Ｖｂは別の端子電極３２を介して外部に出力される。

そして、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３は平面視で磁性体４０からみて一方側（図４では上側）に配置され、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４は平面視で磁性体４０からみて他方側（図４では下側）に配置されていることから、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。つまり、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は、全て同一の磁化固定方向を有していることから、平面視で磁性体４０からみて一方側に位置する磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、平面視で磁性体４０からみて他方側に位置する磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図５に示した差動ブリッジ回路によって増幅される。但し、本発明において４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４を用いることは必須ではなく、例えば２つの磁気検出素子（Ｒ１とＲ４）を用いても構わない。

図６は、本実施形態による磁気センサのｙｚ断面図である。

図６に示すように、磁気センサを構成する基板２０、センサチップ３０及び磁性体４０は、磁気シールド５０によって大部分が覆われる。磁気シールド５０は、ｙ方向からセンサチップ３０を挟み込む第１及び第２の側壁部５１，５２と、第１の側壁部５１のｚ方向における一端に接続され、磁性体４０に向けてｙ方向に延在する第１の天板部５３と、第２の側壁部５２のｚ方向における一端に接続され、磁性体４０に向けてｙ方向に延在する第２の天板部５４と、第１の側壁部５１のｚ方向における他端と第２の側壁部５２のｚ方向における他端を接続する底板部５５を有している。第１及び第２の側壁部５１，５２はｘｚ平面を構成し、第１及び第２の天板部５３，５４と底板部５５はｘｙ平面を構成する。

そして、磁気シールド５０の材料としてパーマロイなどの磁性金属材料を用いれば、１枚の磁性金属板を折り曲げることにより、磁気シールド５０を作製することが可能となる。但し、磁気シールド５０が一体的である必要はなく、複数の磁性部材を接着したものであっても構わない。また、磁気シールド５０と基板２０に囲まれた空間を樹脂材料でモールドしても構わない。このように、磁気シールド５０は略筒状体であることから、センサチップ３０及び磁性体４０が搭載された基板２０を筒状の磁気シールド５０に挿入することによって磁気センサを作製することができる。この場合、磁気シールド５０自体を磁気センサの筐体として使用することも可能である。但し、磁気シールド５０が略筒状体である必要はなく、底板部５５を省略し、第１の側壁部５１と第１の天板部５３からなる部分と、第２の側壁部５２と第２の天板部５４からなる部分を別部材によって構成しても構わない。

図６に示すように、本実施形態においては、第１の天板部５３の先端と第２の天板部５４の先端によって形成されるギャップＧ内に磁性体４０が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体４０の上面は、第１及び第２の天板部５３，５４と同一平面に位置することが好ましい。これは、第１及び第２の天板部５３，５４から見て、磁性体４０の上面が奥側に引っ込むほど磁界の検出感度が低下する一方、磁性体４０の上面の突出量が大きくなるほどノイズの影響を受けやすくなるからである。また、磁性体４０は、第１及び第２の天板部５３，５４と接しておらず、第１及び第２の天板部５３，５４に対して所定の間隔Ｓを有している。磁性体４０と第１及び第２の天板部５３，５４の間には、樹脂などの非磁性部材が介在していても構わない。

図６には、被測定部材６０も示されている。被測定部材６０はｙ方向に配列された磁気パターンＭ１，Ｍ２を有しており、被測定部材６０をｙ方向にスキャンすると、磁気パターンＭ１，Ｍ２が磁性体４０の直下をｙ方向に通過することになる。尚、被測定部材６０のスキャンは、磁気センサを固定した状態で被測定部材６０をｙ方向に移動させても構わないし、逆に、被測定部材６０を固定した状態で磁気センサをｙ方向に移動させても構わない。また、磁気センサと被測定部材６０の上下位置は逆であっても構わない。そして、磁気パターンＭ１，Ｍ２が磁性体４０の直下をｙ方向に通過する際、磁気パターンＭ１，Ｍ２によって生じる磁束が磁性体４０を介して磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に与えられ、これによって磁気パターンＭ１，Ｍ２が読み取られる。

図６においては、磁気パターンＭ１が磁性体４０の直下に位置しているため、このタイミングでは、磁気パターンＭ１によって生じる磁束が読み取られる。しかしながら、磁気パターンＭ１のｙ方向における近傍には別の磁気パターンＭ２が存在しているため、この磁気パターンＭ２によって生じる磁束の一部も同じタイミングで読み取られてしまう。磁気パターンＭ２によって生じる磁束は、磁気パターンＭ１を読み取るタイミングにおいてはノイズである。

しかしながら、本実施形態による磁気センサは磁気シールド５０を備えており、磁性体４０の直下に位置しない磁気パターン（図６においてはＭ２）の磁束を磁気シールド５０によって遮断することができる。つまり、ノイズとなるｙ方向の磁束については、ｘｚ平面を有する第１及び第２の側壁部５１，５２によって遮断され、ノイズとなるｚ方向の磁束については、ｘｙ平面を有する第１及び第２の天板部５３，５４によって遮断される。これにより、磁性体４０の直下に位置する磁気パターン（図６においてはＭ１）から生じる磁束をより選択的に読み取ることができ、空間分解能が高められる。

図７は、磁気シールド５０の効果を説明するためのグラフであり、横軸は磁性体４０を基準とした磁気パターンのｙ方向における位置を示し、縦軸は検出磁界の強度を示している。検出磁界の強度は、ピーク値を１として規格化している。図７に示すように、磁気シールド５０を備える磁気センサは、磁気シールド５０を備えない磁気センサに比べて検出磁界の波形がシャープとなり、空間分解能が向上していることが分かる。

本実施形態においては、図２に示すように、第１の天板部５３の先端と第２の天板部５４の先端によって形成されるギャップＧのｙ方向における間隔が一定ではなく、磁性体４０のｘ方向における両端部に対応する部分において間隔が拡大されている。より具体的には、ｚ方向から見てセンサチップ３０と重なる位置におけるギャップＧの間隔をＧ１とし、ｚ方向から見てセンサチップ３０と重ならない磁性体４０の両端部を挟み込む位置におけるギャップＧの間隔をＧ２とした場合、Ｇ１＜Ｇ２である。本実施形態においては、ギャップＧの間隔がＧ１である範囲がセンサチップ３０と重ならない位置まで拡大されている。つまり、ｚ方向から見てセンサチップ３０と重ならない位置におけるギャップＧの間隔は、磁性体４０の両端部を挟み込む位置だけが選択的にＧ２に拡大されており、センサチップ３０に近い領域においてはＧ１である。

ギャップＧは、天板部５３，５４にそれぞれ切り欠き５３ａ，５４ａを設けることによって間隔が拡大されており、図２に示す例では、ｘ方向における幅Ｗに亘ってギャップＧの間隔が拡大されている。ここで、天板部５３，５４に設けられた切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジをＥ１、内側エッジをＥ２とした場合、外側エッジＥ１のｘ方向位置は、磁性体４０のｘ方向における端部と同じ位置か、或いは、磁性体４０のｘ方向における端部よりも外側に位置することが好ましい。切り欠き５３ａ，５４ａの幅Ｗについては特に限定されないが、磁性体４０のｘ方向における長さＬ１に対し、それぞれ１０％〜１５％の範囲に設定すれば、最もフラットな特性が得られる。切り欠き５３ａ，５４ａの深さＤについては、磁性体４０の厚みＴ１の１．５倍〜５倍程度とすれば良い。

図８は、本実施形態による磁気センサのｘ方向における感度分布を示すグラフであり、磁性体４０のｘ方向における長さＬ１が８．０ｍｍ、ｙ方向における厚さＴ１が０．１５ｍｍ、ｚ方向における高さが１．３ｍｍであり、磁気シールド５０に設けられた切り欠き５３ａ，５４ａの幅Ｗが１ｍｍ、深さＤが０．５５ｍｍである場合のシミュレーション結果を示している。切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１の位置は、磁性体４０のｘ方向における端部位置と一致している。比較のため、図８には磁気シールド５０に切り欠き５３ａ，５４ａが設けられていない場合の特性も示されている。

図８に示すように、磁気シールド５０に切り欠き５３ａ，５４ａが設けられていない場合、ｘ方向における両端部において感度が低下する。これに対し、磁気シールド５０に切り欠き５３ａ，５４ａを設けると、ｘ方向における両端部の感度が向上し、よりフラットな特性が得られる。

磁性体４０の両端部における感度が低下する理由は次の通りである。

磁性体４０に対してｚ方向の磁束φが存在する場合、磁束φは磁性体４０と磁気シールド５０に流れ込む。さらに、磁束φが磁性体４０と磁気シールド５０に流れ込む割合はｘ方向に位置において一定ではなく、磁性体４０の両端部においては磁性体４０の中央部よりも減少する傾向がある。これは、磁気パターンＭ１から発生する磁束のｘ方向の領域に対して、磁性体４０の中央部に磁気パターンＭ１が位置するときにはおおよそ全領域の磁束φが磁性体４０に流れ込むが、磁性体４０の両端部に磁気パターンＭ１が位置するときには磁性体４０に流れ込む磁束φが全領域よりも狭い領域となり結果的に磁性体４０を通過し磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に与えられる磁束の量が減るためである。このようなメカニズムにより、単純な板状体である磁性体４０を用いた場合には、両端部における感度が大幅に低下してしまう。

これに対し、本実施形態による磁気センサにおいては、磁性体４０のｘ方向における両端部に対応する部分においてギャップＧが拡大されており、これにより磁気シールド５０に流れ込む磁束φを低減させていることから、両端部における感度の低下が補われる。その結果、よりフラットな特性を得ることが可能となる。

図９は、切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１の位置と磁気センサのｘ方向における感度分布との関係を示すグラフであり、外側エッジＥ１の位置が異なる他は、図８のシミュレーション条件と同じである。

図９に示すように、切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１と磁性体４０のｘ方向における端部位置が一致している場合（±０ｍｍ）と比べ、外側エッジＥ１が磁性体４０のｘ方向における端部よりもさらに外側にある場合（＋０．４ｍｍ）には、両端部における感度がより向上し、その結果、よりフラットな特性が得られている。これに対し、外側エッジＥ１が磁性体４０のｘ方向における端部よりも内側にある場合（−０．４ｍｍ）には、両端部における感度低下を補う効果が弱くなってしまう。この結果を踏まえれば、切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１は、磁性体４０のｘ方向における端部位置と一致しているか、或いは、より外側に位置することが好ましいと言える。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサは、センサチップ３０及び磁性体４０を覆う磁気シールド５０を備えていることから、磁性体４０の直下（又は直上）に位置する磁気パターンに対する検出選択性を高めることが可能となる。しかも、磁性体４０の端部を挟み込む位置においてギャップＧの間隔が拡大されていることから、磁性体４０の端部における集磁能力が高められ、その結果、よりフラットな特性を得ることが可能となる。

また、図１０に示すように、磁気シールド５０の内部に本体部１０をｘ方向に複数配列すれば、長尺型の磁気センサを構成することが可能である。これによれば、ｙ方向に移動する紙幣などの被測定部材（図示せず）に設けられた磁気パターンをスキャンすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、磁気シールド５０に設けた切り欠き５３ａ，５４ａが矩形であるが、切り欠き５３ａ，５４ａの形状がこれに限定されるものではない。一例として、図１１及び図１２に示すように、切り欠き５３ａ，５４ａの形状を三角形としても構わない。図１１に示す例では、切り欠き５３ａ，５４ａの外側エッジＥ１がｙ方向に延在している。図１２に示す例では、切り欠き５３ａ，５４ａの最深部Ｅ３から外側に向かう角度よりも、最深部Ｅ３から内側に向かう角度をなだらかとすることにより、磁束φが磁気シールド５０に流れ込む割合を微調整している。本発明においては、磁気シールド５０に設けた切り欠き５３ａ，５４ａがこのような形状であっても構わない。

１０ 本体部
２０ 基板
２１ 実装領域
２２ 端子電極
３０ センサチップ
３１ 素子形成面
３２ 端子電極
４０ 磁性体
５０ 磁気シールド
５１ 第１の側壁部
５２ 第２の側壁部
５３ 第１の天板部
５４ 第２の天板部
５３ａ，５４ａ 切り欠き
５５ 底板部
６０ 被測定部材
ＢＷ ボンディングワイヤ
Ｅ１ 外側エッジ
Ｅ２ 内側エッジ
Ｅ３ 最深部
Ｇ ギャップ
Ｍ１，Ｍ２ 磁気パターン
Ｒ１〜Ｒ４ 磁気検出素子
Ｓ 間隔
φ 磁束

Claims (3)

1. 磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、
   前記素子形成面と平行な第１の方向を長手方向とし、前記素子形成面と平行且つ前記第１の方向と直交する第２の方向を厚み方向とする板状部材であり、磁束を前記磁気検出素子に集める磁性体と、
   前記センサチップ及び前記磁性体を覆う磁気シールドと、を備え、
   前記磁気シールドは、前記第２の方向から前記センサチップを挟み込む第１及び第２の側壁部と、前記第１の側壁部の一端に接続され、前記磁性体に向けて前記第２の方向に延在する第１の天板部と、前記第２の側壁部の一端に接続され、前記磁性体に向けて前記第２の方向に延在する第２の天板部とを含み、
   前記磁性体は、前記第１及び第２の天板部と接することなく、前記第１の天板部の先端と前記第２の天板部の先端によって形成されるギャップ内に配置され、
   前記ギャップの前記第２の方向における間隔は、前記磁性体の前記第１の方向における中央部を挟み込む位置よりも、前記磁性体の前記第１の方向における端部を挟み込む位置の方が広いことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁性体の前記第１の方向におけるサイズは、前記センサチップの前記第１の方向におけるサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第２の方向は、被測定部材のスキャン方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。

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