JP4697498B2 - 磁気センサ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、紙幣等の磁性体媒体を検出する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、紙幣等の識別装置において、その処理能力を高めるために、紙幣等媒体の移動速度を速めることが重要な課題となっている。紙幣等媒体を識別する方法としては、媒体に光をあててその反射量や透過量を検出して判別したり、磁気ヘッドや、磁気センサ装置に代表されるように、媒体の磁気を検出して判別したりする。
【０００３】
磁気センサ装置における磁気の検出方法としては、図１に示すように永久磁石上に２個以上の磁気抵抗素子を直列に接続し、その両端に一定電圧を印可し磁気抵抗素子間の接続部分から出力を取り出すよう構成する。磁性媒体が接近することによって、２個の磁気抵抗素子に異なる磁界が加わり抵抗値が変化することにより接続中点の電圧値が変化する。このような構造をした磁気センサ装置の出力は、図２に示すように、磁気抵抗素子と磁性体媒体との距離に大きく依存する。図２において、横軸は磁気抵抗素子と磁性体媒体との距離、縦軸は出力である。このような構造をした磁気センサ装置に於いては、高い出力を得るためや、出力の再現性、安定度を高めるために、磁性体媒体と磁気センサ装置とをほぼ密着状態かわずかな接触状態で検出する。
【０００４】
しかし、近年においては、識別装置の処理能力を高めるために、紙幣等の磁性体媒体の搬送速度を速める要求が高まっている。紙幣等媒体の移動速度を速めると、磁気検出のため磁気センサ装置と磁性体媒体が密着か、もしくは接触状態にあると、その部分で紙幣等磁性体媒体の引っ掛かりが生じ媒体の移動の障害となる問題があり高速化は困難とされていた。そのため、紙幣等媒体を検出するセンサ−やその他周辺機器は、媒体を移動させる為のベルトやロ−ラ−等を除いては非接触であることが望ましい。上述した光の反射量や透過量を検出する判別手段では、非接触で検出するのが通常であり、磁気を検出し判別する手段にも非接触化が切望されていた。
【０００５】
磁気センサ装置において、紙幣等媒体の磁気を非接触で検出する手段としては、例えば、実公昭６２−４１２６６に既に開示されているように、半導体磁気抵抗素子を対極し、その対極面の空隙部分に紙幣等媒体を通過させ、対極した磁気抵抗素子の出力電圧を加算増幅する方法が提案されている。しかし、このように出力電圧を加算増幅すると磁気抵抗素子を駆動する為の電源のリップルや電源ノイズ、更には、磁気抵抗素子に誘導してしまう外来ノイズ等も加算されてしまい、実紙幣においては対向した２つの磁気センサ装置の間隔が１．５〜３．７５ｍｍ、つまり、実紙幣がこの間隔のほぼ中央部を通過するものとすれば、磁気センサ装置の検出面と実紙幣と間隔は０．７５ｍｍ以上ではノイズレベルより出力が小さく検出ができないという問題があった。実紙幣には当然折れ曲がりやしわなどがあり、この実紙幣を高速で移動させ、なおかつ引っ掛かりを防止するためには磁気センサ装置の検出面と実紙幣との距離は少なくとも１ｍｍ以上が望ましい。
【０００６】
磁気抵抗素子と磁性材媒体との距離を大きくすると、前述したように出力が小さくなるため、媒体と磁気抵抗素子が密着状態と同等のＳ／Ｎを得るためには、ノイズ成分を更に小さくする必要がある。特にノイズ低減のため従来から苦慮している電源について、更に低ノイズ化を図ることとなる。磁気センサ装置と紙幣等の磁性体媒体とが密着状態での出力電圧は約１ｍＶ程度であるが、その距離を大きくすると出力は数μＶかそれ以下となる。そのような低い信号成分以下のノイズやリップルの小さな電源で磁気抵抗素子を駆動させることは、電源部分が大型化してしまい、なおかつ製造コストも上がってしまい実現は困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、紙幣等の微少な磁気の検出でも非接触での検出が可能で、更にはＳ／Ｎ特性の優れた磁気センサ装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
課題を解決する為に半導体磁気抵抗素子を対向させ、２つの磁気センサ装置を構成し、対向した２つの磁気センサ装置の出力信号が反転し出力されるよう磁気抵抗素子を配置する。そのように構成した磁気センサ装置のそれぞれの磁気抵抗素子からの出力信号を差動増幅することにより、反転した磁気信号は加算増幅、同相のノイズ成分は減算増幅しＳ／Ｎを改善しようとするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
半導体磁気抵抗素子は、少なくとも２個一対の磁気抵抗素子を直列接続させ、その接続点から出力電圧を取り出す。その出力電圧は、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
であらわす事は既に周知である。ここで、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｖｉｎは磁気抵抗素子への印可電圧、Ｒ１は高電位側磁気抵抗素子抵抗値、Ｒ２は低電位側磁気抵抗素子抵抗値である。
【００１０】
一対の磁気抵抗素子を図３のように接続し磁性体媒体を矢印方向、つまり磁気抵抗素子の高電位側から低電位側に向かって移動させると、高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１の抵抗値が高くなり、逆に低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２の抵抗値は低くなる。更に、磁性媒体が移動をすると高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１と低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２の抵抗値は等しくなる。更に磁性媒体が移動を続けると、高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１の抵抗値は低くなり逆に低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２の抵抗値は高くなる。図４はその出力を波形として表したものである。横軸は磁性媒体移動量、縦軸は出力電圧である。
【００１１】
また、一対の磁気抵抗素子を図５のように接続し磁性体媒体を矢印方向、つまり低電位側磁気抵抗素子から高電位側磁気抵抗素子に向かって移動させると、低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２の抵抗値が高くなり、逆に高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１の抵抗値は低くなる。更に、磁性媒体が移動をすると低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２と高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１の抵抗値は等しくなる。更に磁性媒体が移動を続けると、低電位側磁気抵抗素子ＭＲ２の抵抗値は低くなり逆に高電位側磁気抵抗素子ＭＲ１の抵抗値は高くなる。図６はその出力を波形として表したものである。横軸は磁性媒体移動量、縦軸は電圧出力である。
【００１２】
つまり、磁性体媒体が一対の磁気抵抗素子の高電位側から接近した場合と、低電位側から接近した場合では、それぞれの出力電圧は反転した形態となる。
【００１３】
このような原理を基に、磁気抵抗素子を対向させ、対向された磁気抵抗素子の、それぞれの磁気抵抗素子の接続中点より高電位側磁気抵抗素子と低電位側磁気抵抗素子が逆になるように対面配置することにより、２つの磁気センサから出力される波形は反転された形態となり出力される。
しかし、これらから出力される波形には、前述したように実際には電源からなるノイズ成分も含まれているのが実状である。この、電源のノイズを除去するためには、対向した２個の磁気センサの電源を共通にし、図７に示すように各々から出力される電源ノイズの含まれた磁気に応じた信号成分を、増幅器７１で差動増幅することによりそのノイズ成分は減算され、互いに反転した磁気に応じた信号成分は、実際には加算されたように増幅される。つまり、信号処理後の出力電圧Ｖｏｕｔ１は、同相のノイズ成分は除去され、信号成分のみが増幅された信号である。なお、図７中破線は接続線を示す。
【００１４】
また、対向する永久磁石は同極対向させると対向した空隙部分の中央部においては、永久磁石の磁場が分散してしまい分解能が著しく低下してしまうため、異極対向とし、平行磁場に近い状態を保ち分解能の低下を防いだ。
【００１５】
更なるＳ／Ｎ向上のため対向した磁気抵抗素子を共通の筐体に内蔵したり、加えて前記筐体内に差動増幅回路や電源回路を内蔵することもある。
【００１６】
【実施例】
第１の実施例を図８に示す。
基板８２上に２個の磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２を固定する。２個の磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２のそれぞれの一端は基板８２の配線パタ−ン８２ｂに電気的に接続し、配線パタ−ン８２ｂで直列接続し、更に、配線パタ−ン８２ｂは出力端子８４に接続する。磁気抵抗素子ＭＲ１のもう一端は基板８２上の配線パタ−ン８２ａに電気的に接続し、更に、配線パタ−ン８２ａは、電源入力端子８３に接続する。磁気抵抗素子ＭＲ２のもう一端は基板８２上の配線パタ−ン８２ｃに電気的に接続し、更に、配線パタ−ン８２ｃはグランド端子８5に接続する。基板８２の磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２を固定した同一面は、磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２が筐体８６と接触しないように僅かな空隙を保つためにスペ−サ８１を介して固定する。基板８２の磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２を固定した反対の面は、永久磁石のＳ極面と固定する。
基板８２’上に２個の磁気抵抗素子ＭＲ１’、ＭＲ２’を固定する。２個の磁気抵抗素子ＭＲ１’、ＭＲ２’のそれぞれの一端は基板８２’の配線パタ−ン８２ｂ’に電気的に接続し、配線パタ−ン８２ｂ’で直列接続し、更に、配線パタ−ン８２ｂ’は出力端子８４’に接続する。磁気抵抗素子ＭＲ１’のもう一端は基板８２’上の配線パタ−ン８２ａ’に電気的に接続し、更に、配線パタ−ン８２ａ’は、電源入力端子８３’に接続する。磁気抵抗素子ＭＲ２’のもう一端は基板８２’上の配線パタ−ン８２ｃ’に電気的に接続し、更に、配線パタ−ン８２ｃ’はグランド端子８５’に接続する。基板８２’の磁気抵抗素子ＭＲ１’、ＭＲ２’を固定した同一面は、磁気抵抗素子ＭＲ１’、ＭＲ２’が筐体８６と接触しないように僅かな空隙を保つためにスペ−サ８１’を介し、磁気抵抗素子ＭＲ１、ＭＲ２と対面配置となるよう固定する。基板８２’の磁気抵抗素子ＭＲ１’、ＭＲ２’を固定した反対の面は、永久磁石のＮ極面と固定する。筐体８６は磁性体媒体が通過できるよう空隙Ｌが保たれる。電源入力端子８３と８３’は基板のパタ−ンもしくは配線８６によって電気的に接続され、電源Ｖｉｎが印可される、グランド端子８５と８５’は基板のパタ−ンかもしくはリ−ド線８７とによって電気的に接続され、電源のグランド側へと接続される。本実施例では、永久磁石１１のＳ極面、永久磁石１１’のＮ極面をそれぞれ基板８２、８２’に固定したが、図示はしないが、永久磁石１１のＮ局面、永久磁石１１’のＳ極面をそれぞれ基板８２、８２’に固定しても異極対向となるため同様の効果を得られる。また、図示はしないが、基板の配線又はリ−ド線８６を電源のグランドに、また、基板の配線又はリ−ド線８７に電源を印可しても同様の効果は得られる。
【００１７】
本発明による磁気センサ装置の信号処理例を図９に示す。磁性体媒体が移動することによって得られる信号Ｖｏｕｔはコンデンサ−Ｃ１、抵抗Ｒ１を介して増幅器９１の非反転入力端子へ入力する。また、磁性体が移動することによって得られる信号Ｖｏｕｔ’はコンデンサ−Ｃ１’、抵抗Ｒ１’を介して増幅器９１の反転入力端子へと入力する。増幅器９１の非反転入力端子は抵抗Ｒ２を介してグランドに接続し、増幅器９１の出力端子と増幅器９１の反転入力端子はコンデンサＣ２と抵抗Ｒ３を並列に接続する。このように差動増幅回路を構成することにより、磁気に応じたそれぞれ反転している出力信号Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ１は実際には加算されることとなり、また出力信号にのっている同相のノイズ信号は減算され、磁気に応じた信号成分のみ増幅されることとなる。
【００１８】
図１０に本発明による磁気センサ装置による磁性体媒体の検出結果を示す。図１０（ａ）は検出に用いた磁性体媒体である。磁性体媒体１０１は、紙幣とほぼ同等の磁性を施した幅約２ｍｍ、ピッチ約３ｍｍの７本のパタ−ンとした。図１０（ｂ）に示すように本発明による磁気センサ装置１０２の被検出媒体通路の空隙Ｌを２．２ｍｍとして、そのほぼ中央部に磁性体媒体１０１を移動させ磁気デ−タとして検出した。図１０（ｃ）に検出結果を示す。
検出結果からわかるように出力波形１０３は、空隙Ｌを２．２ｍｍ、つまり非検出体と磁気センサ装置との距離を１．１ｍｍとしても、出力信号がノイズに埋もれることもなく検出は可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、磁気センサ装置の検出面と媒体との距離が１ｍｍ以上でも磁気を検出する事ができるため、紙幣識別機の高速化が可能となる。
【００２０】
また、磁性体媒体と接触することが無いので半永久的に使用する事ができ、摺動性ノイズの発生も低減できる。
【００２１】
更には、従来から苦慮していた電源も、電源に含まれるノイズやリップル等が減算されるため、電源回路の設計が容易になり、加えてスイッチングレギュレ−タからの電源の供給も可能となった
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の磁気センサ装置の断面図
【図２】従来の磁気センサ装置のギャップ特性
【図３】従来の磁気センサ装置の検出模式図
【図４】磁気センサ装置の検出波形
【図５】従来の磁気センサ装置の検出模式図
【図６】磁気センサ装置の検出波形
【図７】本発明による磁気センサ装置の検出模式図
【図８】本発明による磁気センサ装置の断面図
【図９】本発明による磁気センサ装置の信号処理回路例
【図１０】（ａ）被検出体
（ｂ）本発明による磁気センサ装置の被検出体の検出方法
（ｃ）本発明による磁気センサ装置の検出結果
【符号の説明】
Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ’ 出力電圧
Ｖｉｎ 入力電圧
ＧＮＤ グランド
ＭＲ１、ＭＲ１’ 高電位側磁気抵抗素子
ＭＲ２、ＭＲ２’ 低電位側磁気抵抗素子
Ｖｏｕｔ１ 信号処理後の出力電圧
Ｌ 空隙長
Ｃ１、Ｃ１’、Ｃ２ コンデンサ−
Ｒ１、Ｒ１’、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗器
Ｓ 永久磁石のＳ極
Ｎ 永久磁石のＮ極
１１ 永久磁石
１２、１２’ 磁気抵抗素子
３１ 磁性体媒体
７１ 差動増幅器
８１、８１’ スペ−サ
８２、８２’ 基板
８２ａ、８２ａ’、８２ｂ、８２ｂ’、８２ｃ、８２ｃ’ 基板パタ−ン
８３、８３’ 電源入力端子
８４、８４’ 出力端子
８５、８５’ グランド端子
８６ 電源パタ−ン、もしくはリ−ド線
８７ グランドパタ−ン、もしくはリ−ド線
８８ ８８’ 出力パタ−ン、もしくはリ−ド線
８９ 信号処理部
１０１ 被検出体
１０２ 本発明による磁気センサ装置
１０３ 出力波形

Claims (1)

1. 第１の永久磁石の近傍に、接続中点から出力を取り出せるように直列接続された少なくとも２個１対の第1の磁気抵抗素子を配置し、第２の永久磁石の近傍に、接続中点から出力を取り出せるように直列接続された少なくとも２個１対の第２の磁気抵抗素子を配置し、第１の磁気抵抗素子と、第２の磁気抵抗素子は所定の空隔をおいて対向配置し、第１の永久磁石と第２の永久磁石は第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子を挟み込むよう対向配置し、第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子との所定の空隔中を非検出体が通過する構造をもつ磁気センサ装置において、第1の永久磁石と第２の永久磁石は異極対向配置し、少なくとも２個１対の第１の磁気抵抗素子の接続中点より高電位側磁気抵抗素子は、少なくとも２個１対の第２の磁気抵抗素子の接続中点より低電位側磁気抵抗素子と対面配置し、少なくとも２個１対の第１の磁気抵抗素子の接続中点より低電位側磁気抵抗素子は、少なくとも２個１対の第２の磁気抵抗素子の接続中点より高電位側磁気抵抗素子と対面配置し、少なくとも２個１対の第１の磁気抵抗素子と、少なくとも２個１対の第２の磁気抵抗素子には１つからなる電源装置から電圧を供給し、少なくとも２個１対の第１の磁気抵抗素子の出力電圧と、少なくとも２個１対の第２の磁気抵抗素子の出力電圧を差動増幅回路により増幅することを特徴とした、磁気センサ装置。

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