JP4767585B2 - 磁性量検知型磁気センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、紙幣等の各種の媒体の磁性材料で描画された磁気像を読み取って、媒体の真偽を判別するのに用いられる磁気センサ装置に関し、特に磁気像に含まれる磁性量を検知することができる磁性量検知型の磁気センサ装置に関する。

紙幣の鑑別では、紙幣の模様、図形の光学的なパターンや磁気的パターン（磁気像）を読み取って、電気信号に変換し画像データとして、券種や真偽を判定しており、従来、紙幣の磁気像を読み取るのに、磁気ヘッド型の磁気センサ装置が用いられており、その磁気センサ装置としてＭＲ（磁気抵抗効果）素子を用いた微分型のものが多用されている。

図９に示すように、この微分型の磁気センサ装置１１は、本体ケース１２内に、基盤１３に設けられた２つのＭＲ素子Ａ、Ｂを配置し、その背面側に永久磁石１５を配置してなっている。ＭＲ素子Ａ、Ｂは、それらを結ぶ方向に感磁軸ｑを有するように基盤１３に設置され、素子Ａ、Ｂの間をリード線で接続して磁気センサ１４が構成される。磁石１５は、中心磁力線がセンサ１４に垂直かつ２つの素子Ａ、Ｂを結ぶ線のほぼ中央に直角に通るようにセンサ１４に磁気バイアスを印加するようになっている。このセンサ１４の構造の模式図を図１０（ａ）に示す。

紙幣ｐは、センサ１４のＭＲ素子Ａ、Ｂを結ぶ方向（感磁軸ｑの方向）に沿ってセンサ１４に密着または極わずかの間隙をあけて移動される。紙幣ｐには、磁気インク像（図柄等の磁気像）が磁気インクで印刷されている。紙幣ｐの磁気インク像がセンサ１４を通過する際、磁石１５からの磁力線は通過中は曲がらないが、通過の前後では磁気インク像に引っ張られて曲がり、通過の前後でＭＲ素子Ａ、Ｂにかかる磁界が変化し、素子Ａ、Ｂの抵抗が変化して、素子Ａ、Ｂ間の抵抗変化量により、センサ１４の出力端１４ａに、図１０（ｂ）に示すように、零のフラット部を挟んで前後にプラスのピーク、マイナスのピークが現れる微分波形の出力が発生する。

この磁気センサ装置１１では、磁気インク像のエッジのみが検出されることになるため、出力波形を積分して元の像を復元しなければならないが、一般に紙幣の折れ目やしわでセンサからの距離が一定せず、検知出力が一定しないため、出力波形を積分した像は元の像からかなり異なってしまい、検出精度が劣化する問題があった。また紙幣の移動方向に対し斜めに設けられた磁気インク像の部分では、センサに磁気インク像が徐々に近づいてくるため、ＭＲ素子Ａ、Ｂ間の磁気変化量が小さく、出力が小さくなる欠点がある。さらに、２つのＭＲ素子の磁気反応の違いから出力を得ているので、素子間隔と同程度のパターン間隔の磁気インク像に対し検出感度が低下する欠点があり、極端な場合、素子間隔と磁気インク像のパターン間隔が同じときには、素子Ａと素子Ｂは常に磁気インク像に対し同じ反応をすることになって、出力端に何の信号も現れない事態を生じる。

上記の微分型磁気センサ１４は、２つのＭＲ素子の磁気反応の違いから出力を得るので傾斜型の磁気センサとも呼ばれる。また、該磁気センサ１４を用いた磁気センサ装置１１は、２つの素子に磁石５により背面側から磁気バイアスを印加するので、バックバイアス方式と呼ばれるが、他方、図１１に示すようなプリバイアス方式が知られている。このプリバイアス方式では、磁気センサ１６の上流側に磁石１５を配置して、紙幣ｐがセンサ１６を通過する前に予め紙幣ｐの磁気インク像ｒを磁化しておき、磁気インクから発生する磁気をセンサ１６によって検知するものである。例えば磁気センサ１６は１個のＭＲ素子Ａと抵抗Ｒとを接続した磁気強度型のセンサ構造を採る。

しかし、このプリバイアス方式では、紙幣ｐの磁気インク像ｒは厚み方向、即ち上下方向にＳＮに着磁されず、移動方向に着磁されるので、磁気インク像ｒの磁性量を直接検知することはできない。しかも、磁気インク像ｒに軟磁性の磁気インクを用いている場合、磁石５により磁気インク像ｒの移動途上で磁化しても、磁気強度センサ１６の位置に来たときには磁化はなくなっており、磁気を検知できない。

なお、従来、磁気インク像等の磁気像の磁性量を直接検知できる磁気センサ装置としては、例えば特許文献１のものが知られているが、これは、ＭＲ素子が２個必要なため、永久磁石によるバイアスの均等な印加が難しく、また２個のセンサ素子による磁性量検知であるため、素子間の間隔により検知分解能が悪化する等の欠点があった。
特開２００５−０３０８７２号公報

したがって、本発明の課題は、磁気インク像等の磁性材料で描画された磁気像を該磁気像の磁性量に対応した検知出力で検知することができ、検知分解能の低下もない磁性量検知型の磁気センサ装置を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明の磁性量検知型磁気センサ装置は、磁性材料で描画した磁気像を有する媒体との間で相対移動される磁気センサと、該センサにその感磁軸に中心磁力線を与えかつ中心磁力線の方向が媒体の移動方向と一致する、該媒体の移動方向に関して該センサの下流側に位置する永久磁石とからなり、該センサの感磁軸は、媒体と直角乃至媒体の移動方向に関して上流側にやや前傾した姿勢に置かれ、該センサに接触乃至狭間隙を存して通過する媒体の磁気像を該磁気像の磁性量に応じた検知出力で検知することを特徴とする。

本発明によれば、磁気センサ装置を、感磁軸を媒体と直角乃至媒体の移動方向に関して上流側に前傾した姿勢に置いた磁気センサと、該磁気センサの感磁軸とほぼ垂直に中心磁力線を与えかつ中心磁力線の方向が媒体の移動方向と一致する、該媒体の移動方向に関して該センサの下流側に位置する永久磁石とから構成するので、媒体と磁気センサとの相対移動によって媒体の磁気像が磁気センサを通過する際、磁性像の通過中、センサ素子を横切っている磁力線が磁性像に引っ張られて曲がり、センサ素子の抵抗が変化する。これにより、振幅が磁気像の磁性量に応じた出力波形が得られ、磁気像を磁性量に対応した検知出力で検知することができる。

したがって本発明では、検知出力が微分出力波形である磁気センサ装置のように、検知出力を積分することによって元の像を復元する際の検出精度の劣化の問題がなく、元の像を精度よく復元して検出することができる。また磁気像をパターン間隔に関係なく検知することができ、さらに媒体の移動方向に対し斜めに設けられた磁気像の部分に対しても検知することができる。また磁気像の磁性量の検知は１個のセンサ素子により行うので、２個のセンサ素子を使用して磁性量を検知するときのような、永久磁石による磁気バイアスの不均等な印加の問題もなく、さらに検知分解能は素子の大きさによってのみ制限され、極めて高い分解能を得ることができ、検知分解能の悪化の問題もない。

上記において、センサ素子は媒体に近ければ近いほど大きな出力が得られるが、磁石は必要な磁気特性を持たせるためにある程度大きくならざるを得ず、磁石がセンサ素子から下方にはみ出すことがあり、センサを媒体に近接させることができなくなって、センサの検知感度の悪化に繋がる。そこで、センサ素子と永久磁石との位置関係を保ったまま、媒体の移動方向に関し上流側に上限６０°以内の範囲で直角位置から前傾させてセンサ素子の位置を下げれば、大きいサイズの磁石を用いても、センサ素子を媒体に近づけることができ、センサの検知感度を向上することができる。

本発明で使用する磁気センサとしては、典型的には磁気強度センサが挙げられ、ＭＲ素子とこれに接続した抵抗とを使用し定電圧で駆動されるものや、定電流で駆動されるＭＲ素子を使用したもの、およびセンサ素子としてこれらのＭＲ素子の代わりにＧＭＲ（巨大抵抗効果）素子を使用したものを用いることができる。しかしながら、２つのＭＲ素子やＧＭＲ素子を接続した微分型磁気センサであってもよく、磁気センサは媒体に対し直角乃至前傾の姿勢で使用するので、磁気センサの上側に位置するセンサ素子は媒体から遠く、センサ素子を横切る磁力線に媒体の磁気像による変化が小さいため、素子の抵抗がほとんど変化せず抵抗器として作用するからである。

本発明によれば、磁気センサと永久磁石とは、非磁性材料のケースに収容して使用される。磁気センサ装置による検知対象の媒体としては、典型的には、磁気インク像を描画した紙幣を挙げることができるが、磁性材料で磁気像を描画したものなら各種の媒体を対象とすることができる。

本発明の磁気センサ装置によれば、磁気インク像等の磁性材料で描画された磁気像を該磁気像の磁性量に比例した検知出力で検知することができ、検知分解能の低下もない。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳述する。図１は、本発明の磁気センサ装置の一実施例を示す。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の磁気センサ装置１は、下端の開口を窓板６で塞いだ本体ケース２内に、磁気強度センサ３と永久磁石５とを設置してなっている。本体ケース２内には縦方向のホルダ板７が設置され、磁気センサ３はこれを設置した基盤４を介してホルダ板７に取り付けて、センサ３のＭＲ素子Ａが本体ケース２内下部に位置するように配置されている。磁石５はホルダ板７の反対側の面に取り付けて、紙幣ｐの移動方向に関してＭＲ素子Ａの下流側に配置されている。本体ケース２内は、充填材８を充填して隙間を塞いでいる。

磁気強度センサ３は、図２（ａ）に示すように、基盤４の表面に下端に近接させて貼り付けたチップ体のＭＲ素子Ａと、素子Ａの上方に貼り付けたチップ体の抵抗Ｒとをリード線９で接続してなっており、ＭＲ素子Ａと抵抗Ｒとの間には出力端３ａが接続され、ＭＲ素子Ａと抵抗Ｒの他端にはそれぞれ給電端３ｂ（−Ｖss）、３ｃ（＋Ｖcc）が接続されている。これらの端子は、ホルダ板７に設けたリード線９および該ホルダ板７に取り付けた導体リード１０を介して装置１の図外の検出回路に接続される。磁気強度センサ３の構造を模式的に示すと、図２（ｂ）のようになる。なお、センサ３は基板にＭＲ素子Ａや抵抗Ｒ、配線等をＩＣ技術で作成したものでもよい。

磁気強度センサ３のＭＲ素子Ａの感磁軸ｑは、紙幣ｐの面と直角の姿勢に置かれて、紙幣ｐの移動方向とは直角の幅方向中心軸線を通る垂直線上に位置している。永久磁石５は断面円形の棒状の磁石で、その一端、例えばＮ極端をセンサ３に向けて配置され、磁石５の中心軸線は、ＭＲ素子Ａの中心、即ちセンサ３の感磁軸の中心を通る線上に位置されている。かくすることにより、紙幣ｐの移動方向と一致する方向の磁石５からの中心磁力線が、センサ３のＭＲ素子Ａに感磁軸ｑとほぼ垂直に与えられる。

図３に、紙幣ｐ上の磁気インク像ｒが磁気強度センサ３の下を通過するときの様子を示す。紙幣ｐがセンサ３から離れているときは、磁気インク像による磁力線への影響はなく、センサ３の出力は基準状態にある（図３（ａ））。磁気インク像ｒがセンサ３に近づいてくると、ＭＲ素子Ａを横切っている磁力線が磁気インク像ｒの方向に曲がる（図３（ｂ））。ＭＲ素子Ａを横切る磁力線に感磁軸ｑ方向のベクトル成分が発生するので、センサ３には検知出力が発生する。磁気インク像ｒがセンサ３の下にくると、磁力線が下に大きく曲がり、センサ３からの検知出力は大となる（図３（ｃ））。この出力状態は磁気インク像ｒがセンサ３の下を通過する間、継続する。そして磁気インク像ｒの通過直後からＭＲ素子Ａを横切る磁力線の曲がりが小さくなって行き、感磁軸方向のベクトル成分は小さくなる（図３（ｄ））。さらに磁気インク像ｒがセンサ３から遠く離れると、センサ３の近傍の磁力線は元の状態に戻るので、センサ３の出力は基準状態に戻る（図３（ｅ））。

一連の動作の結果、センサ３から図４に示すような、紙幣ｐの走査方向（移動方向）上の長さが磁気インク像ｒの磁性量に対応した、即ち磁性量の多い少ないに応じて振幅が増減した方形波状の検知出力が得られる。紙幣ｐ上の連続した磁気インク像ｒ１、ｒ２、ｒ３を本発明の磁気センサ装置で検知したときの出力波形を、従来の微分型の磁気センサ装置で検知した場合と合わせて図５に示す。

本発明の他の実施例を図６により説明する。上記の実施例において、ＭＲ素子Ａは紙幣ｐに近ければ近いほど大きな出力が得られるので、素子Ａは先の図２に示したように、基盤４の下端に近く設けることが有利である。しかしながら、ＭＲ素子Ａを基盤の下端に近づけて設けても、素子Ａに所要の強さの磁気バイアスを垂直にかけるには、磁石５は必要な磁気特性を持たせるためにある程度大きくならざるを得ず、このため磁石５が基盤４の下端からはみ出す場合があり得る。磁石５の基盤４からのはみ出し量が大きくなると、磁石５が障害となってＭＲ素子Ａと紙幣ｐの間隙（エアギャップ）が大きくなるため、センサ３の検知感度が悪化する。

そこで、本実施例では、図６に示すように、基盤４と永久磁石５とを位置関係を保ったまま、紙幣ｐの移動方向上流側に前傾させることによって、基盤４上のＭＲ素子Ａの位置を下げるようにした。これによって、磁石５に大きいサイズのものを用いても、素子Ａを紙幣ｐに近づけることができ、センサ３の検知感度を向上することができる。なお、図６において符号７Ａは基盤４と磁石５とを前傾姿勢に保持したホルダブロックである。図６において図１に示した符号と同一の符号は同一の部材を示す。

この場合、紙幣ｐに対するＭＲ素子Ａの直角からの前傾の角度、したがって感磁軸ｑの前傾の角度θの上限はほぼ６０°であり、角度θがこれよりも大きくなるにつれて、磁力線の変化が小さくなり出力も減少する。また傾斜型磁気センサを用いた場合は、出力波形は方形波から微分型の波形に近づき、磁気インク像の磁性量に対応した検知出力が得られなくなる。

以上の実施例では、いずれも、磁気センサ３としてＭＲ素子と抵抗とを接続して電圧で駆動する電圧駆動型の磁気強度センサを使用したが、図７（ａ）に示すように、１つのＭＲ素子を電流で駆動する電流駆動型の磁気センサ３Ａを使用することもできる。

また図７（ｂ）に示すように、２つのＭＲ素子を接続した微分型の磁気センサ（傾斜センサ）３Ｂを用いることもできる（センサ構造は、図１０（ａ）の磁気センサ１４と同じである）。本発明では、磁気センサを紙幣ｐに対し直角乃至前傾の姿勢で使用するので、磁気センサ３Ｂの上側に位置するＭＲ素子Ｂは媒体ｐの中心から遠く、磁気インク像ｒが近づいても素子Ｂを横切る磁力線の変化が小さいので、素子Ｂの抵抗がほとんど変化せず抵抗器として作用する。したがって、微分型のセンサ３Ｂを用いても同様の効果を得ることができる。

さらにＭＲ素子の代わりにＧＭＲ（巨大抵抗効果）素子を使用した磁気センサを用いることができる。このＧＭＲ素子は、一般にＭＲ素子よりも検知感度が数倍高いといわれており、図８（ａ）に示すように、磁気に対する抵抗値変化の特性が逆Ｖ字型をしている。つまり、磁界の極性に無関係に磁界の強さによって抵抗値が変化する。ただし、逆Ｖ字の頂点であるゼロ磁界近辺では、特性曲線の傾斜が小さく感度が悪い（なお、ある種のＭＲ素子も同様の特性を示す）。

そこで、ＧＭＲ素子の最も感度の高い動作点、つまり図８（ａ）の特性曲線の傾斜が最大の点と同一のベクトル成分が感磁軸に加わるように、図８（ｂ）に示すように、ＧＭＲ素子Ｃに対し磁石５の中心位置を上方向に若干ずらせて配置する（磁石５を下方向へずらすことは、磁石５が素子Ｃと紙幣ｐとのギャップを大きくする方向であるから採用しない）。これによって、ＧＭＲ素子Ｃと抵抗Ｒとを接続した磁気センサ３Ｃに、ＧＭＲ素子が持つ高い感度を発揮させることができ、紙幣ｐの磁気インク像を初めとする媒体の磁気像を高感度で検知するのに、最も適したセンサ装置を実現することができる。

図８（ｂ）では、ＧＭＲ素子Ｃを使用した磁気センサ３Ｃを、定電圧駆動の磁界強度型構造のセンサとしたが、ＧＭＲ素子を使用した磁気センサは、図７（ａ）に示したような定電流駆動の磁界強度型センサ構造のものでも、図７（ｂ）示した定電圧駆動の微分型センサ構造のものでもよい。またこれらの磁気センサは、いずれも、図６に示すように、磁石５とともに前傾させたものでもよい。

以上では、紙幣ｐを磁気センサ装置１に対し移動するとしたが、紙幣ｐとセンサ装置１とは相対的に移動すればよく、センサ装置１の方を紙幣ｐに対し移動してもよい。また媒体として磁気インク像を描画した紙幣ｐを例にあげたが、磁性材料で磁気像を描画したものなら各種の媒体を対象とすることができる。

本発明の磁気センサ装置の一実施例を示す正面図（ａ）および上面から見た透視図（ｂ）である。 図１のセンサ装置に使用する磁気強度型の磁気センサを示す平面図（ａ）およびそのセンサ構造の模式図（ｂ）である。 図１のセンサ装置の磁気センサの下を紙幣上の磁気インク像が通過するときの様子を示す説明図である。 図１の磁気センサ装置の出力波形を示す図である。 紙幣上の連続した磁気インク像に対する図１の磁気センサ装置の検知出力の出力波形を従来の微分型の磁気センサ装置の場合と併せて示す図である。 本発明の磁気センサ装置の他の実施例を示す正面図である。 本発明で使用することが可能な磁気センサのセンサ構造を示す図で、定電流駆動の磁界強度型センサの場合（ａ）および定電圧駆動の傾斜型センサの場合（ｂ）である。 本発明で使用するのに最も好適なＧＭＲ素子の磁界−抵抗値変化の特性図（ａ）および素子と磁石との配置関係を示す説明図（ｂ）である。 従来の微分型の磁気センサ装置を示す正面図（ａ）および上面から見た透視図（ｂ）である。 図９のセンサ装置で使用する磁気センサのセンサ構造を示す模式図（ａ）および検知出力を示す波形図（ｂ）である。 従来のプリバイアス式の磁気センサ装置の難点を示す説明図である。

符号の説明

１ 磁気センサ装置 ２ 本体ケース
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 磁気センサ ４ 基盤
５ 永久磁石 ６ 窓板
７ ホルダ板 ７Ａ ホルダブロック
８ 充填材 ９ リード線
１０ 導体リード Ａ、Ｂ ＭＲ素子
Ｃ ＧＭＲ素子 ｐ 紙幣
ｑ 感磁軸 ｒ 磁気インク像

Claims (5)

1. 磁性材料で描画した磁気像を有する媒体との間で相対移動される磁気センサと、
   該センサにその感磁軸に中心磁力線を与えかつ中心磁力線の方向が媒体の移動方向と一致する、該媒体の移動方向に関して該センサの下流側に位置する永久磁石とからなり、
   該センサの感磁軸は、媒体と直角乃至媒体の移動方向に関して上流側に前傾した姿勢に置かれ、該センサに接触乃至狭間隙を存して通過する媒体の磁気像を該磁気像の磁性量に応じた検知出力で検知することを特徴とする磁性量検知型磁気センサ装置。
2. 前記感磁軸の傾き角の上限が、媒体の移動方向に対して垂直となる方向を基準として６０°であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置。
3. 前記磁気センサがＭＲ素子と抵抗とを、もしくはＧＭＲ素子と抵抗とを接続した磁気強度センサであることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサ装置。
4. 前記磁気センサと永久磁石とを非磁性材料のケースに収容したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の磁気センサ装置。
5. 前記媒体は、磁気インクで描画した磁気像を有する紙幣であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の磁気センサ装置。

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