JP4818792B2 - 磁気検出素子及びそれを用いた磁気識別センサ - Google Patents

Description

本発明は、非磁性基板上に磁性薄膜と平面コイルが積層された構造の磁気検出素子、特に、局所的な磁気を検出するのに好適な磁気検出素子及びそれを用いた磁気識別センサに関するものである。

従来の磁気読み取り用センサには、主に磁気ヘッドが使われている。この磁気読み取りセンサは、例えば、自販機の紙幣識別、鉄道の自動改札での切符認識、ＡＴＭでのキャッシュカードの磁気認識、或いは小切手等の磁気文字（ＭＩＣＲ文字）の認識等に使われている。

ところが、実用的には十分実績がある磁気ヘッドも、例えば、上述のような紙幣や切符等を低速で搬送する場合には、Ｓ／Ｎの悪化に伴うエラーのリスク対策が必要である。また、磁気ヘッドのギャップ部に付着したゴミ等によるエラーを回避するためにはメンテナンスの手間がかかり、潜在的な課題が存在する。

即ち、磁気ヘッドは、コイルで磁性コアの磁束変化を検出する誘導出力の原理を使用しているために搬送速度が変わると感度が変化する。そのために、機種毎にしきい値やゲインを変更する必要が生じる。また、搬送速度が遅いと感度が下がるため、外乱に対するＳ／Ｎが低下することで、磁気シールドの強化や多重のローパスフィルターを使用する必要がある。

更に、磁気ヘッドのギャップと媒体間の距離に対するスペーシング特性に対しても弱く、磁気回路的に外部の磁気をコアに引き込む必要から、距離による磁界の減衰だけでなく、ゴミの付着等に対して弱い。そのため、ギャップ部のクリーニングを頻繁に行う必要がある。

このような事情から、磁気ヘッドに代わるセンサとして磁気ヘッド並みの分解能を有し、速度依存性の無い、感度の良い磁気センサが望まれている。感度の良い磁気センサとしては、例えば、磁気抵抗素子（ＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）、フラックスゲートセンサ等がある。

そのうち、磁気抵抗素子には、パーマロイ等による強磁性ＭＲとＩｎ−Ｓｂの半導体ＭＲがある。両者ともバイアス磁界を必要とするために媒体に磁気影響を与えるために使いづらい。

また、ＧＭＲはスピンバルブタイプではバイアスを必要としないが、ハードディスクドライブのような極めて微小な検知幅でミクロン以下の磁気検出には適しているものの、ミリ単位の検知幅を要する使い方では逆に扱いづらい。また、コストが極めて高くなるため実用的ではない。

一方、フラックスゲートセンサの場合には、直交フラックスゲートのタイプはバイアスが不要で、検知幅がミリオーダーに適している。本願発明者は、そのフラックゲートセンサに関する提案として、特開２００３−１６３３９１号公報において直交フラックスゲートの動作ができ、上述のような磁気ヘッドの課題を解決することが可能な磁気検出素子を公開している（特許文献１）。
特開２００３−１６３３９１号公報

特許文献１の技術では、磁気ヘッドの用途に適合させるためには、更に構造上の工夫が必要で、以下の課題を解決することが必要となる。即ち、ミリオーダーの検知幅に自由に対応できること、スペーシング特性が良いこと、外乱磁界に強い構成であること等を解決する必要があった。

本発明の目的は、磁気ヘッド並みの分解能を有しながらミリオーダーの検知幅に対応できると共に、スペーシング特性が良く、更に外乱磁界に強い磁気検出素子及びそれを用いた磁気識別センサを提供することにある。

本発明に係る磁気検出素子は、磁性薄膜からなる磁気検知部に高周波電流を印加し、絶縁層を挟んで積層された渦巻状の平面コイルにより外部磁界による前記磁気検知部の磁束変化を誘導出力として取り出す磁気検出素子において、前記磁気検知部は、非磁性基板の一面に直列に接続された複数のつづら折れ部からなる並列パターンとして形成され、該並列パターンの長手方向と直交する方向の幅を検知幅とし、検知すべき磁束を発生する媒体の方向に前記並列パターンの長手方向の一方を向けると共に、前記並列パターンは前記平面コイルの渦巻の中心部を通り、該中心部を境にその両側の部分はそれぞれ前記平面コイルを横切るように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、速度依存性が無く、スペーシング特性が良く、更に外部磁界に対して強く、ミリオーダー検知幅にも自由に対応可能な磁気検出素子を実現できる。従って、磁気ヘッドの代替として十分使用可能となる。また、本発明の磁気検出素子を磁気識別センサに用いる場合には、媒体を磁化するための磁石の組み込みや検知幅に対しても自由度があり、生産性の高いセンサが実現可能となる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る磁気検出素子の一実施形態を示す斜視図である。図中１０はガラス又はセラミック等の非磁性材からなる直方体形状の基板である。基板１０の一面にはパーマロイ、アモルファス、微結晶系薄膜等からなる高透磁率磁性薄膜１２による磁気検知部が細長い複数本の並列パターンとして形成されている。

磁性薄膜１２の磁化容易軸は、磁場中で成膜又は熱処理により並列パターンの長手方向に対して直交する面内の方向に磁化しておくことが好ましい。また、磁性薄膜１２の並列パターンは複数のつづら折れ部からなり直列接続されているが、端部における接続は図１に示す様に磁性薄膜１２そのもので繋ぐ他に、導電性磁性薄膜で繋いでも良い。少なくとも電気的には直列に接続しておく。

磁性薄膜１２上には、絶縁膜１４が形成され、その絶縁膜１４上に銅やアルミ等の非磁性の導電膜を真空成膜後、渦巻状の所定のコイルパターンとなるようにドライエッチング等を施すことで平面コイル１６が形成されている。

平面コイル１６を図１に示すように縦長形状にすると渦巻の中心部は細長い形状となるが、磁性薄膜１２の並列パターンは渦巻の中心部を通り、平面コイル１６を横切るように配置する。つまり、並列パターンは平面コイル１６の渦巻の中心部を境としてその両側の部分はそれぞれ平面コイル１６を横切るようにする。その後、平面コイル１６上に絶縁膜１８を乗せ、一箇所開けたスルーホール２０から電極への引き出し線２２と電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを導電膜で形成する。

引き出し線２２は電極２４ａに接続され、平面コイル１６の一方の端子となる。平面コイル１６の他方側の引き出し線は電極２４ｄに接続され、平面コイル１６の他方側の端子となる。また、電極２４ｂには磁性薄膜１２の一端が接続され、電極２４ｃには磁性薄膜１２の他端が接続されている。

この磁気検出素子を磁気ヘッドのような使い方をする場合には、基板１０の面１０ａが媒体当接面となり、検出すべき媒体を面１０ｂに対して垂直方向に搬送することになる。

磁性薄膜１２の複数本の並列パターンの先端は、１０ａの面に接する辺に接するか、極近接する形で、揃えていることが感度分布上好ましく、並列パターンの長手方向と直交する方向の幅が検知幅となり、図１に示すＴｗとなる。必要な検知幅Ｔｗを基に磁性薄膜１２の並列パターンは本数を考慮し、等ピッチにレイアウトすることが好ましい。検知幅Ｔｗは自由に変えられ、ミリオーダーの検知幅Ｔｗに対して自由に対応可能である。

図２は図１のＡ−Ｂ線における断面図である。図２では磁性薄膜１２の長手方向の一方の先端方向に検知すべき媒体に取り付けられた微小な磁石３０があると仮定する。

微小な磁石３０のＮ極からの磁束は磁性薄膜１２の先端側から吸い込まれ、途中で漏れ出してＳ極に還流する。この磁束が図２に示すように磁性薄膜１２の磁石３０側のフロント側で主体的であれば、磁性薄膜１２への高周波電流印加により磁石３０から引き込まれた磁性薄膜１２内の磁束が同期して変化を起こす。そして、平面コイル１６で誘導出力として検出され、センサ出力として取り出される。

一方、磁石３０と反対側のリア側の磁性薄膜１２は、地磁気や周囲の磁気で一様と見なされる磁界をキャンセルするものである。平面コイル１６を流れる電流の方向はリア側とフロント側で逆方向になるので平面コイル１６と磁性薄膜１２の並列パターンの関係はリア側とフロント側とで逆相となり、平面コイル１６上での誘導出力は加算によりキャンセルされる関係となる。

本発明においては、磁性薄膜１２が平面コイル１６の中心部を境に辺のフロント側に引き出される部分が主の動作となり、反対側のリア側は外部磁界をキャンセルするための動作となる。従って、平面コイル１６から見て逆相の加算となり、差動動作で外部磁界に対して強く、局所磁界に適したセンサが実現可能となる。また、本発明はフラックスゲートセンサであるため原理的に速度依存性はない。

次に、センサの感度を上げるための工夫について説明する。図３はその場合の実施形態を示す。図３では図１と同一部分には同一符号を付している。

図２で説明したようにフロント側で引き込まれた磁束が、リア側に波及しないことが好ましく、ＮＳ間隔の比較的長い磁場を検知する場合には、磁性薄膜１２を平面コイル１６の中心部で分断してフロント側とリア側とに分離し、この分断を導電膜３２により電気的に接続する方法が更に好ましい。このように磁性薄膜１２を平面コイル１６の中心部で磁気的に分離することで、より差動の効果が上げられ、センサ感度を向上することが可能となる。

その場合、図３に示すように磁性薄膜１２の並列パターンを直列に接続する導電膜３４も同一の工程で形成できる。また、検知幅Ｔｗに対して並列パターンのピッチ間隔が広くなると磁性薄膜１２に引き込む磁束の量も低下するために、先端部に向けて断面積が大きくなるように並列パターンの検知幅Ｔｗを広げることも有効な手段である。

図４は磁性薄膜１２の並列パターンの先端部の例を示す。図４（ａ）は先端部の幅を広げていない場合の例を示す。これを、例えば、図４（ｂ）に示すように単純に幅を広げた１２ａの他に、図４（ｃ）に示すように先端部を枝分かれさせてフォーク状にする１２ｂでも良い。また、フロント側とリア側の感度バランスをできるだけ取るために、先端部を広げる処置はリア側も行うことが好ましい。

次に、実際に磁気検出素子を作製した実施例を説明する。ここでは図３の構成で磁気検出素子を作製した。まず、セラミックの基板１０に磁性薄膜１２としてＦｅ−Ｔａ−Ｃ系の薄膜（ｔ＝２μｍ）によりパターン幅１２μｍで１２本並べ、ピッチを０．１３５ｍｍとして検知幅Ｔｗを１．５ｍｍとした。

また、磁性薄膜１２の先端は３６μｍ幅に広げて、先端部を研磨により媒体当接面（１０ａ）で露出させた。磁性薄膜１２のフロント側、リア側の長さをそれぞれ０．７６ｍｍとし、その上に積層した平面コイル１６は銅膜で４８Ｔとした。

磁性薄膜１２の総抵抗値は５１０Ωで、平面コイル１６の抵抗は２１０Ωであった。媒体には、磁性トナーにより線幅０．１ｍｍ，０．２５ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７５ｍｍ，１ｍｍの線を印字し、搬送方向に磁石で磁化を与えておき、この磁気検出素子の媒体当接面１０ａを当てて、走査し出力を測定した。

図５は評価回路の一例であり、磁気検出素子を用いてセンサ出力を取り出すセンサ回路を示す。まず、発振回路４０で５ＭＨｚのパルスを発振させ、バッファー部４２により磁性薄膜１２に電流を印加した。平面コイル１６側ではパルスの立ち上がり、立ち下がりの容量結合によるピークが発生し、平面コイル１６の誘導出力がそのピークをシフトさせる動作となるため、検波回路４４によりピークのシフト量を検波し、増幅回路４６によりセンサ出力を取り出した。

特性評価結果を図６に示す。なお、図６中にバーコード状に線幅０．１ｍｍ，０．２５ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７５ｍｍ，１ｍｍの線を示すが、これを上述のように本センサで読み取った場合の出力を示す。

また、図６（ａ）はスペーシング量（面１０ａと媒体との距離）０ｍｍ、図６（ｂ）はスペーシング量０．３ｍｍの場合の結果を示す。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように線幅０．１ｍｍであっても十分検知できており、スペーシングに対しても強い特性であることが分かる。

図７は本センサにおけるスペーシング量とセンサ出力値（相対値）との関係を示す。縦軸の相対値は、スペーシング量０ｍｍを１００とした場合の出力値をいう。図７では上述のような媒体の線幅０．１ｍｍ，０．２５ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７５ｍｍ，１ｍｍに対する結果を示す。

また、図７では従来の磁気ヘッドのスペーシング量０．２５ｍｍの場合の特性を併せて示す。図７に示すように、例えば、磁気ヘッドでは線幅０．２５ｍｍでスペーシング量が０．１ｍｍあると出力は０．１倍になるのに対し、本センサでは同じ条件で０．４３倍であり、明らかにスペーシング性能が良いことが分かる。

これは、磁気ヘッドのようにコアの磁気回路による低下要因が無く、磁界の分布を素直に反映している結果である。また、上述のような磁気検出素子の差動の効果から外部磁界の影響で地磁気や電源からの磁界はほとんど影響していないことを確認でき、外部磁界に対して強いことが分かる。

次に、本発明の磁気検出素子を用いた磁気識別センサを説明する。例えば、紙幣用の磁気識別センサは磁性のインクのパターンを検知する。本センサは、磁性インクの残留磁化を検知するために、事前に着磁を行う必要がある。搬送経路に置いた永久磁石により磁化することも可能であるが、センサ本体４８に組込む方が使い勝手は良い。そのためには工夫が必要となる。

図８は本発明の磁気検出素子を用いた磁気識別センサの一実施形態の構成を示す斜視図である。図８の基板１０は図１、図３等の磁気検出素子の非磁性基板である。基板１０の左側側面に磁性薄膜１２や平面コイル１６等が形成され、この磁気検出素子がセンサ本体４８上に配置されている。

また、磁気検出素子の媒体搬送方向に対して前後の位置に磁石５０、５２を配置している。媒体は媒体当接面１０ａに当接しながら搬送方向に搬送される。その際、磁石５０、５２からの磁束が磁界検知方向から磁性薄膜１２へ飛び込んでくるため、図８に示すように磁石５０と磁石５２を互いに逆方向のＮ−Ｓ方向の極性となるように配置し、磁気検出素子に磁界が掛かるのをキャンセルさせている。磁石５０、５２のＮＳ方向は媒体に対して垂直である。できるだけ両磁石５０、５２の大きさと磁気検出素子との距離は等しくしておくのが望ましい。

また、磁石位置のばらつきから完全には磁気検出素子にかかる磁界をキャンセルできない場合には、図８に示すように磁気検出素子をシールド部材５４で囲む必要があるが、磁性薄膜１２の長さに合わせてシールド部材５４の高さを選択して位置合わせする。その際、磁気検出素子の磁性薄膜１２でフロント側とリア側の差動特性のバランスを崩さないことが重要である。

磁気識別センサには、様々な検知幅のセンサがあるが、その検知幅が１０ｍｍを越えるようになると、磁気検出素子のピッチが拡がることによる磁束の引き込み低下が生じる場合がある。また、磁気検出素子の抵抗が大きくなりすぎて駆動電流の減少による感度の低下が問題となる場合がある。

そのためには、図９に示すように磁性薄膜１２を分割し、夫々の磁性薄膜に所定の電流を流すことで解決できる。回路的には、図５に示すセンサ回路のバッファー部４２を必要な数だけ追加し、各バッファー部４２からそれぞれの磁性薄膜１２に高周波電流を印加すれば良い。

なお、図９では図１、図３と同一部分には同一符号を付している。図９の実施形態は磁性薄膜を３つに分割した例を示す。図９の電極２４ｅ、２４ｆ、２４ｇ、２４ｈ、２４ｉ、２４ｊは各磁性薄膜の電極を示す。

このように検知媒体の搬送方向に対して磁気検出素子の前後の位置に磁石を配置し、磁石のＮＳ方向が媒体に対して垂直で、互いに逆極性となるように配置することで、小型のセンサとして構成する事が可能となる。

本発明に係る磁気検出素子の一実施形態の構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ｂ線における断面図である。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。 磁性薄膜の並列パターンを先端部に向けて断面積を大きくする例を示す図である。 磁気検出素子の評価回路の一例を示す回路図である。 本発明の磁気検出素子の評価結果を示す図である。 本発明の磁気検出素子と従来の磁気ヘッドの特性を比較して示す図である。 本発明の磁気検出素子を用いた磁気識別センサの一実施形態を示す斜視図である。 本発明の磁気検出素子の更に他の実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１０ 基板
１０ａ、１０ｂ 面
１２ 磁性薄膜
１４ 絶縁層
１６ 平面コイル
１８ 絶縁層
２０ スルーホール
２２ 引き出し線
２４ａ〜２４ｉ 電極
３０ 磁石
３２、３４ 導電膜
４０ 発振回路
４２ バッファー
４４ 検波回路
４６ 増幅回路
４８ センサ本体
５０、５２ 磁石
５４ シールド部材

Claims (5)

1. 磁性薄膜からなる磁気検知部に高周波電流を印加し、絶縁層を挟んで積層された渦巻状の平面コイルにより外部磁界による前記磁気検知部の磁束変化を誘導出力として取り出す磁気検出素子において、前記磁気検知部は、非磁性基板の一面に直列に接続された複数のつづら折れ部からなる並列パターンとして形成され、該並列パターンの長手方向と直交する方向の幅を検知幅とし、検知すべき磁束を発生する媒体の方向に前記並列パターンの長手方向の一方を向けると共に、前記並列パターンは前記平面コイルの渦巻の中心部を通り、該中心部を境にその両側の部分はそれぞれ前記平面コイルを横切るように配置されていることを特徴とする磁気検出素子。
2. 前記磁気検知部の並列パターンは、前記平面コイルの中心部で分断することにより磁気的に分離され、前記分断を導電膜により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
3. 前記磁気検知部の並列パターンは、前記長手方向の先端に向かって断面積が広がるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気検出素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気検出素子を有し、前記磁気検出素子は媒体当接面が検出すべき前記媒体に当接するように配置され、前記媒体の搬送方向に対して前記磁気検出素子の前後の位置に磁石が配置され、前記磁石のＮＳ方向が前記媒体に対して垂直で、互いに逆極性となるように配置されていることを特徴とする磁気識別センサ。
5. 前記磁気検出素子の周囲には、前記磁気検知部の長さに応じた高さの磁気シールド部材が設置されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気識別センサ。