JP6075225B2 - 磁気センサ装置 - Google Patents

Description

磁石が形成する磁場分布内に磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と呼ぶ）を配置し、この磁場中を例えば磁気インクを含んだ紙幣などの磁性体が通過することによる磁場分布の変化をＭＲ素子で検知する磁気センサ装置に関する。

特開２００８−１４５３７９号公報（特許文献１参照）には、磁性体等の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において、線状若しくは略並行に折り返された形状の強磁性体薄膜磁気抵抗素子を少なくとも１個以上配置した基板と、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子にバイアス磁界を加える永久磁石とからなり、前記永久磁石による検出用磁界が同時に付与する前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子の感磁方向のバイアス磁界強度が飽和磁界以下の磁束量となるように前記永久磁石の位置を調整して配置したことを特徴とする磁気センサが記載されている。

実開平２−１２３０４２号公報（特許文献２参照）には、磁性物体を、センサ周囲磁界の変化を磁電変換素子により取り出して検出する磁気センサであつて、センサ周囲に定磁界を発生させる永久磁石を、センサケースの空室にスライド可能に内装すると共に、このスライドにより永久磁石と上記磁電変換素子の相対位置関係を変化させるスライド調整ネジを設けた磁気センサの検出位置精度調整装置が記載されている。

特開２００８−１４５３７９号公報 実開平２−１２３０４２号公報

特許文献１では、永久磁石が発生する検出用磁場が同時に発生する磁気抵抗素子へのバイアス磁場を発生し、このバイアス磁場がＭＲ素子の動作のために適切な大きさになるよう、永久磁石の位置を調整することが述べられているが、具体的な調整機構が示されていない課題がある。

特許文献２では、検出位置精度調整装置で調整する磁電変換素子と永久磁石との具体的な相対位置関係が示されていない課題がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＭＲ素子の感磁方向の微小なバイアス磁界を、簡単な方法で精度良く調整可能とする磁気センサ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る磁気センサ装置は、磁気成分を有する被検知物の一方の面に面し、前記被検知物の一方の面に垂直な方向に交互に異なる磁極を有し、前記被検知物に交差する交差磁界を形成する磁石部と、前記磁石部の一方の磁極と前記被検知物との間に設けられ、前記交差磁界内を搬送される前記被検知物の磁気成分による前記交差磁界の前記被検知物の搬送方向の成分の変化を抵抗値の変化として出力する磁気抵抗効果素子とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さ内に設けられ、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さの中心から前記搬送方向に偏移して配置され、前記磁石部は、前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動可能に配置され、前記磁石部を前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動することにより、前記磁気抵抗効果素子にあらかじめ印加される前記交差磁界の前記搬送方向の成分の大きさが、前記交差磁界の前記垂直な方向の成分の大きさより小さいところの、定められた大きさに調整されるものである。

ＭＲ素子に対する搬送方向における磁石の相対的な位置を、搬送方向にネジを用いて調整するようにしたので、磁石の位置を簡単に微調整できるため、ＭＲ素子に印加される搬送方向のバイアス磁界が簡単な方法で精度良く調整可能となる。

この発明の実施の形態１に係る磁気センサ装置の概略構成図である。 図１の磁気センサ装置の磁力線分布図である。 この発明の実施の形態１に係る磁気センサ装置を斜めに見た場合の斜視図である。 この発明の実施の形態１における磁気センサ装置の検出原理を説明する磁力線ベクトル図である。 この発明の実施の形態２に係る磁気センサ装置の概略構成図である。 図４の磁気センサ装置の磁力線分布図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る磁気センサ装置の概略構成図である。図１において、１は磁気インクなどの磁気成分を含む紙幣などの被検知物、２は紙幣１の一方の面に面し、紙幣１の搬送方向３０に鉛直な方向にＮ極Ｓ極を有した磁場を形成する永久磁石、３は鉄などの磁性材料部品、４は鉄３に載置され、永久磁石２の一方の磁極（図１ではＮ極）と紙幣１との間に設けられ、磁界の変化を検出するＭＲ素子、５はＭＲ素子の出力信号などを伝送する基板、６はＭＲ素子４及び基板５を保護するカバー、７はケース、８はネジ、９はプランジャーである。なお、ＭＲ素子４は、永久磁石２のＮ極の搬送方向長さ内に設けられ且つＮ極の搬送方向長さの中心から搬送方向に偏移（オフセット）している。また、図２は、図１の磁気センサ装置の磁力線分布図であり、図２において、１０は磁力線である。

図３は、この発明の実施の形態１に係る磁気センサ装置を斜めに見た場合の斜視図である。紙幣１は、搬送用ローラー（図示無し）により、カバー６にほぼ接触しながら、矢印３０の方向、すなわちカバー６に略並行で、カバー６あるいはケース７の長手方向に略直角の方向に搬送される。この時、紙幣１の磁気インクなどに含まれる磁気成分により、永久磁石２が形成する磁場に変化が生じ、この変化をＭＲ素子４により感知する。
主要な構成部品の配置の順番としては、永久磁石２と被検知物である紙幣１との間にＭＲ素子４が配置されている。

紙幣１に含まれる磁気成分の情報を高分解能で読み取るために、ＭＲ素子４は矢印３０とほぼ直角方向（すなわち、カバー６あるいはケース７の長手方向）に小さい間隔で複数個ライン状に配置されており、１個の永久磁石２が発生する磁場の中で複数個のＭＲ素子４が配置されたラインセンサとして動作する。

永久磁石２は、図１、図２において上下方向に着磁されており、図２に示すように永久磁石２から発せられた磁力線１０は磁性材料部品３に入射し、その後空気中に出るが、この時、磁性材料部品３表面において磁力線１０は磁性材料部品３表面に垂直に空気中に放射されるという性質がある。したがって、この磁性材料部品３表面付近にＭＲ素子４を配置すれば、ＭＲ素子４に印加される磁場は、垂直方向（図１、図２において上下方向）に大きく、水平方向（図１、図２において左右方向）には極僅かな磁場がかかることになる。ＭＲ素子４は水平方向に印加すべき磁場は、磁束密度で２ｍＴ程度と小さく、上記のような状況はＭＲ素子４について大変好都合である。

磁気センサ装置の動作について説明する。図２で、ＭＲ素子４が設置された位置において、大きな磁束密度の垂直方向成分１２が存在するのと同時に小さい搬送方向成分１３も存在している。これはＭＲ素子を中心軸１５から少し離れた位置に設置することを考えているからである。このように配置することで、ＭＲ素子４が適切に動作するために必要な２ｍＴ（ミリテスラ）程度の搬送方向のバイアス磁場をＭＲ素子３に与えることができる。

このような状態のところへ紙幣１が通過すると、磁場分布が変化する。この時、ＭＲ素子４に印加されている磁束ベクトル１１の方向がわずかに変化する。この変化は僅かでも、搬送方向成分は割合として大きな変化が発生することになり、ＭＲ素子４でこの変化を十分検知できる。

詳細な動作を図２、図４を用いて説明する。図４は、この発明の実施の形態１における磁気センサ装置の検出原理を説明する磁力線ベクトル図である。図２において、磁力線１０は、ＭＲ素子４が配置されている付近では、搬送経路に交差する交差磁界である鉄３の垂直方向へ向かう成分が主成分となっているが、ＭＲ素子４が中心軸１５より少しｘ軸方向に離れているため、図４（ａ）に示すように、磁力線１０の磁束ベクトル１１は、垂直方向（ｚ軸方向）から少しだけ搬送方向（ｘ軸方向）に傾いており、この磁界の搬送方向（ｘ軸方向）成分がＭＲ素子４のバイアス磁界として作用している。

紙幣１が近づいてくると、図４（ｂ）に示すように、磁束ベクトル１１が紙幣１に吸い寄せられるように紙幣１側に傾くため搬送方向（ｘ軸方向）の磁束ベクトル成分１３（Ｂｘ）が小さくなり、紙幣１が離れていくと、図４（ｃ）に示すように、磁束ベクトル１１が紙幣１に引っ張られるように紙幣１側に傾くため搬送方向（ｘ軸方向）の磁束ベクトル成分１３（Ｂｘ）が大きくなることにより、ｘ軸方向成分を感磁するＭＲ素子４の抵抗値が変化し、紙幣１を検知することができる。すなわち、紙幣１の通過により、搬送方向（ｘ軸方向）の磁束ベクトル成分１３（Ｂｘ）が変化するので、ｘ軸方向成分を感磁するＭＲ素子４の抵抗値が変化し、紙幣１を検知することができる。図４（ｂ）、図４（ｃ）において磁束ベクトル１１に交差している点線矢印は、図４（ａ）における磁束ベクトル１１の位置を示しているものである。

すなわち、この磁束ベクトル１１の変化は紙幣１の通過によりもたらされるものであるから、このような構成にすることにより、紙幣１の通過を検知できることになる。その結果、紙幣１による僅かな磁場の変化を読み取ることが可能な磁気センサ装置を提供できる。

ＭＲ素子４に適切な大きさの水平方向磁場（バイアス磁場）を印加するために、ＭＲ素子４と永久磁石２の位置関係を調整する必要が有る。そのために、永久磁石２を押すためのネジ８とプランジャー９を組み合わせて使用している。プランジャー９は常に永久磁石２をネジ８に押し付けるように力を加えているので、ネジ８は押し込む方向であっても引き抜く方向であってもいずれの方向に動かしても常に先端が永久磁石２に接触している。

その結果、ネジ８を回すだけで永久磁石２の位置を紙幣１の搬送方向（矢印３０の方向）にほぼ平行な方向に自在に調整可能となる。このとき、ネジ８のネジピッチ選ぶことにより、ネジ８を回転させる角度とネジ８の移動距離の関係を選択できるので、所望の調整精度に合わせてネジピッチを選択すればよい。

上記のように構成された磁界において、紙幣１がＭＲ素子４近傍を通過すると、前述の通り、ＭＲ素子４に印加されている磁束の方向が僅かに変化する。この変化は僅かではあるが、水平方向成分は割合として大きな変化となり、ＭＲ素子４にてこの変化を検知することが可能となるため、感度の優れた磁気センサ装置を提供可能となる。

なお、この発明の実施の形態１においては、永久磁石２をネジ８に押し付けるためにプランジャー９を用いたが、これは単にバネ、あるいはこれに相当する弾力性のある部材を使用しても同様の効果が得られる。また、弾力性のある部材に限らず、２個のネジを一組として両側に配置することも有効である。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る磁気センサ装置の概略構成図である。図５に示すような、永久磁石２とＭＲ素子４などの回路部とが分かれた構成の場合でも、この発明の実施の形態１と同様の作用効果が得られる。図５において、２０ａ、２０ｂは永久磁石２をはさむように取り付けられたヨーク、２１は永久磁石２を支えるネジ、２２はＭＲ素子４やＩＣなどを収納するケース、２３は紙幣１などの被検知物が通過するための空隙である。図５において図１と同一若しくは同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図６は、図５の磁気センサ装置の磁力線分布図である。紙幣などの搬送用ローラ（図示無し）は紙幣１を空隙２３に押し込むあるいは引き出すように取り付けられており、紙幣１は空隙２３を通過する。この発明の実施の形態２における主要な構成部品の配置の順番としては、永久磁石２とＭＲ素子４との間に、被検知物である紙幣１などが配置される。このとき、永久磁石２が発生している磁場を紙幣１が変化させるので、これをＭＲ素子４で検知することができる。この発明の実施の形態２においても、この発明の実施の形態１と同様、本磁気センサ装置はラインセンサとして動作する。

この構成においても、ＭＲ素子４に適正な強さの水平方向磁場を印加するために、ＭＲ素子４と永久磁石２との位置関係を調整する必要が有る。そのためにこの発明の実施の形態１と同様にネジ８とプランジャー９の組み合わせを利用する。

なお、この発明の実施の形態２のように永久磁石２とＭＲ素子４などの回路部とが分かれた構成にして、紙幣１などの被検知物が通過する空隙２３を大きくとれば、紙幣１などの被検知物が磁気センサ装置に強く接触することなく通過できる。このことにより、磁気センサ装置の接触部の磨耗が少なく、信頼性が向上する利点がある。

なお、この発明の実施の形態２においては永久磁石２をネジ８に押し付けるためにプランジャー９を用いたが、これは単にバネ、あるいはこれに相当する弾力性のある部材を使用しても同様の効果が得られる。また、弾力性のある部材に限らず、１組のネジを組み合わせることも有効である。

１ 紙幣（被検知物）
２ 永久磁石
３ 鉄（磁性材料部品）
４ ＭＲ素子
５ 基板
６ カバー
７ ケース
８ ネジ
９ プランジャー
１０ 磁力線
１１、１２、１３ 磁束ベクトル
１５ 中心線
２０ａ、２０ｂ ヨーク
２２ ケース
２３ 空隙
３０ 搬送方向

Claims (12)

1. 磁気成分を有する被検知物の一方の面に面し、前記被検知物の一方の面に垂直な方向に交互に異なる磁極を有し、前記被検知物に交差する交差磁界を形成する磁石部と、前記磁石部の一方の磁極と前記被検知物との間に設けられ、前記交差磁界内を搬送される前記被検知物の磁気成分による前記交差磁界の前記被検知物の搬送方向の成分の変化を抵抗値の変化として出力する磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さ内に設けられ、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さの中心から前記搬送方向に偏移して配置され、
   前記磁石部は、前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動可能に配置され、前記磁石部を前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動することにより、前記磁気抵抗効果素子にあらかじめ印加される前記交差磁界の前記搬送方向の成分の大きさが、前記交差磁界の前記垂直な方向の成分の大きさより小さいところの、定められた大きさに調整される磁気センサ装置。
2. 前記磁石部の搬送方向に対峙する一対の側面の一方の側面に当接した弾性部と他方の側面の前記弾性部に対向する位置に当接したねじ部とを有する調整機構を備えた請求項１に記載の磁気センサ装置。
3. 磁気成分を有する被検知物の一方の面に面し、前記被検知物の一方の面に垂直な方向に交互に異なる磁極を有し、前記被検知物に交差する交差磁界を形成し、前記被検知物の搬送方向に直交する方向に延在する磁石部と、前記磁石部の一方の磁極と前記被検知物との間に設けられ、前記交差磁界内を搬送される前記被検知物の磁気成分による前記交差磁界の前記搬送方向の成分の変化を抵抗値の変化として出力し、前記搬送方向に直交する方向にアレイ状に配置された複数の磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さ内に設けられ、前記磁石部の一方の磁極の前記搬送方向の長さの中心から前記搬送方向に偏移して配置され、
   前記磁石部は、前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動可能に配置され、前記磁石部を前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動することにより、前記磁気抵抗効果素子にあらかじめ印加される前記交差磁界の前記搬送方向の成分の大きさが、前記交差磁界の前記垂直な方向の成分の大きさより小さいところの、定められた大きさに調整される磁気センサ装置。
4. 前記磁石部の前記搬送方向に対峙する一対の側面の一方の側面に当接した弾性部と他方の側面の前記弾性部に対向する位置に当接したねじ部とを有する調整機構を備えた請求項３に記載の磁気センサ装置。
5. 前記調整機構が前記搬送方向に直交する方向に複数設けられた請求項４に記載の磁気センサ装置。
6. 磁気成分を有する被検知物の一方の面に面した磁石部と、前記被検知物の他方の面に面し、前記被検知物の搬送方向に沿って前記磁石部と対向して配置され、前記磁石部との間で形成され前記被検知物に交差する交差磁界を生成する磁性体と、この磁性体の前記被検知物に面した側に載置され、前記交差磁界内を搬送される前記被検知物の磁気成分による前記磁界の前記搬送方向の成分の変化を抵抗値の変化として出力する前記搬送方向に感磁作用を有する磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記磁石部は、前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動可能に配置され、前記磁石部を前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動することにより、前記磁気抵抗効果素子にあらかじめ印加される前記交差磁界の前記搬送方向の成分の大きさが、前記交差磁界の垂直な方向の成分の大きさより小さいところの、定められた大きさに調整される磁気センサ装置。
7. 前記磁石部の前記搬送方向に対峙する一対の側面の一方の側面に当接した弾性部と他方の側面の前記弾性部に対向する位置に当接したねじ部とを有する調整機構を備えた請求項６に記載の磁気センサ装置。
8. 磁気成分を有する被検知物の一方の面に面した磁石部と、前記被検知物の他方の面に面し、前記被検知物の搬送方向に沿って前記磁石部と対向して配置され、前記磁石部との間で形成され前記被検知物に交差する交差磁界を生成する磁性体と、この磁性体の前記被検知物に面した側に、前記搬送方向と直交する方向に複数個アレイ状に載置され、前記交差磁界内を搬送される前記被検知物の磁気成分による前記磁界の前記搬送方向の成分の変化を抵抗値の変化として出力する前記搬送方向に感磁作用を有する磁気抵抗効果素子とを備え、
   前記磁石部は、前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動可能に配置され、前記磁石部を前記磁気抵抗効果素子に対して前記搬送方向に相対的に移動することにより、前記磁気抵抗効果素子にあらかじめ印加される前記交差磁界の前記搬送方向の成分の大きさが、前記交差磁界の垂直な方向の成分の大きさより小さいところの、定められた大きさに調整される磁気センサ装置。
9. 前記磁石部の前記搬送方向に対峙する一対の側面の一方の側面に当接した弾性部と他方の側面の前記弾性部に対向する位置に当接したねじ部とを有する調整機構を備えた請求項８に記載の磁気センサ装置。
10. 前記調整機構が前記搬送方向に直交する方向に複数設けられた請求項９に記載の磁気センサ装置。
11. 前記磁石部は、磁石に、前記磁石を挟むように一対のヨークが設けられ、前記ヨークに前記弾性部若しくは前記ねじ部が当接している請求項７、９、１０のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
12. 前記磁石部は、磁石と、前記磁石を挟むように設けられている一対のヨークとを備えた請求項６〜１０のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。

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