JP6601079B2 - 磁気センサー - Google Patents

Description

本発明は、フィルム型の磁気センサーに関するものである。

従来、磁石などの磁気を検出する磁気センサーが広く普及している。その構成としては、磁性体材料をスイッチに使用し、磁石を近接させるとスイッチが入るリードスイッチから、フラックスゲートセンサー、半導体を使用したホール素子、あるいは磁気抵抗素子などが開発されている。このような構成の磁気センサーは、ブラシレスモーター、地磁気センサー、位置センサーなどに使用されている。また、アミューズメント分野にも使用されており、パチンコ台の磁気を使用した不正防止用などに使用されている。

図１３は、このような従来の磁気センサーの使用例を断面で示した説明図である。図では、具体的にはパチンコ台に使用した例で、磁気センサー１６は縦、横、高さが数センチのサイズに収まっている。表面ガラス１５で覆われ、釘を打ち込んだ筺体１９の所定部分に、必要数、配置している。筺体内部でパチンコ玉１７が移動する。磁石４を筺体１９に近づけると、その近傍の磁気センサー１６が反応し、磁石４の存在を検知する。したがって、筺体内部にセンサー本体を配置しなければならない。この例からも解るように、磁気センサーを使用する場合に、配置する場所が限定されたり、あるいは配置したい箇所に薬物などの障害物があり、配置することができない、などの問題が発生する。このため検知できる場所も限定的となる。

特開２０１１−１２８０２８号公報

一方、出願人は金属細線又は導電膜をパターニングしたインダクタを用いた磁気センサーを発明し、特許出願した（特願２０１４−９００１８号）。

図１４に示したように、磁気センサー７が矩形状のコイルパターンである場合、図中のＹ方向に配線パターン２（コイルパターン）がＹ方向に平行なコイル部６において、磁石４がＹ方向のどちらの向きに動いても、コイルを横切る磁束が変化しないので、電磁誘導が起こらない。そのため磁石を検知不能である問題があった。これはＸ方向においても同様であり、Ｘ方向に平行に並んだコイル部においては、Ｘ方向に磁石４が動いても検知不能である。

本発明はこのような問題点を解決するもので、薄型で、柔軟に筐体に配置することができ、設置場所の範囲が広がり、また広範囲で磁界を検知できる磁気センサーにおいて、磁石や磁界の移動方向によって検知不能になることの無い磁気センサーを提供することを課題とする。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、本発明の請求項１に記載の発明は、フィルム基材に、金属細線または導電膜がパターニングされコイル回路が形成されたインダクタを設けてなる磁気センサーにおいて、金属細線または導電膜のパターンが、そのパターンが延在する方向に、直線を組み合わせた単位形状または曲線を組み合わせた単位形状または直線と曲線を組み合わせた単位形状を繰り返して形成されたコイル回路からなることを特徴とする磁気センサーである。

本発明の請求項２に記載の発明は、前記単位形状が、矩形波形状または三角波形状またはノコギリ波形状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。

本発明の請求項３に記載の発明は、前記単位形状が、円弧を交互にＳ字状に繋ぎ合わせて形成した形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。

本発明の請求項４に記載の発明は、前記単位形状に含まれる直線の長さが１ｃｍ〜２ｃｍであることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサーである。

本発明の請求項５に記載の発明は、前記単位形状に含まれる円弧の曲率半径が１ｃｍ〜２ｃｍであることを特徴とする請求項３に記載の磁気センサーである。

本発明の請求項６に記載の発明は、前記導電膜が透明導電膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気センサーである。

本発明は以上のような構成であるので、薄型で、広い面積での磁気を感知し、柔軟に筐体などに配置する磁気センサーとすることができ、さらにフィルム基材を透明とすることで、透過型の磁気センサーとすることができ、視覚的に目立たないことが可能である。このような効果があることから、磁気センサーを使用する機器の設計の自由度が増す。更に、磁石や磁界の移動する方向によって検知不能であるという問題を解決した磁気センサーを提供することができる。

本発明の磁気センサーの第一の実施の形態例を平面で示した説明図であり、（ａ）は矩形波状、（ｂ）は三角波状、（ｃ）は同じ大きさの円弧（この場合は半円）を交互に入れ替えてＳ字状に繋ぎ合せた形状、の単位形状が繰り返す形態をそれぞれ示している。 本発明の磁気センサーの第二の実施の形態例を平面で示した説明図である。 第二の実施の形態例を断面で見た説明図である。 本発明の磁気センサーの磁気による検知の例を説明する部分説明図である。 本発明の磁気センサーの第三の実施の形態例を平面で示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第四の実施の形態例を平面で示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第五の実施の形態例を平面で示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第六の実施の形態例を平面で示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第七の実施の形態を示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第八の実施の形態を示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第九の実施の形態を示した説明図である。 本発明の磁気センサーの第十の実施の形態を示した説明図である。 従来の磁気センサーの使用例を断面で示した説明図である。 従来の磁気センサーの問題点を説明した説明図である。

以下本発明を実施するための形態につき説明する。

本発明の磁気センサーは、フィルム基材に、金属細線または導電膜をパターニングしてコイル回路を形成して、インダクタを設けたことを特徴とする磁気センサーにおいて、金属細線または導電膜のパターンが、そのパターンが延在する方向に、直線を組み合わせた単位形状または曲線を組み合わせた単位形状または直線と曲線を組み合わせた単位形状を繰り返すことによって形成したコイル回路からなる磁気センサーである。

本発明の磁気センサーについて、図１〜１２を用いて説明する。
図１は、本発明の磁気センサーの第一の実施の形態例を平面で見た説明図である。図１（ａ）は、配線パターン２（コイルパターン）が、少なくともＹ方向に沿って、矩形状の単位形状を繰り返す配線パターンからなる場合である。このような配線パターン２であると、その矩形状の配線パターン２の振幅と同等以下の大きさの磁石４が、Ｙ方向に移動すると、常にＸ方向の配線パターンを横切ることになる。従って、電磁誘導が起こり、配線パターン２のＸ方向の部分に起電力が発生する。起電力の向きは、磁石４が移動する速度の向きと磁束の向きが一定であれば、いつも同じ方向になる。そのため、矩形状の配線パターン２のＸ方向の部分で発生する起電力は、互いに打ち消し合う方向になる。しかしながら、磁石４の大きさが矩形状の配線パターン２の半周期より小さい場合は、隣り合うＸ方向の配線パターン２の部分で発生する起電力は、大きさは同等であるが、時間的な位相がずれるため、電圧計で測定可能である。

またＸ方向に磁石４が移動した場合は、従来と同様に電磁誘導が起こるため、検知可能である。またＸ−Ｙ平面のあらゆる方向に移動した場合においても、磁石４が配線パターンのいずれかの部分を横切って移動するため、起電力が発生し、電圧計で計測可能となり、検知可能である。

図１（ｂ）および（ｃ）においても、（ａ）の場合と同様の理由で、電圧計によって計測可能である。ただし、発生する起電力は、矩形波状、三角波状、円弧（この場合は半円）を交互に入れ替えてＳ字状に繋ぎ合わせた形状を繰り返したパターン、のそれぞれによって、異なる起電力が発生するため、正確に起電力の発生状況を捉えるには、オシロスコープを使用すれば良い。また、磁石４または磁界が存在することだけを捉えるのであれば、直流電圧計によって、検知することも可能である。異なるのは、磁石４がＹ方向に移動する速度が同じでも、図１（ａ）の矩形状の場合に比べて、（ｂ）の三角波状や（ｃ）の円弧を交互に入れ替えてＳ字状に繋ぎ合わせた形状の場合は、磁束の変化速度が緩やかになるため、発生する起電力の最大値は小さくなる。このように矩形波形状の場合が最も高い起電力が発生し、その他の形状ではそれより小さい起電力が発生するが、いずれの場合においても、コイル回路（配線パターン２）で発生した起電力を測定回路によって増幅することができるため、いずれのコイル回路の形状においても同等に磁石や磁界を検知可能である。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の何れの形状であっても、あらゆる方向に磁石４が移動しても、必ず配線パターンを磁石の磁束が横切る状態になるため、起電力が発生し、磁石４の存在を検知可能である。また、本発明の磁気センサー７を構成する配線パターン２の形状は、配線パターンが平行な直線でなければ良い。また、磁石４の進行方向が、配線パターン２が延在する方向である場合に、矩形波状の配線パターンが最も大きな起電力を発生する条件を備えている。それは、磁石４の進行方向に直交する配線パターンの部分を持っており、電磁誘導によって発生する起電力は、磁束の時間的な変化速度に比例するからである。例えば、配線パターン２が三角波状の場合の磁束の時間的な変化速度は、矩形波状の場合のそれより小さくなる。配線パターン２が円弧を交互に入れ替えてＳ字状に繋ぎ合わせた形状の場合においては、磁束の時間的な変化速度は刻々と変化するが、その時間的な平均値は、やはり矩形波状の配線パターンの場合に比べれば小さくなる。

また、配線パターン２の形状は、これらに限定するものではなく、ノコギリ波状などの規則的な形状を繰り返す形状でも良いし、不規則な形状の連続であっても良い。ただし、不規則な形状である場合は、測定される起電力も不規則なものになる。このような場合であっても、起電力を時間的に積分した値をＡ／Ｄ変換し、デジタル出力することも可能である。また、不規則に発生する起電力をそのまま捉えることによって磁石や磁界の有無を検知することも可能である。

また、配線パターン２は、矩形波形状、三角波形状、ノコギリ波形状などの直線を組み合わせた単位形状からなる場合、それらを構成する直線の長さが１ｃｍ〜２ｃｍであることが好ましい。個々の直線の長さは、全て同じであっても良いし、異なっていても良い。

また、配線パターン２は、円弧を交互にＳ字状に繋ぎ合せて形成した単位形状からなる場合、円弧の曲率半径が１ｃｍ〜２ｃｍであることが好ましい。個々の円弧の曲率半径は、全て同じであっても良いし、異なっていても良い。

また、本発明の磁気センサーの検知対象が、直径Ｒの円柱形の場合、磁気センサーを構成する単位形状が直線である場合には直線の長さが０．５０Ｒ〜１．５０Ｒであることが望ましい。また、磁気センサーを構成する単位形状が円弧である場合にはその曲率半径が０．５０Ｒ〜１．５０Ｒであることが望ましい。

また、本発明の磁気センサーの検知対象が、底面が対角線長Ｒの長方形である角型磁石の場合、磁気センサーを構成する単位形状が直線である場合には直線の長さが０．５０Ｒ〜１．５０Ｒであることが望ましい。また、磁気センサーを構成する単位形状が円弧である場合にはその曲率半径が０．５０Ｒ〜１．５０Ｒであることが望ましい。

また、本発明の磁気センサーを構成するコイル回路（配線パターン２）は、金属導線を巻き回すことによって作製したコイルでも良いし、フィルム基材上に導電膜を形成し、パターニングすることによって形成したコイルでも良いし、導電インキを印刷することによって形成したコイルであっても良い。また、導電膜や導電インキは透明導電膜や透明な導電インキであっても良い。

図２は、本発明の磁気センサー７の第二の実施の形態例を平面で見た説明図である。図３は、第二の実施形態例を断面で見た説明図である。本実施形態の磁気センサー７は、フィルム基材１に、金属細線または導電膜をパターニングしてこれを渦巻状の配線パターン２とし、コイル回路を形成している。導電膜は透明導電幕であっても良い。したがって、この回路はインダクタを有する空芯コイルとなる。そして図ではコイル回路を、複数縦横に設け、各コイル回路には、パッド３を設けて、インダクタに発生した電圧を取り出し、これを測定する。なお、配線パターン２が重なる部分は、フィルム基材１に穴を開け、一方の配線をフィルム基材１の他の面を通してショートを避けるようにする。あるいは、重なる部分に絶縁膜を設けてもよい。

図４は、本発明の磁気センサー７の磁気による検知の動作の例を説明する部分説明図である。図４では、各配線パターン２（コイルパターン）を直列接続し、１組のパッドで検知した電圧を出力し、電圧計６で測定している。

電磁誘導により、コイル回路に鎖交する磁束Φが変化し、回路に発生する起電力Ｖは、
Ｖ＝−ｎ・ΔΦ／Δｔ
ただし
ｎ・・・・コイルの巻数
ΔΦ・・・磁束の変化量
Δｔ・・・磁束の変化時間
となる。

図４のように、磁気センサー７の近傍に磁石４や磁性体５が存在し、それが磁気センサー７に対し、相対的に運動し、コイル回路に鎖交する磁束が変化すると、上式に示すような起電力が発生する。この出力を電圧計６により測定することで、磁気を検知できる。したがって、フィルム基板１にインダクタ回路をパターニングして形成することにより、磁束の変化を検知することが可能となる。すなわち、インダクタ回路に電圧を発生させ、磁力の検出が可能になる。

図５は、本発明の磁気センサー７の第三の実施形態の説明図である。本実施形態の例では、磁気センサー７のコイル回路の出力電圧を検知する検知回路を供えている。さらに、検知回路として具体的に、コイル回路の出力から、ローパスフィルタ８、増幅器９、Ａ／Ｄコンバータ１０を順次接続し、出力を得る構成としている。

このような検知回路の動作は、磁気センサー７から出力された電圧がローパスフィルター８を通りノイズリジェクトされる。その後増幅器９で、信号は所定の電圧まで増幅される。その出力信号を、Ａ／Ｄコンバータ１０にてＡ／Ｄ変換を行い、磁束の変化の有無を電圧のディジタル量の形で出力する。また磁束の変化から電圧への変換の方法は、Ａ／Ｄコンバータでなく、電圧計を接続してもアナログ量として出力可能である。またアプリケーションによっては電圧計の代わりにコンパレータにて２値化を行って磁束の変化の有無を検出してもよい。磁束変化の無い状態と、磁束変化が起きた時の電圧の変化と、を検出できる回路が接続されていれば何でも良く、使いやすいものを使用して検出すればよい。

また、フィルム基材にパターニングされるインダクタ回路は、巻数が多いほど感度が高くなる。従って巻数を増やすため、フィルムに穴をあけず、片面の銅線のみを、パターニングを行ってインダクタ回路２を構成するとよい。第６図は、このような本発明の磁気センサー７の第四の実施の形態を示した説明図で、片側の出力端子を配線が囲う形状のインダクタ回路となる。端子はパッド３に接続されている。

図７は、本発明の磁気センサー７の第五の実施の形態の説明図である。図のように配線の一部分を開放しておきＦＰＣ(Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ)１１などの外部回路でループとなるコイルの配線パターン２を補間してインダクタを構成しても良い。端子はパッド３に接続されている。

あるいは図８の、本発明の磁気センサー７の第六の実施の形態の説明図で示すように、コイルの配線パターン２を設けたフィルム基材にスルーホール１２を設け、フィルム基材の他方の面から迂回の配線をして、外部に引き出す電極のパッド３を取り出しても良い。

また、本発明の磁気センサー７の第七の実施の形態の説明図で示す、図９のように、コイルの空間部分を浮島の配線パターンとして実際にインダクタとして使用する配線パターン２と相似な形状のダミーパターン１３として残しておくと、目視上、配線パターン２と区別が付かなくなる。したがって斜光などでフィルム機材を用いた磁気センサーを目視しても、そのセンサーパターンの有無の区別がつきにくくなるので、全体として配線パターン２の認識をしづらくなる。磁気センサーの存在を知られたくない場合に、有用である。

また、逆に、本発明の磁気センサー７の第八の実施の形態の説明図で示す図１０のように、ダミーパターン１３を実際の配線パターン２と異なるパターンや太さで配線し、目視で薄くそのパターンが識別できるようにすると、様々な情報提供をユーザに対して行うことが可能となる。

図１１は、本発明の磁気センサー７の第九の実施の形態の説明図である。このように、コイル（配線パターン２）の引き出しパッド３をコイルの中心近傍まで配線し、コイルの空間部分を減らすことで、配線パターン２を目立たなくする方法をとることもできる。

図１２は、本発明の磁気センサーの第十の実施の形態の説明図である。図で、磁気センサー１８を二枚の表ガラスの隙間に配したパチンコ台１４を示しており、磁石４をパチンコ台１４に近づけると、その近傍の磁気センサー１８が反応し、磁石４の存在を検知する。

図１３で示す従来のパチンコ台では、個別の磁気センサー１６を台内部に配している。第十の実施形態の磁気センサーは、図１３の従来品と比べ透明であることを利用して、磁気センサー１８をパチンコ台の二枚のガラス板の隙間の空間に配したほうが、台上に磁気センサーを埋め込むよりも空間利用率が上がる。このため、パチンコ台の役物等の配置の自由度が向上することがわかる。

１・・・・フィルム基材
２・・・・配線パターン
３・・・・パッド
４・・・・磁石
５・・・・磁性体
６・・・・Ｙ方向に平行なコイル部
７・・・・磁気センサー
８・・・・ローパスフィルタ
９・・・・増幅器
１０・・・Ａ／Ｄコンバータ
１１・・・ＦＰＣ
１２・・・スルーホール
１３・・・ダミーパターン
１４・・・パチンコ台
１５・・・表面ガラス
１６・・・磁気センサー
１７・・・パチンコ玉
１８・・・磁気センサー
１９・・・筺体

Claims (6)

1. フィルム基材に、コイル回路が形成された磁気センサーにおいて、
   前記コイル回路は、金属細線または導電膜が所定の単位形状を繰り返しつつ巻回されるパターンを有し、
   前記所定の単位形状は、直線の組み合わせ、曲線の組み合わせ、または直線と曲線の組み合わせからなり、各線が折り返されつつ進行する形状である
   ことを特徴とする磁気センサー。
2. 前記パターンは、前記所定の単位形状の繰り返しを波形と仮定した場合に、当該波形は、その振幅が検知対象の大きさと同等以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記パターンは、前記検知対象が、当該パターンが形成される面上のいかなる方向に移動する場合であっても前記パターンの何れかの部分を横切るように設計されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサー。
4. 前記所定の単位形状は、矩形波形状、三角波形状またはノコギリ波形状のいずれかであり、
   前記直線の長さは、１ｃｍ〜２ｃｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
5. 前記所定の単位形状は、円弧を交互に繋ぎ合わせて形成したＳ字形状であり、
   前記円弧の曲率半径は、１ｃｍ〜２ｃｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
6. 前記導電膜が透明導電膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサー。