JP6973090B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、紙幣などの被測定部材を一軸方向にスキャンするタイプに適した磁気センサに関する。

紙幣などの被測定部材を一軸方向にスキャンするタイプの磁気センサとしては、特許文献１に記載された磁気センサが知られている。特許文献１に記載された磁気センサは、ケースに取り付けられた磁気検出素子を金属製のカバーで覆った構成を有しており、紙幣などの被測定部材がカバー上を通過する際に、被測定部材に埋め込まれた磁気パターンを磁気検出素子によって読み取る。

国際公開第２００５／０８３４５７号

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサは、磁気検出素子を単にカバーで覆っているだけであることから、スキャン方向における分解能（空間分解能）が不十分であるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、空間分解能が高められた磁気センサを提供することである。

本発明による磁気センサは、磁気検出素子を有するセンサチップと、磁束を磁気検出素子に集める磁性体と、センサチップ及び磁性体を覆う磁気シールドと、を備え、磁気シールドは、センサチップを所定の方向から挟み込む第１及び第２の側壁部と、第１の側壁部の一端に接続され、磁性体に向けて所定の方向に延在する第１の天板部と、第２の側壁部の一端に接続され、磁性体に向けて所定の方向に延在する第２の天板部とを含み、磁性体は、第１及び第２の天板部と接することなく、第１の天板部の先端と第２の天板部の先端によって形成されるギャップ内に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、磁性体を用いて磁気検出素子に磁束を集めていることから、磁界の検出感度が高められる。しかも、磁気シールドによって形成されるギャップ内に磁性体を配置していることから、磁性体の直下（又は直上）に位置する磁気パターンに対する検出選択性を高めることが可能となる。したがって、例えば、ギャップの幅方向に被測定部材をスキャンすれば、特にスキャン方向における空間分解能を高めることが可能となる。

本発明において、磁気シールドは、第１の側壁部の他端と第２の側壁部の他端を接続する底板部をさらに含んでいても構わない。これによれば、磁気シールドが略筒状体となることから、例えば、センサチップ及び磁性体が搭載された基板を筒状の磁気シールドに挿入することによって磁気センサを作製することが可能となる。

本発明において、磁性体と第１及び第２の天板部との間隔は、０．６ｍｍ以下であっても構わない。これによれば、磁気センサによる検出磁界がピーク値の５０％以上となる磁気パターンの位置範囲を空間分解能と定義した場合に、空間分解能を１ｍｍ以下とすることが可能となる。

このように、本発明によれば、空間分解能の高い磁気センサを提供することが可能となる。このため、紙幣などの被測定部材に埋め込まれた微細な磁気パターンを高精度に読み取ることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１００Ａの構成を示す略斜視図である。 図２は、磁気センサ１００Ａの内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。 図３は、単位磁気センサ１０の構造を説明するための略斜視図である。 図４は、単位磁気センサ１０の構造を説明するための略上面図である。 図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。 図６は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１００Ａのｙｚ断面図である。 図７は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂの構成を示す略斜視図である。 図８は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂのｙｚ断面図である。 図９は、第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂの効果を説明するためのグラフである。 図１０は、第１及び第２の天板部５３，５４の先端と磁性体４０の間隔Ｓが与える影響を説明するためのグラフである。 図１１は、第１及び第２の天板部５３，５４の先端と磁性体４０の間隔Ｓと空間分解能との関係を説明するためのグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１００Ａの構成を示す略斜視図である。

本実施形態による磁気センサ１００Ａは、ｘ方向を長手方向とする長尺型の磁気センサであり、ｙ方向に移動する被測定部材（図示せず）に設けられた磁気パターンをスキャンすることができる。特に限定されるものではないが、被測定部材としては紙幣が挙げられる。紙幣のスキャン方向は、短辺方向および長辺方向のいずれであっても構わない。

図１に示すように、本実施形態による磁気センサ１００Ａは、ｘ方向に配列された複数の単位磁気センサ１０と、単位磁気センサ１０を覆う磁気シールド５０を備えている。単位磁気センサ１０は基板２０に搭載されており、それぞれセンサチップ３０及び磁性体４０を含んでいる。

図１には、一例として６個の単位磁気センサ１０が図示されているが、当然ながら、本発明がこれに限定されるものではない。磁気センサ１００Ａを構成する単位磁気センサ１０の数は、磁気センサ１００Ａのｘ方向における長さと、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さによって適宜定めればよい。例えば、磁気センサ１００Ａのｘ方向における長さが約１８ｃｍであり、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さが約１ｃｍであれば、１８個の単位磁気センサ１０を用いればよい。磁気センサ１００Ａのｘ方向における長さは、対象となる被測定部材のサイズによって定められ、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さは、求められる解像度によって定められる。

図２は、磁気センサ１００Ａの内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。

図２に示すように、磁気センサ１００Ａの内部にはｘ方向を長手方向とする基板２０が配置されており、基板２０の表面に複数の単位磁気センサ１０が搭載される。単位磁気センサ１０は、磁気検出素子を有するセンサチップ３０と、センサチップ３０に固定された磁性体４０によって構成される。磁性体４０は、フェライトなどの高透磁率材料からなる板状の直方体であり、磁束をセンサチップ３０に集める役割を果たす。ここで、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０は接触しておらず、僅かなギャップＧｘを介して分離されている。一方、センサチップ３０のｘ方向における長さは、磁性体４０のｘ方向における長さよりも十分に小さく、したがって、ｘ方向に隣接する２つのセンサチップ３０同士は十分に離間している。また、磁性体４０のｙ方向における幅は、センサチップ３０のｙ方向における幅よりも十分に小さい。

ギャップＧｘは、磁気パターンを検出することができない、或いは、検出感度が大幅に低下する部分である。したがって、ギャップＧｘのｘ方向における幅は、できるだけ狭く設計することが好ましい。但し、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０が接触すると、単位磁気センサ１０間において磁気的な干渉が生じることから、両者が直接接触しないようレイアウトする必要がある。

図３及び図４は単位磁気センサ１０の構造を説明するための図であり、図３は略斜視図、図４は略上面図である。

図３及び図４に示すように、基板２０は実装領域２１を有しており、実装領域２１に単位磁気センサ１０が実装される。単位磁気センサ１０は、略直方体形状を有するセンサチップ３０と、ｘ方向を長手方向とする板状の磁性体４０からなる。センサチップ３０の上面である素子形成面３１には、４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４と複数の端子電極３２が形成されており、これら端子電極３２は、ボンディングワイヤＢＷを介して基板２０に設けられた端子電極２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４としては、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることが好ましい。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、図４の矢印Ｐが示す方向（ｙ方向）に全て揃えられている。

センサチップ３０の素子形成面３１には、板状の磁性体４０が固定されている。磁性体４０は、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３と磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４との間に配置される。ここで、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３はｙ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４はｙ方向における位置が等しい。また、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４はｘ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３はｘ方向における位置が等しい。磁性体４０は、垂直方向（ｚ方向）の磁束を集める役割を果たし、磁性体４０によって集磁された磁束は、ｙ方向にほぼ均等に分配される。このため、垂直方向の磁束は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に対してほぼ均等に与えられることになる。

図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。

図５に示すように、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ２は、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。同様に、磁気検出素子Ｒ３，Ｒ４も、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。そして、磁気検出素子Ｒ１と磁気検出素子Ｒ２の接続点の電位Ｖａは所定の端子電極３２を介して外部に出力され、磁気検出素子Ｒ３と磁気検出素子Ｒ４の接続点の電位Ｖｂは別の端子電極３２を介して外部に出力される。

そして、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３は平面視で磁性体４０からみて一方側（図４では上側）に配置され、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４は平面視で磁性体４０からみて他方側（図４では下側）に配置されていることから、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。つまり、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は、全て同一の磁化固定方向を有していることから、平面視で磁性体４０からみて一方側に位置する磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、平面視で磁性体４０からみて他方側に位置する磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図５に示した差動ブリッジ回路によって増幅される。但し、本発明において４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４を用いることは必須ではなく、例えば２つの磁気検出素子（Ｒ１とＲ４）を用いても構わない。

図６は、本実施形態による磁気センサ１００Ａのｙｚ断面図である。

図６に示すように、センサチップ３０及び磁性体４０からなる単位磁気センサ１０は、磁気シールド５０によって大部分が覆われる。磁気シールド５０の材料としては、パーマロイなど透磁率の高い磁性金属材料を用いることが好ましい。磁気シールド５０の材料として磁性金属材料を用いれば、２枚の磁性金属板を折り曲げることにより、第１の側壁部５１及び第１の天板部５３からなる部分と、第２の側壁部５２及び第２の天板部５４からなる部分を容易に作成することができる。但し、本発明において、第１の側壁部５１及び第１の天板部５３からなる部分や、第２の側壁部５２及び第２の天板部５４からなる部分が一体的である必要はなく、別部材を接着したものであっても構わない。また、磁気シールド５０と基板２０に囲まれた空間を樹脂材料でモールドしても構わない。

図６に示すように、磁気センサ１００Ａに使用される磁気シールド５０は、ｙ方向における一方側（図２における右側）から単位磁気センサ１０を覆う第１の側壁部５１と、ｙ方向における他方側（図２における左側）から単位磁気センサ１０を覆う第２の側壁部５２と、第１の側壁部５１のｚ方向における一端に接続され、磁性体４０に向けてｙ方向に延在する第１の天板部５３と、第２の側壁部５２のｚ方向における一端に接続され、磁性体４０に向けてｙ方向に延在する第２の天板部５４によって構成されている。第１及び第２の天板部５３，５４は、ｘｙ平面を構成する。

これにより、単位磁気センサ１０は、第１及び第２の側壁部５１，５２によってｙ方向から挟み込まれるとともに、第１の天板部５３の先端と第２の天板部５４の先端によって形成されるギャップＧｙ内に磁性体４０が配置される。特に限定されるものではないが、磁性体４０のｚ方向における先端部は、第１及び第２の天板部５３，５４と同一平面に位置することが好ましい。これは、第１及び第２の天板部５３，５４から見て、磁性体４０のｚ方向における先端部が奥側に引っ込むほど磁界の検出感度が低下する一方、磁性体４０のｚ方向における先端部の突出量が大きくなるほどノイズの影響を受けやすくなるからである。また、磁性体４０は、第１及び第２の天板部５３，５４と接しておらず、第１及び第２の天板部５３，５４に対して所定の間隔Ｓを有している。磁性体４０と第１及び第２の天板部５３，５４の間には、樹脂などの非磁性部材が介在していても構わない。

図６には、被測定部材６０も示されている。被測定部材６０はｙ方向に配列された磁気パターンＭ１，Ｍ２を有しており、被測定部材６０をｙ方向にスキャンすると、磁気パターンＭ１，Ｍ２が磁性体４０の直下をｙ方向に通過することになる。尚、被測定部材６０のスキャンは、磁気センサ１００Ａを固定した状態で被測定部材６０をｙ方向に移動させても構わないし、逆に、被測定部材６０を固定した状態で磁気センサ１００Ａをｙ方向に移動させても構わない。また、磁気センサ１００Ａと被測定部材６０の上下位置は逆であっても構わない。そして、磁気パターンＭ１，Ｍ２が磁性体４０の直下をｙ方向に通過する際、磁気パターンＭ１，Ｍ２によって生じる磁束が磁性体４０を介して磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に与えられ、これによって磁気パターンＭ１，Ｍ２が読み取られる。

図６においては、磁気パターンＭ１が磁性体４０の直下に位置しているため、このタイミングでは、磁気パターンＭ１によって生じる磁束が読み取られる。しかしながら、磁気パターンＭ１のｙ方向における近傍には別の磁気パターンＭ２が存在しているため、この磁気パターンＭ２によって生じる磁束の一部も同じタイミングで読み取られてしまう。磁気パターンＭ２によって生じる磁束は、磁気パターンＭ１を読み取るタイミングにおいてはノイズである。

しかしながら、本実施形態による磁気センサ１００Ａは磁気シールド５０を備えており、磁性体４０の直下に位置しない磁気パターン（図６においてはＭ２）の磁束を磁気シールド５０によって遮断することができる。つまり、ノイズとなるｙ方向の磁束については、ｘｚ平面を有する第１及び第２の側壁部５１，５２によって遮断され、ノイズとなるｚ方向の磁束については、ｘｙ平面を有する第１及び第２の天板部５３，５４によって遮断される。これにより、磁性体４０の直下に位置する磁気パターン（図６においてはＭ１）から生じる磁束をより選択的に読み取ることができ、空間分解能が高められる。

しかも、本実施形態による磁気センサ１００Ａは、単位磁気センサ１０がｘ方向に複数個配列されており、且つ、単位磁気センサ１０に含まれる磁性体４０のｘ方向における長さは、センサチップ３０のｘ方向における長さよりも十分に長いことから、より小型のセンサチップ３０を用いつつ、ｘ方向における全幅をスキャンすることが可能となる。通常、センサチップ３０は集合基板を用いて作製されるため、そのサイズが小型であるほど、１つの集合基板から多数個取りできるセンサチップ３０の数が増加し、コストを削減することができる。そして、本実施形態による磁気センサ１００Ａによれば、単位磁気センサ１０のｘ方向におけるスキャン幅が磁性体４０によって担保されるため、センサチップ３０のｘ方向におけるサイズをより小型とすることが可能となる。これにより、従来の長尺型磁気センサに比べて、部品コストを大幅に削減することが可能となる。

しかも、磁性体４０によって集磁された磁束は、小型なセンサチップ３０上の磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に集中することから、より高い検出感度を得ることも可能となる。

図７は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂの構成を示す略斜視図である。また、図８は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂのｙｚ断面図である。

図７及び図８に示すように、第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂは、磁気シールド５０が底板部５５を備えている点において、第１の実施形態による磁気センサ１００Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１００Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

磁気シールド５０の底板部５５は、第１の側壁部５１のｚ方向における他端と第２の側壁部５２のｚ方向における他端を接続する部分であり、ｘｙ平面を有している。かかる構成により、本実施形態においては、ノイズとなる磁束をより効果的に遮断することが可能となる。また、磁気シールド５０の材料として磁性金属材料を用いた場合、１枚の磁性金属板を折り曲げることにより、磁気シールド５０を作製することが可能となる。さらに、本実施形態においては、磁気シールド５０が略筒状体となることから、例えば、複数の単位磁気センサ１０が搭載された基板２０を筒状の磁気シールド５０に挿入することによって磁気センサ１００Ｂを作製することが可能となる。この場合、磁気シールド５０自体を磁気センサ１００Ｂの筐体として使用することも可能となる。

図９は、第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂの効果を説明するためのグラフであり、横軸は磁性体４０を基準とした磁気パターンのｙ方向における位置を示し、縦軸は検出磁界の強度を示している。検出磁界の強度は、ピーク値を１として規格化している。図９に示すように、磁気シールド５０を設けると、磁気シールド５０を設けない場合に比べて検出磁界の波形がシャープとなり、空間分解能が向上していることが分かる。

図１０は、第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂにおいて、第１及び第２の天板部５３，５４の先端と磁性体４０の間隔Ｓが与える影響を説明するためのグラフであり、横軸は磁性体４０を基準とした磁気パターンのｙ方向における位置を示し、縦軸は検出磁界の強度を示している。検出磁界の強度は、ピーク値を１として規格化している。図１０に示すように、第１及び第２の天板部５３，５４の先端と磁性体４０の間隔Ｓが狭いほど、検出磁界の波形がシャープになることが分かる。そして、検出磁界がピーク値の５０％以上となる磁気パターンの位置範囲を空間分解能と定義すると、図１１に示すように、間隔を０．６ｍｍ以下とすることにより、空間分解能を１ｍｍ以下とすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態による磁気センサ１００Ａ，１００Ｂは、複数の単位磁気センサ１０がｘ方向に配列された構成を有しているが、単位磁気センサ１０の数は１個であっても構わない。

１０ 単位磁気センサ
２０ 基板
２１ 実装領域
２２ 端子電極
３０ センサチップ
３１ 素子形成面
３２ 端子電極
４０ 磁性体
５０ 磁気シールド
５１ 第１の側壁部
５２ 第２の側壁部
５３ 第１の天板部
５４ 第２の天板部
５５ 底板部
６０ 被測定部材
１００Ａ，１００Ｂ 磁気センサ
ＢＷ ボンディングワイヤ
Ｇｘ，Ｇｙ ギャップ
Ｍ１，Ｍ２ 磁気パターン
Ｒ１〜Ｒ４ 磁気検出素子
Ｓ 間隔

Claims (4)

1. 磁気検出素子を有するセンサチップと、
   磁束を前記磁気検出素子に集める磁性体と、
   前記センサチップ及び前記磁性体を覆う磁気シールドと、を備え、
   前記磁気シールドは、前記センサチップを所定の方向から挟み込む第１及び第２の側壁部と、前記第１の側壁部の一端に接続され、前記磁性体に向けて前記所定の方向に延在する第１の天板部と、前記第２の側壁部の一端に接続され、前記磁性体に向けて前記所定の方向に延在する第２の天板部とを含み、
   前記磁性体は、前記第１及び第２の天板部と接することなく、前記第１の天板部の先端と前記第２の天板部の先端によって形成されるギャップ内に配置されていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記所定の方向は、被測定部材のスキャン方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気シールドは、前記第１の側壁部の他端と前記第２の側壁部の他端を接続する底板部をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁性体と前記第１及び第２の天板部との間隔は、０．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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