(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子を含む抵抗分圧回路を備えた磁気センサと、前記磁気センサの出力信号を増幅する増幅回路とを備えた磁気検出装置において、
前記増幅回路は、前記磁気センサの出力信号を交流増幅する、帯域通過特性を示す交流増幅回路と、前記交流増幅回路の出力信号を積分する、低域通過特性を示す積分回路と、前記交流増幅回路の出力信号と前記積分回路の出力信号とを差動増幅する差動増幅回路とを備え、
前記交流増幅回路の低域側のコーナー周波数と前記積分回路のコーナー周波数とは等しいことを特徴とする磁気検出装置。
【請求項２】
前記交流増幅回路は、
第１オペアンプと、
前記第１オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続される抵抗（Ｒ２３）と、前記反転入力端子に直列接続される、コンデンサ（Ｃ２１）と抵抗（Ｒ２１）との第１直列回路と、
を備え、前記低域側のコーナー周波数は前記第１直列回路の時定数により定められ、
前記積分回路は、
第２オペアンプと、
前記第２オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ（Ｃ３３）と、前記第２オペアンプの反転入力端子に直列接続される抵抗（Ｒ３１）とで構成される第２直列回路と、
を備え、前記積分回路のコーナー周波数は前記第２直列回路の時定数により定められ、
前記第１直列回路の時定数と前記第２直列回路の時定数は等しい、請求項１に記載の磁気検出装置。
【請求項３】
前記第１直列回路は前記磁気センサの出力に直列に接続された、請求項２に記載の磁気検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気検出装置を備えた紙幣識別装置であって、
前記磁気検出装置の磁気検出結果に基づいて、媒体に設けられた磁気パターンの情報の認識を行う信号処理部を備えたことを特徴とする紙幣識別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば紙幣等の媒体が備える磁気パターンを検出する磁気検出装置および磁気検出結果に基づいて紙幣の識別を行う紙幣識別装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な磁気検出装置は、磁気抵抗素子と固定抵抗素子との直列回路である抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の出力電圧を増幅する増幅回路とを備えている。このような磁気検出装置においては、増幅回路のオフセット電圧の影響をいかに低減するかが課題であった。【０００３】
特許文献１には、磁気抵抗素子と固定抵抗素子との直列回路である抵抗分圧回路の出力電圧を積分処理することでオフセット成分信号を出力する積分回路と、抵抗分圧回路の出力電圧とオフセット成分信号とを差動増幅処理する差動増幅回路とを備えた磁気検出装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２３８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されている磁気検出装置においては、増幅回路のオフセット電圧をオフセット成分信号によってキャンセルすることで増幅回路のオフセット電圧の影響を低減しているが、回路構成上、高い増幅率が得られない。そのため、微弱な磁気検出信号を扱う場合には増幅回路の段数を多くする必要があり、全体の回路構成が複雑化するという問題があった。【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑み、高い増幅率を得るとともにオフセット電圧の影響を受けずに磁気検出を行えるようにした磁気検出装置および、それを備えた紙幣識別装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の磁気検出装置は、磁気抵抗素子を含む抵抗分圧回路を備えた磁気センサと、磁気センサの出力信号を増幅する増幅回路とを備え、増幅回路は、磁気センサの出力信号を交流増幅する交流増幅回路と、交流増幅回路の出力信号を積分する積分回路と、交流増幅回路の出力信号と積分回路の出力信号とを差動増幅する差動増幅回路とを備えたことを特徴とする。
また、前記交流増幅回路は、
第１オペアンプと、
前記第１オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続される抵抗（Ｒ２３）と、前記反転入力端子に直列接続される、コンデンサ（Ｃ２１）と抵抗（Ｒ２１）との第１直列回路と、
を備え、前記低域側のコーナー周波数は前記第１直列回路の時定数により定められ、
前記積分回路は、
第２オペアンプと、
前記第２オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ（Ｃ３３）と、前記第２オペアンプの反転入力端子に直列接続される抵抗（Ｒ３１）とで構成される第２直列回路と、
を備え、前記積分回路のコーナー周波数は前記第２直列回路の時定数により定められ、
前記第１直列回路の時定数と前記第２直列回路の時定数は等しいことが好ましい。
【０００８】
この構成により、増幅回路のオフセット電圧の影響を受けずに、微弱な磁界変化を検出できる。また、そのため、識別対象物に設けられている磁気パターン等をより的確に検知できる。
前記第１直列回路は、前記磁気センサの出力に直列に接続されることが好ましい。この構成により、磁気センサの出力電圧に掛かる直流電圧は第１直列回路のコンデンサ（Ｃ２１）で遮断されるので、交流増幅回路にバイアス電圧が入力されず、積分回路および差動増幅回路をダイナミックレンジの超えない範囲で動作させることができ、高いゲインを得ることができる。
【０００９】
本発明の紙幣識別装置は、上記磁気検出装置を備え、磁気検出装置の磁気検出結果に基づいて、媒体に設けられた磁気パターンの情報の認識を行う信号処理部を備える。【００１０】
この構成により、紙幣に設けられている磁気パターンをより的確に識別できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、増幅回路のオフセット電圧の影響を受けずに、微弱な磁界変化を検出でき、識別対象物に設けられている磁気パターンをより的確に検知できる。また、紙幣に設けられている磁気パターンをより的確に識別できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気検出装置１０１の回路図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１に示した磁気検出装置１０１のゲインの周波数特性を示す図である。図２（Ｂ）は、図１に示した磁気検出装置１０１におけるコンデンサＣ２１の容量値を変えたときのゲインの周波数特性を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における交流増幅回路２０への入力信号の波形図である。図３（Ｂ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における交流増幅回路２０および積分回路３０それぞれの出力信号の波形図である。図３（Ｃ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における差動増幅回路４０の出力信号の波形図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る紙幣識別装置２０１の回路構成図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気検出装置１０２の回路図である。
【図６】図６（Ａ）は、媒体が備える磁性パターンの例を示す平面図であり、磁性が強いほど濃度を高く表している。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示した磁性パターンを備えた媒体を移動させたときの磁気検出装置１０２の出力電圧波形図である。
【図７】図７は、比較例に係る磁気検出装置の回路図である。
【図８】図８は、比較例に係る磁気検出装置の出力電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気検出装置１０１の回路図である。磁気検出装置１０１は、磁気センサ１、交流増幅回路２０、積分回路３０および差動増幅回路４０を備えている。磁気センサ１は、磁気抵抗素子Ｒ１と固定抵抗素子Ｒ２とを備えている。磁気抵抗素子Ｒ１および固定抵抗素子Ｒ２は、抵抗分圧回路を構成している。磁気センサ１では、磁気抵抗素子Ｒ１および固定抵抗素子Ｒ２からなる抵抗分圧回路に電源電圧Ｖｃｃが入力され、分圧電圧が磁気センサ１の出力信号として交流増幅回路２０へ出力される。交流増幅回路２０は、磁気センサ１の出力信号を所定のゲインで交流増幅し、積分回路３０および差動増幅回路４０へ出力する。積分回路３０は、交流増幅回路２０の出力信号を所定時定数で積分し、差動増幅回路４０の一方の入力部へ出力する。差動増幅回路４０は、交流増幅回路２０の出力信号と積分回路３０の出力信号とを所定ゲインで差動増幅する。差動増幅回路４０の出力が磁気検出装置１０１の出力信号である。
【００１４】
交流増幅回路２０は、オペアンプＯＰ２１（第１オペアンプ）を備えている。オペアンプＯＰ２１の反転入力端子には、コンデンサＣ２１および抵抗Ｒ２１を介して、磁気センサ１の出力信号が入力される。オペアンプＯＰ２１の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサＣ２３および抵抗Ｒ２３の並列回路が接続されている。オペアンプＯＰ２１の非反転入力端子には、抵抗Ｒ２２を介して、基準電圧源５が出力する基準電圧Ｖｒが入力される。なお、オペアンプＯＰ２１の電源電圧Ｖｃｃの接続ラインとグラウンドとの間にはバイパスコンデンサとしてコンデンサＣ２４が接続されている。
【００１５】
積分回路３０は、オペアンプＯＰ３１（第２オペアンプ）を備えている。オペアンプＯＰ３１の反転入力端子には、抵抗Ｒ３１を介して、交流増幅回路２０の出力信号が入力される。オペアンプＯＰ３１の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサＣ３３および抵抗Ｒ３３の並列回路が接続されている。オペアンプＯＰ３１の非反転入力端子には、基準電圧源５が出力する基準電圧Ｖｒが入力される。抵抗Ｒ３３はフィードバック抵抗である。
【００１６】
なお、理論上の積分回路は、図１に示した抵抗Ｒ３３の無い回路である。つまり低周波帯域ではゲインが無限になる。しかし、実用上はオペアンプＯＰ３１の低周波帯域でのゲインには限界があるため、フィードバック抵抗として抵抗Ｒ３３が必要となる。抵抗Ｒ３３の抵抗値は適宜定めればよいが、オペアンプＯＰ３１のオフセット電圧による影響もあり、抵抗Ｒ３３の抵抗値を大きくするとオペアンプＯＰ３１のダイナミックレンジを超えてしまい、出力信号が飽和する。そこで、コンデンサＣ３３と抵抗Ｒ３３とで構成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数と、上述のオペアンプＯＰ３１のオフセット電圧を考慮して、抵抗Ｒ３３の抵抗値を定める。
【００１７】
差動増幅回路４０は、オペアンプＯＰ４１を備えている。オペアンプＯＰ４１の反転入力端子には、抵抗Ｒ４１を介して、交流増幅回路２０の出力信号が入力される。オペアンプＯＰ４１の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサＣ４３および抵抗Ｒ４３の並列回路が接続されている。オペアンプＯＰ４１の非反転入力端子と基準電圧源５との間には、抵抗Ｒ４２が接続されている。また、オペアンプＯＰ４１の非反転入力端子と積分回路３０の出力部との間には抵抗Ｒ４４が接続されている。
【００１８】
図１に示した回路の各素子の値および各電圧は例えば次のとおりである。
【００１９】
［交流増幅回路２０］
抵抗Ｒ２１：１０ｋΩ
抵抗Ｒ２２：１０ｋΩ
抵抗Ｒ２３：１ＭΩ
コンデンサＣ２１：２２μＦ
コンデンサＣ２３：１０ｐＦ
コンデンサＣ２４：１μＦ
［積分回路３０］
抵抗Ｒ３１：１０ｋΩ
抵抗Ｒ３３：１００ｋΩ
コンデンサＣ３３：２２μＦ
［差動増幅回路４０］
抵抗Ｒ４１：１０ｋΩ
抵抗Ｒ４２：１０ｋΩ
抵抗Ｒ４３：１０ｋΩ
抵抗Ｒ４４：１０ｋΩ
コンデンサＣ４３：１ｎＦ
［電源電圧］
電源電圧Ｖｃｃ：５Ｖ
基準電圧Ｖｒ：２Ｖ
図２（Ａ）は、図１に示した磁気検出装置１０１のゲインの周波数特性を示す図である。図２（Ｂ）は、後に述べるように、図１に示した磁気検出装置１０１におけるコンデンサＣ２１の容量値を変えたときのゲインの周波数特性を示す図である。特性曲線Ａは、交流増幅回路２０の入出力間の周波数特性を表している。特性曲線Ｉは、交流増幅回路２０の入力部（磁気センサ１の出力部）と積分回路３０の出力部との間の周波数特性、すなわち交流増幅回路２０と積分回路３０との合成周波数特性を表している。特性曲線Ｄは、交流増幅回路２０の入力部（磁気センサ１の出力部）と差動増幅回路４０の出力部との間の周波数特性、すなわち交流増幅回路２０、積分回路３０および差動増幅回路４０の合成周波数特性を表している。
【００２０】
交流増幅回路２０のゲインは抵抗Ｒ２１の抵抗値に対する抵抗Ｒ２３の抵抗値の比で定まる。図２（Ａ）に表れているように、交流増幅回路２０のゲインは１００倍（４０ｄＢ）である。交流増幅回路２０は帯域通過特性を有し、低域側のコーナー周波数（ハイパスフィルタのカットオフ周波数）はコンデンサＣ２１の容量値および抵抗Ｒ２１の抵抗値の積（時定数）により定まる。高域側のコーナー周波数（ローパスフィルタのカットオフ周波数）はコンデンサＣ２３の容量値および抵抗Ｒ２３の抵抗値の積（時定数）で定まる。
【００２１】
積分回路３０のゲインは抵抗Ｒ３１の抵抗値に対する抵抗Ｒ３３の抵抗値の比で定まる。図２（Ａ）に表れているように、積分回路３０のゲインは１０倍（２０ｄＢ）である。積分回路３０は低域通過特性を示し、コーナー周波数（カットオフ周波数）はコンデンサＣ３３の容量値および抵抗Ｒ３１の容量値の積（時定数）により定まる。
【００２２】
差動増幅回路４０は交流増幅回路２０の出力信号と積分回路３０の出力信号とを差動増幅するが、そのゲインは抵抗Ｒ４１の抵抗値に対する抵抗Ｒ４３の抵抗値の比で定まる。なお、コンデンサＣ４３は高周波ノイズ除去用に設けられている。
【００２３】
図２（Ａ）に示した例では、抵抗Ｒ２１の抵抗値＝抵抗Ｒ３１の抵抗値＝１０ｋΩ、コンデンサＣ２１の容量値＝コンデンサＣ３３の容量値＝２２μＦであるので、交流増幅回路２０の低域側のコーナー周波数を決定する時定数と積分回路３０のコーナー周波数を決定する時定数とが一致している。そのため、磁気検出装置１０１全体の周波数特性は特性曲線Ｄで示すように、０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの広帯域で平坦な特性が得られている。
【００２４】
図２（Ｂ）に示した例では、抵抗Ｒ２１の抵抗値＝抵抗Ｒ３１の抵抗値＝１０ｋΩ、コンデンサＣ２１の容量値＝２．２μＦ、コンデンサＣ２３の容量値＝２２μＦとしている。したがって、交流増幅回路２０の低域側のコーナー周波数と積分回路３０のコーナー周波数とが一致せず、磁気検出装置１０１全体の周波数特性は特性曲線Ｄで示すようにうねりが生じている。後で述べるように、交流増幅回路２０の低域側のコーナー周波数と積分回路３０のコーナー周波数とが一致していることにより、積分回路３０の出力電圧は交流増幅回路２０で生じるオフセット電圧に一致する。そのため、差動増幅回路４０で交流増幅回路２０の出力電圧と積分回路３０の出力電圧との差電圧を増幅することにより、オフセット電圧の無い磁気検出信号が得られる。
【００２５】
図３（Ａ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における交流増幅回路２０への入力信号の波形図である。図３（Ｂ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における交流増幅回路２０および積分回路３０それぞれの出力信号の波形図である。図３（Ｃ）は、図１に示した磁気検出装置１０１における差動増幅回路４０の出力信号の波形図である。
【００２６】
図３（Ａ）の例では、交流増幅回路２０への入力信号は2 V−2.002 V の矩形波である。図３（Ｂ）において、波形Ａは交流増幅回路２０の出力電圧波形であり、波形Ｉは積分回路３０の出力電圧波形である。交流増幅回路２０の出力電圧波形である波形Ａは、初期には2 V−1.8 V の矩形波（中心電圧は1.9 V ）であるが、入力部に設けられたコンデンサＣ２１の影響により、中心電圧は次第に高くなる。すなわちコンデンサＣ２１の充電電圧は0 V から始まり、次第に充電される。したがって、交流増幅回路２０の出力電圧波形である波形Ａの中心電圧はコンデンサＣ２１の充電がすすむにつれて高くなり、オペアンプＯＰ２１の反転入力端子の電圧は基準電圧Ｖｒ（2 V）に漸近する。すなわち、交流増幅回路２０の出力電圧に重畳されるオフセット電圧は0.1 V から次第に0 V になる。
【００２７】
一方、積分回路３０の出力電圧波形である波形Ｉは、基準電圧Ｖｒ（2 V）を中心として交流増幅回路２０の出力電圧を積分したものである。そのため、積分回路３０の出力電圧波形Ｉは、交流増幅回路２０の出力電圧に重畳されるオフセット電圧に相当する電圧を示す波形となる。すなわち、2 Vから始まり、次第に2.1 Vに漸近する。
【００２８】
差動増幅回路４０は、交流増幅回路２０の出力信号と積分回路３０の出力信号とを所定ゲインで差動増幅するので、差動増幅回路４０の出力信号の波形は、図３（Ｃ）に表れているように、2 V−2.2 V の矩形波となる。すなわち、コンデンサＣ２１の充電電圧の変化によって生じるオフセット電圧が打ち消されて、常に安定した磁気検出信号が得られる。
【００２９】
仮に図１に示した交流増幅回路２０の入力部のコンデンサＣ２１を除去して直流増幅回路を構成し、この直流増幅回路のみで磁気検出装置の増幅回路を構成すると、コンデンサによるオフセット電圧は生じないが、磁気センサ１の出力電圧は直流電圧のバイアスが掛かっているので、オペアンプによる増幅回路のダイナミックレンジを超えない範囲で動作させる都合上、高いゲインを得ることができない。また、温度ドリフトまでそのまま増幅されてしまうので、良好な温度特性は得られない。
【００３０】
《第２の実施形態》
図４は、本発明の第２の実施形態に係る紙幣識別装置２０１の回路構成図である。紙幣識別装置２０１は、磁気検出装置１０１Ａ、ＡＤ変換器３１及び信号処理部３２を備えている。磁気検出装置１０１Ａは、列状に配列された複数の磁気センサ（図示せず）を備えており、紙幣識別装置２０１は各磁気センサの出力を増幅して磁気検出結果を出力する。磁気検出装置１０１Ａは、第１の実施形態で示した磁気検出装置１０１を複数組備えたものである。ＡＤ変換器３１は磁気検出装置１０１Ａの出力信号をディジタルデータに変換し、信号処理部３２はこのディジタルデータを時系列に順次読み取って、媒体に設けられた磁気パターンの情報の認識を行う。
【００３１】
なお、複数の磁気検出装置でＡＤ変換器を共用するために、一つのＡＤ変換器の入力部にマルチプレクサを設け、各磁気検出装置の出力をマルチプレクサを介して時分割でＡＤ変換器へ入力するようにしてもよい。
【００３２】
このような信号処理によって、磁気インクなどによる磁気パターンが設けられた媒体が搬送される際に生じる検出信号の特有の変化パターンを検知して紙幣の種別の判定および真贋鑑別を行う。
【００３３】
《第３の実施形態》
図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気検出装置１０２の回路図である。磁気検出装置１０２は、磁気センサ１、交流増幅回路２０Ａ，２０Ｂ、積分回路３０Ａ，３０Ｂおよび差動増幅回路４０Ａ，４０Ｂを備えている。磁気検出装置１０２は、第１の実施形態の磁気検出装置１０１の回路構成を２段に接続したものである。但し、２段目の交流増幅回路２０Ｂの抵抗Ｒ２３の抵抗値は３３０ｋΩであり、交流増幅回路２０Ｂのゲインを３３倍としている。また、２段目の差動増幅回路４０Ｂの抵抗Ｒ４３の抵抗値は２２ｋΩであり、差動増幅回路４０Ｂのゲインを２．２倍としている。なお、２段目の差動増幅回路４０Ｂにおいて、抵抗Ｒ４２の抵抗値は２２ｋΩ、抵抗Ｒ４４の抵抗値は３３ｋΩ、コンデンサＣ４３の容量値は４７０ｐＦとしている。また、２段目の差動増幅回路４０Ｂにおいて、オペアンプＯＰ４１の反転入力端子に抵抗Ｒ４５を介して中間電圧Ｖｏ（2.5 V）が印加されるように構成されている。
【００３４】
図６（Ａ）は、媒体が備える磁性パターンの例を示す平面図であり、磁性が強いほど濃度を高く表している。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示した磁性パターンを備えた媒体を移動させたときの磁気検出装置１０２の出力電圧波形図である。図６（Ｂ）において、時間30 ms、50〜60ms、80 ms に生じているパルスは、磁性パターンの先端、中央および後端にある磁性インクの濃度変化の急峻な部分に対応するものである。
【００３５】
このように、磁性パターンの磁性（磁気量）に応じた電圧信号として出力することができる。
【００３６】
ここで、比較例として、従来技術による磁気検出装置を用意する。の回路図と波形図を示す。図７は、比較例に係る磁気検出装置の回路図である。図７に示すように、比較例に係る磁気検出装置は、第１の実施形態に係る磁気検出装置１０１が備える磁気センサ１と交流増幅回路２０のみで構成されている。図８は、比較例に係る磁気検出装置の出力電圧波形図である。具体的には、図８は、図６（Ａ）に示した磁性パターンの例と同一の磁性パターンを備える媒体を移動させたときの比較例に係る磁気検出装置の出力電圧波形図である。
【００３７】
このように、磁気センサ１と交流増幅回路２０のみで磁気検出装置を構成した場合、図８に右上がりの矢印で示すように、コンデンサＣ２１の充電に伴うオフセット電圧の変動が生じる。これに対し、本発明によれば、図６（Ｂ）に表れているように、オフセット電圧の影響の無い常に安定した磁気検出信号が得られる。
【００３８】
なお、図１等に示した例では、磁気センサ１のハイサイドに磁気抵抗素子Ｒ１を設け、ローサイドに固定抵抗素子Ｒ２を設けたが、逆に、ハイサイドに固定抵抗素子を設け、ローサイドに磁気抵抗素子を設けてもよい。また、固定抵抗素子は単なる抵抗体であってもよいが、磁気変化に対する抵抗値変化の小さな磁気抵抗素子を固定抵抗素子として用いれば、磁気センサの温度依存性を殆ど無くすことができる。
【符号の説明】
【００３９】
ＯＰ２１，ＯＰ３１，ＯＰ４１…オペアンプ
Ｒ１…磁気抵抗素子
Ｒ２…固定抵抗素子
１…磁気センサ
５…基準電圧源
２０，２０Ａ，２０Ｂ…交流増幅回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ…積分回路
３１…ＡＤ変換器
３２…信号処理部
４０，４０Ａ，４０Ｂ…差動増幅回路
１０１，１０１Ａ，１０２…磁気検出装置
２０１…紙幣識別装置
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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