(57)【要約】【課題】センサチップを２つの永久磁石によって挟み込む構造を有する磁気センサにおいて、センサチップに与えられるバイアス磁界をより均一化する。【解決手段】ｚ方向の磁束を検出するセンサチップ３０と、ｙ方向からセンサチップ３０を挟み込むように配置された第１及び第２の永久磁石５１，５２と、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｚ方向における端部にそれぞれ配置された第１及び第２の軟磁性体６１，６２とを備える。本発明によれば、第１及び第２の永久磁石５１，５２からの磁束が第１及び第２の軟磁性体６１，６２を通ることによって、その向きが揃えられる。これにより、バイアス磁界がより均一化することから、例えばｙ方向に被測定部材をスキャンすれば、ｘ方向位置による感度差を低減することが可能となる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向の磁束を検出するセンサチップと、
前記第１の方向と交差する第２の方向から前記センサチップを挟み込むように配置された第１及び第２の永久磁石と、
前記第１及び第２の永久磁石の前記第１の方向における端部にそれぞれ配置された第１及び第２の軟磁性体と、を備えることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記センサチップと前記第１の永久磁石の間に配置された第３の軟磁性体と、
前記センサチップと前記第２の永久磁石の間に配置された第４の軟磁性体と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁束を前記センサチップに集める第５の軟磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記第２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乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気センサに関し、特に、センサチップにバイアス磁界を印加する永久磁石を備えた磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサの中には、センサチップにバイアス磁界を印加する永久磁石を備えた磁気センサが存在する。例えば、特許文献１には、永久磁石のＮ極上にセンサチップを搭載した構成を有する磁気センサが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載された磁気センサは、永久磁石の上にセンサチップを搭載することによってバイアス磁界を印加しているため、永久磁石の磁界がセンサチップにそのまま印加される。これに対し、センサチップから見て磁界の検出方向とは異なる方向に永久磁石を配置することによって、センサチップに弱いバイアス磁界を印加するタイプの磁気センサも存在する。このようなタイプの磁気センサにおいては、永久磁石からの強い磁界がセンサチップにそのまま印加されないよう、Ｎ極とＳ極の位置を互いに反転させた２つの永久磁石によって、センサチップが挟み込まれる。これにより、センサチップには磁界の検出方向と直交する方向にバイアス磁界が印加される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４０６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、２つの永久磁石によって単にセンサチップを挟み込むだけでは、バイアス磁界の向きにばらつきが生じ、特に、永久磁石の幅方向の中央部におけるバイアス磁界の向きに対して、永久磁石の端部近傍におけるバイアス磁界の向きに角度が生じてしまう。バイアス磁界の向きにこのようなばらつきが生じると、永久磁石の端部近傍における磁界の検出感度が低下するという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明は、センサチップを２つの永久磁石によって挟み込む構造を有する磁気センサにおいて、センサチップに与えられるバイアス磁界をより均一化することにより、検出位置による感度差を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による磁気センサは、第１の方向の磁束を検出するセンサチップと、第１の方向と交差する第２の方向からセンサチップを挟み込むように配置された第１及び第２の永久磁石と、第１及び第２の永久磁石の第１の方向における端部にそれぞれ配置された第１及び第２の軟磁性体とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、第１及び第２の永久磁石からの磁束が第１及び第２の軟磁性体を通ることによって、その向きが揃えられる。これにより、バイアス磁界がより均一化することから、例えば第２の方向に被測定部材をスキャンすれば、幅方向位置による感度差を低減することが可能となる。
【０００９】
本発明による磁気センサは、センサチップと第１の永久磁石の間に配置された第３の軟磁性体と、センサチップと第２の永久磁石の間に配置された第４の軟磁性体とをさらに備えていても構わない。これによれば、第１及び第２の永久磁石からセンサチップに直接印加される磁束が遮断されることから、磁気飽和を起こしにくくなる。
【００１０】
本発明による磁気センサは、磁束をセンサチップに集める第５の軟磁性体をさらに備えていても構わない。これによれば、磁界の検出感度が高められるとともに、検出すべき磁気パターンの検出可能範囲を拡大することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
このように、本発明によれば、２つの永久磁石によってセンサチップに与えられるバイアス磁界がより均一化することから、検出位置による感度差が低減される。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の実施形態による磁気センサ１００Ａの構成を示す略斜視図である。
【図２】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】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】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】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】図６は、磁気センサ１００Ａのｙｚ断面図である。
【図７】図７は、磁気センサ１００Ａの効果を示すグラフであり、磁気パターンＭ１のｘ方向位置とセンサ出力との関係を示している。
【図８】図８は、比較例による磁気センサ１００Ｃ１のｙｚ断面図である。
【図９】図９は磁界シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）は磁気センサ１００Ａによって生じる磁界を示し、（ｂ）は磁気センサ１００Ｃ１によって生じる磁界を示している。
【図１０】図１０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１１】図１１は、磁気センサ１００Ｂの効果を示すグラフであり、磁気パターンＭ１のｘ方向位置とセンサ出力との関係を示している。
【図１２】図１２は、比較例による磁気センサ１００Ｃ２のｙｚ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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ｙ方向から挟むように配置された第１及び第２の永久磁石５１，５２と、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｚ方向における端部にそれぞれ配置された第１及び第２の軟磁性体６１，６２とを備えている。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及び軟磁性体４０を含んでいる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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に固定された軟磁性体４０によって構成される。軟磁性体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つの軟磁性体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、軟磁性体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、軟磁性体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。
【００２０】
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つの軟磁性体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。
【００２１】
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。
【００２２】
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軟磁性体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。
【００２３】
センサチップ３０の素子形成面３１には、板状の軟磁性体４０が固定されている。軟磁性体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。軟磁性体４０は、垂直方向（ｚ方向）の磁束を集める役割を果たし、軟磁性体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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
そして、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３は平面視で軟磁性体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は平面視で軟磁性体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、平面視で軟磁性体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、平面視で軟磁性体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。
【００２７】
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。
【００２８】
図６に示すように、センサチップ３０及び軟磁性体４０からなる単位磁気センサ１０は、第１の永久磁石５１と第２の永久磁石５２によってｙ方向から挟まれている。第１及び第２の永久磁石５１，５２は、単位磁気センサ１０にバイアス磁界を与えるために用いられ、第１の永久磁石５１の極性と第２の永久磁石５２の極性が逆となるよう配置されている。これにより、第１の永久磁石５１と第２の永久磁石５２に挟まれた領域においては、磁束の大部分が打ち消され、弱いバイアス磁界が軟磁性体４０を介してセンサチップ３０に印加される。
【００２９】
さらに、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｚ方向における先端部には、第１及び第２の軟磁性体６１，６２がそれぞれ配置されている。第１及び第２の軟磁性体６１，６２は、フェライトやパーマロイなどの軟磁性材料からなり、第１及び第２の永久磁石５１，５２にそれぞれ固定されている。第１及び第２の軟磁性体６１，６２は、第１及び第２の永久磁石５１，５２からの磁束の向きを揃える役割を果たす。
【００３０】
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が軟磁性体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が軟磁性体４０の直下をｙ方向に通過する際に生じるバイアス磁界の変化が磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４によって検出され、これによって磁気パターンＭ１が読み取られる。
【００３１】
つまり、磁気パターンＭ１が符号ｙ１の位置にある場合には、第１及び第２の永久磁石５１，５２によって形成される磁気バイアスが所定の安定状態を保っているため、センサチップ３０からは、磁気バイアスに対応したセンサ出力が出力される。これに対し、磁気パターンＭ１が符号ｙ２の位置まで移動すると、第１及び第２の永久磁石５１，５２によって形成される磁気バイアスの状態が磁気パターンＭ１の存在によって崩れ、軟磁性体４０に印加される磁束φのｚ方向成分に変化が生じる。このような原理により、磁気パターンＭ１の通過を検出することが可能となる。
【００３２】
第１及び第２の永久磁石５１，５２によって形成される磁気バイアスは、ｘ方向位置にかかわらず一定であることが望ましいが、ｘ方向における中央部における磁気バイアスの向きと、ｘ方向における端部近傍における磁気バイアスの向きには、若干の差が生じることがある。これは、第１及び第２の永久磁石５１，５２の角部に磁界が集中しやすいことに起因するものであると考えられる。しかしながら、本実施形態においては、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｚ方向における端部、つまり被測定部材６０と対向する面に第１及び第２の軟磁性体６１，６２が配置されていることから、第１及び第２の永久磁石５１，５２からの磁束が第１及び第２の軟磁性体６１，６２を通過することにより、その向きが揃えられる。
【００３３】
図７は、第１及び第２の軟磁性体６１，６２を設けたことによる効果を示すグラフであり、磁気パターンＭ１のｘ方向位置とセンサ出力との関係を示している。図７において、実線は本実施形態による磁気センサ１００Ａの特性を示し、破線は図８に示す比較例による磁気センサ１００Ｃ１の特性を示している。図８に示すように、比較例による磁気センサ１００Ｃ１は、第１及び第２の軟磁性体６１，６２が設けられていない点において、本実施形態による磁気センサ１００Ａと相違している。
【００３４】
図７に示すように、本実施形態による磁気センサ１００Ａは、軟磁性体４０のｘ方向におけるほぼ全幅（１０ｍｍ）に亘って比較的フラットな特性が得られているのに対し、比較例による磁気センサ１００Ｃ１は、ｘ方向における中央部において最も高いセンサ出力が得られる一方、ｘ方向における端部近傍に向かうにつれてセンサ出力が急速に低下することが分かる。これは、ｘ方向の端部近傍における磁気バイアスの乱れに起因するものである。本実施形態においては、第１及び第２の軟磁性体６１，６２によって磁気バイアスの乱れが低減されていることから、よりフラットな特性が得られている。
【００３５】
図９は磁界シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）は本実施形態による磁気センサ１００Ａによって生じる磁界を示し、（ｂ）は比較例による磁気センサ１００Ｃ１によって生じる磁界を示している。いずれも、被測定部材側から見たｘｙ平面における磁界を示している。
【００３６】
図９（ａ）に示すように、本実施形態による磁気センサ１００Ａによって生じる磁界は、第１の軟磁性体６１と第２の軟磁性体６２の間でほぼ一様であり、磁界の向きはほぼｙ方向に揃っている。
【００３７】
これに対し、第１及び第２の軟磁性体６１，６２が設けられていない比較例による磁気センサ１００Ｃ１によって生じる磁界は、図９（ｂ）に示すように、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｘ方向における端部近傍でやや乱れが生じており、磁界にｘ方向成分が含まれていることが分かる。図示しないが、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｘ方向における端部近傍では、磁界のｚ方向成分も中央部とは相違しており、これが検出感度の低下をもたらしているものと考えられる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１００Ａは、第１及び第２の永久磁石５１，５２のｚ方向における端部に第１及び第２の軟磁性体６１，６２が配置されていることから、磁気バイアスの均一性が高められる。これにより、ｘ方向位置による検出感度のばらつきを低減することが可能となる。
【００３９】
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に含まれる軟磁性体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軟磁性体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。
【００４０】
そして、軟磁性体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。
【００４１】
図１０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。
【００４２】
図１０に示すように、第２の実施形態による磁気センサ１００Ｂは、センサチップ３０と第１の永久磁石５１の間に第３の軟磁性体６３が配置され、センサチップ３０と第２の永久磁石５２の間に第４の軟磁性体６４が配置されている点において、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。
【００４３】
本実施形態においては、第１の軟磁性体６１と第３の軟磁性体６３が一体的であり、第２の軟磁性体６２と第４の軟磁性体６４が一体的であるが、両者は別部材であっても構わない。
【００４４】
第３及び第４の軟磁性体６３，６４は、センサチップ３０をｙ方向から挟み込む磁気シールドとして機能する。このため、本実施形態においては、第１及び第２の永久磁石５１，５２からの磁束がセンサチップ３０に直接印加されることがない。その結果、第１の実施形態による磁気センサ１００Ａよりも磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４が飽和しにくくなる。
【００４５】
図１１は、磁気センサ１００Ｂの効果を示すグラフであり、磁気パターンＭ１のｘ方向位置とセンサ出力との関係を示している。図１１において、実線は本実施形態による磁気センサ１００Ｂの特性を示し、破線は図１２に示す比較例による磁気センサ１００Ｃ２の特性を示している。図１２に示すように、比較例による磁気センサ１００Ｃ２は、第１及び第２の軟磁性体６１，６２が設けられていない点において、本実施形態による磁気センサ１００Ｂと相違している。
【００４６】
図１１に示すように、本実施形態による磁気センサ１００Ｂは、比較例による磁気センサ１００Ｃ２と比べてよりフラットな特性が得られることが分かる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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    第５の軟磁性体
５１    第１の永久磁石
５２    第２の永久磁石
６０    被測定部材
６１    第１の軟磁性体
６２    第２の軟磁性体
６３    第３の軟磁性体
６４    第４の軟磁性体
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ１，１００Ｃ２    磁気センサ
ＢＷ    ボンディングワイヤ
Ｇｘ    ギャップ
Ｍ１    磁気パターン
Ｒ１〜Ｒ４    磁気検出素子
φ    磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019219293.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019219293.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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