JP2008145379A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】強磁性体磁気抵抗素子により、単純な直流電圧の印加で磁性体量に比例した信号を検知できる安価な紙葉類の磁気センサを提供すること。
【解決手段】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。
【選択図】 図３

Description

本発明は、微小な磁性体量による磁界の変化を強磁性体薄膜磁気抵抗素子により検出する磁気センサに関するものである。

紙幣や有価証券類等の偽造防止の対策として、磁気インキによる印刷や用紙に細長い帯状の磁性体を漉き込み、流通段階でこれらの磁気インキや帯状の磁性体を検知して真偽の判定をしていることは広く知られている。

紙幣や有価証券類等の紙葉類の印刷に使用される微小な磁性体の検出には、様々な方式が存在し、例えば、磁気ヘッドによる方法として、S字型のコアの中央部に１次巻線を設け、微小な間隙を設定した２カ所の開口部側のそれぞれに２次巻き線を巻いて一方の開口部上に近接して紙葉類を通過させ、２つの２次巻線による誘導電圧の差を出力とする差動巻線型トランス方式が（例えば、特許文献１）がある。
その他にも、１次巻き線と２次巻線を設けた環状のコアの一部に微小な間隙を設けて１次巻き線に直流電流を流し、間隙上を磁性体が通過する際の環状コア内の磁束の変化を２次巻き線の誘起電圧から検知する直流励磁方式や、環状コアの一部に微小な間隙を設けて間隙上を磁性体が通過する際の環状コア内の磁束の変化をコアに巻いた巻線のインピーダンス変化として交流ブリッジ回路で検出するインピーダンス方式等が存在する。
また、半導体磁気抵抗素子に永久磁石により磁界のバイアスをかけ、磁性体の近接による磁界の変化を抵抗値の変化として検知する方法（例えば、特許文献２、特許文献３）も存在する。
特公昭６２−３６５４０号公報 特開２００４−３１７４６３号公報 特開２００５−３０８７２号公報

このように、様々な磁性体の検出方法があるが、差動巻線型トランス方式は温度によるコアの透磁率の変動を補償しながら磁性体量に比例した信号を得るものでコアや巻線が複数となることや検出側と補償側のインピーダンスの調整をする等から製造価格が高くなるという問題がある。インピーダンス方式でも、コアの温度補償をするためには磁気ヘッドを２個組み合わせることが必要であり差動巻き線方式と同様の問題がある。直流励磁方式では、磁性体による出力信号が磁性体の移動速度に比例するため、必ずしも磁性体量に比例した信号値とはならないという問題があった。

また、半導体磁気抵抗素子による方式では温度ドリフトの影響を減らすため同一平面上に２個の磁気抵抗素子を並べ、２個の素子間の磁界強度差を信号として出力する構造のため、得られる信号はセンサ上の磁性体量ではなく、２個の素子上の空間的な磁性体量差であり、正確な磁性体量信号ではない。直流電圧を印加して磁性体を検知する磁気抵抗素子による方式は信号の検出回路が単純であるが、検出信号は検知対象により生じる磁界分布の空間差分によるものであることから、均一な濃度の磁性体が印刷された紙葉類が磁気抵抗素子検出器上にあると磁界分布に差が無く磁気信号は出力されない等、正確な磁気信号が得られない点で信頼性に劣るという問題があった。

これに対して、磁性体量に比例した信号を得る方法として、バイアス磁界の磁界強度を変えて、２個の半導体磁気抵抗素子の一方の感度を小さくして磁性体量に比例した信号を得る方法が存在するが、この場合、感度を小さくした素子の温度ドリフトの変化も小さくなるため、温度のドリフト補償する別の手段が必要になる等、検出回路が複雑になる欠点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、強磁性体磁気抵抗素子により、単純な直流電圧の印加で磁性体量に比例した信号を検知できる安価な紙葉類の磁気センサを提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、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である。

請求項２記載の発明は、請求項１に加えて、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子の線状若しくは略並行に折り返された形状の長手方向と磁性体等の移動する方向とが略直角となるように合わせ、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子を通過する円弧状の磁力線を検出用磁界として使用し、磁性体等の移動する面に対して磁力線を傾斜させて入射するように構成したことを特徴とする磁気センサである。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に加えて、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子２個を一定の距離をもって略並列に基板上に配置して、前記２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子の各感磁方向に付与されるバイアス磁界の方向が反対になる位置と角度で永久磁石を配置したことを特徴とする磁気センサである。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２に加えて、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子は、一定の距離をもって略並列に配置された2個を１組としてこれを延伸方向に2組並べて計４個を基板上に設け、これら４個を交差させて接続してブリッジ構成とし、それぞれの組において並列に配置した２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子の各感磁方向に付与されるバイアス磁界の方向が反対になる位置と角度で永久磁石を配置したことを特徴とする磁気センサである。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４記載の磁気センサを概略一線上に複数個配置したことを特徴とする磁気センサである。

請求項１記載の発明によれば、永久磁石を用いて強磁性体薄膜磁気抵抗素子の感磁方向に加えるバイアス磁界強度を飽和磁界以下の磁束量とすることにより、検出対象の磁性体が通過することによる磁束量の変化を検知して強磁性体薄膜磁気抵抗素子の抵抗値Ｒ_Bが飽和することなく変化するようになるため、高い感度は保ちつつ飽和することのない磁気センサを実現することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、抵抗値の変化を略一方側のみ（本実施例では抵抗値が減少する側）とすることで、磁性体量に応じた波形が得られるため、この特性を利用することで、例えば磁性体量が徐々に変化するグラデーションパターンなども検出可能となる。また、検出対象が軟磁性体である場合には、抵抗値の変化が略一方側のみの波形となるが、検出対象が磁極を保持している硬磁性体である場合には、抵抗値の変化が両側で出力するようになるため、磁気センサとして機能するとともに、磁性体の種類の検出も可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、２つの強磁性体薄膜磁気抵抗素子にそれぞれ逆方向で同じ大きさのバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bが加わるように調整することで、磁性体の通過に伴って２つの強磁性体薄膜磁気抵抗素子からそれぞれ得られる抵抗値変化の波形は反転した２つの出力波形となる。これらの差をとることで、２倍の出力を得ることが可能となるとともに、２つの波形の差をとる構成とすることで、それぞれの波形に同一のノイズが入ったとしても、差をとることでこれらが相殺されることになるため、ノイズの影響を小さくすることが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、それぞれの組における２つの強磁性体薄膜磁気抵抗素子にそれぞれ逆方向で同じ大きさのバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bが加わるように調整することで、磁性体の通過に伴って２つの強磁性体薄膜磁気抵抗素子からそれぞれ得られる抵抗値変化の波形は反転した２つの出力波形となり、これらの差をとることで、それぞれの波形に同一のノイズが入ったとしても、差をとることでこれらが相殺されることになるため、ノイズの影響を小さくすることが可能となる。さらに、４つの強磁性体薄膜磁気抵抗素子をフルブリッジで構成することによって、強磁性体薄膜磁気抵抗素子が１つの場合に比べて感度が４倍となり、強磁性体薄膜磁気抵抗素子に対する温度、ノイズの影響を小さくできるとともに、フルブリッジの２つの出力信号ライン上に同一のノイズが入ったとしても、これらの差分をとることでノイズを相殺させて除去することが可能となる。

請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至４の効果に加えて、１本又は複数個の磁石とセンサを隙間なく一直線上に配置することで、幅のある被検出媒体上の幅方向の磁性体の分布を一度の読み取りで検出することが可能となる。

本発明による磁気センサは、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ものである。
以下、図面に基づいて基本原理を説明した後、実施例について説明を行う。

図１は、本発明による磁気センサの構成断面図を示したものであり、図１（ａ）は強磁性体薄膜磁気抵抗素子を設置した基板と磁性体通過面とが略平行である実施例に対応したものであり、図１（ｂ）は強磁性体薄膜磁気抵抗素子を設置した基板と磁性体通過面とが一定角度を有して対向している実施例に対応したものである。この図１において、１は磁気センサ、２は強磁性体薄膜磁気抵抗素子の基板、３は強磁性体薄膜磁気抵抗素子、４はセンサのベース、５は強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の信号端子、６は強磁性体薄膜磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加する永久磁石、７は強磁性体薄膜磁気抵抗素子を保護するケース、８は紙葉類等の被検出媒体、９は検出対象としての磁性体であり、例えば、被検出媒体８に印刷或いは漉き込まれた磁性体９などである。

図１に示す磁気センサ１は、非磁性体で構成されたベース４のセンサ固定面に強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が装置された基板２を固定してある。強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の上面には強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を保護するため、非磁性体からなるケース７を被せてある。このケース７は金属板或いは非金属の樹脂等で構成しても良い。基板２の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３とは反対の面には永久磁石６を固定し、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３に動作基準点となる所定のバイアス磁界を与える。信号端子５は複数本により構成され、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３への印加電圧の接続や信号出力を取り出す。このような構成において、磁気センサ１の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３のケース上面に接触或いは近接させて被検出媒体８を図示しないローラやベルト等により搬送移動して、被検出媒体８上の磁性体９を検出するものである。

本発明で採用している強磁性体薄膜磁気抵抗素子３は、感度は高いが比較的小さい磁界で素子の抵抗値変化が飽和する特性を持つ素子である。図２（ａ）に強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の一般的な特性図を示す。横軸は強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が磁界に対して感度を持つ面方向に加わる磁界の強度、縦軸は抵抗値を示す。抵抗値の変化が飽和する磁界は、通常１．５〜１０ｋA/ｍ程度である。

本発明の磁気センサ１では、図２（ａ）において、磁界Ｈにより抵抗値Ｒが飽和せずに変化する範囲内の磁界＋Ｈ_B又は−Ｈ_Bを基準の動作点とする手段として、図１の永久磁石６によりバイアス磁界＋Ｈ_B又は−Ｈ_Bを加える。このバイアス磁界Ｈ_Bが磁性体等の近接により変化すると、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を電気信号として取り出せば、センサとして機能する。また、外部からの磁界により磁界Ｈ_Bが変化しても抵抗値は変化する。
このバイアス磁界は抵抗値の変化が飽和する磁界以下であれば磁気センサとして機能するものであるが、センサとしての感度や精度を向上させるためには抵抗値変化がより線形に近い付近に設定することが好ましく、そのために図２（ａ）に示すようなバイアス磁界＋Ｈ_B又は−Ｈ_Bを設けており、具体的な数値としては、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３に加わる磁束密度が２〜５０Ｇ程度となるようなバイアス磁界に設定することが望ましい。

強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値Ｒを飽和しない範囲で変化させるように設定する際に、影響する条件として様々な要素が挙げられるが、例えば、（１）使用する永久磁石の強さ、（２）検出対象である磁性体とのギャップ、（３）永久磁石６と強磁性体薄膜磁気抵抗素子３との位置関係などは影響が大きい。
（１）使用する永久磁石６は、磁気センサ１に必要とされる感度によってその強さが決定されるものであり、高感度が必要である場合には強い磁石を採用する。磁石の種類としては、希土類磁石、合金磁石、フェライト磁石など、特に限定することなく採用可能である。
（２）検出対象である磁性体とのギャップについては、感度との兼ね合いもあるが、検出対象の磁性体が微弱である場合には抵抗値の変化は小さく、磁性体が強力である場合には抵抗値の変化幅も大きい傾向にある。よって、この点を考慮して、抵抗値Ｒが飽和しないようにギャップを調整する。
（３）永久磁石６と強磁性体薄膜磁気抵抗素子３との位置関係は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３に加わるバイアス磁界を決定するためのものであり、最も重要な条件である。強磁性体薄膜磁気抵抗素子３に加わるバイアス磁界強度を飽和磁界以下の磁束量に設定する際に影響するパラメータとしては、磁石の強さ、磁石の大きさ、磁石の中心からの距離及びその位置での角度が挙げられ、これらを調整してバイアス磁界を＋Ｈ_B又は−Ｈ_Bに設定する。

永久磁石６の周囲の磁束密度については、例えば、永久磁石が角型である場合には、磁石の磁極表面の磁化Ｍ［Ｇ］、磁石の外形のｘｙ各方向のそれぞれの長さの１／２の距離ａ，ｂ［ｍｍ］を用いることで、図２（ｂ）に示すように、磁石の中心から（ｘ，ｙ）だけ離れた点における磁束密度Ｂ_x，Ｂ_yを以下の式（１）及び（２）で求めることができる。

また、永久磁石６と強磁性体薄膜磁気抵抗素子３との相対的な角度がθ［°］だけずれているとすると、その位置での強磁性体薄膜磁気抵抗素子３に加わる磁束密度Ｂ_x´，Ｂ_y´は、以下の式（３）及び（４）で求めることができる。

このようにして、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の感磁方向に加わる磁束密度を求めることができ、これによって抵抗値Ｒが飽和しない範囲で変化させるように設定することが可能となる。以下、具体的な構成について各実施例を用いて説明する。

図３に示すのは、本発明の実施例１について説明した模式図であり、図１（ａ）における強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が１個の場合の作動原理を示したものである。図３（ａ）において、Ｌは被検出媒体或いは磁性体９の通過面であり、この通過面Ｌと強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の基板２とは略平行であり、また、永久磁石６の磁極（N、S）の軸が基板２に対して略垂直となるように配置されている。６−１は永久磁石６から出て、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を貫通した磁力線である。図３（ｂ）に示すように、Ｈ₁は強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を貫通した場所の磁力線６−１の磁界ベクトルを示し、Ｈ_1xは磁界ベクトルＨ₁のｘ軸成分を示し、Ｈ_1zは磁界ベクトルＨ₁のｚ軸成分を示す。強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が磁界の変化に対して抵抗値を変化する感磁方向は基板２の面に平行なｘ方向である。

ここで、本発明の特徴として、ｘ方向の磁界Ｈ_1xが図２の飽和磁界内のバイアス磁界Ｈ_Bになるように、永久磁石６と強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の位置（距離や角度を含む）の相対関係を調整するが、図３（ａ）に示す例では、磁性体９の通過面Ｌと基板２が略平行で、かつ、永久磁石６の磁極の軸と基板２が略垂直という関係を保った状態で、これらの間の距離を調整することで、ｘ方向の磁界Ｈ_1xがバイアス磁界Ｈ_Bとなるようにしている。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例１においては、磁極の軸に近い部分を通り比較的垂直に近い角度で伸びている磁力線が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を通るようにして、この磁力線のわずかな傾きによってｘ方向の磁界Ｈ_1xがバイアス磁界Ｈ_Bとなるようにしている。

この状態で磁性体９が矢印Ａの方向に移動すると、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値Ｒ_Bが図３（ｃ）に示すように変化する。波形の変化の概略としては、図３（ａ）におけるａ点付近で抵抗値が最も小さくなり、磁極の軸と交わるｂ点で抵抗値が変化前の値に戻り、磁極の軸を越えて反対側のｃ点付近で抵抗値が最も大きくなる。
このように、ｘ方向の磁界Ｈ_1xがバイアス磁界Ｈ_Bとなるように調整することによって、図３（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒ_Bが飽和することなく変化するようになるため、高い感度は保ちつつ飽和することのない磁気センサを実現することが可能となる。

前記実施例１においては、磁性体９の通過面Ｌと基板２が略平行で、かつ、永久磁石６の磁極の軸と基板２が略垂直という場合について説明したが、この実施例２においては、図４（ａ）に示すように、磁性体９の通過面Ｌに対して、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の設置された基板２、及び、永久磁石６を傾けて設置している。前記実施例１の磁気センサ１によっても、高い感度は保ちつつ飽和することのない磁気センサを実現することが可能となったが、磁性体量に応じた波形を得たい場合などには、本実施例２の方が適している。

図４（ａ）は、図１（ｂ）に示す磁気センサ１において、１個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の設置された基板２、及び、永久磁石６を傾けて設置した場合の作動原理を示したものである。この図４（ａ）に示すように、本実施例２では、特に進行方向に対して侵入側の磁力線６−１を検出体９に傾斜ささせて入射させるために、基板２及び永久磁石６の磁極の軸を通過面Ｌに対して傾斜させて構成している。
具体的には、磁極の軸の一側方に発生している比較的径の小さい楕円状の磁力線を用いるものとし、図４（ｂ）に示すように、この小径の楕円状の磁力線が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を通過した際に、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の感磁方向であるｘ方向の磁界Ｈ_1xがバイアス磁界Ｈ_Bとなるように調整し、かつ、小径の楕円状の磁力線の一部分を円弧として切り取るように磁性体の通過面Ｌを設ける。また、通過面Ｌと基板２とは、磁性体の侵入側が近く磁性体が離れていくに従って距離が開くように、一定の角度をもって配置しているものである。この角度は、概ね１０°〜６５°の範囲とすることで本実施例２の効果を実現できる。

このような構成において、通過面Ｌを磁性体９が矢印Ａの方向に移動すると、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値Ｒ_Bは、永久磁石６から出た円弧状の磁力線６−１が磁性体９に対して垂直な進入方向となる位置では、図４（ｃ）に示すように抵抗値が減少するように変化する。その後、磁性体９が移動するのに伴って徐々に磁力線６−１の進入角度が垂直から水平に近づいていき、出口側では磁力線６−１がほぼ通過面Ｌと平行となる関係から、検出体９を通過する磁束線の本数は減少し、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値Ｒ_Bは、図４（ｂ）から分かるように、下側での出力は極めてわずかとなり、ほぼ磁性体９の量に応じた上側のみの変化となる。

このように、抵抗値の変化を略一方側のみ（本実施例では抵抗値が減少する側）とすることで、磁性体量に応じた波形が得られるため、この特性を利用することで、例えば磁性体量が徐々に変化するグラデーションパターンなども検出可能となる。また、検出対象である磁性体９が軟磁性体である場合には図４（ｃ）に示すような波形となるが、磁性体９が磁極を保持している硬磁性体である場合には図４（ｃ）において下側にも出力するようになるため、本実施例２においては、磁気センサとして機能するとともに、磁性体の種類の検出も可能となる。
なお、本実施例２では、通過面Ｌに対して永久磁石６を傾けた状態で配置したが、永久磁石６から円弧状に発生する磁力線６−１が上記説明の状態となればよく、実際の配置としては必ずしも永久磁石６を傾けて設置する必要はない。また、小径の楕円状の磁力線を用いるものとしたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、感度との関係で適宜設定可能なものであり、楕円状の磁力線の一部を本実施例のように使用するものであれば、その径は特に限定されない。

前記実施例１は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が１個の場合の磁気センサの作動原理を示したものであったが、本実施例３は、実施例１と同様の構成における基板２に対して、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を２個採用した場合についてのものである。図５は、図１（ａ）に示す磁気センサ１において２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２を設置した場合の作動原理を示したものであり、磁性体９の通過面Ｌ、基板２、永久磁石６の位置関係は、実施例１の場合と同様である。

図５（ａ）において、Ｌは被検出媒体或いは磁性体９の通過面であり、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２が設置された基板２と概略平行である。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、６−１は永久磁石６から出て、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１を貫通した磁力線である。Ｈ₁は強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１を貫通した場所の磁力線６−１の磁界ベクトルを示し、Ｈ_1xは磁界ベクトルＨ₁のｘ軸成分を示し、Ｈ_1zは磁界ベクトルＨ₁のｚ軸成分を示す。６−２は永久磁石６から出て、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−２を貫通した磁力線である。Ｈ₂は強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−２を貫通した場所の磁力線６−２の磁界ベクトルを示し、Ｈ_2xは磁界ベクトルＨ₂のｘ軸成分を示し、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１のｘ軸方向磁界とは反対方向となる。Ｈ_2zは磁界ベクトルＨ₂のｚ軸成分を示す。
ここで、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２が磁界の変化に対して抵抗値を変化する感磁方向は基板２の面に平行なx方向である。永久磁石６と強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２の位置と方向の相対関係を調整して、x方向の磁界Ｈ_1x、Ｈ_2xが図２の飽和磁界内のバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bになるようにする。具体的には、図５（ａ）に示す場合においては、磁極の軸が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２の中間を通るようにすることで、図５（ｂ）に示すように、磁極の軸に対して略対称に発生した磁力線が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２をそれぞれ通過するようになり、x方向の磁界Ｈ_1x、Ｈ_2xが逆向きで同じ大きさとなり、この値がバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bとなるように、永久磁石６と基板２との距離を調整する。

このような構成において、磁性体９が矢印Ａの方向に通過面Lに沿って移動すると、図５（ｃ）に示すように、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１の抵抗値Ｒ_Bは、実線で表した曲線（図３（ｃ）に示す実施例１についての波形と同様）のように変化する。これに対して、x方向の磁界Ｈ_1x、Ｈ_2xが飽和磁界内のバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bになるように調整してあるため、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−２の抵抗値Ｒ_Bは、磁性体９が矢印Ａの方向に通過面Lに沿って移動すると、実線の曲線を反転させたように変化する破線で表した曲線のようになる。
このように、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２を用いることによって、２つの出力波形が得られ、これらの差をとることで、実施例１に比べて２倍の出力を得ることが可能となる。また、２つの波形の差をとる構成とすることで、それぞれの波形に同一のノイズが入ったとしても、差をとることでこれらが相殺されることになるため、ノイズの影響を小さくすることが可能となる。

前記実施例２は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３が１個の場合の磁気センサの作動原理を示したものであったが、本実施例４は、実施例２と同様の構成における基板２に対して、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を２個採用した場合についてのものである。図６は、図１（ｂ）に示す磁気センサ１において２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２を設置した場合の作動原理を示したものであり、磁性体９の通過面Ｌ、基板２、永久磁石６の位置関係は、実施例２の場合と同様である。

図６（ａ）に示すように、本実施例４においては、特に進行方向に対して侵入側の磁力線６−１を検出体９に傾斜ささせて入射させるために、基板２及び永久磁石６の磁極の軸を通過面Ｌに対して傾斜させて構成している。
具体的には、磁極の軸の一側方に発生している比較的径の小さい楕円状の磁力線６−１、６−２を用いるものとし、図６（ｂ）に示すように、この小径の楕円状の磁力線６−１が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１を通過した際に、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１の感磁方向であるｘ方向の磁界Ｈ_1xがバイアス磁界Ｈ_Bとなり、かつ、これとは別の小径の楕円状の磁力線６−２が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−２を通過した際に、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１の感磁方向であるｘ方向の磁界Ｈ_2xがバイアス磁界−Ｈ_Bとなるように調整する。この場合、磁極の軸が強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２の中間を通る楕円状の磁力線（図示省略）は、中間点を通過する部分においては基板２に対して略垂直（ｘ方向のベクトル成分無し）となっており、この中間点に対して左右に配置された強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２には、逆向きで同じ大きさのx方向の磁界Ｈ_1x、Ｈ_2xが発生し、この値がバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bとなるように、永久磁石６と基板２との距離及び角度を調整する。
また、２つの小径の楕円状の磁力線６−１、６−２の一部分を共に円弧として切り取るように磁性体の通過面Ｌを設ける。さらに、通過面Ｌと基板２とは、磁性体の侵入側が近く磁性体が離れていくに従って距離が開くように、一定の角度をもって配置しているものである。この角度は、概ね１０°〜６５°の範囲とすることで本実施例２の効果を実現できる。

このような構成において、通過面Ｌを磁性体９が矢印Aの方向に移動すると、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１の抵抗値Ｒ_Bは、永久磁石６から出た円弧状の磁力線６−１が磁性体９に対して垂直な進入方向となる位置では抵抗値が減少するように変化し、その後、磁性体９が移動するのに伴って徐々に磁力線６−１の進入角度が垂直から水平に近づいていき、出口側では磁力線６−１がほぼ通過面Ｌと平行となる関係から、検出体９を通過する磁束線の本数は減少し、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３の抵抗値Ｒ_Bは、図６（ｃ）に示す実線で表した曲線から分かるように、下側での出力は極めてわずかとなり、ほぼ磁性体９の量に応じた上側のみの変化となる。
他方、前記実施例３での説明と同様に、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２にはそれぞれ逆方向の磁界Ｈ_1x、Ｈ_2xによりバイアス磁界＋Ｈ_B、−Ｈ_Bとなるように調整されているので、ほぼ同様な位置を通る強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−２の抵抗値Ｒ_Bは、磁力線６−２により図６（ｃ）の破線で示した曲線のように、ほぼ強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１の抵抗値Ｒ_Bの波形である図６（ｃ）の実線の曲線を反転した波形となる。これにより、反転した２つの出力波形が得られ、これらの差をとることで、実施例２に比べて２倍の出力を得ることが可能となる。また、２つの波形の差をとる構成とすることで、それぞれの波形に同一のノイズが入ったとしても、差をとることでこれらが相殺されることになるため、ノイズの影響を小さくすることが可能となる。

前記実施例１乃至４に示した磁気センサ１の構成は、x−z軸の断面構成を示したもので、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２についても同様であり、基板２の表面に形成された平面形状については説明していなかったが、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２の平面形状は、図７（ａ）に示すような線状、或いは、図７（ｂ）のような概略並行に折り返した形状からなる。通常は、Sa、Sbの２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子を略平行に並べて使用するが、図３、図４に示した構成では、Sa、Sbのどちらかひとつを抵抗等に置き換えてもよい。

また、強磁性体薄膜磁気抵抗素子の抵抗値が温度により変化するため、２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子を図８のように結線して一方の端子に直流電圧Vbを与え、他方をゼロ電位に接続し、強磁性体薄膜磁気抵抗素子Sa、Sbの結線中点から信号Sigを取り出す差動回路として、温度の影響を小さくするようにしてもよい。強磁性体薄膜磁気抵抗素子Sa、Sbの抵抗値が近ければ、その効果は大きいものとなる。磁気センサとしての検知幅は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子Sa、Sbのそれぞれの長さとなる。

また、図９に示したような配置に強磁性体薄膜磁気抵抗素子S11a、S11b、S12a、S12bを４個を略平行に並べて、S11aとS12b、S11bとS12aを交差して結線したブリッジ構成とし、一端に直流電圧Vbを加え、他端をゼロ電位に接続して、２箇所の中間結線部T1、T2を作動回路の入力として温度の影響をより小さくし、且つ感度を概略４倍の信号を検出するようにしてもよい。図９の磁気センサとしての検知幅は、S11aとS11b及びS12aとSb12の長さとなる。
前記図８の結線によって、温度及びノイズの影響を少なくすることが可能となったが、図８の結線では、中間点から取り出した信号ライン上にノイズが入った場合にはこれを除去することが出来なかったが、この図９に示すような結線でT1、T2から得られる信号に同一のノイズが入ったとしても、これらの差分をとることでノイズを相殺させて除去することが可能となる。つまり、図９の構成とすることで、強磁性体薄膜磁気抵抗素子に対する温度、ノイズの影響を小さくできるだけでなく、取り出した信号ラインに飛来するノイズをも除去することが可能となる。

図６に示した２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２の抵抗値の変化を図８に示した差動結線により電気信号Sigとして取り出した場合、図６の強磁性体薄膜磁気抵抗素子３と永久磁石６の配置構成では、強磁性体薄膜磁気抵抗素子３−１、３−２は磁性体９の移動により吸い込まれる磁界の変化を検出する関係から、ほぼ磁性体９の量に比例した信号が得られる。これによって、グラデーションパターンも検知可能となる。

図１０は、本発明の実施例５における構成断面図を示したものである。
図１０（ａ）は、磁気センサの上側平面を示し、１０は本実施例における磁気センサであり、S1、S2、S3、・・Snはそれぞれ２個よりなる強磁性体薄膜磁気抵抗素子である。図１に示した強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を長手方向に略一線上に複数個ｎを配置したもので、被検出媒体８上の幅方向の磁性体９の分布を検出可能にするものである。このとき、永久磁石６は、複数個の磁気センサのそれぞれで設けてもよいし、共通な１本で構成するようにしてもよい。図１０（ｂ）は、（ａ）の強磁性体薄膜磁気抵抗素子S１、S2・・、Snから電気出力信号を取り出す回路例を示す。１１−１、１１−２、１１−３、・・１１−ｎはアンプ、Sig1、Sig2、Sig3、・・Signは強磁性体薄膜磁気抵抗素子S1、S2、・・Snで検出された信号出力である。このような１本又は複数個の磁石とセンサを隙間なく一直線上に配置する構成により、幅のある被検出媒体８上の幅方向の磁性体９の分布を一度の読み取りで検出することが可能となる。

図１１は、本発明の実施例６における構成断面図を示したものである。
図１１（ａ）は、磁気センサの上側平面を示し、１２は本実施例における磁気センサであり、S1、S2、S3、・・Snはそれぞれ、図９に示した接続のように、４個からなるブリッジ状に構成した強磁性体薄膜磁気抵抗素子である。図１に示した強磁性体薄膜磁気抵抗素子３を長手方向に略一線上に複数個ｎを配置したもので、被検出媒体８上の幅方向の磁性体９の分布を検出可能にするものである。このとき、永久磁石６は、複数個の磁気センサのそれぞれで設けてもよいし、共通な１本で構成するようにしてもよい。図１１（ｂ）は、（ａ）の強磁性体薄膜磁気抵抗素子S１、S2・・、Snから電気出力信号を取り出す回路例を示す。１３−１、１３−２、１３−３、・・１３−ｎはアンプ、Sig1、Sig2、Sig3、・・、Signは強磁性体薄膜磁気抵抗素子S1、S2、・・Snで検出された信号出力である。このような１本又は複数個の磁石とセンサを隙間なく一直線上に配置する構成により、幅のある被検出媒体８上の幅方向の磁性体９の分布を一度の読み取りで検出することが可能となる。

磁気センサの構成を示した断面図であり、（ａ）は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子を設置した基板と磁性体通過面とが略平行である実施例に対応したものであり、（ｂ）は強磁性体薄膜磁気抵抗素子を設置した基板と磁性体通過面とが一定角度を有して対向している実施例に対応したものである。 （ａ）は、強磁性体薄膜磁気抵抗素子の代表的な特性を表した模式図であり、（ｂ）は、永久磁石周辺の磁束密度を計算する際のパラメータについての説明図である。 実施例１における磁気センサの構成及び動作原理を表した模式図である。 実施例２における磁気センサの構成及び動作原理を表した模式図である。 実施例３における磁気センサの構成及び動作原理を表した模式図である。 実施例４における磁気センサの構成及び動作原理を表した模式図である。 強磁性体薄膜磁気抵抗素子の平面形状を表した模式図である。 強磁性体薄膜磁気抵抗素子の結線例を表した結線図である。 強磁性体薄膜磁気抵抗素子の結線例を表した結線図である。 実施例５における磁気センサの構成及び結線例を表した模式図である。 実施例６における磁気センサの構成及び結線例を表した模式図である。

符号の説明

１、１０、１２…磁気センサ、２…基板、３…強磁性体薄膜磁気抵抗素子、４…ベース、５…信号端子、６…永久磁石、７…ケース、８…被検出媒体、９…磁性体、１１、１３…アンプ。

Claims (5)

1. 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。
2. 前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子の線状若しくは略並行に折り返された形状の長手方向と磁性体等の移動する方向とが略直角となるように合わせ、前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子を通過する円弧状の磁力線を検出用磁界として使用し、磁性体等の移動する面に対して磁力線を傾斜させて入射するように構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子２個を一定の距離をもって略並列に基板上に配置して、前記２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子の各感磁方向に付与されるバイアス磁界の方向が反対になる位置と角度で永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気センサ。
4. 前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子は、一定の距離をもって略並列に配置された2個を１組としてこれを延伸方向に2組並べて計４個を基板上に設け、これら４個を交差させて接続してブリッジ構成とし、それぞれの組において並列に配置した２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子の各感磁方向に付与されるバイアス磁界の方向が反対になる位置と角度で永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気センサ。
5. 請求項１乃至４記載の磁気センサを概略一線上に複数個配置したことを特徴とする磁気センサ。

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