JP4128652B2

JP4128652B2 - 磁性材料の磁気特性判別のための磁気センサ及びその磁気センサを用いる特性判別装置

Info

Publication number: JP4128652B2
Application number: JP12165498A
Authority: JP
Inventors: 一郎水上
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: JPH11304897A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性材料の磁気特性を判別するための磁気センサおよびその磁気センサを用いる特性判別装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、証券類やカード類の偽造防止対策として、ホログラム印刷のように一般に偽造困難な特殊印刷技術を用いたものや、磁気インクによるバーコードや図柄の印刷によるものや、紫外線，赤外線，等に反応する特殊インクによる印刷や、樹脂片，糸，あるいは金属片を紙あるいは樹脂の中に埋め込む形式の情報記録媒体が知られている。
このような特殊印刷をされた情報記録媒体の真偽を判定するために、真正品との目視による比較や、紫外線，赤外線照射によってインクからの反射，吸収量を検出する方法や、電波による反射，吸収量を検出する方法や、磁気センサにより塗布された磁気量あるいはパターンを検出する方法が知られている。
【０００３】
このような場合に、一般に微小磁気検知用として用いられている磁気ヘッドの構造（例えばModel SST-80HPT サンエイテック株式会社）を図８に示す。ここで、２１ａ，２１ｂ，２１ｃは磁芯、２２は中央の磁芯２１ａ上に巻かれた励磁コイル、２３は外側の磁芯２１ｂ上に巻かれたセンスコイル、２４は外側の磁芯２１ｃ上に巻かれた補償コイル、２５は中央の磁芯２１ａと外側の磁芯２１ｂとの間に形成されたヘッドギャップである。
また、磁気ヘッドの空隙（幅Ｉのギャップ）と近傍磁界強度分布を図９に示す（参考文献：デジタル磁気記録木澤誠著昭光堂）。
磁気ヘッドのギャップ幅Ｉは、０．１〜０．４ｍｍ程度であるから検出対象となる磁性材料の大きさに比べ狭い。従って、磁気特性を得るために必要な磁界としては、漏洩磁束の占める領域が狭くかつその領域内でも位置により磁界の強さが大きく変化する磁場しか得ることができない。そのため磁界の強さの変化による磁束の変化を検出しようとした場合には、磁気材料に作用する磁界の強さが均一でなく、異なった磁界の強さによって励磁された磁気材料の磁束の積分値としてしか得ることができない。
【０００４】
ここで、Ｖ：検出電圧、Ｂ：磁束密度、Ｈ：磁界強度、μ：磁性体の透磁率（但し非線形）とすると、検出電圧Ｖと磁束密度Ｂは次式（１）（２）のように表される。
【数１】
Ｖ＝ｄＢ／ｄｔ ………（１）
Ｂ＝μＨ ………（２）
（１）（２）式から各部分磁界強度ｄＨ₁，ｄＨ₂，ｄＨ₃の作用を考慮すると、
【数２】
Ｖ＝μｄ（Ｈ₁＋Ｈ₂＋Ｈ₃…）／ｄｔ ………（３）
である。このためこの磁気ヘッドでは、特に保持力Ｈｃの差異を明確に分離することができないという欠点を持つ。
【０００５】
図１０は狭ギャップ磁気ヘッドで磁性材料を測定した特性例であり、図１０（ａ）は異なる保持力Ｈａ，Ｈｂを有する磁気材料のＢ−Ｈ特性Ｉ，IIである。また、図１０（ｂ）は均一磁界が磁気材料全体に作用している場合の各材料から検出した検知電圧（Ｖ＝ｄＢ／ｄｔ）である。保持力Ｈａ，Ｈｂ以上の強度で励磁されたときに、角形比の大きな強磁性体はパルス電圧を発生し、保持力の値が異なれば、位相差を持った２個のパルスが検出される。図１０（ｃ）は磁気材料の各部分に作用する磁界の強度が異なっているため、式（３）で示すように検出パルスが各部分からの積分値となり明確な位相差を検出することができない。
【０００６】
次に、広ギャップを有する磁気ヘッドでは、磁路の幅が広いためヘッド周辺の影響が無視できなくなることと、磁気抵抗が大きくなり強い磁界を発生することが困難となる欠点がある。また、ヘッド周辺に金属が有るときには、センス信号と補償信号のバランスが崩れ、検出出力において励磁信号成分を相殺することが困難となり、そのための励磁成分の混入により微少な磁束変化を検出することができなくなる。
【０００７】
また、一般にギャップ長が長くなると、磁気回路における磁気抵抗が大きくなり、強い磁界強度を得るのが難しい。その理由を次に述べる。
磁気ヘッドの比透磁率：μｓ、磁気ヘッドの軸の長さ：Ｌ、ギャップ長：Ｌａ、総巻き数：Ｎ、流す電流：Ｉとすると、ギャップに生じる磁界は、
【数３】
Ｈ＝μｓＮ１／（Ｌ＋μｓＬａ） ………（４）
この式（４）が成立するのは、Ｌ＜μｓＬａの時であるから、フェライト材を例にとるとμｓは約２０００程度であるので、Ｌが１００ｍｍとすると、Ｌａは１００／２００００＝０．０５以下でないと成立しない。
【０００８】
次に、情報記録媒体の真偽判定については、安全線条に強磁性体の箔，糸を用いて安全保証用データを記憶させた構成を用い、ある種の強磁性体素材のもつ特異な磁気特性を利用して安全保護紙の真偽判定をする本願出願人が先に提案した方法がある（特願平５−１９６６８８号「安全保護紙とその真偽判定装置」参照）。
さらに、強磁性体を情報記録体の一部として利用した場合、熱，スリット幅等による磁気強度の変化あるいは磁気特性の変化を磁気ヘッドや磁気コイルなどにより検出して、その変化を意味のあるデータとして利用してきた（特願平６−２９１９９４号「安全保護紙とその真偽判定装置」参照）。
また、強磁性体素材の持つ特異な磁気特性の判別方法の一つとして、励磁磁界強度の変化による強磁性体の持つ磁気履歴特性を利用した真偽判別方法もある（特願平成７−０１８３４３号「安全保護紙とその真偽判定装置」参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特願平５−１９６６８８号「安全保護紙とその真偽判定装置」において提示されているように、合金比率と製法により容易に偽造できない磁気特性を有する強磁性体をその材料そのものであると判別する手法として、励磁磁界強度の変化による磁気履歴特性を調べることで磁気特性のわずかな差異をも容易に判別できることが示されている。
しかしながら紙やプラスチックカードに付加された小片を高速度で大量に判別するにはその判別装置が大がかりとなる傾向があった。
例えば１ｍｍ幅の磁気材料小片が付加されているカード類が、１０ｍ／ｓの速度で判別機器を通過する場合、１００μｓ以内に励磁信号を変調させる等の手段で磁気履歴特性を検出する必要があるため、励磁周波数が高くなる等の欠点がある。
【００１０】
また、非接触でかつ大量に処理する場合には、判別する磁気材料の磁気特性（保磁力Ｈｃ，磁束密度Ｂｍ，角形比等）を絶対値として検出，比較することは、励磁磁界を一様に磁性材料に印加することが難しいため、従来の磁気センサでは困難であった。
【００１１】
本発明の第１の目的は、情報記録媒体に用いられている磁性材料の磁気特性を容易に検知することができる磁気センサを提供することにある。
本発明の第２の目的は、構造容易にして高い判別能力を有する磁性材料の磁気特性判別装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願第１の目的を達成するために、本発明による磁気材料の磁気特性判別のための磁気センサは、
縦断面がＥ字形を有する軟磁性材磁芯と、
該軟磁性材磁芯の中央アーム上に巻回された励磁コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの一方上に巻回された検知コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの他方上に巻回された補償コイルと、
前記軟磁性材磁芯の中央アームの端部と前記検知コイルが巻回された外側アームの端部とを橋絡するように配置されて、検知対象磁性体をガイド走行させるガイドパスを具有せしめるように形成された非磁性硬質材料のガイド板と、
該ガイド板の前記ガイドパスに沿いかつ前記橋絡する部分に位置するように該ガイド板の表面または内部に配置された既知磁気特性の比較用磁性材料と、
を備え、
前記検知対象磁性体が前記ガイドパスを走行したときに、該検知対象磁性体の磁気特性を示す検知出力が前記検知コイルから得られるように構成されている。
【００１３】
また、本願第２の目的を達成するために、本発明による磁性材料の磁気特性判別装置は、
縦断面がＥ字形を有する軟磁性材磁芯と、
該軟磁性材磁芯の中央アーム上に巻回された励磁コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの一方上に巻回された検知コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの他方上に巻回された補償コイルと、
前記軟磁性材磁芯の中央アームの端部と前記検知コイルが巻回された外側アームの端部とを橋絡するように配置されて、検知対象磁性体をガイド走行させるガイドパスを具有せしめるように形成された非磁性硬質材料のガイド板と、
該ガイド板の前記ガイドパスに沿いかつ前記橋絡する部分に位置するように該ガイド板の表面または内部に配置された既知磁気特性の比較用磁性材料と、
前記励磁コイルに励磁電流を流す励磁用電源と、
前記検知コイルからの検知出力と前記補償コイルからの補償出力との差分をとり前記励磁電流による励磁磁界の影響を抑制した差動検知出力を取り出す差動増幅器と、
該差動増幅器からの比較用磁性材料による前記差動検知出力と前記検知対象磁性体による前記差動検知出力との位相差に相当する位相情報を取り出す位相比較回路と、
該位相比較回路からの前記位相情報を予め記憶された標準情報と比較して前記検知対象磁性体の磁気特性の判別をする判別回路と、
を備えた構成を有している。
ここで、前記励磁用電源からの前記励磁電流は、間欠発振する少なくとも一波長の正弦波または歪み成分の少ないように変調された正弦波とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
磁気センサにおいて、ギャップ長が長い場合には、ギャップからの漏れ磁界の経路により磁気抵抗が決定し、一意には磁界の強さは決定できず、実験的あるいはシミュレイション的手法が用いられる。
本発明では、磁芯の形状をＥ型とし補償用信号を得るために検出用信号と近接した同じ面に磁路を形成させている。このため、金属が接近してきても検出側と補償側が同一な影響を受けるため、互いにキャンセル可能となり微少な磁束変化を検知することができる。
本発明による磁気ヘッドでは、磁芯にフェライトを用いており、その最大磁界強度は同一巻数を持った有限長空芯コイルの中心磁界に比べ約５倍の強度が得られている。
すなわち、広ギャップを有する磁気ヘッドで強い磁界を得るには、磁芯の透磁率による寄与には限界があり、総巻数と電流を大きくする必要がある。総巻数を増やした場合には、自己インダクタンスの増加となり励磁周波数を高くすることができず、判別物の搬送速度が限定される。
電流を増やした場合は、巻線の抵抗値による熱の発生を無視することはできず、しかも励磁電源が大型になる。
【００１５】
（ａ）磁気特性判別の容易性
本発明による広ギャップ磁気センサは判別すべき磁気材料の大きさに比べ充分大きな均一磁界を持たせることがき、式（１），（２）から式（５）に示す検出電圧Ｖを検出できる。
【数４】
Ｖ＝ｄμＨ／ｄｔ ………（５）
しかしながら、検出したパルス波形の励磁磁界強度変化に対する位相情報を絶対値として正確に測定することは次の理由で困難である。
「センサ，アンプ系の位相ばらつき」
磁気センサの励磁磁界強度や磁気センサ，検出アンプ等の位相ばらつきを一定にすることが難しい。
そのため真偽判定をする場合、位相情報を絶対値で比較することができない欠点をもつ。この場合、予め磁気特性の判明している磁気材料を磁気センサの内部に組み込んでおけば、励磁磁界強度やアンプ系の位相が変化しても被測定材料とのピーク間の開き具合を測定することで容易に真偽判定をすることができる。
【００１６】
（ｂ）磁気材料が組み込まれたセンサの利点
広ギャップ型の磁気センサは広い領域に均一磁界を作れるとはいっても限界がある。図１に本発明の実施例の磁気センサの作る磁界強度を示す。均一と見なせる部分はギャップ中央の１０平方ｍｍの部分であり、周辺部分はしだいに小さくなっていく。
このことは、カードのように連続的に被測定物の真偽判定を必要とする場合、磁気強度が異なる部分を通過するため、パルス波形の位相変化を生じ、磁気特性と被測定物とを対応ずけするのが困難となる。
ここに基準とする位相と振幅をもった基準パルスが存在すれば、簡単に磁気特性の相違を判別することができる。前例の移動する磁性材料からのパルスは図２の点線矢印のように移動するパルスとして検出される。移動パルスはある位置まで移動し、また逆の方向に移動するので、最大に変化した位置と基準パルスとの比較を行えばよい。
【００１７】
磁気特性判別装置において、磁気特性はその特性を表すには透磁率，飽和磁束密度，角形比，初透磁率等の要素を持っており複雑である。例えば、透磁率のみをとってみても、強磁性体においては非線形であるのが一般的であり、その非線形性も励磁周波数，励磁強度，温度等の条件に依存しているため、微妙な違いを判別することは判別装置の負担を大きくする欠点を持っている。
本発明において、直接表示する方法であると、基準となる磁性材料に真偽判定の真正品と同一物を用いれば、検出パルスと基準パルスが全く重なり合うか否かを見るだけで、容易に判別が可能となり、簡易型の判別装置としては好適のものを製作することができる。
本発明による特性判定装置は、類似した磁気特性を持ち予め磁気特性の判明している磁気材料を磁気センサに組み込んでおくことにより、基準となる位相と振幅を有するパルスが常に表示面に存在することになるから、その位相差の大きさを比べることで簡単にかつ精度よく真偽判別することが可能となる。
【００１８】
【実施例】
図３に本発明の磁気センサの実施例を示す。１は、磁気センサの磁芯であり、縦断面がＥ字形を有し、比透磁率が約２４００のフェライト材を用いる。磁芯力材料はこのほかパーマロイ，センダスト等の高透磁率の材料でもよい。２は、磁芯１の中央のアーム上に巻回された励磁コイルであり、０．３φの導線を約２５００ターン巻く。３は、磁芯１の二つの外側アームの一方上に巻回されたセンスコイルであり、０．０７５φの導線を約１００ターン巻く。４は、磁芯１の二つの外側アームの他方上に巻回された補償コイルであり、０．０７５φの導線を約１００ターン巻く。補償コイル４は、センスコイル３に生じる励磁信号成分をキャンセルするためのものである。５は、磁芯１の中央アームの端部と検知コイル３が巻回された外側アームの端部とを橋絡するように配置されたガイド板で硬質プラスチックあるいはセラミック材でできており、被検出物をガイド走行させるガイドパスを具備するように形成されている。非磁性金属材料以外であっても、励磁磁界による渦電流効果により、磁束バランスがくずれるので好ましくなく、かつ被検出物のそのガイドパス上での接触磨耗に耐えられる硬質なセラミック等の非金属を用いる。６は、比較用磁気材料であり、磁気センサの磁界が均一である前記の橋絡部分に比較材料と形状が等価な磁気特性の明確な磁気材料をガイド板５に張り付けるか又は埋め込みをしておく。
真偽判定をする場合、真正の材料を比較用磁気材料６として用いることも可能であり、判定回路が簡略化される。また、比較用磁気材料６を固定して張り付けるのではなく、例えば、ガイド板５を交換できる構造にして、簡単に交換できるようにしておくこともできる。
【００１９】
図４に特性判定装置のブロック図を示す。ここで、７は、励磁用電源で１０Ｖp-p 、周波数５ＫＨｚの正弦波を励磁コイルに加える。８は、差動アンプであり、センスコイル３と補償コイル４からの信号の差分を得る。
ここでは省略してあるがセンスコイル３と補償コイル４からの信号は振幅，位相とも多少違っており、励磁磁界の影響を最小にするため振幅，位相を変化させる回路を含む。９は、位相比較回路であり、比較用磁気材料６からの信号パルスと被測定磁気材料からの信号パルスを比較して、それらの位相差に相当する値をデジタル値とし判別回路に送る。
１０は、判別回路であり、位相比較情報からの位相差情報を予め記憶していた真である材料の時の情報と比較して、一致すれば真正品であり、一致しなければ偽造物であるとして表示装置あるいは他の制御装置に通知する。これらの表示・制御・装置としてはマイクロコンピュータを用いるのが一般的である。
判別回路１０は位相差情報以外にパルスの振幅，形状，履歴特性，ノイズ特性などを加味することも可能であり、さらに真偽判定の精度が向上する。
【００２０】
図５は位相比較回路９の具体例であり、図６は同回路の動作を示す信号のタイミングチャートである。ここで、１１はコンパレータであり、検出したパルスを設定された比較電圧と比較して、入力信号たとえば０−５Ｖの基準レベルと比較して２値化する。パルス間の時間を測定するために、パルス間のみ「１」となる状態を作る。例えば、１２はＪ−Ｋフリップフロップであり、（ａ）に示すパルスが入力される毎に、（ｂ）に示す１／０の状態をとる波形整形パルスが作られる。（ｃ）に示すフリップフロップ１２の状態１／０により、ＮＡＮＤゲート１３でカウント用クロックＣＫをゲートして、（ｄ）に示す如きカウントロックを発生する。このゲートされたクロックをバイナリカウンタ１４がカウントする。カウント値は（ｅ）に示す励磁開始タイミング信号ＲＥＳＥＴがリセットし励磁開始時には常に０の状態としておく。励磁終了後に（ｆ）に示すＳＥＴパルスに同期して、データバッファ１５でカウント値を一時記憶する。記憶されたデータは判別回路１０にて真正の値と比較され、正しければ真、異なっていれば偽の判定を行い、表示装置あるいは他の制御装置に送られる。
【００２１】
本発明における磁気センサの励磁電源が大型になり易い欠点を除去するために、間欠励磁方法によると、間欠期間の全期間に対する比率が小さければ、その比率等で熱を低下させ、励磁電源の供給電力能力を増大し得るメリットがあり、その欠点を実用上補うことができる。図７は間欠励磁波形例である。
もちろん、その間欠励磁波形はひずみ成分を含む矩形波ではなく正弦波あるいは（Ｓｉｎｘ）／ｘ等のなめらかに立ち上がる波形であるほうが、回路系，磁芯を作る磁性材からでる歪みを最小にするためには好ましい。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、強磁性体の磁性特性の違いにより真偽判定する装置において、判別する磁性材料の大きさに比べ、充分大きな一様磁界を発生し、その一部に真正品あるいは比較基準となる磁気材料を予め埋め込んだ磁気センサとセンサから得られる基準パルスと検出パルスの位相情報から判別を行うことで、簡単に且つ精度良く真偽判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による磁気センサとその励磁磁界強度を示す略図である。
【図２】本発明装置における被検出物の移動に伴う検出パルスを示す波形図である。
【図３】本発明による磁気センサの実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明による真偽判定装置例を示すブロック図である。
【図５】本発明に用いる位相比較回路の具体例を示すブロック図である。
【図６】図５の位相比較回路における信号波形を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明に用いる間欠励磁波形例図である。
【図８】従来の狭ギャップ型磁気センサの構造例を示す略図である。
【図９】狭ギャップヘッドの磁界分布例を示す特性図である。
【図１０】狭ギャップ型磁気センサによる検出波形例を示す磁気材料のＢ−Ｈ特性図（ａ），一様磁界中の磁性材からの検知信号例図（ｂ），一様磁界でない場合の検知信号例図（ｃ）である。
【符号の説明】
１磁芯
２励磁コイル
３センスコイル
４補償コイル
５ガイド板
６比較用磁気阻止
７励磁用電源
８差動アンプ
９位相比較回路
１０判別回路
１１コンパレータ
１２Ｊ−Ｋフリップフロップ
１３ＮＡＮＤゲート
１４バイナリカウンタ
１５データバッファ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ磁芯
２２励磁コイル
２３センスコイル
２４補償コイル
２５ヘッドギャップ

Claims

縦断面がＥ字形を有する軟磁性材磁芯と、
該軟磁性材磁芯の中央アーム上に巻回された励磁コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの一方上に巻回された検知コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの他方上に巻回された補償コイルと、
前記軟磁性材磁芯の中央アームの端部と前記検知コイルが巻回された外側アームの端部とを橋絡するように配置されて、検知対象磁性体をガイド走行させるガイドパスを具有せしめるように形成された非磁性硬質材料のガイド板と、
該ガイド板の前記ガイドパスに沿いかつ前記橋絡する部分に位置するように該ガイド板の表面または内部に配置された既知磁気特性の比較用磁性材料と、
を備え、
前記検知対象磁性体が前記ガイドパスを走行したときに、該検知対象磁性体の磁気特性を示す検知出力が前記検知コイルから得られるように構成された
磁性材料の磁気特性判別のための磁気センサ。
縦断面がＥ字形を有する軟磁性材磁芯と、
該軟磁性材磁芯の中央アーム上に巻回された励磁コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの一方上に巻回された検知コイルと、
該軟磁性材磁芯の二つの外側アームの他方上に巻回された補償コイルと、
前記軟磁性材磁芯の中央アームの端部と前記検知コイルが巻回された外側アームの端部とを橋絡するように配置されて、検知対象磁性体をガイド走行させるガイドパスを具有せしめるように形成された非磁性硬質材料のガイド板と、
該ガイド板の前記ガイドパスに沿いかつ前記橋絡する部分に位置するように該ガイド板の表面または内部に配置された既知磁気特性の比較用磁性材料と、
前記励磁コイルに励磁電流を流す励磁用電源と、
前記検知コイルからの検知出力と前記補償コイルからの補償出力との差分をとり前記励磁電流による励磁磁界の影響を抑制した差動検知出力を取り出す差動増幅器と、
該差動増幅器からの比較用磁性材料による前記差動検知出力と前記検知対象磁性体による前記差動検知出力との位相差に相当する位相情報を取り出す位相比較回路と、
該位相比較回路からの前記位相情報を予め記憶された標準情報と比較して前記検知対象磁性体の磁気特性の判別をする判別回路と、
を備えた磁性材料の磁気特性判別装置。
前記励磁用電源からの前記励磁電流は、間欠発振する少なくとも一波長の正弦波または歪み成分の少ないように変調された正弦波であることを特徴とする請求項２に記載の磁性材料の磁気特性判別装置。