JPH08235501A - 磁気抵抗センサのドリフト補償回路を備えた永久磁石アセンブリ - Google Patents

磁気抵抗センサのドリフト補償回路を備えた永久磁石アセンブリ

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JPH08235501A
JPH08235501A JP7268778A JP26877895A JPH08235501A JP H08235501 A JPH08235501 A JP H08235501A JP 7268778 A JP7268778 A JP 7268778A JP 26877895 A JP26877895 A JP 26877895A JP H08235501 A JPH08235501 A JP H08235501A
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Frederick J Jeffers
ジョン ジェファース フレデリック
Neil Smith
スミス ネイル
Jay D Freeman
デービス フリーマン ジェイ
Kent R Gandola
ラファエル ガンドラ ケント
Peter V Koeppe
ヴァンデルサルム ケーペ ピーター
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 書類の検出と鑑定を同時に行うことのできる
磁気アセンブリを提供する。 【解決手段】 磁気アセンブリ60は、永久磁石(P
M)62と、軟磁性体から成り透磁性の高い第1及び第
2の磁極片64、66を含む。第1及び第2の磁性体
は、永久磁石62との組み合わせによって、異なる大き
さの間隙を有する先細の磁気回路を形成する。永久磁石
62は、第1の磁極片と第2の磁極片の間の第2間隙に
位置する。第1磁極片と第2磁極片の間の第1間隙の中
心もしくは中心付近に、磁気抵抗(MR)検出要素68
が配設される。第1間隙及びMR検出要素68が、検出
される磁気書類に近接する位置にある。導電層80は磁
気抵抗検出要素68に隣接して設けられるが、これから
電気的に絶縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、広く磁界の検出に
関し、特に磁気インク等の磁気層を有する書類から発生
する磁界の、永久磁石バイアス磁気抵抗(MR:magnet
oresistive)要素による検出に関する。
【0002】
【従来の技術】本願で用いられる「書類」という用語
は、特定の磁気特性を有する磁気顔料を含むインク等の
磁気層が形成された有価紙または他の物体を意味する。
【0003】磁気抵抗検出要素は、磁気媒体に記録され
た信号に反応するが、この反応は、磁気媒体から発生す
る信号のフラックス(磁束)を遮る磁気抵抗要素の抵抗
の変化によって生じる。単一ドメインフィルムに対する
抵抗の理論的変化は、磁気抵抗要素に印加される磁界の
強さの放物関数である。図1において、曲線10の縦座
標は、一般的な単一ドメインNiFeパーマロイの薄膜
磁気抵抗要素の抵抗の相対的な変化を、磁界の強さHの
関数として示している。磁気層の減磁界(反磁場)のた
めに、曲線10は、領域12においては、点線14で表
された「単純な」放物反応からずれている。
【0004】通常、磁気抵抗要素の動作点17は、最大
出力信号及び最小第2高調波ひずみを供給するよう設定
される。この点は、均一の信号磁界において、曲線10
の変曲点16で発生する。ところが実際には、いくつか
の要因のために最適点を定義するのはさらに複雑であ
り、所定の応用においてこの最適点を理論的にもしくは
実験的に一般的に定義しなければならない。磁気抵抗要
素に印加される一定のバイアス磁界Hb18が動作点1
7を確定し、この動作点17の周囲に印加される変動す
る入力信号磁界Hs20が出力抵抗の変動22を決定す
る。出力抵抗の変動22は、入力信号Hs20の変動の
コピーである。この出力抵抗の変動は、磁気抵抗(M
R)要素を流れるセンス(検出)電流23による電圧降
下により電圧出力に変換される。
【0005】一般的に、バイアス磁界は、永久磁石、分
路バイアス、軟近接層(soft adjacent layer )、バー
バーポール(barber pole )MR構成などの技術のいず
れかにより生成することができる。このうち、永久磁石
バイアスは、大バイアスを得るためにMRアセンブリに
外付けする回路及び構成要素が不要であり効果的であ
る。また、分路バイアスについては、米国特許第4,5
23,243号(1985年6月11日発行、発明者:
ビリントン)及び米国特許第5,159,511号(1
992年10月27日発行、発明者:ダス)に開示され
ている。
【0006】書類の磁気層の飽和磁界を、その形成と同
時に検出することのできる磁気アセンブリが所望され
る。磁気インク顔料は、その磁性性質が劣り、保磁力及
び残留磁化が低いことから、磁気アセンブリは、書類の
磁界内測定を行う能力を備えるのが望ましい。すなわ
ち、外部磁界によって書類を磁化しながら、磁気抵抗検
出要素によって書類の特徴的磁気信号を読みとることが
望ましい。この外部磁場は、書類のインクに含まれる磁
気顔料を部分的あるいは完全に飽和できる十分な大きさ
を有するものである。さらに、磁気アセンブリは、書類
のMR検出要素通過前もしくは通過後に、書類に表れる
反転磁界を減衰するのが望ましい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】米国特許第3,79
6,859号(1974年3月12日発行、発明者:ト
ンプソン(Thompson))には、書類の磁気イン
クを磁化するためのU字型永久磁石記録ヘッドを有す
る、磁気インク記録システムが開示される。この発明に
おいては、磁気抵抗(MR)検出要素は、永久磁石のヨ
ーク内に設けられており、永久磁石よってバイアスをか
けられ、インクが磁化されると同時にこのインクの磁化
を検出する。しかしながら、この特許に開示されたシス
テムは次の点で不都合がある。つまり、永久磁石のヨー
ク端部は、書類の磁化されたインクに近接した位置にあ
るため、磁気ヘッドの下流側に位置する磁気読みとりア
センブリがインクを検出する前に、このインクを消磁し
てしまう。さらに、U字型永久磁石は高価であり、ま
た、特定仕様のために構成するのは困難である。
【0008】同時係属中の米国特許出願第08/11
4,720(1993年8月31日出願)には、磁気書
類を検出及び認証(鑑定)する磁気アセンブリが開示さ
れる。この磁気アセンブリによれば、書類の磁気層(イ
ンク)を部分的にもしくは完全に飽和する十分な磁界が
供給され、これと同時に、書類が識別すなわち鑑定のた
めに磁気によって検出される。この磁気アセンブリは、
簡易な構成を有し、固有感度が高く、S/N比の高い信
号出力を有する。さらに、この信号出力は、磁気書類が
磁気アセンブリを通過する速度には依存しない。また、
この磁気アセンブリにおいては、エネルギーの散逸およ
び発熱が最小限に抑えられている。磁気書類の磁化及び
検出を行うこの磁気アセンブリは、永久磁石と、軟磁性
でかつ透磁性の高い第1及び第2の磁極片を備える。第
1及び第2の磁極片は、永久磁石との組み合わせによ
り、異なる間隙サイズを有する先細の磁気回路を形成す
る。永久磁石は、第1及び第2の磁極片の間に形成され
た第1の間隙に配設されている。磁気アセンブリはさら
に、前記第1の磁極片と第2の磁極片の間に形成された
第2間隙の中央部及び中央部付近に配設された磁気抵抗
(MR)検出要素を含む。第2間隙とMR検出要素は、
MR検出要素によって検出される磁気書類に最も近接し
ている。また、MR検出要素における磁界により、MR
要素は適当な磁気バイアス状態に維持され、十分な感度
を有することにより、検出対象である磁気書類から発生
する磁界の検出を行う。
【0009】絶対信号レベルは、偽造書類の検出におい
て重要なパラメータである。ところが、どんなに感度の
良い磁気抵抗検出器を使ったとしても、多くの書類の場
合その磁気顔料の濃度が低いため、信号チャネルにおい
ては非常に高い利得増幅器を使わなければならない。こ
こで問題になるのは、センサや増幅器は、時間や温度の
変化に伴う感度及びゲインのドリフトの影響を受けやす
いということである。米国特許第5,301,080号
(1994年4月5日発行、発明者:オテセン他)に
は、磁気抵抗記録ヘッドのバイアスサーボループが開示
される。このバイアスサーボループは、MRヘッドから
の読みとり信号における歪みを検出し、MRヘッドの動
作点を調節して歪みを最小限に抑える。しかし、この発
明においては、MRヘッドのバイアスは分路バイアス技
術によってのみ供給されており、永久磁石バイアスは用
いられていない。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術
の有する課題を解決すべくなされたものであり、以下を
含む磁気アセンブリを提供するものである。磁気体から
発生する磁界を検出し、この検出された磁界を表す検出
信号を生成する磁気抵抗(MR)検出要素;磁界を発生
させて磁気体を磁化するとともに、MR検出要素を適当
な磁気バイアス状態に維持することにより、MR検出要
素が十分な感度を有して前記磁界を検出できるようにす
る永久磁石;前記MR検出要素に隣接して設けられる
が、これから電気的に絶縁された導電層;前記MR検出
要素によって生成された前記検出信号を処理する信号処
理回路;及び、所定の修正電流を前記電導層に定期的に
通して、修正磁界を発生させる修正回路。前記MR検出
要素はこの修正磁界を検出し、修正信号を生成する。修
正信号は前記信号処理回路のパラメータを制御するのに
用いられる。
【0011】
【発明の実施の形態】図2は、本発明による磁気ヘッド
アレイの構成を示す図である。第1磁気アセンブリ50
は、飽和磁界を発生するための要素51と、要素51の
間隙に設けられ、磁気体に誘導される飽和磁気モーメン
トを検出するMRセンサ52とを含む。磁気体の残留モ
ーメントを検出する2次センサ53を設けてもよい。要
素51は、軟磁性体のヨークの間に設けられた永久磁石
51Aを含む。第2磁気アセンブリ55は、第1磁気ア
センブリによって発生された磁界の方向と反対方向に非
飽和磁界を発生する要素56と、この磁界発生要素56
の間隙に設けられ、前記磁気体に誘導される非飽和磁気
モーメントを検出するMRセンサ57とを含む。さら
に、磁気体の残留モーメントを検出する2次センサ58
を設けてもよい。要素56は、軟磁性体ヨークの間に配
設された永久磁石56Bを有する。図のセンサ53及び
58をさらに設けることより、書類の鑑定を助けるさら
なる情報を提供することができる。
【0012】検出器(センサ)52及び57による検出
は、磁気抵抗の原理に基づくものである。81/19N
iFeの薄膜が要素51の間隙内と56の間隙内に配設
される。この時、薄膜の平面がこれらの点における大磁
界に対して垂直になるように薄膜を配設する。薄膜の平
面がこの大磁場に対して垂直なので、この磁界は検出さ
れず、センサは書類から発生する非常に小さな磁界に、
優れたS/N比で応答することができる。好ましくは、
好適な実施例においては、図2の別のセンサ53及び5
8も磁気抵抗センサである。
【0013】本発明による磁気アセンブリの好適な実施
例を図3に示す。図からわかるように、磁気アセンブリ
60は、永久磁石62と、軟磁性で透磁性の高い磁極片
64、66と、磁極片64と66間の間に形成される第
1間隙Gの中心もしくは中心付近に配設された磁気抵抗
(MR)検出要素68とを有する。検出要素68は、導
電パッド70及びコンダクタ72を有し、これによりM
R検出要素68に検出電流を流すことができる。
【0014】第1間隙Gの大きさは、(x方向に沿っ
た)この間隙における磁界HG が十分に大きく、かつ勾
配∂Hx /∂yが十分に小さくなるように選択される。
これは、読みとられる書類の顔料(インク)の磁気成分
を、ほぼ完全にあるいは完全に磁気によって飽和するた
めである。この場合、書類が第1間隙Gの中心あるいは
中心付近に設けられた磁気抵抗(MR)検出要素68を
通過するという書類の機械的搬送において、ヘッドと書
類の間隔において十分な機械的公差が許容されるように
する。第2の間隙gは永久磁石(PM)62の位置に形
成されており、永久磁石62の厚さに等しい。第2間隙
gは、永久磁石62が十分な起磁力を提供して間隙にお
ける十分に強い磁界HG を形成できるように選択され
る。永久磁石62の高さlと共に、間隙gの特定の大き
さを最適化することにより、永久磁石62を最も効果的
な(B−H)max 動作点で動作させたり、または、標準
的な厚みを有するPM62に適応させ、PM62と機械
アセンブリの双方もしくはいずれかのコストを低減する
ようにしてもよい。
【0015】磁気アセンブリ全体の高さLは、永久磁石
62が第1の間隙Gから隔てられるよう十分に大きく選
択される。これにより、第1の間隙Gあるいはその上部
(すなわちMR要素68及び書類が置かれる位置)にお
ける磁界の勾配(field gradinent )は、主として磁極
片64と66のジオメトリにより決定するとともに、永
久磁石62自体から漂遊する磁界からは直接大きな影響
を受けない。また、g、G、l、Lを十分に大きく選択
することによって、MR検出要素68が磁極片64と6
6間の間隙領域の内部にうまく収まるようにすることが
できる。上部(第1)間隙における横方向の磁界Hy の
勾配∂Hy /∂xが大きい場合、MR要素68はさらに
機械的要素を含み、MR要素68の位置をx方向に微調
節できるようにし、これによってMR要素68における
横方向の磁界Hy がMR要素68を適当なバイアス磁化
状態に維持できるようにしてもよい。この磁界Hy をさ
らに活用して、MR要素68の所定デザインに対する適
当なバイアス磁界を供給するために用いてもよい。
【0016】磁極片66、64の幅wは、機械的に便利
な程度まで小さくできると同時に、磁極片66、64の
磁気抵抗を十分に低く保って優れた効率を得、PM62
に近接する磁極片66、64のベース付近における飽和
を回避するように選択される。トラック幅Wは、磁気に
よって検出される書類の相当幅に関連して決定される。
磁極片64、66の外部角において約45度のテーパが
得られれば、MR要素68を通過する前もしくは通過し
た後に書類にみられる反転磁界をかなりの程度低減する
ことができる。
【0017】磁気アセンブリの特定設計として、以下の
ものがある。アニールされた冷間圧延鋼板から成る磁極
片64、66とNdFeB永久磁石62(残留磁気Br
=11kG、飽和保持力Hc =15kOe、本質的に四
角形のM−Hループ)を含み、間隙G=0.3インチ、
間隙g=0.125インチ(標準的厚みのNdFeB)
であり、L=0.8インチ、l=0.185インチ、w
=0.6インチ、W=3.0インチである。この設計に
おいては、間隙磁界は、HG ≒1200 Oeであり、
0.08インチ以下のヘッドと書類の間隔に対しては、
「書類磁界」≧800 Oeである。
【0018】磁気抵抗要素68の磁化困難軸バイアス磁
界が15±2.0エルステッドでなければならないのに
対し、永久磁石(PM)62及び磁極片64、66から
の磁界は1000エルステッド程度でもよい。機械的公
差及び漂遊磁界の問題のため、磁気アセンブリ60の構
成要素を組み立てて最適なバイアスを得るのは非常に困
難とされていた。そこで、導電層80を供給することに
よってこの問題を解決している。導電層80は、磁気抵
抗要素に近接して設けられるが、絶縁層82により磁気
抵抗要素から電気的に絶縁されている。導電層80は、
導電パッド84、86を有する。導電パッド84、86
は、コンダクタ88、90をそれぞれ有し、これにより
補償DC電流が導電層80に流れる。この補償DC電流
が、0.15 Oe/mAの磁化困難バイアス磁界を発
生し、この磁界が、永久磁石の発生するより大きいバイ
アスに混合される。
【0019】磁気アセンブリ60の最終的な組付けの
後、適当なDC電流を導電層80に通すことにより、補
償バイアス磁界を、独立して簡単に調整することができ
る。DC(直流電流)の可変ソース122により、補償
電流が導電層80に流れる。ソース122は、+VREF
と−VREF との間に接続された電位差計(分圧器)12
9、緩衝増幅器(バッファーアンプ)126、抵抗12
8を含む。アセンブリの組立の間は、スイッチ130を
開き、スイッチ112を閉じ、電位差計122は最大信
号を出力するように調整される。磁気抵抗要素68の動
作中は、スイッチ130が閉じられ、スイッチ112が
開かれ、DCソースは補償DC電流を導電層80に流
す。
【0020】図4は、上記の調整を実行するための修正
回路を概略的に示したブロック図である。図示されるよ
うに、磁気体が磁化も検出もされていない期間におい
て、CPU100は、ディジタル信号をバス102を介
して周期的にレジスタ104に送る。レジスタ104
は、このディジタル信号をディジタルアナログコンバー
タ(DAC)に送り、ここでディジタル信号がアナログ
信号に変換される。この信号の等価波形は、1.0ボル
トのステップ電圧で表される。このアナログ信号は、緩
衝増幅器110でバッファされ、閉スイッチ112を通
って導電層80に送られる。導電層80の電流は、磁気
抵抗要素が検出する磁界を生成する。次に、この信号は
増幅器114において増幅され、フィルタ116によっ
てフィルタリングを受けてステップ応答の導関数である
信号を形成する。この信号は、アナログディジタル(A
/D)コンバータ118によりディジタル信号に変換さ
れ、レジスタ120及びバス102を介してCPUに送
られ、さらに処理される。
【0021】導電層80を通過した修正信号によって生
成された磁気抵抗要素68の信号を用いることにより、
全体的なシステムゲインが決定する。これは、一定時間
(例えば10秒間)における、複数個(例えば10)の
ピーク信号の移動平均を計算することによって得られる
ものである。この平均値は、CPUにおいて、基準値と
比較される。計算された平均ピーク値と基準ピーク値と
の比率から、乗数が決定される。次に、この乗数を、磁
気アセンブリの動作中に磁気抵抗装置68が測定する各
データポイントに供給する。このようにしてシステムゲ
インを周期的に修正することによって、時間及び温度の
変化によって生じる感度の変化及びチャネルゲインのド
リフトが補償される。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、簡易な構成を有し、外
部からの電力をほとんど要求しない永久磁化部材によ
り、高度に磁化された磁界が供給される。さらに、書類
とヘッドの間隔の実際的な機械公差で書類の磁気インク
を部分的もしくは完全に飽和すると同時に、最大の感度
及び再生率で磁気抵抗ヘッドがこの磁気インクを読みと
る。
【0023】図面を参照して本発明を詳細に説明してき
たが、本発明の範囲において変化及び修正が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 印加される磁界の関数としての磁気抵抗を表
すグラフである。
【図2】 本発明による磁気ヘッドアレイの概略図であ
る。
【図3】 本発明による磁気アセンブリの概略斜視図で
ある。
【図4】 本発明による磁気アセンブリの回路構成の概
略図である。
【符号の説明】
60 磁気アセンブリ、62 永久磁石、64,66
磁極片、68 磁気抵抗検出要素、80 導電層、82
絶縁層、 84,86 導電パッド、88,90 コ
ンダクタ、100 CPU、106 D/Aコンバー
タ、118 A/Dコンバータ。
フロントページの続き (72)発明者 ジェイ デービス フリーマン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 ルー カディア カプリ 814 (72)発明者 ケント ラファエル ガンドラ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 ポー ウェイ ゴールデン アイ レイン 12455 (72)発明者 ピーター ヴァンデルサルム ケーペ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サン ディエゴ コルテ アル フレスコ 4351

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気体から発生する磁界を検出し、この
    検出された磁界を表す検出信号を生成する磁気抵抗検出
    要素と、 磁界を発生して、磁気体を磁化するとともに、前記磁気
    抵抗検出要素を適当な磁気バイアス状態に維持して最適
    な感度を与え前記磁界を検出できるようにする永久磁石
    と、 前記磁気抵抗検出要素に隣接するがこれから電気的に絶
    縁された導電層と、 前記磁気抵抗検出要素によって生成された検出信号を処
    理する信号処理回路と、 前記導電層に所定の修正電流を周期的に流し、修正磁界
    を発生させ、この磁界を前記磁気抵抗検出要素が検出す
    ることによって修正信号を生成する修正回路であり、前
    記修正信号を用いて前記信号処理回路のパラメータを制
    御する修正回路と、 を含む磁気アセンブリ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の磁気アセンブリにおい
    て、前記信号処理回路は可変利得を有する増幅器を含
    み、前記修正信号は前記利得を変えるために用いられる
    ことを特徴とする磁気アセンブリ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の磁気アセンブリにおい
    て、前記信号を基準値と比較し、訂正係数を生成する中
    央処理装置を有し、前記訂正係数は前記磁気抵抗検出要
    素によって生成される測定信号を訂正するために用いら
    れることを特徴とする磁気アセンブリ。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の磁気アセンブリにおい
    て、前記修正回路は複数の修正電流信号を一定の修正周
    期で前記導電層に送り、前記磁気抵抗検出要素は前記修
    正信号に対応する複数の修正信号を発生し、さらに、制
    御回路を含み、これにより前記修正信号の平均をとっ
    て、この平均信号と基準値を比較して訂正係数を決定す
    ることを特徴とする磁気アセンブリ。
  5. 【請求項5】 磁気書類の磁化と検出の両方を行う磁気
    アセンブリであり、 永久磁石と、 前記永久磁石とともに異なる大きさの間隙を有する先細
    の磁気回路を形成する形状を有する、軟磁性体から成り
    透磁性の高い第1及び第2の磁極片で、前記永久磁石は
    この第1及び第2の磁極片間の第2間隙に配設されるこ
    とを特徴とする第1及び第2の磁極片と、 前記第1及び第2の磁極片の間の第1間隙の中心部ある
    いは中心部付近に位置する磁気抵抗検出要素であり、前
    記第1間隙と前記磁気抵抗検出要素は、磁気抵抗検出要
    素によって検出される磁気書類に近接して設けられ、前
    記磁気抵抗検出要素において発生する前記磁界は磁気抵
    抗要素を適当な磁気バイアス状態に維持することによ
    り、磁気抵抗要素が十分な感度を有して検出対象である
    磁気書類から発生する磁界を検出できるようにし、前記
    磁界はさらに検出対象の磁化にも用いられることを特徴
    とする磁気抵抗検出要素と、 前記磁気抵抗要素に隣接するがこれから電気的に絶縁さ
    れた導電体と、 前記磁気抵抗検出要素により生成された検出信号を処理
    する信号処理回路と、 前記導電層に所定の修正電流を周期的に流し、修正磁界
    を発生させ、この磁界を前記磁気抵抗検出要素が検出す
    ることによって修正信号を生成する修正回路であり、前
    記修正信号を用いて前記信号処理回路のパラメータを制
    御する修正回路と、 を含む磁気書類磁化及び検出磁気アセンブリ。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の磁気アセンブリにおい
    て、前記第1及び第2の磁極片は内部角及び外部角を有
    し、この外部角のうち、検出される磁気書類が時間的に
    最後にその上部を通過する少なくとも1つの外部角は、
    書類が離れると、その位置において、前記第1及び第2
    の磁極片の間の第1間隙の中心部もしくは中心部付近に
    おいて発生した磁界とは実質的に反対方向の磁界成分の
    強度を減じることを特徴とする磁気アセンブリ。
  7. 【請求項7】 請求項5に記載の磁気アセンブリにおい
    て、前記磁気抵抗検出要素は前記第1間隙内に調節自在
    に設けられ、前記磁気抵抗要素の感度を最適化できるよ
    うにしたことを特徴とする磁気アセンブリ。
JP7268778A 1994-10-28 1995-10-17 磁気抵抗センサのドリフト補償回路を備えた永久磁石アセンブリ Pending JPH08235501A (ja)

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