WO2014077163A1

WO2014077163A1 - 磁気センサ装置

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Publication number: WO2014077163A1
Application number: PCT/JP2013/080021
Authority: WO
Inventors: 智和尾込; 有本　浩延; 聡山中; 和也真壁
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2015-05-15
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Abstract

　複数の磁気検出素子の出力信号の読み出し回路の簡素化を図り、磁気パターンの読み取り解像度を高くする。磁気センサ装置は、磁気検出素子（１１）と、磁気検出素子（１１）に対して一定方向の磁力線でバイアス磁界をかけるための磁石（１３）とから構成される。磁気センサ装置は、磁気パターンを有する媒体がバイアス磁界を通過した際の磁界変動を磁気検出素子で電気信号として検出し、媒体の磁気パターンを読み取る。複数の磁気検出素子（１１）は、媒体との相対移動方向に交わる読み取りラインに沿って配列される。複数の読み出しスイッチ（２２）が、磁気検出素子（１１）それぞれと、複数の磁気検出素子（１１）とに共通の出力線（２８）に接続される。磁気センサ装置は、読み出しスイッチ（２２）を１つずつ順次閉じて、磁気検出素子（１１）の出力を１つずつ順に共通の出力線（２８）に取り出すシフトレジスタ（２３）を備える。

Description

磁気センサ装置

　本発明は、磁気インク印刷物、磁気記録媒体、磁気スリットスケールなどの媒体の磁気パターンを検出する磁気センサ装置に関する。

　例えば、紙幣、小切手などの高いセキュリティーが必要な媒体に用いられる、磁気インクで印刷されたパターンを電気情報に変換し、その情報により媒体の真贋を判定するために磁気センサ装置が使用されている。自動販売機、券売機などの、扱う金額が少額で、装置の低コストが要求される機器では、磁気パターンの読み取りユニットにホール素子などの磁気検出素子を２～５個用いて、媒体（紙幣）の搬送方向に帯状に複数ラインの磁気情報を検出し、媒体の検出、種類の判別、真贋の鑑別を行う。このような磁気センサ装置では、磁気パターン情報の特定箇所しか読み取れないために、対象とする媒体（判定すべき磁気パターン）の種類が変わると、読み取りユニットの変更が必要となっている。

　一方、高度な紙幣鑑別を要求される紙幣還流型のＡＴＭ（現金自動預入支払機）、業務用紙幣カウンタまたは紙幣ソータに用いられる磁気センサ装置では、紙幣または小切手の全幅に亘る多くの磁気検出素子を紙幣処理ユニット内に配置し、より多くの磁気情報を判別または鑑別に使用できるようにしている。

　特許文献１には、磁性体の移動経路の途中に配置された磁気抵抗センサと、磁性体の移動方向に沿ってＳ極およびＮ極が配列した下側磁石と、磁性体の移動方向に沿ってＮ極およびＳ極が配列した上側磁石などを備える、磁性体検出装置が記載されている。下側磁石および上側磁石は、磁性体の移動経路を介して、下側磁石のＳ極と上側磁石のＮ極とが対向し、下側磁石のＮ極と上側磁石のＳ極とが対向するように配置されている。

　特許文献１の磁気イメージセンサでは、複数の磁気抵抗センサが直線状に配列されている。各磁気抵抗センサからの出力信号が同時または時系列に処理回路に供給され、１次元の画像信号として処理回路に格納される。こうした読み取り動作を、磁性体が所定ピッチで移動する度に行うことによって、２次元の磁気パターン画像を取得できる。

　特許文献１では、複数の磁気抵抗センサの出力信号をＡ－Ｄ変換器でディジタル値に変換して信号処理を実行することが記載されている。その場合、出力信号をサンプリングするために、時間に関して離散的な情報になる。

国際公開第２０１２／０１４５４６号

　磁気センサ装置は、磁気検出素子毎にアナログ回路から構成される読み出し回路で個別に読み出しを行っている。そのため、搬送方向に連続的な磁気信号出力が得られる。しかし、搬送方向には高解像度で読み取りが可能な反面、読み取り幅方向では磁気検出素子の間隔は１０ｍｍ程度であり、媒体に印刷されている磁気パターンと比較して幅方向の解像度は高くない。

　また、読み取り幅方向の解像度のより高い磁気センサ装置も提案されているが、読み取り速度が遅く、実際の機器で要求される紙幣などの媒体搬送速度を満たすことができない。さらにこれらの磁気センサでも各磁気検出素子の出力はアナログ情報として出力されるため、磁気検出素子からの出力を処理するアナログ回路を設計して用いる必要がある。磁気センサ装置の解像度を上げるためには、磁気検出素子の数のアナログ回路を用意する必要があり、磁気パターン検出の解像度を上げる阻害要因となっている。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数の磁気検出素子の出力信号の読み出し回路の簡素化を図り、磁気パターンの読み取り解像度を高くすることを目的とする。

　本発明に係る磁気センサ装置は、磁気検出素子と、磁気検出素子に対して一定方向の磁力線でバイアス磁界をかけるためのバイアス磁石とから構成される。磁気センサ装置は、磁気パターンを有する媒体がバイアス磁界を通過した際の磁界変動を磁気検出素子で電気信号として検出し、媒体の磁気パターンを読み取る。磁気センサ装置には、媒体との相対移動方向に交わる読み取りラインに沿って、複数の磁気検出素子が配列される。複数のスイッチが、磁気検出素子それぞれと複数の磁気検出素子に共通の出力線とに接続される。そして、スイッチ制御部が、スイッチを１つずつ順次閉じて、磁気検出素子の出力を１つずつ順に共通の出力線に取り出す。

　本発明の磁気センサ装置によれば、読み取りラインに沿って配列された複数の磁気検出素子の出力を順に、共通の出力線に取り出すので、複数の磁気検出素子の出力信号の読み出し回路の簡素化を図り、磁気パターンの読み取り解像度を高くすることができる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の概念図である。磁気センサ装置における媒体搬送の概念図である。実施の形態１に係る磁気センサ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る補正回路の構成例を示すブロック図である。磁気検出素子の出力を示す模式図である。オフセット調整後の磁気検出素子の出力を示す模式図である。磁気検出素子の出力の例を示す図である。図７Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。磁気検出素子の出力のサンプリングの例を示す図である。図８Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。実施の形態１に係る磁気パターン読み出しシーケンスを示す図である。本発明の実施の形態２に係る補正回路の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る不感範囲の例を示す図である。実施の形態２に係る磁気検出素子の出力選択の例を示す図である。磁気検出素子の絶対値出力を示す模式図である。磁気検出素子ごとの出力タイミングの差を説明する図である。ライン先頭素子とライン最終素子の出力位置を示す図である。出力タイミングの違いによる誤差を示す図である。磁気検出素子の出力サンプリングの誤差を示す図である。本発明の実施の形態３に係る磁気パターン読み出しシーケンスを示す図である。移動平均化処理の構成例を示すブロック図である。磁気検出素子の出力のノイズと移動平均を示す概念図である。図１９Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。信号補正処理部が備える出力演算部の例を示すブロック図である。単位搬送時間ごとの平均値を出力する場合の出力演算を示す図である。異なる出力演算の例を示す図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図中、同一または相当する部分には、同じ符号を付す。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の概念図である。実施の形態に係る磁気センサ装置は、磁気検出モジュール１と、信号読み出し回路２を備える。磁気検出モジュール１は、複数の磁気検出素子１１が実装された基板１２と、磁石１３とから構成される。

　複数の磁気検出素子１１は、磁気パターンを有する媒体の搬送方向（相対移動方向）に交わる読み取りラインに沿って、配列される。磁気検出素子１１は、例えば、半導体磁気抵抗（ＳＭＲ）素子である。磁気検出素子１１は、基板１２上に例えば、０．５ｍｍの一定間隔で２００ｍｍ幅に渡って直線状に配置される。その場合、磁気検出素子１１の数は４００個である。

　基板１２は、２つの磁石１３の間に配置される。磁気検出素子１１に対して一定方向に磁力線が印加されるように磁石１３を配置し、一定強度の磁界が定常的に磁気検出素子１１に印加される。半導体磁気抵抗素子が磁界を感じる方向は、素子の検出面に垂直な方向なので、その場合、素子の検出面に対して垂直方向にバイアス磁界を印加する。図１では、２つの磁石１３によって、複数の磁気検出素子１１の配列方向にほぼ一様な磁界が形成される。

　基板１２には、各磁気検出素子１１にバイアス電圧を印加するための配線および電極と、磁気検出素子１１と出力回路をつなぐための配線および電極が形成されている。基板１２の磁気検出素子１１の出力を読み出すための半導体回路を備える信号読み出し回路２が、基板１２に接続される。基板１２と信号読み出し回路２は、基板１２の電極に例えばＡｕ線やＡｌ線で接続される。また基準となるバイアス電圧の電源ラインと基板１２のバイアス電極が接続されている。

　信号読み出し回路２では、磁気検出素子１１の出力はそれぞれ、ゲートと増幅器などの個別読み出し回路２１を介して、読み出しスイッチ２２に接続される。各磁気検出素子１１からは、それぞれ所定のオフセット電圧を基準として正負に振れる信号が出力される。個々の磁気検出素子１１の持つオフセット電圧のバラツキや温度変動を、磁気パターンが読み取りラインの位置にないブランキング期間、例えば、紙幣などの媒体が磁気検出モジュール１内に存在しない期間で検出し、そのバラツキや温度変動量を記憶しておく。磁気パターンが読み取り位置にあって、信号を読み出すときに、個別読み出し回路２１ではそれぞれのオフセット電圧のバラツキと温度変動を補正して、所定の増幅を行う。

　読み出しスイッチ２２は、磁気検出素子１１ごとに設けられ、個別読み出し回路２１を介して磁気検出素子１１に接続される。読み出しスイッチ２２の他端は、複数の磁気検出素子１１に共通の共通増幅回路２６を経て、出力線２８に接続される。

　読み出しスイッチ２２はそれぞれ、シフトレジスタ２３の対応するビットの状態によって、オン／オフが制御される。データ線２４から、１端の読み出しスイッチ２２に対応するシフトレジスタ２３のビットだけ、読み出しスイッチ２２がオンになるデータをセットし、他のビットはスイッチがオフになるデータをセットする。クロック線２５から、シフトレジスタ２３にクロックを印加すると、データは一方向に隣のビットにシフトする。ビットシフトによって、例えば、最終端のビットからあふれるデータが、先頭のビットに入力される（すなわち、データはシフトレジスタ２３を巡回する）ように回路を構成する。クロックを印加するごとに、隣のビットにデータがシフトされるので、読み出しスイッチ２２を端から１つずつ順にオンにすることができる。その結果、対応する読み出しスイッチ２２がオンになった１つの磁気検出素子１１の出力だけが、共通増幅回路２６に入力される。

　複数の磁気検出素子１１のすべての磁気検出素子１１の出力を、１回ずつ共通の出力線２８に取り出す動作を読み出しサイクルと定義する。読み出しサイクルを行う間、制御信号２７をオンにして、磁気検出素子１１の出力を個別読み出し回路２１に接続する。そして、読み出しスイッチ２２がオンになるデータを、シフトレジスタ２３で一巡させることによって、読み出しサイクルを実行することができる。シフトレジスタ２３は、スイッチ制御部の一例である。読み出しサイクルの実行は、上述のシフトレジスタ２３による方法に限られない。

　図２は、磁気センサ装置における媒体搬送の概念図である。図２では、基板１２および下側の磁石１３をまとめて磁気センサユニット１４で示す。磁気情報を読み出す対象の媒体Ｓが搬送ローラＲで搬送され、媒体Ｓは、磁気検出素子１１の読み取りラインＤを搬送速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）で通過する。磁気センサ装置１０で磁気情報を読み取る対象の媒体Ｓは、例えば磁気インクで所定の模様が印刷された磁気パターンＰを有する、紙幣、小切手、その他の有価証券などである。媒体Ｓは、図１の上の磁石１３と基板１２の間を、磁気検出素子１１の配列方向に交わる方向、例えば配列方向に直交する方向、に搬送される。媒体Ｓの搬送と同時に読み出しサイクルを繰り返し実行することによって、読み出しサイクルごとに、読み取りラインＤに到来した磁気パターンＰに応じた磁気検出素子１１の出力が、複数の磁気検出素子１１に亘って１つずつ順に出力線２８に取り出される。

　読み取りラインＤに沿って、複数の磁気検出素子１１の出力を取り出すことを主走査という。また、媒体Ｓを搬送して（相対移動させて）読み出しサイクルを繰り返し行うことを副走査という。磁気センサ装置１０では、主走査の磁気検出素子１１の出力が１つの出力線２８に時系列に現れ、主走査の出力が読み出しサイクルごとに繰り返し１つの出力線２８に時系列に現れる。こうして、媒体Ｓの磁気パターンＰの２次元の情報が、１つの出力線２８に時系列の信号として得られる。

　図３は、実施の形態１に係る磁気センサ装置の構成例を示すブロック図である。信号読み出し回路２から、磁気検出素子１１に共通の信号線へ出力された磁気情報の信号は、共通の信号処理部３へと移される。信号処理部３では後段の処理のために最適な信号のダイナミックレンジとなるように、オフセット増幅回路４で信号が再び増幅、オフセット電圧が付加される。

　さらに共通アナログ処理を施された信号はアナログ信号をディジタル化するアナログ－ディジタル変換器（以降ＡＤＣという）５へ送られ、ディジタル信号に変換される。ディジタル信号に変換された磁気検出素子１１の出力は、補正回路６でオフセットなどを補正して、出力信号として出力線２８に出力される。

　図４は、実施の形態１に係る補正回路の構成例を示すブロック図である。補正回路６は、オフセット調整部７、信号補正処理部８および出力形式変換部９を含む。

　ＡＤＣ５でディジタル化された磁気情報信号はこの時点では前段のアナログ回路群で付加されたオフセット電圧を持つ信号となっているが、図５に示すように磁気情報のない部分での出力値がどの値を取るかは明確になっていない。そこで、磁気パターンのない空白期間の信号を基準に補正する。

　読み取り媒体の空白期間を示す信号（媒体間の切れ目を示す信号もしくは媒体の読み取りエリア信号）を参照することで磁気信号の無い期間の出力値を決定する。この空白期間の出力値からの変動を磁気情報信号とみなして、磁気情報信号のディジタル信号のダイナミックレンジの中点が全ての磁気検出素子１１で均しいオフセットとなるように調整する処理を行う。例えば図６に示すように、ディジタル出力のダイナミックレンジが２５５段階であるとすると磁気情報信号は常にディジタル出力値の中点(１２８)が基準となる。複数の磁気検出素子１１の信号の基準がそろうので、その後の信号の加工、判別が容易となる。

　このように加工された磁気情報信号はさらに後段の信号処理部３へ移される。信号補正処理部８では、あらかじめ基準となる磁気媒体で読み取りを行って、各磁気検出素子１１の出力を記憶した補正回路６を用いて、個々にバラツキのある磁気検出感度の補正を行い、当該基準磁気媒体を読み取った場合に出力が各磁気検出素子１１で一定となるようにする。この補正処理は必要に応じてオン／オフが可能である。

　出力形式変換部９では、信号補正処理部８から出力された磁気情報信号に対して磁気情報のデータ出力期間、同期クロック、検出ラインの区切りを示す信号を付加し、磁気センサの出力としている。

　図７Ａは、磁気検出素子の出力の例を示す図である。図７Ａは、磁気情報なしの部分を含む磁気検出素子１１出力を示す。図７Ｂは、図７Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。１つの磁気検出素子１１の出力は、図３に示すような媒体の搬送に従って、図７Ａに示されるように時間的に変化する。媒体の搬送（相対移動距離）に同期して、磁気検出素子１１の出力を読み出せば、媒体の副走査方向に沿うある線上の磁気パターンを読み取ることができる。媒体の搬送が一定速度であれば、読み取りを一定周期で行うことによって、副走査線上の磁気パターンを等間隔に読み取ることができる。

　複数の磁気検出素子１１の出力は、信号読み出し回路２のスイッチによって、共通の出力線２８にシリアルに現れるが、シフトレジスタ２３に加えるクロックに同期して、共通の出力線２８のデータをサンプリングすれば、複数の磁気検出素子１１の出力を時系列のシリアルデータとして読み出すことができる。シフトレジスタ２３のデータが一巡する周期（読み出しサイクル）に合わせて、サンプリングデータをとれば、１つの磁気検出素子１１の出力を得ることができる。

　例えば、媒体の搬送速度を２ｍ／ｓｅｃ、副走査のピッチを磁気検出素子１１の間隔０．５ｍｍと同じ２ライン／ｍｍとすると、１ライン（１読み出しサイクル）あたりの読み取り時間は、０．２５ｍｓｅｃである。

　図８Ａは、磁気検出素子の出力のサンプリングの例を示す図である。図８Ａは、図７Ｂの範囲を示す。図８Ｂは、図８Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。図８Ａには、１つの磁気検出素子１１の出力が示されている。１つの磁気検出素子１１の出力は、読み出しサイクルの間のスイッチがオンになる時間だけ、共通の出力線２８に現れる。残りの時間は、他の磁気検出素子１１の出力が順に、共通の出力線２８に現れる。読み出しサイクルの区間の磁気検出素子１１の位置（スイッチがオンになる時間）で、その磁気検出素子１１の出力のサンプリングが行われる。そのサンプリングタイミングの値を、当該磁気検出素子１１のその読み出しサイクルの出力値（磁気センサ出力）とする。

　図９は、実施の形態１に係る磁気パターン読み出しシーケンスを示す図である。読み取り対象の媒体の全体の磁気パターン情報は、図９に示すように読み取り動作を繰り返すことで、複数の磁気検出素子１１からの情報が２次元の画像情報として得られることとなる。

　実施の形態１の磁気センサ装置１０は、磁気検出素子１１の主走査方向のサンプリング（読み出しサイクル）と、主走査（読み出しサイクル）の副走査方向の繰り返しを、媒体の搬送に同期して行う構成のため、光学情報を読み取るラインイメージセンサとデータフォーマットの互換性を取ることが容易である。その結果、磁気情報と光学情報を同様に処理することが可能となる。

　（実施の形態２）
　実施の形態２では、実施の形態１に加えて、磁気検出素子１１の出力のノイズ成分を低減する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る補正回路の構成例を示すブロック図である。実施の形態２の補正回路６は、実施の形態１の構成に加えて、出力選択部６１を備える。

　出力選択部６１は、磁気検出素子１１ごとに、１つ前の読み出しサイクルの出力値を記憶する。そして出力が、１つ前の読み出しサイクルの出力値から閾値範囲内にある場合には、１つ前の読み出しサイクルの出力値と同じ値を当該読み出しサイクルの出力値とする。その場合、記憶している１つ前の読み出しサイクルの出力を更新しない。出力が１つ前の読み出しサイクルの出力値から閾値範囲を越える場合には、当該読み出しサイクルの出力をその出力値とし、記憶する１つ前の読み出しサイクルの出力値を当該読み出しサイクルの出力値に置き換える。

　図１１は、実施の形態２に係る不感範囲の例を示す図である。図１１の磁気検出素子出力に示されるように、実際の各磁気検出素子１１からの出力にはノイズ成分が含まれる。ノイズ成分を低減するために、実施の形態２では、１つ前の読み出しサイクルの出力から所定の不感範囲を定める。図１１では、１つ前の読み出しサイクルの出力を中心として、上下に所定の値の範囲を不感範囲としている。

　図１２は、実施の形態２に係る磁気検出素子の出力選択の例を示す図である。図１２は、図１１の点線で囲まれた範囲を拡大した図である。不感範囲は、水平の点線で示される。読み出しサイクルの出力が、１つ前の読み出しサイクルの出力から不感範囲を超える場合は、サンプリングタイミングの値が黒丸で示されている。読み出しサイクルの出力が、１つ前の読み出しサイクルの出力の不感範囲内にある場合は、サンプリングタイミングの値が星印で示されている。磁気センサの出力は、黒丸を通る実線の高さになる。

このようにすることでノイズ成分を抑制した磁気画像情報が得られることとなり、より高度な磁気情報判別が可能となる。なお、出力選択部６１は、オフセット調整部７の前に限らず、信号補正処理部８の前、または、出力形式変換部９の前でも構わない。

　実施の形態の磁気センサ装置１０は、例えば、２００ｍｍ検出幅に磁気検出素子１１が０．５ｍｍピッチで配置され、４００の磁気検出素子１１を持つ。磁気検出素子１１のピッチと媒体搬送による搬送方向の検出ピッチを同じとして、１読み出しサイクル当たりの検出期間を０．２５ｍｓｅｃとすると、媒体搬送速度は２ｍ／ｓｅｃとなり、非常に高速な磁気情報の検出が可能である。また、この際のデータ出力クロックは２ＭＨｚ程度であり、容易に紙幣鑑別システムとの接続が可能である。

　実施の形態では、媒体の読み取り有効幅を２００ｍｍとしたが、読み取り有効幅は任意の大きさに変更できる。例えば、紙幣の短辺を磁気検出素子１１の配列方向（主走査方向）として、読み取り有効幅を１００ｍｍ程度もしくはそれより小さくすることができる。

　また、図６では、磁気情報出力として、ディジタル出力値の中点をオフセット基準としてその基準点から正負の信号として磁気情報を出力する方式を提案したが、磁気センサの出力は、ダイナミックレンジの中心を基準に正負に変動する信号には限られない。例えば、図１３に示すようにディジタル出力値の“０”点を基準とし、出力の変動量（出力値と前記基準との差の絶対値＝｜出力－オフセット基準値｜）をその基準点から出力する方式を採用することも可能である。このような処理を行うことで、磁気信号の方向性を考えず磁気情報の大きさのみで画像の処理が可能となる。

　（実施の形態３）
　実施の形態３では、読み取りラインに沿って隣り合う磁気検出素子１１の間隔と同じ長さを媒体が搬送される間に、複数回の読み出しサイクルを行う。媒体の相対移動距離が、読み取りラインに沿って隣り合う磁気検出素子１１の間隔と同じになる時間を、単位搬送時間という。実施の形態１および２は、単位搬送時間に１回の読み出しサイクルを行う場合である。

　実施の形態１または２の磁気センサ装置１０では、磁気検出素子１１の配列方向では磁気検出素子１１の密度の解像度は得られるが、媒体の搬送方向の解像度は、読み出しサイクルの密度に依存する。また、１回の読み出しサイクルの各磁気検出素子１１の出力は、図１の読み出しスイッチ２２が閉じている時間に制限される。例えば、シフトレジスタ２３に加えるクロックの周波数が２ＭＨｚの場合、１回の読み出しサイクルで１つの磁気検出素子１１の出力時間は、０．５μｓｅｃである。搬送速度が２ｍ／ｓｅｃで、磁気検出素子１１の間隔０．５ｍｍとすると、単位搬送時間は前述のとおり０．２５ｍｓｅｃである。クロック周波数が２ＭＨｚの場合、単位搬送時間０．２５ｍｓｅｃに比べて、磁気検出素子１１の出力時間０．５μｓｅｃは極めて短い。

　すなわち、搬送方向に対する解像度は、４ｋＨｚの読み出しサイクル周波数（１秒中の読み出しサイクルの回数）に対して、２ｋＨｚ程度（１ｍｍ程度の分解能）の繰り返しパターンしか分解できず、読み出しサイクル周波数よりも大きい空間周波数を有する磁気パターンでは、搬送方向の大部分の期間の変動を取りこぼすことになる。また、１読み出しサイクルの読み取り位置は、先頭素子から最終素子までの出力はシフトレジスタ２３での選択時間に差があるため、媒体の移動量分だけずれる。

　例えば、図１４に示すように、磁気検出素子１１の配列と平行な磁気パターンの媒体が検出領域に入ってきた場合、各磁気検出素子１１の応答が同じであるなら個々の磁気検出素子１１の出力波形は同じものとなる。しかし、磁気検出素子１１の出力の並列－直列変換を行った場合、読み出し先頭の磁気検出素子１１のサンプリング値と、最終の磁気検出素子１１のサンプリング値では、単位搬送時間が０．２５ｍｓｅｃの場合、波形変化として最大２５０μｓｅｃのズレが発生することとなる。図１５Ａは、ライン先頭素子とライン最終素子の出力位置を示す図である。図１５Ｂは、出力タイミングの違いによる誤差を示す図である。図１５Ｂは、読み出しサイクルの先頭で出力される場合を黒丸で、読み取りラインの最終に出力される場合を星印で示す。媒体の磁気パターンが搬送方向に変化しているところでは、先頭位置の出力と最終位置の出力とで、読み出しサイクル時間に搬送される距離だけ差があることが示されている（図１５Ｂ）。

　主走査の磁気検出素子１１ごとの読み取り位置が、読み取りライン上の位置に従って媒体の搬送方向にずれることについては、磁気検出素子１１の配列を媒体の搬送方向に直交する方向から、傾けることによって解消することができる。磁気検出素子１１の配列の両端で、読み出しサイクル時間に媒体が搬送される距離だけ磁気検出素子１１の配列を傾けることによって、読み取り位置のずれは解消される。すなわち、主走査の方向を媒体の搬送方向に直交させることができる。しかし、読み出しサイクルの間の磁気パターンの変動を検出できないことに変わりはない。つまり１単位搬送時間中に発生する出力の変化に対してはその一部分の値をサンプリングしたものとなり、図１６に示すように各磁気検出素子１１の出力に対してサンプリングタイミング以外の変動については検出できず磁気情報を取りこぼすこととなる。

　そこで、実施の形態３では、単位搬送時間に複数回の読み出しサイクルを行う。実施の形態３に係る磁気センサ装置１０の構成は、実施の形態１と同様である。ただし、シフトレジスタ２３に加えるクロックの周波数を、単位搬送時間に複数回の読み出しサイクルを行うように調整する。その結果、磁気検出素子１１ごとに、単位搬送時間に複数のサンプリングデータが得られる。

　図１７は、本発明の実施の形態３に係る磁気パターン読み出しシーケンスを示す図である。実施の形態３では、基本的な動作は実施の形態１と同様であるが、１単位搬送時間（例えば０．２５ｍｓｅｃ）に、読み出しサイクルを複数回行う。図１７では、１単位搬送時間の読み出し、すなわち磁気検出素子１１の間隔と同じ距離の単位の副走査を「ライン」で表している。図１７では、１ライン（１単位搬送時間）には、Ｍ回の読み出しサイクルが含まれる。例えば、単位搬送時間に１回の読み出しサイクルを行う周波数の８倍の周波数のクロックを用いて、単位搬送時間に８回の読み出しサイクルを行う。

　図３のＡＤＣ５では、読み出しサイクルのシフトレジスタ２３に加えるクロックに同期してサンプリングするので、磁気検出素子１１ごとに、１単位搬送時間にＭ個のデータを得る。例えば、単位搬送時間に８回の読み出しサイクルを行う場合は、８個のサンプリングデータを得る。

　実施の形態３では、信号補正処理部８は、単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力に基づいて、当該単位搬送時間の出力値を決定する。例えば、単位搬送時間の複数個のデータの平均値、最大値または最小値などが考えられる。

　単位搬送時間の出力値を決定するのに先だって、読み出しサイクルの周波数より高い周波数のノイズ成分を除去するために、移動平均化処理を行ってもよい。例えば、図４の補正回路６のオフセット調整部７で、移動平均化処理を行う。

　図１８は、移動平均化処理部の構成例を示すブロック図である。移動平均化処理部８１は、移動平均をとる個数－１個分のラインメモリ４１、４２、４３、．．．４Ｎと、平均処理部８２を備える。１つのラインメモリ４１～４Ｎはそれぞれ、１単位搬送時間の「ライン」のデータではなく、１回の読み出しサイクルのデータを記憶する。ＡＤＣ５でサンプリングされたデータは、読み出しサイクルごとにラインメモリ４１に記憶される。ラインメモリ４１に記憶されるデータは、読み出しサイクルごとに次のラインメモリ４２～４Ｎに移送される。平均処理部８２は、複数のラインメモリ４１～４Ｎのデータと、最新の読み出しサイクルのデータを磁気検出素子１１ごとに平均することによって、移動平均したデータを得る。

　図１９Ａは、磁気検出素子の出力のノイズと移動平均を示す概念図である。図１９Ａは、磁気検出素子１１の出力と移動平均出力の関係を示す。図１９Ｂは、図１９Ａの点線楕円で囲まれた部分の拡大図である。磁気検出素子１１の出力は、単位搬送時間の周波数より高い周波数で変動しているのに対して、移動平均出力は高い周波数の成分は平均化されて滑らかになっている。

　磁気検出素子１１の出力のノイズ成分を除去するのは、単純移動平均に限らない。例えば、以下の式で表される値を用いることができる。１ライン（１単位搬送時間）にＭ回の読み出しサイクル行う場合、磁気検出素子１１ごとに
　Ｄnm：ｎライン目のｍ回目のサンプリングデータ（ｍ＝１～Ｍ）
　Ｄ’nm：ｎライン目のｍ回目の出力データ
　Ｎ：１以上の定数
として、
　　ｍ＝１の場合　　Ｄ’nm　＝（Ｄnm＋Ｄ’(n－1)M＊Ｎ）／（Ｎ＋１）
　　ｍ≧２の場合　　Ｄ’nm　＝（Ｄnm＋Ｄ’n(m-1)＊Ｎ）／（Ｎ＋１）
すなわち、最新の読み出しサイクルのデータと１つ前の読み出しサイクルの出力データのＮ倍との和を（Ｎ＋１）で除した値を、最新の出力データとする。最新の読み出しサイクルのデータの寄与率を１／（Ｎ＋１）倍にし、順次その寄与率をＮ／（Ｎ＋１）に減じていく、修正移動平均になっている。定数Ｎは、磁気パターンの空間周波数特性に合わせて設定する。例えば、磁気パターンの（副走査方向の）基本の空間周波数成分が減衰しない程度に設定する。この修正移動平均では、１つ前の出力データを記憶するだけなので、読み出しメモリは１つで済む。移動平均化処理部８１には、その他、加重移動平均、指数移動平均（一般化した修正移動平均）などを用いることができる。

　信号補正処理部８は、単位搬送時間のＭ個の出力またはＭ個の移動平均出力から、その単位搬送時間の出力データを算出する。図２０は、信号補正処理部８が備える出力演算部の例を示すブロック図である。図２０では、平均処理部８２を備える場合を示す。また、ラインメモリ４１～４Ｎをラインメモリ４０で示す。出力演算部８３は、Ｍ個のラインメモリ５１、５２、５３、．．．５Ｍと出力値判定回路８４を備える。ラインメモリ５１～５Ｍはそれぞれ、１回の読み出しサイクルの出力または移動平均された１回の読み出しサイクルの出力を記憶する。出力演算部８３のラインメモリ５１のデータは、移動平均処理のラインメモリ４１と同様に、読み出しサイクルごとに次のラインメモリ５２～５Ｍに移送される。

　図２１は、単位搬送時間ごとの平均値を出力する場合の出力演算を示す図である。出力演算部８３の出力値判定回路８４は、例えば、１つの単位搬送時間に含まれるＭ個（図２１では８個）の出力の平均を、その単位搬送時間の出力データとして算出する。

　図２２は、異なる出力演算の例を示す図である。図２２では、サンプリングタイミングの値は丸で示され、黒丸はそのうちの出力データを表す。単位搬送時間ごとの平均値の代わりに、出力値判定回路８４は、例えば、以下のように出力データを算出する。１単位搬送時間にＭ回の読み出しサイクルを行うものとして説明する。
１）１単位搬送時間のＭ個の移動平均出力が増加傾向のみ（単調増加）を示せば、Ｍ個の移動平均出力の最終値（最大値）を当該単位搬送時間の出力データとし、
２）１単位搬送時間のＭ個の移動平均出力が減少傾向のみ（単調減少）を示せば、Ｍ個の移動平均出力の最終値（最小値）を当該単位搬送時間の出力データとし、
３）１単位搬送時間のＭ個の移動平均出力が極大値、極小値を持つ傾向があれば、その極値（極大値または極小値）を当該単位搬送時間の出力データとする。

　図２２はＭ＝８の場合を示す。図２２の左端の単位搬送時間では、出力は単調減少なので、最終値（最小値）を出力データとして算出する。左から２つ目の単位搬送時間では、出力は極小値を持つので、極小値を出力として算出する。残りの３つの単位搬送時間では、出力は単調増加なので、最終値（最大値）を出力として算出する。

　信号補正処理部８は、出力演算部８３で算出した出力データを、単位搬送時間に１回の読み出しサイクルを行う場合の読み取りクロック２ＭＨｚの出力データへと付け替えて、後段の処理回路に出力する。

　複数の読み出しサイクルの出力から出力値を演算する、上述のいずれかの手段を設けることで、ノイズレベルを低減した上で磁気センサ装置１０のノイズレベルに応じて、最適で高精細な磁気パターンの検出が可能となる。

　本実施の形態３の磁気センサ装置１０の出力は、上述のとおりに行うことを基本とするが、出力演算処理を行わず、単位搬送時間に複数の読み出しサイクルを行うクロックで後段処理へ出力してもよい。その場合、出力演算に相当する処理を、磁気パターンを判別する装置、例えば、紙幣鑑別／判別機で行うことも可能である。

　実施の形態３においても、実施の形態１または実施の形態２と同様に、信号補正処理部８は、磁気パターンのない空白期間の信号を基準に出力データを補正することができる。信号補正処理部８は、実施の形態１のように、ディジタル信号のダイナミックレンジの中点が全ての磁気検出素子１１で均しいオフセットとなるように調整することができる。あるいは、実施の形態２の変形例（図１３）のように、ディジタル出力値の“０”点を基準とし、出力の変動量（出力値と前記基準との差の絶対値＝｜出力－オフセット基準値｜）をその基準点から出力する方式を採用することも可能である。

　また、実施の形態３において、実施の形態２と同様に、出力選択を行ってもよい。実施の形態３では、単位搬送時間ごとに出力選択を行う。その場合、出力選択部６１を信号補正処理部８と出力形式変換部９の間に設ける。出力値が、１つ前の単位搬送時間の出力値から閾値範囲内にある場合には、１つ前の単位搬送時間の出力値と同じ値を当該単位搬送時間の出力値とする。その場合、記憶している１つ前の単位搬送時間の出力を更新しない。出力が１つ前の単位搬送時間の出力値から閾値範囲を越える場合には、当該単位搬送時間の出力をその出力値とし、記憶する１つ前の単位搬送時間の出力値を当該単位搬送時間の出力値に置き換える。

　実施の形態３の磁気センサ装置１０によれば、オーバサンプリングおよび分析処理を行うことで、信号読み出しのパラレル－シリアル処理に伴う磁気情報の取りこぼしや、磁気情報の特徴位置のズレを減少させ、高品質な磁気画像を得ることができる。

　なお、実施の形態３においても、読み取り有効幅は２００ｍｍに限らず、任意の大きさに変更できる。例えば、紙幣の短辺を磁気検出素子１１の配列方向（主走査方向）として、読み取り有効幅を１００ｍｍ程度もしくはそれより小さくすることができる。

　本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

　本出願は、２０１２年１１月１５日に出願された、明細書、特許請求の範囲、図、および要約書を含む、日本国特許出願２０１２－２５０９３３号に基づく優先権を主張するものである。日本国特許出願２０１２－２５０９３３号の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。

　１　磁気検出モジュール、２　信号読み出し回路、３　信号処理部、４　オフセット増幅回路、５　アナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）、６　補正回路、７　オフセット調整部、８　信号補正処理部、９　出力形式変換部、１０　磁気センサ装置、１１　磁気検出素子、１２　基板、１３　磁石、１４　磁気センサユニット、２１　個別読み出し回路、２２　読み出しスイッチ、２３　シフトレジスタ、２４　データ線、２５　クロック線、２６　共通増幅回路、２７　制御信号、２８　出力線、４０、４１、４２、４３、４Ｎ　ラインメモリ、５１、５２、５３、５Ｍ　ラインメモリ、６１　出力選択部、８１　移動平均化処理部、８２　平均処理部、８３　出力演算部、８４　出力値判定回路。

Claims

　磁気検出素子と、該磁気検出素子に対して一定方向の磁力線でバイアス磁界をかけるためのバイアス磁石とから構成され、磁気パターンを有する媒体が前記バイアス磁界を通過した際の磁界変動を前記磁気検出素子で電気信号として検出し、前記媒体の磁気パターンを読み取る磁気センサ装置であって、
　媒体との相対移動方向に交わる読み取りラインに沿って配列された複数の磁気検出素子と、
　前記磁気検出素子それぞれと、前記複数の磁気検出素子に共通の出力線と、に接続される複数のスイッチと、
　前記スイッチを１つずつ順次閉じて、前記磁気検出素子の出力を１つずつ順に前記共通の出力線に取り出すスイッチ制御部と、
　を備える磁気センサ装置。
　前記スイッチ制御部は、前記複数の磁気検出素子のすべての磁気検出素子の出力を１回ずつ前記共通の出力線に取り出す動作を読み出しサイクルとして、前記媒体の相対移動に同期して前記読み出しサイクルを周期的に行う、請求項１に記載の磁気センサ装置。
　前記スイッチ制御部は、前記媒体の相対移動距離が、前記読み取りラインに沿って隣り合う前記磁気検出素子の間隔と同じになる単位搬送時間の周期で、前記媒体の相対移動に同期して前記読み出しサイクルを行う、請求項２に記載の磁気センサ装置。
　前記磁気検出素子ごとに、出力が１つ前の前記読み出しサイクルの出力値から閾値範囲内にある場合には、前記１つ前の読み出しサイクルの出力値と同じ値を当該読み出しサイクルの出力値とし、前記出力が１つ前の前記読み出しサイクルの出力値から前記閾値範囲を越える場合には、当該読み出しサイクルの出力をその出力値とする、出力選択部を備える、請求項２または３に記載の磁気センサ装置。
　前記スイッチ制御部は、前記単位搬送時間に複数回の前記読み出しサイクルを行い、
　前記磁気検出素子ごとに、前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力に基づいて、当該単位搬送時間の出力値を決定する出力演算部を備える、
　請求項３に記載の磁気センサ装置。
　前記出力演算部は、前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力の平均値を当該単位搬送時間の出力値とする、請求項５に記載の磁気センサ装置。
　前記出力演算部は、前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力が、
　単調増加の場合には、前記単位搬送時間の出力の最大値を当該単位搬送時間の出力値とし、
　単調減少の場合には、前記単位搬送時間の出力の最小値を当該単位搬送時間の出力値とし、
　極大値または極小値を有する場合は、前記単位搬送時間の出力の極大値または極小値を当該単位搬送時間の出力値とする、
　請求項５に記載の磁気センサ装置。
　前記出力演算部は、前記磁気検出素子ごとに前記読み出しサイクルの直近の移動平均を前記読み出しサイクルの出力に置き換えて、前記出力値を算出する、請求項７に記載の磁気センサ装置。
　前記出力演算部は、前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力の平均値を算出し、
　前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力が全て、前記平均値から所定の範囲内にある場合には、前記平均値を当該単位搬送時間の出力値とし、
　前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力に前記平均値から前記所定の範囲を越えるデータがある場合には、前記平均値からもっとも離れた値を有する出力を当該単位搬送時間の出力値とする、
　請求項５に記載の磁気センサ装置。
　前記出力演算部は、
　前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力が全て、１つ前の前記単位搬送時間の出力値から所定の範囲内にある場合には、前記１つ前の単位搬送時間の出力値を当該単位搬送時間の出力値とし、
　前記単位搬送時間の複数回の読み出しサイクルの出力に、１つ前の前記単位搬送時間の出力値から前記所定の範囲を越える出力がある場合には、前記１つ前の単位搬送期間の出力値からもっとも離れた値を有する出力を当該単位搬送時間の出力値とする、
　請求項５に記載の磁気センサ装置。
　前記磁気検出素子の読み取り位置に磁気パターンがない場合の前記磁気検出素子の出力値を、出力値の範囲の中央値として、前記磁気検出素子の出力値を、前記中央値を中心とする正負の値に調整する出力調整部を備える、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。
　前記磁気検出素子の出力のオフセット電圧を基準として、前記磁気検出素子の出力値と前記基準との差の絶対値を、前記磁気検出素子の出力値とする出力調整部を備える、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の磁気センサ装置。