MRセンサー

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特徴

磁気抵抗効果素子(MR素子)を用いたセンサーで、磁界の変化や磁性体の有無を電圧の変化として検出する事ができます。
磁気抵抗効果...固体の電気抵抗が磁界によって変化する現象。
図2

MRセンサーと被検体との間隔による出力電圧の変化

磁気ヘッドとは異なり、MRセンサーは、検出対象との距離が0.3mm離れても、50%の信号が得られます。
図3
MRセンサー抵抗値の温度特性
MRセンサーは、化合物半導体のInSbを使用しているので、その抵抗値は温度によって変化し、変化率は約-2%/゚Cです。
図4

MRセンサー出力電圧の温度特性

MRセンサーの出力電圧は温度の影響を受けます。 室温付近での変化率は、約-0.6%/゚Cです。
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MRセンサーの動作原理

図1
MRセンサーが、磁気インクのような磁性体を検出して、どのような出力をするのかについて、簡単に説明します。
まず、磁気抵抗効果素子は、(以下、MR素子とします)磁気抵抗効果のためにその抵抗値が磁界によって変化します。
図1のグラフに、MR素子の抵抗値が磁界によって変化する様子を表します。
磁界の強さで抵抗値が変わり、磁界の向きには関係ありません。
図2 このような特性を持っているMR素子から、特性のそろった素子(MR1,MR2)を選び直列につなぎます。
2つのMR素子に磁石で均等な磁界をかけます。2つのMR素子の接続部には、出力端子を設けて、この端子に表れる電圧を出力電圧と呼ぶ事にします。
図2を参照して下さい。
MR素子の両端に電圧Vを加えると、出力電圧は電圧Vのおおよそ半分になります。 この電圧を中点電圧と呼んでいます。
図3
しかし、2つのMR素子に、それぞれ異なる強さの磁界が与えられた場合には、素子の抵抗値は異なるので、出力電圧は中点電圧とは違う値になります。
例えば、図2でMR1に強い磁界が加われば、MR2よりもその抵抗値は増大するので、出力電圧は中点電圧より小さくなり、逆に、MR2に強い磁界が加われば、1/2Vより大きくなります。
同じように、磁性体の検出の場合について考えます。
2つのMR素子の片方(この場合MR2)に鉄片のような磁性体が近づけば、鉄片に向かって磁力線が偏り、MR2にはMR1よりも大きな磁界が加わります。
これにより、MR2の抵抗値が増大し、出力電圧が大きくなる事が理解されます。 図3をご参照下さい。
連続して表したのが次の図です。
Fig.1 から Fig.3 へと MRセンサーの前面を磁性体が移動していく様子を表しています。
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MRセンサーの出力がどのように変化するかを表したのが次の図です。 磁性体がMRセンサーの前面を横切ってゆく時の出力変化を示しています。 図中に示してある Fig.1~3 の矢印は、上の図の磁性体とMRセンサーの位置関係に対応しています。
i
注意
この出力電圧の変化のしかたは、微少な磁性体の場合なので、磁性体が2つのMR素子にまたがる場合などは少し異なります。 ここでは、MRセンサーが磁気インクのような磁性体を検出して出力電圧を変化させるしくみを簡単に説明しております。
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MRセンサーの技術情報

図1
磁気紙幣パターンの読み取り
MRセンサーの最も得意とする用途は、磁気印刷パターンの読み取りです。
磁気印刷とは、磁性粉末を配合したインクで印刷したもので、磁気印刷されている身近な物には、世界各国の紙幣があります。

図2

でも、磁気印刷に含まれている磁性体はとても少ないので、千円札が磁石に吸い付くことはありませんから、普通はわかりません。
さて、MRセンサーは磁気印刷にどのように反応し、検出するのでしょうか。図1に示す文字は、情報処理用に作られた文字の例です。
この文字は、JIS X9002に規定されたものです。(E13B型)
JIS X9002は「磁気インキ文字読取用字体及び印字仕様」という規格です。もちろん、この規格で 磁気印刷されたE13B型文字をMRセンサーの検知面に通すと、MRセンサーの出力端子には、図2の写真のような信号が現れます。

図3

磁気の変化はとても少ないのですが、MRセンサーははっきりと検出しています。
使用した回路図を図3に示します。でも、本当に磁気印刷のパターンを読み取っているかわかりにくいので、わかりやすい例をお見せします。

紙幣の磁気パターン

図4 今度は、紙幣をMRセンサーで見てみます。使用したのは、米国の1$紙幣です。
すべての磁気パターンをお見せできないので、実物の写真(左)と磁気パターン(右)を対角線でつないであります(図4)。
印刷されている模様と同じように信号が検出されているのがわかります。
自動販売機などの紙幣を受け付ける機械では、MRセンサーを使って、この信号から紙幣の真偽を判定しています。
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