JP2007188739A

JP2007188739A - 磁気スイッチ

Info

Publication number: JP2007188739A
Application number: JP2006005506A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kawamura; 昌廣川村; Ichiro Tokunaga; 一郎徳永
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26
Also published as: WO2007080941A1

Abstract

【課題】少ない部品点数で誤動作が発生しにくく、且つ温度変化による影響を低く抑えた磁気スイッチを提供する。
【解決手段】固定部と、前記固定部に対し平行に移動する移動機構と、極性の異なる外部磁界Ｈ１，Ｈ２を発生するとともに前記固定部と前記移動機構との一方に設けられた一対のマグネットＭ１，Ｍ２と、他方に設けられた１ヶのＧＭＲ素子１０からなる磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に所定の電流を供給する電源部と、前記磁気抵抗効果素子から出力される電圧と所定のしきい値とを比較し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する比較部と、を有する構成とした。
【選択図】図４

Description

本発明は、無接点方式のスイッチに係わり、特にＧＭＲ素子を使用した磁気スイッチに関する。

無接点方式とすることができるスイッチとしては、例えばホール素子を用いた磁気スイッチが存在する（例えば、特許文献１）。

またＧＭＲ素子を用いた磁気スイッチも存在する（例えば、特許文献２）。前記ＧＭＲ素子として、抵抗値の調整が不可能な固定抵抗部と抵抗値の調整が可能な可変抵抗部とから構成されるものがある(例えば、特許文献３)。
特開平８−１７３１１号公報特開２００３−６０２５６号公報特開２００１−１１１１３７号公報

しかし、特許文献1に記載されるようなホール素子を用いた磁気スイッチでは、前記ホール素子からの出力電圧が１０ｍＶ程度と小さく、外部ノイズなどが混入すると誤動作が発生する頻度が高くなるという問題がある。

ところで、ホール素子の出力電圧Ｖは、ホール係数をＲ_Ｈ、ホール素子の厚さをｄ、電流をＩ、外部からの磁界密度をＢとすると、Ｖ＝Ｒ_Ｈ・Ｉ・Ｂ／ｄで規定されることが知られているが、前記ホール係数Ｒ_Ｈ及び厚さｄは選択したホール素子によりあらかじめ決定されてしまう固定的な要素である。このため、実際の磁気スイッチ回路において、スイッチ動作を安定させるべく前記出力電圧Ｖを大きくするには、前記電流Ｉおよび／または前記磁束密度Ｂを大きくする必要がある。しかし、前記電流Ｉを大きくする方法では磁気スイッチとしての消費電力が大きくなる。また前記磁束密度Ｂを大きくする方法では、外部磁界を形成するマグネットを大きくするか、または最大エネルギー積の大きな希土類磁石（例えば、ネオジム磁石）を採用する必要があるところ、前者では磁気スイッチが大型化してしまい、後者においてはコストが高騰するという問題がある。

一方、特許文献２に記載されたＧＭＲ素子を用いた磁気スイッチでは、ＧＭＲ素子を少なくも２ヶ以上用いる必要がある。またＧＭＲ素子を２ヶ用いる場合にあっても、一方のＧＭＲ素子と他方のＧＭＲ素子の固定層（ピン止め層）の磁化方向は１８０度異なる反対向きである。

ところが、同じウェハ上に配置されるＧＭＲ素子の磁化方向はすべて同じ方向となるから、一度ＧＭＲ素子どうしを切り離し、その後に前記磁化方向の向きが反対向きとなるように位置合わせする必要がある。このとき、前記ＧＭＲ素子の磁化方向の向きは視認することができないため、所定の測定機器を用いながら行う必要があり、製造工程が煩雑になるという問題がある。

この点、特許文献３に示されように、一方のＧＭＲ素子に抵抗値の調整が不可能な固定抵抗を用いる方法を採用すると、一対のＧＭＲ素子間の向きを調整する必要がなくなる。しかし、一般にＧＭＲ素子と固定抵抗とは温度特性が異なるため、温度が変化すると中点電圧のバランスが崩れてしまい検出精度が低下して誤動作の原因になるという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、少ない部品点数で誤動作が発生しにくい磁気スイッチを提供することを目的としている。

また本発明は温度変化による影響を低く抑える磁気スイッチを提供することを目的としている。

本発明は、固定部と、前記固定部に対し平行に移動する移動機構と、極性の異なる外部磁界を発生するとともに前記固定部と前記移動機構との一方に設けられた一対のマグネットと、他方に設けられた１ヶのＧＭＲ素子からなる磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に所定の電流を供給する電源部と、前記磁気抵抗効果素子から出力される電圧と所定のしきい値とを比較し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する比較部と、を有することを特徴とするものである。

本発明では、１ヶのＧＭＲ素子で磁気スイッチを構成することができるため、製造コストを低減することができる。また部品点数が少なく、大型のマグネットを採用する必要もないため、小型化することが可能である。

また本発明は、固定部と、前記固定部に対し平行に移動する移動機構と、極性の異なる外部磁界を発生するとともに前記固定部と前記移動機構との一方に設けられた一対のマグネットと、他方に設けられた一対のＧＭＲ素子と、一方のＧＭＲ素子を前記外部磁界から磁気遮蔽する磁気遮蔽部材と、前記一対のＧＭＲ素子に所定の電圧を供給する電源部と、前記一対のＧＭＲ素子から出力される電圧と所定のしきい値とを比較し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する比較部と、を有することを特徴とするものである。

上記発明では、磁気遮蔽部材で覆ったＧＭＲ素子を固定抵抗として用いることができる。しかも、同じ基板上に同時に形成した一対のＧＭＲ素子のうちの一方を固定抵抗として利用し、他方を外部磁界によって抵抗値が変わる可変抵抗として利用することができるため、前記固定抵抗と可変抵抗の温度特性を一致させることができる。このため、温度変化に対して安定して動作することが可能な磁気スイッチとすることができる。

またＧＭＲ素子は定電流で駆動することができるため、消費電力を低減することができる。さらには外形寸法の大きなマグネットや最大エネルギー積の大きな磁石を用いる必要もなくなるため、小型で安価な磁気スイッチとすることができる。

上記においては、前記一対のＧＭＲ素子が、同じウェハから切り出された共通の基板上に形成されていることが好ましい。

前記手段では、同じウェアから切り出された一対のＧＭＲ素子をそのまま使用することができるため、一対のＧＭＲ素子の固定層の磁化方向を調整する必要がなく、製造工程を簡素化することができる。

本発明の磁気スイッチでは、小型で安価な磁気スイッチを提供することができる。
また温度変化に対して安定して動作する磁気スイッチを提供することができる。
さらに磁気スイッチの製造工程を簡素化することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態としてＧＭＲ素子を１ヶ用いた磁気スイッチを示す斜視図、図２はＧＭＲ素子の磁化方向を示す平面図、図３は磁気スイッチの構成を示す回路構成図、図４及び図５は磁気スイッチの動作を説明するための説明図であり、図４は第１の位置にある場合、図５は第２の位置にある場合を示している。また図６は磁気スイッチの出力特性を示すグラフである。なお、図１はいわゆるムービングマグネット方式の磁気スイッチを示している。

図１に示す磁気スイッチでは、固定部側となる壁面２０にＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）１０が固設されている。

また、前記壁面（固定部）２０の近傍には、前記壁面２０に対して平行な状態を維持しながらスライド移動する移動機構（図示せず）が設けられている。前記移動機構の先端には一対のマグネットＭ１，Ｍ２が固定されており、前記一対のマグネットＭ１，Ｍ２は前記ＧＭＲ素子１０の前方（Ｘ１方向）の位置にて図示Ｙ１−Ｙ２方向に自在に進退可能な状態にある。前記一対のマグネットＭ１，Ｍ２は異なる極性に設定されている。図１に示すものでは、マグネットＭ１のＸ１側の面がＳ極（したがって、Ｘ２側の面がＮ極）に、マグネットＭ２のＸ１側の面がＮ極（したがって、Ｘ２側の面がＳ極）にそれぞれ着磁されている。

図４に示すように、前記移動機構がＹ２方向に移動すると前記マグネットＭ１のＮ極がＧＭＲ素子に対向する第１の位置に設定され、図５に示すように前記移動機構がＹ１方向に移動すると前記マグネットＭ２のＳ極がＧＭＲ素子に対向する第２の位置（図５参照）に設定される。

前記ＧＭＲ素子１０はフリー層および固定層（ピン止め層）などを有している。図２では、図示Ｙ２方向に向けられた実線矢印がフリー層に対するバイアス磁界の方向ｍ１を示しており、図示Ｘ２方向に向けられた白抜き矢印が固定層の磁化方向ｅ１を示している。前記バイアス磁界の方向ｍ１と前記固定層の磁化方向ｅ１とは９０度異なる方向に設定されている。前記固定層の磁化方向ｅ１は一定であり、前記マグネットＭ１又はＭ２から供給される外部磁界Ｈ１又はＨ２によって変化することはないが、フリー層の磁化方向は前記外部磁界Ｈ１，Ｈ２に応じて変化する。

図３に示すように、前記ＧＭＲ素子１０の両端は、例えば−1000ｐｐｍ／℃の温度補正を持った定電流源（電源部）１５に接続されており、所定の定電流Ｉが供給される。なお、図３に示すように前記ＧＭＲ素子１０の等価回路は、固定抵抗分Ｒと可変抵抗分ΔＲとが直列接続されたものとして表すことができる。

図４に示すように、前記図示しない移動機構がＹ２方向に移動した前記第１の位置にある場合、すなわち前記マグネットＭ１のＮ極がＧＭＲ素子１０に対向する場合には、前記マグネットＭ１から供給される外部磁界Ｈ１の方向はＸ２方向であるため、フリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向ｅ１の向きと同じＸ２方向に向けられる。このため、ＧＭＲ素子１０の前記可変抵抗分ΔＲはほぼ最小値である零に設定され、前記ＧＭＲ素子１０の出力Ｖは最小出力電圧Ｖmin（＝Ｉ・Ｒ）に設定される。

一方、図５に示すように、前記移動機構がＹ１方向に移動した前記第２の位置にある場合、すなわち前記マグネットＭ２のＳ極がＧＭＲ素子に対向する場合には、前記マグネットＭ２から供給される外部磁界Ｈ２の方向は図示Ｘ１方向であるため、フリー層の磁化方向は前記固定層の磁化方向ｅ１とは逆向き（Ｘ１方向）に設定される。このため、ＧＭＲ素子１０の前記可変抵抗分ΔＲは最大値に設定され、前記ＧＭＲ素子１０の出力Ｖは最大出力電圧Ｖmax（＝Ｉ・（Ｒ＋ΔＲ））に設定される。

前記ＧＭＲ素子１０の出力Ｖの最大出力電圧Ｖmaxと最小出力電圧Ｖminとの電位差ΔＶ（＝Ｖmax−Ｖmin）は、従来のホール素子の出力電圧１０ｍＶよりも大きな８０ｍＶ程度となる。このため、外部ノイズなどが混入しても誤動作しにくい磁気スイッチとすることができる。

具体的には、図３に示すように、磁気スイッチはコンパレータなどから形成された比較部１８を有し、前記ＧＭＲ素子１０の出力Ｖと所定のしきい値電圧Ｖｔｈとの比較を行う。なお、前記所定のしきい値電圧Ｖｔｈは、図６に示すように前記最大出力電圧Ｖmaxと前記最小出力電圧Ｖminとの中間に設定される。

そして、前記比較部１８は、例えばＶ＜Ｖｔｈの場合にはスイッチオフとなる０ｖからなる切替信号を出力し、Ｖ＞Ｖｔｈの場合にはスイッチオンとなる５ｖからなる切替信号を出力する。これにより、安定動作する磁気スイッチを構成することができる。

このように、上記第１の実施の形態に示す磁気スイッチは、１ヶのＧＭＲ素子で磁気スイッチを構成することができる。また従来のように大きなマグネットや最大エネルギー積の大きな希土類磁石を使用する必要もないため、製造コストを低減することができる。
また定電流で駆動することができるため、消費電力を低く抑えることができる。

なお、上記第１の実施の形態では、マグネットＭ１，Ｍ２が移動機構に設けられて移動させられるムービングマグネット方式の場合について説明したが、本発明は移動機構にＧＭＲ素子が設けられ、ヨーク側にマグネットが設けられるムービングセンサ方式のものであってもよい。

図７は本発明の第２の実施の形態としてＧＭＲ素子を２ヶ用いた磁気スイッチを示す斜視図、図８はＧＭＲ素子の構成を示す回路構成図、図９及び図１０は磁気スイッチの動作を説明するための説明図であり、図９は第１の位置（ギャップＧ１内）にある場合、図１０は第２の位置（ギャップＧ２内）にある場合を示している。なお、図７はいわゆるムービングセンサ方式の磁気スイッチを示している。

図７に示すように、第２の実施の形態の磁気スイッチは、図示Ｘ１側の端面がＮ極に（したがって、Ｘ２側の端面がＳ極に）着磁されたマグネットＭ１と、図示Ｘ１側の端面がＳ極に（したがって、Ｘ２側の端面がＮ極に）着磁されたマグネットＭ２とが一体化されたマグネットを有している。

前記マグネットＭ１，Ｍ２のＸ１及びＸ２方向の端面には、フェライトなどの磁性材料で形成された第１のヨーク２１と第２のヨーク２２が固定されている。前記第１のヨーク２１と第２のヨーク２２は断面が略Ｌ字形状に形成されており、図示Ｘ方向の突出する対向部２１ａ，２２ａを有している。一方の対向部２１ａの端面（固定部）と他方の対向部２２ａの端面（固定部）とが対向する部分には、所定の隙間寸法からなるギャップＧが形成されている。

なお、前記マグネットＭ１と前記マグネットＭ２とをＸＺ平面に平行な仮想境界面ＢＳで区切ったときに、図示Ｙ１側に位置するギャップをギャップＧ１、図示Ｙ２側に位置するギャップをギャップＧ２とする。

このとき、前記マグネットＭ１が形成する磁界は、前記マグネットＭ１のＮ極から第２のヨーク２２→対向部２２ａの端面→ギャップＧ１→対向部２１ａの端面→第１のヨーク２１→マグネットＭ１のＳ極に至る第１の閉磁路（閉じた磁気回路）を形成している。また前記マグネットＭ２が形成する磁界は、前記マグネットＭ２のＮ極から第１のヨーク２１→対向部２１ａの端面→ギャップＧ２→対向部２２ａの端面→第２のヨーク２２→マグネットＭ２のＳ極に至る第２の閉磁路（閉じた磁気回路）を形成している。前記第１の閉磁路が形成する磁界の向きと前記第２の閉磁路が形成する磁界の向きとは、互いに逆向きの関係にある。このため、前記ギャップＧ１内の外部磁界Ｈ１の向きは図示Ｘ２方向であり、ギャップＧ２内の外部磁界Ｈ２の向きは図示Ｘ１方向である。

前記ギャップＧの側方には、図示Ｙ１及びＹ２方向に進退自在にスライド移動する移動機構（図示せず）が設けられている。前記移動機構の先端には、移動方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に並ぶ一対のＧＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）１１，１２が固定されている。

図９に示すように前記移動機構が図示Ｙ１方向に移動すると、前記一対のＧＭＲ素子１１，１２の双方が前記ギャップＧ１内に位置する第１の位置に設定される。また図１０に示すように前記移動機構がＹ２方向に移動すると前記一対のＧＭＲ素子１１，１２がギャップＧ２内に位置する第２の位置に設定される。

前記第１の位置では、前記マグネットＭ１が発生した一様な外部磁界Ｈ１の中に前記一対のＧＭＲ素子１１，１２を垂直に置いた場合に相当し、前記第２の位置では、前記マグネットＭ２が発生した一様な外部磁界Ｈ２の中に前記一対のＧＭＲ素子１１，１２を垂直に置いた場合に相当する。

ところで、図７に示す第２の実施の形態では、磁性材料で形成され一方のＧＭＲ素子１１のみを覆う磁気遮蔽部材３０が設けられている。このため、マグネットＭ１，Ｍ２が発生した外部磁界Ｈ１，Ｈ２は、他方のＧＭＲ素子１１には影響を与えることが可能であるが、磁気シールドされた一方のＧＭＲ素子１１には何らの影響も与えることができない状態に設定されている。

なお、ＧＭＲ素子１１，１２の構造は、前記第１の実施の形態に示すＧＭＲ素子と同様である。また前記ＧＭＲ素子１１とＧＭＲ素子１２は、同じウェハ上に形成された多数のＧＭＲ素子から、隣接する任意の２つのＧＭＲ素子を切り出すことにより構成されている。このため、ＧＭＲ素子１１とＧＭＲ素子１２とは温度特性を始とする多くの特性が一致している。

前記ＧＭＲ素子１１とＧＭＲ素子１２とは直列に接続されており、その等価回路は図８に示すものとなる。すなわち、磁気シールドされている前記一方のＧＭＲ素子１１は外部磁界Ｈ１，Ｈ２の影響を受けないため、固定抵抗分Ｒのみからなる固定抵抗とみなすことができる。また他方のＧＭＲ素子１２は上記同様の固定抵抗分Ｒと可変抵抗分ΔＲとが直列接続されたものとして表される。そして、前記ＧＭＲ素子１１と前記ＧＭＲ素子１２との接続部１３からは出力端子１４が引き出されている。

図８に示すように、直列接続された前記ＧＭＲ素子１１とＧＭＲ素子１２との両端には定電圧源（電源部）１６が接続され、所定の定電圧Ｖ１が印加される。

図９に示すように、前記図示しない移動機構がＹ１方向に移動した前記第１の位置にある場合、すなわち前記一対のＧＭＲ素子１１，１２が共にギャップＧ１内に位置する場合には、前記マグネットＭ１から供給される外部磁界Ｈ１は磁気シールドされたＧＭＲ素子１１には影響を与えず、前記ＧＭＲ素子１２のみに影響を与える。このため、前記ＧＭＲ素子１２のフリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向ｅ１の向きとは逆向きとなるＸ２方向に向けられる。このため、前記ＧＭＲ素子１２の前記可変抵抗分ΔＲは最大に設定され、前記出力端子１４の出力Ｖは最大出力電圧Ｖmax（＝（ΔＲ＋Ｒ）／（ΔＲ＋２Ｒ）・Ｖ１）に設定される。

一方、図１０に示すように、前記移動機構がＹ２方向に移動した前記第２の位置にある場合、すなわち前記一対のＧＭＲ素子１１，１２が共にギャップＧ２内に位置に移動した場合には、前記ＧＭＲ素子１２のフリー層の磁化方向が前記固定層の磁化方向ｅ１の向きに一致するＸ１方向に向けられる。このため、前記ＧＭＲ素子１２の前記可変抵抗分ΔＲは最小（ほぼ零）に設定され、前記出力端子１４の出力Ｖは最小出力電圧Ｖmin（＝（Ｒ）／（２Ｒ）・Ｖ１）＝Ｖ１／２に設定される。

第２の実施の形態においても、前記ＧＭＲ素子１１，１２の出力Ｖの最大出力電圧Ｖmaxと最小出力電圧Ｖminとの電位差ΔＶ（＝Ｖmax−Ｖmin）は、従来のホール素子の出力電圧１０ｍＶよりも大きな８０ｍＶ程度となる。このため、外部ノイズなどが混入しても誤動作しにくい磁気スイッチとすることができる。

具体的には、図８に示すように、磁気スイッチは比較部１８を有し、前記出力端子１４からの出力Ｖと所定のしきい値電圧Ｖｔｈとの比較を行う。なお、前記所定のしきい値電圧Ｖｔｈは、上記図６同様に前記最大出力電圧Ｖmaxと前記最小出力電圧Ｖminとの中間に設定される。

このように、上記第２の実施の形態では、一対のＧＭＲ素子１１の一方を固定抵抗として利用することで、簡単な構成からなる磁気スイッチとすることができる。また固定抵抗として利用する一方のＧＭＲ素子１１と通常のＧＭＲ素子１２とは同じウェハ上から切り出したものであるため、温度変化に起因する抵抗値の変動（温度特性）を一致させることができる。このため、温度が変化しても、前記ＧＭＲ素子１１，１２の出力Ｖの変動幅を、前記電位差ΔＶ内の極めて小さな範囲内に抑えることができ、温度変化に対しても誤作動の少ない磁気スイッチとすることが可能である。しかも、一方のＧＭＲ素子１１を磁気遮断部材で覆うという簡単な手段で固定抵抗とすることができる。

また上記第２の実施の形態では、前記ＧＭＲ素子１１と前記ＧＭＲ素子１２との固定層の磁化方向ｅ１を一致させた状態で使用することができる。

ここで、共通のウェハ上に同時に形成されたＧＭＲ素子１１，１２は、前記固定層の磁化方向ｅ１の向きは一致した状態にある。このため、ウェハから一体的に切り出したＧＭＲ素子１１，１２を、そのままの状態で固定部側となる前記壁面２０や前記移動機構の先端に固定することができる。すなわち、ＧＭＲ素子１１の固定層の磁化方向ｅ１とＧＭＲ素子１２の固定層の磁化方向ｅ１とを調整する必要がないため、製造工程を簡素化することが可能である。

なお、上記第２の実施の形態では、一対のＧＭＲ素子１１，１２が移動機構に設けられて移動させられるムービングセンサ方式の場合について説明したが、本発明は移動機構にマグネットＭ１，Ｍ２が設けられ、ヨーク側にＧＭＲ素子１１，１２が設けられるムービングマグネット方式のものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態としてＧＭＲ素子を１ヶ用いた磁気スイッチを示す斜視図、ＧＭＲ素子の磁化方向を示す平面図、磁気スイッチの構成を示す回路構成図、磁気スイッチの動作として第１の位置にある場合の説明図、磁気スイッチの動作として第２の位置にある場合の説明図、磁気スイッチの出力特性を示すグラフ、本発明の第２の実施の形態としてＧＭＲ素子を２ヶ用いた磁気スイッチを示す斜視図、ＧＭＲ素子の構成を示す回路構成図、磁気スイッチの動作として第１の位置（ギャップＧ１内）にある場合の説明図、磁気スイッチの動作として第２の位置（ギャップＧ２内）にある場合の説明図、

符号の説明

１０，１１，１２（磁気抵抗効果素子）
１４出力端子
１５定電流源（電源部）
１６定電圧源（電源部）
１８比較部
２０壁面（固定部）
２１第１のヨーク
２１ａ対向部
２２第２のヨーク
２２ａ対向部
３０磁気遮蔽部材
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ギャップ
Ｈ１，Ｈ２外部磁界
Ｍ１，Ｍ２マグネット
Ｒ固定抵抗分
ΔＲ可変抵抗分
ｍ１バイアス磁界の方向
ｅ１固定層の磁化方向

Claims

固定部と、前記固定部に対し平行に移動する移動機構と、極性の異なる外部磁界を発生するとともに前記固定部と前記移動機構との一方に設けられた一対のマグネットと、他方に設けられた１ヶのＧＭＲ素子からなる磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に所定の電流を供給する電源部と、前記磁気抵抗効果素子から出力される電圧と所定のしきい値とを比較し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する比較部と、を有することを特徴とする磁気スイッチ。
固定部と、前記固定部に対し平行に移動する移動機構と、極性の異なる外部磁界を発生するとともに前記固定部と前記移動機構との一方に設けられた一対のマグネットと、他方に設けられた一対のＧＭＲ素子と、一方のＧＭＲ素子を前記外部磁界から磁気遮蔽する磁気遮蔽部材と、前記一対のＧＭＲ素子に所定の電圧を供給する電源部と、前記一対のＧＭＲ素子から出力される電圧と所定のしきい値とを比較し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する比較部と、を有することを特徴とする磁気スイッチ。
前記一対のＧＭＲ素子が、同じウェハから切り出された共通の基板上に形成されていることを特徴とする請求項２記載の磁気スイッチ。