JP2009258042A - Rotation detecting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁石と磁気抵抗効果素子を有する非接触式の磁気センサとを備え回転方向を検知できる回転検出装置に関する。 The present invention relates to a rotation detection device including a magnet and a non-contact type magnetic sensor having a magnetoresistive effect element and capable of detecting a rotation direction.
携帯電話で例えば電子メールやインターネットを使用するとき、使用者の視線が携帯電話の画面表示部にほぼ直交するように、通常、携帯電話を立てた状態で使用する。ここで携帯電話を立てた状態を基準状態と称する。 For example, when using e-mail or the Internet on a mobile phone, the mobile phone is usually used in a standing state so that the user's line of sight is almost perpendicular to the screen display of the mobile phone. Here, the state in which the mobile phone is set up is referred to as a reference state.
またこの基準状態から携帯電話自体を回転させて横方向に90度傾けた状態で携帯電話に内蔵されたカメラを使用したり、あるいはテレビを見る使用用途がある。このとき、携帯電話を基準状態から時計方向あるいは反時計方向に回転させて90度傾けたときに、画面表示が使用者の視線に対して常に同じ向きを維持するようにするには携帯電話の回転方向を知る必要性がある。 In addition, the mobile phone itself may be rotated from the reference state and tilted 90 degrees in the horizontal direction to use a camera built in the mobile phone or to watch television. At this time, when the mobile phone is rotated clockwise or counterclockwise from the reference state and tilted by 90 degrees, the display of the mobile phone is always maintained in the same direction with respect to the user's line of sight. There is a need to know the direction of rotation.
特許文献1に記載された発明では、撮像鉛直方向検出部が携帯電話内に内蔵されている。しかし撮像鉛直方向検出部は、例えば特許文献1の[0037]欄に記載されているようにガラスなどで構成された筐体と、この筐体内に内包された水銀と、電極対等を備えるものであり、安価で小型の非接触式の回転検出装置を得ることが出来ない。また水銀を使用することで安全性を保つことができず、さらに高精度な回転検出を行うことが出来ないといった問題があった。
In the invention described in
また特許文献2に記載された発明には、[0043]欄に記載されているように円筒状のケース内に移動自在の球体を封入して、重力による球体の移動を接片等で信号として取り出す傾斜センサが開示されている。しかしながら接触式の傾斜センサであるため信頼性に乏しい。
In the invention described in
また特許文献3に記載された発明では、ホール素子と磁石を用いた傾斜センサが開示されている。特許文献3の[0029]欄に記載されているように、磁石を備える回動体には欠損部が設けられ、[0032]欄に記載されているように、ホール素子にて欠損部を検知することで、車体が所定角度以上傾斜したことを検知できるとしている。しかしながら特許文献3に記載された発明では、時計方向あるいは反時計方向のどちらに車体が傾いたのかまで検知していない。またホール素子を備えた磁気センサを用いて回転方向を検知するには複数の磁気センサが必要になると考えられる。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、磁石と磁気抵抗効果素子を有する非接触式の磁気センサとを備え回転方向を検知できる回転検出装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and in particular, an object of the present invention is to provide a rotation detection device that includes a magnet and a non-contact type magnetic sensor having a magnetoresistive effect element and can detect the rotation direction. .
本発明は、磁石と、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサのうち一方が回動部に支持され、他方が固定部に支持された回転検出装置において、
前記磁石は少なくとも2個、前記磁気センサは1個用いられ、前記回動部は、重力方向に向けて回動可能に支持されており、
基準状態では、前記磁気センサは前記回動部の回動中心から重力方向上に配置され、前記磁石は、前記回動中心から前記磁気センサの左右両側に離れた位置に配置されており、
前記基準状態から時計方向あるいは反時計方向の回転に伴って前記回動部が重力方向に向けて回動して重力方向に一定の姿勢を保ち、このとき、前記磁気センサの前記磁石との相対位置が近づくことで前記磁気センサが前記磁石から外部磁界を受けて前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化し、この電気抵抗変化に基づく前記磁気センサからの出力により回転方向を知ることができることを特徴とするものである。
The present invention includes a magnet and a non-contact type magnetic sensor including a magnetoresistive effect element whose electric resistance value changes with respect to an external magnetic field, and one of the magnet and the magnetic sensor is a rotating part. In the rotation detection device that is supported and the other is supported by the fixed part,
At least two magnets and one magnetic sensor are used, and the rotating part is supported to be rotatable in the direction of gravity,
In the reference state, the magnetic sensor is arranged in the direction of gravity from the rotation center of the rotation unit, and the magnet is arranged at a position away from the rotation center on both the left and right sides of the magnetic sensor,
As the clockwise or counterclockwise rotation from the reference state, the rotating part rotates toward the gravitational direction and maintains a constant posture in the gravitational direction. At this time, the relative position of the magnetic sensor relative to the magnet As the position approaches, the magnetic sensor receives an external magnetic field from the magnet and the electric resistance value of the magnetoresistive effect element changes, and the rotation direction can be known from the output from the magnetic sensor based on this electric resistance change. It is characterized by.
本発明によれば、複数の磁石と磁気抵抗効果素子を有する非接触式の1個の磁気センサを備えており、基準状態から時計方向あるいは反時計方向に回転したときに、回動部の回動により磁気センサと磁石との相対位置が近づき、これにより、磁気センサが磁石から外部磁界を受けて前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化する。そしてこの電気抵抗変化に基づく磁気センサからの出力により回転方向を検知することができる。 According to the present invention, a non-contact type magnetic sensor having a plurality of magnets and a magnetoresistive effect element is provided, and when the rotating portion rotates clockwise or counterclockwise from the reference state, the rotating portion rotates. Due to the movement, the relative position between the magnetic sensor and the magnet approaches, so that the magnetic sensor receives an external magnetic field from the magnet and the electric resistance value of the magnetoresistive element changes. The direction of rotation can be detected by the output from the magnetic sensor based on this change in electrical resistance.
本発明では、前記磁気抵抗効果素子は、固定磁性層と前記固定磁性層に非磁性層を介して積層されたフリー磁性層とを有し、前記固定磁性層の磁化は一方向に固定されており、
前記基準状態では、一方の磁石は、前記磁気センサとの相対位置が近づいたときに前記磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向と平行な外部磁界が作用するように、他方の磁石は、前記磁気センサとの相対位置が近づいたときに前記磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向と反平行な外部磁界が作用するように、各磁石が着磁されていることが好ましい。
これにより簡単な構成で、適切に回転方向を知ることができる。
In the present invention, the magnetoresistive element has a pinned magnetic layer and a free magnetic layer laminated on the pinned magnetic layer via a nonmagnetic layer, and the magnetization of the pinned magnetic layer is pinned in one direction. And
In the reference state, one magnet has an external magnetic field parallel to the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer of the magnetoresistive effect element when the relative position with the magnetic sensor approaches, so that the other magnet The magnets are preferably magnetized so that an external magnetic field antiparallel to the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer of the magnetoresistive element acts when the relative position with the magnetic sensor approaches.
Thereby, it is possible to know the rotation direction appropriately with a simple configuration.
本発明では、前記磁気センサには、ある一方向の外部磁界に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗効果を利用した第1磁気抵抗効果素子と、前記一方向とは逆方向の外部磁界に対して電気抵抗が変化する磁気抵抗効果を利用した第2磁気抵抗効果素子と、第1出力端子と、第2出力端子とを有し、
前記第1磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく信号が前記第1出力端子から出力され、前記第2磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく信号が前記第2出力端子から出力されることが好ましい。
In the present invention, the magnetic sensor includes a first magnetoresistive element using a magnetoresistive effect in which an electric resistance changes with respect to an external magnetic field in one direction, and an external magnetic field in a direction opposite to the one direction. A second magnetoresistive element utilizing a magnetoresistive effect that changes electrical resistance, a first output terminal, and a second output terminal,
A signal based on the electrical resistance change of the first magnetoresistive element is output from the first output terminal, and a signal based on the electrical resistance change of the second magnetoresistive element is output from the second output terminal. preferable.
上記により双極検知可能で2出力の磁気センサを得ることができる。そしてこの磁気センサを用いることで磁気センサを1個用いるだけで、回転方向を検知することができる。 As described above, a two-output magnetic sensor capable of bipolar detection can be obtained. By using this magnetic sensor, the direction of rotation can be detected by using only one magnetic sensor.
本発明の回転検出装置によれば、磁石と磁気抵抗効果素子を有する非接触式の磁気センサとを備え回転方向を検知できる。 According to the rotation detection device of the present invention, a rotation direction can be detected by including a magnet and a non-contact type magnetic sensor having a magnetoresistive effect element.
図1は、携帯電話の正面図、図2は、本実施形態における回転検出装置の回転方向検知の原理図、図3は図2とは別の実施形態を示す回転検出装置の概念図(正面図)、図4は、本実施形態における回転検出装置の側面図、図5は、図4とは異なる本実施形態における回転検出装置の側面図、図6、図7は本実施形態の磁気センサの回路図、図8は、第1磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を説明するためのグラフ(R−H曲線)、図9は第2磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を説明するためのグラフ(R−H曲線)、図10は、第1磁気抵抗効果素子及び第2磁気抵抗効果素子の層構造を示す部分断面図、図11は、主に固定抵抗素子の層構造を説明するための部分断面図、である。 FIG. 1 is a front view of a mobile phone, FIG. 2 is a principle diagram of rotation direction detection of the rotation detection device in this embodiment, and FIG. 3 is a conceptual diagram (front view) of a rotation detection device showing an embodiment different from FIG. 4) is a side view of the rotation detection device in the present embodiment, FIG. 5 is a side view of the rotation detection device in the present embodiment different from FIG. 4, and FIGS. 6 and 7 are magnetic sensors in the present embodiment. FIG. 8 is a graph (RH curve) for explaining the hysteresis characteristic of the first magnetoresistance effect element, and FIG. 9 is a graph (R for explaining the hysteresis characteristic of the second magnetoresistance effect element). -H curve), FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing the layer structure of the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element, and FIG. 11 is a partial cross section mainly for explaining the layer structure of the fixed resistance element. Figure.
図中のX1−X2方向、Y1−Y2方向、Z1−Z2方向は、互いに直交する関係となっている。 The X1-X2 direction, the Y1-Y2 direction, and the Z1-Z2 direction in the figure are orthogonal to each other.
図1(a)には折畳み式の携帯電話1を開いた状態を示している。図1(a)に示すように例えば携帯電話1は第1筐体2と第2筐体3とがヒンジ部4を介して連結された構成である。第1筐体2には画面表示部5やスピーカ8が設けられる。また第2筐体3には各種の操作釦6やマイク7が設けられる。
FIG. 1A shows a state in which the foldable
図1に示すZ1方向は重力方向である。よって図1(a)は、携帯電話1を地表に対してほぼ直交方向に立てた状態を示している。ここで図1(a)の状態を「基準状態」とする。
The Z1 direction shown in FIG. 1 is the direction of gravity. Therefore, FIG. 1A shows a state in which the
今、図1(a)のように基準状態では、画面表示部5に花の絵が表示されているとする。図1(b)に示すように、基準状態から携帯電話1を時計方向(CW方向)に90度回転させたとき、基準状態で表示されていた花の絵が90度反時計方向(CCW方向)に回転し、また図1(c)に示すように、基準状態から携帯電話1を反時計方向(CCW方向)に90度回転させたとき、基準状態で表示されていた花の絵が90度時計方向(CW方向)に回転して、花の絵の向きが常に使用者の視線に対して一定となるように維持されている。
Assume that a flower picture is displayed on the
本実施形態では、図1(a)の基準状態から携帯電話1を時計方向あるいは反時計方向に回転させたときにその回転方向を検知するための回転検出装置9が携帯電話1に内蔵されている。回転検出装置9は例えば画面表示部5がある第1筐体2に内蔵される。
In the present embodiment, the
図2(a)は図1(a)の基準状態、図2(b)は図1(b)に示すように携帯電話1を時計方向に90度回転させたときの状態、図2(c)は図1(c)に示すように携帯電話1を反時計方向に90度回転させたときの状態を示す回転検出装置9の概念図(正面図)である。図2(a)に示すように回転検出装置9は一対の磁石11,12と1個の磁気センサ13を備える。図2(a)に示すように磁石11,12は略半円状に形成された回動部10のX1−X2方向の両側に固定支持されている。回動部10は、回動軸14を中心として回動自在に支持されている。図2(a)の状態で回動部10は重力方向に釣り合っている。磁石11、12は、図1(a)の基準状態にて回動軸14のX1−X2方向の左右両側に等間隔離れた位置に配置されている。回動部10の形状は限定されるものではない。回動部10を円形状や扇形等とすることが可能である。また図2(a)に示す回動軸14から重力方向A上に錘(図示しない)を設置して、重力によって常に錘が回動軸14の真下に位置するようにすると、回動部10の姿勢の安定性をより効果的に向上できる。
2A is a reference state of FIG. 1A, FIG. 2B is a state when the
図2(a)に示すように、磁気センサ13は回動部10の回動中心から重力方向A上に離れた位置であって且つ回動部10の表面からY方向に離れた位置に設けられる。磁気センサ13は回動部10と別に設けられた固定部側に設置される。図2(a)に示す基準状態の正面図において、回動軸14から磁気センサ13までの直線距離と、回動軸14から各磁石11,12までの直線距離はほぼ同じである。
As shown in FIG. 2A, the
図1(a)の基準状態から図1(b)に示すように携帯電話1を時計方向に90度回転させると、回動部10は回動軸14を回動中心として反時計方向に90度回動する。このため、携帯電話1を時計方向に90度回転させた図2(b)での回動部10は、基準状態である図2(a)と同じように、重力方向に一定の姿勢を保つ。
When the
また、図1(a)の基準状態から図1(c)に示すように携帯電話1を反時計方向に90度回転させると、回動部10は回動軸14を回動中心として時計方向に90度回動する。このため、携帯電話1を反時計方向に90度回転させた図2(c)での回動部10は、基準状態である図2(a)と同じように、重力方向に一定の姿勢を保つ。
Further, when the
一方、磁気センサ13は、固定部側であるため、携帯電話1を時計方向に90度回転させれば、携帯電話と共に図2(b)に示すように基準状態から時計方向に90度回転した状態になり、携帯電話1を反時計方向に90度回転させれば、携帯電話と共に図2(c)に示すように基準状態から反時計方向に90度回転した状態になる。
On the other hand, since the
図2(b)のように携帯電話1を時計方向に90度回転させた状態では、磁気センサ13は磁石12の上方に対向する位置関係となり、図2(c)のように携帯電話1を反時計方向に90度回転させた状態では、磁気センサ13は磁石11の上方に対向する位置関係となる。
When the
これにより、図2(b)及び図2(c)の各状態では、磁気センサ13に対して各磁石11,12から外部磁界が作用する。後述するように磁気センサ13には、外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子が備えられている。よって外部磁界を受けて磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変動し、この電気抵抗変化に基づく出力によって回転方向を知ることが可能である。そして、回転方向の検知信号が回転検出装置9から携帯電話1内に設けられた制御回路内へ送信され、制御回路では、画面表示部5に表示されている画像が常に使用者の視線に対して同じ向きとなるように、検知信号に基づいて画像を時計方向あるいは反時計方向に回転させる画像回転手段を備える。
Thereby, in each state of FIG. 2B and FIG. 2C, an external magnetic field acts on the
次に磁気センサ13の回路構成について図6を用いて説明する。
本実施形態の磁気センサ13は、センサ部21と集積回路(IC)22とを有して構成される。
Next, the circuit configuration of the
The
センサ部21には、第1磁気抵抗効果素子23と固定抵抗素子24とが第1出力取り出し部(接続部)25を介して直列接続された第1直列回路26、及び、第2磁気抵抗効果素子27と固定抵抗素子28とが第3出力取り出し部(接続部)29を介して直列接続された第3直列回路30が設けられている。
The
また、集積回路22内には、固定抵抗素子31と固定抵抗素子32が第2出力取り出し部33を介して直列接続された第2直列回路34が設けられる。
In the
第2直列回路34は、共通回路として第1直列回路26及び第3直列回路30と夫々ブリッジ回路を構成している。以下では第1直列回路26と第2直列回路34とが並列接続されてなるブリッジ回路を第1ブリッジ回路BC1と、第3直列回路30と第2直列回路34とが並列接続されてなるブリッジ回路を第2ブリッジ回路BC2と称する。
The
図6に示すように集積回路22には入力端子(電源)39、アース端子42及び2つの外部出力端子40,41が設けられている。入力端子39、アース端子42及び外部出力端子40,41は夫々図示しない携帯電話1の制御回路側の端子部とワイヤボンディングやダイボンディング等で電気的に接続されている。
As shown in FIG. 6, the
入力端子39に接続された信号ライン50及びアース端子42に接続された信号ライン51は、第1直列回路26,第3直列回路30及び第2直列回路34の両側端部に設けられた電極の夫々に接続されている。
The
図6に示すように集積回路22内には、1つの差動増幅器35が設けられ、差動増幅器35の+入力部、−入力部のどちらかに、第2直列回路34の第2出力取り出し部33が接続されている。
As shown in FIG. 6, one
第1直列回路26の第1出力取り出し部25及び第3直列回路30の第3出力取り出し部29は夫々第1スイッチ回路(第1接続切換部)36の入力部に接続され、第1スイッチ回路36の出力部は差動増幅器35の−入力部、+入力部のどちらか(第2出力取り出し部33が接続されていない側の入力部)に接続されている。
The first
図6に示すように、差動増幅器35の出力部はシュミットトリガー型のコンパレータ38に接続され、さらにコンパレータ38の出力部は第2のスイッチ回路(第2接続切換部)43の入力部に接続され、さらに第2スイッチ回路43の出力部側は2つのラッチ回路46,47及びFET回路54、55を経て第1外部出力端子40及び第2外部出力端子41に夫々接続される。なおFET回路54,55は論理回路を構成している。
As shown in FIG. 6, the output section of the
さらに図6に示すように、集積回路22内には第3スイッチ回路48が設けれている。第3スイッチ回路48の出力部は、アース端子42に接続された信号ライン51に接続され、第3スイッチ回路48の入力部には、第1直列回路26及び第3直列回路30の一端部が接続されている。
Further, as shown in FIG. 6, a
さらに図6に示すように、集積回路22内には、インターバルスイッチ回路52及びクロック回路53が設けられている。インターバルスイッチ回路52のスイッチがオフされると集積回路22内への通電が停止するようになっている。インターバルスイッチ回路52のスイッチのオン・オフは、クロック回路53からのクロック信号に連動しており、インターバルスイッチ回路52は通電状態を間欠的に行う節電機能を有している。
Further, as shown in FIG. 6, an
クロック回路53からのクロック信号は、第1スイッチ回路36、第2スイッチ回路43、及び第3スイッチ回路48にも出力される。第1スイッチ回路36、第2スイッチ回路43、及び第3スイッチ回路48ではクロック信号を受けると、そのクロック信号を分割し、非常に短い周期でスイッチ動作を行うように制御されている。例えば1パルスのクロック信号が数十msecであるとき、数十μmsec毎にスイッチ動作を行う。
The clock signal from the
第1磁気抵抗効果素子23はある一方向の外部磁界(+H)の強度変化に基づいて磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子であり、一方、第2磁気抵抗効果素子27は、(+H)方向は反対方向である外部磁界(−H)の磁界強度変化に基づいて磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子である。
The first
第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子27の層構造及びヒステリシス特性について以下で詳しく説明する。
The layer structure and hysteresis characteristics of the
図10に示すように、第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子2は共に、下から下地層60,シード層61、反強磁性層62、固定磁性層63、非磁性中間層64、フリー磁性層65,67(第2磁気抵抗効果素子27のフリー磁性層を符号67とした)、及び保護層66の順で積層されている。下地層60は、例えば、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち1種または2種以上の元素などの非磁性材料で形成される。シード層61は、NiFeCrあるいはCr等で形成される。反強磁性層62は、元素α(ただしαは、Pt,Pd,Ir,Rh,Ru,Osのうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料、又は、元素αと元素α′(ただし元素α′は、Ne,Ar,Kr,Xe,Be,B,C,N,Mg,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Zr,Nb,Mo,Ag,Cd,Sn,Hf,Ta,W,Re,Au,Pb、及び希土類元素のうち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成される。例えば反強磁性層62は、IrMnやPtMnで形成される。固定磁性層63及びフリー磁性層65,67はCoFe合金、NiFe合金、CoFeNi合金等の磁性材料で形成される。また非磁性中間層64はCu等で形成される。また保護層66はTa等で形成される。固定磁性層63やフリー磁性層65,67は積層フェリ構造(磁性層/非磁性層/磁性層の積層構造であり、非磁性層を挟んだ2つの磁性層の磁化方向が反平行である構造)であってもよい。また固定磁性層63やフリー磁性層65,67は材質の異なる複数の磁性層の積層構造であってもよい。
As shown in FIG. 10, the first
第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子27では、反強磁性層62と固定磁性層63とが接して形成されているため磁場中熱処理を施すことにより反強磁性層62と固定磁性層63との界面に交換結合磁界(Hex)が生じ、固定磁性層63の磁化方向は一方向に固定される。図10では、固定磁性層63の固定磁化方向63aを矢印方向で示している。第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子27において固定磁性層63の固定磁化方向63aは共に同じ方向である。図10は、図2(a)に示す基準状態での磁気抵抗効果素子23,27を示し、例えば、磁気抵抗効果素子23,27の固定磁性層63の固定磁化方向63aは共にX1方向を向いている。
In the first
一方、フリー磁性層65,67の磁化方向は、第1磁気抵抗効果素子23と第2磁気抵抗効果素子27とで異なっている。図10に示すように第1磁気抵抗効果素子23ではフリー磁性層65の磁化方向65aが図示X1方向であり、固定磁性層63の固定磁化方向63aと同じ方向であるが、第2磁気抵抗効果素子27ではフリー磁性層67の磁化方向67aが図示X2方向であり、固定磁性層63の固定磁化方向63aと反平行である。
On the other hand, the magnetization directions of the free
図8は第1磁気抵抗効果素子23のヒステリシス特性を示すR−H曲線である。なお図のグラフでは縦軸が抵抗値Rであるが、抵抗変化率(%)であってもよい。図8に示すように、外部磁界が無磁場状態(ゼロ)から徐々に(+H)方向(図10においてはX2方向)に増加していくと、フリー磁性層65の磁化方向65aと固定磁性層63の固定磁化方向63aとの平行状態が崩れて反平行状態に近づくため第1磁気抵抗効果素子23の抵抗値Rは、曲線HR1上を辿って徐々に大きくなり、(+H)方向の外部磁界を徐々にゼロに向けて小さくしていくと、第1磁気抵抗効果素子23の抵抗値Rは、曲線HR2上を辿って徐々に小さくなる。
FIG. 8 is an RH curve showing the hysteresis characteristic of the
このように、第1磁気抵抗効果素子23には(+H)方向の外部磁界の磁界強度変化に対して、曲線HR1と曲線HR2で囲まれたヒステリシスループHRが形成される。第1磁気抵抗効果素子23の最大抵抗値と最低抵抗値の中間値であって、ヒステリシスループHRの広がり幅の中心値がヒステリシスループHRの「中点」である。そしてヒステリシスループHRの中点から外部磁界H=0(Oe)のラインまでの磁界の強さで第1の層間結合磁界Hin1の大きさが決定される。図8に示すように第1磁気抵抗効果素子23では、第1の層間結合磁界Hin1が(+H)の磁界方向へシフトしている。
As described above, the first
一方、(−H)方向の外部磁界(図10においてはX1方向)が及ぼされると、第1磁気抵抗効果素子23のフリー磁性層65の磁化方向65aは変動しないが、第2磁気抵抗効果素子27のフリー磁性層67の磁化67aは変動して第2磁気抵抗効果素子27の抵抗値が変動する。
On the other hand, when an external magnetic field in the (−H) direction (X1 direction in FIG. 10) is exerted, the
図9は第2磁気抵抗効果素子27のヒステリシス特性を示すR−H曲線である。図9に示すように、外部磁界が無磁場状態(ゼロ)から徐々に負方向に増加していくと、フリー磁性層67の磁化67aと固定磁性層63の固定磁化方向63aとの反平行状態が崩れて平行状態に近づくため、第2磁気抵抗効果素子27の抵抗値Rは、曲線HR3上を辿って徐々に小さくなり、一方、(−H)方向の外部磁界を徐々にゼロに向けて変化させると、第2磁気抵抗効果素子27の抵抗値Rは、曲線HR4上を辿って徐々に大きくなる。
FIG. 9 is an RH curve showing the hysteresis characteristic of the second
このように、第2磁気抵抗効果素子27には(−H)方向の外部磁界の磁界強度変化に対して、曲線HR3と曲線HR4で囲まれたヒステリシスループHRが形成される。第2磁気抵抗効果素子27の最大抵抗値と最低抵抗値の中間値であって、ヒステリシスループHRの広がり幅の中心値がヒステリシスループHRの「中点」である。そしてヒステリシスループHRの中点から外部磁界H=0(Oe)のラインまでの磁界の強さで第2の層間結合磁界Hin2の大きさが決定される。図9に示すように第2磁気抵抗効果素子27では、第2の層間結合磁界Hin2が(−H)磁界方向へシフトしている。
As described above, the second
このように本実施形態では、第1磁気抵抗効果素子23の第1の層間結合磁界Hin1は、(+H)磁界方向にシフトし、一方、第2磁気抵抗効果素子27の第2の層間結合磁界Hin2は、(−H)磁界方向にシフトしている。
Thus, in the present embodiment, the first interlayer coupling magnetic field Hin1 of the first
図8、図9で説明した互いに逆符号の層間結合磁界Hin1,Hin2を得るには、例えば、非磁性中間層64の表面に対するプラズマトリートメント(PT)の際の、ガス流量(ガス圧)や電力値を適切に調整すればよい。ガス流量(ガス圧)の大きさ、及び電力値の大きさに応じて、層間結合磁界Hinが変化することがわかっている。ガス流量(ガス圧)や電力値を大きくするほど層間結合磁界Hinを正値から負値へ変化させることができる。また、層間結合磁界Hinの大きさは非磁性中間層64の膜厚でも変化する。あるいは、層間結合磁界Hinの大きさは、下から、反強磁性層/固定磁性層/非磁性中間層/フリー磁性層の順に積層されている場合に、反強磁性層の膜厚を変えることでも調整できる。
In order to obtain the interlayer coupling magnetic fields Hin1 and Hin2 having the opposite signs described with reference to FIGS. 8 and 9, for example, the gas flow rate (gas pressure) and power during the plasma treatment (PT) on the surface of the nonmagnetic
第1磁気抵抗効果素子23では第1の層間結合磁界Hin1が(+H)値であり、かかる場合には固定磁性層63とフリー磁性層65間には互いの磁化を平行にしようとする相互作用が働く。また、第2磁気抵抗効果素子27では第2の層間結合磁界Hin2が(−H)値であり、かかる場合には固定磁性層63とフリー磁性層67間には互いの磁化を反平行にしようとする相互作用が働く。そして、各磁気抵抗効果素子23,27の反強磁性層62と固定磁性層63との間に同一方向の交換結合磁界(Hex)を磁場中熱処理にて生じさせることで、各磁気抵抗効果素子23,27の固定磁性層63の固定磁化方向63aを同一方向に固定でき、また固定磁性層63とフリー磁性層65,67との間には上記した相互作用が働いて、図10の磁化状態となる。
In the first
上記した第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子27は巨大磁気抵抗効果(GMR効果)を利用したものであったが、GMR素子以外に、非磁性中間層64が絶縁材料で形成されたトンネル磁気抵抗効果(TMR)を利用したTMR素子であってもよい。
The first
一方、第1磁気抵抗効果素子23に直列接続される固定抵抗素子24は、例えば、第1磁気抵抗効果素子23と積層順が異なるだけで、第1磁気抵抗効果素子23と同じ材料層で形成される。すなわち図11に示すように、固定抵抗素子24は下から下地層60、シード層61、反強磁性層62、第1磁性層63、第2磁性層65、非磁性中間層64、及び保護層66の順に積層される。第1磁性層63が、第1磁気抵抗効果素子23を構成する固定磁性層63に該当し、第2磁性層65が第1磁気抵抗効果素子23を構成するフリー磁性層65に該当している。図11に示すように、固定抵抗素子24では、反強磁性層62上に第1磁性層63及び第2磁性層65が連続して積層されて第1磁性層63及び第2磁性層65の磁化は共に、反強磁性層62との間で生じる交換結合磁界(Hex)により固定されており、第2磁性層65は第1磁気抵抗効果素子23のフリー磁性層65のように外部磁界に対して磁化変動しない。
On the other hand, the fixed
図11に示すように、固定抵抗素子24の各層を、第1磁気抵抗効果素子23に対応する各層と同じ材料で構成することで、第1磁気抵抗効果素子23と固定抵抗素子24の素子抵抗をほぼ同じにでき、無磁場状態での第1出力取り出し部25の電位を中点電位に適切に制御出来る。また第1磁気抵抗効果素子23の温度係数(TCR)と、固定抵抗素子24の温度係数とのばらつきを抑制でき、この結果、温度変化に対しても中点電位のばらつきを抑制でき、動作安定性を向上させることが出来る。なお材料のみならず第1の磁気抵抗効果素子23と対応する各層の膜厚も第1の磁気抵抗効果素子23の各層と等しいとさらに好ましい。
As shown in FIG. 11, each layer of the fixed
また図示しないが上記と同じように、第2磁気抵抗効果素子27と直列接続された固定抵抗素子28は、第2磁気抵抗効果素子27と積層順が異なるだけで、第2磁気抵抗効果素子27と同じ材料層で形成される。
Although not shown, the fixed
一方、第2直列回路34を構成する抵抗素子は、固定抵抗素子のみで構成され、磁気抵抗効果素子を含まないので、集積回路22内に組み込まれた固定抵抗素子31,32を、磁気抵抗効果素子と同じ材料層で形成する必要がない。
On the other hand, the resistance element that constitutes the
すなわち、固定抵抗素子31,32は、互いに同じ材料層で形成した素子抵抗がほぼ同じ固定抵抗素子であれば、特に層構造は限定されない。例えば固定抵抗素子31,32を、シート抵抗の非常に高いシリコン(Si)にて形成することが出来る。固定抵抗素子31,32の素子抵抗を数十kΩ程度にまで大きくできる。
That is, the fixed
次に、外部磁界の検出原理について説明する。
まずは、本実施形態の磁気センサ13に外部磁界が作用していない場合について説明する。図2(a)に示す基準状態がこの場合に該当する。かかる場合、第1磁気抵抗効果素子23及び第2磁気抵抗効果素子27の抵抗値は共に変化しない。クロック回路53からのクロック信号を第1スイッチ回路36、第2スイッチ回路43及び第3スイッチ回路48の夫々が受けると、図6に示すように、第1スイッチ回路36が第1直列回路26の第1出力取り出し部25と差動増幅器35間を接続、第2スイッチ回路43がコンパレータ38と第1外部出力端子40間を接続、及び、第3スイッチ回路48が第1直列回路26とアース端子42間を接続する(+H)方向の外部磁界検出回路状態と、図7のように、第1スイッチ回路36が第3直列回路30の第3出力取り出し部29と差動増幅器35間を接続、第2スイッチ回路43がコンパレータ38と第2外部出力端子41間を接続、及び、第3スイッチ回路48が第3直列回路30とアース端子42間を接続する(−H)方向の外部磁界検出回路状態とに、数十μsecごとに切り換わる。
Next, the principle of detecting an external magnetic field will be described.
First, a case where an external magnetic field is not acting on the
外部磁界が及んでいなければ、図6の(+H)方向の外部磁界検出回路状態では、第1ブリッジ回路BC1の第1出力取り出し部25と第2出力取り出し部33間の差動電位、及び図7の(−H)方向の外部磁界検出回路状態では、第2ブリッジ回路BC2の第3出力取り出し部29と第2出力取り出し部33間の差動電位が、共にほぼ同じであり、差動増幅器35から、差動電位がコンパレータ38に向けて出力されると、コンパレータ38では、シュミットトリガー入力により、例えば高レベル信号が、ラッチ回路46,47、FET回路54を経て第1外部出力端子40及び第2外部出力端子41から出力されるように制御されている。
If the external magnetic field does not reach, in the external magnetic field detection circuit state in the (+ H) direction of FIG. 6, the differential potential between the first
次に、図1(a)の基準状態から携帯電話1を図1(b)のように時計方向に回転させると、回転検出装置9は、図2(a)の基準状態から図2(b)の90度時計方向に回転した状態に移行する。既に説明したように、回転検出装置9を構成する回動部10は回動軸14を回動中心として反時計方向に90度回動して、重力方向に対して常に一定の姿勢を保つ。一方、固定部側である磁気センサ13は、携帯電話1と共に、90度時計方向に回転するので、回動軸14に対して図示左側に位置する磁石12に相対的に近づく。このとき、磁気センサ13を構成する第1磁気抵抗効果素子23の固定磁性層63の固定磁化方向63aに対して反平行となる外部磁界(+H)が作用する。よって第1磁気抵抗効果素子23の抵抗値が変動し、第1直列回路26の第1出力取り出し部25での電位が中点電位から変動する。
Next, when the
今、図6に示す(+H)方向の外部磁界検出回路状態では、第2直列回路34の第2出力取り出し部33の中点電位を基準電位とし、第1直列回路26と第2直列回路34とで構成される第1ブリッジ回路BC1の第1出力取り出し部25と第2出力取り出し部33との差動電位を、差動増幅器35にて生成し、コンパレータ38に向けて出力する。コンパレータ38では、差動電位を、シュミットトリガー入力によりパルス波形の信号に整形し、整形された検出信号がラッチ回路46及びFET回路54を経て第1外部出力端子40から出力される。このとき、(+H)方向の外部磁界が所定以上の大きさであると検出信号は、第1外部出力端子40から低レベル信号として出力されるように制御されている。
Now, in the state of the external magnetic field detection circuit in the (+ H) direction shown in FIG. The differential potential between the first
一方、(+H)方向の外部磁界が作用している場合に図7の(−H)方向の外部磁界検出回路状態に切り換わっても、第2磁気抵抗効果素子27は抵抗変化しないから、外部磁界が作用していない場合と同様に、第2外部出力端子41からは高レベル信号が出力されるように制御される。
On the other hand, when the external magnetic field in the (+ H) direction is acting, even if the external magnetic field detection circuit state in the (−H) direction in FIG. As in the case where the magnetic field is not acting, the second
このように、第1外部出力端子40では、ある一定上の(+H)方向の外部磁界が作用すると、高レベル信号から低レベル信号に信号レベルが変化するため、第1外部出力端子40から低レベル信号を得ることで、携帯電話1が図1(a)に示す基準状態から図1(b)の時計方向に回転したことを知ることができる。
Thus, at the first
次に、図1(a)の基準状態から携帯電話1を図1(c)のように反時計方向に回転させると、回転検出装置9は、図2(a)の基準状態から図2(c)の90度反時計方向に回転した状態に移行する。既に説明したように、回転検出装置9を構成する回動部10は回動軸14を回動中心として時計方向に90度回動して、重力方向に対して常に一定の姿勢を保つ。一方、固定部側である磁気センサ13は、携帯電話1と共に、90度反時計方向に回転するので、回動軸14に対して図示右側に位置する磁石12に相対的に近づく。このとき、磁気センサ13を構成する第2磁気抵抗効果素子27の固定磁性層63の固定磁化方向63aに対して平行となる外部磁界(−H)が作用する。よって第2磁気抵抗効果素子27の抵抗値が変動し、第3直列回路30の第3出力取り出し部29での電位が中点電位から変動する。
Next, when the
今、図7に示す(−H)方向の外部磁界検出回路状態では、第2直列回路34の第2出力取り出し部33の中点電位を基準電位とし、第3直列回路30と第2直列回路34とで構成される第2ブリッジ回路BC2の第3出力取り出し部29と第2出力取り出し部33間の差動電位を差動増幅器35で生成し、それをコンパレータ38に向けて出力する。コンパレータ38では、差動電位を、シュミットトリガー入力によりパルス波形の信号に整形し、整形された検出信号が、ラッチ回路46及びFET回路54を経て第2外部出力端子41から出力される。このとき、(−H)方向の外部磁界が所定以上の大きさであると検出信号は、第2外部出力端子41から低レベル信号として出力されるように制御される。
Now, in the external magnetic field detection circuit state in the (−H) direction shown in FIG. 7, the midpoint potential of the second
一方、(−H)方向の外部磁界(−H)が作用している場合に図6の(+H)方向の外部磁界検出回路状態に切り換わっても、第1磁気抵抗効果素子23は抵抗変化しないから、外部磁界が作用していない場合と同様に、第1外部出力端子40からは高レベル信号が出力されるように制御される。
On the other hand, when the external magnetic field (−H) in the (−H) direction is acting, the
このように、第2外部出力端子41では、ある一定以上の(−H)方向の外部磁界が作用すると、高レベル信号から低レベル信号に信号レベルが変化するため、第2外部出力端子41から低レベル信号を得ることで、携帯電話1が図1(a)に示す基準状態から図1(c)の反時計方向に回転したことを知ることができる。
In this way, at the second
図3は、図2(a)と同じ基準状態の回転検出装置9の正面図である。図3に示す実施形態では、回動部10の左右両側に磁石70,71と補助磁石72,73とが設けられている。図3に示すように磁石70,71は、重力方向に対して回動中心から所定の角度θ1離れた位置に配置されている。角度θ1は90度より小さい。図3に示すように回動軸14のほぼ左右両側に補助磁石72,73が設けられる。補助磁石72,73を設けることで、磁石70,71から補助磁石72,73までの長い空間内に外部磁界Hを作用させることができる。
FIG. 3 is a front view of the
図3に示す回転検出装置9を用いることで、図1(a)の基準状態から図1(b)あるいは図1(c)の90度回転に至るまでの任意の角度以上に回転させたときに、磁気センサ13に対して外部磁界Hを作用させることができる。例えば、図1(a)の基準状態から60度回転させると外部磁界Hが作用するように磁石配置を調整すれば、携帯電話1を60度以上回転させることで図1(b)及び図1(c)に示すように画面表示部5の画面を90度回転方向あるいは反回転方向に回転させることができる。図3に示す回転検出装置9を用いれば、外部磁界Hが作用する角度範囲が広いので、多少、画面を斜めに傾けたりしても、その度に画面が回転する(切り替わる)ことがないので、動作安定性を向上できる。
When the
磁石70,71や補助磁石72,73の配置は任意に設定できる。また磁石の数を増やすことで、外部磁界Hが作用する角度範囲を広げることが出来る。例えば携帯電話1を時計回りあるいは反時計回りに90度より多少大きく回転させたときにでも外部磁界Hを作用させて、図1(b)、図1(c)に示すワイド画面表示を維持できるように、回動軸14の左右両側位置よりも上方に磁石を配置して磁気センサ13に対して外部磁界Hが作用する角度範囲を回転角90度以上に大きくすることが好適である。
The arrangement of the
図4に示すように基板74上に回動軸14が固定支持され、この回動軸14に回動自在に回動部10が取り付けられている。さらに、回動部10の上方に離れた位置に固定部(基板)75が設けられ、その固定部75に磁気センサ13が固定支持されている。
As shown in FIG. 4, the rotating
あるいは図5に示すように固定部(基板)76に磁気センサ13が固定支持され、この固定部76上に回動軸14が固定支持され、この回動軸14に回動自在に回動部10が取り付けられる構成でもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 5, the
以上、本実施形態によれば、2個以上の磁石11,12と磁気抵抗効果素子を有する非接触式の1個の磁気センサ13とを備えており、携帯電話1を基準状態から時計方向あるいは反時計方向に回転させたときに、回動部10の回動により磁気センサ13と磁石11,12との相対位置が近づき、これにより、磁気センサ13が磁石11,12から外部磁界Hを受けて磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化する。そしてこの電気抵抗変化に基づく磁気センサ13からの出力により回転方向を検知することができる。
As described above, according to the present embodiment, two or
特に本実施形態では図6で説明した双極対応で2出力の磁気センサ13を用いることで簡単な構成で回転方向を適切に検知することができる。
In particular, in the present embodiment, the rotation direction can be appropriately detected with a simple configuration by using the two-output
上記した実施形態では、回動部10に取り付けられているのが磁石で、固定部側に取り付けられているのが磁気センサ13であったが逆であってもよい。
In the above-described embodiment, the magnet is attached to the
また本実施形態の回転検出装置9は携帯電話1以外の電子機器に使用可能である。
Further, the
1 携帯電話
2 第1筐体
3 第2筐体
5 画面表示部
9 回転検出装置
10 回動部
11,12,70,71 磁石
13 磁気センサ
14 回動軸
72,73 補助磁石
74、75、76 基板
21 センサ部
22 集積回路(IC)
23 第1磁気抵抗効果素子
24、28、31、32 固定抵抗素子
25 第1出力取り出し部
26 第1直列回路
27 第2磁気抵抗効果素子
29 第3出力取り出し部
30 第3直列回路
33 第2出力取り出し部
34 第2直列回路
35 差動増幅器
36 第1スイッチ回路(第1接続切換部)
38 コンパレータ
39 入力端子
40 第1外部出力端子
41 第2外部出力端子
42 アース端子
43 第2スイッチ回路
46、47 ラッチ回路
48 第3スイッチ回路
53 クロック回路
62 反強磁性層
63 固定磁性層
64 非磁性中間層
65、67 フリー磁性層
DESCRIPTION OF
23 1st
38
Claims (3)
前記磁石は少なくとも2個、前記磁気センサは1個用いられ、前記回動部は、重力方向に向けて回動可能に支持されており、
基準状態では、前記磁気センサは前記回動部の回動中心から重力方向上に配置され、前記磁石は、前記回動中心から前記磁気センサの左右両側に離れた位置に配置されており、
前記基準状態から時計方向あるいは反時計方向の回転に伴って前記回動部が重力方向に向けて回動して重力方向に一定の姿勢を保ち、このとき、前記磁気センサの前記磁石との相対位置が近づくことで前記磁気センサが前記磁石から外部磁界を受けて前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化し、この電気抵抗変化に基づく前記磁気センサからの出力により回転方向を知ることができることを特徴とする回転検出装置。 A magnet and a non-contact type magnetic sensor having a magnetoresistive effect element whose electric resistance value changes with respect to an external magnetic field, and one of the magnet and the magnetic sensor is supported by a rotating portion, and the other In the rotation detector supported by the fixed part,
At least two magnets and one magnetic sensor are used, and the rotating part is supported to be rotatable in the direction of gravity,
In the reference state, the magnetic sensor is arranged in the direction of gravity from the rotation center of the rotation unit, and the magnet is arranged at a position away from the rotation center on both the left and right sides of the magnetic sensor,
As the clockwise or counterclockwise rotation from the reference state, the rotating part rotates toward the gravitational direction and maintains a constant posture in the gravitational direction. At this time, relative to the magnet of the magnetic sensor As the position approaches, the magnetic sensor receives an external magnetic field from the magnet and the electric resistance value of the magnetoresistive effect element changes, and the rotation direction can be known from the output from the magnetic sensor based on this electric resistance change. A rotation detection device characterized by the above.
前記基準状態では、一方の磁石は、前記磁気センサとの相対位置が近づいたときに前記磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向と平行な外部磁界が作用するように、他方の磁石は、前記磁気センサとの相対位置が近づいたときに前記磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化方向と反平行な外部磁界が作用するように、各磁石が着磁されている請求項1記載の回転検出装置。 The magnetoresistive element has a pinned magnetic layer and a free magnetic layer laminated on the pinned magnetic layer via a nonmagnetic layer, and the magnetization of the pinned magnetic layer is pinned in one direction,
In the reference state, one magnet has an external magnetic field parallel to the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer of the magnetoresistive element when the relative position to the magnetic sensor approaches, so that the other magnet 2. Each magnet is magnetized so that an external magnetic field antiparallel to the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer of the magnetoresistive element acts when the relative position to the magnetic sensor approaches. Rotation detection device.
前記第1磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく信号が前記第1出力端子から出力され、前記第2磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化に基づく信号が前記第2出力端子から出力される請求項1又は2に記載の回転検出装置。 The magnetic sensor has a first magnetoresistive element using a magnetoresistive effect in which an electric resistance changes with respect to an external magnetic field in one direction, and an electric resistance with respect to an external magnetic field in a direction opposite to the one direction. A second magnetoresistive element utilizing a changing magnetoresistive effect, a first output terminal, and a second output terminal;
The signal based on the electrical resistance change of the first magnetoresistive effect element is output from the first output terminal, and the signal based on the electrical resistance change of the second magnetoresistive effect element is output from the second output terminal. The rotation detection device according to 1 or 2.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9347550B2 (en) | 2012-11-29 | 2016-05-24 | Alps Electric Co., Ltd. | Shift lever device using magnetism detection switch |
CN111656208A (en) * | 2018-03-22 | 2020-09-11 | 株式会社东海理化电机制作所 | Magnetic sensor |
-
2008
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