JP4810275B2

JP4810275B2 - 磁気スイッチ

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Publication number: JP4810275B2
Application number: JP2006094230A
Authority: JP
Inventors: 義人佐々木
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: EP1857829A2; JP2007273528A; US20080032158A1

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた非接触式の磁気センサに係り、特に、チャタリングの発生等を防止して安定した動作を得ることができ、また用途に合わせて磁気感度の制御を容易に行うことを可能とした磁気センサに関する。

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）。
また磁気抵抗効果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）。
特開平８−１７３１１号公報特開２００３−６６１２７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、外部ノイズなどが混入すると誤動作が発生する等、安定した動作を得られなかった。

また、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った。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磁石を大きくするか、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った。

また上記の特許文献２では、磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサについて記載があるが、磁気感度の制御等に関する記載は一切なく示唆すらされていない。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、チャタリングの発生等を防止して安定した動作を得ることができ、また用途に合わせて磁気感度の制御を容易に行うことを可能とした磁気センサを提供することを目的としている。

本発明は、磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子を備え、外部磁界の強弱を検出するための磁気スイッチであって、
前記磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され磁化方向が固定される固定層と、前記固定層に非磁性層を介して対向し外部磁界を受けて磁化方向が変動するフリー層とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、素子幅Ｗに比べて素子長さＬが長く形成された細長形状であり、前記素子幅Ｗは１μｍ〜５μｍの範囲内で形成されており、
前記非磁性層はＣｕで形成され、前記非磁性層の膜厚は１７Å〜１９Åの範囲内で形成され、
前記フリー磁性層の保磁力Ｈｃは、５〜１０Ｏｅの範囲内であり、
横軸を外部磁界Ｈの大きさ、縦軸を磁気抵抗効果素子の抵抗変化率としたグラフ上にて、前記磁気抵抗効果素子のヒステリシスループは、前記外部磁界の検出範囲内にて前記磁気抵抗効果を発揮するように、外部磁界Ｈ＝０Ｏｅの縦軸上を跨がずに、前記グラフの左側、あるいは右側にシフトしており、前記磁気抵抗効果素子の前記固定層と前記フリー層に作用する層間結合磁界Ｈｉｎは、前記フリー層の保磁力Ｈｃに比べて大きくされており、
前記外部磁界の極性変化による出力変化に基づいて切替信号を出力する制御部を有し、前記制御部には閾値電圧が規定されており、前記制御部では、前記磁気センサからの出力値と前記閾値電圧とを比較して、スイッチオンあるいはスイッチオフとする前記切替信号を出力し、前記閾値電圧に基づく前記抵抗変化率は、前記ヒステリシスループに対して、異なる２点の前記外部磁界のときに生じることを特徴とするものである。

後述する実験によれば、前記素子長さＬを変化させても磁気抵抗効果素子を構成するフリー層の保磁力Ｈｃはさほど変化なく、一方、前記素子幅Ｗを変化させると前記フリー層の保磁力Ｈｃが変化することがわかっている。上記のように前記素子幅Ｗを１μｍ〜５μｍとすることで前記フリー層の保磁力Ｈｃの調整を容易に行うことが可能になる。前記素子幅Ｗの最小値を１μｍとしたのは、これよりも前記素子幅Ｗが小さくなると前記素子幅Ｗの変化に対する保磁力Ｈｃの変化が非常に大きくなり前記保磁力Ｈｃのばらつきが生じやすいためである。また前記素子幅Ｗを５μｍよりも大きくすると前記保磁力Ｈｃが小さくなってしまい、チャタリングの発生等、誤動作が生じやすくなり望ましくない。また素子幅Ｗを５μｍよりも大きくすると、抵抗値が低下するために抵抗値を上昇させるには素子長さＬを長くする必要性があり、その結果、磁気センサの小型化を適切に促進できない。よって本発明では、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定している。また、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定することで、前記保磁力Ｈｃを５〜１０Ｏｅ（約３９５Ａ／ｍ〜７９０Ａ／ｍ）程度の範囲内に収めることが出来る。

本発明では、前記素子長さＬは５０μｍ〜２５０μｍの範囲内であることが好ましい。
また本発明では、前記非磁性層はＣｕで形成され、前記非磁性層の膜厚は１７Å〜１９Åの範囲内で形成されることが好ましい。前記非磁性層の膜厚を変化させることで、前記固定層と前記フリー層間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎを変化させることが出来る。前記非磁性層の膜厚を１７Å〜１９Åにすることで、前記層間結合磁界Ｈｉｎは少なくとも５Ｏｅ以上となり好ましくは１０Ｏｅ以上となる。すなわち前記層間結合磁界Ｈｉｎを前記フリー層の保磁力Ｈｃよりも大きく出来る。前記層間結合磁界Ｈｉｎを前記保磁力Ｈｃよりも大きくすることで、例えば横軸を外部磁界Ｈとし縦軸を磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）としたグラフ上にてヒステリシスループを描くと前記ヒステリシスループは、外部磁界Ｈ＝０（Ｏｅ）の縦軸上を跨がず、前記外部磁界Ｈ＝０の縦軸の左側、あるいは右側にシフトする。このようなヒステリシス特性を持つ磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、外部磁界の強度変化による出力変化に基づいて切替信号を出力する制御部を有することが好ましい。これにより、外部磁界の強度変化に基づいてオン／オフの切替信号を出力することが出来る。例えば本発明の磁気センサに磁石が近づいたらオン信号（あるいはオフ信号）が出力され、磁石が前記磁気センサから遠ざかったらオフ信号（あるいはオン信号）が出力される如くである。例えば折畳み式携帯電話の開閉検知等に本発明の磁気センサを有効に使用できる。

本発明の磁気センサによれば、チャタリングの発生等を防止して安定した動作を得ることができる。また用途に合わせて磁気感度の制御を容易に行うことが出来る。

図１，図２は、第１実施形態の非接触式磁気センサを内臓した折畳み式携帯電話の部分模式図、図３は第１実施形態における非接触式磁気センサの部分平面図、図４は図３に示すＡ−Ａ線から切断し矢印方向から見た前記非接触式磁気センサの部分断面図、図５は図４とは異なる形態の非接触式磁気センサの部分断面図、図６は図４，図５とは異なる形態の非接触式磁気センサの部分断面図、図７は図６に示す磁気センサに備えられた固定抵抗のヒステリシス特性を示すグラフ、図８は図３に示す磁気センサの回路構成図、図９は第２実施形態の磁気センサを備えたスイッチ機構の斜視図、図１０，図１１は図８に示すスイッチの動作を説明するための説明図、図１２は、本実施形態の磁気抵抗効果素子の素子幅とフリー層の保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、図１３は、本実施形態における非磁性層の膜厚と、磁気抵抗効果素子の固定層とフリー層間に作用する層間結合磁界との関係を示すグラフ、図１４は、第１実施形態における磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を示すグラフ、図１５は第２実施形態における磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を示すグラフ、である。

図１に示すように折畳み式携帯電話１は、第１部材２と第２部材３とを有して構成される。前記第１部材２は画面表示側であり、前記第２部材３は操作体側である。前記第１部材２の前記第２部材３との対向面には液晶ディスプレイやレシーバ等が設けられている。前記第２部材３の前記第１部材２との対向面には、各種釦及びマイク等が設けられている。図１は折畳み式携帯電話１を閉じた状態であり、図１に示すように前記第１部材２には磁石５が内臓され、前記第２部材３には磁気センサ４が内臓されている。図１に示すように閉じた状態で、前記磁石５と磁気センサ４は互いに対向した位置（前記磁石５及び磁気センサ４の設置面に対し垂直方向にて対向）に配置されている。

図１では、前記磁石５から放出された外部磁界Ｈが、前記磁気センサ４に伝わり、前記磁気センサ４では前記外部磁界Ｈを検出し、これにより、折畳み式携帯電話１は閉じた状態にあることが検出される。

一方、図２のように折畳み式携帯電話１を開くと、前記第１部材２が前記第２部材３から離れるにつれて、徐々に前記磁気センサ４に伝わる外部磁界Ｈの大きさは小さくなっていき、やがて前記磁気センサ４に伝わる外部磁界Ｈはゼロになる。前記磁気センサ４に伝わる外部磁界Ｈの大きさがある所定の大きさ以下となった場合に、前記折畳み式携帯電話１が開いた状態にあることが検出され、例えば、前記携帯電話１内に内臓される制御部にて、液晶ディスプレイや操作釦の裏側にあるバックライトが光るように制御されている。

図３に示すように、前記第２部材３内に内臓される回路基板６上に本実施形態の磁気センサ４が搭載されている。前記磁気センサ４は一つの素子台７上に、磁気抵抗効果素子８と固定抵抗９が一つずつ設けられている。図３に示すように前記磁気抵抗効果素子８の長手方向の両側には端子部１０，１１が設けられている。前記端子部１０は例えば、前記回路基板６上に設けられた入力端子（電源Ｖｃｃ）１２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（図８参照）。前記端子部１１は、前記固定抵抗９との共通端子であり、前記端子部１１は、前記回路基板６上の出力端子２２とワイヤボンディングやダイボンディング等により電気的に接続されている（図８参照）。

図３に示すように前記固定抵抗９の長手方向の両側には上記した端子部１１と端子部２１が設けられている。前記端子部２１は前記回路基板６上のアース端子１３とワイヤボンディングやダイボンディング等により電気的に接続されている（図８参照）。

図４に示すように、前記磁気抵抗効果素子８は、下から下地層１４，シード層１５、反強磁性層１６、固定層１７、非磁性層１８、フリー層１９、及び保護層２０の順で積層されている。前記下地層１４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。前記シード層１５は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。前記反強磁性層１６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。例えば前記反強磁性層１６は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎで形成される。前記固定層１７及びフリー層１９はＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等の磁性材料で形成される。また前記非磁性層１８はＣｕ等で形成される。また前記保護層２０はＴａ等で形成される。前記固定層１７やフリー層１９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。また前記固定層１７やフリー層１９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。

前記磁気抵抗効果素子８では、前記反強磁性層１６と前記固定層１７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前記反強磁性層１６と前記固定層１７との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、前記固定層１７の磁化方向は一方向に固定される。図３では前記固定層１７の磁化方向１７ａを矢印方向で示している。前記磁化方向１７ａは長手方向に対して直交する方向（素子幅方向）となっている。一方、前記フリー層１９は前記固定層１７と非磁性層１８を介して対向しており、前記フリー層１９の磁化方向は一方向に固定されていない。すなわち前記フリー層１９の磁化は外部磁界の影響を受けて変動するようになっている。

図４に示すように前記固定抵抗９は、下から下地層１４，シード層１５、反強磁性層１６、第１磁性層１７、第２磁性層１９、非磁性層１８、及び保護層２０の順で積層されている。なお固定抵抗９における第１磁性層１７は磁気抵抗効果素子８における固定層１７に相当し、前記固定抵抗９における第２磁性層１９は磁気抵抗効果素子８におけるフリー層１９に相当する。すなわち前記固定抵抗９の積層順は、前記磁気抵抗効果素子８のフリー層１９と非磁性層１８の順番を入れ替えたものとなっている。前記磁気抵抗効果素子８と前記固定抵抗９において共通する各層の材質は同じである。

図４に示す実施形態では、前記固定抵抗９は、前記第１磁性層１７と前記第２磁性層１９とが接して形成され、前記第１磁性層１７と前記第２磁性層１９のどちらか一方に、前記反強磁性層１６が接して形成されている。図４では、反強磁性層１６／第１磁性層１７／第２磁性層１９の順で積層されているため、磁場中熱処理を施すと前記反強磁性層１６と前記第１磁性層１７との界面で交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、前記第１磁性層１７の磁化が一方向に固定されるが、このとき、前記第１磁性層１７に接して形成された第２磁性層１９の磁化も前記第１磁性層１７との間で作用する強磁性結合により、前記第１磁性層１７の磁化方向と同一方向に固定される。

このように図４の実施形態では、磁気抵抗効果素子８と固定抵抗９の構成層を同じにして積層順を変えただけのものとなっているから、前記磁気抵抗効果素子と前記固定抵抗９の温度係数（ＴＣＲ）のばらつきを抑制でき、よって温度変化に対しても中点電位のばらつきを抑制でき、安定して動作することが可能な磁気センサ４とすることが出来る。

本実施形態の磁気センサでは、図３，図８に示すように、入力端子（電源Ｖｃｃ）から例えば５Ｖが印加されると、無磁場状態では、磁気センサ４からの出力値（中点電位）はほぼ２．５Ｖとなる。前記磁石５からの外部磁界Ｈが、前記磁気抵抗効果素子８に及ぼされ、その強さの変動により、前記フリー層１９と前記固定層１７との磁化関係（磁化状態）が変化し前記磁気抵抗効果素子８の抵抗値が変動し（これを磁気抵抗効果と言う）、これにより磁気センサ４からの出力値は変動する。

図３に示すように前記磁気抵抗効果素子８は直線状の細長形状で形成される。前記磁気抵抗効果素子８の素子長さはＬで形成され、前記磁気抵抗効果素子８の素子幅はＴで形成される。図３に示すように前記素子長さＬは前記素子幅Ｗに比べて十分に長く形成されている。なお前記磁気抵抗効果素子８は直線状で形成されなくても例えばミアンダー形状（蛇行形状）等の曲線状で形成されてもよい。係る場合の素子長さＬは素子幅Ｗの中心線の長さで設定される。

本実施形態では前記素子幅Ｗが１μｍ〜５μｍの範囲内で形成されている。なお前記素子長さＬは５０μｍ〜２５０μｍの範囲内であることが好ましい。これにより前記磁気抵抗効果素子８を構成するフリー層１９の保磁力Ｈｃの調整を容易に行うことが可能になる。図１２は後述する実験により求められた素子幅Ｗとフリー層の１９保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフである。図１２に示すように、前記保磁力Ｈｃは素子長さＬにほとんど依存せず、前記素子幅Ｗに依存することがわかっている。図１２に示すように素子幅Ｗを１μｍよりも小さくすると前記保磁力Ｈｃが非常に大きくなるとともに素子幅Ｗの変動に対する保磁力Ｈｃの変動が非常に大きくなりすぎるため、保磁力Ｈｃのばらつきが大きくなりやすい。また、前記素子幅Ｗを５μｍよりも大きくすると、保磁力Ｈｃが小さくなりすぎて外部ノイズの混入等によりチャタリング等の誤作動が発生しやすい磁気センサ４となってしまう。また素子幅Ｗを５μｍよりも大きくすると、前記磁気抵抗効果素子８の抵抗値が小さくなるため、抵抗値を所定値にまで大きくするには素子長さＬを長くする必要がありその結果、磁気センサ４が大型化してしまう。一方、本実施形態のように、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内にすると、比較的大きな保磁力Ｈｃを確保でき、また素子幅Ｗの変動に対する保磁力Ｈｃの変動はさほど大きくなく、保磁力Ｈｃの調整を容易に行うことが可能である。本実施形態では、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定することで前記フリー層１９の保磁力Ｈｃを５〜１０Ｏｅ（約３９５〜７９０Ａ／ｍ）の範囲内に設定できる。本実施形態では、素子幅Ｗを調整することにより前記保磁力Ｈｃの調整を行うことで磁気感度の調整を適切に行うことが出来る。具体的には上記したように前記保磁力Ｈｃを比較的大きく安定した値に設定できるため、チャタリング等の誤作動が生じにくく安定した動作特性を得ることが可能となる。

本実施形態では前記非磁性層１８はＣｕで形成され、また前記非磁性層１８の膜厚Ｔ（図４参照）は、１７Å〜１９Åの範囲内で形成されることが好ましい。前記非磁性層１８の膜厚Ｔを変化させることで前記固定層１７とフリー層１９間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎの大きさを変化させることが出来る。本実施形態では、前記層間結合磁界Ｈｉｎも保磁力Ｈｃとともに磁気感度の調整に使用される。

上記したように、前記非磁性層１８の膜厚を１７Å〜１９Åの範囲内にすると、前記層間結合磁界Ｈｉｎを少なくとも５Ｏｅ（３９５Ａ／ｍ）以上、好ましくは１０Ｏｅ（７９０Ａ／ｍ）以上に出来る。すなわち前記層間結合磁界Ｈｉｎを前記保磁力Ｈｃよりも大きくできる。これにより、前記磁気センサ４を図１，図２に示す折畳み式携帯電話１の開閉検知に有効に使用できる。その理由を図１４に示すヒステリシス特性を用いて説明する。なお図１４のヒステリシス特性は、図１３の実験結果に基づくものであり、その実験については後で詳述する。

図１４の横軸は外部磁界Ｈの大きさであり、縦軸は、前記磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きさである。ヒステリシスループＨＲとは曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２で囲まれた部分のことを指す。前記層間結合磁界Ｈｉｎは外部磁界Ｈ＝０（Ｏｅ）のラインからヒステリシスループＨＲの中点までの磁界の強さで示される。前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の最大値及び最小値の中間値での前記ヒステリシスループＨＲの幅方向への広がり幅が２×保磁力Ｈｃ（グラフ上では２Ｈｃと示されている）で示され、その広がり幅の中心値が、前記ヒステリシスの「中点」である。また負の値の外部磁界Ｈは、前記外部磁界Ｈの一方向を正の値の磁界としたとき、その逆方向の磁界を示している。図１４に示すヒステリシス特性は、前記層間結合磁界Ｈｉｎが前記保磁力Ｈｃよりも大きくなっているため、前記ヒステリシスループＨＲは、前記外部磁界Ｈ＝０Ｏｅのライン上を跨がず、図１４では外部磁界Ｈ＝０Ｏｅのラインの左側に前記ヒステリシスループＨＲがシフトしている。

図１，図２に示す折畳み式携帯電話１の開閉検知では、磁石５からの外部磁界Ｈの強弱を前記磁気センサ４にて検出する。よって図１４に示すように、前記外部磁界Ｈの正の領域、あるいは負の領域のどちらか一方の領域にヒステリシスループＨＲがシフトする特性の磁気抵抗効果素子８であれば、有効に、前記外部磁界Ｈの強弱を検出できる。

切替信号の出力原理について説明する。例えば６％の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を閾値と設定する。６％の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られたときの中点電位が求められ、その電圧が閾値電圧として制御部３０内に記憶されている。

前記磁気センサ４に外部磁界Ｈが侵入し、その値（絶対値）が大きくなると、図１４に示すヒステリシスループＨＲに沿って前記磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は徐々に大きくなる。このとき前記制御部３０では、例えば一定時間毎に前記磁気センサ４から出力される電圧値と前記閾値電圧とを比較しており、前記磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が６％を超え、例えば、前記磁気センサ４から出力される電圧値が前記閾値電圧よりも小さくなったと前記制御部３０が判断したとき、前記折畳み式携帯電話１が閉じられたとして、スイッチオフとする切替信号を出力する（なおスイッチオフの場合は通常、何の信号も出力しない）。一方、前記磁気センサ４に侵入する外部磁界Ｈの大きさ（絶対値）が徐々に小さくなっていき、例えば前記磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が６％を下回り、前記磁気センサ４からの出力値が前記閾値電圧よりも大きくなったと前記制御部３０が判断したとき、前記折畳み式携帯電話１が開いたとして、スイッチオンとする切替信号を出力する。このように、前記制御部３０は前記外部磁界Ｈの強度変化によって変化する出力値と、予め設定された閾値とを比較する比較部を有し、その比較結果に基づいて切替信号を出力する機能が備えられている。

図１４に示すように、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が６％となるのは外部磁界Ｈが−６０Ｏｅ（約−４７４０Ａ／ｍ）程度の時と−４０Ｏｅ（約−３１６０Ａ／ｍ）程度の時である。すなわち１０Ｏｅ程度の保磁力Ｈｃを有しており、図１４に示すように、ヒステリシスループＨＲの曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２は横軸方向に開いている。よって、わずかな外部磁界Ｈの変動によって前記切替信号のばたつきは生じにくく、上記したようにチャタリングの発生等の誤作動を適切に防止できる。

ホール素子では、ヒステリシスがないため、わざわざヒステリシス回路を設置する必要があったが、磁気抵抗効果素子では、前記ヒステリシス回路が不必要であり、素子を小さく形成でき、又消費電力を小さくできる。

次に、図４以外の磁気センサ４の構造について説明する。例えば図５に示す磁気センサ４２では、同じ素子台７上に２つの磁気抵抗効果素子８，４０が設けられ、一方の磁気抵抗効果素子４０の上面及び側面は磁気遮断部材４１によって覆われ、磁気シールドされている。よって前記磁気抵抗効果素子４０は固定抵抗として機能している。

図５に示す実施形態では、全く同じ構造（固定層１７の磁化方向も同一）の前記磁気抵抗効果素子８，４０を同一素子台７上に形成でき、磁気センサ４２の製造が容易に出来る。また磁気抵抗効果素子８，４０の温度係数や抵抗値等、多くを一致させることが出来るので、安定した磁気感度を有する磁気センサ４２を製造することが出来る。なお各磁気抵抗効果素子８，４０を構成する各層は図４で説明した磁気抵抗効果素子８と同じであるのでそちらを参照されたい。

図６に示す実施形態では、上記した層間結合磁界Ｈｉｎを利用して、一方の磁気抵抗効果素子５０の層間結合磁界Ｈｉｎを他方の磁気抵抗効果素子８の前記層間結合磁界Ｈｉｎよりも大きくした磁気センサ５１である。層構造は磁気抵抗効果素子８，５０の双方において同じであるが、前記磁気抵抗効果素子５０の非磁性層１８の膜厚は、前記磁気抵抗効果素子８の非磁性層１８の膜厚よりも薄くされている。図１３で説明したように前記非磁性層１８の膜厚Ｔを変化させると、前記層間結合磁界Ｈｉｎは変化し、図６に示す実施形態では前記磁気抵抗効果素子５０の非磁性層１８の膜厚を薄くして層間結合磁界Ｈｉｎを大きくし、図７に示すようにヒステリシスループＨＲを片側に大きくシフトさせている。そして図７に示す外部磁界Ｈの範囲Ｂであれば、外部磁界Ｈの変動があっても前記磁気抵抗効果素子５０は磁気抵抗効果を発揮せず抵抗値が変化しないため固定抵抗として機能する。なお前記磁気抵抗効果素子８は当然、外部磁界Ｈの範囲Ｂ内で磁気抵抗効果が発揮され、抵抗値が変動する可変抵抗として機能している。

次に、外部磁界Ｈの極性変化に基づいて切替信号を出力する磁気センサ６１について説明する。

図９に示すように、固定部側となる壁面６０に本実施形態の磁気センサ６１が固設されている。

また、前記壁面（固定部）６０の近傍には、前記壁面６０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磁石Ｍ１，Ｍ２が固定されており、前記一対の磁石Ｍ１，Ｍ２は前記磁気センサ６１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。前記一対の磁石Ｍ１，Ｍ２は異なる極性に設定されている。

前記磁気センサ６１の構造は、例えば図４で説明したものとほぼ同じである。すなわち前記磁気センサ６１に使用される磁気抵抗効果素子８の前記素子幅Ｗは１μｍ〜５μｍの範囲内で形成されている（図４参照）。なお前記素子長さＬは５０μｍ〜２５０μｍの範囲内であることが好ましい。これにより前記磁気抵抗効果素子８を構成するフリー層１９の保磁力Ｈｃの調整を容易に行うことが可能になる。本実施形態のように、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内にすると、比較的大きな保磁力Ｈｃを確保でき、また素子幅Ｗの変動に対する保磁力Ｈｃの変動はさほど大きくなく、保磁力Ｈｃの調整を容易に行うことが可能である。本実施形態では、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定することで前記フリー層１９の保磁力Ｈｃを５〜１０Ｏｅ（３９５Ａ／ｍ〜７９０Ａ／ｍ）の範囲内に設定することが可能である。

図９に示す磁気センサ６１が図４に示す磁気センサ４と異なる部分は、前記非磁性層１８の膜厚Ｔである。図４に示す磁気センサ４では前記層間結合磁界Ｈｉｎが保磁力Ｈｃよりも大きくなるように前記非磁性層１８の膜厚Ｔを調整していたが、図８に示す磁気センサ６１では前記層間結合磁界Ｈｉｎが保磁力Ｈｃよりも小さくなるように前記非磁性層１８の膜厚Ｔを調整する。図９に示す磁気センサ６１では前記非磁性層１８はＣｕで形成され、膜厚Ｔは１９．５Å〜２１Åの範囲内であることが好ましい。これにより前記層間結合磁界Ｈｉｎを５Ｏｅ（３９５Ａ／ｍ）よりも小さくすることができ、前記保磁力Ｈｃよりも小さくできる。なお前記層間結合磁界Ｈｉｎを出来る限り０Ｏｅに近付けることが好ましい。

図１５は、前記磁気センサ６１に使用される磁気抵抗効果素子８のヒステリシス特性を示している。図１５の横軸は外部磁界Ｈの大きさであり、縦軸は、前記磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きさである。ヒステリシスループＨＲとは曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２で囲まれた部分のことを指す。図１５ではＣｕで形成された非磁性層１８の膜厚Ｔは２０Åであり図１３に示すように前記層間結合磁界Ｈｉｎはほぼ０Ｏｅとなっており、また図１５に示すヒステリシス特性は、前記層間結合磁界Ｈｉｎが前記保磁力Ｈｃよりも小さくなっているため、前記ヒステリシスループＨＲの中点はほぼ外部磁界Ｈ＝０のライン上に存在し、さらに前記ヒステリシスループＨＲを構成する曲線ＨＲ１と曲線ＨＲ２は幅方向に広がるとともに、前記外部磁界Ｈ＝０Ｏｅのライン上を跨いでいる。

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磁石Ｍ１のＮ極が磁気センサ６１（なお図１０では磁気センサ６１の磁気抵抗効果素子８のみが図示されている）に対向する第１の位置に設定され、図１１に示すように前記移動機構がＹ１方向に移動すると前記磁石Ｍ２のＳ極が磁気センサ６１（なお図１０では磁気センサ６１の磁気抵抗効果素子８のみが図示されている）に対向する第２の位置に設定される。

図１０，図１１に示すように例えば前記固定層１７の磁化方向はｅ１である。図１０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、すなわち前記磁石Ｍ１のＮ極が磁気センサ６１に対向する場合には、前記磁石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、前記フリー層１９の磁化方向は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。このとき、磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最小となる。

一方、図１１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、すなわち前記磁石Ｍ２のＳ極が磁気センサ６１に対向する場合には、前記磁石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１９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。このとき、磁気抵抗効果素子８の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大となる。

前記磁気センサ６１も図８に示す制御部３０を有しており、前記制御部３０では、前記磁気センサ６１から出力される電圧値と、所定の閾値電圧との比較を行い、例えば前記磁気センサ６１の電圧値が前記閾値電圧よりも大きいと、スイッチオンの切替信号を出力し、前記磁気センサ６１の電圧値が前記閾値電圧よりも小さいと、スイッチオフの切替信号を出力する。

図１０，図１１に示すように外部磁界の極性変化を検知して切替信号を出力する磁気センサ６１では、図１５に示すヒステリシス特性を有する磁気抵抗効果素子８を使用することで、安定した磁気感度を有し特性にばらつきの少ない磁気センサ６１に出来る。

すなわち、ヒステリシスループＨＲが横軸方向に広がるとともに外部磁界Ｈ＝０のラインを跨いでいると、例えば図１５に示す−４％の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を閾値とした場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が−４％となるときの外部磁界Ｈは正の領域（概ね１０〜１５Ｏｅ）と負の領域（概ね−１５Ｏｅ）に夫々存在する。外部磁界Ｈに正の値と負の値が存在するのは、磁気抵抗効果素子８に及ぼされる外部磁界Ｈの極性が異なるためであるから前記外部磁界Ｈが正の値のとき、図１０の状態（磁気抵抗効果素子８と磁石のＮ極とが対向する状態）とすれば、外部磁界Ｈが負の値のときは図１１の状態（磁気抵抗効果素子８と磁石のＳ極とが対向する状態）であり、したがって、前記磁気抵抗効果素子８に及ぼされる外部磁界Ｈの極性が異なる夫々において−４％となる抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができ、すなわち切替信号を外部磁界の極性変化に基づいて出力することが可能となるのである。

上記した実施形態では、磁気センサ４，６１として磁石５，Ｍ１，Ｍ２を構成に含めていないが、前記磁石５，Ｍ１，Ｍ２を含めて磁気センサ４，６１と定義してもよい。

また上記した実施形態の前記磁気センサ４，６１は素子台７上に磁気抵抗効果素子８と固定抵抗とが一つづつ設けられた構成であったが、１つの磁気抵抗効果素子８と１つの固定抵抗とからなるブリッジ回路が、２つ設けられた構成（すなわち２つの磁気抵抗効果素子と２つの固定抵抗）にしてもよいし、また磁気抵抗効果素子８が一つだけ設けられた構成であってもよい。

また、本実施形態の磁気センサ４は折畳み式携帯電話１の開閉検知に用いられているが、ゲーム機の開閉検知等に使用されてもよい。また本実施経形態における磁気センサ４，６１は、スロットルポジションセンサのように回転角度を検知するセンサ、エンコーダ、地磁気センサ（方位センサ）等としても使用可能である。このとき、本実施形態では、磁気センサの使用用途に合わせて、前記保磁力Ｈｃ及び層間結合磁界Ｈｉｎを調整することで磁気感度の制御を容易に行うことが可能である。

また磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を与えるか否かは任意である。前記磁気抵抗効果素子を構成するフリー磁性層にバイアス磁界を供給しなくてもよい。

図３に示す直線形状の磁気抵抗効果素子８を用いて、素子幅Ｗとフリー層１９の保磁力Ｈｃとの関係を調べた。

実験で使用した磁気抵抗効果素子８の膜構成は、下から、シード層：ＮｉＦｅＣｒ／反強磁性層：ＩｒＭｎ／固定層：［Ｆｅ_３０ａｔ％Ｃｏ_{７０ａｔ％}／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］／非磁性層：Ｃｕ／フリー層：［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／保護層：Ｔａであった。なお磁気抵抗効果素子８を成膜した後、磁場中根処理を施し、前記固定層の磁化方向を一方向に固定した。なおフリー層のＣｏＦｅを１０ÅでＮｉＦｅを３０Åで形成した。

実験では、前記磁気抵抗効果素子８の素子長さＬを５０〜２５０μｍの範囲内で変化させたときの素子幅Ｗと前記フリー層１９の保磁力Ｈｃとの関係について調べた。その実験結果を図１２に示す。

図１２に示すように、保磁力Ｈｃは素子長さＬにほとんど依存せず、素子幅Ｗに依存することがわかった。図１２に示すように、前記素子幅Ｗを小さくしていくと、徐々に保磁力Ｈｃが大きくなることがわかった。また図１２に示すように前記素子幅Ｗを１μｍよりも小さくすると急激に保磁力Ｈｃが上昇することがわかった。

図１２に示す実験結果から前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定した。前記素子幅Ｗを５μｍよりも大きくすると前記保磁力Ｈｃが小さくなりすぎて、チャタリング等が発生しやすく磁気感度が不安定化し、また抵抗値が低下するために、抵抗値を所定値まで大きくするには素子長さＬを長くする必要があるものの、係る場合、磁気センサが大型化し好ましくない。また前記素子幅Ｗを１μｍよりも小さくすると保磁力Ｈｃの変動が大きすぎ、所定の保磁力Ｈｃの設定が困難となり磁気感度にばらつきが生じやすい。よって本実施例では、前記素子幅Ｗを１〜５μｍの範囲内に設定することとした。

次に、上記した膜構成から成る磁気抵抗効果素子８を用い、Ｃｕで形成された非磁性層１８の膜厚Ｔと、固定層１７とフリー層１９間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎとの関係について調べた。その実験結果を図１３に示す。

図１３に示すようにＣｕ層の膜厚によって前記層間結合磁界Ｈｉｎが変化することがわかった。図１３に示すように、Ｃｕ層の膜厚Ｔを、１７Å〜１９Åの範囲内に設定すると、前記層間結合磁界Ｈｉｎを５Ｏｅ以上に設定できることがわかった。またＣｕ層の膜厚Ｔの下限値を１７Åに設定したのは、これよりも前記膜厚Ｔを小さくすると前記膜厚Ｔの制御が困難となるからである。また前記Ｃｕ層の膜厚を１９．５〜２１Åの範囲内すると、前記層間結合磁界Ｈｉｎを５Ｏｅよりも小さくできることがわかった。

図１４は、前記Ｃｕ層の膜厚を１７．５Åとしたときのヒステリシス特性である。なお保磁力Ｈｃは１０Ｏｅであった。図１４に示すヒステリシス特性を持つ磁気抵抗効果素子は、上記したように、外部磁界Ｈの強度変化に基づきオン／オフの切替信号を出力する磁気センサに有効に使用できる。

次に、図１５は、前記Ｃｕ層の膜厚を２０Åとしたときのヒステリシス特性である。なお保磁力Ｈｃは１０Ｏｅであった。図１５に示すヒステリシス特性を持つ磁気抵抗効果素子は、上記したように、外部磁界Ｈの極性変化に基づきオン／オフの切替信号を出力する磁気センサに有効に使用できる。

本実施形態の磁気センサを内臓した折畳み式携帯電話の部分模式図（閉じた状態）、本実施形態の磁気センサを内臓した折畳み式携帯電話の部分模式図（開いた状態）、本実施形態における磁気センサの部分平面図、図３に示すＡ−Ａ線から切断し矢印方向から見た前記磁気センサの部分断面図、図４とは異なる形態の非接触式磁気センサの部分断面図、図４，図５とは異なる形態の非接触式磁気センサの部分断面図、図６に示す磁気センサに備えられた固定抵抗のヒステリシス特性を示すグラフ、図３に示す磁気センサの回路構成図、第２実施形態の磁気センサを備えたスイッチ機構の斜視図、図８に示すスイッチの動作を説明するための説明図、図８に示すスイッチの動作を説明するための説明図、本実施形態の磁気抵抗効果素子の素子幅とフリー層の保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、本実施形態における非磁性層の膜厚と、磁気抵抗効果素子の固定層とフリー層間に作用する層間結合磁界との関係を示すグラフ、第１実施形態における磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を示すグラフ、第２実施形態における磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を示すグラフ、

符号の説明

１折畳み式携帯電話
２第１部材
３第２部材
４、４２、５１、６１磁気センサ
５磁石
６回路基板
７素子台
８、４０、５０磁気抵抗効果素子
９固定抵抗
４１磁気遮断部材

Claims

磁気抵抗効果を発揮する磁気抵抗効果素子を備え、外部磁界の強弱を検出するための磁気スイッチであって、
前記磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、前記反強磁性層に接して形成され磁化方向が固定される固定層と、前記固定層に非磁性層を介して対向し外部磁界を受けて磁化方向が変動するフリー層とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、素子幅Ｗに比べて素子長さＬが長く形成された細長形状であり、前記素子幅Ｗは１μｍ〜５μｍの範囲内で形成されており、
前記非磁性層はＣｕで形成され、前記非磁性層の膜厚は１７Å〜１９Åの範囲内で形成され、
前記フリー磁性層の保磁力Ｈｃは、５〜１０Ｏｅの範囲内であり、
横軸を外部磁界Ｈの大きさ、縦軸を磁気抵抗効果素子の抵抗変化率としたグラフ上にて、前記磁気抵抗効果素子のヒステリシスループは、前記外部磁界の検出範囲内にて前記磁気抵抗効果を発揮するように、外部磁界Ｈ＝０Ｏｅの縦軸上を跨がずに、前記グラフの左側、あるいは右側にシフトしており、前記磁気抵抗効果素子の前記固定層と前記フリー層に作用する層間結合磁界Ｈｉｎは、前記フリー層の保磁力Ｈｃに比べて大きくされており、
前記外部磁界の強度変化による出力変化に基づいて切替信号を出力する制御部を有し、前記制御部には閾値電圧が規定されており、前記制御部では、前記磁気センサからの出力値と前記閾値電圧とを比較して、スイッチオンあるいはスイッチオフとする前記切替信号を出力し、前記閾値電圧に基づく前記抵抗変化率は、前記ヒステリシスループに対して、異なる２点の前記外部磁界のときに生じることを特徴とする磁気スイッチ。
前記素子長さＬは５０μｍ〜２５０μｍの範囲内である請求項１記載の磁気スイッチ。