JP5523149B2

JP5523149B2 - 磁気式スイッチ

Info

Publication number: JP5523149B2
Application number: JP2010048943A
Authority: JP
Inventors: 徳男中村; 孝志小野寺
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-05
Also published as: JP2011187211A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気式スイッチに関する。

磁気式スイッチの磁気センサには、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、及び磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の積層構造を備える磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）などが用いられている。例えば、この磁気センサは、図７に示すように、ミアンダ形状を持つ磁気抵抗効果素子４１と固定抵抗素子４２とが接続されて構成されている。

図７に示す磁気抵抗効果素子４１の感度軸方向からの外部磁界（Ｈ_ｅｘ）に対する中点電位を図８に示す。図８に示すように、この磁気式スイッチにおいては、スイッチがＯＮ（ＳＷＯＮ）となる判定閾値（ＯＮ閾値）と、スイッチがＯＦＦ（ＳＷＯＦＦ）となる判定閾値（ＯＦＦ閾値）とを設けて、両判定閾値間にヒステリシス（Ｈ_ｏｆｆ−Ｈ_ｏｎ）を設けている（特許文献１）。

特開２００７−２２８０００号公報

しかしながら、このような判定閾値間にヒステリシスを持つ磁気式スイッチを用いて、外部磁界が小さい高感度領域で動作させようとする場合、磁気抵抗効果素子や電気回路のヒステリシスをあるレベルより小さくすることが困難になるために、０磁場付近の動作が不安定となる。すなわち、０磁場で確実にＯＦＦしないために、外乱磁場に対して誤動作する恐れがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高感度領域で動作させた場合であっても動作が安定する磁気式スイッチを提供することを目的とする。

本発明の磁気式スイッチは、感度軸方向からの外部磁界に対して抵抗値が変化する磁気センサと、前記磁気センサの抵抗変化に基づいて変化するセンサ出力に基づいて、検出信号を出力する制御手段と、を具備する磁気式スイッチであって、前記磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子と、前記感度軸の方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように配置された磁気増幅膜と、前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜が占める領域よりも広い領域で前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜と重なるように配置された磁気シールド膜と、を有し、前記磁気シールド膜の膜厚は前記磁気増幅膜の膜厚よりも薄く、前記制御手段は、前記磁気センサとは離れた位置にある磁石と前記磁気抵抗効果素子との距離に応じてオン／オフの電圧を出力することを特徴とする。

この構成によれば、磁気シールド膜で弱磁場を遮蔽し、磁気増幅膜で一定レベル以上の磁場を増幅することができる。これにより、磁界ヒステリシスの小さく、高感度領域で動作させた場合であっても動作が安定する磁気式スイッチを実現することができる。

本発明の磁気式スイッチにおいては、前記磁気シールド膜が磁気飽和する外部磁界よりも小さい磁場でＯＦＦし、前記外部磁界よりも大きい磁場でＯＮするように、前記磁気シールド膜及び前記磁気増幅膜の厚さが設定されたことが好ましい。

本発明の磁気式スイッチにおいては、前記磁気シールド膜及び／又は前記磁気増幅膜は、パーマロイ系磁性材料、アモルファス系磁性材料及びセンダスト系磁性材料からなる群より選ばれた材料で構成されていることが好ましい。

本発明の磁気式スイッチは、感度軸方向からの外部磁界に対して抵抗値が変化する磁気センサと、前記磁気センサの抵抗変化に基づいて変化するセンサ出力に基づいて、検出信号を出力する制御手段と、を具備し、前記磁気センサが、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子と、前記感度軸の方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように配置された磁気増幅膜と、前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜が占める領域よりも広い領域で前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜と重なるように配置された磁気シールド膜と、を有し、前記磁気シールド膜の膜厚は前記磁気増幅膜の膜厚よりも薄く、前記制御手段は、前記磁気センサとは離れた位置にある磁石と前記磁気抵抗効果素子との距離に応じてオン／オフの電圧を出力するので、高感度領域で動作させた場合であっても動作が安定する。

本発明の実施の形態に係る磁気式スイッチの磁気センサを示す図である。ＧＭＲ近辺の磁束密度と外部印加磁界との間の関係を示す図である。磁石検知距離の測定を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る磁気式スイッチの回路図である。本発明に係る磁気式スイッチを搭載した携帯電話を示す図である。（ａ），（ｂ）は、図５に示す携帯電話の動作を説明するための図である。従来の磁気式スイッチを説明するための図である。外部磁界と中点電位との間の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気式スイッチの磁気センサを示す図である。図１に示す磁気センサは、感度軸方向からの外部磁界に対して抵抗値が変化するものであり、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子１を有する。この磁気抵抗効果素子１は、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターンが折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有する。図１においては、磁気抵抗効果素子１は、ミアンダの長手方向が平行になるようにして、２つの素子１ａ，１ｂに分かれて配置されており、互いに接続されている。このミアンダ形状において、感度軸方向は、長尺パターンの長手方向に対して直交する方向である。また、素子１ｂはミアンダ形状を有する固定抵抗素子２に接続されている。

磁気抵抗効果素子１としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。フリー磁性層は、外部磁界に対して磁化変動する磁性層であり、固定磁性層は、磁化が固定された磁性層である。

磁気抵抗効果素子１の感度軸の方向において、磁気抵抗効果素子１を挟むように磁気増幅膜３が設けられている。図１においては、磁気抵抗効果素子１の２つの素子１ａ，１ｂ間にも磁気増幅膜３が設けられている。この磁気増幅膜３は、感度軸方向の磁界（検出磁界）を集束するヨークの働き（磁気増幅効果）をするものである。このように、磁気増幅膜３を設けることにより、外部印加磁界を磁気増幅できるので、スイッチＯＮ（Ｈ_ｏｎ点）をより高感度領域（外部印加磁界が小さい領域）側に設定することができる。

この磁気増幅膜３の長さ（感度軸方向に直交する方向の長さ）は、磁気増幅効果を考慮すると、磁気抵抗効果素子１の長尺パターンの長手方向の長さよりも長いことが望ましい。また、磁気増幅膜３の増幅効果を調整することにより、スイッチＯＮ（Ｈ_ｏｎ点）を調整することができる。すなわち、磁気増幅膜３の増幅効果を高めることにより、スイッチＯＮ（Ｈ_ｏｎ点）より高感度領域（外部印加磁界が小さい領域）側に設定することができる。なお、磁気増幅膜３間の間隔Ｄは小さいほど増幅効果が高く、磁気増幅膜３の厚さは厚いほど増幅効果が高い。

磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３が占める領域よりも広い領域で磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３と重なるように磁気シールド膜４が設けられている。磁気シールド膜４は、外乱磁界を吸収する役割（シールド効果）を果たす。このように、磁気シールド膜４を設けることにより、０磁場近辺の弱磁場を磁気抵抗効果素子１に対して遮蔽できるので、スイッチＯＦＦ（Ｈ_ｏｆｆ点）が０磁場に近づいても、外乱磁場による誤動作がなくなる。

磁気シールド膜４の厚さを変えることにより、磁気飽和点を調整することができる。すなわち、磁気シールド膜４の磁気飽和点を高外部印加磁場側に設定する場合には、磁気シールド膜４の厚さを厚くする。なお、磁気シールド膜４は、磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３の上に設けられていても良く、磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３の下に設けられていても良い。

このように、本発明に係る磁気式スイッチの磁気センサにおいては、感度軸の方向において磁気抵抗効果素子１を挟むように磁気増幅膜３が配置され、磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３が占める領域よりも広い領域で磁気抵抗効果素子１及び磁気増幅膜３と重なるように磁気シールド膜４が配置されているので、磁気シールド膜４で弱磁場を遮蔽し、磁気増幅膜３で一定レベル以上の磁場を増幅することができる。これにより、磁界ヒステリシスの小さく、高感度領域で動作させた場合であっても動作が安定する磁気式スイッチを実現することができる。

ここで、図１に示す構成を有する磁気式スイッチ（本発明）（磁気増幅膜厚１．５μｍ、磁気シールド膜厚０．５μｍ）について外部印加磁界に対するＧＭＲ近辺磁束密度の関係を調べた。その結果を図２に示す。この場合において、外部印加磁界に対するＧＭＲ近辺磁束密度は、有限要素法によるシミュレーションにより求めた。また、図７に示す構成を有する磁気式スイッチ（従来）についても同様にして外部印加磁界に対するＧＭＲ近辺磁束密度の関係を調べた。その結果を図２に併記する。なお、ここでは、スイッチＯＮの判定閾値（Ｈ_{ｏｎ＿ｍａｘ}）を１５Ｇ（１．５ｍＴ）とし、スイッチＯＦＦの判定閾値（Ｈ_{ｏｆｆ＿ｍｉｎ}）を３Ｇ（０．３ｍＴ）とした。

図２に示すように、本発明の磁気式スイッチでは、外部印加磁界に対するＧＭＲ近辺磁束密度が高外部印加磁場側（図２では１０Ｏｅ（×１０³／４π Ａ／ｍ）以上）で従来の磁気式スイッチよりも高くなっている。したがって、本発明に係る磁気式スイッチでは、スイッチＯＮの判定閾値（Ｈ_{ｏｎ＿ｍａｘ}）をより高感度領域（外部印加磁界が小さい領域）側に設定することができる。また、図２から分かるように、磁気シールド膜の磁気飽和点（６Ｏｅ）までは、外乱磁場が磁気シールド膜に吸収されるので、従来の磁気式スイッチよりもＧＭＲ近辺磁束密度が小さく抑えられている。このため、本発明に係る磁気式スイッチでは、スイッチＯＦＦ（Ｈ_ｏｆｆ点）が０磁場に近づいても、外乱磁場による影響が小さいので誤動作がなくなり、安定した動作を実現できる。

上述したように、磁気シールド膜４で弱磁場を遮蔽し、磁気増幅膜３で一定レベル以上の磁場を増幅するためには、磁気シールド膜４よりも磁気増幅膜３の方がより磁気飽和し易いように設定する。このように設定する場合には、例えば、磁気増幅膜３の厚さを磁気シールド膜４の厚さよりも厚くする。また、磁気増幅膜と磁気シールド膜との間の膜厚比（磁気増幅膜厚／磁気シールド膜厚）は２〜５であることが好ましい。

このように磁気式スイッチは、磁気シールド膜４の膜厚と磁気増幅膜３の膜厚を設定することにより、磁気シールド膜４で弱磁場を遮蔽し、磁気増幅膜３で一定レベル以上の磁場を増幅することができ、これにより、磁気式スイッチにおいて、磁気シールド膜４が磁気飽和する外部磁界よりも小さい磁場でＯＦＦさせ、外部磁界よりも大きい磁場でＯＮさせることができる。

磁気シールド膜４の材料及び／又は磁気増幅膜３の材料は、ＮｉＦｅ合金系のようなパーマロイ系磁性材料、ＣｏＮｂＺｒ合金系、ＣｏＦｅＳｉＢ合金系のようなアモルファス系磁性材料、又はＳｉＦｅ合金系のようなセンダスト系磁性材料で構成されていることが好ましい。磁気シールド膜４の材料と磁気増幅膜３の材料とは、同じであっても良く、異なっていても良い。

ここで、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図３に示すように、図１に示す構成を有する磁気センサ１０の近傍に磁気増幅膜３として厚さ０．１ｍｍのパーマロイ板を配置し、さらに磁気センサ１０及び磁気増幅膜３上に磁気シールド膜４として厚さ０．０５ｍｍのパーマロイ薄板を設けてなる磁気式スイッチを作製し、この磁気式スイッチに磁石を近づけて、スイッチ感度（磁石検知距離（磁石と磁気式スイッチとの間の最短距離）（Ｈ_ｏｎ，Ｈ_ｏｆｆ））及びヒステリシスを調べた。また、比較例として、図７に示す構成を有する磁気センサを有する磁気式スイッチを作製して同様にスイッチ感度及びヒステリシスを調べた。

その結果、本発明に係る磁気式スイッチは、Ｈ_ｏｎ，Ｈ_ｏｆｆの際の磁石検知距離がそれぞれ２７ｍｍ（１．８５ｍＴ），３０ｍｍ（１．５ｍＴ）であり、ヒステリシスが０．３５ｍＴであった。一方、従来の磁気式スイッチは、Ｈ_ｏｎ，Ｈ_ｏｆｆの際の磁石検知距離がそれぞれ２６ｍｍ（２．０ｍＴ），３１ｍｍ（１．４ｍＴ）であり、ヒステリシスが０．６ｍＴであった。このように、本発明に係る磁気式スイッチは、ヒステリシスが低減されたものであり、安定した動作が実現できるものであった。

図４は、本発明の実施の形態に係る磁気式スイッチの回路図である。
磁気式スイッチは、感度軸方向からの外部磁界に対して抵抗値が変化する磁気センサと、磁気センサの抵抗変化に基づいて変化するセンサ出力に基づいて、検出信号を出力する制御部を備えている。

図４に示す磁気式スイッチ１８は、磁気検出素子Ａ１を備えるセンサ部１８１と、センサ部１８１からのセンサ出力に基づいて、オン／オフの２値信号を生成し出力するための制御部（集積回路（ＩＣ））１８２とを有して構成される。

センサ部１８１は１つの磁気抵抗効果素子Ａ１と１つの固定抵抗素子１８１１とが直列回路を構成している。また、制御部１８２内には直列接続された２つの固定抵抗素子１８２１が設けられ、磁気検出素子Ａ１及び固定抵抗素子１８１１と合わせてブリッジ回路が構成されている。ブリッジ回路は、制御部１８２に設けられた入力端子１８２６、グランド端子１８２８及び差動増幅器１８２２に接続されている。本実施の形態では、ブリッジ回路には１種類の磁気検出素子Ａ１のみが組み込まれているが、同じ磁気抵抗効果素子Ａ１が、ブリッジ回路に複数組み込まれても良い。

磁気抵抗効果素子Ａ１の抵抗値の変化に基づいて差動増幅器１８２２から得られた差動出力は、閾値を備えるコンパレータ（比較回路）１８２９に送られて波形整形される。図２に示すように、外部磁界Ｈの磁界強度が強まり、外部磁界がＨ_ｏｎになったとき、波形整形されたセンサ出力が、ハイレベル（Ｖ_Ｈｉ）からローレベル（Ｖ_Ｌｏ）になり、検出信号（オン信号）が出力される。一方、外部磁界Ｈの磁界強度が弱まり、外部磁界がＨ_ｏｆｆになったとき、波形整形されたセンサ出力がローレベル（Ｖ_Ｌｏ）からハイレベル（Ｖ_Ｈｉ）になり、オフ信号が出力される（オン信号が出力されない）。

コンパレータ１８２９の出力側には、ラッチ回路１８２５が接続され、さらにラッチ回路１８２５の出力側には、出力端子１８２７が接続されている。ラッチ回路１８２５が設けられているため、オン信号を出力しているとき、センサ出力がハイレベルになったことを検出しない限り、オン信号を出力し続ける。またオフ信号を出力しているとき、センサ出力がローレベルになったことを検出しない限り、オフ信号を出力し続ける。また、制御部１８２には、クロック回路１８２４やスイッチ回路１８２３がある。図４の回路構成では、スイッチ回路１８２３がオフされると、入力端子１８２６からブリッジ回路への通電が停止するようになっている。スイッチ回路１８２３のスイッチのオン・オフは、クロック回路１８２４からのクロック信号に連動しており、スイッチ回路１８２３は通電状態を間欠的に行う節電機能を有している。

次に、本発明に係る磁気式スイッチの用途について説明する。ここで、磁気式スイッチを折り畳み式携帯電話に適用した場合について説明する。なお、本発明の磁気式スイッチは、これに限定されず、他の装置、機器に適用することが可能である。

図５は、本発明に係る磁気式スイッチを搭載した携帯電話を示す図であり、図６（ａ），（ｂ）は、図５に示す携帯電話の動作を説明するための図である。

図５に示す折り畳み式携帯電話１１は、表示筐体１２と、操作筐体１３と、表示筐体１２及び操作筐体１３を連結するヒンジ部１４とを有して構成される。折り畳み式携帯電話１１を開いた状態では、表示筐体１２の液晶ディスプレイなどの表示画面１５が設けられた表示面１２ａと、操作筐体１３の各種の操作釦１６が配置された操作面１３ａとが同じ側を向いた状態となる。また、表示筐体１２の表示面１２ａにはスピーカ１９が設けられ、操作筐体１３の操作面１３ａにはマイク１７が設けられている。

図５に示す通常の使用状態では、磁気式スイッチ１８は磁石２０から距離的に離れており、磁石２０から磁気式スイッチ１８に外部磁界Ｈが作用していない。すなわち無磁場状態である。よってセンサ出力はハイレベルにあり、出力端子１８２７からはオフ信号が出力されている（オン信号が出力されていない）。

図５に示す開いた状態から図６（ａ）に示す状態に移行し、さらに図６（ｂ）に示すように閉じると、磁気式スイッチ１８に作用する磁石２０からＹ１方向に向く外部磁界Ｈの磁界強度が徐々に強まる。すると磁気検出素子Ａ１の抵抗値が徐々に低下する。そして、外部磁界Ｈが磁界強度Ｈ_ｏｎ以上となったとき、センサ出力がハイレベルからローレベルに移行し、出力端子１８２７から検出信号（オン信号）が出力される。

次に、図６（ｂ）に示す閉じた状態から図５の開いた状態に移行させると、外部磁界Ｈが磁界強度Ｈ_ｏｆｆ以下になったとき、センサ出力がローレベルからハイレベルに移行しオフ信号が出力される。センサ出力にはヒステリシスが生じているため、図５に示す状態から図６（ｂ）に示す状態に移行させたときにオン信号が生成されるタイミングと、図６（ｂ）に示す状態から図５に示す状態に移行させたときにオフ信号が生成されるタイミングとにずれが生じる。しかしながら、本発明に係る磁気式スイッチにおいては、このヒステリシスが小さい。このため、スイッチＯＦＦ（Ｈ_ｏｆｆ点）が０磁場に近づいても、外乱磁場による影響が小さいので誤動作がなくなり、安定した動作を実現できる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、折り畳み式携帯電話などの開閉用の磁気式スイッチに適用することが可能である。

１磁気抵抗効果素子
２固定抵抗素子
３磁気増幅膜
４磁気シールド膜
１０磁気センサ
１１折り畳み式携帯電話
１２表示筐体
１３操作筐体
１４ヒンジ部
１５表示画面
１６操作釦
１７マイク
１８磁気式スイッチ
１９スピーカ
２０磁石

Claims

感度軸方向からの外部磁界に対して抵抗値が変化する磁気センサと、前記磁気センサの抵抗変化に基づいて変化するセンサ出力に基づいて、検出信号を出力する制御手段と、を具備する磁気式スイッチであって、前記磁気センサは、特定の方向に感度軸を持つ磁気抵抗効果素子と、前記感度軸の方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように配置された磁気増幅膜と、前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜が占める領域よりも広い領域で前記磁気抵抗効果素子及び前記磁気増幅膜と重なるように配置された磁気シールド膜と、を有し、前記磁気シールド膜の膜厚は前記磁気増幅膜の膜厚よりも薄く、前記制御手段は、前記磁気センサとは離れた位置にある磁石と前記磁気抵抗効果素子との距離に応じてオン／オフの電圧を出力することを特徴とする磁気式スイッチ。
前記磁気シールド膜が磁気飽和する外部磁界よりも小さい磁場でＯＦＦし、前記外部磁界よりも大きい磁場でＯＮするように、前記磁気シールド膜及び前記磁気増幅膜の厚さが設定されたことを特徴とする請求項１記載の磁気式スイッチ。
前記磁気シールド膜及び／又は前記磁気増幅膜は、パーマロイ系磁性材料、アモルファス系磁性材料及びセンダスト系磁性材料からなる群より選ばれた材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気式スイッチ。