JP5956955B2 - 磁気検知式スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を使用して、３つの検知位置の検出を可能とした磁気検知式スイッチに関する。

以下の特許文献１と特許文献２に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気検知式スイッチが開示されている。

特許文献１に記載されたスイッチは、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサと、２個の磁石とが相対的に移動する。２個の磁石は、異なる磁極が磁気センサに対向する方向に向けられて並んで配置されている。磁気センサは一方の磁石と対向する第１の位置と他方の磁石と対向する第２の位置との間を移動する。

磁気抵抗効果素子は、２個の磁石が並ぶ方向と直交する向きに固定磁性層が固定されており、第１の位置と第２の位置とで自由磁性層の磁化方向が変化し、その結果、磁気センサの検知出力がスイッチオンとスイッチオフとに切り換えられる。

特許文献２に記載されたスイッチは、ヨークの間に２か所のギャップが並んで設けられ、それぞれのギャップ内で磁界の向きが１８０度逆向きとなっている。スライド機構の先端部に磁気抵抗効果素子が搭載されており、この磁気抵抗効果素子が２か所のギャップ内を通過し、一方のギャップ内に位置しているときと、他方のギャップ内に位置しているときで、異なる切り換え出力が得られる。

特許文献１と特許文献２に記載された磁気検知式スイッチは、磁気抵抗効果素子が使用されているため、非接触で切り換え出力を得ることができる。しかし、いずれも２つのポジションの検知しか行うことができず、３か所の検知位置を識別する検知出力を得ることはできない。

特開２００７−２７３５２８号公報 特開２００７−２２０３６７号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、最少の磁石と磁気抵抗効果素子を使用して３か所の検知位置に基づく出力が得られる磁気検知式スイッチを提供することを目的としている。

本発明は、固定部と可動部の一方に磁界発生部が、他方に磁気検知部が設けられた磁気検知式スイッチにおいて、
前記可動部は、中立検知位置と、前記中立検知位置から第１の方向へ移動した第１の検知位置と、前記中立検知位置から第１の方向と逆向きの第２の方向へ移動した第２の検知位置へ移動可能であり、
前記磁気検知部は、第１の磁気抵抗効果素子を有して第１の方向の磁界の強度が所定値を超えたときに検知出力を得る第１の検知部と、第２の磁気抵抗効果素子を有して第２の
方向の磁界の強度が所定値を超えたときに検知出力を得る第２の検知部とを有しており、
前記磁界発生部には、対を成す磁石が前記可動部の移動方向へ並んで、それぞれの磁石は同じ磁極が前記磁気検知部との対向方向へ向けられて、前記可動部が第１の検知位置に移動したときに、前記第２の検知部に対して、第２の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与え、第２の検知位置に移動したときに、前記第１の検知部に対して、第１の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与え、中立検知位置へ移動したときに、前記第１の検知部と前記第２の検知部のいずれに対しても、第１の方向と第２の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与えないことを特徴とするものである。

本発明の磁気検知式スイッチは、互いに異なる方向への感度を有する２つの磁気抵抗効果素子を使用することで、中立位置ならびに第１の検知位置と第２の検知位置に対応する検知出力を高い信頼性の下で得ることができる。

対を成す磁石を移動方向へ並んで配置することで、可動部が中立へ移動したときに、第１の検知部と第２の検知部の双方が非検知状態となる領域を広く確保できるようになり、３か所の検知位置を正確に区別して検知できるようになる。

本発明は、前記第１の磁気抵抗効果素子は、第１の方向の磁界の強度が前記所定値を超えたときに自由磁性層の磁化方向が第１の方向へ向けられ、
前記第２の磁気抵抗効果素子は、第２の方向の磁界の強度が前記所定値を超えたときに自由磁性層の磁化方向が第２の方向へ向けられるものとして構成できる。

本発明の磁気検知式スイッチは、少ない磁気抵抗効果素子と少ない磁石を用いて、３か所の検知位置を高い信頼性の下で検知することができる。

本発明の実施の形態の磁気検知式スイッチの外観斜視図、 第１の実施の形態の磁石と検知ユニットの構造を検知位置別に示す説明図、 参考例の磁石と検知ユニットの構造を検知位置別に示す説明図、 磁気検知部である検知ユニットの斜視図、 磁気抵抗効果素子の拡大平面図、 磁気抵抗効果素子の素子構造を示す説明図、 磁気抵抗効果素子の素子構造の他の例を示す説明図、 第１の検知部と第２の検知部を構成するスイッチ回路の回路図、 図８に示すそれぞれのスイッチ回路の出力波形図、 ３か所の検知位置とスイッチ回路からの出力の組み合わせを示す説明図、

図１に示す磁気検知式スイッチ１は、固定部である基板２と、この基板２を覆うケース３を有している。ケース３の内部に、前記基板２に対向して（＋）方向と（−）方向へ移動する可動部５が設けられている。可動部５に操作部６が一体に設けられ、操作部６が、ケース３の上面に形成された細長いスリット４から上方へ突出している。操作部６がスリット４内を移動する範囲で、可動部５が（＋）−（−）方向へスライド移動可能である。

磁気検知式スイッチ１では、（＋）方向が第１の方向で、（−）方向が第２の方向である。また、磁気検知式スイッチ１は、可動部５と操作部６が３か所の検知位置に移動したときに、異なる組み合わせの検知出力が得られる。

図１に示すように、操作部６が第１の方向（＋）の終端に至った位置が第１の検知位置（ｒ）で、第２の方向（−）の終端に至った位置が第２の検知位置（ｌ）、第１の方向（＋）と第２の方向（−）の中間点が中立検知位置（ｎ）である。ケース３の内部に軽ロック機構が設けられて、操作部６が、第１の検知位置（ｒ）と第２の検知位置（ｌ）ならびに中立検知位置（ｎ）のそれぞれにおいて軽くロックされる。または、操作部６がばねの力で中立検知位置（ｎ）に安定しており、指で操作部６を第１の検知位置（ｒ）へ移動させた後に指を離すと、操作部６が中立検知位置（ｎ）に復帰し、操作部６を第２の検知位置（ｌ）へ移動させた後に指を離すと、操作部６が中立検知位置（ｎ）に復帰する構造であってもよい。

図２に示すように、基板２に、磁気検知部である微小な検知ユニット１０が固定され、可動部５の下面に磁界発生部７が固定されている。磁界発生部７は、２個の磁石７ａ，７ｂを有している。磁石７ａ，７ｂは、可動部５の移動方向に間隔を空けて配置されており、それぞれの磁石７ａ，７ｂは、同じ磁極が基板２の方向へ向けられている。図２に示す第１の実施の形態の磁界発生部７では、磁石７ａ，７ｂは、Ｎ極が下に向けられている。

磁界発生部７では、磁石７ａよりも図示右側で、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１の強度が高く、磁石７ｂよりも図示左側で、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２の強度が高い。磁石７ａと磁石７ｂが間隔を空けて配置され同じＮ極が下に向けられているため、２つの磁石７ａ，７ｂの中間部分では、下向きの磁界成分が強く、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１の強度と、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２の強度がきわめて弱い。

図２において、可動部５と操作部６が第１の検知位置（ｒ）に至ると、検知ユニット１０に対して、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２が強く作用し、第２の検知位置（ｌ）に至ると、検知ユニット１０に対して、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１が強く作用する。そして、可動部５と操作部６が中立検知位置（ｎ）に至ると、検知ユニット１０に対して、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１と、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２とがほとんど作用しない。

図３には、参考例の磁界発生部８が示されている。この磁界発生部８では、可動部５の下面に１個の磁石８ａが固定されている。この磁石８ａは、可動部５の移動方向である（＋）−（−）方向の幅寸法Ｗが、この方向と直交する向きの厚さ寸法Ｔよりも十分に大きい。また磁石８ａの下向きの面全体が同じ磁極（Ｎ極）に着磁されている。

図３の参考例においても、可動部５と操作部６が第１の検知位置（ｒ）に至ると、検知ユニット１０に対して、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２が強く作用し、第２の検知位置（ｌ）に至ると、検知ユニット１０に対して、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１が強く作用する。また、磁石８ａの下向きのＮ極の着磁面が広いため、磁石８ａの中心部において、下向きの磁界強度が強くなる。そのため、可動部５と操作部６が中立検知位置（ｎ）に至ったときは、検知ユニット１０に対して、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１と、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２とがほとんど作用しない。

図２に示す磁界発生部７ならびに図３に示す磁界発生部８では、下向きの磁界強度が強くなる領域が、可動部５の移動方向である（＋）−（−）方向の広い範囲で設定されている。そのため、中立検知位置（ｎ）において、検知ユニット１０に対して、第１の方向（＋）に向く磁界成分Ｈ１と、第２の方向（−）に向く磁界成分Ｈ２とがほとんど作用しない領域を、（＋）−（−）方向の広い範囲にわたって設定することができる。

よって、検知ユニット１０が中立検知位置（ｎ）に位置している状態を、検知ユニット１０によって、高い信頼性の下で検知できるようになる。

図４に示すように、磁気検知部である検知ユニット１０は、ＩＣパッケージ１１の上面１１ａに、一対の第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）と、一対の第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）、ならびに４個の固定抵抗素子Ｒが薄膜形成プロセスによって搭載されている。

図５に、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）と第２の磁気抵抗効果素子（−）の素子構造１５が示されている。磁気抵抗効果素子の素子構造１５は、複数の素子部１６が互いに平行に形成され、個々の素子部１６の左右端部が、接続電極１７ａ，１７ｂによって２個ずつ接続されている。さらに、図示上下両端部に位置する素子部１６に引き出し電極１８ａ，１８ｂが接続されている。よって、各素子部１６は直列に接続され、ミアンダ型パターンが構成されている。

前記素子構造１５は、前記素子部１６の長手方向が第１の方向と第２の方向すなわち（＋）−（−）方向に向けられており、図５の紙面と平行に示されている素子部１６の表面が、図２と図３において図示上向きとなり、磁石７ａ，７ａｂの磁極（Ｎ極）または、磁石８ａの磁極（Ｎ極）に対面している。

図６と図７に、素子部１６の断面構造が実施の形態別に示されている。
図６と図７に示すように、素子部１６は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）であり、固定磁性層１６ａと自由磁性層１６ｂ、ならびに固定磁性層１６ａと自由磁性層１６ｂとの間の非磁性導電層１６ｃを有している。図６と図７では、自由磁性層１６ｂを覆う保護層などの図示が省略されている。

固定磁性層１６ａはＣｏ−Ｆｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成され、自由磁性層１６ｂは、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。非磁性導電層１６ｃはＣｕ（銅）などである。

図６に示す素子部１６では、図示を省略するが、固定磁性層１６ａの下にＩｒ−Ｍｎ合金（イリジウム−マンガン合金）などの反強磁性材料で形成された反強磁性層が接合されており、反強磁性層と固定磁性層１６ａとの反強磁性結合によって、固定磁性層１６ａの磁化の方向が固定されている。

図６（Ａ）に示される素子部１６は、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）であり、固定磁性層１６ａの磁化の固定方向Ｐａが第２の方向（−）へ向けられている。図６（Ｂ）に示される素子部１６は、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）であり、固定磁性層１６ａの磁化の固定方向Ｐｂが第１の方向（＋）へ向けられている。

図６（Ａ）に示す第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）では、図６（Ｃ）に示すように、素子部１６に作用する外部磁界が中点Ｏを超えて第１の方向（＋）へ向けられ、第１の方向（＋）への外部磁界の強度がＨｉｎを超えると、自由磁性層１６ｂの磁化が第１の方向（＋）へ向けられて、素子部１６の電気抵抗が高くなる。

図６（Ｂ）に示す第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）では、図６（Ｄ）に示すように、素子部１６に作用する外部磁界が中点Ｏを超えて第２の方向（−）へ向けられ、第２の方向（−）への外部磁界の強度がＨｉｎを超えると、自由磁性層１６ｂの磁化が第２の方向（−）へ向けられて、素子部１６の電気抵抗が高くなる。

図７に示す素子部１６はいわゆるセルフピン構造を採用した巨大磁気抵抗効果素子である。

図７（Ａ）に示す素子部１６は、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）であり、安定状態では、固定磁性層１６ａの磁化と自由磁性層１６ｂの磁化が共に第２の方向（−）へ向けられている。図７（Ｃ）に示すように、素子部１６に作用する外部磁界の向きが中点Ｏを超えて第１の方向（＋）となり、第１の方向（＋）への外部磁界の強度がＨｉｎを超えると、自由磁性層１６ｂの磁化が第１の方向（＋）へ向けられて、素子部１６の電気抵抗が高くなる。

図７（Ｂ）に示す素子部１６は、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）であり、安定状態では、固定磁性層１６ａの磁化と自由磁性層１６ｂの磁化が共に第１の方向（＋）へ向けられている。図７（Ｄ）に示すように、素子部１６に作用する外部磁界の向きが中点Ｏを超えて第２の方向（−）となり、第２の方向（−）への外部磁界の強度がＨｉｎを超えると、自由磁性層１６ｂの磁化が第２の方向（−）へ向けられて、素子部１６の電気抵抗が高くなる。

固定磁性層１６ａと自由磁性層１６ｂの磁化を平行状態で安定させるのは、例えば、非磁性導電層１６ｃの膜厚を制御することで設定可能である。

図８（Ａ）に第１のスイッチ回路２１が、図８（Ｂ）に第２のスイッチ回路２２が示されている。これらのスイッチ回路２１，２２は、図４に示すように、ＩＣパッケージ１１の上面１１ａに薄膜工程で形成された第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）と第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）ならびに固定抵抗素子Ｒと、ＩＣパッケージ１１に収められた電子素子とで構成されている。

第１のスイッチ回路２１は、第１の検知部２３を有している。第１の検知部２３は、一対の第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）と一対の固定抵抗素子Ｒとでブリッジ回路が構成されている。第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）と固定抵抗素子Ｒとの間の２つの中点電位が差動アンプ２４に与えられて差動出力が得られる。この差動出力がシュミットトリガー回路２５に与えられる。

第２のスイッチ回路２２は、第２の検知部２６を有している。第２の検知部２６は、一対の第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）と一対の固定抵抗素子Ｒとでブリッジ回路が構成されている。第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）と固定抵抗素子Ｒとの間の２つの中点電位が差動アンプ２７に与えられて差動出力が得られる。この差動出力がシュミットトリガー回路２８に与えられる。

図２ならびに図３に示すように、可動部５と操作部６が第２の検知位置（ｌ）へ移動すると、第１の検知部２３に対して第１の方向（＋）へＨｉｎを超える強度の外部磁界が与えられ、図６（Ｃ）または図７（Ｃ）に示すように、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋）の抵抗値が増大する。その結果、図９（Ａ）に示すように、第１のスイッチ回路２１の第１の出力Ｓ１がＬからＨすなわち非検知出力から検知出力に切り替えられる。一方、第２のスイッチ回路２２の第２の出力Ｓ２はＬのままである。

図２ならびに図３に示すように、可動部５と操作部６が第１の検知位置（ｒ）へ移動すると、第２の検知部２６に対して第２の方向（−）へＨｉｎを超える強度の外部磁界が与えられ、図６（Ｄ）または図７（Ｄ）に示すように、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（−）の抵抗値が増大する。その結果、図９（Ｂ）に示すように、第２のスイッチ回路２２の第２の出力Ｓ２がＬからＨすなわち非検知出力から検知出力に切り替えられる。一方、第１のスイッチ回路２１の第１の出力Ｓ１はＬのままである。

また、図２と図３に示すように、可動部５と操作部６が中立検知位置（ｎ）へ移動すると、第１の抵抗効果素子Ｒ（＋）と第２の抵抗効果素子Ｒ（−）に第１の方向（＋）に向かう磁界成分Ｈ１と第２の方向（−）に向かう磁界成分Ｈ２のいずれもがほとんど作用しなくなり、第１のスイッチ回路２１の第１の出力Ｓ１と第２のスイッチ回路２２の第２の出力Ｓ２の双方がＬすなわち非検知出力となる。

なお、図８に示す回路では、第１のスイッチ回路２１に差動アンプ２４とシュミットトリガー回路２５が、第２のスイッチ回路２２に差動アンプ２７がそれぞれ設けられている。ただし、スイッチ回路に１個の差動アンプと１個のシュミットトリガー回路が設けられ、第１の検知部２３と第２の検知部２６の出力が交互に切り替えられて、共通の差動アンプとシュミットトリガー回路へ与えられてもよい。

図１に示す磁気検知式スイッチ１では、図１０に示すように、操作部６が第１の検知位置（ｒ）にあるときは、第１の出力Ｓ１がＬで第２の出力Ｓ２がＨとなり、第２の検知位置（ｌ）にあるときは、第１の出力Ｓ１がＨで第２の出力Ｓ２がＬとなる。中立検知位置（ｎ）にあるときは、第１の出力Ｓ１と第２の出力Ｓ２が共にＬとなる。

このように、最少の素子数と最少の磁界発生部により、３か所のポジションの検出が可能になる。

１，１Ａ，１Ｂ 磁気検知式スイッチ
２ 基板
５ 可動部
６ 操作部
７ 磁界発生部
７ａ，７ｂ 磁石
８ 磁界発生部
８ａ 磁石
１０，１０Ａ，１０Ｂ 検知ユニット
１５ 素子構造
１６ 素子部
２１ 第１のスイッチ回路
２２ 第２のスイッチ回路
２３ 第１の検知部
２６ 第２の検知部
２４，２７ 作動アンプ
２５，２８ シュミットトリガー回路
Ｒ（＋） 第１の磁気抵抗効果素子
Ｒ（−） 第２の磁気抵抗効果素子
Ｒ 固定抵抗素子
Ｓ１ 第１の出力
Ｓ２ 第２の出力
Ｓ３ 出力
（ｒ） 第１の検知位置
（ｌ） 第２の検知位置
（ｎ） 中立検知位置

Claims (2)

1. 固定部と可動部の一方に磁界発生部が、他方に磁気検知部が設けられた磁気検知式スイッチにおいて、
   前記可動部は、中立検知位置と、前記中立検知位置から第１の方向へ移動した第１の検知位置と、前記中立検知位置から第１の方向と逆向きの第２の方向へ移動した第２の検知位置へ移動可能であり、
   前記磁気検知部は、第１の磁気抵抗効果素子を有して第１の方向の磁界の強度が所定値を超えたときに検知出力を得る第１の検知部と、第２の磁気抵抗効果素子を有して第２の方向の磁界の強度が所定値を超えたときに検知出力を得る第２の検知部とを有しており、
   前記磁界発生部には、対を成す磁石が前記可動部の移動方向へ並んで、それぞれの磁石は同じ磁極が前記磁気検知部との対向方向へ向けられて、前記可動部が第１の検知位置に移動したときに、前記第２の検知部に対して、第２の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与え、第２の検知位置に移動したときに、前記第１の検知部に対して、第１の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与え、中立検知位置へ移動したときに、前記第１の検知部と前記第２の検知部のいずれに対しても、第１の方向と第２の方向へ前記所定値を超える強度の磁界を与えないことを特徴とする磁気検知式スイッチ。
2. 前記第１の磁気抵抗効果素子は、第１の方向の磁界の強度が前記所定値を超えたときに自由磁性層の磁化方向が第１の方向へ向けられ、
   前記第２の磁気抵抗効果素子は、第２の方向の磁界の強度が前記所定値を超えたときに自由磁性層の磁化方向が第２の方向へ向けられる請求項１記載の磁気検知式スイッチ。

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