JPS646567B2

JPS646567B2 -

Info

Publication number: JPS646567B2
Application number: JP5105179A
Authority: JP
Inventors: Susumu Ito; Nobuyuki Hayama
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-04-24
Filing date: 1979-04-24
Publication date: 1989-02-03
Also published as: JPS55141824A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、情報をデジタル的に検出するスイ
ツチ素子に関するものである。

スイツチ素子としては、電力を断続するための
ものと、情報を検出判定するためのものの２種が
使われているが、この発明は後者に属し電力伝送
には与らないが情報の伝送に関与するものであ
る。このような種類のスイツチ素子としては、従
来よりリードスイツチが多用されて来ている。し
かし、接点の劣化や機械的振動による不安定性の
ために、信頼度及び寿命に大きな欠点を持つてい
た。これを解決するために接点を無くした所謂、
無接点スイツチが提案され、多種多様のスイツチ
素子が開発されたが、リードスイツチほどの単純
な形態のものが無く、無接点スイツチの利点を生
かしきれなかつた。例えば高周波発振器が必要で
あるとか、発光ダイオードが必要であるとか、特
別に設計された加圧機構と特殊合成樹脂との組合
せが必要であるとかいつた煩わしさがあつた。

リードスイツチのような永久磁石と接点といつ
た簡単な構成を生かすべく最近永久磁石と磁場検
出素子及び駆動検出回路を組合せた無接点スイツ
チが提案された。これは磁気抵抗効果やホール効
果を使つた磁場検出素子からの出力が微弱なため
駆動検出回路でその出力を検出増巾し、波形整形
してデイジタル的に出力するものである。リード
スイツチとほぼ同じ構成であるため極めて簡単な
形態をしているのであるが、出力端子と２つの電
源端子から成る少くとも３端子が必要となるため
に、リードスイツチの置き代えは無理であるだか
りでなく、配線が複雑になり、例えばプリント基
板等を用いると多層配線が要求される原因となつ
ている。また２端子のものとしては前述の磁気抵
抗効果素子が該当するがこの素子単独では磁場に
よる抵抗の変化量が少なく、十分な出力を取り出
すことが出来ないためにスイツチ素子としては誤
動作の原因となり、不適格である。このようにリ
ードスイツチのような簡単な形態を持ち、しかも
２端子素子であるような信頼性・寿命に優れたス
イツチ素子は広く待望されていたにもかかわらず
市場に出てはいない。

この発明は、上述のような要請と従来のスイツ
チ素子の欠点を補うべく案内されたもので、その
目的とするところは、信頼性・寿命に優れたしか
も簡単な形態を持つ２端子型のスイツチ素子を提
供することにある。

この発明は磁場発生体と磁場検出素子及び、こ
の磁場検出素子に電流を供給する手段と、前記磁
場、検出素子の出力を検出し増巾しデイジタル化
する増巾変換部と、この増巾変換部の出力により
インピーダンスがデイジタル的に変化する出力部
とを有する駆動検出回路とにより構成され、前記
磁場検出素子と前記駆動検出回路とが全体で２端
子素子となつており、前記磁場発生体からの磁場
の作用に前記磁場検出素子が感応してその出力が
前記増巾変換部でデイジタル信号に変換され、出
力部でインピーダンスがデイジタル的変化をする
ようになつているスイツチ素子であり、前記駆動
検出回路が広い電源電圧の変動に対し正規動作を
行うような構成になつていることが特徴である。

以下この発明について図面を参照して説明す
る。第１図ａは、この発明の原理図を示したもの
で、本発明によるスイツチ素子の本体１と磁場発
生体（図では永久磁石）４とが適当な移動手段
（図示せず）によつて互に相対運動ができるよう
に保持され、本体１は、磁場発生体４から生じる
磁場５の中に置かれると、端子２及び３間のイン
ピーダンスが変り、図でｙ方向に相対運動をする
とき図に示したような結線をすると、Voで示し
た本体１の２端子間電圧は前記インピーダンス変
化と共に同図ｂに示したようにデイジタル的に変
化する。当然の事ながら、この時に流れる電流Io
も同時にデイジタル的に変化するが、増減の方向
が逆転し同図ｃのようになる。さらに、本体１の
中に組込まれている駆動検出回路中にヒステリシ
ス付加回路（必ずしも必要ではない）が組込まれ
ていると、前記２端子間のインピーダンス変化に
もヒステリシスがつつき、同図ｂの実線と点線で
示したようにｙ方向の移動に対し、前記電圧Vo
（従つて電流Io）にもヒステリシスが付加される。
これは電気的雑音や、本体１と磁場発生体４との
位置の機械的微小振動等による誤動作を大巾に低
減するものであり、実用上極めて有用な機能であ
る。後述の第４図ａ，ｂ，ｃ及びｄのような回路
構成をとつたとき、第１図ａの構成で電源Ｅを
5Vとし、Roを2KΩとすると電位Voの変化は低
電位Vl＝3.0V（本体１のインピーダンスZl3.0K
Ω）及び高電位Vh＝4.5V（本体１のインピーダン
スZh20KΩ）以上になつた。

第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ及びｆは第１図ａで
示した磁場発生体４と本体１に内蔵されている磁
場検出素子１１との関係を模式的に示したもの
で、第２図ａ，ｃ及びｅは磁場発生体４が電流Ｉ
の流れているコイル４１より構成される場合、同
図ｂ，ｄ及びｆは永久磁石４２より構成される場
合を示す。磁場検出素子１１としては強磁性磁気
抵抗効果素子（以下単にMR素子と略称）、半導
体磁磁気抵抗効果素子ホール（Hall）効果素子
等が適し特にこれらの素子は、例えばD.A.
Thompson，L.T.Romankiw及びA.F.Mayadas
氏によつてIEEETransactions on Magnetics，
vol.MAG−11，No.４、（1975年）1039乃至1050頁
に発表された論本“Thin Film
Magnetoresistorsin Memory，Storage，and
Related Applica―tions”にもある如く、薄膜で
形成されたものが適する。すなわち、第２図ａ及
びｂはこの発明の第１の実施例を示し磁場検出素
子１１が基板１４上に薄膜で形成されたMR素子
１２及び端子１３により構成され、第２図ｃ及び
ｄはこの発明の第２の実施例を示し磁場検出素子
１１が基板６４上に薄膜で形成された半導体磁気
抵抗効果素子６２及び端子６３により構成され、
第２図ｅ及びｆはこの発明の第３の実施例を示し
磁場検出素子１１が基板７４上に薄膜で形成され
たホール効果素子７２、電流端子７３、ホール電
圧出力端子７５により構成され、それぞれの実施
例に於いて、磁場検出素子１１と磁場発生体４１
又は４２とは適当な移動手段（図示せず）によつ
て相対運動（図ではｙ方向の移動）をするように
なつている。

先ず、この発明の第１の実施例に用いられる、
MR素子について第２図ａ及びｂを用いて説明す
る。前記引用文献にもある如くMR素子１２の電
気抵抗ｒは、その中を流れる電流ｉとMR素子自
身の磁化Ｍのなす角をθとするとｒ＝ro−△rosin²〓 ……(1) の形で変化する。ここでroは電流ｉと磁化Ｍが平
行なるときの抵抗を、ro−△roは直交するときの
抵抗を表わす。△ro／roの値は室温で数％オーダ
ーでMR素子の組成によつて変わる量であるが主
として用いられる材料では１〜６％程度である。
従つてMR素子１２から成る磁場検出素子１１を
図のように磁場発生体４１又は４２の中心に向つ
て移動させると磁力線４３の方向は、ｙ方向から
ｚ方向へと90゜回転しさらに移動させると180゜回
転する。

この時、MR素子１２に加わる磁場の大きさ
が、MR素子１２の膜面に平行な成分として（垂
直な成分は強磁場が加わらない限り問題とならな
い。）異方性磁場の大きさと同程度（後述のよう
な形状と組成では約30ガウス程度）かもしくはそ
れを越すならばMR素子１２の磁化Ｍは磁場発生
体４１又は４２からの磁力線５の方向に沿つて変
化するので、上述の例では、ｙ方向の移動で90゜
からさらには180゜回転する。しかしMR素子１２
を流れる電流ｉの方向は一定しているので電気抵
抗は、(1)式に従つて変化する。MR素子１２が磁
場発生体４１又は４２から十分遠方にあるときは
自らの形状異方性によつてMR素子１２の長手方
向に磁化Ｍがそろつている（図のような細長いス
トライプパターンではｙ方向にそろつている）の
で、長手方向に対し、垂直な磁場が加わるにつれ
て磁化Ｍが回転し(1)式に従つて電気抵抗が変化す
る。なお、MR素子１２の磁化Ｍを回転させるこ
とが、この磁場検出素子１１の必要条件であるの
で、この条件を満たすかぎり磁場発生体４と磁場
検出素子１１の相対運動は直線運動に限らず、回
転運動を含む一般的な曲線運動であつても本発明
の効果が発揮される。

次に、この発明の第２の実施例について第２図
Ｃ及びｄを参照して説明する。基板６４上に形成
された薄膜半導体磁気抵抗効果素子６２は端子６
３から供給される電流ｉ（図ではｙ方向）に対し、
垂直な磁場Ｂ（図ではｚ方向）が加わると端子６
３間の電気抵抗r′は、磁場の無い時の値ro′を規準
にして△r′＝r′−ro′とおくと、周知の如くその変
化量は、 △r′／ro′＝ξB² ……２なる形で表わされる。ξは、半導体磁気抵抗効果
素子６２の電気的性質（主として易動度）及び形
状によつて決る定数である。一例として後述のよ
うな半導体磁気抵抗効果素子を用いると ξ＝1.9×10^-8／Gauss²となり磁場発生体４１
又は４２の真上に位置した時1000ガウスの磁場が
半導体磁気抵抗効果素子６２に垂直（図ではｚ方
向）に加わつたとすると、△r′／ro′は1.9％に達
する。なお(2)式から明らかなように△r′／ro′は
B²に比例するので、半導体磁気抵抗効果素子６
２が磁場発生体４１又は４２の真上から移動する
とＢの減少と共に急激に小さくなるため、その移
動距離は、磁場発生体４１又は４２の外形寸法と
同程度で十分である。第１の実施例と同様、磁場
発生体４１又は４２と磁場検出素子１１との相対
運動は直線運動に限るものではない。

磁場検出素子１としてホール効果素子７２を用
いた第３の実施例について第２図ｅ及びｆを参照
して説明する。基板７４上に形成された薄膜ホー
ル効果素子７２は端子７３から供給される電流
i″（図ではｙ方向）に対し、垂直な磁場Ｂ（図では
ｚ方向）が加わつた時端子７３間の略中央に設け
られた出力端子７５間にホール電圧V_Hが発生し
その大きさは、周知の如く、 V_H＝−R_H・i″B／ｄ・ｆ ……(3) で与えられる、ここでR_Hはホール効果素子７２
中を流れる電子の密度で定まる定数であり、ｄは
ホール効果素子７２の膜厚を、そしてｆはホール
効果素子の形状（長さと巾）により定まる１に近
い定数である。(3)式でも明らかなようにホール電
圧V_Hは、磁場Ｂの方向によつてその符号が変わ
ることを利用して、第２図ｅ及びｆのように、磁
場発生体４１又は４２の近くを移動（ｙ方向）す
るとき、ｚ方向の磁場Ｂが−ｚ方向から＋ｚ方向
（或いはその逆）に変化するような構成が有利で
ある。一例として後述のようなホール効果素子を
用いると、i″＝100μA、Ｂ＝3000ガウス、ｄ＝
3μm、R_H＝200cm²／ＣのものではV_H＝2mVとな
る。第１及び第２の実施例と同様、磁場発生体４
１又は４２と磁場検出素子１１の相対運動は直線
運動に限るものではない。

第３図はこの発明に使われる本体１の構造を模
式的に示したもので、磁場検出素子１１と駆動検
出回路２８がハイブリツドICとして形成され、
樹脂２７によつて一体化され、端子２及び３が外
部端子として出ている。この図では磁場検出素子
１１としてMR素子１２を用いた、第４図ａの構
成を示してあるが、他の実施例も同様であつて、
基板１４が周知のハイブリツドIC技術によつて
抵抗パターン及び配線パターン（図示せず）の形
成されたセラミツク基板２１上に、接着剤で接着
され、さらに増巾器ICチツプ２２、コンパレー
タ−ICチツプ２３、ダイオードチツプ２４、ト
ランジスタチツプ２５及び２６等も、周知の共晶
ボンデイング法でセラミツク基板２１上に固着さ
れ、セラミツク基板２１上の配線パターンと相互
にAlやAuの細線でワイアボンデイングされてい
る。

次に本体１について、特にその中に使われる駆
動検出回路について、その一例である第４図ａ，
ｂ，ｃ及びｄを参照して説明する。同図ａは第１
及び第２の実施例で採用したMR素子又は半導体
磁気抵抗効果素子（両者の電気抵抗をr₁で示す）
を磁場検出素子１１とするもので、駆動検出回路
２８は端子５１と５５及び端子５２と５６を結ぶ
導線３６及び３７よりなる電流供給手段を介し
て、磁場検出素子１１に電流を供給すると共にそ
の抵抗値r₁の変化によつて生じる端子５６の電圧
変化即ち、磁場検出素子１１の出力を検出し、こ
れを増巾デイジタル化する増巾変換部３１及びこ
の出力を受けてインピーダンスがデイジタル的に
変化する出力部３２より構成されている。なお、
端子５５及び５６は本体１内で第２図ａ，ｂ，ｃ
及びｄで示した端子１３及び６３に接続されてい
る。増巾変換部３１の主要部は磁場検出素子１１
の出力を検出し増巾する増巾器A₁（差動増巾器、
この例では演算増巾器）及びこの増巾器出力（ア
ナログ）をデイジタル出力に変換するコンパレー
ターC₁と、増巾器A₁の増巾率を定める抵抗R₈及
びコンパレーターC₁のデイジタル変換にヒステ
リシス特性を持たせるための抵抗R₁₃より構成さ
れている。出力部３２の主要部は、増巾変換部３
１の出力をレベルシフトするダイオードD₁と電
流増巾を行うトランジスタ及びインピーダンスが
デイジタル的に変わる終段トランジスタT₂によ
り構成されている。この発明の特徴である駆動検
出回路２８は端子２，３のみを外部に出してお
り、駆動検出回路２８の全体としての動作は、磁
場発生体４からの磁場作用によつて磁場検出素子
１１の抵抗r₁が変化した時、その電流供給手段で
ある端子５２を介して磁場検出素子１１のアナロ
グ的な電圧変化を検出し、これを一担増巾変換部
３１でデイジタル的な電圧変化に変換し、出力部
３２に入力することによつて、出力部３２のイン
ピーダンスがデイジタル的に変るようになつてい
る。出力部３２のインピーダンスがデイジタル的
に変るため端子２及び３の間のインピーダンスＺ
もデイジタル的に変る。この時の端子２と３の間
の電圧及び電流を高インピーダンスZ_h時をV_h及
びI_h、低インピーダンスZ_l時をV_l及びI_lとすると、
駆動検出回路２８を構成する増巾変換部３１及び
出力部３２にとつて、V_h及びV_l又はI_h及びI_lがそ
れぞれの電源変動値として、それぞれ正規動作範
囲内に入つていることが必要である。さらに、電
流供給手段３６及び３７を介して供給される電圧
又は電流が駆動検出回路２８の前記電源変動によ
つて変化したとしても、前記磁場発生体４との相
対的移動によつて生じた磁場検出素子１１の出力
変化が増巾変換部３１のデイジタル出力を反転し
出力部３２のインピーダンスを反転し全体とし
て、駆動検出回路２８の出力、即ちインピーダン
スを変更できる能力を持つていることが必要であ
る。

以上のような条件を実現するには、増巾器A₁
及びコンパレーターC₁の正規動作電源範囲の広
いもの（特に低電圧でも正規動作するもの）を選
ぶと同時に、磁場検出素子１１の出力もこのよう
な電源電圧の変動に対して十分大きな値を出し得
ることが必要である。さらにZ_hとZ_lの比を大きく
する目的には、磁場検出素子１１及び増巾変換部
３１の消費電流を極力小さくし、両者の実効的な
インピーダンスが出力部３２の実効的なインピー
ダンスより大きいことが必要である。なお、この
ような磁場検出素子１１及び、駆動検出回路２８
に対する要件は、以下に述べる第４図、ｂ，ｃ及
びｄの場合についても全く同様である。

第４図ｂは、磁場検出素子１１としてMR素子
又は半導体磁気抵抗効果素子を２個用いた場合
（それぞれの電気抵抗をr₁及びr₄で示す。）の本体
１の構成を示すものであり、第４図ａの場合と構
成及び動作は殆んど同じであるが、違う所は同じ
磁場の変化に対し端子５１と５５，５２と５６，
５３と５７，及び５４と５８を介して電流供給手
段３６，３７，３８及び３９により駆動される磁
場検出素子１１の出力が増巾変換部３１の増巾器
A₁（差動増巾器、この例では演算増巾器）の差動
入力端子２及び３に互に反対の電圧変化として入
力され増巾器A₁の出力が倍増するため信頼度が
増すことである。なお、このような磁場検出素子
１１の構成は例えば第５図ａ又はｃのようなもの
が適する。すなわち、同図ａは基板１４の上に薄
膜で形成された細長いストライプ状のMR素子１
５及び１６とそれぞれの両端の端子１３（これら
は、本体１内でそれぞれ端子５５，５６，５７及
び５８に接続されている。）より成り、MR素子
１５及び１６の中を流れる電流方向が、MR素子
の長手方向で互に平行になるようになつている。

また、同図ｃは基板６４上に薄膜で形成された
細長いストライプ状の半導体磁気抵抗効果素子６
５及び６６とそれぞれの両端の端子６３（これら
は本体１内でそれぞれ端子５５，５６，５７及び
５８に接続されている。）より成り、半導体磁気
抵抗効果素子６５及び６６中を流れる電流方向
は、半導体磁気抵抗効果素子の膜面と長手方向に
平行になつている。

第４図ｃは磁場検出素子１１としてMR素子を
４個用いた場合（それぞれの電気抵抗をr₁，r₂，
r₃及びr₄で示す。）の本体１の構成を示すもので
あり、第４図ａ及びｂの構成と動作は殆んど同じ
であるが、相違点は端子５１と５５，５４と５８
を介して電流供給手段３６及び３９に接続された
磁場検出素子１１の出力が端子５６と５２，５７
と５３を結ぶ導線８１及び８２を介して増巾器Ａ
（差動増巾器、この例では演算増巾器）の差動入
力端子に入力されていることで、しかも磁場検出
素子１１は第５図ｂに示すように基板１４上に薄
膜で形成された細長いストライプ状のMR素子１
７，１８，１９及び２０から成り、隣接するもの
同志でそれぞれの長手方向が直交するようにブリ
ツジ状に配置され、端子１３（これらは本体１内
で、それぞれ端子５５，５６，５７及び５８に接
続されている。）は各MR素子を相互に接続する
と共に電流供給手段との接続端子及び出力端子と
もなつていることである。MR素子１７，１８，
１９及び２０の抵抗はそれぞれ第４図ｃのr₁，
r₂，r₃及びr₄に相当し、各MR素子の磁化Ｍが磁
場発生体４からの磁場の方向に沿つて回転するな
らば、各MR素子を流れる電流ｉの方向が隣接す
るもの同志互に90゜づつ異なるため(1)式からもわ
かるように抵抗変化は互に逆になり結局r₁の抵抗
が増大（減少）するとき、r₂及びr₃は減少（増
大）し、r₄は増大（減少）する。

このようなMR素子r₁，r₂，r₃及びr₄による構
成（ブリツジ構成）は、端子５６及び５７より取
り出される電圧変化即ち出力が倍増する利点と、
第５図ｂより明らかに４個のMR素子１７，１
８，１９及び２０を同時に形成することができる
ので各抵抗値r₁，r₂，r₃及びr₄のバラツキが少な
く、従つてオフセツト電圧が小さくなる利点と、
各MR素子の温度変化による出力の温度ドリフト
も少なくできるという利点とを併せ持つ。

第４図ｄは磁場検出素子１１として第５図ｄに
示すような基板７４上に薄膜で形成された端子７
３及びホール電圧端子７５を有するホール効果素
子７２を用いた場合を示したもので端子５１と５
５及び５４と５８を結ぶ電流供給手段３６及び３
９を介して、端子７３に電流が供給されホール効
果素子７２に電流が流れこの時端子７５間に生じ
るホール電圧を出力として端子５６と５２，５７
と５３を結ぶ導線８１及び８２を介して増巾器
（差動増巾器、この例では演算増巾器）A₂及びA₃
の正相入力端子に入力され、各増巾器の出力をさ
らに増巾器A₄（演算増巾器）に入力され、その出
力をコンパレーターC₁に入力している。増巾器
A₂，A₃及びA₄及びコンパレーターC₁により構成
される増巾変換部３１及び出力部３２の動作は前
述の第４図ａ，ｂ及びｃで述べた例と同様であ
る。

次に第４図ａ，ｂ，ｃ及びｄに示した回路の具
体的定数の一例について述べる。第４図ａに於い
てR₃＝R₄＝200KΩ、R₇＝R₁₂＝3MΩ、R₈＝10M
Ω、R₉＝2KΩ、R₁₀＝R₁₁＝2.5MΩ、R₁₃＝13M
Ω、R₁₄＝500KΩ、R₁₅＝3.1KΩ、とし、レベル
シフト用ダイオードD₁及び準ダーリントン
（quasi Darli―ngton）接続となつているトラン
ジスタT₁及びT₂として1S1300、2SC68及び
2SA544（各NEC製）をそれぞれ採用し、増巾器
A₁及びコンパレーターC₁としては、正規動作電
圧が３〜30Vと広い範囲を有する小消費電流（抵
抗R₇及びR₁₂により調節され、この例では各
15μA程度）演算増巾器μPC153（NEC製）を用い
た。磁場検出素１１の特性に合せてMR素子を用
いる場合は(1)式で与えられるr₀に相当する抵抗r₁
を200KΩ、R₂＝198KΩとし、半導体磁気抵抗効
果素子を用いる場合は(2)式で与えられるr₀′に相
当する抵抗r₁を198KΩ、R₂＝200KΩとし、前記
相対運動によつて磁場検出素子１１が磁場発生体
４に接近し、加えられる磁場Ｂが変化した時、前
者のMR素子の場合では、その中を流れる電流ｉ
に直交するような磁場Ｂによつてその抵抗値r₁が
次第に減少し、その変化量が1.24％以上、つま
り、197.8KΩ以下になつた時（後者の場合半導
体磁気抵抗効果素子中を流れる電流i′に直交する
磁場Ｂの増大と共に、その抵抗値r₁′が198KΩか
ら次第に増大し、その変化量が1.16％以上、つま
り200.3KΩ以上になつたとき）、端子２，３間の
電圧の１／２を中心として、およそR₈とR₂の比
で決る増巾率を有する反転増巾器A₁の出力は、
コンパレーターC₁の出力をデイジタル的に高電
圧V_ch（低電圧V_cl）から低電圧V_cl（高電圧V_ch）に
反転するに十分な出力となり、この結果出力部３
２のインピーダンスZ₀は高インピーダンスZ_ph（低
インピーダンスZ_pl）から低インピーダンス（高
インピーダンスZ_ph）にデイジタル的に変化し、
このため、端子２，３間のインピーダンスＺも高
インピーダンスZ_h（低インピーダンスZ_l）から低
インピーダンスZ_l（高インピーダンスZ_h）へデイ
ジタル的に変化する。逆にこのような状態から磁
場検出素子１１が磁場発生体４から離れ磁場Ｂが
小さくなるか、もしくはMR素子に対しては電流
ｉに平行な磁場B′が加えられた時MR素子（半導
体磁気抵抗効果素子）の抵抗r₁は増大（減少）
し、その値が198.3KΩ（199.5KΩ）になつた時、
増巾器A₁は、コンパレーターC₁の出力を反転す
る出力レベルとなり、出力部３２のインピーダン
スZ₀は低インピーダンスZ_pl（高インピーダンス
Z_ph）から高インピーダンスZ_ph（低インピーダン
スZ_pl）に反転し、端子２，３間のインピーダン
スＺも低インピーダンスZ_l（高インピーダンス
Z_ph）から高インピーダンスZ_h（低インピーダンス
Z_l）に反転する。第４図の実施例では、端子２，
３側から見たインピーダンスＺは、出力部３２の
インピーダンスZ₀と増巾変換部３１及び磁場検出
素子１１の合成インピーダンスZ_aとの並列接続と
なつており、Z_aの値は端子２，３間の電圧が変化
することにより若干変動するが、それほど大きな
変化は示さないので、Ｚの変化は主として出力部
３２のインピーダンスZ₀の変化によつて生じる。
従つて、Z_hとZ_lの比を大きくするためには、Z_aを
Z_phやZ_plより大きくなるように設計した方がよい。
この実施例では、Z_a100KΩであり、Z_ph10M
Ω、Z_pl3.1KΩとなつて結局Z_h98KΩ、Z_l
3.0KΩとなつた。

また、この時の端子２，３間の電圧と電流をそ
れぞれV_h、I_h及びV_l、I_lとすると、第１図に示し
た構成でV_h4.9V、I_h50μA、V_l3.0VI_l
1mAであつた。磁場検出素子１１の抵抗値r₁が
ZhからZlへの反転時と逆にZ_lからZ_hへの反転時で
異なるのは、コンパレータC₁の正相入力端子に
R₁₃を介してその出力の一部を正帰還しているか
らである。従つてコンパレータC₁の逆相入力端
子に入力される増巾器A₁からの入力U_aが、Z_h
（Z_l）からZ_l（Z_h）へ反転するに必要な値をU_ah
（U_al）、この反転の直前のコンパレーターC₁の出
力をV_ch（V_cl）とすると、前記V_h（V_l）を用いて U_aj＝V_j／R₁₀＋V_cj／R₁₃／１／R₁₀＋１／R₁₁＋１／R_1
3但しｊ＝ｈ又はｌ(4) で与えられる。Z_h（Z_l）からZ_l（Z_h）に反転する時
の抵抗をr_h（r₁）とすると rj＝R₂／１R₂／R₈・（2U_aj／V_j−１）但しｊ＝ｈ又はｌ (5) となる。もちろんヒステリシスを必要としなけれ
ば、R₁₃を除去すればよく、この場合にはr₁がR₂
より大きい（小さい）領域からr₁＝R₂となり、さ
らに小さく（大きく）なつた時、ＺはZ_hからZ_lに
移る。

第４図ｂの実施例では、磁場検出素子１１とし
て、MR素子を用いる場合(1)式のr₀に相当する値
としてr₁＝r₄＝200KΩ、R₂＝R₃＝198KΩとし、
半導体磁気抵抗効果素子を用いる場合(2)式の
r₀′に相当する値としてr₁＝r₄＝198KΩ、R₂＝R₃
＝200KΩとした。それぞれの場合の動作は第４
図ａの場合と同様である。ただし、反転を起す時
の抵抗値rj（ｊ＝ｌ又はｈ）は第４図ａと同様に rjR₂／１−R₂／R₈（U_aj／V_j−１／２）但しｊ＝ｈ又はｌ (6) となり、MR素子（半導体磁気抵抗効果素子）の
場合、r₁＝r₄＝197.8KΩ以下（200.1KΩ以上）に
なるとZ_h（Z_l）からZ_l（Z_h）に反転し、逆にr₁＝r₄
＝198.1KΩ以上（199.8KΩ以下）になると反転
する。R₁₃の無い従つてヒステリシスの無い場合
は、r₁＝r₄＝R₂＝R₃の時に反転することは第４図
ａの例と同様である。

第４図ｃの実施例では、各MR素子の抵抗を(1)
式のr₀に相当する値としてr₁＝r₂＝r₃＝r₄＝50KΩ
R₅＝R₆＝100KΩ、R₈＝2.5KΩとした他は第４図
ａ及びｂの実施例と同様である。磁場が加えられ
ている時のバランス点は磁場Ｂが極めて弱くな
り、各MR素子の磁化Ｍがそれぞれの形状異方性
によりストライプの長手方向つまり電流ｉの方向
と平行になつている時と、磁場発生体４から生じ
る磁場で、各MR素子の面内にあつて、その大き
さが後述の様なMR素子を用いた場合約30ガウス
以上の磁場Ｂが第４図ｃの磁場検出素子１１中の
r₁に対応するMR素子（例えば第５図ｃの１７の
素子）の中を流れる電流ｉの方向（ストライプの
長手方向）を基準にして角度θ＝45゜だけ傾いて
いるときである。磁場検出素子１１が相対運動に
よつて磁場発生体４に近づき、前記磁場Ｂの方向
がθ0゜の方向から54.5゜（＝Qh）以上回転したとき、
r₁及びr₄の値は49.3KΩ、r₂とr₃の値は49.7KΩと
なりインピーダンスZ_hからZ_lに反転した。逆に前
記磁場Ｂの方向がθ＝45゜を越して、40.2゜（＝θ₁）
になつた時、r₁及びr₄は49.6KΩ、r₂とr₃は49.4K
ΩとなりインピーダンスはZ_lからZ_hに反転した。
θ＝45゜のときのr₁、r₂、r₃及びr₄の抵抗を(1)式よ
りｒ＝r₀−△r₀／２とし、r₁及びr₄が△rhだけ減少（△rlだけ増大）したとき、インピーダンスがZ_h
（Z_l）からZ_l（Z_h）に反転したとすると △rjr₂／2R₈（１＋2R／ｒ）（１／２−U_aj／V_j）但しｊ＝ｈ又はlR＝R₅＝R₆ (7) であり、この時の磁場Ｂの角度θ_jはで与えられる。なお、r₂及びr₄は逆に上述の△rj
だけr₁とr₄が減少するときには増大し、増大する
ときには減少する。R₁₃の無い、従つてヒステリ
シスの無い場合は、上述のブリツジがバランスす
る時、即ちr₁＝r₂＝r₃＝r₄となる時に反転する。

第４図ｄの実施例では、増巾器A₂、A₃及びA₄
として前述のμPC153を用いた。R₁₆＝R₁₇＝15K
ΩR₂₀＝R₂₂＝1MΩ、R₂₁＝100KΩ、R₂₃＝R₂₄＝
100KΩ、R₂₅＝R₂₆＝2MΩ、R₂₇＝1MΩ、R₁₈＝
R₁₉R₂₈＝3MΩとした。磁場検出素子１１中のホ
ール効果素子７２が相対運動によつて磁場発生体
４に近づき、第５図ｄに示した後述のホール効果
素子に加わる垂直な磁場Ｂが1200ガウスを起す
と、端子７５に生じたホール電圧（端子５２と５
３の間の電圧をU₅₂−U₅₃とする）が1.21mV（＝
U_h）以上になつたとき、インピーダンスはZ_hか
らZ_lに反転し、逆向きの磁場Ｂが加わりその大き
さが750ガウスを起すとホール電圧U₅₅−U₅₃が−
0.48mV（＝U_e）以下になり、インピーダンスはZ_l
からZ_hに反転した。なお、この反転電圧U_j（ｊ＝
ｈ又はｌ）は U_j＝U_cj−１／２V_j／R₂₇／R₂₃（１＋2R₂₀／R₂₁） (9) で与えられる。R₁₃の無い、従つてヒステリシス
の無い場合は、U₅₂−U₅₃＝０となる時に反転す
る。なお、この時のZ_hは第４図ａ，ｂ及びｃの場
合やや小さくなり約20KΩとなつた。

またこの時に流れる電流I_hは約0.23mA、電圧
V_hは約4.55Vであつた。

本発明に使用される磁場発生体４として第２図
にはコイル４１及び永久磁石４２を挙げた。永久
磁石の材料としては、周知のもの、例えば、バリ
ウムフエライトで代表されるような高保磁力フエ
ライト類、又はこのようなフエライトの粉末を樹
脂で固めたもの、希土類とコバルトの合金やアル
ニコ等で代表されるような、Fe、Ni、Co等を含
む高保磁力合金等が適し、さらに磁場５を強くす
るためにコイル４１内や永久磁石４２の上に軟鉄
やパーマロイ等で代表される高透磁率磁性材料を
配置したものも使われる。

次に磁場検出素子１１の具体的な一例について
述べる。第２図ａ及びｂ、第４図ａ，ｂ、及び
ｃ、第５図ａ及びｂに示したMR素子の一例とし
ては表面の滑らかなSi単結晶板やガラス板等を基
板１４としMR素子となるNi82％Fe18％の組成
を持つ膜厚500Åの薄膜を次いでAu薄膜（膜厚
3000Å）をそれぞれ蒸着により形成し、フオトレ
ジスト及びエツチング液を用いて第５図ａ又はｂ
のように巾20μm、長さ1000mmのストライプ状に
形成し、Au薄膜を残した部分は、端子１３とし
た。このような形状で抵抗は、約200KΩ（第５
図ｃの場合は長さ250mmのものを４個使用し各
50KΩとした。）となつており、(1)式の△ｒ／r₀
に相当する値は流れる電流ｉの方向、即ち、スト
ライプの長手方向に対し、垂直な磁場Ｂが30ガウ
ス以上になると2.0％以上の変化を示し、(5)、(6)
及び(7)の条件を満した。なお、MR素子の組成と
しては上述の他、Ni―Co合金をはじめ、Ni、
Fe、Co等を主成分とする合金薄膜が適する。

第２図ｃ及びｄ、第４図ａ及びｂ、第５図ｃに
示した半導体磁気抵抗効果素子としては表面の滑
らかなガラス板、Si単結晶板等の基板１４上に蒸
着及び引続く熱処理によつて形成された、厚さ
3μmのInSb多結晶膜を次いでIn薄膜（薄厚3μm）
を蒸着により形成しフオトレジスト及びエツチン
グ液で第５図ｃのように巾10μm、長さ100mmのス
トライブ状（第５図Ｃの６５又は６６一本に相
当）に形成し、In薄膜の残した部分を端子６３と
した。このような形状では抵抗が１日につき約
198KΩとなつており、InSb膜面に垂直な磁場Ｂ
が1000ガウスで(2)式に相当する△r′／r₀′の値は
1.9％となり、620ガウス以上の磁場を加えること
により(5)及び(6)の条件を満足する。なお、InSb
薄膜の上述のような製法は、例えばH.H.Wieder
氏によつてSolid State Elec―tronics，vol.9，
No.５，（1966年）373乃至382頁に発表された論文
“Galvanomagnetic Prop―erties of
Recrystalized Dendric InSb Films”によつて
も明らかなように容易に実現できる方法である。
この他、半導体磁気抵抗効果素子としては、
InAs，GaAs等の易動度の大きい材料の薄膜が適
する。特にGaAsについては、Crをドープした高
抵抗GaAs基板上にエピタキシアルに成長させた
厚さ数μmの不純物濃度が10¹⁶cm^-3以下の高純度
GaAsエピタキシアル層を用いると△r′／r₀′の値
を大きくとることができ便利である。

第２図ｅ及びｆ、第４図ｄ、第５図ｄに示した
ホール効果素子としては、前述の半導体磁気抵抗
効果素子に採用した材料及び製法で形成したもの
が適する。前記製法で作られた前述と同様の材料
から成る基板７４上にInSb多結晶薄膜によるホ
ール効果素子７２及びIn薄膜による端子７３及び
７５を形成する。R_H＝200cm³／Ｃのものを得るこ
とは前記文献でも明らかに容易であり、膜厚ｄ＝
3μm、巾ｗ＝100μm、長さ（端子73間）＝１mmの
形にエツチングして電流i″0.15mA（インピーダ
ンスがZ_hの時のホール素子に流れる電流）を流し
た時このホール素子の膜面に垂直な磁場Ｂ＝1200
ガウスに対し端子７５間に生じるホール電圧V_H
は1.21mVとなり(9)式の条件を満足した。なお、
このホール効果素子の抵抗は約190Ωであつた。
ホール効果素子としては、半導体磁気抵抗効果素
子と同様の材料即ちInAsやGaAsの他、Ge、Si等
の単結晶、等にそれぞれが高抵抗ｐ型基板上にエ
ピタキシアルに成長させた、不純物濃度10¹⁶cm^-3
以下のエピタキシアル層を用いることもできる。

なお、第３図は磁場検出素子１１と駆動検出回
路２８が一体となつているものを示しているが、
この発明は、このように一体化されているものに
限られるわけではなく、例えば、磁場検出素子１
１増巾変換部、出力部といつた部分に分れて別々
にパツケージングされ、相互に結線されていても
この発明の効果を得ることができる。

第４図の説明でも明らかなように、第４図の回
路に限らず、この発明は、磁場発生体とこれより
生じる磁場を検出する磁場検出素子とその出力を
検出しデイジタル出力に変換する増巾変換部と、
その出力によりインピーダンスがデイジタル的に
変化する出力部を有するものであればよい。そし
て、この発明によるスイツチング素子は２端子で
あるため、配線の数が少くてすむことはもとよ
り、無接点のスイツチ素子であり、電気的雑音や
機械的微小振動による誤動作もヒステリシスを持
たせることにより、極めて信頼度を高くすること
ができ、広大な用途を有するリードスイツチの応
用分野に置き換え得るものである。特に確実な動
作の要求される情報処理機器やスイツチング時に
生じる雑音をきらう医用電子機器、さらにはリー
ド線の長さが３本以上を有する従来の無接点スツ
チ素子より、長距離をわずか２本のリード線で結
べるリモートセンシング分野等に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の基本構成を示す図でａは
概略斜視図、ｂ，ｃはその動作を示す図、第２図
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ及びｆはそれぞれ磁場発生体
と磁場検出素子の関係を示す概略斜視図、第３図
はこの発明のスイツチ素子本体の構成を示す概略
斜視図、第４図ａ，ｂ，ｃ及びｄはそれぞれ回路
構成の例を示す図、第５図ａ，ｂ，ｃ及びｄはそ
れぞれ磁場検出素子の一例を示す概略斜視図であ
る。１…本体、２，３…端子、４…磁場発生体、５
…磁力線、１１…磁場検出素子、２８…駆動検出
回路、３１…増巾変換部、３２…出力部。

Claims

【特許請求の範囲】１移動手段によつて相対運動が可能なように保
持された磁場発生体と磁場検出素子、及びこの磁
場検出素子に電流を供給する手段と前記磁場検出
素子の出力を検出し増巾しデイジタル化する増巾
変換部と前記増巾変換部の出力によりインピーダ
ンスをデイジタル的に変化させる出力部とを有す
る駆動検出回路とにより構成され、しかも前記磁
場検出素子と前記駆動検出回路とが全体で２端子
素子として構成され、前記移動手段の相対運動に
よつて前記磁場発生体から前記磁場検出素子に作
用する磁場の変化により前記２端子素子の２端子
間のインピーダンスがデイジタル的に変化し、こ
のインピーダンスのデイジタル的変化によつて生
じた前記２端子間の電圧変動もしくは電流変動が
前記駆動検出回路の電源変動に対する正規動作範
囲内となつており、ししかも前記２端子間の電圧
変動に対し、前記磁場検出素子の出力が前記駆動
検出回路のインピーダンスを変更できる能力を有
することを特徴とするスイツチ素子。２前記磁場検出素子が強磁性体磁気抵抗効果素
子、半導体磁気抵抗効果素子又はホール効果素子
のいずれかより特許請求の範囲第１項に記載のス
イツチ素子。３前記駆動検出回路の増巾変換部が差動増巾器
を有する特許請求の範囲第１項に記載のスイツチ
素子。４２端子間のインピーダンスがデイジタル的に
変化するに際し、駆動検出回路がヒステリシスを
有する特許請求の範囲第１項もしくは第３項に記
載のスイツチ素子。５前記駆動検出回路の出力部に準ダーリントン
回路が含まれている特許請求の範囲第１項もしく
は第３項に記載のスイツチ素子。６前記磁場検出素子と駆動検出回路とが一体に
形成されている特許請求の範囲第１項に記載のス
イツチ素子。