JP2014126476A - 位置検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、支点を中心に揺動する磁石の位置を、高精度に検知すると共に、簡便に検知する位置検知装置を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１６の表面１６ａで交差するＸ座標軸とＹ座標軸に規定される位置を検知する位置検知装置１であって、支点１０を中心に揺動する磁石１１と、表面１６ａに形成される２組の磁気センサ１２とを有し、表面１６ａ上側に磁石１１が設けられ、２組の磁気センサ１２が、固定磁性層と、自由磁性層と、非磁性層とからなり、磁石１１から生じる磁束が２組の磁気センサ１２の自由磁性層の磁化を飽和するように設けられ、２組の磁気センサ１２の一方が、磁石１１のＸ座標軸上の位置を検知し、２組の磁気センサ１２の他方が、磁石１１のＹ座標軸上の位置を検知することを特徴とする位置検知装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動する磁石と、磁石から生じる磁束を検知する磁気センサを用いて、磁石の位置を検知する装置に係わり、特に、支点を中心に揺動する磁石の角度位置を検知する位置検知装置に関する。

図１３は、特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置の概略図である。図１４は、図１３に図示するジョイスティック型位置検知装置の回転位置検出部の平面略図である。特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置１００について、以下、図１３および図１４を用いて説明する。

ジョイスティック型位置検知装置１００は、操作レバー（操作軸）１３１を備え、操作レバー１３１が、支点（傾動中心）１１０を中心にして傾動可能に設けられている。操作レバー１３１の先端部に磁石（マグネット）１１１が取り付けられ、磁石１１１に対向するように、４つのホール素子１１２が水平に配置された基板１１６上に固定されている。操作レバー１３１は、その軸線が基板１１６に直交する中立位置を中心にして、傾動可能に固定されている。

４つのホール素子１１２は、操作レバー１３１が中立位置にある際に、操作レバー１３１の軸線まわりに等間隔になるように固定されている。４つのホール素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄのうち１対のホール素子１１２ａ、１１２ｃは、Ｙ−Ｙ軸方向に並んで配置され、残余の１対のホール素子１１２ｂ、１１２ｄは、Ｘ−Ｘ軸方向に並んで配置されている。

操作レバー１３１を中立位置から傾動させると、４つのホール素子１１２からの出力が、ホール素子１１２と磁石１１１との相対位置、すなわち操作レバー１３１の傾動角度に応じて変化する。この出力を検出信号処理回路で処理することにより、特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置１００は、操作レバー１３１の中立位置からの傾動角度を検知している。

特開２００７−３２３８５９号公報

特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置１００においては、図１３および図１４に示すように、磁石１１１と４つのホール素子１１２との相対位置に応じて変化するホール素子１１２の出力を処理することで、操作レバー１３１の中立位置からの傾動角度を検知している。

ところが、ホール素子１１２の出力は、磁石１１１からホール素子１１２への方向と共に、磁石１１１とホール素子１１２との距離に依存する。そして、操作レバー１３１が中立位置から傾動される際には、磁石１１１とホール素子１１２との距離が変化する。そのため、ホール素子１１２の出力は、磁石１１１とホール素子１１２との距離に影響されて、傾動角度に対して線形性が得られないと共に、ばらつきが大きかった。その結果、ホール素子１１２の出力から得られる傾動角度の誤差が大きいという課題があった。

また、特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置１００においては、２つのホール素子１１２の差動出力と、残余の２つの出力、すなわち３つの出力を処理して、操作レバー１３１の中立位置からの傾動角度を検知している。そのため、線形性の悪い３つの出力を処理するために、検出信号処理回路が複雑となると共に、部品点数も多いという課題があった。

本発明の目的は、このような課題を顧みてなされたものであり、支点を中心に揺動する磁石の位置を、高精度に検知すると共に、簡便に検知する位置検知装置を提供することである。

本発明の位置検知装置は、基板の表面に略平行で互いに交差する第１座標軸と第２座標軸とに規定される位置を検知する位置検知装置であって、前記位置検知装置は、支点を中心に揺動する磁石と、前記基板の表面に形成される２組の磁気センサと、を有し、前記基板の表面と間隔を隔てると共に前記基板の表面上側に前記磁石が設けられ、前記２組の磁気センサが、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層と、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置し前記固定磁性層および前記自由磁性層に接触する非磁性層とからなり、前記磁石から生じる磁束が前記２組の磁気センサの前記自由磁性層の磁化を飽和するような範囲に設けられていると共に、前記２組の磁気センサの一方が、前記磁石の前記第１座標軸上の位置を検知し、前記２組の磁気センサの他方が、前記磁石の前記第２座標軸上の位置を検知することを特徴とする。

２組の磁気センサが形成される基板の表面上側で、支点を中心に磁石が揺動する際、磁石から生じる磁束によって、各自由磁性層は、形状磁気異方性により膜厚方向と直交する方向に磁化され易い。そして、２組の磁気センサが基板の表面に形成されているため、各自由磁性層は、基板の表面に平行な方向に磁化され易い。よって、磁石から生じる磁束によって、各自由磁性層は、磁石から各自由磁性層に向く方向を基板の表面に射影した方向に磁化され易い。

磁石から生じる磁束が２組の磁気センサの自由磁性層の磁化を飽和するように磁石が設けられているので、磁石から生じる磁束によって各自由磁性層が磁化された際、その磁化は飽和している。そのため、各自由磁性層の磁化は、磁石から各自由磁性層に向く方向を基板の表面に射影した方向のみに依存する。

２組の磁気センサの電気抵抗は、各固定磁性層の磁化と各自由磁性層の磁化との内積に依存して変化する。そのため、２組の磁気センサの電気抵抗は、磁石から各自由磁性層に向く方向を基板の表面に射影した方向のみに依存して変化する。

そのため、磁石から各自由磁性層に向く方向を基板の表面に射影した方向のみに依存して変化する２組の磁気センサの電気抵抗を用いて、２組の磁気センサの一方が、磁石に対して第１座標軸上の位置を検知し、２組の磁気センサの他方が、磁石に対して第２座標軸上の位置を検知することができる。よって、支点を中心に揺動する磁石の位置を、磁石と磁気センサとの距離に影響されることなく検知できるので、高精度に磁石の位置を検知することができる。

２組の磁気センサの一方が、磁石に対して第１座標軸上の位置を検知し、２組の磁気センサの他方が、磁石に対して第２座標軸上の位置を検知する。このように、磁石に対して第１座標軸上の位置および第２座標軸上の位置そのものを検知するので、磁石の位置を簡便に検知することが可能である。

よって、本発明によれば、支点を中心に揺動する磁石の位置を、高精度に検知すると共に、簡便に検知する位置検知装置を提供することができる。

前記第１座標軸と前記第２座標軸とが互いに直交し、前記２組の磁気センサの一方および前記２組の磁気センサの他方が、それぞれ少なくとも１対の磁気センサからなり、前記２組の磁気センサの一方を構成する前記少なくとも１対の磁気センサが、互いに前記第２座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で前記磁石の反対側に配置されており、前記２組の磁気センサの他方を構成する前記少なくとも１対の磁気センサが、互いに前記第１座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で前記磁石の反対側に配置されていることが好ましい。

２組の磁気センサの一方において、少なくとも１対の磁気センサが、互いに第２座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で磁石の反対側に配置されている。このような態様であれば、２組の磁気センサの一方の電気抵抗は、磁石の第２座標軸上の位置に対して依存性が小さく、磁石の第１座標軸上の位置に依存して変化する。そのため、２組の磁気センサの一方は、磁石の第１座標軸上の位置を検知することができる。

２組の磁気センサの他方において、少なくとも１対の磁気センサが、互いに第１座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で磁石の反対側に配置されている。このような態様であれば、２組の磁気センサの他方の電気抵抗は、磁石の第１座標軸上の位置に対して依存性が小さく、磁石の第２座標軸上の位置に依存して変化する。そのため、２組の磁気センサの他方は、磁石の第２座標軸上の位置を検知することができる。

前記２組の磁気センサの一方および前記２組の磁気センサの他方において、各対の磁気センサが、互いに反平行に磁化された前記固定磁性層を有し、平面視で前記磁石の反対側に配置されると共に、互いに反平行に磁化された前記固定磁性層を有する前記磁気センサが電気的に直列接続され、電気的に直列接続された前記磁気センサの間から中点電位が出力されることが好ましい。

このような態様であれば、２組の磁気センサの一方は、磁石の第１座標軸上の位置によって変化する出力を得ることができる。そして、２組の磁気センサの他方は、磁石の第２座標軸上の位置よって変化する出力を得ることができる。

前記磁石の角座標を、前記第１座標軸上の位置と前記第２座標軸上の位置を用いて算出することが好ましい。このような態様であれば、支点を中心に揺動する磁石の位置を、３次元座標で表わせる。

前記支点が、前記磁石の上面と間隔を設けて、前記磁石の上面側に位置することが好ましい。あるいは前記支点が、前記磁石の内部に位置することが好ましい。このような態様であれば、磁石は、磁石の下面を、２組の磁気センサに向けた状態で、支点を中心に揺動する。そのため、２組の磁気センサの電気抵抗は、磁石の下面から放射状に広がる、あるいは磁石の下面に放射状に集束する磁束によって変化することができる。

前記磁石が、円柱体であり、前記円柱体の中心軸に平行な方向に着磁されていることが好ましい。このような態様であれば、２組の磁気センサに向けられた磁石の面において、磁石から生じる磁束は、その面中心から等方的かつ放射状に広がるか、あるいはその面中心に等方的かつ放射状に集束する。よって、２組の磁気センサの電気抵抗によって、高精度に磁石の位置を検知することができる。

前記支点を中心に前記磁石が揺動するとき、前記磁石の下面の面中心が、平面視において、前記２組の磁気センサの設置領域面内に位置することが好ましい。このような態様であれば、磁石の位置を検知することが可能である。

前記支点を中心に前記磁石が揺動するとき、前記磁石の下面と前記基板の表面とが平行になり得ることが好ましい。磁石の下面と基板の上面とが平行になる状態を中心にして、磁石の位置はより精度良く検知される。よって、このような態様であれば、より広い範囲において、磁石の位置を高精度に検知することができる。

よって、本発明によれば、支点を中心に揺動する磁石の位置を、高精度に検知すると共に、簡便に検知する位置検知装置を提供することができる。

第１の実施形態の位置検知装置の斜視略図である。 第１の実施形態の位置検知装置の平面略図である。 第２図に示すＸ−Ｘ線に沿って切断して矢印方向から視る断面略図である。 磁気センサの平面略図である。 磁気センサの断面略図である。 磁気センサの特性図である。 Ｘ座標検知部とＹ座標検知部のフルブリッジ回路図である。 Ｘ座標検知部の動作説明図である。 Ｘ座標検知部およびＹ座標検知部の出力のシミュレーション結果である。 第１の実施形態の位置検知装置を、ジョイスティック型位置検知装置に用いた説明図である。 第１の変形例のＸ座標検知部とＹ座標検知部のハーフブリッジ回路図である。 第２の実施形態の位置検知装置の斜視略図である。 特許文献１に開示されるジョイスティック型位置検知装置の概略図である。 図１３に図示するジョイスティック型位置検知装置の回転位置検出部の平面略図である。

以下、本発明の実施形態の位置検知装置について図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の位置検知装置の斜視略図である。図２は、第１の実施形態の位置検知装置の平面略図である。図３は、第２図に示すＸ−Ｘ線に沿って切断して矢印方向から視る断面略図である。

位置検知装置１は、図１〜図３に示すように、磁石１１、磁気センサ１２ａ〜１２ｈ、基板１６、および支点１０を有して構成されている。以下、図１〜図３を用いて、位置検知装置１について説明する。

基板１６の表面１６ａに８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈが固定され、表面１６ａと間隔を隔てると共に表面１６ａ上側（Ｚ２方向）に磁石１１が設けられている。磁石１１は、円柱体の形態を有し、円柱体の上下に上面１１ａと下面１１ｂを備える。上面１１ａと下面１１ｂは、互いに平行であり、磁石１１は、均一な厚さ寸法を有している。

磁石１１は、上面１１ａおよび下面１１ｂに直交する方向に着磁されており、たとえば上面１１ａがＳ極に着磁され、下面１１ｂがＮ極に着磁されている。そのため、磁石１１から生じる磁束は、下面１１ｂの面中心１１ｃを通る中心軸１１ｄに対して回転対称であり、下面１１ｂの面中心１１ｃから放射状に周囲に広がり、周囲から上面１１ａの面中心に収束する。

その際、上面１１ａおよび下面１１ｂの平面形状が円形であるので、磁石１１から生じる磁束は、磁石１１を中心にして等方的に広がる。そのため、磁石１１の周囲の各位置の磁束は、下面１１ｂの面中心１１ｃを中心にして、下面１１ｂに平行に描いた円の各位置における法線方向に向き易い。

本実施形態によれば、磁石１１が円柱体の形態を有するとしたが、これに限定されるものではない。平面形状が、楕円、矩形、あるいは多角形などの柱状体であることも可能である。着磁方向は逆も可能であり、上面１１ａをＮ極に着磁し、下面１１ｂをＳ極に着磁することも可能である。

磁石１１の揺動中心である支点１０が、磁石１１の上面１１ａと間隔を設けて、上面１１ａ側に、すなわち上面１１ａに対して磁石１１の下面１１ｂとは反対側に位置している。そして、磁石１１は、磁石１１と支点１０の間の間隔を一定のままに、支点１０を中心にして揺動可動に設けられている。

本実施形態においては、磁石１１の大きさは、上面１１ａと下面１１ｂの半径が１．０〜２．０ｍｍ程度であり、上面１１ａと下面１１ｂの間隔が０．５〜１．５ｍｍ程度である。下面１１ｂと表面１６ａが平行な際において、下面１１ｂと表面１６ａとの距離は、０．５〜２．０ｍｍ程度である。支点１０と面中心１１ｃの距離は、３．０ｍｍ程度以上である。

このように、本実施形態によれば、磁石１１が、基板１６の表面１６ａおよび８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈに接触しないように設けられている。そのため、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈに磨耗が生じることはなく、また、基板１６の表面１６ａに応力が作用することもないので、本実施形態の位置検知装置１は、耐久性に優れる。

基板１６の表面１６ａには、図面中にＸ−Ｘで表示されるＸ座標軸（第１座標軸）と図面中にＹ−Ｙで表示されるＹ座標軸（第２座標軸）が設けられている。Ｘ座標軸とＹ座標軸は、互いに直交するように設けられている。

８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、平面視で、Ｘ座標軸とＹ座標軸の原点Ｏが８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの中心になるように配置される。８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、Ｙ座標軸に平行な方向に間隔を設けて配置されるＸ座標検知部１ａ（図示しない）と、Ｘ座標軸に平行な方向に間隔を設けて配置されるＹ座標検知部１ｂ（図示しない）の２組に分けられる。Ｘ座標検知部１ａは、Ｙ２方向側に磁気センサ１２ａ、１２ｃと、Ｙ１方向側に磁気センサ１２ｂ、１２ｄが、原点Ｏから等しい距離に配置されて構成されている。Ｙ座標検知部１ｂは、Ｘ１方向側に磁気センサ１２ｅ、１２ｇと、Ｘ２方向側に磁気センサ１２ｆ、１２ｈが、原点Ｏから等しい距離に配置されて構成されている。

本実施形態によれば、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｃ、および磁気センサ１２ｂと磁気センサ１２ｄが、図２に示すように、Ｙ座標軸に平行な方向に並べて配置されているが、これに限定されるものではない。磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｃ、および磁気センサ１２ｂと磁気センサ１２ｄが、Ｘ座標軸に平行な方向に並べて配置することも可能である。

本実施形態によれば、磁気センサ１２ｅと磁気センサ１２ｇ、および磁気センサ１２ｆと磁気センサ１２ｈが、図２に示すように、Ｘ座標軸に平行な方向に並べて配置されているが、これに限定されるものではない。磁気センサ１２ｅと磁気センサ１２ｇ、および磁気センサ１２ｆと磁気センサ１２ｈが、Ｙ座標軸に平行な方向に並べて配置することも可能である。

図４は、磁気センサの平面略図である。８つ磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、図４に示すように、複数の素子部２１が互いに平行に形成され、個々の素子部２１の前後端部は、接続電極２８、２９によって２つずつ接続され、さらに、図示上下両端部に位置する素子部２１には引き出し電極３１、３２が接続されている。よって、８つ磁気センサ１２ａ〜１２ｈにおいては、各素子部２１が、直列に接続され、ミアンダ型パターンに構成されている。

図５は、磁気センサの断面略図である。８つ磁気センサ１２ａ〜１２ｈにおいては、図５に示すように、個々の素子部２１が、ウェハ基板２２の上に、反強磁性層２３、固定磁性層２４、非磁性導電層２５、および自由磁性層２６の順に積層されており、自由磁性層２６の表面が保護層２７で覆われている。このように、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子を有して構成されている。

反強磁性層２３は、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ている。固定磁性層２４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ている。非磁性導電層２５はＣｕ（銅）などである。自由磁性層２６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。保護層２７は、Ｔａ（タンタル）の層である。自由磁性層２６の厚さは、２〜４ｎｍ程度であり、素子部２１の平面寸法は、短尺方向の寸法が５０〜３００μｍ程度であり、長尺方向の寸法が５０〜３００μｍ程度である。

素子部２１では、反強磁性層２３と固定磁性層２４との交換結合により、固定磁性層２４の磁化の方向が固定されている。個々の素子部２１では、図４に示すように、固定磁性層２４（図５に図示）の磁化が固定された方向である固定磁化方向３４は、素子部２１の長尺方向と直交している。

磁石１１が支点１０を中心に揺動する際に、図１や図３に示すように、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、磁石１１から生じる磁界内に配置されている。そして、磁石１１が所定の角度位置内で揺動する際に、磁石１１から生じる磁束が、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの自由磁性層２６の磁化を飽和するように、磁石１１の残留磁束密度は充分に大きく設定されている。

そのため、本実施形態においては、磁石１１は、ネオジム磁石や、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石、プラスチック磁石などの大きい残留磁束密度を有するものが好適である。そして、残留磁束密度が、１００〜１５００ｍＴを有するものが選ばれている。

本実施形態では、磁気センサ１２は、巨大磁気抵抗効果素子を有して構成されているとしたが、これに限定されるものではない。磁気センサ１２ａ〜１２ｈは、トンネル効果（ＴＭＲ[Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ]）素子を有して構成されることも可能である。

磁石１１の角度位置は、図１に示す角座標（Θ、Φ）によって表わすことができる。支点１０は、Ｘ座標軸とＹ座標軸の原点Ｏの真上、すなわち８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの中心の真上に設けられている。この原点Ｏを通り、Ｘ座標軸およびＹ座標軸に直交する座標軸をＺ座標軸とする。磁石１１が、支点１０を中心にして揺動する際に、磁石１１の下面１１ｂの面中心１１ｃから、基板１６の表面１６ａにＺ座標軸に平行な垂線を下ろす。この垂線と表面１６ａとの交点１６ｂに、原点Ｏより線分を引き、正側のＸ座標軸からこの線分までの角度をΘとする。そして、支点１０より負側のＺ座標軸から、支点１０から面中心１１ｃに引いた線分までの角度をΦとする。支点１０と面中心１１ｃの間隔の長さをα（図３に図示）とする。よって、磁石１１の下面１１ｂの面中心１１ｃを、磁石１１の位置と定義すると、磁石１１の角度位置を（α、Θ、Φ）で表わすことができる。

磁石１１は、αを一定にして、支点１０を中心にして揺動するので、磁石１１の位置は、支点１０を中心とした半径αの球面上を移動する。そのため、磁石１１が半径αの球面上であって基板１６側にある際には、磁石１１の角度位置は、αの値と角座標（Θ、Φ）により一義的に決めることができる。なお、角座標（Θ、Φ）は、基板１６上の交点１６ｂのＸＹ座標（ｘ、ｙ）と１対１に対応している。

本実施形態においては、磁石１１は、その角度位置を表面１６ａ側の半球面上にあるように、すなわちΦ＜９０°の範囲で揺動するように設けられている。そのため、角座標（Θ、Φ）は、基板１６上のＸＹ座標（ｘ、ｙ）と１対１に対応しており、式（１）と式（２）により互いに変換することが可能である。
ｘ＝α×ｓｉｎΦ×ｃｏｓΘ （１）
ｙ＝α×ｓｉｎΦ×ｓｉｎΘ （２）

８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの各自由磁性層２６は、磁石１１の下面１１ｂの面中心１１ｃから放射状に広がる磁界内にある。そのため、磁石１１から生じる磁束は、各自由磁性層２６の位置では、面中心１１ｃから各自由磁性層２６に向く方向に向いている。そして、各自由磁性層２６が薄膜であるので、各自由磁性層２６の形状磁気異方性により、各自由磁性層２６は、膜厚方向に直交する方向、すなわち各自由磁性層の上面２６ｂおよび各自由磁性層の下面２６ｃに平行な方向に磁化される。そのため、各自由磁性層２６は、基板１６の表面１６ａに平行な方向に磁化される。その結果、各自由磁性層の磁化方向２６ａは、磁石１１の面中心１１ｃから各自由磁性層２６に向く方向を、基板１６の表面１６ａに投影した方向に向く。

そして、本実施形態においては、磁石１１から生じる磁束が、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの各自由磁性層２６の磁化を飽和するので、各自由磁性層２６の磁化は、磁石１１の下面１１ｂの面中心１１ｃから各自由磁性層２６に向く方向を、基板１６の表面１６ａに投影した方向のみに依存する。

図６は、磁気センサの特性図である。自由磁性層の磁化方向２６ａが、磁石１１によって、図４の図示下方（固定磁化方向３４と平行な（−）方向）へ向けられ、自由磁性層の磁化方向２６ａと固定磁化方向３４が一致するとき、図６に示すように、素子部２１の電気抵抗（Ｒ）は最小値（Ｒ_ｍｉｎ）である。そして、自由磁性層の磁化方向２６ａが、図４の図示上方（固定磁化方向３４と反平行な（＋）方向）に向けられるに従い、すなわち自由磁性層の磁化方向２６ａと固定磁化方向３４の間の角度（Ψ）が大きくなるに従い、図６に示すように、素子部２１の電気抵抗（Ｒ）は大きくなる。そして、自由磁性層の磁化方向２６ａが、固定磁化方向３４と反平行になったとき、図６に示すように、素子部２１の電気抵抗（Ｒ）は最大値（Ｒ_ｍａｘ）になる。この電気抵抗（Ｒ）は、式（３）によって表わすことができる。
Ｒ＝Ｒ_ｍｉｎ＋（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ｍｉｎ）×（１−ｃｏｓΨ）／２ （３）

素子部２１の電気抵抗（Ｒ）は、すなわち各磁気センサ１２ａ〜１２ｈの電気抵抗（Ｒ）は、式（３）式および図６に示すように、自由磁性層の磁化方向２６ａと固定磁化方向３４の間の角度（Ψ）のみに依存する。自由磁性層の磁化方向２６ａは、交点１６ｂから各磁気センサ１２に向く方向であるから、基板１６上の交点１６ｂのＸＹ座標（ｘ、ｙ）は、各磁気センサ１２の電気抵抗（Ｒ）から求めることができる。

支点１０を中心に磁石１１が揺動する際には、図１に示すように、磁石１１と各磁気センサとの距離が変化する。磁石１１においては、平面位置が変位すると共に、高さ位置も変位する。ところが、本実施形態によれば、図４に示すように、自由磁性層の磁化方向２６ａと固定磁化方向３４の間の角度（Ψ）のみに依存する素子部２１の電気抵抗によって、磁石１１（図１に図示）の位置を検知することが可能である。よって、本実施形態によれば、磁石１１と各磁気センサとの距離に影響されることなく磁石１１の位置を検知できるので、高精度に磁石の位置を検知することができる。

図７は、Ｘ座標検知部とＹ座標検知部のフルブリッジ回路図である。Ｘ座標検知部１ａは、図１、図２に示すように、Ｙ２方向側に磁気センサ１２ａ、１２ｃと、Ｙ１方向側に磁気センサ１２ｂ、１２ｄが、原点Ｏからほぼ等しい距離に配置されて構成されている。磁気センサ１２ａ、１２ｂの固定磁化方向３４は、Ｘ座標軸に平行で正側（Ｘ２方向）に向いている。磁気センサ１２ｃ、１２ｄの固定磁化方向３４は、Ｘ座標軸に平行で負側（Ｘ１方向）に向いている。そして、Ｘ座標検知部１ａは、このような磁気センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって、図７（ａ）に示すように、フルブリッジ回路に構成されている。

このフルブリッジ回路では、図７（ａ）に示すように、入力端子（Ｖ_ｄｄ）とグランド端子（ＧＮＤ）の間に、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄ、および磁気センサ１２ｃと磁気センサ１２ｂが電気的に直列接続されている。そして、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄの間の中点電位（Ｖ_１）と、磁気センサ１２ｃと磁気センサ１２ｂの間の中点電位（Ｖ_２）との差分（Ｖ_１−Ｖ_２）が、差動増幅器１３により増幅されて出力される。

図８は、Ｘ座標検知部の動作説明図である。フルブリッジ回路からの出力について、図８を用いて説明する。磁石１１が、図１に示すように、支点１０を中心に揺動する際、磁石１１が、図８（ａ）に示すように、Ｘ軸に平行な方向に、（１）→（２）→（３）と動くと、磁気センサ１２ａの自由磁性層の磁化方向は、固定磁化方向３４ａから（１）→（２）→（３）と逆方向に離れ、磁気センサ１２ｄの自由磁性層の磁化方向は、固定磁化方向３４ｄの方向に（１）→（２）→（３）と近づく。そのため、磁気センサ１２ａの電気抵抗は大きくなり、磁気センサ１２ｄの電気抵抗は小さくなる。そして、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄは、図７（ａ）に示すように、電気的に接続されているので、その中点電位（Ｖ_１）は小さくなる。磁気センサ１２ｃと磁気センサ１２ｂは、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄとは固定磁化方向が逆向きであるので、中点電位（Ｖ_２）は大きくなる。そのため、磁石１１が、図８（ａ）に示すように、図面右方向（Ｘ１→Ｘ２）に動くと、Ｘ座標検知部においては、その中点電位の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）が小さくなって、差動増幅器１３より出力される。

磁石１１が、図８（ｂ）に示すように、Ｙ軸に平行な方向に、（１）→（２）→（３）と動くと、磁気センサ１２ａの自由磁性層の磁化方向は、固定磁化方向３４ａに（１）→（２）→（３）と近づき、磁気センサ１２ｂの自由磁性層の磁化方向も、固定磁化方向３４ｄの方向に（１）→（２）→（３）と近づく。そのため、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄの電気抵抗は、同様に小さくなる。そして、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄは、図７（ａ）に示すように、電気的に接続されているので、磁気センサ１２ａの電気抵抗が小さくなることによる中点電位（Ｖ_１）の増加分と、磁気センサ１２ｄの電気抵抗が小さくなることによる中点電位（Ｖ_１）の減少分とは相殺される。磁気センサ１２ｃと磁気センサ１２ｂも、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄは固定磁化方向が逆向きであるだけなので、同様である。また、磁石１１が、図８（ｂ）において、Ｙ軸に平行な方向に（３）→（２）→（１）と動く際も、同様に電気抵抗は相殺される。そのため、磁石１１が、図８（ａ）の上下方向（Ｙ１−Ｙ２）に動く際は、Ｘ座標検知部においては、中点電位の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）はほぼ一定のままに、差動増幅器１３より出力される。

Ｙ座標検知部は、Ｘ座標検知部を反時計まわりに９０°回転するように配置されている。そのため、Ｙ座標検知部は、Ｘ座標検知部とは反時計まわりに９０°回転するように、磁石１１の動きに感応する。

以上より、磁石１１が、図１に示すように、支点１０を中心に揺動する際、Ｘ座標検知部１ａの出力である中点電位の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）は、磁石１１がＹ座標軸に平行に動くときはほぼ一定のままに、磁石１１がＸ座標軸に平行に動くときにＸ座標軸上の位置に応じて変化する。また、Ｙ座標検知部１ｂの出力である中点電位の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）は、磁石１１がＸ座標軸に平行に動くときはほぼ一定のままに、磁石１１がＹ座標軸に平行に動くときにＹ座標軸上の位置に応じて変化する。

このように、本実施形態の位置検知装置１によれば、それぞれ独立に、Ｘ座標検知部１ａが磁石１１のＸ座標軸上の位置を検知し、Ｙ座標検知部１ｂが磁石１１のＹ座標軸上の位置を検知する。

このように、本実施形態の位置検知装置１によれば、演算式などを用いた処理を行う必要はなく、出力から磁石１１のＸ座標軸上の位置およびＹ座標軸上の位置を直接的に得ることができる。よって、本実施形態によれば、支点を中心に揺動する磁石の位置を、簡便に検知する位置検知装置を提供することができる。

また、本実施形態の位置検知装置１によれば、Ｘ座標検知部１ａおよびＹ座標検知部１ｂの出力から磁石１１のＸ座標およびＹ座標を直接的に得ることができるので、出力どうしの比較や、出力と閾値を比較するなどの処理を行う必要がない。よって、本実施形態によれば、部品点数を減らすことができる。

位置検知装置においては、一般的に、磁石と磁気センサが近づくと出力の線形性が悪くなり検知精度が劣化する。本実施形態によれば、磁石１１のＸ座標軸上の位置と、磁石１１のＹ座標軸上の位置とが、それぞれ独立に検知される。そのため、Ｘ座標軸あるいはＹ座標軸の一方において、磁石と磁気センサが近づいていても、Ｘ座標軸あるいはＹ座標軸の他方において、磁石と磁気センサが近くなければ、Ｘ座標軸あるいはＹ座標軸の他方の位置は高精度に検知することができる。よって、本実施形態によれば、より広い範囲において、磁石の位置を高精度に検知することが可能である。

図９は、Ｘ座標検知部およびＹ座標検知部の出力のシミュレーション結果である。このシミュレーションは、磁気センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのＸＹ座標を、それぞれ（０、１）、（０、−１）、（０、１）、（０、−１）とし、磁石１１が、−０．４＜Ｘ座標＜０．４、および−０．４＜Ｙ座標＜０．４内で揺動するとして、シミュレーションしたものである。

磁気センサ１２ａ、１２ｄと磁気センサ１２ｂ、１２ｃとが、中心からＹ軸方向に隔てられる間隔を１として、磁石１１が磁気センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの中心より、−０．４＜Ｘ座標およびＹ座標＜０．４内に位置する際には、本実施形態のＸ座標検知部の出力、すなわち中点電位の差分（Ｖ_１−Ｖ_２）は、図９（ａ）に示すように、磁石のＹ座標軸上の位置対してほぼ一定であり、磁石のＸ座標軸上の位置に応じて変化することが確認できる。

図９（ｂ）は、Ｙ座標検知部の出力のシミュレーション結果である。磁石１１が磁気センサ１２ｅ、１２ｈ、１２ｇ、１２ｆの中心より、−０．４＜Ｘ座標およびＹ座標＜０．４内に位置する際には、Ｙ座標検知部の出力も、Ｘ座標検知部と同様に、図９（ｂ）に示すように、磁石のＹ座標軸上の位置に対してほぼ一定であり、磁石のＸ座標軸上の位置に応じて変化することが確認できる。

本実施形態においては、磁石１１、すなわち面中心１１ｃが、図１、図３に示すように、Ｘ座標軸およびＹ座標軸の原点Ｏを中心にした範囲で、支点１０を中心に揺動させられる。そして、磁石１１が、原点Ｏの真上にある際に、磁石１１の下面１１ｂと表面１６ａは平行である。

図１０は、第１の実施形態の位置検知装置を、ジョイスティック型位置検知装置に用いた説明図である。ジョイスティック型位置検知装置５０は、機械やゲーム機などの入力装置として、棒状の操作レバー５１を前後左右などに倒して用いられる。そして、操作レバー５１の傾斜される方向や傾斜角度に応じて、機械やゲーム機などが操作される。そのため、ジョイスティック型位置検知装置５０においては、操作レバー５１の傾斜される方向や傾斜角度を検知する必要がある。よって、図１０に示すように、本実施形態の位置検知装置をジョイスティック型位置検知装置５０に組み込むことで、操作レバー５１の傾斜される方向や傾斜角度を検知することが可能である。

本実施形態によるジョイスティック型位置検知装置５０においては、操作レバー５１が、図１０に示すように、支点１０を中心にして揺動可動に設けられている。操作レバー５１の先端部に磁石１１が取り付けられており、操作レバー５１が前後左右などに倒される際に、磁石１１は、平面視で８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈの設置領域面内を動くように設けられている。このようにして、本実施形態によれば、８つの磁気センサ１２ａ〜１２ｈによって、磁石１１の角座標（Θ、Φ）を検知することで、操作レバー５１の傾斜される方向や傾斜角度が検知される。

＜第１の変形例＞
図１１は、第１の変形例のＸ座標検知部とＹ座標検知部のハーフブリッジ回路図である。第１の実施形態におけるＸ座標検知部１ａおよびＹ座標検知部１ｂは、図７に示すように、フルブリッジ回路を有して構成したが、これに限定されるものではない。Ｘ座標検知部１ａは、図１１（ａ）に示すように、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄを電気的に直列接続して、磁気センサ１２ａと磁気センサ１２ｄの間の中点電位（Ｖ_１）を出力するハーフブリッジ回路とすることも可能である。また、Ｙ座標検知部１ｂは、図１０（ｂ）に示すように、磁気センサ１２ｅと磁気センサ１２ｈを電気的に直列接続して、磁気センサ１２ｅと磁気センサ１２ｈの間の中点電位（Ｖ_１）を出力するハーフブリッジ回路とすることも可能である。

＜第２の実施形態＞
図１２は、第２の実施形態の位置検知装置の斜視略図である。第２の実施形態の位置検知装置６０は、図１２に示すように、磁石１１、８つの磁気センサ１２、基板１６、および支点１０を有して構成されている。

磁石１１は、円柱体の形態を有し、円柱体の上下に上面１１ａと下面１１ｂを備える。本実施形態は、磁石１１の揺動中心である支点１０が、磁石１１の内部にある場合であり、例えば、磁石１１の中心、すなわち平面視で上面１１ａの中心であって、上面１１ａと下面１１ｂと等距離の位置にある場合である。

本実施形態は、第１の実施形態と、支点１０の位置が異なること以外は、基本的に同じである。本実施形態においても、支点１０を中心にして磁石１１が揺動する際に、磁石１１の下面１１ｂの中心点が、８つの磁気センサに対して変位する。そのため、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、基板１６上の磁石１１のＸＹ座標（ｘ、ｙ）、および角座標（Θ、Φ）を、高精度に検知すると共に、簡便に検知することができる。

そして、本実施形態の位置検知装置６０は、第１の実施形態と同様に、ジョイスティック型位置検知装置に組み込んで、操作レバーの傾斜される方向や傾斜角度を検知することが可能である。

１ 位置検知装置
１ａ Ｘ座標検知部
１ｂ Ｙ座標検知部
１０ 支点
１１ 磁石
１１ａ 上面
１１ｂ 下面
１１ｃ 面中心
１１ｄ 中心軸
１２ 磁気センサ
１３ 差動増幅器
１６ 基板
１６ａ 表面
１６ｂ 交点
２１ 素子部
２２ ウェハ基板
２３ 反強磁性層
２４ 固定磁性層
２５ 非磁性導電層
２６ 自由磁性層
２６ａ 自由磁性層の磁化方向
２６ｂ 自由磁性層の上面
２６ｃ 自由磁性層の下面
２７ 保護層
２８、２９ 接続電極
３１、３２ 引き出し電極
３４ 固定磁化方向
５０ ジョイスティック型スイッチ
５１ 操作レバー

Claims (9)

1. 基板の表面に略平行で互いに交差する第１座標軸と第２座標軸とに規定される位置を検知する位置検知装置であって、前記位置検知装置は、
   支点を中心に揺動する磁石と、
   前記基板の表面に形成される２組の磁気センサと、
   を有し、
   前記基板の表面と間隔を隔てると共に前記基板の表面上側に前記磁石が設けられ、
   前記２組の磁気センサが、磁化が固定された固定磁性層と、外部磁界により磁化が変化する自由磁性層と、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置し前記固定磁性層および前記自由磁性層に接触する非磁性層とからなり、
   前記磁石から生じる磁束が前記２組の磁気センサの前記自由磁性層の磁化を飽和するような範囲に設けられていると共に、前記２組の磁気センサの一方が、前記磁石の前記第１座標軸上の位置を検知し、前記２組の磁気センサの他方が、前記磁石の前記第２座標軸上の位置を検知することを特徴とする位置検知装置。
2. 前記第１座標軸と前記第２座標軸とが互いに直交し、前記２組の磁気センサの一方および前記２組の磁気センサの他方が、それぞれ少なくとも１対の磁気センサからなり、前記２組の磁気センサの一方を構成する前記少なくとも１対の磁気センサが、互いに前記第２座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で前記磁石の反対側に配置されており、前記２組の磁気センサの他方を構成する前記少なくとも１対の磁気センサが、互いに前記第１座標軸に平行な方向に間隔を設けて、平面視で前記磁石の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置検知装置。
3. 前記２組の磁気センサの一方および前記２組の磁気センサの他方において、各対の磁気センサが、互いに反平行に磁化された前記固定磁性層を有し、平面視で前記磁石の反対側に配置されると共に、互いに反平行に磁化された前記固定磁性層を有する前記磁気センサが電気的に直列接続され、電気的に直列接続された前記磁気センサの間から中点電位が出力されることを特徴とする請求項２に記載の位置検知装置。
4. 前記磁石の角座標を、前記第１座標軸上の位置と前記第２座標軸上の位置を用いて算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位置検知装置。
5. 前記支点が、前記磁石の上面と間隔を設けて、前記磁石の上面側に位置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置検知装置。
6. 前記支点が、前記磁石の内部に位置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置検知装置。
7. 前記磁石が、円柱体であり、前記円柱体の中心軸に平行な方向に着磁されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の位置検知装置。
8. 前記支点を中心に前記磁石が揺動するとき、前記磁石の下面の面中心が、平面視において、前記２組の磁気センサの設置領域面内に位置することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の位置検知装置。
9. 前記支点を中心に前記磁石が揺動するとき、前記磁石の下面と前記基板の表面とが平行になり得ることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の位置検知装置。