JP5184380B2 - 磁気検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、外部磁界の磁極変化に対して動作安定性に優れたラッチ型の磁気検出装置に関する。

磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子は、磁気スイッチや磁気エンコーダ等の磁気センサとしての需要と、ハードディスク装置に内臓される磁気ヘッドとしての需要がある。

磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドとして使用する場合、外部磁界の変動に対する磁気感度は良好であることが必要である。
特開平７−８３６９９号公報 特開２００３−４３１２３号公報

しかしながら、磁気センサに磁気抵抗効果素子を用いる場合、例えば磁気スイッチのように磁極変化によってＯＮ／ＯＦＦの切換信号を出力するような用途に使用する場合、前記磁気抵抗効果素子の磁気感度が良好であると逆に、外部磁界の磁極変化によって前記磁気抵抗効果素子の電気抵抗値は感度良く変化してしまうため、外部磁界の磁極変化付近では、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値がばたつきやすく、チャタリングが生じやすい等、安定した動作を得ることができなかった。

特許文献１及び特許文献２にはホール素子を用いた磁気センサが開示されている。
しかしながらホール素子を用いた場合、ホール電圧のオフセットや感度のばらつきにより安定した動作を得ることが難しかった。さらに、切換信号の出力タイミングを変更したい場合には、集積回路を変更することが必要となり、感度の異なる磁気センサを作製するためには、そのたび毎に、集積回路の改良を余儀なくされた。

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、外部磁界の磁極変化に対して動作安定性に優れたラッチ型の磁気検出装置を提供することを目的としている。

本発明における磁気検出装置は、
（＋）方向の外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した第１磁気抵抗効果素子と、前記（＋）方向とは逆方向の（−）方向の外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した第２磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子 及び前記第２磁気抵抗効果素子に夫々、電気的に接続される共通のラッチ回路を備えた集積回路とを有し、
前記ラッチ回路は、前記第１磁気抵抗効果素子からの電気抵抗変化に基づいて生成された Ｈｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号のレベル信号を入力する入力部Ａと、前記第２磁気抵抗効果 素子からの電気抵抗変化に基づいて生成されたＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号のレベル信号 を入力する入力部Ｂとを備え、
前記（＋）方向の外部磁界の印加により前記第１磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化し て前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂから夫々、異なる前記レベル信号が得られたときに第１ の信号を生成し、一旦生成された前記第１の信号を、前記入力部Ａからの前記レベル信号 が変化しかつ前記入力部Ｂからの前記レベル信号が変化せずに、前記入力部Ａ及び前記入 力部Ｂの双方から同じ前記レベル信号が得られる前記（＋）方向の外部磁界及び前記（−）方向の外部磁界に対して保持し、前記（−）方向の外部磁界の印加により前記第２磁気 抵抗効果素子の電気抵抗値が変化して前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂから異なる前記レベ ル信号であってかつ前記第１の信号を生成するための前記レベル信号の組み合わせとは逆 の組み合わせの前記レベル信号が得られたときに第２の信号を生成し、一旦生成された前記第２の信号を、前記入力部Ｂからの前記レベル信号が変化しかつ前記入力部Ａからの前 記レベル信号が変化せずに、前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂの双方から同じ前記レベル信 号が得られる前記（−）方向の外部磁界及び前記（＋）方向の外部磁界に対して保持する ための論理回路が前記ラッチ回路に設定されていることを特徴とするものである。

本発明では、外部磁界の磁極変化に対して動作安定性に優れたラッチ型の磁気検出装置にできる。また、本発明では、集積回路の構成を変えずに、磁気抵抗効果素子の構成を調整することで、適切且つ簡単に信号の出力タイミングを変化させることができ、集積回路を標準化できる。

本発明では、前記入力部ＡからＬｏｗ信号が得られ、前記入力部ＢからＨｉｇｈ信号が得 られたときに第１の信号が得られ、前記第１の信号が出力されている状態にて、前記入力 部Ａ及び前記入力部ＢからともにＨｉｇｈ信号が得られるとき前記第１の信号が保持され 、
前記入力部ＢからＬｏｗ信号が得られ、前記入力部ＡからＨｉｇｈ信号が得られたときに 第２の信号が得られ、前記第２の信号が出力されている状態にて、前記入力部Ａ及び前記 入力部ＢからともにＨｉｇｈ信号が得られるとき前記第２の信号が保持されることが好ま しい。
また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子を有する第１ブリッジ回路、前記第２磁気抵 抗効果素子を有する第２ブリッジ回路、前記第１ブリッジ回路に接続される第１差動増幅 器、前記第２ブリッジ回路に接続される第２差動増幅器、前記第１差動増幅器に接続され るとともに出力部が前記入力部Ａに接続され閾値電圧が設定された第１比較回路、及び前 記第２の差動増幅器に接続され出力部が前記入力部Ｂに接続された閾値電圧が設定された 第２比較回路を有し、前記集積回路は、前記第１差動増幅器、前記第２差動増幅器、前記 第１比較回路、前記第２比較回路及び前記ラッチ回路を有して構成されることが好ましい 。

また本発明では、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、共に、磁化方向が一方向に固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性中間層を介して対向する構造を有し、前記固定磁性層と前記フリー磁性層間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎが、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とで逆符号に調整されていることが好ましい。これにより出力を大きくでき、また装置間での感度のばらつきを抑制できる。また、前記層間結合磁界Ｈｉｎの調整で、（＋）方向の外部磁界、及び、（−）方向の外部磁界に夫々、電気抵抗値が変化する第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子を簡単に形成できるとともに感度調整を簡単に行うことが可能である。

本発明では、外部磁界の磁極変化に対して動作安定性に優れたラッチ型の磁気検出装置にできる。また、本発明では、集積回路の構成を変えずに、磁気抵抗効果素子の構成を調整することで、適切且つ簡単に信号の出力タイミングを変化させることができ、集積回路を標準化できる。

図１は第１実施形態の磁気検出装置の回路構成図、図２は、第２実施形態の磁気検出装置の回路構成図、図３は、本実施形態のラッチ回路の構成図、図４は、第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線（ヒステリシス特性）を示すグラフ、図５は、外部磁界と電圧（差動電位）との関係を示すグラフ、図６は、外部磁界とＯＮ／ＯＦＦ信号の出力状態との関係を示すグラフ、図７及び図８は、本実施形態の磁気検出装置を用いた磁気スイッチ（電子機器）の斜視図（図８は、図７の状態から磁石が１８０度回転した状態を示す）、図９は、本実施形態の第１磁気抵抗効果素子を図７に示すＡ−Ａ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、図１０は本実施形態の第２磁気抵抗効果素子を図７に示すＢ−Ｂ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、図１１は、図７に示す磁気検出装置をＡ−Ａ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、である。

図７ないし図９に示すＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向、Ｚ１−Ｚ２方向の各方向は、残り２つの方向に対して直交する関係となっている。Ｙ１−Ｙ２方向は、磁気抵抗効果素子２３，３１と磁石５０とが対向する方向であり、Ｚ１−Ｚ２方向は、磁気抵抗効果素子２３，３１の積層方向である。

図１に示す本実施形態の磁気検出装置２０は、抵抗素子部２１と集積回路（ＩＣ）２２とを有して構成される。

前記抵抗素子部２１には、２つのブリッジ回路３７，４１が設けられている。第１ブリッジ回路３７には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した第１磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）２３、第１固定抵抗素子２４、第２固定抵抗素子２７、第３固定抵抗素子２８が設けられている。前記第１磁気抵抗効果素子２３と第１固定抵抗素子２４は第１出力取り出し部２５を介して直列接続され、前記第２固定抵抗素子２７と第３固定抵抗素子２８は第２出力取り出し部２９を介して直列接続されている。

第２ブリッジ回路４１には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した第２磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）３１、第４固定抵抗素子３２、第５固定抵抗素子３４、第６固定抵抗素子３５が設けられている。前記第２磁気抵抗効果素子３１と第４固定抵抗素子３２は第３出力取り出し部３３を介して直列接続され、前記第５固定抵抗素子３４と第６固定抵抗素子３５は第４出力取り出し部３６を介して直列接続されている。

前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１は、外部磁界によって電気抵抗値Ｒが変動する。一方、固定抵抗素子２４、２７、２８、３１、３２、３４、３５は外部磁界によって電気抵抗値Ｒが変化しない。

図１に示すように前記集積回路２２には入力端子（電源）３９、アース端子４２及び外部出力端子４０が設けられている。前記入力端子３９、アース端子４２及び外部出力端子４０は夫々図示しない機器側の端子部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１に示すように集積回路２２内には、各ブリッジ回路３７，４１に接続される差動増幅器４４、４５が設けられている。第１差動増幅器４４の入力部には、第１ブリッジ回路３７の第１出力取り出し部２５及び第２出力取り出し部２９が接続されている。第２差動増幅器４５の入力部には、第２ブリッジ回路４１の第３出力取り出し部３３及び第４出力取り出し部３６が接続されている。

各差動増幅器４４，４５の出力部は、夫々、例えばシュミットトリガー型の比較回路（コンパレータ）４６，４７に接続されている。さらに各比較回路４６，４７の出力部は、共通のラッチ回路４８に接続され、前記ラッチ回路４８の出力部が前記外部出力端子４０に接続されている。

本実施形態の磁気検出装置２０は、図１１に示すように、基板７０上に、集積回路２２を構成する差動増幅器やコンパレータ等の能動素子７１〜７４が形成されている。

図１１に示すように、前記基板７０上及び集積回路２２上は、レジスト層等から成る絶縁層７８で覆われている。前記絶縁層７８上には、磁気抵抗効果素子２３，３１や固定抵抗素子２４、２７、２８、３２、３４、３５が形成され、前記磁気抵抗効果素子２３、３１上及び固定抵抗素子２４、２７、２８、３２、３４、３５上は、例えばアルミナやシリカで形成された絶縁層８０で覆われている。そして前記磁気検出装置２０はモールド樹脂によりパッケージ化される。

前記磁気抵抗効果素子２３，３１及び固定抵抗素子２４、２７、２８、３２、３４、３５と集積回路２２間は図示しない配線層によって電気的に接続されている。

第１磁気抵抗効果素子２３は、図９に示す積層構造で形成される。図９に示すように、前記磁気抵抗効果素子２３は、下から反強磁性層６２、固定磁性層６３、非磁性中間層６４、フリー磁性層６５、及び保護層６６の順で積層されている。前記反強磁性層６２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６２は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎで形成される。前記固定磁性層６３及びフリー磁性層６５はＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等の磁性材料で形成される。また前記非磁性中間層６４はＣｕ等で形成される。また前記保護層６６はＴａ等で形成される。前記固定磁性層６３やフリー磁性層６５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。また前記固定磁性層６３やフリー磁性層６５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。また前記反強磁性層６２の下側にＴａ等で形成された下地層や、ＮｉＦｅＣｒ等で形成されたシード層が設けられていてもよい。

前記第１磁気抵抗効果素子２３では、前記反強磁性層６２と前記固定磁性層６３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６２と前記固定磁性層６３との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、前記固定磁性層６３の磁化方向は一方向に固定される。図９では、前記固定磁性層６３の磁化方向６３ａを矢印方向で示している。前記固定磁性層６３の磁化方向６３ａは図示Ｘ２方向である。

また、無磁場状態（外部磁界が作用していないとき）での前記フリー磁性層６５の磁化方向６５ａは図示Ｘ２方向である。よって無磁場状態では、前記固定磁性層６３の磁化方向６３ａと前記フリー磁性層６５の磁化方向６５ａは平行状態である。

第２磁気抵抗効果素子３１は、図１０に示す積層構造で形成される。図１０に示すように、前記第２磁気抵抗効果素子３１は、下から反強磁性層６２、固定磁性層６３、非磁性中間層６７、フリー磁性層６５、及び保護層６６の順で積層されている。図１０に示す前記第２磁気抵抗効果素子３１は、図９に示す前記第１磁気抵抗効果素子２３と、非磁性中間層６７の膜厚を除いて同じ膜構成であることが、第１磁気抵抗効果素子２３と第２磁気抵抗効果素子３１の温度係数（ＴＣＲ）のばらつきを小さくでき好適である。

例えば、前記第１磁気抵抗効果素子２３の非磁性中間層６４及び第２磁気抵抗効果素子３１の非磁性中間層６７は共にＣｕで形成される。Ｃｕ厚を変化させると、固定磁性層６３とフリー磁性層６５間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎの大きさが変化する。前記層間結合磁界Ｈｉｎの大きさを変えることで、固定磁性層６３とフリー磁性層６５の磁化方向６３ａ、６５ａを平行あるいは反平行にできる。図１０に示すように第２磁気抵抗効果素子３１での固定磁性層６３の磁化方向６３ａは図示Ｘ２方向で、無磁場状態でのフリー磁性層６５の磁化方向６５ａは図示Ｘ１であり、互いの磁化方向６３ａ，６５ａは反平行状態となっている。

前記第１固定抵抗素子２４、第２固定抵抗素子２７、第３固定抵抗素子２８、第４固定抵抗素子３２、第５固定抵抗素子３４、第６固定抵抗素子３５は、夫々、外部磁界に対して電気抵抗値が変化しなければどのような構造であってもよい。ただし、本実施形態では、図９，図１０に示す磁気抵抗効果素子２３，３１と同じ材料構成で、且つ、磁気抵抗効果素子２３，３１と異なって、フリー磁性層６５に相当する磁性層と、非磁性中間層６４，６７（このとき前記非磁性中間層の膜厚は、非磁性中間層６４の膜厚あるいは非磁性中間層６７の膜厚と同じであっても異なってもよい）とが逆積層される構成であることが各固定抵抗素子２４、２７、２８、３２、３４、３５と磁気抵抗効果素子２３，３１の温度係数（ＴＣＲ）のばらつきを小さくでき好適である。フリー磁性層６５に相当する磁性層と、非磁性中間層６４とを逆積層すると、フリー磁性層６５に相当する磁性層は固定磁性層６３に接することで外部磁界に対して磁化変動せず、これにより外部磁界に対して電気抵抗が変化しない固定抵抗素子となる。

本実施形態の第１磁気抵抗効果素子２３は、図４の右図に示すＲ−Ｈ曲線（ヒステリシス特性）を有している。前記第１磁気抵抗効果素子２３は、外部磁界がゼロから（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度を強めると、経路Ｃ１を辿って電気抵抗値Ｒは増大し、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度を弱めると、経路Ｃ２を辿って電気抵抗値Ｒは減少する。図４の右図に示すように第１磁気抵抗効果素子２３のＲ−Ｈ曲線はループ状となっている。

前記第１磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値Ｒの最小抵抗値と最大抵抗値の中間抵抗値でのＲ−Ｈ曲線のループ幅の中心が、Ｒ−Ｈ曲線の「中点」である。そして前記「中点」から外部磁界がゼロまでの磁界の強さでフリー磁性層６５と固定磁性層６３間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎの大きさが決定される。

前記第１磁気抵抗効果素子２３に作用する第１層間結合磁界Ｈｉｎ１は、図４のグラフ上では、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の領域に現れる。

一方、本実施形態の第２磁気抵抗効果素子３１は、図４の左図に示すＲ−Ｈ曲線（ヒステリシス特性）を有している。前記第２磁気抵抗効果素子３１は、外部磁界がゼロから（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度を強めると、経路Ｃ３を辿って電気抵抗値Ｒは減少し、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度を弱めると、経路Ｃ４を辿って電気抵抗値Ｒは増大する。図４の左図に示すように第２磁気抵抗効果素子３１のＲ−Ｈ曲線はループ状となっている。

前記第２磁気抵抗効果素子３１の電気抵抗値Ｒの最小抵抗値と最大抵抗値の中間抵抗値でのＲ−Ｈ曲線のループ幅の中心が、Ｒ−Ｈ曲線の「中点」である。そして前記「中点」から外部磁界がゼロまでの磁界の強さでフリー磁性層６５と固定磁性層６３間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎの大きさが決定される。

前記第２磁気抵抗効果素子３１に作用する第２層間結合磁界Ｈｉｎ２は、図４のグラフ上では、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の領域に現れる。

（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）を正値、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）を負値とすると、第１層間結合磁界Ｈｉｎ１は正値で、第２層間結合磁界Ｈｉｎ２は負値となっている。このように、前記第１磁気抵抗効果素子２３の第１層間結合磁界Ｈｉｎ１と第２磁気抵抗効果素子３１の第２層間結合磁界Ｈｉｎ２を正負逆符号にするには、上記した非磁性中間層６４，６７の膜厚を調整することで可能である。

図４に示すＲ−Ｈ曲線を有する第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１を夫々、第１ブリッジ回路３７及び第２ブリッジ回路４１に設けることで、外部磁界の磁界強度と前記第１ブリッジ回路３７及び第２ブリッジ回路４１から得られる電圧（差動電位）との関係は図５のようになる。

図５の右図は、第１磁気抵抗効果素子２３を備えた第１ブリッジ回路３７から得られた外部磁界に対する電圧（差動電位）の変化を示している。図５の左図は、第２磁気抵抗効果素子３１を備えた第２ブリッジ回路４１から得られた外部磁界に対する電圧（差動電位）の変化を示している。

図１に示す比較回路４６，４７には、夫々閾値電圧が設定されている。なお以下に説明するように、各比較回路４６，４７には夫々、一つずつ閾値電圧を設定しているが、入力電圧に対して上限値と下限値との二つのスレッショルドレベルを持つシュミット・トリガー入力のように、各比較回路４６，４７に複数の閾値電圧が設定されていてもよい。

例えば第１比較回路４６では、第１ブリッジ回路３７から得られた電圧（差動電位）が、ある閾値電圧Ｖ１以下になったとき、低レベル信号（ＬｏｗにはＬと表記）を出力し、前記閾値電圧Ｖ１よりも大きいとき、高レベル信号（Ｈｉｇｈ；図面にはＨと表記）を出力するように制御されている。外部磁界ゼロから（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度を徐々に強めていき、前記閾値電圧Ｖ１に達したときの磁界強度をＨ１とする。（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）が磁界強度Ｈ１以上であれば、第１比較回路４６では低レベル信号（Ｌｏｗ）が生成され、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）が磁界強度Ｈ１より小さく、あるいは（−）方向の外部磁界（−Ｈ）が作用した場合、第１比較回路４６では高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が生成される。

一方、第２比較回路４７では、第２ブリッジ回路４１から得られた電圧（差動電位）が、ある閾値電圧Ｖ２以下になったとき、低レベル信号（Ｌｏｗ）を出力し、前記閾値電圧Ｖ２よりも大きいとき、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）を出力するように制御されている。外部磁界ゼロから（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度を徐々に強めていき、前記閾値電圧Ｖ２に達したときの磁界強度をＨ２とする。（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度がＨ２以上であれば、第２比較回路４７では低レベル信号（Ｌｏｗ）が生成され、前記（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度がＨ２より小さく、あるいは（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）が作用した場合、第１比較回路４６では高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が生成される。

前記第１比較回路４６及び第２比較回路４７で生成された高レベル信号（Ｈｉｇｈ）及び低レベル信号（Ｌｏｗ）は、共通のラッチ回路４８に入力される。

前記ラッチ回路４８は図３に示す論理回路を有して構成される。図３に示す入力部Ａは、前記第１比較回路４６の出力部と接続され、入力部Ｂは、前記第２比較回路４７の出力部と接続されている。

図３に示すように入力部Ａ及び入力部Ｂは途中で夫々二手に分かれ、一組の入力部Ａ及び入力部Ｂは、前記入力部Ａとの接続側にＮＯＴ回路を備えるＮＡＮＤ回路５２に接続されている。またもう一組の入力部Ａ及び入力部Ｂは、ＥｘＯＲ回路５３に接続されている。図３に示すようにＮＡＮＤ回路５２及びＥｘＯＲ回路５３は夫々、Ｄラッチ５４に接続されている。

以下の表１には、入力部Ａ、入力部Ｂ、入力部Ｄ、入力部Ｇ及び出力部Ｙ（Ｑ）での信号レベルが示されている。

まず外部磁界ゼロから（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）を強めていき、磁界強度がＨ１以上になると、図４に示すように第１磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値Ｒの変化により第１ブリッジ回路３７での電圧は閾値電圧Ｖ１以下になり、低レベル信号（Ｌｏｗ）が入力部Ａに入力される。このとき、第２磁気抵抗効果素子３１の電気抵抗値Ｒは高いまま一定であるため、第２ブリッジ回路４１での電圧は閾値電圧Ｖ２より高く、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ｂに入力される。よって表１に示すように、出力部Ｙからは低レベル信号（Ｌｏｗ）が出力される。出力部Ｙから出力される低レベル信号（Ｌｏｗ）は、ＯＮ信号（第１の信号）として、外部出力端子４０から出力される。

次に、上記の状態から、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度を弱めると、前記第１ブリッジ回路３７での電圧はやがて閾値電圧Ｖ１よりも大きくなり、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ａに入力される。このとき、第２磁気抵抗効果素子３１の電気抵抗値Ｒは高いまま一定であるため、第２ブリッジ回路４１での電圧は閾値電圧Ｖ２より高く、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ｂに入力される。よって表１に示すように、出力部Ｙからは、入力信号変化前の状態、すなわち低レベル信号（Ｌｏｗ）が出力されるため、ＯＮ信号（第１の信号）が、外部出力端子４０から出力され続けている。

次に、上記の状態から（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度を強めていき、磁界強度がＨ２以上になると、図４に示すように第２磁気抵抗効果素子３１の電気抵抗値Ｒの変化により、第２ブリッジ回路４１での電圧は閾値電圧Ｖ２以下になり、低レベル信号（Ｌｏｗ）が入力部Ｂに入力される。このとき、第１磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値Ｒは高いまま一定なので、第１ブリッジ回路３７での電圧は閾値電圧Ｖ１より高く、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ａに入力される。よって表１に示すように、出力部Ｙからは高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が出力される。出力部Ｙから出力される高レベル信号（Ｈｉｇｈ）は、ＯＦＦ信号（第２の信号）として、外部出力端子４０から出力される。

次に、上記の状態から、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度を弱めると、前記第２ブリッジ回路４１での電圧はやがて閾値電圧Ｖ２よりも大きくなり、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ｂに入力される。このとき、第１磁気抵抗効果素子２３の電気抵抗値Ｒは高いまま一定なので、第１ブリッジ回路３７での電圧は閾値電圧Ｖ１より高く、高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が入力部Ａに入力される。よって表１に示すように、出力部Ｙからは、入力信号変化前の状態、すなわち高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が出力されるため、ＯＦＦ信号（第２の信号）が、外部出力端子４０から出力され続けている。

上記した状態を、外部磁界の磁界強度変化と、ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力タイミングとの関係で見ると、図６のようになっている。図６に示すように、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度がＨ１以上になると、出力部Ｙからは低レベル信号（Ｌｏｗ）が生成され、前記外部出力端子４０からはＯＮ信号が出力される。

一旦ＯＮ信号が生成されると、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）、及び、磁界強度がＨ２よりも小さい（−）方向の外部磁界（−Ｈ）に対しては、出力部Ｙから入力信号変化前の状態である低レベル信号（Ｌｏｗ）が出力され続けるため、ＯＮ信号が保持される（図６に示す経路（１））。

次に、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度がＨ２以上になると、出力部Ｙからは高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が生成されるため、前記外部出力端子４０からはＯＦＦ信号が出力される。

一旦ＯＦＦ信号が生成されると、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）、及び、磁界強度がＨ１よりも小さい（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）に対しては、出力部Ｙから入力信号変化前の状態である高レベル信号（Ｈｉｇｈ）が出力され続けるため、ＯＦＦ信号が保持される（図６に示す経路（２））。

このように本実施形態では、一旦生成されたＯＮ信号は、前記（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度変化に対して、及び、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）のうち、ＯＦＦ信号が生成される磁界強度（Ｈ２）よりも小さい磁界強度変化に対して保持される。すなわちＯＮ信号は、Ｈ２以上の（−）方向の外部磁界（−Ｈ）が作用しない限り、保持され続けるのである。

また本実施形態では、一旦生成されたＯＦＦ信号は、前記（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度変化に対して、及び、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）のうち、ＯＮ信号が生成される磁界強度（Ｈ１）よりも小さい磁界強度変化に対して保持される。すなわちＯＦＦ信号は、Ｈ１以上の（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）が作用しない限り、保持され続けるのである。

よって本実施形態では、外部磁界が（＋）方向から（−）方向（あるいはその逆方向）へ変動する近辺では、ＯＮ信号／ＯＦＦ信号が感度良く切り換わらず、外部磁界が（＋）方向から（−）方向へ変動する近辺は不感領域となって、そのときの信号を保持し続けている。このため、従来のように、外部磁界が（＋）方向から（−）方向（あるいはその逆方向）へ変動する近辺でチャタリングは生じず、従来に比べて動作安定性を向上させることができる。

しかも、例えば、ＯＮ信号を生成する（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度をＨ１から変更したい場合、閾値電圧Ｖ１を変更せずとも、前記第１磁気抵抗効果素子２３の第１層間結合磁界Ｈｉｎ１を調整することで、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）に対する感度を制御できる。（−）方向の外部磁界に対する感度も、前記第２磁気抵抗効果素子３１の第２層間結合磁界Ｈｉｎ２を調整することで制御できる。既に説明したように、層間結合磁界Ｈｉｎの調整は、例えば非磁性中間層６４、６７の膜厚を調整することで行うことができる。したがって本実施形態では、集積回路２２の構成を簡単にできるともに標準化することが可能であり、製品ごとに集積回路２２の改良を行う必要がない。

また図１に示すように集積回路２２内には、第１磁気抵抗効果素子２３を備える第１ブリッジ回路３７、及び、第２磁気抵抗効果素子３１を備える第２ブリッジ回路４１に電気的に接続される共通のラッチ回路４８が設けられ、前記ラッチ回路４８にてＯＮ／ＯＦＦ信号が保持される。これにより、集積回路２２の構成を簡単に且つ小型化でき好適である。

上記で説明した第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲ素子であったが、それに代えて非磁性中間層６４、６７が絶縁層で形成されたトンネル効果を利用したＴＭＲ素子、あるいは異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）を利用したＡＭＲ素子であってもよい。ただしＡＭＲ素子である場合、出力が小さくまた装置間での感度のばらつきが大きくなりやすいことから、前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１には、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることが好適である。特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）に対して電気抵抗値Ｒが変化する第１磁気抵抗効果素子２３と、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）に対して電気抵抗値Ｒが変化する第２磁気抵抗効果素子３１を夫々、層間結合磁界Ｈｉｎの調整によって適切に製造でき、また（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）及び（−）方向の外部磁界（−Ｈ）に対する感度調整も層間結合磁界Ｈｉｎの調整によって簡単に行うことができ好適である。

また、図４に示す第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１のＲ−Ｈ曲線、及び図５に示す電圧変化曲線は、一例であり、これに限定されるわけではない。第１磁気抵抗効果素子２３は（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）に対して電気抵抗値Ｒが変化し、第２磁気抵抗効果素子３１は、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）に対して電気抵抗値Ｒが変化する要件を満たせば、外部磁界の磁界強度変化に対する電気抵抗値Ｒの増減傾向が図４とは逆傾向であってもよい。また外部磁界の磁界強度変化に対する電圧値Ｖの増減傾向が図５とは逆傾向であってもよい。

また図３に示すラッチ回路４８の構成も一例である。すなわち、一旦生成されたＯＮ信号は、前記（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度変化に対して、及び、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）のうち、ＯＦＦ信号が生成される磁界強度（Ｈ２）よりも小さい磁界強度変化に対して保持され、また、一旦生成されたＯＦＦ信号は、前記（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度変化に対して、及び、（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）のうち、ＯＮ信号が生成される磁界強度（Ｈ１）よりも小さい磁界強度変化に対して保持されれば、どのような論理回路にてラッチ回路４８を構成するかは自由である。

図２に示す磁気検出装置５５は、集積回路２２の構成が図１と同じであるが、抵抗素子部５６の構成が図１の抵抗素子部２１の構成と異なる。図２の構成では、固定抵抗素子５７，５８の直列回路が、第１磁気抵抗効果素子２３と第１固定抵抗素子２４との直列回路、及び第２磁気抵抗効果素子３１と第４固定抵抗素子３２との直列回路の夫々と、ブリッジ回路を構成している。すなわち固定抵抗素子５７，５８の直列回路が、第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１の夫々を含むブリッジ回路での共通回路となっている。よって図２の構成では図１の構成に比べて抵抗素子の数を少なくできる。
なお抵抗素子部２１，５６の素子構成は図１，図２以外の構成であってもよい。

本実施形態の磁気検出装置２０は例えば図７，図８に示す磁気スイッチ５１に使用できる。

前記磁気スイッチ５１は磁気検出装置２０と磁石５０とを備える。前記磁石５０の中心には、図示しない回転軸（図示Ｙ１−Ｙ２方向へ延びる軸）が設けられており、前記磁石５０は前記回転軸を中心にして回転自在に支持されている。前記磁気検出装置２０は固定されている。

前記磁石５０の前記磁気検出装置２０との対向面（Ｘ−Ｚ平面）は半分がＮ極に、残り半分がＳ極に着磁されている。

前記磁気抵抗効果素子２３，３１は、素子幅Ｗが向く方向（Ｙ１−Ｙ２方向）と素子長さＬが向く方向（Ｘ１−Ｘ２方向）から成るＸ−Ｙ平面が、前記磁石５０との対向面と直交する向きに支持されている。前記Ｘ−Ｙ平面は、前記磁気抵抗効果素子２３を構成する各層の界面と平行な面である。図７に示すように素子長さＬは素子幅Ｗよりも大きく形成されている。図７では、前記磁気抵抗効果素子２３，３１の平面（Ｘ−Ｙ平面）は長方形状であるが、そのほか、例えばミアンダー形状で形成することも出来る。

図７は前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１に対して、最も強く（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）が作用している状態を示す。

前記磁石５０を回転させると、徐々に前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１に作用する（＋）方向の外部磁界（＋Ｈ）の磁界強度が弱くなり、やがて前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１に作用する外部磁界がゼロになる。さらに前記磁石５０を回転させると、前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１に（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度が作用し、徐々に、（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度が強くなり、やがて前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１に作用する（−）方向の外部磁界（−Ｈ）の磁界強度が最大に大きくなる（図８の状態）。

図７，図８に示す磁気スイッチを用いることで、前記磁石５０の回転に伴って、ＯＮ信号とＯＦＦ信号を交互に切換えることが出来る。しかも、図６に示すように（＋）方向の外部磁界がＨ１以上の磁界強度に、（−）方向の外部磁界がＨ２以上の磁界強度にならないと、ＯＦＦ信号とＯＮ信号とが切り換わらないため、磁極が変化する近辺でのわずかな磁界強度の変動によって信号の切り換えがばたつかず、チャタリングの発生を従来よりも抑えることができる。

また前記第１磁気抵抗効果素子２３及び第２磁気抵抗効果素子３１は、水平磁場（界面と平行な面に作用する磁界）を検知するものであり、また弱磁場をも検知できるので、磁気スイッチ５１内部での広い範囲を前記磁気検出装置２０の設置場所に設定できる。

本実施形態の磁気検出装置２０は、（＋）方向の外部磁界、及び（−）方向の外部磁界が作用し、磁極の変化によって信号を切り換える電子機器であれば、図７，図８に示す回転式の磁気スイッチ以外に、例えばスライド式の磁気スイッチにも適用可能である。また、本実施形態の磁気検出装置２０は、例えば磁気エンコーダにも適用可能である。

第１実施形態の磁気検出装置の回路構成図、 第２実施形態の磁気検出装置の回路構成図、 本実施形態のラッチ回路の構成図、 第１磁気抵抗効果素子及び第２磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線（ヒステリシス特性）を示すグラフ、 外部磁界と電圧（差動電位）との関係を示すグラフ、 外部磁界とＯＮ／ＯＦＦ信号の出力状態との関係を示すグラフ、 本実施形態の磁気検出装置を用いた磁気スイッチ（電子機器）の斜視図、 本実施形態の磁気検出装置を用いた磁気スイッチ（電子機器）の斜視図（図８は、図７の状態から磁石が１８０度回転した状態を示す）、 本実施形態の第１磁気抵抗効果素子を図７に示すＡ−Ａ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、 本実施形態の第２磁気抵抗効果素子を図７に示すＢ−Ｂ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、 図７に示す磁気検出装置をＡ−Ａ線に沿って膜厚方向に向けて切断し矢印方向から見たときの部分拡大断面図、

符号の説明

２０ 磁気検出装置
２１、５６ 抵抗素子部
２２ 集積回路（ＩＣ）
２３ 第１磁気抵抗効果素子
２４、２７、２８、３１、３２、３４、３５、５７、５８ 固定抵抗素子
２５ 第１出力取り出し部
２９ 第２出力取り出し部
３１ 第２磁気抵抗効果素子
３７ 第１ブリッジ回路
３９ 入力端子
４０ 外部出力端子
４１ 第２ブリッジ回路
４２ アース端子
４４、４５ 差動増幅器
４６、４７ 比較回路（コンパレータ）
４８ ラッチ回路
５０ 磁石
５１ 磁気スイッチ
５２ ＮＡＮＤ回路
５３ ＥｘＯＲ回路
５４ Ｄラッチ
６２ 反強磁性層
６３ 固定磁性層
６４、６７ 非磁性中間層
６５ フリー磁性層
６６ 保護層
７０ 基板
７１〜７４ 能動素子
７８、８０ 絶縁層

Claims (4)

1. （＋）方向の外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した第１磁気抵抗効果素子と、前記（＋）方向とは逆方向の（−）方向の外部磁界に対して電気抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した第２磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子に夫々、電気的に接続される共通のラッチ回路を備えた集積回路とを有し、
   前記ラッチ回路は、前記第１磁気抵抗効果素子からの電気抵抗変化に基づいて生成されたＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号のレベル信号を入力する入力部Ａと、前記第２磁気抵抗効果素子からの電気抵抗変化に基づいて生成されたＨｉｇｈ信号及びＬｏｗ信号のレベル信号を入力する入力部Ｂとを備え、
   前記（＋）方向の外部磁界の印加により前記第１磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化して前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂから夫々、異なる前記レベル信号が得られたときに第１の信号を生成し、一旦生成された前記第１の信号を、前記入力部Ａからの前記レベル信号が変化しかつ前記入力部Ｂからの前記レベル信号が変化せずに、前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂの双方から同じ前記レベル信号が得られる前記（＋）方向の外部磁界及び前記（−）方向の外部磁界に対して保持し、前記（−）方向の外部磁界の印加により前記第２磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が変化して前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂから異なる前記レベル信号であってかつ前記第１の信号を生成するための前記レベル信号の組み合わせとは逆の組み合わせの前記レベル信号が得られたときに第２の信号を生成し、一旦生成された前記第２の信号を、前記入力部Ｂからの前記レベル信号が変化しかつ前記入力部Ａからの前記レベル信号が変化せずに、前記入力部Ａ及び前記入力部Ｂの双方から同じ前記レベル信号が得られる前記（−）方向の外部磁界及び前記（＋）方向の外部磁界に対して保持するための論理回路が前記ラッチ回路に設定されていることを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記入力部ＡからＬｏｗ信号が得られ、前記入力部ＢからＨｉｇｈ信号が得られたときに第１の信号が得られ、前記第１の信号が出力されている状態にて、前記入力部Ａ及び前記入力部ＢからともにＨｉｇｈ信号が得られるとき前記第１の信号が保持され、
   前記入力部ＢからＬｏｗ信号が得られ、前記入力部ＡからＨｉｇｈ信号が得られたときに第２の信号が得られ、前記第２の信号が出力されている状態にて、前記入力部Ａ及び前記入力部ＢからともにＨｉｇｈ信号が得られるとき前記第２の信号が保持される請求項１記載の磁気検出装置。
3. 前記第１磁気抵抗効果素子を有する第１ブリッジ回路、前記第２磁気抵抗効果素子を有する第２ブリッジ回路、前記第１ブリッジ回路に接続される第１差動増幅器、前記第２ブリッジ回路に接続される第２差動増幅器、前記第１差動増幅器に接続されるとともに出力部が前記入力部Ａに接続され閾値電圧が設定された第１比較回路、及び前記第２の差動増幅器に接続され出力部が前記入力部Ｂに接続された閾値電圧が設定された第２比較回路を有し、前記集積回路は、前記第１差動増幅器、前記第２差動増幅器、前記第１比較回路、前記第２比較回路及び前記ラッチ回路を有して構成される請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子は、共に、磁化方向が一方向に固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層とが非磁性中間層を介して対向する構造を有し、前記固定磁性層と前記フリー磁性層間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎが、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とで逆符号に調整されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気検出装置。

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