JPS5834955B2 - カンジセイスイツチングソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は強磁性体にその面内成分を持つ磁場を作用させ
ることにより強磁性体に流れる電流の方向と直交する方
向に起電力が発生するようなプレナホール効果をもつ感
磁性素子に関し、特にこの感磁性素子自体をスイッチン
グ素子として使用しうるようにこの素子に位相判別機能
を賦与したものである。

感磁性素子として、一般に知られているホール素子は第
１図に示すように、例えばＸ方向に電流Ｉｘが流れてい
る細長い半導体１の垂直方向に磁場Ｈｚを作用させるこ
とにより、Ｈｚ、Ｔｘと垂直な方向ｙに起電力Ｅｙが生
ずるホール効果を使用した素子である。

このホール効果素子は半導体であるのに、温度による特
性の変化が大きく、例えば無刷子モータの如く発熱する
装置の検出素子としては不適当で、誤動作を防止するの
が困難であると云う欠点も列挙出来るが、この半導体ホ
ール素子を含む他の感磁性スイッチング素子、つまり磁
気コア、磁気抵抗素子、マグネット、ダイオード等にお
いて、二端子素子では入力信号の正負を判別する場合、
補償電圧又は参照電圧を必要とし、一方間端子素子では
外部回路において例らかの形で位相判別を必要とする。

本発明は四端子素子に関するもので素子自体に位相判別
機能をもたせたことを特徴とするスイッチング素子であ
る。

素子自体に位相判別機能をもたせると外部回路でその機
能を省略出来るとい゛う経済的な利点のみならず温度変
化に刻しても出力と判別機能が同じ場所で同時に変動し
互に補償し合う様に機能させることが可能になり安定な
素子を提供出来る。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明するも、まず本
発明に適用して好適な感磁性素子の一例を述べる。

第２図Ａ及びＢは感磁性素子１０の一例を示す平面図及
び断面図であって、例えばＮｉが８０％、Ｃｏが２０％
の組成からなる強磁性体２はガラス基板３上に１００Ｏ
Ａの厚みを有し、１關角の形状となるように蒸着され、
又強磁性体２に接し、その上下方向に電流端子４ａ、４
ｂが、左右方向に電圧端子５ａ、５ｂが有する様にＣｕ
等に導電体がガラス基板３上に形成される。

この様に構成された感磁性素子１０にあって、一般に第
３図に示す如く強磁性体２に電流を流すと（１）式に表
す様な電界が生ずることが知られている。

Ｅ＝ρ、 Ｐ＋ｎ（ｊ −ｎ ）（／’１１−／）Ｊ−
）＋ρｘｎ Ｘ ｊ・・・・・・・・・・・・（１） ここでＥは電界ベクトル、ｊは電流密度ベクトル、ｎは
磁化ベクトルの単位ベクトル、ρ１０、ρ工は磁化ベク
トルと平行及び垂直方向の比抵抗、ρＸはホール抵抗を
それぞれ表す。

全長方形の板状試料を考えその長手方向をＸ軸、巾方向
をｙ軸にとり電流をＸ軸力向に流すと（ｊｘ＝ｊ 、
ｊ ｙ＝ｊ ｚ＝０ ）、ｙ方向での電界（Ｅｙ）は（
１）式より となる。

ここでｂは試料の巾を表す。第一項は電流、電界、磁化
共にｘｙ面内成分のみの項でありこのことよりプレーナ
ー・ホール効果（磁気抵抗効果）と通称されている。

第二項は通常のホール効果である。

更にこの試料を薄膜にすると形状異方性により（２）式
の第二項はρＸの小なることとも相まって第一項に比べ
無視出来る様になる。

そこで第（２）式の積分を行うと Ｅ ｙ ＝△ｐ ｊＣＯ３ｃｐＳ１ｎｃｐ＝−ｚ△ｐ
３５ｉｎ２ ｃｐ・・・・・・・・・・・・・・・（３
） となる。

ここで△ρ＝（ρ１□−ρ工）、ψは電流と磁化ベクト
ルとのなす角である。

（３）式を電流Ｉ（Ｘ方向）と電圧Ｖｙの表現に書き直
すと次のようになる。

まず、試料のＺ方向における厚みをＣとすると、電流密
度ｊは、 で表わせる。

従って、今とおけば、 （Ｅｙ・ ｂ）はｙ方向の電圧ｖｙとな るので、（３）式の両辺にｂを掛けると共に、代入して
整理すると、 上式を 素子の形状が正方形の薄膜であると、 であるから、上式は、 ｂ／ｌ−１ となる。

（４）式の効果を使った感磁性素子は四端子素子であり
Ｘ方向を電流端子、ｙ方向を電圧端子とするものである
。

今この素子に外部信号磁界が作用すると、その信号磁界
の大きさ、方向により磁化の方向が決りψが決定する。

このφに応じた出力電圧が（４）式により発生し、これ
を検出すれば信号磁界の方向が検出出来る。

又この素子は強磁性体で作られているので適当な飽和磁
界を越えた外部信号磁界下で動作させた場合には外部信
号磁界の大きさが多少変動しても、その方向が変らなけ
れば一定の出力信号が得られる特徴をもっている。

（４）式より明らかな如くこの素子の出力電圧は電流に
比例しψ−±７で最大出力が得られる。

従ってこの素子をスイッチング素子として使用する場合
には信号磁界の大きさが素子の飽和磁界を越えて充分大
きく且つその方向が素子の電流方向と、±−の角度をな
す様にするのが最も有利である。

この様な使い力をした場合にはψ−＋７を例ば”ＯＰ＋
信号、 −−を゛１″信号とすれば各信ψ＝ ４ 号に対応した出力は となる。

今この士の位相を判別する機能を素子にもたせるために
第４図に示す如く電圧端子に不平衡電圧が生ずる様にこ
の電圧端子をＸ方向に△Ｘだけ相対的にずらす。

この時の不平衡電圧■ｙ′は入力端子間の間隔、即ちＸ
方向の長さを１１その入力端子間の電気抵抗をＲとした
場合 と表わすことが出来る。

ここで△Ｘを下式 と選んで作られた素子に於ては（５） 、 （６）式の
電圧、■ｙ、■Ｖ′が加算され となり出力の有無により位相判別を行うことが出来る。

更にこの素子を定電圧源Ｖ。で駆動させるとなり、（７
） 、 （９）式より明らかな如く素子の電気抵抗Ｒの
温度変化があっても出力の温度変化が補償される。

又電流■は交直両方いずれでもよいが、特に交流で使用
した場合には出力増巾に安価で安定な交流増巾器が使用
出来ること、特別な位相判別器を必要としないことに於
て効果が顕著になる。

以上本発明の目的（原理、効果について詳述したが第５
図以下にその実施例について述べる。

例えばＮｉが８０％、ｃｏが２０％の組成になされた上
述の強磁性体２にあって、第５図Ａのように、その電流
端子４ａ、４ｂ間に矢印で示す定電流■を流し、しかも
強磁性体２の磁化方向が電流■の方向に対し右側に４５
°（以下これを一４５°として説明する）となっていた
とき考える。

厚み約１ｏｏｏ人、素子の大きさ１７ＩＬ７！Ｌ角とし
たとき、４ａ、４ｂ間にＩＶの電圧をかけて電流を流し
たとするとこのとき電圧端子５ａ、５ｂ間には上述の組
成による場合では約２０ｍＶの電位差、即ち端子５ａを
ＯＶとすれば端子５ｂに一２０ｍＶの電圧が得られたも
のとする。

この様な強磁性体２において、磁化の方向を９０°ずら
し、つまり、同図Ｂのように電流■の方向に対し、左側
に４５゜（以下これを＋４５°として説明する）となる
ように磁場Ｈが作用したものとすれば得られる電圧値は
同じで極性のみ反転するから、端子５ａをＯＶとした場
合、端子５ｂは＋２０ｍＶの電圧となる。

従って、端子５ｂについてみれば磁化方向が９０°異な
ることによって一２０ｍＶから＋２０ｍＶまでの電圧変
動が生ずる。

ところで、磁場Ｈが作用しない状態で強磁性体２の磁化
方向が電流■の方向と一致しているものと仮定すれば、
電流■を流すことによって強磁性体２の水平方向（電流
■と直交する方向）における両端は等電位面とみなせる
ため今まで説明した各図における電圧端子５ａ 、ｓｂ
の接続状態ではこれらが等電位面の両端に接続されてい
るがために上述の磁化方向では電位差が生じない。

しかし電圧端子５ａ 、５ｂを相対的にその上下方向に
ずらせば、原理的説明のところで述べた様に電圧端子５
ａ、５ｂのずれによる不平衡電圧が生ずることになる。

依ってこの不平衡電圧の大きさが丁度第５図Ａ及びＢで
説明した電圧変動（４ａｍＶ）の１／２の値即ち２０ｍ
Ｖとなるように電圧端子５ａ＋５ｂをずらす。

説明の都合上、第６図に示す如く端子５ａが中点Ｐにあ
ったときこれを基準にして端子５ｂを上方にずらして移
動距離ΔＸを得、この場合△Ｘは強磁性体２の大きさ及
び組成で異るも、第２図で示したように１ｍｍ角の形状
であればΔｘ＝２０μとなる。

このように電圧端子５ａ、５ｂをずらすことにより、交
流発振器を作用しても磁化の方向が±４５°のいずれか
一方の磁化方向のみ電圧端子５ａ、５ｂから出力電圧が
得られ、スイッチング素子として即ち感磁性スイッチン
グ素子２０が得られるようになる。

即ち強磁性体２の面内における＋４５°の方向に面内磁
場Ｈが作用し、磁化方向が＋４５°となったときを考え
る。

成る時点で、第７図Ａのように電流■が矢印ａ方向（下
向き）に流れた正の半サイクルでは第５図Ｂで説明した
ように端子５ｂには＋２０ｍＶの出力電圧ｅ１ が生ず
る。

しかし、もともと端子５ｂには第６図で説明したように
＋ ２０ ｍ Ｖの不平衡電圧ｅ２があるため端子５ａ
。

５ｂ間の合成出力ｅ （ｅ＝ｅ１＋ｅ２ ）は＋４０
ｍＶとなる。

次に、磁化方向を同じくして負の半サイクルでは電流１
はｂ方向（同図Ｂ参照）になる。

電流■が反転すれば出力電圧ｅ１ も反転するから、端
子５ｂが一２０ｍＶとなる。

この場合、反転した電流■が供給されれば不平衡電圧ｅ
２ も反転し、端子５ｂで考えればｅｌ ＝−２０ｍＶ
、 ｅ２ニー２０ｍＶとなるから、この結果、合成出
力ｅ（ｅ＝ｅ１＋ｅ２）は−４０ｍＶとなる。

以上のように磁化方向が＋４５°の場合は４０ｍＶの振
巾をもつ交流出力が得られる。

これらの関係は第８図Ａに整理しである。

磁化方向が上述とは逆に一４５°になるような面内磁場
Ｈが作用している場合はどうであろうか。

合同図Ｃのようにａ方向に電流■を流せば第５図Ａで示
したと同様な観点から端子５ｂには一２０ｍＶの出力電
圧ｅ１が生ずるため、不平衡電圧ｅ２の重畳された合成
出力ｅはＯＶとなる。

電流がｂ方向に流れている同図りの状態では端子５ａの
出力電圧ｅ１は２０ｍＶ、そして、不平衡電圧ｅ２は２
０ｍＶとなるため端子５ｂの電圧はＯＶとなる。

第８図Ｂに以上の事柄を整理しである。これらの関係に
より磁化方向が＋４５°のときのみ入力電流■に比例し
た出力電圧ｅが得られる。

このように電圧端子５ａ 、ｓｂを所定の距離△Ｘだけ
移動させることにより一方の磁化方向のときのみ出力が
得られるようになるから、位相判別機能を賦与出来、ス
イッチング動作を行うことが出来、例えばこの感磁性ス
イッチング素子は無刷子モークの磁束検出に使用して好
適である。

第９図はその一例で同図のように発振器１１を接続し、
合成出力ｅを増巾器１２で増巾すると共に整流回路１３
を介してモータの界磁巻線１４に印加する。

モしてモータの回転子（図示せず）には感磁性スイッチ
ング素子２０に９０°異る磁場トｆが作用するように磁
界発生源を設は置けば、磁界発生源例えば着磁方向の異
る磁石の通過によって感磁性スイッチング素子２０が感
応し、界磁巻線１４に電圧が供給される界磁巻線が３個
ある３極の交流モータの場合はこの回路系１５を３つ用
意し、夫々を駆動すればよい。

なお、本発明の要旨とは直接関係ないが、第６図に示し
た感磁性スイッチング素子２０の製法の一例を示すと、
まず３ｍｍ×７ｍｒｎのガラス板３を用意しその上面に
Ｎｉ−Ｃｏ合金の強磁性体２を全面に蒸着し、その後電
極となるＣｕとＡｕとの合金即ち導電体をマスクを用い
て蒸着する。

然る後ホトエツチングによって所望とする電極を残して
エツチング除去すれば２０μの移動距離△Ｘを有した目
的とする感磁性スイッチング素子２０を製出しうるもの
である。

以上の如く本発明では単にプレーナー・ホール効果を持
つ強磁性体２の電圧端子５ａ 、ｓｂを所望の距離迭旦
・ｌだけ移動させることにより、所Ｒ 定の磁化力向に対しては必ず出力電圧を零にすることが
できるので、この発明では任意の大きさの磁界の中で、
ある特定の磁化方向を極めて簡単且つ正確に判別するこ
とができる。

そのため、この発明に係る素子は位相判別機能があり、
よってスイッチング素子として使用することが出来、こ
の場合、出力は交流なので温度ドリフト等の影響を受け
ないからその特性が安定する。

周波数特性も安定になる。

その構成も簡単であるから安価になる。

因みに従来使用されているホール素子は高価であると共
に温度特性が悪い。

ソニーマグネットダイオード（ＳＭＤ：商品名）につい
ても同様なことが言える。

なお上述の例では不平衡電圧ｅ２を得るため移動距離△
Ｘを２０μとしたが、これは強磁性体２の組成、その厚
み、大きさ等によって異り、要は使用せんとする強磁性
体２に応じて不平衡電圧ｅ２が得られる様に移動距離△
Ｘを適宜選定すればよい。

従って、第３図Ａ及びＢに示す各端子５ａ 、ｓｂ間の
数値は説明のための一例に過ぎない。

又この構造によって得た素子を直流電流によって直流出
力を得るように使うことはもちろん可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はホール素子の説明に供する斜視図、第２図Ａは
本発明に適用しうる感磁性素子の具体的構成の一例を示
す平面図、同図Ｂはその断面図、第３図及び第４図は感
磁性素子の作用を説明するための模型図、（第５図は本
発明の説明に供する感磁性素子の平面図、）第６図は本
発明による感磁性スイッチング素子の一例を示す平面図
、第７図はその作用説明に供する模型図、第８図は第７
図の説明により得られるスイッチング作用を整理した合
成出力の図、第９図は本発明の一実施例を示す回路系で
ある。 ２は強磁性体、■は電流、Ｈは面内磁場、Ｅは出力電圧
、４ａ 、４ｂは電流端子、５ａ 、ｓｂは電圧端子、
１０は感磁性素子、２０は感磁性スイッチング素子、△
Ｗは移動距離、１１は交流発振器、１４は界磁巻線であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １一対の入出力端子を夫々有した磁気抵抗効果を呈する
   薄模の強磁性体より成る感磁性素子を有し、上記一対の
   入力端子は所定間隔ｌを介して設けられ、上記入力端子
   間の抵抗をＲとし、上記感磁性素子に加えられる磁化の
   方向に対する比抵抗の並行成分と垂直成分の差をＡρと
   し、また上記感磁性素子のｙ方向及び２方向の長さを夫
   々ｂ。 Ｃとして、Ａρ−一仁Ａ Ｒとおいたとき、上記−１）
   Ｃ 対の出力端子は上記入力端子間に流れる電流の力ＪＲ、
   。 向において−・ｌたけ相対的にずらして設けらＲ れ、−力の磁化方向のときのみ該出力端子から所定の出
   力電圧が得られるようにすることにより位相判別機能を
   付与するようにしたことを特徴とする感磁性スイッチン
   グ素子。