JP2008288071A - 磁気近接スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】センサを小型化でき、印加磁界の制御が容易な磁気近接スイッチを提供することを課題とする。
【解決手段】スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板１１と、半導体基板１１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１２と、磁気抵抗素子１２にバイアス磁界を印加するためのコイル１３を少なくとも備え、コイル１３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子１２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものであることを特徴とする磁気近接スイッチ１０。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁性体の接近を検知することができる磁気近接スイッチに関する。

回転の検知や、位置の検出など、物体の接近を検知するためのセンサには、磁気検出素子（例えばホール素子や磁気抵抗素子（以下「ＭＲ素子」という。）など）が使われているものがある。これらの磁気検出素子を用いたセンサは、検知対象物にあらかじめ磁石を取り付けたり検知対象物を着磁させたりしておき、検知対象物が磁気検出素子に接近すると、検知対象物の接近がわかるというものである（例えば非特許文献１参照）。また、特許文献１，２のように、磁気検出素子側に磁石を取り付けておき、磁性体の位置を検出するという方法もある。これらの特許文献に記載のセンサは、磁気検出素子側に磁性体が近づくと、磁気検出素子側にかかっている磁界が減少していることを利用している。
ホールセンサ（磁気近接スイッチ）［ｏｎｌｉｎｅ］、松下電工株式会社、［平成１９年４月１２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｗ．ｃｏ．ｊｐ／ａｃ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｆａｓｙｓ／ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ／ｌｉｍｉｔ＿ｓｗｉｔｃｈ／ｃａｔａｌｏｇ／ｐｓ−ｊ．ｐｄｆ＞ 特開平６−８２４６５号公報 特許第２５０３４８１号公報

しかしながら、検知対象物にあらかじめ磁石を取り付けたり検知対象物を着磁させたりする手法では、磁石を取り付けたり着磁させたりする手間がかかる。また、精度良く磁石を取り付けたり着磁させたりすることが困難である。また、磁気検出素子としてホール素子を用いたホールセンサでは、チップの垂直方向の磁束しか捕らえることができないので、バイアス磁界を印加するための磁石が大型になってしまう。

磁気検出素子としてＭＲ素子を用いたセンサでは、検出ＩＣを別に用意する必要があるため、センサが大型になってしまう。また、磁気検出素子側に磁石を取り付ける場合は、印加磁界のばらつきが大きいという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、センサを小型化でき、印加磁界の制御が容易な磁気近接スイッチを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するためのコイルを少なくとも備え、前記コイルは、外部磁界が印加されていない状態では、前記磁気抵抗素子が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものであることを特徴とする磁気近接スイッチを提供する。
本発明の磁気近接スイッチにおいて、前記集積回路素子は、前記磁気抵抗素子の出力電圧を所定の閾値と比較してスイッチング動作を行うものであることが好ましい。
また、前記集積回路素子は、前記所定の閾値を複数通り設定できるものであることが好ましい。

本発明によれば、コイルからバイアス磁界を印加するので、自発磁化を有していない磁性体でも、その接近を検知することができる。また、ＭＲ素子のスイッチング磁界や、センサから対象物までの距離に応じてバイアス磁界を変更することができる。また、精度よくバイアス磁界を印加することができる。また、ＭＲ素子がスイッチング磁界の異なる複数出力を持つ場合、対象物との距離を多段階で検知することができる。コイルをＷＬＰで作製した場合、非常に薄い磁気近接センサを実現することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
本発明の磁気近接スイッチは、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子（以下「ＭＲ素子」という。）と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するためのコイルを少なくとも備え、前記コイルは、外部磁界が印加されていない状態では、前記磁気抵抗素子が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。

半導体基板としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板が挙げられる。半導体基板には、集積回路素子を設けておくと、検出ＩＣを別に用意する必要がなく、磁気近接スイッチモジュールを小型化することができる。集積回路素子は、磁性体からなる検知対象物による磁界の変化を検知するため、磁気抵抗素子の出力電圧を所定の閾値と比較してスイッチング動作を行うものが好ましい。コイルは、ウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）プロセスによって作られたものであれば、非常に小型のセンサとすることができる。

コイルは、ＭＲ素子にバイアス磁界を印加するため用いられる。磁気近接スイッチを使用するときには、コイルによってバイアス磁界を印加しておき、検知対象物が接近すると、磁束が検知対象物に吸引されるので、ＭＲ素子にかかる磁束密度が減少し、検知対象物の接近を検知することができる。検知対象物は、自発磁化を持つ磁石である必要はなく、磁性体であれば何でも良いので、検知対象物に磁石を取り付けたり、検知対象物を着磁したりする手間が必要ない。さらに、検知対象物の磁石とＭＲ素子との精度よい位置合わせが必要なくなる。また、バイアス磁界の印加手段としてコイルを用いるため、バイアス磁界を変更することが可能である。よって、磁気近接スイッチがスイッチング磁界の異なる複数の出力を持つ場合、検知対象物との距離を多段階で検知することが可能となる。

図１、図２を参照して、本発明の磁気近接スイッチの動作について説明する。図１（Ａ）は、磁性体からなる検知対象物２が磁気近接スイッチ１から遠い位置（以下「位置Ａ」という。）にある場合を表す。図１（Ｂ）は、磁性体からなる検知対象物２が磁気近接スイッチ１から中程度離れた位置（以下「位置Ｂ」という。）にある場合を表す。図１（Ｃ）は、磁性体からなる検知対象物２が磁気近接スイッチ１に近い位置（以下「位置Ｃ」という。）にある場合を表す。

ＭＲ素子は、バイアス磁界が検知対象物２に吸引されることによる磁界の変化を検知して、その変化量に応じた値の出力電圧を出力する。集積回路素子は、磁性体からなる検知対象物による磁界の変化を検知するため、ＭＲ素子の出力電圧を所定の閾値と比較してスイッチング動作を行うことにより、検知対象物２が磁気近接スイッチ１から所定の距離以上離れているかどうかに対応した、高レベル（Ｈｉｇｈ Ｌｅｖｅｌ）と低レベル（Ｌｏｗ Ｌｅｖｅｌ）の２通りの信号を出力する。

検知対象物２が磁気近接スイッチ１に接近するときの磁界の変化量は、磁気近接スイッチ１から検知対象物２までの距離に応じて変化する。例えば図１において、検知対象物２が位置Ａにあるときは、コイルから印加されるバイアス磁界がほとんどそのままＭＲ素子にかかるが、検知対象物２が位置Ｂにあるとき、さらに検知対象物２が位置Ｃまで接近したときには、バイアス磁界が検知対象物２に吸引されることにより、ＭＲ素子にかかる磁界が減少し、ＭＲ素子の出力電圧も、磁界の減少量に応じて変化する。

したがって、集積回路素子が比較する基準となる所定の閾値を複数通り設定することにより、磁気近接スイッチ１の出力がＨｉｇｈとなるかＬｏｗとなるかが切り替わるときの磁界の大きさを複数通りに変更することができ、ひいては、磁気近接スイッチ１の出力がＨｉｇｈとなるかＬｏｗとなるかが切り替わるときの検知対象物２から磁気近接スイッチ１までの距離を複数通りに変更することができる。

例えば、図２（ａ）に示すように、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさであるときに、出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定しておくと、バイアス磁界が２０Ｇ（ガウス）であるときには、検知対象物２が位置Ａにあるときは、ａ１１に示す状態となり、Ｌｏｗの信号を出力する。同様に、バイアス磁界が２０Ｇで、検知対象物２が位置Ｂにあるときは、ｂ１１に示す状態となり、Ｌｏｗの信号を出力し、バイアス磁界が２０Ｇで、検知対象物２が位置Ｃにあるときは、ｃ１１に示す状態となり、Ｈｉｇｈの信号を出力する。バイアス磁界が３０Ｇであるときには、検知対象物２が位置Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの場合においても、Ｌｏｗの信号を出力する。

また、図２（ｂ）に示すように、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさであるときに、出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定しておくと、バイアス磁界が２０Ｇであるときには、検知対象物２が位置Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの場合においても、Ｈｉｇｈの信号を出力するのに対して、バイアス磁界が３０Ｇである場合には、検知対象物２が位置Ａにあるときは、ａ２２に示す状態となってＬｏｗの信号を出力し、検知対象物２が位置Ｂにあるときは、ｂ２２に示す状態となってＨｉｇｈの信号を出力し、検知対象物２が位置Ｃにあるときは、ｃ２２に示す状態となってＨｉｇｈの信号を出力する。

以上の状態の変化をまとめると、表１のようになる。

したがって、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定した上で、２０Ｇのバイアス磁界を印加すると、位置Ａと位置Ｂは区別できないが、位置Ｃにあるかどうかを区別することが可能になる。また、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定した上で、３０Ｇのバイアス磁界を印加すると、位置Ｂと位置Ｃは区別できないが、位置Ａにあるかどうかを区別することが可能になる。これらの２つの検知結果を組み合わせることにより、位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃの３段階で、検知対象物までの距離を検知することが可能になる。

なお、本形態例においては、図２（ａ）において、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさより小さいときに出力がＨｉｇｈとなり、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさより大きいときに出力がＬｏｗとなり、図２（ｂ）において、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさより小さいときに出力がＨｉｇｈとなり、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさより大きいときに出力がＬｏｗとなるものとしたが、これとは逆に、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定するとき、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさより大きいときに出力がＨｉｇｈとなり、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさより小さいときに出力がＬｏｗとなり、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定するとき、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさより大きいときに出力がＨｉｇｈとなり、ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさより小さいときに出力がＬｏｗとなるものとしても良い。

検知対象物までの距離をリアルタイムで検知するため、
（１）ＭＲ素子にかかる磁界が「出力１」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定した上で、２０Ｇのバイアス磁界を印加する状態と、
（２）ＭＲ素子にかかる磁界が「出力２」で示した大きさであるときに出力のＨｉｇｈおよびＬｏｗが切り替わるように設定した上で、３０Ｇのバイアス磁界を印加する状態とは、所定の周期で交互に切り替えることが必要である。本発明においては、バイアス磁界を印加する手段がコイルであるので、印加磁界の大きさの切り替えを容易かつ高速で行うことができる。

ここでは、集積回路素子が所定の閾値を１通りしか設定できない従来の構成では、検知対象物までの距離を、閾値より遠い場合か近い場合かの２通りしか判別できないのに対して、集積回路素子が所定の閾値を２通り設定できるようにした本発明の構成では、検知対象物までの距離を、３通りに区別して検知することができることを示した。したがって、同様の技術的思想に基づいて、集積回路素子が所定の閾値を３通り以上設定できるようにすれば、検知対象物までの距離を、４通り以上に区別して検知することができることは明らかである。

また、このとき、集積回路素子から出力されるこの磁気近接スイッチの出力としては、ＭＲ素子の出力が高レベル状態（印加磁束密度が小）のときに高電圧値による信号を出し、ＭＲ素子の出力が低レベル状態（印加磁束密度が大）のときに低電圧値による信号を出すようにしてもよく、その逆に、ＭＲ素子の出力が高レベル状態（印加磁束密度が小）のときに低電圧値による信号を出し、ＭＲ素子の出力が低レベル状態（印加磁束密度が大）のときに高電圧値による信号を出すようにしてもよい。

本発明の磁気近接スイッチの具体的な実施例について、図３〜図８に示す。なお、本発明の磁気近接スイッチは、これらの実施例に限定されるものではない。

図３に示す磁気近接スイッチ１０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板１１と、この半導体基板１１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１２と、この磁気抵抗素子１２にバイアス磁界を印加するためのコイル１３を少なくとも備え、コイル１３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子１２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図３の左右方向である。また、コイル１３は、ＷＬＰプロセスにより半導体基板１１の表側の面に形成されており、かつ磁気抵抗素子１２とは上下に重なりがある位置に設けられている。

図４に示す磁気近接スイッチ２０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板２１と、この半導体基板２１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子２２と、この磁気抵抗素子２２にバイアス磁界を印加するためのコイル２３を少なくとも備え、コイル２３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子２２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図４の左右方向である。また、コイル２３は、ＷＬＰプロセスにより半導体基板２１の裏側の面に形成されている。

図５に示す磁気近接スイッチ３０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板３１と、この半導体基板３１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子３２と、この磁気抵抗素子３２にバイアス磁界を印加するためのコイル３３を少なくとも備え、コイル３３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子３２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図５の左右方向である。また、コイル３３は、ＷＬＰプロセスにより半導体基板３１の表側の面に形成されており、かつ磁気抵抗素子３２とは重なりのない位置に設けられている。このため、磁気抵抗素子３２とコイル３３とを同一面上に設けることが可能である。

図６に示す磁気近接スイッチ４０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板４１と、この半導体基板４１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子４２と、この磁気抵抗素子４２にバイアス磁界を印加するためのコイル４３を少なくとも備え、コイル４３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子４２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図６の左右方向である。また、コイル４３は、ＷＬＰプロセスにより半導体基板４１の表側の面に形成されたスパイラル（渦巻き状）コイルである。

図７に示す磁気近接スイッチ５０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板５１と、この半導体基板５１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子５２と、この磁気抵抗素子５２にバイアス磁界を印加するためのコイル５３を少なくとも備え、コイル５３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子５２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図７の左右方向である。また、コイル５３は、エナメル線のような細径導線からなるコイル（巻線コイル）であり、磁気抵抗素子５２を設けた半導体基板５１がコイル５３の内部（中空部）に収容された構成となっている。

図８に示す磁気近接スイッチ６０は、スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板６１と、この半導体基板６１の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子６２と、この磁気抵抗素子６２にバイアス磁界を印加するためのコイル６３を少なくとも備え、コイル６３は、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子６２が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものである。この例では、印加磁界方向は、図８の左右方向である。また、コイル６３は、エナメル線のような細径導線からなるコイル（巻線コイル）であり、半導体基板６１の裏側に設けられた構成となっている。
なお、特に図示はしないが、図８に示す例にならって、巻線コイルを半導体基板の表側に設けた構成とすることもできる。

本発明は、磁性体の接近を検知することができる磁気近接スイッチとして利用することができる。

（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の磁気近接スイッチの動作を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の磁気近接スイッチの動作を説明する図である。 本発明の磁気近接スイッチの第１の形態例を示す斜視図である。 本発明の磁気近接スイッチの第２の形態例を示す斜視図である。 本発明の磁気近接スイッチの第３の形態例を示す斜視図である。 本発明の磁気近接スイッチの第４の形態例を示す斜視図である。 本発明の磁気近接スイッチの第５の形態例を示す斜視図である。 本発明の磁気近接スイッチの第６の形態例を示す斜視図である。

符号の説明

１…磁気近接スイッチ、２…検知対象物、１０，２０，３０，４０，５０，６０…磁気近接スイッチ、１１，２１，３１，４１，５１，６１…半導体基板、１２，２２，３２，４２，５２，６２…磁気抵抗素子、１３，２３，３３，４３，５３，６３…コイル。

Claims (3)

1. スイッチング動作を行う集積回路素子を備えた半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ面内方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加するためのコイルを少なくとも備え、
   前記コイルは、外部磁界が印加されていない状態では、前記磁気抵抗素子が形成された面内方向にバイアス磁界を印加するものであることを特徴とする磁気近接スイッチ。
2. 前記集積回路素子は、前記磁気抵抗素子の出力電圧を所定の閾値と比較してスイッチング動作を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気近接スイッチ。
3. 前記集積回路素子は、前記所定の閾値を複数通り設定できるものであることを特徴とする請求項２に記載の磁気近接スイッチ。

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