JPWO2008105228A1 - 磁気センサモジュール及び、ピストン位置検出装置 - Google Patents

Abstract

スイッチング動作を行う集積回路を備えた半導体基板と、この半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ該一方の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子と、前記半導体基板に設けられ、かつ前記一方の面に平行な面上に配置されたバイアス磁界印加部材とを、備え、前記バイアス磁界印加部材は、該バイアス磁界印加部材が配置された前記面に沿った方向に着磁されており、外部磁界が印加されていない状態では、該バイアス磁界印加部材は、前記磁気抵抗素子が設けられた前記一方の面に沿った方向にバイアス磁界を印加するものである磁気センサモジュールである。

Description

本発明は、磁気センサモジュールに関し、及び、シリンダチューブ内におけるピストンの位置を検出するピストン位置検出装置に係り、詳しくは油圧シリンダ、エアーシリンダ等の流体圧シリンダ内におけるピストン位置をシリンダチューブの外側から検出するピストン位置検出装置に関する。
本願は、２００７年２月２６日に出願された特願２００７−０４５２９５号、及び、２００７年７月２０日に出願された特願２００７−１８９６９２号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。

磁気センサは、磁束密度の高低を検知するセンサであり、開閉センサや鉄板等磁性体に近接して用いられる近接センサとして使用されている。これまでの磁気センサは、磁電変換素子としてホールセンサを使用したものが多かった。これまでの磁気センサを近接センサとして使用する場合、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４のような構成が多かった（例えば特許文献１〜３、非特許文献１〜３参照）。

図１３Ａ、図１３Ｂにおける、近接センサとして使用される磁気センサは、以下の構成を有する。即ち、図１３Ａに示すように、磁束４が、ホール素子（またはスイッチ機能を含んだホールＩＣ）２の長さ方向に対し垂直方向にホール素子２を貫くように、磁石１がホール素子２に対して設置されているものである。磁性体３がこの磁気センサに接近すると、図１３Ｂに示すように磁束４が磁性体３に吸引されるため、ホール素子２に印加される磁束密度が低くなる。そこで、その出力変化を検知することにより、磁性体３の接近を検知することができる。また、スイッチ機能を含んだホールＩＣの場合には、所定の磁束密度を閾値として、この閾値を境界に反転した出力を得ることができる。
また、図１４に示す、近接センサとして使用される磁気センサの動作も同様である。この磁気センサでは、磁束８が、ホール素子（またはスイッチ機能を含んだホールＩＣ）６の長さ方向に対し垂直方向にホール素子６を貫くように、磁石５がホール素子６に対し設置されている。この磁気センサでは、磁性体７の接近レベルに対応した出力変化を得ることができる。

しかし、従来のホール素子を用いた磁気センサでは、以下の問題が生じる。
（１）ホール素子２，６と磁石１，５とのペア構造が不可欠のため、複数の部品が必要となり、また、磁気センサのサイズが大きくなる（例えば特許文献２）。特に、図１３Ａ、図１３Ｂの構成では、磁石１とホール素子２との間に磁性体３が通過するためのスリットＳが必要となる（例えば非特許文献２）。
（２）バイアス磁界を印加するための磁石とホール素子との位置合わせが必要になる（例えばバラツキ防止策として、特許文献３）。
（３）一般的に、磁石特性のバラツキは大きいので、磁石の特性バラツキを見込んだ設計が必要になる（例えばバラツキ防止策として、特許文献３）。

従来の、ピストン位置検出装置の構造を図１５に示す（例えば、特許文献４）。磁石１０１がピストン１００に設置されており、磁気センサ１０３（この磁気センサ１０３は、磁石を有していない）が、非磁性材料からなるシリンダチューブ１０２の外側に設置されている。ピストン１００の移動によって磁石１０１が磁気センサ１０３に接近すると、磁気センサ１０３が磁石１０１を検知し、ピストン１００の位置を検出することができる。

しかしながら、上述したような従来のピストン位置検出装置では、ピストンに磁石を設置する必要があるため、ピストンの構造が複雑であり、製造工程も多くなる。

磁石と磁気センサの特性を考慮したシリンダの設計が必要である。具体的には、磁束の向きがシリンダチューブの長さ方向に対して垂直か平行かによって、ホール素子の磁気センサ又は磁気抵抗素子（ＭＲ素子）の磁気センサの何れの磁気センサを使用する必要があるかが違ってくる。さらに磁気抵抗素子の場合には、磁束の向きと磁気センサの感磁方向を合わせる必要がある。また、逆に磁気センサが決まっている場合は、磁石の磁極の向きに注意を払う必要がある。また、磁石をピストンに設置するために、ピストンやシリンダチューブが太くなってしまう。
特開昭６１−１７２０７５号公報 特開平６−７６７０６号公報 特開２００４−１８６０４０号公報 特許第２６１６７８３号公報 山田剛良、"磁場の乱れでオンオフ，タイコ エレが耐熱性が高い非接触の近接スイッチ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１８年１０月５日、日経エレクトロニクス、［平成１９年２月６日検索］、インターネット＜URL: http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20061005/121974/＞ "鉄板近接スイッチ ＭＥ−３０１"、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１９年２月６日検索］、株式会社エヌエー、インターネット＜URL: http://www.na-web.co.jp/products/me/pr_02_21.html＞ 武内章太郎、今野秀人、友常薫、涌坪勉、前田豊、"ＭＲセンサモジュール"、ＮＥＣ技報、日本電気株式会社、１９９８年、第５１巻、第４号、第１０６−１１０頁

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バイアス磁界印加部材（例えば、磁石）を高い精度で容易に位置合わせすることができ、特性のバラツキが少ない磁気センサモジュールを提供することを課題とする。また、本発明は、ピストンにバイアス磁界印加部材を配する必要をなくし、ピストンの構造、製造を簡単にすることが可能な、ピストン位置検出装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、スイッチング動作を行う集積回路を備えた半導体基板と、この半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ該一方の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子と、前記半導体基板に設けられ、かつ前記一方の面に平行な面上に配置されたバイアス磁界印加部材とを備え、前記バイアス磁界印加部材は、該バイアス磁界印加部材が配置された前記面に沿った方向に着磁されており、外部磁界が印加されていない状態では、該バイアス磁界印加部材は、前記磁気抵抗素子が設けられた前記一方の面に沿った方向にバイアス磁界を印加するものである磁気センサモジュールを提供する。

本発明の磁気センサモジュールにおいては、前記バイアス磁界印加部材がペースト磁石または薄膜磁石であることが好ましい。
前記集積回路は、前記磁気抵抗素子の出力電圧を所定の閾値と比較して、比較結果に応じて、前記磁気抵抗素子の出力電圧が前記所定の閾値より大きい高レベル状態であることを表す信号、又は、前記磁気抵抗素子の出力電圧が前記所定の閾値より小さい低レベル状態であることを表す信号を出力するものであることが好ましい。
前記バイアス磁界印加部材が前記半導体基板の一方の面とは反対の側である他方の面上に設けられていることが好ましい。
本発明のピストン位置検出装置は、非磁性材料からなるシリンダチューブと、少なくとも一部が磁性材料からなり、前記シリンダチューブ内周面を摺動するように配されたピストンと、前記シリンダチューブの外周面に配され、バイアス磁界印加部材を有する磁気センサと、を備える。
本発明において、前記磁気センサは、磁束密度の高さに基づいてスイッチング動作を行う集積回路を少なくとも備え、かつ、前記バイアス磁界印加部材は、薄膜からなる磁石であり、前記集積回路の上面、下面、又は内部に配されていることが望ましい。

本発明において、前記磁気センサは、半導体基板、及び、この半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ該一方の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子を有し、前記バイアス磁界印加部材は磁石であり、該磁石は前記半導体基板に設けられ、かつ、前記一方の面に平行な面上に配置され、かつ、該磁石が配置された前記面に沿った方向に着磁されており、外部磁界が印加されていない状態では、該磁石は前記磁気抵抗素子が設けられた前記一方の面に沿った方向にバイアス磁界を印加することが望ましい。

本発明によれば、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）、スイッチング動作を行う集積回路(ＩＣ)を備えた半導体基板（ＭＲスイッチ）、及び、バイアス磁界印加部材からなる集積構造を用いて磁気センサモジュールを構成することにより、以下の利点がある。
（１）バイアス磁界印加部材を磁気センサモジュールに含め、集積構造とすることで個別のバイアス磁界印加部材が不要となる。
（２）印加磁界の方向が半導体基板の面と平行方向になるため、磁気センサモジュールの小型化が可能となる。

（３）半導体プロセスと親和性の高いプロセスを用いてバイアス磁界印加部材を形成することができるため、バイアス磁界印加部材と半導体基板との位置合わせが不要となる。また、バイアス磁界印加部材と磁気抵抗素子の距離を高精度に調整することができるため、印加された磁界のバラツキを低減することができる。
また、本発明によれば、ピストンの少なくとも一部を磁性材料とし、磁気センサがバイアス磁界印加部材を備えることで、ピストンにバイアス磁界印加部材を配する必要がなくなる。これにより、バイアス磁界印加部材の磁極を考えずに磁気センサの実装ができることに加え、ピストンにバイアス磁界印加部材を配さないことでピストンやシリンダチューブを細くすることができる。その結果、本発明ではピストンの構造や製造を簡単にしたピストン位置検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の磁気センサモジュールの概略構成の一例を示す概略断面図である。 図２は、磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。 図３Ａは、図１に示す磁気センサモジュールに外部磁界が印加されていない状態における磁界の様子を模式的に示す図面である。 図３Ｂは、図１に示す磁気センサモジュールに外部磁界が印加されていない状態における出力を模式的に説明するグラフである。 図４Ａは、図１に示す磁気センサモジュールに磁性体を半導体基板の表面側から近接させた状態における磁界の様子を模式的に示す図面である。 図４Ｂは、図１に示す磁気センサモジュールに磁性体を半導体基板の表面側から近接させた状態における出力を模式的に説明するグラフである。 図５Ａは、図１に示す磁気センサモジュールに磁性体を半導体基板の裏面側から近接させた状態における磁界の様子を模式的に示す図面である。 図５Ｂは、図１に示す磁気センサモジュールに磁性体を半導体基板の裏面側から近接させた状態における出力を模式的に説明するグラフである。 図６Ａは、図１に示す磁気センサモジュールをバンプを介して基板上に固定して磁気センサを構成した様子を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、図１に示す磁気センサモジュールをバンプを介して基板上に固定して磁気センサを構成した状態における磁界の様子を模式的に示す図面である。 図７は、本発明に係るピストン位置検出装置の一例を示す断面図である。 図８は、本発明に係るピストン位置検出装置の他の一例を示す断面図である。 図９は、図７、８の装置を構成する磁気センサの部分を抜き出して示す断面図である。 図１０は、磁気抵抗素子の構成の一例を示す平面図である。 図１１Ａは、磁気センサに外部磁界が印加されていない状態における磁界の様子を示す図である。 図１１Ｂは、磁気センサに外部磁界が印加されていない状態における印加磁界と電圧との関係を示すグラフである。 図１２Ａは、磁気センサに磁性体を近接させた状態における磁界の様子を示す図である。 図１２Ｂは、磁気センサに磁性体を近接させた状態における印加磁界と電圧との関係を示すグラフである。 図１３Ａは、従来の磁気センサの一例を示す概略図である。 図１３Ｂは、従来の磁気センサの一例を示す概略図である。 図１４は、従来の磁気センサの他の例を示す概略図である。 図１５は、従来のピストン位置検出装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…磁気センサモジュール、１１…半導体基板、１１ａ…一方の面、１１ｂ…他方の面、１２…バイアス磁界印加部材、１３…磁気抵抗素子（ＭＲ素子）、２３…磁気センサ、３１…ピストン位置検出装置、３２…シリンダチューブ、３３…ピストン、３４…磁性材料、４０…磁気センサ、４１…半導体基板、４２…磁気抵抗素子、４３…バイアス磁界印加部材、４４…薄膜磁石、４７…磁気センサモジュール

以下、本発明に係る第１実施形態による磁気センサモジュールにつき、図１〜図６Ｂを参照して説明する。
尚、この磁気センサモジュールは１０、例えば、後述のように、バンプ等を介して、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）などの基板２２に固定されることにより、磁気センサ２３を構成する。
図１は、本発明の磁気センサモジュール１０の概略構成の一例を示す概略断面図である。図２は、磁気抵抗素子１３の構成の一例を示す平面図である。図３Ａは、図１に示す磁気センサモジュール１０に外部磁界が印加されていない状態における磁界１４の様子を模式的に示す図面であり、図３Ｂは、この状態における出力を模式的に説明するグラフである。図４Ａは、図１に示す磁気センサモジュール１０に磁性体２０を半導体基板の表面側から近接させた状態における磁界１５の様子を模式的に示す図面であり、図４Ｂはこの状態における出力を模式的に説明するグラフである。図５Ａは、図１に示す磁気センサモジュール１０に磁性体２０を半導体基板の裏面側から近接させた状態における磁界１６の様子を模式的に示す図面であり、図５Ｂはこの状態における出力を模式的に説明するグラフである。図６Ａは、図１に示す磁気センサモジュール１０を、バンプ２１を介して基板上に固定して磁気センサ２３を構成した様子を模式的に示す断面図であり、図６Ｂは、この状態における磁界１７の様子を模式的に示す図面である。

なお、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ｂ中、符号１４〜１７は、それぞれの状態における磁界を模式的に表現したものである。図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂにおいて、高レベル（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）から低レベル（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）へ遷移するとき、及び、低レベルから高レベルへ遷移するときで、横軸方向において異なる位置を通ることが模式的に表現されている。

この磁気センサモジュール１０は、図１に示すように、スイッチング動作を行う集積回路（図示略）を備えた半導体基板１１と、この半導体基板１１の一方の面１１ａ上に設けられ前記一方の面１１ａに沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１３と、前記半導体基板１１に設けられ、かつ前記一方の面１１ａに平行な面１１ｂ上に配置されたバイアス磁界印加部材（バイアス磁界印加用磁石）１２とを、少なくとも備えている。本形態例の磁気センサモジュール１０のバイアス磁界印加部材１２の着磁方向は、図３Ａに示すように、該バイアス磁界印加部材１２が形成された面１１ｂに沿った方向であり（ＮおよびＳが面１１ｂに沿った方向に並んでいる）、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子１３が形成された前記一方の面１１ａに沿った方向にバイアス磁界１４を印加するものであることを特徴とする。

バイアス磁界印加部材１２としては、半導体基板１１への積層に際し、半導体プロセスと親和性が高いプロセスによって形成することが可能な、ペースト磁石または薄膜磁石が好ましい。磁石を構成する硬磁性体としては、特に限定されるものではないが、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）、鉄−白金（ＦｅＰｔ）、コバルト−白金（ＣｏＰｔ）、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）、フェライトなどが利用できる。

ペースト磁石は、硬磁性体粉末等をバインダー樹脂に混合してなる硬磁性体ペーストを塗布などの方法で基板のいずれかの面に形成し、焼成・加熱ののち、所定の方向に着磁して磁化させることによって設けることができる。

薄膜磁石は、硬磁性体を薄膜として成膜したものであり、その作製方法は、特に限定されるものではないが、スパッタや蒸着、めっき、ボンド磁石の印刷などが挙げられる。薄膜磁石を任意の形状にするパターニングには、例えばエッチングやリフトオフなどのフォトリソグラフィー技術を利用することができる。作製した薄膜磁石は、必要に応じてアニール処理を行ったのち、磁気センサとしての感磁方向に着磁を行う。

ここで、図１に示す例では、バイアス磁界印加部材１２は、半導体基板１１の一方の面１１ａとは反対の側である他方の面１１ｂ上に設けられている。この場合、バイアス磁界印加部材１２と磁気抵抗素子１３との距離は半導体基板１１の厚みによって規定されるので、磁気抵抗素子１３への印加磁界を、精度良く制御することができる。

なお、本発明の磁気センサモジュール１０は、この例に限られるものではなく、例えばバイアス磁界印加部材１２を、半導体基板１１の一方の面１１ａと同じ側に設けてもよい。また、バイアス磁界印加部材１２と半導体基板１１とを積層する際に、任意に他の層（図示せず）を介在させてバイアス磁界印加部材１２と半導体基板１１との距離を調整するようにしてもよい。この手法によっても、磁気抵抗素子１３への印加磁界を、精度良く制御することができる。介在させる他の層は特に限定されないが、適当な無機材料あるいは有機材料等の非磁性材料を成膜することによって容易に形成することができる。

本発明においては、磁気センサモジュール１０を構成する磁気抵抗素子１３の磁電変換材料として、膜の面に沿った方向に感磁方向を持つ異方性磁気抵抗材料（ＭＲ）を用いている。磁気抵抗素子１３は、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）、鉄−ニッケル−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体からなる磁性膜から構成することができ、例えばパーマロイが挙げられる。

本形態例において、半導体基板１１上に設けられる磁気抵抗素子１３は、図２に示すように４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、ＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄの間に設けられ導電体からなる端子ａ，ｂ，ｃ，ｄとから構成され、ブリッジ構造を有する。それぞれのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄを形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法によるパターン形成工程と、メッキ法やスパッタリング法による成膜工程とを組み合わせた方法が挙げられる。
ＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄのパターンは、それぞれ所定の方向を向いて配置される。

図２に示す磁気抵抗素子１３の場合、２つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｄは、半導体基板１１の一方の面１１ａ上における一の方向（以下、「Ｘ方向」という。図２では左右方向）を向いて配置されており、他の２つのＭＲ薄膜抵抗１３ｂ，１３ｃは、半導体基板１１の一方の面１１ａ上において前記Ｘ方向と直交する方向（以下、「Ｙ方向」という。図２では上下方向）を向いて配置されている。

Ｘ方向を向いて配置された２つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ，１３ｄには、Ｘ方向を長手方向として平行に配置された複数のＭＲ膜が設けられている。隣接するＭＲ膜は、その端部同士でメアンダ形状（つづら折り形状）になるように、ＭＲ膜または導電膜を介して、Ｙ方向に電気的に接続されている。
また、Ｙ方向を向いて配置された２つのＭＲ薄膜抵抗１３ｂ，１３ｃには、Ｙ方向を長手方向として平行に配置された複数のＭＲ膜が設けられている。隣接するＭＲ膜は、その端部同士でメアンダ形状（つづら折り形状）になるように、ＭＲ膜または導電膜を介して、Ｘ方向に電気的に接続されている。

４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、同じ材質のＭＲ膜から形成されることが好ましい。これにより、４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは温度に対する特性変動が同等となるので、磁気デバイスとしての温度特性が向上する。折り返し部分を導電膜で形成する場合、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導体膜が使用される。

磁気抵抗素子１３は図２に示すように、ブリッジ回路を構成している。このため、４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄでは、互いに異なる方向（Ｘ方向またはＹ方向）を向いて配置された素子同士が隣接して配置されており、４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、配線を介して接続されている。これらの配線は、例えば金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導体膜から構成することができる。４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、９０°ずつ向きを変えて配置されている。４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄは、材料、パターン形状や抵抗値が同じものであることが好ましい。４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄを配列する態様としては、例えば図２に示すように縦横２×２の配列が挙げられるが、ＭＲ薄膜抵抗間を適当な配線で接続することにより、他の配列を採用することも可能である。

このようなブリッジ回路においては、端子ａに電源電圧、端子ｂにはグランドレベルがそれぞれ接続されたとき、磁気抵抗素子１３の出力は、他の２つの端子ｃ，ｄ間の電位差（ブリッジ出力）として得ることができる。ブリッジ出力は、印加磁界の強さを反映して増減するので、このブリッジ出力（電圧）の大きさを所定の閾値と比較して、出力電圧が所定の閾値より大きい（高レベル状態）か、出力電圧が所定の閾値より小さい（低レベル状態）かの判別により、スイッチング動作を行うことができる。本発明においては、スイッチング動作は半導体基板１１に形成された集積回路（図示せず）により行われており、集積回路は高レベル状態か低レベル状態かのいずれかを表す信号を出力する。

次に、本実施形態の磁気センサモジュール１０としての検出方法を、図３Ａ〜図５Ｂを参照して説明する。磁気センサモジュール１０の出力は、閾値の磁束密度により、磁束密度が低いときに出力電圧が高レベル状態（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）となり、磁束密度が高いときに出力電圧が低レベル状態（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）となるように設定されている。このため、磁気センサモジュール１０の出力電圧について閾値を定め、磁気センサモジュール１０の出力電圧が前記閾値より大きいときを高レベル状態とし、磁気センサモジュール１０の出力電圧が前記閾値より小さいときを低レベル状態とする。また、閾値は、高レベル状態と低レベル状態との間にギャップを設けて両者が明確に区別されるようにすることが好ましい。このように電圧値の比較によりスイッチング動作を行う集積回路を、磁電変換素子の出力と組み合わせて用いることにより、外部磁界の強さに基づいてスイッチング動作を行う磁気センサモジュール１０を構成することができる。

図３Ａに示すように、外部磁界が印加されてない状態では、磁気抵抗素子１３には、バイアス磁界印加部材１２が形成された面に沿った方向に着磁されたバイアス磁界印加部材１２によって、磁気抵抗素子１３が形成された面に沿った方向にバイアス磁界１４が印加される。このときの磁界１４は、磁気抵抗素子１３近傍の磁束密度が高いもの（図３Ａにおいて磁気抵抗素子１３上に実線で右向き矢印として表す。）となる。そこで、図３Ｂに示すように、このときの出力電圧を低レベル状態（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）と判定するように前記閾値を設定すると、低レベル状態の出力は、磁性体が近接されていない状態を表すことになる。

図４Ａに示すように、鉄板等の磁性体２０を近接させると、バイアス磁界印加部材１２から印加される磁束が磁性体２０に吸引される。その結果、このときの磁界１５は、磁気抵抗素子１３近傍の磁束密度が低いもの（図４Ａにおいて磁気抵抗素子１３上に破線で右向き矢印として表す。）となる。そこで、図４Ｂに示すように、このときの出力電圧を高レベル状態（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）となるように前記閾値を設定すると、高レベル状態の出力は、磁性体２０が近接されている状態を表すことになる。

図４Ａでは磁性体２０を半導体基板１１の一方の面１１ａ側から近接させた様子を説明したが、図５Ａに示すように、磁性体２０を半導体基板１１の他方の面１１ｂ側から近接させた場合でも同様に動作する。すなわち、磁性体２０を近接させると、バイアス磁界印加部材１２から印加される磁束が磁性体２０に吸引される。その結果、磁気抵抗素子１３近傍の磁束密度が、弱い磁界１６となり、磁性体２０が近接されている状態を表す高レベル状態の信号を出力する。

磁気抵抗素子１３には、印加磁界の強さに応じて抵抗値が変化する性質があり、印加磁界が強いほど抵抗値が減少する特性があるため、磁気抵抗素子１３の２つの端子間の電位差（ブリッジ出力）は、ＭＲ膜へ印加される磁束密度の高さを反映して増減する。このブリッジ出力の大きさを所定の閾値と比較して、出力電圧が所定の閾値より大きいか、小さいかの判別によりスイッチング動作を行う。このような構成とすることにより、素子に印加される磁束密度の高低に応じて異なる２つの出力を発生する磁気センサモジュール１０を実現することが可能となる。なお、集積回路から出力されるこの磁気センサモジュール１０の出力としては、磁気抵抗素子１３のブリッジ出力が所定の閾値より小さいときに高電圧値による信号を出し、磁気抵抗素子１３のブリッジ出力が所定の閾値より大きいときに低電圧値による信号を出すようにしてもよい。また、その逆に、磁気抵抗素子１３のブリッジ出力が所定の閾値より小さいときに低電圧値による信号を出し、磁気抵抗素子１３のブリッジ出力が所定の閾値より大きいときに高電圧値による信号を出すようにしてもよい。

スイッチング動作を、半導体基板に設けた集積回路（ＩＣ）によって行うので、比較や制御等に必要な回路を省スペースで構成することができ、磁気センサモジュール１０の小型化を実現できる。本実施形態の磁気センサモジュール１０は、図６Ａに示すように、半導体基板１１の面１１ａ上にバンプ２１を設け、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）などの基板２２に固定することにより磁気センサ２３を構成することができる。尚、磁気センサモジュール１０、バンプ２１、及び、基板２２が、図示しない磁気センサ用筐体に収容され、それらが全体として磁気センサ２３を構成しても良い。また、このとき半導体基板１１と回路基板２２との間は、バンプやワイヤ、導電ペースト（図示せず）などを用いて、電気的に接続することができる。

以上説明したように、本発明の第１実施形態においては、着磁方向がバイアス磁界印加部材１２が形成された面に沿った方向であるバイアス磁界印加部材１２と、膜の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子１３とを用いることにより、磁性体２０が磁気センサモジュール１０に対していずれの方向から接近した場合でも検出することが可能になる。
また、バイアス磁界印加部材１２および磁気抵抗素子１３は、いずれも半導体プロセスと親和性の高いプロセスを用いて形成することができるため、バイアス磁界印加部材１２と磁気抵抗素子１３との位置関係を精度よく調整することが容易になる。また、いずれも半導体基板に積層されて一体化されるため、磁気センサモジュール１０、及び、この磁気センサモジュール１０を備えた磁気センサ２３を小型化することができる。

（実施例）
本実施例で作製した磁気センサモジュール１０は、図１に示すように、磁気抵抗素子１３と、半導体基板１１上に集積されたバイアス磁界印加部材１２とからなる。磁気抵抗素子１３は、図２に示すように、４つのＭＲ薄膜抵抗１３ａ〜１３ｄのブリッジ構造からなり、各ＭＲ薄膜抵抗は、パーマロイ薄膜から形成されている。磁気抵抗素子１３の出力は、集積回路内のコンパレータ（比較器）で比較された後、スイッチング動作を行う。そのパッケージは、シリコン（Ｓｉ）基板からなるウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）で構成されており、バンプ２１（図６Ａ、図６Ｂ参照）を含めたチップサイズは、０．９７×０．９７×０．５（ｍｍ）である。

半導体基板１１の裏面１１ｂには、バイアス磁界印加部材１２としてＮｄＦｅＢ系のペースト磁石が配置される。ＮｄＦｅＢ系のペースト磁石は、約８０μｍの膜厚で形成され、磁気抵抗素子１３の感磁方向と同一の面に沿った方向に着磁されている。ペースト磁石は、その膜厚によって磁気抵抗素子１３への印加磁界を制御でき、また、バイアス磁界印加部材１２と磁気抵抗素子１３との距離は基板１１の厚みによって規定されるため、印加磁界を精度良く制御することが可能となる。

図６Ａに示すように、この磁気センサモジュール１０を半導体基板１１の一方の面１１ａ上に設けたバンプ２１を介して基板２２に実装して磁気センサ２３を構成した。そして、その出力を確認したところ、出力は低レベルであった。この磁気センサ２３は、バイアス磁界が印加されていない状態では、約１０〜２０（Ｏｅ）である印加磁界を閾値磁界として、それより強い磁界では出力は低レベル、それより弱い磁界では出力が高レベルとなるように設定されている。そのため、低レベルの出力は、磁気センサ２３に約２０（Ｏｅ）程度のバイアス磁界が印加されていることを意味する。

次に図６Ｂに示すように、磁気センサモジュール１０のバイアス磁界印加部材１２側から磁性体２０として鉄板を近づけると、約１０ｍｍの距離で磁気センサ２３の出力が高レベルに反転した。これは、バイアス磁界印加部材１２で発生した磁束が磁性体２０に吸引される結果、磁気抵抗素子１３の近傍の磁束密度が低下して、印加磁界の強さが約１０（Ｏｅ）未満となったことを意味する。

同様に、特に図示はしないが、磁気センサモジュール１０の磁気抵抗素子１３側（図６Ａ、図６Ｂにおける下側）から磁性体を近づけたときも、磁気センサ２３の出力が高レベルに反転した。
これらの結果から、磁性体２０が、磁気抵抗素子１３側から接近した場合でも、その反対側から接近した場合でも、区別なく高レベルに反転した出力が得られたことがわかる。

以下、本発明に係る第２実施形態につき、図７〜図１２Ｂを用いて説明する。
即ち、本発明に係るピストン位置検出装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図７は、本発明のピストン位置検出装置３１の一実施形態を模式的に示す縦断面図である。
本発明のピストン位置検出装置３１は、非磁性材料からなるシリンダチューブ３２と、少なくとも一部が磁性材料３４からなり、前記シリンダチューブ３２の内周面を摺動するように配されたピストン３３と、前記シリンダチューブ３２の外周面に配された磁気センサ４０と、を少なくとも備え、磁気センサ４０は、バイアス磁界印加部材４３を少なくとも備える。

本発明では、ピストン３３の少なくとも一部を、磁束を吸収することができる磁性材料３４とし、磁気センサ４０がバイアス磁界印加部材４３を備えた構成とすることで、ピストン３３に磁石を配する必要がなくなる。これにより、磁石の磁極を考えずに磁気センサ４０の実装ができる。また、ピストン３３に磁石を配さないことでピストン３３やシリンダチューブ３２を細くすることができる。その結果、本発明のピストン位置検出装置３１では、ピストン３３の構造や製造を簡単にすることができる。

また、磁気センサ４０の部分を抜き出して示す断面図である図９で示すように、前記磁気センサ４０は、磁気センサモジュール４７、及び、後述するような、バンプ５１、基板５２、及び、これらを内部に収容する磁気センサ用筐体４８から構成される。磁気センサモジュール４７は、磁束密度の高さに基づいてスイッチング動作を行う集積回路を少なくとも備えた半導体基板４１、この半導体基板４１の一方の面４１ａ上に設けられ前記一方の面４１ａに沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子４２と、前記半導体基板４１に設けられ、かつ前記一方の面４１ａに平行な面４１ｂ上に配置されたバイアス磁界印加部材（バイアス磁界印加用磁石）４３とを、少なくとも備えている。前記バイアス磁界印加部材４３は、薄膜からなる磁石であり、前記集積回路の上面、下面、又は内部に配されている。これにより、磁気センサ４０が小型となり、ピストン位置検出装置３１の設計自由度が増し、ピストン位置検出装置３１全体の小型化に貢献できる。

シリンダチューブ３２は、非磁性材料からなる。このような非磁性材料としては、特に限定されるものではないが、例えばステンレス鋼、銅等の非磁性金属材料、あるいはポリエチレン、ポリ塩化ビニル等の合成樹脂材料が挙げられる。

ピストン３３は、棒状であり、前記シリンダチューブ３２の内周面を摺動するように、シリンダチューブ３２の内部に配される。
ピストン３３は、少なくとも一部が、磁束を吸収することができる磁性材料３４からなる。磁性材料３４としては、特に限定されるものではないが、例えば鉄（Ｆｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）などの磁力の高い材料を用いることが好ましい。

ピストン３３は、図８に示すように、その全体が磁性材料３４から構成されていてもよいし、図７に示すように、先端部のみが磁性材料３４から構成されていてもよい。

磁気センサ４０は、前記シリンダチューブ３２の外周面に配された磁気近接センサである。後述するように、磁気センサ４０は、４つのＭＲ薄膜抵抗のブリッジ構造を備えてなり、その出力をコンパレータで比較することにより、スイッチング動作をおこなう。ピストン位置検出装置３１は、このスイッチング動作を利用して、ピストン位置を検出する。

磁気センサ４０は、図９に示すように、半導体基板４１の面４１ａ上にバンプ５１が設けられ、これが、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）などの基板５２に固定された構成を有する。このような磁気センサ４０が、シリンダチューブ３２の外周面に配されている。また、このとき半導体基板４１と回路基板５２との間は、バンプ５１やワイヤ、導電ペースト（図示せず）などを用いて、電気的に接続することができる。このように磁気センサ４０は、ＷＬＰ（ウエハレベルパッケージ）によりパッケージされており、磁気センサモジュール４７にバンプを含めたチップサイズは、例えば０．９７×０．９７×０．５ｍｍである。なお、パッケージ形態はＷＬＰに限定されず樹脂モールドパッケージでもよい。

磁気センサ４０の磁気抵抗素子４２は、磁電変換材料として、膜の面に沿った方向に感磁方向を持つ異方性磁気抵抗材料（ＭＲ）を用いている。磁気抵抗素子４２は、鉄−ニッケル（ＦｅＮｉ）、鉄−ニッケル−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）等の強磁性体からなる磁性膜から構成することができ、例えばパーマロイが挙げられる。

本実施形態において、半導体基板４１上に設けられる磁気抵抗素子４２は、図１０に示すように４つのＭＲ薄膜抵抗４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄと、ＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄの間に設けられ、導電体からなる端子ａ，ｂ，ｃ，ｄとから構成され、ブリッジ構造を有する。それぞれのＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄを形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー法によるパターン形成工程と、メッキ法やスパッタリング法による成膜工程とを組み合わせた方法が挙げられる。ＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄのパターンは、それぞれ所定の方向を向いて配置される。

磁気抵抗素子４２は図１０に示すように、ブリッジ回路を構成している。このため、４つのＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄは、互いに異なる方向（Ｘ方向またはＹ方向）を向いて配置された素子同士が隣接して配置され、配線を介して接続されている、との構造を有する。これらの配線は、例えば金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導体膜から構成することができる。４つのＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄは、９０°ずつ向きを変えて配置されている。また、４つのＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄは、材料、パターン形状や抵抗値が同じものであることが好ましい。４つのＭＲ薄膜抵抗４２ａ〜４２ｄを配列する態様としては、例えば図１０に示すように縦横２×２の配列が挙げられるが、ＭＲ薄膜抵抗間を適当な配線で接続することにより、他の配列を採用することも可能である。

このようなブリッジ回路においては、電源電圧が端子ａに接続され、グランドレベルが端子ｂに接続されたとき、磁気抵抗素子４２の出力は、他の２つの端子ｃ，ｄ間の電位差（ブリッジ出力）として得ることができる。ブリッジ出力は、印加磁界の強さを反映して増減するので、このブリッジ出力（電圧）の大きさを所定の閾値と比較して、出力電圧が所定の閾値より大きい（高レベル状態）か、出力電圧が所定の閾値より小さい（低レベル状態）かの判別により、スイッチング動作を行うことができる。本形態例においては、スイッチング動作は半導体基板４１に形成された集積回路（図示せず）により行われており、集積回路は高レベル状態か低レベル状態かのいずれかを表す信号を出力する。

また、前記シリンダチューブ３２の外側に、磁気センサ４０の一部を構成するバイアス磁界印加部材４３が配置されている。
例えば図９に示す例では、バイアス磁界印加部材４３は、磁気センサ４０において、半導体基板４１に対して積層され、かつ前記一方の面４１ａに平行な面４１ｂ内に配置されている。

バイアス磁界印加部材４３としては、半導体基板４１への積層に際し、半導体プロセスと親和性が高いプロセスによって形成することが可能な薄膜磁石４４が好ましい。薄膜磁石４４を構成する硬磁性体としては、特に限定されるものではないが、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）、鉄−白金（ＦｅＰｔ）、コバルト−白金（ＣｏＰｔ）、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）、フェライトなどが利用できる。

薄膜磁石４４は、前述のような硬磁性体を薄膜として成膜したものであり、その作製方法は、特に限定されるものではないが、ペースト塗布、スパッタや蒸着、めっき、ボンド磁石の印刷などが挙げられる。薄膜磁石４４を任意の形状にするパターニングには、例えばエッチングやリフトオフなどのフォトリソグラフィー技術を利用することができる。作製した薄膜磁石４４は、必要に応じてアニール処理を行ったのち、磁気センサとしての感磁方向に着磁を行う。

薄膜磁石４４の膜厚や、薄膜磁石４４が磁気センサモジュール４７に占める面積は特に限定されるものではなく、適宜決定される。例えば、薄膜磁石４４として、半導体基板４１の面４１ｂにＮｄＦｅＢ系のペースト磁石を約８０ｎｍの膜厚で形成し、磁気センサ４０の感磁方向と同一方向に着磁する。
図１１Ａに示すように、薄膜磁石４４は、該磁石が形成された面４１ｂに沿った方向に着磁され（薄膜磁石４４の着磁方向は、面４１ｂに沿った方向であり）、外部磁界が印加されていない状態では、磁気抵抗素子４２が形成された面に沿った方向にバイアス磁界４５を印加する。

ここで、図９に示す例では、バイアス磁界印加部材４３は、半導体基板４１の―方の面４１ａとは反対の側である他方の面４１ｂ上に設けられている。この場合、薄膜磁石４４と磁気抵抗素子４２との距離は半導体基板４１の厚みによって規定されるので、磁気抵抗素子４２への印加磁界を、精度良く制御することができる。

なお、バイアス磁界印加部材４３の配置は、この例に限られるものではなく、例えばバイアス磁界印加部材４３を、半導体基板４１の―方の面４１ａと同じ側に設けてもよい。また、バイアス磁界印加部材４３と半導体基板４１とを積層する際に、任意に他の層（図示せず）を介在させてバイアス磁界印加部材４３と半導体基板４１との距離を調整するようにしてもよい。この手法によっても、磁気抵抗素子４２への印加磁界を、精度良く制御することができる。介在させる他の層は特に限定されないが、適当な無機材料あるいは有機材料等の非磁性材料を成膜することによって容易に形成することができる。

次に、本実施形態のピストン位置検出装置３１において、磁気センサ４０によるピストン位置検出方法を、図１１Ａ〜図１２Ｂを参照して説明する。磁気センサ４０の出力は、閾値の磁束密度により、磁束密度が低いときに出力電圧が高レベル状態（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）となり、磁束密度が高いときに出力電圧が低レベル状態（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）となるように設定されている。このため、磁気センサ４０の出力電圧について閾値を定め、磁気センサ４０の出力電圧が前記閾値より大きいときを高レベル状態とし、磁気センサ４０の出力電圧が前記閾値より小さいときを低レベル状態とする。また、閾値は、高レベル状態と低レベル状態との間にギャップを設けて両者が明確に区別されるようにすることが好ましい。このように電圧値の比較によりスイッチング動作を行う集積回路を、磁電変換素子の出力と組み合わせて用いることにより、外部磁界の大きさに基づいてピストン位置を検出するピストン位置検出装置３１を構成することができる。

図１１Ａに示すように、外部磁界が印加されてない状態では、磁気抵抗素子４２には、バイアス磁界印加部材４３が形成された面に沿った方向に着磁されたバイアス磁界印加部材４３によって、磁気抵抗素子４２が形成された面に沿った方向にバイアス磁界４５が印加される。このときの磁界４５は、磁気抵抗素子４２近傍の磁束密度が高いもの（図１１Ａにおいて磁気抵抗素子４２上に実線で右向き矢印として表す。）となる。そこで、図１１Ｂに示すように、このときの出力電圧を低レベル状態（Ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ）と判定するように前記閾値を設定すると、低レベル状態の出力は、磁性体３４（ピストン３３）が近接されていない状態を表すことになる。

図１２Ａに示すように、磁性体３４（ピストン３３）を近接させると、薄膜磁石４４から印加される磁束が磁性体３４に吸引される。その結果、このときの磁界４６は、磁気抵抗素子４２近傍の磁束密度が低いもの（図１２Ａにおいて磁気抵抗素子４２上に実線で右向き矢印として表す。）となる。そこで、図１２Ｂに示すように、このときの出力電圧を高レベル状態（Ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）となるように前記閾値を設定すると、高レベル状態の出力は、磁性体３４（ピストン３３）が近接されている状態を表すことになる。

磁気抵抗素子４２は、印加磁界の強さに応じて抵抗値が変化する性質を有し、印加磁界が強いほど抵抗値が減少する特性を有する。そのため、磁気抵抗素子４２の２つの端子間の電位差（ブリッジ出力）は、ＭＲ膜へ印加される磁束密度の高さを反映して増減する。このブリッジ出力の大きさを所定の閾値と比較して、出力電圧が所定の閾値より大きいか、小さいかの判別によりスイッチング動作を行う。このような構成とすることにより、素子に印加される磁束密度の高低に応じて異なる２つの出力を発生する磁気センサ４０、及びそれを利用したピストン位置検出装置３１を実現することが可能となる。なお、集積回路から出力されるこの磁気センサ４０の出力としては、磁気抵抗素子４２のブリッジ出力が所定の閾値より小さいときに高電圧値による信号を出し、磁気抵抗素子４２のブリッジ出力が所定の閾値より大きいときに低電圧値による信号を出すようにしてもよい。また、その逆に、磁気抵抗素子４２のブリッジ出力が所定の閾値より小さいときに低電圧値による信号を出し、磁気抵抗素子４２のブリッジ出力が所定の閾値より大きいときに高電圧値による信号を出すようにしてもよい。

また、ピストン位置検出を、半導体基板４１に設けた集積回路（ＩＣ）によって行うので、比較や制御等に必要な回路を省スペースに構成することができ、磁気センサ４０の小型化を実現できる。

以上、本発明の第２実施形態によるピストン位置検出装置３１について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明の磁気センサモジュールは、鉄板等の磁性体の近接を検知する種々の用途に利用することができる。また、本発明は、ピストン位置検出装置に適用可能である。

Claims (7)

1. スイッチング動作を行う集積回路を備えた半導体基板と、この半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ該一方の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子と、前記半導体基板に設けられ、かつ前記一方の面に平行な面上に配置されたバイアス磁界印加部材とを、備え、
   前記バイアス磁界印加部材は、該バイアス磁界印加部材が配置された前記面に沿った方向に着磁されており、外部磁界が印加されていない状態では、該バイアス磁界印加部材は、前記磁気抵抗素子が設けられた前記一方の面に沿った方向にバイアス磁界を印加するものである磁気センサモジュール。
2. 前記バイアス磁界印加部材がペースト磁石または薄膜磁石である請求項１に記載の磁気センサモジュール。
3. 前記集積回路は、前記磁気抵抗素子の出力電圧を所定の閾値と比較して、比較結果に応じて、前記磁気抵抗素子の出力電圧が前記所定の閾値より大きい高レベル状態であることを表す信号、又は、前記磁気抵抗素子の出力電圧が前記所定の閾値より小さい低レベル状態であることを表す信号を出力する請求項２に記載の磁気センサモジュール。
4. 前記バイアス磁界印加部材が前記半導体基板の一方の面とは反対の側である他方の面上に設けられている請求項３に記載の磁気センサモジュール。
5. 非磁性材料からなるシリンダチューブと、
   少なくとも一部が磁性材料からなり、前記シリンダチューブ内周面を摺動するように配されたピストンと、
   前記シリンダチューブの外周面に配され、バイアス磁界印加部材を有する磁気センサと、
   を備えたピストン位置検出装置。
6. 前記磁気センサは、磁束密度の高さに基づいてスイッチング動作を行う集積回路を少なくとも備え、かつ、前記バイアス磁界印加部材は、薄膜からなる磁石であり、前記集積回路の上面、下面、又は内部に配されている請求項５に記載のピストン位置検出装置。
7. 前記磁気センサは、半導体基板、及び、この半導体基板の一方の面上に設けられ、かつ該一方の面に沿った方向に感磁方向を持つ磁気抵抗素子を有し、前記バイアス磁界印加部材は磁石であり、該磁石は前記半導体基板に設けられ、かつ、前記一方の面に平行な面上に配置され、かつ、該磁石が配置された前記面に沿った方向に着磁されており、外部磁界が印加されていない状態では、該磁石は前記磁気抵抗素子が設けられた前記一方の面に沿った方向にバイアス磁界を印加する請求項５に記載のピストン位置検出装置。

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