(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出するための電界放射型エミッタ電極と、該電界放出型エミッタ電極から放出される電子数を制御するためのゲート電極と、前記電界放射型エミッタ電極から放出された電子を捕集する少なくとも４つに分割されたアノード電極と、内部が真空であり、前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を内部に収容するパッケージとを有し、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電子のうち前記アノード電極に入射する電子数に基づいて外部の磁場を検出する磁場センサにおいて、
前記アノード電極に入射する電子は、十字型であり、
前記パッケージ内面に、非磁性導電物質からなる等電位の遮蔽電極を具備することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
電子を放出するための電界放射型エミッタ電極と、該電界放出型エミッタ電極から放出される電子数を制御するためのゲート電極と、前記電界放出型エミッタ電極上に設けられ、少なくとも４つに分割された偏向電極と、該偏向電極と対向するように少なくとも４つに分割され、前記電界放射型エミッタ電極から放出された電子を捕集するためのアノード電極と、内部が真空であり、前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を内部に収容するパッケージとを有し、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電子のうち前記アノード電極に入射する電子数に基づいて外部の磁場を検出する磁場センサにおいて、
前記パッケージ内面に、非磁性導電物質からなる等電位の遮蔽電極を具備することを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気センサにおいて、
前記電界放射型エミッタ電極は、十字型を形成するように複数個設けられていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気センサにおいて、
前記十字型は、少なくとも５個の電界放射型エミッタ電極からなる列どうしが交差することにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
請求項１、３、４のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記偏向電極は、それぞれ、前記十字型の電子ビームの中心から放射状、かつ、対称に配置されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
前記遮蔽電極は、前記パッケージを兼ねていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
前記アノード電極は、前記パッケージ内面に導電性物質を塗布することにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気センサにおいて、
前記パッケージは、ガラスからなることを特徴とする磁気センサ。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の磁気センサにおいて、
前記導電性物質は、蛍光体からなり、前記パッケージは、透光性を有するガラスであることを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ホール素子を代表とする磁気センサは、ブラシレスモータにおける制御素子として家庭電器、産業機械等の分野において欠かせない重要なセンサの１つとなっており、より高感度で適用範囲の広い磁気センサの開発が望まれている。
通常、半導体磁気センサの感度は、半導体中の電子の速度に依存するため、センサの感度向上の打開策として、近年、電界放射の原理に基づく冷陰極型固体真空装置を磁気センサとして利用しようとする試みが行われている。
図６は、従来の磁気センサの一構成例を示す模式図である。
本従来例は図６に示すように、絶縁性または半絶縁性の基板１０５と、基板１０５上に設けられ、電子を放射するための櫛型の電界放射型エミッタ電極１０１と、基板１０５上に設けられ、電界放射型エミッタ電極１０１から放射される電子数、すなわち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極１０２と、基板１０５上に設けられ、電界放射型エミッタ電極１０１から放射された電子を捕集するためのアノード電極１０３ａ，１０３ｂとから構成されている（特開平６−３０８８０７号公報参照）。
【０００３】
上記のように構成された磁気センサにおいては、高温や放射能環境でも使用可能といわれており、適用範囲の拡大を期待することができる。
なお、上述した磁気センサの素子作製においては、半導体プロセスを用いて行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、上述したような磁気センサによる磁場の大きさの計測においては、アノード電極における電流値の大きさに基づいて行われるため、アノード電極における電流値が大きくないと充分な精度を得ることができない。
しかしながら、上記のように構成された磁気センサにおいては、電界放出エミッタ電極から放射された電子のうち大部分がゲート電極に入射されてしまうため、アノード電極に流れる電流が減少し、外部磁場の大きさを計測することが困難となってしまうという問題点がある。
これを避けるために、内部磁界もしくは内部電界を安定化させることが考えられるが、その場合、磁気センサの内部構造が複雑化して実用性を欠いてしまうという問題点がある。
【０００５】
また、電界放出型エミッタ電極を縦型構造にした場合は、１素子では充分なアノード電流を得ることができないため、実用性を欠いてしまうという問題点がある。
さらに、磁場情報においては、最大２次元しか得られていないため、磁気センサの適用範囲が狭いという問題点がある。
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、アノード電極における電流値が小さな場合においても磁場の大きさを容易に計測することができるとともに、３次元の磁場情報を得ることができる磁気センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、
電子を放出するための電界放射型エミッタ電極と、該電界放出型エミッタ電極から放出される電子数を制御するためのゲート電極と、前記電界放射型エミッタ電極から放出された電子を捕集する少なくとも４つに分割されたアノード電極と、内部が真空であり、前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を内部に収容するパッケージとを有し、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電子のうち前記アノード電極に入射する電子数に基づいて外部の磁場を検出する磁場センサにおいて、
前記アノード電極に入射する電子は、十字型であり、
前記パッケージ内面に、非磁性導電物質からなる等電位の遮蔽電極を具備することを特徴とする。
【０００７】
また、電子を放出するための電界放射型エミッタ電極と、該電界放出型エミッタ電極から放出される電子数を制御するためのゲート電極と、前記電界放出型エミッタ電極上に設けられ、少なくとも４つに分割された偏向電極と、該偏向電極と対向するように少なくとも４つに分割され、前記電界放射型エミッタ電極から放出された電子を捕集するためのアノード電極と、内部が真空であり、前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記アノード電極を内部に収容するパッケージとを有し、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電子のうち前記アノード電極に入射する電子数に基づいて外部の磁場を検出する磁場センサにおいて、
前記パッケージ内面に、非磁性導電物質からなる等電位の遮蔽電極を具備することを特徴とする
【０００８】
また、前記電界放射型エミッタ電極は、十字型を形成するように複数個設けられていることを特徴とする。また、前記十字型は、少なくとも５個の電界放射型エミッタ電極からなる列どうしが交差することにより形成されていることを特徴とする。また、前記電界放射型エミッタ電極、前記ゲート電極及び前記偏向電極は、それぞれ、前記十字型の電子ビームの中心から放射状、かつ、対称に配置されていることを特徴とする。また、前記遮蔽電極は、前記パッケージを兼ねていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記アノード電極は、前記パッケージ内面に導電性物質を塗布することにより形成されていることを特徴とする。また、前記パッケージは、ガラスからなることを特徴とする。また、前記導電性物質は、蛍光体からなり、前記パッケージは、透光性を有するガラスであることを特徴とする。
【００１０】
一方、アノード電極は、少なくとも４つに分割されており、分割されたそれぞれにおいて、電界放出型エミッタ電極から放出された電子が捕集される。
このようにして、電界放出型エミッタ電極から放出される電子の中心が明確になり、かつ、その中心のアノード電極への照射位置もアノード電極の分割により明確になるので、アノード電極における電流値が小さな場合においても、磁場による電子ビームの位置ずれの検出が確実に行われる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の磁気センサの第１の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す基板５の上面図、（ｃ）は（ａ）に示す磁気センサの電子放出について説明するための図である。
本形態は図１に示すように、電子を放出するために設けられた電界放射型エミッタ電極１と、電界放射型エミッタ電極１から放射される電子数、すなわち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、電界放射型エミッタ電極１から放射された電子を捕集するためのアノード電極３と、電界放射型エミッタ電極１から放射された電子の軌道を制御するための偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、電界放出型エミッタ電極１、ゲート電極２及び偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを収容する基板５と、アノード電極３、基板５及び配線を収容する外装であるパッケージ８と、パッケージ８の内壁に設けられ、電界放出型エミッタ電極１から放出される電子の軌道がパッケージ８の外部の電場の影響を受けて外部磁場と無関係に曲げられる危険性を防止するための遮蔽電極７と、絶縁体６とから構成されている。なお、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにおいては、同電位が印加されるようになっており、また、遮蔽電極７においては、パッケージ８が非導電体である場合には、パッケージ８の内壁に導電体を塗布することにより形成され、部品点数の削減、作り易さの向上及び信頼性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、電子が放出される電界放出型エミッタ電極１を中心として均等に９０°ずつに４分割されて配設されており、アノード電極３は、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄのそれぞれに対向するように４分割されている。
さらに、装置内は真空に保たれている。
以上述べた全ての電極及び配線は、電界放出型エミッタ電極１から放射状、かつ、対称に配設されており、電子の軌道に異方性が持たされないようにしてある。この構造により、各電極に加わる電界が電子に等方的に加わることで、電界の影響を考慮せずに等方的にアノード電極を設計することができるので、センサの作製が極めて簡易なものになる。
【００１３】
上記のように構成された磁気センサにおいては、４つに分割された偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによって、電界放出型エミッタ電極１から放出された電子ビームが十字型となり、その後、４つに分割されたアノード電極３に到達する電子ビームによる電流が計測されることで、電子ビームの到達位置が検出される。
以下に、上記のように構成された磁気センサの動作について具体的に説明する。
図２は、図１に示した磁気センサにおける電子放出を説明するための図であり、（ａ）は磁場の印加がない場合の電子の到達位置を示す図、（ｂ）はＹ方向の磁場Ｂyを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｃ）はＸ方向の磁場Ｂxを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｄ）はＺ方向の磁場Ｂzを印加した場合の電子の到達位置を示す図である。
【００１４】
まず、外部磁場を印加しない場合について説明する。
電界放出型エミッタ電極１から放出された電子は、基板５に垂直な成分のみではないため発散する。このとき、電界放出型エミッタ電極１から放出された電子は、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによって偏向され、図２（ａ）に示すように、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの溝ＸＸ’と溝ＹＹ’との交点Ｐ（図１参照）、すなわち、電界放出型エミッタ電極１の位置からアノード電極３に伸ばした垂線の交点Ｐ’を中心として、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの溝ＸＸ’及び溝ＹＹ’の垂直上方のアノード電極３に十字型となって到達する。
次に、図２（ｂ）に示すようにＹ方向の外部磁場Ｂyを紙面下方から上方に向かって印加した場合について説明する。
【００１５】
外部磁場Ｂyを紙面下方から上方に向かって、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの溝ＸＸ’に垂直、かつ、溝ＹＹ’に水平に印加すると、電界放出型エミッタ電極１から放出された電子は、外部磁場Ｂyとの相互作用によるローレンツ力を受けて軌道が曲がり、アノード電極３上の図２（ｂ）の実線で示すような位置に到達する。ここで、電子が到達する位置ずれは、外部磁場Ｂyが強ければ強いほど大きくなる。従って、外部磁場を印加しない場合の電子の到達位置からのずれを測定することによって、外部から印加された磁場の強度を検出することができる。
次に、図２（ｃ）に示すようにＸ方向の外部磁場Ｂxを紙面左方から右方に向かって印加した場合について説明する。
【００１６】
外部磁場Ｂxを紙面左方から右方に向かって、偏向電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの溝ＸＸ’に水平、かつ、溝ＹＹ’に垂直に印加すると、電界放出型エミッタ電極１から放出された電子は、外部磁場Ｂxとの相互作用によるローレンツ力を受けて軌道が曲がり、アノード電極３上の図２（ｃ）の実線で示すような位置に到達する。
次に、図２（ｄ）に示すようにＺ方向の外部磁場Ｂzを紙面表側から裏側に向かって印加した場合について説明する。
外部磁場Ｂzを紙面の表側から裏側に向かって印加すると、電界放出型エミッタ電極１から放出された電子は、外部磁場Ｂzとの相互作用によるローレンツ力を受けて軌道が曲がり、アノード電極３上の図２（ｄ）の実線で示すような位置に到達する。
【００１７】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の磁気センサの第２の実施の形態を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
本形態は図３に示すように、電子を放出するために設けられた電界放射型エミッタ電極１１と、電界放射型エミッタ電極１１から放射される電子数、すなわち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極１２と、電界放射型エミッタ電極１１から放射された電子を捕集するためのアノード電極１３と、電界放射型エミッタ電極１１から放射された電子の軌道を制御するための収束電極１４とから構成されており、電界放出型エミッタ電極１１、ゲート電極１２及び収束電極１４は基板（不図示）内に収容され、また、アノード電極１３、基板及び配線は装置の外装となるパッケージ（不図示）に収容され、さらに、パッケージの内壁には、電界放出型エミッタ電極１１から放出される電子の軌道がセンサ外の電場の影響を受けて外部磁場と無関係に曲げられる危険性を防止するために遮蔽電極（不図示）が設けられている。
【００１８】
また、電界放出型エミッタ１１は、一定のギャップを有して一列ＸＸ’となるように複数個配設され、さらに、列ＸＸ’の中心において垂直に交わる列ＹＹ’となるようにも複数個配設されている。
また、アノード電極１３は、電界放出型エミッタ１１からなる列ＸＸ’及び列ＹＹ’に対向する部分を境界として４つに分割されている。
上記のように構成された磁気センサにおいては、十字型に形成された複数の電界放出型エミッタ電極１１から放出され、４つに分割されたアノード電極１３に到達する電子ビームによる電流が計測されることで、電子ビームの到達位置が検出される。
以下に、上記のように構成された磁気センサの動作について具体的に説明する。
【００１９】
図４は、図３に示した磁気センサにおける電子放出を説明するための図であり、（ａ）は磁場の印加がない場合の電子の到達位置を示す図、（ｂ）はＹ方向の磁場Ｂyを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｃ）はＸ方向の磁場Ｂxを印加した場合の電子の到達位置を示す図である。
まず、外部磁場を印加しない場合について説明する。
電界放出型エミッタ電極１１から放出された電子は、真空中を直線的に飛んでアノード電極１３に到達する。ここで、通常は、電界放出型エミッタ電極１１から放出された電子は、基板に垂直な成分のみではないため発散するが、収束電極１４が設けられているため、収束し、図４（ａ）に示すように、電界放出型エミッタ電極１１の列ＸＸ’と列ＹＹ’との交点、すなわち、電界放出型エミッタ電極１１の位置からアノード電極１３に伸ばした垂線の交点Ｐ’を中心として、電界放出型エミッタ電極１１の列ＸＸ’及び列ＹＹ’の垂直上方のアノード電極１３に十字型となって到達する。
【００２０】
次に、図４（ｂ）に示すようにＹ方向の外部磁場Ｂyを紙面下方から上方に向かって印加した場合について説明する。
外部磁場Ｂyを紙面下方から上方に向かって、電界放出型エミッタ電極１１の列ＸＸ’に垂直、かつ、列ＹＹ’に水平に印加すると、電界放出型エミッタ電極１１から放出された電子は、外部磁場Ｂyとの相互作用によるローレンツ力を受けて軌道が曲がり、アノード電極１３上の図４（ｂ）の実線で示すような位置に到達する。ここで、電子が到達する位置ずれは、外部磁場Ｂyが強ければ強いほど大きくなる。従って、外部磁場を印加しない場合の電子の到達位置からのずれを測定することによって、外部から印加された磁場の強度を検出することができる。
【００２１】
次に、図４（ｃ）に示すようにＸ方向の外部磁場Ｂxを紙面左方から右方に向かって印加した場合について説明する。
外部磁場Ｂxを紙面左方から右方に向かって、電界放出型エミッタ電極１１の列ＸＸ’に水平、かつ、溝ＹＹ’に垂直に印加すると、電界放出型エミッタ電極１１から放出された電子は、外部磁場Ｂxとの相互作用によるローレンツ力を受けて軌道が曲がり、アノード電極１３上の図４（ｃ）の実線で示すような位置に到達する。
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の磁気センサの第３の実施の形態を示す模式図である。
本形態は、第１及び第２の実施の形態において示したものと比べて、アノード電極２３がパッケージ２８の１部分として形成されているものであり、その他の構成については同様である。
【００２２】
図５に示すように、アノード電極２３を、パッケージ２８として用いているガラスの内面に金属を分割して塗布することにより形成する。これにより部品点数の低減、作り易さの向上及び信頼性の向上を図ることができる。
また、パッケージ２８の内面に形成されたアノード電極２３上に蛍光体を塗布すれば、動作時の電子による発光を外部から確認することができるので、本素子の正常動作を極めて安易に確認することができるようになる。
さらに、パッケージ２８に使用されるガラスを陽極接合によって形成すれば、センサの使用温度範囲が広くなり、応用範囲が広がる。
以上述べた全ての実施の形態において、磁場測定の大きさはアノード電極に印加する電界の大きさによって容易に変えることができる他、設計製造時にエミッタ電極とアノード電極との間の距離を調節してもよい。
【００２３】
また、磁場測定の大きさの幅及び分解能においては、アノード電極の分割数と幅で調節が可能である。
なお、アノード電極を格子状に配置し、各電極を走査回路に接続して電流を計測することにより、十字型電子ビームのアノード電極到達位置を計測し、磁場情報を得てもよい。
また、電界放出型エミッタ電極の基板やアノード電極の基板においては、上記形態では正方形のものを用いたが、すでに述べたように電界放出型エミッタ電極の中心から放射状で、かつ、対称な形状であれば、多角形や円形でもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので以下に記載するような効果を奏する。
請求項１から請求項５に記載のものにおいては、電界放出型エミッタ電極から放出される電子を十字型の電子ビームに偏向して、少なくとも４つに分割したアノード電極に照射し、分割されたそれぞれにおいて、電界放出型エミッタ電極から放出された電子を捕集する構成としたため、アノード電極における電流値が小さな場合においても、磁場による電子ビームの位置ずれの検出を確実に行うことができる。
それにより、高感度で、かつ、次元の高い磁場情報を得ることができ、汎用性の高い磁気センサを提供することができる。
【００２５】
請求項６に記載のものにおいては、パッケージ内面に非磁性導電物質からなる等電位の遮蔽電極を設けたため、外部の電場によって電子の軌道が外部磁場と無関係に曲げられることがなくなる。
請求項７に記載のものにおいては、遮蔽電極がパッケージを兼ねる構成としたため、部品点数の削減、作り易さの向上及び信頼性の向上を図ることができる。請求項８に記載のものにおいては、アノード電極をパッケージ内面に導電性物質を塗布することにより形成したため、請求項７に記載のものと同様の効果を奏する。
請求項９及び請求項１０に記載のものにおいては、導電性物質が蛍光体からなり、パッケージを透光性を有するガラスとしたため、動作時の電子による発光を外部から確認することができ、本素子の正常動作を極めて安易に確認することができる。
【００２６】
請求項１１に記載のものにおいては、パッケージを陽極接合によって形成されるガラスとしたため、センサの使用温度範囲が広くなり、応用範囲が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気センサの第１の実施の形態を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す基板の上面図、（ｃ）は（ａ）に示す磁気センサの電子放出について説明するための図である。
【図２】図２は、図１に示した磁気センサにおける電子放出を説明するための図であり、（ａ）は磁場の印加がない場合の電子の到達位置を示す図、（ｂ）はＹ方向の磁場Ｂyを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｃ）はＸ方向の磁場Ｂxを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｄ）はＺ方向の磁場Ｂzを印加した場合の電子の到達位置を示す図である。
【図３】本発明の磁気センサの第２の実施の形態を説明するための模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】図３に示した磁気センサにおける電子放出を説明するための図であり、（ａ）は磁場の印加がない場合の電子の到達位置を示す図、（ｂ）はＹ方向の磁場Ｂyを印加した場合の電子の到達位置を示す図、（ｃ）はＸ方向の磁場Ｂxを印加した場合の電子の到達位置を示す図である。
【図５】本発明の磁気センサの第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】従来の磁気センサの一構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１，１１    電界放出型エミッタ電極
２，１２    ゲート電極
３，１３，２３    アノード電極
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ    偏向電極
５，２５    基板
６，２６    絶縁体
７    遮蔽電極
８，２８    パッケージ
１４    収束電極
【図１】
0003702301.tif 000002
【図２】
0003702301.tif 000003
【図３】
0003702301.tif 000004
【図４】
0003702301.tif 000005
【図５】
0003702301.tif 000006
【図６】
0003702301.tif 000007