(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を真空にしたパッケージ内に、線状の電子ビームを放出するように配置した電界放射型エミッタ電極と、前記エミッタ電極から放出される電子数を制御するゲート電極と、前記電子ビームを偏向させる４分割の偏向電極と、前記エミッタ電極と空隙を介して対向する位置の基板上に絶縁層を介して少なくとも２つに分割して設けた前記電子ビームの電子を捕集するアノード電極とを備え、形成される十字状の電子ビームが測定対象の外部磁場により変化を受け前記アノード電極に入射する電子数が変化することに基づいて前記外部磁場の強度を検出する磁気センサにおいて、
前記４分割された偏向電極の上にそれぞれ設けた絶縁層と、前記絶縁層間の外側端部の境界に設けられ前記十字状の電子ビームの線分が等分になるよう調整するマスクとを設けたことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
前記偏向電極と前記ゲート電極との間の絶縁層を除去した請求項１記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスモータの制御素子などに使用される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など家庭電器、産業機械などの分野には欠かせない重要なセンサの一つとなっており、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。半導体磁気センサの感度は半導体中の電子の移動度に依存することから、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。また、この装置は高温や放射能環境でも使用可能といわれており、適用範囲の拡大が期待できる（特開平６−３０８２０７号公報）。
このような装置の代表的な例を図１４に示す。絶縁性または半絶縁性の基板５上に設けられ、電子を放射するための縦型の電界放射型のエミッタ電極１と、エミッタ電極１から放射される電子数、即ちエミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、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４、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により構成されている。なお、素子作製は半導体プロセスを用いて行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の磁気センサには、以下に示すような問題があった。
（１）従来の磁気センサでは、電子ビームが均一な線幅を持つことで磁界に対して線形な出力特性を得るのであるが、エミッタ電極を線状に配列することにより線状の電子ビームを生成しているので電子ビームの線幅が変動し、外部磁界に対してセンサの出力が非線形な特性を示し、本素子の精度を低下させ、適用範囲を狭くしていた。
（２）従来の磁気センサでは、線状電子ビームの腕の長さが均一であれば、磁界に対して線形な出力特性を得るのであるが、腕の長さ方向には制御を行う構造を設けていない。従って、電界放射電流の変動などにより電子ビームの腕の長さが変動し、外部磁界に対するセンサ出力の特性が非線形性を示し、本素子の精度を低下させ、適用範囲を狭くしていた。
（３）従来の磁気センサでは、分割された偏向電極とゲート電極間が絶縁されていることで機能を満足する。ところが、実際に使用すると各偏向電極とゲート電極間の絶縁が低下する。これは、電子ビームが雰囲気ガスをイオン化することによってエミッタ電極に静電引力で引き奇せられ、エミッタ電極の上部に位置する絶縁層の表面を改質するためと考えられる。各偏向電極とゲート電極間の絶縁が低下すると、ゲート電極の電位が低下し電子の放出量が低減するため、センサが計測不能になり信頼性を損ね、適用範囲を狭くしていた。
（４）従来の磁気センサでは、電子ビームが均一な線幅を持つことで磁界に対して線形な出力特性を得るのであるが、偏向電極により線状の電子ビームを生成しているので、電場の不均一などにより電子ビームの線幅が変動し、非線形な特性を示し、本素子の精度を低下させ、適用範囲を狭くしていた。
そこで、本発明の目的は、高精度で応用範囲の広い磁気センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上前記目的を達成するため本発明は、内部を真空にしたパッケージ内に、線状の電子ビームを放出するように配置した電界放射型エミッタ電極と、前記エミッタ電極から放出される電子数を制御するゲート電極と、前記電子ビームを偏向させる４分割の偏向電極と、前記エミッタ電極と空隙を介して対向する位置の基板上に絶縁層を介して少なくとも２つに分割して設けた前記電子ビームの電子を捕集するアノード電極とを備え、形成される十字状の電子ビームが測定対象の外部磁場により変化を受け前記アノード電極に入射する電子数が変化することに基づいて前記外部磁場の強度を検出する磁気センサにおいて、前記４分割された偏向電極の上にそれぞれ設けた絶縁層と、前記絶縁層間の外側端部の境界に設けられ前記十字状の電子ビームの線分が等分になるよう調整するマスクとを設けている。また、前記偏向電極と前記ゲート電極との間の絶縁層を除去している。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて具体的に説明する。
第１実施例
図１は本発明の第１実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図、図２はエミッタ電極付近の拡大断面図、図３はエミッタ電極付近の上部からみた平面図である。
本実施例の磁気センサは、パッケージ８の内部に電子を放出するために設けられた電界放射型のエミッタ電極１と、エミッタ電極１から放射される電子数、即ち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、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、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４を設けて構成されている。さらに、各偏向電極の上部に絶縁物からなる起動修正用のマスク９を積層している。
偏向電極４は、エミッタ電極１を中心として、均等に９０°ずつ４分割して配置している。なお、これらの偏向電極４には同電位が加わるようにしてある。また、アノード電極３はセンサ上部から見て、偏向電極４と同様な位置でアノード電極３を４分割している。各々のアノード電極３に到達する電流を計測することにより、アノード電極３への十字状に偏向した電子ビームの到達位置がわかる。これらの構造の外周３６０度に等電位の遮蔽電極７を設けている。
以上述べた全ての電極は、十字状電子ビームの中心から放射状、且つ対称に配設してあり電子の軌道に異方性を持たせないようにしてある。
ここで、図１４に示すような従来の構造では、電子ビームの腕の長さが、例えば、図４（ｂ）、図４（ｃ）のように時間と共に不均一な腕の長さを有する十字状の電子ビームとなるので、図５の破線に示すように外部磁界に対する出力が非線形となる。しかしながら、本実施例の図１、図２に示すように電子ビーム端部を制限するマスクが備わっていれば、図４（ａ）のようにマスクによって端部が制限されるので、常に均一な電子ビームの腕の長さを有する電子ビームが得られることから、図５の実線に示すように外部磁界に対して線形な出力が得られるようになる。
【０００６】
第２実施例
図６は、本発明の第２実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
本実施例の磁気センサは、外観上は図１及び図２と同様である。電子を放出するために設けられたエミッタ電極１と、エミッタ電極１から放出される電子数、即ち、エミッタ電流を制限するためのゲート電極２と、エミッタ電極１から放出された電子を捕集するアノード電極３と、第１実施例において設けていた偏向電極４の位置に偏向電極４にかわって絶縁物６が積層してあり、その上部に排泄している電子ビームを制限する軌道修正用のマスク９を保持固定している。
これらの構成要素は、パッケージ８内に配設し、第１実施例と同様に、これらの構造の外周３６０度に等電位の遮蔽電極７を設けている。
本実施例も、マスクを設けることで、常に均一なビームの長さを有する電子ビームが得られることから、図５の実線と同様な外部磁界に対するセンサ出力の直線性の改善が見られるようになる。
【０００７】
第３実施例
図７は、本発明の第３実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図、図８はエミッタ電極付近の拡大断面図である。
本実施例の磁気センサは、電子を放出するために設けられた電界放射型のエミッタ電極１と、エミッタ電極１から放射される電子数、即ち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、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、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ゲート電極と同一平面上に偏向電極４に配設し構成されている。さらに、各偏向電極の上部に絶縁物からなる軌道修正用のマスク９を積層している。
これらの構成要素は、パッケージ８の内部に図７に示すように各々配設している。偏向電極４１，４２は、エミッタ電極１を中心として、均等に９０度ずつ４分割して配置している。なお、これらの偏向電極４１，４２には同電位が加わるようにしてある。また、アノード電極３はセンサ上部から見て、偏向電極４と同様な位置でアノード電極３を４分割している。各々のアノード電極３に到達する電流を計測することにより、アノード電極３への十字状に偏向した電子ビームの到達位置がわかる。これらの構造の外周３６０度に等電位の遮蔽電極７を設けている。
ここで、図１４に示すような従来の構造では、電子ビームの線幅が一定にならないため、電子ビームがアノード電極３に到達するときの様子は図９（ａ）のように不均一な線幅を有する十字状の電子ビームとなり、図１０の破線に示すように外部磁界に対する出力が非線形になる。しかしながら、本実施例の図７及び図８に示すように軌道修正用のマスク９１，９２が備わっていれば、図９（ｂ）のように均一な線幅を有する十字状の電子ビームが得られるようになることから、図１０の実線に示すように外部磁界に対して、線形な出力が得られるようになる。なお、マスクとして導体を用いる場合は絶縁層９を覆うように上部に設ければよい。
【０００８】
第４実施例
図１１は、本発明の第４実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
本実施例の磁気センサは、電子を放出するために設けられた５つのエミッタ電極１を十字状に配置し、エミッタ電極１から放出される電子数、即ち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、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、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ゲート電極２と同一平面上に偏向電極４に配設し構成されている。さらに、各偏向電極４の上部に絶縁物からなる軌道修正用マスク９を積層している。
これらの構成要素は、パッケージ８の内部に図１１に示すように各々配設している。偏向電極４は、エミッタ電極１を中心として、均等に９０度ずつ４分割して配置している。なお、これらの偏向電極４には同電位が加わるようにしてある。また、アノード電極３はセンサ上部から見て、偏向電極４と同様な位置でアノード電極３を４分割している。各々のアノード電極３に到達する電流を計測することにより、アノード電極３への十字状に偏向した電子ビームの到達位置がわかる。これらの構造の外周３６０度に等電位の遮蔽電極７を設けている。
本実施例も第３実施例と同様に軌道修正用のマスク９を設けることで、図９（ｂ）のように均一な線幅を有する十字状の電子ビームが得られるようになることから、図１０の実線に示すように外部磁界に対して、線形な出力が得られるようになる。また、図１２に示すようにエミッタ素子１の周囲にそれぞれにマスク９を備え付けても同様の効果が得られる。
【０００９】
第５実施例
図１３は、本発明の第５実施例の磁気センサの構成を示すものであり、図１４の線Ａ−Ａ’において基板に垂直におろした面で切断した部分を拡大した断面図である。外観は従来例である図１４とほぼ同様である。
本実施例の磁気センサは、電子を放出するために設けられた電界放射型のエミッタ電極１と、エミッタ電極１から放射される電子数、即ち、エミッタ電流を制御するためのゲート電極２と、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、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ゲート電極２と同一平面上に偏向電極４に配設し構成されている。
これらの構成要素は、パッケージ８の内部に図１４に示すように各々配設している。偏向電極４は、エミッタ電極１を中心として、均等に９０度ずつ４分割して配置している。なお、これらの偏向電極４には同電位が加わるようにしてある。また、アノード電極３はセンサ上部から見て、偏向電極４と同様な位置でアノード電極３を４分割している。各々のアノード電極３に到達する電流を計測することにより、アノード電極３への十字状に偏向した電子ビームの到達位置がわかる。これらの構造の外周３６０度に等電位の遮蔽電極７を設けている。
ここで、図１５に示すような従来の構造では、絶縁層６の暴露部分の絶縁劣化によって分割した偏向電極電極、４１、４２がゲート電極２と電気的に共通になり、ゲート電極２の電位が低下し、電子の放出量が低減する。そこで、緩衝フッ酸などで暴露部分をエッチングし、図１３のように形成することで、絶縁層の劣化を逃れ、ゲート電極２の電位変動を防止できるようになる。また、オーバーぎみにエッチングする方が、より絶縁層の劣化を防止できるので好ましい。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下記の効果を奏する。
（１）縦型電界放射型のエミッタ電極から放出する線形状の電子ビームを、電子ビームの端部及び線幅を修正する軌道修正マスクを設けることにより、腕の長さ及び線幅が均一な電子ビームが得られるようになる。さらに、外部磁界変動によって、分割されたアノードに流入する電流の変動が線形になるので、磁気センサの精度が向上し、高精度で実用性が高く応用範囲の広い磁気センサを提供できる。
（２）分割された前記偏向電極とゲート電極間の絶縁層を除去しており、偏向電極とゲート電極間の絶縁が劣化することを防止できるようになるので、ゲート電極の電位変動を防止し、磁気センサの信頼性が向上し、応用範囲の広い磁気センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【図２】  第１実施例のエミッタ電極付近の拡大断面図である。
【図３】  第１実施例のエミッタ電極付近の上部からみた平面図である。
【図４】  第１実施例を説明するアノード到達時の電子ビームを上方からみた模式図である。
【図５】  第１実施例を説明する外部磁界とセンサ出力の特性図である。
【図６】  本発明の第２実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【図７】  本発明の第３実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【図８】  第３実施例のエミッタ電極付近の拡大断面図である。
【図９】  本発明の第２及び第３実施例を説明する十字状電子ビームの上方から見た模式図である。
【図１０】  本発明の第２及び第３実施例を説明する外部磁界とセンサ出力の特性図である。
【図１１】  本発明の第４実施例の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【図１２】  本発明の第４実施例の他の例の全体構成を示す斜視図である。
【図１３】  本発明の第５実施例の磁気センサの構成を示す拡大断面図である。
【図１４】  従来の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【図１５】  従来の磁気センサの全体構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  エミッタ電極
２，２１，２２  ゲート電極
３，３１，３２  アノード電極
４，４１，４２  偏向電極
５  基板
６，６１，６２，６３，６４  絶縁層
７  遮蔽電極
８  パッケージ
９，９１，９２，９３，９４  軌道修正マスク
【図１】
0003901324.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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