JPH06308207A

JPH06308207A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH06308207A
Application number: JP12187693A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Sugiyama; 佳延杉山; Junji Ito; 順司伊藤; Masatake Kanamaru; 正剛金丸
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1994-11-04
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JP2615405B2

Abstract

(57)【要約】【目的】磁気センサの感度と耐環境性を向上させる。【構成】磁気センサは、電界放射型エミッタ電極１
と、このエミッタ電極１から放射された電子の動きを制
御するゲート電極２と、エミッタ電極１から放射された
電子を捕集するアノード電極３とからなり、アノード電
極３が少なくとも２つに離間され、このアノード電極３
に入射する電子による電流の差分を測定する。これらの
構成要素は真空容器内に配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
の一つとなっている。半導体磁気センサの感度は半導体
中の電子速度と磁束密度との積に係わるローレンツ力の
大きさに比例するから、大きな電子速度の得られる材
料、すなわち、低電界においては電子移動度の大きなII
I-V 族化合物半導体材料であるインジウムアンチモン，
ガリウムひ素などが用いられてきた。半導体における飽
和電子速度は高々２〜３×１０⁵ ｍ／ｓｅｃが限界と言
われ、しかも、低電界で動作する磁気センサにおいて電
子移動度は飽和電子速度の数分の一であり、高感度化技
術には限界があった。また、使用環境についても、高温
では使用できないことは勿論、強い放射能を浴びる環境
では使用できないという制約があった。

【０００３】ところで、最近、電界放射の原理に基づく
冷陰極型固体真空装置が熱陰極型真空管に代わるものと
して考案された。しかし、従来、この冷陰極型固体真空
装置は発光体と併せた表示装置等への応用に関するもの
でありセンサを指向するものではなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、冷陰極型固体真空装置を用いて、電子速度を高める
ことにより高感度な磁気センサを提供することにある。

【０００５】本発明の他の目的は、高温や放射線環境下
でも使用できる磁気センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の磁気センサは、電子を放射するため
の電界放射型エミッタ電極と、該電界放射型エミッタ電
極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と、前記電界放射型エミッタ電
極から放射された電子を捕集するためのアノード電極と
が真空容器内に配設され、前記電界放射型エミッタ電極
から放射された電子が真空中を走行して、前記アノード
電極に入射する間に外部磁場により偏向され、その結
果、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を検出することを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明によれば、電界放射型エミッタ電極から
放射された電子が外部磁場により偏向され、アノード電
極に入射する電子数が変化するので、アノード電流の値
から外部磁場を検出することができる。

【０００８】また、本発明によれば、電界放射型エミッ
タ電極から真空中に電子が放射されるので、半導体等の
ように格子散乱の影響を受けることなく、光速に近い電
子速度が得られる。従って、半導体磁気センサ等の感度
の限界を超えて、本発明の磁気センサの感度は極めて良
好となる。

【０００９】さらに、本発明によれば、電界放射型エミ
ッタ電極は温度や放射線の影響をほとんど受けないこ
と、電子が真空中を運動すること等から、高温や強い放
射線環境下でも支障なく作動する磁気センサを実現する
ことができる。従って、現在主流となっている半導体磁
気センサが使用できないような厳しい環境においても、
本発明の磁気センサは大きな効力を発揮する。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１１】実施例１図１は、本発明の第１の実施例の磁気センサを説明する
ための模式図であり、図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）
は側面図である。

【００１２】本実施例の磁気センサは、絶縁性または半
絶縁性の基板６上に設けられ電子を放射するための櫛形
の電界放射型エミッタ電極（以下、エミッタ電極と略記
する）１と、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、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とにより構成されている。

【００１３】これらの構成要素は、真空容器内に図１
（Ａ）に示したようにほぼ平面的に配置されている。エ
ミッタ電極の材料としてはＷが一般に用いられている。
エミッタ電極はＷ金属表面に１〜５×１０⁷ Ｖ／ｃｍ程
度の強い電界がかかり、障壁の厚みが１ｎｍ程度になる
と、トンネル効果によって自由電子を真空中に放射させ
ることができる。外部磁場Ｂを印加しない場合には、エ
ミッタ電極１から放射された電子は、図１（Ａ），
（Ｂ）の実線に示すように、真空中を基板６にほぼ平行
かつ直線的に飛んでアノード電極３に到達する。

【００１４】次に、外部磁場Ｂを紙面の手前から裏側に
向かって垂直に印加すると、電子は外部磁場Ｂとの相互
作用によるローレンツ力を受けて、図１（Ａ）の点線の
ように軌道が曲がり、アノード電極３に入射する電子数
の割合が減少し、その結果、アノード電流が低下する。
アノード電流の低下の度合いは外部磁場の強度に強く依
存しており、磁場Ｂの強度が強ければ強いほど大きくな
る。従って、予め測定した外部磁場を印加しない場合の
アノード電流からの変動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可能とな
る。

【００１５】なお、磁場の向きがこれと逆の場合には、
図１（Ａ）の点線とは逆の方向に電子の軌道が曲げられ
る。しかし、この場合でも外部磁場Ｂの強度に応じてア
ノード電流が減少するため、磁場の強度を検出すること
ができる。また、エミッタ電極１から放射される電子
数、すなわち、エミッタ電流は、一般にエミッタ電極が
設置される容器内の真空度に依存して変動することが知
られており、真空度が高いほど、すなわち、容器内の圧
力が低いほど電流が増大する。従って、容器内には、磁
場を検出する機能に影響を及ぼさないような、ゲッタ材
を内蔵し、真空の維持向上を図ることが望ましい。

【００１６】ところで、速度ｖで運動する電荷ｑおよび
質量ｍの電子に外部磁場Ｂを加えると、電子の元の軌道
と外部磁場とのそれぞれに垂直な方向にローレンツ力を
受け、等速円運動を行うようになる。この場合の電子運
動半径ｒは

【００１７】

【数１】ｒ＝ｍｖ／ｑＢ (1) で与えられる。等速円運動をしている電子が距離Ｌだけ
離れた場所における偏向距離ｙは、電子の偏向角φが小
さい場合、

【００１８】

【数２】ｙ≒Ｌφ／２＝ｑＢＬ² ／２ｍｖ (2) で与えられる。例えば、エミッタ電極１とアノード電極
３との間の距離がＬ＝１００μｍ、外部磁場がＢ＝０．
１Ｔ、電子電荷がｑ＝１．６×１０^-19 Ｃ、電子質量が
ｍ＝９．１×１０^-31 ｋｇ、電子速度がｖ＝６×１０⁶
ｍ／ｓｅｃの場合、アノード電極３における電子の偏向
距離はｙ≒１５μｍとなる。図１の実施例においては、
この電気磁気的作用によりアノード抵抗が増加する。

【００１９】このような電界放射型のエミッタ電極を備
えた固体真空電子装置では、１０⁶ｍ／ｓｅｃを越える
電子速度が可能であり、半導体磁気センサを動作させた
場合の数１０倍から数１００倍の電子速度を利用するこ
とができるため、磁気検出感度は電子速度に比例して数
１０倍から数１００倍に感度を増大させる効果が期待で
きる。

【００２０】実施例２図２は、本発明の第２の実施例を示す模式的斜視図であ
る。

【００２１】本実施例では、図１に示した構成とほぼ同
様の構成を有しつつも、アノード電極が２つの互いに離
間した部分３ａ，３ｂとから構成されている。この場
合、前述したように外部磁場Ｂの作用により電子の軌道
が、例えば、図２の実線のように曲がり、アノード電極
３ｂ側に入射する電子数が増大し、逆にアノード電極３
ａに入射する電子数が減少する。その結果、図３に示す
アノード電極３ｂを流れる電流Ｉ₂ が増大し、アノード
電極３ａを流れる電流Ｉ₁ が減少する。これらの電流の
増減の割合は、前述したように外部磁場Ｂの強度に依存
して決まる。従って、Ｉ₁ とＩ₂ との差分電流ΔＩ＝Ｉ
₂ −Ｉ₁ を測定することによって、外部磁場の強度と向
きを検出することができる。

【００２２】本実施例では、図１に示した基本構成の場
合と比較して次の２点の優れた機能を発揮する。

【００２３】１）上記の差分電流ΔＩは外部磁場の絶対
強度のみによって決まり、磁場を印加しない場合にはΔ
Ｉ＝０になる。すなわち、第１の実施例のように磁場を
印加しない場合のアノード電流を測定する必要がなく、
また、エミッタ電流の時間的揺らぎなどの影響も格段に
第１の実施例と比較して少ない。

【００２４】なお、エミッタ電流の揺らぎの影響をさら
に低減するには、差分電流ΔＩをアノード電極に流れた
全電流（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）で規格化した値、すなわち、ΔＩ
／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）を測定するのが効果的である。これに
より、エミッタ電流の揺らぎの影響をほぼ完全に除去で
きる。

【００２５】２）上記の差分電流ΔＩの符号は外部磁場
の向きに依存して決まる。すなわち、図３のように紙面
の表から裏に向かう垂直磁場の場合には符号は正に、逆
方向の磁場に対しては負になる。以上から、２つに分割
したアノード電極３ａ，３ｂに流れる差分電流ΔＩを測
定することにより、エミッタ電流の変動の影響を受けず
に、磁場の強度と向きを同時に検出することができる。

【００２６】図４は、本実施例の構成でアノード電極の
形状を矩形から三角形状に変えたものである。このよう
にすることにより、外部磁場Ｂにより曲げられた電子が
アノード電極３ａ，３ｂ端に直角に近い角度で入射する
ことになり、本実施例の磁気センサの感度をより上昇さ
せることが見込める。

【００２７】本実施例のセンサを用いて実際に行った磁
場検出実験の結果を図５に示す。図の横軸は印加した外
部磁場の強度で、縦軸はそのときの規格化差分電流（Δ
Ｉ／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ），単位％）である。図からわかるよ
うに、規格化差分電流は、磁場強度に比例して変化し、
また、磁場の向きに応じて符号を反転させている。本磁
気センサの磁気感度をこの結果から見積もると１０００
％／Ｔ（Ｔは磁場の単位：テスラ）にもなり、これは、
現在最も高感度な半導体磁気センサであるＧａＡｓ系の
約２０倍である。なお、実際に用いた磁気センサの構造
寸法および電極への印加電圧は次の通りである。櫛形エ
ミッタティップの幅ｗ＝３μｍ，ピッチｐ＝９μｍ，テ
ィップ数ｎ＝１５０個，エミッタティップ先端とゲート
電極の距離ｇ＝０．５μｍ，ゲート電極とアノード電極
と間との距離（最短部）ｌ＝１０μｍ，アノード電極の
離間距離ｄ＝１００μｍ，ゲート電圧Ｖ_G ＝１００Ｖ，
アノード電圧Ｖ_A ＝１６０Ｖである。なお、磁気感度を
さらに向上させるためには、電子の走行距離Ｌを長くす
ればよい。これは、本明細書で述べる全ての実施例で共
通である。このように、磁気感度をセンサ本体の構造寸
法を変化させるだけで任意に制御できることは、本発明
の特徴の一つである。

【００２８】実施例３図６は本発明の第３の実施例を示す模式図である。本実
施例は、図４のアノード電極３ａ，３ｂよりも多数のア
ノード電極を設けたものである。それぞれ交互に２つの
グループに結線してアノード電極を流れる電流Ｉ₁ およ
びＩ₂ とし、これらの電流の差分を測定して磁場の強度
と向きとを検出する。第２の実施例と同じ動作原理およ
び機能を有しつつも、エミッタ電流の空間的な揺らぎの
影響を軽減するというさらなる優れた機能を発現する。
この空間的な揺らぎは、エミッタ電極１が直線的に配列
された多数の突起部から構成されており、各突起部から
放射される電子数は必ずしも等しくなく、一般的には、
適当な分布関数に則った分布をしていることに起因して
いる。このような分布は、エミッタ電極１から放射され
る電子数の空間的な分布をもたらし、これによって、磁
場とは無関係なアノード電流の分布が生起される。図６
に示した実施例では、アノード電極を互いに近接した多
数の離間部分に分け、互いに隣合うアノード電極に流れ
る電流の差分を取ることによって、上記の空間的揺らぎ
の影響を大幅に低減しようとするものである。

【００２９】実施例４図７は本発明の第４の実施例を示す模式図である。本実
施例は図１ないし図３に示した構成にさらに、ゲート電
極２とアノード電極３ａ，３ｂとの間に電極４を設けた
ものである。これにより、エミッタ電極１から放射され
た電子の軌道はアノード電極３ａ，３ｂに入射するまで
に、電極４の電界により制御される。これは、ゲート電
極２とアノード電極３ａ，３ｂとの間の距離が通常、
０．１ｍｍ程度と長く、この間の電子の軌道が絶縁性基
板の表面電位によって外部磁場Ｂとは無関係に曲げられ
る危険性を防止するのに有効である。この電極４に適当
な正負の電圧を印加することにより、電子は時間的に安
定してアノード電極３ａまたは３ｂに入射する。なお、
この電極４の形状は図７に示した矩形に限定されず、上
記の目的を達成するために最適な形状を種々採用する必
要がある。

【００３０】また、この電界を制御する電極４について
は、電極形状だけではなく配置する場所も重要である。
何故なら、エミッタ電極から放射される電子の運動は、
検出すべき外部磁場だけではなく、磁気センサ自身の電
極への配線により発生する局所的な電界や真空容器の電
位、さらには容器外の電気的環境などにより発生する電
界の擾乱を受け、その軌道を変化させるからである。真
空容器が導電性の物質、例えば、金属からできている場
合には、容器の電位を接地することにより、上記の擾乱
はある程度低減できるが、容器がガラスなどの非導電性
物質でできている場合には、上記の擾乱の影響が深刻に
なる。

【００３１】この影響を防ぐには、図８に示す構造が有
効である。この構造は、エミッタ電極，ゲート電極およ
びアノード電極が全て電界を制御する電極４によって外
部電界からシールドされる構造になっている。これによ
り、エミッタ電極から放射された電子は、センサ周囲の
外部電界の影響を受けることなくアノード電極に達する
ことができるようになる。その結果、アノード電流の変
化は全て、外部磁場による偏向に起因することとなり、
磁場に対する良好な直線性や高感度化が図られる。

【００３２】実施例５実施例１ないし４では、エミッタ電極１とゲート電極２
との間隔がサブミクロン程度であるのに比較してエミッ
タ電極１とアノード電極３ａ，３ｂとの間隔が０．１ｍ
ｍ以上と長いため、エミッタ電極１から放射された電子
のうち大部分がゲート電極２に入射する。その結果、ア
ノード電流が減少して外部磁場Ｂの強度の測定値の精度
が悪くなる危険性がある。本実施例では図９に示したよ
うに、エミッタ電極１とアノード電極３ａ，３ｂとの結
ぶ方向と直角方向に、内部磁界を生成する磁極５ａ，５
ｂを真空容器内に設けたものである。これにより、電子
はゲート電極２から遠ざかるような力を受けることにな
る。この場合、アノード電極１は、ゲート電極２よりも
高い位置に設置した方が好都合であり、例えば、各構成
要素が収納される真空容器の壁に設置するのも良い。こ
のように構成することにより、アノード電流が増加し、
信号・雑音比（Ｓ／Ｎ比）が向上して、アノード電流の
測定精度を上昇させることが期待される。

【００３３】実施例１ないし５では、櫛型の電界放射型
のエミッタ電極構造としたことにより電流容量が大きく
とれる。

【００３４】実施例６これまでは、いわゆる平面形状の電界放射型エミッタ電
極を用いて電子を基板にほぼ平行に運動させる構成につ
いて述べてきたが、縦形のエミッタ電極を用いることに
よっても同様の機能を発現することができる。

【００３５】このような構成による本発明の第６の実施
例の模式図を図１０に示す。

【００３６】本実施例においては、導電性基板７上にエ
ミッタ電極１を設け、また絶縁体８とゲート電極２をこ
の順序で導電性基板７上に積層した。

【００３７】ここで、アノード電極３を真空容器の壁な
どに設け、分離した構成にしても良い。本実施例の場
合、電子はエミッタ先端１Ａから導線性基板７の長手方
向に対してほぼ垂直に実線のように放射され、アノード
電極３に到達する。この時、ゲート電極２とアノード電
極３との間を電子が走行する間に、電子が外部磁場によ
って、点線のように偏向してアノード電流の増減をもた
らす。このアノード電流の値を測定することにより外部
磁場を検出することができる。

【００３８】実施例６において、アノード電極を図１１
に示すように上から見て４つの部分３ａ，３ｂ，３ｃ，
３ｄに分割することにより、実施例２に記載した同じ原
理に基づいて外部磁場Ｂの強度と向きを同時に検出する
ことができる。すなわち、アノード電極３ａ，３ｂを流
れる電流Ｉ₁ とＩ₂ との差分電流ΔＩ₁ と、アノード電
極３ｃ，３ｄを流れる電流Ｉ₃ とＩ₄ との差分電流ΔＩ
₂ を測定することにより、外部磁場の強度のみならず向
きを図１１のｘ，ｙの２方向に分けて検出することがで
きる。

【００３９】実施例７本実施例は、図１０ならびに図１１に示した実施例６の
構造において、図１２に示すようにアノード電極を、上
からみてリング状に形成することを特徴としている。本
実施例は、コルビノ型半導体磁気抵抗素子と同様に、磁
界が加わると電流経路の増加に伴い抵抗増加が起き、真
空マイクロ磁気抵抗素子として機能する。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
エミッタ電極から放射された電子が外部磁場により偏向
され、アノード電極に入射する電子数が変化するので、
アノード電流の値から外部磁場を検出することができ
る。

【００４１】さらに本発明によれば、エミッタ電極から
真空中に電子が放射されるので、半導体等のように格子
散乱の影響を受けることなく、光速に近い電子速度が得
られる。従って、半導体磁気センサ等の感度の限界を超
えて、本発明の磁気センサの感度は極めて良好となる。

【００４２】さらにまた、本発明によれば、エミッタ電
極とアノード電極との間の距離がｍｍ以下であるため、
磁気センサを小型化することができる。その上、本発明
の磁気センサは冷陰極型の固体真空装置を利用している
ために、室温さらには高温環境下あるいは強い放射線環
境下で作動することができる。以上のことから、本発明
の磁気センサは、電子産業，機械産業，家庭電器産業，
航空産業，宇宙産業等の広い応用分野への利用が期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の磁気センサの原理を説
明するための図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す模式的斜視図であ
る。

【図３】図２に示した磁気センサの模式図である。

【図４】図２に示した磁気センサの変形例を示す模式図
である。

【図５】本実施例の磁気センサを用いた時の磁場検出の
結果を示す特性図である。

【図６】本発明の第３の実施例を示す模式図である。

【図７】本発明の第４の実施例を示す模式図である。

【図８】磁気センサがシールドされた場合の模式図であ
る。

【図９】本発明の第５の実施例を示す模式図である。

【図１０】本発明の第６の実施例を示す模式図である。

【図１１】図１０に示した磁気センサの変形例を示す模
式図である。

【図１２】図１０に示した磁気センサの第２の変形例を
示す模式図である。

【符号の説明】

１エミッタ電極２ゲート電極３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄアノード電極４電極５ａ，５ｂ磁極６基板７導電性基板８絶縁体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子を放射するための電界放射型エミッ
タ電極と、該電界放射型エミッタ電極から放射される電
子数、すなわち、エミッタ電流を制御するためのゲート
電極と、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電
子を捕集するためのアノード電極とが真空容器内に配設
され、前記電界放射型エミッタ電極から放射された電子
が真空中を走行して、前記アノード電極に入射する間に
外部磁場により偏向され、その結果、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
場を検出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】前記アノード電極が、少なくとも２つに
離間され、当該離間されたアノード電極に入射する電子
による電流の差分を測定することにより、前記外部磁場
を検出することを特徴とする請求項１に記載の磁気セン
サ。
【請求項３】前記エミッタ電極から放射され前記アノ
ード電極に向かう電子の軌道を電界により制御するため
の電界制御部が、前記真空容器内にさらに設けられてい
ることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気セン
サ。
【請求項４】前記エミッタ電極から放射され前記アノ
ード電極に向かう電子の軌道を磁界により制御するため
の磁界制御部が、前記真空容器内にさらに設けられてい
るこを特徴とする請求項１または２に記載の磁気セン
サ。