JPH07260908A - 電界放出型磁気センサー - Google Patents
電界放出型磁気センサーInfo
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- JPH07260908A JPH07260908A JP6077884A JP7788494A JPH07260908A JP H07260908 A JPH07260908 A JP H07260908A JP 6077884 A JP6077884 A JP 6077884A JP 7788494 A JP7788494 A JP 7788494A JP H07260908 A JPH07260908 A JP H07260908A
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- magnetic sensor
- signal
- field emission
- anodes
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｓ／Ｎのよい高感度な電界放出型磁気セン
サーを提供すること。 【構成】 エミッタ１をアースしてゲート２に、エミッ
タ・ゲート間電圧ＶegとしてＶOPの直流バイアス電圧３
に交流信号（Ｖac）４を重畳して印加する。エミッタ１
から放出されアノード５−１，５−２に到達して捕集さ
れた電子により、アノード５−１，５−２に流れるアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 も前記交流信号４に応じて変化す
る。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、交流信号４の周波
数成分だけを通過させる周波数特性とされたバンドパス
フィルタ６−１，６−２を通って検出器７−１，７−２
に与えられる。これにより、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に
含まれる揺らぎ等のノイズ成分は除去される。
サーを提供すること。 【構成】 エミッタ１をアースしてゲート２に、エミッ
タ・ゲート間電圧ＶegとしてＶOPの直流バイアス電圧３
に交流信号（Ｖac）４を重畳して印加する。エミッタ１
から放出されアノード５−１，５−２に到達して捕集さ
れた電子により、アノード５−１，５−２に流れるアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 も前記交流信号４に応じて変化す
る。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、交流信号４の周波
数成分だけを通過させる周波数特性とされたバンドパス
フィルタ６−１，６−２を通って検出器７−１，７−２
に与えられる。これにより、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に
含まれる揺らぎ等のノイズ成分は除去される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電界放出により放出さ
れた電子の軌道が測定環境の磁界により曲がることを利
用した磁気センサーに関するものである。
れた電子の軌道が測定環境の磁界により曲がることを利
用した磁気センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来磁気センサーとしては、固体ホール
素子が知られている。固体ホール素子は半導体における
ホール効果を利用した素子で、素子に電流と磁界とを加
えるとその積に比例した起電力を発生するものである。
この固体ホール素子より発生されたホール電圧の検出に
は、差動増幅器が必要なことから固体ホール素子を、増
幅手段と共に集積化したホールＩＣが開発されている。
ホールＩＣは、センサーと増幅素子などを含む信号処理
回路をモノリシック集積化したものであり、シリコン基
板上に、センサーの感度を向上するための増幅回路とセ
ンサーとを、モノリシック集積化したシリコンホールＩ
Ｃが実用化されている。
素子が知られている。固体ホール素子は半導体における
ホール効果を利用した素子で、素子に電流と磁界とを加
えるとその積に比例した起電力を発生するものである。
この固体ホール素子より発生されたホール電圧の検出に
は、差動増幅器が必要なことから固体ホール素子を、増
幅手段と共に集積化したホールＩＣが開発されている。
ホールＩＣは、センサーと増幅素子などを含む信号処理
回路をモノリシック集積化したものであり、シリコン基
板上に、センサーの感度を向上するための増幅回路とセ
ンサーとを、モノリシック集積化したシリコンホールＩ
Ｃが実用化されている。
【０００３】このシリコンホールＩＣは、ガウスメータ
や変位変換器など各種のセンサーとして用いられている
が、その使用最高温度はせいぜい摂氏１００度前後であ
る。また、磁気センサーとしては他に超電導量子干渉素
子（ＳＱＵＩＤ）と呼ばれる素子がある。このＳＱＵＩ
Ｄはジョセフソン効果を利用して磁場の強さを最小の単
位（量子）で測定できる電子素子であり、並列に接続し
たジョセフソン接合に流し得る直流電流を測定すること
により、磁気センサーとして地磁気の変化や心臓の動き
による磁気の検出などの微量の磁気の測定をすることが
出来る。ＳＱＵＩＤは高感度であるが超電導素子を用い
ているため、冷却装置などのユーティリティ設備が大型
となる。さらに、その取り扱いが難しいため、可搬型に
はなりにくく、その上高価である。
や変位変換器など各種のセンサーとして用いられている
が、その使用最高温度はせいぜい摂氏１００度前後であ
る。また、磁気センサーとしては他に超電導量子干渉素
子（ＳＱＵＩＤ）と呼ばれる素子がある。このＳＱＵＩ
Ｄはジョセフソン効果を利用して磁場の強さを最小の単
位（量子）で測定できる電子素子であり、並列に接続し
たジョセフソン接合に流し得る直流電流を測定すること
により、磁気センサーとして地磁気の変化や心臓の動き
による磁気の検出などの微量の磁気の測定をすることが
出来る。ＳＱＵＩＤは高感度であるが超電導素子を用い
ているため、冷却装置などのユーティリティ設備が大型
となる。さらに、その取り扱いが難しいため、可搬型に
はなりにくく、その上高価である。
【０００４】ところで最近、磁気センサーはロボットや
マニュピレータのエンコーダ等に用いられているが、こ
の３次元磁気センサーの使用環境はセンサー部の耐熱対
策を行うようにしても、モータの発熱のため摂氏１００
度を越える環境となっている。このため、ホール素子を
磁気センサーとして使用しようとしても、上述したよう
にホールＩＣの使用最高温度が低いため、磁気センサー
としてホールＩＣを用いることが出来ない。また、冷却
対策等を施して使用できたとしても、ホールＩＣでは感
度が不十分であると云う問題点がある。
マニュピレータのエンコーダ等に用いられているが、こ
の３次元磁気センサーの使用環境はセンサー部の耐熱対
策を行うようにしても、モータの発熱のため摂氏１００
度を越える環境となっている。このため、ホール素子を
磁気センサーとして使用しようとしても、上述したよう
にホールＩＣの使用最高温度が低いため、磁気センサー
としてホールＩＣを用いることが出来ない。また、冷却
対策等を施して使用できたとしても、ホールＩＣでは感
度が不十分であると云う問題点がある。
【０００５】また、上記磁気センサーとして高感度のＳ
ＱＵＩＤを用いることが出来るが、ＳＱＵＩＤは上述し
たように取り扱いが難しく、さらに小型かつ低価格には
程遠いため、上記磁気センサーとしてＳＱＵＩＤを使用
することは現実的ではなかった。そこで、磁界中に電界
放出により電子を放出するようにし、磁界中に放出され
た電子がローレンツ力を受けることを利用することによ
り、磁界の強さや方向を測定する電界放出型磁気センサ
ーが提案されている。
ＱＵＩＤを用いることが出来るが、ＳＱＵＩＤは上述し
たように取り扱いが難しく、さらに小型かつ低価格には
程遠いため、上記磁気センサーとしてＳＱＵＩＤを使用
することは現実的ではなかった。そこで、磁界中に電界
放出により電子を放出するようにし、磁界中に放出され
た電子がローレンツ力を受けることを利用することによ
り、磁界の強さや方向を測定する電界放出型磁気センサ
ーが提案されている。
【０００６】ところで、金属または半導体表面の印加電
界を１０9 ［Ｖ／ｍ］程度にするとトンネル効果によ
り、電子が障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が
行われるようになる。この現象を電界放出（Field Emis
sion）と云い、古くから知られているが、このような原
理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（Fiel
d Emission Cathode）と呼んでいる。
界を１０9 ［Ｖ／ｍ］程度にするとトンネル効果によ
り、電子が障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が
行われるようになる。この現象を電界放出（Field Emis
sion）と云い、古くから知られているが、このような原
理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（Fiel
d Emission Cathode）と呼んでいる。
【０００７】この電界放出カソードを多数設けることに
よりアレイ状とした電界放出アレイ（ＦＥＡ）を用いる
電界放出（ＦＥ）磁気センサーを図５に示す この図においてＦＥＡは、先端が鋸歯状とされたエミッ
タ（Emitter ）１０１と、エミッタ１０１に沿って細長
い板状されたゲート（Gate）１０２とから構成されてお
り、このＦＥＡに対向して２つに分割された三角状のア
ノード（Anode1）１０５−１，アノード（Anode2）１０
５−２が配置されている。これらのＦＥＡ及びアノード
１０５−１，１０５−２は、半導体微細加工技術を駆使
することにより、ミクロンサイズとして形成されてい
る。
よりアレイ状とした電界放出アレイ（ＦＥＡ）を用いる
電界放出（ＦＥ）磁気センサーを図５に示す この図においてＦＥＡは、先端が鋸歯状とされたエミッ
タ（Emitter ）１０１と、エミッタ１０１に沿って細長
い板状されたゲート（Gate）１０２とから構成されてお
り、このＦＥＡに対向して２つに分割された三角状のア
ノード（Anode1）１０５−１，アノード（Anode2）１０
５−２が配置されている。これらのＦＥＡ及びアノード
１０５−１，１０５−２は、半導体微細加工技術を駆使
することにより、ミクロンサイズとして形成されてい
る。
【０００８】このように平面状とされたＦＥ磁気センサ
ーは、水晶板等の基板上にニオブ等を堆積させて、ゲー
ト１０２およびエミッタ１０１を形成している。この鋸
歯状のエミッタ１０１の先端とゲート１０２との間の距
離は、サブミクロンとなるよう作製されているため、僅
か数１０ボルトのエミッタ・ゲート間電圧Ｖegを印加す
ることにより、エミッタ１０１から電子を電界放出する
ことができる。
ーは、水晶板等の基板上にニオブ等を堆積させて、ゲー
ト１０２およびエミッタ１０１を形成している。この鋸
歯状のエミッタ１０１の先端とゲート１０２との間の距
離は、サブミクロンとなるよう作製されているため、僅
か数１０ボルトのエミッタ・ゲート間電圧Ｖegを印加す
ることにより、エミッタ１０１から電子を電界放出する
ことができる。
【０００９】電界放出された電子は、図示する実線のよ
うに飛翔し基板上に設けられたアノード１０５−１，１
０５−２に到達して捕集される。これにより、アノード
電流Ｉ1 ，Ｉ2 がそれぞれ流れ、このアノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 の大きさは検出器１０６−１，１０６−２によ
りそれぞれ検出される。この場合、ＦＥ磁気センサーが
磁界中に置かれていない状態において、アノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 の大きさはほぼ等しくされている。なお、アノ
ード１０５−１，１０５−２にはアノード電圧Ｖa が印
加されている。このような平面型のＦＥ磁気センサーに
おいては、エミッタ１０１から放出される電子は基板の
表面に対し平行な方向に放出される。
うに飛翔し基板上に設けられたアノード１０５−１，１
０５−２に到達して捕集される。これにより、アノード
電流Ｉ1 ，Ｉ2 がそれぞれ流れ、このアノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 の大きさは検出器１０６−１，１０６−２によ
りそれぞれ検出される。この場合、ＦＥ磁気センサーが
磁界中に置かれていない状態において、アノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 の大きさはほぼ等しくされている。なお、アノ
ード１０５−１，１０５−２にはアノード電圧Ｖa が印
加されている。このような平面型のＦＥ磁気センサーに
おいては、エミッタ１０１から放出される電子は基板の
表面に対し平行な方向に放出される。
【００１０】次に、このようなＦＥ磁気センサーに磁束
Ｂが印加された場合を考察してみる。図示するように、
磁束ＢがＦＥ磁気センサーに対して、図示するように上
から下に向かう方向で印加されると、エミッタ１０１か
ら放出されて、アノード１０５−１，１０５−２に向か
って飛翔している電子にローレンツ力が働き、図示する
ように電子の軌道は、磁束Ｂにより手前側に曲げられる
ようになる。
Ｂが印加された場合を考察してみる。図示するように、
磁束ＢがＦＥ磁気センサーに対して、図示するように上
から下に向かう方向で印加されると、エミッタ１０１か
ら放出されて、アノード１０５−１，１０５−２に向か
って飛翔している電子にローレンツ力が働き、図示する
ように電子の軌道は、磁束Ｂにより手前側に曲げられる
ようになる。
【００１１】すると、電界放出された電子を捕集するア
ノード１０５−１，１０５−２が、２分割されているた
め、印加された磁界Ｂにより軌道が曲げられた電子の方
向に位置する一方のアノード１０５−２の電流Ｉ2 が増
加すると共に、他方のアノード１０５−２の電流Ｉ1 が
減少するようになる。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の増
加割合あるいは減少割合は印加された磁界の方向及び強
さに応じて変化するため、２つのアノード１０５−１，
１０５−２に流れるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の差分（Ｉ
1 −Ｉ2 ）を検出することにより、印加されている磁界
の方向及び強度を検出することができる。
ノード１０５−１，１０５−２が、２分割されているた
め、印加された磁界Ｂにより軌道が曲げられた電子の方
向に位置する一方のアノード１０５−２の電流Ｉ2 が増
加すると共に、他方のアノード１０５−２の電流Ｉ1 が
減少するようになる。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の増
加割合あるいは減少割合は印加された磁界の方向及び強
さに応じて変化するため、２つのアノード１０５−１，
１０５−２に流れるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の差分（Ｉ
1 −Ｉ2 ）を検出することにより、印加されている磁界
の方向及び強度を検出することができる。
【００１２】次に、図６にＦＥＡのＩ−Ｖ特性を示す
が、例えば図５に示すようにエミッタ１０１をアースし
てゲート１０２に、エミッタ・ゲート間電圧Ｖegとして
ＶOPのレベルの電圧を印加すると、図示するＩ−Ｖ特性
曲線上の点が動作点とされて、エミッタ１０１にはエミ
ッション電流ＩOPが流れるようになる。
が、例えば図５に示すようにエミッタ１０１をアースし
てゲート１０２に、エミッタ・ゲート間電圧Ｖegとして
ＶOPのレベルの電圧を印加すると、図示するＩ−Ｖ特性
曲線上の点が動作点とされて、エミッタ１０１にはエミ
ッション電流ＩOPが流れるようになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電界放
出アレイのエミッション電流Ｉe は時間の経過と共に不
規則な変化（揺らぎ）をしている。このエミッション電
流Ｉe の揺らぎを±ΔＩとすると、エミッション電流Ｉ
e は（ＩOP±ΔＩ）となるから、エミッション電流Ｉe
の揺らぎによる影響は、図６に示すように、等価的に動
作点の上下の変化として現れるようになる。すなわち、
アノード１０５−１，１０５−２に流れるアノード電流
Ｉ1 ，Ｉ2 の変化として現れる。しかも、エミッタ１０
１の長さ方向に渡って一様に揺らぐのではなく、各先端
毎に異なる揺らぎとなるため、アノード電流Ｉ1 とアノ
ード電流Ｉ2 とでは異なる変化をするようになり、エミ
ッション電流Ｉe の揺らぎはＦＥ磁気センサーのＳ／Ｎ
を悪化させるという問題点があった。
出アレイのエミッション電流Ｉe は時間の経過と共に不
規則な変化（揺らぎ）をしている。このエミッション電
流Ｉe の揺らぎを±ΔＩとすると、エミッション電流Ｉ
e は（ＩOP±ΔＩ）となるから、エミッション電流Ｉe
の揺らぎによる影響は、図６に示すように、等価的に動
作点の上下の変化として現れるようになる。すなわち、
アノード１０５−１，１０５−２に流れるアノード電流
Ｉ1 ，Ｉ2 の変化として現れる。しかも、エミッタ１０
１の長さ方向に渡って一様に揺らぐのではなく、各先端
毎に異なる揺らぎとなるため、アノード電流Ｉ1 とアノ
ード電流Ｉ2 とでは異なる変化をするようになり、エミ
ッション電流Ｉe の揺らぎはＦＥ磁気センサーのＳ／Ｎ
を悪化させるという問題点があった。
【００１４】さらに、エミッション電流とノイズ周波数
とは図８に示すような関係とされ、いわゆる１／ｆノイ
ズとなっている。そして、前記ＦＥ磁気センサーにおい
て検出している２つのアノード１０５−１，１０５−２
に流れる電流の差分（Ｉ1 −Ｉ2 ）は、直流の成分とし
て検出されているため、１／ｆノイズによりＳ／Ｎは極
端に低下するという問題点があった。
とは図８に示すような関係とされ、いわゆる１／ｆノイ
ズとなっている。そして、前記ＦＥ磁気センサーにおい
て検出している２つのアノード１０５−１，１０５−２
に流れる電流の差分（Ｉ1 −Ｉ2 ）は、直流の成分とし
て検出されているため、１／ｆノイズによりＳ／Ｎは極
端に低下するという問題点があった。
【００１５】そこで、本発明はＳ／Ｎのよい高感度な電
界放出型磁気センサーを提供することを目的としてい
る。
界放出型磁気センサーを提供することを目的としてい
る。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の電界放出型磁気センサーは、電界放出アレ
イから放出された電子が真空中を飛翔して、少なくとも
２つのアノードに捕集されると共に、前記２つのアノー
ドに流れるアノード電流の差分を検出することにより、
磁界の方向及び強さを検出するようにした電界放出型磁
気センサーにおいて、前記電界放出アレイに、直流バイ
アスのかかった周期信号を電界放出用電源として印加す
ると共に、前記２つのアノードに前記周期信号成分だけ
を取り出す検出手段をそれぞれ接続し、この検出手段か
ら前記アノード電流をそれぞれ取り出すことにより、前
記アノード電流に含まれるノイズを除去するようにした
ものである。
め、本発明の電界放出型磁気センサーは、電界放出アレ
イから放出された電子が真空中を飛翔して、少なくとも
２つのアノードに捕集されると共に、前記２つのアノー
ドに流れるアノード電流の差分を検出することにより、
磁界の方向及び強さを検出するようにした電界放出型磁
気センサーにおいて、前記電界放出アレイに、直流バイ
アスのかかった周期信号を電界放出用電源として印加す
ると共に、前記２つのアノードに前記周期信号成分だけ
を取り出す検出手段をそれぞれ接続し、この検出手段か
ら前記アノード電流をそれぞれ取り出すことにより、前
記アノード電流に含まれるノイズを除去するようにした
ものである。
【００１７】さらに、本発明の電界放出型磁気センサー
は、前記周期信号として交流信号を用いるようにしたも
のであり、この場合において、前記検出手段として、前
記交流信号の周波数だけを通過させるフィルタ、あるい
は、前記交流信号に位相同期している成分だけを抽出す
る位相検出手段を用いるようにしたものである。また、
本発明の電界放出型磁気センサーは、前記周期信号とし
て所定のパターンを周期ごとに繰り返すパターン信号を
用いるようにしたものであり、この場合において、前記
検出手段として前記パターン信号と同一のパターンを有
すると共に、位相が同期されている参照用パターン信号
との相関を取る位相検出手段を用いるようにしたもので
ある。なお、前記位相検出手段としてロックインアンプ
を用いるようにしてもよいものである。
は、前記周期信号として交流信号を用いるようにしたも
のであり、この場合において、前記検出手段として、前
記交流信号の周波数だけを通過させるフィルタ、あるい
は、前記交流信号に位相同期している成分だけを抽出す
る位相検出手段を用いるようにしたものである。また、
本発明の電界放出型磁気センサーは、前記周期信号とし
て所定のパターンを周期ごとに繰り返すパターン信号を
用いるようにしたものであり、この場合において、前記
検出手段として前記パターン信号と同一のパターンを有
すると共に、位相が同期されている参照用パターン信号
との相関を取る位相検出手段を用いるようにしたもので
ある。なお、前記位相検出手段としてロックインアンプ
を用いるようにしてもよいものである。
【００１８】
【作用】本発明によれば、電界放出アレイの特徴である
エミッション電流の時間的な揺らぎや、１／ｆノイズに
よるＳ／Ｎ比の悪化を低減することができ、ノイズの影
響を受けにくい高感度な電界放出型磁気センサーを実現
することができる。また、エミッション電流を変調して
いる周期信号に位相同期した成分だけを抽出するように
すれば、変調信号と同一周波数の中に含まれるノイズ成
分を除去することもできる。さらに、時間的に安定なセ
ンサー出力を得ることもできる。
エミッション電流の時間的な揺らぎや、１／ｆノイズに
よるＳ／Ｎ比の悪化を低減することができ、ノイズの影
響を受けにくい高感度な電界放出型磁気センサーを実現
することができる。また、エミッション電流を変調して
いる周期信号に位相同期した成分だけを抽出するように
すれば、変調信号と同一周波数の中に含まれるノイズ成
分を除去することもできる。さらに、時間的に安定なセ
ンサー出力を得ることもできる。
【００１９】
【実施例】本発明の電界放出型（ＦＥ）磁気センサーの
第１実施例を図１に示す。この図において、電界放出ア
レイ（ＦＥＡ）は、先端が鋸歯状とされたエミッタ（Em
itter ）１と、エミッタ１に沿って細長い板状されたゲ
ート（Gate）２とから構成されており、このＦＥＡに対
向して２つに分割された三角状のアノード（Anode1）５
−１，アノード（Anode2）５−２が配置されている。こ
れらのＦＥＡ及びアノード５−１，５−２は、半導体微
細加工技術を駆使することにより、ミクロンサイズとし
て作製されている。
第１実施例を図１に示す。この図において、電界放出ア
レイ（ＦＥＡ）は、先端が鋸歯状とされたエミッタ（Em
itter ）１と、エミッタ１に沿って細長い板状されたゲ
ート（Gate）２とから構成されており、このＦＥＡに対
向して２つに分割された三角状のアノード（Anode1）５
−１，アノード（Anode2）５−２が配置されている。こ
れらのＦＥＡ及びアノード５−１，５−２は、半導体微
細加工技術を駆使することにより、ミクロンサイズとし
て作製されている。
【００２０】このように平面状とされたＦＥ磁気センサ
ーは、水晶板等の基板上にニオブ等を堆積させて、ゲー
ト２、エミッタ１及びアノード５−１，５−２を形成し
ている。この鋸歯状のエミッタ１の先端とゲート２との
間の距離は、サブミクロンとなるよう作製されているた
め、僅か数１０ボルトのエミッタ・ゲート間電圧Ｖegを
印加することにより、エミッタ１から電子を電界放出す
ることができる。
ーは、水晶板等の基板上にニオブ等を堆積させて、ゲー
ト２、エミッタ１及びアノード５−１，５−２を形成し
ている。この鋸歯状のエミッタ１の先端とゲート２との
間の距離は、サブミクロンとなるよう作製されているた
め、僅か数１０ボルトのエミッタ・ゲート間電圧Ｖegを
印加することにより、エミッタ１から電子を電界放出す
ることができる。
【００２１】電界放出された電子は、図示する実線のよ
うに飛翔し基板上に設けられたアノード５−１，５−２
に到達して捕集される。これにより、アノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 がそれぞれ流れ、このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2
の大きさは検出器６−１，６−２によりそれぞれ検出さ
れる。この場合、ＦＥ磁気センサーが磁界中に置かれて
いない状態において、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の大きさ
はほぼ等しくされている。なお、アノード５−１，５−
２にはアノード電圧Ｖa が印加されている。このような
平面型のＦＥ磁気センサーにおいては、エミッタ１から
放出される電子は基板の表面に対し平行な方向に放出さ
れる。
うに飛翔し基板上に設けられたアノード５−１，５−２
に到達して捕集される。これにより、アノード電流Ｉ
1 ，Ｉ2 がそれぞれ流れ、このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2
の大きさは検出器６−１，６−２によりそれぞれ検出さ
れる。この場合、ＦＥ磁気センサーが磁界中に置かれて
いない状態において、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の大きさ
はほぼ等しくされている。なお、アノード５−１，５−
２にはアノード電圧Ｖa が印加されている。このような
平面型のＦＥ磁気センサーにおいては、エミッタ１から
放出される電子は基板の表面に対し平行な方向に放出さ
れる。
【００２２】このＦＥＡのＩ−Ｖ特性は前記した図６に
示す特性となるが、図１に示すようにエミッタ１をアー
スしてゲート２に、エミッタ・ゲート間電圧Ｖegとし
て、ＶOPの大きさの直流バイアス電圧３に交流信号（Ｖ
ac）４を重畳して印加するようにしている。したがっ
て、Ｉ−Ｖ特性曲線上動作点は交流信号（Ｖac）４によ
り上下に周期的に移動するようになるため、また、エミ
ッタ１には交流信号（Ｖac）４に応じて変化するエミッ
ション電流ＩOPが流れるようになる。
示す特性となるが、図１に示すようにエミッタ１をアー
スしてゲート２に、エミッタ・ゲート間電圧Ｖegとし
て、ＶOPの大きさの直流バイアス電圧３に交流信号（Ｖ
ac）４を重畳して印加するようにしている。したがっ
て、Ｉ−Ｖ特性曲線上動作点は交流信号（Ｖac）４によ
り上下に周期的に移動するようになるため、また、エミ
ッタ１には交流信号（Ｖac）４に応じて変化するエミッ
ション電流ＩOPが流れるようになる。
【００２３】したがって、エミッタ１から放出されアノ
ード５−１，５−２に到達して捕集された電子により、
アノード５−１，５−２に流れるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ
2 も前記交流信号４に応じて変化するようになる。この
アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、バンドパスフィルタ６−
１，６−２を通って検出器７−１，７−２に与えられる
が、バンドパスフィルタ６−１，６−２は交流信号４と
同一の周波数成分だけを通過する周波数特性とされてい
るため、検出器７−１，７−２には交流信号４の成分だ
けが与えられるようになる。なお、検出器７−１，７−
２により検出された電流は、前記交流信号４に応じて変
化しているが、ＦＥ磁気センサーが磁界中に置かれてい
ない状態において、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の大きさは
ほぼ等しく、しかも同方向に変化されているので、アノ
ード電流Ｉ1 とアノード電流Ｉ2 との差分（Ｉ1 −Ｉ
2 ）は略ゼロとされている。
ード５−１，５−２に到達して捕集された電子により、
アノード５−１，５−２に流れるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ
2 も前記交流信号４に応じて変化するようになる。この
アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、バンドパスフィルタ６−
１，６−２を通って検出器７−１，７−２に与えられる
が、バンドパスフィルタ６−１，６−２は交流信号４と
同一の周波数成分だけを通過する周波数特性とされてい
るため、検出器７−１，７−２には交流信号４の成分だ
けが与えられるようになる。なお、検出器７−１，７−
２により検出された電流は、前記交流信号４に応じて変
化しているが、ＦＥ磁気センサーが磁界中に置かれてい
ない状態において、アノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の大きさは
ほぼ等しく、しかも同方向に変化されているので、アノ
ード電流Ｉ1 とアノード電流Ｉ2 との差分（Ｉ1 −Ｉ
2 ）は略ゼロとされている。
【００２４】この場合、エミッション電流を変調してい
る交流信号４の周波数は、数１０ｋＨｚ以上とされてお
り、揺らぎの周波数は一般に低い周波数成分とされてい
るため、バンドパスフィルタ６−１，６−２により交流
信号４の成分だけを抽出するようにすると、揺らぎによ
りアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に付加されたノイズ成分を除
去することができるようになる。さらに、数１０ｋＨｚ
以上の周波数においては１／ｆノイズのレベルも小さい
ので、ほとんど１／ｆノイズの影響を受けることがなく
なる。
る交流信号４の周波数は、数１０ｋＨｚ以上とされてお
り、揺らぎの周波数は一般に低い周波数成分とされてい
るため、バンドパスフィルタ６−１，６−２により交流
信号４の成分だけを抽出するようにすると、揺らぎによ
りアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に付加されたノイズ成分を除
去することができるようになる。さらに、数１０ｋＨｚ
以上の周波数においては１／ｆノイズのレベルも小さい
ので、ほとんど１／ｆノイズの影響を受けることがなく
なる。
【００２５】次に、このようなＦＥ磁気センサーに磁束
Ｂが印加された場合を考察してみる。図示するように、
磁束ＢがＦＥ磁気センサーに対して、図示するように上
から下に向う方向で印加されると、エミッタ１から放出
されて、アノード５−１，５−２に向かって飛翔してい
る電子にローレンツ力が働き、図示するように電子の軌
道は、磁束Ｂにより手前側に曲げられるようになる。
Ｂが印加された場合を考察してみる。図示するように、
磁束ＢがＦＥ磁気センサーに対して、図示するように上
から下に向う方向で印加されると、エミッタ１から放出
されて、アノード５−１，５−２に向かって飛翔してい
る電子にローレンツ力が働き、図示するように電子の軌
道は、磁束Ｂにより手前側に曲げられるようになる。
【００２６】すると、電界放出された電子を捕集するア
ノード５−１，５−２が、２分割されているため、印加
された磁界Ｂにより軌道が曲げられた電子の方向に位置
する一方のアノード５−２の電流Ｉ2 が増加すると共
に、他方のアノード５−２の電流Ｉ1 が減少するように
なる。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の増加割合あるいは
減少割合は印加された磁界の方向及び強さに応じて変化
するため、２つのアノード５−１，５−２に流れるアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の差分（Ｉ1 −Ｉ2 ）を、バンドパ
スフィルタ６−１，６−２を介して検出器７−１，７−
２で検出することにより、磁界が印加された方向及び強
度を検出することができる。この場合において、エミッ
ション電流の揺らぎによる影響及び１／ｆノイズの影響
を受けないことは前記したとおりである。
ノード５−１，５−２が、２分割されているため、印加
された磁界Ｂにより軌道が曲げられた電子の方向に位置
する一方のアノード５−２の電流Ｉ2 が増加すると共
に、他方のアノード５−２の電流Ｉ1 が減少するように
なる。このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の増加割合あるいは
減少割合は印加された磁界の方向及び強さに応じて変化
するため、２つのアノード５−１，５−２に流れるアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の差分（Ｉ1 −Ｉ2 ）を、バンドパ
スフィルタ６−１，６−２を介して検出器７−１，７−
２で検出することにより、磁界が印加された方向及び強
度を検出することができる。この場合において、エミッ
ション電流の揺らぎによる影響及び１／ｆノイズの影響
を受けないことは前記したとおりである。
【００２７】次に、本発明のＦＥ磁気センサーの第２実
施例を図２に示す。この図において、ＦＥ磁気センサ１
０より出力されるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2はロックイン
アンプ（Lock-in AMP ）１１に入力される。このロック
インアンプ１１からは参照信号（Reference Signal）が
出力されて、変調信号源１３に供給されている。すなわ
ち、ＦＥ磁気センサー１０内のゲートには直流バイアス
（ＶOP）に変調信号源１３より出力される変調信号が重
畳されて印加されるようになる。これにより、アノード
電流Ｉ1 ，Ｉ2 は変調信号源１３より出力される変調信
号と同一の変化をするようになる。
施例を図２に示す。この図において、ＦＥ磁気センサ１
０より出力されるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2はロックイン
アンプ（Lock-in AMP ）１１に入力される。このロック
インアンプ１１からは参照信号（Reference Signal）が
出力されて、変調信号源１３に供給されている。すなわ
ち、ＦＥ磁気センサー１０内のゲートには直流バイアス
（ＶOP）に変調信号源１３より出力される変調信号が重
畳されて印加されるようになる。これにより、アノード
電流Ｉ1 ，Ｉ2 は変調信号源１３より出力される変調信
号と同一の変化をするようになる。
【００２８】このアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 はロックイン
アンプ１１に入力されて、変調信号と同一の信号である
参照信号と位相比較されることにより、変調信号と同一
の変化をしていると共に、変調信号と位相も一致してい
る成分だけが抽出されるようになる。したがって、変調
信号と同一周波数の中に含まれるノイズも除去すること
ができるようになる。また、変調信号の周波数を数１０
ｋＨｚとすれば、当然のことながら、エミッション電流
の揺らぎによる影響、及び１／ｆノイズの影響を受けな
いことは前記したとおりである。
アンプ１１に入力されて、変調信号と同一の信号である
参照信号と位相比較されることにより、変調信号と同一
の変化をしていると共に、変調信号と位相も一致してい
る成分だけが抽出されるようになる。したがって、変調
信号と同一周波数の中に含まれるノイズも除去すること
ができるようになる。また、変調信号の周波数を数１０
ｋＨｚとすれば、当然のことながら、エミッション電流
の揺らぎによる影響、及び１／ｆノイズの影響を受けな
いことは前記したとおりである。
【００２９】なお、図３に一般に用いられているロック
インアンプのブロック図を示し、この図を参照しながら
ロックインアンプの概略を説明する。図３において、ロ
ックインアンプは信号系と参照系との２ブロックから構
成されており、信号系において、インプット（INPUT ）
４１に入力された微弱な信号は、プリアンプ２０，２
１、アッテネータ２２およびミドルアンプ２３，２５に
よりノイズと共に、必要な電圧レベルまで増幅される。
次に、バンドパスフィルタ２６を通すことにより、入力
された信号からノイズ成分が除去され、フェーズセンシ
ティブディテクタ（ＰＳＤ）２７に入力される。
インアンプのブロック図を示し、この図を参照しながら
ロックインアンプの概略を説明する。図３において、ロ
ックインアンプは信号系と参照系との２ブロックから構
成されており、信号系において、インプット（INPUT ）
４１に入力された微弱な信号は、プリアンプ２０，２
１、アッテネータ２２およびミドルアンプ２３，２５に
よりノイズと共に、必要な電圧レベルまで増幅される。
次に、バンドパスフィルタ２６を通すことにより、入力
された信号からノイズ成分が除去され、フェーズセンシ
ティブディテクタ（ＰＳＤ）２７に入力される。
【００３０】一方、参照系に入力された測定信号と同一
の周波数とされている参照信号（REF ）は、REF IN４３
に入力されバッファ３１を介してフェーズロックドルー
プ（ＰＬＬ）３２に入力され、ＰＬＬ３２により参照信
号と同一の周波数で位相が同期されている参照信号が再
生される。ＰＬＬ３２により再生された参照信号はフェ
ーズシフタ３３により位相が調整されて、ＰＳＤ２７の
ドライブ信号としてバッファ３４を介してＰＳＤ２７に
供給される。このＰＳＤ２７は、入力信号の振幅をドラ
イブ信号の位相で検知するものである。なお、図３に示
す構成においては外部から参照信号をもらう構成とされ
ているが、ＰＬＬ３２から参照信号を外部へ出力するよ
うに構成することにより、センサー側へ参照信号を供給
する構成とすることもできる。
の周波数とされている参照信号（REF ）は、REF IN４３
に入力されバッファ３１を介してフェーズロックドルー
プ（ＰＬＬ）３２に入力され、ＰＬＬ３２により参照信
号と同一の周波数で位相が同期されている参照信号が再
生される。ＰＬＬ３２により再生された参照信号はフェ
ーズシフタ３３により位相が調整されて、ＰＳＤ２７の
ドライブ信号としてバッファ３４を介してＰＳＤ２７に
供給される。このＰＳＤ２７は、入力信号の振幅をドラ
イブ信号の位相で検知するものである。なお、図３に示
す構成においては外部から参照信号をもらう構成とされ
ているが、ＰＬＬ３２から参照信号を外部へ出力するよ
うに構成することにより、センサー側へ参照信号を供給
する構成とすることもできる。
【００３１】次に、このようなロックインアンプを前提
とした本発明に使用できるロックインアンプの構成を図
４に示す。この図において、ＦＥ磁気センサー１０より
出力されるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、第１入力端子５
５−１，第２入力端子５５−２にそれぞれ入力され、第
１増幅器５１−１，第２増幅器５１−２によりノイズ成
分と共に、それぞれ所定の電圧レベルになるよう増幅さ
れ、第１同期検出器５２−１、第２同期検出器５２−２
に入力される。この第１同期検出器５２−１、第２同期
検出器５２−２には、参照信号発生器５４から発生され
た参照信号がそれぞれ供給されており、参照信号と同一
周波数で、かつ、同期している成分だけがアノード電流
Ｉ1 ，Ｉ2 から検出されて出力される。すなわち、アノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に含まれる揺らぎ等のノイズ成分を
除去することができ、このノイズ成分が除去されたアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の信号が、差分器５３に供給されて
差分信号（Ｉ1 −Ｉ2 ）が演算され、センス出力端子５
７から出力されるようになる。
とした本発明に使用できるロックインアンプの構成を図
４に示す。この図において、ＦＥ磁気センサー１０より
出力されるアノード電流Ｉ1 ，Ｉ2 は、第１入力端子５
５−１，第２入力端子５５−２にそれぞれ入力され、第
１増幅器５１−１，第２増幅器５１−２によりノイズ成
分と共に、それぞれ所定の電圧レベルになるよう増幅さ
れ、第１同期検出器５２−１、第２同期検出器５２−２
に入力される。この第１同期検出器５２−１、第２同期
検出器５２−２には、参照信号発生器５４から発生され
た参照信号がそれぞれ供給されており、参照信号と同一
周波数で、かつ、同期している成分だけがアノード電流
Ｉ1 ，Ｉ2 から検出されて出力される。すなわち、アノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 に含まれる揺らぎ等のノイズ成分を
除去することができ、このノイズ成分が除去されたアノ
ード電流Ｉ1 ，Ｉ2 の信号が、差分器５３に供給されて
差分信号（Ｉ1 −Ｉ2 ）が演算され、センス出力端子５
７から出力されるようになる。
【００３２】また、参照信号発生器５４から出力される
参照信号は参照信号出力端子５６から出力されて、前記
図２に示す変調信号源１３に供給され、変調信号源１３
からは、参照信号発生器５４から発生される参照信号と
同一位相の参照信号が発生されて、直流バイアス電圧Ｖ
OPに重畳され電界放出電源としてＦＥ磁気センサー１０
のゲートに印加される。なお、同期検出器５２−１，５
２−２は前記したようにＰＳＤとしてもよいが、入力信
号と参照信号とを乗算する乗算器と、この乗算器の乗算
出力を累算する累算器とから構成する相関器としてもよ
い。さらに、参照信号発生器５４から発生する参照信号
は正弦波状に変化する信号に限らず、所定の周期で繰り
返すパターン信号、例えばＭ系列符号やＰＮ信号として
もよい。また、増幅器５１−１，５１−２にノイズを除
去するバンドパスフィルタを備えるようにしてもよい。
参照信号は参照信号出力端子５６から出力されて、前記
図２に示す変調信号源１３に供給され、変調信号源１３
からは、参照信号発生器５４から発生される参照信号と
同一位相の参照信号が発生されて、直流バイアス電圧Ｖ
OPに重畳され電界放出電源としてＦＥ磁気センサー１０
のゲートに印加される。なお、同期検出器５２−１，５
２−２は前記したようにＰＳＤとしてもよいが、入力信
号と参照信号とを乗算する乗算器と、この乗算器の乗算
出力を累算する累算器とから構成する相関器としてもよ
い。さらに、参照信号発生器５４から発生する参照信号
は正弦波状に変化する信号に限らず、所定の周期で繰り
返すパターン信号、例えばＭ系列符号やＰＮ信号として
もよい。また、増幅器５１−１，５１−２にノイズを除
去するバンドパスフィルタを備えるようにしてもよい。
【００３３】このように本発明の第２実施例のＦＥ磁気
センサーにおいては、参照信号との位相比較をすること
により、参照信号と同一の周波数の中に含まれるノイズ
成分も除去することができ、Ｓ／Ｎ比がより良好となり
高感度なＦＥ磁気センサーとすることができる。
センサーにおいては、参照信号との位相比較をすること
により、参照信号と同一の周波数の中に含まれるノイズ
成分も除去することができ、Ｓ／Ｎ比がより良好となり
高感度なＦＥ磁気センサーとすることができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、電
界放出アレイの特徴であるエミッション電流の時間的な
揺らぎや、１／ｆノイズによるＳ／Ｎ比の悪化を低減す
ることができ、ノイズの影響を受けにくい高感度な磁気
センサーを実現することができる。また、エミッション
電流を変調している変調信号に同期した成分だけを抽出
するようにすれば、同一周波数の中に含まれるノイズ成
分を除去することもできる。さらに、時間的に安定なセ
ンサー出力を得ることもできる。
界放出アレイの特徴であるエミッション電流の時間的な
揺らぎや、１／ｆノイズによるＳ／Ｎ比の悪化を低減す
ることができ、ノイズの影響を受けにくい高感度な磁気
センサーを実現することができる。また、エミッション
電流を変調している変調信号に同期した成分だけを抽出
するようにすれば、同一周波数の中に含まれるノイズ成
分を除去することもできる。さらに、時間的に安定なセ
ンサー出力を得ることもできる。
【図１】本発明のＦＥ磁気センサーの第１実施例の構成
を示す図である。
を示す図である。
【図２】本発明のＦＥ磁気センサーの第２実施例の構成
を示す図である。
を示す図である。
【図３】ロックインアンプの一般的な例を示す図であ
る。
る。
【図４】本発明のＦＥ磁気センサーの第２実施例に用い
るロックインアンプを示す図である。
るロックインアンプを示す図である。
【図５】提案されているＦＥ磁気センサーの原理図であ
る。
る。
【図６】ＦＥＡのＩ−Ｖ特性図である。
【図７】ノイズによる動作点の変化を示す図である。
【図８】エミッション電流とノイズ周波数の関係を示す
図である。
図である。
１ ＦＥＡ ２ ゲート ３，１２ 直流バイアス ４ 交流信号 ５−１，５−２ アノード ６−１，６−２ バンドパスフィルタ ７−１，７−２ 電流検出器 ８ アノード電圧 １０ ＦＥ磁気センサー １１ ロックインアンプ １３ 変調信号源 １４，５７ センス出力端子 ５１−１，５１−２ 増幅器 ５２−１，５２−２ 同期検出器 ５３ 差分器 ５４ 参照信号発生器 ５５−１，５５−２ 入力端子 ５６ 参照信号出力端子
Claims (7)
- 【請求項１】電界放出アレイから放出された電子が真空
中を飛翔して、少なくとも２つのアノードに捕集される
と共に、前記２つのアノードに流れるアノード電流の差
分を検出することにより、磁界の方向及び強さを検出す
るようにした電界放出型磁気センサーにおいて、 前記電界放出アレイに、直流バイアスのかかった周期信
号を電界放出用電源として印加すると共に、前記２つの
アノードに前記周期信号成分だけを取り出す検出手段を
それぞれ接続し、この検出手段から前記アノード電流を
それぞれ取り出すことにより、前記アノード電流に含ま
れるノイズを除去することを特徴とする電界放出型磁気
センサー。 - 【請求項２】前記周期信号として交流信号を用いること
を特徴とする請求項１記載の電界放出型磁気センサー。 - 【請求項３】前記検出手段として、前記交流信号の周波
数だけを通過させるフィルタを用いることを特徴とする
請求項２記載の電界放出型磁気センサー。 - 【請求項４】前記検出手段として、前記交流信号に位相
同期している成分だけを抽出する位相検出手段を用いる
ことを特徴とする請求項２記載の電界放出型磁気センサ
ー。 - 【請求項５】前記周期信号として所定のパターンを周期
ごとに繰り返すパターン信号を用いることを特徴とする
請求項１記載の電界放出型磁気センサー。 - 【請求項６】前記検出手段として、前記パターン信号と
同一のパターンを有すると共に、位相が同期されている
参照用パターン信号との相関を取る位相検出手段を用い
ることを特徴とする請求項５記載の電界放出型磁気セン
サー。 - 【請求項７】前記位相検出手段としてロックインアンプ
を用いることを特徴とする請求項４あるいは６記載の電
界放出型磁気センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6077884A JP3044319B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | 電界放出型磁気センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6077884A JP3044319B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | 電界放出型磁気センサー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260908A true JPH07260908A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3044319B2 JP3044319B2 (ja) | 2000-05-22 |
Family
ID=13646507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6077884A Expired - Fee Related JP3044319B2 (ja) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | 電界放出型磁気センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3044319B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007013862A (ja) * | 2005-07-04 | 2007-01-18 | Hitachi Metals Ltd | アンテナ及びこれを用いた電波時計、キーレスエントリーシステム、ｒｆｉｄシステム |
| US8000062B2 (en) | 2008-12-30 | 2011-08-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Enhanced magnetoresistance and localized sensitivity by gating in lorentz magnetoresistors |
-
1994
- 1994-03-25 JP JP6077884A patent/JP3044319B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007013862A (ja) * | 2005-07-04 | 2007-01-18 | Hitachi Metals Ltd | アンテナ及びこれを用いた電波時計、キーレスエントリーシステム、ｒｆｉｄシステム |
| US8000062B2 (en) | 2008-12-30 | 2011-08-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Enhanced magnetoresistance and localized sensitivity by gating in lorentz magnetoresistors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3044319B2 (ja) | 2000-05-22 |
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Legal Events
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