JPH1167061A - 電界放出カソードと磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電界放出カソードと磁気センサを提供する。 【解決手段】１１はガラスフアイバであり、その中心部
にはカーボン繊維１２が埋設されている。ガラスフアイ
バ１１の端面は台形状となるようにテーパ面１３に切削
されており、また、ガラスフアイバ１１の表面にテーパ
面１３の部分にも延長するよう導電性皮膜１４が無電解
メッキ等によってガラスフアイバ１１の表面に付けられ
ている。導電性皮膜１４がカーボン繊維１２に至近距離
となるように形成されているので、従来の電界放出カソ
ードと同様に導電性皮膜１４をゲート、カーボン繊維１
２の１本、１本をエミッタとして電界放出カソードを構
成し、導電性皮膜１４とカーボン繊維の間に電圧を加え
ると、至近距離となっているカーボン繊維１２の先端部
に電界が集中し、電子を放出することができる。また、
これらを真空容器中でアノード電極と対向するように配
置して、３次元の磁気センサを構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空中で電子を放出
する電界放出カソードと、この電界放出カソードを利用
した磁気センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気センサとしては、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、ホール素子に電流と磁界
とを加えることにより起電力を発生し、磁界の強さを関
知するものである。

【０００３】このようなホール素子の材料としては、一
般にゲルマニウムやシリコン等の半導体素子が用いら
れ、ガウスメータや変位変換器など各種のセンサとして
応用されているが、その使用最高温度はせいぜい摂氏１
００度前後である。そこで、本出願人は先に電界放出素
子を使用して微細な磁気の変化を小型のセンサで検出す
ることができる磁気センサを提案した（特開平６−３４
７５２５号公報）。

【０００４】図６は、電界放出素子の一例であるスピン
ト（Spindt）型と呼ばれる電界放出カソード（以下、Ｆ
ＥＣと記す）の原理を示す。このＦＥＣは、真空中でガ
ラス等の基板の上にニオブ、モリブデン等の金属からな
るエミッタ電極が蒸着により形成されており、このエミ
ッタ電極上にモリブデン等の金属からなるコーン状のエ
ミッタが形成されている。エミッタ電極上のエミッタが
形成されていない部分は二酸化シリコン（SiO ２）膜に
よる絶縁層とされており、さらにその上にはニオブ等に
よってゲートが形成されており、ゲートに設けられた丸
い穴の中に上記コーン状のエミッタが位置するようにな
されている。すなわち、このコーン状のエミッタの先端
部分がゲートにあけられた穴から臨む構成とされてい
る。

【０００５】このコーン状のエミッタのエミッタ間のピ
ッチは１０ミクロン以下とすることができ、数万から数
１０万個のＦＥＣを１枚の基板上に設けることができ
る。さらに、ゲートとエミッタのコーンの先端との距離
をサブミクロンとすることができるため、ゲートとエミ
ッタ電極間とに僅か数１０ボルトのゲート電圧ＶＧを印
加することにより、電子をエミッタから電界放出するこ
とができる。エミッタに対向するようにアノード電極を
真空中に配置し、このアノード電極に高電位の電圧Ｖa
をかけると、電界放出された電子を捕集することがで
き、この電子流を利用して表示装置を作ることもでき
る。

【０００６】次に上記したような電界放出カソードを使
用して本出願人が提案した磁気センサを図７に示す。こ
の３次元磁気センサにおいて、円筒形の真空容器５０内
の底部に設けられたスピント型のＦＥＣ５１のエミッタ
引き出し電極５２とゲート引き出し電極５５間に所定の
電圧を印加すると、エミッタから電子が図示する破線の
ようにほぼ垂直方向に放出される。この放出された電子
は４つに分割されたアノード５３−Ａ，５３−Ｂ，５３
−Ｃ，５３−Ｄによりそれぞれ捕集される。

【０００７】この３次元磁気センサにおいて、外部から
印加された磁界を検出する時は、４つのアノードの内、
まずアノード５３−Ａに流れる電流ＩＡとアノード５３
−Ｃに流れる電流ＩＣとの電流をアノード引き出し電極
５４−Ａ及び５４−Ｃとからそれぞれ検出して、それら
の和と差の電流を求める。次に、アノード５３−Ｂに流
れる電流ＩＢと、アノード５３−Ｄに流れる電流ＩＤと
を引き出し電極５４−Ｂおよび５４−Ｄとからそれぞれ
検出して、それらの和と差を求めることにより、各アノ
ード５３−Ａ〜５３−Ｄの中心を走る電子ビームの曲が
り方を測定する。これにより、外部から印加された磁界
の方向を割り出すことが出来る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記磁気センサは薄膜
技術によってきわめて小さい電界放出カソードを形成す
ることができ、放出された電子ビームが磁気の方向や強
さによって変化することを検出しているので、高感度に
することができるという利点がある。しかし、電界放出
素子は真空中で緻密な薄膜技術を駆使して製造されるた
め、センサの単価を高くするという問題がある。このよ
うに、ホール素子による磁気センサは耐熱性の点で問題
がありまた、電界放出素子を使用するものは耐熱性を有
するが、素子そのものが高価であり、製造方法が複雑に
なるため、センサを安価に提供することが困難になると
云う問題点がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜技術によ
らない材料を使用してバレットタイプの電界放出カソー
ドを形成し、磁気センサに応用することにより低価格で
小型の電界放出カソード及び磁気センサを提供するもの
であって、先端部を台形状に成形したガラスフアイバ
と、前記ガラスフアイバの長手方向の中心部に埋設され
ているカーボン繊維からなり、前記ガラスフアイバの周
辺部にメッキ等を施して導電性皮膜にすることにより、
カーボン繊維から電子が放出されるような電界放出カソ
ードを形成する。また、この電界放出カソードを利用し
て磁界の強度を検出できる磁気センサを構成する。

【００１０】本発明の磁気センサによれば、電界放出カ
ソードから放出された電子流を検出することにより高感
度で磁界の方向及び強さを検出することができる。ま
た、磁気センサを構成する電界放出カソード（ＦＥＣ）
は半導体技術や、薄膜技術を使用しないで安価に製作す
ることができ、このようにして製作したＦＥＣを真空容
器内に封着することにより、耐環境性に優れている種種
の電子デバイスとすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の電界放出カソード
の概要を一部断面図として示したものである。この図で
１１はガラスフアイバであり、その中心部にはカーボン
繊維１２が埋設されている。なお、絶縁性と安定性のあ
る物質であればガラスフアイバ１１の代わりに使用する
ことができる。ガラスフアイバ１１の端面は台形状とな
るようにテーパ面１３に切削又はエッチング加工されて
おり、その中心部から前記カーボン繊維１２が臨むよう
に構成されている。また、ガラスフアイバ１１の表面に
は導電性皮膜１４が設けられており、この導電性皮膜１
４はテーパ面１３の部分にも延長するようになされてい
る。導電性皮膜１４は無電解メッキによってガラスフア
イバ１１の表面に付けることができるが、導電性のスリ
ーブをガラスフアイバ１１に被せるか、薄膜形成、又は
それらの組み合わせ加工により作成してもよい。

【００１２】カーボン繊維１２は例えば径が数ミクロン
の繊維を１０乃至３０本集合したものによって形成され
ており、このような各繊維は炭素材料に対して種種の物
質を混合し、延伸技術によって繊維化することにより製
造されたものである。カーボン繊維には一般に導電性が
付加され、特に繊維の長手方向の導電性が径方向の導電
性に比較して高いものとすることができる。本実施例の
場合はカーボン繊維の底面に各繊維と導通するような抵
抗体１５を付着し、この抵抗体１５をカソード電極とす
ることにより各繊維に流れる電流の平均化を行うことが
できる。

【００１３】ガラスフアイバ１１の直径は、例えば１ｍ
ｍ以下に設定することができ、カーボン繊維１２の部分
の直径は繊維数にもよるが０．１ｍｍ以下とすることが
できる。ガラスフアイバ１１の先端部がテーパ面１３と
され、その表面に導電性皮膜１４がカーボン繊維１２に
至近距離となるように形成されているから、従来の電界
放出カソードと同様に導電性皮膜１４をゲート、カーボ
ン繊維１２の１本、１本をエミッタとして電界放出カソ
ードを構成し、導電性皮膜１４とカーボン繊維の間に電
圧を加えると、至近距離となっているカーボン繊維１２
の先端部に電界が集中し、電子を放出することができ
る。

【００１４】図２は上記したＦＥＣを駆動するためのデ
バイスの一例を示したものであって、２１はガラス容器
等からなる真空外囲器、２２は真空外囲器２１の内壁に
設けたアノード電極、２３は図１に示したＦＥＣ２０を
保持しながら、ガラス等からなる真空外囲器２１を貫通
しているリードパイプ、２４はアノード電極２２の引き
出しリードである。

【００１５】このようなデバイスで真空外囲器２１から
引き出されているＦＥＣ２０のエミッタとなるカーボン
繊維部分と、ゲートとなる導電性皮膜の間に数１０ボル
トの電圧ＶG を印加すると、カーボン繊維１２の各先端
部に電界が集中することにより、各繊維の先端部から電
子がトンネル効果によって真空中に放出される。そし
て、この放出された電子が高電位ＶA とされているアノ
ード電極２２側に加速され電子流を生じる。

【００１６】この電子流は、カーボン繊維の数に比例し
て増加し、一本の繊維から放出される電子が数ｎＡであ
っても、繊維数を増加すれば数ｍＡオーダにすることも
可能になる。従って、アノード電極２２の表面に蛍光物
質を塗布しておくと、表示管として使用することが可能
になる。また、放出電子は制御電圧ＶG によってコント
ロールすることができるので、種種の電子デバイスとし
て使用することができる。さらに、アノード電極２２を
複数個に分割して配置すると、各アノード電極に流入す
る電子流は外部の磁界に影響され、その流れる方向が変
化するので、分割された各アノード電流を測定すること
により、２次元の磁気センサとして使用することができ
る。

【００１７】図３は本発明の電界放出カソードをエミッ
ション源として使用する３次元の磁気センサを示したも
のである。この図において３０Ａ、３０Ｂは前記図１に
示したようにガラスフアイバとカーボン繊維によって構
成されている２本のバレット型のＦＥＣであり、３２
（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）はＦＥＣ３０Ａ、３０Ｂを囲むよう
に配置されている４本のアノード電極を示す。前記４本
のアノード電極は、ＦＥＣ３０Ａ、３０Ｂから一定距離
に位置している。これらは、ガラスチューブ等からなる
真空容器３１中に封入され電界放出によって電子が引き
出されるように配置されている。

【００１８】また、真空容器３１の内壁にはゲッタ３３
がとばされているが、非結晶タイプのゲッタを内部に設
けることもできる。なお、ＦＥＣ３０Ａ、３０Ｂ及びア
ノード電極３２(a,b,c,d) の数、および位置は測定磁界
の態様に応じて任意に配置することができるものであ
り、単純に磁気検出のみを行うものであれば、図２に示
したような単純なデバイスを使用することができるし、
２次元の場合は１個のＥＦＣと、４個以下のアノード電
極によって構成することもできる。

【００１９】３４Ａ、３４ＢはＦＥＣ３０Ａ，３０Ｂの
導電性皮膜をゲート電極として真空容器外に導出するた
めのリードパイプであり、このリードパイプ３４（Ａ，
Ｂ）を通じてカーボン繊維の部分も密封状態でエミッタ
電極として外部に引き出すことができるように封入され
ている。アノード電極３２（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）もリード
パイプ３５（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）によって真空容器外に引
き出される。アノード電極３２(a,b,c,d) は導電性のカ
ーボンそのものであってもよく、また通常の金属円柱棒
又は平板状の金属板を使用してもよい。

【００２０】上記した磁気センサは全長が１０ｍｍ以下
程度のガラスチューブに納めることができ、非常に小型
の磁気センサとすることができる。そして、４本のアノ
ード電極３２に高電位を付加することによって、ＦＥＣ
３０Ａ，３０ｂから引き出された電子流を捕集し、４つ
のアノード電流ｉａ、ｉｂ，ｉｃ，ｉｄを得ることがで
きる。この４系統のアノード電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃ，ｉ
ｄはＦＥＣ３０Ａ，３０Ｂの電子放出感度が一定であれ
ば、通常、同一の値をとるが、外部から磁界Ｈが印加さ
れると、ＦＥＣ３０Ａ、３０Ｂからアノード３２(a,b,
c,d) に向かう電子の流れが、ローレンツ力によって偏
った通路をとることになり、アノード電流ｉａ，ｉｂ，
ｉｃ，ｉｄが磁界の方向及び強さによってアンバランス
した状態になる。したがって、たとえば対角線上に位置
しているアノード電極の電流の和と差を各ＦＥＣ毎に測
定して演算し、それらを相互に比較することのみより、
磁気センサに加わっている磁界の方向を３次元的に演算
することができる。

【００２１】特に、本実施例の磁気センサでは図４に示
すように２本のＦＥＣ３０Ａ，３０Ｂが横方向に配置さ
れているため、放出される電子ビームはアノード電極３
２(a,b,c,d) に対して楕円状に広がる傾向にある。その
ため、磁界が平行磁界成分となっていない場合でも、そ
の磁化の方向に沿って電子ビームの曲がり具合が変化す
ることから、この楕円状の電子の流れに軸方向に対して
回転する磁界が加わった場合でも、磁気センサに直交す
るｘ−ｙ軸、およびｚ軸に対しても磁気感度を高くもつ
３次元的磁界センサとすることができる。

【００２２】図５は本発明の磁気センサの他の実施例を
示したもので図３と同一部分は同一の符号とされてい
る。この実施例の場合は、真空容器３１の両端からＦＥ
Ｃ３０Ａ，３０Ｂ及びアノード電極３２(a,b,c,d) のリ
ード端子が出力されるように構成したものであって、中
間部分にゲッタ３３が配置されている。なお、ＦＥＣ３
０Ａと３０Ｂのセンタは真空容器３１の両端の中心点か
ら距離ｄだけ相互に僅かにずらして配置している。本実
施例の場合は真空容器の両端面を使用して電界放出デバ
イスを構成しているので外圧が全方向にわたり均一とな
り、比較的長いチューブを使用することで更に感度を向
上できる。ゲッタ３３の位置に第２のアノード電極を配
置し、蛍光材を塗布しておくと、磁界の変化によって第
２のアノード電極が発光し、磁界の変化を目視すること
が可能になる。

【００２３】以上の各実施例の磁気センサは電界放出カ
ソードがガラスフアイバとカーボン繊維によって構成さ
れているので、通常の真空管を作るように大量に安価に
製造することができる。なお、各引き出し電極は外部か
ら印加される磁界の影響を受けると、電極構造により磁
気センサの特性が不安定化することになるため、各引き
出し電極を非磁性材料例えばアルミニウムや銅等で形成
することが望ましい。

【００２４】上述した磁気センサにおいてはいずれも電
界放出カソードから電子の放出される方向に対し、電界
放出カソード及びアノードが対称に構成されているた
め、外部磁界が印加されない時に各アノードに流れる電
流をほぼ平衡させることができ全方向にわたって均一で
高感度が期待できる。また、また平衡しているときの電
流値を正規化して演算することにより各個別のセンサの
検出感度を揃えることができる。各アノード電極上に電
子励起発光蛍光体を塗布形成することにより、各アノー
ド電極流入電子に応じた発光を真空気密容器の外壁を通
して観察し得る機能をもたせることもできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明の電界放出カソードは通常知られ
ている材料で構成されているので、比較的安価に大量生
産することが可能になり、電子デバイスとして種種のも
のに応用することができる、また、本発明の磁気センサ
によれば、電界放出カソードが通常に製造されている素
材を使用して形成されているため、センサとしての単価
を低減することができるとともに、電界放出作用を利用
しているため高感度であり、また、耐熱耐候性に富んだ
ものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出カソードの外観を示す図であ
る。

【図２】本発明の電界放出カソードを電子デバイスとす
るときの説明図である。

【図３】本発明の３次元磁気センサの一例を示す図であ
る。

【図４】図３のカソードとアノードの関係を示す説明図
である。

【図５】本発明の他の実施例を示す３次元磁気センサの
概要図である。

【図６】電界放出素子の説明図である。

【図７】磁気センサの説明図である。

【符号の説明】

１１ ガラスフアイバ、１２ カーボン繊維、１３テー
パ面 １４導電性皮膜、１５ 抵抗体、２０ 電界放出
カソード、２１ 真空外囲器、２２ アノード電極、２
３ リードパイプ、２４ リード電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部をテーパ状に成形したガラスフアイ
   バと、 前記ガラスフアイバの長手方向の中心部に埋設されてい
   るカーボン繊維からなり、 前記カーボン繊維と絶縁された状態で前記ガラスフアイ
   バの周辺部が導電性材料により被覆されていることを特
   徴とする電界放出カソード。
2. 【請求項２】先端部をテーパ状に成形したガラスフアイ
   バの中心部にカーボン繊維を挿入して前記ガラスフアイ
   バの周辺部を導電性材料により被覆することにより電界
   放出カソードを構成し、 前記電界放出カソードを真空容器内でアノード電極部と
   対向配置したことを特徴とする磁気センサ。
3. 【請求項３】上記アノード電極は独立した４以上の電極
   に分割されていることを特徴とする請求項２に記載の磁
   気センサ。
4. 【請求項４】上記電界放出カソードを上記真空容器の対
   向する２面に設けたことを特徴とする請求項２、又は３
   に記載の磁気センサ。
5. 【請求項５】上記電界放出カソードが４つのアノード電
   極の中心から一定量シフトした位置に設定されたことを
   特徴とする請求項２、３又は４に記載の磁気センサ。
6. 【請求項６】対向する２面に設けた電界放出カソード
   は、相互にその中心部がずれていることを特徴とする請
   求項４に記載の磁気センサ。
7. 【請求項７】上記各アノード電極の少なくとも１個以上
   の電極上に電子線励起発光物質を形成することにより、
   放出電子による発光を前記真空容器の壁を通して観察し
   得る構造をもつことを特徴とする請求項２、３、４、５
   又は６のいずれかに記載の磁気センサ。