JP2742206B2

JP2742206B2 - ３次元磁気センサ

Info

Publication number: JP2742206B2
Application number: JP5339882A
Authority: JP
Inventors: 茂生伊藤; 武利根川; 順司伊藤; 正剛金丸; 佳延杉山
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1998-04-22
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: JPH07159501A

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もの
であり、特に、平面型の電界放出カソードを用いた３次
元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、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、作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、センサの感度を向上するための増幅回路とセンサ
とを、モノリシック集積化したシリコンホールＩＣが実
用化されている。

【０００３】このホールＩＣの構造を図７及び図８に示
すが、このホールＩＣは水平磁界検出素子と垂直磁界検
出素子を組み合わせて、３軸成分を同時に検出すること
が可能な３次元磁気センサとされている。この図７は、
横形ホール素子と縦形磁気トランジスタ２個を、１チッ
プ内に集積化した３次元磁気センサを上面から見たパタ
ーンを示しており、図８は３次元磁気センサのチップの
断面を示している。

【０００４】水平磁界は、図８のＡ部分の垂直電流分布
を、周辺のコレクタ電極対Ｃｘ₁ −Ｃｘ₂ またはＣｙ₁
−Ｃｙ₂ で差動検出し、垂直磁界は、同図に示すＢ部分
の水平電流分布を中央のコレクタ電極Ｃｚ₁ 〜Ｃｚ₄ で
検出している。しかし、この素子構造では、Ｃ部分の電
流が磁界のｚ，ｙ成分に感じてｚ成分に重畳されるか
ら、検出誤差の原因となる。これらの素子の磁界検出の
空間部分は８×１０×２０μｍで、各成分とも磁界に対
してよい線形出力が得られている。

【０００５】このようなホール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、磁気センサとしては他に超電導量子干渉素子（Ｓ
ＱＵＩＤ）と呼ばれる素子がある。このＳＱＵＩＤ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。

【０００６】

【発明の解決しようとする課題】ところで最近、３次元
磁気センサ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次元磁気センサの使用環境
はセンサ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。

【０００７】また、上記３次元磁気センサとして高感度
のＳＱＵＩＤ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
には程遠く、上記３次元磁気センサとしてＳＱＵＩＤを
使用することは現実的ではなかった。そこで、本発明は
耐環境性にすぐれ、高感度、小型、かつ、取り扱いの容
易な３次元磁気センサを提供することを目的としてい
る。さらに、本発明は量産性に優れた構成を有する低コ
ストの３次元センサを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来電子放出
源として研究開発されている平面型の電界放出カソード
を、３次元磁気センサに応用することにより、今までに
ない優れた３次元磁気センサを実現しようとするもので
ある。電界放出とは、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。これを電界放出（Field Emission）と
云い、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（Field Emission Cathode）と呼んでい
る。

【０００９】最近、半導体微細加工技術を駆使して、ミ
クロンサイズの電界放出カソードを作ることが可能とな
っており、そのうちの一例である平面型の電界放出カソ
ード（以下、ＦＥＣと記す）を図９に示す。このＦＥＣ
は平面状に形成されているため、ここでは平面型のＦＥ
Ｃと称するものとする。この平面型のＦＥＣは水晶板等
の基板１０１をエッチングすることにより、その表面に
段差部を設け、この基板１０１上にニオブ等を堆積させ
て、ゲート１０３およびアノード１０４を形成してい
る。さらに、このゲート１０３より一段高い基板１０１
の段差部に櫛歯状のエミッタ１０２を形成している。

【００１０】この櫛歯状のエミッタ１０２の先端とゲー
ト１０３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ボルトのゲート・エミッタ
間電圧Ｖ_GEを印加することにより、エミッタ１０２から
電子を電界放出することができる。電界放出された電子
は基板１０１上に設けられたアノード１０４に捕集され
る。このとき、アノード１０４にはアノード電圧Ｖ_A を
印加しておく。このように平面型のＦＥＣにおいては、
エミッタから放出される電子は基板１０１の表面に対し
平行な方向に放出される。

【００１１】ところで、このようなＦＥＣに磁束が印加
された場合を考察してみる。図１０に、磁束Ｂが基板１
０１の面に対して、図示する垂直方向に印加された状態
を示す。この場合、エミッタ１０２から放出されて、ア
ノード１０４に向かって飛来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、角度φで示す
ように磁束Ｂにより曲げられるようになる。すなわち、
エミッタ１０２とアノード１０４の距離をＬとすると、
アノード１０４に電子が到達した時に、距離ｙだけずれ
た位置に到達するようになる。

【００１２】そこで、電界放出された電子を捕集するア
ノード１０４を例えば、２分割して独立して動作させて
おくと、印加された磁界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の電流が増加すると共
に、他方のアノードの電流が減少するため、２つのアノ
ードに流れる電流の差分を取ることにより、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。本発明の
３次元磁気センサは、このような原理を応用したもので
あり、非磁性の基板上に、平面型のＦＥＣと２分割され
たアノードとを形成し、この基板同士を微少間隔を持っ
て対向するよう接合したものである。なお、基板同士の
間隔は約１ｍｍ以下が望ましい。

【００１３】

【作用】本発明の３次元磁気センサによれば、４つのア
ノードに流れる平衡状態から偏位した電流の大きさを検
出することにより、高感度で３次元の磁束の方向及び強
さを検出することができる。また、３次元磁気センサを
構成するＦＥＣ及びアノードは、半導体微細加工技術を
用いて小型、かつ、安価に基板上に製作することがで
き、このようにして製作した１種類の基板を２枚用いて
真空容器を構成することにより、３次元磁気センサは構
成されているため、耐環境性に優れていると共に、量産
性に優れ、安価、かつ、取り扱いの容易な３次元磁気セ
ンサとすることができる。

【００１４】

【実施例】本発明の３次元磁気センサに用いられるＦＥ
Ｃとアノードの構成を、図１に示す。この図において、
耐熱ガラスやセラミック製の非磁性基板１上にニオブ等
の非磁性金属を堆積させて、ゲート３および２分割され
たアノード４−１，４−２が形成されている。そして、
基板の一部に絶縁層５を形成し、この絶縁層５上に櫛歯
状のエミッタ２が形成されている。この櫛歯状のエミッ
タ２の先端とゲート３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ボルトのゲー
ト・エミッタ間電圧Ｖ_GEを印加することにより、エミッ
タ２から電子を電界放出することができる。

【００１５】電界放出された電子は、基板１上に設けら
れた２分割されたアノード４−１，４−２によりそれぞ
れ捕集される。このとき、アノード４−１，４−２には
アノード電圧Ｖ_A がそれぞれ印加されている。このよう
に構成された平面型のＦＥＣにおいて、図示する方向の
磁束Ｂが印加されると、前述したようにアノード４−
１，４−２に向かって飛翔している電子にローレンツ力
が働き、図２に示すように電子の軌道は、磁束Ｂにより
角度φとして示されているように曲げられる。すなわ
ち、エミッタ２とアノード４−１，４−２の距離をＬと
し、アノード４−１に着目すると、アノード４−１に電
子が到達した時に、距離ｙだけずれるようになる。

【００１６】したがって、電子はアノード４−２の方向
に曲げられるため、アノード４−２で捕集される電子が
増加し、他方アノード４−１で捕集される電子は減少す
る。その結果、アノード４−１とアノード４−２からそ
れぞれ得られるアノード電流Ｉ₁ とアノード電流Ｉ₂ と
の差分ΔＩ＝（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）を検出すると、印加された
磁束Ｂの方向及び強度を検出することが出来るようにな
る。ただし、この場合検出できる方向は２次元である。

【００１７】なお、図１及び図２に示すＦＥＣは櫛歯状
のエミッタ２とされているが、平面型のＦＥＣにおいて
は必ずしも櫛歯状にする必要はなく、例えば、櫛歯を３
角状にして先端を尖らしても良く、エミッタ２の形状の
条件は、先端の角が尖っていさえすればよい。このよう
な、ＦＥＣの例を図３及び図４に示す。これらの図に示
すＦＥＣのエミッタ２の先端形状は、図示するように３
角状とされている。電界は、このような尖った部分に集
中するため、三角状のエミッタ２の先端からは、電子が
放出されやすくなる。これらの図に示すものは、図１及
び図２に示すものと、他の構成においては変わらないた
め、さらなる詳細な説明は省略するものとする。なお、
図１及び図３に示すＦＥＣにおいては、絶縁層５を形成
し、その上にエミッタ２を形成しているが、絶縁層５を
形成することに替えて、基板１をエッチング等すること
により基板１の一部に段差部を形成するようにしてもよ
い。

【００１８】本発明の３次元磁気センサは、前記図１な
いし図４を用いて説明したＦＥＣと、２分割されたアノ
ードとから構成された２次元の磁気センサを２組用い
て、３次元の磁気センサを構成するようにしたものであ
り、その構成を図５に示す。この図において、耐熱ガラ
スあるいはセラミック等の基板１−１上には、２分割さ
れたアノード４−１と、図示していないアノード４−２
及びゲート３−１が形成されており、さらに、基板１−
１の一部に形成された絶縁層上にエミッタ２−１が形成
されている。また、耐熱ガラスあるいはセラミック等の
前面基板１−２上には、２分割されたアノード４−３
と、図示していないアノード４−４及びゲート３−２が
形成されており、さらに、前面基板１−２の一部に形成
された絶縁層上にエミッタ２−２が形成されている。こ
のエミッタ２−１及びエミッタ２−２は図１に示す櫛型
であっても、図３に示す三角状であってもよい。

【００１９】このように、基板１−１と前面基板１−２
とに形成されているＦＥＣとアノードの構成は等しく、
基板１−１と前面基板１−２の構成とは等しいため１種
類の基板を作成して、基板１−１と前面基板１−２とに
使い分ければ良い。これにより、量産性に優れた３次元
センサとすることができる。この基板１−１と前面基板
１−２とは、サイド基板８を介して接合されることによ
り真空容器を構成している。この基板１−１とサイド板
８との接合層９は、一般に低融点フリットガラスにより
封着される。また、前面基板１−２とサイド板８との接
合層９も、一般に低融点フリットガラスにより封着され
る。この場合、それぞれに形成されたＦＥＣが対向する
ように配置され、各エミッタ２−１，２−２、ゲート３
−１，３−２，アノード４−１〜４−４からは、それぞ
れ図示しない引き出し電極が引き出されている。

【００２０】このようにして形成された真空容器内は、
図示していないが排気口から真空に引かれた後封止さ
れ、さらに、蒸発型のゲッター６が加熱され、ゲッター
ミラー７が形成されることにより高真空に保たれる。な
お、前記接合層９は、陽極接合により形成するようにし
てもよい。さらに、ゲッター６は非蒸発型のものを用い
てもよい。このように構成された３次元磁気センサに
おいて、図６に示すようにエミッタ２−１とゲート３−
１との間、及びエミッタ２−２とゲート３−２との間に
所定の電圧Ｖ_GEを印加すると、例えば先端が３角状に形
成されたエミッタ２−１，２−２から、電子が基板１ー
１及び前面基板１−２にほぼ平行に放出される。この放
出された電子は、それぞれアノード電極４−１〜４−４
に向かって飛来し、４つのアノード４−１ないしアノー
ド４−４により捕集され、それぞれのアノード４−１〜
４−４に、アノード電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄが図示
するように流れるようになる。

【００２１】この場合、この３次元磁気センサに磁束が
印加されると、エミッタ２−１，２−２からアノード４
−１〜４−４に飛翔する電子にローレンツ力が働き、そ
の軌道が曲がるため、アノード電流Ｉａ〜Ｉｄが変化す
るようになる。この変化は、印加された磁束の方向と強
さに応じて変化するため、アノード電流Ｉａ〜Ｉｄの変
化を検出することにより、印加された磁束の方向と強さ
を検出することができる。

【００２２】すなわち、次式に示す各アノード電流Ｉａ
〜Ｉｄの分配率の変化量ΔＩを検出することにより、３
次元磁気センサの機能である外部から印加された磁束の
方向及び強さを割り出すことが出来る。Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・・（１）Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・・（２）Ｉｃ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・・（３）Ｉｄ／（Ｉａ＋Ｉｂ＋Ｉｃ＋Ｉｄ）・・・・（４）

【００２３】すなわち、ΔＩａとΔＩｃが共に増大して
ΔＩｂとΔＩｄが減少する場合には、磁場は図５の上か
ら下に向かって印加されていることがわかり、この逆の
電流変化に対しては磁場が逆方向に印加されていること
がわかる。また、ΔＩａとΔＩｂが共に増大してΔＩｃ
とΔＩｄが減少する場合には、磁場は同図の手前から奥
に向かって印加されていることがわかり、逆の電流変化
の場合には磁場の向きも逆である。さらには、上記電流
の変化は、磁場の強さに比例するため、該電流の変化を
測定することにより磁場の強さがわかる。かくして、図
５及び図６に示した構成と測定方法により、磁場の向き
と強さを３次元的に測定することができる。

【００２４】以上に本発明の３次元磁気センサを説明し
たが、アノードの分割数は２つに限らず３以上に分割し
てもよい。また、アノード引き出し電極は、エミッタか
ら放出された電子のうち不要な電子の捕集を防止するた
めに、エミッタから反対の方向に引き出すのが良い。さ
らに、各引き出し電極は外部から印加される磁束の影響
を受けると、電極構造により３次元磁気センサの特性が
不安定となるため、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。な
お、ＦＥＣとアノード電極とを作製した基板を、真空容
器内に対向して配置することにより、３次元磁気センサ
を構成するようにしてもよい。さらにまた、基板と前面
基板との一方には、分割されたアノードだけを設ける構
成としてもよい。また、真空容器内にゲッターを設けて
真空度の劣化を防止しているため、３次元磁気センサの
高感度化及び高信頼性を図ることができる。

【００２５】そして、真空容器や基板の材料として耐熱
製のガラスやセラミックを用いるようにすると、高熱に
さらされる環境においても、３次元磁気センサの信頼性
を向上することが出来る。なお、上述した３次元磁気セ
ンサにおいては、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る。ま
た、上述した３次元磁気センサーにおいては、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、各アノード電極に流入する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。

【００２６】

【発明の効果】本発明の磁気センサによれば、少なくと
も４つのアノードに流れるアノード電流の平衡状態から
偏位した電流の大きさを検出することにより、高感度で
３次元の磁束の方向及び強さを検出することができる。
また、３次元磁気センサを構成するＦＥＣ及びアノード
は、半導体微細加工技術を用いて小型、かつ、安価に基
板上に製作することができる。しかも、このようにして
製作した１種類の基板を、２枚用いて３次元磁気センサ
の真空容器を構成しているため、耐環境性に優れている
と共に、量産性に優れ、安価、かつ、取り扱いの容易な
３次元磁気センサとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元磁気センサに用いられるＦＥＣ
とアノードの構成を示す図である。

【図２】印加された磁束により、電子の軌道が曲がる態
様を示す図である。

【図３】本発明の３次元磁気センサに用いられる他のＦ
ＥＣとアノードの構成を示す図である。

【図４】印加された磁束により、電子の軌道が曲がる態
様を示す図である。

【図５】本発明の３次元磁気センサを示す図である。

【図６】本発明の３次元の磁気センサの回路図である。

【図７】ホールＩＣのパターンを示す図である。

【図８】ホールＩＣチップの断面図である。

【図９】平面形の電界放出カソードを示す図である。

【図１０】印加された磁束により、電子の軌道が曲がる
態様を示す図である。

【符号の説明】

１，１−１，１０１基板１−２前面基板２，２−１，２−２，１０２エミッタ３，３−１，３−２，１０３ゲート４，４−１〜４−４，１０４アノード５絶縁層６ゲッター７ゲッターミラー８サイド板９接合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤順司茨城県つくば市梅園１丁目１番地４号工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者金丸正剛茨城県つくば市梅園１丁目１番地４号工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者杉山佳延茨城県つくば市梅園１丁目１番地４号工業技術院電子技術総合研究所内審査官中塚直樹 (56)参考文献特開平６−347525（ＪＰ，Ａ) 特開平６−308207（ＪＰ，Ａ) 特開平４−194690（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−272169（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微少間隔を持って対向配置された、ゲート
及びエミッタからなる電界放出カソードと、この電界放
出カソードから放出される電子を捕集する、少なくとも
２つに分割されたアノードとが、それぞれ一面に形成さ
れた非磁性体の第１の基板と、該第１の基板と同様な電
極配置を有する非磁性体の第２の基板と、この第１の基
板及び第２の基板を、内部に設けられた上記電界放出カ
ソードが対向するように非磁性体のサイド板を介して接
合し、内部を真空状態にした真空容器とを備え、該真空容器中に配置された電界放出カソードから放出さ
れた電子が捕集される４つの上記アノードの電流を検出
することにより、印加された磁界の方向及び強さを検出
することを特徴とする３次元磁気センサ。
【請求項２】上記ゲート及び上記エミッタから引き出し
ている引き出し電極、並びに上記アノードから引き出し
ている引き出し電極とを構成する材料を、非磁性の材料
とすることを特徴とする請求項１記載の３次元磁気セン
サ。
【請求項３】上記アノードから引き出している引き出し
電極を、上記エミッタとは反対の方向に引き出すことを
特徴とする請求項１あるいは２に記載の３次元磁気セン
サ。
【請求項４】上記真空容器の少なくとも一部を、耐熱ガ
ラスあるいはセラミック製とすることによって上記アノ
ード電極が外部から透視できる透光性容器としたことを
特徴とする請求項１ないし３に記載の３次元磁気セン
サ。
【請求項５】上記電界放出カソード及び上記アノード
を、上記真空容器の一部をなす基板上に、半導体作製技
術を用いて作製したことを特徴とする請求項１ないし４
のいずれかに記載の磁気センサ。
【請求項６】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、
上記放出電子による発光を上記透光性容器の壁を通し
て、観察可能とした事を特徴とする請求項４に記載の３
次元磁気センサ。