JP4238336B2

JP4238336B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP4238336B2
Application number: JP34486298A
Authority: JP
Inventors: 順司伊藤; 浩司上村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: JP2000155161A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータにおける制御素子として家庭電器や産業機械、医療機械等の分野に欠かせない磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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家庭電器、産業機械、医療機械等の分野には、欠かせない重要なセンサの１つとなっていて、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電子移動度の制約のために限界があるので、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なされている。この装置は高温環境や放射能環境でも使用可能であることから適用範囲の拡大が期待されている。
このような装置の代表例としては、例えば、特開平６−３０８２０７に開示の「磁気センサ」がある。図７は従来の磁気センサの模式図である。
図７において、絶縁性又は半絶縁性の基板５上に設けられて電子を放射するための縦型の電界放射型エミッタ電極（以下、「エミッタ電極」と略す）１Ｓと、エミッタ電極１Ｓから放射される電子数である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１Ｓから放射された電子の軌道を制御するための偏向電極４Ｓと、そしてエミッタ電極１Ｓから放射された電子を捕集するための４分割されたアノード電極３とより成っている。なお、素子の作成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】
しかしながら、上記従来例においては、磁気センサは通常「十」字状の電子ビームを生成して利用されているが、ビーム形状が十字形状のために出力特性に飽和現象が著しく現れるので、計測出来る磁界の範囲が狭く適用範囲を狭くしているという問題があった。
また、磁気センサは電子ビームの形状が円形である時に、一番安定な磁界計測が可能であるが、実際には収束電極形状の非対称性などによって円形が難しく、駆動時にも時間的に放出方向が変動して円形を保つことが難しいので、計測精度が低下してしまうという問題があった。
また、磁気センサはエミッタ電極から放出される電子数、すなわち、放出電流に対し隣り合うアノード電極に流入する電流の差を出力として利用するため、放出電流が大きい方がＳ／Ｎ比が向上する。電流を増やすにはエミッタ電極を多く配置すればよいが、従来の磁気センサは少なくとも４つの偏向電極を用いて電子ビームを円形状に偏向するため、構造上１つのエミッタ電極しか配置できなかったので、Ｓ／Ｎが向上せず高精度化が難しいという問題もあった。
そこで、本発明は、アノード電極に到達する電子ビームを円形状に形成・保持することにより、計測出来る磁界の範囲を拡大し、Ｓ／Ｎ比を向上させて高精度な計測を可能にする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】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電子を放出するための１つ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出される電子数で表される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出された電子を捕集するための少なくとも４つ以上に分割されているアノード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の軌道を制御するための偏向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界により偏向され、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き前記外部磁界を検出する磁気センサにおいて、前記偏向電極は前記電界放射型エミッタ電極を中心として、均等に９０°ずつ、４分割されて配置されるとともに、電子を円形状に偏向するために前記電界放射型エミッタ電極を中心とした円形部分を取り除いた形状で構成されていることを特徴としている。
この構成によれば、アノード電極に到達する電子ビームを、偏向電極によって簡単に円形状に形成出来るので、飽和現象が著しく現れることはなく、広範囲な磁界計測が可能になる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
図２は図１に示すエミッタ電極近辺の拡大断面図である。
図１において、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エミッタ電極１（以下、「エミッタ電極」と略す）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、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と、により構成されている。
なお、この偏向電極４は電子ビームを円形状に偏向するためにエミッタ電極１を中心とした円形部分を取り除いた形になっている。
これらの構成要素は、パッケージ８の内部に図１に示すように各々配設されている。偏向電極４はエミッタ電極１を中心として、均等に９０°づつ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で、アノード電極３への円形状に偏向した電子ビームの到達位置が分かる。
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。これは電子の軌道がセンサ外の電場の影響を受け、計測している外部磁界Ｂと無関係に曲げられる危険性を防止するのに有効である。この遮蔽電極７はパッケージ８の内壁に導電体を塗布して構成している。
以上の各電極は、円形状電子ビームの中心から放射状、かつ、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いる。
外部磁界の計測動作については、周知のように、図示のような磁気センサに外部磁界Ｂを印加すると、エミッタ電極１からアノード電極３に向う電子が外部磁界Ｂとの相互作用によるローレンツ力を受けて、直進軌道が曲げられアノード電極３に入射する電子数の割合が減少し、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界の強度に依存しているので、電流変化によって外部磁界の強さを検出出来る。又、４分割したアノード電極を３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとした場合、例えば、３ａ、３ｂと３ｃ、３ｄを流れる差分電流を測定して、外部磁界Ｂの強度と方向を同時に検出出来る。
更に、こうした外部磁界の測定に当たっては、エミッタ電極１から放射される電子ビームが偏向電極４によって完全な円形状に保持されるので、飽和特性が抑えられ広範囲で正確な測定が可能になる。
図３は図１に示す磁気センサの磁気計測特性を示す図である。
図３は本発明の円形状ビームの磁気センサによる外部磁界の計測特性（グラフａ）と、従来の十字放射形状等の磁気センサの計測特性（グラフｂ）を比較したものである。同図からわかるように、点線で示した従来型（グラフｂ）はたしかに微弱磁界領域では高感度であるが、直ぐに飽和を起こして感度が上がらない状態となる。それに反して、実線で示した本発明の磁気センサの特性（グラフａ）は、外部磁界強度に直線的に比例しており、広範囲において高感度な磁界計測が可能になることがわかる。
なお、偏向電極４の形状は電子ビームを円形に偏向する電界を発生出来ればよいのであるから、面状に限ることはなく、線状の構成でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
また、本実施の形態では偏向電極４に同一電圧を加えているが、ビームの形状を整形するために各電極にそれぞれ最適な電圧を加えるように制御したほうが良いことも言うまでもない。
【０００６】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
図４（ａ）はエミッタ電極近辺の上部から見た平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線拡大断面図である。
図４において、本実施の形態の磁気センサは、前実施の形態と同様な電子を放出するために設けられた電界放射型エミッタ電極１、ゲート電極２、アノード電極３より構成され、更に、絶縁層６を介して円形アパーチャ（窓）板９を新たに配置している。
これらの構成要素は、前実施の形態と同様にパッケージ８の内部に各々配設さている。アノード電極３（図示していない）はセンサ上部から見て、エミッタ電極１の円状配置（４個の例）の中心を軸として対称に４分割されている。各々のアノード電極３に到達する電流を計測して円形状の電子ビームの位置を検知し、前実施の形態と同様にして外部磁界Ｂの強度、向きが検出出来る。
また、これらの構造の外周３６０°には等電位の遮蔽電極７をパッケージ８の内壁に塗布している。以上の各電極は、円形状電子ビームの中心から放射状、かつ、対称に配置して電子軌道に対して異方性を持たせないようにしている。
図５は図４に示す磁気センサの外部磁界と出力の関係を示す図である。
比較のために点線で示した従来例（グラフｂ）は、収束電極形状の非対称などによって、電子ビームの円形状が崩れジグザグ特性になっているが、実線で示す本実施の形態（グラフａ）では完全な円形状が保たれるので、実線で示すような外部磁界と検出出力の直線特性が得られる。
ここまでは、エミッタ電極１が４個の例を説明したが、エミッタ電極個数を増加させても同様な効果が得られることはいうまでもない。なお、エミッタ電極の数は多いほど放出電流が大きくなるので、Ｓ／Ｎ比が向上して好ましいが、電流はエミッタ電極の数に対して線形に増加しないので、基板の大きさや、エミッタ電極の大きさを考慮して配置する必要がある。
また、今回の円形アパーチャ板９は微細加工技術に依ったが、先のようにエミッタ電極数を多くした場合アパーチャ径は大きくなるので、別部品として作製し位置合わせを行って配置してもよい。
【０００７】
次に、本発明の第３の実施の形態について図を参照して説明する。
図６は本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
図６（ａ）はエミッタ電極付近を上部から見た平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面拡大図である。
図６において、この磁気センサは前実施の形態と同様に、電子を放出するエミッタ電極１と、ゲート電極２、アノード電極３により構成されている。
エミッタ電極１は図６（ａ）のように、基板の中心に１つ、中心から一定の半径上に４５°ピッチで８つ、合計９つ配置されている。ここでは、エミッタ電極の数は対称性を考えると６個、又は、４個などが考えられるが、本発明の目的である電子ビームの円形対称性が得られないので好ましくない。
これらの構成要素は、前実施の形態と同様にパッケージ８の内部に各々配設している。
また、エミッタ電極１の円状配置の中心を軸として４分割されたアノード電極３に、到達する電流を計測することによって円形状に偏向した電子ビームの到達位置が分かり、第１の実施の形態と同様にして外部磁界の強さおよび方向が検出できる。
これらの構造の外周３６０°に等電位の遮蔽電極７を設けている。これはパッケージ８の内壁に塗布して形成される。
以上述べたすべての電極は、円形状電子ビームの中心から放射状、かつ対称に配置し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、従来例と本実施の形態の磁気センサの放出電流を比較すると、本実施の形態の放出電流は従来例の約１０倍と向上するので、Ｓ／Ｎ比は約１桁改善される。
ここまでは、エミッタ電極が９個の例について説明したが、電子ビームの円形対称性が損なわれなければ、エミッタ電極１の円形円周上、及び円形配置内部に配置可能な限りエミッタ電極１を配置しても良いことはいうまでもない。
なお、本発明では第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施の形態を別々に説明したが、実際の磁気センサでは自由に組合わせて構成することは当然である。
【０００８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電界放射型のエミッタ電極から放出される電子を、円形状に偏向する偏向電極を設けて円形状の電子ビームを生成させているので、計測できる磁界の範囲を広くし、応用範囲の広い磁気センサを提供できる効果がある。
更に、電界放射型のエミッタ電極から放出される電子ビームの軌道中に、円形アパーチャ板を配置していることにより円形状の電子ビームを生成させているので、バラツキが無く高精度で安定した磁界計測が可能になり、応用範囲の広い磁気センサを提供出来る効果がある。
更に、少なくとも８つの電界放射型エミッタ電極を円形に配置して、円形状の電子ビームを生成させているので、Ｓ／Ｎ比が向上し応用範囲の広い磁気センサを提供出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
【図２】図１に示すエミッタ電極近辺の拡大断面図である。
【図３】図１に示す磁気センサの磁気計測特性を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
【図５】図４に示す磁気センサの外部磁界と出力の関係を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの模式図である。
【図７】従来の磁気センサの模式図である。
【符号の説明】
１エミッタ電極
２ゲート電極
３アノード電極
４偏向電極
５基板
６絶縁層
７遮蔽電極
８パッケージ
９円形アパーチャ板］

Claims

電子を放出するための１つ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出される電子数で表される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出された電子を捕集するための少なくとも４つ以上に分割されているアノード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の軌道を制御するための偏向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界により偏向され、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き前記外部磁界を検出する磁気センサにおいて、
前記偏向電極は前記電界放射型エミッタ電極を中心として、均等に９０°ずつ、４分割されて配置されるとともに、電子を円形状に偏向するために前記電界放射型エミッタ電極を中心とした円形部分を取り除いた形状で構成されていることを特徴とする磁気センサ。