(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源と、該電子源が放出する電子を引き付ける電位が印加されるアノードからなる平板型の画像形成装置において、
画像形成領域の異常放電を検知する手段と、
前記異常放電が検知されたときに、前記画像形成領域外の非画像形成領域において前記電子源と前記アノードとの間で放電させる手段を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記放電させる手段は、前記非画像形成領域に設けられた電子放出素子を有しており、該電子放出素子と前記画像形成領域において前記電子源が有する電子放出素子とが電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノードとカソードからなる平板型の画像形成装置に関する。更に特定すれば、異常放電に係わる各種ダメージを回避した、新規の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アノードとカソードからなる平板型画像形成装置は広く研究、開発がなされており、使用される電子源としては、例えば、電界放出素子や、表面伝導型電子放出素子などにより構成されたものが挙げられる。前者の電界放出素子を用いた一例としては、アメリカ特許第５１４２１８４号が提案されている。また、後者の表面伝導型電子放出素子を用いた一例としては、アメリカ特許第５０６６８８３号が提案されている。
【０００３】
これらは、電子源の構造ならびに駆動の方法等に違いは見られるものの、共通して見られる特徴は、複数の電子放出素子で構成される電子源よりなるカソードと、それに近接したアノードを有する点である。このカソードとアノードとの距離は、概ね数百μｍ〜数ｍｍ程度である。ここで注意すべき点は、カソードならびに結線等の為の配線と、電子を引き付けるためのアノード電極が近接するために、大きな静電容量を生ずる点である。
【０００４】
アノードには、通常電子を引き付ける為に数キロボルト〜数十キロボルトの高い正電位が印加され、そのために、アノードとカソードの両電極間に多大な電荷が蓄積されることになる。尚、本明細書では、アノードの形成された基板のことをアノード基板、アノードの形成された基板と対向して位置するカソードの形成された基板のことをカソード基板と略することにする。このような大きな電位差を狭い電極間に与える場合、即ち強電界の状況では、アノードとカソード基板間で異常放電が生ずる場合がある。ここでいう異常放電とは、駆動に係わり、電子源から放出される正規の、或いは予想しうるある意味で定常的な放出電流とは区別される電流が流れる状態を指す。例えば、アノードとカソードの短絡を生ずるような大電流を伴う放電を指す。
【０００５】
このような異常放電は、カソードとアノード基板間が不十分な真空であったり、或いは、電極形状に異常電場をもたらせるような問題があった場合に生じるものと考えられる。このような異常放電が一度生ずると、電流集中に起因する電極等の損傷や、ひどい場合には、異常放電部と配線を介して接続された素子の破壊を生じ、真空中のアーク放電に至る場合がある。このアーク放電は結果的に大電流をもたらし、電流による多量のジュール熱により、異常放電部の素子の破壊にとどまらず、蒸発した粒子が他の素子や配線の短絡を引き起こす場合がある。また、電流集中により、カソードならびに結線のための配線の電位を不安定化させ、その結果、配線を介して接続された素子に損傷を与えるものと考えられる。
【０００６】
従来、このような異常放電として、アーク放電が生じた場合に、アーク放電の間、大電流が外部電圧源からアノードを通り、そしてさらにイオン化した真空を通り、エミッタ（カソード）に電気アークとして流れる電流を制限する目的で、アノードと外部電圧源の間にインダクタを設ける技術が、特開平０８−１０６８４７号公報に開示されている。尚、本明細書で用いられる異常放電とは、上述のアーク放電を含んだものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、アノードとカソードの間で異常放電を生じさせないことが最も大切であるが、現実的な、大多数の素子により構成される画像形成装置の場合においては、歩留まり良く、完全に防止することは重要である。そこで、万一異常放電が生じた場合に、ダメージを緩和する対策を施すことが重要であり、切望されてきた。
【０００８】
上述の特開平０８−１０６８４７号公報に開示された技術を、図５に模式的に示す。図５において、２１は基板、２２はカソード電極、２３はエミッタ、２４はカソード導体、２５は絶縁体、２６はゲート、２７はアノード、２８はインダクタ、２９は抵抗、３０は電圧ソースである。該技術は、電子放出素子として電界放出素子を用い、アノード２７とエミッタ２３（カソード）間でアーク放電が生じている間、アノード２７とエミッタ２３間のアーク放電に関わり電圧ソース３０から供給される電流を、インダクタ２８を設けることにより、実質的に制限するものである。即ち、アーク放電が生じ、アノード２７の電位が低下した場合に、外部電源からの電荷の注入を時間的に制限するものである。
【０００９】
しかしながら、アノードとカソード基板間の静電容量が大きい大画面画像形成装置においては、アノードならびにカソード基板に蓄積された電荷量が大きく、この電荷が、異常放電の開始時にアノードの電位の低下に応じて放電経路を通して移動するという問題がある。この電荷の移動が瞬時に行われた場合、電流値はかなり大きなものとなる。尚、当然ながらこの電流は、外部電源からアノードに流れ込む電流として観測することは出来ず、即ち、上述の外部電源から電荷の注入を制限する方法では抑制することができない。これは、異常放電が生じた場合に、低下したアノードの電位を回復させる、言い換えれば、アノードとカソード基板により構成されるコンデンサを充電する電流か、或いはアーク放電の結果アークを持続する電流としてのみ観測されからである。
【００１０】
このアノードの電位の低下に応じた電荷の移動は、異常放電時のアノード電位の時間変化を測定することにより、概ねμ秒程度以下の時間スケールで生じることを、本発明者らは確認している。また、後述の予備的検討の結果、このアノードの電位の低下に対応した電流が放電経路を通して流れることにより、ダメージを引き起こす場合があることも確認している。
【００１１】
故に、本発明は、このアノードの電位の低下に対応した電流が放電経路を通じて流れることを抑制することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明の構成について、以下に説明する。
【００１３】
本発明は、電子源と、該電子源が放出する電子を引き付ける電位が印加されるアノードからなる平板型の画像形成装置において、画像形成領域の異常放電を検知する手段と、前記異常放電が検知されたときに、前記画像形成領域外の非画像形成領域において前記電子源と前記アノードとの間で放電させる手段を有することを特徴とする画像形成装置である。
【００１６】
具体的には、異常放電を検知することにより、アノードとカソード間に蓄積された電荷を非画像形成領域を通して速やかに、開放するものである。これにより、異常放電の開始時に、アーク放電等の異常放電に必須のアノードとカソードの電位差を低下させられる。これにより、アーク放電に至らしめないか、或いは、その規模を著しく縮小することが可能となる。
【００１７】
尚、上述の異常放電を検知するための手段としては、アノード電位の変化量や、異常放電の前駆現像を検知するものなどがある。又、カソードが複数の電子放出素子からなる電子源により構成され、異常放電を検知する手段が、該電子源の駆動に関わり印加される電圧に重畳されて観測される電圧、或いはそれに対応した電流であっても良い。又、非画像形成領域で放電させる手段は、応答性に優れ、且つ瞬間的に大電流を流せるものであればどのようなものであってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明を適用する画像形成装置について、以下に説明する。図１は、本発明の構成を示す模式図である。図１において、１はアノード基板を、２は電子放出素子の形成されたカソード基板を、３は異常放電を検知する手段を、４は画像形成領域を、５は高圧電源を、６は非画像形成領域で放電させる手段を、７は高圧電源５からの電流を制限する抵抗やインダクタンスを、８は検知手段３から非画像形成領域で放電させる手段６を動作させる信号を各々示す。
【００１９】
次に、動作原理について述べる。画像形成装置として機能させるためには、通常アノード基板１には十分な加速電圧を電子ビームに与えるために、数キロボルト〜数十キロボルトの高い正電位が印加される。このような状況下で、カソード基板２の画像形成領域に形成された電子放出素子から制御された電子が放出され、アノード基板１の画像形成領域に形成された蛍光体（不図示）を発光させる。この場合の電子の流れは、本発明でいう異常放電とは区別されるものである。
【００２０】
また、この画像形成に係わる電流は小さく、この画像形成に係わる電流によるアノード電位の低下は、ほとんど無視されうるものである。尚、アノード基板１とカソード基板２は、通常真空に保持され、アノード基板１とカソード基板２の距離は、放出電子の平均自由工程よりも小さくなっている。
【００２１】
さて、このような状況下においても、突発的に異常放電が観測される場合がある。そのきっかけは、はっきりと限定することは出来ないが、例えば、カソード基板２に形成された電極形状に異常電場をもたらせるような問題があった場合などが考えられる。異常放電の開始を特定するには、例えば、アノード基板１に近接して設けられた電位計により、アノード電位の変化を測定することにより可能である。異常放電が生じ、或るしきい値よりも大きな電位変化が見られた場合に、画像形成装置内の非画像形成領域で放電させアノードに蓄えられていた電荷を開放する。
【００２２】
この場合、異常放電を観測し、非画像形成領域で放電させるのに要する時間が十分に短ければ、画像形成領域のアノードとカソードの真空を介して空間に流れる電流を遮断、或いは絞ることが可能であり、結果的に、画像形成領域のカソード上に本来生ずるはずのダメージを大幅に緩和できることになる。
【００２３】
非画像形成領域で放電が終了した時、画像形成領域のアノード基板１とカソード基板２の真空を介した空間に電流が流れていなければ、高圧電源５からの電流が、アノードの電位を再度規定の値にまで復活させる充電電流として流れる。これにより、異常放電によるダメージを抑制することが可能となる。
【００２４】
［予備的検知］
異常放電時のアノード電位の時間変化及び、ダメージがどの過程で生ずるのかを明らかにする目的で、図２に模式的に示した系で実験を行った。図２において、９は高圧電源５とアノード基板１を切り離すためのスイッチであり、１０は電位計である。また、図１に示した部位と共通するものについては、同じ番号を示し、重複説明を省略する。なお、アノード基板１とカソード基板２間の静電容量は約２００ｐＦである。
【００２５】
まず、アノード基板１に６ｋＶ程度の高圧を印加し、カソード基板２から電子パルス状にアノード基板１に到達するように、駆動する。この時、カソード基板２には、電子源の配置及び結線がマトリクス構造をしたものを用い、任意の１行だけを選択して１０Ｈｚで駆動した。この際に、カソード基板２から電子を放出させる直前に、毎回スイッチ９を開くようにし、電子の放出が終了した後再び閉じるようにした。スイッチ９にはパルスの印加により開閉の可能な真空スイッチを使用した。
【００２６】
このような状況で駆動していると、電子放出毎にスイッチ９で高圧電源５と切断されるので、放出電子によるアノード電位の低下を電位計１０で観測することが出来る。この電位の低下量は放出電子の量により決まるものである。本実験では、一回のパルスで３％未満の電位降下となるように、放出電子量を設定した。このような状況下で、異常放電が生ずるまで駆動を行った。
【００２７】
異常放電が観測されたときの電位計１０の指示電圧の時間変化を測定したところ、図３に示すグラフを得た。図３のグラフで、横軸は時間を、左縦軸は電位を、右縦軸は電位の時間微分から求めた、アノード基板１からカソード基板２に流れる電流を示している。異常放電によりアノード基板１からカソード基板２に流れる電流は、電位の時間微分と静電容量の積で求めることが出来る。図３より、本実験においては最大約１１Ａ程度の電流が、アノードの電位降下の開始から約２００ナノ秒後に流れていることが理解される。尚、図３で横軸の時間が０の時間は、駆動に係わる電子放出の開始時刻である。
【００２８】
次に、異常放電が観測された後、駆動に関わり選択されていた素子に欠陥が生じていないか検査した。すると、３画素分に相当する素子に大きなダメージを受けていることが判明した。これらの結果、アノードの電位の低下に対応した電流が放電経路を通して流れることにより、ダメージを引き起こす場合があることが理解された。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【００３０】
［実施例１］
図４（ａ）にアノード基板１とカソード基板２により構成される画像形成装置の構成図を示す。また、図４（ｂ）に画像形成装置の一部を示す。本実施例では、電子放出素子として表面電動型電子放出素子を用い、マトリクス配置された電子源よりなるカソード基板２と、カラー表示を行うための蛍光体１８及び、Ａｌ製のメタルバック１９が形成されたアノード基板１を用いた。尚、本発明の画像形成装置は、電子源として特に限定されるものではないことは、これまでの説明から理解されよう。
【００３１】
画像形成領域は次の構成により形成されている。１２はｘ方向配線、１３はｙ方向配線、１５は表面伝導型電子放出素子、１８は蛍光体、１９はメタルバックである。尚、表面伝導型電子放出素子１５には対向する素子電極が設けられており、該素子電極間に１５Ｖ程度の電圧を印加することにより、該電極間に素子電流Ｉｆが流れ、同時に電子放出が行われる。本実施例においては、ｙ方向７２０素子（ｎ＝７２０）、ｘ方向２４０素子（ｍ＝２４０）からなるものを使用した。
【００３２】
一方、非画像形成領域は次の構成により形成されている。３２は＋側配線、３３は−側配線であり、対向する素子電極により梯子状に電子放出素子３４に接続されている。これらの配線は画像形成領域のｘ方向配線１２及びｙ方向配線１３よりなる電子源１４とは電気的に絶縁されて構成されている。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、非画像形成部のカソード基板２と対向するアノード基板１側はアノード電極３６が形成されており、メタルバック１９と電気的に接続されている。本実施例では、非画像形成領域で放電させる手段として表面伝導型電子放出素子を用いているが、特に限定されるものではない。該非画像形成領域のアノード基板１には、蛍光体１８が構成されていない為、放電時に発光しない。
【００３４】
また、１６はカソード基板２を支えるリアプレート、１７はガラス基体、２０はアノード基板１とカソード基板２を固定する支持枠である。リアプレート１６とガラス基体１７、支持枠２０とで密封容器の外囲器を構成している。異常放電検知手段は、アノード基板１の近くに設けられた電位計１０であり、また制御回数を調べるためにカウンターも具備している。電位計１０の電位変動が２０Ｖ以上測定された場合に、＋側配線３２と−側配線３３を通し、放電監視用電源３５を通じて、電子放出素子３４の素子電極間に２０ｖ程度の電圧を印加し、非画像形成領域で放電させ、短絡するシステム構成とした。
【００３５】
さて、アノードに１０ｋＶの高電圧を印加し、カソード基板２のｘ方向配線１２、具体的にはＤｏｘ１，Ｄｏｘ２，…Ｄｏｘ（ｍ−１），Ｄｏｘｍ及び、ｙ方向配線１３、具体的にはＤｏｙ１，ｄｏｙ２，…Ｄｏｙ（ｎ−１），Ｄｏｙｎに接続された不図示のドライバーユニットを駆動することにより、画像形成領域に画像を表示させた。この状態で、様々な画像を表示させながら、１０００時間の耐久試験を行ったところ、異常放電検知手段３のカウンターで３回の異常放電を検知し、本発明に関わる制御、即ち非画像形成領域における放電監視用電源３５から＋側配線３２と−側配線３３間に電圧を印加するという制御を通じて、３回行われた。また、１０００時間後も異常放電による画像欠陥等は見られず、良好な画像を保持していた。
【００３６】
このことから、本発明の画像形成装置が、異常放電によるダメージ緩和に有効であることが示された。
【００３７】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明の画像形成装置によれば、異常放電による画像欠陥等の各種ダメージを効果的に制御することが可能である。
【００３８】
また、非画像形成領域において、異常放電発生時に放電電圧を検出して制御処理するので、画像形成領域の電子放出素子への影響を防止でき、長時間の画像形成を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する画像形成装置の構成を示す模式図である。
【図２】予備的検討に使用した画像形成装置の構成を示す模式図である。
【図３】予備的検討による測定されたアノード電位及びアノードからカソードに流れる電流の時間変化を示すグラフである。
【図４】実施例における表面伝導型電子放出素子をマトリクス状に配置した画像形成領域、及び表面伝導型電子放出素子を梯子状に配置した非画像形成領域を構成した画像表示部の模式図である。
【図５】従来のアーク電流を制限する技術を示す模式図である。
【符号の説明】
１  アノード
２  カソード基板
３  異常放電検知手段
４  画像形成領域
５  高圧電源
６  非画像形成領域で放電させる手段
７  高圧電源からの電流を制限する抵抗やインダクタンス
８  信号
９  アノードの高圧電源を遮断するためのスイッチ
１０  電位計
１２  ｘ方向配線
１３  ｙ方向配線
１４  電子源
１５  表面伝導型電子放出素子
１６  カソード基板２を支えるリアプレート
１７  ガラス基体
１８  蛍光体
１９  メタルバック
２０  アリード基板１とカソード基板２を固定支持枠
２１  基板
２２  カソード電極
２３  エミッタ
２４  カソード導体
２５  絶縁体
２６  ゲート
２７  アノード
２８  インダクタ
２９  抵抗
３０  電圧ソース
３２  ＋側配線
３３  −側配線
３４  表面伝導型電子放出素子
３５  放電開始用電源
３６  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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