(57)【要約】【目的】数ボルト程度の小さな印加電圧で電子やイオンなどの電荷が放出できるようにした電荷エミッタを提供すると共に、これを用いた表示装置を提供する。【構成】真空中で焦電体又は圧電体を加熱して、焦電体では加熱により変化した自発分極量の変化に基づく吸着浮遊電荷を、圧電体では加熱による歪により発生する電子である電荷を、電極から放出させる。必要に応じて電極を先鋭化させる。また、この電荷エミッタを用いた放出電荷の衝突による蛍光体の発光や、放出電荷により気体放電させて、その発光色を利用するか、放射する紫外線などで蛍光体を刺激して発光させるかなどして、画像のフルカラー表示させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中に、対となる電極（１０，１１）で挟まれた焦電体（１）または圧電体（２）と、外部電極（６０）と、加熱手段（５０）とを備え、該焦電体（１）または圧電体（２）に形成した少なくとも一対の電極（１０，１１）のうち、一方の電極（１０）の先端を先鋭化させてあり、上記焦電体（１）または圧電体（２）を加熱手段（５０）により加熱したときに、該焦電体（１）または圧電体（２）の表面で変化または発生する電荷に基づき、この先鋭化させた電極（１０）の分極電荷量が変化し、この正負の変化した分極電荷の一方が先鋭化させた電極（１０）の先端に集まるように構成してあり、該分極電荷量の変化に応じて、その先端からその表面の吸着浮遊電荷（７５）または分極電荷（７２）が外部電極（６０）の電界に引かれて放出するようにしたことを特徴とする電荷エミッタ。
【請求項２】
真空中に、対となる電極（１０，１１）で挟まれた焦電体（１）または圧電体（２）と、外部電極（６０）と、加熱手段（５０）とを備え、該焦電体（１）または圧電体（２）を加熱手段（５０）により加熱したときに、該焦電体（１）または圧電体（２）の表面で変化または発生する電荷に基づき、電極（１０）の分極電荷量が変化し、該分極電荷量の変化に応じて、少なくとも一方の対となる電極（１０）の表面の吸着浮遊電荷（７５）または分極電荷（７２）が外部電極（６０）の電界に引かれて放出するようにしたこと、加熱手段（５０）をジュール加熱としたことを特徴とする電荷エミッタ。
【請求項３】
焦電体（１）または圧電体（２）を、空洞（１５０）を設けて基板（１００）から熱分離してあり、該焦電体（１）または圧電体（２）と加熱手段（５０）としての薄膜ヒータ（５１）とを同一基板（１００）に形成してある請求項１もしくは２記載の電荷エミッタ。
【請求項４】
複数個の電極（１０）を配列形成した請求項１から３のいずれかに記載の電荷エミッタ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の電荷エミッタ（５）に対向させて、蛍光体（８０）を配置してあり、該電荷エミッタ（５）から放出させた電荷の一部または全部を該蛍光体（８０）に照射して発光させて、画像を表示させるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の電荷エミッタ（５）から放出された電荷を利用して気体放電させて、そのとき放射する光を直接もしくは間接的に画像表示に用いるようにしたことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中に電荷を真空中に放出させる電荷エミッタとこの電荷エミッタを画像表示に用いる表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
焦電体は、強誘電体からなり、自発分極しているがその表面はイオンなどの浮遊電荷吸着により電気的に中和しているが、温度変化が生じたときに自発分極に変化が生じ、自発分極は速やかに変化するが、吸着浮遊電荷は応答が遅く残存し電気中和が破れる。その表面に吸着浮遊電荷が多いときには余分の吸着浮遊電荷は顔を出し、あたかも電荷が発生したように見えるし、逆に少ない時には外部から正負反対の浮遊電荷が吸着する。このようにいずれにしても焦電体に温度変化を与えるとその表裏の表面間に電圧が発生する。その後、間もなく、余分の吸着していた浮遊電荷は表面から遊離し、焦電体の分極電荷が多くなった場合にはれらの発生電荷を打ち消すために周囲からイオン等の反対の電荷が吸着されるなどしてこれらを打ち消し、時間と共に外部からは電荷が中和して見えなくなるように動作するもので、発生していた電圧も減衰する。
【０００３】
このように焦電体を挟む自発分極している面に一対の電極を形成し、焦電体を加熱すると、一般には急に自発分極電荷は減少するので、表面に残存した吸着浮遊電荷のために一瞬、電極間に電圧が発生することになる。
【０００４】
また、圧電体は、歪を与えると圧電体の表裏の表面に電荷が発生し、それらの面に一対の電極を形成しておくと、焦電体と同様に一瞬、電極間に電圧が発生することになる。例えば、圧電体を挟んで形成した一対の電極が異なる金属であり、その熱膨張係数に差があると、圧電体を熱したときに圧電体はひずみ、一瞬、電極間に電圧が発生する。
【０００５】
従来、焦電体は熱型赤外線センサとして焦電型センサが開発されており、これは、焦電体に赤外線を照射し、その部分を加熱すると、そのときの温度変化に基づく自発分極電荷が変化し、これに基づき、焦電体を挟むように形成された一対の電極間に起電力が発生するので、これを受光した赤外線量に対応させるものである。
【０００６】
また、従来、この焦電体を真空中に配置し、赤外線を照射し加熱し、そこから放出される電子を光電子増倍部に導入して、増倍させた電子を検出して赤外線像を表示する方式の赤外線センサが報告されている（Ｄ．Ｔａｋａｍｕｒｏ  ｅｔ．ａｌ，  Ｐｒｏｃ．１９ｔｈ  ＳｅｎｓｏｒｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００２，ｐ．１１３）。
【０００７】
また、本願発明者は、基板から熱分離したヒータを加熱して、ヒータの表面の吸着ガスを追い出し、電界放出による電子を放出しやすくさせる方式の電子エミッタを発明した。また、ここでは、電子を放出させやすいように電極先端を先鋭化させていた（ＵＳＰ：５４６３２７７，Ｍｉｃｒｏ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｄｅｖｉｃｅ，１９９５）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の焦電体を真空中に配置し、赤外線を照射し加熱する方式では、加熱パワーが小さく、電子放出量が小さいという問題があった。また、電子放出量を大きくするには、赤外線を極端に集光させて加熱するなどする必要があり、光学系が必要となると共に、赤外線透過窓材の選択の問題も発生していた。
【０００９】
また、基板から熱分離したヒータを加熱して、先鋭化した電極から電子放出させる場合には、やはり、電界放出に必要な電圧を印加する必要があり、数十ボルト以上の電圧を印加する必要があった。
【００１０】
本発明は、数ボルト程度の小さな印加電圧で電子などの電荷が放出できるようにした電荷エミッタを提供すると共に、これを用いた表示装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる電荷エミッタは、
真空中に、対となる電極１０，１１で挟まれた焦電体１または圧電体２と、外部電極６０と、加熱手段５０とを備え、焦電体１または圧電体２に形成した少なくとも一対の電極１０，１１のうち、一方の電極１０の先端を先鋭化させてあり、上記焦電体１または圧電体２を加熱手段５０により加熱したときに、焦電体１または圧電体２の表面で変化または発生する電荷に基づき、この先鋭化させた電極１０の分極電荷量が変化し、この正負の変化した分極電荷の一方が先鋭化させた電極１０の先端に集まるように構成してあり、分極電荷量の変化に応じて、その先端からその表面の吸着浮遊電荷７５または分極電荷７２が外部電極６０の電界に引かれて放出するようにしたもので、圧電体２を用いた場合は、加熱の歪で電荷が発生し、先鋭化させた電極１０の先端に電荷が集まるので、電界が集中し、その先端の表面の電荷が放出しやすいようになること、また、焦電体１を用いた場合は、焦電体１の加熱により一般には先鋭化させた電極１０の先端の分極電荷７２も減少するので、その表面の吸着浮遊電荷７５が吸着されている理由がなくなり、放出しやすくなる。また、先鋭化させた電極１０の先端に電荷が集まっているので、電荷放出源が小さくなり、電子レンズを用いた場合は、その焦点に電荷を集めやすくなるというを利点がある。
【００１２】
本発明の請求項２に係わる電荷エミッタは、真空中に焦電体１または圧電体２と外部電極６０および焦電体１または圧電体２の加熱手段５０とを備えた電荷エミッタにおいて、加熱手段５０をジュール加熱とした場合で、電極形状は必ずしも電極の一方を先鋭化させない一般的な場合である。
【００１３】
本発明の請求項３に係わる電荷エミッタでは、焦電体１または圧電体２は空洞１５０を設けて基板１００から熱分離してあり、焦電体１または圧電体２と加熱手段５０としての薄膜ヒータ５１とを同一基板１００に形成した場合である。基板１００から熱分離した焦電体１または圧電体２は、薄膜ヒータ５１により容易に加熱される。薄膜ヒータ５１も基板１００から熱分離してある方が、薄膜ヒータ５１自体も昇温しやすく消費電力が小さく、しかも熱容量も小さくできるので、高速応答になりやすい。
【００１４】
本発明の請求項４に係わる電荷エミッタは、複数個の電極１０，１１を配列形成した場合で、先鋭化した電極１０においては、一個の先鋭化した電極１０では電荷エミッタからの放出電荷が少ないときには、複数個配列することにより放出電子量を多くしたもので、画像表示装置の電子源として利用したときには、明るい表示装置が達成される。
【００１５】
本発明の請求項５に係わる表示装置は、本発明の電荷エミッタ５に対向させて、蛍光体８０を配置してあり、電荷エミッタ５から放出させた電荷の一部または全部を蛍光体８０に照射して発光させて、画像を表示させるようにことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項６に係わる表示装置は、本発明の電荷エミッタ５から放出された電荷を利用して気体放電させて、そのとき放射する光を直接もしくは放射する光で蛍光体８０を刺激するなど間接的に蛍光体８０からの光を画像表示に用いるようにしたことを特徴するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき、図面を参照して説明する。
【００１８】
【実施例１】
図１は、本発明の電荷エミッタとして、焦電体１を用いて実施したときの一実施例の概略図を示したもので、焦電体１を加熱する加熱手段５０として、電熱ヒータを用い、外部電極６０は焦電体１の上部の先鋭化させた電極１０上に形成した先鋭化部２０の先端部に対向して、しかも近接して設けてあり、焦電体１が加熱されて、焦電体１の自発分極電荷７０が一瞬減少した状況を示している。
【００１９】
ＰＺＴなどの圧電体は、焦電体１としても働き、焦電体１は自発分極し、これを挟む上部の先鋭化させた電極１０と下部の電極１１は、もともと電気的中性であるが自発分極電荷７０により静電誘導作用で分極して、誘導電荷７１を形成する。そして、上部の先鋭化させた電極１０に形成した先鋭化部２０の先端部には、先鋭化させた電極１０の分極電荷７２（本実施例では正の電荷）が存在しており、それを打ち消すために電子やイオンが吸着されて吸着浮遊電荷７５を形成して、焦電体１に温度変化が無い定常状態時には電気的に中和している。
【００２０】
加熱手段５０の電熱ヒータをヒータ加熱電源２１０により加熱すると、近接又は接触して設けた焦電体１が熱せられ、焦電体１の自発分極電荷７０が一般には減少し、先鋭化させた電極１０の余分になった誘導電荷は、速やかに分極電荷７２と中和するが、先鋭化部２０の先端部に吸着されていた吸着浮遊電荷７５（本実施例では、負に帯電した電荷）は、その吸着力を弱められ、互いに反発して外部電極６０の電源２００から供給された外部電極６０の電荷（実施例では、正の電荷）に引かれて、先鋭化部２０の先端部から放出されることになる。本実施例では、吸着浮遊電荷７５は、負イオンまたは電子である場合で、外部電極６０を陽極としている。
【００２１】
焦電体１の自発分極の向きを逆にすると、逆に吸着浮遊電荷７５を正イオンとすることもできる。
【００２２】
真空チャンバ５００の中の気体圧力を適当にすると、先鋭化部２０の表面に容易に吸着浮遊電荷７５を形成することができる。
【００２３】
本実施例の電源２００を直流ばかりでなく、パルス駆動電源や交流電源とすることもできる。
【００２４】
また、この先鋭化部２０の先端部から放出される吸着浮遊電荷７５を利用して、気体放電させることもできる。
【００２５】
また、本実施例では、上部の先鋭化させた電極１０と先鋭化部２０とを別々に製作した後、電気的、物理的に接続した場合であるが、上部の先鋭化させた電極１０の一部を直接先鋭化させて先鋭化部２０を形成してもよい。
【００２６】
また、本実施例では、加熱手段５０の電熱ヒータを焦電体１と一体化していないが、薄膜ヒータ５１として、例えば、下部の電極１１とヒータと兼用にするなど、一体化することもできる。
【００２７】
【実施例２】
図２は、本発明の電荷エミッタとして、上述の焦電体１の代わりに圧電体２を用いて実施したときの一実施例で、圧電体２付近の概略図を示したものである。焦電体１の場合とは異なり、圧電体２に歪を与えると、これを挟む上部の先鋭化させた電極１０と下部の電極１１間に電荷が発生するので、上部の先鋭化させた電極１０に形成した先鋭化部２０の先端に電子が分極電荷７２として発生するようにしている。
【００２８】
本実施例は、圧電体２をモリブデンＭｏやタングステンＷなどの熱膨張係数の小さな上部の電極１０とアルミニウムＡｌなどの熱膨張係数の大きな下部の電極１１とで挟み、下部の電極１１とは窒化シリコン膜のような耐熱性かつ絶縁性の絶縁膜１７０を介して白金Ｐｔなどの薄膜ヒータ５１で加熱するように構成し、上下の電極１０，１１における熱膨張係数の違いによるバイメタル効果で、圧電体２を変形させて上下の電極１０，１１に電荷を発生させるようにした場合を示している。また、本実施例の図２は、単結晶シリコンの異方性エッチング技術を用いて、圧電体２と上下の電極１０，１１、絶縁膜１７０、薄膜ヒータ５１を含む薄膜を、ダイアフラム１１０の形状にしてあり、バイメタル効果で凹面に変形させた場合である。
【００２９】
図２では、加熱用の電源などは省略してあるが、結局、加熱により先鋭化部２０の先端に電子が分極電荷７２が集まり、外部電極６０に印加する電源２００の電圧がゼロボルトであっても、外部電極６０の電位に対して、１００Ｖ以上の負の電位にさせることが容易で、電源２００の電圧が小さくとも容易に、先鋭化部２０の先端から分極電荷７２である電子を放出させることができる。
【００３０】
【実施例３】
図３は、本発明の電荷エミッタ５を用いた表示装置として、焦電体１を用い実施したときの一実施例の概略図を示したもので、電荷エミッタ５は実施例１と同様であるが、先鋭化部２０を複数個配列し、それらは光三原色である赤（ｒ）、緑（ｇ）、青（ｂ）の外部電極６０ｒ、６０ｇ、６０ｂ、および表示装置のための電荷の衝突により発光する光三原色の発光体である蛍光体８０ｒ、８０ｇ、８０ｂに対応させて配列形成した場合を示している。また、下部の電極１１は白金Ｐｔなどの高温に耐え、電気抵抗の比較的大きく安定な金属を採用し、薄膜ヒータ５１としても兼用した場合である。
【００３１】
このとき電荷エミッタ５の加熱手段５０である薄膜ヒータ５１は、複数個まとめた共有ヒータとして、薄膜ヒータ５１の電極数を節約している。
【００３２】
外部電極６０ｒ、６０ｇ、６０ｂは、先鋭化部２０の先端が接触しないように穴１８０が空いた絶縁膜１７２上に、穴１８０の周囲を取り巻くようなドーナツ状に形成している。
【００３３】
また、絶縁膜１７２は、焦電体１とその上下の電極１０，１１のうち、少なくとも加熱されて昇温する領域からは熱分離した状態で形成して、加熱の消費電力を少なくなるように形成している。
【００３４】
外部電極６０ｒ、６０ｇ、６０ｂのそれぞれに正の電圧を各色の画像信号に応じて１０Ｖ程度印加しておき、焦電体１を加熱手段５０で加熱して、先鋭化部２０に吸着されていた負のイオンまたは電子（−ｅ）などの電荷を放出させて、対応するガラスなどの透明板６００に形成した蛍光体８０ｒ、８０ｇ、８０ｂを発光させる。外部電極６０ｒ、６０ｇ、６０ｂのうち、正の電圧が無いところでは、電荷の放出が無く、従って、対応する蛍光体８０ｒ、８０ｇ、８０ｂは発光しない。
【００３５】
蛍光体８０の発光の明るさは、衝突する電荷のエネルギーに関係し、加速電圧が大きいほど明るくなるので、別に放出電荷の加速用電極を設けても良い。
本実施例の構造は、単結晶シリコンやガラスの基板１００に、公知のフォトリソグラフィにより、空洞１５０や真空チャンバ５００も含めて形成される。
【００３６】
図４には、図３に示した本発明の電荷エミッタ５を用いた表示装置と同様であるが、スリット１６０の配置など多少異なる場合の表示装置で、その一実施例の鳥瞰図の概略図を示したものである。ここでは、フローテング膜１２０に形成した複数のマトリックス状に配列した電荷エミッタ５のアレーと、それぞれに対応する蛍光体８０のアレーの様子を示している。そして、各電荷エミッタ５のうち、加熱されている所で、しかも外部電極６０に電荷放出のための電圧が印加されている所の先鋭化部２０から電荷が放出されて、対応する蛍光体８０が発光するので、テレビジョンのようにフルカラーの画像表示がなされる。
【００３７】
上述の実施例は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の主旨および作用、効果が同一でありながら、本発明の多くの変形があることは明らかである。
【００３８】
【発明の効果】
従来の焦電体を用いた赤外線の照射加熱方式では、加熱パワーが小さく、電子放出量が小さいという問題があり、また、従来の電子の電界放出では、先鋭化させた電極を用いても数十ボルト以上の電圧を印加する必要があり、かつ極めて高真空の中で電子放出させる必要があった。
【００３９】
しかし、以上説明したように、本発明の本発明の電荷エミッタを用いると、焦電体を用いた場合には、先鋭化した電極の先端に吸着した電荷である正又は負のイオンや電子の放出となり、ヒータの加熱電圧は例えば１ボルトでも良く、また、外部電極となる例えば陽極は、数ボルトの電圧で済むことになり、低電圧駆動の電荷放出が得られるという利点がある。
【００４０】
また、この焦電体を用いた場合には、真空チャンバの真空度を悪くしてもよく、安価な電荷エミッタが提供できる。
【００４１】
一方、圧電体を用いた場合は、加熱により圧電体を変形させて発生した電荷のうちの電子を放出させるものであるが、圧電体は歪により容易に高圧を発生するので、陽極電圧がゼロボルトまたは数ボルトでも、容易に電子の電界放出が得られるという利点がある。
【００４２】
ヒータを薄膜ヒータにし、かつ、焦電体または圧電体の下部に空洞を設けて基板から熱分離してあるから熱容量が小さく、しかも有効に焦電体や圧電体、又は、圧電体の電極を加熱できるので、消費電力が小さい、高速応答の電荷エミッタが提供される。
【００４３】
電極を複数個も設けることにより、電荷放出量を大きくさせた電荷エミッタが提供できると共に、これらの複数個の電極をカラー表示用の色別電極とさせた表示装置も提供できる。このとき電荷エミッタの加熱手段である薄膜ヒータは、複数個まとめた共有ヒータとすることもできるので、電極数の節約となる。
【００４４】
また、先鋭化させた電極の先端に電荷が集まっているので、電荷放出源が小さくなり、電子レンズを用いた場合は、その焦点に電荷を集めやすくなるというを利点がある。
【００４５】
本発明の電荷エミッタを用いた表示装置においては、外部電極への小さな電圧の印加で容易に正又は負のイオンや電子である電荷が放出されるので、単純な構造で、しかも超高真空を必要としないので、安価で超寿命のフルカラーの表示装置が提供できるという利点がある。
【００４６】
また、真空チャンバ内の真空度を悪くして、気体放電させることもできるので、放電色をそのまま表示として利用する表示装置も提供できるし、紫外線放射などを利用して、蛍光体と組み合わせた表示装置も提供できる。
【００４７】
また、本発明の電荷エミッタは、電子ばかりでなく、正負の吸着イオンの放出が可能なので、表示装置ばかりでなく将来多くの応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電荷エミッタとして、焦電体１を用いて実施したときの一実施例の概略図を示したものである。
【図２】本発明の電荷エミッタとして、圧電体２を用いて実施したときの一実施例の概略図を示したものである。
【図３】本発明の電荷エミッタを用いた表示装置として、焦電体１を用いて実施したときの一実施例の概略図を示したものである。
【図４】本発明の実施例のうち図３に示した表示装置と同様であるが、スリットの配置など多少異なる他の表示装置の一実施例の鳥瞰図の概略図を示したものである。
【符号の説明】
１  焦電体
２  圧電体
５  電荷エミッタ
６  表示装置
１０、１１  電極
２０  先鋭化部
５０  加熱手段
５１  薄膜ヒータ
６０，６０ｒ、６０ｇ、６０ｂ  外部電極
７０  自発分極電荷
７１  誘導電荷
７２  分極電荷
７５  吸着浮遊電荷
８０、８０ｒ、８０ｇ、８０ｂ  蛍光体
１００  基板
１１０  ダイアフラム
１２０  フローテング膜
１５０  空洞
１６０  スリット
１７０，１７１、１７２  絶縁膜
１８０  穴
２００  電源
２１０  ヒータ加熱電源
５００  真空チャンバ
６００  透明板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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