(57)【要約】【課題】電界放出型陰極の構造の微細化を伴うことなく、ビーム電流変調時のドライブ電圧を低減することができる陰極線管を提供するものである。【解決手段】陰極構体１、第１電極２、第２電極３、集束電極４及び最終加速電極５がスクリーン側に向かって順次に配設されている。陰極構体１は、絶縁基板６上に設けられた電界放出型陰極７と、電界放出型陰極７を構成する電極に電位を供給する複数の電圧供給リード８と、電圧供給リード８に接続された電圧供給端子９とを有する。そして、電子放出領域の直前電界を負電界とする。【選択図】  図１
2004241310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出電極及び前記電子放出電極を取り囲む開口を持つ引出し電極を有する電界放出型陰極と、前記電界放出型陰極から射出された電子ビームを集束する電極とを有する電子銃を備え、
少なくとも前記引出し電極直前の軸上電界が負電界であることを特徴とする陰極線管。
【請求項２】
前記電界放出型陰極に隣接した第１電極を備え、
少なくとも前記引出し電極から前記第１電極までの軸上電界が負電界であることを特徴とする請求項１記載の陰極線管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型陰極を用いた陰極線管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の陰極線管は、密封ガラス容器であるファンネルの細長いネック部に、電界放出型陰極を搭載した電子銃が設けられたものであり、電子銃から射出された電子ビームはファンネル外周に配置された偏向装置によって偏向され、ファンネルの前面に設けられたパネル部内面に形成された蛍光面に射突して、これを励起発光させることにより、所望の画像表示を行う（特許文献１）。
【０００３】
従来の陰極線管の電子銃に搭載される電界放出型陰極とその周辺電極を図９に示す。図９に示すように、シリコン（Ｓｉ）又はガラス等の絶縁材料からなる基板１０１上に、導電性膜のカソード導体１０２が形成されている。カソード導体１０２上には絶縁層１０３及び引出し電極（ゲート）１０４が積層されている。絶縁層１０３と引出し電極１０４にはフォトリソグラフィ法によってホールが形成され、このホール内のカソード導体１０２上にはコーン形状の電子放出電極（エミッタ）１０５が蒸着法によって形成されている。また、電界放出型陰極の上方に第１電子ビーム収束電極１０６が設けられ、さらに第１電子ビーム収束電極１０６の上方にセラミック絶縁材を介して第２電子ビーム収束電極１０７が設けられている。尚、図１０は、従来の陰極線管において、引出し電極１０４、電子放出電極１０５、第１電子ビーム収束電極１０６及び第２電子ビーム収束電極１０７の電圧印加回路を示したものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３４３０００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の陰極線管において、電子ビーム電流は引出し電極と電子放出電極の電位差に依存することから、引出し電極に印加する電圧（ゲート電圧）を可変することで電子ビーム電流を変調することができる。また、変調時のゲート電圧のドライブ電圧は低い方が好ましい。
【０００６】
電子ビーム電流変調時におけるゲート電圧のドライブ電圧を低減するためには、電子放出領域のエミッタ数を増やすか、あるいは、電子を取り出すためのゲート電圧を低減することが有効である。
【０００７】
しかしながら、限られた電子放出領域に多くの電子放出電極を形成することは、微細加工プロセス上限界がある。また、ゲート電圧を低減するには引出し電極に形成されたホールの開口径を縮小することが有効であるが、これも微細加工プロセス上の限界がある。いずれにせよ電界放出型陰極の構造上の微細化が必要であるが、微細加工プロセス上の限界を伴うため、微細化による大幅なドライブ電圧の低減は現実的ではない。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するものであり、電界放出型陰極の構造の微細化を伴うことなく、電子ビーム電流変調時におけるゲート電圧のドライブ電圧を低減することができる陰極線管を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る陰極線管は、電子放出電極及び前記電子放出電極を取り囲む開口を持つ引出し電極を有する電界放出型陰極と、前記電界放出型陰極から射出された電子ビームを集束する電極とを有する電子銃を備え、少なくとも前記引出し電極直前の軸上電界が負電界であることを特徴とするものである。
【００１０】
これにより、電界放出型陰極の構造の微細化を伴うことなく、ビーム電流変調時のドライブ電圧を低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る陰極線管について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図２は、本発明の実施形態に係る陰極線管の断面図である。
【００１３】
図２に示すように、本発明に係る陰極線管２０は、ガラスバルブ２１と、ガラスバルブ２１のスクリーン部２２の内側に形成された蛍光面２３と、ガラスバルブ２１のネック部２４に封入された電子銃２５とを備えている。また、ガラスバルブ２１の外周には偏向ヨーク２６が装着されている。電子銃２５から射出された電子ビーム２７は、偏向ヨーク２６によって走査されて蛍光面２３に到達し、スクリーン部２２に画像を表示させる。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る陰極線管に搭載される電子銃の断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る陰極線管の電子銃は、陰極構体１、第１電極（第１収束電極）２、第２電極（第２収束電極）３、集束電極４及び最終加速電極５がスクリーン側に向かって順次に配設されたものである。
【００１６】
陰極構体１は、絶縁基板６上に設けられた電界放出型陰極７と、電界放出型陰極７を構成する電極に電位を供給する複数の電圧供給リード８と、電圧供給リード８に接続された電圧供給端子９とを有する。
【００１７】
第１電極２は、板厚が０．１ｍｍの板状電極であり、直径が０．２５ｍｍの電子ビーム通過孔が設けられたものである。第２電極３は、板厚が０．３５ｍｍの板状電極であり、直径が０．５ｍｍの電子ビーム通過孔が設けられたものである。集束電極４及び最終加速電極５は実効的に約１０ｍｍのレンズ口径を有する立体構造の電極を用いた。尚、これらの電極はステンレス鋼材により成形したものを用いた。
【００１８】
また、陰極構体１の引出し電極（図示せず）と第１電極２との距離は０．０５ｍｍ、第１電極２と第２電極３との距離は０．２５ｍｍとした。集束電極４及び最終加速電極５の間隙の中心と陰極構体１の引出し電極との距離は３４ｍｍとした。
【００１９】
各電極の電位に関しては、最終加速電極５には３０ｋＶ、集束電極４には７．５ｋＶ、第２電極３には１ｋＶ、第１電極２には０Ｖの電圧がそれぞれ印加される。
【００２０】
尚、本実施形態では、上記のような電極構成、材質、形状及び電圧を用いたが、これらは陰極線管の大きさ、用途、要求性能によって変わるものであり所望の構成、材質、形状、電圧を用いても構わない。
【００２１】
次に、本実施形態に係る陰極構体１の電界放出型陰極７について図３を用いて説明する。
【００２２】
図３に示すように、電界放出型陰極７は、基板１０上に設けられた先端が先鋭化された円錐形状の複数の電子放出電極１１と、電子放出電極１１とその付近を除いて基板１０上に形成された絶縁層１２と、電子放出電極１１を取り囲む開口を有する引出し電極１３とを備えるものである。また、絶縁層１２の表面には引出し電極１３及び電子放出電極１１に電圧を供給するためのボンディング端子１４ａ、１４ｂが設けられている。ボンディング端子１４ａ、１４ｂと陰極構体上に配置された電圧供給端子（図示せず）とは導線１５ａ、１５ｂでそれぞれ接続されている。
【００２３】
本実施形態に係る陰極線管においては、電界放出型陰極７の形状は矩形状とし、縦横長を３ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとした。引出し電極１３の主要部は直径が０．２ｍｍの円形形状とし、電子放出領域には約１万個の電子放出電極１１が形成されている。電子放出電極１１の先端部は、約１０ｎｍの半径に先鋭されている。電子放出電極１１を取り囲む引出し電極１３の開口直径は０．８μｍとした。電子放出電極１１と引出し電極１３の開口端との間隔は２μｍとした。ボンディング端子１４ａ、１４ｂとしては、縦横長が０．２ｍｍの矩形状のものを電界放出型陰極７の端部から約０．１ｍｍ離れた位置に形成した。尚、ボンディング端子１４ａは、当該端子１４ａと引出し電極１３とを電気的に接続する接続部分を有する。
【００２４】
また、基板１０および電子放出電極１１はシリコン（Ｓｉ）で形成し、絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）で形成し、引出し電極１３はニオブ（Ｎｂ）で形成し、そして、ボンディング端子１４ａ、１４ｂはアルミニウム（Ａｌ）で形成した。導線１５ａ、１５ｂは、線径が２０μｍのアルミニウム線を用いた。
【００２５】
図４は、本実施形態に係る陰極線管における電界放出型陰極とその周辺電極の電圧印加の回路図を示したものである。本実施形態では、電子放出電極１１には、取り出されるビーム電流に応じて約４０〜０Ｖの電圧が供給される。また、引出し電極１３には６５Ｖの一定電圧が印加される。
【００２６】
尚、本実施形態に係る陰極線管の電界放出型陰極は、上記のような構成、材質、形状及び電圧を用いたが、これらは陰極線管の大きさ、用途及び要求性能等によって変わるものでありこれらに限定されるものではなく、適宜所望の構成、材質、形状及び電圧を用いても構わない。
【００２７】
本実施形態に係る陰極線管の特徴について図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施形態に係る陰極線管の電子銃における電界放出型陰極、第１電極及び第２電極近傍の軸上電界分布を示す図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の電界分布を積分して得られる軸上電位を示したものである。尚、図５（ａ）、（ｂ）において、電界放出型陰極の軸上における引出し電極表面を原点とした。また、原点から軸上に沿ってスクリーン面に向かった距離を、電界放出型陰極に対する第１電極２及び第２電極３の位置により模式的に表した。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る陰極線管の特徴は、電界放出型陰極の引出し電極、特に電子放出領域（エミッタ領域）における引出し電極の直前、すなわち、引出し電極のスクリーン面側に近接する領域の軸上電界を負電界としたことにある。特に、本実施形態に係る陰極線管においては、同図に示すように、引出し電極表面（原点）から第１電極２周辺までを負電界とし、第１電極２から第２電極３にかけて負電界から正電界に転じさせ、第２電極３周辺では正電界とした。また、図５（ｂ）に示すように、本実施形態での軸上電位Ｖａｘは、第１電極２の近傍で最小となるように設定した。尚、図５（ａ）に示す電界分布特性は電界放出型陰極から放出されるビーム電流に依存せず一定である。また、図５（ｂ）に示す軸上電位Ｖａｘも上記ビーム電流に依存しない。以上、図５（ａ）、（ｂ）において電界分布及び電位分布は軸上におけるものを示したが、軸上以外の引出し電極直前の電界も負電界とした。尚、ここで負電界とは電子ビームが進む方向、すなわち、電界放出型陰極からスクリーン面に向かって電位傾度が負となる電界のことをいう。
【００２９】
次に、本実施形態に係る陰極線管の作用について説明する。
【００３０】
電界放出型陰極７から放出される電流は、電子放出電極１１と引出し電極１３の電位差に依存し、この電位差が大きいほど大きな電流が放出される。図６に電子放出電極と引出し電圧の電位差Ｖｇ’と電子放出電極から放出される電流（以下、「エミッション電流」という）Ｉの関係を示す。このときエミッション電流Ｉは、ファウラー・ノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）のトンネル電流を示す次式に従うことが知られている。
【００３１】
Ｉ＝Ａ（Ｖ２／φ）ｅｘｐ（−Ｂφ３／２／Ｖ）  ・・・  （１）
式（１）において、Ａ，Ｂは定数、φは仕事関数である。また、Ｖは電子放出電極と引出し電圧の電位差Ｖｇ’に相当する。
【００３２】
本実施形態に係る陰極線管ではエミッション電流Ｉを６ｍＡと設定したので、図６に示すように、６ｍＡのエミッション電流を得るためには６５ＶのＶｇ’が必要となることが分かる。また、電子を放出し始めるＶｇ’（図６中のＡ点）と必要とするエミッション電流に対応するＶｇ’との電位差△Ｖｇ’がドライブ電圧となる。
【００３３】
また、電子放出電極から放出される電子は、電子放出電極と引出し電極の電位差Ｖｇ’に対応した速度エネルギーを持って引出し電極から放出される。例えば、Ｖｇ’が６５Ｖである場合は、引出し電極から放出される電子は、約６５ｅＶの速度エネルギーを持って、また、Ｖｇ’が４０Ｖである場合は、約４０ｅＶの速度エネルギーを持って、引出し電極前面の空間に放出される。つまり、エミッション電流Ｉが大きいほど、大きな速度エネルギーで放出し、電流Ｉが小さいほど、小さい速度エネルギーで放出されるということになる。
【００３４】
本実施形態に係る陰極線管は、電界放出型陰極の直前の軸上電界を負電界としたものであるので、電子放出電極に供給する電圧Ｖｅをドライブすると、Ｖｇ’が小さい場合、すなわち、電子放出電極から放出される電流が小さい場合は、図７（ａ）に示すように、電子放出電極１１から放出された電子は電子放出領域の直前の負電界によって減速され、引出し電極１３に引き戻される挙動を示す。
【００３５】
一方、Ｖｇ’が大きい場合、すなわち、電子放出電極から放出される電流が大きい場合は、電子放出電極１１から放出された電子は電子放出領域の直前の負電界によって減速されるが、Ｖｇ’が大きいことから電界放出型陰極７直前の電界領域への速度エネルギーも大きくなる。従って、図７（ｂ）に示すように、電子放出電極１１から放出された電子は、引出し電極１３に引き戻されることなく第１電極２及び第２電極３のビーム通過孔を通過し、電子ビームとなって蛍光面（図示せず）に到達する。
【００３６】
これにより、本実施形態に係る陰極線管のＶｇ’に対する蛍光面へ到達するビーム電流は図８に示す実線のようになる。一方、従来の陰極線管のビーム電流特性は、同図中の破線で示すようになる。同図から分かるように、本実施形態に係る陰極線管のビーム電流のドライブ量を、従来の陰極線管のビーム電流のドライブ量に対して数分の一とすることができる。尚、ビーム電流を６ｍＡとした場合には、ドライブ量は約１／２に低減することができる。
【００３７】
このようにドライブ電圧を低くすることにより、容易にドライブ回路を高周波化することが可能となる。これにより、ビーム偏向時におけるビームスポットの輝度分布（走査方向）の立ちあがりを先鋭にすることができ、良画質の陰極線管を提供することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、電界放出型陰極を用いた本発明に係る陰極線管において、電界放出型陰極の電子放出領域の直前電界を負電界とすることにより、従来の電界放出型陰極を用いた陰極線管に比べ、ビーム電流を変調するためのドライブ電圧を大幅に低減することができる。特に、ドライブ電圧を５Ｖ以下にする構成においては、ビーム電流を変調するための特別なドライブアンプを必要とせず、安価に高周波ドライブが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る陰極線管に搭載される電子銃の断面図
【図２】本発明の実施形態に係る陰極線管の断面図
【図３】本発明の実施形態に係る陰極線管に用いられる電界放出型陰極の斜視断面図
【図４】本発明の実施形態に係る陰極線管に搭載される電子銃を構成する電極の電圧印加回路図
【図５】（ａ）本発明の実施形態に係る陰極線管の電子銃における陰極、第１電極及び第２電極近傍の軸上電界分布を示す図
（ｂ）本発明の実施形態に係る陰極線管の電子銃における陰極、第１電極及び第２電極近傍の軸上電位分布を示す図
【図６】電界放出型陰極を用いた陰極線管において、電子放出電極と引出し電極の電圧差と、電子放出電極から放出される電流の関係を示す図
【図７】（ａ）本発明の実施形態に係る電界放出型陰極周辺の電子ビーム軌道（ビーム電流が小さいとき）を示す図
（ｂ）本発明の実施形態に係る電界放出型陰極周辺の電子ビーム軌道（ビーム電流が大きいとき）を示す図
【図８】本実施形態に係る陰極線管と従来の陰極線管において、電子放出電極と引出し電極の電圧差と、電子放出電極から放出される電流の関係を示す図
【図９】従来の陰極線管における電子放出電極とその周辺電極の断面図
【図１０】従来の陰極線管に搭載される電子銃を構成する電極の電圧印加回路図
【符号の説明】
１  陰極構体
２  第１電極
３  第２電極
４  集束電極
５  最終加速電極
６  絶縁基板
７  電界放出型陰極
８  電圧供給リード
９  電圧供給端子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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