(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた電子放出電極と、前記電子放出電極と対向する開口が設けられた引き出し電極とを有する陰極と、
前記引き出し電極の後段に、前記引き出し電極と空隙を隔てて設けられた制御電極と、
前記引き出し電極と前記制御電極との間に設けられ、前記電子放出電極に電圧を印加するための端子および導線と、
前記引き出し電極と前記制御電極との間に設けられ、前記引き出し電極に電圧を印加するための端子および導線とを備え、
前記制御電極に印加される電圧が前記引き出し電極に印加される電圧よりも低い電子銃であって、
前記引き出し電極と前記制御電極との間にシールド電極がさらに設けられており、
前記シールド電極は、前記陰極の方向に突出する、電子ビームが通過する筒状の突出部を有することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
前記突出部は、その先端における内径と、その根元における内径とがほぼ等しいことを特徴とする、請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記突出部は、その先端における内径と、その根元における内径よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載の電子銃。
【請求項４】
前面パネルとファンネルとからなるガラス外囲器と、前記前面パネルの内面に形成された蛍光面と、前記ファンネルのネック部内に配置された電子銃とを備える受像管であって、
前記電子銃は、請求項１〜３のいずれかの構成を有することを特徴とする受像管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受像管の電子銃に関し、特に電子銃に用いられる電界放出型冷陰極の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界放出型陰極を搭載した受像管装置の従来例として、特開平９−８２２４８号公報に記載されたものを図８〜１０に示す。図８に示すように、受像管装置のネック部には電子銃が搭載され、この電子銃には電界放出型冷陰極２２が配される。電界放出型冷陰極２２は、図９に示すようにセラミック基板２３上に接着された冷陰極２４と、冷陰極２４のエミッタエリア２５からの配線と、配線に電位を供給するボンディングパッド２６と、ボンディングパッド２６と電極２７との間を通電させるボンディングワイヤー２８で構成され、エミッタエリア２５の後段には電子ビーム通過孔３０を有する集束電極２９が配置される。エミッタエリア２５は、図１０に示すようにシリコン基板３１、絶縁層３２、ゲート電極３３と複数の空洞３４、エミッタ３５で構成される。
【０００３】
絶縁層３２の厚さは約１μｍ、ゲート電極３３の開口径は約１μｍ、エミッタ３５の先端は２０ｎｍ程度と極めて尖鋭に作られている。ゲート電極３３には、エミッタ３５に対し約５０Ｖの電圧が印加される。それによってエミッタ３５先端部とゲート電極３３との間に強い電界（２〜５×１０7Ｖ／ｃｍ以上）が生じ、エミッタ３５先端部から電子が放出される。このような構造の微小冷陰極を基板上にアレイ状に多数並べることにより、大きな電流を放出する平面状の陰極を構成することができる。
【０００４】
このような構成はいわゆる半導体プロセスによる微細加工技術によって形成され、微小冷陰極を高密度に実装することにより、従来の熱陰極と比較して陰極電流密度を５〜１０倍以上とすることができる。
【０００５】
この高密度な陰極電流密度を利用して、電子ビームを高密度化し、受像管装置の蛍光面上に形成される電子ビームスポットを縮小し、高い解像度の受像管装置を得る試みがなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような微細加工プロセスで製造される冷陰極において、冷陰極のシリコン基板サイズをより小さくし、１枚のウエハあたりから製造されるシリコンチップ数を増すことによって冷陰極の製造コストを低減することが望まれる。しかしながら、シリコン基板のサイズを縮小化した場合、エミッタエリア２５とボンディングパッド２６とが近接し、そこに配されるボンディングワイヤー２８とエミッタエリア２５も近接してしまう。ボンディングワイヤー２８はエミッタエリア２５に対し軸非対称に配置されるため、エミッタエリア２５近傍に形成される電界を軸非対称に歪ませる。そのため、電子ビーム通過孔３０を通過する電子ビームも軸非対称にひずみを生じ、受像管の蛍光面に形成される電子ビームスポットの形状も歪みを生じる。電子ビームスポットに歪が生じた場合、受像管装置の解像度を劣化してしまうという問題があった。
【０００７】
同様の課題を解決するものとして、特開平８−１０６８４８号公報には、複数個の電子放出点を有するカソード電極と引き出し電極と集束電極とが絶縁されて積層配置されたものにおいて、給電端子部を覆う遮蔽電極が集束電極に対向配置されたものが記載されている。これは、本発明が対象とする前述の図９および１０に記載のものとは集束電極が積層されている点で構造が異なるものの、ボンディング端子や配線が発生する電界が電子の軌道に影響を及ぼすのを防ごうとする点で本発明と共通の課題を有するものである。しかしながら、本発明が対象とする前述の陰極の構造においては、ボンディングワイヤーが立体的に配置されているために陰極と遮蔽電極との間の距離が大きくなり、遮蔽電極を設けても陰極から遮蔽電極の開口までの間の電界の軸非対称性を改善する効果は小さい。しかも、前述のように陰極サイズの小型化にともないエミッタエリアにボンディングワイヤーがいっそう近接するようになると、遮蔽電極を設けてもエミッタエリア近傍における電界の乱れに対してはまったく効果がなくなってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決することを目的とするものであり、陰極を小さくすることにともなう電子ビームスポットの歪みを生じることなく、安価で高い解像度を実現する電子銃および受像管を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子銃は、基板上に設けられた電子放出電極と、前記電子放出電極と対向する開口が設けられた引き出し電極とを有する陰極と、 前記引き出し電極の後段に、前記引き出し電極と空隙を隔てて設けられた制御電極と、前記引き出し電極と前記制御電極との間に設けられ、前記電子放出電極に電圧を印加するための端子および導線と、前記引き出し電極と前記制御電極との間に設けられ、前記引き出し電極に電圧を印加するための端子および導線とを備え、前記制御電極に印加される電圧が前記引き出し電極に印加される電圧よりも低い電子銃であって、前記引き出し電極と前記制御電極との間にシールド電極がさらに設けられており、前記シールド電極は、前記陰極の方向に突出する、電子ビームが通過する筒状の突出部を有するものである（請求項１）。
【００１０】
この構成によれば、陰極と遮蔽電極との間に筒状の突出部が存在することにより、この間を通過する電子ビームが突出部によって遮蔽され、ボンディングワイヤーが発生する電界の影響を受けることがない。また、突出部内に形成される電界が軸対称形となるので、電子ビーム断面を真円に近いものとすることができる。これにより、蛍光面における電子ビームスポットの歪を生じることなく、陰極の小型化を実現できる。
【００１１】
また、前記突出部は、その先端における内径と、その根元における内径とがほぼ等しいことが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この構成によれば、電子ビームの径を陰極近傍でさらに小さくすることができるため電子ビームスポットの歪を防止するとともに電子ビームスポットの大きさを縮小することができる。
【００１３】
さらに、前記突出部は、その先端における内径が、その根元における内径よりも大きいことが好ましい（請求項３）。
【００１４】
この構成によれば、電子ビームの径を陰極近傍でよりいっそう小さくすることができるため電子ビームスポットの歪を防止するとともに電子ビームスポットの大きさを縮小することができる。
【００１５】
また、本発明の受像管は、前面パネルとファンネルとからなるガラス外囲器と、前記前面パネルの内面に形成された蛍光面と、前記ファンネルのネック部内に配置された電子銃とを備える受像管であって、前記電子銃は、請求項１〜３のいずれかの構成を有することを特徴とする（請求項４）。
【００１６】
この構成によれば、陰極の大きさを小さくすることにともなう電子ビームスポットの歪みを生じることなく、安価で高い解像度を実現する受像管を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図３に示すように、本発明の第１の実施の形態の受像管は、前面パネルとファンネルとからなるガラス外囲器１と、前面パネルの内面に形成された蛍光面２と、ファンネルのネック部３内に配置された電子銃とを備える。電子銃は、陰極構体４、その後段にシールド電極５、制御電極６、加速電極７、集束電極８、最終加速電極９が順番に配置され構成される。
【００１９】
図１に陰極構体４およびシールド電極５、制御電極６、加速電極７の断面図を示す（陰極構体４のみ側面図を示す）。陰極構体４は、絶縁基板１２と、複数の電圧供給リード１３と、電圧供給リード１３と接続された電圧供給端子１４と、絶縁基板上に設置された陰極１５とを備える。シールド電極５は、電子ビームを取り囲む、陰極１５の方向に突出する略円筒形の突出部１０と、平板部１１とで構成される。制御電極６および加速電極７は、電子ビームが通過するための開口をそれぞれ有する。
【００２０】
図２は、陰極１５を拡大して示す断面斜視図である。陰極１５は、基板１６の上に多数配置された、先端が先鋭化された円錐形状の電子放出電極１８（図１０のエミッタ３５に相当）と、電子放出電極１８およびその近傍を除いて基板１６上に形成された絶縁層１７と、個々の電子放出電極１８と対向する開口が多数設けられた引き出し電極１９（図１０のゲート電極３３に相当）とを備える。陰極１５の表面には、電子放出電極１８と引き出し電極１９に異なる電圧を供給するための２つのボンディング端子２０（図９のボンディングパッド２６に相当）がそれぞれ配置される。この２つのボンディング端子２０と陰極構体４上に配置された２つの電圧供給端子１４とは、導線２１（図９のボンディングワイヤー２８に相当）でそれぞれ接続される。
【００２１】
次に、本実施の形態の実施例を示す。
【００２２】
陰極１５は、大きさが１ｍｍ角、厚みが０．４ｍｍである。電子放出電極１８が分布するエミッタ領域（図２の引き出し電極１９の領域）は、直径０．２ｍｍの円形である。ボンディング端子２０は、大きさが０．２ｍｍ角で、陰極１５の端面から約０．１ｍｍ離れた位置に形成される。電子放出電極１８は、底面の直径が約０．４μｍ、高さが約１μｍの円錐形で、先端部の半径が約２０ｎｍに先鋭化される。引き出し電極１９は、直径が０．２ｍｍの円形で、個々の電子放出電極１８と対向する開口の直径は０．９μｍである。電子放出電極１８と引き出し電極１９の開口との対は、直径０．２ｍｍのエミッタ領域内に、隣り合う対どうしの間隔が２μｍで約１万対形成される。電子放出電極１８の先端部と引き出し電極１９とはほぼ同一面上に位置しており、電子放出電極１８の先端部に強い電界を形成する。
【００２３】
陰極基板１６および電子放出電極１８はシリコン（Ｓｉ）で、絶縁層はＳｉＯ2で、引き出し電極はニオブ（Ｎｂ）で、ボンディング端子２０はアルミニウム（Ａｌ）でそれぞれ形成される。ボンディング端子２０と電圧供給端子１４とは、線径１５μｍの金線からなる導線２１を用いてボールボンディング方式で接続される。
【００２４】
ボールボンディング方式は、ボンディング端子２０が約１００℃になるよう陰極構体４を加熱し、導線２１先端をボンディング端子２０に超音波加振すると同時に圧着することにより、ボンディング端子２０と導線２１とを接合する方法である。ボンディング端子２０に接合された導線２１は、シールド電極５の側に凸の円弧形状となり、他端側の電圧給電端子１４に接続される。このとき円弧状の導線２１の最高部は、陰極１５の表面から約０．１ｍｍの位置に達する。これはボールボンディング時に形成されるボール状の導線２１の接続部と、導線２１の接続角によって生じるものであり、約０．１ｍｍ以下にすることは困難である。
【００２５】
電子放出電極１８には、陰極構体４の電圧供給リード１３、電圧供給端子１４、導線２１、ボンディング端子２０を介して、取り出される電子ビーム電流に応じて約１０〜５０Ｖの電圧が供給される。また、引き出し電極１９には、同様に電圧供給リード１３、電圧供給端子１４、導線２１、ボンディング端子２０を介して８５Ｖの一定電圧が印加される。
【００２６】
シールド電極５は、平板部１１の板厚が０．１２ｍｍである。突出部１０は、長さが０．０８ｍｍ、先端（陰極１５の側）の内径が０．２ｍｍ、外径が０．２７ｍｍ、根元（平板部１１の側）の内径が０．２６ｍｍ、外径が０．３３ｍｍである。
【００２７】
制御電極６の開口径は０．８ｍｍ、加速電極７の開口径は１ｍｍであり、集束電極８および最終加速電極９は実効的に約１０ｍｍの口径を有する。すべての電極は、ステンレス鋼材により形成される。各電極の電位は、最終加速電極９に３０ｋＶが、集束電極８に８ｋＶが、加速電極７に７００Ｖが、制御電極６に０Ｖが、シールド電極５には４０Ｖがそれぞれ印加される。各電極の材質、形状、電圧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る。
【００２８】
次に、本発明の電子銃の動作について説明する。
【００２９】
電子放出電極１８に５０Ｖが印加された状態では、電子放出電極１８から電子は放出されない、いわゆるカットオフ状態である。電子放出電極１８の電位を下げていくと、引き出し電極１９と電子放出電極１８の間の電界が強まり、電子放出電極１８の先端部から電子を放出する。この電子放出の電流量は電子放出電極１８の電圧に依存し、電子放出電極１８の電圧を低くすれば放出電流量は大きくなる。エミッタ領域に形成された約１万個の電子放出電極１８の各々からほぼ同量の電子が放出されるため、全エミッタ領域にわたりほぼ均一な電流密度で電子が放出されることになる。
【００３０】
エミッタ領域から放出された電子ビームは、シールド電極５の突出部１０の内部を通過し、制御電極６によって集束作用を受けるとともに、加速電極７により加速され集束電極８に導かれる。電子ビームは、集束電極８および最終加速電極９によって形成される電界レンズによって蛍光面上に電子ビームスポットを形成する。
【００３１】
受像管において高い解像度を得るためには、蛍光面上に形成される電子ビームスポットの大きさをより小さくし、かつ歪のない真円形にすることが望ましい。したがって、電子銃を構成する各電極の電子ビーム通過孔を略円形とし、電子ビームが通過する軸に対して略軸対称な電界レンズを形成している。しかしながら、前述したように陰極構体４においては、電子放出電極１８と引き出し電極１９にそれぞれ１０〜５０Ｖおよび８５Ｖと異なる電圧が印加される。異なる電位の２本の導線２１がエミッタ領域近傍に存在するため、軸非対称な電界が生じることになる。
【００３２】
従来のように、エミッタ領域から離れた位置に導線２１が存在していた場合には、導線２１の上部を遮蔽電極で覆うことにより導線２１による軸非対称電界の影響をある程度低減できた。しかし、本実施の形態のように陰極１５の大きさをより小さくし、エミッタ領域と導線２１の位置を近づけた場合、電子ビームが軸非対称電界の影響を受け、蛍光面上の電子ビームスポットに大きな歪を生じることになる。
【００３３】
図４および図５は、陰極１５、シールド電極５、制御電極６の側面断面図である。一点鎖線はエミッタ領域の中央を通る線（受像管の管軸にほぼ相当）を示し、点線は等電位線を、矢印の束は電子ビームの流れを、ｄはエミッタ領域中央からボンディング端子２０の導線２１の付け根までの距離をそれぞれ示す。また、エミッタ領域の中央から電子ビームの左側（ボンディング端子２０の側）の端までの距離をｘ、同様に電子ビームの右側の端までの距離をｘ’で示す。
【００３４】
シールド電極５に突出部１０がある場合（図４）とない場合（図５）とを比較すると、突出部１０がない場合には電子ビームの軌道差（距離ｘとｘ’との差で定義する）が大きくなるのに対し、突出部１０がある場合には電子ビームの軌道差がほとんどないことがわかる。これは、等電位線の分布からも明らかなように、突出部１０が存在することにより、導線２１による電界の乱れが電子ビームに及ばなくなるとともに、突出部１０の内部の電位分布がほぼ軸対称形になることによるものである。
【００３５】
図６は、突出部１０がある場合（ａ）とない場合（ｂ）について、電子ビームスポットの形状を発明者が実際に観察した結果を示す。突出部１０を設けることにより、電子ビームスポットの歪が改善され、真円に近いものとなっていることがわかる。このように電子ビームスポットの歪を改善することにより受像管の解像度を向上させることができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３７】
本実施の形態は、シールド電極５の突出部１０の開口径について、先端（陰極１５側）の内径と根元部（平板部１１側）の内径とが同等の大きさである点で、第１の実施の形態とは相違している。
【００３８】
図７に本実施の形態における陰極１５、シールド電極５、制御電極６の側面拡大断面図を示す。一点鎖線、点線、矢印は、図４および５と同様に、エミッタ領域の中心線、等電位線、電子ビーム束をそれぞれ示す。
【００３９】
本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、陰極１５の近傍の電子ビームを覆うように突出部１０が存在することにより、導線２１の非対称電界による電子ビームスポットの歪の発生を改善することができる。さらに、突出部１０が円筒形であるため、根元に近づくほど内径が大きくなる第１の実施の形態と比べ、シールド電極５の近傍により強い集束電界レンズを形成することができる。これにより、陰極１５から出射した電子ビーム束を制御電極６近傍で縮小することができ、より小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００４０】
実施例を示すと、突出部１０は、長さが０．０８ｍｍ、先端、根元ともに内径が０．２ｍｍ、外径が０．２７ｍｍ、シールド電極５の平板部１１の板厚は０．１２ｍｍである。陰極の他の部分、電子銃の構造、材質、印加電圧等は第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００４２】
本実施の形態は、上記の２つの実施の形態とは、シールド電極５の突出部１０の開口径について、先端の内径を根元部の内径よりも大きくした構造を有している点が相違している。すなわち、第１の実施の形態とは逆に、突出部は根元に近づくほど狭まる形状を有する（図示は省略）。
【００４３】
本実施の形態では、第２の実施の形態と比べ、シールド電極５の内部における等電位線の分布がさらに密になり、シールド電極５の近傍により強い集束電界レンズを形成することができる。これにより陰極１５から出射した電子ビーム束を制御電極６近傍で縮小することができ、より小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００４４】
実施例を示すと、突出部１０は、長さが０．０８ｍｍ、先端の内径が０．２ｍｍ、外径が０．２７ｍｍ、根元の内径が０．１５ｍｍ、外径が０．２２ｍｍ、平板部１１の板厚は０．１２ｍｍである。その他は他の実施の形態と同様である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子銃および受像管では、電子放出電極と引出し電極に電圧を給電する導線と電子ビームとの間を遮蔽するような円筒形状の突出部を有するシールド電極を配したことにより、陰極の大きさを小さくし、エミッタ領域と導線との間の距離を小さくしても電子ビームスポットに歪を生じることなく高い解像度を実現できる。
【００４６】
また、本発明で用いる冷陰極は半導体プロセスによりシリコンウエハより製造されるため、陰極の大きさが小さいほど一枚のシリコンウエハから製造される陰極数をより多くすることができる。したがって、陰極の大きさを小さくすればするほど陰極の価格を低減することができる。すなわち、本発明によれば、陰極の大きさを従来より大幅に縮小することにより陰極構体の価格を大幅に低減できるため、安価で高い解像度を実現する受像管装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子銃の陰極構体および近傍の電極の構造を示す断面図（一部は側面図）
【図２】本発明の電子銃の陰極の断面斜視図
【図３】本発明の受像管の側面断面図
【図４】本発明の電子銃の陰極近傍の断面構造および電子ビーム軌道を示す図
【図５】従来の電子銃の陰極近傍の断面構造および電子ビーム軌道を示す図
【図６】本発明および従来の電子ビームスポットの形状を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態の陰極近傍の構造および電子ビーム軌道を示す図
【図８】従来の受像管の側面断面図
【図９】従来の冷陰極の断面斜視図
【図１０】従来の冷陰極のエミッタ領域の断面斜視図
【符号の説明】
４  陰極構体
５  シールド電極
６  制御電極
１０  突出部
１１  平板部
１２  絶縁基板
１４  電圧供給端子
１５  陰極
１６  基板
１７  絶縁層
１８  電子放出電極
１９  引き出し電極
２０  ボンディング端子
２１  導線
【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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