JP3305168B2 - 電子線発生装置および該電子線発生装置を用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線発生装置お
よびこれを用いた画像表示装置等の画像形成装置に関わ
り、特に表面伝導型電子放出素子を多数個備える電子線
発生装置および画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子としては、熱電子源
と冷陰極電子源の２種類が知られており、また、これら
の電子源を利用した画像形成装置が知られている。

【０００３】熱電子源を用いた平面型の画像形成装置と
しては、図１１に示すものが知られている。図１１は、
熱電子源を用いた従来の画像形成装置の概略構成図であ
る。この画像形成装置は、絶縁支持体１５０１上に平行
に配置され、表面に電子線衝撃により発光する部材（蛍
光体）が塗布された複数の陽極１５０２と、陽極１５０
２と平行に、かつ、対向して配置された複数のフィラメ
ント１５０３と、陽極１５０２とフィラメント１５０３
との間に、陽極１５０２およびフィラメント１５０３と
直交して配置された複数のグリッド１５０４とを有し、
これら陽極１５０２、フィラメント１５０３およびグリ
ッド１５０４は、透明の容器１５０５内に保持されてい
る。容器１５０５は、その内部の真空を保持できるよう
に絶縁支持体１５０１に気密接着（以下、「封着」とい
う）され、容器１５０５と絶縁支持体１５０１とで構成
される外囲器の内部は１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空に保た
れている。

【０００４】フィラメント１５０３は、真空中で加熱さ
れることにより電子を放出し、グリッド１５０４と陽極
１５０２に適当な電圧を印加することにより、フィラメ
ント１５０３から放出された電子が陽極１５０２に衝突
し、陽極１５０２上に塗布された蛍光体が発光する。陽
極１５０２の列（Ｘ方向）とグリッド１５０４の列（Ｙ
方向）をマトリクスアドレッシングすることにより、発
光する位置の制御が可能となり、容器１５０５を通して
画像を表示することができる。

【０００５】しかし、熱電子源を用いた画像形成装置
は、 （１）消費電力が大きい。 （２）変調スピードが遅いため、大容量の表示が困難で
ある。 （３）各素子間のばらつきが生じやすく、また構造が複
雑となるため大画面化が難しい。 という問題点がある。

【０００６】そこで、熱電子源にかえて、冷陰極電子源
を用いた画像形成装置が考えられている。

【０００７】冷陰極電子源には電界放出型（以下、ＦＥ
型という）、金属／絶縁層／金属型（以下、ＭＩＭ型と
いう）や表面伝導型電子放出素子等がある。

【０００８】ＦＥ型の例としては、W.P.Dyke & W.W.Dol
an, "Field emission", Advance inElectron Physics,
8, 89(1956)、あるいはC.A.SPindt, "PHYSICAL Propert
iesof thin-filmfield emission cathodes with moybde
nium coces", J.Appl.Phys., 47, 5248(1976) 等が知ら
れている。

【０００９】このＦＥ型の電子源を用いた画像形成装置
の例について図１２を用いて説明する。図１２は、ＦＥ
型の電子源を用いた従来の画像形成装置を一部拡大して
示した概略構成図である。

【００１０】図１２に示すようにこの画像形成装置は、
多数の電子放出素子が形成された電子源２００１と、電
子源２００１に対向配置されたフェースプレート２００
３とを有する。電子源２００１は、絶縁性基板上２０１
１に導電体２０１２を介して電気的に接続されて形成さ
れた多数のマイクロポイント２０１３と、マイクロポイ
ント２０１３に対応した開口を有し、絶縁層２０１４に
よりマイクロポイント２０１３とは絶縁されて絶縁性基
板２０１１に支持されたグリッド２０１５とで構成され
る。マイクロポイント２０１３の底部の直径および高さ
は約２μｍであり、グリッド２０１５の開口径も約２μ
ｍである。フェースプレート２００３は、ガラス板２０
３１の内面に塗布された蛍光体２０３２と、蛍光体２０
３２を被覆し、マイクロポイント２０１３から放出され
た電子を加速するための電圧が印加される加速電極とし
て作用する導電膜２０３３とで構成される。

【００１１】上記構造において、マイクロポイント２０
１３の先端部とグリッド２０１５間の距離は非常に小さ
く（１μｍ以下）、また、マイクロポイント２０１３の
先端部が突起状であることから、マイクロポイント２０
１３とグリッド２０１５間には１００Ｖ以下の電位差で
も、電界電子放出可能な強電界（１０⁷ Ｖ／ｃｍ以上）
が形成できる。１つのマイクロポイント２０１３からの
電子放出量は数μＡ程度得られるが、平方ｍｍ当り数万
個程度のマイクロポイント２０１３を形成することが可
能なため、画像形成装置においては、通常は数千個から
数万個程度のマイクロポイント２０１３の集合で１つの
画素に対応する電子放出素子を構成する。したがって、
１画素に対応する電子放出素子当り数ｍＡ以上の電子放
出量が得られる。

【００１２】グリッド２０１５およびマイクロポイント
２０１３へ与える電位としては、例えばグリッド２０１
５にアース電位（０Ｖ）を与え、マイクロポイント２０
１３には導電体２０１２を通じて負電位（−１００Ｖ程
度）を印加することで電子放出が可能となる。さらに、
フェースプレート２００３に導電膜２０３３を通じ、グ
リッド２０１５と同じかそれ以上の電位が印加されるこ
とにより、電子源２００１から放出された電子が蛍光体
２０３２に衝突し、蛍光体を励起、発光させる。

【００１３】この発光点を制御するために、複数のマイ
クロポイント２０１３が電気的に接続された導電体２０
１２がＸ方向に帯状に配列されて形成される複数の行配
線２０４１と、グリッド２０１５がＹ方向に電気的に接
続される列配線２０４２とを設け、この行列状の配線パ
ターンの交差部に形成される複数の電子放出素子領域２
０１０のうち所望の領域に、外部電源２０４３、２０４
４により所望の電子放出開始電圧以上の電圧が印加され
るようにマトリクスアドレッシングし、加速電圧印加電
源２０４５から導電膜２０３３を通じて電圧が印加され
ている蛍光体２０３２に電子が照射される位置を選択す
ることで画像を表示することができる。一方、ＭＩＭ型
の例としては、C.A.Mead, "Operation of Tunnel-emiss
ion Devices", J.Appl.Phys., 32, 646(1961) 等が知ら
れている。

【００１４】表面伝導型電子放出素子の例としては、M.
I.Elinson, Radio Eng. Electron Phys., 10, (1965)等
がある。表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成され
た小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことによ
り、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この
表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等に
よるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの
［G.Dittmer:"Thin SolidFilms", 9, 317(1972)］、Ｉ
ｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［M.Hartwell andC.G.
Fonstad:"IEEE Trans. ED Conf.", 519(1975)］、カー
ボン薄膜によるもの［荒木久 他：真空、第２６巻、第
１号、２２頁（１９８３）］等が報告されている。

【００１５】これらの表面伝導型電子放出素子の素子構
成の典型的な例として、前述のＭ．Ｈａｒｔｗｅｌｌら
による素子の平面図を図１３に示す。同図において３０
０１は基板で、３００４はスパッタで形成された金属酸
化物よりなる導電性薄膜である。導電性薄膜３００４は
図示のようにＨ字形の平面形状に形成されている。該導
電性薄膜３００４に後述の通電フォーミングと呼ばれる
通電処理を施すことにより、電子放出部３００５が形成
される。図中の間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗは０．１
ｍｍで設定されている。尚、図示の便宜から、電子放出
部３０５は導電性薄膜３００４の中央に矩形の形状で示
したが、これは摸式的なものであり、実際の電子放出部
の位置や形状を忠実に表現しているわけではない。

【００１６】Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌらによる素子をはじ
めとして上述の表面伝導型電子放出素子においては、電
子放出を行う前に導電性薄膜３００４に通電フォーミン
グと呼ばれる通電処理を施すことによりでんし放出部３
００５を形成するのが一般的であった。すなわち、通電
フォーミングとは、前記導電性薄膜３００４の両端に一
定の直流電流、もしくは、例えば１Ｖ／分程度の非常に
ゆっくりとしたレートで昇圧する直流電流を印加して通
電し、導電性薄膜３００４を局所的に破壊もしくは変形
もしくは変質させ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部
３００５を形成することである。尚、局所的に破壊もし
くは変形もしくは変質した導電性薄膜３００４の一部に
は、亀裂が発生する。前記通電フォーミング後に導電性
薄膜３００４に適宜の電圧を印加した場合には、前記亀
裂付近において電子放出が行われる。

【００１７】上述した冷陰極電子源は、例えばフォトリ
ソグラフィやエッチング等の技術を用いて形成できるた
め、多数個の素子を微小な間隔で配置することが可能で
ある。しかも熱電子源と比較すると、陰極や周辺部が比
較的低温の状態で駆動できるため、より微細な配列ピッ
チのマルチ電子線発生源を容易に実現できる。このよう
な冷陰極電子源の中でも、特に表面伝導型電子放出素子
は、素子構造が単純でしかも製造が容易であり、大面積
のものを容易に製造できるという利点があるので、近年
求められている大画面の画像形成装置に使用される電子
放出素子としては好適である。

【００１８】例えば、この種の電子放出素子を用いた画
像形成装置としては、電子放出素子が設けられた電子源
と、電子の衝突により発光する蛍光体等を備えた画像形
成部材とを支持枠を介して対向配置し、これら電子源と
画像形成部材と支持枠とで構成される外囲器の内部を真
空にしたものが知られていいる。また、画像形成部材に
は、電子源から放出された電子を画像形成部材に向けて
加速するための加速電極が備えられ、加速電極に高電圧
を印加することで放出電子が画像形成部材へ向けて加速
され、画像形成部材に衝突する。そのため支持枠は、高
電圧に耐える絶縁性材料で構成されている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の画像形成装置においては、電子源から放出される電子
が画像形成部材の蛍光体に衝突することによって発光す
る現象を利用しているが、電子の画像形成部材への衝突
の際の反応や、装置内部の雰囲気ガスを電離することに
より正イオンが発生する。この正イオンは、加速電極に
より電子源と画像形成部材との間に生じた電界により電
子源から放出された電子とは反対方向に加速され、電子
源上に到達する。一方、電子源には、電子放出素子の素
子電極のパターニングに必要な絶縁部分が多く存在して
いる。そのため、電子源に到達した正イオンが電子源の
絶縁部分に帯電すると、電子放出素子から放出される電
子は、帯電した絶縁部分の方向に曲げられて軌道がず
れ、発光位置のずれなどの問題が生じる。また、帯電電
荷によって放電等が引き起こされる確率が高くなり、装
置の信頼性や寿命も損なわれてしまう。電子源の帯電を
防止するためには、電子源の絶縁部分を導電材で覆い電
位を規定することが考えられるが、最低限、どの範囲ま
で導電材で覆えば確実に電子源の帯電を防止できるかと
いう点に関しては明確になっていなかった。電子源の絶
縁部分を全て導電材で覆えば確実に電子源の帯電を防止
できるが、必要以上に覆うことは無駄である。

【００２０】本出願人は、表面伝導型電子放出素子を用
いた画像形成装置をより簡単な構成で実現する方法とし
て、複数本の行方向配線と複数本の列方向配線とによっ
て、表面伝導型電子放出素子の対向する１対の素子電極
をそれぞれ結線することで、行列状に、多数個の表面伝
導型電子放出素子を配列した単純マトリクス型の電子源
を構成し、行方向と列方向に適当な駆動信号を与えるこ
とで、多数の表面伝導型電子放出素子を選択し、電子放
出量を制御し得る系を考えている。このような、表面伝
導型電子放出素子を用いた単純マトリクス型の画像形成
装置においても、同様に絶縁性部材の表面に帯電が生
じ、電子軌道に影響が出るおそれがある。上述した電子
の軌道がずれるという問題は、電子被照射部材として蛍
光体を用いていない電子線発生装置においても画像形成
装置と同様に発生する。

【００２１】そこで本発明は、最小限の範囲を電位規定
することで確実に電子源の帯電を防止し、放出電子軌道
を安定させる電子線発生装置および画像形成装置を提供
することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の電子線発生装置は、電子放出素子が設けられた
電子源と、前記電子放出素子から放出された電子を照射
させるために前記電子源に真空雰囲気中で対向配置さ
れ、前記電子放出素子から放出された電子を加速するた
めの加速電極を備えた電子被照射部材とを有する電子線
発生装置において、前記電子被照射部材の前記電子放出
素子から放出された電子が照射される位置から見て、前
記電子被照射部材の面に垂直な方向に対する角度をθと
したとき、ｔａｎθ≦２を満たす範囲内に、電位が規定
されている電位規定部が存在し、 前記電子源の表面に電
位規定膜が形成されるとともに、前記電子源の外周に、
前記電子被照射部材へ向かって延びる壁状電極が形成さ
れ、前記電子放出素子およびその電気配線と、前記電位
規定膜と、前記壁状電極とで前記電位規定部が構成され
ることを特徴とする。

【００２３】前記電位規定部は、その全表面積に対し
て、５０％以上の面積については表面抵抗が１×１０⁵
Ω／□以下の導電体で構成され、残りの面積については
表面抵抗が１×１０¹²Ω／□以下の導電体で構成されて
いるものであってもよい。

【００２４】また、前記電子被照射部材から前記電位規
定部までの距離をｄとしたとき、前記電位規定部の、前
記電子が照射される位置と対向する位置から、前記電子
源の面と平行ないずれの方向にも少なくとも２ｄの範囲
内に前記電位規定部が存在しているものであってもよ
い。

【００２５】

【００２６】さらに、前記電子放出素子は、冷陰極型電
子放出素子であってもよく、その中でも特に表面伝導型
電子放出素子を用いたものであってもよい。

【００２７】

【００２８】本発明の画像形成装置は、上記本発明の電
子線発生装置を用い、前記電子被照射部材に代えて、前
記電子源に対向配置され、前記電子放出素子から放出さ
れた電子が衝突することにより発光する蛍光体および前
記電子放出素子から放出された電子を加速するための加
速電極を備えた画像形成部材としたものである。

【００２９】上記のとおり構成された本発明の電子線発
生装置では、電子源の電子放出素子から電子が放出さ
れ、電子被照射部材に照射されると、電子被照射部材か
らは正イオンが発生する。この正イオンは、加速電極に
電圧を印加することにより電子源と電子被照射部材との
間に生じる電位差によって、電子放出素子から放出され
た電子とは逆方向、すなわち電子源に向けて加速され
る。このとき、電子被照射部材の電子放出素子から放出
された電子が照射される位置から見て、電子被照射部材
の面に垂直な方向に対する角度をθとすると、正イオン
はｔａｎθ≦２を満たす範囲内にある部材に付着する。
そこで、前記範囲内の電位を規定する電位規定部を設け
ることにより正イオンは電子源に帯電することがなくな
り、電子放出素子から放出される電子の軌道が安定す
る。

【００３０】このとき、電位規定部全体を抵抗値が低い
導電体で構成することが不可能な場合は、電位規定部の
全表面積に対して、５０％以上の面積については表面抵
抗が１×１０⁵ Ω／□以下の導電体で構成され、残りの
面積については表面抵抗が１×１０¹²Ω／□以下の導電
体で構成すれば、電子源の帯電を防止するのに十分であ
る。

【００３１】

【００３２】さらに、電子源の外周に、電子被照射部材
へ向かって延びる壁状電極が形成され、この壁状電極で
電位規定部の一部を構成することで、電子源の大きさが
ｔａｎθ≦２を満たす範囲よりも小さくても、これを越
える範囲については壁状電極で電位が規定される。その
結果、電子源の大きさが小さくてすみ、同じ電子被照射
部材の大きさでより小さな電子線発生装置が構成され
る。

【００３３】そして本発明は、複数本の行方向配線と複
数本の列方向配線とによって表面伝導型電子放出素子を
それぞれ結線することで、行列状に多数個の表面伝導型
電子放出素子を配列した単純マトリクス型の電子源を用
いた電子線発生装置に好適である。上記単純マトリクス
型の電子源は、行方向と列方向に適当な駆動信号を与え
ることで、多数の表面伝導型電子放出素子を選択し電子
放出量を制御し得るので、基本的には他の制御電極を付
加する必要がなく、１枚の基板上で容易に構成できる。

【００３４】もちろん、本発明は電子源と電子被照射部
材との間に何らかの付加構造（例えば集束電極や偏向電
極等）を有する場合についても、上記の考え方を該付加
構造間の各々の空間に適用し、支持部材に設けられる複
数の電極の構成を決めることで同様の効果を与える。さ
らに、上記付加構造が上記複数の電極の一部を兼ねる場
合についても適用できる。

【００３５】本発明の画像形成装置では、本発明の電子
線発生装置で用いた電子被照射部材に代えて、電子源に
対向配置され、電子放出素子から放出された電子が衝突
することにより発光する蛍光体および電子放出素子から
放出された電子を加速するための加速電極を備えた画像
形成部材を用いているので、上述したように電子放出素
子から放出される電子の軌道が安定し、その結果、発光
位置のずれのない良好な画像が形成される。

【００３６】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。

【００３７】（第１参考例）図１は、本発明の電子線発
生装置を応用した画像形成装置の第１参考例の一部を破
断した斜視図であり、図２は、図１に示した画像形成装
置をＹ方向から見た断面を模式的に示した図である。

【００３８】図１において、リアプレート２には、複数
の表面伝導型の電子放出素子１５がマトリクス状に配列
された電子源１が固定されている。電子源１には、ガラ
ス基板６の内面に蛍光膜７と加速電極であるメタルバッ
ク８が形成された、画像形成部材としてのフェースプレ
ート３が、絶縁性材料からなる支持枠４を介して対向配
置されており、電子源１とメタルバック８との間には、
不図示の電源により高電圧が印加される。これらリアプ
レート２、支持枠４およびフェースプレート３は互いに
フリットガラス等で封着され、リアプレート２と支持枠
４とフェースプレート３とで外囲器１０を構成する。

【００３９】また、電子源１の表面には、各電子放出素
子１５およびそれらを電気的に接続する配線を除く部位
の所定の範囲（図１中、破線で示した範囲）にＳｎＯ₂
膜からなる電位規定膜が形成され、この範囲内が電位規
定部９となっている。

【００４０】電位規定部９は、図２に示すように、メタ
ルバック８と電子源１との間の距離をｄとし、メタルバ
ック８上において各電子放出素子１５から放出された電
子が実際に照射される最大の領域をＡとしたとき、この
領域Ａの最外郭から電子源１に向かって垂線を下ろし、
この垂線で囲まれた領域よりも電子源１の面に平行ない
ずれの方向にも２ｄだけ大きい領域Ｂに位置する。すな
わち、図２に示した領域Ｃ（領域Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞ
れ図２ではＸ方向の線分で示されているが、Ｙ方向につ
いても同様に考える）のＸ方向およびＹ方向の長さが２
ｄということである。これを言い替えると、メタルバッ
ク８の、電子放出素子１５から放出された電子が実際に
照射される位置から見て、電子源１の面に垂直な方向に
対する角度をθとしたとき、ｔａｎθ≦２を満たす範囲
に電位規定部９が存在することになる。本実施例では、
電子源１とメタルバック８との間の距離ｄを５ｍｍとし
た。

【００４１】以下に、上述した各構成要素について詳細
に説明する。

【００４２】（１）電子源１ 図３は、図１に示した画像形成装置の電子源の要部平面
図であり、図４は、図３に示した電子源のＡ−Ａ’線断
面図である。

【００４３】図３および図４に示すように、ガラス基板
等からなる絶縁性基板１１には、ｍ本のＸ方向配線１２
とｎ本のＹ方向配線１３とが、層間絶縁層１４で電気的
に分離されてマトリクス状に配線されている。各Ｘ方向
配線１２と各Ｙ方向配線１３との間には、それぞれ表面
伝導型の電子放出素子１５が電気的に接続されている。
各電子放出素子１５は、それぞれＸ方向に間をおいて配
置された１対の素子電極１６、１７と、各素子電極１
６、１７を連絡する電子放出部形成用薄膜１８とで構成
され、１対の素子電極１６、１７のうち一方の素子電極
１６が、層間絶縁層１４に形成されたコンタクトホール
１４ａを介してＸ方向配線１２に電気的に接続され、他
方の素子電極１７がＹ方向配線１３に電気的に接続され
る。各素子電極１６、１７は、それぞれ導電性金属等か
らなるものであり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等
で形成される。

【００４４】絶縁性基板１１の大きさ及び厚みは、絶縁
性基板１１に設置される電子放出素子１５の個数および
個々の素子の設計上の形状や、電子源１の使用時に容器
の一部を構成する場合には、その容器を真空に保持する
ための条件等に依存して適宜設定される。

【００４５】各Ｘ方向配線１２および各Ｙ方向配線１３
は、それぞれ絶縁性基板１１上に、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等により所望のパターンに形成された導
電性金属等からなり、多数の電子放出素子１５にできる
だけ均等な電圧が供給されるように、材料、膜厚、配線
巾が設定される。また、層間絶縁層１４は、真空蒸着
法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂ 等であ
り、Ｘ方向配線１２を形成した絶縁性基板１１の全面或
いは一部に所望の形状で形成され、特にＸ方向配線１２
とＹ方向配線１３の交差部の電位差に耐え得るように、
膜厚、材料、製法が適宜設定される。

【００４６】また、Ｘ方向配線１２には、Ｘ方向に配列
する電子放出素子１５の行を任意に走査するための走査
信号を印加するための不図示の走査信号発生手段と電気
的に接続されている。一方、Ｙ方向配線１３には、Ｙ方
向に配列する電子放出素子１５の各列を任意に変調する
ための変調信号を印加するための不図示の変調信号発生
手段と電気的に接続されている。ここにおいて、各電子
放出素子１５に印加される駆動電圧は、当該素子に印加
される走査信号と変調信号の差電圧として供給されてい
るものである。

【００４７】ここで、電子源１の製造方法の一例につい
て図５により工程順に従って具体的に説明する。尚、以
下の工程ａ〜ｈは、図５の（ａ）〜（ｈ）に対応する。

【００４８】工程ａ：清浄化した青板ガラス上に厚さ
０．５μｍのシリコン酸化膜をスパッタ法で形成した絶
縁性基板１１上に、真空蒸着により厚さ５０オングスト
ロームのＣｒ、厚さ６０００オングストロームのＡｕを
順次積層した後、ホトレジスト（ＡＺ１３７０ ヘキス
ト社製）をスピンナーにより回転塗布、べークした後、
ホトマスク像を露光、現像して、Ｘ方向配線１２のレジ
ストパターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積膜をウエットエ
ッチングして、所望の形状のＸ方向配線１２を形成す
る。

【００４９】工程ｂ：次に、厚さ０．１μｍのシリコン
酸化膜からなる層間絶縁層１４をＲＦスパッタ法により
堆積する。

【００５０】工程ｃ：工程ｂで堆積したシリコン酸化膜
にコンタクトホール１４ａを形成するためのホトレジス
トパターンを作り、これをマスクとして層間絶縁層１４
をエッチングしてコンタクトホール１４ａを形成する。
エッチングはＣＦ₄ Ｈ₂ とガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａ
ｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法による。

【００５１】工程ｄ：その後、素子電極と素子電極間ギ
ャップとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤー２０
００Ｎー４１ 日立化成社製）で形成し、真空蒸着法に
より厚さ５０オングストロームのＴｉ、厚さ１０００オ
ングストロームのＮｉを順次堆積した。ホトレジストパ
ターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフト
オフし、素子電極間隔Ｌ１（図３参照）が３μｍ、素子
電極幅Ｗ１（図３参照）が３００μｍである素子電極１
６、１７を形成する。

【００５２】工程ｅ：素子電極１６、１７の上にＹ方向
配線１３のホトレジストパターンを形成した後、厚さ５
０オングストロームのＴｉ、厚さ５０００オングストロ
ームのＡｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフに
より不要の部分を除去して、所望の形状のＹ方向配線１
３を形成する。

【００５３】工程ｆ：図６に示すような、素子電極間隔
Ｌ１だけ間をおいて位置する１対の素子電極１６、１７
を跨ぐような開口２０ａを有するマスク２０を用い、膜
厚１０００オングストロームのＣｒ膜２１を真空蒸着に
より堆積・パターニングし、その上に有機Ｐｄ（ｃｃｐ
４２３０ 奥野製薬（株）社製）をスピンナーにより回
転塗布、３００℃で１０分間の加熱焼成処理をした。

【００５４】このようにして形成されたＰｄを主元素と
する微粒子からなる電子放出部形成用薄膜１８の膜厚は
約１００オングストローム、シート抵抗値は５×１０⁴
Ω／□であった。なお、ここで述べる微粒子膜とは、複
数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造として、
微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、微粒子が
互いに隣接、あるいは、重なり合った状態（島状も含
む）の膜をさし、その粒径とは、前記状態で粒子形状が
認識可能な微粒子についての径をいう。

【００５５】工程ｇ：酸エンチャントによりＣｒ膜２１
を除去して、所望のパターン形状を有する電子放出部形
成用薄膜１８を形成した。

【００５６】工程ｈ：コンタクトホール１４ａ部分以外
にレジストを塗布するようなパターンを形成し、真空蒸
着により厚さ５０オングストロームのＴｉ、厚さ５００
０オングストロームのＡｕを順次堆積した。リフトオフ
により不要の部分を除去することにより、コンタクトホ
ール１４ａを埋め込んだ。

【００５７】以上の工程を経て、Ｘ方向配線１２、Ｙ方
向配線１３および電子放出素子１５が絶縁性基板１１上
に２次元状に等間隔に形成配置される。

【００５８】その後、層間絶縁層１４が露出している部
位、すなわちＸ方向配線１２、Ｙ方向配線１３、素子電
極１６、１７、および電子放出部形成用薄膜１８で覆わ
れていない部位の表面抵抗値が１×１０¹¹Ω／□程度に
なるように、イオンプレーティング法によりＳｎＯ₂ 膜
（電位規定膜）をマスクパターニングして蒸着し、Ｘ方
向配線１２、Ｙ方向配線１３、素子電極１６、１７、電
子放出部形成用薄膜１８、および電位規定膜で電位規定
部９とした。電位規定膜の膜厚は１０００オングストロ
ームとした。また、電位規定部９の大きさは、電子源１
とメタルバック８との間の距離ｄ（図２参照）を５ｍｍ
としたとき、電子放出部２３（図４参照）から放出され
る電子が後述する駆動条件の下では、電子源１の面に垂
直な方向に対して約１ｍｍずれるという実験結果に基づ
き、最も外側の電子放出部２３からＸ方向およびＹ方向
にそれぞれ１１ｍｍずつ大きく製作した。

【００５９】このようにして作製された電子源１は、フ
リットガラスによりリアプレート２に固定されて外囲器
１０の内部に収容され、外囲器１０を、不図示の排気管
を通じて真空ポンプにて排気し、十分な真空度に達した
後、容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍとＤｏｙ１ない
しＤｏｙｎを通じ、電子放出素子１５の素子電極１６、
１７間に電圧を印加し、電子放出部形成用薄膜１８を通
電処理（フォーミング処理）することにより電子放出部
形成用薄膜１８が局所的に破壊して電子放出部形成用薄
膜１８に電子放出部２３（図４参照）が形成される。例
えば、フォーミング処理として、１０^-6Ｔｏｒｒの真空
雰囲気下で、図７に示すようなパルス幅Ｔ₁が１ミリ
秒、波高値（フォーミング時のピーク電圧）が５Ｖの三
角波を、１０ミリ秒のパルス間隔Ｔ₂ で６０秒間、素子
電極１６、１７間に通電することにより、電子放出部形
成用薄膜１８が局所的に破壊され、電子放出部形成用薄
膜１８に電子放出部２３を形成できる。

【００６０】このようにして形成された電子放出部２３
は、パラジウム元素を主成分とする微粒子が分散配置さ
れた状態となり、その微粒子の平均粒径は３０オングス
トロームであった。

【００６１】（２）蛍光膜７ 蛍光膜７は、モノクロームの場合は蛍光体のみから成る
が、カラーの場合は、図８に示されるように蛍光体の配
列によりブラックストライプあるいはブラックマトリク
スなどと呼ばれる黒色導電材７ｂと蛍光体７ａとで構成
される。蛍光体７ａは電子放出素子１５に対応して配置
する必要があるので、外囲器１０を構成する場合、フェ
ースプレート３とリアプレート２との位置合わせを精度
よく行なわなければならない。ブラックストライプ、ブ
ラックマトリクスが設けられる目的は、カラー表示の場
合必要となる三原色蛍光体の、各蛍光体７ａ間の塗り分
け部を黒くすることで混色を目立たなくすることと、蛍
光膜７における外光反射によるコントラストの低下を抑
制することである。黒色導電材７ｂの材料としては、通
常よく用いられている黒鉛を主成分とする材料だけでな
く、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料であ
れば適用できる。また、ガラス基板６に蛍光体７ａを塗
布する方法はモノクローム、カラーによらず、沈殿法や
印刷法が用いられる。

【００６２】（３）メタルバック８ メタルバック８の目的は、蛍光体７ａの蛍光のうち内面
側への光をフェースプレート３側へ鏡面反射することに
より輝度を向上すること、電子ビーム加速電圧を印加す
るための加速電極として作用すること、外囲器１０内で
発生した負イオンの衝突によるダメージからの蛍光体７
ａの保護等である。メタルバック８は、蛍光膜７を作製
後、蛍光膜７の内側表面の平滑化処理（通常フィルミン
グと呼ばれる）を行い、その後Ａｌを真空蒸着等で堆積
することで作製できる。フェースプレート３には、さら
に蛍光膜７の導電性を高めるため、蛍光膜７とガラス基
板６との間にＩＴＯ等の透明電極（不図示）を設けても
よい。

【００６３】（４）外囲器１０ 外囲器１０は、不図示の排気管に通じ、１０^-6Ｔｏｒｒ
程度の真空度にされた後、封止される。そのため、外囲
器１０を構成するリアプレート２、フェースプレート
３、支持枠４は、外囲器１０に加わる大気圧に耐えて真
空雰囲気を維持でき、かつ、電子源１とメタルバック８
間に印加される高電圧に耐えるだけの絶縁性を有するも
のを用いることが望ましい。その材料としては、例えば
石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少したガラス、
青板ガラス、アルミナ等のセラミックス部材等が挙げら
れる。ただし、フェースプレート３については可視光に
対して一定以上の透過率を有するものを用いる必要があ
る。また、各々の部材の熱膨張率が互いに近いものを組
み合わせることが好ましい。

【００６４】また、フェースプレート３と支持枠４との
フリットガラスによる封着、およびリアプレート２と支
持枠４とのフリットガラスによる封着は、それぞれの接
合部にフリットガラスを塗布し、大気中あるいは窒素雰
囲気中で４００〜５００℃で１０分以上焼成することで
行なった。

【００６５】一方、リアプレート２は、主に電子源１の
強度を補強する目的で設けられるため、電子源１自体で
十分な強度をもつ場合にはリアプレート２は不要であ
り、電子源１に直接支持枠４を封着し、電子源１と支持
枠４とフェースプレート３とで外囲器１０を構成しても
よい。

【００６６】また、外囲器１０の封止後の真空度を維持
するために、ゲッター処理を行う場合もある。これは、
外囲器１０の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加
熱あるいは高周波加熱等により、外囲器１０内の所定の
位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜
を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａが主成分で
あり、該蒸着膜の吸着作用により、たとえば１×１０^-5
〜１×１０^-7Ｔｏｒｒの真空度を維持するものである。

【００６７】次に、本参考例の動作について説明する。

【００６８】各電子放出素子１５に、容器外端子Ｄｏｘ
１ないしＤｏｘｍとＤｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じて電
圧を印加すると、電子放出部２３から電子が放出され
る。それと同時にメタルバック８（あるいは不図示の透
明電極）に高圧端子Ｈ_V を通じて５ｋＶの高電圧を印加
して電子放出部２３から放出された電子を加速し、フェ
ースプレート３の内面に衝突させる。これにより、蛍光
膜７の蛍光体７ａ（図８参照）が励起されて発光し、画
像が表示される。

【００６９】ところで、電子放出素子１５から放出され
た電子は、電子源１の面と平行な方向、具体的には電子
放出素子１５の各素子電極１６、１７（図３参照）の正
極側の方向に初速度を持っている。そのため、電子放出
素子１５から放出された電子は、加速されることによっ
て放物線軌道を描いて飛翔し、メタルバック８上におい
て、電子放出部２３から延ばした電子源１の面との垂線
に対して約１ｍｍずれた位置に衝突する。

【００７０】上述したように電子放出部２３から放出さ
れたがフェースプレート３の内面に衝突することにより
蛍光体７ａが発光するが、この発光現象以外に、蛍光膜
７やメタルバック８に付着した粒子が電離・散乱される
現象が生じる。この散乱粒子のうち、正イオンはメタル
バック８に印加される電圧により電子源１側に向かって
加速され、電界に対して垂直方向の初速度に応じて放物
線軌道をとって飛翔する。

【００７１】ここで、電子源１とメタルバック８との間
の電位差をＶａ、正イオンの水平方向の初期運動エネル
ギーの最大値をｅＶｉ（エレクトロンボルト；ｅは単位
電荷量）とすると、メタルバック８の表面に発生した正
イオンが距離ｄだけ離れた電子源１に到達するまでに電
子源１の面に平行な方向への移動距離ΔＳは、正イオン
の垂直方向への初速度を０としたとき、 ΔＳ＝２ｄ×√（ｅＶｉ／Ｖａ）…（１） で表わされる。なお、本参考例では、メタルバック８と
蛍光体７とをあわせた厚さは約５０μｍ以下であるの
で、電子源１とメタルバック８との距離ｄを、絶縁性基
板１１とガラス基板６との距離としても実用上は差し支
えない。

【００７２】仮に、メタルバック８の表面で発生した正
イオンが、メタルバック８に印加された電圧によるエネ
ルギーの全てを受けて電子源１の面と水平な方向に飛び
出したとすると、この正イオンが電子源１に到達するま
での移動距離ΔＳは、（１）式においてＶｉにＶａを代
入し、２ｄとなる。すなわち、メタルバック８の、実際
に電子が衝突する位置から電子源１の面に対する垂線を
延ばし、電子源１の内面上において、この垂線の電子源
１との交点を中心とする半径２ｄの範囲内が、メタルバ
ック８の表面で発生した正イオンが到達する可能性のあ
る部位である。これを角度で表わすと、正イオンが到達
する可能性のある範囲は、 ｔａｎθ≦２ｄ／ｄ＝２ …（２） を満たす範囲ということになる。

【００７３】したがって、少なくとも（２）式を満たす
範囲内を電位規定しておけば、メタルバック８の表面で
発生した正イオンの飛翔方向に電位不定面が存在せず、
電子源１が帯電することがなくなる。本実施例では、上
述したように電位規定部９を設けているので、この電位
規定部９は（２）式を満たしている。もちろん、電位規
定部９の大きさを上述した範囲よりも大きくしても、
（２）式を満たす範囲内が電位規定されていることにな
るので差し支えない。

【００７４】また、電位規定部９を構成する電位規定膜
の抵抗値は比較的高いが、電位規定部９全体に対する電
位規定膜の面積の比率は３０％以内であり、他の部分は
金属からなる電極等、抵抗値が十分に低い導電材で覆わ
れているため、電位を規定するには十分である。すなわ
ち電位規定部９は、その全てが抵抗値が低い導電材で構
成される必要はなく、抵抗値が低いものと高いものとを
組み合せて構成してもよい。この場合、電位規定部９の
面積のうち５０％以上を表面抵抗値が１×１０ ⁵ Ω／□
以下の導電材で構成し、残りの部分を表面抵抗値が１×
１０¹²Ω／□以下の導電材で構成することが好ましい。

【００７５】以上説明したように電子源１上に電位規定
部９を設けることで、フェースプレート３の内面の帯電
が発生しなくなるので、電子放出素子１５から放出され
た電子の軌道が安定し、位置ずれのない良好な画像が得
られた。また、放電等が引き起こされる確率も極めて低
くなり、信頼性の高い画像形成装置が得られた。

【００７６】通常、電子放出素子１５の対の素子電極１
６、１７間の印加電圧は１２〜１６Ｖ程度、メタルバッ
ク８と電子源１との距離ｄは２ｍｍ〜８ｍｍ程度、メタ
ルバック８の印加電圧Ｖａは１ｋＶ〜１０ｋＶ程度であ
る。本実施例では、対の素子電極１６、１７間の印加電
圧は１４Ｖ、メタルバック８と電子源１との距離は上述
したように５ｍｍ、メタルバック８の印加電圧Ｖａは５
ｋＶとした。

【００７７】（第２参考例）図９は、本発明の画像形成
装置の第２参考例の一部を破断した斜視図である。本参
考例では、電子源５１の表面に電位規定膜を形成する代
りに、電子源５１上に、厚さが約１００μｍの絶縁支持
柱（不図示）を介して金属導電板５５が配置されている
点が第１参考例のものと異なる。

【００７８】金属導電板５５は、厚さが約１００μｍの
金属板であり、電子源５１に設けられた複数の電子放出
素子（不図示）から放出された電子が通過可能な電子通
過孔５５ａが、各電子放出素子に対応して形成されてい
る。また、フェースプレート５３のメタルバック５８と
金属導電板５５との間の距離は５ｍｍとし、金属導電板
５５の大きさを、最も外側の電子放出素子の電子放出部
からＸ方向およびＹ方向にそれぞれ１１ｍｍずつ大きく
製作した。金属導電板５５には、外部電源（不図示）に
より、電子放出素子からフェースプレート５３の内面へ
の電子の衝突を妨げないような適当な電圧が印加され、
この金属導電板５５と電子源上の電子放出素子の電極と
で電位規定部が構成されている。その他の構成および駆
動条件については第１参考例と同様なので、その説明は
省略する。

【００７９】このように、電子源５１から離間した位置
に金属導電板５５を配置し、この金属導電板５５で電位
規定部の一部を構成しても、第１参考例と同様の効果を
得ることができる。

【００８０】（実施例）図１０は、本発明の画像形成装
置の実施例の概略断面図である。

【００８１】本実施例では、電子源の１０１外周に、フ
ェースプレート１０３に向かって延びる壁状電極１０５
を設け、この壁状電極１０５と、電子源１０１上に形成
された電位規定膜（不図示）とで、前述した（２）式を
満たす範囲が電気規定されている点が第１参考例のもの
と異なる。

【００８２】壁状電極１０５は電子放出素子１１５の素
子電極または電子源１０１の電位規定膜と電気的に接続
されて電位が規定されている。また、壁状電極１０５の
材料は、導電材であれば特に限定されないが、本実施例
では厚さが１００μｍの４２６合金を用い、フリットガ
ラスにより固定した。その他の構成および駆動条件につ
いては第１参考例と同様なので、その説明は省略する。

【００８３】このように壁状電極１０５を設けることで
も、電子放出素子１１５から放出された電子がメタルバ
ック１０８に衝突することによりメタルバック１０８で
発生する正イオンの到達可能な範囲が電位規定され、電
子源１０１が帯電しなくなるので、第１参考例と同様に
電子放出素子１１５から放出される電子の軌道が安定
し、良好な画像が形成できる。また本実施例では、電子
源１０１の大きさを第１実施例のものに比較して小さく
しても、前述した（２）式を満たす範囲のうち電子源１
０１の大きさを越える範囲については壁状電極１０５で
電位規定されるので、電子源１０１の大きさを小さくで
きる。その結果、同じ画面の大きさでより小さな画像形
成装置を構成することができるようになる。

【００８４】以上の実施例においては、本発明の画像形
成装置を画像表示装置に応用した例で示したが、本発明
はこの範囲に限られるものではなく、光プリンタの画像
形成用発光ユニットとして用いるなど、記録装置への応
用も可能である。この場合、通常の形態としては１次元
的に配列された画像形成ユニットを用いることが多い
が、上述のｍ本の行方向配線とｎ本の列方向配線を、適
宜選択することで、ライン状発光源だけでなく、２次元
状の発光源としても応用できる。

【００８５】また、電子被照射体は特定せず、マルチの
平面電子源をなす電子線発生装置としての応用も可能で
ある。

【００８６】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり構成されて
いるので、以下に記載する効果を奏する。

【００８７】本発明の電子線発生装置は、電子被照射部
材の、電子放出素子から放出された電子が照射される位
置から見て、電子被照射部材の面に垂直な方向に対する
角度をθとしたとき、ｔａｎθ≦２を満たす範囲内は電
位規定部により電位が規定されているので、電子放出素
子から放出された電子が電子被照射部材に照射されるこ
とにより発生する正イオンの電子源への帯電を防止する
ことができる。その結果、電子放出素子から放出される
電子の軌道を安定させることができる。

【００８８】このとき、電位規定部全体を抵抗値が低い
導電体で構成することが不可能な場合であっても、電位
規定部の全表面積に対して、５０％以上の面積について
は表面抵抗が１×１０⁵ Ω／□以下の導電体で構成し、
残りの面積については表面抵抗が１×１０¹²Ω／□以下
の導電体で構成すれば、電子源の帯電を十分に防止する
ことができる。

【００８９】

【００９０】さらに、電子源の外周に、電子被照射部材
へ向かって延びる壁状電極が形成され、この壁状電極で
電位規定部の一部を構成することで電子源の大きさを小
さくすることができ、同じ電子被照射部材の大きさでよ
り小さな電子線発生装置を構成することができる。

【００９１】電子放出素子として冷陰極型電子放出素子
を用いることで、省電力で応答速度が速く、しかも大型
の電子線発生装置を構成することができる。その中でも
特に表面伝導型電子放出素子は、素子構造が簡単で、か
つ複数の素子を容易に配置することができるので、表面
伝導型電子放出素子を用いることによって、構造が簡単
で、しかも大型の電子線発生装置が達成できる。

【００９２】さらに、複数個の表面伝導型電子放出素子
を２次元のマトリクス状に配置し、複数本の行方向配線
と複数本の列方向配線とによってそれぞれを結線するこ
とで、行方向と列方向に適当な駆動信号を与えること
で、多数の表面伝導型電子放出素子を選択し電子放出量
を制御し得るので、基本的には他の制御電極を付加する
必要がなく、電子源を１枚の基板上で容易に構成でき
る。

【００９３】本発明の画像形成装置は、本発明の電子線
発生装置を用いているので上述したように電子の軌道が
安定し、発光位置ずれのない良好な画像を形成すること
ができるようになる。特に、電子放出素子として表面伝
導型電子放出素子を用いることで、構造が簡単で、か
つ、大画面の画像形成装置が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像形成装置の第１参考例の一部を破
断した斜視図である。

【図２】図１に示した画像形成装置をＹ方向から見た断
面を模式的に示した図である。

【図３】図１に示した画像形成装置の電子源の要部平面
図である。

【図４】図３に示した電子源のＡ−Ａ’線断面図であ
る。

【図５】図１に示した画像形成装置の電子源の製造工程
を順に示した図である。

【図６】電子放出部形成用薄膜を形成する際に用いられ
るマスクの一例の平面図である。

【図７】フォーミング処理に用いられる電圧波形の一例
を示す図である。

【図８】蛍光膜の構成を説明するための図である。

【図９】本発明の画像形成装置の第２参考例の一部を破
断した斜視図である。

【図１０】本発明の画像形成装置の実施例の概略断面図
である。

【図１１】熱電子源を用いた従来の画像形成装置の概略
構成図である。

【図１２】電界放出型の電子源を用いた従来の画像形成
装置を一部拡大して示した概略構成図である。

【図１３】表面伝導型電子放出素子の典型的な素子構成
を示す図である。

【符号の説明】

１、５１、１０１ 電子源 ２ リアプレート ３、５３、１０３ フェースプレート ４ 支持枠 ６ ガラス基板 ７ 蛍光膜 ７ａ 蛍光体 ８、５８、１０８ メタルバック ９ 電位規定部 １０ 外囲器 １１ 絶縁性基板 １２ Ｘ方向配線 １３ Ｙ方向配線 １４ 層間絶縁層 １４ａ コンタクトホール １５、１１５ 電子放出素子 １６、１７ 素子電極 １８ 電子放出部形成用薄膜 ２０ マスク ２０ａ 開口 ２１ Ｃｒ膜 ２３ 電子放出部 ５５ 金属導電板 ５５ａ 電子通過孔 １０５ 壁状電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−298624（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 31/12

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子放出素子が設けられた電子源と、前
   記電子放出素子から放出された電子を照射させるために
   前記電子源に真空雰囲気中で対向配置され、前記電子放
   出素子から放出された電子を加速するための加速電極を
   備えた電子被照射部材とを有する電子線発生装置におい
   て、 前記電子被照射部材の前記電子放出素子から放出された
   電子が照射される位置から見て、前記電子被照射部材の
   面に垂直な方向に対する角度をθとしたとき、ｔａｎθ
   ≦２を満たす範囲内に、電位が規定されている電位規定
   部が存在し、 前記電子源の表面に電位規定膜が形成されるとともに、
   前記電子源の外周に、前記電子被照射部材へ向かって延
   びる壁状電極が形成され、前記電子放出素子およびその
   電気配線と、前記電位規定膜と、前記壁状電極とで前記
   電位規定部が構成される ことを特徴とする電子線発生装
   置。
2. 【請求項２】 前記電位規定部は、その全表面積に対し
   て、５０％以上の面積については表面抵抗が１×１０⁵
   Ω／□以下の導電体で構成され、残りの面積については
   表面抵抗が１×１０¹²Ω／□以下の導電体で構成されて
   いる請求項１に記載の電子線発生装置。
3. 【請求項３】 前記電子被照射部材から前記電位規定部
   までの距離をｄとしたとき、前記電位規定部の、前記電
   子が照射される位置と対向する位置から、前記電子源の
   面と平行ないずれの方向にも少なくとも２ｄの範囲内に
   前記電位規定部が存在している請求項１または２に記載
   の電子線発生装置。
4. 【請求項４】 前記電子放出素子は、冷陰極型電子放出
   素子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電
   子線発生装置。
5. 【請求項５】 前記冷陰極型電子放出素子は表面伝導型
   電子放出素子である請求項４に記載の電子線発生装置。
6. 【請求項６】 前記表面伝導型電子放出素子が２次元の
   マトリクス状に複数個配置され、前記各表面伝導型電子
   放出素子は、複数本の行方向配線と複数本の列方向配線
   とによって、それぞれ結線されている請求項５に記載の
   電子線発生装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１項に記載
   の電子線発生装置を用いた画像形成装置であって、前記
   電子被照射部材に代えて、前記電子源に対向配置され、
   前記電子放出素子から放出された電子が衝突することに
   より発光する蛍光体および前記電子放出素子から放出さ
   れた電子を加速するための加速電極を備えた画像形成部
   材とした画像形成装置。