JPH09306338A

JPH09306338A - 電子ビーム装置

Info

Publication number: JPH09306338A
Application number: JP11331096A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Miyano; 壮一郎宮野; Akihiko Okamoto; 明彦岡本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 1997-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: US5877594A; KR100291808B1; KR970076964A; JP2907113B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電界放出冷陰極を用いた電子ビーム装置にお
いて、電子ビームの優れた集束特性と電子ビームの高周
波変調を実現する。【解決手段】基板と該基板上に電子引き出し電極を有
する複数個の尖鋭なエミッタの集合体が形成され、この
エミッタの集合体から放出される電子を、電磁界レンズ
により集束するに際し、エミッタ集合体の周囲の電子引
き出し電極と概略同一平面上に形成された集束電極によ
り、放出される電子のエミッタンス特性を電子レンズの
収差を補償させるよう制御することにより、優れた集束
特性を得ることができる。更に、電界放出冷陰極の前記
集束電極とエミッタ間の電位差を一定に保つことによ
り、エミッタ・集束電極間静電容量の影響による高周波
特性の劣化を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜技術などによ
って製作する電界放出冷陰極素子を用いた電子ビーム装
置について、特に電子ビームを電磁界を用いて収束して
用いるような場合の電子ビームの収束方法に関わるもの
であり、更にそのような電子ビームを高周波信号で変調
して用いるような電子ビーム装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微小な円錐状のエミッタと、エミッタの
すぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能並びに電流制御機能を持つ電子引き出し電極で構成さ
れた微小冷陰極をアレイ状に並べた電界放出冷陰極が提
案されている。（Jounal of Applid Physicacs,Vol.39,
No7,pp3504,1968 ）。この電界放出冷陰極の構造を図１
１に示す。図１１（ａ）、（ｂ）において、１０１はシ
リコンの基板、１０２はシリコン酸化物の絶縁層で、絶
縁層１０２の上に電子引き出し電極１０３が積層されて
いる。絶縁層１０２と電子引き出し電極１０３の一部は
除去されて、シリコン基板１０１の上に先端の尖ったエ
ミッタ１０４が形成されている。エミッタ１０４、電子
引き出し電極１０３と絶縁層１０２に形成されたキャビ
ティで微小冷陰極１０７が形成され、この微小冷陰極１
０７を多数アレイ状に並べて平面上の電子放出領域を持
つ冷陰極１０８が形成される。

【０００３】図１１（ｃ）は、この冷陰極１０８を構成
する１つの微小冷陰極１０７の断面図を示す。この冷陰
極１０８は、従来の熱陰極と比較して高い電流密度が得
られ、放出電子の射出方向の速度分布が小さい利点を有
する。

【０００４】又、こうした電界放出冷陰極を様々な電子
ビーム装置の電子源として利用することが提案されてい
る。例えば、電界放出冷陰極がブラウン管等に適用され
た場合、蛍光体スクリーンは冷陰極より数十ｃｍ離れた
ところに配置され、エミッタから放出された電子ビーム
は蛍光体スクリーンに向って放出され、電磁レンズ系に
より一定以下のビーム径に集束され、蛍光体スクリーン
に射突され、蛍光体を発光させ、所望の画像表示が行わ
れることとなる。

【０００５】こうした電界放出冷陰極を電子ビーム装置
の電子源として利用する場合、エミッタから放出される
電子はある広がりをもって放出されるため、ブラウン管
など電子ビームを集束して用いる応用では、十分小さな
ビーム径が得られないか、あるいは十分小さなビーム径
を得るためには球面収差を小さくできる口径の大きな電
子レンズが必要となり装置が大型となるという問題点が
あり、各種の対策が提案されてきた。

【０００６】電界放出冷陰極から放出された電子は発明
者らの測定では射出方向に対し半角で２０°から３０°
程度の広がりを有しており、これは主にエミッタ１０４
先端付近の電位分布がエミッタ１０４先端の鋭い尖りに
よって強く歪み、電子に射出方向に垂直な横方向の速度
成分を発生させるためである。このような電位分布の歪
みによって生じる横方向速度成分は、先端が尖ったエミ
ッタから電子が放出される電界放出冷陰極固有のもの
で、従来の熱陰極では平面上の陰極より電子が放出され
るため、このような極端な横方向速度成分は含まれな
い。熱陰極から放出される電子は、陰極温度により決ま
るランダムな方向の熱速度成分を有するがブラウン管等
の応用には実用上問題のない大きさである。

【０００７】この横方向の速度成分を持つ電子は、電子
ビームを利用した機器あるいは装置の特性を劣化させ
る。例えば、平面ディスプレイ装置に適用すれば、隣の
画素の蛍光体を発光させ、解像度や色純度の劣化原因と
なる。又、撮像管に適用すると十分な電子ビームの集束
ができず、高い解像度の達成が不可能になる。

【０００８】これを解決するため、偏向電極や収束電極
を用い、電子を反発させる構造を用いて電子ビームの広
がり角を抑制することが試みられている。

【０００９】図１１（ｃ）は特開平５−２４２７９４号
公報に開示されている従来例であり、図１１（ｃ）にお
ける電子引き出し電極１０３の上にさらに積層された絶
縁層１０５、集束電極１０６により構成されている。通
常集束電極１０６には電子引き出し電極１０３より低い
電圧を印加し電子を減速することにより電子ビームの広
がりを抑えるか、あるいはエミッタ１０４より低い、す
なわち負の電圧を印加し、静電的な反発力により電子ビ
ームを集束する効果を得る。

【００１０】又、特開平５−３４３０００号公報では、
図１２に示すように、エミッタ集群の周囲にエミッタ領
域を取り囲むように多段リング状電極を形成する技術が
開示されている。電子銃１４０はセラミック基板１３３
上の基板１３４に設けられている。カソード導体１３５
上には、絶縁層１３６と電子引き出し電極１３７、エミ
ッタ孔１３８、エミッタ１３９が設けられている。電子
引き出し電極１３７には板状の導体１４２が接続され、
導体１４４はセラミック１３３を貫通したゲートステム
１４３に接続されている。導体１４２の上には絶縁層１
４４が形成され、０．５〜０．６ｍｍの孔１４５ａのあ
る電子ビーム集束電極１４５、又その上に０．１〜０．
２ｍｍのセラミック絶縁材１４７を介して第２電子ビー
ム集束電極１４８が設けられている。

【００１１】動作はエミッタ１３９を設置し、電子引き
出し電極に３０〜１５０Ｖ、第１電子ビーム集束電極１
４５には０〜１５０Ｖ、第２電子ビーム集束電極１４８
には２００〜５００Ｖの電圧が印加される。

【００１２】更に、従来の受像管において、電子ビーム
の集束を回路的に制御する方法がある。一つは、蛍光体
スクリーン上のビームの位置によらず常に最良の集束状
態を保つため、偏向コイル電流に同期した電圧を受像管
の集束電極の一部に挿入された４重極レンズ電極に印加
する方法である。

【００１３】もう一つは、輝度変化に伴い集束状態を最
適に補正する方法である。特開昭５２−１８５４７号公
報には、図１３に示すように、主レンズを構成する電極
の一つである第５グリッド１５０に陰極に印加する信号
と定電圧比信号を印加する方法が開示されている。本方
法は、電流変調に伴うクロスオーバーの位置の変動を主
レンズの強度に変えて常に最適集束ビームスポットを得
ようとしたものである。

【００１４】又、特開平７−８５８１２号公報には、図
１４に示すように電子ビーム電流を変調する電圧を受像
管の集束電極の間に挿入された補正電極に印加する方法
が開示されている。図１４において、１５１は電磁ビー
ムの集束改善のために導入された補正電極で、第１加速
電極１５２と集束電極１５３の間に両者とは等距離離し
て設置され、電流変調用電圧を増幅した電圧が印加され
る。補正電極に印加する電圧によって、主静電レンズ１
５４の集束条件を陰極１５５に印加される輝度変調信号
の振幅に応じて最適に補正する。

【００１５】更に、特開昭５０−４６２６４号公報に
は、図１５に示すように、受像管（ＣＲＴ）電子銃の任
意電極間に電子ビーム電流変化に応じて変化する電圧の
印加される電極、副第２グリッド１５６を配設し、電子
ビーム電流増加に伴うビームスポット径増大を抑制する
技術が開示されている。

【００１６】この他、特開平５−２６６８０６号公報に
は、図１１（ｄ）に示すような収束電極を有する電界放
出冷陰極において、電子引き出し電極に印加される電圧
の大きさに関わらず、すなわち放出される電子ビームの
電流の大きさに関わらず、一定の収束特性を得るための
駆動方法が開示されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電界放出冷陰極
をブラウン管等に適用しようとする場合、次のような問
題があった。

【００１８】発散電子ビームの集束については、電子引
き出し電極と集束電極を二段に積層した従来例（図１１
（ｄ））では先端より放出された電子は正の電位を持つ
二段目の集束電極で曲げられ、特に発散角が大きくなる
と集束電極に飛び込んでしまう。

【００１９】そこで、上段の集束電極径を大きくしてエ
ミッションの飛び込みを避けたり、電子引き出し電極電
圧と集束電極電圧差を小さくして電子の曲がりを小さく
する。しかし、このような対処では集束効果が小さくな
り、また上段の集束電極近傍を通過した電子はゲートに
強く引きつけられながら放出されるため、アノードでの
電子はかえって大きな広がりを持ってしまうという問題
がある。

【００２０】更に、集束電極電圧が電子引き出し電極電
圧よりも小さな値をとるため、先鋭なエミッタ先端の電
界集中を妨げる。例えば、電子引き出し電極に７０Ｖを
印加し、０．５μｍ離れた集束電極に２０Ｖを印加した
場合、電子引き出し電極のみの構造で電子引き出し電極
電圧７０Ｖでエミッションした電流の１５％〜２０％の
電流しかとれない。

【００２１】更に、図１１（ｄ）に示すような集束電極
構造では、電子ビームの広がり角を１５°程度に抑える
のが限界であり、その程度の広がり角で、電子レンズを
用いて十分な収束特性を得ようとする場合、電子レンズ
における球面収差により電子ビーム径が大きくなるた
め、電子レンズの収差による集束特性劣化を防ぐために
は、電子レンズの径が大きくなるという問題がある。

【００２２】又、複数エミッタよりなるエミッタ領域周
囲にリング状の集束電極を一括して具備した場合、エミ
ッタ領域の中央部からの電子は集束電極により集束され
るが、エミッタ領域の最外周近傍では電界が中央に向っ
て一方向であるために最外周に近いエミッタから出た電
子は一方向に曲げられるだけで、あまり集束されない。
特にエミッタ領域が大きい場合、周辺の素子は中心に近
い素子に比べ、円周の長さに比例してその数を増し、し
たがって複数のエミッタとそれを取り巻く集束電極だけ
では十分に全エミッション電流を集束することができな
い。すなわち、このような構造の集束電極では、エミッ
タ領域全体から放出される電子全体の広がり角を低減す
る機能は果たさない。

【００２３】以上のような電子ビームの広がりを低減す
るという課題に対する問題点とは別に、上記のような各
種構造の集束電極を設けた場合、エミッタと集束電極間
に比較的大きな静電容量が形成され、エミッタ・電子引
き出し電極間に高周波信号を印加しエミッションされる
電子ビームを高周波信号で変調することが困難であると
いう副次的な問題が発生する。

【００２４】ブラウン管の応用について言えば、近年急
速に使用例が増加しているパーソナルコンピュータ用デ
ィスプレイ装置に使われるブラウン管においては、最高
１００ＭＨｚを越える信号で電子ビームを変調する必要
があるが、このような場合、エミッタ・電子引き出し電
極管、エミッタ・集束電極管の静電容量は、動作に対し
て大きな障害となる。この間には、ブラウン管において
は、電子レンズの集束特性が電子ビームの電流により変
化しないよう、電子引き出し電極をグラウンド電位と
し、エミッタに変調信号を印加することが通常行われて
いるという背景があり、このため、エミッタに高い周波
数の信号を印加した場合、エミッタと集束電極間の静電
容量の充放電のため非常に大きな電力が消費されるばか
りか、エミッタ・電子引き出し電極間の信号が減衰して
しまい所望の振幅で電子ビームの電流を変調することが
できない。

【００２５】本発明の目的は、複数のエミッタからの電
子の放出角度が比較的大きいにも関わらず、エミッタと
蛍光体スクリーンの途中に電磁界レンズのある装置の場
合、蛍光体スクリーン上に集束された電子ビームスポッ
トを形成する電界放出冷陰極を持つ電子ビーム装置を提
供することにある。

【００２６】更に、本発明の目的は集束電極を具備する
ような電界放出冷陰極を用いながら、電子ビームを高周
波信号で変調可能とする、電子ビーム装置を提供するこ
とにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板と該基板
上に、電子引き出し電極を有する複数個の先鋭なエミッ
タの集合体が形成された電界放出冷陰極より放出される
電子を、電磁界レンズで集束させる電子ビーム装置にお
いて、エミッタ領域の中心点よりｒだけ離れたエミッタ
から放出された電子のうち、電流密度が最も高い電子の
軌道が、前記エミッタと前記エミッタ領域の中心点と前
記レンズの中心点の３点を通る第１の平面に垂直で、し
かも前記エミッタ領域の中心点と、前記レンズの中心点
を通る第２の平面を横切り、第２の平面に対してエミッ
タとは反対側の領域で前記レンズを通過し、その通過す
る点と前記レンズの中心点との距離ｒが大きい程大きく
なることを特徴とする電界放出冷陰極を用いた電子ビー
ム装置である。

【００２８】本発明の電界放出冷陰極を持つ電子ビーム
装置における問題解決手段を説明するにあたり、その形
状が軸対称な単純化した例を用いる。すなわち、エミッ
タ領域と電子レンズ、蛍光体スクリーンは互いに平行
で、しかもある軸に対して回転対称とする。実際の複数
のエミッタは前記軸に対し対称とはならないが、対称軸
と注目するエミッタを通る平面上で考慮することによ
り、本発明の原理は説明できる。

【００２９】図１は、本発明を説明する原理図である。
すなわち、軸８を中心軸として基板９に複数のエミッタ
４０、４１、４２が配置されている。エミッタ４０の先
端部は軸８上にあり、エミッタ４１は軸８より少し離れ
ており、エミッタ４２の先端部は軸８より更に離れてい
る。絶縁膜５を介してゲート電極１、エミッタ群４０、
４２の周囲には絶縁膜６を介して集束電極２が配置され
ている。エミッタ上には、電極１０、１１が具備され、
例えば電極１０に６ｋＶ、電極１１に２５ｋＶ印加する
と、電極１０と電極１１で電子レンズが形成される。今
エミッタ４０、４１、４２より電子が放出されると、そ
の軌道はそれぞれ１３、１４、１５であり、軌道１３は
対称軸上を進みレンズでは１６の位置を通過し、蛍光体
スクリーン１２上の点１７まで進む。

【００３０】軌道１４は、エミッタ４１先端より出て対
称軸上の１８を横切り、電子レンズでは対称軸よりも下
の位置１９を通過し、蛍光体スクリーン１２上の点１７
を通過する。軌道１５はエミッタ４２先端より出て、対
称軸上の１８の近傍を横切り、電子レンズでは１９より
下の位置２０を通過し、蛍光体スクリーン１２上の点１
７を通過する。

【００３１】エミッタからの電子がエミッタ領域の異な
る場所から放出されるにも関わらず、蛍光体スクリーン
１２上で集束するのは、電子レンズの持つ球面収差を補
償するようにエミッタ群からのビームを調整しているか
らである。

【００３２】図２は、電子レンズの球面収差を説明する
模式図である。ここではレンズ２１を用いて光源４３が
蛍光体スクリーン２２上に焦点を結ぶ。光軸２８に平行
に放出された電子２３は蛍光体スクリーン上の点２７で
結像する。

【００３３】一方同じ光源であるがある角度を持った電
子２４は、ｄだけ離れたレンズ上の２５を通過し、蛍光
体スクリーン２２上の点２９に到達する。電子レンズで
はレンズの中心より離れる所を通過した電子はその屈折
率が大きくなり（球面収差）、より大きく曲げられる。
したがって、Δｒだけ蛍光体スクリーン２２上で焦点が
ずれ、ビームが大きくなる。

【００３４】本発明では、エミッタ領域の中心より離れ
たエミッタから放出された電子を、電子レンズを通過す
るときに中心より離れた所を通過させる。レンズの球面
収差によりレンズの中心より離れた電子は内側により大
きく曲げられ、蛍光体スクリーン上でちょうど結像す
る。したがって、エミッタより放出された電子は蛍光体
スクリーン上で最小のビーム径となる。

【００３５】又、本発明は上記電界放出冷陰極を用いた
装置において、電子の軌道を制御するための集束電極が
エミッタ基板上にあって、エミッタ領域とほぼ同一平面
上のエミッタ領域の周辺部に、エミッタ領域を取り囲ん
で形成される電界放出冷陰極を用いた電子ビーム装置で
あり、しかも、集束電極の電圧を前記第１のゲート電極
よりも小さくすることを特徴とする電界放出冷陰極を用
いた電子ビーム装置である。このような冷陰極素子は前
述したように、従来から提案されているが、それらは電
子の広がり角を小さくする意図で提案されており、しか
もこのような構造の集束電極では、電子の広がりを抑え
ることはできない。

【００３６】本発明においては、電界放出冷陰極素子内
の集束電極を、エミッタの位置によってそこから放出さ
れた電子の軌道を変えることを目的として用い、電子レ
ンズの収差と補償し合うような条件下で用いることによ
り、蛍光体スクリーン上で集束された電子ビームを得る
という点で、従来技術とは大きく異なり、独特の優れた
効果を得られるものである。

【００３７】更には、高周波信号による電子ビームの変
調のため、エミッタと集束電極の間の電位差を常に一定
とすることにより、常にエミッタ、集束電極間の静電容
量の充放電が起こらないような状態を保ちつつ電界放出
冷陰極を駆動するような電子ビーム装置である。

【００３８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の電子ビーム装置の
実施の形態について図面を参照して説明する。

【００３９】図３は、本発明の電子ビーム装置の第１の
実施の形態の電界放出冷陰極、電子レンズ、蛍光体スク
リーンの断面図である。図３（ａ）は全体図で、電極１
０、１１よりなる主レンズと蛍光体スクリーン１２とが
ある。今、電極１０、１１の電圧はそれぞれ６．２５ｋ
Ｖ、２５ｋＶ、間隔は８ｍｍ、孔径は共に４ｍｍである
ビーム径△ｒは下記のような特性となる。 △ｒ＝Ｍｒ＋Ｃ（ｒ＋Ｚｋ＊（ｄｒ／ｄｚ））³ ここで、ｒは主レンズ光源のサイズ、Ｍはレンズの倍
率、Ｃは球面収差係数、Ｚｋはレンズと光源と主レンズ
の距離である。Ｍはほぼ９倍、Ｚｋは２４ｍｍ。ｄｒ／
ｄｚは、主レンズの仮想クロスオーバー（Ｃｒｏｓｓｏ
ｖｅｒ）点での電子の傾きである。図４は主レンズの仮
想クロスオーバー点でのレンズのアクセプタンス（Ａｃ
ｃｅｐｔａｎｃｅ）を示す位相空間図である。図中の数
字は蛍光体スクリーンでのビーム径を示す。

【００４０】更に、図３は電極３０、３１よりなる補助
レンズがある。補助レンズは電子銃と主レンズの距離を
実効的に短くするとともに集束電極の効果を補助するた
めに設ける。エミッタと電極３０の距離は０．７ｍｍ、
電極３０、３１の厚みはそれぞれ０．１０．６ｍｍ電極
間距離は０．４５ｍｍである。電極３０、３１の孔径は
それぞれ０．５、０．７ｍｍである。電極３０、３１に
はそれぞれ２７０Ｖ、６．２５ｋＶを印加する。図３
（ｂ）はエミッタ位置近傍の図である。図中黒丸はその
間にエミッタ４０と同様のエミッタが多数存在している
ことを示す。エミッタ４０の先端部は円形のエミッタ領
域の中心に位置する。エミッタ４２の先端部はエミッタ
領域の最外周に位置しており、中心より２５μｍ離れて
いる。電極１はエミッタ４０〜４２の電子引き出し電極
であり、集束電極２は電子引き出し電極１の回りに電子
引き出し電極１を取り囲むようなリング状に配置されて
いる。

【００４１】今、電子引き出し電極１に７０ｋｖを印加
して、電子を放出させた場合、図１のように蛍光体スク
リーン上にビーム像を形成する。

【００４２】図５は、電子引き出し電極１に５０ｋＶを
印加したときの主レンズ光源位置でのエミッタンス（Ｅ
ｍｉｔｔａｎｃｅ）とアクセプタンスである。図中、４
０１、４０２、４０３はそれぞれ、エミッタ４０より＋
２０、０、−２０度の角度を持って放出された電子の軌
道である。図より蛍光体スクリーン上では電子はビーム
径±０．５ｍｍより僅かに大きいサイズに集束する。図
６は、集束電極電位が７０Ｖの場合で主レンズの仮想で
のクロスオーバー点でのエミッタンスとアクセプタンス
である。エミッタンスはアクセプタンスの０．５ｍｍよ
り広がっており、蛍光体スクリーン上では０．７ｍｍ程
度のビーム径となる。以上のようにエミッタの中心点よ
り離れた電子を中心軸を横切り、レンズの中心より離れ
た所を通過させることにより中心部よりも大きな屈折率
により大きく内側に曲げられるため、蛍光体スクリーン
上に像として結像し、ビーム径は小さくなる。

【００４３】次に、本発明による電子ビーム装置におけ
る電界放出冷陰極の駆動方法について説明する。

【００４４】図７に、本発明の第２の実施例の形態とし
て、電子ビーム装置において、本発明による電界放出冷
陰極の駆動回路を示し、図１０に動作時の信号波形を示
す。図７において、７１は電子引き出し電極電源、７２
はエミッタ駆動信号出力回路、７３はレベルシフト回
路、４はエミッタ、２は集束電極、７４はエミッタ・集
束電極間静電容量である。エミッタ４に基板９を通して
図１０におけるＶｅのような信号が入力されたとき、集
束電極２には図１０Ｖｆに示すように、レベルシフト回
路７３により、エミッタより一定電位差分低い電圧が印
加される。

【００４５】このように、集束電極に印加される電圧
は、絶対値としてはエミッタ駆動信号とともに変化する
が、エミッタ・集束電極間の電位差は一定であるため、
エミッタ集束電極間静電容量７４の充放電はおこらな
い。このため、電界放出冷陰極のエミッタ電位が、駆動
信号出力回路の信号により変化したとしても、エミッタ
・集束電極間の電位差は、レベルシフト回路７３の入出
力間電圧差で一定のため、エミッタ・集束電極間の静電
容量により、電界放出冷陰極７０の電子引き出し電極−
エミッタ間電圧の高速な変化が妨げられることがないこ
とを意味する。

【００４６】なお、レベルシフト回路としては、具体的
には、例えば図９に示すような回路が使用可能である。
図９に示す回路において、出力電圧端子９８には、入力
電圧端子９６に対し、トランジスタ９１のエミッタフォ
ロワを介し、トランジスタ９２のコレクタエミッタ電圧
Ｖ_ce92だけ低い電圧が出力される。トランジスタ９２の
コレクタエミッタ電圧Ｖ_ce92は、トランジスタ９２のベ
ースエミッタ間電圧をＶ_be92とし、抵抗器９３、９４の
抵抗値をそれぞれＲ９３、Ｒ９４とするとＶ_cex ＝Ｖ_bex ＊（Ｒ９３＋Ｒ９４）／Ｒ９３（１）のように常にトランジスタ９２のベースエミッタ間電圧
Ｖ_be92に対し、Ｒ９３、Ｒ９４により決まる定数倍に保
たれる。Ｖ_be92は温度により変化するが、ブラウン管等
が用いられるような電子ビーム装置の使用環境温度にお
ける変化は±５％程度であり、集束電極電圧Ｖｆとエミ
ッタ電圧の電位差も±５％程度の変化があるが、電界放
出冷陰極７０の電子軌道特性に大きな影響を与えるもの
でなく、簡単な回路構成で所望のレベルシフト回路が得
られる。

【００４７】次に、本発明による電子ビーム装置の第３
の実施の形態について、本発明の駆動方式を含む他の駆
動回路を図８を参照して説明する。図８において、８２
は駆動信号出力回路、８１は電子引き出し電極電源、８
４はトランジスタ、８５はダイオード、８６〜８８は抵
抗器、４はエミッタ、１は電子引き出し電極、２は集束
電極である。

【００４８】図８においては、トランジスタ８４はきわ
めて一般的な低電流回路を構成しており、電界放出冷陰
極より放出される電子ビームの電流安定化機能を付加し
ている。ダイオード８５は、トランジスタ８４のベース
エミッタ間順方向電圧降下が動作温度により変化するの
を打ち消すためのものである。駆動信号出力回路８２か
ら、電圧Ｖ１なる信号が入力されたときトランジスタ８
４のコレクタ電流、すなわち電界放出冷陰極８０の電子
ビーム電流Ｉｂは抵抗器８６〜８８の抵抗値をそれぞれ
Ｒ８６、Ｒ８７、Ｒ８８とするとＩｂ＝（Ｖ１＊Ｒ８７）／（（Ｒ８６＋Ｒ８７）＊Ｒ８８）（２）となるように定電流制御される。

【００４９】このとき、電界放出冷陰極の電子引き出し
電極−エミッタ間の電位差をＶ_geとし、電子引き出し電
極電源入力端子に印加された電圧をＶ_g 、トランジスタ
８４のコレクタエミッタ間電圧をＶ_ce84とするとＶ_ge＝Ｖ_g −Ｖ_ce84 （３）となり、電界放出冷陰極の電子ビーム電流Ｉｂが（２）
式のようになるような電位差が、電界放出冷陰極８０の
電子引き出し電極−エミッタ間に印加されるよう、トラ
ンジスタ８４による制御がなされることになる。電界放
出冷陰極においては、エミッションされる電子ビームに
ランダムな電流変動があり、これも従来用いられている
熱陰極に比べ、電界放出冷陰極が特性的に劣る部分とさ
れているが、本実施形態においては、電流安定化の機能
も含んだものとなっている。一方、集束電極に印加され
る電圧をＶｆ、レベルシフト回路８３により発生される
電圧をＶ_sft 、トランジスタ８４のコレクタエミッタ間
電圧をＶ_ce84とするとＶｆ＝Ｖ_ce84＋Ｖ_sft （４）となり、トランジスタ８４のコレクタ電位、すなわち電
界放出冷陰極のエミッタ電極電位から、常に一定の電位
差となることは、第２の実施の形態と変わらず、駆動信
号出力回路８２の出力信号周波数が高い場合でも、エミ
ッタ・集束電極間静電容量の充放電は発生せず、高周波
特性劣化が起きないことも同様である。レベルシフト回
路としても、第２の実施の形態と同様に図９に示すよう
な回路が使用可能である。

【００５０】

【発明の効果】本発明は、電子源となるエミッタ群の周
囲を取り囲むように電極を配置し、中心部を離れたエミ
ッタからの電子を中心部に曲げるように電圧をかけ、電
子レンズの中心部より離れた所に入射させることによ
り、電子レンズの球面収差を利用し、蛍光体スクリーン
上で小さいビーム像を形成させることができる。

【００５１】これにより、従来のような構造をもつ電界
放出冷陰極で、個々のエミッタから放出される電子が広
がり角を持つ場合では、熱カソードと比較して十分に小
さいビーム径が得られなかったが、本発明によりある程
度の大きさのあるエミッタ領域からエミッションさせて
も集束させることが可能となり、エミッタ領域の増大が
可能となり、大きな電流を取り出すことが可能となる。

【００５２】又、上記のような効果を得るため、電界放
出冷陰極としては、エミッタを取り囲むように集束電極
を配置する構造をとるため、エミッタ・集束電極間に大
きな静電容量が形成されるにも関わらず、集束電極・エ
ミッタ間の電位差を一定に保つような駆動回路構成をと
ることにより、高周波信号による電子ビームの変調が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子ビーム装置の実施の形態を示す構
造図である。

【図２】電子レンズの球面収差を説明するための構造図
である。

【図３】本発明の電子ビーム装置の実施の形態を示す断
面図である。

【図４】主レンズの仮想クロスオーバー点でのレンズの
アクセプタンスを示す位相空間図である。

【図５】収束電極に５０Ｖ印加したときの主レンズ光源
１でのエミッタンスとアクセプタンスを示す位相空間図
である。

【図６】収束電極電位が７０Ｖの場合で、主レンズの仮
想でのクロスオーバー点でのエミッタンスとアクセプタ
ンスを示す位相空間図である。

【図７】本発明の電子ビーム装置の第２の実施形態の電
界放出冷陰極の駆動回路を示す図である。

【図８】本発明の電子ビーム装置の第３の実施形態の電
界放出冷陰極の駆動回路を示す図である。

【図９】本発明の第２及び第３の実施の形態に用いられ
るレベルシフト回路の一例を示す図である。

【図１０】本発明の電子ビーム装置の第２の実施の形態
の電界放出冷陰極の駆動回路の動作信号波形図である。

【図１１】従来の電界放出冷陰極の構造図である。

【図１２】従来の電界放出冷陰極の他の例を示す構造図
である。

【図１３】従来の受像管装置を示す図である。

【図１４】従来の受像管装置を示す図である。

【図１５】従来の受像管装置を示す図である。

【符号の説明】

１電子引き出し電極２集束電極４エミッタ（群）５、６絶縁層８回転対称軸９基板１０、１１主レンズの電極１２、２２蛍光体スクリーン１３、１４、１５電子の軌道１６、１９、２０主レンズ位置での電子の通過位置１７、２７蛍光体スクリーンへの電子の入射位置２１レンズ２３、２４電子の軌道２５レンズ位置での電子の通過位置２８、４３光軸３０、３１補助レンズの電極４０、４１、４２エミッタ７１電子引き出し電極電源７２駆動信号出力回路７３レベルシフト回路７４エミッタ・集束電極間静電容量８１電子引き出し電極８２駆動信号出力回路８３レベルシフト回路８４、９１、９２トランジスタ８５ダイオード８６、８７、８８、９３、９４、９５抵抗器９６入力電圧端子９７電源入力端子９８出力電圧端子１０１シリコン基板１０２絶縁層１０３電子引き出し電極１０４エミッタ１０５絶縁層１０６集束電極１０７微小冷陰極１０８電界放出冷陰極１３３セラミック基板１３４基板１３５カソード導体１３６絶縁層１３７電子引き出し電極１３８エミッタ孔１３９エミッタ１４０電子銃１４２板状導体１４３ゲートステム１４４絶縁層１４５第１電子ビーム集束電極１４７セラミック絶縁層１４８第２電子ビーム集束電極１５０第５グリッド１５１補正電極１５２第１加速電極１５３集束電極１５４主静電レンズ１５５陰極１５６副第２グリッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に電子の電界放出を制御する電子
引き出し電極を有する複数個の先鋭なエミッタの集合体
が形成された電界放出冷陰極より放出される電子を、電
磁界レンズで集束させる電子ビーム装置において、前記
エミッタが配置される領域（以下エミッタ領域と略す）
の中心点より距離ｒ離れたあるエミッタから放出された
電子のうち電流密度が最も高い電子の軌道が、前記エミ
ッタと前記エミッタ領域の中心点と前記レンズの中心点
の３点を通る第１の平面に垂直でしかも前記エミッタ領
域の中心点と前記レンズの中心点を通る第２の平面を横
切り、該第２の平面に対して前記エミッタとは反対側の
領域で前記レンズを通過し、その通過する点と前記レン
ズの中心点との距離が前記ｒに対応して大きくなること
を特徴とする電界放出冷陰極を用いた電子ビーム装置。
【請求項２】電子の軌道を制御するための集束電極が
前記基板上にあって、エミッタ領域とほぼ同一平面上の
エミッタ領域の周辺部に、エミッタ領域を取り囲んで形
成されている電界放出冷陰極を用いた請求項１に記載の
電子ビーム装置。
【請求項３】前記集束電極の電圧を前記引き出し電極
電圧よりも小さくすることを特徴とする請求項２に記載
の電子ビーム装置。
【請求項４】前記エミッタ、前記電子引き出し電極、
及び前記集束電極に、各々接続される第１、第２、第３
の信号源を有し、前記第２の信号源と前記第３の信号源より前記電界放出
冷陰極に印化される信号の電圧の差が一定に保たれるこ
とを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム装置。