JP2001256882A - 電子管用含浸型陰極構体およびそれを用いた電子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メタルコートタイプの含浸型陰極構体におい
て、仕事関数が低いという特性を最大限に生かして、同
一温度での放出電流密度を向上させる。 【解決手段】 電子管用含浸型陰極構体９は、高融点金
属からなる多孔質基材の空孔部内に、アルカリ土類金属
酸化物を含む電子放射物質を溶融含浸すると共に、この
多孔質基材の表面を金属層で被覆した陰極基体３と、こ
の陰極基体３を加熱するヒータ８とを具備する。多孔質
基材の表面を被覆する金属層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅなどの
高融点金属からなる下層と、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕなどの白
金を除く白金族元素からなる上層との二層構造を有して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラー受像管、ク
ライストロン、進行波管などの電子管に用いられる含浸
型陰極構体に係り、特に高電流密度動作が可能な高性
能、超寿命の電子管用含浸型陰極構体と、それを用いた
電子管に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査線を増加させて解像度を改善
したカラー受像管や超高周波対応の受像管の開発が進め
られており、これらに応じた部品の改良などが求められ
ている。また、投写管においても輝度の向上が望まれて
いる。これらの要望に応じるためには、陰極からの放出
電流密度を従来に比して大幅に増加させる必要がある。

【０００３】含浸型陰極は酸化物陰極に比べて大きな電
流密度が得られ、これまで撮像管、進行波管、クライス
トロンなどの電子管に使用されてきた。カラー受像管の
分野ではＨＤ−ＴＶ管やＥＤ−ＴＶ管などの特殊用途の
みに限られていたが、近年大型ＣＰＴなどの要請が高ま
り、含浸型陰極の採用が急速に拡大しつつある。

【０００４】上記したような含浸型陰極構体では、例え
ば空孔率が15〜 20%の多孔質タングステンなどを陰極基
材として用い、この陰極基材の空孔部に例えば酸化バリ
ウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化アル
ミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などの電子放射物質を含浸させ
ている。さらに、電子放射物質を含浸させた多孔質陰極
基材の電子放射面上に、スパッタ法などの薄膜形成法に
よりイリジウム（Ｉｒ）などの薄膜層を設けて、メタル
コートタイプの含浸型陰極基体として用いられている。

【０００５】そして、このようなメタルコートタイプの
含浸型陰極基体を、電子管内においてヒータで加熱する
と、陰極基材内に含浸された例えばバリウム（Ｂａ）あ
るいは酸素（０）などが拡散し、これにより陰極基材表
面の電子放射面上に電気二重層が形成されることによっ
て、高密度の電流放射が可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したようなメタル
コートタイプの陰極基体を有する含浸型陰極構体を用い
ることによって、陰極の動作温度 1300Kで10A/cm² （10
⁵ A/m² ）の電流密度が得られる電子管が実用化されつ
つある。しかしながら、電子管の高出力化、特にカラー
受像管の高輝度化・高精細化に対する要望を満足させる
ためには、陰極のさらなる高電流密度動作が求められて
いる。

【０００７】陰極から得られる飽和電流密度Ｊ（A/c
m² ）は、動作温度Ｔ(K) と陰極表面の仕事関数φ(eV)
を用いて、 式： J ＝ＡＴ² exp（ -φ／κＴ） （ここで、ＡはBoltzman定数（8.617342×10^-5eV/K）、
ＡはRichardson-Dushman定数で、金属では 120A/cm² K
² と与えられている）から求められる。

【０００８】現在実用化されているメタルコートタイプ
の含浸型陰極構体のうち、最も高い電流密度で動作する
陰極表面（イリジウムコート）の仕事関数は約1.8eV と
報告されており、この陰極の飽和電流密度は10A/cm² 程
度である。これらの値から上記した式に基づいてＡの値
を求めると50〜60A/cm² K² となり、理論値よりはるか
に小さい値となっている。

【０００９】その原因の一つとして、陰極表面の仕事関
数が均一ではなく、電子放出に対して活性である部分と
活性でない部分とが存在していることが考えられる。こ
こで、イリジウムをコートした陰極基体表面の低い仕事
関数は、タングステンとイリジウムとの合金層にバリウ
ムと酸素からなる双極子が表面吸着し、その分極によっ
て作り出される大きな電気二重層に基づくものであると
考えられている。

【００１０】ところが、例えば陰極構体の製造工程中に
おいて、陰極表面が炭素のような活性原子により汚染さ
れたりすると、その部分は電子放出に対して寄与しなく
なり、電子放出の温度依存性は変らないものの、ある温
度に対して得られる電流密度が汚染のないものと比べて
著しく低くなる場合がある。このようなことから、メタ
ルコートタイプの含浸型陰極構体をより高い電流密度で
動作可能とするために、低い仕事関数を維持しつつ陰極
表面の均一化を図ることが求められている。

【００１１】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、メタルコートタイプの含浸型陰極の仕
事関数が低いという特性を最大限に生かして、同一温度
での放出電流密度を大幅に高めることを可能にした高性
能の電子管用含浸型陰極構体、およびそれを用いた電子
管を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電子管用含浸型
陰極構体は、請求項１に記載したように、高融点金属か
らなる多孔質基材、前記多孔質基材の空孔部内に溶融含
浸されたアルカリ土類金属酸化物を含む電子放射物質、
および前記電子放射物質が溶融含浸された前記多孔質基
材の表面を被覆する金属層を有する陰極基体と、前記陰
極基体を加熱するヒータとを具備する電子管用含浸型陰
極構体において、前記多孔質基材の表面を被覆する前記
金属層は、高融点金属からなる下層と、ルテニウム（Ｒ
ｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミ
ウム（Ｏｓ）およびイリジウム（Ｉｒ）から選ばれる少
なくとも 1種の金属または前記金属を含む合金からなる
上層とを有することを特徴としている。

【００１３】本発明者等は、含浸型陰極をより高い電流
密度で動作可能とするために、陰極表面の仕事関数が均
一で全面が電子放射に寄与するような改良表面を得るこ
とを試み、その結果として上記した二層構造の金属被覆
層を見出したものである。

【００１４】すなわち、陰極基体表面のメタルコート
は、一般に多孔質陰極基材への電子放射物質の含浸後に
行われる。電子放射物質はバリウム、カルシウム、アル
ミニウムなどの複合酸化物からなり、この物質を高温で
加熱溶融させて多孔質陰極基材に含浸させている。この
ため、含浸後の陰極基材表面には、基材物質である高融
点金属（例えばタングステン）と電子放射物質成分との
反応物層が極僅かながら残ることになる。

【００１５】また、陰極基材を構成する多孔質タングス
テンなどについても、その原材料は粒径が数μm 程度の
タングステン粉末などであり、化学的純度はさほど高く
することができない。このような粉末を高温で焼結する
ことにより多孔質陰極基材を作製するため、陰極基材の
表面近傍にも微量の不純物元素が存在している。

【００１６】前述したように、含浸型陰極基体の電子放
出能力は、陰極表面の汚染に敏感である。従って、多孔
質陰極基材表面に純度の高い合金層、すなわち高融点金
属元素とルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウ
ムおよびイリジウムから選ばれる少なくとも 1種の金属
元素（白金を除く白金族元素）との合金層が形成されれ
ば、含浸型陰極構体の電子放出能を大幅に向上させるこ
とができる。

【００１７】このような陰極表面は、まず多孔質基材の
表面に高融点金属からなる薄膜層を形成し、連続してそ
の表面に白金を除く白金族元素からなる薄膜層を形成す
ることにより実現可能となる。このようにしても、高融
点金属層と多孔質基材との界面には不純物が幾分高い濃
度で存在するが、最終的な表面からの距離が大きければ
陰極表面の仕事関数、すなわち電子放出能には影響がな
くなる。

【００１８】従って、電子放射物質が溶融含浸された多
孔質基材（高融点金属基材）の表面を、高融点金属から
なる下層と白金を除く白金族元素からなる上層とを有す
る二層構造の金属層で被覆した、本発明の電子管用含浸
型陰極構体によれば、放出電流密度を大幅にかつ再現性
よく高めることが可能となる。

【００１９】本発明の電子管は、請求項５に記載したよ
うに、上述したような本発明の電子管用含浸型陰極構体
を具備することを特徴とするものである。本発明の電子
管の具体例としては、請求項６に記載したように、パネ
ル部、ファンネル部およびネック部により構成される外
囲器と、前記パネル部の内面に形成された蛍光膜と、前
記ネック部内に配置され、前記電子管用含浸型陰極構体
を有する電子銃構体とを具備する陰極線管が挙げられ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００２１】図１は本発明の電子管用含浸型陰極構体を
陰極線管用の含浸型陰極構体に適用した一実施形態の構
成を示す断面図である。同図において、１は陰極スリー
ブであり、この陰極スリーブ１の上方側端部の内側には
カップ状部材２が固定されている。カップ状部材２は、
例えば陰極スリーブ１の端部開口縁とほぼ同一平面をな
すように固定されている。

【００２２】カップ状部材２内には、高融点金属からな
る多孔質基材にアルカリ土類金属酸化物を含む電子放射
物質を溶融含浸させた含浸型陰極基体３が設置されてい
る。また、陰極スリーブ１の外側にはそれを包囲するよ
うに、遮蔽筒４と筒状ホルダ５とが同軸的に順に配置さ
れている。

【００２３】陰極スリーブ１は複数個の短冊状ストラッ
プ６によって、筒状ホルダ５に支持されている。すなわ
ち、短冊状ストラップ６の一方の端部は陰極スリーブ１
の下方側外表面に、また他方の端部は筒状ホルダ５の上
端側に形成された内側張出し部に取り付けられている。
また、筒状ホルダ５は遮蔽筒４の外側に、例えば複数の
支持片７によって取り付けられている。

【００２４】陰極スリーブ１の内側にはヒータ８が配置
されており、これらによって含浸型陰極構体９が構成さ
れている。そして、この含浸型陰極構体９はヒータ８に
より含浸型陰極基体３を加熱することによって、含浸型
陰極基体３から高電流密度の電子放出が可能なように構
成されたものである。

【００２５】なお、図１示した含浸型陰極構体９は、例
えば筒状ホルダ５の外表面に取り付けられたストラップ
１０を介して絶縁支持体１１に固定されている。さら
に、絶縁支持体１１には第１グリッド１２が固定されて
おり、この第１グリッド１２は電子ビーム通過孔１２ａ
が含浸型陰極基体３上に位置するように配置されてい
る。これら各構成要素は電子銃構体１３を構成するもの
である。図１では第１グリッド１２しか示していない
が、含浸型陰極構体９の上方には所定の間隔で複数個の
電極（グリッド）が設置される。

【００２６】上述した含浸型陰極基体３において、多孔
質基材はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レ
ニウム（Ｒｅ）、あるいはこれらを含む合金などの高融
点金属からなり、例えば15〜 20%の空孔率を有してい
る。ここで、図２は含浸型陰極基体３の要部を拡大して
示す断面図であり、２１は上記したような高融点金属か
らなる多孔質基材である。この多孔質基材２１の空孔部
内には電子放射物質が溶融含浸されている。

【００２７】電子放射物質としては、酸化バリウム（Ｂ
ａＯ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）などのアルカリ土類
金属酸化物を含む複合酸化物が用いられる。より具体的
には、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（Ｃａ
Ｏ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）の複合酸化
物（もしくは混合物）を用いることが好ましく、この際
のモル比は例えばＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝4:1:1
とすることが好ましい。ただし、本発明で用いる電子放
射物質は必ずしも上記したような複合酸化物に限られる
ものではなく、所望の電子放射特性が得られれば種々の
酸化物を使用することが可能である。

【００２８】電子放射物質が溶融含浸された多孔質基材
（高融点金属基材）２１の表面は、金属層２２で被覆さ
れている。この金属層２２は多孔質基材２１の少なくと
も電子放射面上に設けられる。そして、多孔質基材２１
の表面を覆う金属層２２は、多孔質基材２１上に形成さ
れた高融点金属の薄膜層からなる下層２３と、その上に
連続して形成された白金を除く白金族元素もしくはその
合金の薄膜層からなる上層２４とを有しており、二層構
造の金属被覆層とされている。

【００２９】上記した二層構造の金属層２２のうち、下
層２３の構成材料としては例えばタングステン（Ｗ）、
モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、あるいはこれ
らの合金が用いられる。一方、上層２４の構成材料には
白金を除く白金族元素、すなわちルテニウム（Ｒｕ）、
ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム
（Ｏｓ）およびイリジウム（Ｉｒ）から選ばれる少なく
とも 1種の金属、もしくはその合金を用いることができ
るが、特にＩｒ、Ｏｓ、Ｒｕやその合金を用いることが
好ましい。

【００３０】Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕなどの薄膜層からなる上
層２４は陰極表面の仕事関数を低下させて、高放出電流
密度での電子放出を可能にするものである。このような
上層２４の膜厚は50nm以上とすることが好ましい。Ｉ
ｒ、Ｏｓ、Ｒｕなどの薄膜層からなる上層２４の膜厚が
50nm未満であると、含浸型陰極の寿命が著しく劣化する
おそれがある。

【００３１】一方、高融点金属の薄膜層からなる下層２
３は、上層２４との界面に高純度のＷ−Ｉｒ合金のよう
な高融点金属−白金族元素合金を形成するものである。
このような高純度の合金層が形成されることで、含浸型
陰極基体３の電子放出能は大幅に向上し、放出電流密度
を大幅に高めることが可能となる。このような下層２３
の膜厚は上層２４のそれと同等もしくはそれ以上とする
ことが好ましい。下層２３の膜厚が上層２４の膜厚より
薄いと、陰極表面（上層２４の表面）に不純物が拡散し
て電子放出特性を低下させるおそれがある。

【００３２】また、高融点金属からなる下層２３と白金
を除く白金族元素からなる上層２４との合計の膜厚、す
なわち金属層２２の膜厚は、高融点金属からなる多孔質
基材２１の平均粒径以下とすることが好ましい。金属層
２２の膜厚が多孔質基材２１の平均粒径を超えると、多
孔質基材２１内に溶融含浸した電子放射物質の陰極表面
への拡散供給が阻害されて、電子放出特性が著しく劣化
するおそれがある。多孔質基材２１の平均粒径は 500nm
以下であることが好ましいことから、金属層２２の膜厚
についても同様に 500nm以下とすることが好ましい。

【００３３】上述したような二層構造の金属層２２で多
孔質基材（電子放射物質が溶融含浸された多孔質基材）
２１の表面を被覆した含浸型陰極構体９においては、高
融点金属の薄膜層からなる下層２３で電子放出特性に悪
影響を及ぼす不純物の陰極表面への拡散を防止し、かつ
下層２３と白金を除く白金族元素の薄膜層からなる上層
２４との界面に高純度の合金層を形成しているため、陰
極の表面全面を均一に低い仕事関数に保つことができ
る。これによって、陰極表面が全面的に電子放出に寄与
するようになるため、高密度での電流放出が可能とな
る。

【００３４】このような本発明の含浸型陰極構体９は、
カラー受像管、クライストロン、進行波管などの各種の
電子管に用いらることができ、特にカラー受像管に用い
られる陰極線管に対して有効である。

【００３５】本発明の電子管は、上述したような本発明
の電子管用含浸型陰極構体、さらにはそれを有する電子
銃構体を具備するものである。本発明の電子管を適用し
た陰極線管の具体的な構成としては、パネル部、ファン
ネル部およびネック部により構成される外囲器と、パネ
ル部の内面に形成された蛍光膜と、ネック部内に配置さ
れた電子銃構体とを具備するものが挙げられ、この電子
銃構体に上述した本発明の電子管用含浸型陰極構体を使
用したものである。

【００３６】本発明の電子管を適用した陰極線管は、上
述した含浸型陰極構体の高電流密度での電子放出特性に
基づいて、例えばカラー受像管の高出力化、具体的には
高輝度化や高精細化に十分に対応し得るものである。

【００３７】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について述べる。

【００３８】実施例１ まず、以下の手順にしたがって、図１および図２に示し
た含浸型陰極構体を作製した。

【００３９】最初に、粒径 3μm のＷ粒子からなる、空
孔率約 17%の多孔質基体（Ｗ基体）を焼結法により作製
した。次いで、電子放射物質としてＢａＯとＣａＯとＡ
ｌ₂Ｏ₃ とを4:1:1(モル比）で混合し、この混合物をＨ
₂ 雰囲気中、1700℃で約10分間加熱することにより、上
記した多孔質基体の空孔部に溶融含浸させた。

【００４０】次に、上記した電子放射物質を溶融含浸し
た多孔質基体の表面に、ＷおよびＩｒの薄膜層を順次成
膜した。成膜はスパッタ法により実施した。まず、純度
99.95%の高純度Ｗ材をターゲットとして用いて、Ａｒガ
ス中でスパッタリングを行い、電子放射物質を溶融含浸
した多孔質基体の表面に膜厚 200nmのＷ層を成膜した。
引き続いて、純度99.95%の高純度Ｉｒ材をターゲットと
して用いて、同様に膜厚 200nmのＩｒ層を成膜した。

【００４１】このようにして得た含浸型陰極基体３をカ
ップ状部材２内に固定して含浸型陰極構体９を作製し、
さらにこの含浸型陰極構体９を陰極線管に組み込んだ
後、陰極の活性化工程で活性化した。ここで、活性化の
条件は陰極温度を1285℃で一定とし、この温度での保持
時間を変化させた。

【００４２】得られた各陰極線管の動作温度1030℃での
飽和電流密度と活性化温度1280℃での保持時間との関係
を図３に示す。なお、図３における比較例１は、電子放
射物質を溶融含浸した多孔質基体の表面にＩｒ層のみを
被覆した、従来のＩｒコートタイプの含浸型陰極構体を
用いた陰極線管の特性、すなわち同様に1280℃で活性化
した際の保持時間と動作温度1030℃での飽和電流密度と
の関係を示したものである。

【００４３】図３から明らかなように、実施例１による
含浸型陰極構体は、優れた電子放出特性を有し、また少
ない活性化時間で良好な電子放出特性が得られているこ
とが分かる。成膜直後のＷ層の結晶組織を電子顕微鏡な
どで観察すると、その下地である多孔質なＷ基体の金属
組織が再結晶を繰り返したと思われる非常に密な結晶組
織であるのに対して、Ｗ層の結晶組織は多孔性の柱状組
織である。このことより、Ｉｒ層からＷ層に対するＩｒ
原子の拡散がより容易なため、短い活性化時間で良好な
電子放出特性が得られたものと考えられる。

【００４４】実施例２ 実施例１と同様にして作製した陰極線管用含浸型陰極構
体を、ガラス試験管中に陽極と共に組み込み、排気して
1280℃で20分間活性化させた。このようにして作製され
た電子管の二極管特性を評価した。陰極−陽極間隔は0.
1mm で、印加電圧は 50Hz, 5μs 幅のパルスとした。そ
の結果を図４に示す。なお、図４に示す比較例２は、比
較例１と同様にして作製した従来の含浸型陰極構体の特
性を実施例２と同様にして評価した結果である。

【００４５】図４から明らかなように、実施例２および
比較例２による含浸型陰極構体はいずれも温度に対して
同じ傾きで飽和電流が増加しているが、どの温度に対し
ても実施例２による含浸型陰極は従来のＩｒコートタイ
プの含浸型陰極（比較例２）より大きな飽和電流を有し
ていることが分かる。このことから、本発明の含浸型陰
極構体は、陰極基体の仕事関数は同じながらも、電子放
出に対して活性な面積の割合が高いことが分かる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子管用
含浸型陰極構体によれば、陰極基体表面の電子放出に対
して有効な面積の割合を高めることができることから、
各温度での放出電流密度を大幅に高めることが可能とな
る。従って、このような含浸型陰極構体を用いることに
よって、電子管の高性能化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電子管用含浸型陰極構体の一実施形
態の構造を示す断面図である。

【図２】 図１に示す電子管用含浸型陰極構体における
陰極基材の要部を示す断面図である。

【図３】 本発明の実施例１による含浸型陰極構体の活
性化時間に対する飽和電流密度の関係を示す図である。

【図４】 本発明の実施例２による含浸型陰極構体の陰
極動作温度に対する飽和電流密度の関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１……陰極スリーブ ３……含浸型陰極基体 ５……筒状ホルダ ８……ヒータ ９……含浸型陰極構体 １３……電子銃構体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 生代美 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 5C031 DD10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高融点金属からなる多孔質基材、前記多
   孔質基材の空孔部内に溶融含浸されたアルカリ土類金属
   酸化物を含む電子放射物質、および前記電子放射物質が
   溶融含浸された前記多孔質基材の表面を被覆する金属層
   を有する陰極基体と、前記陰極基体を加熱するヒータと
   を具備する電子管用含浸型陰極構体において、 前記多孔質基材の表面を被覆する前記金属層は、高融点
   金属からなる下層と、ルテニウム、ロジウム、パラジウ
   ム、オスミウムおよびイリジウムから選ばれる少なくと
   も 1種の金属または前記金属を含む合金からなる上層と
   を有することを特徴とする電子管用含浸型陰極構体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子管用含浸型陰極構体
   において、 前記下層はタングステン、モリブデン、レニウム、ある
   いはこれらの合金からなり、かつ前記上層はイリジウ
   ム、オスミウム、ルテニウム、あるいはこれらの合金か
   らなることを特徴とする電子管用含浸型陰極構体。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電子管用含浸型陰極構体
   において、 前記上層は50nm以上の膜厚を有し、かつ前記下層は前記
   上層と同等もしくはそれ以上の膜厚を有することを特徴
   とする電子管用含浸型陰極構体。
4. 【請求項４】 請求項１記載の電子管用含浸型陰極構体
   において、 前記金属層は前記下層と前記上層の合計として 500nm以
   下の膜厚を有することを特徴とする電子管用含浸型陰極
   構体。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   記載の電子管用含浸型陰極構体を具備することを特徴と
   する電子管。
6. 【請求項６】 請求項５記載の電子管において、 パネル部、ファンネル部およびネック部により構成され
   る外囲器と、前記パネル部の内面に形成された蛍光膜
   と、前記ネック部内に配置され、前記電子管用含浸型陰
   極構体を有する電子銃構体とを具備する陰極線管である
   ことを特徴とする電子管。