JP2004303722A - 受像管装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビーム電流の大小に関わらず解像度を維持することができる受像管装置を提供する。
【解決手段】 冷陰極電子銃２０は、電界放出型の陰極３０、第１電極３１及び第２電極３２を備えている。第１電極３１は０Ｖ、第２電極３２は９００Ｖとされる。陰極３０は基板３０ａを備え、基板３０ａ上には冷陰極アレイ３０ｂが形成され、これを囲繞する絶縁層３０ｃ上にはゲート電極３０ｄが形成されている。第１電極３１は、開口径Ｇ₁φが０．５０ミリメートル、ゲート電極３０ｄから第１電極３１の蛍光スクリーン２６側端までの高さＧ₁ｔが０．２５０ミリメートル、ゲート電極３０ｄまでの距離ｄが０．０８０ミリメートルとなっている。第２電極３２は、開口径Ｇ₂φが０．５０ミリメートル、ゲート電極３０ｄから第２電極３２の蛍光スクリーン２６側端までの高さＧ₂ｔが０．３５０ミリメートルで、第１電極３１との距離は０．２０ミリメートルである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電界放出型の冷陰極電子銃を有する受像管装置に関し、特に、輝度変化に起因するスポット径の変動を抑える技術に関する。

一般に、受像管装置は、電子銃から蛍光体スクリーンに電子ビームを照射することによって画像を表示する。電子ビームの照射を受けて蛍光を発する部分はスポットと呼ばれ、受像管装置の解像度はこのスポット径に依存する。すなわち、スポット径が小さいほど受像管装置の解像度が高く、スポット径が大きければ解像度が低い。
さて、受像管装置は、電子ビームの電流量（以下、「ビーム電流」という。）を変化させることによって画素毎の輝度を変化させる。すなわち、ビーム電流が大きければ高輝度となり、小さければ低輝度となる。

スポット径もビーム電流に依存して変化する。このため、ビーム電流に関わらず解像度を維持しようとすると、全電流域において、電子銃が発生させる主電子レンズ（以下、「主レンズ」という。）が最適集束条件を満たしていることが望ましい。そのためにはビーム電流の変化に対して主レンズにおける電子ビーム径が一定である必要がある。
しかしながら、熱陰極電子銃では、ビーム電流が変化すると主レンズにおける電子ビーム径も変化してしまい、解像度を維持することができない。

図７は、典型的な熱陰極電子銃の構成を示す断面図である。図７に示されるように、熱陰極電子銃１は、熱陰極１０、制御電極１１、加速電極１２、集束電極１３及び最終加速電極１４を備えている。熱陰極１０、制御電極１１及び加速電極１２はカソードレンズ１６を発生させる。加速電極１２と集束電極１３とはプリフォーカスレンズ１７を、また、集束電極１３と最終加速電極１２とは主レンズ１８をそれぞれ発生させる（例えば、特許文献１）。
特開昭６１−１９３３４０号公報

さて、熱陰極１０から射出された電子ビームはカソードレンズ１６で加速収束され、クロスオーバ１５を形成する。このクロスオーバ１５を主レンズ１８によって蛍光体スクリーン上に結像させたものがスポットである。
ビーム電流が大きくなるとカソード電位が低下するので、カソードレンズ１６が弱まり、クロスオーバ１５がプリフォーカスレンズ１７に近づくとともに、カソードの動作領域（電子を放出するカソード領域）が大きくなるため、クロスオーバ１５における電子ビームの発散角が大きくなる。この結果、プリフォーカスレンズ１７のレンズ作用が弱まるとともに、上記発散角が大きくなる効果により、主レンズ１８における電子ビーム径１９が大きくなって、解像度が低下する。

本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、ビーム電流の大小に関わらず解像度を維持することができる受像管装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る受像管装置は、蛍光体スクリーンと、冷陰極電子銃とを備え、前記冷陰極電子銃は、電子を電界放出する冷陰極アレイと、前記電子の電界放出状態を制御するゲート電極とを有する冷陰極と、前記冷陰極の蛍光体スクリーン側に配設されている第１電極と、前記第１電極の蛍光体スクリーン側に配設されている第２電極と、前記電界放出された電子がなすビーム電流が大きいほど、前記電界放出された電子のゲート電極通過後の速度を増大させる電子速度制御手段と、前記ビーム電流が大きいほど、前記ゲート電極、第１電極及び第２電極にて発生される電子レンズのレンズ強度を増大させるレンズ強度制御手段とを備えることを特徴とする。

これにより、ビーム電流の大小に関わらず主レンズにおける電子ビーム径を一定とすることができるので、受像管装置の解像度を維持することができる。
この場合において、前記ゲート電極から前記第１電極の蛍光体スクリーン側端までの距離が０．１０ミリメートル以上で、且つ０．３５ミリメートル以下の範囲内にあるとするのが望ましい。また、前記第１電極は電界放出された電子を通過させる貫通孔を有し、当該貫通孔の内径は０．１５ミリメートル以上で、且つ０．６０ミリメートル以下の範囲内にあるとすれば好適である。

また、本発明に係る受像管装置は、前記ビーム電流の大きさに関わらず、前記第１電極の電位は前記ゲート電極の電位より低電位であり、且つ前記ビーム電流が大きいほど、前記ゲート電極の電位が高電位とされることを特徴とする。
また、本発明に係る受像管装置は、前記冷陰極は周辺集束電極を備え、前記周辺集束電極は、前記ゲート電極の外周部に形成され、前記ゲート電極と略同一の厚みを有し、前記ゲート電極よりも低電位であることを特徴とする。

このようにすれば、カソードレンズのレンズ強度を高めて電子ビームを細く絞ることができるので、スポット径を縮小し解像度を向上させることができる。この場合において、前記周辺集束電極と前記第１電極とが一体化されているとしても同様の効果を得ることができる。
また、本発明に係る受像管装置は、前記レンズ強度制御手段は、前記レンズ強度を増大させて、前記ゲート電極の蛍光体スクリーン側において、前記電子ビームにクロスオーバを形成させることを特徴とする。このようにすれば、主レンズの物点径を縮小することができるので、スポット径を縮小して、解像度を向上させることができる。

以下、本発明に係る受像管装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［１］ 受像管装置の構成
図１は、本実施の形態に係る受像管装置の構成の概略を示す断面図である。受像管装置２は、ガラスバルブ２４、蛍光体スクリーン２６、冷陰極電子銃２０及び偏向ヨーク２３を備えている。冷陰極電子銃２０は、ガラスバルブ２４のネック部２２に封入されている。偏向ヨーク２３は、ガラスバルブ２４の外周に装着されている。ガラスバルブ２４のファンネル部にはアノードボタン２５が設けられている。

［２］ 電子銃の構成
図２は、冷陰極電子銃２０の主要な構成を示す断面図である。図２に示されるように、冷陰極電子銃２０は、電界放出型の陰極３０、第１電極３１及び第２電極３２を備えている。これらは、受像管装置２のステム部２１から蛍光体スクリーン２６へ向かう順に軸を同じくして、陰極３０、第１電極３１、第２電極３２の順に配設されている。第１電極３１はステム部を介して接地され、０Ｖとされている。第２電極３２にはステム部２１から９００Ｖが印加される。

なお、図示しないが、第２電極３２の蛍光体スクリーン２６側には、第３電極及び第４電極が配設されており、これらの電極により主レンズが形成される。また、第４電極には、アノードボタン２５から３０ｋＶ程度の電圧がガラスバルブ２４の内壁を通じて印加され、第３電極にはステム部２１から７１６０Ｖ程度の電圧が印加される。これにより、主レンズ（図示省略）が発生する。更に、第３電極は第２電極３２と共にプリフォーカスレンズ（図示省略）を発生させる。

さて、図２に示されるように、陰極３０は、基板３０ａ、冷陰極アレイ３０ｂ、絶縁層３０ｃ及びゲート電極３０ｄから成っている。基板３０ａ上には、冷陰極アレイ３０ｂが形成されると共に、冷陰極アレイ３０ｂを囲むように絶縁層３０ｃが形成されている。また、ゲート電極３０ｄは絶縁層３０ｃの他方の主面上に形成されている。ゲート電極３０ｄは、前記第１電極３１、第２電極３２と共にカソードレンズ３３を発生させる。

寸法について述べれば、第１電極３１の形状は、開口径Ｇ₁φが０．５００ミリメートル、陰極３０のゲート電極３０ｄから第１電極３１の蛍光スクリーン２６側端までの高さＧ₁ｔが０．２５００ミリメートル、陰極３０のゲート電極３０ｄから第１電極３１までの距離ｄが０．０８００ミリメートルとなっている。また、冷陰極アレイ３０ｂの直径は０．０８０ミリメートルである。

第２電極３２の形状は、開口径Ｇ₂φが０．５００ミリメートル、ゲート電極３０ｄから第２電極３２の蛍光スクリーン２６側端までの高さＧ₂ｔが０．３５００ミリメートルである。また、第１電極３１と第２電極３２との間の距離は０．２００ミリメートルである。
［３］ 電子銃の動作原理
陰極３０は、冷陰極アレイ３０ｂとゲート電極３０ｄとの間に電位差を生じさせることにより、冷陰極アレイ３０ｂの突起部の先端に高電界を発生させて、電子を放出する。本実施の形態においては、ビーム電流が大きいほどゲート電極３０ｄの電位Vgateが高電位となるように制御する。また、第１電極３１は一定の電位Vg1（本実施の形態においては、０Ｖ。）に維持され、常に電位Vgateよりも低電位とする。

このようにすれば、ビーム電流が大きいほど、冷陰極アレイ３０ｂとゲート電極３０ｄとの間の電位差が大きくなるので、電界放出された電子ビームのゲート電極３０ｄを通過する速度が大きくなる。すると、電子ビームがカソードレンズ３３によって収束され難くなるので、主レンズにおける電子ビーム径が大きくなる作用を受ける。
一方、ビーム電流の増大に伴って電位Vgateが高電位となると、電位Vg1と電位Vgateの電位差が大きくなる。すると、カソードレンズ３３のレンズ強度が増大するので、主レンズに入射する電子ビームは電子ビーム径が小さくなるような作用を受ける。

すなわち、電子ビームに対して相反する作用が働き、これら互いに相殺するので、ビーム電流が増大しても主レンズにおける電子ビーム径はほぼ一定に保たれる。
［４］ 評価
次に、主レンズにおけるビーム径がビーム電流に応じてどのように変動するかを評価したので、その結果について説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る冷陰極電子銃２０と他の冷陰極電子銃とについて、主レンズにおけるビーム径のビーム電流による変動を比較するグラフである。図３には、本実施の形態に係る冷陰極電子銃２０のデータが丸印で示されている他、第１電極の形状のみを異にする２種類の冷陰極電子銃のデータがそれぞれ三角印と四角印とで示されている。

三角印に係る冷陰極電子銃の第１電極の形状は、開口径Ｇ₁φが０．５２５ミリメートル、ゲート電極からの高さＧ₁ｔが０．２３７５ミリメートルである。四角印に係る冷陰極電子銃の第１電極の形状は、開口径Ｇ₁φが０．５５０ミリメートル、ゲート電極からの高さＧ₁ｔが０．２２５０ミリメートルである。また、ゲート電極からの距離ｄは何れも０．０８ミリメートルである。

図３に示されるように、本実施の形態に係る冷陰極電子銃２０においては、ビーム電流が１ミリアンペアのとき主レンズにおけるビーム径が２．２３ミリメートル、４ミリアンペアのとき２．６０ミリメートル、９ミリアンペアのとき２．７３ミリメートルとなっており、ビーム径の変動幅は０．５０ミリメートルである。
三角印に係る冷陰極電子銃においては、ビーム電流が１ミリアンペアのとき主レンズにおけるビーム径が２．６８ミリメートル、４ミリアンペアのとき３．３４ミリメートル、９ミリアンペアのとき３．６１ミリメートルとなっており、ビーム径の変動幅は０．９３ミリメートルである。

四角印に係る冷陰極電子銃においては、ビーム電流が１ミリアンペアのとき主レンズにおけるビーム径が２．２８ミリメートル、４ミリアンペアのとき３．３５ミリメートル、９ミリアンペアのとき３．７５ミリメートルとなっており、ビーム径の変動幅は１．４７ミリメートルである。
このように、第１電極の開口径Ｇ₁φが小さいほど主レンズにおけるビーム径の変化量が小さくなり、また、絶縁層からの高さＧ₁ｔが大きいほど主レンズにおけるビーム径の変化量が小さくなる傾向にあることが分かる。

なお、第３電極や第４電極の電位はビーム電流に関わらず一定なので、電子ビームがプリフォーカスレンズや主レンズを通過する際には、ビーム電流に関わらず電子ビーム中の電子の速度がほぼ一定となる。すなわち、ビーム電流の変動により電子の速度が変動するのはカソードレンズ中においてのみなので、上述のように第１電極を調整するだけで主レンズにおけるビーム径の変動を抑えることができる。

また、本実施の形態に係る冷陰極電子銃２０と熱陰極電子銃との比較も行った。図４は、本発明の実施の形態に係る冷陰極電子銃２０と熱陰極電子銃とについて、主レンズにおけるビーム径のビーム電流による変動を比較するグラフである。図４において、実線は本実施の形態に係る冷陰極電子銃２０のデータを示し、破線は熱陰極電子銃のデータを示す。

図４に係る熱陰極電子銃の第１電極の形状は、開口径Ｇ₁φが０．６５０ミリメートル、陰極からの高さＧ₁ｔが０．１０００ミリメートルである。また、第１電極電圧が０Ｖ、第２電極電圧が６１８Ｖ、第３電極電圧が７１６０Ｖである。
図４に示されるように、当該熱陰極電子銃は、ビーム電流が０．２４ミリアンペアのとき主レンズにおけるビーム径が１．６１ミリメートル、１．５３ミリアンペアのとき３．４０ミリメートル、３．１９ミリアンペアのとき４．５０ミリメートルとなっている。また、ビーム電流が４．５７ミリアンペアのとき５．０２ミリメートル、６．１５ミリアンペアのとき４．９８ミリメートルとなっており、ビーム電流を０．２４ミリアンペアから６．１５ミリアンペアまで変化させた場合のビーム径の変動幅は３．３７ミリメートルである。

このように、本実施の形態に係る冷陰極電子銃２０によれば、熱陰極電子銃と比較して、ビーム径の変動を大幅に抑えることができる。
［５］ 変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。

（１） 上記実施の形態においては、ゲート電極３０ｄ、第１電極３１及び第２電極３２にてカソードレンズ３３を発生させるとしたが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、次のようにしてカソードレンズを発生させるとしても良い。
図５は、本変形例に係る電子銃の主要な構成を示す断面図である。図５に示されるように、絶縁層６０ｃ上のゲート電極６０ｄの外周に周辺集束電極６０ｅが設けられている。周辺集束電極６０ｅはゲート電極６０ｄよりも低電位とされており、ゲート電極６０ｄ、周辺集束電極６０ｅ、第１電極６１及び第２電極６２によってカソードレンズ６３が発生する。

このようにすれば、カソードレンズ６３のレンズ強度を高めて電子ビームを細く絞ることができる。従って、電子ビームのビームスポット径を小さくすることができるので、受像管装置の解像度を保つことができる。
（２） 更に、次のようにしてカソードレンズを発生させるとしても良い。図６は、本変形例に係る電子銃の主要な構成を示す断面図である。図６に示されるように、絶縁層７０ｃ上のゲート電極７０ｄの外周には周辺集束電極７１が設けられている。周辺集束電極７１は、上記変形例（１）に係る周辺収束電極６０ｅと第１電極６１とを一体化したような形状となっている。このような構成によってもカソードレンズ７３のレンズ強度を高めて、受像管装置の解像度を保つことができる。

（３） 上記実施の形態においては、第１電極の形状を異にする３種類の冷陰極電子銃について、主レンズにおけるビーム径のビーム電流による変動を例示したが、本発明に係る受像管装置が備える冷陰極電子銃がこれらに限定されないのは言うまでもなく、次のような冷陰極電子銃を備えた受像管装置も本発明の技術的範囲に含まれる。
すなわち、第１電極の形状につき、開口径Ｇ₁φが０．１５ミリメートル以上で、且つ０．６０ミリメートル以下であれば良い。また、絶縁層からの高さは０．１０ミリメートル以上で、且つ０．３５ミリメートル以下ならば本発明の効果を得ることができる。

本発明に係る受像管装置は、輝度変化に起因するスポット径の変動を抑えることにより高解像度を実現する受像管装置として有用である。

本発明の実施の形態に係る受像管装置の構成の概略を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷陰極電子銃２０の主要な構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷陰極電子銃２０と他の冷陰極電子銃とについて、主レンズにおけるビーム径のビーム電流による変動を比較するグラフである。 本発明の実施の形態に係る冷陰極電子銃２０と熱陰極電子銃とについて、主レンズにおけるビーム径のビーム電流による変動を比較するグラフである。 本発明の変形例（１）に係る電子銃の主要な構成を示す断面図である。 本発明の変形例（２）に係る電子銃の主要な構成を示す断面図である。 典型的な熱陰極電子銃の構成を示す断面図である。

符号の説明

１……………………………熱陰極電子銃
２……………………………受像管装置
１０…………………………熱陰極
１１…………………………制御電極
１２…………………………加速電極
１３…………………………集束電極
１４…………………………最終加速電極
１５…………………………クロスオーバ
１６、３３、６３、７３…カソードレンズ
１７…………………………プリフォーカスレンズ
１８…………………………主レンズ
１９…………………………主レンズ１８における電子ビーム径
２０…………………………冷陰極電子銃
２１…………………………ステム部
２２…………………………ネック部
２３…………………………偏向ヨーク
２４…………………………ガラスバルブ
２５…………………………アノードボタン
２６…………………………蛍光体スクリーン
３０…………………………電界放出型例陰極
３０ａ、６０ａ、７０ａ…基板
３０ｂ、６０ｂ、７０ｂ…冷陰極アレイ
３０ｃ、６０ｃ、７０ｃ…絶縁層
３０ｄ、６０ｄ、７０ｄ…ゲート電極
３１、６１…………………第１電極
３２、６２、７２…………第２電極
６０ｅ、７１………………周辺集束電極

Claims (7)

1. 蛍光体スクリーンと、
   冷陰極電子銃とを備え、
   前記冷陰極電子銃は、
   電子を電界放出する冷陰極アレイと、前記電子の電界放出状態を制御するゲート電極とを有する冷陰極と、
   前記冷陰極の蛍光体スクリーン側に配設されている第１電極と、
   前記第１電極の蛍光体スクリーン側に配設されている第２電極と、
   前記電界放出された電子がなすビーム電流が大きいほど、前記電界放出された電子のゲート電極通過後の速度を増大させる電子速度制御手段と、
   前記ビーム電流が大きいほど、前記ゲート電極、第１電極及び第２電極にて発生される電子レンズのレンズ強度を増大させるレンズ強度制御手段とを備える
   ことを特徴とする受像管装置。
2. 前記ゲート電極から前記第１電極の蛍光体スクリーン側端までの距離が０．１０ミリメートル以上で、且つ０．３５ミリメートル以下の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の受像管装置。
3. 前記第１電極は電界放出された電子を通過させる貫通孔を有し、
   当該貫通孔の内径は０．１５ミリメートル以上で、且つ０．６０ミリメートル以下の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の受像管装置。
4. 前記ビーム電流の大きさに関わらず、前記第１電極の電位は前記ゲート電極の電位より低電位であり、且つ
   前記ビーム電流が大きいほど、前記ゲート電極の電位が高電位とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の受像管装置。
5. 前記冷陰極は周辺集束電極を備え、
   前記周辺集束電極は、前記ゲート電極の外周部に形成され、前記ゲート電極と略同一の厚みを有し、前記ゲート電極よりも低電位である
   ことを特徴とする請求項１に記載の受像管装置。
6. 前記周辺集束電極と前記第１電極とが一体化されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の受像管装置。
7. 前記レンズ強度制御手段は、前記レンズ強度を増大させて、前記ゲート電極の蛍光体スクリーン側において、前記電子ビームにクロスオーバを形成させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の受像管装置。

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