JP2007322938A - 発光素子の駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体を一定以上の輝度で発光させつつ蛍光体の発光寿命を延ばすことができる駆動制御方法を提供する。
【解決手段】発光素子１２を駆動制御する駆動制御装置１４は、直流電源１６、スイッチ部１８、引出加速電圧制御部２０、およびオンデューティ制御部２２から構成される。引出加速電圧制御部２０は、直流電源１６を制御して引出加速電圧の大きさを制御し、オンデューティ制御部２２はスイッチ部１８を周期的にオンオフ制御することにより、引出加速電圧は大きさが制御され周期的にアノード８に印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノードに向けて電子放出用カソードから電子を引き出しかつこの引き出した電子を加速するための電圧が同一の電圧である発光素子の駆動制御方法に関するものである。

上記発光素子のように、上記同一の電圧により、電子放出用カソードから電子放出を行い、この電子をアノードに設けた蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させるものが特許文献１等において多く提案されている。この蛍光体は電子を高加速でかつ多量に照射されるとより高輝度で発光することができる。一般的に輝度は電流に比例し、加速電圧の2.5乗に比例する。一方、蛍光体は電子を多量に照射するほど劣化が促進される。なお、蛍光体の電子照射による劣化は特許文献２等を参照することができる。そこで、本出願人は、蛍光体を所望とする一定以上の輝度で発光させる一方で、蛍光体の発光寿命を延ばすことができる駆動制御方法の研究開発に取り組んでいた。
特開２００４−１７８８４１ 特開平０９−０３５６７２

本発明により解決すべき課題は、蛍光体を所望とする一定ないしは一定以上の輝度で発光させる一方で、蛍光体の発光寿命を延ばすことができる発光素子の駆動制御方法を提供することである。

本発明による発光素子の駆動制御方法は、電界印加により電子を放出する電子放出層を有する電子放出用のカソードと、電子衝突により励起発光する蛍光体を有するアノードとを備え、カソード側から電子を引き出すための電界を発生させる電圧と引き出された電子を加速するためにアノードとカソードの間に印加する電圧が同一の電圧である発光素子の駆動制御方法において、上記電子放出を周期的に行うと共にこの１周期内における当該電子放出を行う期間に相当するオンデューティの制御により輝度の制御を行うことを特徴とするものである。

本発明の好適な一態様は、上記電圧が大きい程、上記１周期内における上記電子放出を行う期間に相当するオンデューティを小さく制御することである。

本発明によると、上記電圧を周期的に印加することにより、連続照射した場合に比べ、少量の高加速された電子を蛍光体に飛翔衝突させることができる。それにより高輝度で、かつ蛍光体の電子線劣化を抑制することができる。すなわち上記電圧を高電圧にし、そのオンデューティを短く制御することにより、蛍光体の高輝度発光を維持しつつ１周期内における上記電子放出を行う期間を短くして蛍光体に照射される電子量を減らすことが出来る。これによって蛍光体の劣化を軽減し、蛍光体の発光寿命を延ばすことができる。

本発明の好適な一態様は、上記アノードとカソードとが相対向するダイオード構造を備え、上記アノードに上記電圧を印加すると共にこの電圧の印加周期を制御して上記電子放出を行う期間のオンデューティを制御することである。

本発明の別の好適な一態様は、上記アノードとカソードとが相対向し、かつ、上記カソードの同一面内両側に上記電子放出のオンオフを制御するゲートを配置したトライオード構造を備え、上記アノードに上記電圧を印加すると共に、上記ゲートに電圧を印加することにより上記電子放出を行う期間のオンデューティを制御することである。

本発明の別の好適な一態様は、上記カソードが、電極表面にナノサイズの電子放出材料からなる電子放出層を備えたものである。

上記電子放出材料は特に限定しないが、好ましくはナノサイズのカーボン系材料からなる。このカーボン系材料は特に限定しないが、ファイバ、粒子でもよい。ファイバとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノコイル、グラファイトナノファイバー、グラファイトリボン、などのファイバを例示することができる。また、ファイバの材料には、炭素ヘキサゴナル網面からなる炭素ナノ繊維素が複数ロッド状またはプレート状に積層してなる炭素ナノ繊維素群が繊維軸に対して垂直配列したプレートレット構造、あるいは傾斜して配列されたヘリングボーン構造、あるいは水平配列したチューブラ構造のファイバを含むことができる。このようなプレートレット、ヘリングボーン、チューブラ構造では、多数の炭素ナノ繊維素群の端面が、電子放出点として機能することができ、繊維軸に沿って多数の電子放出点が構成される。また、電子放出材料には上記ファイバだけに限定されず、例えば、粒子形態でもよく、この形態としては例えばグラファイト粒子を挙げることができる。また、カソードを構成する電極表面上への電子放出材料の配置形態に特に限定しない。

本発明によれば、電子を高加速で蛍光体に周期的に衝突させて高輝度で発光させても、その周期内の電子放出を行う期間を短く、また次の周期の電子放出を行う期間までの電子放出が停止する期間が長いので、蛍光体が電子衝突から回復するまでの期間を確保することができ、全体として蛍光体は劣化しにくく長寿命となり、かつ、平均して一定の輝度で発光させることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る発光素子の駆動制御方法を説明する。

（実施の形態１）
図１および図２を参照して実施の形態１に係る発光素子の駆動制御方法を説明する。図１は同発光素子の概略構成を示し、図２は同発光素子の駆動制御の説明に供するタイミングチャートを示す。図１において４は、発光素子１２の発光面側を構成する平面視矩形形状のガラス等からなる透明基板、６は発光素子１２の後面側を構成する平面視矩形形状の絶縁基板である。これら透明基板４と絶縁基板６とは所定の間隔で平行に対向配置されている。両基板４，６を上記対向配置間隔状態に支持する側面基板の図示は略している。両基板４，６間の対向空間は所要の真空状態に密封されている。

透明基板４の内面側には蛍光体８ａ付きのアノード８が形成されている。このアノード８はその表面に蛍光体８ａが塗布されたものである。円Ａ内にこのアノード８の一部を拡大して示す。絶縁基板６上には電子放出用カソード１０が配置される。この電子放出用カソード１０はその表面に電界放射により電子放出する電子放出層１０ａを備える。円Ｂ内にこの電子放出用カソード１０の一部を拡大して示す。

実施の形態１の発光素子１２は、電子放出層１０ａを備えた電子放出用カソード１０と、蛍光体８ａを備えたアノード８とを備え、電子放出用カソード１０から電子を引き出す電圧と、この引き出した電圧をアノード８に向けて加速させるための電圧とを同一の電圧としている。以下、この同一の電圧を説明の都合で引出加速電圧と称する。

実施の形態１は発光素子１２を駆動制御するための駆動制御装置１４を備える。駆動制御装置１４は、直流電源１６、スイッチ部１８、引出加速電圧制御部２０、およびオンデューティ制御部２２から構成されている。直流電源１２の正極はアノード８に、また、負極はスイッチ部１８を介して電子放出用カソード１０にそれぞれ接続されている。スイッチ部１８は電子的な形態、機械的な形態を問わない。

引出加速電圧制御部２０は、直流電源１６を制御して引出加速電圧の大きさを制御することができる。スイッチ部１８は、直流電源１６の負極と電子放出用カソード１０との間に介装されている。オンデューティ制御部２２はこのスイッチ部１８を周期的にオンオフ制御するものであり、引出加速電圧はこのオンオフ制御によりアノード８に周期的に印加されることができる。

このオンデューティ制御部２２は、上記１周期内において電子放出を行う期間と、電子放出を停止する期間との比率を引出加速電圧の大きさに合わせて制御するようになっている。以下、電子放出を行う期間を電子放出期間、電子放出を停止する期間を電子放出停止期間とそれぞれ称する。上記比率は電子放出期間に相当するオンデューティと電子放出停止期間に相当するオフデューティとの比率と言うことができる。

オンデューティ制御部２２は、引出加速電圧制御部２０から引出加速電圧の大きさのデータを受け取り、この受け取った引出加速電圧のデータに基づいて、スイッチ部１８のオンオフを制御して電子放出期間のオンデューティを制御することができるようになっている。この場合、オンデューティ制御部２２は、引出加速電圧が大きい程、上記１周期内における電子放出期間に相当するオンデューティを小さく制御する。

以上の構成において、実施の形態１の発光素子１２は、アノード８に対して電子放出用カソード１０が相対向するダイオード構造を備えたものであり、アノード８の蛍光体８ａに電子放出を周期的に印加すると共に、引出加速電圧が大きくなる程、その１周期内における電子放出期間のオンデューティを小さくするよう制御することを特徴とするものである。

図２を参照して動作を説明する。図２はオンデューティ制御部２２によるスイッチ部１８のオンオフ制御による電子放出期間に相当するオンデューティＴｏｎ、電子放出停止期間に相当するオフデューティＴｏｆｆを示す。図２（ａ）は引出加速電圧が小さい電圧（Ｖａｋ小）の場合のオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示し、図２（ｂ）は引出加速電圧が中程度の電圧（Ｖａｋ２中）の場合のオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示し、図２（ｃ）は引出加速電圧が大きい電圧（Ｖａｋ大）の場合のオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示す。

図２（ａ）では引出加速電圧制御部２０により直流電源１６からアノード８に印加する引出加速電圧を小さい電圧に制御しかつオンデューティ制御部２２によりスイッチ部１８を制御して１周期Ｔ内におけるオンデューティＴｏｎを大きく制御し、図２（ｂ）では引出加速電圧を中程度の電圧に制御し１周期Ｔ内におけるオンデューティＴｏｎを中程度に制御し、図２（ｃ）では引出加速電圧を大きい電圧に制御し、１周期Ｔ内におけるオンデューティＴｏｎを短く制御している。なお、図２（ａ）ないし図２（ｃ）は説明の都合で３段階で示したにすぎず、オンデューティＴｏｎの制御段階数を限定するものではない。

上記実施の形態の発光素子１２の駆動制御を以下に示す実験で確認した。この実験における引出加速電圧の印加周期は周波数換算で１０００Ｈｚとし、蛍光体８ａの初期発光輝度を１００００ｃｄ／ｍ²に設定した。蛍光体８ａは化成オプト社製のＰ２２−ＧＹ（膜厚１２μｍ）、電子放出用カソード１０上の電子放出層１０ａを構成する電子放出材料はカーボンナノチューブ（直径５−２０ｎｍ、長さ５−１５μｍ、）であり、電子放出層１０ａの層厚さ（膜厚）は０．５μｍである。

（１）引出加速電圧３．８ｋＶ、オンデューティＴｏｎ１００％のとき、
平均電界放射電流密度は４６μＡ／ｍ²、１時間後の発光輝度は５６００ｃｄ／ｍ²であった。

（２）引出加速電圧５．０ｋＶ、オンデューティＴｏｎ５２％のとき、
平均電界放射電流密度は２９μＡ／ｍ²、１時間後の発光輝度は８１００ｃｄ／ｍ²であった。

（３）引出加速電圧７．５ｋＶ、オンデューティＴｏｎ２３％のとき、
平均電界放射電流密度は１７μＡ／ｍ²、１時間後の発光輝度は９２００ｃｄ／ｍ²であった。

（２）引出加速電圧１０．０ｋＶ、オンデューティＴｏｎ６．０％のとき、
平均電界放射電流密度は３．８μＡ／ｍ²、１時間後の発光輝度は１０９５０ｃｄ／ｍ²であった。

以上の実験結果からも明らかであるように、本実施の形態の発光素子１２の駆動制御方法においては、電子放出を周期的に行うと共に、引出加速電圧を上記（１）ないし（４）へと大きくする程、１周期内における電子放出期間のオンデューティＴｏｎを上記（１）ないし（４）へと短く制御するので、電子を高加速で蛍光体８ａに向けて飛翔衝突させて該蛍光体８ａを高輝度発光させつつ、蛍光体８ａには電子が長期にわりた継続照射されずに済ませることによって、蛍光体８ａの劣化を軽減し、蛍光体８ａの発光寿命を延ばすことができる。

（実施の形態２）
図３および図４を参照して実施の形態２に係る発光素子の駆動制御方法を説明する。図３は同発光素子の概略構成を示し、図４は同発光素子の駆動制御の説明に供するタイミングチャートを示す。図３および図４において、図１および図２と対応する部分には同一の符号を付し、その同一の符号に係る部分の詳しい説明は省略する。

実施の形態２の発光素子２６は、蛍光体８ａを有するアノード８と、電子放出層１０ａを有する電子放出用カソード１０とが相対向し、かつ、電子放出用カソード１０の同一面内両側に電子放出のオンオフを制御するゲート（制御電極）２４ａ，２４ｂを配置したインプレーンゲート型のトライオード構造になっている。このトライオード構造においても、実施の形態１のダイオード構造と同様に、電子放出用カソード１０から電子を引き出す電圧と、この引き出した電圧をアノード８に向けて加速させるための電圧とを同一の電圧とする。

実施の形態２の発光素子２６は、電子放出層１０ａを有する電子放出用カソード１０と、電子放出用カソード１０からの電子放出を制御するためのゲート２４ａ，２４ｂと、蛍光体８ａを有するアノード８とを備え、電子放出用カソード１０から電子を引き出す電圧と、この引き出した電圧をアノード８に向けて加速させるための電圧とを同一の電圧としている。

発光素子２６は、駆動制御装置２８により駆動制御されるようになっている。この駆動制御装置２８は、引出加速電圧用直流電源１６、ゲート電圧用直流電源３０、引出加速電圧制御部３２、オンデューティ制御部３４、およびスイッチ部３６から構成されている。

この駆動制御装置２８において、直流電源１６はアノード８と電子放出用カソード１０との間に接続されている。直流電源３０とスイッチ部３６とが電子放出用カソード１０とゲート２４ａ，２４ｂとの間に直列に接続されている。

引出加速電圧制御部３２は実施の形態１と同様に引出加速電圧用直流電源１６の電圧（引出加速電圧）の大きさを制御する。

オンデューティ制御部３４はスイッチ部３６をオンオフ制御して１周期内における電子放出期間のオンデューティを制御する。

オンデューティ制御部３４は、周期的にスイッチ部３６をオンオフ制御すると共に、スイッチ部３６の接点を接地側３６ｂに閉じるときはゲート電位をカソード電位と同電位例えば０Ｖとして電子放出用カソード１０の電子放出層１０ａからの電子放出を行わせ、スイッチ部３６の接点をゲート電圧用直流電源側３６ａに閉じるときはゲート電位をカソード電位に対して負電位例えば−１５０Ｖとして電子放出用カソード１０からの電子放出を停止させる。

オンデューティ制御部３４は、この場合、スイッチ部３６の周期的なオンオフ制御において、この１周期内における電子放出期間の印加期間に相当するオンデューティＴｏｎを、引出加速電圧が大きいときは短くなるよう制御する。

図４を参照して動作を説明する。Ｔｏｎはゲート電位をカソード電位と同電位の０Ｖとして電子放出させる期間に相当するオンデューティ、Ｔｏｆｆはゲート電位をカソード電位に対して負電位の−１５０Ｖとして電子放出を停止させる期間に相当するオフデューティを示す。図４（ａ）は引出加速電圧が小さい電圧の場合を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）に対応するオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示す。図４（ｃ）は引出加速電圧が中程度の大きさの場合を示し、図４（ｄ）は図４（ｃ）に対応するオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示す。図４（ｅ）は引出加速電圧が大きい場合を示し、図４（ｆ）は図４（ｅ）に対応するオンデューティＴｏｎとオフデューティＴｏｆｆとを示す。

図４（ａ）と図４（ｂ）との組み合わせにおいては、引出加速電圧が小さい場合、１周期内における電子放出期間のオンデューティＴｏｎを長く制御し、図４（ｃ）と図４（ｄ）との組み合わせにおいては、引出加速電圧が中程度である場合、１周期内におけるオンデューティＴｏｎを中程度の長さに制御し、図４（ｅ）と図４（ｆ）との組み合わせにおいては、引出加速電圧が大きい場合、１周期内におけるオンデューティＴｏｎを短く制御している。これら制御は、引出加速電圧制御部３２とオンデューティ制御部３４とにより行う。

本実施の形態２の駆動制御についても実施の形態１と同様の実験を実施したところ、実施の形態１と同様に、引出加速電圧を大きくするに伴い、電子放出の１周期内におけるオンデューティを短く制御するので、電子を高加速で蛍光体８ａに向けて飛翔衝突させて該蛍光体８ａを高輝度発光させつつ、蛍光体８ａには電子が長期にわりた継続照射されずに済ませることによって、蛍光体８ａの劣化を軽減し、蛍光体８ａの発光寿命を延ばすことができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子とその駆動制御装置の回路構成とを示す断面図である。 図２は、図１の駆動制御方法の説明に供するタイミングチャートである。 図３は、本発明の実施の形態２に係る発光素子とその駆動制御制御装置の回路構成とを示す断面図である。 図４は、図３の駆動制御方法の説明に供するタイミングチャートである。

符号の説明

８ アノード
８ａ 蛍光体
１０ 電子放出用カソード
１０ａ 電子放出層
１２ 発光素子
１４ 駆動制御装置
１６ 引出加速電圧用直流電源
１８ スイッチ部
２０ 引出加速電圧制御部
２２ オンデューティ制御部

Claims (4)

1. 電界印加により電子を放出する電子放出層を有するカソードと、電子衝突により励起発光する蛍光体を有するアノードとを備え、カソード側から電子を引き出すための電界を発生させる電圧と引き出された電子を加速するためにアノードとカソードの間に印加する電圧が同一の電圧である発光素子の駆動制御方法において、
   上記電子放出を周期的に行うと共にこの１周期内における当該電子放出を行う期間に相当するオンデューティの制御により輝度の制御を行う、ことを特徴とする発光素子の駆動制御方法。
2. 上記アノードとカソードとが相対向するダイオード構造を備え、上記アノードに上記電圧を印加すると共にこの印加電圧の印加周期を制御して上記電子放出を行う期間のオンデューティを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子の駆動制御方法。
3. 電界印加により電子を放出する電子放出層を有するカソードと、カソードからの電子放出を制御するためのゲートと、電子衝突により励起発光する蛍光体を有するアノードとを備え、カソード側から電子を引き出すための電界を発生させる電圧と引き出された電子を加速するためにアノードとカソードの間に印加する電圧が同一の電圧である発光素子の駆動制御方法において、
   上記電子放出を周期的に行うと共にこの１周期内における当該電子放出を行う期間に相当するオンデューティの制御により輝度の制御を行う、ことを特徴とする発光素子の駆動制御方法。
4. 上記カソードが、電極表面にナノサイズの電子放出材料からなる電子放出層を備えたものである、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発光素子の駆動制御方法。

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