JP2010027402A - 電子銃及び電子ビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電子銃から放射される電子ビームの集束特性を向上させることと、集束用の磁界生成装置の部品点数を削減して装置コストを下げることを目的とする。
【解決手段】 本発明の電子銃３０は、開口を有すると共に内部に空間を有し、この空間内の円弧状の側面に凹溝３２ｃが形成されたカソード３２と、凹溝３２ｃに配設され、通電による加熱によって電子を放出するフィラメント３４と、このフィラメント３４から放出されて電子をカソード３２との間で加速するアノード３６とを備える。凹溝３２ｃを挟んで上下に円弧状に形成される上側カソード３２ｆ及び下側カソード３２ｇを、上側カソード３２ｆの円弧辺の曲率半径Ｒ１が、下側カソード３２ｇの円弧辺の曲率半径Ｒ２と異なるように形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子ビームを発生して放射する電子銃及び電子ビーム発生装置に関し、特に、フィラメント近傍のカソードから集束し易い方向に電子ビームを放射することができる電子銃及び電子ビーム発生装置に関する。

電子銃は、フィラメントを加熱して熱電子を放出し、この放出された熱電子をカソードとアノードとで加速して電子ビームとして放射する装置である（特許文献１参照。）。この電子銃を用いた電子ビーム発生装置の概略構成図を図１に示す。また、電子ビーム発生装置１に用いられる電子銃１０の電子放射部分の概略構成を図２に示す。但し、図２（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す矢印Ｙ１方向から見た側面図である。

電子銃１０は、カソード１２の内側に底面と平行な凹溝が設けられて上下に形成された上側カソード１２ａ及び下側カソード１２ｂと、これら上側カソード１２ａと下側カソード１２ｂとの間に配設されたフィラメント１４と、上側カソード１２ａの上方から電子ビームｅ１放射方向に架けて上側カソード１２ａと所定間隔で配設されたアノード１５とを備えて構成されている。

図１に示すように、カソード１２とアノード１５との間には、高電圧を印加する高圧電源１６が接続され、また、フィラメント１４にはフィラメント１４に通電するフィラメント用電源１７が接続されている。更に、電子銃１０から外側へ電子ビームｅ１が放射される開口１９側には後述する磁界１８を生成する磁界生成装置が配設されている。なお、図１には、図示せぬ蒸着装置内に配置される蒸着材料２０の入った坩堝２１を表した。

このような構成において、高圧電源１６でカソード１２とアノード１５間に高電圧が印加されると共に、フィラメント用電源１７でフィラメント１４に所定電流が流されたとする。この場合、フィラメント１４が加熱されて熱電子が放出され、この熱電子が上側及び下側カソード１２ａ，１２ｂとアノード１５間とで加速され、これが電子ビームｅ１としてアノード１５側に設けられた開口１９から電子銃１０の外部へ放射される。

この放射された電子ビームｅ１は、磁界生成装置による磁界１８によってターゲットである蒸着材料２０に集束して照射されるように偏向される。電子ビームｅ１が蒸着材料２０に照射されると、蒸着材料２０が溶融して蒸発し、図示せぬ被蒸着物の表面に成膜する。

特開２００７−１６５１６０号公報

上述したように、図２に示すように、フィラメント１４からの電子ビームｅ１は上側及び下側カソード１２ａ，１２ｂから拡散方向に放射されると共に、上側及び下側カソード１２ａ，１２ｂとアノード１５間で加速されて開口１９から外部へ放射される。このように電子ビームｅ１が拡がって放射されるので電子ビームｅ１の集束が悪い、又は、集束させるための調整が非常に難しいという課題があった。

また、その拡がって放射された電子ビームｅ１を蒸着材料２０の位置まで曲げながら適正に集束させなければならない。電子ビームｅ１を良好に集束させるためには、磁性材料など多くの部品を適正に調整して組み合わせた磁界１８を生成する磁界生成装置が必要となり、このため装置コストが高くなるという課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、電子銃から放射される電子ビームの電極部での集束を向上させ、集束特性の良いビームを得ることと、集束用の磁界生成装置の部品点数を削減して装置コストを下げることを目的とする。

上記目的を達成するために、開口を有し内部に円弧状の側面を有する空間を備え、この空間内の円弧状の側面に周方向に沿って凹溝が形成されたカソードと、前記凹溝内に配設され、加熱されることにより電子を放出するフィラメントと、このフィラメントから放出された電子を前記カソードとの間で加速するアノードとを有する電子銃において、前記カソードが、前記凹溝を挟んで上下に円弧状に形成される上側カソード及び下側カソードを備え、前記上側カソードの円弧辺の曲率半径が、前記下側カソードの円弧辺の曲率半径と異なるように形成されていることを特徴とする電子銃とした。

この構成によれば、上側及び下側カソードの双方の円弧辺による電子ビーム放射面の形状が、光を集光する凹レンズ状に形成されているので、フィラメントから放出された熱電子が、電子ビーム放射面のレンズ効果により集束方向に向かって加速される。この加速された電子は開口での集束状態で電子銃から電子ビームとして放射される。この放射される電子ビームは開口で集束状態となっている。従って、電子ビームの集束特性を向上させることができる。

本発明の電子銃は、前記カソードの開口付近に先端部が配置される状態に当該カソードの空間内に立設された柱状の突部、を更に備えることが望ましい。

この構成によれば、電子銃から電子ビームが放射された際に、電子ビームの周囲にプラスイオンが発生して開口からカソード側に引き寄せられるが、開口には突部の先端部が配置されているので、プラスイオンは先端部に衝突して突部で吸収される。従って、カソード側に引き寄せられるプラスイオンがフィラメントに衝突してフィラメントが劣化することを防止することができる。

本発明の電子銃は、前記上側カソード及び前記下側カソードの双方の円弧辺の曲率半径を、前記加速される電子が開口での集束状態となる寸法としたことが望ましい。

この構成によれば、上側及び下側カソードの電子の放射側の形状を、電子を所定の集光状態とするに最適な凹レンズ状とすることができるので、電子銃から放射される電子ビームの集束特性をより向上させることができる。

本発明の電子銃は、前記上側カソードの一部が、前記アノードと前記フィラメントとを結ぶ仮想の直線に交差して介在することが望ましい。

この構成によれば、フィラメントから熱電子が放出される際、フィラメントとアノードとを結ぶ仮想の直線に上側カソードの一部が介在するので、フィラメントから発生した電子がアノードに直接衝突することが無くなる。

本発明の電子銃は、前記フィラメントが、直線状であることが望ましい。

この構成によれば、フィラメントが直線状であっても当該フィラメントから放出された熱電子は、上述したレンズ効果により集束方向に向かって加速され電子ビームとして電子銃から放射されるので、電子ビームの集束特性が所定以下に低下することはない。従って、フィラメントの形状を単純化することができるので、その分、フィラメントを低コストで作製することができる。

また、具体的には、上述したいずれかの電子銃と、この電子銃から放射される電子ビームを偏向及び集束する磁界生成装置とを備えたことを特徴とする電子ビーム発生装置である。

この構成によれば、電子銃から放射される電子ビームは開口での集束状態となっているので、磁界生成装置は従来に比べ簡略な構成且つ簡単な調整で電子ビームを偏向しながら集束してターゲットに照射することができる。従って、磁界生成装置の構成を従来よりも簡略化することができるので、その分、電子ビーム発生装置の製作コストを下げることができる。

本発明によれば、電子銃から放射される電子ビームの集束特性を向上させることと、集束用の磁界生成装置の部品点数を削減して装置コストを下げることができる電子銃及び電子ビーム発生装置を提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図３は、本発明の実施形態による電子銃３０の構成を示し、（ａ）は電子銃３０のカソード３２の２枚の側板３２ａ，３２ｂのうち一方の側板３２ａを取り外した状態における断面斜視図、（ｂ）は平面図である。

電子銃３０は、内部に空間を有するカソード３２と、カソード３２の内部に設けられている後述の凹溝３２ｃ内に配設された円弧形でソレノイド状のフィラメント３４と、カソード３２の上方に配設された概略扇形状のアノード３６と、カソード３２の扇形の要位置Ｖ１に当接して立設された柱状の突部３８とを備えて構成されている。なお、カソード３２及びアノード３６は金属で形成されるが、加工性、高温での耐久性に優れた金属が好適に用いられる。電子銃３０から放射される電子ビームｅを磁場で偏向する場合には、磁性体は磁場の影響を受けるので、非磁性体金属とするのが好ましい。

更に詳述すると、カソード３２は、Ｖ１を要位置とする扇形の底板３２ｄと、この底板３２ｄの両側に沿って底板３２ｄの底面に対して垂直に互いの一辺が当接して扇状に配設された２枚の側板３２ａ，３２ｂと、これら側板３２ａ，３２ｂの離隔した垂直な他辺同士を接合する円弧状の側板（以降、円弧状側板と称す）３２ｅとを備えている。但し、本実施形態ではカソード３２が底板３２ｄを有する構造としているが、底板３２ｄの無い構造であってもよい。

また、円弧状側板３２ｅの内側に円弧の周方向に沿って底板３２ｄの底面に平行に凹溝３２ｃが形成されており、２枚の側板３２ａ，３２ｂと上方に配設されたアノード３６の内側の円弧状の辺（以降、内側円弧辺と称す）とで囲まれた領域が、電子ビームｅを外部へ放射する開口４０となっている。

この開口４０の付近に先端部３８ａが配置される突部３８が底面に立設されている。この突部３８は、円柱を扇形の角度で区切った形状を成し、フィラメント３４に対向する側面に上方に向かい徐々に細くなる傾斜状の傾斜部３８ｂが形成され、この傾斜部３８ｂの上端に細長い棒状の先端部３８ａが立設された形状となっている。この突部３８は、電子ビームｅが放射された際に周囲にプラスイオンが発生してこれがカソード３２側に引き寄せられ、フィラメント３４に衝突して断線することを防止するものである。但し、一点鎖線Ｈ１は、平面形状が扇形状の電子銃３０を、扇形の要位置Ｖ１を通って左右対称に分ける中心軸であり、底板３２ｄの底面と平行な直線である。また、上述したように底板３２ｄの無い構造の場合は、突部３８は側板３２ａ，３２ｂのみで固定される。または、別の支持方法によって固定されてもよい。更に、突部３８は、円柱を扇形の角度で区切った形状の他、円柱や直方体などの形状でもよい。また、電子銃３０は本例では平面形状が扇形状であるとしたが、必ずしも扇形状でなくでもカソード３２が凹溝３２ｃの形成された円弧状側板３２ｅを備えていれば他の平面形状でもよい。

本実施形態の１つ目の特徴は、図４（ａ）にも示すように、カソード３２の凹溝３２ｃを挟んで上下に形成される上側カソード３２ｆの内側円弧辺の曲率半径Ｒ１と、下側カソード３２ｇの内側円弧辺の曲率半径Ｒ２との大きさを、Ｒ１＞Ｒ２の関係となるように形成した点にある。但し、Ｒ１＜Ｒ２の関係であってもよい。また、アノード３６の内側円弧辺の曲率半径Ｒ３は、曲率半径Ｒ２と同じか、Ｒ２よりも小さいサイズが好ましい。例えばＲ１＝１５ｍｍ、Ｒ２＝１２ｍｍ、Ｒ３＝１２ｍｍのサイズで形成される。但し、本実施形態においては上側カソード３２ｆと下側カソード３２ｇとの各円弧辺の中心軸が上下で一致する構造としたが、必ずしも一致しなくてもよい。

２つ目の特徴は、フィラメント３４を凹溝３２ｃ内に配設する際に、図４（ｂ）又は（ｃ）の断面図に示すように、上側カソード３２ｆの内側円弧辺の中心軸を通り底面に対して垂直な垂直線Ｖ２から開口４０側にフィラメント３４が突き出ないようにした点にある。但し、下側カソード３２ｇの内側円弧辺は、図４（ｂ）に示すように、上側カソード３２ｆの内側円弧辺と中心軸が上下で一致する形状、及び、図４（ｃ）に示すように、上側カソード３２ｆよりも凹溝３２ｃの奥側に位置する形状の何れでもよい。つまり、別の言い方をすれば、上側カソード３２ｆの一部が、アノード３６とフィラメント３４とを結ぶ仮想の直線に交差していればよい。

このような構成の電子銃３０を用いた電子ビーム発生装置の構成を図５に示す。電子ビーム発生装置４１は、電子銃３０のアノード３６及びカソード３２間に高圧電源４２が接続され、フィラメント３４にフィラメント用電源４３が接続され、更に電子ビームｅの軌道近くに磁界４４を生成する磁界生成装置が配設されて構成されている。なお、図５には、図示せぬ蒸着装置内に配置される蒸着材料２０の入った坩堝２１が表してある。

このような構成において、高圧電源４２でカソード３２とアノード３６間に高電圧が印加されると共に、フィラメント用電源４３でフィラメント３４に所定電流が流れると、フィラメント３４が加熱されて熱電子が放出され、この熱電子が上側及び下側カソード３２ｆ，３２ｇとアノード３６間とで加速され、これが電子ビームｅとして開口４０から電子銃３０の外部へ放射される。

この際、上側及び下側カソード３２ｆ，３２ｇの双方の内側円弧辺による電子ビームｅの放射面（電子ビーム放射面と称す）の形状が、光を集光する凹レンズ状に形成されている。このため、図６に示すようにフィラメント３４から放出された熱電子は、上側及び下側カソード３２ｆ，３２ｇによる電子ビーム放射面のレンズ効果により集束方向に向かって電子ビームｅとして加速される。この加速された電子ビームｅは、開口での集束状態で図５に示すように開口４０から放射される。

更に、開口４０から開口での集束状態で放射された電子ビームｅは、磁界４４を生成する磁界生成装置によりターゲットである蒸着材料２０に集束して照射されるように偏向される。電子ビームｅが蒸着材料２０に照射されると、蒸着材料２０が溶融して蒸発し、図示せぬ被蒸着物の表面に成膜する。

また、開口４０から電子ビームｅが放射された際に、この周囲にプラスイオンが発生して開口４０からカソード３２側に引き寄せられるが、開口４０には突部３８の先端部３８ａが配置されているので、プラスイオンは先端部３８ａに衝突して突部３８で吸収される。従って、カソード３２側に引き寄せられるプラスイオンがフィラメント３４に衝突することはない。但し、本実施形態の電子銃３０においては、突部３８の無い構成であってもよい。

このように本実施形態の電子銃３０は、開口４０を有すると共に内部に円弧状の側面を有する空間を有し、この空間内の円弧状の側面に周方向に沿って凹溝３２ｃが形成された箱状のカソード３２と、凹溝３２ｃに配設され、通電による加熱によって電子を放出するフィラメント３４と、このフィラメント３４から放出された電子をカソード３２との間で加速するアノード３６とを備え、次の特徴を有する構成とした。

即ち、凹溝３２ｃを挟んで上下に円弧状に形成される上側カソード３２ｆ及び下側カソード３２ｇを、上側カソード３２ｆの円弧辺の曲率半径Ｒ１が、下側カソード３２ｇの円弧辺の曲率半径Ｒ２と異なるように形成した。

この構成によって、上側及び下側カソード３２ｇの電子ビームの放射側の形状が、円弧状、換言すれば光を集光する凹レンズ状に形成されているので、フィラメント３４から放出された熱電子が、上側及び下側カソード３２ｇの電子ビーム放射面のレンズ効果により集束方向に向かって加速される。この加速された電子は開口での集束状態で開口４０から放射されて電子銃３０から電子ビームとして放射される。この放射される電子ビームは開口での集束状態となっている。従って、系全体での電子ビームの集束が容易となり、集束特性を向上させることができる。

上側及び下側カソード３２ｆ，３２ｇの双方の円弧辺の曲率半径Ｒ１，Ｒ２を、加速される電子が開口での集束状態となる寸法とすることが望ましい。この構成によって、上側及び下側カソード３２ｆ，３２ｇによる電子ビーム放射面の形状を、電子を所定の集光状態とするに最適な凹レンズ状とすることができるので、電子銃から放射される電子ビームの集束をより向上させることができる。

また、電子銃３０と組み合わされて、電子銃３０から放射される電子ビームを偏向及び集束する処理を行う磁界４４を生成する磁界生成装置は、従来に比べ簡略な構成且つ簡単な調整で電子ビームを偏向しながら集束することができる。従って、磁界生成装置を従来よりも簡略化して構成することができるので、良好な集束を得るための部品調整も削減することができ、この結果、製作コストを下げることができる。従って、電子銃３０及び磁界生成装置を備えて構成される電子ビーム発生装置４１の製作コストを下げることができる。

また、フィラメント３４から熱電子が放出される際、上側カソード３２ｆの一部が、フィラメント３４とアノード３６とを結ぶ仮想の直線に交差して介在するようにした。この構成によって、フィラメント３４から熱電子が放出される際、フィラメント３４とアノード３６とを結ぶ仮想の直線に上側カソード３２ｆが交差して介在するので、フィラメント３４からの電子がアノード３６に直接衝突することが無くなる。

また、図７に示すように、フィラメント３４−１を直線状として凹溝３２ｃに配設しても、このフィラメント３４−１から放出された熱電子は、上述したレンズ効果により集束方向に向かって電子ビームｅとして加速されて放射される。このようにフィラメント３４−１を直線状とした場合、フィラメント３４−１の形状を単純化することができるので、その分、フィラメント３４−１を低コストで作製することができる。

本発明の電子銃及び電子ビーム発生装置は、ディジタルカメラ、メガネ、プロジェクター用レンズ、ＤＶＤ、ＣＤ検出用レンズ、プラズマディスプレイ、ディジタルビデオテープ等のコーティング用の真空蒸着装置の蒸発源として多岐に渡って適用することができ、更には、光通信、太陽エネルギー利用分野、複写機等にも適用することができる。

従来の電子銃を用いた電子ビーム発生装置の概略構成図である。 従来の電子銃の電子放射部分の概略構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す矢印Ｙ１方向から見た側面図である。 本発明の実施形態による電子銃の構成を示し、（ａ）は電子銃のカソードの２枚の側板のうち一方の側板を取り外した状態における断面斜視図、（ｂ）は平面図である。 （ａ）は本実施形態の電子銃の上側カソード、下側カソード及びアノードの各々の内側円弧辺の曲率半径を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の上側及び下側カソードの内側円弧辺が上下で一致する際の断面図、（ｃ）は（ａ）の下側カソードの内側円弧辺が上側カソードの内側円弧辺よりも奥に配置された際の断面図である。 本実施形態の電子銃を用いた電子ビーム発生装置の概略構成図である。 本実施形態の電子銃のレンズ効果を説明するための平面図である。 本実施形態の電子銃における他の構成のフィラメントを示す平面図である。

符号の説明

１，４１：電子ビーム発生装置
１０，３０：電子銃
１２，３２：カソード
１２ａ，３２ｆ：上側カソード
１２ｂ，３２ｇ：下側カソード
１４，３４，３４−１：フィラメント
１５，３６：アノード
１６，４２：高圧電源
１７，４３：フィラメント用電源
１９，４０：開口
２０：蒸着材料
２１：坩堝
３２ａ，３２ｂ：カソードの側板
３２ｃ：凹溝
３２ｄ：底板
３４：フィラメント
３２ｅ：カソードの円弧状側板
３８：突部
３８ａ：先端部
３８ｂ：傾斜部
１８，４４：磁界生成装置の生成磁界
ｅ，ｅ１：電子ビーム
Ｒ１：上側カソードの内側円弧辺の曲率半径
Ｒ２：下側カソードの内側円弧辺の曲率半径
Ｒ３：アノードの内側円弧辺の曲率半径

Claims (6)

1. 開口を有し内部に円弧状の側面を有する空間を備え、この空間内の円弧状の側面に周方向に沿って凹溝が形成されたカソードと、前記凹溝内に配設され、加熱されることにより電子を放出するフィラメントと、このフィラメントから放出された電子を前記カソードとの間で加速するアノードとを有する電子銃において、
   前記カソードが、前記凹溝を挟んで上下に円弧状に形成される上側カソード及び下側カソードを備え、前記上側カソードの円弧辺の曲率半径が、前記下側カソードの円弧辺の曲率半径と異なるように形成されていることを特徴とする電子銃。
2. 前記カソードの開口付近に先端部が配置される状態に当該カソードの空間内に立設された柱状の突部、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 前記上側カソード及び前記下側カソードの双方の円弧辺の曲率半径を、前記加速される電子が開口での集束状態となる寸法としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子銃。
4. 前記上側カソードの一部が、前記アノードと前記フィラメントとを結ぶ仮想の直線に交差して介在することを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの電子銃。
5. 前記フィラメントが、直線状であることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの電子銃。
6. 請求項１から５に記載のいずれかの電子銃と、この電子銃から放射される電子ビームを偏向及び集束する磁界生成装置とを備えたことを特徴とする電子ビーム発生装置。

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