JP2010262791A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線を良好に遮蔽し、良好に可視光線を外部に取り出すことが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、遮蔽部１１と第１のフェイスガラス１２と給電部１３と配線１４と電源１５と発光素子２０と、を備える。発光素子２０は、アノード電極２１と蛍光体膜２２とエミッタ電極２３と第２のフェイスガラス２４と、を備える。遮蔽部１１を円錐台形状の凹部１１ａと凸部１１ｂとから構成し、発光素子２０から発せられる光を遮蔽部１１で反射し、外部に導出させることにより、Ｘ線の漏洩を良好に防ぎ、更に良好に可視光を外部に取り出すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界電子放出型電極を利用した発光装置に関する。

従来、電界放出型光源（ＦＥＬ；Field Emission Lamp）のように、電界電子放出現象を利用した発光装置が照明として用いられている。電界放出型光源は、ＶＦＤ（Vacuum Fluorescent Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等と、電子線照射によって励起された蛍光体の発光、すなわちカソードルミネセンスを利用する点では同様であるが、電子放出源としてフィラメントではなく、量子的な効果で電子放出を行う電界電子放出素子を使用することに特徴がある。電界放出型光源では、フィラメントのように加熱を必要とせずに大きな電流を取り出せるため、低消費電力で高輝度な発光を得ることができ、耐久性も高いことが知られている。

また、電界放出型光源としては、例えば特許文献１に示すような透過型のＦＥＬ、特許文献２に示すような反射型のＦＥＬが知られている。

特開２００８−２５８０３８号公報 特開２００６−２３６７２１号公報

ところで、電界放出型光源で一般に用いられる電子線励起型蛍光体（例えばＰ−２２、Ｐ−５２等）は、加速電圧が低いほど発光効率が悪く、蛍光体の劣化も速いという問題がある。

これらの蛍光体を高効率に長時間用いるためには、加速電圧を上げることが考えられるが、加速電圧を上昇させると蛍光体から可視光線だけでなくＸ線も発生する。

この蛍光板より発生する線が、ＦＥＬの光を取り出すための窓の素材が、ソーダガラスなどのように軽元素からなる場合には、前記透過型、反射型のいずれの方式であっても外部に放射される危険性がある。

このため、Ｘ線を良好に遮蔽し、良好に可視光線を外部に取り出すことが可能な発光装置が求められている。

本発明は上述した問題を鑑みてなされたものであり、Ｘ線を良好に遮蔽し、良好に可視光線を外部に取り出すことが可能な発光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、本発明の観点に係る発光装置は、
蛍光体膜と、電界の印加により電子を放出する電子放出素子と、を有する発光素子と、
前記発光素子が中に配置され、前記発光素子から発せられるＸ線を遮蔽する遮蔽部と、
を備えることを特徴とする。

前記遮蔽部は反射性を有する材料から形成され、前記遮蔽部の内周面は、所定程度傾斜しており、
前記遮蔽部の内周面で前記発光素子から発せられた光が反射し、外部に出射されてもよい。

前記遮蔽部は、
円錐台形状に形成された凹部と、前記凹部の底面に設けられた円錐台形状の凸部と、を備えてもよい。

前記発光素子は、Ｘ線を遮蔽する発光素子遮蔽部を更に備え、
前記発光素子遮蔽部の内周面には前記蛍光体膜が形成されてもよい。

前記発光素子遮蔽部は、円錐台形状に形成され、
前記発光素子遮蔽部と前記凸部とは同軸となり、前記発光素子遮蔽部の側面と前記凸部の側面とがほぼ同一の方向に広がるように設けられてもよい。

前記発光素子は、前記電子放出素子と対向するように設けられる第１の電極を更に備え、
前記発光素子遮蔽部は、前記第１の電極としても機能してもよい。

前記発光素子には、発光素子の外周面上に、その表面を直線的に見込める角度が存在しないように、湾曲、或いは屈折させた放熱フィンの配列からなるヒートシンクを備えてもよい。

本発明によれば、Ｘ線を遮蔽することが可能な容器内に発光素子を設けることにより、Ｘ線を良好に遮蔽し、良好に可視光線を外部に取り出すことが可能な発光装置を提供することができる。

実施形態に係る発光装置を模式的に示す図である。 発光装置を説明する図である。 発光装置の光路を模式的に示す図である。 エミッタ電極の電子放出領域を模式的に説明する図である。 Ｘ線透過率のフォトンエネルギーに対する依存性を表す図である。 発光装置の変形例を模式的に示す図である。 発光装置の変形例を模式的に示す図である。

本発明の実施形態に係る発光装置について図を用いて説明する。本実施形態の発光装置は照明や表示に使用可能な、電子線照射によって励起される蛍光体の発光を利用した電界放出型光源を例に挙げて説明する。

発光装置１０は、図１に示すように、遮蔽部１１と、第１のフェイスガラス１２と、給電部１３と、配線１４と、電源１５と、発光素子２０と、を備える。発光素子２０は、アノード電極２１と、蛍光体膜２２と、エミッタ電極２３と、第２のフェイスガラス２４と、を備える。発光素子２０は、遮蔽部１１と第１のフェイスガラス１２とからなる空間に設けられている。

遮蔽部１１は、Ｘ線を遮蔽することが可能であり、反射性を有する材料から形成される。遮蔽部１１内には発光素子２０が設けられ、遮蔽部１１は、蛍光体膜２２から発せられたＸ線を遮蔽し、更に可視光線を内周面で反射させ第１のフェイスガラス１２を介して外部に導出するように機能する。遮蔽部１１は、詳細に後述するように、鉄、ニッケル、ステンレス、真鍮等から形成され、Ｘ線を所定程度遮蔽する厚みを備える。また、遮蔽部１１は、凹部１１ａと凸部１１ｂとを備える。凹部１１ａは、円錐台形状、具体的には図１に示すように、円錐を底面に平行な平面で切り、小円錐の部分を除いた形に形成される。また、遮蔽部１１の凹部１１ａの内径は、後端側（底面側、図１に示す下端）が先端側（口縁部、図１に示す上端）と比較して小さく形成される。また、凹部１１ａの底面には、円錐台形状の凸部１１ｂが形成される。この凹部１１ａと凸部１１ｂとにより、遮蔽部１１の断面図は図１に示すように、ほぼＷ型となる。遮蔽部１１を、このように底面から放射状に広がる形、換言すればお椀状の凹部１１ａとし、凹部１１ａの底面に凸部１１ｂを設けることにより、凹部１１ａの内周面とを凸部１１ｂの外周面とを反射板として機能させることができ、蛍光体膜２２から発せられた光を効率よく外部に導出させることが可能となる。また、遮蔽部１１の周囲には図示しない絶縁性の材料、例えばガラス等からなる真空封止容器が設けられている。

また、本実施形態の遮蔽部１１は、図２に示すように、凹部１１ａの外周面の底面に対する角度をθ、凸部１１ｂの高さ（遮蔽部１１の内側の底面から凸部１１ｂの先端）をｄ、発光素子２０のアノード電極２１の半径をｒ、凸部１１ｂの半径をＲとしたとき、下記の数１、式１、式２を満たす。

（式１）
ｄ≧Ｒ

（式２）
Ｒ≧ｒ

本実施形態では、発光素子２０の第２のフェイスガラス２４は遮蔽部１１の底面に面しているため、発光素子２０から発せられ、第２のフェイスガラス２４を介して出射された可視光線は遮蔽部１１の底面、つまり図３に点線で示すように下方向に一旦出射される。この可視光線は、遮蔽部１１によって発光素子２０の発光方向とは反対側に反射される。この際、数１、式１及び式２を満たすように、遮蔽部１１を形成することにより、反射光が発光素子２０内に再入射することを抑制することができる。Ｘ線は、蛍光体膜２２で発生し、その一部が第２のフェイスガラス２４で減衰を受けつつも通過するが、この方向にはＸ線を遮蔽する機能を有する遮蔽部１１が位置しているため、このＸ線は遮蔽部１１によって遮蔽される。なお、電子入射角に対して順方向の範囲に放射されるＸ線はアノード電極２１によって遮蔽される。つまり、本実施形態では、アノード電極２１の先端（口縁部）が遮蔽部１１の凸部１１ｂの後端（底面）を覆うような形で、発光素子２０と遮蔽部１１とを配置させているため、発光素子２０から発せられたＸ線をアノード電極２１と、遮蔽部１１とによって遮蔽することが可能となる。

第１のフェイスガラス１２は、透光性を有する材料、例えばガラス等から形成される。第１のフェイスガラス１２は、低融点フリットガラス等により遮蔽部１１の先端側に接着固定されている。また、第１のフェイスガラス１２は、図１に示すように発光素子２０のアノード電極２１と接するように配置されている。

なお、第１のフェイスガラス１２は図１に示す構成とは異なり、アノード電極２１と所定の距離だけ離間して配置されていてもよい。また、図１では第１のフェイスガラス１２を設ける構成を例に挙げて説明しているが、第１のフェイスガラス１２を省略することも可能である。この場合、遮蔽部１１、発光素子２０は大気に曝されるが、発光素子２０から発せられる熱は、良好に大気中に放熱されるため好ましい。

給電部１３は、導電性を有する材料、例えば銅から形成される。給電部１３は、第２のフェイスガラス２４の略中心に設けられており、給電部１３の中心にはエミッタ電極２３と電源１５とを接続する配線１４が設けられている。
配線１４は、リード配線等から構成され、エミッタ電極２３と電源１５とを電気的に接続する。
電源１５は、配線１４によってエミッタ電極２３に接続される。電源１５によって、−１０ｋＶ以上、例えば−３０ｋＶの電圧がエミッタ電極２３に印加される。

次に、発光素子２０について説明する。発光素子２０は、アノード電極２１と蛍光体膜２２とエミッタ電極２３と第２のフェイスガラス２４とを備え、遮蔽部１１と第１のフェイスガラス１２とからなる空間に設けられている。

アノード電極（発光素子遮蔽部）２１は、導電性と反射性を有する材料から形成され、円錐台形状、具体的には図１に示すように、円錐を底面に平行な平面で切り、小円錐の部分を除いた形に形成される。アノード電極２１はエミッタ電極２３と対向するように設けられており、アノード電極２１の内周面には蛍光体膜２２が形成される。また、アノード電極２１の内径は、後端側（底面側、図１に示す上端）が先端側（口縁部、図１に示す下端）と比較して小さく形成される。また、特に本実施形態では、アノード電極２１は、遮蔽部１１と同様に、鉛を用いず、鉄、ニッケル、ステンレス、真鍮等から形成され、Ｘ線を所定程度遮蔽する厚みを備える。アノード電極２１を、このように底面から放射状に広がる形、換言すればお椀状に形成することにより、アノード電極２１を反射板として機能させ、蛍光体膜２２から発せられた光を効率よく外部に導出することが可能となる。また、本実施形態ではアノード電極２１は、遮蔽部１１の凸部１１ｂと同軸となるように配置され、アノード電極２１の側面と凸部１１ｂの側面とはほぼ同じ方向に放射状に広がるように配置される。ここで、アノード電極２１の側面の角度と、凸部１１ｂの側面の角度とは同一であっても異なっていてもよい。更に、アノード電極２１をＸ線を遮蔽するように構成することにより、発光素子からのＸ線の漏洩を防ぐことができる。また、本実施形態では、アノード電極２１は接地されている。

なお、図１ではアノード電極２１を、Ｘ線を遮蔽する材料から形成し、円錐台形状に形成することでアノード電極としての機能とＸ線遮蔽効果とを有する構成を例に挙げて説明しているが、これらの機能を分離させてもよい。例えば金属の代わりにストロンチウムやバリウムを含有するＸ線遮蔽ガラス等を用いて、Ｘ線を所定程度吸収する厚み（日本電気硝子製ＬＦＸ−９で４〜５ｍｍ）をもつ図１に示すアノード電極２１と同様の円錐台形状に形成し、この内周面に透明導電膜を形成し、透明導電膜をアノード電極として機能させてもよい。このような可視光線を透過するＸ線遮蔽ガラス等を、Ｘ線を充分に吸収できる厚みで使用することで、Ｘ線を遮蔽し、更に蛍光体膜２２から発せられたアノード電極へ向かう可視光線をも、良好に取り出すことができる。

蛍光体膜２２は、蛍光体材料、例えばＰ２２蛍光体、Ｐ−５２蛍光体等から形成され、アノード電極２１のエミッタ電極２３に対向する内周面上に形成される。エミッタ電極２３から発せられた電子が蛍光体膜２２に衝突することにより、蛍光体膜２２中の蛍光体が発光する。蛍光体膜２２から発せられた可視光線は、第２のフェイスガラス２４を介して遮蔽部１１内に導出され、更に遮蔽部１１内で反射され、第１のフェイスガラス１２を介して外部に導出される。蛍光体膜２２から発せられたＸ線は、アノード電極２１又は遮蔽部１１によって遮蔽され、外部には導出されない。

エミッタ電極（電子放出素子）２３は、電界電子放出特性を備える材料から形成され、棒状又はワイヤ状に形成される。また、エミッタ電極２３は、アノード電極２１の略中心に設けられる。エミッタ電極２３を棒状又はワイヤ状とし、これを囲むアノード電極２１の内面に蛍光体膜２２を設けることにより、蛍光体膜２２の面積を広く設けることができる。また、本実施形態のエミッタ電極２３は、電子放出性を備える膜が形成された電子放出領域２３ａと、電子放出性を有しない非電子放出領域２３ｂと、を備える。

本実施形態のエミッタ電極２３の電子放出領域２３ａは、ニッケル等の導電性を有する材料から形成された棒状の部材の表面に、電子放出性を有する膜が形成されている。具体的には、電子放出領域２３ａは、図４に示すように芯部３１と、バリア層３２と、電子放出膜３３と、を有する。また、電子放出膜３３は、曲面をなす花弁状（扇状）の複数のグラファイト構造の炭素薄片が起立しながら互いにランダムな方向に繋がりあっているカーボンナノウォール（Carbon Nano Wall（ＣＮＷ））４１と、ＣＮＷ４１上に連続して堆積された、粒径がナノメートルオーダー（１μｍ未満）の複数の微結晶ダイヤモンド微粒子を含む層である微結晶ダイヤモンド膜（炭素膜）４２と、主にＣＮＷ４１の一部が成長し、微結晶ダイヤモンド膜４２の隙間を貫通し、微結晶ダイヤモンド膜４２の表面から突き出ている針状のスティック４３と、を有する。

ＣＮＷ４１からはスティック４３が成長している。また、スティック４３の周囲には微結晶ダイヤモンド膜４２のダイヤモンド微粒子４２ａが配置している。また個々のダイヤモンド微粒子４２ａ間には、ｓｐ^２結合が支配的な相４２ｂが形成される。このようにスティック４３がＣＮＷ４１から成長することによって、スティック４３とＣＮＷ４１とが連続しているので、導体であるＣＮＷ４１からスティック４３に効率よく電子が供給され、スティック４３から良好に電子が放出される。

芯部３１は、少なくとも金属あるいは半金属のいずれかを含む導電性材料、例えばＳｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、ステンレス合金からなる。金属あるいは半金属は、芯部３１全体に含まれてもよく、電子放出膜３３が形成される面側のみ形成されていてもよい。

バリア層３２は、ＣＶＤにより生じる原料ガスを分解してなる反応性の高い炭素が内部に拡散しにくく且つ所定の粒径を有する粒子が芯部３１の表面に敷き詰められた層であり、ダイヤモンド粒子、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の炭化物、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の窒化物、酸化鉄、酸化クロム、酸化アルミニウム等の酸化物等から形成される。

第２のフェイスガラス２４は、透光性を有する材料、例えばガラス等から形成される。第２のフェイスガラス２４は、アノード電極２１の先端側（図１では下端側）に設けられ、低融点フリットガラス等によりアノード電極２１に接着固定されている。

次に、図５に０．２５ｍｍ厚の鉛と、１．３４ｍｍ厚のステンレス、１．３３ｍｍ厚の鉄、０．８７ｍｍ厚の真鍮、０．９２ｍｍ厚のニッケルに関して、実験的あるいは半経験的計算によって得られたパラメータを用いて計算された、Ｘ線エネルギーに対するX線透過率の依存性を示す（参考文献 B.L. Henke, E.M. Gullikson, and J.C. Davis. X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50-30000 eV, Z=1-92, Atomic Data and Nuclear Data Tables Vol. 54 (no.2), 181-342）。なお、図５では実線が１．３４ｍｍ厚のステンレス、１．３３ｍｍ厚の鉄、０．８７ｍｍ厚の真鍮、０．９２ｍｍ厚のニッケルのいずれかに対応し、破線が０．２５ｍｍ厚の鉛に対応する。図５に示すように、Ｘ線のフォトンエネルギーが３０ｋｅＶ以下の範囲で、ステンレス、鉄、真鍮、ニッケルを上述の厚さにすることによって、鉛当量０．２５ｍｍＰｂとほぼ同等のＸ線遮蔽能力をもつこと分かる。このため、本実施形態でも、遮蔽部１１及びアノード電極２１は、鉛当量０．２５ｍｍＰｂを満たすために、例えば１．３４ｍｍ厚以上のステンレス、１．３３ｍｍ厚以上の鉄板、０．８７ｍｍ厚以上の真鍮板、０．９２ｍｍ厚以上のニッケル板のいずれかを用いることができる。

このように、本実施形態では、遮蔽部１１内に発光素子２０を設けることにより、良好にＸ線を遮蔽することが可能な発光装置を提供することができる。特に本実施形態では、遮蔽部１１を円錐台形状の凹部１１ａと凸部１１ｂとから構成し、発光素子２０から発せられる光を遮蔽部１１で反射し、外部に導出させることにより、Ｘ線の漏洩を良好に防ぎ、更に良好に可視光線を外部に取り出すことが可能となる。また、本実施形態では、アノード電極２１の先端が遮蔽部１１の凸部１１ｂの後端を覆うような形で、発光素子２０と遮蔽部１１とを配置させているため、発光素子２０から発せられたＸ線をアノード電極２１によっても遮蔽することができる。これにより、Ｘ線が励起される１０ｋＶ以上の電子加速電圧に設定しても、Ｘ線が装置の外部に漏洩することを抑制することができ、従来と比較し加速電圧を高くすることが可能となり、蛍光体の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、Ｘ線を遮蔽するために鉛を用いないため環境に負荷を与えることはない。更に、Ｘ線の遮蔽をフェイスガラスでの吸収だけに頼る構成では、高価である特殊な材料のフェイスガラスを用いる必要があったが、このような高価なフェイスガラスを用いる必要がないため、発光装置の製造コストを削減することが可能である。

また、本実施形態では、発光素子２０から発生した可視光線は遮蔽部１１によって光源部の発光方向と反対側に反射される。この際、遮蔽部１１を数１、式１及び式２を満たすように設計することにより、反射光が発光素子２０へ再入射することを防ぐことができる。

本発明は上述した実施形態に限られず、様々な変形及び応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、給電部１３を第２のフェイスガラス２４に設ける構成を例に挙げて説明したが、これに限られず、例えば図６に示すようにアノード電極２１の後端部（図６に示す上端）に設けてもよい。

また、蛍光体膜２２は電子の衝突により高温となるため、図７に示す発光装置１０のようにアノード電極２１の外周側にヒートシンク５８を設けることも可能である。このようなヒートシンク５８を設けることで、発光時の蛍光体膜の温度上昇を緩和すると同時に、アノード電極２１のＸ線遮蔽能力を向上させることが可能となる。同時に、アノード電極２１の外周面を照射方向から直線的に見込める角度が存在しないように、ヒートシンクを湾曲、或いは屈折させた放熱フィンの配列によって構成することで、アノード電極２１の内周面の蛍光体膜２２からのＸ線に対して、より遮蔽能力を高めることが可能となる。また、その効果によってアノード電極２１の厚さを、ヒートシンクがない場合に比べて薄くすることができアノード電極２１を安価なプレス加工で作製しやすくなる。

上述した実施形態では、遮蔽部１１の凸部１１ｂが一つ設けられ、発光素子２０も一つ設けられる構成を例に挙げて説明したが、これに限られず、一つの遮蔽部１１に対して凸部１１ｂ及び／又は発光素子２０が複数形成される構成であってもよい。

１０ 発光装置
１１ 遮蔽部
１１ａ 凹部
１１ｂ 凸部
１２ 第１のフェイスガラス
１３ 給電部
１４ 配線
１５ 電源
２０ 発光素子
２１ アノード電極
２２ 蛍光体膜
２３ エミッタ電極（電子放出素子）
２３ａ 電子放出領域
２３ｂ 非電子放出領域
２４ 第２のフェイスガラス
５８ ヒートシンク

Claims (7)

1. 蛍光体膜と、電界の印加により電子を放出する電子放出素子と、を有する発光素子と、
   前記発光素子が中に配置され、前記発光素子から発せられるＸ線を遮蔽する遮蔽部と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
2. 前記遮蔽部は反射性を有する材料から形成され、前記遮蔽部の内周面は、所定程度傾斜しており、
   前記遮蔽部の内周面で前記発光素子から発せられた光が反射し、外部に出射されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記遮蔽部は、
   円錐台形状に形成された凹部と、前記凹部の底面に設けられた円錐台形状の凸部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記発光素子は、Ｘ線を遮蔽する発光素子遮蔽部を更に備え、
   前記発光素子遮蔽部の内周面には前記蛍光体膜が形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
5. 前記発光素子遮蔽部は、円錐台形状に形成され、
   前記発光素子遮蔽部と前記凸部とは同軸となり、前記発光素子遮蔽部の側面と前記凸部の側面とがほぼ同一の方向に広がるように設けられることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
6. 前記発光素子は、前記電子放出素子と対向するように設けられる第１の電極を更に備え、
   前記発光素子遮蔽部は、前記第１の電極としても機能することを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記発光素子には、発光素子の外周面上に、その表面を直線的に見込める角度が存在しないように、湾曲、或いは屈折させた放熱フィンの配列からなるヒートシンクを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。

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