JP2014099278A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子源から放出される電子線を無駄なく且つ均一に蛍光体層に照射し、蛍光体層の全面で発光する光を妨げることなく外部に放射させ、発光効率を向上して高輝度の外部放射光を得る。
【解決手段】 外部へ光を投光する透明基材としてのガラス管２と基底面側のガラス基板３とで真空容器を形成し、ガラス基板３上に電子放出源５を埋設したカソード電極４と加速電極板６及び蛍光体層８を成膜したアノード板７を配設する。そして、電子放出源５に加速電極板６から電界を印加して電子線９を放出させ、蛍光体層８を励起・発光させる。電子放出源５から放出された略全ての電子線９により蛍光体層８が励起され、また、蛍光体層８とガラス管２との間には真空空間のみが介在するため、蛍光体層８の励起面で発光する強い光は妨げられることなくガラス管２から外部に放射されることにより、消費電力を抑制しつつ大幅に光量を増加させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子放出源から放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空容器中で電子放出源から放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させて照明や画像表示に用いる電子線励起型の発光装置が開発されている。

この種の発光装置としては、例えば、特許文献１に開示されているように、蛍光体層の表面の発光を蛍光体層の裏側のガラス基板を透過して外部に放射する構造が一般的であるが、この構造では、電子線が照射される蛍光体面が最も強い発光をしているにも拘らず、その発光は無駄な発光として真空容器内部に放出されてしまい、装置の発光効率が必ずしも良いとは言えない。

このため、電子線励起型の表示装置では、蛍光体層の電子線が照射される面にアルミニウムを蒸着する等してメタルバック層を形成することで、輝度を向上させる技術が知られている。メタルバックは、蛍光体からの装置内部側への光を装置外部側（表示面側或いは照明面側）に鏡面反射させて輝度を向上させることの他、蛍光面に所定の電位を与えることにより、蛍光面に帯電した電子によるダメージや、装置内で発生した負イオンの衝突によるダメージから蛍光体を保護すること等を目的としており、例えば、特許文献２に開示されている。

特許文献２の技術は、蛍光膜を発光させて画像を表示させる画像形成装置において、蛍光膜の内面側に設けられたメタルバックを複数の部分に分割し、分割の複数の間隙を導電性材料で被覆することにより、真空中で発生する異常放電による間隙部分表面の沿面放電を防止し、表示品位の安定化を図っている。

しかしながら、メタルバックを用いて装置の発光効率を向上させる技術では、電子線がメタルバック層に侵入する際、加速エネルギーが損失し、蛍光体の励起効率の低下を招いてしまう。特に、照明装置としての用途においては、加速エネルギーの損失に伴う蛍光体の励起効率の低下を無視できず、根本的な発光効率の改善には繋がらない。

このため、特許文献３では、投光窓となるガラス基板と蛍光体層を成膜したアノード電極とを所定間隔で対向配置して、アノード電極の両側の領域にカソード電極から放出される電子線を放物線状に蛍光体層に落下させ発光させる構造により、蛍光体層の励起面で発光する強い光が妨げられることなく、ガラス容器の外部に放射される技術が開示されている。

特開２００４−２０７０６６号公報 特開２０００−２５１７９７号公報 特開２００８−９１２７９号公報

特許文献３に開示の技術は、電子線により励起される蛍光体層から放射される発光を、透明ガラス材料を透過して直接ガラス容器外部へ放射することが出来るが、完全拡散発光面を有する蛍光体層から放射される発光の内、カソード電極方向に放出される発光をガラス容器外部へ放出することが出来ず、また、蛍光体層が成膜されている平面の側面方向に配置されたカソード電極から放出される電子線は、カソード電極から見てより近い場所にある蛍光体層に多くの電子線が落下し、蛍光体層全体で均一な発光を得る事が出来ない。

さらに、特許文献３では、アノード電極とゲート電極が対向する位置に配置されていないため、カソードから放出された電子線はゲート電極を通過した後、横又は斜め横方向に配置されたアノード電極方向へ急激に電子線の進行方向が転換することで、電子線の一部はゲート電極に吸収されてしまい、電子源から放出された電子線が、蛍光体層の励起に有効に活用されているとは言えない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電子源から放出される略全ての電子線を蛍光体層へ均一に照射し、蛍光体層の全面で発光する光を一切妨げることなく外部に放射させることができる発光装置を提供することを目的としている。

本発明の発光装置は、真空容器内で中心部に開口部を設けた金属板表面に蛍光体層を塗布したアノード板と、前記蛍光体層の背面に対向する位置に配設した電子放出源を備えたカソード電極と、前記アノード板と前記カソード電極との間に配設され、前記アノード板の中心部に設けられた開口部と略同一位置に開口部を有する加速電極板とを備え、前記電子放出源から放出された電子線が前記加速電極板により加速され、前記アノード板の中心部に設けた開口部を通過した前記電子線が反転し、略放物線の軌跡で前記蛍光体層に落下・衝突することにより、発光することを特徴とする。

本発明による発光装置は、電子源から放出される電子線を無駄なく均一に蛍光体層へ照射することが出来、蛍光体層の全面で発光する光を妨げることなく外部に放射させ、発光効率を向上して高輝度の外部放射光を得ることができる。

発光装置の基本構成図 発光装置の要部を示す斜視図 アノード板の第２の形状例を示す説明図 アノード板の第２の形状例を示す斜視図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の一形態に係り、図１は発光装置の基本構成図、図２は発光装置の要部を示す斜視図、図３はアノード板の第２の形状例を示す説明図、図４はアノード板の第２の形状例を示す斜視図ある。

図１において、符号１は発光装置であり、例えば先端が半球状に閉られた円筒形状のガラス管２の先端から照明光を放射する照明ランプとして用いられる。この発光装置１は、外部へ光を投光する透明基材としてのガラス管２と、基底面側の絶縁基材としてのガラス基板３とが溶着或いはフリットガラス等のガラス接着剤により結合された、円筒管状の容器として形成され、容器内部は排気されて真空状態とされている。

真空容器の基底面側となるガラス基板３には、ガラス基板３を貫通する金属ピン２０が、所定の位置に封着ガラス２１により固定されていて、複数ある金属ピン２０には、カソード電極４，加速電極板６，アノード板７，イオンゲッター１０がそれぞれ個別に金属ピン２０ａを介して、溶接或いはネジ止め等により固定されている。この金属ピン２０と２０ａは、封着ガラス２１と好適に密着する、ジュメット線、ニッケル合金線、コバール金属線等の材料が用いられる。

アノード板７上には、例えば、スラリーコート、インクジェット法、沈殿法、電着法等により、電子線９の照射によって励起・発光する蛍光体層８が成膜されている。蛍光体層８が電子線９により励起されて放出される発光は、真空空間のみを介してガラス管２から発光装置１の外部へ放射されることになる。

また、アノード板７は、蛍光体層８へ所定の高電圧を印加する電極であり、例えば、アルミ材、ニッケル材、ステンレス材、アンバー材等の導電性金属の薄板材料を用い、単純な切削加工、エッチング加工、プレス加工等によって形成されている。

特に高輝度反射面を有するアルミ材料をアノード板７に用いた場合には、蛍光体層８の励起面からの発光と、励起面の背面側でアノード板７によって反射された反射光とを合わせてガラス管２から外部に放出させることが出来、また、図１の実施例で示す如く、放物面或いは楕円面等の湾曲面を有する形状にアノード板７を成形した場合は、蛍光体層８から放射される光を自在に配光することができる。

これにより、蛍光体層８の励起面から放射される強い光が一切妨げられることなくガラス管２の外部へ全て放出され、従来の発光装置に比較して極めて効率が良く、また配光制御が自在に可能な発光装置を提供することができる。

すなわち、真空容器内で電子線を蛍光体層に照射したとき、励起光が蛍光膜の裏側（電子線の照射面と反対側）からガラス基板を透過して外部へ放射される構造となっている従来の発光装置においては、電子線が照射される蛍光体の励起面（電子照射面）が最も強い発光をしているにも拘らず、励起面からの光は、外部へ放出されることなく真空容器の内部に放出され、無駄な発光として、例えばカーボンを主成分とする黒色カソード成膜面に吸収される構造となっている。

また、平面基材上に成膜された蛍光体層の、側面や上方の領域に配置されたカソードから放出される電子線により、蛍光体が励起された発光を透明ガラス材料を透過して直接ガラス容器外部へ放射する、従来の発光装置においては、カソード電極方向に向かう光は外部へ放出されることなく無駄な発光として真空容器内で損失し、さらに、カソードから放出される電子線の一部がゲート電極に吸収されてしまい、発光に寄与しない無駄な電力として消費される構造となっている。

これに対し、本発明による発光装置１は、電子線９が照射されて最も強く発光する蛍光体層８の励起面からの発光と、励起面の背面側でアノード板７によって反射された反射光とを、全てガラス管２から外部に放出させる構造を有しており、外部に放射される光の光量を従来に比較して大幅に増加させることができ、さらに、電子放出源５から放出された略全ての電子線９が、蛍光体層８を励起する構造を有しており、励起・発光以外に無駄な電力を消費することが無い。

蛍光体層８へ照射される電子線９は、具体的には、蛍光体層８の背面に対向する位置に配置した電子放出源５を埋設したカソード電極４と、カソード電極４の上方に配設された加速電極板６とによって制御される。電子放出源５は、加速電極板６の開口部１２と同じかやや小さい形状でカソード電極４内に埋設されていて、本形態においては、電界の印加によって固体表面から真空中に電子を放出する冷陰極型電子放出源であり、例えば、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＷ（カーボンナノウォール）、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料をカソード電極４の中央部に埋設している。

この電子放出源５は、発光装置１の内部で発生の可能性がある放電や金属スパッター或いはイオン衝撃から電子放出源５の損傷を防ぐため、カソード電極４の表面と同じかやや低い位置、例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ低い位置に埋設されていることが望ましい。

尚、冷陰極型の電子放出源５に代えて、酸化バリウム等の熱電子を放出するエミッタ材料とヒータとを組み合わせた熱電子放出源を用いることも可能である。

また、加速電極板６は、カソード電極４との間の電位差を制御し、電子放出源５から上方に放出される電子線９を収束・加速し、アノード板７の開口部１１を通じて略放物線の軌跡で蛍光体層８に落下させる。この加速電極板６は、電子放出源５から放出された電子を通過させる開口部１２を有する平板状の電極であり、例えば、ニッケル材、ステンレス材、アンバー材等の導電性金属材料を用い、単純な切削加工、エッチング加工、プレス加工等によって形成されている。

加速電極板６の開口部１２とアノード板７の開口部１１は、電子放出源５の露出外形（すなわちカソード電極４の開口部）と略同等の円孔形状（相似形状）として形成されているが、電子放出源５に印加される電界強度や電子放出源５と加速電極板６及びアノード板７との間隔等を考慮し、電子放出源５から放出された電子線９が加速電極板６及びアノード板７に吸収されることなく、蛍光体層８全面に均一に照射されるような形状に適宜設定される。

すなわち、電子放出源５から放出された電子線９を加速電極板６及びアノード板７に吸収されることなく加速して、略全ての電子を発光に寄与する有効電子とすることができる。

略全ての電子を発光に寄与する有効電子とするには、カソード電極４と加速電極板６及び加速電極板６とアノード板７について、それぞれの対向距離及び開口径を、適切に設定する必要がある。先ず、カソード電極４と加速電極板６との対向距離Ｓ１は、規定の下限値以上に設定される。この下限値は、電子放出源５から放出される電子線を出来るだけ低い電圧で加速すると同時に、カソード電極４と加速電極板６との距離が近すぎることで、発光装置内で発生の可能性がある放電や放電に伴う金属スパッターにより電子放出源５が損傷することを避けるための距離であり、例えば、Ｓ１≧０．５ｍｍに設定される。

さらに、電子放出源５の露出形状（すなわちカソード電極４の開口部）の寸法をＡＥ、加速電極板６の開口部１２の寸法をＡＧ、アノード板７の開口部１１の寸法をＡＡとすると、ＡＥとＡＧおよびＡＡは、蛍光体層８の発光に要する励起電圧や、カソード電極4と加速電極板６及びアノード板７とのアライメント誤差等を考慮して設定された範囲内にあることが望ましい。

尚、ここでの開口部の寸法とは、互いに相似となる電子放出源５の露出形状と開口部１１，１２の対応する位置での寸法を意味し、円形の孔である場合には、それぞれの直径（或は半径）、矩形状の開口である場合には、それぞれの矩形形状における長辺間の距離、或は短辺間の距離である。その他の形状でも同様である。

例えば、発光装置１のガラス基板３の基底面からアノード板７の最上面までの距離が１０ｍｍ以下、電子放出源５の露出形状の寸法ＡＥをＡＥ＝０．５ｍｍ〜５ｍｍとした場合、加速電極板６とカソード電極４との対向距離Ｓ１及び加速電極板６とアノード板７の対向距離Ｓ２は、以下の（１）及び（２）式に示す条件を満足することが望ましく、また、加速電極板６の開口部１２の開口寸法ＡＧは、電子放出源５の露出形状の寸法ＡＥに対して以下の（３）の条件を、またアノード板７の開口部１１の開口寸法ＡＡは、加速電極板６の開口部１２の開口寸法ＡＧに対して以下の（４）の条件を、それぞれ満足することが望ましい。
０．５ｍｍ≦Ｓ１＜５ｍｍ …（１）
１ｍｍ≦Ｓ２＜５ｍｍ …（２）
ＡＥ≦ＡＧ≦ＡＥ＋２ｍｍ …（３）
ＡＧ≦ＡＡ≦ＡＧ＋２ｍｍ …（４）

これにより、加速電極板６から電子放出源５の周縁へ加わる電界強度が低下し、電子放出源５の中心付近から放出された電子線９は、容易に加速電極板６の開口部１２の中心付近を通過して同一軸上の上方に配設したアノード板７の開口部１１へ直進することで、略全ての電子線９を発光に寄与する有効電子として蛍光体層８に到達させ、加速電極板６とアノード板７での電力損失を効果的に低減することができる。

次に、本実施の形態における発光装置１の動作について説明する。発光装置１を動作させる場合、カソード電極４及び加速電極板６に対してアノード板７を高電位に維持し、カソード電極４に対して高電位となる加速電圧を加速電極板６に印加する。すなわち、電子放出源５に電界が印加され、電子放出源５を形成する固体の表面に電界が集中すると、固体表面から電子が真空中に放出され、この電界放出された電子が加速電極板６に向かって加速され、略全ての電子線９が加速電極板６の開口部１２を通過して上方に配設されたアノード板７へ向う。

加速電極板６による加速電圧は、蛍光体層８を目的の光量で励起発光させる電子線９を引き出す電圧に制御されており、この電子線９の蛍光体層８への照射により蛍光体層８が励起されて発光する。蛍光体層８の励起面（電子線の照射面）と投光窓となるガラス管２との間には、励起面の周囲を取り囲む空間を含み、励起面で発光する光の航路を妨げるものが一切存在しないため、蛍光体層８の励起面で発光する強い光は妨げられることなくガラス管２を透過し、外部に放射される。

また、高輝度反射面を有するアルミ材料をアノード板７に用いた場合には、蛍光体層８の粒状層を通過して下面側に向かう光や粒状層の下面側で励起・発光する光もアノード板７で反射され、ガラス管２を透過して外部に放射され、更に、図１の実施例で示す如く、放物面或いは楕円面等の湾曲面を有する形状にアノード板７を成形した場合は、蛍光体層８から放射される励起光を自在に配光することができる。従って、蛍光体層８で励起・発光する光の略全てがガラス管２を透過して外部に放射され、従来の発光装置に比較して、消費電力を抑制しつつ大幅に光量を増加させると共に、目的の照明範囲に対応し自在に配光することができる。

この場合、アノード板７は、以上の図１，図２に示す形状に限定されることなく、例えば図３，図４に例示するように、蛍光体層８が均一に成膜し易く、また、目的の配光に応じて、適切な形状に設定される。

図３，図４に示すアノード板７ａの内面は、同心円上にある複数の水平面が階段状に形成されていて、スラリーコートや沈殿法により、蛍光体層８ａの均一な成膜と膜厚の制御が容易に可能となる。また、放物面や楕円面を有するアノード板７が、光を照射する特定の範囲へ意図的に配光することを目的としているのに対し、アノード板７ａは、蛍光体層８ａが同心円上にある複数の水平面に成膜されていることで、電子線９により励起された光は完全拡散発光し、例えば一つの光源から広い範囲を均一に照明することが求められる、天井取付け型のシーリングライト等に、好適に用いることが出来る。

なお、アノード板７は、開口部１１を有する単純な平板であっても良いが、図１，図２で例示するアノード板７の形状のように、放物面や楕円面等の湾曲面を有するか、図３，図４で例示するアノード板７ａの形状のように、同心円の複数の水平面を階段状に形成することで、開口部１１，１１ａを通過した電子線９がアノード板７，７ａの周縁部へ到達する距離を近付けることが望ましい。これは、電子放出源５から放出された電子線９が、アノード板７，７ａの開口部１１，１１ａの周辺の蛍光体層８，８ａに集中させないようにする必要があるためである。

１ 発光装置
２ ガラス管
３ ガラス基板
４ カソード電極
５ 電子放出源
６ 加速電極板
７ アノード板
７ａ アノード板
８ 蛍光体層
８ａ 蛍光体層
９ 電子線
１０ イオンゲッター
１１ アノード板７の開口部
１１ａ アノード板７ａの開口部
１２ 加速電極板６の開口部
２０ 金属ピン
２０ａ 金属ピン（部材接続用）
２１ 封着ガラス

Claims (5)

1. 真空容器内で中心部に開口部を設けた金属板表面に蛍光体層を塗布したアノード板と、
   前記アノード板の中心部に設けられた開口部と略同一位置に電子放出源が埋設され、前記蛍光体層の背面に対向する位置に配設したカソード電極と、
   前記アノード板と前記カソード電極との間に配設され、前記アノード板の中心部に設けられた開口部と略同一位置に開口部を有する加速電極板とを備え、
   前記電子放出源から放出された電子線が前記加速電極板により加速され、前記アノード板の中心部に設けた開口部を通過した前記電子線が反転し、略放物線の軌跡で前記蛍光体層に落下・衝突することにより発光することを特徴とする発光装置。
2. 前記電子放出源は、前記加速電極板の中心部に設けた開口部と相似する外形形状で前記カソード電極内に埋設されていていることを特徴とする請求項１の発光装置。
3. 前記加速電極板の開口部は、前記アノード板の中心部に設けた開口部と相似する外形形状をなすことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記アノード板は、放物面や楕円面等の湾曲面を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記アノード板は、同心円上にある複数の水平面が階段状に形成されている内面を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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