JP2956613B2

JP2956613B2 - 電界放射型電子銃の駆動方法

Info

Publication number: JP2956613B2
Application number: JP25462196A
Authority: JP
Inventors: 和夫小沼
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1999-10-04
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JPH10106429A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放射型電子銃に
関し、特にその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放射型電子銃は、電界電子放
出装置としてスピント（C.A.Spindt）らがＪ．Ａ．Ｐ．
４７巻の５２４８〜５２６３頁（１９７６年）に報告し
たものやグレイ（H.F.Gray）らがＩＥＤＭ８６の７７６
〜７７９頁（１９８６年）に報告したものを用いて、電
子レンズとして従来のオキサイドカソードを用いたカソ
ードディスプレイチューブ（ＣＤＴ）に用いる電子レン
ズと同様のものを用いたものが開発されている。

【０００３】図２は、電界放射型電子銃の従来例におけ
るカソードディスプレイチューブの断面図である。

【０００４】図２に示した従来の電界放射型電子銃は、
電界電子放出装置と電子レンズとを有する構成となって
いる。また、電界電子放出装置は電界放射型カソード素
子であり、カソード電極１と、ゲート電極２と、ゲート
孔３と、基盤４と、絶縁膜５とを備える構成となってい
る。電子レンズは、ＥＣ１電極７と、ＥＣ３電極８と、
Ｅｂ電極９とを備える構成となっている。

【０００５】図２に示すように、基板４上にゲート電極
２が設けられ、基板４とゲート電極２との間に絶縁膜５
が挟まれている。ゲート電極２にはゲート孔３が開けら
れ、ゲート孔３の位置の基板４上に円錐状のカソード電
極１が配設されている。ＥＣ１電極７とＥＣ３電極８と
は、電子レンズのプレフォーカスレンズを形成する主な
構成電極となっている。ＥＣ３電極８と最終段電極であ
るＥｂ電極９とは、電子レンズのメインレンズを形成す
る主な構成電極となっている。また、ＥＣ１電極７には
ピンホールが開いており、その孔径は０．１ｍｍ〜２ｍ
ｍ直径孔であり、典型的には１ｍｍ直径孔である。さら
に、Ｅｂ電極９は、蛍光板（不図示）および蛍光板直前
に配置されるシャドウマスク（不図示）と同電位であ
る。

【０００６】カソード電極１に対して正の電圧をゲート
電極２に印加すると、電子６が円錐上のカソード電極１
の先端近傍から放出される。電子６が放出される条件
は、カソード電極１の形状やカソード電極１とゲート電
極２との距離に依存する。

【０００７】電界電子放出装置から放出された電子６
は、電子レンズを通過することによって収束される。ま
ず、電界電子放出装置に最も近接している電極であるＥ
Ｃ１電極７のピンホールを電子６が通過して、電子レン
ズのプレフォーカスレンズ部分であるＥＣ１電極７およ
びＥＣ３電極８を通過する。さらに進んで、電子レンズ
のメインレンズ部分であるＥＣ３電極８およびＥｂ電極
９を通過して収束される。

【０００８】図３は、従来例の電界放射型電子銃におけ
る電位関係を示す図である。図３において、上部は図２
に示した電界放射型電子銃の断面図の一部分である。下
部は図２に示した電界放射型電子銃の各部における電位
を示すグラフであり、縦軸は各電極への印加電位を示
し、横軸は各電極における電位を上部の断面図と対応さ
せて描いている。

【０００９】図３において、カソード電位（＋２０Ｖ）
を基準とすると、全ての電極の電位が正の電位となる。
さらに詳しく説明すると、ゲート電位（＋１１０Ｖ）は
カソード電位よりも高い電位に設定され、ＥＣ１電位
（＋２００Ｖ）はゲート電位よりも高い電位に設定され
ている。通常の駆動時は、カソード電極１にはパルス電
圧が印加されている。

【００１０】図３においては、印加されるパルス電圧の
カソード電位が最も低い状態（＋２０Ｖ）について描い
てある。後述するように、この電位関係にあるときに電
子の放出量は最大となる。電子の放出量が最大となる電
位差は、電界放射型電子銃の条件等に依存する。また、
図示はしていないが、印加されるパルス電圧のカソード
電位が最も高い状態（＋７０Ｖ）にあるときのゲート電
位との電位差は、電子を放出するかしないかの境目であ
るエミッション敷居値と等しい。

【００１１】電界放射型電子銃においては、カソード電
極１とゲート電極２との間の電界で電界放出された電子
６を電子レンズで収束させなければならない。電子６を
電界放出させる条件はファウラー・ノルドハイム（Fowl
er-Nordheim ）の式で与えられる。

【００１２】電子の放出量は、カソード電極とゲート電
極との電位差に依存して変化し、ファウラー・ノルドハ
イムの式に従って、電位差が大きい程電子の放出量が増
加する。この電位差への依存性を利用して、ゲート電位
を固定してカソード電位を変化させることで、電子の放
出量を制御することができる。例えば、ゲート電極２の
電位を＋１１０Ｖとしてカソード電極１の電位を＋２０
Ｖとすると、電位差が＋９０Ｖと大きくなり、電子の放
出量を多くすることができる。また、カソード電位を大
きくして電位差を小さくすることで、電子の放出量を少
なくすることができる。さらに、エミッション敷居値と
電位差とを同じ値にすることで、電子が放出されなくな
る。例えばエミッション敷居値が＋４０Ｖである場合に
は、カソード電位を＋７０Ｖにすると電子が放出されな
くなる。

【００１３】実際の電界放出特性の印加電圧条件の例を
示すと、ゲート電極２とカソード電極との電位差が＋４
０Ｖの場合には１ｎＡの電子６が放出される。ゲート電
極２とカソード電極１との電位差を大きくするにつれて
電子６の放出量は増加し、電位差が＋９０Ｖの場合には
５００μＡの電子６が放出される。ここで、電位差の符
号は、ゲート電極２がカソード電極１よりも電位が高い
場合を正としている。電界放出された電子６は、カソー
ド電極２の表面近傍では半角で２０°程度の広がり分布
を有した加速電子として振る舞う。これは円錐状のカソ
ード電極１近傍の電界分布による影響である。このた
め、電子レンズに入射した電子６のうち、入射角度が電
子レンズの中心軸方向よりもそれた電子６は電子レンズ
の電極（ＥＣ１電極７，ＥＣ３電極８，Ｅｂ電極９）に
衝突してしまうことになる。

【００１４】例えば図３に示すように、ゲート電極２の
上端とカソード電極１の上端との高さが等しくゲート電
極２とＥＣ１電極７との距離が０．７ｍｍである配置関
係においてＥＣ１電極７の孔径が１ｍｍである場合に
は、カソード電位が＋２０Ｖ、ゲート電位が＋１１０
Ｖ、ＥＣ１電位が＋２００Ｖ、ＥＣ３電位が＋６０００
Ｖ、Ｅｂ電位が＋２４０００Ｖであるときに、ＥＣ１電
極７に飛び込む電子によって１００ｎＡのＥＣ１リーク
電流が観測された。ＥＣ３電極８への飛び込み電子によ
るＥＣ３リーク電流は３００ｎＡであった。このよう
に、ＥＣ１電極７およびＥＣ３電極８に電子が飛び込む
と、それぞれの電極のバイアス電源にリーク電流が流れ
てしまう。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように電子レ
ンズの電極に衝突した電子は、各電極への飛び込みとい
う問題を引き起こす。しかし、その飛び込みの程度は電
極の構造や印加電圧に依存するので、独立に論ずること
は困難である。電子レンズの電極構造および印加電圧
は、以下のことを考慮して最適条件が決められる。・エ
ミッションビーム（絞る）。・周辺回路（印加電源）の
電源安定性等の負荷（印加電圧の許容範囲が狭いと高安
定な回路を用いなければ、特性がばらついたり揺らいだ
りする）。一般的に、電極への電子の飛び込みを防ぐこ
とが要求されると、上述の最適条件を実現するのは困難
となる。この問題は、電子の入射角度が電子レンズの中
心軸方向から外れる度合が大きい程、深刻になる。

【００１６】上述したような、飛び込み電子によるＥＣ
１電極およびＥＣ３電極のバイアス電源へのリーク電流
によって、ＥＣ１電極で２０μＷ、ＥＣ３電極で７．２
ｍＷの電力を余分に消費するという問題点が生じる。こ
の消費電力の増加に加えて、ＥＣ１電極およびＥＣ３電
極の電位が不安定になるという問題点も生じる。また、
カソードディスプレイチューブの輝度を決める管面到達
電子（流）が、上述した飛び込み電子（流）で失われた
分だけ減少してしまい、輝度が減少するという問題点が
生じる。さらに、ＥＣ１電極およびＥＣ３電極への高速
電子の飛び込みによるスパッタ作用によって、管内放電
を誘発して駆動電源や管内構成部品を破壊させるという
問題点が生じる。

【００１７】このような点に鑑み本発明は、電界放射電
子が電界放射型電子銃の金属電極への飛び込み電子とな
ることを抑制することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の電界放射型電子銃の駆動方法は、ゲート電極
（２）とカソード電極（１）とを備える電界電子放出装
置と、複数の電極（７，８，９）を備える電子レンズと
を有し、該電子レンズが該電界電子放出装置から放出さ
れる電子（６）を収束する電界放射型電子銃の駆動方法
であって、該電子レンズが備える該複数の電極（７，
８，９）のうちの所定の電極（７，８）のいずれか１つ
に印加される第１の電位を、該ゲート電極（２）に印加
される電位よりも低く、かつ前記カソード電極（１）に
印加される電位よりも高くする。

【００１９】ゲート電極（２）とカソード電極（１）と
の電位差に起因する電界によって引き出された電界放射
電子（６）は、初速度と飛び出し方向の広がりとを持っ
ている。

【００２０】このため、電子レンズが備える金属電極
（ＥＣ１電極７，ＥＣ３電極８，Ｅｂ電極９）のうちの
所定の電極（ＥＣ１電極７，ＥＣ３電極８）のいずれか
１つにゲート電極（２）よりも低電位を与えることで、
電子レンズの低電位電極が電界放射電子（６）を反発し
て、電界放射電子（６）が電子レンズの金属電極のうち
の低電位電極に飛び込むことを抑制することが可能とな
る。

【００２１】また、電界放射電子（６）はある初速度を
持ってカソード電極（１）から放射される。このため、
電子レンズの孔径を十分に大きく設けておくことで、低
電位電極の電位によって電界放射電子（６）が低電位電
極に飛び込むことなく、低電位電極以外の電極が生成す
る高電位の電界によって電界放射電子（６）の前方放射
を行わせることが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態に
おける電界放射型電子銃の電位関係を示す図である。図
１を用いて、電界放射型電子銃であるカソードディスプ
レイチューブの例を説明する。本実施の形態において
は、ＥＣ１電極７を低電位電極とする場合について説明
する。

【００２３】図１に示したカソードディスプレイチュー
ブの構成は、図２に示した従来の電界放射型電子銃の構
成と同様であるので、説明を省略する。

【００２４】カソードディスプレイチューブにおいて画
像を表示する際には、その画像情報に応じて、輝度に対
応する電子流量を時間変化させ、電子流の進行を偏向ヨ
ークで上下または左右に変調させる。電子流量を時間変
化させる方法としては、カソード電極１にパルス電圧を
印加する方法がある。パルス電圧の振幅は、最小値が＋
２０Ｖであり、最大値は＋６０Ｖである。ゲート電極２
には、＋１１０Ｖを与える。

【００２５】ゲート電極２とカソード電極１への印加電
圧によって、カソード電位が最大電圧（＋６０Ｖ）のと
きにはゲート電極２とカソード電極１との間の電位差が
＋５０Ｖとなり、電界電子放射素子のカットオフ電圧以
下の電位差となるので、電子は放出されない。

【００２６】カットオフ電圧はフィールドエミッタとし
てのＦＮ特性に依存しており、厳密には前述した通りに
電子放出がなくなる電圧である。しかし、カソードディ
スプレイチューブにおいては、その使用状況において表
示画面に電子線が照射されていない状態と輝度の点で区
別できない領域の電子線が照射されている状態では、実
効的には電子が放出されていないと判断される。すなわ
ち、実効的なカットオフ電圧はその使用状態において輝
度変化の有為差が確認できる境目の電圧ということにな
る。周辺（例えば部屋）が明るい場合にはカットオフ電
圧は高めになり、観察者（または使用者）の識別能力に
よっても左右される。そのようなばらつきはあるが、一
般的には０．１μＡ程度の放出電子流に対応する電圧が
カットオフ電圧となる。

【００２７】一方、カソード電極１への印加が＋２０Ｖ
の場合には、ゲート電極２とカソード電極１との間の電
位差が＋９０Ｖとなり、電子６がカソード電極１の先が
尖った先端部分から電界放射される。このように、カソ
ード電位を＋６０Ｖから＋２０Ｖまでの範囲の電位で可
変すると、その電位に応じた電子６の流量が得られる。
その際に、カソード電位が低いほど電子６の流量が増加
する。

【００２８】放射された電子６はまず、ＥＣ１電極７に
設けられたピンホールを通過する。ＥＣ１電極７の電位
を例えば＋５０Ｖとして、ＥＣ３電極８には＋２．５ｋ
Ｖを印加して、Ｅｂ電極９には＋１０ｋＶを印加する。
ＥＣ１電位の＋５０Ｖはゲート電位の＋１１０Ｖよりも
低電位である。Ｅｂ電位は＋１０ｋＶ〜＋３３ｋＶの範
囲で使用されることが考えられる。その際、ＥＣ３電位
はＥｂ電位の２０％〜３０％の電圧で、メインレンズの
フォーカスが合うように設計されている。

【００２９】このように、ＥＣ１電位（＋５０Ｖ）をゲ
ート電位（＋１１０Ｖ）とカソード電位（＋２０〜＋６
０Ｖ）との間の電位、すなわちゲート電極よりも低電位
とすることによって、電子６がＥＣ１電極７への飛び込
み電子となることを防ぐことができる。

【００３０】本実施の形態においては、ＥＣ１電極７を
低電位電極とする場合について説明したが、ＥＣ３電極
８を低電位電極としても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、電子レン
ズが備える金属電極のうちの所定の電極のいずれか１つ
にゲート電極よりも低電位を与えることによって、電子
レンズの低電位電極が電界放射電子を反発して、ゲート
電極とカソード電極との間の電界で初速度を持って引き
出された電界放射電子が、電子レンズの金属電極のうち
の低電位電極への飛び込み電子となることを抑制するこ
とできるという効果を有する。

【００３２】また、電子レンズの孔径を十分に大きく設
けておくことによって、低電位電極の電位によって電界
放射電子が低電位電極に飛び込むことなく、低電位電極
以外の電極が生成する高電位の電界によって電界放射電
子の前方放射を行わせることができるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における電界放射型電子
銃の電位関係を示す図

【図２】電界放射型電子銃の従来例におけるカソードデ
ィスプレイチューブの断面図

【図３】従来例の電界放射型電子銃における電位関係を
示す図

【符号の説明】

１カソード電極２ゲート電極３ゲート孔４基板５絶縁膜６電子７ＥＣ１電極８ＥＣ３電極９Ｅｂ電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲート電極とカソード電極とを備える電
界電子放出装置と、複数の電極を備える電子レンズとを
有し、該電子レンズが該電界電子放出装置から放出され
る電子を収束する電界放射型電子銃の駆動方法におい
て、該電子レンズが備える該複数の電極のうちの所定の電極
のいずれか１つに印加される第１の電位が、該ゲート電
極に印加される電位よりも低く、かつ前記カソード電極
に印加される電位よりも高いことを特徴とする、電界放
射型電子銃の駆動方法。