JP3322465B2

JP3322465B2 - 陰極構体及びその製造方法

Info

Publication number: JP3322465B2
Application number: JP30693793A
Authority: JP
Inventors: 昭人原; 敏春樋口; 徹矢壁
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH06325687A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、カラー受像管等の電
子管に用いられる陰極構体及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査線を増加させて解像度を改善
したカラー受像管や、超高周波対応ディスプレイ管が開
発されている。また、投写管等においても、輝度の向上
が望まれている。これらの用途では、陰極からの放出電
子密度を大幅に増大させる必要がある。ところで、エミ
ッタ含浸型の陰極は、酸化物陰極に比べて大きな電流密
度が得られる。そのため、この含浸型陰極は、これま
で、進行波管、クライストロン等の電子管に用いられて
きた。しかし最近は、含浸型陰極の高電流密度特性を有
効に活用する用途として上記のようなカラー受像管等が
開発されている。

【０００３】よく知られるように、含浸型陰極構体は動
作温度が酸化物陰極に比べて約２００℃程度も高く、そ
れに伴ってヒータ温度も高く、定格動作時で１２５０℃
以上にも達する。その結果、ヒータの熱変形やヒータ・
カソード間の耐電圧性能の劣化が生じやすい。そこで、
ヒータから陰極ディスクへの熱伝達効率を上昇させて、
ヒータの温度を低下させる試みが幾つかなされている。
例えば、特開昭６１−２８８３３９号公報には、陰極ス
リーブの内表面に高融点金属またはその粉末および無機
質結合材を含む黒化層を形成した含浸型陰極構体が提案
されている。すなわちそれは、例えば、タングステン粉
末と酸化アルミニウム即ちアルミナ粉末の混合物をアル
ミナゾル液中に投入したスラリーをタンタル（Ｔａ）ス
リーブの内面に塗布して乾燥させた後、約１６００℃の
温度で５分間焼成して黒化層を形成するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子放出部
を支える陰極スリーブは、電子放出部以外への熱伝導を
抑制して熱効率を向上させるように、肉厚を例えば１５
μｍ〜２０μｍというように非常に薄く形成される。こ
のように薄い陰極スリーブの内面に上記のような方法で
黒化層を付着させると、強度劣化が著しく、製造中に割
れやクラック等が発生したり、動作中に熱疲労で変形が
生じやすい。とくに、陰極スリーブとしてＴａ又はＴａ
合金を使用した場合は、アルミナとＴａ製スリーブとの
反応により、スリーブ全体に化合物が生成されて強度劣
化が顕著になることが確認された。陰極動作時にこのス
リーブが変形すると、カラー受像管の特性不良、なかん
ずくカットオフ特性の劣化による輝度劣化不良、或いは
色ずれ不良に至る。また、針状のアルミナゾルを使用す
ると、この針状の先端部に電界が集中することによるヒ
ータとスリーブとの間の絶縁不良が生じやすい。

【０００５】この発明は、以上のような不都合を解消
し、陰極スリーブの機械的な強度を素材の強度以上に向
上させ得て、再現性に富み且つ信頼性の高い陰極構体及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、陰極スリー
ブの内面黒化層が０．５μｍ以上２μｍ以下の範囲の平
均粒径のタングステンと、０．１μｍ乃至１μｍの範囲
の平均粒径のアルミナとが、重量比（タングステン：ア
ルミナ）で（９０：１０）乃至（６５：３５）の範囲で
混合された焼結層である陰極構体である。

【０００７】また、製造方法の発明は、陰極スリーブの
内面に平均粒径が０．５μｍ以上２μｍ以下の範囲のタ
ングステンと、平均粒径が０．１μｍ以上１μｍ未満の
範囲のアルミナとを、重量比（タングステン：アルミ
ナ）で（９０：１０）乃至（６５：３５）の範囲で混合
したスラリーを塗布し、これを非酸化性雰囲気のもとで
１２５０℃乃至１５８０℃の範囲の温度で焼結して黒化
層を形成することを特徴とする。

【０００８】

【作用】この発明によれば、陰極スリーブの機械的な強
度が素材の強度以上に高く、再現性に富み、信頼性の高
い陰極構体が得られる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明をカラー受像管の電子銃構体
の一部を構成する含浸型陰極構体に適用した例を、図面
を参照して説明する。図１において、符号１１は電極支
持用ガラスビード、１２は第１制御グリッド、１３は電
子放出部であるエミッタ含浸型陰極ディスク、１４はデ
ィスク保持用キャップ、１５は端部にディスク及びキャ
ップを固定する陰極スリーブ、１６は陰極スリーブを支
持する３本のストラップ、１７は熱反射用円筒、１８は
その支持リング、１９は陰極保持用円筒、２０は陰極構
体をガラスビードに支持させる支持アーム、２１は加熱
用のコイルドコイル型のヒータ、２２はヒータ端子をあ
らわしている。

【００１０】含浸型陰極ディスク１３は、空孔率が約２
０％の多孔質タングステン（Ｗ）の基体に、電子放射物
質が含浸されたものである。なお、この陰極ディスク１
３の表面には、イリジウム（Ｉｒ）−タングステン
（Ｗ）合金層が形成されている。また、ヒータ２１は、
３％Ｒｅ−Ｗ合金線で構成され、その表面に絶縁物であ
るアルミナがコーティングされている。更にこのアルミ
ナの表面に熱放射特性を良くするためにタングステンと
アルミナの混合物がコーティングされている。そして、
陰極スリーブ１５、ディスク保持用キャップ１４、及び
３本のストラップ１６は、いずれもタンタル（Ｔａ）又
はタンタルを主成分とする合金で構成されている。これ
ら陰極スリーブの内面、陰極キャップの裏面、及びスト
ラップの全面には、図２に拡大して示すように、黒化層
２３、２４、２５がそれぞれ付着されている。

【００１１】次に、黒化層２３、２４、２５について、
好ましい製造方法を含めて説明する。なお、以下は主と
して陰極スリーブの内面に黒化層を形成する場合を代表
的に説明する。

【００１２】（実施例１）平均粒径が０．９μｍのタン
グステン粉末と、平均粒径が０．７μｍのアルミナ（Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ）粉末とを、重量比で８０：２０とした混
合粉に、酢酸ブチルとニトロセルローズを混合させ、ス
ラリーを作成した。

【００１３】次に、このスラリーを、外径が１．３ｍ
ｍ、肉厚が２０μｍ、長さが４．２ｍｍのタンタル製陰
極スリーブ１５の内面に注入法で塗布し、乾燥させた。
この状態の塗布膜は平均して約１０μｍの厚さであっ
た。

【００１４】その後、これを、１０^-6torr以下の真空雰
囲気中で、１２５０℃乃至１５８０℃の範囲の温度、例
えば１４５０℃で、１０分間の熱処理を行い、タングス
テン粉末とアルミナ粉末の混合焼結層からなる黒化層２
３を形成した。

【００１５】なお、この熱処理温度の設定条件は、以下
の通りにして決定した。すなわち、幅が０．３２ｍｍ、
厚さが３０μｍ、長さが１５０ｍｍのタンタル製リボン
の全面に、上記のスラリーを塗布して乾燥させた後、１
０^-6torr以下の真空中で、温度を１０００℃から１７０
０℃の範囲の種々の温度で、それぞれ１０分間焼成し、
黒化層が形成されたリボンを作製した。黒化層の平均的
な厚さは、約１０〜１５μｍである。比較のために、ス
ラリーを塗布しないタンタル製リボンも同時に処理し
た。そして、それぞれの条件で処理したリボンの破断強
度を、引張り試験により調べた。破断加重は、図３に示
す通り、処理温度が約１２００℃を超える付近から増加
し、１５００℃の処理で最大となり、スラリーを塗布し
ないＴａリボンの場合のおよそ２倍となり、それ以上の
処理では急激に低下し１５８０℃を越えるとスラリーを
塗布しないタンタル製リボンと同等またはそれ以下に、
破断加重が低下するという、意外な事実が確認された。

【００１６】これによって、熱処理温度は、１２５０℃
乃至１５８０℃の範囲が陰極スリーブの機械的強度を素
材のそれよりも高めるので好ましいことが確認された。
そして、１４００℃乃至１５５０℃の範囲で熱処理し焼
結することによって、とくに強度的に良い結果が得られ
た。このように特定範囲の熱処理温度で陰極スリーブの
機械的強度が素材のそれよりも高まる理由は、基体であ
るタンタル中に黒化層形成材料中の酸素、アルミニウ
ム、あるいはタングステンがタンタル粒界部に微量析出
することにより、基体結晶の異常粗大化や等軸結晶化が
妨げられるためであると推定される。

【００１７】次に、上記した熱処理温度範囲が他の性能
の評価でも適正であるかどうかを調べるため、黒化層を
形成したリボンの表面硬度や、破断部の走査型電子顕微
鏡観察を行うとともに、実際に陰極スリーブを製作して
含浸型陰極構体に組立てる際の組立て性を評価した。さ
らに完成した含浸型陰極構体を、カラー受像管に組込
み、寿命試験中の熱疲労特性を調べた。

【００１８】その結果を表１に整理した。この表１に示
した結果について、更に詳しく述べる。すなわち、硬度
は、黒化処理したサンプルから黒化物を機械的に剥した
後、表面のビッカース硬度を測定した。その結果、熱処
理温度が１２００℃から硬度が徐々に上昇し、１５８０
℃を越えると急激に上昇し、１６００℃以上の処理温度
では急激に脆くなることがわかった。

【００１９】また、破断部の走査型電子顕微鏡観察から
は、黒化処理したサンプルの場合は、１５８０℃以下の
熱処理温度のものは結晶の伸びを伴なった延性破断の形
態をしていることがわかった。それに対し、熱処理温度
が１６００℃を越えたものでは、粒界で破断をしてお
り、脆性破断に至っていることが確認された。タングス
テン、アルミナの粒径は焼結前後ではほとんど変わらな
かった。

【００２０】

【表１】

【００２１】さらに、組立て性の評価は、組立装置の治
具を陰極スリーブの内側に挿入したときの黒化層の剥が
れの発生有無、及び陰極ディスクを陰極スリーブの開口
端部の内側に圧入するときの陰極スリーブの割れの発生
有無等で評価した。また、熱疲労特性は、カラー受像管
の寿命試験中のカットオフ電圧の変化を調査した。一般
に受像管では、第１グリッドと陰極表面との間の間隔寸
法が何らかの原因で変化すると、カットオフ電圧が変化
し、陽極電流が変化する。陰極をカラー受像管に使用し
た場合、赤、緑、青それぞれの電子銃のカットオフ電圧
は均等であるように調整される。しかしながら、カラー
受像機を長時間使用していくと、陰極構成材料が熱疲労
により変形し、第１グリッドと陰極表面との間の間隔寸
法に変化が起こる。この寸法変化は、赤、緑、青それぞ
れの電子銃で一定でないのが普通であるため、蛍光面に
入射する電子ビーム電流が変化し、色ずれを起こす。
又、輝度劣化も起こる。そこで、熱処理温度を種々変え
た場合の陰極スリーブの熱疲労による寸法変化を、カラ
ー受像管の陰極加熱放冷試験により確認した。この試験
条件は、カソードの到達温度が約１１５０℃となるよう
に印加電圧を定め、５分オン、１０分オフで、繰り返し
試験を行った。陰極表面と第１グリッドの寸法変化がカ
ットオフ電圧の変化量とほぼ比例するため、カットオフ
電圧の変化量を測定することで比較的精度良くスリーブ
の熱疲労による変形が測定できる。カットオフ電圧の変
化は、オン、オフを４０００回繰り返した後の結果で判
断した。

【００２２】表１から明らかなように、このカットオフ
電圧の変動の程度からも、黒化層形成の熱処理温度は１
２５０℃から１５８０℃の範囲が良好な特性を示すこと
が確認された。

【００２３】（実施例２）黒化に使用するタングステン
粉末とアルミナ粉末の粒径を種々変えて組み合わせたサ
ンプルを製作し、評価した。使用したタングステン粉末
の平均粒径は、０．１μｍ、０．５μｍ，０．９μｍ，
２μｍ，３μｍ，５μｍ及び１０μｍの７種類を用意し
た。また、アルミナ粉末は、アルミナ微粉（平均直径が
約０．０１μｍ，長さが約０．１μｍ），平均粒径が
０．１μｍ，０．３μｍ，０．５μｍ，０．６μｍ，
０．８μｍ，１．０μｍ，２μｍ，及び５μｍの、合計
９種類を用意した。なお、スラリーの乾燥後の被膜の熱
処理温度は、全て１４５０℃とし、処理雰囲気は同等真
空度の真空とした。各粉末の種々の組み合わせによる試
験の結果を表２に示した。

【００２４】

【表２】

【００２５】この評価は、熱処理後の黒化層の付着強度
の度合いと、ヒータ及びカソード間の耐電圧を測定し
た。黒化層の付着強度は、先端の尖った針で塗布膜を引
っ掻き、その時の剥がれ状態で付着強度の度合いを判断
した。また、耐電圧は、それぞれのサンプルを各５個づ
つ含浸型陰極構体として組立て、更にそれぞれを受像管
にして、ヒータ及びカソード間に直流電圧を印加し、放
電する電圧を測定し、評価した。なお、この試験は、ヒ
ータ加熱電圧を定格の１．１倍として評価した。

【００２６】表２から明らかなように、付着強度及び耐
電圧の点で、タングステン粉末の平均粒径は０．５μｍ
以上２μｍ以下の範囲が好適であることが裏付けられ
た。一方、アルミナ粉末は、その平均粒径が０．１μｍ
以上１μｍ未満の範囲が好適であることが裏付けられ
た。なお、アルミナ微粉を用いたサンプルが耐電圧性能
が著しく劣っている理由は、先端が尖った形状のアルミ
ナを用いたため、その微粒子の先端に電界が集中するた
めに放電しやすいためであると考えられる。

【００２７】（実施例３）これは、陰極スリーブの内
面、及びストラップの全表面を黒化した含浸型陰極構体
である。陰極スリーブの内面に黒化層を形成する方法
は、上記の実施例で説明した方法を採用した。そして、
ストラップは、その幅が０．２ｍｍ、厚さが０．０２ｍ
ｍのタンタル製である。このストラップ材の全面に、平
均的な厚さが３μｍの黒化層を形成した。使用したタン
グステン粉末の平均粒径は、０．９μｍ、アルミナ粉末
の平均粒径は、０．６μｍとした。スラリー塗布、乾燥
後の真空中での焼結温度は、１４５０℃とした。

【００２８】このようにして製作した含浸型陰極構体
を、受像管に組込み、寿命試験中のカットオフ電圧の変
化を調査した。評価条件は、上述（実施例１）と同じで
ある。その結果を表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】表３から明らかなように、ストラップにも
黒化層を形成することにより、ストラップの機械的な強
度が素材のそれよりも向上するため、カットオフ電圧の
変化を小さくすることができた。

【００３１】（実施例４）この実施例も、陰極スリーブ
内面にタングステン粉末及びアルミナ粉末を用いて黒化
層を形成した含浸型陰極構体の場合である。そして、黒
化に使用するタングステン粉末とアルミナ粉末の重量比
を種々変えたサンプルを作製し評価した。すなわち、使
用したタングステン粉末の平均粒径は、０．９μｍ、ア
ルミナ粉末は、０．８μｍである。スラリー塗布、乾燥
後の熱処理温度は、全て１５００℃とし、真空雰囲気中
で１０分間の熱処理をした。

【００３２】この実施例での評価は、熱処理後の黒化層
の外観色、付着強度およびカソード温度が１１００℃と
なるヒータ温度をそれぞれ測定した。黒化層の付着強度
は、被膜を先端が尖った針で引っ掻き、その時の剥がれ
状態で付着強度の度合いを評価した。また、カソード温
度の測定は、それぞれのサンプルを含浸型陰極構体に組
立てた後、ヒータを挿入したダミー管を作製して行なっ
た。その結果を、表４に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】表４から明らかなように、黒化層の付着強
度、カソード温度特性の点で、タングステン粉末とアル
ミナ粉末との重量比（タングステン：アルミナ）は、
（９０：１０）乃至（６５：３５）の範囲が好適である
ことが裏付けられた。そしてとくに、これらタングステ
ンとアルミナとの重量比（タングステン：アルミナ）
は、（７０：３０）乃至（８５：１５）の範囲でより一
層良好な性能が得られることが確認された。

【００３５】（他の実施例）上記実施例では、陰極スリ
ーブ及びストラップ材として、タンタル（Ｔａ）材を使
用した場合について述べた。しかしそれに限らず、例え
ば１０重量％のＷを含むＴａを主成分とするＴａ合金
や、２．５重量％のＷを含むＴａを主成分とするＴａ合
金であっても同様の効果があった。また、４０重量％の
Ｎｂを含むＴａ合金であってもよい。更にまた、この陰
極スリーブはＮｂでも良く、或いはUSP4820954で知られ
るようなＮｂを主体としてこれにＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，
Ｖ，Ｔａ，Ｍｏ，またはＷの中から選んだ少なくとも１
つを、合わせて１５重量％以下含む合金でも良い。

【００３６】また、上記実施例では、陰極スリーブ及び
ストラップ材に黒化層を形成した場合について述べた
が、ディスク保持用キャップの裏面に黒化層２５を形成
してもよく、それによれば陰極構体の強度の向上のみな
らずキャップを通しての熱伝達効果の増大によるヒータ
温度の低減効果が一層高まる。

【００３７】なおまた、この発明は含浸型陰極構体に限
らず、他の傍熱型陰極や、直熱型陰極等にも適用可能で
ある。さらにまた、タングステン粉末及びアルミナ粉末
の他に他の耐熱性粉末を数重量％以下含んでもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
陰極スリーブの機械的な強度が素材の強度以上に高く、
再現性に富み、信頼性の高い陰極構体が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す縦断面図。

【図２】図１の要部拡大図。

【図３】熱処理温度と破断加重との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１３…含浸型陰極ディスク１４…ディスク保持用キャップ１５…陰極スリーブ２１…ヒータ２３、２４、２５…黒化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢壁徹神奈川県川崎市幸区堀川町72番地株式会社東芝堀川町工場内 (56)参考文献特開平１−211825（ＪＰ，Ａ) 特開平６−44892（ＪＰ，Ａ) 特開平１−201457（ＪＰ，Ａ) 特開平４−319226（ＪＰ，Ａ) 特開平１−211826（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/20 H01J 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内面が黒化された陰極スリーブと、該陰
極スリーブの端部に直接又は保持体を介して設けられた
電子放出部と、上記陰極スリーブの内側に挿入された加
熱ヒータとを具備する陰極構体において、上記陰極スリーブの内面黒色被膜は、平均粒径が０．５
μｍ以上２μｍ以下の範囲のタングステンと、平均粒径
が０．１μｍ以上１μｍ未満の範囲のアルミナとが、重
量比（タングステン：アルミナ）で（９０：１０）乃至
（６５：３５）の範囲で混合された焼結層であることを
特徴とする陰極構体。
【請求項２】上記陰極スリーブがタンタル又はタンタ
ルを主成分とする合金、もしくはニオブまたはニオブを
主成分とする合金からなることを特徴とする請求項１記
載の陰極構体。
【請求項３】タングステンとアルミナとの重量比（タ
ングステン：アルミナ）は、（７０：３０）乃至（８
５：１５）の範囲である請求項１記載の陰極構体。
【請求項４】電子放出部が直接又は保持体を介して設
けられる陰極スリーブの内面に黒色被膜を形成する陰極
構体の製造方法において、上記陰極スリーブの内面に、
平均粒径が０．５μｍ以上２μｍ以下の範囲のタングス
テンと、平均粒径が０．１μｍ以上１μｍ未満の範囲の
アルミナとを、重量比（タングステン：アルミナ）で
（９０：１０）乃至（６５：３５）の範囲で分散溶液体
に混合した懸濁液を塗布し、これを非酸化性雰囲気中で
１２５０℃乃至１５８０℃の範囲の温度で焼結して黒色
被膜を形成することを特徴とする陰極構体の製造方法。
【請求項５】上記陰極スリーブがタンタル又はタンタ
ルを主成分とする合金、もしくはニオブまたはニオブを
主成分とする合金からなることを特徴とする請求項４記
載の陰極構体の製造方法。
【請求項６】焼結する温度は、１４００℃乃至１５５
０℃の範囲の温度である請求項４記載の陰極構体の製造
方法。