JP3398167B2 - 受像管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、ハイビジョン化が求め
られるテレビ、パソコン、スクリーン投影機等における
画像の高品位化、高精緻化に対応した受像管に関するも
のである。 【０００２】 【従来の技術】受像管の仕組みとしては、図１に示すよ
うに電子銃１１，アノード１２，蛍光体１３等から構成
されており、電子銃１１を構成するカソード１４より放
出される放出電子をビーム状に集束して、高電圧を加え
たアノード１２に吸引・衝突させることで、該アノード
１２に塗付した蛍光面１３を発光させて映像を得るもの
であり、上記カソード１４から電子を放出させる方法
は、カソード１４を高温に加熱することで放出される熱
電子を利用したものである。 【０００３】又、上記カソード１４としては、間接的に
熱する傍熱形カソードが一般的に利用されており、この
カソード１４を８００°Ｃ程度に加熱するカソードヒー
ター１には、従来からタングステン線（以下、単にＷ線
と呼ぶ。）を発熱体とし、アルミナで被覆したものが用
いられていた。 【０００４】上記カソードヒーター１の構造は、図７に
示すような線径が約５０μｍの螺旋状に巻かれたＷ線２
２の周囲を、絶縁性を保ために膜厚が約１００μｍのア
ルミナ膜２３で被覆した構造となっていた。このＷ線２
２が螺旋状に巻かれているのは電圧規格が高いからで、
その為には電気抵抗値を大きくする必要があった。 【０００５】その電気抵抗値は長さと電気抵抗率に比例
し、断面積に反比例するという関係があることから、発
熱部でのＷ線２２の長さを長くするため螺旋状に形成し
あり、そうすることで電気抵抗値を大きくすることがで
き、高いジュール熱を得ることができる。 【０００６】又、Ｗ線２２は螺旋状に巻かれた複雑な形
状を有しているが、その表面に均一な厚さの絶縁被膜を
形成する方法としては、電着液中に上記Ｗ線２２とアル
ミニウムを電極として浸し、両電極間に電圧を印加する
ことでＷ線２２の表面に電着液中に分散したアルミナセ
ラミックスの粒子を泳動させ、被膜を形成するという電
気泳動被覆（電着）法が用いられていた。 【０００７】しかし、ハイビジョン化に伴い映像の鮮明
度を高めるには、カソード１４からアノード１２に流れ
る熱電子の流れ、つまりアノード１２からカソード１４
間の電流密度を高める必要があり、その為にはカソード
ヒーター１の温度を８００°Ｃ以上、耐使用温度を１０
００°Ｃ以上に上げることが要求されていた。 【０００８】更に、電源を入れてから映像が映るまでの
応答性については、カソードヒーター１を飽和温度まで
加熱する時間により左右されており、応答性を上げるに
は飽和温度まで加熱する時間を短くする必要があった。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】ところが、螺旋状に巻
かれたＷ線２２の表面をアルミナ膜２３で被覆したカソ
ードヒーター１を用いて、室温から５秒で１０００°Ｃ
にまで温度上昇させ、飽和温度である１０００°Ｃで約
３０秒間保持した後、２０秒間で室温まで温度降下させ
るというサイクルテストを行ったところ、アルミナ膜２
３とＷ線２２との間には熱膨張差（８００°Ｃ前後でＷ
線 ４．６×１０^-6／℃，アルミナ ７．９×１０^-6／
℃）があることから２００００〜４００００サイクルで
応力疲労が起こり、クラックが進展して被膜破壊が生じ
るというように、耐熱衝撃性及び高温耐久性に問題があ
り、その結果寿命が短くなることが判った。 【００１０】そこで、上記高温耐久性と絶縁性を向上さ
せるには、絶縁被膜構造の均一化及び緻密化が必要であ
ったが、その為には電気泳動被覆法による製造過程での
膜成長速度が重要な問題点となっており、その速度を決
定する要因として、電着液に溶解している、脱水化処理
を施したＡｌ（ＮＯ₃ ）₃ 試薬とＭｇ（ＮＯ₃ ）₂ ・６
Ｈ₂ の濃度コントロールが非常に重要となってくるもの
であった。特に上記方法は湿式での成膜法であるため、
膜成形中にアルミナ濃度や上記２成分の濃度に変化が起
こる恐れがあり、これに伴い膜成長速度が速くなった場
合には、狭く入り込んだ部分への成膜が不均一となって
しまい、均一で緻密な被膜を得ることはかなり難しく、
更にアルミナを被膜材とするカソードヒーター１では、
絶縁性や高温耐久性等を考慮すると、膜厚は少なくとも
１００μｍ程度に形成する必要があり、これ以上ヒータ
ー１の小型化を求めるのは非常に困難であった。 【００１１】又、電源を入れてから受像管１０に映像が
出るまでの時間は、カソードヒーター１が常温から飽和
温度に達するまでの到達時間に関係しており、この時間
が短いほど受像管１０に映像が出る時間も短くなる。し
かし、上記到達時間を短くするには大電流を発熱体に流
す必要があり、上記のカソードヒーター１では、この大
電流による急激な発熱のためにアルミナ膜２３が破壊し
てしまうという問題があり、このカソードヒーター１を
備える受像管１０では、ハイビジョン化により求められ
るような、鮮明度の高い映像を得ることができなかっ
た。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題に鑑
みて、電気抵抗率が１０⁹Ωｃｍ以上の高純度の窒化珪
素セラミックスを被膜材として、Ｗ線などの発熱体をＣ
ＶＤ法またはホットプレス法により被覆又は埋設したカ
ソードヒーターを備える受像管を提供するものである。 【００１３】この受像管に用いるカソードヒーターは、
飽和温度を１０００°Ｃ以上という高温にしても長期に
わたって使用可能であるため、カソードから放出される
熱電子密度を高めることができるので、その結果アノー
ドからカソードへの電流密度を高めることができる。
又、飽和温度までの立ち上げ時間についても５秒以下に
できるので、電源を入れてから受像管に映像を得るまで
の時間を大幅に短縮し、画面には鮮明な映像を得ること
ができる。 【００１４】 【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 【００１５】本発明の受像管１０は、図１に示すように
蛍光体１３がパネル１６内面に、アルミニウム膜からな
るアノード１２が受像管１０の内面を覆うように敷設し
てあり、受像管１０の後端部には数個の円筒状をした電
極群１５を組み合わせた偏向部と、その後端にカソード
１４及びカソードヒーター１を組み合わせた電子銃１１
を配置した構造となっている。なお、上記カソード１４
は熱電子を放出しやすいバリウムやストロンチウム等の
金属酸化物や熱電子を放出しやすい材質のもので形成し
てある。 【００１６】この受像管１０は、カソードヒーター１に
よりカソード１４を高温に加熱することでカソード１４
を形成している原子中の電子を遊離させ、外部に熱電子
を放出し、電極群１５によりビーム状に集束させる。こ
のビーム状に集束した熱電子は、高電圧がかけられたア
ノード１２に吸引され、アノード１２を通して蛍光体１
３に衝突することで発光させるようになっており、この
発光により受像管１０のパネル１６部に影像を映し出す
ようになっている。 【００１７】上記カソードヒーター１は、図２に平面図
を、図３に拡大図をそれぞれ示しているように、螺旋状
に巻かれた発熱体２であるＷ線の周囲をセラミック膜３
で絶縁被覆した構造となっており、そのセラミック膜３
には電気抵抗率が１０⁹Ωｃｍ以上の窒化珪素セラミッ
クスを用いる。 【００１８】この窒化珪素セラミックスは、高い絶縁性
を有し緻密で硬質な被膜を得ることができるとともに、
熱膨張係数が３．２×１０^-6／℃とＷ線２の熱膨張係数
（４．６×１０^-6／℃）に非常に近似したものであるた
め、耐熱衝撃性及び高温耐久性を高めることができ、発
熱温度が１０００°Ｃ以上であっても使用可能で、なお
且つ長寿命であり、更には飽和温度までの到達時間を短
く（応答性を良く）することができるカソードヒーター
１を得ることができる。又、セラミック膜３をなす窒化
珪素セラミックスは、高温においても熱伝導率が殆ど低
下することがないことから、熱交換率を大幅に向上させ
ることができるとともに、高ワット密度の被覆が行える
ので小型軽量化を容易に行うこともできる。 【００１９】更に、被膜形成を行うにあたっては、セラ
ミック膜３の厚さを２μｍ以上、１００μｍ以下とする
ことが望ましく、例えば膜厚が２μｍ以下では薄すぎる
ために絶縁性を十分に保つことができず、逆に膜厚が１
００μｍより大きくしてしまうと、熱伝導性が低下する
ことから熱を十分にカソードまで伝えることができず、
カソードより放出される熱電子密度を高めることができ
ないばかりか、膜成形時の成膜が不均一となってしまう
ことが実験により判明した。 【００２０】なお、受像管１０に用いるカソードヒータ
ー１の絶縁被膜材には非常に高い絶縁性が要求され、電
気抵抗率が１０⁹Ωｃｍより小さいセラミックスを被覆
したものでは、カソードヒーター１の周囲に配置される
他の装置等に誤動作を引き起こさせる恐れがあり、更に
窒化物系セラミックスといっても、例えば窒化チタンの
ように電気抵抗率が１．３×１０^-4Ωｃｍと非常に小さ
いものもあり、このような電気抵抗率の小さいものでは
当然絶縁被膜材として不適当であった。 【００２１】更にカソードヒーター１の発熱体２には一
般的にＷ線（融点 ３４１０°Ｃ）を用いるが、更に高
温で使用する場合にはトリウム入りＷ線を用い、他に炭
化チタン（融点 ３１４０°Ｃ）や炭化タングステン
（融点 ２８７０°Ｃ）などの高融点を有し、且つ発熱
体２としての特性をもった材料が好ましく、更に熱膨張
係数の小さいものであればなおよい。 【００２２】次にカソードヒーター１の形状は、カソー
ド１４の形状に対応して決定されるが、カソード１４を
最適に加熱することができる形状であればよく、特に発
熱量を高めるため、図２，３で示した如く螺旋状に巻い
た形状や波状にしたものや鋸歯状に形成したもの、ある
いは図６に示しす如く往復して数回折り返した形状のも
のであってもよい。 【００２３】上記カソードヒーター１に膜成形する方法
としては、ＣＶＤ法を適用するもので、被膜材である窒
化珪素セラミックスを気相状態して成膜できるので、細
部への回り込みが良好で均一なセラミック膜３を得るこ
とができ、膜成形速度も速く行えるといった特徴があ
り、更にこの方法は高温での化学反応により被覆を行う
ため、被覆する材料を加熱しておく必要があるが、発熱
体２に高融点を有するＷ線を用いているので、加熱して
も支障がない。しかも、ＣＶＤ法によれば９９％以上の
高純度なセラミック膜３を形成することができ、形成さ
れたセラミック膜３は耐酸化性や膜強度に優れ、他に膜
成形時の放出ガスが少ないといった特徴がある。 【００２４】なお、ＣＶＤ法には、化学反応を起こさせ
るための活性化エネルギー源として、熱により反応させ
る常圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤと、グロー放電によりプラズ
マを発生させ、低温で反応させることができるプラズマ
ＣＶＤ、更には光（紫外線）を当てることにより反応を
させる光ＣＶＤや最近注目されている熱を加える必要が
全くないプラズマ重合ＣＶＤがあり、化学反応させる方
法には分解反応、酸化還元反応、置換反応があるが、ど
のＣＶＤ法を用いてもよく、又どの反応方式を採っても
よいが、実施例では分解反応を用いている。 【００２５】次にカソードヒーター１の他の実施例を説
明する。 【００２６】図４は線径が約５０μｍ程度と非常に細い
発熱体２を保持し、同時にカソードの加熱を行いやすい
形状とするために、発熱体２より電気抵抗値が大きく、
熱膨張係数の小さいＭｏ等の金属からなる保持材４に、
細い発熱体２を巻き付けたものである。この場合、セラ
ミック膜３は図５に示す如く発熱体４と発熱体２の表面
全体を被覆することとなる。このような構造とすること
で、どの様な形状のカソードでも効率良く加熱すること
のできる最適な形状を得ることができる。 【００２７】又、図６のような円柱形をしたカソードヒ
ーター１もあり、このタイプのカソードヒーター１は、
図示していないが円筒形をしたカソード１４内に挿入し
て用いられるもので、その構造は上下に数回折り返した
発熱体２を、それぞれの発熱体片２ａ，２ｂ，２ｃ，２
ｄが接触しないように電気抵抗値が１０⁹Ωｃｍ以上の
窒化珪素セラミックスで円柱体５を形成し絶縁したもの
である。 【００２８】この様な構造のカソードヒーター１は、発
熱体２をセラミック原料粉末に埋設した状態で円柱を形
どった金型中に配置し、成形と同時に焼成を行うホット
プレス法で行う。 【００２９】以上の如くＣＶＤ法もしくはホットプレス
法を用い、Ｗ線等の発熱体２に電気抵抗率が１０⁹Ωｃ
ｍ以上を有する窒化珪素セラミック膜３を被覆したカソ
ードヒーター１は、発熱温度が１０００°Ｃ以上でも十
分使用可能で、耐熱衝撃性にも優れていることから飽和
温度までの到達時間を５秒以下とすることができる。そ
の為カソード１４を高温に加熱することができるので、
カソード１４から放出させる熱電子密度を増大させるこ
とができ、受像管１０のパネル１６部である画面上に鮮
明な映像を得ることができると共に、電源を入れてから
受像管１０に映像が映し出されるまでの時間を大幅に短
縮することができる。 【００３０】実験例 次に本発明のカソードヒーターと従来より用いられるア
ルミナセラミックスで被覆したカソードヒーターとを比
較した実験例を説明する。 【００３１】本発明のカソードヒーターは、被膜材とし
て窒化珪素セラミックスを用い、発熱体として線径が５
０μｍのＷ線を用いた。また、比較例として窒化ホウ素
及び窒化アルミニウムの２種類のセラミックスを用い、
発熱体として線径が５０μｍのＷ線を用いた。 【００３２】ＣＶＤ法により製造する場合、螺旋状に巻
いたＷ線をカーボン治具にてＣＶＤ炉内に固定し、窒化
珪素は四塩化シリコンとアンモニアを、窒化ホウ素にお
いては四塩化ホウ素とアンモニアを、更に窒化アルミニ
ウムでは三塩化アルミニウムとアンモニアの気相を窒素
雰囲気内で気相反応させ膜成形を行い、絶縁膜厚さ３８
（±４）μｍのヒーターを製作した。 【００３３】ホットプレス法では窒化珪素、窒化ホウ素
及び窒化アルミニウムのそれぞれの粉末にイットリア、
アルミナ等の助剤を２０重量％以下の範囲で加えて調合
し、粉砕・乾燥を終えた原料粉末を螺旋状に巻かれたＷ
線をＵ字型にして金型中の所定の位置にくるようにセッ
トしたあと充填し、４００ｋｇ／ｃｍ² の加圧下で１４
００°Ｃ以上に加熱して焼結させる。その後、得られた
焼結体を研削加工にて線径が２ｍｍ程度の円柱体を製作
する。この時の絶縁膜厚さとは、円柱体外周から最も近
いＷ線までの厚さのことをいい、実施例では絶縁膜厚さ
が４０μｍのヒーターを製作した。 【００３４】以上により得られた本発明の窒化珪素セラ
ミックにより被覆されたカソードヒーターと、他の窒化
物セラミックス材料により被覆されたカソードヒーター
と、従来の電気泳動被覆法、更にはＣＶＤ法、ホットプ
レス法により線径が５０μｍのＷ線を１００μｍの膜厚
にアルミナ被覆されたカソードヒーターとを用いて表１
のような条件で、加熱、飽和温度での保持、冷却をそれ
ぞれ所定の時間保って繰り返すサイクルテストを行っ
た。その結果は表２に示す通りである。 【００３５】但し、この実験の判断基準としては、被覆
材に亀裂が入った時点で判断しており、その時のサイク
ル数は一般的に６５０００サイクルを基準としている。 【００３６】 【表１】 【００３７】 【表２】【００３８】実験の結果、表２より判るようにホットプ
レス法、ＣＶＤ法により製作したアルミナヒーター（試
料Ｎｏ．２，６）と従来の電気泳動被覆法によるアルミ
ナヒーター（試料Ｎｏ．１）とは殆どサイクル数が変わ
っておらず、このことから製造方法に対してサイクル数
が依存するのではなく被膜材であるアルミナセラミック
スに依存していることが判る。 【００３９】従来のアルミナヒーター（試料Ｎｏ．１，
２，６）ではテスト２で、長くても１８０００サイクル
迄しかもちこたえることができず、すでに基準値に達し
ていないのに対して、本発明の窒化珪素セラミックスに
より被覆されたカソードヒーター（試料Ｎｏ．３，７）
では、判断基準を十分に上回っていることが判る。又、
テスト条件がテスト１からテスト３へと飽和温度が高く
なるにしたがって、従来のアルミナヒーターでは急激な
寿命低下が見られるのに対して、本発明のカソードヒー
ターにおいてはそれほど大きな寿命低下が見られず、特
にＣＶＤ法により得られたカソードヒーターでは殆ど寿
命低下がない。 【００４０】一方、テスト４，５のように、飽和温度を
１５００°Ｃとし、その飽和温度までの加熱時間を１秒
或いは２秒で行うテストでは、従来のアルミナヒーター
（試料Ｎｏ．１，２，６）の場合、すぐに絶縁被膜破壊
が起こり寿命となってしまうが、本発明の窒化珪素セラ
ミックス被膜（試料Ｎｏ．３，７）を施したヒーターは
アルミナヒーターと比べて驚異的な長寿命を得ることが
できるとともに、テスト４とテスト５を比較しても全く
寿命低下が見られないことから、加熱時間を１秒と非常
に短い時間としても使用することができることが判る。 【００４１】 【発明の効果】以上のように本発明の受像管は、発熱体
を電気抵抗率が１０⁹Ωｃｍ以上の窒化珪素セラミック
スで被覆したカソードヒーターを用いることで、飽和温
度を１０００°Ｃ以上という高温に加熱して用いた場合
にも、耐熱衝撃性に優れているため応力疲労による被膜
破壊を生じることがなく、応答時間をも短くすることが
できる。 【００４２】次に、膜成形方法としてはＣＶＤ法又はホ
ットプレス法を用いていることで、高純度の膜形成がで
き、その結果、高強度膜で耐酸化性に優れ、絶縁性と共
に高ワット密度を有するセラミック膜を得ることができ
るため、小型軽量化が容易で熱交換率の高いカソードヒ
ーターを得ることができる。その為、上記カソードヒー
ターを備える本発明の受像管は、鮮明な画像を提供する
ことができると同時に、電源を入れてからディスプレイ
に映像が映し出されるまでの応答時間をも短縮できるも
のであり、ハイビジョン化の為に大きく貢献することが
できる受像管である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の受像管を示す概略図である。 【図２】本発明の受像管に用いるカソードヒーターの平
面図である。 【図３】図１におけるＸ部の拡大図である。 【図４】本発明の受像管に用いるカソードヒーターの他
の実施例を示す平面図である。 【図５】図３の一部破断した拡大図である。 【図６】本発明の受像管に用いるカソードヒーターの他
の実施例を示す一部破断斜視図である。 【図７】従来のカソードヒーターの部分拡大図である。 【符号の説明】 １…カソードヒーター ２…発熱体 ３…セラミック膜 ４…保持材 ５…セラミック製円柱体 １０…受像管 １１…電子銃 １２…アノード １３…蛍光面 １４…カソード １５…電極 １６…パネル

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】電子銃を構成するカソードの加熱源とし
   て、発熱体をＣＶＤ法またはホットプレス法により、電
   気抵抗率が１０ ⁹ Ωｃｍ以上の窒化珪素セラミックスで
   被覆したカソードヒーターを具備してなる受像管。