JP3424201B2

JP3424201B2 - ディスプレイ用電子供給源

Info

Publication number: JP3424201B2
Application number: JP03258698A
Authority: JP
Inventors: ジョン・ビートソン; アンドリュー・ラムゼイ・ノックス; クリストファー・カルロ・ピエトジャク
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2003-07-07
Anticipated expiration: 2018-02-16
Also published as: GB9703807D0; EP0860853B1; DE69805678T2; TW382735B; JPH10247463A; GB9719109D0; DE69805678D1; GB2322472B; US5939842A; GB2322471A; EP0860853A2; KR19980070015A; KR100276997B1; GB2322472A; EP0860853A3

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マトリックス・ア
ドレス指定式電子ビーム・ディスプレイに関し、より詳
細には、マトリックス・アドレス指定式電子ビーム・デ
ィスプレイに使用される自己安定陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】フラット・パネル電子ビーム・ディスプ
レイは、減圧された外囲器に収容された陰極および陽極
を含む。動作に際して、陰極が陽極に対して負の電位に
保持される。電子は陰極から放出される。陰極と陽極の
間の電位差によって、陰極から放出された電子が陽極に
向かって加速される。放出電子は、ディスプレイ内で電
子ビームに成形される。これにより、陽極と陰極の間に
ビーム電流が流れる。フラット・パネル電子ビーム・デ
ィスプレイでは、陰極と陽極の間にマトリックス装置が
配置される。マトリックス装置は、互いに直角に配置さ
れた１対の「コーム」から形成される。これらのコーム
は、一般に行および列と呼ばれる。各ピクセルまたはサ
ブピクセルは、行と列の交わる点に位置する。各コーム
は、多数の個別の素子（行または列）を有する。動作の
際には、各コームの各素子に制御電圧が印加される。各
素子に印加される制御電圧は、その素子に関連する電子
ビームに静電気力を加える。制御電圧を調節することに
よって、その素子に関連する電子ビーム電流を調節する
ことができる。

【０００３】マトリックス駆動型フラットＣＲＴディス
プレイは、各ピクセルの穴に対する均一な電子供給源を
提供するためにエリア陰極を使用する必要がある。金属
−絶縁体−金属（Metal-Insulator-Metal）（ＭＩ
Ｍ）、プリンタブル・フィールド・エミッタ（Printabl
e Field Emitter:ＰＦＥ）、電界放出デバイス（Field
Emission Devices:ＦＥＤ）などの電界放出電子供給源
は、加熱を必要としないが、空間電荷による制限を受け
ず、その使用を実用的にするためにはある種の平滑化を
必要とするという均一性および不安定性の問題がある。

【０００４】熱電子陰極は、優れた電子の供給源であ
る。従来技術においては、熱電子リモート仮想陰極が周
知である。この熱電子陰極は、熱フィラメントから離れ
た位置に均一な平面状の空間電荷雲を形成するが、これ
は、構造的誤差、酸化物陰極のエージングおよび制御グ
リッドの電圧変動の影響を受けやすいという問題を有す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は電子ビ
ーム・ディスプレイに使用する電子供給源を提供するこ
とにあり、さらに安定した電子ビーム電流を得ることが
できる電子供給源を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、陰極手
段と、コリメーション・ブロックと、制御グリッド手段
とを含む電子供給源であって、制御グリッドが陰極手段
からコリメーション・ブロックへの電子の流れを制御
し、コリメーション・ブロックが、陰極手段から受け取
った電子を１つまたは複数の電子ビームに形成してター
ゲットに向かって案内し、コリメーション・ブロック
は、陰極手段に向いた表面に配置された絶縁プレートを
有し、平坦な絶縁プレートの陰極に向いた表面は、制御
グリッドから所定の距離にあり、１つまたは複数の電子
ビームのそれぞれ用の１つまたは複数の孔が開けられて
いることを特徴とする電子供給源が提供される。

【０００７】自己充電式絶縁プレートを使用することに
よって、自己安定性の熱電子リモート仮想陰極が提供さ
れる。これは、構造上の誤差の影響を最小限にし、かつ
制御グリッドの電圧変化および陰極のエージングの影響
をなくす能力を提供する。

【０００８】絶縁された導電層を、絶縁プレートの陰極
に向いた表面に被覆することが好ましい。好ましい実施
形態においては、導体層を漏れ制御抵抗に接続すること
ができる。電圧測定装置を導電層に接続することもでき
る。

【０００９】陰極手段は熱電子放出装置を含み、コリメ
ーション・ブロックは磁石を含むことが好ましい。

【００１０】本発明は、また、前述の電子供給源と、コ
リメーション・ブロックの陰極と反対側に向いた蛍光体
被覆を有する電子供給源から電子を受け取るためのスク
リーンと、制御グリッド手段と陽極手段に制御信号を供
給して、陰極からチャネルを介した蛍光体被覆への電子
の流れを選択的に制御して、スクリーン上にイメージを
生成する手段とを含む表示装置を提供する。

【００１１】また、本発明によって、メモリ手段と、デ
ータをメモリ手段との間でやり取りするためのデータ転
送手段と、メモリ手段に記憶されたデータを処理するプ
ロセッサ手段と、プロセッサ手段によって処理されたデ
ータを表示するための前述の表示装置とを含むコンピュ
ータ・システムも提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、従来のＣＲＴに使用され
ているタイプの代表的な間接加熱型熱電子陰極１００を
示す。通常はニッケルの金属スリーブ１０２が、ゼロ・
ボルトに保持され、ヒータ１０６によって間接的に加熱
され、それにより厚さ１００μｍの酸化物被覆１０４が
約７５０℃に達する。ヒータ１０６と金属スリーブ１０
２の間には電気絶縁体１０８がある。酸化物被覆１０４
は、通常、バリウム、ストロンチウムおよびカルシウム
の酸化物の混合物から成り、電子の熱エネルギーが表面
の仕事関数（通常は、１．５ｅＶ）を超える十分に高い
温度で、大量の電子を放出する。陰極アセンブリは、通
常、制御電極またはグリッド１（１１０）から２００μ
ｍの位置にある。電子は、金属スリーブ１０２の酸化物
１０４から約３０μｍの位置に空間電荷電子雲１１２を
形成する。図１に示したタイプの陰極のさらに詳細は、
ＤＡライト（Wright）の論文「A survey of the pr
esent knowledge of thermionic emitters」、Proc IR
E、1952、pp.125〜142に出ている。

【００１３】図２は、図１の熱電子陰極から放出される
電子の速度分布のグラフである。電子は、マックスウェ
ルの速度分布で放出される。この熱電子陰極では、電子
の９０％が、０．５ｅＶよりも低い速度で放出される。

【００１４】空間電荷図１の陰極の動作で非常に重要なのは、放出電子の固有
電荷による空間電荷効果である。陰極の通常動作温度で
は、生成される電子の数が非常に多く、それにより局部
的電位が著しく低下して、陰極の実効電界が減少する。
陰極は、通常、空間電荷制限モードで動作する。このモ
ードでは、放出温度が、陰極に近い距離の所で最小電位
を発生しそれにより物理的陰極表面からの局部的放出の
変動をおおい隠すのに十分である。電子は、この最小電
位にある「仮想陰極」から引き出される。

【００１５】図３は、二極管シミュレーションによる曲
線効果を示す。線３０２は、陰極１００の酸化物被覆１
０４の外側面からの距離による局部電位を示す。空間電
荷は陰極に減速電界を生成し、最小電位に打ち勝つこと
ができるような十分なエネルギーで放出された電子だけ
が、陽極に到達することができる。空間電荷の効果のさ
らに詳しい考察は、ＫＲスパンゲンバーグ（Spange
nberg）の論文「Vacuum Tubes」McGraw-Hill、1948、p
p.168〜200に出ている。陰極温度が陰極から近い距離の
所に最小電位を発生させるために必要な温度よりさらに
上昇すると、空間電荷密度が高まり、電流をその以前の
値に制限するのにちょうど十分になるまで電位がさらに
低下する。したがって、電子電流の流れは、陰極の放出
能力の関数ではなくなり、陽極電位と形状だけに依存す
るようになる。この装置は、「空間電荷」で制限される
状態で動作していると言われる。この結果、電子が陰極
のすぐ前の位置から遅い速度で生成されるように見える
ようになり、これは、「仮想陰極」と呼ばれる。

【００１６】図１において、最小電位における空間電荷
雲１１２、すなわち仮想陰極を、カラーＣＲＴに典型的
な寸法で示す。仮想陰極１１２から放出される電子は、
陰極表面から放出される電子の熱速度分布の一部分から
受け継いだ熱速度だけを有し、実際に、最も速い電子だ
けが取り出され、それらの電子の速さがほぼゼロに低下
することを理解されたい。これは、仮想陰極から取り出
されるビーム電流が、全放出電子のうちのわずかな部分
だけになるように意図的に選ばれるためである。ビーム
電流として仮想陰極から引き離されなかった電子は陰極
に戻り、さらに別の熱電子と無限サイクルで交換され
る。典型的なＣＲＴにおいては、ＣＲＴの使用開始時に
は、おそらく電子の２％しかビーム電流として取り出さ
れない。陰極がエージングするにつれて、その電子放出
能力は低下し、したがって実効放出定数は低下する。こ
れは、最小電位の大きさを小さくする効果を有し（電子
が減少し、それによって空間電荷密度が低下するた
め）、それにより、ビーム電流を一定に維持する場合、
取り出される比率が高くなり、したがって取り出される
電子の熱速度分布（電子ボルトで測定）が大きくなる。

【００１７】図４は、二極真空管の陽極電圧（ｖ_a）電
流（Ｉ_a）特性を示す。図示した４本の線４０２〜４０
８は、異なる陰極温度に対するものであり、陰極温度が
上昇するにつれて最大陽極電流が増大する。

【００１８】空間電荷制限領域では、電流を、チャイル
ド・ラングミュア則によって近似的に計算することがで
きる（一次元）。Ｉ_a＝ＫＶ_a ^3/2 上式で、

【数１】

【００１９】また、ε₀は自由空間の誘電率、Ａは、放
出面積、ｄは仮想陰極から陽極までの距離、ｅは電子の
電荷、ｍは電子の質量である。

【００２０】同様に、電流密度（Ｊ）は、

【数２】

【００２１】この式は、取り出されるビーム電流の部分
が増加するとき、あるいはエージングによって放出能力
が低下したときに、陰極からの電子放出が制限されない
と想定しており、それにより２分の３乗則からの偏位が
生じ、これがＣＲＴの陰極エージングによる主な効果で
あることに留意されたい。この効果については、ＧＨ
メトソン（Metson）の論文「On the electrical life o
f an oxide cathodereceiving tube」、p.408にさらに
詳しく記載されている。

【００２２】遠隔仮想陰極図５は、陰極フィラメント５１０とそれに関連するロー
カル仮想陰極５１２を備えたフラット・スクリーンＣＲ
Ｔを示す。図５はさらに、制御グリッド５０２、コリメ
ーション・ブロック５０６、蛍光体スクリーン５０４が
示されている。図５のフラットＣＲＴにおいては、マト
リックス制御グリッド５０２のすぐ下に、平坦で薄いま
たは広がりをもつ電子を配置しなければならない。熱酸
化物で被覆したフィラメント５１０は、前述のような空
間電荷制限条件下でローカル仮想陰極５１２を作り出
す。すべてのローカル仮想陰極５１２の複合体として、
熱フィラメント５１０から離れた制御グリッド５０２か
ら所定の距離の所に、別の仮想陰極５０８を作り出す必
要がある。この仮想陰極５０８は「リモート仮想陰極」
と呼ばれる。第２の要件は、均一な電子密度のリモート
仮想陰極５０８を、制御グリッド５０２から一定距離の
所に作り出すことである（この距離が、フラットＣＲＴ
のマトリックス電子銃における陰極とグリッドの間隔に
なるため）。

【００２３】リモート仮想陰極は、ビーム・パワー・バ
ルブに使用するために１９３０年代に開発された。これ
は、ＫＲスパンゲンバーグ（Spangenberg）の論文
「Vacuum Tubes」、McGraw-Hill、1948、pp.248〜265に
記載されている。この参考文献のp.262の図１０．１２
には、そのようなバルブのグリッドの図が電界電位と共
に示されている。その構造は、電子の速度を遅くして電
子密度を高めることによってスクリーン・グリッドと陽
極の間に最小電位を発生するようにグリッドの電位と形
状が配置された四極管構造である。そのような特性を作
り出すための基本的要件は、きわめて平行に近い電子の
流れを作り出すことであり、それによりリモート仮想陰
極における電子密度はきわめて均一であった。当然なが
ら、陽極ターゲットとしての制御グリッド・マトリック
スはないが、フラットＣＲＴ用に後で設計されたリモー
ト仮想陰極のトポロジーをビーム・パワー四極管と区別
するのはこの要素だけである。要約すると、抽出グリッ
ドを、陰極からほぼ平行な電子の流れを作り出すように
配置し、グリッド上の電圧を適切に選択すれば、高密度
の空間電荷制限雲において均一な電位で均一な量の電子
を有するリモート仮想陰極が形成される。

【００２４】Source Technology Corporationによるフ
ラット・マトリックス駆動型ＣＲＴのために特別に設計
されたリモート仮想陰極の例は、欧州特許第Ａ２Ｏ
２１３８３９号とＦＧオエス（Oess）の論文「Th
e uniform remote virtual cathode system」SID Diges
t 1994に出ている。Source Technology社の陰極を、欧
州特許第Ａ２Ｏ２１３８３９号の図２から引用し
て本発明の図６に示した。さらに、三星によるフラット
・マトリックス駆動型ＣＲＴ用に特別に設計されたリモ
ート仮想陰極の例は、米国特許第５，２７２，４１９号
に出ている。

【００２５】図６は、フラットＣＲＴの部分切開分解斜
視図である。フラットＣＲＴは、蛍光体被覆６１０を有
するガラス・スクリーン６０８を備える。抽出グリッド
６０２は、熱ワイヤ酸化物被覆フィラメント６０４のロ
ーカル仮想陰極から、均一な電子の流れを作り出す。ガ
ラス基板６１２は、熱ワイヤ酸化物被覆フィラメント６
０４の後方に配置され、デフレクタ・バッキング６１４
を有する。制御グリッド６０６は、陰極電圧と同じかあ
るいはそれよりも少し低くなるように配置され（ビーム
・パワー・バルブにおけるスクリーン／陽極グリッド
（電位配置）と同じ）、それにより、電子は減速され制
御グリッド６０６の近くで反転する。この減速により、
電子密度（図７の７０２）が増大し、それによりリモー
ト仮想陰極および最小電位が大きくなる。

【００２６】抽出グリッド６０２の透過率が十分に大き
い場合、ほとんどの電子はこの地点に達し、次いで抽出
グリッド６０２によって吸収されるまで前後に反射され
る。電子の減速によって起こる電子密度の増大は、図７
において、制御グリッド近くの７０２とデフレクタ・バ
ッキングの近くの７０４の電子のバンドとして現れる。
典型的な電子の経路７０６が示されている。ＣＲＴの動
作に際しては、制御グリッドは、スイッチが入ったピク
セルで僅かに正となり、それにより、電流がリモート仮
想陰極から取り出されて蛍光体スクリーン６１０に向
う。この陰極は、Source Technology社による試作品の
フラットＣＲＴの動作において実証済みである。

【００２７】したがって、Source Technology社のリモ
ート仮想陰極は、フラットＣＲＴに関する初期のビーム
・パワー・バルブの配置をそのまま応用したものであ
る。電子の流れの方程式は、チャイルド-ラングミュア
則によって規定され、抽出グリッド６０２における一定
の損失と「オン」になったピクセルによって取り出され
る電流を無視すると、抽出グリッド６０２のフィラメン
ト６０４側の電流密度が、制御グリッド６０６側と同じ
にならなければならない。たとえばグリッド構造の機械
的公差や制御グリッド電圧の変動によって生じる電流密
度のばらつきは、空間電荷雲における電位分布の局部的
変動により電子が空間に再分散してその影響を取り消す
ため、空間電荷の流れにおいて平均化される。

【００２８】間隔や電圧の変動は、リモート陰極の均一
性を（少なくとも一次には）変化させないが、制御グリ
ッドに対するリモート仮想陰極の位置を変化させ、これ
は、ＣＲＴ電子銃の式における重要なパラメータであ
り、ビーム電流変調に影響を与えてスクリーンの輝度に
影響を及ぼす。電圧は正確に調整することができるが、
機械的公差の制御はあまり容易ではなく、電極間隔の変
動は、陰極フィラメントが約７５０℃の動作温度まで加
熱されたときに起こるはずである。

【００２９】たとえば、フィラメント６０４と抽出グリ
ッド６０２の間隔および抽出グリッド６０２と制御グリ
ッド６０６の間隔がそれぞれ１ｍｍ、抽出グリッド電圧
が１０Ｖの設計について考える。図８に、電位分布と電
子速度を示す。陰極のワイヤ・フィラメント６０４は、
図８の左側にある。制御グリッド６０６は、図８の右側
にある。図８の中心には、抽出グリッド６０２の位置に
おけるピーク電子電位とピーク電子速度が示されてい
る。ワイヤ・フィラメント（図６の６０４）とローカル
およびリモート陰極に対応するこの最小電位との間の距
離をｘ_Lで示し、この最小電位と抽出グリッドにおける
最大電位（８０２）の間の距離をｘ₀で示す。制御グリ
ッド（図５の５０２）とリモート仮想陰極（図５の５０
８）に対応する最小電位との間の距離をｘ_Rで示し、こ
の最小電位と６０２における最大電位との間の距離をｘ
₁で示す。電子速度は、８１０と示した線で示し、電圧
は、８１２と示した線で示す。Ｖ_XLは、ローカル仮想陰
極５１２の最小電位における電圧である。Ｖ_accは、抽
出グリッド６０２の最大電位における電位である。

【００３０】入力側は、ワイヤ・フィラメント６０４か
ら６０２の最大電位までである。

【数３】

【００３１】Ｖ_x1＝−１．５Ｖ、Ｖ_acc＝１０Ｖ、ｘ₀＝
１ｍｍの場合、電流密度Ｊ＝３８．９９８４Ｋである。

【００３２】一次では、出力側のＪは、抽出グリッド６
０２における透過損失を無視すると同じでなけばならな
い。電子密度は、電子の数（Ｊによって設定）とそれら
の電子が占める空間の体積で決まる。したがって、出力
側における電子密度は、抽出グリッドと制御グリッドの
間隔によって決まる。これは、制御グリッドが０ボルト
であると仮定している。電子密度による空間電荷は、局
部的な電圧の低下を引き起こし、したがって出力側の電
圧曲線の勾配はこの間隔によって決まる。しかし、リモ
ート仮想陰極の負の電圧ピーク値は変化しない（ローカ
ルおよびリモート陰極の両方における電子の電位がゼロ
電子ボルト）。その結果、リモート仮想陰極の位置が抽
出グリッドに接近し幅が広がる。

【００３３】注また、制御グリッド６０６の電圧の変動がＸ_Rに影響を
及ぼし、電圧がさらに負の側に大きくなるため、リモー
ト仮想陰極５０８が抽出グリッド（図６の６０２）に向
かって押し戻されることも明らかであろう。

【００３４】リモート仮想陰極５０８の位置に影響する
もう一つのパラメータは、陰極５１０のエージングの影
響である。エージングにより、放出定数が低下し、放出
電子の総数が減少する。さらに、陰極５１０がエージン
グするにつれて、材料（特にバリウム）が蒸発し、陰極
５１０から制御グリッド５０２までの距離が大きくな
る。リモート仮想陰極システムにおけるこの２つの効果
によって、陰極５１０から抽出グリッド（図６の６０
２）までの距離（すなわち、Ｘ₀）が増大し、ローカル
仮想陰極５１２の空間電荷雲の幅が広がることになる。
これは、リモート仮想陰極の位置において、仮想陰極面
が制御グリッドから離れるときに見られる。

【００３５】前述の従来技術のリモート仮想陰極は自己
安定性ではない。構造公差と制御グリッドの電圧変動の
影響をかなり受ける。また、陰極のエージングの影響も
受け特性を変化させる。

【００３６】自己安定型仮想陰極構造基本的なリモート仮想陰極の配置では、リモート仮想陰
極の空間電荷雲の位置が固定されておらず、制御グリッ
ドから可変距離Ｘ_Rにある。位置が固定されていないた
め、前述のような機械的公差および陰極の公差の影響を
受けやすくなる。

【００３７】好ましい実施形態においては、コリメーシ
ョン・ブロックは、磁石の対向する極の間を延びる複数
のチャネルによって穿孔された永久磁石であり、各チャ
ンネルは、陰極手段から受け取った電子を電子ビームに
形成してターゲットに案内する。しかしながら、当技術
分野で周知の従来型の静電気コリメーション・ブロック
など他のタイプのコリメーション・ブロックも使用でき
る。

【００３８】図９および図１０に示した本発明におい
て、絶縁プレート９０２が、制御グリッド５０２から一
定距離の所に配置される。絶縁プレート９０２は、ピク
セルごとに１つの穴が穿孔されている。これは、単に、
コリメーション・ブロック５０６に使用される磁石の下
側に直接取り付けられたセラミック板とすることが好ま
しい。コリメーション・ブロックは、通常１〜５ｍｍの
厚さであり、グリッドは数μｍ程度であり、絶縁プレー
トは通常厚さ５０μｍ未満である。陰極５１０の面は、
通常、制御グリッド５０２から１００〜２００μｍなの
で、絶縁プレートを、ディスプレイにおける要件とし
て、特に短い横方向の距離についてきわめて高い精度で
作成することは容易である。フィラメント５１０と抽出
グリッド５１４は従来通りに配置される。

【００３９】ディスプレイに最初に電力が印加されると
き（始動時）、すべての電子が絶縁プレート９０２に確
実に当たるように、プレート９０２は十分に正の電界で
なければならず、つまり、プレートの電界はローカル仮
想陰極５１２よりも正でなければならない。仮想陰極の
電界は負なので、絶縁プレートはゼロ・ボルトの電圧が
適切である。第１の陽極などディスプレイにおける後の
方の制御素子を使って、ＣＲＴの設計および製造の技術
分野で周知のヒータの暖機と陰極の安定化のために必要
な数秒の間スクリーン上にピクチャが表示されないよう
にすることができる。図９は、陰極に電力が最初に加え
られ、制御グリッド５０２が電子を引き寄せるため正の
電圧に設定されたときの状態を示す。電子は、陰極５１
０フィラメントから放出され、抽出グリッド５１４を通
過して、制御グリッド５０２に向かう。

【００４０】時間が経つにつれて、電子が絶縁プレート
９０２に引き寄せられ、表面に徐々に電荷がたまる。絶
縁プレート９０２の表面に生じる電荷密度が表面電位を
生じ、これは、負の値の表面電位がすべての電子を抽出
グリッドの方に戻す平衡状態に達しなければならない。
これは、静的条件の平衡であり、図１０に示す。通常の
電子の経路を、図１０において参照数字１００２で示
す。動作状態が安定した後、制御グリッドはその通常の
動作電圧にならなければならない。

【００４１】これで、絶縁プレートの下側が空間電荷雲
の最前位置に対するすれすれの入射点であるため、従来
の配置と同じ電子経路をもつが、仮想リモート陰極面が
絶縁プレートの形状によって正確に固定された自己安定
型仮想リモート陰極が得られた。陰極の残りの部分の形
状、電圧および陰極のエージングに何が起こっても、状
態が静的なままである場合はこの点が常に固定される。

【００４２】動的状態動的状態を考慮するときは、前述の単純な方式にはいく
つかの問題が生じる。第１に、制御グリッドが、始動後
にゼロ・ボルトから約−３Ｖの負の通常動作電圧に切り
換えられたとき、これにより生じた容量パルスが絶縁プ
レートの帯電側に送られ、それによりリモート仮想陰極
の電子は絶縁プレートから離れる。

【００４３】動作中に制御グリッド５０２上の電圧が切
り換えられたとき、１つのグリッドが正に切り替わり次
が負に切り替わる不均衡がある場合、グリッド（主にグ
リッド１）間の容量と絶縁プレート９０２のベース上の
電子の電荷とによって、さらに電子が引き寄せられるこ
とがある。これにより、絶縁プレート９０２にセットア
ップされた局部電圧が変化する。また、絶縁プレート９
０２からの電荷漏れが（期待通り）少ない場合は、絶縁
プレート９０２上の電荷が少ないことを必要とする陰極
５１０の動的変化（たとえば、抽出グリッド５１４の位
置の変化）にすぐに反応しなくなる。さらに、絶縁プレ
ート９０２上の局部的電荷蓄積が均一でなくなり、その
結果、仮想陰極５１０から絶縁プレート９０２までの距
離が均一でなくなることがある。

【００４４】好ましい実施形態においては、これらの効
果は、後述するような様々な重要な変更によって修正す
ることができる。

【００４５】絶縁プレート９０２の下側は、局部的な電
荷の変化が生じるのを防ぎ絶縁プレートの表面が常に均
一な電位を有するように、（スパッタリング、蒸着また
は無電解めっきによる）薄い金属層の付着物などの導電
表面で被覆することができる。この層は、陰極５１０か
らの赤外線放出を黒く塗った吸収後部面に反射して、好
ましい実施形態では磁石であるコリメーション・ブロッ
クの加熱を最小にするように高い反射率で作成すること
ができることに留意されたい。

【００４６】金属層は高抵抗経路を介して接地され、そ
れにより、電荷の漏れを制御することができ、絶縁プレ
ート９０２の電圧が、電子蓄積の減少ならびに増加に応
答することができる。この抵抗経路は、電荷の蓄積がな
お有効であるように高い抵抗値になる（数百メガ・オー
ム）ことに留意されたい。暖機による抽出グリッド５１
４の位置の移動などの動的変化は長時間一定であり（た
とえば、従来のＣＲＴのヒータ電力による銃エレメント
の熱膨張には約２０分かかる）、それにより高い漏れ抵
抗が適切である。この抵抗を適切な位置に入れることに
より電子供給源から一定の電流が流れるが、それは非常
に小さい。

【００４７】電子供給源の始動は、制御グリッドと反対
の絶縁層表面にある導電層によって単純化することがで
きる。導電層は、高抵抗接続を介してまたは初期充電回
路を介して、ローカル仮想陰極よりも正の電圧に接続さ
れる。ローカル仮想陰極が負の電圧のときはゼロ・ボル
トでもよいが、一定の正の電圧が有利であり、この場所
に高抵抗接続を行うことができる。抽出グリッド電圧
は、適切な一定の正電圧である。電子が導電層に当たる
ときは、蓄積電荷によってすべての電子が導電体板に当
たる直前に戻り、導電板電圧がローカル仮想陰極とほぼ
同じ値の安定状態に達するまで、前述のように均一な電
位が生成される。コリメーション・ブロック上に配置さ
れた制御電極は、この構成ではその通常の動作レベルの
ままでよい。

【００４８】次に、高抵抗を介して接続された絶縁プレ
ート上の導電層を有する電子供給源の始動と動作につい
て段階を逐って説明する。

【００４９】始動ステップ１−陰極フィラメントは０ボルトで冷えてい
る。制御グリッドにはどれも電位は印加されていない。
ステップ２−陰極に電力を加える。抽出グリッドには、
動作させるために約＋１０ボルト印加する。導電層は初
期設定回路により正電位を印加するか、ＲＣ時定数によ
って正電位に高めることができる。ステップ３−導電層
が正電圧で安定する。ステップ４−陰極フィラメントが
温まる。最初に、陰極が熱飽和モードになり、すべての
電子が抽出グリッドの方に加速される。ほとんどの電子
は抽出グリッドを通り過ぎて（導電層上に設定された正
電圧応じた割合で）減速し始める。電子は導電層に当た
り、その層の電位が低下し始める。若干の電流が高抵抗
接続を流れるが、層からすべての電子が除去されること
はない。ステップ５−陰極が動作温度に達し、空間電荷
制限状態になる。導電層の電位は、ローカル仮想陰極
（通常は−０．２Ｖ）とほぼ同じになるまで低下し続け
る。高抵抗接続を通ってわずかな電流が流れるため、若
干の電子は引き続き層に当たり、このため、層の電圧
は、ローカル仮想陰極より正に数ｍＶだけ高くなる。

【００５０】動作ステップ６−約０ｅＶの電位をもつ電子は、抽出グリッ
ドによって加速されてローカル仮想陰極の空間電荷雲か
ら離れる。抽出グリッドのワイヤを通り抜ける電子（電
子の約９５％）は、絶縁プレート上の導電層に接近する
につれて速度が低下し、層のちょうど表面で０ｅＶの電
位に達し、止まって逆方向に抽出グリッドの方に戻り、
これが継続される。抽出グリッドのワイヤを通り抜ける
電子の約９５％は、減速し、停止し、陰極フィラメント
のワイヤ近くで反転するまで進み続ける。このサイクル
は継続的に繰り返すが、繰り返す回数は抽出グリッドの
透過率によって制限される。

【００５１】陰極のエージングさらに別の問題は陰極のエージングである。本発明によ
るエリア陰極においては、リモート陰極の平均位置は変
化しないが、絶縁プレート９０２の電位と空間電荷雲の
幅は変化する。これは、同じ影響が従来技術の設計にお
いても起こるが、新規の設計ではこれを制御することが
できるので、特別な問題ではない。

【００５２】絶縁プレート９０２の下側面の電位は、次
のパラメータの関数である。Ｖ_plate＝Ｆ（Ｖ_filament,Ｔｅｍｐ_filament,Ｐｏｓ
_accgrid）

【００５３】ここで、Ｖ_plateは絶縁プレート上の電圧
である。Ｖ_filamentとＴｅｍｐ_filam _entはそれぞれのフ
ィラメントの電圧と温度であり、Ｐｏｓ_accgridは、抽
出グリッドの位置である。

【００５４】本発明は、Ｖ_plateにアクセスするため、
フィードバック装置でこれを使ってＶ_plateを安定させ
ることができる。実際に、この電位は、ローカル仮想陰
極５１２から取り出される最高電子ボルトの電子以外の
すべての電子を偏向させることができなければならない
ため、フィラメント電圧に対して常にわずかに負であ
る。通常、プレートをゼロ電位にするのが（ドライバ回
路を設計しやすくするため）最も好都合であり、陰極フ
ィラメント・ワイヤをわずかに正の電圧にすると有利で
ある。

【００５５】フィラメント電圧Ｖ_filamentを利用してプ
レート電圧を安定させることができるが、追加の方法
は、フィラメント温度Ｔｅｍｐ_filamentを制御すること
である。これは、以前に、陰極のエージングのカウンタ
として従来のＣＲＴ（ＩＢＭテクニカル・デスクロージ
ャ・ブルテン、Vol.29、No.9、1987年2月、p.3896を参
照）において（様々な陰極温度条件下で実際のＣＲＴの
寿命試験によるデータを使って）提案されているが、ビ
ーム電流を測定するために特別の装置を作成しなければ
ならないためより困難である。プレート電圧が利用可能
な場合は、測定は非常に容易であり（漏れ制御経路とし
ても働く単なる高インピーダンス電位計回路）、プレー
ト電圧が、最も簡単な一次サーボ回路を介してフィード
バックされ、ヒータ電力が制御され、それによりフィラ
メント温度が制御される。そのようなサーボにおける時
定数は数分と長く、したがって安定性は問題がない。実
際に、さらに好ましい実施形態においては、フィラメン
ト電圧とヒータ電力が両方とも、実験によってそれぞれ
決定された適切な比率で制御として使用される。実験に
よって達成される目的は、ビーム電流の安定性と、それ
による明るさの安定性である。

【００５６】ヒータ電力が条件にどのように影響するか
を理解するために、陰極フィラメントからの放出電流が
制限されない場合だけ２分の３空間電荷制限電力法則が
適切であることを理解されたい。放出電流が制限される
（また、これが陰極のエージングとともに減少する）
と、ローカル仮想陰極から取り出される電流の比率が重
要になる。ＫＲスパンゲンバ−グ著「Vacuum Tube
s」、McGraw-Hill、1948、192〜193ページには、酸化物
陰極システムにおけるローカル仮想陰極の最小電位の位
置と値に関する次の式が示されている。

【数４】

【００５７】ここで、Ｔは゜Ｋにおけるエミッタ温度、
Ｐは取り出された電流の割合である。実際には、より正
確な解では、Ｘ_LにはＶ_xLの係数と別に温度の影響があ
る。（Ｘ_L＋Ｘ₀）は、実際にはワイヤ・フィラメント６
０４と抽出グリッド６０２の間の一定の幾何的距離であ
ることに留意されたい。

【００５８】熱電子陰極からの放出は、ＤＡライト
による論文「A survey of the present knowledge of t
hermionic emitters」、 Proc IRE、1952、pp.125〜142
に、次のように示されている。

【数５】

【００５９】ここで、Ｊは、Ａ／ｃｍ²における電流密
度である。Ａ₀は定数（使用開始時の酸化物陰極は通常
約７０Ａ／ｃｍ²−ｄｅｇ²）、φは、材料の仕事関数
（１０００゜Ｋにおける酸化物陰極では通常１．５電子
ボルト）、ｋは、電子ボルトでのボルツマン定数（８．
６×１０^-5）である。

【００６０】Ｔが増大すると陰極の放出電流密度が増大
し（また、速度分布が少し増大し）、放出電流密度が増
大するとＰの割合が減少する。放出電流密度は温度の影
響を受けやすい。上の式では、３７゜Ｋ高くなるとＪの
値が２倍になるため、ヒータ電力を利用して経年変化に
よるＡ₀の低下を容易に補正することができる。

【００６１】本発明のエリア陰極は、仮想リモート陰極
の空間電荷雲の位置が、正確な寸法に作成できる固定絶
縁プレートの形状によって一定になるという利点を有す
る。位置が変化しないので、絶縁プレート以外の構造物
が機械的、電気的あるいは物理的に変化しない。プレー
トの下側に生じる電子電荷電位によって、プレートの孔
から押し出す制御グリッド抽出電圧の必要条件とは別
に、制御グリッドの一定値から陰極を分離する。プレー
ト上の電圧を測定しそれを使って、プレート電圧の形状
の変化の影響と陰極エージングの影響をなくすことがで
きる。

【００６２】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。

【００６３】（１）陰極手段と、コリメーション・ブロ
ックと、制御グリッド手段とを含む電子供給源であっ
て、前記制御グリッド手段が前記陰極手段から前記コリ
メーション・ブロックへの電子の流れを制御し、前記コ
リメーション・ブロックが陰極手段に対面する表面に絶
縁プレートを含み前記陰極手段から受け取った電子を１
つまたは複数の電子ビームに形成してターゲットに向け
て案内し、前記絶縁プレートの前記陰極手段に対面する
表面は前記制御グリッド手段から所定の距離にあり前記
１つまたは複数の電子ビームのそれぞれ用の１つまたは
複数の孔が開けられていることを特徴とする電子供給
源。（２）前記孔が前記コリメーション・ブロック内に行と
列の２次元のアレイで配置されていることを特徴とする
上記（１）に記載の電子供給源。（３）前記絶縁プレートの前記陰極手段に対面する表面
に絶縁された導電層をさらに含む上記（１）に記載の電
子供給源。（４）前記導電層に接続された漏れ制御抵抗をさらに含
む上記（３）に記載の電子供給源。（５）前記陰極手段が抽出グリッド手段を含み、前記電
子供給源が、前記抽出グリッド手段に接続された漏れ制
御抵抗をさらに含むことを特徴とする上記（３）に記載
の電子供給源。（６）前記導電層に接続された電圧測定装置をさらに含
む上記（４）に記載の電子供給源。（７）前記陰極手段が熱電子放出装置を含むことを特徴
とする上記（１）ないし（６）のいずれか一項に記載の
電子供給源。（８）前記コリメーション・ブロックが磁石を含むこと
を特徴とする上記（１）ないし（７）のいずれか一項に
記載の電子供給源。（９）上記（１）ないし（８）のいずれか一項に記載の
電子供給源と、前記電子供給源から電子を受け取るため
に、前記コリメーション・ブロックの前記陰極手段から
遠い側に向いた蛍光体被覆を有するスクリーンと、前記
制御グリッド手段と陽極手段に制御信号を供給して、前
記陰極手段からチャネルを介した蛍光体被覆への電子の
流れを選択的に制御して、前記スクリーン上にイメージ
を生成する手段とを含む表示装置。（１０）メモリ手段と、データを前記メモリ手段との間
でやり取りするためのデータ転送手段と、前記メモリ手
段に記憶されたデータを処理するプロセッサ手段と、前
記プロセッサ手段によって処理されたデータを表示する
上記（９）に記載の表示装置とを含むコンピュータ・シ
ステム。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＲＴに使用されるタイプの典型的な従来技術
の間接加熱型熱電子陰極の図である。

【図２】図１の陰極から放出される電子の速度分布のグ
ラフである。

【図３】図１の構造のような典型的な構造の電位と陰極
からの距離との関係を示すグラフである。

【図４】従来技術の二極真空管の電圧電流特性のグラフ
である。

【図５】リモート仮想陰極を有する従来技術のフラット
・スクリーンＣＲＴの断面図である。

【図６】フラット・マトリックス駆動型ＣＲＴ用に特に
設計された従来技術のリモート仮想陰極の図である。

【図７】１つの電子の経路を示す図６の陰極の断面図で
ある。

【図８】図７の陰極の電位分布と電子速度のグラフであ
る。

【図９】最初に電源が入りピクチャが表示されていない
ときの状態を示す、本発明による陰極の断面図である。

【図１０】平衡状態を示す、本発明による陰極の断面図
である。

【符号の説明】

５０２制御グリッド５０６コリメーション・ブロック５１０陰極フィラメント５１２ローカル仮想陰極５１４マスク・グリッド９０２絶縁プレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アンドリュー・ラムゼイ・ノックスイギリスケイ・エイ25 ７ジェイ・ゼットエアシャーキルバーニーミルトン・ロードガーノック・ロッジ (72)発明者クリストファー・カルロ・ピエトジャクイギリスピー・エイ19 １エヌ・アールスコットランドレンヒューシャーグーロックアッシュボーン・ゲート２ (56)参考文献特開平８−162048（ＪＰ，Ａ) 特開平８−162047（ＪＰ，Ａ) 特開平７−262941（ＪＰ，Ａ) 特開平７−320667（ＪＰ，Ａ) 特開平８−83584（ＪＰ，Ａ) 英国特許1312906（ＧＢ，Ｂ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 31/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極手段と、コリメーション・ブロック
と、制御グリッド手段とを含む電子供給源であって、前
記制御グリッド手段が前記陰極手段から前記コリメーシ
ョン・ブロックへの電子の流れを制御し、前記コリメー
ション・ブロックが陰極手段に対面する表面に絶縁プレ
ートを含み前記陰極手段から受け取った電子を１つまた
は複数の電子ビームに形成してターゲットに向けて案内
し、前記絶縁プレートの前記陰極手段に対面する表面は
前記制御グリッド手段から所定の距離にあり前記１つま
たは複数の電子ビームのそれぞれ用の１つまたは複数の
孔が開けられ、前記絶縁プレートの前記陰極手段に対面する表面に絶縁
された導電層をさらに含み、前記導電層に接続された漏
れ制御抵抗をさらに含むことを特徴とする電子供給源。
【請求項２】前記孔が前記コリメーション・ブロック内
に行と列の２次元のアレイで配置されていることを特徴
とする請求項１に記載の電子供給源。
【請求項３】前記陰極手段が抽出グリッド手段を含み、
前記電子供給源が、前記抽出グリッド手段に接続された
漏れ制御抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項１に
記載の電子供給源。
【請求項４】前記導電層に接続された電圧測定装置をさ
らに含む請求項１に記載の電子供給源。
【請求項５】前記陰極手段が熱電子放出装置を含むこと
を特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の
電子供給源。
【請求項６】前記コリメーション・ブロックが磁石を含
むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に
記載の電子供給源。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれか一項に記載の
電子供給源と、前記電子供給源から電子を受け取るために、前記コリメ
ーション・ブロックの前記陰極手段から遠い側に向いた
蛍光体被覆を有するスクリーンと、前記制御グリッド手段と陽極手段に制御信号を供給し
て、前記陰極手段からチャネルを介した蛍光体被覆への
電子の流れを選択的に制御して、前記スクリーン上にイ
メージを生成する手段とを含む表示装置。
【請求項８】メモリ手段と、データを前記メモリ手段との間でやり取りするためのデ
ータ転送手段と、前記メモリ手段に記憶されたデータを処理するプロセッ
サ手段と、前記プロセッサ手段によって処理されたデータを表示す
る請求項７に記載の表示装置とを含むコンピュータ・シ
ステム。