JP3647053B2

JP3647053B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP3647053B2
Application number: JP15265493A
Authority: JP
Inventors: 正金子; 俊彦宮崎; 友和安藤; 昌宏多川; 尚人中村; 英明光武; 芳幸長田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JPH06342634A

Description

【０００１】
本発明は、電子放出素子、特に表面伝導型電子放出素子を用いた画像表示装置や記録装置等の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子として熱電子源と冷陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源には電界放出型（以下、ＦＥ型と略す）、金属／絶縁層／金属型（以下、ＭＩＭ型と略す）や表面伝導型電子放出素子（以下、ＳＣＥ型と略す）等がある。
【０００３】
ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，”Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）やＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等が知られている。
【０００４】
また、ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａｄ， ”Ｔｈｅｔｕｎｎｅｌ−ｅｍｉｓｓｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等が知られている。
【０００５】
更に、ＳＣＥ型の例としては、Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ，ＲａｄｉｏＥｎｇ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０，１２９０（１９６５）等がある。
【０００６】
上記ＳＣＥ型の電子放出素子は、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。
【０００７】
この表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等によるＳｎＯ₂薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ： ”ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ”，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂薄膜によるもの［Ｍ．ＨａｒｔｗｅｌｌａｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ： ”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥＤＣｏｎｆ．”，５１９，（１９７５）］、カーボン薄膜によるもの［荒木久他：真空、第２６巻、第１号、２２頁（１９８３）］等が報告されている。
【０００８】
これらの表面伝導型電子放出素子の典型的な素子構成として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１４に示す。同図において１１は絶縁性基板である。１３は電子放出部形成用薄膜で、スパッタで形成されたＨ型形状金属酸化物薄膜等からなり、後述のフォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部１２が形成される。
【０００９】
従来、これらの表面伝導型電子放出素子においては、電子放出を行う前に電子放出部形成用薄膜１３を予めフォーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出部１２を形成するのが一般的であった。即ち、フォーミングとは前記電子放出部形成用薄膜１３の両端に電圧を印加通電し、電子放出部形成用薄膜を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態にした電子放出部１２を形成することである。尚、電子放出部１２は電子放出部形成用薄膜１３の一部に亀裂が発生しその亀裂付近から電子放出が行われる場合もある。以下フォーミングにより形成した電子放出部を含む電子放出部形成用薄膜１３を電子放出部を含む薄膜と呼ぶ。
【００１０】
前記フォーミング処理をした表面伝導型電子放出素子は、上述電子放出部を含む薄膜１３に電圧を印加し、素子表面に電流を流すことにより上述電子放出部１２より電子を放出せしめるものである。
【００１１】
図１５は上述の電子放出部から放出される電子の放射特性評価装置を示した断面図であり、１１は絶縁性基板、１４及び１５は素子電極、１３は電子放出部を含む薄膜、１２は電子放出部を示し、１６はガラス基板、１７は透明導電膜からなるアノード電極、１８は電子照射により可視光を発する蛍光膜、１９は電子放出素子に電圧を印加するための電源、２０はアノード電極１７に電圧を印加するための高圧電源である。素子電極１４及び１５には電源１９を接続し、該電子放出素子の上方に電源２０を接続したアノード電極１７を配置している。アノード電極１７及び蛍光膜１８を有するガラス基板１６と該電子放出素子は真空装置内に設置されている。
【００１２】
上述の評価装置において、素子電極１４，１５間に電圧を印加して電子放出部１２より電子を放出させ、アノード電極１７に数百Ｖから数千Ｖの電圧を印加すると、放出電子は、絶縁性基板１１の面に対する電子放出部１２からの法線（図中の１点鎖線）に対して、該素子に印加した電圧の正極側（図１５では素子電極１５側）にずれで飛翔し（図中の矢印付点線の軌道）、蛍光膜１８上の発光部中心は該法線上からずれる。
【００１３】
上述の放射特性は、絶縁性基板１１に平行な面内での電位分布が、電子放出部に対して非対称になることによるものと考えられ、表面伝導型電子放出素子に固有の特性である（但し、ＦＥ，ＭＩＭ型でも構成によってはこの特性を示す）。
【００１４】
このような表面伝導型電子放出素子を複数個配置したマルチ素子及びパネル構成については、例えば本出願人によるＵＳＰ５０６６８８３号明細書等に記載がある。
【００１５】
上述したような電子放出素子は、１０^-6Ｔｏｒｒ程度以上の真空中で動作させることから、該電子放出素子を用いて画像形成装置を形成する場合、耐大気圧構造が必要となる。特に、大面積のリアプレート（図１５の絶縁性基板１１に対応）及びフェースプレート（図１５のガラス基板１６に対応）を用いて耐大気圧支持を行う平面型画像形成装置の場合、各プレートの板厚が非常に厚くなってしまうので、重量、コストなどの点で実現性が乏しくなってしまう。これを回避するために、耐大気圧のためのスペーサをリアプレートとフェースプレートの間に支柱として配置し、耐大気圧構造とすることで、該画像形成装置の軽量化が可能である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の耐大気圧スペーサは、各プレート面に対して垂直な圧力に耐えるように構成されるので、通常各プレート間を結ぶ面要素を含む形状からなる。従って、上述の電子放射特性を持つ表面伝導型電子放出素子を用いて画像形成装置を構成する場合には、次のような問題点があった。
【００１７】
（１）放出された電子ビームが正極の素子電極側に偏向することにより、正極の素子電極側に配置された耐大気圧スペーサに衝突し、蛍光体膜上へ到達する電子量が減少し、発光効率が低下する。
【００１８】
（２）電子ビームの衝突で起こる耐大気圧スペーサへのチャージアップにより、電位分布の変化に伴う電子軌道の変化、さらには沿面耐圧低下に伴う沿面放電での素子破壊等が発生する。
【００１９】
（３）上記問題点を回避するために、プレート中に疎に該電子放出素子を配置した場合、高精細な画像形成装置が実現出来ない。
【００２０】
以上のような問題点があるため、表面伝導型電子放出素子は、素子構造が簡単でかつ、複数の素子を配置することが容易であるという利点があるにもかかわらず、産業上積極的に応用されるには至っていなかった。
【００２１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電子放出素子を用いた画像形成装置において、該電子放出素子からの放出電子の飛翔軌道を妨げることなく、高輝度，高精細な画像が得られるパネル構造を実現することであり、特に、本目的に適した耐大気圧スペーサの形状を与えることにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記目的を達成すべく成された本発明は、互いに間隔をおいて配置された複数の電子放出素子を有するリアプレートと、画像形成部材が配されたフェースプレートとが対向して配置され、該リアプレートと該フェースプレートの周囲を接続する外囲器と、該リアプレートとフェースプレートとの間に配置された長手方向の長さが画像形成範囲よりも長い板状スペーサと、画像形成範囲外に配置され、前記リアプレートへの設置面が前記電子放出素子の間隔より広いスペーサ支持部材とを有し、前記板状スペーサの長手方向の両端は、前記スペーサ支持部材に固定されており、前記スペーサ支持部材は、前記リアプレートに固定されていることを特徴とする画像形成装置にある。
本発明は、
「前記画像形成範囲は、前記リアプレートに配された電子放出素子が配置される範囲である」こと、
「前記板状スペーサは、ガラスよりなる」こと、
「前記板状スペーサの長手方向の両端は、前記板状スペーサの両側面を、一対の前記スペーサ支持部材よって挟持されて前記スペーサ支持部材に固定されている」こと、
「前記画像形成部材が蛍光体である」こと、
「前記フェースプレートは、さらに、アノード電極を有する」こと、
「前記電子放出素子が表面伝導型電子放出素子である」こと、
を含むものである。
【００２３】
本発明の画像形成装置によれば、スペーサを自立させるためのスペーサ支持部材を画像形成範囲の外側に配置することにより、電子放出素子を潰すことなく板状スペーサの倒れ防止を実現できる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例を示し本発明を詳細に説明する。
【００２５】
実施例１（参考実施例）
図１及び図２は本実施例の画像形成装置の概略構成を示す図であり、図１は各プレート面に垂直な面における断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２６】
これらの図において、１はフェースプレート、２はリアプレート、３は表面伝導型電子放出素子、４はスペーサ、５はスペーサ４に設けた電子線通過部であるところの穴、８は外囲器、１０は画像形成部材であるところの蛍光体ターゲットである。
【００２７】
本装置において、表面伝導型電子放出素子３は、図１５に示したように対向する一対の素子電極１４，１５と電子放出部１２を含む薄膜１３で構成されており、リアプレート２の表面上に配置されている。電子放出部より放出された電子線は、リアプレート２とフェースプレート１との間に印加される加速電圧及び素子電極間への印加電圧により、図１中の矢印で示した軌道に従ってフェースプレート１上の蛍光体ターゲット１０に到達する。
【００２８】
本装置内は表面伝導型電子放出素子の動作環境である真空状態に維持されており、各プレート１及び３を支えるためのスペーサ４が複数配置されている。図１でわかるように、スペーサ４は電子線軌道を妨げる位置にあるが、スペーサ４内に電子線通過部５を設けることで、電子線が途中妨げられること無く蛍光体ターゲットに到達するように構成されている。このため、電子線のロスが無く、スペーサのチャージアップに伴うブレークダウンの無い低電力で発光輝度が高い画像表示装置が実現されている。
【００２９】
本実施例では電子線通過部は円形の穴だが、電子線軌道を妨げないならば、三角形、四角形等の穴でもよい。
【００３０】
また、このようなスペーサの作成には、
ａ）板状の感光性ガラスをエッチングすることで、不要部分を除去して作成する方法。
【００３１】
ｂ）板状の青板ガラス等をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）で不要部分を除去して作成する方法。
【００３２】
ｃ）板状の金属をプレス加工や放電加工、切削等で不要部分を除去して作成し、最後に絶縁性被膜を施す方法。
【００３３】
ｄ）電子線軌道を遮る部分を設けないように加工された金型を用いて金属を加工する方法。
等を用いることができる。
【００３４】
なお、電子放出部より放出された電子線は、蛍光面に近づくにつれ次第に発散するので、電子放出部とスペーサの距離が小さければ、電子線通過部５はリアプレート寄りにより小さな穴を設ければよいことになり、スペーサ断面積を大きくできるため、スペーサの支持耐圧を上げることができる。
【００３５】
実施例２（参考実施例）
図３及び図４は本実施例の画像形成装置の特徴を示す図であり、図３は各プレートへのスペーサの設置状態を示し、図４はスペーサと電子放出素子との位置関係を示している。
【００３６】
本実施例では、電子線通過部５がスペーサのリアプレート接触部分を切り欠いた構造となっており、図４に示されるように電子放出素子の電子放出部１２をまたぐように配置されている。このため、電子放出部１２を出て間もない広がりの小さい電子を通過するための部分を設ければ済むため、実施例１よりさらにスペーサの支持耐圧を上げることができる。
【００３７】
実施例３（参考実施例）
図５及び図６は本実施例の画像形成装置の概略構成を示す図であり、図５は各プレート面に垂直な面における断面図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。
【００３８】
実施例１及び２との違いは、スペーサ４上部のフェースプレート１と接触する部分の一部を切り欠いて電子線通過部５としていることである。本実施例の電子線軌道（図５中の矢印で示した軌道）とスペーサ４の位置関係では、電子線が蛍光体ターゲット１０に衝突する位置にスペーサが来てしまうため、画素分以上の幅を有する切り欠きを設け、電子線が蛍光面に衝突して画素を形成するのを妨げないようにしているものである。
【００３９】
実施例４（参考実施例）
図７及び図８は本実施例の画像形成装置の概略構成を示す図であり、図７は各プレート面に垂直な面における断面図、図８は図７のＡ−Ａ断面図である。
【００４０】
実施例１〜３との違いは、スペーサ４を通過する電子線軌道が上下方向に２本存在し、これに合わせて角型の穴からなる電子線通過部５ａと、切り欠き部からなる電子線通過部５ｂをスペーサ４に設けた点である。
【００４１】
本実施例を含め、電子線通過部となるスペーサ部材の除去部分は、電子線軌道との位置関係に伴い、実施例１から実施例３までに示した位置を複数組み合わせた構成も可能である。
【００４２】
即ち、前後左右に隣接する複数の電子放出素子の電子放出部に対応する電子線軌道を一枚のスペーサが妨げる場合は、それぞれの電子線軌道に対応する電子線通過部を１つのスペーサの上下左右に複数設けることが可能である。さらに、一つの大きな電子線通過部で複数の電子線軌道を通すような構成も可能である。
【００４３】
実施例５
上記の各参考実施例では板状のスペーサを用いており、本実施例を説明する前に、この板状のスペーサを用いる有効性について説明を加える。先に説明した画像形成装置の概略構成図では電子放出素子の間隔を比較的広く表現しているが、高輝度，高精細な画像を得るためには極めて隣接して配置されるものである。
【００４４】
図９は板状のスペーサを用いることが特に有効となる電子放出素子の配列の一例を示す図であり、電子放出素子３は隣接素子同志が互いに半素子づつずれて配置されている。図中破線矢印は図中ハッチングを施した素子から出る電子線の飛翔軌道方向を示しており、他の素子から出る電子線の飛翔軌道方向も同様である。
【００４５】
図９に示したように配列している電子放出素子に対して、スペーサの配置が可能な方向を考えると、電子線軌道と平行（Ｘ方向）にスペーサを配置した場合、電子線軌道上にスペーサが位置するため、このような配置は不適当である。一方、これと直交する方向（Ｙ方向）の場合、スペーサの接地面を素子の間（一例として図中太線の位置）にすることができるが、破線矢印で示したような電子線軌道を遮ってしまう。このため実施例１〜４では、板状スペーサの一部を除去し電子線通過部を設けることで、電子放出素子が上述のように配列している場合にも電子線軌道を遮ることがない。
【００４６】
本実施例は、上記の板状のスペーサを支持部材により固定した例である。上記の板状スペーサが自立できない場合には、例えば図１０に示すように、板状スペーサ４の両端を両側面からスペーサ支持部材９で挟んで該支持部材９をリアプレート等に固定することができる。この場合スペーサ支持部材９の設置面は素子間の隙間より広くなる為、画像形成範囲（リアプレートの素子形成範囲）を限定し、その外側にスペーサ支持部材９を配置することで、素子を潰すことなく板状スペーサの倒れ防止を実現できる。
【００４７】
なお、スペーサ支持部材９と板状スペーサ４はフリットガラス等で固定することができる。さらに、図１０では電子線通過部５が１つのスペーサ４に２個配置されているが、先に述べたように電子放出素子や蛍光体ターゲットの配置に応じて、電子線通過部は適切な位置に適切な数だけ設けられる。
【００４８】
実施例６（参考実施例）
本実施例は、板状のスペーサに替えて十字形状のスペーサを用いて画像形成装置を構成したものである。図１１は本実施例におけるスペーサの形状及び配置を示しており、図１１（ａ）はスペーサと多数の電子源の電子放出部との位置関係を示す平面図、図１１（ｂ），（ｃ）は１つのスペーサの側面図である。尚、図１１（ｃ）には電子放出部及び電子線軌道も併せて記している。
【００４９】
本実施例のスペーサは図１１（ｂ）に示されるように十字形状の一部を除去し、図中のｈ寸法が電子線軌道によって決まる一定の高さ以下とし、図１１（ｃ）に示されるように電子線軌道が妨げられないように形成している。
【００５０】
本実施例におけるスペーサの作成方法を図１２を用いて説明する。図１２（ａ）と（ｂ）に示される３枚のガラス（金属やセラミックでも良い）の板を用意し、同図（ｂ）の板については同図（ｃ）に示すようにその一部をグラインダー等で切り落として電子線通過部を形成し、同図（ｄ）のように互いにフリットガラスで接着して作成する。また、ガラス等の塊を削り出すだけで、所望の形状に加工することも可能である。
【００５１】
このように本実施例のスペーサは、リアプレートやフェースプレートとの設置面が十字状であるため自立できる構造となっている。一般に良好な大面積高密度画像表示装置の大気圧支持等に用いるスペーサは自立出来る構造のものが好ましい。その理由を説明すると、自立させることが困難な板状のスペーサを用いる場合には図１０に示したようなスペーサ支持部材を接地面に設ける必要があり、このスペーサ支持部材は画像表示領域外に配置される。このため大面積画像表示装置では、個々のスペーサが長くなり、その形状公差を維持するのが困難となるからである。
【００５２】
このように本実施例のスペーサを用いることで、電子線の軌道を妨げることなく、特に大面積画像表示装置の実現が可能となる。
【００５３】
実施例７（参考実施例）
本実施例におけるスペーサの形状及び配置を図１３に示す。図１３（ａ）は１つのスペーサと４つの電子放出部との位置関係を示す平面図であり、図１３（ｂ）はスペーサの斜視図である。
【００５４】
本実施例のスペーサは、電子線飛翔方向の２次元的な広がりに対応するため、実施例６におけるスペーサの作成工程の際に、図１２（ａ）に示した部材にも図１２（ｃ）に示したような加工を２箇所に施してある。
【００５５】
本実施例においてもスペーサ４は自立型であるため、実施例６と同様に大面積画像表示装置の実現が可能である。
【００５６】
以上の実施例においては、本発明の画像形成装置を画像表示装置に応用した例を示したが、本発明はこの範囲に限られるものではなく、光プリンタの画像形成用発光ユニット等、記録装置への応用も可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スペーサを自立させるためのスペーサ支持部材を画像形成範囲の外側に配置することにより、電子放出素子を潰すことなく板状スペーサの倒れ防止を実現できる、高輝度、高精細な画像形成装置が実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１（参考例）にて示す画像形成装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ面における断面図である。
【図３】実施例２（参考例）にて示す画像形成装置におけるプレートとスペーサの設置状態を示す図である。
【図４】実施例２（参考例）にて示す画像形成装置におけるスペーサと電子放出素子との位置関係を示す断面図である。
【図５】実施例３（参考例）にて示す画像形成装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ面における断面図である。
【図７】実施例４（参考例）にて示す画像形成装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ面における断面図である。
【図９】電子放出素子の配列とスペーサの設置位置の一例を示す図である。
【図１０】実施例５にて示すスペーサの支持方法を説明するための図である。
【図１１】実施例６（参考例）にて示す画像形成装置におけるスペーサの形状及び配置を示す図である。
【図１２】実施例６（参考例）におけるスペーサの作成方法を説明するための図である。
【図１３】実施例７（参考例）にて示す画像形成装置におけるスペーサの形状及び配置を示す図である。
【図１４】表面伝導型電子放出素子の構成図の一例である。
【図１５】表面伝導型電子放出素子の特性評価装置の構成図である。
【符号の説明】
１フェースプレート
２リアプレート
３電子放出素子
４スペーサ
５電子線通過部
８外囲器
９スペーサ支持部材
１０蛍光体ターゲット
１１絶縁性基板
１２電子放出部
１３薄膜
１４素子電極（負極）
１５素子電極（正極）
１６ガラス基板
１７アノード電極
１８蛍光膜
１９電源
２０高圧電源

Claims

互いに間隔をおいて配置された複数の電子放出素子を有するリアプレートと、画像形成部材が配されたフェースプレートとが対向して配置され、該リアプレートと該フェースプレートの周囲を接続する外囲器と、該リアプレートとフェースプレートとの間に配置された長手方向の長さが画像形成範囲よりも長い板状スペーサと、画像形成範囲外に配置され、前記リアプレートへの設置面が前記電子放出素子の間隔より広いスペーサ支持部材とを有し、
前記板状スペーサの長手方向の両端は、前記スペーサ支持部材に固定されており、
前記スペーサ支持部材は、前記リアプレートに固定されていることを特徴とする画像形成装置。
前記画像形成範囲は、前記リアプレートに配された電子放出素子が配置される範囲であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記板状スペーサは、ガラスよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
前記板状スペーサの長手方向の両端は、前記板状スペーサの両側面を、一対の前記スペーサ支持部材よって挟持されて前記スペーサ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の画像形成装置。
前記画像形成部材が蛍光体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像形成装置。
前記フェースプレートは、さらに、アノード電極を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の画像形成装置。
前記電子放出素子が表面伝導型電子放出素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像形成装置。