JP4184306B2 - 電子放出素子 - Google Patents

Description

本発明は、所定の照射面に電子を照射する電子放出素子に関する。

記憶再生装置や画像表示装置などに、電子放出素子を用いた技術が知られている。特に、電子放出素子が有する電子源から電子が照射される電子照射面上の位置（以下、「照射位置」と呼ぶ）を移動させる技術として、以下に示すようなものがある。

例えば、特許文献１には、電子線（電子ビーム）を用いて記録／再生を行う記録装置において、記録媒体を移動させることにより記録媒体上の記録位置を変更する技術が記載されている。また、特許文献２には、圧電素子からなるカンチレバー上に電子源を形成し、カンチレバーの変位タイミングと電子源の電子放出タイミングを制御することにより、電子ビームの照射位置を変位可能とする技術が記載されている。更に、非特許文献１には、電子ビーム自体を偏向することによって、電子ビームの照射位置を移動させる技術が記載されている。

しかしながら、上記のような文献に記載された技術では、電子放出素子等を含んだ装置が複雑な機構となり、簡便な構成にすることができない場合があった。例えば、記録媒体自体を動かす場合には、複雑な駆動機構が必要となる。また、カンチレバーを用いた場合も同様に、カンチレバーを駆動するための機構が複雑になる。一方、電子ビーム自体を偏向する場合には、電子ビームの大きな偏向量を得るために偏向部分と電子照射面との距離を大きくとる必要があった。更に、電子ビーム自体を曲げることによって、電子照射面上において電子ビームに収差が生じてしまい、電子照射面に電子ビームが好適に収束しない。それを防ぐためには、補正のための機構を加えることになり、装置が複雑かつ大きくなるという問題があった。

特開平９−７２４０号公報 特開平７−１８２９６７号公報 T.H.P.Chang, L.P.Muray, U.Staufer and D.P.Kern, "A Scanning Tunneling Microscope Based Microcolumn System", Jpn.J.Appl.Phys. Vol.31(1992) pp.4232-4240

本発明が解決しようとする課題には、上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、電子を照射する位置を移動可能とし、小型で簡便に構成される電子放出素子を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、電子放出素子は、陰極基板と、前記陰極基板上に設けられ、前記陰極基板に対向配置された電子照射面に電子を照射する細線型の電子放出部と、前記電子放出部の周辺に電界を発生させることにより、前記電子放出部を偏向させる偏向手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の好適な実施形態では、電子放出素子は、陰極基板と、前記陰極基板上に設けられ、前記陰極基板に対向配置された電子照射面に電子を照射する細線型の電子放出部と、前記電子放出部の周辺に電界を発生させることにより、前記電子放出部を偏向させる偏向手段と、を備える。

上記の電子放出素子は、陰極基板を陰極とし、陰極と陽極に電圧を印加することで、陰極基板上に設けられた電子放出部より電子を放出させ、陽極面上に形成された電子照射面に当該電子を照射させる装置である。電子放出部は、例えば電子源であり、陰極基板上に設けられる細線型のものとする。偏向手段は、電子放出部周辺に電界を発生させる。電子放出部には電荷が存在するため、発生された電界により力を受ける。これにより、細線型の電子放出部は偏向されて湾曲し、電子を放出する先端部が移動する。したがって、電子放出部より電子が照射される電子照射面上の位置（以下、「照射位置」と呼ぶ）は、電子照射面上で移動することになる。これにより、電子が照射される電子照射面を移動させたり、電子放出部全体の位置を移動させたりする必要がないので、電子放出素子、又は電子放出素子を含む装置の構成が複雑化せず、簡便に構成することができる。

上記の電子放出素子の一態様では、前記偏向手段として、前記電子放出部の周囲の前記陰極基板と前記電子照射面との空間に設けられた少なくとも一対の偏向電極を備え、偏向電極に電圧を印加することにより電子放出部を偏向させる。偏向電極は複数設けることで、電子放出部を様々な方向に移動することができる。これにより、電子が照射される照射位置の可動範囲を広げることができる。例えば２対の偏向電極を前後方向と左右方向に設けることにより、電子放出部の先端部を２次元平面上の任意の位置に移動することが可能となる。

上記の電子放出素子の他の一態様では、前記電子照射面は、前記電子放出部の屈曲点を中心とする略球面を有する。電子放出部は、偏向手段により屈曲点を中心に偏向される。

この態様では、電子放出面をこの屈曲点を中心とする球面に形成すると、電子放出部の先端部と電子照射面との距離は一定に保たれる。これにより、照射位置におけるビームスポットの面積を一定に維持することができる。

上記の電子放出素子の他の一態様では、前記偏向手段は、前記電子放出部の長さ方向に、第１の偏向電極と、第２の偏向電極と、を備え、前記偏向手段は、前記電子放出部の先端部と前記電子照射面との距離を一定に保つように、前記第１の偏向電極及び前記第２の偏向電極に電圧を印加して前記電子放出部を偏向させる。

この態様では、電子放出部に、その長さ方向に設けられた２組の偏向電極（第１の偏向電極と第２の偏向電極）によって偏向させる。この場合、電子放出部には２箇所から力が加えられて偏向されるので、電子放出部の変位の自由度が増加することになる。即ち、電子放出部の先端部と電子照射面との距離を調整しやすくなる。したがって、これらの偏向電極に適切な電圧を印加することにより、電子放出部の先端部と電子照射面との距離を一定に維持しつつ、電子放射部を偏向されることが可能となるので、電子照射面を平面とすることができる。したがって、電子放出素子を容易、且つ低コストで製作可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［第１実施例］
まず、本発明の第１実施例に係る電子放出素子について、図１〜図３を用いて説明する。図１には、第１実施例に係る電子放出素子１００の概略構成を示す。

図１に示すように、電子放出素子１００は、陰極基板１と、電子引出電極２と、偏向電極３と、電子源（電子放出部）４と、電子照射面５と、を備える。

陰極基板１は、シリコンなどの材料から構成される基板である。陰極基板１は、図示しない電源により電圧を印加され、電子放出素子１００において陰極（冷陰極）として機能する。また、陰極基板１上には、電子源４が形成されている。

電子源４は、細線型の電子放出部として機能し、例えばカーボンナノチューブなどを用いる。カーボンナノチューブは、アーク放電法やレーザー蒸発法やプラズマＣＶＤ法によって形成される。カーボンナノチューブを用いた場合、例えば、電子源４の直径は１０ｎｍに、長さは５００μｍにされる。また、陰極基板１上にエミッタチップを形成し、この上にカーボンナノチューブを成長させることもできる。なお、電子源４に、シリコンなどのナノチューブを用いてもよい。また、電子源４の材料に金属材料を用いてもよい。

電子引出電極２は、図示しない電源により電圧を印加され、電子放出素子１００において陽極として機能する。また、電子源４より放出される電子１０が照射される面には、電子照射面５が形成されている。なお、陰極基板１と電子照射面５との距離は、例えば１ｍｍに設定される。

このように、電子放出素子１００は、上記の陰極基板１と電子引出電極２に電圧を印加することにより、陰極基板１に設けられた電子源４より電子１０を放出させる装置である。放出された電子１０は、電子引出電極２上の電子照射面５に照射される（この照射される位置を、以下では「照射位置１１」として用いる）。この電子１０の照射を利用して、記録媒体に情報を記録したり、記録媒体に記録された情報を再生したり、画像表示装置に画像を表示させることができる。

本実施例では、電子源４の周囲の、陰極基板１と電子照射面５の間に存在する空間内に、偏向電極３（以下、「偏向電極３」と表記した場合は、偏向電極３ａ、３ｂを含めた意味として用いる）が設けられている。即ち、偏向電極３ａと偏向電極３ｂとの電極間に、電子源４が挟まれるように偏向電極３が配置される。この偏向電極３にも、図示しない電源より電圧が印加される。これにより、偏向電極３の間に電界（以下、「偏向電界」とも呼ぶ）が生じることになる。電子源４に存在する電荷は、偏向電極３が発生する偏向電界により力を受ける。これによって、電子源４自体が屈曲（以下、「偏向」とも呼ぶ）することになる。以上のように、偏向電極３は、電子源４を偏向させる偏向手段として機能する。

なお、図１に示すように、偏向電極３ａ、３ｂは、電子源４に沿った長さＬを有しており、偏向電極３は、電極間隔Ｗを有している。例えば、電極間隔Ｗは２０μｍ、長さＬは１０μｍとして構成される。

具体的に、電子源４が屈曲する様子を、図２を用いて説明する。図２（ａ）に示すように、紙面左の偏向電極３ａを陽極、紙面右の偏向電極３ｂを陰極となるように、偏向電極３に電圧を印加する。この場合、偏向電極３の間には偏向電界が発生し、電子源４は負の電荷が存在するため、矢印１２で示すような力が電子源４に働く。一方、図２（ｂ）に示すように、紙面左の偏向電極３ａを陰極、紙面右の偏向電極３ｂを陽極となるように偏向電極３に電圧を印加した場合、電子源４には矢印１４で示す方向の力が働く。以上のように偏向電極３に電圧を印加することにより、電子源４は、陰極基板１上の位置は固定されたまま屈曲する。これにより、電子源４より放出される電子が照射される照射位置１１を、電子照射面５上で移動させることができる。

なお、偏向電極３に電圧を印加することにより電子源４が偏向する量（符号１３で示す量であり、以下「偏向量１３」と呼ぶ）は、電子源４を構成する材料のヤング率、電子源４の直径・長さ、電子源４内に存在する電荷量、偏向電極３のサイズ、偏向電極３の電極間隔などにより決定されるが、例えば、長さ５００μｍ、直径１０ｎｍの電子源を、図１に一例を示したような電極間隔Ｗ２０μｍ、長さＬ１０μｍを有する偏向電極３に４Ｖの電圧を印加して偏向した場合、偏向量１３は概ね５０μｍになる。

次に、図２中の矢印Ａ方向から電子放出素子１００を見た図を示す図３を説明する。図示のように、偏向電極３は、電子源４の周囲の４方向（紙面の上下左右）に設けられている。具体的には、紙面の左右の偏向電極３ａと偏向電極３ｂが一対の偏向電極を構成し、紙面の上下の偏向電極３ｃと偏向電極３ｄが一対の偏向電極を構成する。このような偏向電極３を用いることにより、電子源４による照射位置１１を紙面の上下左右に移動させることができる。また、対になった偏向電極３に印加する電圧を各々変えることにより、電子源４による照射位置１１を紙面の斜め方向にも移動させることができる。これにより、電子源４による照射位置１１を、符号１６の破線で示す領域内を移動させることができる。なお、本実施例に係る電子放出素子１００では、偏向電極３を二対有するものについて示したが、この数には限定はしない。

以上のように、本発明に係る電子放出素子１００は、偏向電極３が発生する偏向電界によって電子源４を屈曲させることにより、電子照射面５上の照射位置１１を移動させることができる。これにより、電子照射面５などを移動させたり、電子源４自体を移動させたり（この場合、電子源４が設置された陰極基板１などの構成要素自体を移動させるという意味である）する必要がないので、電子放出素子１００を含む装置の構成が複雑化せず、小型で簡便に構成することができる。

更に、電子源４自体を屈曲させるため、電子源４の先端部と電子照射面５を近接させることができる。よって、電子放出素子１００を記録再生装置などに適用する場合には、照射位置１１におけるビームスポットの面積を一定に維持することができる。したがって、このビームスポットの面積を補正するための特別な機構を設けなくてもよい。これによって、電子放出素子１００を含む装置を、更に簡便に構成することができる。

［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例に係る電子放出素子１０１について、図４を用いて説明する。

図４（ａ）に示すように、電子放出素子１０１も、第１実施例に示したものと同様に、陰極基板１と、電子引出電極２と、偏向電極３と、電子源４と、電子照射面５と、を備える。これらは、その材料や、電子放出素子内での機能は第１実施例で示したものと同様であるため、説明を省略する。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印Ｂ方向から電子放出素子１０１を見た図を示す。図４（ｂ）に示すように、第２実施例に係る電子放出素子１０１も、電子源４の周囲に偏向電極３ａ、３ｂを一対とする偏向電極３、偏向電極３ｃ、３ｄを一対とする偏向電極３を備えている。以上から、電子源４は偏向電極３によって屈曲され、その照射位置１１は領域１６を移動することが可能となる。

第２実施例に係る電子放出素子１０１では、電子引出電極２及び電子照射面５の形状が第１実施例にて示したものと異なる。図４（ａ）に示すように、電子引出電極２及び電子照射面５は、電子源４の屈曲点１８を中心とした略球面の一部からなる形状を有している。この屈曲点１８は、電子源４が屈曲する際の中心点である。

以上のように、電子引出電極２及び電子照射面５の形状を屈曲点１８を中心とする略球面の一部とすると、電子源４は屈曲点１８を中心に屈曲するため、電子源４の先端部と電子照射面５との距離２０は一定に保たれることになる。これにより、電子源４をどの方向に屈曲させても、照射位置１１におけるビームスポットの面積を一定に維持することができる。よって、例えば電子放出素子１０１が記録再生装置に適用された場合、情報の記録精度の向上や記録媒体への高密度記録などを実現することができる。

［第３実施例］
次に、本発明の第３実施例に係る電子放出素子１０２について、図５を用いて説明する。

図５に示すように、電子放出素子１０２は、陰極基板１と、電子引出電極２と、偏向電極３、６と、電子源４と、電子照射面５と、を備える。第３実施例に係る電子放出素子１０２は、上記した第１実施例及び第２実施例で示したものとは、偏向電極を電子源４の長さ方向に２段設けている点で異なる。その他の電子放出素子１０２の構成要素は、前述のものと同様であるため説明を省略する。

第３実施例に係る偏向電極は、電子源４の長さ方向に設けられる偏向電極３と偏向電極６から構成される。偏向電極３は偏向電極３ａ、３ｂから構成され、偏向電極６は偏向電極６ａ、６ｂから構成される。即ち、偏向電極３は第１の偏向電極として機能し、偏向電極６は第２の偏向電極として機能する。

具体的に、偏向電極３、６に電圧を印加したときの、電子源４が屈曲する様子を説明する。図５に示すように、偏向電極３ａ、３ｂは、電圧を印加されることにより偏向電界を発生し、電子源４に対して矢印２２で示す力を与える。また、偏向電極３の紙面下方に位置する偏向電極６ａ、６ｂは、電子源４に矢印２４で示す力を与える。このように、電子源４は、偏向電極３、６によって２箇所に力が加えられる。したがって、電子源４を２箇所で屈曲させることが可能となる。

本実施例の動作を具体的に説明する。図５（ａ）のように大きな偏向を行う場合には、偏向電極３と偏向電極６に同一の極性の電圧を印加する。第１実施例の構成の場合には、偏向量１３の減少とともに電子源４の先端と電子照射面５の距離２６が小さくなるが、本実施例の構成の場合は、偏向電極３と偏向電極６に逆の極性の電圧を印加することで、図５のように電子源４に２箇所の屈曲を発生させることができる。その結果、図５（ｂ）に示すように、偏向量１３が大きい場合の電子源４の先端と照射面５の距離２６を保ったまま、偏向量１３を減少させることが可能となる。更に、偏向量１３を小とする場合には、印加電圧を適切に制御することで、図５（ｃ）のように、前記２箇所の偏向量１３を増加させて電子源４の電子源４の先端と電子照射面５の距離２６を保つことができる。

なお、偏向電極３及び偏向電極６に印加する電圧の制御は、図示しない制御装置が行うことができる。また、電子放出素子１０２が他の装置に搭載される場合には、その装置が有するＣＰＵ等が制御を行うことができる。

以上のように、第３実施例に係る電子放出素子１０２では、電子源４の長さ方向に２段に設けた偏向電極３、６にて電子源４を２箇所で屈曲させることにより、電子源４の先端部と電子照射面５との距離２６を一定に維持させる。したがって、照射位置１１のビームスポットの面積、ビーム電流を一定に維持することができる。また、第２実施例で示したように電子照射面５及び電子引出電極２を略球面の一部とする形状にせず、電子照射面５及び電子引出電極２を平面とすることができるため、電子放出素子１０２を安価で容易に作成することが可能となる。

なお、第３実施例に係る電子放出素子１０２も、図３及び図４（ｂ）に示すように、電子源４の周囲に二対の偏向電極を配置させてもよい。即ち、偏向電極３、６のそれぞれが二対の偏向電極から構成させるようにしてもよい。また、偏向電極３は二対で構成し、偏向電極６は一対で構成するなど、上下で偏向電極の組数を変えてもよい。更に、電子源４の長さ方向に設ける偏向電極の段数も、上述したものには限定しない。

本発明の電子放出素子は、例えば記録媒体に情報を記録する記録再生装置や、電子線露光装置や、微小領域電子線硬化樹脂硬化装置など、微小領域に電子を照射するための装置一般に適用することができる。但し、本発明の電子放出素子の適用は上記の例に限定されるものではない。

本発明の第１実施例に係る電子放出素子の概略構成を示す図である。 偏向電極に電圧を印加することによって、電子源が屈曲する様子を示す図である。 図２中の矢印Ａ方向から電子放出素子を見た図を示す。 本発明の第２実施例に係る電子放出素子の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施例に係る電子放出素子の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 陰極基板
２ 電子引出電極
３、６ 偏向電極
４ 電子源（電子放出部）
５ 電子照射面
１００、１０１、１０２ 電子放出素子

Claims (4)

1. 陰極基板と、
   前記陰極基板上に設けられ、前記陰極基板に対向配置された電子照射面に電子を照射する細線型の電子放出部と、
   前記電子放出部の周辺に電界を発生させることにより、前記電子放出部を偏向させる偏向手段と、を備えることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記偏向手段は、前記電子放出部の周囲の、前記陰極基板と前記電子照射面との空間に設けられた少なくとも一対の偏向電極を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記電子照射面は、前記電子放出部の屈曲点を中心とする略球面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
4. 前記偏向手段は、前記電子放出部の長さ方向に、第１の偏向電極と、第２の偏向電極と、を備え、
   前記偏向手段は、前記電子放出部の先端部と前記電子照射面との距離を一定に保つように、前記第１の偏向電極及び前記第２の偏向電極に電圧を印加して前記電子放出部を偏向させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
   

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