JP4359625B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷陰極電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出された電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる冷陰極電界放出型の発光装置が開発されており、電界放出型照明ランプ（Field Emission Lamp:FEL）や電界放出型表示装置（Field Emission Display:FED）としての用途が見込まれている。

これらの発光装置のうち、ＦＥＤの製造工程では、一般に、ピクセルサイズ等に応じたミクロンオーダーの各種マイクロプロセスが多用される。例えば、特許文献１に開示されているように、ＦＥＤの製造工程では、スパッタリング法やＣＶＤ法など半導体チップなどに用いられる周知のマイクロプロセスにより、ガラスやセラミック類等の絶縁性基板上に陰極（カソード電極）が形成される。また、絶縁性基板上に直接に、または絶縁性基板表面に形成された配線層に接続して柱状溶融材を形成し、この柱状溶融材に、直径１０〜１００μｍの開口部が複数開口された板厚３０〜６０μｍの金属薄板を固定することにより、ゲート電極が形成される。

その一方で、ランプ用光源等に用途が特化させるＦＥＬでは、カソード電極等に対してＦＥＤのようなミクロンオーダーの微細加工を施す必要がなく、ゲート電極に開口される開口部についても直径がミリメートルオーダーの比較的大径のもので足りる。

従って、ＦＥＬの製造では、設備に多大な費用等が必要なマイクロプロセスを排除し、大気中のプロセスのみで大量生産可能な部品を組み合わせて目的の各機能部品を製造することにより、大幅なコストダウンを期待できる。例えば、カソード電極及びゲート電極を、板厚が０．数ｍｍ程度の金属板を基材とする個別の機能部品でそれぞれ構成し、これらを真空容器内に組み付けることにより、ＦＥＬを安価に製造することが考えられる。
特開２００１−４３７９１号公報

しかしながら、上述のようにカソード電極やゲート電極をそれぞれ個別の機能部品で構成した場合、これらを真空容器中に配設する際の保持構造が新たな問題となってくる。

すなわち、一般に、真空容器の気密封止はガラス基板等を溶着することにより行われ、このようなガラス基板等の溶着には、少なくとも、４００〜５００℃程度の熱工程が必要となる。従って、例えば、カソード電極等を真空容器に固定する際には、両者の熱膨張等に対する対策を行う必要がある。特に、真空容器を安価に製造すべく、ガラス基板等を線膨張係数の大きいソーダライムガラス等で構成した場合、十分な対策が必要となる。しかも、真空容器内をクリーンな高真空状態に維持するためには、熱変形等にも強い接着力を維持できる有機系の接着剤を使用することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安価な構成で、真空容器内に機能部品を的確に保持することができる発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、前記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起発光する発光体を有するアノード電極と、前記冷陰極電子放出源から放出された電子を通過させる開口部を有し前記カソード電極と前記アノード電極との間に介装されるゲート電極とが真空容器内に収容された発光装置において、前記カソード電極と前記ゲート電極とをそれぞれ板状の機能部品で個別に構成し、前記ゲート電極を絶縁性スペーサを介してカソード電極と一体に重畳配置し、これらを貫通する貫通孔に無機接着剤を介してピンを挿入し接着することでユニット化するとともに、無機材料からなる複数の伸縮性を有する脚部を前記カソード電極に固設し、前記脚部を介して、前記カソード電極を前記真空容器に保持したことを特徴とする。

本発明の発光装置によれば、安価な構成で、真空容器内に機能部品を的確に保持することができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は発光装置の要部断面図、図２は発光装置の分解斜視図、図３は電極ユニットの分解斜視図、図４（ａ）は電極ユニットの底面図であって（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う要部断面図である。

図１において、符号１は発光装置を示し、本実施形態においては、例えば、車両のヘッドランプやテールランプ等の光源として好適な平面状の電界放出型照明ランプを示す。

この発光装置１は、高真空状態に維持された真空容器５内に、カソード電極６と、ゲート電極７と、アノード電極８とを基底面側から投光面側に向かって順に配置した基本構成を有している。

真空容器５は、例えば、複数のガラス部材の接合体で構成されている。具体的には、真空容器５は、基底面側と投光面側とで互いに対向配置される平面視矩形形状をなす一対のガラス基板１０，１１と、これらガラス基板１０，１１間に介装される枠体１２とを有する。枠体１２は、両ガラス基板１０，１１の縁辺部に沿って環状に形成されたガラス部材で構成され、この枠体１２には、各ガラス基板１０，１１との当接面に、例えば、４５０℃〜５００℃で融解する低融点ガラス層１２ａ，１２ｂがそれぞれ形成されている。そして、例えば、高真空引きされた真空炉内において、ガラス基板１０，１１と枠体１２とが低融点ガラス層１２ａ，１２ｂを介して融着されることにより、内部が高真空状態に維持された真空容器５が形成される。

なお、真空容器５を構成するガラス基板１０，１１及び枠体１２は、市場において広く安価に流通しているソーダライムガラス等を加工することにより好適に構成される。さらに、製造工程を簡素化するため、投光面側のガラス基板１１には、アノード電極８として機能させることが可能な透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）が予め成膜されているものを用いることが好ましい。

カソード電極６は、例えば、平面視矩形形状をなす平板状の基材１５上に、冷陰極電子放出源１６が実装されて要部が構成されている。さらに、基材１５上には、冷陰極電子放出源１６の周囲を囲繞する環状のスペーサ１７が重畳配置され、このスペーサ１７上には、冷陰極電子放出源１６に所定の微小間隔隔てて対向するエミッタマスク１８が重畳配置されている。

ここで、基材１５は、線膨張係数の小さい導電材料で構成されることが好ましく、具体的には、インバー材からなる金属板で構成されることが好ましい。本実施形態において、基材１５には、例えば、４２％ニッケル鉄からなる板厚０．２ｍｍの薄板部材が好適に用いられている。

また、冷陰極電子放出源１６は、例えば、表面にＮＤ−ＣＮＷ（ナノダイヤ−カーボンナノウォール）層１６ｂが一様に形成された板厚０．５ｍｍのＮ型シリコン基板１６ａで構成されている。そして、この冷陰極電子放出源１６は、基材１５上に実装された際に、Ｎ型シリコン基板１６ａの裏面側が基材１５と電気的に接続される。

また、スペーサ１７は、例えば、基材１５と同種の導電材料（例えば、４２％ニッケル鉄）からなる、板厚０．５５ｍｍの薄板部材で構成されている。

また、エミッタマスク１８は、例えば、基材１５及びスペーサ１７と同種の導電材料（例えば、４２％ニッケル鉄）からなる、板厚０．２ｍｍの薄板部材で構成されている。このエミッタマスク１８には、冷陰極電子放出源１６上の電子放出領域を規定するための複数の開口部１８ａが開口されている。エミッタマスク１８は、スペーサ１７を介して基材１５と電気的に接続されることで基材１５と同電位となっており、これにより、冷陰極電子放出源１６上の開口部１８ａと対向する領域以外では電子の電界放出が抑制される。従って、冷陰極電子放出源１６は、エミッタマスク１８の開口部１８ａと対向する領域のみが電子放出領域として規定される。なお、本実施形態において、開口部１８ａの開口寸法は、例えば、直径φ１＝１．６ｍｍに設定されており、このように比較的大径な開口部１８ａはエッチング等を用いて容易に開口することが可能である。

ゲート電極７は、例えば、カソード電極６の基材１５等と同種の導電材料で構成された平面視矩形形状をなす平板状の基材１９上に、エミッタマスク１８に対応する複数の開口部１９ａが開口されて要部が構成されている。なお、ゲート電極７の開口部１９ａ、カソード電極６とのアライメント誤差等を考慮して、エミッタマスク１８の開口部１８ａよりも大径に設定されることが望ましい。本実施形態において、開口部１９ａの開口寸法は、例えば、直径φ２＝１．８ｍｍに設定されており、このように比較的大径な開口部１９ａはエッチング等を用いて容易に開口することが可能である。

アノード電極８は、投光面となるガラス基板１１の裏面側に配置された透明導電膜(例えば、ＩＴＯ膜）からなり、ゲート電極７(カソード電極６）に対向する面に、冷陰極電子放出源１６から放出された電子によって励起される蛍光体２０が成膜されている。ここで、蛍光体２０は、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等により、アノード電極８上に成膜されている。

このように、本実施形態において、カソード電極６、ゲート電極７、及びアノード電極８は、大気中で行うことが可能な単純な成膜法や薄板部材の組み合わせ等により、マイクロプロセスを用いることなく構成されている。

ここで、ゲート電極７は、カソード電極６上に保持されて電極ユニット３を構成し、カソード電極６の裏面側に固設される複数の脚部３０を介してガラス基板１０上に一体的に保持される。

具体的に説明すると、カソード電極６の四隅には、基材１５、スペーサ１７、及びエミッタマスク１８を貫通する貫通孔６ｈがそれぞれ開口されている。また、ゲート電極７の四隅には、カソード電極６の各貫通孔６ｈに対向する位置に、基材１９を貫通する貫通孔７ｈがそれぞれ開口されている。

また、ゲート電極７との間において、カソード電極６の四隅には、貫通孔６ｈ，７ｈに対応する貫通孔２５ｈを備えたスペーサ２５がそれぞれ配設されている。これらスペーサ２５は、カソード電極６とゲート電極７との電気的な短絡を防止するため、例えば、絶縁性を有するセラミック部材で構成されている。また、これらのスペーサ２５の板厚は、ゲート電極７とカソード電極６との対向距離を規定の下限値以上に設定すべく、例えば、１．０ｍｍに設定されている。なお、下限値は、ゲート電極７からカソード電極６への有害な金属スパッタの発生を防止可能な距離であると同時に、ゲート電極７とカソード電極６との距離が近すぎて電界が有効に発生せず冷陰極電子放出源１６から放出される電子が極端に少なくなることを防止するための距離であり、例えば、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲に設定される。

このようにスペーサ２５を介してカソード電極６上にゲート電極７が重畳配置された積層体の四隅でそれぞれ連続する貫通孔６ｈ，２５ｈ，７ｈには、ピン２６が挿入されるとともに、セラミック系の無機接着剤２７が充填されている。そして、ピン２６が無機接着剤２７を介してカソード電極６、スペーサ２５、ゲート電極７の各貫通孔６ｈ，２５ｈ，７ｈの内周に接着されることにより、ゲート電極７はカソード電極６に一体的に保持され、電極ユニット３を構成する。

ここで、ピン２６は、カソード電極６とゲート電極７との電気的な短絡を防止するため、絶縁性を有するセラミックピンで構成されている。

また、無機接着剤２７は、アルミナ、マイカ、ソーダライムガラス、ニッケル、ニッケル鉄、ステンレス鋼等を好適に接着可能な接着剤である。その必要能力は、例えば、線膨張係数が５×１０^−６〜１０×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ／℃）の範囲内であって、特に、６．５×１０^−６〜８．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ／℃）の範囲であることが好ましい。さらに、粘度が１０，０００〜８０，０００（ｃｐｓ）、特に、３０，０００〜４０，０００（ｃｐｓ）の範囲であることが好ましい。この無機接着剤２７としては、例えば、セラマボンドが好適に用いられる。

図４に示すように、この電極ユニット３において、カソード電極６の裏面の各辺には、無機材料で構成された一対の伸縮性を有する脚部がそれぞれ固設されている。各脚部３０は、例えば、それぞれ３本１組のジュメット線３０ａが基材１５の裏面にスポット溶接等されることで構成されている。さらに、補強のため、基材１５の裏面には、例えば、各脚部３０を被覆するニッケルリボン３１がスポット溶接等により固設されている。なお、電極ユニット３の保持に際し、適切な弾性を確保しつつ十分な支持強度を実現するため、本実施形態において、各ジュメット線３０ａは、例えば、直径φ＝０．３ｍｍのものが好適に用いられている。また、ニッケルリボン３１は、例えば、厚さｔ＝０．２ｍｍ、幅ｗ＝３ｍｍのものが好適に用いられている。

一方、ガラス基板１０上において、例えば、カソード電極６の各辺に配設された各対の脚部３０のうち、３対の各脚部３０にそれぞれ対応する位置には、各脚部３０の延出方向に沿ってそれぞれ延在するガイド溝３２が凹設されている。そして、各ガイド溝３２には、対応する各脚部３０の先端部が挿入され、セラミック系の無機接着剤（例えば、上述のセラマボンド）３３を介してガラス基板１０に固着されている。

また、ガラス基板１０上において、カソード電極６に配設された残り１対の脚部３０に対応する位置には、真空容器５の内外を導通するパターン配線３４が配索されている。そして、パターン配線３４に対応する各脚部３０は、その先端部が銀ペースト等を介してパターン配線３４と導通された後、セラミック系の無機接着剤（例えば、上述のセラマボンド）３５を介してガラス基板１０に固着されている。

これら脚部３０を通じた支持構造により、電極ユニット３は、ガラス基板１０に対し、所定距離離間した状態で弾性的に保持されている。同時に、各脚部３０のうちの少なくとも１つ（本実施形態においては、１対の脚部３０）は、パターン配線３４と電気的に接続されることにより、カソード電極６に対する導電線としての機能を兼用する。

ここで、例えば、図５に示すように、パターン配線３４に接続する脚部３０以外の脚部３０を、ガラス基板１０と枠体１２との接合部で、低融点ガラス１２ａによって固着することも可能である。

なお、図２に示すように、カソード電極６と電気的に接続するパターン配線３４の近傍には、真空容器５の内外を導通するパターン配線３７が配索されており、このパターン配線３７には、ゲート電極７が導電線３８を介して電気的に接続されている。

このような実施形態によれば、カソード電極６とゲート電極７とをそれぞれ板状の機能部品で個別に構成することにより、これらを、マイクロプロセス等を用いることなく安価に製造することができる。そして、これらカソード電極６及びゲート電極７に互いに対向する貫通孔６ｈ，７ｈをそれぞれ開口するとともに、これら貫通孔６ｈ，７ｈを貫通するピン２６を挿入し、挿入したピン２６をセラミック系の無機接着剤２７を介してカソード電極６とゲート電極７に接着することにより、真空容器５の気密封止時の熱膨張等によってカソード電極６及びゲート電極７の面方向に応力等が作用した場合にも、これらの相対的な歪み等をピン２６によって抑制し、両電極６，７の接合状態を的確に維持することができる。しかも、両電極６，７等にピン２６を接着する接着剤としてセラミック系の無機接着剤２７を用いることにより、真空容器５内の有機物汚染を的確に防止することができる。

この場合において、カソード電極６及びゲート電極７の基材１５，１９等として線膨張係数の小さい同種のインバー材（特に、４２％ニッケル）を採用することにより、両電極６，７の熱変形による歪みを抑制することができる。さらに、無機接着剤２７として、インバー材と線膨張係数が近く、親和性の高いセラマボンドを採用することにより、より好適に、両電極６，７の接合状態を維持することができる。

また、ゲート電極７と共にユニット化したカソード電極６に、無機材料からなる複数の伸縮性を有する脚部３０固設し、この脚部３０を介してカソード電極６を真空容器５に保持することにより、真空封止時の熱膨張等によって真空容器５（ガラス基板１０等）と電極ユニット３（カソード電極６等）との間に相対的に歪みが発生した場合にも、この歪みを脚部３０で吸収して電極ユニット３を真空容器５内に的確に保持することができる。従って、真空容器５のガラス基板１０等に安価なソーダライムガラス等を用いることができ、発光装置１の更なる低コスト化を実現することができる。

この場合において、脚部３０に対応するガイド溝３２を真空容器５（ガラス基板１０）に設け、このガイド溝３２の内部で脚部３０の先端部を無機接着剤３３を介してガラス基板１０に固着させることにより、簡単な構成で、より確実に、電極ユニット３を真空容器５に保持することができる。しかも、万が一、脚部３０に対する無機接着剤３３の接着が外れた場合にも、脚部３０は無機接着剤３３によって塞がれたガイド溝３２内を微小にスライドするだけで、電極ユニット３はガラス基板１０上に的確に保持される。

また、ガイド溝３２による脚部３０の保持構造に代えて、脚部３０をガラス基板１０と枠体１２との間で低融点ガラス１２ａによって固着させれば、より簡単な構成で、電極ユニット３を真空容器５内に保持することができる。

さらに、複数の脚部３０のうちの少なくとも１つを、カソード電極６の導電線として兼用することにより、発光装置１をより簡素化することができる。

なお、本発明の発光装置１の適用は、車両のヘッドランプやテールランプ等のみに限定されるものではなく、その他、各種照明装置等にも適用可能であることは勿論である。

発光装置の要部断面図 発光装置の分解斜視図 電極ユニットの分解斜視図 （ａ）は電極ユニットの底面図であって、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う要部断面図 電極ユニットの支持構造の変形例を示す発光装置の要部断面図

符号の説明

１ … 発光装置
３ … 電極ユニット
５ … 真空容器
６ … カソード電極
６ｈ … 貫通孔
７ … ゲート電極
７ｈ … 貫通孔
８ … アノード電極
１０ … ガラス基板
１１ … ガラス基板
１２ … 枠体
１２ａ，１２ｂ … 低融点ガラス層
１５ … 基材
１６ … 冷陰極電子放出源
１６ａ … Ｎ型シリコン基板
１６ｂ … ナノダイヤ−カーボンナノウォール層
１７ … スペーサ
１８ … エミッタマスク
１８ａ … 開口部
１９ … 基材
１９ａ … 開口部
２０ … 蛍光体
２５ … スペーサ
２５ｈ … 貫通孔
２６ … ピン
２７ … 無機接着剤
３０ … 脚部
３０ａ … ジュメット線
３１ … ニッケルリボン
３２ … ガイド溝
３３ … 無機接着剤
３４ … パターン配線
３７ … パターン配線
３８ … 導電線

Claims (4)

1. 冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、前記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起発光する発光体を有するアノード電極と、前記冷陰極電子放出源から放出された電子を通過させる開口部を有し前記カソード電極と前記アノード電極との間に介装されるゲート電極とが真空容器内に収容された発光装置において、
   前記カソード電極と前記ゲート電極とをそれぞれ板状の機能部品で個別に構成し、
   前記ゲート電極を絶縁性スペーサを介してカソード電極と一体に重畳配置し、これらを貫通する貫通孔に無機接着剤を介してピンを挿入し接着することでユニット化するとともに、
   無機材料からなる複数の伸縮性を有する脚部を前記カソード電極に固設し、
   前記脚部を介して、前記カソード電極を前記真空容器に保持したことを特徴とする発光装置。
2. 前記真空容器は、前記脚部に対応するガイド溝を有し、
   前記脚部は、先端部が前記ガイド溝の内部でセラミック系の無機接着剤を介して固着されることにより、前記カソード電極を前記真空容器に保持することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記真空容器は複数のガラス部材が低融点ガラスを介して接合されてなり、
   前記脚部は、先端部が前記ガラス部材の接合部で前記低融点ガラスによって固着されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記複数の脚部の少なくとも１つは、前記カソード電極に対する導電線を兼用することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発光装置。

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