JP5578612B2 - 電子放出装置の電流制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子放出装置に用いられる電流制御装置に関する。

電子放出装置は、一般に、電子を放出する陰極（カソード）と、電子を吸引する陽極（アノード、ターゲット等）と、引出し電極（グリッド）とを有している。陰極と陽極との間に所定の電圧が印加され、さらに引出し電極に所定の電圧が印加されると陰極から電子が引出され、引出された電子が陰極と陽極との間の電位差に従って加速されて陽極に向って進行する。電子放出装置の電流制御は、通常、陰極と引出し電極との間に印加される電圧を制御することによって行われる。

特許文献１によれば、陰極と陽極との間に引出し電極を配置し、陽極の外側に加速電極を配置し、その加速電極を接地するようにした電子銃が開示されている。各電極間に所定の電圧が印加されるようになっている。

特許文献２によれば、第１陽極及び第２陽極の２つの陽極を陰極に対向して配置し、陰極から遠い方の陽極である第２陽極を接地するようにした電子銃が開示されている。この電子銃には、グリッドのような中間電極は設けられていない。

特許文献３によれば、アノード（陽極）、ゲート（引出し電極）、エミッタ（陰極）を有した電子放出装置において、各電極に電圧が印加されてエミッタとアノードとの間に電界が形成されることが示されている。

特許文献４によれば、フィールドエミッション表示装置において、陰極、制御電極、陽極のそれぞれに電圧Ｖｃ，Ｖｇ，Ｖａを印加することが開示されている。

特開昭４８−０４７２６３号公報（第２頁、図２） 特開昭４９−０９３７９８号公報（第３頁、図２） 国際公開第ＷＯ２００２／０６１７８９号再公表特許公報（第４頁、図２） 特開２００５−０８５６６６号公報（第４頁、図２）

陰極、引出し電極及び陽極を有する電子放出装置の電流制御装置において、従来、接地方法として陰極（カソード）を接地するもの、引出し電極（グリッド）を接地するもの、陽極（アノード、ターゲット等）を接地するもののそれぞれがある。

（グリッド接地）
図９は、引出し電極であるグリッド１０１を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路では、グリッド１０１が接地され、グリッド１０１と陰極１０２との間に可変電源ＰＳｃが接続され、グリッド１０１と陽極１０３との間に可変電源ＰＳｔが接続されている。陰極１０２側の可変電源ＰＳｃを調節することにより、陽極に流れる電流Ｉｔを変化させることができる。

図１０は、図９の電流制御回路によって実現される電圧−電流特性を示している。横軸は陰極１０２とグリッド１０１との間の電圧Ｖｃｇを示している。縦軸は陽極電流（すなわち、陽極を流れる電流）Ｉｔを示している。電子の放出は陰極−グリッド間電圧ＶｃｇがＶ１になったときに開始し、Ｖｃｇの増大と共に陽極電流Ｉｔが増大する。

図９において、陽極１０３側の可変電源ＰＳｔは、陽極１０３に電圧を供給する電源であり、「陰極−グリッド間電圧Ｖｃｇ＋グリッド−陽極間電圧Ｖｇｔ」の値が一定になるように制御される。この給電方式は、陰極側電源ＰＳｃ及び陽極側電源ＰＳｔの電圧が他の給電方式に比べて低くて済むため、高電圧の設計が比較的容易である。

（陰極接地）
図１１は、陰極１０２を接地する場合の、基本となる従来の電流制御回路を示している。この回路において、陰極−陽極間電圧Ｖｃｔは常に一定に保持される。陽極電流Ｉｔが一定になるように陰極−グリッド間電圧Ｖｃｇが調節される。この回路は、２つの電源を用いる方式であるが、電流制御のために制御する電源が１つで済むという利点がある。

（陽極接地１）
図１２は、図１１の回路を改変して陽極１０３を接地する場合の従来の電流制御回路を示している。この回路では、陰極−グリッド間電源ＰＳｃを陰極１０２とグリッド１０１との間に配置したままで、陽極１０３を接地している。一般に陽極１０３は電子を受けることにより非常に高温になるので、冷却する必要がある。冷却は、通常、陽極１０３に放熱板を付設することによって行われる。

しかしながら、陽極１０３はグリッド１０１に対して非常に高電圧になるので、陽極１０３以外が接地電位であるとすると、陽極１０３は接地電位に対して高電圧になり、これに放熱板を付設することは安全性を損なうことになる。このことに対し、図１２の回路によれば、陽極１０３を接地することにしたので、陽極１０３に放熱板を付設しても安全性が確保されるという利点がある。ところが、このような利点があるものの、図１２の回路では陰極−グリッド間電圧Ｖｃｇが接地電位から電位的に浮いた状態となってしまうので、制御が不安定になり、実際に実現することは困難であるという問題がある。

本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できる電流制御装置を提供することを目的とする。

まず、本発明を説明するのに先立ってその前提となる技術について説明する。
（前提技術１）
図１３は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第１の装置を示している。この装置は、陽極１０３を接地することにより、放熱板を用いて陽極１０３を冷却することができることの利益を享受しつつ、高電圧部分が接地電位から浮いてしまうという状態を回避できる回路を含んでいる。

この回路では、陽極１０３が接地されている。陰極−陽極間電圧Ｖｃｔは常に一定に保持されている。グリッド電流Ｉｇがグリッド１０１から陰極１０２へ流れるため、グリッド１０１への電圧の供給は、陽極電圧（接地電位）から抵抗Ｒ１を介して電流を供給することによって行う必要がある。

この給電方式は次の利点を有している。
（１）電源が１つであるので、電流制御回路の全体を小型にでき、しかもコストを低減できる。
（２）陽極１０３は電子を受けて高熱になる場合があるが、陽極１０３を接地しておけば、放熱板を付設することによって行う放熱設計が非常に容易になる。

グリッド電圧の調節は抵抗Ｒ１の抵抗値を変化させることで行われるが、この場合には高耐圧の可変抵抗器が必要になる。また、外部からの制御信号によって抵抗値を変化させる場合には、モータ等で可変抵抗器のシャフトを回す等といった物理的な操作を行わなくてはならず、小型化の面から非現実的である。

（前提技術２）
図１４は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の前提となる第２の装置を示して
いる。この装置は、図１３の可変抵抗器Ｒ１を半導体電流制御素子（例えば、バイポーラトランジスタ）を含む回路１０４に置き換えて構成された回路を含んでいる。回路１０４はトランジスタが含まれていることを模式的に示している。

この電流制御回路においては、陽極１０３の電圧（接地電位）から半導体電流制御素子１０４を介して電流を供給することにより、グリッド１０１への電圧の供給が行われる。そして、半導体電流制御素子１０４の入力端子（例えば、トランジスタのベース）に印加する電圧を調節することにより、グリッド電圧Ｖｃｇを制御する。

トランジスタ等といった半導体電流制御素子を用いたこの電流制御回路によれば、外部からの制御が非常に容易であるので、図１３に示した可変抵抗器Ｒ１を用いた回路における欠点を解消できる。しかしながら、グリッド−陽極間の制御電圧Ｖｇｔは数万ボルトにも達するものであり、このような高電圧に耐えられる半導体電流制御素子を準備することは非常に困難である。

（本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の説明）
本発明に係る電子放出装置の電流制御装置は、電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、当該電流コントロールアレイは、入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子とを有しており、前記陽極は接地されており、端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする。

上記の電子放出装置は、例えばＸ線を放射するＸ線管や、電子顕微鏡の電子銃や、その他の任意の電子利用機器である。陰極は、フィールドエミッション（Field Emission／電界放出）方式のエミッタであっても良いし、熱電子を放出するフィラメントであっても良い。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記半導体電流制御素子はＰＮＰ型トランジスタとすることができ、前記電圧分圧素子は抵抗とすることができる。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置においては、端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けている。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記定電圧回路は、ＮＰＮ型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することが望ましい。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けることが望ましい。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置において、前記負性抵抗回路は、１つのＮＰＮ型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のＮＰＮ型トランジスタを有することが望ましい。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置によれば、陽極−引出し電極間電圧が非常に高い電圧、例えば数万ボルトであっても、その電圧を分圧して、各分圧領域内にトランジスタ等といった半導体電流制御素子を設けることにしたので、耐圧の低い半導体電流制御素子を高電圧領域内に支障なく配置させることが可能となった。そして、半導体電流制御素子による電流制御により、陽極接地方式の電子放出装置において陽極電流の制御を実際に実現できることとなった。

本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の一実施形態を示す回路図である。 一般的な電子放出装置のグリッド−陽極間電圧とグリッド電流との関係を表すグラフである。 本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示す回路図である。 図３の実施形態で用いられる定電圧回路の一例を示す回路図である。 本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示す回路図である。 図５の実施形態で用いられる負性抵抗回路の一例を示す回路図である。 （ａ）は図４の回路の出力特性を示し、（ｂ）は図６の回路の出力特性を示す図である。 図３及び図５の各実施形態の特性を表すグラフである。 グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。 一般的な電子放出装置の陰極−グリッド間電圧と陽極電流との関係を示すグラフである。 グリッド接地の電子放出装置の従来例を示す回路図である。 陽極接地（ターゲット接地）の電子放出装置の参考例を示す回路図である。 陽極接地（ターゲット接地）の電子放出装置の他の参考例を示す回路図である。 陽極接地（ターゲット接地）の電子放出装置のさらに他の参考例を示す回路図である。

以下、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置を、Ｘ線を発生するためのＸ線管に適用した場合の実施形態を示している。電子放出装置１はすなわちＸ線管であり、このＸ線管１は、陰極であるカソード２と、陽極であるターゲット３と、引出し電極であるグリッド４と、それらを真空状態で包囲するハウジング６とを有している。

カソード２は、電界放出（Field Emission）の現象に基づいて電子を放出できる物質によって形成されている。そのような物質は、例えばカーボンナノチューブを含んだ物質や、グラファイト粒子を含んだ物質である。カーボンナノチューブは、六炭素環で構成される針状、すなわちアスペクト比（粒子長／粒子径）が非常に大きい状態、で管状の粒子である。グラファイトとは、炭素六角網面（複数の六炭素環が連なって１つの層を構成している面）が複数個層状に積層されて成る層状構造物質である。もちろん、カソード２は、電界放出以外の原理に基づく物質であっても良く、例えば熱電子を放出するフィラメントであっても良い。

カソード２とターゲット３との間に一定のカソード−ターゲット間電圧Ｖｃｔが印加され、さらにグリッド４に所定のカソード−グリッド間電圧Ｖｃｇが印加されると、電界放出現象によりカソード２から電子が放出され、その電子がターゲット３に衝突し、その衝突領域からＸ線Ｒが発生し、ハウジング６の一部分を介して外部へ放射される。このＸ線は、例えば、対象物の欠陥、損傷等を非破壊で検査する工業用のＸ線測定に用いられる。

本回路ではターゲット３が接地されている。ターゲット３を接地したことにより、導電性の金属材料である放熱板を用いたターゲット３の冷却設計が容易となっている。そして、ターゲット３の端子とグリッド４の端子との間に電流コントロールアレイ８が接続されている。この電流コントロールアレイ８は、半導体電流制御素子としての入力用ＰＮＰ型トランジスタＴｒ（０）と、入力用トランジスタＴｒ（０）の後段に互いに直列に接続された半導体電流制御素子としての複数のＰＮＰ型トランジスタＴｒ（１）〜Ｔｒ（ｎ）（ｎは正の整数）と、分圧抵抗Ｒ０〜Ｒｎとを有している。

入力用ＰＮＰ型トランジスタＴｒ（０）のベースには、入力信号を入力するための入力端子１４が設けられている。入力用ＰＮＰ型トランジスタＴｒ（０）は抵抗Ｒｃｃを介してターゲット３に接続されている。分圧抵抗Ｒ０〜Ｒｎは、ターゲット３とグリッド４との間の制御電圧Ｖｇｔを分圧して各トランジスタへ印加する。これにより、各トランジスタに耐圧以上の電圧が加わることを防止している。

グリッド４とターゲット３との間に印加される制御電圧は、通常、２０ｋＶ〜８０ｋＶの高電圧である。ＰＮＰ型のトランジスタの耐圧は一般に１ｋＶ程度である。従って、１つの制御用トランジスタＴｒ（０）だけでは耐圧が不十分で、実用に供し得ない。しかしながら、本実施形態では、複数のトランジスタＴｒ（１）〜Ｔｒ（ｎ）を用い、それらのトランジスタに加わる電圧を分圧させたので、制御用トランジスタＴｒ（０）を支障なくターゲット３とグリッド４との間の高電圧部分に配置でき、そしてその制御用トランジスタＴｒ（０）のベース電圧を調節することにより、グリッドを流れる電流（グリッド電流）Ｉｇの調節を行うことができる。

こうしてグリッド電流Ｉｇを調節することにより、カソード−グリッド間電圧Ｖｃｇを調節でき、そのため、ターゲット電流Ｉｔを調節でき、その結果、ターゲット３から発生するＸ線の強度を所望の強さに調節できる。

このように、汎用のトランジスタを用いてターゲット接地型のＸ線管１に対するターゲット電流Ｉｔの制御を可能としたことにより、図１３に示したような高耐圧の可変抵抗器を用いた装置では到底実現し得なかった、Ｘ線管全体の小型化及び低コスト化を実現できる。

本実施形態では、ターゲット３側の制御用トランジスタＴｒ（０）からグリッド４側のトランジスタＴｒ（ｎ）までの全てのトランジスタが電圧コントロール用のトランジスタとして機能する。つまり、Ｔｒ（０）〜Ｔｒ（ｎ）の全てのトランジスタによって電流コントロールアレイ８が構成されている。この電流コントロールアレイ８を構成するトランジスタの段数は、グリッド−ターゲット間電圧Ｖｇｔとトランジスタの耐圧との関係において適宜に決められる。

なお、本実施形態ではＰＮＰ型トランジスタを直列に並べているが、このトランジスタの耐圧が１ｋＶであるとすると、数十個のトランジスタを並べる必要がある。トランジスタのＨｆｅ（電流増幅率）が１００以下であると分圧抵抗に流れる電流が大きくなり、グリッド４に近い分圧抵抗（すなわちＲｎ側の抵抗）の電圧が大きくなってしまう。当然、抵抗値を変えて対応可能であるが、現実的には２０〜３０個の直列接続が限度である。

Ｐチャンネルの高耐圧ＭＯＳＦＥＴを使用すればゲート電流がほとんど流れないので接続段数を多くとれるが、市場で入手可能なものは１ｋＶ以下であり、段数を増やす必要がある。

図２は、本実施形態に係るＸ線管１の電圧−電流特性を示しており、特に、制御電圧であるグリッド−ターゲット間電圧Ｖｇｔとグリッド電流Ｉｇとの関係を示している。グリッド−ターゲット間電圧Ｖｇｔが制御電圧（すなわち、制御すべき電圧）であり、通常は、２０〜８０ｋＶ程度である。このグラフは、図１０に示したグラフ、すなわちカソード−グリッド間電圧Ｖｃｇとターゲット電流Ｉｔとの関係を示すグラフを別の視点から表したものである。

一般に、電子放出装置においては、陽極電流を所望の値に制御することが目標とされる。図９、図１１、図１２等に示した従来の装置においては、陽極電流を調節するためにカソード（陰極）−グリッド間電圧Ｖｃｇを制御している。図１０はその際のカソード−グリッド間電圧Ｖｃｇと陽極電流Ｉｔとの関係を示している。これに対し、本実施形態の装置では、グリッドに流れる電流、すなわちグリッド電流Ｉｇを制御することによりグリッド−陽極間電圧Ｖｇｔを制御し、もって陽極電流Ｉｔを調節するものである。図２に示す電圧−電流特性は、その調節の際におけるグリッド−陽極間電圧Ｖｇｔとグリッド電流Ｉｇとの関係を示している。

図２のグラフにおいて、電流制御範囲（Current Control Range）内でグリッド電流Ｉｇを制御可能である。具体的には、コントロール電流値が増加すると印加電圧は減少する。電流制御範囲はグリッド電流が変化している部分（数ｋＶ〜１０ｋＶ）である。オフセット電圧（Offset Voltage）の領域は、グリッド電流を制御できる範囲から外れている領域である。図１に示した本実施形態の電子放出装置１においては、電流コントロールアレイ８内の分圧抵抗Ｒ０〜Ｒｎによってオフセット電圧（Offset Voltage）を維持し、トランジスタアレイＴｒ（０）〜Ｔｒ（ｎ）によってグリッド電流Ｉｇの制御を行っている。

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置の他の実施形態を示している。図１に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。図１に示した実施形態ではターゲット３とグリッド４との間に電流コントロールアレイ８だけを設けたが、本実施形態では、図３に示すように、電流コントロールアレイ８の一部分を定電圧負荷アレイ７で置き換えている。

図２に示すグラフから分かるように、Ｘ線管１の電圧−電流特性においては、グリッド電流を制御できない電圧領域であるオフセット電圧領域が存在する。図８（ａ）は、図２のグラフに線Ｌ１，Ｌ２及び電圧領域Ａ１，Ａ２を追記したものである。電圧領域Ａ１はグラフの縦軸と線Ｌ１によって規定される領域である。電圧領域Ａ２は線Ｌ１と線Ｌ２とによって規定される領域である。電圧領域Ａ１は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。

図３の定電圧負荷アレイ７は、オフセット電圧領域内の電圧領域Ａ１を担う回路として設けられている。電流コントロールアレイ８は電圧領域Ａ１の高電圧側に引き続く電圧領域である電圧領域Ａ２を担っている。定電圧負荷アレイ７は、図４に示す定電圧回路９を複数個、互いに直列に接続することによって形成されている。定電圧回路９は、基本的に、図７（ａ）に示すように、電流が変化しても電圧が一定である特性、すなわち定電圧特性を持った回路である。

定電圧回路９は、ＮＰＮ型トランジスタＴｒ−ｐとツェナーダイオードＤｚとを直列に接続した回路を含んで構成されている。この回路の端子間電圧Ｖｃは下式で計算される。
Ｖｃ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×（Ｖｂｅ＋Ｖｄｚ）＋Ｉｂ×Ｒ１
ここで、「Ｖｂｅ」はトランジスタのベース−エミッタ間電圧、「Ｖｄｚ」は定電圧ダイオードに加わる電圧、Ｉｂはトランジスタのベース電流である。

図４の定電圧回路９が図３に示すように複数個、直列に接続されて定電圧負荷アレイ７が構成され、その前段に、ＰＮＰ型トランジスタと分圧抵抗との組み合わせから成る回路を複数個、直列に接続して成る電流コントローラアレイ８が接続されている。定電圧負荷アレイ７を構成する定電圧回路９の段数は、図２のグラフにおけるオフセット電圧領域の大きさに対応して決定されている。

図８（ａ）のオフセット電圧領域内の電圧領域Ａ１を定電圧負荷アレイ７で賄うことにより、電流コントロールアレイ８を構成している回路、すなわちトランジスタと分圧抵抗との組み合わせの回路の段数を減らすことができる。図４の定電圧回路９はＮＰＮ型トランジスタＴｒ−ｐを用いて構成されており、このＮＰＮ型トランジスタはＰＮＰ型トランジスタよりも耐圧が高いので、定電圧負荷アレイ７の段数は電流コントローラアレイ８の段数よりも少なくできる。これにより、装置全体の小型化及び低コスト化を達成できる。

例えば、カソード−グリッド間電圧Ｖｃｇが８０ｋＶである場合は、電流コントロールアレイ８を３０段とし、定電圧負荷アレイ７を３０段とすることができる。このように電流コントロールアレイ８と定電圧負荷アレイ７とを互いに直列に接続することにより、高耐圧の可変負荷電子回路を構成することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明に係る電子放出装置の電流制御装置のさらに他の実施形態を示している。図１及び図３に示した実施形態と同じ構成要素は同じ符号で示すことにしてその説明は省略する。

本実施形態では、ターゲット３とグリッド４との間に、電流コントロールアレイ８と定電圧負荷アレイ７と負性抵抗負荷アレイ１２とを直列に接続して成る回路が配置されている。電流コントロールアレイ８は図３及び図１で示した実施形態で用いた電流コントロールアレイ８と同じで、複数のＰＮＰ型トランジスタと複数の分圧抵抗とを直列に組み合わせて成るアレイである。定電圧負荷アレイ７は図３で示した実施形態で用いた定電圧負荷アレイ７と同じで、図４の定電圧回路９を複数個、直列に接続して成るアレイである。

負性抵抗負荷アレイ１２は、図６に示す負性抵抗回路１３を複数個、直列に接続することによって形成されたアレイである。負性抵抗回路１３は、ＮＰＮ型トランジスタＴｒ１とツェナーダイオードＤｚとの直列回路に加えて、３つのＮＰＮ型トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４及び抵抗Ｒ１〜Ｒ５を有している。

負性抵抗回路１３は、基本的に、図７（ｂ）に示すように、負荷従って電流が増えると電圧が減少する特性、すなわち負性抵抗性を持った回路である。定電圧ダイオードＤｚはアレイとして温度保証がなされるに最適な電圧を設定する。電圧の減少率は各抵抗値を変えることにより設定する。

図２のグラフに示したように、Ｘ線管の電流制御特性は電流制御範囲において負性抵抗性、すなわち、制御電流値が増加すると印加電圧が減少するという特性を持っている。図１の実施形態や図３の実施形態では、図２の電流制御範囲における負性抵抗性を電流コントロールアレイ８による電流制御で行った。これに対し、図５に示す本実施形態では、負性抵抗負荷アレイ１２を構成する負性抵抗回路１３が有する負性抵抗性（図７（ｂ）参照）を利用して電流コントロールアレイ８の電流制御と協働して、図２における電流制御範囲の負性抵抗性を実現する。

つまり、図５の電流コントロールアレイ８の入力用トランジスタＴｒ（０）の入力端子１４への入力電圧を調節して、図２のグリッド電流を電流制御範囲内の曲線に従って変化させるとき、負性抵抗回路１３の負性抵抗特性（図７（ｂ）参照）が図２における電流制御の実現を支援することになる。こうして、負性抵抗負荷アレイ１２を設けたことにより、電流コントロールアレイ８内のトランジスタの段数を減らすことができる。これにより、装置の小型化及び低コスト化を達成できる。

より具体的に説明すれば、図８（ｂ）は、図２のグラフに線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及び電圧領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を追記したものである。電圧領域Ａ１はグラフの縦軸と線Ｌ１によって規定される領域である。電圧領域Ａ２は線Ｌ１と線Ｌ２とによって規定される領域である。電圧領域Ａ３は線Ｌ２と線Ｌ３とによって規定される領域である。電圧領域Ａ１は、オフセット電圧領域と全く同じ電圧領域であっても良い。線Ｌ２は、図６の負性抵抗回路１３の負性抵抗特性（図７（ｂ）の直線の傾き）に対応した傾きを持った線である。

図５の定電圧負荷アレイ７は、オフセット電圧領域内の電圧領域Ａ１を担う回路として設けられている。負荷抵抗負荷アレイ１２は、電圧領域Ａ１の高電圧側に引き続く電圧領域Ａ２を担う回路として設けられており、図７（ｂ）に示す負性抵抗特性を実現する機能を奏する。電流コントロールアレイ８は電圧領域Ａ２の高電圧側に引き続く電圧領域Ａ３を担っている。

以上のように、本実施形態によれば、図２のＸ線管特性における電圧制御範囲内の負性抵抗性（線の傾き）を実現するにあたって、図６の負性抵抗回路１３が持っている負性抵抗特性（図７（ｂ）参照）を利用している。このため、電流コントロールアレイ８の負担を減らすことができる。従って、電流コントロールアレイ８内のトランジスタの段数をさらに減らすことができる。

図２の特性グラフの電圧制御範囲はＰＮＰ型トランジスタで構成される電流コントロールアレイが吸収しなければならないが、ＰＮＰ型の耐圧がＮＰＮ型に比べて低いため、より多くのトランジスタ数になる。図２の負性抵抗特性の変化に合わせた図６の負性抵抗回路１３をＰＮＰ型トランジスタより少ない段数で実現することにより、電流コントロールアレイのコントロール電圧範囲が大幅に減少し、結果として電流コントロールアレイのトランジスタ数を減らすことが可能になる。

図６の負性抵抗回路１３において、各トランジスタのＶｂｅ（ベース−エミッタ間電圧）は０．６５Ｖで温度特性は負の特性を示す（−２．４ｍＶ／℃）。定電圧ダイオードは使用する電圧により温度特性は負から正まで変化する。５〜６Ｖから低いものは負の特性、高いものは正の特性を示す。本回路ではＩ１の流れる経路にトランジスタが２個つながっているので、Ｖｂが温度変化で一定にするためには＋４〜５ｍＶ／℃の特性を持つ定電圧ダイオードを使用する。ここでは７〜８Ｖ前後のダイオードがそれに該当する。

電流（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３）が増えると回路端子の電圧が減少することを説明すると、以下の通りである。
トランジスタＴｒ２からトランジスタＴｒ４は十分に高いＨｆｅ（電流増幅率）のものが容易に選択可能（１００〜２００以上）なので、Ｈｆｅによる影響は無視できる。高耐圧が要求されるＴｒ１もＨｆｅは５０以上であるが計算式の中に組み入れる。回路に流れる電流の９８％以上はＩ１である。

簡単な説明としては、回路の電流が増えるとＩ１が増加し、同様にＩ２も増加する。Ｉ２の増加に伴いＲ２の電圧が増加する。すると、Ｒ５の電圧が減少しＩ３も減少する。Ｒ４に流れる電流は、Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ１÷Ｈｆｅｔｒ１であるので、Ｉ３の電流比率を増やすことにより、Ｉ１の電流増加に反比例してＲ５に流す電流を減少することができる。従って、回路にかかる電圧ＶｃはＲ４にかかる電圧とほぼ等価なので、同様に減少する。

以下に、ＶｃとＩ１との関係式を示す。
Ｖb＝Ｖbetr1＋Ｖdz6＋Ｖbetr2＋Ｉ1×Ｒ1
Ｉ2＝Ｉ1×Ｒ1÷Ｒ3
Ｉ3＝（Ｖb−Ｒ2×Ｉ2−Ｖbetr4）÷Ｒ5
Ｖc＝Ｖb＋Ｒ4×（Ｉ3＋Ｉ2＋Ｉbtr1）
＝Ｖb＋Ｒ4×（Ｉ3＋Ｉ2＋Ｉ1÷ＨＦＥtr1）
＝Ｖbetr1＋Ｖdz6＋Ｖbetr2＋Ｉ1×Ｒ1＋Ｒ4×((Ｖbetr1＋Ｖdz6＋Ｖbetr2＋Ｉ1× Ｒ1−Ｒ2×Ｉ2−Ｖbetr4)÷Ｒ5＋Ｉ2＋Ｉ1÷ＨＦＥtr1)
＝Ｖbetr1＋Ｖdz6＋Ｖbetr2＋Ｉ1×Ｒ1＋Ｒ4×((Ｖbetr1＋Ｖdz6＋Ｖbetr2＋Ｉ1× Ｒ1−Ｒ2×(Ｉ1×Ｒ1÷Ｒ3)−Ｖbetr4)÷Ｒ5＋(Ｉ1×Ｒ1÷Ｒ3)＋Ｉ1÷ＨＦＥtr1)
＝８．８＋Ｉ1×Ｒ1＋Ｒ4×(８．８＋Ｉ1×Ｒ1−Ｒ2×(Ｉ1×Ｒ1÷Ｒ3)−０．６５)÷ Ｒ5＋（Ｉ1×Ｒ１÷Ｒ3）＋Ｉ1÷ＨＦＥtr1)
＝８．８＋Ｉ1×Ｒ1＋Ｒ4×８．８＋Ｉ1×Ｒ1＋Ｒ4×（Ｉ１×Ｒ１÷Ｒ３）＋Ｒ４×Ｉ 1÷ＨＦＥｔｒ１−Ｒ4×Ｒ2×（Ｉ1×Ｒ1÷Ｒ3）−０．６５）÷Ｒ5
アンダーラインの項がその前の２項より大きくなるように抵抗値を選べば、Ｖc はＩ1の増加で減少する。

（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、上記実施形態では電子放出装置としてＸ線を発生するＸ線管を例示したが、電子放出装置はその他の任意の電子利用機器とすることができる。

１．電子放出装置（Ｘ線管）、 ２．カソード（陰極）、 ３．ターゲット（陽極）、 ４．グリッド（引出し電極、補助電極）、 ６．ハウジング、 ７．定電圧負荷アレイ、８．電流コントロールアレイ、 ９．定電圧回路、 １２．負性抵抗負荷アレイ、 １３．負性抵抗回路、 １４．入力端子

Claims (5)

1. 電子を放出する陰極と、電子を引き付ける陽極と、前記陰極に対して正の電位を持った引出し電極とを有する電子放出装置に用いられる電流制御装置であって、
   前記陽極の端子と前記引出し電極の端子との間に接続された電流コントロールアレイを有しており、
   当該電流コントロールアレイは、
   入力端子からの入力信号に応じて電流を制御する互いに直列に接続された複数の半導体電流制御素子と、
   前記陽極と前記引出し電極との間の電圧を、前記複数の半導体電流制御素子のそれぞれに分圧して加える電圧分圧素子と、を有しており、
   前記陽極は接地されており、
   端子間を流れる電流に変化があっても端子間電圧は一定である定電圧回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けた
   ことを特徴とする電子放出装置の電流制御装置。
2. 前記半導体電流制御素子はＰＮＰ型トランジスタであり、前記電圧分圧素子は抵抗であることを特徴とする請求項１記載の電子放出装置の電流制御装置。
3. 前記定電圧回路は、ＮＰＮ型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路を有することを特徴とする請求項１記載の電子放出装置の電流制御装置。
4. 端子間を流れる電流が増えると端子間電圧が減少する特性である負性抵抗特性を有した負性抵抗回路を前記電流コントロールアレイに直列に接続して設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子放出装置の電流制御装置。
5. 前記負性抵抗回路は、１つのＮＰＮ型トランジスタとツェナーダイオードとを直列に接続した回路、及び負性抵抗特性をもたらすための複数のＮＰＮ型トランジスタを有することを特徴とする請求項４記載の電子放出装置の電流制御装置。

Images