JP6422748B2 - 電子放出素子、電子放出装置、およびイオン流発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、対向して配置された電極の間に電圧を印加し、一方の電極から電子を放出させる電子放出素子および電子放出装置、並びに電子放出素子を備えるイオン流発生装置に関する。

コピー機に用いられる感光体などの帯電方法として、従来から知られているものは、接触帯電方式と非接触帯電方式との２つに大きく分けられる。現在は、接触帯電方式を用いて感光体表面を帯電させる方法が実用化されている。この方法では、導電性のローラ、ブラシ、および弾性ブレード等の導電性部材を、感光体の表面に接触させた狭ギャップ間で
放電させることによって感光体の表面を帯電させている。

現在、接触帯電方式を利用した帯電方法では、帯電の安定性の観点から、導電性部材として弾性ローラを用いたローラ帯電方法が広く利用されている。ローラ帯電方法では、導電性を有する弾性ローラを感光体に加圧当接し、弾性ローラに電圧を印加することによって感光体を帯電させる。

しかしながら、ローラ帯電方法では、感光体を帯電させるときに、感光体の表面に極微な欠陥（ピンホール）があった場合、欠陥部分において、弾性ローラから異常な量の電流リークが発生する。その結果、感光体の表面が損傷し、画像形成に悪影響を及ぼす。また、ローラ帯電方法では、狭ギャップ間での微小放電によって感光体を帯電させているため、帯電時に僅かながらオゾンや窒素酸化物が発生する。

一方、非接触帯電方式としては、例えば、コロナ放電を利用した方法が挙げられる。この方法は、非常に細いワイヤを用いたコロナ放電によって、感光体の表面を帯電させており、約４〜１０ｋＶ程度の高圧電源を必要とする。また、ワイヤからの放電によって多量のオゾンが発生するため、人体に悪影響を及ぼしたり、感光体の劣化を早めたりするという問題がある。

近年、非接触帯電方式では、オゾンの発生を抑制できる帯電方法として電子放出素子の開発が進められている。電子放出素子は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型、およびＢＳＤ（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）型などの様々な形態が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。これらの電子放出素子は、面放出型に分類され、素子内部の量子サイズ効果および強電界を利用して電子を加速し、平面状の素子表面から電子を放出させている。面放出型の電子放出素子は、素子外部に強電界を必要とせず、素子内部で電子を加速させるので、オゾンを発生させずに電子を放出することができる。

特開２０００−１８８０５７号公報

上述したＢＳＤ型等の平面型の電界放射型電子放出素子では、電子通過層で加速された電子が表面電極を透過して放射されるため、表面電極の膜厚が電子放出素子のエミッション特性に大きな影響を与える。すなわち、表面電極の膜厚を薄くするほど、表面電極での電子のトラップが減少し、エミッション特性が向上する。しかしながら、電子通過層は、概ね高抵抗もしくは半導電性であって、薄膜の表面電極を用いていることから、電子通過層および表面電極におけるジュール熱や絶縁破壊や放電等によって、素子が劣化するという課題がある。このような素子の劣化を抑制するために、特許文献１に記載された電子源が提案されている。

特許文献１に記載された電子源は、シリコン基板の片面に形成された電子放出部と、電子放出部の一部を覆うように設けられた表面電極と、シリコン基板の裏面に形成された裏面電極と、表面電極と端子電極とを結ぶ配線用電極と、配線用電極と電子放出部との間に設けられた絶縁層とを備えている。上述した電子源では、電子放出部外に設けられた厚膜の配線用電極によって、電子源内部で発生するジュール熱を効果的に放出することで、経時的安定性を向上させている。

ところで、高抵抗もしくは半導電性の材料は、一般的に熱伝導率が金属と比較して小さいことから、電子通過層に適用した際、通電路に沿った微小区域に局所的なジュール熱が発生することが知られている。特許文献１に記載の電子源では、電子放出部の面積が大きくなるにつれて、配線用電極での放熱効果が減少することが懸念され、大面積化された電子放出部では、局所的なジュール熱を完全に放熱しきれずに、発熱による劣化開始点が発生する。そして、劣化開始点によって、通電路などの重要な基点を損傷した場合には、電子放出部全体での劣化の度合に拘わらずに放出特性が低下し、安定的な動作を維持できないという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、長期に亘って安定した性能を維持することできる電子放出素子および電子放出装置、並びに電子放出素子を備えるイオン流発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電子放出素子は、互いに対向して配置された第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、前記第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、前記第１電極から前記第２電極へ向かう電子を加速させる電子加速層を備え、前記電子加速層は、自身の長手方向に沿った一端部側から他端部側に向かって、膜厚が徐々に変化することを特徴とする。

本発明に係る電子放出素子では、前記第２電極は、外部の電源に接続される給電点が設けられており、前記電子加速層は、前記給電点側の膜厚が大きくなるように形成されている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、前記第２電極の上に形成され、上面視における側辺に沿って設けられたバスライン電極を備えている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、放出面に対向して配置された被帯電物の表面に向かって、電子を放出させる構成とされ、前記放出面は、被帯電物の表面に沿った形状とされている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、前記電子加速層は、導電性材料を含有している構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、前記電子加速層は、導電性材料が均一に分散されている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、前記電子加速層は、絶縁性材料で形成されている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出素子では、前記第１電極の上に絶縁性を有する絶縁層が設けられている構成としてもよい。

本発明に係る電子放出装置は、本発明に係る電子放出素子と、前記第２電極の表面に対向して設けられた第３電極とを備えていることを特徴とする。

本発明に係るイオン流発生装置は、本発明に係る電子放出素子を備えていることを特徴とする。

本発明によると、電極間の距離を非一様にしており、電極間の距離を近づけて通電が集中する領域を点在させた電子放出素子としている。このように、通電が集中して局所的な劣化が進行する領域を意図的に設けることで、他の領域での劣化を抑制し、長期に亘って安定した性能を維持することできる。また、本発明に係る電子放出素子を備えることで、長期に亘って安定して、オゾンを発生させずに電子を放出できる装置を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。 図１Ａに示す電子放出素子の上面図である。 電子加速層の作製方法を説明する概略側面図である。 本発明の第１実施形態に係る電子放出素子の変形例１を示す上面図である。 本発明の第２実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。 図４Ａに示す電子放出素子の上面図である。 本発明の第３実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。 図５Ａに示す電子放出素子の上面図である。 本発明の第３実施形態に係る電子放出素子において膜厚調整部を形成する工程を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る電子放出素子において電子加速層を形成する工程を示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。 本発明の第５実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。 本発明の第５実施形態に係る電子放出装置の変形例２を示す概略側面図である。 本発明の第６実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る電子放出素子について、図面を参照して説明する。

図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る電子放出装置の概略側面図であって、図１Ｂは、図１Ａに示す電子放出素子の上面図である。

本発明の第１実施形態に係る電子放出素子１は、互いに対向して配置された第１電極１０と第２電極２０と、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられ、第１電極１０から第２電極２０へ向かう電子を加速させる電子加速層３０とを備え、第１電極１０と第２電極２０との間に電圧を印加し、第２電極２０から電子を放出させる。第１電極１０と第２電極２０との間の距離は、互いに対向する面内で非一様とされている。

また、電子放出装置１００は、第１電極１０と第２電極２０との間に電圧を印加する第１電源２Ａ（外部の電源の一例）を備えている。さらに、電子放出装置１００は、電子放出素子１（特に、第２電極２０）と対向して配置された第３電極３と、第３電極３に電圧を印加する第２電源２Ｂ（外部の電源の一例）を備えている。電子放出素子１から放出された電子は、第３電極３の電界によって引き寄せられて回収されたり、真空中においては加速エネルギーを与えられたりする。

具体的に、電子放出素子１は、基板となる第１電極１０の上に、絶縁部５０、電子加速層３０、第２電極２０、およびバスライン電極４０が順に積層されている。以下では、説明の簡略化のため、第１電極１０と第２電極２０とが対向する方向を高さ方向Ｚと呼び、高さ方向Ｚに垂直な方向を、それぞれ横方向Ｘおよび縦方向Ｙと呼ぶ。

第１電極１０は、基板の機能を兼ねる電極基板であって、導電性を有する板状体で構成されており、上面視（図１Ｂ参照）において矩形状とされている。第１電極１０は、例えば、Ａ４サイズの用紙への印字に対応した１５ｍｍ×２３４ｍｍのＳＵＳ基板を用いることができる。なお、第１電極１０は、導電性が確保されていればよく、例えば、セラミックやガラスなどの絶縁性基板上に導電性薄膜を形成したものを用いてもよい。

絶縁部５０は、絶縁性を有する材料で形成され、電子放出素子１の上面視における一部の領域に設けられており、第１電極１０から第２電極２０へ流れる電流を遮断する。本実施の形態では、絶縁部５０は、上面視において、電子放出素子１の横方向Ｘで対向する２つの側辺に沿って第１電極１０上に設けられている。なお、これに限定されず、絶縁部５０は、さらに、上面視において、電子放出素子１の縦方向Ｙで対向する２つの側辺に沿って設けられていてもよい。つまり、第１電極１０の上には、絶縁部５０によって矩形状の開口部が形成されていてもよい。ところで、第２電極２０が薄いために高抵抗であるときや、電子加速層３０の抵抗が低いときには、第１電極１０とバスライン電極４０との間で電流がショート（短絡）することがあり、絶縁部５０はこういった問題を防ぐために設けられている。そのため、第１電極１０とバスライン電極４０との間でのリーク電流が発生しなければ、絶縁部５０を設けない構造としてもよい。

電子加速層３０は、電子放出素子１全体に積層されている。従って、電子加速層３０は、絶縁部５０が設けられた領域では、絶縁部５０の上に積層され、それ以外の領域では、第１電極１０の上に積層されている。電子加速層３０は、第１電極１０の表面に沿った横方向Ｘで膜厚が連続的に変化した膜厚変化部３１が設けられている。具体的に、膜厚変化部３１は、一方の側辺に沿った絶縁部５０近傍（図１Ａでは、右側）を膜厚が薄く形成された薄膜領域３１ａとされ、他方の側辺に沿った絶縁部５０近傍（図１Ａでは、左側）を膜厚が厚く形成された厚膜領域３１ｂとされており、薄膜領域３１ａから厚膜領域３１ｂに向かうに従って、徐々に膜厚が厚くなるように形成されている。本実施の形態では、薄膜領域３１ａ側の端部における膜厚が約０．８μｍとされ、厚膜領域３１ｂ側の端部における膜厚が約２．５μｍとされている。なお、膜厚については、電子放出素子１のサイズ（面積）や、電子加速層３０の材料によって適宜設定すればよい。また、本実施の形態では、電子加速層３０を電子放出素子１全体に積層したが、これに限定されず、絶縁部５０を除く領域に電子加速層３０を設けるなど、適宜変更してもよい。電子加速層３０を設ける範囲は、電子加速層３０の形成方法に基づいて決定すればよい。

本実施の形態において、電子加速層３０は、樹脂と、樹脂中に分散された導電性微粒子とで構成されている。樹脂は、絶縁性の樹脂材料であって、例えば、シラノール（Ｒ₃Ｓｉ−ＯＨ）を縮合重合したシリコーン樹脂である。電子加速層３０は、上述した材料に限定されず、導電性微粒子として、例えば、金、銀、白金、およびパラジウム等の導電性を有する金属粒子を用いてもよい。また、金属粒子以外の導電性材料としては、カーボン、導電性高分子、および半導電性材料などを用いてもよい。さらに、絶縁性材料としては、上述した絶縁性の樹脂に換えて、水ガラス、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、およびＡｌ₂Ｏ₃等を用いてもよい。絶縁性材料に添加する導電性微粒子の含有量は、適宜設定すればよく、それによって、電子加速層３０の抵抗値を調整することができる。電子加速層３０の形成方法については、後述する図２を参照して、詳細に説明する。

また、本実施の形態では、樹脂と導電性微粒子とを混合して電子加速層３０を形成したが、これに限定されず、電子加速層３０の材料として絶縁性材料を用いてもよい。絶縁性材料は、例えば、酸化物、ハロゲン化物、硫化物、ＳＰ３結合性材料、およびｎ型シリコンなどである。電子加速層３０を絶縁性材料で形成した場合、電子のすり抜けを利用したトンネル現象によって電子を放出させているため、電子加速層３０の膜厚を数〜数十ｎｍとすることが望ましいが、電子放出効率が向上する。また、電子加速層３０は、薄膜とされており、導電性微粒子等を用いていないため、導電性が均一になる。つまり、導電性微粒子を用いた場合、導電性微粒子の凝集によって導電性に偏りを生じさせることがあるが、このことを考慮する必要がない。その結果、電子を放出する面内における放出性能の均一性を向上させることができる。なお、電子加速層３０を絶縁性材料で形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタ法が挙げられる。

第２電極２０は、既存の方法を用いて形成すればよく、本実施の形態では、スパッタ法を用いて電子放出素子１全体に形成されている。本実施の形態では、第２電極２０の膜厚は、５０ｎｍとされている。なお、第２電極２０は、薄くすると、電子放出効率が向上するのに対し、膜抵抗が大きくなって電圧降下が発生したり、熱や機械的磨耗によって破壊し易くなったりするため、材料等に応じて適宜膜厚を調整すればよい。

バスライン電極４０は、第２電極２０と同様の方法で形成され、膜厚を１００ｎｍとし、アルミニウムで形成されている。なお、バスライン電極４０を厚膜とした場合、バスライン電極４０が設けられた領域からの電子放出効率が低くなる。そのため、バスライン電極４０と第１電極１０との間には、絶縁部５０を設けることで、電子加速層３０を流れる電流を減らすことが望ましい。また、バスライン電極４０と絶縁部５０とは、設ける範囲（幅）を適宜設定することができ、バスライン電極４０が絶縁部５０より幅が小さい構成とされていれば、電子放出効率は低下しない。

具体的に、バスライン電極４０は、電子放出素子１の上面視における一部の領域に設けられており、電子放出素子１の横方向Ｘで対向する２つの側辺に沿って第２電極２０上に設けられている。さらに、バスライン電極４０は、上面視において、電子放出素子１の縦方向Ｙで対向する２つの側辺に沿って設けられたバスライン側辺部４１を備えている。つまり、電子放出素子１は、上面視において、側辺に沿った領域がバスライン電極４０に覆われており、中央の矩形状の領域で第２電極２０が露出している。そして、第２電極２０が露出している領域は、大半の電子を放出する電子放出部として機能する。なお、絶縁部５０が設けられた領域を除いて、バスライン電極４０に覆われた領域からも一部の電子が放出される。また、上述した構成に限定されず、バスライン側辺部４１を備えない構成としてもよい。

バスライン電極４０には、第１電源２Ａと接続された給電点ＫＤが設けられている。つまり、第２電極２０は、給電点ＫＤにおいてバスライン電極４０を介して第１電源２Ａに接続されている。本実施の形態において、給電点ＫＤは、厚膜領域３１ｂ側の端部（図１Ａでは、左側）に設けられている。なお、給電点ＫＤについては、１箇所に限定されず、複数設けることで、バスライン電極４０上での電圧降下が生じにくい構成とすることができる。

次に、電子加速層３０の作製方法について説明する。

図２は、電子加速層の作製方法を説明する概略側面図である。

本実施の形態では、電子加速層３０をスプレー法で形成している。電子放出素子１は、電子加速層３０を形成する前に、第１電極１０の上に絶縁部５０を形成した状態とされている。なお、絶縁部５０の有無は、適宜選択することができ、絶縁部５０を設けない構成としてもよい。図２に示すように、電子放出素子１は、電子加速層３０の材料となる分散液を塗布する塗布装置２０１の下方に配置され、電子放出素子１と塗布装置２０１との間には、目隠し板２０２が配置されている。塗布装置２０１には、樹脂と導電性微粒子とを予め混合した分散液が充填されている。分散液の作製手順としては、先ず、樹脂であるシリコーン樹脂（室温硬化性樹脂、東レ・ダウコーニング株式会社製）と、導電性微粒子であるＡｇナノ粒子（平均径１０ｎｍ）とを試薬瓶に入れて混合することで、混合液が作製される。そして、超音波振動器を用いて、試薬瓶に入れた混合液をさらに撹拌することで、分散液が作製される。このように、導電性微粒子（導電性材料）を均一に分散させることで、電子加速層３０内での抵抗の偏りを抑制することができる。

塗布装置２０１からは、霧状された分散液が電子放出素子１に向かって塗布され、分散液を積層することで、電子加速層３０が形成される。分散液を塗布する際、目隠し板２０２によって電子放出素子１を覆った目隠し領域ＭＲには、分散液が塗布されず、電子放出素子１が露出している領域だけに分散液が塗布される。本実施の形態では、塗布装置２０１を用いて、膜厚が均一になるように、分散液を電子放出素子１の上に塗布して薄層を堆積させており、複数の薄層を重ねることで、所望の膜厚とされた電子加速層３０を形成している。ここで、本実施の形態における電子加速層３０を形成する際には、先ず、薄膜領域３１ａ側の端部（図２では、右側）を目隠し領域ＭＲとして、分散液を塗布する。その後、目隠し板２０２を厚膜領域３１ｂの方向（矢符Ａの方向、左方向）へ移動させてから、さらに、分散液を塗布する。このように、目隠し領域ＭＲを徐々に広げながら、分散液を塗布することで、膜厚が連続的に変化した電子加速層３０（膜厚変化部３１）を形成している。

なお、本実施の形態では、１つの目隠し板２０２を用いて電子加速層３０を形成したが、これに限定されず、複数の目隠し板２０２を用いて、複数の箇所に目隠し領域ＭＲを設けることで、薄膜領域３１ａおよび厚膜領域３１ｂを設ける範囲を適宜設定することができる。また、上述した分散液は、適切な溶媒で希釈されていてもよく、希釈して粘度等を調整することで、膜厚の制御性を向上させることができる。

上述したように、本実施の形態では、分散液の材料として室温硬化性シリコーン樹脂を用いており、大気中の湿気によってシリコーン樹脂が縮合重合して硬化する。なお、本発明はこれに限定されず、異なる硬化方法とされたシリコーン樹脂を用いてもよい。但し、熱硬化性シリコーン樹脂は、一般的に硬化温度が１００〜１５０℃であって、熱応力による撓みが発生するため、第１電極１０の材料や膜厚を考慮する必要がある。一方、ＵＶ硬化性シリコーン樹脂は、ＵＶ光の照射によって硬化し熱応力が発生しないため、第１電極１０の材料や膜厚に影響されない。また、分散液の材料として、シリコーン樹脂以外を用いてもよく、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＶＡ、ＰＥＧ、およびアクリル樹脂などを用いてもよい。

従来、ＭＩＭ型等の電子放出素子では、印加電圧によって加速された電子は、表面電極を透過して電子放出素子外へ放出される。そのため、表面電極は、仕事関数が低い導電体を用いて形成され、数〜数十ｎｍ程度の膜厚とされていることが望ましい。つまり、表面電極を薄膜とすることで、表面電極による電子のトラップを低減し、電子放出素子外へ効率よく電子を放出することができる。しかしながら、電子放出素子に電流を流した際、電界が生じる電流通過層において、電界が集中している通電部は、ジュール熱によって局所的に加熱されることで、表面電極の劣化や熱応力による剥離などが生じる。これらの要因は、電子放出素子の経時劣化を生じさせる。上述した劣化に対しては、表面電極を厚膜にし、熱による耐性や熱の拡散性を向上させて緩和することができるが、電子放出効率とトレードオフの関係であるため、表面電極を厚膜にするといった対処には限界があった。ところで、上述した劣化は局所的であり、電子通過層の製造工程などによって劣化が開始する起点が偶発的に決まっていた。そのため、外部から電力が供給される給電点またはバスライン電極付近に劣化開始箇所が発生した場合には、給電点またはバスライン電極から離れており、且つ、劣化が進行していない部分への給電が困難となるため、電子放出素子全体での劣化の具合に拘わらず、特性が悪化することがあった。

本発明の第１実施形態に係る電子放出素子１では、第１電極１０と第２電極２０との間の距離（電極間距離）を互いに対向する面内で非一様とすることで、劣化の起点を所望の位置に設定している。つまり、電子放出素子１では、第１電極１０と第２電極２０との間の距離が近いほど、電子加速層３０にかかる電界強度が大きくなるため、電子加速層３０内で電子が得るエネルギーが大きくなり、第２電極２０から電子放出素子１外へ放出される電子量が増加する。一方、電界強度が強く、通電が集中する部分は、ジュール熱などによって周囲より早く劣化が進行する。

本実施の形態では、第１電源２Ａによって交流もしくは直流の電圧２０Ｖを印加し、第２電源２Ｂによって直流の電圧５００Ｖを印加して駆動させる。電子放出素子１において、電子加速層３０は、薄膜領域３１ａから厚膜領域３１ｂへ徐々に膜厚が増加するように形成されており（特に、図１Ａ参照）、電極間距離は、電子加速層３０の膜厚と同じように推移している。本実施の形態では、電子加速層３０の膜厚が電極間距離と略等しく、薄膜領域３１ａにおける電極間距離（近接幅Ｗｎ）は、厚膜領域３１ｂにおける電極間距離（遠隔幅Ｗｆ）より小さいため、近接幅Ｗｎとされた領域に通電が集中する。その結果、電子放出素子１では、薄膜領域３１ａを起点として劣化が発生し、厚膜領域３１ｂに向かう方向（図１Ｂに示す矢符Ｓ１の方向）で劣化が進行する。上述したように、電子放出素子１では、電極間距離を非一様にしており、電極間距離を近づけて通電が集中する領域を点在させている。そして、通電が集中して局所的な劣化が進行する領域を意図的に設けることで、他の領域での劣化を抑制し、長期に亘って安定した性能を維持することができる。

また、電子加速層３０の膜厚を変化させることで、電極同士が近づき、通電が集中する領域を容易に設けることができる。電子加速層３０の膜厚を連続的に変化させることで、劣化が進行していく領域を広範囲に設けることができる。つまり、部分的に劣化しても、通電が集中する領域が順次推移していくため、電子放出素子１全体での駆動を維持することができる。

また、厚膜領域３１ｂ側の端部に給電点ＫＤおよびバスライン電極４０が設けられていることから、給電点ＫＤ（およびバスライン電極４０）付近では電子加速層３０の膜厚が厚く、劣化が生じにくいため、電子放出素子１を長時間駆動させても性能を維持することが容易になる。

上述したように、第２電極２０は、表面から電子を効率よく放出させるために、薄膜とされていることが望ましいが、薄くすると膜抵抗が大きくなって電圧降下などが発生する。ここで、バスライン電極４０を設けていれば、バスライン電極４０を通じて電流を流すことができ、第２電極２０に起因する電圧降下を抑制することができる。

電子放出素子１を大気中で駆動させることによって、第２電極２０の表面から放出される電子は、大気中の分子をイオン化する。そのため、本発明に係る電子放出素子１をイオン流発生装置に適用して、イオン流（イオン風）冷却装置や複写機内の帯電器などに用いることができる。

また、真空中では大気中と異なり、第２電極２０から放出された電子を第３電極３によって加速させることができる。これによって、第３電極３側に蛍光体層を配置した場合、放出された電子を照射して蛍光体層を発光させる発光装置として用いることができる。さらに、電子放出素子１は、電子線源として殺菌や滅菌、ＥＢ硬化、ＳＥＭなどの分析装置などにも用いることができる。

図３は、本発明の第１実施形態に係る電子放出素子の変形例１を示す上面図である。

変形例１では、バスライン電極４０を設けている領域が異なる。バスライン電極４０は、電子放出素子１の側辺に加えて電子放出部に設けられたバスライン中央部４２を備えている。つまり、第１実施形態では、上面視において、電子放出素子１の中央であってバスライン電極４０で囲まれた矩形状の領域を、第２電極２０が露出した領域としたが、変形例では、中央の露出した第２電極２０の上にバスライン中央部４２を形成している。具体的に、バスライン中央部４２は、電子放出素子１の横方向Ｘで対向する一方の側辺から他方の側辺に向かって延伸されている。バスライン中央部４２を設けることで、横方向Ｘに流れる電流の経路を増やして、電圧降下を抑制している。なお、電子放出素子１全体に対して、バスライン電極４０が占める面積は、電子放出効率を考慮して適宜設定すればよい。

（第２実施形態）
図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る電子放出装置の概略側面図であって、図４Ｂは、図４Ａに示す電子放出素子の上面図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態において、膜厚変化部３１は、側辺近傍が最も薄くなるように形成されていたのに対し、第２実施形態では、電子放出素子１の中央が薄くなるように形成されている。つまり、厚膜領域３１ｂは、横方向Ｘで対向する互いの側辺（図４Ｂでは、左辺および右辺）に沿って設けられており、薄膜領域３１ａは、両端の厚膜領域３１ｂに挟まれるように配置されている。図４Ｂに示す補助線ＬＮ１は、薄膜領域３１ａのなかで、特に電子加速層３０の膜厚が薄い部分を示している。電極間距離を比較すると、薄膜領域３１ａが近接幅Ｗｎとされており、厚膜領域３１ｂが遠隔幅Ｗｆとされている。

バスライン電極４０は、電子放出素子１の横方向Ｘで対向する２つの側辺に沿って第２電極２０上に設けられており、縦方向Ｙで対向する２つの側辺には設けられていない。つまり、第２実施形態では、バスライン側辺部４１を備えない構成とされており、対向する側辺に沿ったバスライン電極４０は分離している。また、給電点ＫＤは、横方向Ｘで対向する一方の側辺（図４Ａでは、左側）に設けられているのに加えて、横方向Ｘで対向する他方の側辺（図４Ａでは、右側）にも設けられている。従って、分離しているバスライン電極４０のそれぞれに対して給電点が設けられている。なお、これに限定されず、バスライン側辺部４１を設けた構成としてもよい。また、給電点ＫＤの数も適宜設定すればよい。さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様に、第２電源２Ｂおよび第３電極３を備えた構成としてもよい。

第２実施形態では、両端の給電点ＫＤから離れた中央（特に、補助線ＬＮ１）を起点として、端部に向かう方向（図４Ｂの矢符Ｓ２の方向、左方向および右方向）で劣化が進行する。

（第３実施形態）
図５Ａは、本発明の第３実施形態に係る電子放出装置の概略側面図であって、図５Ｂは、図５Ａに示す電子放出素子の上面図である。なお、第１実施形態および第２実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態は、第２実施形態に対して、第１電極１０上に形成された膜厚調整部６１を備えている点が異なる。膜厚調整部６１は、横方向Ｘで電子放出素子１の中央に２箇所設けられている。また、膜厚調整部６１は、上面視において（図５Ｂ参照）、縦方向Ｙに平行な直線状とされており、縦方向Ｙの両端では、電子放出素子１の側辺に沿って設けられた調整側辺部６２と一体にされている。電子加速層３０は、第１電極１０、膜厚調整部６１、調整側辺部６２、および絶縁部５０を覆うように形成されている。

膜厚調整部６１および調整側辺部６２は、絶縁性材料で形成されており、直上の部分に流れる電流を遮断する。つまり、上面視において、膜厚調整部６１および調整側辺部６２が設けられた領域は、絶縁部５０が設けられた領域と連結しており、電流が流れないため第２電極２０の劣化が抑制され、第２電極２０の導通路を確保することができる。なお、本発明は上述した構造に限定されず、調整側辺部６２を備えない構造としてもよい。

次に、膜厚調整部６１と電子加速層３０の膜厚との関係について、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、詳細に説明する。

図６Ａは、本発明の第３実施形態に係る電子放出素子において膜厚調整部を形成する工程を示す説明図である。

第３実施形態では、基板である第１電極１０の上に絶縁部５０および膜厚調整部６１を形成する。膜厚調整部６１と絶縁部５０とは、それぞれ別にして形成してもよい。本実施の形態では、膜厚調整部６１の調整膜厚Ｈａは、絶縁部５０の膜厚と同じとしたが、これに限定されず、膜厚調整部６１と絶縁部５０とが異なる膜厚とされていてもよい。また、図６Ａでは、図面の見易さを考慮して、調整側辺部を省略したが、調整側辺部６２は、膜厚調整部６１と同時に形成すればよい。

図６Ｂは、本発明の第３実施形態に係る電子放出素子において電子加速層を形成する工程を示す説明図である。

図６Ｂは、図６Ａに示す状態から電子加速層３０を形成した状態を示している。電子加速層３０は、電子放出素子１全体に上述した分散液を一様に塗布して形成されるが、膜厚調整部６１の有無によって、形成される膜厚が異なる。具体的に、電子加速層３０は、膜厚調整部６１の上に形成された部分（突出膜厚Ｄｂ）と、第１電極１０の上に形成された部分（平坦膜厚Ｄａ）とで膜厚が異なり、突出膜厚Ｄｂが平坦膜厚Ｄａより薄くなる。つまり、膜厚調整部６１の直上の部分では、膜厚調整部６１によって周囲より分散液が突出するように塗布される。分散液の表面張力や粘度等によって異なるが、突出した部分は、高さが同じになるように周囲に広がる。そして、膜厚調整部６１の近傍では、膜厚調整部６１に近い程膜厚が厚くなるように分散液が堆積される。その結果、電子加速層３０は、膜厚調整部６１近傍の盛り上がった部分（厚膜領域３１ｂ）で、調整膜厚Ｈａと突出膜厚Ｄｂとを併せた膜厚となり、膜厚調整部６１から離間した部分（薄膜領域３１ａ）で平坦膜厚Ｄａとなっている。調整膜厚Ｈａと突出膜厚Ｄｂとを併せた膜厚は、平坦膜厚Ｄａより厚くなっており、電子加速層３０（膜厚変化部３１）は、厚膜領域３１ｂから薄膜領域３１ａへ向かうに従って、徐々に膜厚が薄くなる。

上述したように、第３実施形態では、第１電極１０上に突出して形成された膜厚調整部６１によって、電子加速層３０の膜厚が非一様となるように調整している。上述した図５Ｂに示す補助線ＬＮ２は、薄膜領域３１ａのなかで、特に電子加速層３０の膜厚が薄い部分を示している。本実施の形態では、上面視において直線状とされた膜厚調整部６１が２箇所設けられており、膜厚調整部６１に平行な補助線ＬＮ２が３本示されている。第３実施形態でも、第１実施形態および第２実施形態と同様に、近接幅Ｗｎとされた薄膜領域３１ａ（特に、補助線ＬＮ２）を起点として、遠隔幅Ｗｆとされた厚膜領域３１ｂに向かう方向（図５Ｂの矢符Ｓ３の方向）で劣化が進行する。

なお、本実施の形態では、膜厚調整部６１を上面視において、直線状としたが、これに限定されず、膜厚調整部６１を設ける領域は適宜設定すればよい。つまり、上面視において、点状の膜厚調整部６１を、電子放出部の各所に複数分散させて配置するなどしてもよい。

また、膜厚調整部６１は絶縁性材料に限定されず、電子加速層３０に用いられる材料などから適宜選択することができる。膜厚調整部６１は、直上の領域に通電が集中しないように、周囲と同程度もしくはそれ以下の導電性とされていればよい。この場合、膜厚調整部６１は、電子加速層３０と同様の方法で形成すればよく、電子加速層３０を形成する前に予め膜厚調整部６１を形成しておけばよい。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。なお、第１実施形態ないし第３実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第４実施形態は、第２実施形態に対して、膜厚に段差を設けた電子加速層３０とされている点が異なる。具体的に、電子加速層３０は、平坦部３２と平坦部３２より膜厚が小さい薄層部３３とで段差が設けられた構造とされており、第２電極２０は、電子加速層３０に設けられた段差に沿うように、電子加速層３０に密着して形成されている。薄層部３３は、電子放出素子１の中央に設けられており、平坦部３２は、給電点ＫＤ（またはバスライン電極４０）の近傍である電子放出素子１の両端部に設けられている。電子加速層３０の形成方法は、一般的な方法で用いることができ、例えば、第１電極１０上に一様な膜厚の電子加速層３０（平坦部３２）を形成した後、薄層部３３に対応する領域をエッチングするなどして、薄層部３３だけ膜厚が薄くなるようにすればよい。また、別な形成方法としては、薄層部３３に応じた厚さで電子放出素子１全体に塗布した後、平坦部３２に対応する領域に再度塗布して、厚さが異なる構造とすることが挙げられる。電極間距離は、薄層部３３が近接幅Ｗｎとされ、平坦部３２が遠隔幅Ｗｆとされており、近接幅Ｗｎとされた部分に通電が集中する。本実施の形態では、平坦部３２と薄層部３３とを備える電子加速層３０が膜厚変化部に相当する。

上述したように、薄層部３３を設けることで、電極間距離が短く、通電が集中する領域を容易に設けることができる。また、電子加速層３０に段差を設けることで電極間距離の差が顕著になり、薄層部３３に確実に通電を集中させることができる。なお、薄層部３３を設ける範囲については、適宜設定することができ、上述した膜厚調整部６１のように、上面視において直線状に形成してもよいし、点状に形成してもよい。

（第５実施形態）
図８Ａは、本発明の第５実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。なお、第１実施形態ないし第４実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第５実施形態は、第４実施形態に対して、電極から延伸された電極延伸部を備えている点で異なる。第４実施形態において、電子加速層３０は、平坦部３２と薄層部３３との段差によって膜厚差が設けられていた。これに対し、第５実施形態では、第１電極１０の上に凸状とされた第１電極延伸部７１（電極延伸部の一例）が設けられており、第１電極延伸部７１によって電子加速層３０の膜厚差が形成されている。

具体的に、本実施の形態では、第１電極１０の上に第１電極延伸部７１が突出して設けられている。電子加速層３０は、第１電極１０、第１電極延伸部７１、および絶縁部５０を覆うように形成されており、上面が第１電極１０に対して平行にされている。第１電極延伸部７１の上に電子加速層３０を形成した際、電子加速層３０の上面に凹凸ができた場合には、電子加速層３０を平坦化すればよい。つまり、電子加速層３０は、凹凸が設けられた下面に対して上面を平坦にすることで、段差を有する平坦部３２および薄層部３３が形成されている。また、電子加速層３０は、第１電極延伸部７１が設けられた領域に膜厚が周囲より薄い薄層部３３が設けられている。

第１電極延伸部７１は、導電性材料によって形成されており、第２電極２０または第１電極１０と同程度の導電性を有している。つまり、第１電極延伸部７１は、第１電極１０に接しており、電気的に第１電極１０の一部とみなすことができる。第１電極延伸部７１は、インクジェットや塗布など一般的な方法で形成すればよい。電極間距離を比較すると、薄層部３３では、第１電極延伸部７１から第２電極２０までの距離が近接幅Ｗｎとされ、平坦部３２では、第２電極２０から第１電極１０までの距離が遠隔幅Ｗｆとされており、遠隔幅Ｗｆより小さい近接幅Ｗｎとされた部分に通電が集中する。なお、第１電極延伸部７１は、端部に設けた給電点ＫＤ（またはバスライン電極４０）から離間した位置に設けることが望ましい。つまり、給電点ＫＤ近傍を平坦部３２とすることで、給電点ＫＤ近傍での劣化を防ぐことができる。

図８Ａでは、互いに離間した第１電極延伸部７１を４箇所に設けた例を示したが、第１電極延伸部７１を設ける範囲については、適宜設定することができ、上述した膜厚調整部６１のように、上面視において直線状に形成してもよいし、点状に形成してもよい。

図８Ｂは、本発明の第５実施形態に係る電子放出装置の変形例２を示す概略側面図である。

変形例２では、第１電極延伸部７１の換わりに第２電極延伸部７２（電極延伸部の一例）を設けた構成とされている。図８Ａに示す構造では、電子加速層３０の下面に凹凸が設けられた構造とされていたが、変形例２では、電子加速層３０の上面に凹凸が設けられた構造とされている。つまり、薄層部３３によって凹み、溝となっている部分には、第２電極延伸部７２が充填されている。第２電極延伸部７２は、第２電極２０から第１電極１０に向かって延伸するように形成されている。

第２電極延伸部７２は、第１電極延伸部７１と同様の材料で形成すればよく、第２電極２０に接しており、電気的に第２電極２０の一部とみなすことができる。変形例２では、第２電極延伸部７２から第１電極１０までの距離が近接幅Ｗｎとされ、第２電極２０から第１電極１０までの距離が遠隔幅Ｗｆとされている。

（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態に係る電子放出装置の概略側面図である。なお、第１実施形態ないし第５実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第６実施形態は、第１実施形態に対して、電子放出素子１が湾曲した形状とされている点が異なる。つまり、第１実施形態では、平面状の第３電極３に向かって電子を放出していたが、第６実施形態では、曲面を有する被帯電物４に向かって電子を放出している。

具体的に、被帯電物４は、円柱状とされており、電子放出素子１側の表面４ａが曲面とされている。被帯電物４としては、例えば、画像形成装置に用いられている感光体ドラムなどが挙げられる。電子放出素子１は、放出面Ｆｍ（第２電極２０側の面）に対向して配置された被帯電物４の表面４ａに向かって、電子を放出させる構成とされ、放出面Ｆｍは、被帯電物４の表面４ａに沿った形状とされている。つまり、電子放出素子１は、円弧状に形成されている。厚膜領域３１ｂ側の端部と被帯電物４との距離を第１距離Ｗ１とし、放出面Ｆｍの中央と被帯電物４との距離を第２距離Ｗ２とし、薄膜領域３１ａ側の端部と被帯電物４との距離を第３距離Ｗ３とすると、第１距離Ｗ１と第２距離Ｗ２と第３距離Ｗ３とは、それぞれ略等しくなるように設定されている。

なお、電子放出素子１では、薄膜領域３１ａから厚膜領域３１ｂに向かうに従って、電子の放出量が低下することを考慮して、意図的に厚膜領域３１ｂ側を被帯電物４に近づけて、第３距離Ｗ３に比べて第１距離Ｗ１を小さくするなど、第１距離Ｗ１と第２距離Ｗ２と第３距離Ｗ３とがそれぞれ異なる設定としてもよい。

帯電効率は、電子放出素子１と被帯電物４との間の電界強度に比例し、距離が離れると低下する傾向であるため、電子放出素子１と被帯電物４との形状が異なっていると、距離に部分的な差が生じてしまう。上述した構成によると、被帯電物４に沿った形状とすることで、放出面Ｆｍの全ての領域で電子放出素子１と被帯電物４とを一様な距離とすることができ、帯電効率の低下を回避することができる。

なお、図９では省略されているが、絶縁部５０およびバスライン電極４０を備えた構成としてもよい。また、第６実施形態では、第１実施形態に係る電子放出素子１が湾曲した構成としたが、これに限定されず、第２実施形態ないし第５実施形態に係る電子放出素子１が湾曲した構成としてもよい。

上述したように、いずれの実施形態においても、電子放出素子１は、近接幅Ｗｎと遠隔幅Ｗｆとのように、電子放出素子１の面内で電極間距離が異なる領域が設けられている。すなわち、電極間距離が周囲よりも近い領域を設けることで、通電が集中する領域を予め設定し、電子放出素子１の経時劣化を制御している。また、遠隔幅Ｗｆとされた領域は、近接幅Ｗｎとされた領域よりも給電点ＫＤ（またはバスライン電極４０）に近い位置に設けられている。つまり、劣化の起点を給電点ＫＤから離れた位置に設定することで、劣化によって給電が阻害されにくい構造としている。

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

本発明に係る電子放出素子は、例えば、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる帯電装置や、電子線硬化装置、あるいは発光体と組み合わせた画像表示装置、または放出された電子が発生させるイオン流を利用したイオン流発生装置等に好適に適用することができる。

１ 電子放出素子
２Ａ 第１電源（外部の電源の一例）
２Ｂ 第２電源（外部の電源の一例）
３ 第３電極
４ 被帯電物
１０ 第１電極
２０ 第２電極
３０ 電子加速層
３１ 膜厚変化部
３１ａ 薄膜領域
３１ｂ 厚膜領域
３２ 平坦部
３３ 薄層部
４０ バスライン電極
５０ 絶縁部
６１ 膜厚調整部
７１ 第１電極延伸部（電極延伸部の一例）
７２ 第２電極延伸部（電極延伸部の一例）
ＫＤ 給電点
Ｗｆ 遠隔幅
Ｗｎ 近接幅
Ｘ 横方向
Ｙ 縦方向
Ｚ 高さ方向

Claims (10)

1. 互いに対向して配置された第１電極と第２電極との間に電圧を印加し、前記第２電極から電子を放出させる電子放出素子であって、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、前記第１電極から前記第２電極へ向かう電子を加速させる電子加速層を備え、
   前記電子加速層は、自身の長手方向に沿った一端部側から他端部側に向かって、膜厚が徐々に変化すること
   を特徴とする電子放出素子。
2. 請求項１に記載の電子放出素子であって、
   前記第２電極は、外部の電源に接続される給電点が設けられており、
   前記電子加速層は、前記給電点側の膜厚が大きくなるように形成されていること
   を特徴とする電子放出素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子放出素子であって、
   前記第２電極の上に形成され、上面視における側辺に沿って設けられたバスライン電極を備えていること
   を特徴とする電子放出素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の電子放出素子であって、
   放出面に対向して配置された被帯電物の表面に向かって、電子を放出させる構成とされ、
   前記放出面は、被帯電物の表面に沿った形状とされていること
   を特徴とする電子放出素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の電子放出素子であって、
   前記電子加速層は、導電性材料を含有していること
   を特徴とする電子放出素子。
6. 請求項５に記載の電子放出素子であって、
   前記電子加速層は、導電性材料が均一に分散されていること
   を特徴とする電子放出素子。
7. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の電子放出素子であって、
   前記電子加速層は、絶縁性材料で形成されていること
   を特徴とする電子放出素子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の電子放出素子であって、
   前記第１電極の上に絶縁性を有する絶縁層が設けられていること
   を特徴とする電子放出素子。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の電子放出素子と、
   前記第２電極の表面に対向して設けられた第３電極とを備えていること
   を特徴とする電子放出装置。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の電子放出素子を備えたイオン流発生装置。

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