JP2006236721A - 電界放出型光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子線が蛍光面に当たる面積を広くとることができ、しかも、大光量が得られ、かつ、電子線照射むらによる発光むらを解消することのできる電界放出型光源を提供すること。
【解決手段】 管壁の一部に透光性の光取り出し部が形成され、内部が密閉された透光性容器２と、前記管壁の前記光取り出し部を除く側壁部分に形成された反射層を兼ねたアノード層４と、このアノード層４に積層されて形成された蛍光体層６と、前記透光性容器２内に配置され前記蛍光体層６の面に対して電子を放出する電子放出源１０ｂを有するカソード５とを具え、前記電子放出源１０ｂは、給電部の表面に植設された柱状炭素繊維により形成されていることを特徴とする電界放出型光源。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、作業灯として屋外作業現場の夜間照明用光源として用いられる、電子線照射による蛍光体の発光を利用した電界放出型光源に関する。

電界放出型光源は、低消費電力で高輝度であるとともに、フィラメントのような脆弱部の無い耐久性の優れたランプとして知られている。以下に、電界放出型光源の一例として蛍光表示装置について説明する。

図７は、特開平１１−１１１１６１号公報に開示されている蛍光表示装置である画像管の構成を示す断面図である。

上部に開口端を有する円筒形のガラスバルブ１０１は、開口端にフェースガラス１０２の段差部が嵌合するように、低融点フリットガラス１０３により接着固定されて密閉構造が形成されている。また、ガラスバルブ１０１の底部はステムガラス１０８が形成され、このステムガラス１０８に排気管１０８ａが一体に形成されている。

ガラスバルブ１０１の内部には、カソードリード１１１ａ、１１１ｂおよび陽極リード１１０が管軸方向に設けられ、それぞれステムガラス１０８を貫通してリードピン１０９ａ、１０９ｂと接続されている。これらのカソードリード１１１ａ，１１１ｂおよび陽極リード１１０にそれぞれ支持されて、カソード構体１０６と陽極電極構体（アノード層）１０５とが管軸方向に対向して配置されている。陽極電極構体１０５はカソード構体１０６よりもフェースガラス１０２側に配置されている。

カソード構体１０６には、カーボンナノチューブの集合体からなる長さ数ｍｍの針状の柱状グラファイト（エミッタ）１２１が、その長手方向をほぼ蛍光面１０４の方向に向けて固定配置されている。

フェースガラス１０２は、その前面側に凸型レンズ状の球面部１０２ａが形成されている。また、フェースガラス１０２の内面の主要面には、蛍光面１０４が形成され、この蛍光面１０４表面にはＡｌメタルバック膜１０７が形成されている。

このように構成された画像管は、まず、外部回路からリードピン１０９ａ，１０９ｂに電圧を供給することで、カソードリード１１１ａ，１１１ｂを介して電極であるカソード構体１０６とハウジング１０６ｄとの間に電界を発生させる。そして、電極（カソード構体）１０６上に固定配置された柱状グラファイトであるカーボンナノチューブ先端に高電界を集中させ、電子を放出させる。すなわち、このカソード構体１０６が、柱状グラファイトのカーボンナノチューブをエミッタとした、電界放出型冷陰極電子放出源を構成している。

このカソード構体１０６から放出された電子は、高電圧が印加された陽極電極構体１０５により加速され、Ａｌメタルバック膜１０７を貫通して蛍光面１０４に衝撃する。この結果、蛍光面１０４は電子衝撃により励起され、蛍光体に応じた発光色を放出する。この蛍光発光は、フェースガラス１０２を透過して前面側に放出され、発光表示が行われる。
特開平１１−１１１１６１号公報 （段落番号０００２〜０００９）

しかしながら上述に示したような蛍光表示装置においては、電界放射強度は、カソードの表面状態やアノード層の表面状態によって大きく変化するため、蛍光体発光面の発光強度の均一化が困難であった。さらに、発光量を大きくとるために発光面積を広げようとすると、発光強度の均一化がさらに困難となるという問題があった。

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、電子線が蛍光面に当たる面積を広くとることができ、しかも、大光量が得られ、かつ、電子線照射むらによる発光むらを解消することのできる電界放出型光源を提供することを目的としている。

本発明の電界放出型光源は、管壁の少なくとも一部に透光性の光取り出し部が形成され、内部が密閉された透光性容器と、前記管壁の前記光取り出し部を除く側壁部内面に形成された反射層を兼ねたアノード層と、このアノード層に積層されて形成された蛍光体層と、前記透光性容器内に配置され前記蛍光体層の面に対して電子を放出する電子放出源を有するカソードとを具え、前記電子放出源は、給電部の表面に植設された柱状炭素繊維により形成されていることを特徴とするものである。

また本発明においては、前記電子放出源は、透光性容器内において前記アノード層方向に放射状に延長配置された複数本の棒状給電部の表面に前記柱状炭素繊維植設され、かつ、前記蛍光体層は、少なくとも２種類以上の蛍光体を混合して形成されていることを特徴とするものである。

さらに本発明においては、前記電子放出源を構成する給電部は、前記光性容器内において前記アノード層とほぼ等距離となるようにスパイラル状に形成配置されていることを特徴とする請求項１記載の電界放出型光源。

さらに本発明においては、前記光取り出し部は、前記管壁の内面にブラスト加工あるいは散乱粒子の塗布、又は、前記管壁の外面にブラスト加工の少なくともいずれかにより光拡散処理が施されていることを特徴とするものである。

本発明の電界放出型光源では、発光部分と光取り出し部分を透光性容器の別部位として形成することにより、従来の電子放出型光源の問題点であった、電子放出のむらによる発光むらを大幅に低減し、均一に発光する光源が実現できる。

また、本発明の電界放出型光源では、従来の発光面に蛍光体を塗布し、メタルバック層として形成されているアノード層を貫通させることなく、蛍光体面に直接的に電子を衝突させる構造であるので、電子が蛍光体の面に当たる面積を広くとることができる。それにより、大光量が得られ、かつ、電子線の照射むらによる発光むらを解消することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図である。電界放出型光源１は全体が例えばガラスのような透光性の管壁により密閉された透光性容器２を備えている。この透光性容器２は、頂部にほぼ平坦に近い凸状の曲面からなる光取り出し部３−１が形成され、この光取り出し部３−１の周囲には、ほぼ半球状の側壁部３−２が連結され、この半球状の管壁の側壁部３−２の底部には、小径の電極取り出し部３−３が形成されている。透光性容器２の内部は真空状態が保たれ、内部の側壁部３−２には、アノード層４とカソード５とが積層形成されている。

アノード層４は、透光性容器２の光取り出し部３−１を除いた側壁部３−２の内面全周に形成されている。このアノード層４の表面（透光性容器２の内面側）には蛍光体層６が塗布されている。なお、アノード層４としては例えば、銀やアルミニウム等を用いることができるが、導電性物質があれば特に限定されるものではない。また、アノード層４は反射層を兼ねているため、表面反射率が高い材質が好ましい。すなわち、このアノード層４は後述するように、蛍光体層６で発生した光を電界放出型光源１の頂部に形成された光取り出し部３−１方向に反射するように形成されている。したがって、アノード層４が形成される透光性容器２の側壁部３−２の内周面も、蛍光体層６で発生した光を光取り出し部３−１方向に反射するように、ほぼ半球面あるいは放物面状に形成されている。

アノード層４の下端は導電性接着材７を介して導電性の切片８に接続されており、この切片８にはアノード層リード９が接続されている。このアノード層リード９は、電極取り出し部３−３から気密性を保ったまま透光性容器２の外部へ導出されている。

蛍光体層６は、例えば、赤、緑、青の３種類の蛍光体のうち、少なくとも２種類以上を混合して形成されている。赤色蛍光体は、例えばＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、緑色蛍光体は、例えばＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、青色蛍光体は、例えばＺｎＳ：Ａｇ、Ａｌ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ等を用いることができ、他にも電子線照射によって発光する蛍光体であれば何でも用いることができる。

一方、カソード５は、透光性容器２のほぼ中心部に配置され、溶接等でカソードリード１０に接続されるとともに機械的に支持され、透光性容器２の中心部から側壁部３−２に向かって放射状に延長配置されている。このカソード５は、カソードリード１０に接続された円柱状で導電性の給電部１０ａと、この給電部１０ａの外周に形成された無数の長さ数ｍｍの針状の炭素繊維からなる柱状のグラファイト１０ｂにより形成されている。この柱状のグラファイト１０ｂは、グラファイトナノファイバーやカーボンナノチューブ等の柱状グラファイト（黒鉛）で形成されており、それにより低い電圧で良好な電子放出特性を得ることができる。

また、カソード５の柱状グラファイトは、透光性容器２のほぼ中心部から側壁部３−２に向かって放射状に延長された複数本の棒状の給電部１０ａの表面であって、アノード層４に対向する面を含む少なくともほぼ半周面にわたって形成されている。

なお、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーは、グラファイト六角網平面を筒状に丸めて形成される欠陥の無い「単層」或いはそれらが入れ子状に積層した「多層」のチューブ状物質で、通常、直径１５ｎｍ以下で長さが数十ｎｍ〜数μｍのものがナノチューブと呼ばれ、直径で１５〜１００ｎｍ程度のものはナノファイバーと呼ばれる。アーク放電法、気相熱分解法、レーザー昇華法、電解法、流動触媒法等によって生成されるが、最近ではポリマーブレンド法により中空のチューブ状或いは場合によっては無空のファイバーも提案されている。ここでは、中空、無空の両方を含めた広義でカーボンナノチューブ、あるいは、カーボンナノファイバーと呼ぶ。

カソード５は形状的には、図２に示した図１のＡ_１−Ａ_２断面による模式的な平面図のように、透光性容器２の略中心部から放射状に形成されている。この場合、中心部から放射状に延びた複数本の棒状のカソード５の先端部と、アノード層４の対向面との距離が互いにほぼ等しくなるように配設されている。

また、アノード層リード９及びカソードリード１０はステム１１に予め封着されており、電極取り出し部３−３から気密性を保ったまま外部へと導出されている。電極取り出し部３−３では、透光性容器２を封止後チップ１２を介して透光性容器２の内部を１０Ｐａから４Ｐａ以下まで排気し、その後チップ１２を加熱溶融してチップオフ（封止切り）を行っている。

なお、カソードリード１０には溶接などによりゲッター１３が取り付けられている。ゲッター１３は、透光性容器２の内部の主として水分系不純物ガスを吸着するためのもので、アルミジルコン等の材質が用いられている。

このように構成された電界放出型光源１においては、外部回路（不図示）からアノード層リード９およびカソードリード１０を介してカソード５とアノード層４との間に１〜３０ｋＶ程度の電圧が印加される。これにより、カソード５では給電部１０ａを介して柱状グラファイト１０ｂの先端に高電界が集中され、電子が引き出されアノード層４に向かって放出される。放出された電子はアノード層４の内面に塗布されている蛍光体層６に衝突する。蛍光体層６は電子衝撃により蛍光体に応じた色光を発光する。発光した光は、反射層を兼ねるアノード層４により反射され、透光性容器２の一部に形成された光取り出し部３から外部に放出される。

なお、図示していないが、カソード５の外部近傍に電子放出制御用のゲート電極を設けて３入力方式の電界放出型光源とすることもできる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。

この実施形態においては、カソード５は、外周に柱状のグラファイト１０ｂが形成された椀状の給電部１０ａ´により構成されている。この椀状の給電部１０ａ´は、その開口部が光取り出し部３−１方向に向けられ、柱状のグラファイト１０ｂはアノード層４側に形成されている。なお、図３では、図１に示した部位と同一箇所には同一符号を付して、その個々の説明を省略している。

次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。なお、この第３の実施の形態では電界放出型光源１の構造は、上述の第２の実施の形態の場合とほぼ同様であるので、図４において、図１に示した部位と同一箇所には同一符号を付して、各部の説明は重複を避けるために省略する。

この第３の実施の形態では、透光性容器２の光取り出し部３の内側が、光拡散処理としてブラスト加工されたブラスト加工面１４が設けられている。このブラスト加工面１４により、光取り出し部３から外部へは、蛍光体層６からの発光が直線的な透過光として放出されず、ブラスト加工面１４に形成された乱反射面で乱反射して散乱光として外部に放出される。それにより、もし蛍光体層６の発光にむらが生じていても光取り出し部３からは外部に放出される光は均一な発光となる。なお、ブラスト加面１４は光取り出し部３の内面ではなく、外面に形成されていてもよい。

ブラスト加工は、例えば、アルミナ等の微粒子をブラスト加工面１４（光取り出し部３）に対して噴射して形成することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。なお、この第４の実施の形態でも電界放出型光源１の構造は、上述の第１の実施の形態の場合とほぼ同様であるので、図５において、図１に示した部位と同一箇所には同一符号を付して、各部の説明は省略する。

この第３の実施の形態では、透光性容器２の光取り出し部３の内側に、光拡散処理として散乱粒子膜１５が設けられている。散乱粒子膜１５は、例えばアルミナや酸化チタンを用いて形成されている。この散乱粒子膜１５により、光取り出し部３から外部へは、蛍光体層６からの発光が直線的な透過光として放出されず、散乱粒子膜１５に形成された乱反射面で乱反射して散乱光として外部に放出される。それにより、もし蛍光体層６の発光にむらが生じていても光取り出し部３からは外部に放出される光は均一な発光となる。

次に、本発明の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。この第５の実施の形態でも電界放出型光源１の構造は、上述の第１の実施の形態の場合と同様であるので、図６において、図１に示した部位と同一箇所には同一符号を付してそれらの部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

この第５の実施の形態では、図６に示すように、スパイラル状のカソード５ｂが透光性容器２の略中心部に設けられている。すなわち、カソード５ｂを構成する棒状の給電部１０ａ´´は上方に向かって直径が徐々に拡大するスパイラル状に形成され、その周囲には、柱状のグラファイト１０ｂが形成されている。

電子放出源としてスパイラル状のカソード５ｂを用いることにより、柱状のグラファイト１０ｂの形成面積を広く取ることができて、高電流を取り出すことが可能となる。それにより、高光束の電界放出型光源１が実現できる。

また、カソード５ｂの形状がスパイラル状となっているため、蛍光体層６で発光した光が反射してきた際、カソード５ｂに直進した光をあまり遮ることなく、光取り出し部３に光を到達させることができる。それにより、光取り出しの際の損失を少なく抑えることができる。従って、電界放出型光源１からの出射する光量の減少を抑止できる。

また、カソード５ｂの形成の際に、給電部１０ａの外周に形成された、無数の長さ数ｍｍの針状の柱状グラファイト１０ｂは、通常、ＣＶＤ装置（気相成長装置）を用いて形成されている。一般のＣＶＤ装置ではワーク（給電部１０ａ）に対して、反応ガスの流れが一定方向からであるので、一回の工程では、ワーク（給電部１０ａ）の反応ガスに曝された面のみに電子放出源１０ｂが形成される。したがって、カソード５ｂの給電部の全周に柱状のグラファイト１０ｂを形成するのは困難である。しかしながら、カソード５ｂの形状がスパイラル状となっているため、柱状のグラファイト１０ｂが形成されているカソード５ｂの面をアノード層４の方向に対向させることにより、電子放出源の形成時に特別な処置を施す必要がない。

本発明の第１の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図。 図１に示すカソードの形状を模式的に示す平面図。 本発明の第２の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図。 本発明の第３の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図。 本発明の第４の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図。 本発明の第５の実施の形態を示す電界放出型光源の側断面図。 従来の電界放出型表示装置の構成を示す断面図。

符号の説明

Bb １…電界放出型光源、２…透光性容器、３…光取出し部、４…アノード層、５、５ａ、５ｂ…カソード、６…蛍光体層、７…導電性接着剤、８…切片、９…アノード層リード、１０…カソードリード、１０ａ、１０ａ´、１０ａ´´…給電部、１０ｂ…電子放出源、１１…ステム、１２…チップ、１３…ゲッター、１４…ブラスト加工面、１５…散乱粒子膜。

Claims (3)

1. 管壁の少なくとも一部に透光性の光取り出し部が形成され、内部が密閉された透光性容器と、前記管壁の前記光取り出し部を除く側壁部内面に形成された反射層を兼ねたアノード層と、このアノード層に積層されて形成された蛍光体層と、前記透光性容器内に配置され前記蛍光体層の面に対して電子を放出する電子放出源を有するカソードとを具え、前記電子放出源は、給電部の表面に植設された柱状炭素繊維により形成されていることを特徴とする電界放出型光源。
2. 前記電子放出源は、透光性容器内において前記アノード層方向に放射状に延長配置された複数本の棒状給電部の表面に前記柱状炭素繊維植設され、かつ、前記蛍光体層は、少なくとも２種類以上の蛍光体を混合して形成されていることを特徴とする請求項１記載の電界放出型光源。
3. 前記電子放出源を構成する給電部は、前記光性容器内において前記アノード層とほぼ等距離となるようにスパイラル状に形成配置されていることを特徴とする請求項１記載の電界放出型光源。

Images