JP2003016919A

JP2003016919A - 電子放出素子、電子源、電子源集合体および画像形成装置

Info

Publication number: JP2003016919A
Application number: JP2001202623A
Authority: JP
Inventors: Yoji Teramoto; 洋二寺本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【課題】電子ビーム径の小さい電子放出素子および電
子源を提案するものであり、さらにその電子源を利用し
て、画質の良好で高精細な画像形成装置を提供する。【解決手段】電子放出膜５をカソード電極２の露出領
域の一部に形成し、且つ、電子放出膜５を開口部の開口
中心からずれた位置に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、該
電子放出素子を複数配置してなる電子源、該電子源を複
数配置してなる電子源集合体、および該電子源集合体を
用いて構成した画像形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子として熱電子素子と
冷陰極素子の２種類が知られている。冷陰極素子には電
界放出型（以下、ＦＥ型と称する）、金属／絶縁層／金
属型（以下、ＭＩＭ型と称する）や、表面伝導型電子放
出素子等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ
＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，”ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉ
ｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰ
ｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）、あるいはＣ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”ＰＨＹＳＩＣＡＬＰｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍ
ｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙ
ｂｄｅｎｉｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの
が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，”ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【０００５】また、最近の例では、Ｔｏｓｈｉａｋｉ．
Ｋｕｓｕｎｏｋｉ，”Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ−ｆｒｅ
ｅｅｌｅｃｔｒｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍ
ｎｏｎ−ｆｏｒｍｅｄｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ−ｍｅｔａｌ（ＭＩＭ）ｃａｔｈｏｄｅｓＦａｂｒ
ｉｃａｔｅｄｂｙｌｏｗｃｕｒｒｅｎｔＡｎｏ
ｄｉｃｏｘｉｄａｔｉｏｎ”，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ１６
９５，Ｍｕｔｓｕｍｉｓｕｚｕｋｉｅｔａｌ”Ａｎ
ＭＩＭ−ＣａｔｈｏｄｅＡｒｒａｙｆｏｒＣａ
ｔｈｏｄｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｓｐｌａｙ
ｓ”，ＩＤＷ’９６，（１９９６）ｐｐ．５２９等が研
究されている。

【０００６】表面伝導型の例としては、エリンソンの報
告（Ｍ．Ｉ．ＥｌｉｎｓｏｎＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０（１９６５））に記
載のもの等があり、この表面伝導型電子放出素子は、基
板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を
流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するもの
である。表面伝導型素子では、前記のエリンソンの報告
に記載のＳｎＯ_２薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜を用いた
もの、（Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ．ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２））、Ｉｎ_２Ｏ_３／
ＳｎＯ_２薄膜によるもの（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎ
ｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｅ
ＤＣｏｎｆ．，５１９（１９８３））等が報告されて
いる。

【０００７】ところで、電子放出素子を画像形成装置に
応用するには、蛍光体を十分な輝度で発光させる放出電
流が必要である。また、ディスプレイの高精細化のため
には蛍光体に照射される電子ビームの径が小さいもので
ある事が要求される。そして製造し易いという事が重要
である。

【０００８】従来のＦＥ型の例としてＳｐｉｎｄｔ型の
電子放出素子がある。Ｓｐｉｎｄｔ型では、放出点とし
てマイクロチップが形成され、その先端から電子が放出
される構成が一般的であり、蛍光体を発光させるために
放出電流密度を大きくすると、電子放出部の熱的な破壊
を誘起し、ＦＥ素子の寿命を制限することになる。ま
た、先端から放出された電子は、ゲート電極で形成され
た電場によって広がる傾向があり、ビーム径を小さくで
きないという欠点がある。

【０００９】このようなＦＥ素子の欠点を克服するため
に、個別の解決策として様々な例が提案されている。

【００１０】電子ビームの広がりを防ぐ例としては、電
子放出部上方に収束電極を配置した例がある。しかし、
これは放出された電子ビームを収束電極の負電位により
絞るのが一般的だが、製造工程が複雑となり、製造コス
トの増大を招いてしまうという問題がある。

【００１１】電子ビーム径を小さくする別の例として
は、Ｓｐｉｎｄｔ型のようなマイクロチップを形成しな
い方法がある。たとえば、特開平８−０９６７０３号公
報、特開平８−０９６７０４号公報に記載されたものが
ある。

【００１２】これらは孔内に配置した薄膜から電子放出
を行わせるため、電子放出面上に平坦な等電位面が形成
され電子ビームの広がりが小さくなるという利点があ
る。また、電子放出物質として低仕事関数の構成材料を
使用することで、マイクロチップを形成しなくても電子
放出が可能であり、低駆動電圧が図れる。さらに、電子
放出が面で行われるために、電界の集中がおきず、破壊
がおこらず、長寿命である。

【００１３】さらに電子ビーム径が小さく、駆動電圧を
低く抑える方法として、カソード電極の形状を改善する
手法を用いた例がある。たとえば、特開平８−２９３２
４４号公報、特開平１０−１２５２１５号公報、特開平
２０００−６７７３６号公報、ＵＳＰ５４７３２１８に
記載されたものがある。これらは、カソード電極を凹型
にし、その溝中に電子放出材料を形成することで、ビー
ム径、駆動電圧を改善している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、個々
の電子放出素子の電子ビームの径を小さくする試みは種
々なされているものの、このような電子放出素子を複数
用いて電子源を作製する場合には、さらに下記のような
課題も生ずる。

【００１５】なお、本明細書において「電子源」とは、
画像形成の際に１絵素（ｓｕｂｐｉｘｅｌ）を形成す
る単位であって、複数の電子放出素子を備えて構成され
る素子の集合体をいう。したがって、たとえばＲＧＢの
３色の蛍光体によりカラー画像を形成する画像形成装置
の場合には、ＲＧＢ各色に対応した３つの電子源（３絵
素）で１画素（ｐｉｘｅｌ）を構成することになる。

【００１６】このような電子源は、数個〜数百個の電子
放出素子を備えて構成されることが一般的である。この
場合、個々の電子放出素子のビーム径を小さくしても、
電子源全体で形成される電子ビームの径はある程度の広
がりを持ってしまう。

【００１７】図１６に従来の電子放出素子、図１７に従
来の電子源の模式的断面図を示す。

【００１８】図１６の電子放出素子は、基板１０１上に
配置されたカソード電極１０２と、絶縁層１０３を介し
てカソード電極１０２上に積層されたゲート電極１０４
と、絶縁層１０３およびゲート電極１０４を貫通してカ
ソード電極１０２の一部領域を露出せしめる開口部と、
その露出領域上にカソード電極１０２と電気的に接続し
て形成された電子放出膜１０５とから構成される。ま
た、図１７の電子源は図１６の電子放出素子を複数用い
て構成したものである。

【００１９】この構成において、電源１０６によってカ
ソード電極１０２とゲート電極１０４の間に駆動電圧を
印加すると、電子放出膜１０５から電子が放出される。
この放出電子は、電源１０８によって印加された加速電
圧によって加速され、アノード電極１０７に到達する。
このとき、放出電子はカソード電極１０２とゲート電極
１０４との間に形成された等電位面に略垂直な方向に軌
道をとる。したがって、電子放出膜１０５の中央から放
出された電子は略直上のアノード電極１０７に向かう
が、電子放出膜１０５の周辺部から放出された電子は、
電子放出膜１０５の中心から遠ざかる方向に軌道をと
る。

【００２０】これを電子源全体として見てみると、図１
７に示すように、電子源中央部付近に配置された電子放
出素子から放出される電子ビームはアノード電極１０７
の略中央部（絵素の略中央部）に到達する。しかし、電
子源周辺部に配置された電子放出素子から放出された電
子ビームは、アノード電極１０７の中央部から外れた位
置に到達し、結果として電子源全体としてのビーム径を
広げてしまうことになるのである。

【００２１】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、電子
ビーム径の小さい電子放出素子および電子源を提案する
ものであり、さらにその電子源を利用して、画質の良好
で高精細な画像形成装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の電子放出素子は、基板上に配置されたカソー
ド電極と、絶縁層を介して前記カソード電極上に積層さ
れたゲート電極と、前記絶縁層および前記ゲート電極を
貫通して前記カソード電極の一部領域を露出せしめる開
口部と、前記カソード電極の前記露出領域上に該カソー
ド電極と電気的に接続して形成された電子放出膜と、を
備えた電子放出素子において、前記電子放出膜は、前記
露出領域の一部に形成され、且つ、前記開口部の開口中
心からずれた位置に配置されていることを特徴とする。

【００２３】また、本発明の電子源は、上記発明に係る
電子放出素子を含む複数の電子放出素子を備えたことを
特徴とする。

【００２４】また、この電子源において、前記電子放出
素子の前記電子放出膜は、該電子放出膜から放出された
電子が、電子源の上方に配設された当該電子源に対応す
るアノード電極の略中央部に到達するように、前記開口
部の開口中心からずれた位置に配置されていることが好
適である。

【００２５】また、前記電子放出素子の前記電子放出膜
は、電子源の中心に近づく方向に、前記開口部の開口中
心からずれた位置に配置されていることも好適である。

【００２６】また、上記の各電子源において、開口中心
からずれた位置に配置されている電子放出膜を有する前
記電子放出素子は、電子源の周辺部に配置されているこ
とが好適である。このとき、電子放出素子の位置が電子
源の中心から離れるにしたがって、その電子放出素子の
電子放出膜のずれ量が大きくなるようにすることも好ま
しい。

【００２７】また、上記の各電子源において、前記開口
部の開口形状は、円形、楕円形、矩形、多角形のいずれ
かであることが好ましい。

【００２８】さらに、他の発明の電子放出素子は、基板
上に配置されたゲート電極と、絶縁層を介して前記ゲー
ト電極上に積層されたカソード電極と、該カソード電極
上に該カソード電極と電気的に接続して形成された電子
放出膜と、を備えた電子放出素子において、前記電子放
出膜は、前記カソード電極表面の一部に形成され、且
つ、該カソード電極表面の中心からずれた位置に配置さ
れていることを特徴とする。

【００２９】また、他の発明の電子源は、この電子放出
素子を含む複数の電子放出素子を備えたことを特徴とす
る。

【００３０】また、この電子源において、前記電子放出
素子の前記電子放出膜は、該電子放出膜から放出された
電子が、電子源の上方に配設された当該電子源に対応す
るアノード電極の略中央部に到達するように、前記カソ
ード電極表面の中心からずれた位置に配置されているこ
とが好適である。

【００３１】また、前記電子放出素子の前記電子放出膜
は、電子源の中心に近づく方向に、前記カソード電極表
面の中心からずれた位置に配置されていることも好適で
ある。

【００３２】また、カソード電極表面の中心からずれた
位置に配置されている電子放出膜を有する前記電子放出
素子は、電子源の周辺部に配置されていることが好適で
ある。この場合も上記と同様、電子放出素子の位置が電
子源の中心から離れるにしたがって、その電子放出素子
の電子放出膜のずれ量が大きくなるようにすることも好
ましい。

【００３３】上記各電子放出素子および各電子源におい
て、前記電子放出膜の材料は、ダイヤモンドまたはダイ
ヤモンドライクカーボンを含むことが好ましい。

【００３４】また、本発明の電子源集合体は、上記のい
ずれかの電子源を複数備え、前記カソード電極に結線さ
れる複数のカソード配線、および前記ゲート電極に結線
される複数のゲート配線によって、前記複数の電子源を
マトリクス状に配線してなることを特徴とする。

【００３５】また、本発明の画像形成装置は、この電子
源集合体と、該電子源集合体から放出された電子によっ
て画像を形成する画像形成部材と、を備えたことを特徴
とする。

【００３６】ここで、前記画像形成部材は、電子の衝突
によって発光する蛍光体であることが好ましい。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００３８】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態に係る電子放出素子を示す模式図であり、
図１（ａ）はＺ−Ｘ断面図、図１（ｂ）はＸ−Ｙ平面図
である。

【００３９】同図に示すように、電子放出素子は、基板
１上に配置されたカソード電極２と、絶縁層３を介して
カソード電極２上に積層されたゲート電極４と、絶縁層
３およびゲート電極４を貫通してカソード電極の一部領
域を露出せしめる開口部と、カソード電極２の露出領域
上に形成された電子放出膜５と、を備えて構成される。
電子放出膜５はカソード電極２と電気的に接続されてい
る。なお、カソード電極２，絶縁層３，ゲート電極４の
厚さはほぼ一定である。

【００４０】また、７は、電子放出素子の上方に距離Ｈ
だけ離れて配置されたアノード電極である。アノード電
極７には、高圧電源８によりアノード電圧（加速電圧）
Ｖａが与えられる。なお、アノード電極−素子間距離Ｈ
を定義する際の素子の位置とは、通常はカソード電極２
の位置を基準とすればよい。

【００４１】本実施の形態の電子放出膜５は、幅Ｗ２、
長さＬ１の略矩形状に形成されている。ここでカソード
電極２の露出領域の幅（開口部の幅）をＷ１とすると、
Ｗ１＞Ｗ２に設定される。また、電子放出膜５の配置位
置は、開口中心からずれた位置に配置される。すなわ
ち、本実施の形態では、電子放出膜５をカソード電極２
の露出領域の一部に形成し、且つ、電子放出膜５を開口
部の開口中心からずれた位置に配置している。このと
き、図１（ｂ）のようにＺ方向からみたときに、電子放
出膜５がカソード電極２の露出領域（開口部）に対して
非対称な位置に配置されることになる。

【００４２】上記構成の電子放出素子において、駆動電
源６によりカソード電極２とゲート電極４の間に駆動電
圧Ｖｇを印加すると、電子放出膜５から電子が放出され
る。この放出電子は、アノード電極７に印加されたアノ
ード電圧Ｖａによって加速され、アノード電極７に捕捉
される。これにより電子放出電流Ｉｅが検出される。

【００４３】ここで、Ｚ−Ｘ平面において、図１（ａ）
のＡで示される部分を座標（０，０）とし、Ｂで示され
る部分を、（ａ，０）とする。このとき、電子放出膜５
の幅Ｗ１とＸ方向の位置を適宜に調節することで、電子
ビーム径を制御することができる。

【００４４】電子放出膜５の大きさおよび位置は、そこ
から放出された電子ｅが、電子源の上方に配設された当
該電子源に対応するアノード電極７の略中央部に到達す
るように決定される。たとえば、図２に示すように、電
子放出膜５の幅Ｗ１をカソード電極２の露出領域の幅Ｗ
２の約半分の大きさに設定し、その電子放出膜５を、電
子源の中心に近づく方向にずらして形成するとよい。

【００４５】電子放出膜５から放出される電子は、カソ
ード電極２とゲート電極４の間に形成された等電位面９
に略垂直な方向の軌道をとるので、電子放出部位置（Ｘ
座標）と電子ビームの広がりとの関係は図３のようにな
る。つまり、電子放出膜５のうち開口中心近傍の電子放
出部から放出される電子ビームはほとんど広がりを持た
ず、開口中心から離れるにしたがって、電子ビームの広
がりが大きくなるのである。

【００４６】したがって、図２の構成の電子放出素子に
あっては、電子源中央部方向に向かう軌道をとる電子と
略直上方向に向かう軌道をとる電子が主に放出され、ビ
ーム径を広げる方向（電子源中央部から遠ざかる方向）
に軌道をとる電子の放出はほとんど起こらなくなる。こ
のように、電子放出膜５の大きさと位置とを適宜に調節
することによって、余分な放出電子、散乱を無くするこ
とができ、電子放出素子自体のビーム径の収束が実現で
きる。

【００４７】図４は、上記構成の電子放出素子を含む複
数の電子放出素子を備えて構成した電子源の模式的断面
図である。同図に示すように、電子源の中央部には、カ
ソード電極２の露出領域全体に形成された電子放出膜５
を有する電子放出素子が配置されており、電子源の周辺
部には、本実施の形態の電子放出素子が配置されてい
る。

【００４８】このように、電子源周辺部に配置された電
子放出素子の電子放出膜５を、電子源の中心に近づく方
向に開口中心からずらして形成することにより、電子源
周辺部に存在する電子放出素子から放出される電子の広
がりを抑え、電子源全体のビーム収束を図ることができ
る。

【００４９】なお、１つの電子源は数個〜数百個の電子
放出素子で構成されることが一般的である。電子放出素
子の配列としては、Ｘ方向とＹ方向とにそれぞれ直線状
に配列したものや、同心円状に配列したもの、放射状に
配列したものなどがある。このとき、電子放出素子の位
置が電子源の中心から離れるにしたがって、その電子放
出素子の電子放出膜５のずれ量が大きくなるようにする
ことが好ましい。ここで「ずれ量」とは、カソード電極
２の露出領域の中心と電子放出膜５の中心との距離で定
義される。つまり、電子放出素子の位置が電子源の中心
から離れるにしたがって、電子放出膜５の大きさが小さ
くなるともいえる。

【００５０】このように、電子源における電子放出素子
の位置に応じて、当該電子放出素子の電子放出膜の大き
さおよび位置を変化させ、各電子放出素子から適宜のビ
ーム径の電子ビームを得ることにより、放出電流を確保
しつつ電子ビームの広がりを抑えることが可能となる。

【００５１】なお、ゲート電極４における開口部の開口
形状としては、本実施の形態で示した矩形状の他にも、
たとえば円形、楕円形、多角形などを選択することがで
きる。

【００５２】電子放出膜５の材料としては、ダイヤモン
ドやダイヤモンドライクカーボンなどの低仕事関数の材
料を選択することで、素子駆動電圧を低くできる。

【００５３】図５および図６は、本実施の形態の電子放
出素子を作製する方法の一例を説明する図である。

【００５４】以下、図５，図６を参照して、本実施の形
態の電子放出素子の製造方法の一例を説明する。

【００５５】図５（ａ）に示すように、予め、その表面
を十分に洗浄した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量
を減少させたガラス、青板ガラス、シリコン基板等にス
パッタ法等によりＳｉＯ₂を積層した積層体、アルミナ
等セラミックスの絶縁性基板のうち、いずれか一つを基
板１として用い、基板１上にカソード電極２を積層す
る。

【００５６】カソード電極２は、導電性を有している。
例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，
Ｐｄ等の金属または合金材料、ＴｉＣ，ＺｒＣ，Ｈｆ
Ｃ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＨｆＢ₂，Ｚｒ
Ｂ₂，ＬａＢ₆，ＣｅＢ₆，ＹＢ₄，ＧｄＢ₄等の硼化物、
ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半
導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン，グラフ
ァイト，ダイヤモンドライクカーボン，ダイヤモンドを
分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。カ
ソード電極２の厚さとしては、数十ｎｍから数ｍｍの範
囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で
選択される。

【００５７】次に、図５（ｂ）に示すように、カソード
電極２の全面に電子放出膜５を堆積する。

【００５８】電子放出膜５は蒸着法、スパッタ法、プラ
ズマＣＶＤ法等の一般的成膜技術で形成される。電子放
出膜５の材料は、低仕事関数の材料を選択するのが好ま
しい。例えば、アモルファスカーボン，グラファイト，
ダイヤモンドライクカーボン，ダイヤモンドを分散した
炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。好ましくは
より仕事関数の低いダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドラ
イクカーボン等が良い。電子放出膜５の膜厚としては、
数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎ
ｍから数十ｎｍの範囲で選択される。

【００５９】次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術によりマスクパターン５１を形成した
後、エッチングを行い、図５（ｄ）のように所望の大き
さ、形状、位置の電子放出膜５を形成する。ここで、電
子放出膜５の大きさおよび位置は、電子源全体のビーム
径が最小となる条件に設計、作製される。

【００６０】次に、図５（ｅ）（図６（ａ））に示すよ
うに、絶縁層３、ゲート電極４を堆積する。

【００６１】絶縁層３は、スパッタ法等の一般的な真空
成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法で形成され、その厚さと
しては、数ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましく
は数十ｎｍから数百ｎｍの範囲から選択される。望まし
い材料としてはＳｉＯ₂，ＳｉＮ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＦな
どの高電界に絶えられる耐圧の高い材料が望ましい。

【００６２】ゲート電極４は、カソード電極２と同様に
導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的真
空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成され
る。ゲート電極４の材料は、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃ
ｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金
材料、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ
等の炭化物、ＨｆＢ₂，ＺｒＢ₂，ＬａＢ₆，ＣｅＢ₆，Ｙ
Ｂ₄，ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等の
窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、有機高分子材料等から
適宜選択される。

【００６３】次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術によりマスクパターン５２を形成した
後、図６（ｃ）に示すようにエッチングを行い孔（開口
部）を形成する。このときカソード電極２でエッチング
は停止しても良いし、カソード電極２の一部がエッチン
グされても良い。ただし、エッチング工程はそれぞれの
各層（カソード電極２，絶縁層３，ゲート電極４）の材
料に応じて、エッチング方法を選択する必要がある。

【００６４】これらの電子放出膜５から電子を放出させ
るのに必要な電界としては、できるだけ低くできれば、
駆動電圧をさげられる。たとえば、５×１０⁵Ｖ／ｍ以
下であれば、駆動電圧は十数Ｖ程度に低減でき好まし
い。

【００６５】次に、図６（ｄ）のようにマスクパターン
５１，５２を剥離して本実施の形態の電子放出素子が完
成する。

【００６６】孔の径Ｗ１は、素子の電子放出特性に大き
く依存する因子であり、素子を構成する材料の特性、特
に電子放出膜の仕事関数や膜厚、素子の駆動電圧、その
時に必要とする電子放出ビームの形状により適宜設定さ
れる。通常、Ｗ１は数百ｎｍから数十μｍの範囲から選
択される。

【００６７】孔の開口形状は特に定められるものではな
い。孔の長さは、電子放出量に依存する因子であり適宜
設定される。

【００６８】さらに、電子放出膜５はダイヤモンド薄
膜、またはダイヤモンドライクカーボン等を所望の場所
に選択的に堆積する場合もある。

【００６９】ここで述べた電子源は積層を繰り返した非
常に単純な構成であり、簡便で、製造プロセスが容易で
あり、歩留まり良く製造できる。

【００７０】次に、本発明の実施の形態に係る電子源の
応用例について以下に述べる。

【００７１】図７は、上記電子源を複数備えた電子源集
合体の構成を模式的に示した平面図である。また、図８
は、図７の電子源集合体を用いた画像形成装置の構成を
模式的に示した斜視図である。

【００７２】電子源集合体における電子源の配列につい
ては、種々のものが採用される。図７には、その一例と
して、電子源をＸ方向およびＹ方向に行列状に複数個配
し、同じ行に配された複数の電子源のカソード電極をＸ
方向の配線（カソード配線）に共通に結線し、同じ列に
配された複数の電子源のゲート電極をＹ方向の配線（ゲ
ート配線）に共通に接続してなる単純マトリクス配置の
ものを示す。以下単純マトリクス配置について詳述す
る。

【００７３】図７，図８において、６１は電子源基体、
６２はＸ方向配線、６３はＹ方向配線である。６４は本
発明の実施の形態に係る電子源である。

【００７４】ｍ本のＸ方向配線６２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，…，Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、真空蒸着法、印
刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で
構成することができる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜
設計される。Ｙ方向配線６３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，…，
Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線６２と同様に
形成される。これらｍ本のＸ方向配線６２とｎ本のＹ方
向配線６３との間には、層間絶縁層（不図示）が設けら
れており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共
に正の整数）。

【００７５】層間絶縁層（不図示）は、真空蒸着法、印
刷法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ_２等で構
成される。例えば、Ｘ方向配線６２を形成した基体６１
の全面或いは一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方
向配線６２とＹ方向配線６３の交差部の電位差に耐え得
るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向
配線６２とＹ方向配線６３は、それぞれ外部端子として
引き出されている。

【００７６】電子源６４を構成するｍ本のＸ方向配線６
２は、カソード電極２をかねる場合もあり、ｎ本のＹ方
向配線６３は、ゲート電極４をかねる場合があり、層間
絶縁層は絶縁層３をかねる場合がある。

【００７７】Ｘ方向配線６２には、Ｘ方向に配列した電
子源６４の行を選択するための走査信号を印加する不図
示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線
６３には、Ｙ方向に配列した電子源６４の各列を入力信
号に応じて変調するための不図示の変調信号発生手段が
接続される。各電子源に印加される駆動電圧は、当該素
子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給
される。

【００７８】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。このような単純マトリクス配置の電子
源を用いて構成した画像形成装置について、図８を用い
て説明する。図８は、画像形成装置の表示パネルの一例
を示す模式図である。

【００７９】図８において、７１は電子源、８１は電子
源を複数配した電子源基板、９１は電子源基板８１を固
定したリアプレート、９６はガラス基体９３の内面に蛍
光膜９４とメタルバック９５等が形成されたフェースプ
レートである。９２は、支持枠であり、該支持枠９２に
は、リアプレート９１、フェースプレート９６がフリッ
トガラスなどを用いて接続される。

【００８０】外囲器（パネル）９８は、上述の如く、フ
ェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で
構成される。リアプレート９１は主に基板８１の強度を
補強する目的で設けられるため、基板８１自体で十分な
強度を持つ場合は別体のリアプレート９１は不要とする
ことができ、基板８１とリアプレート９１が一体構成の
部材であっても構わない。

【００８１】支持枠９２の蛍光膜９４とメタルバック９
５とをその内側表面に配置したフェースプレート９６と
リアプレート９１と支持枠９２とが接合する接着面にフ
リットガラスを塗布し、フェースプレート９６と支持枠
９２とリアプレート９１とを、所定の位置で合わせ、固
定し、加熱して焼成し封着する。

【００８２】また、焼成し封着する加熱手段は、赤外線
ランプ等を用いたランプ加熱、ホットプレート等、種々
のものが採用でき、これらに限定されるものではない。

【００８３】また、外囲器を構成する複数の部材を加熱
接着する接着材料は、フリットガラスに限るものではな
く、封着工程後、充分な真空雰囲気を形成できる材料で
あれば、種々の接着材料を採用することができる。

【００８４】上述した外囲器は、本発明の一実施態様で
あり、限定されるものではなく、種々のものが採用でき
る。

【００８５】他の例として、基板８１に直接支持枠９２
を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び基体
８１で外囲器９８を構成しても良い。また、フェースプ
レート９６、リアプレート９１間に、スペーサーとよば
れる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対
して十分な強度をもつ外囲器９８を構成することもでき
る。

【００８６】また、図９にフェースプレート９６に形成
された蛍光膜９４を模式図で示す。蛍光膜９４は、モノ
クロームの場合は蛍光体８５のみから構成することがで
きる。カラーの蛍光膜の場合は、ブラックストライプ
（同図（ａ））、ブラックマトリクス（同図（ｂ））な
どと呼ばれる黒色導電材８６と蛍光体８５とから構成す
ることができる。

【００８７】ブラックストライプ、ブラックマトリクス
を設ける目的は、カラー表示の場合、必要となる三原色
蛍光体の各蛍光体８５間の塗り分け部を黒くすることで
混色等を目立たなくすることと、蛍光膜９４における外
光反射によるコントラストの低下を抑制することにあ
る。ブラックストライプの材料としては、通常用いられ
ている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光
の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。

【００８８】ガラス基体９３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等
が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバ
ック９５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、
蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート９
６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させるこ
と、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作
用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によ
るダメージから蛍光膜９４を保護すること等である。メ
タルバック９５は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面
の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）
を行い、その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させるこ
とで作製できる。

【００８９】フェースプレート９６には、更に蛍光膜９
４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【００９０】本実施の形態においては、電子放出素子７
１の直上に電子ビームが到達するため、電子放出素子７
１の直上に蛍光膜９４が配置されるように、位置あわせ
されて構成される。

【００９１】次に、封着工程を施した外囲器（パネル）
を封止する真空封止工程について説明する。

【００９２】真空封止工程は、外囲器（パネル）９８を
加熱して、８０〜２５０℃に保持しながら、イオンポン
プ、ソープションポンプなどの排気装置によりの排気管
（不図示）を通じて排気し、有機物質の十分少ない雰囲
気にした後、排気管をバーナーで熱して溶解させて封じ
きる。外囲器９８の封止後の圧力を維持するために、ゲ
ッター処理を行なうこともできる。これは、外囲器９８
の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは
高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器９８内の所定
の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、蒸着
膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成
分であり、該蒸着膜の吸着作用により、外囲器９８内の
雰囲気を維持するものである。

【００９３】以上の工程によって製造された単純マトリ
クス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置は、各
電子源の各電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘ
ｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎを介して電圧を印加することによ
り、電子放出が生ずる。

【００９４】高圧端子９７を介してメタルバック９５、
あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビー
ムを加速する。

【００９５】加速された電子は、蛍光膜９４に衝突し、
発光が生じて画像が形成される。

【００９６】図１０は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応
じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図
である。

【００９７】走査回路１３０２について説明する。同回
路は、内部にＭ個のスイッチング素子（図中、Ｓ１ない
しＳｍで模式的に示している）を備えたものである。各
スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘ１の出力電圧もし
くは電圧源Ｖｘ２のいずれか一方を選択し、表示パネル
１３０１の端子Ｄｘ１ないしＤｘｍと電気的に接続され
る。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回路１
３０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作す
るものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素子
を組み合わせることにより構成することができる。

【００９８】直流電圧源は、電子放出素子の特性に基づ
き設定されている。

【００９９】制御回路１３０３は、外部より入力する画
像信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の
動作を整合させる機能を有する。制御回路１３０３は、
同期信号分離回路１３０６より送られる同期信号Ｔｓｙ
ｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆ
ｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１００】同期信号分離回路１３０６は、外部から入
力されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と
輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数
分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信
号分離回路１３０６により分離された同期信号は、垂直
同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便
宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号か
ら分離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号
と表した。このＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１３０４
に入力される。

【０１０１】シフトレジスタ１３０４は、時系列的にシ
リアルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライ
ン毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記
制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づ
いて動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは，シフトレジ
スタ１３０４のシフトクロックであるということもでき
る。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータ
は、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１３０４より出力される。

【０１０２】ラインメモリ１３０５は、画像１ライン分
のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに
従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶さ
れた内容は、Ｉ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎとして出力され、変
調信号発生器１３０７に入力される。

【０１０３】変調信号発生器１３０７は、画像データ
Ｉ′ｄ１乃至Ｉ′ｄｎの各々に応じて電子放出素子の各
々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信
号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１
３０１内の電子源（電子放出素子）に印加される。

【０１０４】本素子にパルス状の電圧を印加する場合、
例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は
生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合に
は電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖ
ｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御す
ることが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させ
ることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御
する事も可能である。

【０１０５】従って、入力信号に応じて、電子放出素子
を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調
方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１３０７として、一定長さの電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの
波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いるこ
とができる。

【０１０６】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１３０７として、一定の波高値の電圧パ
ルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パル
スの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用い
ることができる。

【０１０７】シフトレジスタ１３０４やラインメモリ１
３０５は、デジタル信号式あるいはアナログ信号式のも
のを採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行われれば良いからである。

【０１０８】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１３０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号
化する必要があるが、これには１３０６の出力部にＡ／
Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ
１３０５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かに
より、変調信号発生器１３０７に用いられる回路が若干
異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用いた電圧
変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えば
Ｄ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付
加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１３
０７には、例えば高速の発振器および発振器の出力する
波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値
と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレー
タ）を組み合せた回路を用いる。必要に応じて、比較器
の出力するパルス幅変調された変調信号を電子放出素子
の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加する
こともできる。

【０１０９】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１３０７には、例えばオペアンプな
どを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシ
フト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方
式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）
を採用でき、必要に応じて電子電子放出素子の駆動電圧
まで電圧増幅するための増幅器を付加することもでき
る。

【０１１０】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、種々の変形
が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙
げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡ
Ｌ，ＳＥＣＡＭ方式などの他、これらよりも多数の走査
線からなるＴＶ信号（例えば、ＭＵＳＥ方式をはじめと
する高品位ＴＶ）方式をも採用できる。

【０１１１】また表示装置の他、感光性ドラム等を用い
て構成された光プリンターとしての画像形成装置等とし
ても用いることができる。

【０１１２】次に、本実施の形態に係る電子放出素子、
電子源および画像形成装置の実施例について、図面を参
照して詳しく説明する。

【０１１３】［電子放出素子の実施例］図１１は、本実
施例の電子放出素子の概略構成を示す断面図である。本
実施例の電子放出素子の製造方法について以下に説明す
る。なお、製造方法については先に用いた図５および図
６をここでも参照することとする。

【０１１４】（工程１）まず、図５（ａ）に示すよう
に、基板１に石英を用い、十分洗浄を行った後、スパッ
タ法によりカソード電極２として、厚さ１０００ｎｍの
Ｔａを形成した。

【０１１５】（工程２）次に、図５（ｂ）に示すよう
に、ｒｆプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボ
ンの電子放出膜５をカソード電極全面に２０ｎｍ程度堆
積した。そのときの成膜ガスは、ＣＨ₄＋Ａｒガスを用
いた。

【０１１６】（工程３）次に、図５（ｃ）に示すよう
に、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト
（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティ
ング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、マスク
パターン５１を形成した。

【０１１７】（工程４）次に、図５（ｄ）に示すよう
に、Ｈ₂プラズマにより、ダイヤモンドライクカーボン
の電子放出膜５をエッチングした。

【０１１８】（工程５）次に、図５（ｅ）（図６
（ａ））に示すように、絶縁層３として、プラズマＳｉ
Ｏ₂を７００ｎｍ、を堆積させ、ケミカルメカニカルポ
リシング法により、表面を２００ｎｍ削り、平滑化した
後、ゲート電極４として、Ｔａを１００ｎｍスパッタに
より堆積させた。

【０１１９】（工程６）次に、図６（ｂ）に示すよう
に、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト
（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティ
ング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、マスク
パターン５２を形成した。

【０１２０】（工程７）次に、図６（ｃ）に示すよう
に、マスクパターン５２をマスクとして、Ｔａのゲート
電極４及び絶縁層３をＣＦ４ガスを用いてそれぞれドラ
イエッチングし、カソード電極２で停止させ、幅Ｗ１が
０．５μｍ、幅Ｌ１が１００μｍの開口を形成した。

【０１２１】（工程８）次に、図６（ｄ）に示すよう
に、マスクパターン５１，５２を完全に除去する。

【０１２２】以上のようにして作製した電子放出素子
を、アノード電極−素子間距離Ｈ＝１ｍｍとして配置し
た。Ｖａ＝５ｋＶ、Ｖｇ＝１０Ｖとした。このときの、
電子放出素子のＺ−Ｘ断面図および平面図を図１１
（ａ）、図１１（ｂ）に示す。

【０１２３】このようにして作製した電子放出素子と、
比較例として、電子放出膜５をカソード電極２の露出領
域全面に積層させた電子放出素子とを用意し、これら２
つの電子放出素子を同時に駆動させて比較することとし
た。なお、比較例の電子放出素子は、電子放出膜５の構
成以外は本実施例のものと同様である。

【０１２４】アノード電極７として蛍光体を塗布した電
極を用い、２つの電子放出素子の電子ビームのサイズを
観察した。なお、ここで電子ビームのサイズとは、発光
した蛍光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズ
とした。

【０１２５】その結果、本実施例の電子放出素子では、
比較例と比べて、収束した形状の電子ビームが得られ
た。このときのＸ方向のビーム径の減少は、比較例に対
して約−３５％であった。

【０１２６】［電子源の実施例１］図１２は、本実施例
の電子源の概略構成を示す断面図である。本実施例の電
子源の製造方法について以下に説明する。

【０１２７】（工程１）上記の電子放出素子の実施例の
工程１に同じ。

【０１２８】（工程２）次に、ｒｆプラズマＣＶＤ法で
ダイヤモンドライクカーボンの電子放出膜５をカソード
電極全面に５０ｎｍ程度堆積した。そのときの成膜ガス
は、ＣＨ₄＋Ａｒガスを用いた。

【０１２９】（工程３）〜（工程８）上記の電子放出素子の実施例の工程３〜工程８に同じ。

【０１３０】以上のようにして作製した電子源を、アノ
ード電極−素子間距離Ｈ＝１ｍｍとして配置した。Ｖａ
＝５ｋＶ、Ｖｇ＝１０Ｖとした。このときの、電子源の
Ｚ−Ｘ断面図を図１２に示す。実施例１の電子源におい
て、電子放出素子は３つ有り、電子放出素子間は４．５
μｍ、周辺部の電子源の外側の側壁は０．５μｍになる
ように作製した。中央部の電子放出膜５はカソード電極
全面に、周辺部の電子放出膜は、幅Ｗ２＝０．４μｍと
なるように成膜している。なお、本電子源において、カ
ソード電極２は、絶縁層３及びゲート電極４よりも、Ｘ
軸方向に１２μｍずつ長い。

【０１３１】このようにして作製した電子源と、比較例
として、電子放出膜５をカソード電極２の露出領域全面
（電子源の両端に１２μｍずつ設けた露出部分は除く）
に積層させた電子放出素子のみからなる電子源とを用意
し、これら２つの電子源を同時に駆動させて比較するこ
ととした。なお、比較例の電子源は、電子放出膜５の構
成以外は本実施例のものと同様である。

【０１３２】アノード電極７として蛍光体を塗布した電
極を用い、２つの電子源の電子ビームのサイズを観察し
た。なお、ここで電子ビームのサイズとは、発光した蛍
光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズとし
た。

【０１３３】その結果、本実施例の電子源では、比較例
と比べて、各電子放出素子からの電子ビームが電子源中
央部に集まった形状となった。このときのＸ方向のビー
ム径の減少は、比較例に対して約−２５％であった。

【０１３４】［電子源の実施例２］図１３は、本実施例
の電子源の概略構成を示す断面図である。本実施例の電
子源の製造方法について以下に説明する。

【０１３５】（工程１）上記の電子放出素子の実施例の
工程１に同じ。

【０１３６】（工程２）次に、ｒｆプラズマＣＶＤ法で
ダイヤモンドライクカーボンの電子放出膜５をカソード
電極全面に５０ｎｍ程度堆積した。そのときの成膜ガス
は、ＣＨ₄＋Ａｒガスを用いた。

【０１３７】（工程３）〜（工程８）上記の電子放出素子の実施例の工程３〜工程８に同じ。

【０１３８】以上のようにして作製した電子源を、アノ
ード電極−素子間距離Ｈ＝１ｍｍとして配置した。Ｖａ
＝５ｋＶ、Ｖｇ＝２０Ｖとした。このときの、電子源の
Ｚ−Ｘ断面図を図１３に示す。実施例２の電子源におい
て、電子放出素子は３つ有り、電子放出素子間は４．５
μｍ、周辺部の電子源の外側の側壁は１３μｍになるよ
うに作製した。中央部の電子放出膜５はカソード電極全
面に、周辺部の電子放出膜は、幅Ｗ２＝０．４μｍとな
るように成膜している。

【０１３９】このようにして作製した電子源と、比較例
として、電子放出膜５をカソード電極２の露出領域全面
に積層させた電子放出素子のみからなる電子源とを用意
し、これら２つの電子源を同時に駆動させて比較するこ
ととした。なお、比較例の電子源は、電子放出膜５の構
成以外は本実施例のものと同様である。

【０１４０】アノード電極７として蛍光体を塗布した電
極を用い、２つの電子源の電子ビームのサイズを観察し
た。なお、ここで電子ビームのサイズとは、発光した蛍
光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズとし
た。

【０１４１】その結果、本実施例の電子源では、比較例
と比べて、各電子放出素子からの電子ビームが電子源中
央部に集まった形状となった。このときのＸ方向のビー
ム径の減少は、比較例に対して約−８％であった。

【０１４２】［画像形成装置の実施例］上記実施例１の
電子源を用いて画像形成装置を作製した。

【０１４３】実施例１の電子源を１０×１０の単純マト
リクス状に配置した。電子源は、横１００μｍ、縦１０
０μｍのピッチで配置した。電子源上部には、１ｍｍに
距離を隔てた位置に蛍光体を配置した。蛍光体には加速
電圧として５ｋＶの電圧を印加した。電子源駆動電圧は
Ｖｇ＝１０Ｖとした。

【０１４４】この結果、高精細な画像形成装置が形成で
きた。

【０１４５】（第２の実施の形態）図１４には、本発明
の第２の実施の形態に係る電子放出素子が示されてい
る。上記第１の実施の形態では、平らなカソード電極を
用いたが、本実施の形態では、開口部のカソード電極
（カソード電極の露出領域）の一部を掘り込んだ構成と
した。

【０１４６】その他の構成および作用については第１の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【０１４７】本実施の形態の電子放出素子においても、
電子放出膜５をカソード電極２の露出領域の一部に形成
し、且つ、電子放出膜５を開口部の開口中心からずれた
位置に配置している。

【０１４８】さらに、本実施の形態では、カソード電極
２の露出領域の一部に凹部を設けている。これにより、
カソード電極２とゲート電極４の間の等電位面９は、カ
ソード電極２の凹部の形状に沿って形成され、電子放出
膜５の周囲において電子源中央部を臨む方向に傾斜す
る。

【０１４９】上述したように、電子放出膜５から放出さ
れた電子は等電位面９に略垂直な方向の軌道をとるの
で、本実施の形態にあっては、放出電子の軌道が電子源
中央部方向に傾斜することとなる。

【０１５０】したがって、本実施の形態の構成によれ
ば、電子ビームに電子源中央部に向かう指向性を付与す
ることができ、上記第１の実施の形態と同様の作用効果
に加え、さらに電子ビームを収束させることが可能とな
る。

【０１５１】なお、本実施の形態の電子放出素子につい
ても実施例による試験を行った。

【０１５２】実施例の概略構成は、上記第１の実施の形
態の電子放出素子の実施例と同様である。ただしカソー
ド電極２の露出領域を約１００ｎｍエッチングして凹部
を形成した。

【０１５３】このようにして作製した電子放出素子を、
アノード電極−素子間距離Ｈ＝１ｍｍとして配置した。
Ｖａ＝５ｋＶ、Ｖｇ＝２０Ｖとした。

【０１５４】この電子放出素子と、上記第１実施の形態
の電子放出素子の実施例において用いた比較例の電子放
出素子とを同時に駆動させて比較することとした。

【０１５５】アノード電極７として蛍光体を塗布した電
極を用い、２つの電子放出素子の電子ビームのサイズを
観察した。なお、ここで電子ビームのサイズとは、発光
した蛍光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズ
とした。

【０１５６】その結果、本実施例の電子放出素子では、
比較例と比べて、収束した形状の電子ビームが得られ
た。このときのＸ方向のビーム径の減少は、比較例に対
して約−４０％であった。

【０１５７】（第３の実施の形態）図１５は、本発明の
第３の実施の形態に係る電子放出素子を示す模式的断面
図であり、図１５（ａ）はＺ−Ｘ断面図、図１５（ｂ）
はＸ−Ｙ平面図である。

【０１５８】同図に示すように、本実施の形態の電子放
出素子は、孔構造ではなく、凸構造を有している。すな
わち、電子放出素子は、基板１上に配置されたゲート電
極４と、絶縁層３を介してゲート電極４上に積層された
カソード電極２と、カソード電極２上に形成された電子
放出膜５とを備えて構成される。電子放出膜５はカソー
ド電極２と電気的に接続されている。なお、カソード電
極２，絶縁層３，ゲート電極４の厚さはほぼ一定であ
る。

【０１５９】層構造が異なる以外は、上記第１の実施の
形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符
号を付して説明を省略し、ここでは異なる部分を中心に
説明を行う。

【０１６０】本実施の形態の電子放出膜５は、幅Ｗ２、
長さＬ１の略矩形状に形成されている。ここでカソード
電極２の幅をＷ１とすると、Ｗ１＞Ｗ２に設定される。
また、電子放出膜５の配置位置は、カソード電極２の表
面の中心からずれた位置に配置される。すなわち、本実
施の形態では、電子放出膜５をカソード電極２表面の一
部に形成し、且つ、電子放出膜５をカソード電極２表面
の中心からずれた位置に配置している。このとき、図１
３（ｂ）のようにＺ方向からみたときに、電子放出膜５
がカソード電極２表面に対して非対称な位置に配置され
ることになる。

【０１６１】上記構成の電子放出素子において、駆動電
源６によりカソード電極２とゲート電極４の間に駆動電
圧Ｖｇを印加すると、電子放出膜５から電子が放出され
る。この放出電子は、アノード電極７に印加されたアノ
ード電圧Ｖａによって加速され、アノード電極７に捕捉
される。

【０１６２】電子放出膜５の大きさおよび位置は、そこ
から放出された電子ｅが、電子源の上方に配設された当
該電子源に対応するアノード電極７の略中央部に到達す
るように決定される。たとえば、図１３に示すように、
電子放出膜５の幅Ｗ１をカソード電極２表面の幅Ｗ２の
約半分の大きさに設定し、その電子放出膜５を、電子源
の中心に近づく方向にずらして形成するとよい。

【０１６３】本実施の形態の電子放出素子においても、
上記第１の実施の形態と同様、電子源中央部方向に向か
う軌道をとる電子と略直上方向に向かう軌道をとる電子
が主に放出され、ビーム径を広げる方向（電子源中央部
から遠ざかる方向）に軌道をとる電子の放出はほとんど
起こらなくなる。このように、電子放出膜５の大きさと
位置とを適宜に調節することによって、余分な放出電子
を無くすることができ、電子放出素子自体のビーム径の
収束が実現できる。

【０１６４】そして、本実施の形態の電子放出素子を備
えて電子源を構成することにより、上記第１の実施の形
態と同様、電子ビーム径の縮小の効果を得ることができ
る。このときも、カソード電極表面の中心からずれた位
置に配置されている電子放出膜を有する電子放出素子
を、電子源の周辺部に配置するとよい。

【０１６５】なお、本実施の形態の電子放出素子につい
ても実施例による試験を行った。

【０１６６】電子放出素子を構成する材料、サイズ等
は、上記第１の実施の形態の電子放出素子の実施例と略
同様とした。ただし、カソード電極２の幅Ｗ１は０．５
μｍとし、各層の膜厚については、カソード電極２は１
００ｎｍ、絶縁層３は５００ｎｍ、ゲート電極４は２μ
ｍとした。また、電子放出膜５の幅Ｗ２は０．２μｍと
した。

【０１６７】このようにして作製した電子放出素子を、
アノード電極−素子間距離Ｈ＝１ｍｍとして配置した。
また、駆動条件としては、Ｖａ＝５ｋＶ、Ｖｇ＝２０Ｖ
とした。

【０１６８】この電子放出素子と、カソード電極２表面
全体に電子放出膜５を形成した電子放出素子とを同時に
駆動させて比較したところ、収束した形状の電子ビーム
が得られることが確認できた。

【０１６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子ビーム径の更なる小型化を実現させるとともに、低
電圧で高効率な電子放出素子を提供することができる。

【０１７０】また、本発明による電子放出素子及び電子
源を用いると、画質が良好で高精細であり、性能の優れ
た電子源及び画像形成装置を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
の模式図であり、（ａ）はＺ−Ｘ断面図、（ｂ）はＸ−
Ｙ平面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
の模式的断面図である。

【図３】電子放出部位置と電子ビームの広がりとの関係
を示す模式図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る電子源の模式
的断面図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
の製造方法を示す模式的断面図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子
の製造方法を示す模式的断面図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る電子源集合体
の構成を示す模式的平面図である。

【図８】本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置
の構成を示す模式的斜視図である。

【図９】図８の画像形成装置に備えて好適な蛍光膜の模
式図である。

【図１０】図８の画像形成装置に備えて好適な駆動回路
のブロック図である。

【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素
子の実施例の模式図である。

【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る電子源の実
施例１の模式的断面図である。

【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る電子源の実
施例２の模式的断面図である。

【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る電子放出素
子の模式図であり、（ａ）はＺ−Ｘ断面図、（ｂ）はＸ
−Ｙ平面図である。

【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る電子放出素
子の模式図であり、（ａ）はＺ−Ｘ断面図、（ｂ）はＸ
−Ｙ平面図である。

【図１６】従来の電子放出素子の模式的断面図である。

【図１７】従来の電子源の模式的断面図である。

【符号の説明】

１基板２カソード電極３絶縁層４ゲート電極５電子放出膜６駆動電源７アノード電極８高圧電源９等電位面５１，５２マスクパターン６１基体６２Ｘ方向配線６３Ｙ方向配線６４電子源７１電子放出素子８１電子源基板８５蛍光体８６黒色導電材９１リアプレート９２支持枠９３ガラス基体９４蛍光膜９５メタルバック９６フェースプレート９７高圧端子９８外囲器１３０１表示パネル１３０２走査回路１３０３制御回路１３０４シフトレジスタ１３０５ラインメモリ１３０６同期信号分離回路１３０７変調信号発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に配置されたカソード電極と、絶縁層を介して前記カソード電極上に積層されたゲート
電極と、前記絶縁層および前記ゲート電極を貫通して前記カソー
ド電極の一部領域を露出せしめる開口部と、前記カソード電極の前記露出領域上に該カソード電極と
電気的に接続して形成された電子放出膜と、を備えた電
子放出素子において、前記電子放出膜は、前記露出領域の一部に形成され、且
つ、前記開口部の開口中心からずれた位置に配置されて
いることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】請求項１に記載の電子放出素子を含む複数
の電子放出素子を備えたことを特徴とする電子源。
【請求項３】前記電子放出素子の前記電子放出膜は、該電子放出膜から放出された電子が、電子源の上方に配
設された当該電子源に対応するアノード電極の略中央部
に到達するように、前記開口部の開口中心からずれた位
置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の
電子源。
【請求項４】前記電子放出素子の前記電子放出膜は、電子源の中心に近づく方向に、前記開口部の開口中心か
らずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項
２に記載の電子源。
【請求項５】開口中心からずれた位置に配置されている
電子放出膜を有する前記電子放出素子は、電子源の周辺
部に配置されていることを特徴とする請求項２，３また
は４に記載の電子源。
【請求項６】前記開口部の開口形状は、円形、楕円形、
矩形、多角形のいずれかであることを特徴とする請求項
２〜５のうちいずれか１項に記載の電子源。
【請求項７】基板上に配置されたゲート電極と、絶縁層を介して前記ゲート電極上に積層されたカソード
電極と、該カソード電極上に該カソード電極と電気的に接続して
形成された電子放出膜と、を備えた電子放出素子におい
て、前記電子放出膜は、前記カソード電極表面の一部に形成
され、且つ、該カソード電極表面の中心からずれた位置
に配置されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項８】請求項７に記載の電子放出素子を含む複数
の電子放出素子を備えたことを特徴とする電子源。
【請求項９】前記電子放出素子の前記電子放出膜は、該電子放出膜から放出された電子が、電子源の上方に配
設された当該電子源に対応するアノード電極の略中央部
に到達するように、前記カソード電極表面の中心からず
れた位置に配置されていることを特徴とする請求項８に
記載の電子源。
【請求項１０】前記電子放出素子の前記電子放出膜は、電子源の中心に近づく方向に、前記カソード電極表面の
中心からずれた位置に配置されていることを特徴とする
請求項８に記載の電子源。
【請求項１１】カソード電極表面の中心からずれた位置
に配置されている電子放出膜を有する前記電子放出素子
は、電子源の周辺部に配置されていることを特徴とする
請求項８，９または１０に記載の電子源。
【請求項１２】前記電子放出膜の材料は、ダイヤモンド
またはダイヤモンドライクカーボンを含むことを特徴と
する請求項２〜６および８〜１１のうちいずれか１項に
記載の電子源。
【請求項１３】請求項２〜６および８〜１２のうちいず
れか１項に記載の電子源を複数備えた電子源集合体であ
って、前記カソード電極に結線される複数のカソード配線、お
よび前記ゲート電極に結線される複数のゲート配線によ
って、前記複数の電子源をマトリクス状に配線してなる
ことを特徴とする電子源集合体。
【請求項１４】請求項１３に記載の電子源集合体と、該
電子源集合体から放出された電子によって画像を形成す
る画像形成部材と、を備えたことを特徴とする画像形成
装置。
【請求項１５】前記画像形成部材は、電子の衝突によっ
て発光する蛍光体であることを特徴とする請求項１４に
記載の画像形成装置。