JPS641899B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は受像管に使用する電子銃の電子ビー
ムを集束する電子レンズの改良に関するものであ
る。

〔従来技術とその問題点〕 従来、一般に広く使用されている受像管用電子
銃の電子レンズには、加速形バイポテンシヤル形
とユニポテンシヤル形の２種類がある。加速形バ
イポテンシヤル形電子銃は、現在特にカラー陰極
線管に広く採用されているものであり、第１図に
示すように、左側から中心軸Ｓ上に陰極Ｋ、第１
グリツド１、第２グリツド２、第３グリツド３、
第４グリツド４が順次配列されることによつて構
成されている。電子銃の中心軸Ｓ上に配列された
電子レンズを構成する第４グリツド４には高電圧
が、第３グリツド３には高電圧の約20％程度の中
高圧が印加される。つまり、後段側の第４グリツ
ド４を第３グリツド３よりも高電圧にして、電子
ビームを加速しながら集束させる。

この従来の加速形バイポテンシヤルレンズで
は、高電流領域において集束ビームスポツト径が
大きい。カラー受像管のデルタまたはインライン
形の３本の電子銃に加速形バイポテンシヤル形電
子銃を採用した場合、電子銃を収容するカラー受
像管のネツク部の内径によつて電子レンズの口径
が制限されるため、球面収差が増大し、高電流領
域における集束ビームスポツト径を充分小さくで
きず、受像画面の白文字がぼけたり、太くなる等
の解像度の顕著な損失をまねく欠点を有してい
た。

これに対してユニポテンシヤル形電子銃は、一
部のカラー受像管に使用されているが、この電子
銃の電子レンズは、第２図に示すように３個の電
極より構成されるもので、電子銃の中心軸Ｓ上の
電位分布がほぼ鞍状をなし、主電子レンズの始端
の第３グリツド５と終端の第５グリツド７の電位
が等しく、共に高電圧が印加され、第４グリツド
６にはほぼ接地電位の低電圧が印加される方式で
ある。

この従来のユニポテンシヤル形電子銃の電子レ
ンズは、それ自体の球面収差が大きく、高電流領
域での集束スポツトは、中心部に明かるい小さな
芯と周辺部に暗い大きなハローが生じ、解像度は
良いが鮮鋭度が悪くなるとともに、低電流領域で
の集束ビームスポツトが大きく、この領域での解
像度を劣化させる欠点を有していた。さらに、低
電位の第４グリツド６の両側に高電位の第３及び
第５グリツド５，７が配列される方式であるた
め、受像管内の耐電圧特性を基本的に悪くさせる
欠点を有していた。

このようにバイポテンシヤル形電子銃にしろ、
ユニポテンシヤル形電子銃にしろ、一長一短の特
徴をもつており、低電流領域から高電流領域の全
領域にわたつて解像度を上げることは、これら従
来の方式の電子銃では不可能であり、特に最近、
カラー受像管においては受像画面の輝度を上げる
ために主電子レンズ用のグリツドに印加する高電
圧を30KV近くまで上げ、しかも陰極に高電流を
流して使用することが行われてくると、従来の電
子銃の方式では、とても全電流領域にわたる解像
度の向上に対処することが不可能である。

この発明は上記した点に鑑みてなされたもので
あり、低電流領域から高電流領域の全電流領域に
おいて、電子ビームの集束特性の改善を図つた電
子銃を得ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明は、電子
銃を構成する主電子レンズの前段に加速形バイポ
テンシヤルレンズを配設し、この加速形バイポテ
ンシヤルレンズの物体側の主面を、加速形バイポ
テンシヤルレンズに入射する電子ビームの最外電
子線による虚物体位置に設定している。

発明者らは、主電子レンズと加速形バイポテン
シヤルレンズとの位置関係について研究、開発を
重ね、その過程で特に電子ビーム軌道に注目し、
上記加速形バイポテンシヤルレンズの最適な位置
を見い出すに至つた。

〔作用〕

この発明によれば、電子ビームは、加速形のバ
イポテンシヤルレンズ通過後、その虚物体の位置
をほとんど変えずに、発散角だけが小さくなり、
主電子レンズの球面収差の影響を非常に受けにく
くなり、電子ビームを理想的な状態で絞ることが
できる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面にしたがつて説
明する。

第３図はこの発明の一実施例による電子銃の集
束レンズ系の概略図を示すもので、第３図におい
て、電子銃の中心軸Ｓ上に左側からＫは陰極、１
は第１グリツド、２は第２グリツド、８は第３グ
リツド、９は第４グリツド、１０は最終段に電子
ビームを集束する主電子レンズであり、受像管画
面上（図示せず）に電子ビームを集束するもので
ある。

そして、この実施例の特徴は、主電子レンズ１
０の前段に加速形バイポテンシヤルレンズ、すな
わち第３グリツド８と第４グリツド９で形成され
るレンズを配設し、このレンズの物体側の主面
を、陰極Ｋ、第１グリツド１、第２グリツド２、
第３グリツド８で構成される四極部から放射され
る電子ビームの最外電子線による虚物体位置に設
定したことである。

ここで、加速形バイポテンシヤルレンズの「物
体側の主面」は、「理論応用・電子工学」（昭和15
年７月18日、共立社発行）第126頁〜第130頁に記
載の「第一主面」に相当し、この出願では、加速
形バイポテンシヤルに陰極Ｋとは逆側、つまり主
電子レンズ１０側からの中心軸Ｓと平行な入射電
子線に沿つた直線と、この入射電子線による加速
形バイポテンシヤルレンズ通過後の中心軸Ｓに交
わる電子線に沿つた直線との交点を含む中心軸Ｓ
に垂直な平面を、加速形バイポテンシヤルレンズ
の「物体側の主面」として定義する。

「虚物体位置」は、この出願では、加速形バイ
ポテンシヤルレンズのレンズ作用領域に入射する
直前の陰極Ｋからの電子ビームの最外電子線の入
射してきた方向に沿つた直線と中心軸との交わる
点として定義する。

なお、電子ビームの最外電子線は、加速形バイ
ポテンシヤルレンズのレンズ作用領域に入射する
直前の電子ビームのうち最も外側を通る電子ビー
ムである。

次に、上記加速形バイポテンシヤルレンズの設
定位置について、第４図を用いてさらに詳細に説
明すると、第４図において、H₁は上記で述べた
加速形バイポテンシヤルレンズの物体側の主面、
H₂は加速形バイポテンシヤルレンズの像側の主
面で、上記文献「理論応用・電子工学」に記載の
「第二主面」に相当し、この出願では、加速形バ
イポテンシヤルレンズに陰極Ｋ側からの中心軸と
平行な入射電子線に沿つた直線とこの入射電子線
による加速形バイポテンシヤルレンズ通加後の中
心軸Ｓに交わる電子線に沿つた直線との交点を含
む中心軸Ｓに垂直な平面として定義する。これら
物体側及び像側の主面H₁及びH₂は、物体側及び
像側の焦点距離とともに、レンズの主要定数であ
り、レンズが特定されればレンズの基準面から物
体側及び像側の主面H₁及びH₂までの距離が一義
的に決まつてしまうものである。つまり、第４図
に示す第３グリツド８と第４グリツド９とで形成
される加速形バイポテンシヤルレンズにおいて、
レンズ基準面となるレンズのギヤツプ中心から物
体側の主面H₁までの距離P₁及びギヤツプ中心か
ら像側の主面H₂までの距離P₂は、レンズの半径、
第３グリツド８の印加電圧V₁と第４グリツド１
０の印加電圧V₂との電圧比V₂／V₁、及び第３グ
リツド８と第４グリツド９とのギヤツプG₁のみ
の関数になることは知られており、これらレンズ
の半径、電圧比V₂／V₁及びギヤツプG₁を決めれ
ば上記距離P₁及びP₂も求められるものである。
なお、これら距離P₁及びP₂は「ELECTRON
BEAMS、LENSES、AND OPTICS」（1970年、
ACADEMIC PRESS INC.発行）あるいは
「ELECTROSTATIC LENSES」（1976年、
ELSEVER社発行）により測定でき、特にこの文
献「ELECTRON BEAMS、LENSES、AND
OPTICS」のp.p.96−97にはレンズ半径Ｒで正規
化した寸法が電圧比V₂／V₁の関数として掲載さ
れている。

また、第４図において、Ａは上記で述べた虚物
体位置であり、陰極Ｋ、第１グリツド１、第２グ
リツド２及び第３グリツド８の電位、第１グリツ
ド１、第２グリツド２及び第３グリツド８の穴の
口径、並びに陰極Ｋの電子放射面の位置と第１グ
リツド１、第２グリツド２及び第３グリツド８の
穴を含む平面の位置との位置関係の関数となつて
おり、これら電位の関係、穴の口径及び位置関係
を特定すれば、虚物体位置Ａの位置は決まつてし
まう。なお、第３グリツド８の電極長Ｌは虚物体
位置Ａの位置には影響を及ぼさない。ここで、陰
極Ｋ、第１グリツド１及び第２グリツド２までが
いわゆる三極部であり、電子ビーム発生部として
機能し、受像管に使用する場合、陰極Ｋ、第１グ
リツド１及び第２グリツド２に決められた電圧が
印加された状態で、所定の電流を引き出さなけれ
ばならず、陰極Ｋ、第１グリツド１及び第２グリ
ツド２の電位は事実上決まつてしまい、受像管の
ネツク部によつて電子銃自体の大きさが規制され
るため、陰極Ｋ、第１グリツド１、第２グリツド
２及び第３グリツド８相互の間隔と各電極の穴の
口径も事実上決まつてしまう。従つて、虚物体位
置Ａの位置は、実際上自由度の大きい第３グリツ
ド８の印加電圧V₁によつて選定でき、この第３
グリツド８の印加電圧V₁を決めれば、陰極Ｋか
ら虚物体位置Ａまでの距離P₀も求められる。な
お、この距離P₀は、「電子・イオンビームハンド
ブツク」（昭和48年12月20日、日刊工業新聞社発
行）第206頁から第209頁により測定できる。

この様にして、加速形バイポテンシヤルレンズ
の物体側の主面H₁及び虚物体位置Ａを設定でき
るものであるが、この発明においては、加速形バ
イポテンシヤルレンズの物体側の主面H₁を虚物
体位置Ａに設定したことを特徴としているもので
あり、この点につき以下に説明を加える。

まず、最初に虚物体位置Ａを決める。この虚物
体位置Ａは、上記で述べたように、受像管の電子
銃として使用する場合に、自由度の大きい第３グ
リツド８の印加電圧V₁によつて選定できるから、
この第３グリツド８の印加電圧V₁を決めて、虚
物体位置Ａを特定させ、陰極Ｋから虚物体位置Ａ
までの距離P₀を求める。

次に、第３グリツド８及び第４グリツド９で形
成される加速形バイポテンシヤルレンズの物体側
の主面H₁と加速形バイポテンシヤルレンズのギ
ヤツプ中心面との距離P₁を求める。この距離P₁
は上記で述べたように、受像管の電子銃として使
用する場合に、第３グリツド８の印加電圧V₁と
第４グリツド９の印加電圧V₂との電圧比V₁／V₂
によつて選定でき、かつ第３グリツド８の印加電
圧V₁は虚物体位置Ａを決めたときに決定してい
るため、結局のところ第４グリツド９の印加電圧
V₂によつて選定できるものであり、この第４グ
リツド９の印加電圧V₂を決めて、上記距離P₁を
求める。

この様にして、陰極Ｋから虚物体位置Ａまでの
距離P₀と加速形バイポテンシヤルレンズのレン
ズギヤツプ中心面から加速形バイポテンシヤルレ
ンズの物体側の主面H₁までの距離P₁とが求まる
と、この距離P₁が、上記距離P₀と、陰極Ｋの電
子放射面と第３グリツド８の穴を含む平面との間
隔と、第３グリツド８の電極長Ｌと第３グリツド
８の終端面と加速形バイポテンシヤルレンズのレ
ンズギヤツプ中心面との間隔との和と等しくすれ
ば、加速形バイポテンシヤルレンズの物体側の主
面H₁が虚物体位置Ａと同じ位置になる。なお、
距離P₀は陰極Ｋより後方の場合は正の値とし、
前方の場合は負の値とする。ここで、陰極Ｋから
の電子放射面と第３グリツド８の穴を含む平面と
の間隔は、陰極Ｋ、第１グリツド１及び第２グリ
ツド２による電子ビーム発生部としての機能上、
規制される。従つて、虚物体位置Ａの位置に影響
を及ぼさず、かつ加速形バイポテンシヤルレンズ
のレンズ中心面から加速形バイポテンシヤルレン
ズの物体側の主面H₁までの距離P₁に影響を及ぼ
さない第３グリツド８の電極長Ｌを変えることに
より、加速形バイポテンシヤルレンズのレンズ中
心面から虚物体位置Ａまでの距離を、加速形バイ
ポテンシヤルレンズの中心面から加速形バイポテ
ンシヤルレンズの物体側の主面H₁までの距離と
等しくでき、その結果、加速形バイポテンシヤル
レンズの物体側の主面H₁が陰極線位置Ａと同じ
位置になる。

この様にして加速形バイポテンシヤルレンズの
物体側の主面H₁を虚物体位置Ａと同じ位置とな
した電子銃においては、上記物体側の主面H₁に
おける虚物体の径が最小となり、電子ビームが加
速形バイポテンシヤルレンズの球面収差を受けな
くなる。

つまり、陰極Ｋからの電子ビームは、屈折前と
屈折後の空間を分ける境界面の前後では、その空
間における第３グリツド８の電位V₁及び第４グ
リツド９の電位V₂により加速され、かつ上記境
界面では屈折するだけとなるから、それと等価で
ある加速形バイポテンシヤルレンズの球面収差の
影響を受けないことになり、そして、上述の加速
効果により、加速形バイポテンシヤルレンズ通過
後の電子ビームの発散角θ₂は、もとの電子ビーム
の発散角θ₁に比べてスネルの法則により、θ₂＝θ₁
√_{1 2}に減少させることができ、加速形バイ
ポテンシヤルレンズのレンズ作用領域を通過した
最外電子線Ｘはあたかも加速形バイポテンシヤル
レンズの像側の主面H₂と中心軸Ｓとの交点Ｂか
ら出射されてきた如くの電子軌道をとることにな
る。

次に、加速形バイポテンシヤルレンズの物体側
の主面H₁を虚物体位置Ａと同じ位置にした１つ
の実例を第４図を用いて説明する。

第１グリツド１は板厚0.1mm、穴の口径0.64mm
のものを用い、陰極Ｋの放射面との間隔0.07mmに
して配置し、接地電位とした。第２グリツド２は
板厚0.17mm、穴の口径0.64mmのものを用い、第１
グリツド１との間隔0.3mmとして配置し、700Vの
電圧を印加した。第３グリツド８は第２グリツド
２側の穴の口径1.67mm、第４グリツド９側の穴の
口径5.5mm、電極長Ｌを4.4mmのものを用い、第２
グリツド２側の穴を含む平面と第２グリツド２と
の間隔1.05mmにして配置し、7KVの電圧を印加し
た。第４グリツド９は穴の口径5.5mmのものを用
い、この穴を含む平面と第３グリツド８における
第２グリツド２側の穴を含む平面との間隔（ギヤ
ツプG₁）1.0mmとして配置し、30KVの電圧を印
加した。

この実例において、加速形バイポテンシヤルレ
ンズの物体側の主面H₁が虚物体位置Ａと一致し
ている点について説明する。まず始めに、虚物体
位置Ａを求める。虚物体位置Ａは、陰極Ｋ、第１
グリツド１、第２グリツド２、第３グリツド８で
構成される四極部から放射される電子ビームの最
外電子線によるので、上記構成のものにおいて、
第４グリツド９の印加電圧を7KVとし、陰極電
流を3000μAにして、上記「電子・イオンビーム
ハンドブツク」に示された方法によつて求めた。
その結果、虚物体位置Ａは第１グリツド１と第２
グリツド２との間に存在し、陰極Ｋから虚物体位
置Ａまでの距離P₀は0.32mmであつた。従つて、ギ
ヤツプ中心面から虚物体位置Ａまでの距離P₁は
6.27mm（＝0.5＋4.4＋1.05＋0.17＋0.3＋0.1＋0.07
−0.32）であつた。一方、物体側の主面H₁は、
第３グリツド８の印加電圧V₁と第４グリツド１
０の印加電圧V₂との電圧比V₂／V₁の関数になる
ので、上記「ELECTROSTATIC LENSES」に
示された“レンズ直径Ｒで正規化した寸法と電圧
比V₂／V₁との関係”から電圧比V₂／V₁が4.29
（≒30／７）の時、レンズ直径Ｒで正規化した寸
法として2.28が求められる。従つて、ギヤツプ中
心面から物体側の主面H₁までの距離P₁は6.27mm
（＝2.75×2.28）となる。この実例においては、
物体側の主面H₁が虚物体位置Ａと一致したもの
となつており、この時の第３グリツド８の電極長
Ｌは4.4mmである。

この実例を、実験にて確認したところ、陰極
Ｋ、第１グリツド１、第２グリツド２、第３グリ
ツド８で構成される四極部から放射される電子ビ
ームは、加速形のバイポテンシヤルレンズで、そ
の球面収差の影響を受けることなく、このレンズ
通過後の発散角だけが小さくなるので、主電子レ
ンズ１０での電子ビーム径が小さくなり、主電子
レンズ１０の球面収差の影響を非常に受けにくく
なり、電子ビームを理想的な状態で絞ることがで
きた。例えば第１図に示したような従来の主電子
レンズが単独に存在する電子銃を受像管に使用し
た場合における受像画面での集束電子ビームスポ
ツト径に比べて、中および高電流領域において、
主電子レンズ１０の前段に加速形バイポテンシヤ
ルレンズを配設し、加速形バイポテンシヤルレン
ズの物体側の主面H₁を虚物体位置Ａと同じ位置
とした電子銃を受像管に使用した場合における受
像画面での集束電子ビームスポツト径が、第６図
にその実験データを示すように、20％以上改善、
つまり20％以上小さい径となつた。

また、第４図に示した構成のものにおいて、上
記に示した実例（第３グリツド８の電極長4.4mm、
Ｌ／Ｒ＝1.6）に対して、第３グリツド８の電極
長を変えたものを製作し、コア径とハロー径を測
定したところ第７図の結果を得た。この第７図か
ら明らかな様に、第３グリツド８の電極長を短か
くすれば、コア径は小さくなり、ハロー径は大き
くなることが判る。コア径及びハロー径両者を考
慮すれば、第３グリツド８の電極長を4.4mmにし
たもの、つまり、物体側の主面H₁を虚物体位置
Ａと一致させた実例が最適であることが判る。

今までの説明では、主電子レンズ１０の方式は
特に指定していないが、主電子レンズ１０として
バイポテンシヤル形またはユニポテンシヤル形の
電子レンズを採用することができた。

次に、主電子レンズ１０にユニポテンシヤル形
電子レンズを採用した電子銃の実施例を第５図に
示す。

第３図と同一のものは同一符号を付しており、
１１は第５グリツド、１２は第６グリツドであ
り、第３グリツド８には中高圧の7KVを印加し、
第４グリツド１９には高圧30KVが印加され、第
３グリツド８と第４グリツド９で加速形バイポテ
ンシヤルレンズを構成する。そして、第３グリツ
ド８の電極の長さＬを、上記で述べた如く、陰極
Ｋから虚物体位置Ａまでの距離P₀と、加速形バ
イポテンシヤルレンズのギヤツプ中心面から加速
形バイポテンシヤルの物体側の主面H₁までの距
離P₁を求め、この距離P₁が加速形バイポテンシ
ヤルレンズのギヤツプ中心面から虚物体位置Ａま
での距離と等しくなるように設定した。

なお、この実施例においては、第３グリツド８
の印加電圧V₁と第４グリツド９の印加電圧V₂を
固定して、第３グリツド８の電極長Ｌを調整する
ものとしたが、第３グリツド８の印加電圧V₁及
び電極長Ｌを固定し、第４グリツド９の印加電圧
V₂を調整して、加速形バイポテンシヤルレンズ
のギヤツプ中心面から加速形バイポテンシヤルレ
ンズの物体側の主面H₁までの距離P₁を変えるよ
うにし、この距離P₁を加速形バイポテンシヤル
レンズのギヤツプ中心から虚物体位置Ａまでの距
離に等しくなるように、第４グリツド９の印加電
圧V₂を設定しても良いものである。

また、第５図に示した実施例において、第４グ
リツド９は加速形バイポテンシヤルレンズと主電
子レンズ１０とを接続する電極である。また、第
４グリツド９、第５グリツド１１、第６グリツド
１２より構成される主電子レンズ１０では、第５
グリツド１１の長さは、その球面収差を小さくす
るために、少なくとも各グリツドの口径R₂の２
倍以上の長さにした方が良い。同様に主電子レン
ズ１０の球面収差を小さくするために、口径R₂
も許される限り大きくした方が良い。普通第４グ
リツド９と第６グリツド１２は、内部リードによ
り接続されており、両者に高圧30KVが印加さ
れ、第５グリツド１１には10KV程度の可変でき
る中高圧が印加される。従つて、第５グリツド１
２の両側に30KVの高電圧が印加されても、電極
間耐電圧特性の劣化をまねくことはない。

また、この実施例においては、加速形バイポテ
ンシヤルレンズを構成する第３グリツド８及び第
４グリツド９の穴の口径R₁と主電子レンズ１０
を構成する第４グリツド９、第５グリツド１１及
び第６グリツド１２の穴の口径R₂とを異なつた
ものとして示しているが、これら両口径R₁及び
R₂は同径であつても良く、同径とした場合には、
マンドレルの位置合せなどの点で各電極の製造・
組立が容易になる。

〔発明の効果〕

この発明は以上に述べたように、主電子レンズ
の前段に加速形バイポテンシヤルレンズを設け、
かつ、この加速形バイポテンシヤルレンズの物体
側の主面を、虚物体位置と同じ位置にしたので、
低電流領域から高電流領域での電子ビームの集束
特性を改良することができ、明かるい画面でシヤ
ープな画質を見ることができ、その効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイポテンシヤル形の電子銃の
概略断面図、第２図は従来のユニポテンシヤル形
の電子銃の概略断面図、第３図はこの発明の電子
銃の一実施例を示す概略断面図、第４図はこの発
明の加速形バイポテンシヤルレンズの位置関係を
示す電子等価図、第５図はこの発明の電子銃の他
の実施例を示す概略断面図、第６図はカソード電
流とスポツト径との関係を示す図、第７図は第３
グリツドの電極長を変化したときのハロー径及び
コア径を示す図である。 図において、Ｋは陰極、１は第１グリツド、２
は第２グリツド、８は第３グリツド、９は第４グ
リツド、１０は主電子レンズ、Ａは虚物体位置、
H₁は物体側の主面、H₂は像側の主面、Ｘは最外
電子線である。なお、図中、同一符号は同一、ま
たは相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中心軸上に陰極側から第３グリツドと第４グ
   リツドを配設して加速形バイポテンシヤルレンズ
   を形成し、このレンズの後段に主電子レンズを形
   成する電子銃において、上記加速形バイポテンシ
   ヤルレンズの物体側の主面が、上記加速形バイポ
   テンシヤルレンズのレンズ作用領域に入射する直
   前の上記陰極からの電子ビームの最外電子線の虚
   物体位置に位置したことを特徴とする電子銃。 ２ 第３グリツド及び第４グリツドの印加電圧を
   それぞれ一定とし、第３グリツドの電極長を、物
   体側の主面が虚物体位置を含む位置になる長さと
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の電子銃。 ３ 第３グリツドの印加電圧及び電極長をそれぞ
   れ一定とし、第４グリツドの印加電圧を、物体側
   の主面が虚物体位置を含む位置になる大きさとし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   電子銃。