JPH0118536B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は陰極線管用電子銃に係り、特にインラ
イン形３電子銃方式シヤドウマスク形カラー受像
管に用いて好適な電子銃の電子ビーム集束用主レ
ンズ系に関するものである。

周知の如く陰極線管（図示せず）の電子銃は一
般の２つの基本的部分、即ち物点形成部を含む電
子ビーム源と、陰極線管の螢光面に電子ビームを
集束させる電子ビーム集束用主レンズ系よりなり
通例前者を３極部、後者を集束レンズ（主レン
ズ）系と称している。現在市販されている陰極線
管用電子銃の集束レンズ（主レンズ）系の多くは
静電集束形で別々の導電性管状素子（電極）を同
軸に配置し、所望の集束電界を得るよう所定のパ
ターンの電圧が加えられている。

電子銃の形態としては一般にはバイポテンシヤ
ル（双電位）形、ユニポテンシヤル（単電位）形
があり、さらに米国特許3995194号明細書に記載
されたトライポテンシヤル形がある。

次にこれら３つの電子銃の各主レンズ（集束レ
ンズ）系の電極配置及び軸上電位分布を第１図に
よつて説明する。即ち第１図ａに示すバイポテン
シヤル形は２つの集束電極１，２を有する主レン
ズ系であつて陰極に近い方の電極１が相対的に低
電位、陰極線管の螢光面に近い方の電極２が相対
的に高電位であり、この２つの電極間の電位は曲
線３に示す様に単調に増加するような分布となり
この電位分布によつて主レンズ系が形成されてい
る。この種のバイポテンシヤル形電子銃の主レン
ズ系の軸上電位分布は、その最初の導関数が符号
を変えないので“単調”と云われる。しかしこの
様な構造を有するバイポテンシヤル形主レンズ系
のある種のものは球面収差特性が悪く、この様な
電子銃を内装した陰極線管のネツク部のような相
当小さな空間では、集束ビームスポツトを特に高
い電流ビームレベルにおいて充分に小さくするこ
とは不可能であり、従つて解像度を良くすること
はできない。

次に第１図ｂに示すユニポテンシヤル形（単電
位形）の主レンズ系は３個の集束電極４，５，６
より構成され、その軸上電位分布は曲線７に示す
ようにほゞ鞍状をなし、主レンズ系の始端と終端
がほゞ同電位になつている。

しかしこの様な構造を有する単電位形主レンズ
系は集束ビームスポツトを小さくすることは出来
るがこの電子銃を内装した陰極線管の管内放電を
起しやすいという欠点がある。

最後に第１図ｃに示したトライポテンシヤル形
の主レンズ系は、少なくとも３つの集束電極、望
ましくは４つの集束電極８，９，１０，１１より
なり、その軸上電位分布は曲線１２に示すように
相対的に中間の電位から単調に相対的に低い電位
に変化し、さらに相対的に高い電位に単調に連続
に変化している。

この様なレンズ系を有する電子銃は前述した２
種の電子銃と異なり集中ビームスポツトも良好で
あるが相対的に中間の電位が必要であるなどのた
め別電源を必要とし、更に電子銃の長さが長くな
り、また３極部の組立に必要以上の精度が要求さ
れるなどの欠点がある。

次に電子銃に要求される特性について考えてみ
ると電子銃の性能は第一次的に電子銃の集束レン
ズ（主レンズ）系によつて、陰極線管の螢光面上
に集束した電子ビーム径で表わされ、この集束し
た電子ビーム径が小さければ小さい程、主レンズ
系の性能が良く、フオーカス品位が良好と云われ
る。

電子光学的な説明を行うと以下の如くなる。即
ち一般に電子銃の集束レンズにより集束された電
子ビーム径（D_T）は電子光学的倍率に依存した
電子ビーム径（D_X）と、球面収差による電子ビ
ーム径の拡がり（D_SA）、及び電子相互反撥効果
による電子ビーム径の拡がり成分（D_SC）よりな
り下式で表わされる。

D_T＝√（_X＋_SA）²＋² _SC ここでD_X＝Ｍ・d_X D_SA＝１／２MC_Sα_O ³ すなわちD_Xは電子光学的倍率（Ｍ）と仮想物
点の大きさ（d_Xの積であり、D_SAは、球面収差係
数（C_S）と倍率（Ｍ）と電子ビームの発散角
（α_O）の３乗に比例する。従つて望ましい電子銃
の主レンズ系（集束レンズ）は倍率（Ｍ）、主レ
ンズ系より見た仮想物点の大きさ（d_X）、球面収
差係数（C_S）及び電子ビームの主レンズ系（集束
レンズ）より見た電子ビームの発散角（α_O）がそ
れぞれ小さい事が望ましい。

しかし陰極線管の一種であるカラー受像管の幾
何学的寸法、特に電子銃の主レンズの幾何学的中
心から螢光面までの距離（近似的像点距離）が一
定の場合、電子光学的倍率に依存した電子ビーム
径（D_X）と球面収差による電子ビーム径の拡が
り（D_SA）及び（D_SA）と電子相互反撥効果によ
る電子ビーム径の拡がり（D_SC）とは互いに相反
関係にあり、最小電子ビーム径を得る最適解が前
記ユニポテンシヤル形、バイポテンシヤル形各々
についてはそれぞれ第２図ａ及びｂに示す如く求
められる。さらに詳述すれば、電子銃の３極部
（物点形成領域）と主レンズ（集束レンズ）系の
組合せが最適でないと、例えば画面中央部の解像
度、面周辺部と中央部の均一性、高い電流時のブ
ルーミング（変調非集束）等のそれぞれの特性の
バランスが悪くなる。

従つて３極部すなわち第１電極、第２電極、第
３電極の各々の電極距離の選択は充分に注意を払
う必要があり、前記３極部（物点形成領域）の設
計により電子ビームの発散角及び仮想物点位置が
決定され、従つて３極部と主レンズ系の設計は総
合的に検討する必要があり、特に主レンズ系の陰
極側に最も近い電極（第１図の１，４，８）の印
加電圧及び３極部との電極距離によりプリフオー
カス特性が定まり従つてこれらにより電子ビーム
の発散角及び仮想物点位置が決定されることにな
る。

３電子銃方式シヤドーマスク形カラー受像管を
用いたカラー受像機を例にとると、一般には前記
バイポテンシヤル形電子銃が用いられ、陰極は概
略100〜150V、第１電極はほゞ接地電圧、第２電
極はほゞ400V〜800V、第３電極（第１集束電
極）は数KV（4.4KV〜5.0KV）、第４電極（第２
集束電極）は螢光面と同電位で20KV〜30KV印
加されている。

従つて第３電極（第１集束電極）長は主レンズ
径の直径を基準にするとほゞ3.5程度であり、主
レンズ系より見た電子ビームの発散角は概略4゜〜
5.5゜程度であり比較的大きく、さらに第３電極
（第１集束電極）はたかだか数KV（4.4〜50KV）
にため３極部に形成される所謂クロスオーバー位
置が第１電極又は陰極に印加されるビデオ信号に
対して変動し、特に高い電流時にブルーミング
（変調非集束）を起しやすい傾向がある。一方電
子光学的倍率はユニポテンシヤル形電子銃に比較
して小さいため所謂低輝度（低い電流時）の解像
度は相対的に良好であるが発散角が大きいためフ
オーカスの均一性が悪く、前述したブルーミング
特性が悪くなる欠点を有している。

ユニポテンシヤル形電子銃の場合、３極部はバ
イポテンシヤル形とほゞ同じであるが、第３電極
（第１集束電極）、第５電極（第３集束電極）に高
圧（螢光面電位）が印加され、第４電極（第２集
束電極）には実質的に零ボルト又は数KV印加さ
れているので結果として発散角は概略2゜と小さい
が、その反面電子光学的倍率がバイポテンシヤル
形主レンズよりやゝ大きく、低輝度時の解像度が
やゝ劣るが、均一性、ブルーミング特性等は相対
的に良好となる。

ユニポテンシヤル形の場合、３極部の第２電極
と第３電極（第１集束電極）間、第３電極（第１
集束電極）、第４電極（第２集束電極）間等に高
電圧が印加されるため前記電極間の耐電圧特性が
悪く、放電によりカラー受像機のビデオ回路を損
傷させたり、電子銃の陰極自体を破壊させたりす
るため最近はあまり使用されていない。

トライポテンシヤル形集束レンズは集束レンズ
の球面収差が電子計算機による解析の結果米国特
許3995194号明細書に記載されているように下記
の量の線積分に大きく依存することが判り、V₀
が小さい領域或は電子ビーム径が大きい領域で
V₀″を出来る限り小さく保持すれば必要な集束力
が得られ、生じた球面収差を抑制することが発見
された。

〔（V₀″）₂／（V₀）^3/2〕r³ ここでV₀はレンズ系の軸方向電位分布、ｒは
ビーム内の電子の半径方向座標である。すなわ
ち、第１図ｃに示した如く、第３電極（第１集束
電極）８、第４電極（第２集束電極）９、第５電
極（第３集束電極）１０、第６電極（第４集束電
極）１１の４つの電極より集束レンズが構造さ
れ、第３、第５電極（第１、第３集束電極）には
相対的に中間の電位（10〜12KV）が、第４電極
（第２集束電極）には相対的に低い（５〜7KV）
電位が、第６電極（第４集束電極）には螢光面電
位が印加され、、その軸上電位分布は相対的に中
間の電位から滑らかにかつ単調に相対的に低い電
位に変化し、さらに滑らかにかつ単調に相対的に
高電位に変化し、かつ前記軸上電位分布が１つの
延長形レンズとして作用するような電極構成及び
電圧でなければならない。

このため主レンズ系の直径で規格化された各集
束電極長は第４電極（第２集束電極）９が0.5〜
2.2、第５電極（第３集束電極）１０が0.75以下、
第３電極（第１集束電極）８はカラー受像管の幾
何学的寸法、及び印加電圧より一義的に決定され
る。トライポテンシヤル形電子銃の特徴は従来一
般のバイポテンシヤル形電子銃より相対的に高い
２種の集束電位（６〜7KV及び10〜12KV）を印
加することにより電子光学的倍率を稼ぎ、必然的
に生じる球面収差の増大は前述した如く延長形単
一レンズにすることにより極力抑えた設計となつ
ているため、低輝度の解像度（収差は無視出来る
程度の比較的低電流領域）は格段と改良される。

また第３電極（第１集束電極）８に10〜12KV
と比較的高い電圧が印加されているためブルーミ
ング特性も良好である。

反面、主レンズ系の電極長が長くなり、第３電
極（第１集束電極）８に比較的高い電圧を印加し
ている割には主レンズ系より見た電子ビームの発
散角はあまり小さくならないため電子ビームの集
束角が大きくなり、結果として画面中央部のフオ
ーカスは非常に良好であるが、最近主流となつた
自己集中方式カラー受像管装置の如く、非常に非
斉一な磁場空間で偏向させた場合、偏向収差を受
けやすく、結果としてフオーカスの均一性が悪
く、さらに前記球面差が前記偏向収差を受けて非
点収差を発生するために、前記均一性をさらに悪
化させているのが実状である。本発明の陰極線管
用電子銃は上記欠点に鑑みなされたものであり、
電子計算機による電子光学的解析の基礎に、新し
い主レンズ系を提供するもので、特に自己集中形
方式カラー受像管装置の如く偏向ヨーク磁界の非
斉一度が極めて高い陰極線管装置用電子銃の主レ
ンズ系として最適である。

以下図面に沿つて具体的一実施例に関して詳述
する。第３図は本発明の電子銃に適応する主レン
ズ（集束レンズ）系を備えた電子銃の構造であ
る。図に於て２１は陰極、２２は第１電極、２３
は第２電極で、この３つの電極により所謂３極部
を形成しており、主レンズ系は第３電極（第１集
束電極）２４、第４電極（第２集束電極）２５、
第５電極（第３集束電極）２６、第６電極（第４
集束電極）２７の４つの電極により形成されてい
る。陰極２１には通常100〜150Vの直流電圧及び
ビデオ信号が印加され、電１電極２２は概略接地
電位が、第２電極２３には400V〜1000V程度の
電位が印加され、さらに第３電極（第１集束電
極）２４と第５電極（第３集束電極）２６は陰極
線管の内部又は外部にて同電位に保たれ、概略
4.4KV〜10KVが印加され澎望フオーカス電極を
構成している。第４電極（第２集束電極）２５は
管の内部又は外部の電源により前記第３電極（第
１集束電極）２４及び第５電極（第３集束電極）
２６より低い電位に保たれ、さらに第６電極（第
４集束電極）２７には螢光面電位と同一の高電圧
（概略20KV〜30KV）が印加されている。このよ
うな電極構成に於て、かつ主レンズ系の直径で規
格化された各電極長は望ましい実施例の１つとし
て、下記に記した如く第４電極（第２集束電極）
２５の長さは概略0.2〜0.5と他の第３電極２４、
第５電極２６に比較して非常に薄く設計されてい
る。

前述した発明の電子銃に適応する主レンズ系の
軸上の電位分布は第４図のように相対的に中間の
電位から単調に相対的に低い電位に僅かに変化
し、さらに相対的に高い電位に単調に変化し、ト
ライポテンシヤル形の軸上の電位分布の如く、滑
らかに延長形単一レンズを構成するのでなく、巨
視的にはバイポテンシヤル形主レンズに近い軸上
電位分布をもつように配置されている。

云換えると、本発明の最大の特長は前記した如
く、バイポテンシヤル形主レンズ系の第３電極
（第１集束電極）を２分割し、その分割された間
に相対的に非常に薄く、かつ相対的にかなり低い
例えば第２電極とほゞ同じ電圧を印加し、局部的
に補助レンズとしてのユニポテンシヤル形レンズ
を挿入し電子銃の主レンズ系より見た電子ビーム
の発散角を僅かに小さくしている。第５図は、こ
の点を説明するもので、OBは物点、IMは像点を
表わし、角度α₁はバイポテンシヤル形の場合、角
度α₀は本発明による場合を示すもので、角度α₁＝
４〜5゜、角度α₀＝３〜4゜とα₁＞α₀と僅かに発散角
αが縮小されていることに特徴がある。さらに詳
述すると前記“僅か”の定義は以下の通りであ
る。

即ち任意のバイポテンシヤル形電子銃を用いた
陰極線管において、その集束電圧がVf₀となるよ
う第３電極（第１集束電極）長を決定したとす
る。このバイポテンシヤル形の第３電極（第１集
束電極）の長さを例えば1.27と一定にし、各電極
間隔g₁、g₂＝0.027とした場合第５図に示す如く、
本発明の電子銃に適応する主レンズ系の長さ
（G_1L＋G_2L＋G_3L＋g₁＋g₂）を前記バイポテンシヤ
ル形の第３電極（第１集束電極）１の長さに等し
くし、さらに本発明の主レンズ系の第３、第４、
第５電極（第１、第２、第３集束電極）２４，２
５，２６にVf₀を印加すれば当然のことながら前
記バイポテンシヤル形と全く等価となる（ここで
G_1L、G_3L≫g₁、g₂）次に電極間距離g₁、g₂を一定
に保ち、G_2Lを僅かに変更すると第６図の如く、
第３、第５電極（第１、第３集束電極）２４，２
６のフオーカス電圧Vfはある点より急峻に高く
なり最終的には非集束状態となる。

本発明において“僅か”にという意味は、前記
フオーカス電圧が同一寸法のバイポテンシヤル形
電子銃に比較してたかだか0.5〜2.5KV程度の変
化しかないことを意味しそのように第４電極（第
２集束電極）２５長、電極間距離g₁、g₂を選択す
る必要がある。云換えると、特公昭29−2216号公
報に記載された如く、“電子流に対して集束作用
を呈し、電子流が該陽極A₁中に拡散して該陽極
に捕集されるのを充分防止せしめるよう阻止電極
Ｓの小孔内に集中せしめる”ような影響が大なる
集束作用をもたせるのではなく僅かに電子ビーム
の発散角を小さくするよう主レンズ系を構成する
必要があり、電極配置から判断すると非常に酷似
しているがその作用効果は全く異なものである。
前述の如く電子銃の主レンズ系を形成することに
より下記に示す利点を有す。

第１に、電子ビームの発散角を容易に縮小でき
るため、例えば、球面収差成分1/2・Ｍ・C_S・α₀ ³
を本発明の一実施例と従来の一般的電子銃の一例
について比較してみると、従来0.64であつたの
が、本発明によると0.14となり、球面収差を約1/
５に軽減することができる。（球面収差は発散角の
３乗に比例するため） 第２に前記球面収差が大巾に軽減された為、特
に自己集中形カラー受像管装置の如く偏向収差が
大である系での画面周辺部の非点収差が軽減で
き、本発明の一実施例と従来の一般的な電子銃の
一例について、画面周辺部での電子ビームスポツ
ト径を比較してみると、従来、縦の長さが約8.0
mm、横が約7.0mmであつたのが、本発明によると、
縦が5.2mm、横が4.55mmとなり、フオーカスの均
一性を30〜40％向上させることができる。（均一
性及び非点収差は電子ビームの集束角に比例する
ため） 第３に、従来のユニポテンシヤル形電子銃の如
く、電気光学的倍率が大きくならず、むしろバイ
ポテンシヤル形よりさらに小さくなるため、例え
ば、本発明の一実施例と従来の一般的な電子銃の
例について低輝度における解像度を比較してみる
と、この解像度は倍率Ｍに比例するため、従来の
電子銃の倍率が18.7で、本発明の電子銃の倍率が
14.0であるから、解像度を約25％向上させること
ができる。

第４に、従来のバイポテンシヤル形の如く、フ
オーカスの均一性を向上させるために第１〜第２
電極間、第２〜第３電極間距離を拡げ、相対的に
画面中央部における解像度を劣化させるような妥
協設計をする必要がなく、任意に均一性を向上さ
せることができる。

第５に、さらに重要なことは従来のバイポテン
シヤル形の如く前記第４項に述べたような改良を
行つた場合、実用的な帰点消去電圧（第２電極電
圧）を得るため、陰極−第１電極間距離を狭める
必要があり、カラー受像管内の導電性不純物によ
る陰極−第１電極の短絡等の問題があるが本発明
ではそういつた心配は全くない。

第６には、ユニポテンシヤル形の如く、耐電圧
特性の不安がない。

第７には、トライポテンシヤル形の如く、２種
の比較的高い（５〜7KV及び10〜12KV）フオー
カス電源を必要としない（本発明の場合、第４電
極（第２集束電極）２５は管内で第２電極２３な
どと内部接続できる）等々非常に幾多の利点を有
す。

次に本発明の陰極線管用電子銃の第２の実施例
について第７図及び第８図によつて説明する。図
中前記実施例と同一符号は同一部分を示す。

図に於て３１は陰極、３２は第１電極、３３は
第２電極で、この３つの電極により所謂３極部を
形成しており主レンズ系は第３電極（第１集束電
極）３４第４電極（第２集束電極）３５、第５電
極（第３集束電極）３６、第６電極（第４集束電
極）３７より形成され、前記第３電極３４は対設
した浅キヤツプ電極素子３４₁，３４₃間に平板電
極素子３４₂が所定間隔をもつて間挿してあり、
第４電極３５は２枚の平板電極素子よりなり、第
５電極３６は対設した浅キヤツプ電極素子３６₁，
３６₃間に２枚の平板素子３６₂が所定間隔をもつ
て間挿してあり、更に第６電極３７は浅キヤツプ
電極素子３７₁，３７₂の対設によつて形成されて
いる。

前述の如く、各電極を平板電極素子、浅キヤツ
プ電極素子とすることにより、加工精度の向上、
熱的歪の経時変化の防止、組立ての簡略化などが
計られる。

前記構造の電子銃の同一電位印加電極素子、例
えば３６₁，３６₂，３６₃は１本の導線４１にて
接続され更にステム４２のピン４３に接続される
共に前記各電極は絶縁支持棒４４により所定間隔
をもつて配設されインライン形ユニタイズガンが
完成されている。

前述した構造を有する陰極線管に於ても第１の
実施例に於て第３図乃至第６図によつて説明した
第４電極（第２集束電極）３５の長さG_2L及びこ
の電極と対設する各電極との間隔（g₁），（g₂）を
主レンズ系の直径(l)で規格された値を満足するよ
うにすることによつて第６図に示した様な特性を
持たせることが出来るが、この場合中央の電子ビ
ームと両側の電子ビームとでは、その偏向状態に
より主レンズ系の集束状態が異なることがあるの
でこの場合には電子ビーム通孔部の形状または直
径を選択すればよいことは勿論である。

前記２つの実施例においては第４電極（第２集
束電極）２５，３５は第２電極２３，３３と陰極
線管の内部または外部で同電位に保つように説明
したが、これは必ずしも必要条件ではなく、例え
ば第１電極２２，３２または陰極２１，３１に保
つてもよくさらには単独に異なる電位を印加して
も良い。

本発明の電子銃の主レンズ系において巨視的に
はバイポテンシヤル形に近く、僅かに軸上電位分
布に谷をもたせたもので、云換えれば局部的にユ
ニポテンシヤルレンズを構成させたものであるか
ら第４電極（第２集束電極）２５，３５には第３
電極（第１集束電極）２４，３４よりも相対的に
低い電圧を印加すればよい。

更に他の実施例として第５電極（第３集束電
極）２６，３６や、第６電極（第４集束電極）２
７，３７を分割してそれぞれに所望の電圧を印加
する様にすることにより、全体としてユニポテン
シヤルまたはバイポテンシヤル形電子銃にするこ
とも可能である。

本発明に於ては例えば第３電極のような加速、
集束用電極も説明の簡略化のため、集束電極なる
表現を行なつている。

以上述べた如く本発明の陰極線管用電子銃の主
レンズ系は従来のバイポテンシヤル形、ユニポテ
ンシヤル形及びトライポテンシヤル形と全く異な
り、その効果は前述した如くであり、工業的価値
は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイポテンシヤル、ユニポテン
シヤル、及びトライポテンシヤル各電子銃の主レ
ンズ系の簡略構造及び軸上の電位分布を示す説明
図、第２図はバイポテンシヤル及びユニポテンシ
ヤル各電子銃の電子ビーム径の計算用説明図、第
３図は本発明の陰極線管用電子銃の一実施例の構
造を示す簡略断面図、第４図は第３図の主レンズ
系の簡略構造及び軸上の電位分布を示す説明図、
第５図は第４図の主レンズ系の説明図、第６図は
第５図の第１集束電極、第３集束電極のフオーカ
ス電圧と第２集束電極の長さとの関係を示す曲線
図、第７図は本発明の陰極線管用電子銃の他の実
施例の簡略説明図、第８図は第７図の電子銃の組
立斜視図である。 ２４，３４……第３電極（第１集束電極）、２
５，３５……第４電極（第２集束電極）、２６，
３６……第５電極（第３集束電極）、２７，３７
……第６電極（第４集束電極）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子ビーム発生源と、物点形成部を構成する
   ３極部と、前記電子ビーム発生源より発射された
   電子ビームを集束する主レンズ系を有する陰極線
   管用電子銃に於て、前記主レンズ系を形成する電
   極が前記電子ビーム発生源近傍より少なくとも第
   １集束電極、第２集束電極、第３集束電極及び第
   ４集束電極よりなる同軸電極群を形成し、第１集
   束電極及び第３集束電極の電位が約4KV乃至
   10KVであり、第２集束電極が前記３極部を形成
   するいずれか一個の電極電位とほぼ同じ電位であ
   り、第４集束電極の電位が約20KV乃至30KVで
   あり、かつ、前記第２集束電極の軸方向の長さを
   主レンズ系の直径に対して0.5乃至0.2の範囲と
   し、前記第１、第３集束電極より短かくすること
   により、軸上電位分布が前記各電位の変化が前記
   第２集束電極近傍においてわずかに低く、全体と
   して単調に変化するようになされていることを特
   徴とする陰極線管用電子銃。 ２ 第４集束電極が複数電極で構成されている特
   許請求の範囲第１項記載の陰極線管用電子銃。