JPH10289645A - 陰極加熱用ヒータ及びそれを用いたブラウン管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い熱放散特性と優れた絶縁特性のダーク層
を備え、低消費電力で長寿命、且つ信頼性の高い陰極加
熱用ヒータを提供すること。 【解決手段】 ヒータコイルとなる金属線１に、絶縁膜
２とダーク層３が施こされヒータＨを、先端部に含浸形
カソード部材５を有するスリーブ４内に有するカソード
において、ダーク層３を酸化ハフニウム又は炭化ケイ素
で構成したもの。 【効果】 ダーク層３に高い熱放射率が得られるので、
ヒータ温度を低下させることができ、この結果、低消費
電力化が図られ、ヒータ負荷が減少し、高信頼性で、長
寿命の陰極加熱用ヒータが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子管の傍熱型陰
極に使用するヒータに係り、特にブラウン管の電子銃陰
極加熱用に好適なヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の電子管は熱陰極型が主流であり、
特に、ブラウン管などでは、傍熱型の陰極が用いられる
のが通例であり、このため、陰極加熱用のヒータが用い
られている。図１は、ブラウン管の電子銃に使用する陰
極の中で、含浸形カソードと呼ばれている陰極を示した
もので、まず、ヒータＨとして、コイル状に巻いた金属
線１を用い、これに絶縁膜２を被覆し、この絶縁膜２の
外側にダーク層(輻射膜)３を設けたものが用意され、こ
れを、筒状の金属部材からなるスリーブ４の中に挿入す
るようになっている。

【０００３】そして、この含浸形カソードでは、スリー
ブ４の頂部に含浸形カソード部材５が設けられていて、
ヒータＨによりスリーブ４が加熱されることにより、こ
の含浸形カソード部材５を、例えば１０００℃近い所定
の温度に保持し、必要な電子放射機能が得られるように
するのである。

【０００４】ここで、このヒータＨを構成する金属線１
は、例えばタングステン(Ｗ)やレニウム−タングステン
合金(Ｒe−Ｗ)などの耐熱性を有する導電性材料の線材
が用いられ、これを図示のようにコイル状に成型した
後、水素雰囲気中で加熱し、表面を清浄化してから、そ
の表面にアルミナなどの絶縁膜２を形成し、更にこの絶
縁膜２の表面にダーク層３を形成することにより、ヒー
タＨが作成される。

【０００５】ここで、ダーク層３は、絶縁膜２の表面の
色調を黒くして熱放射率を高め、ヒータから放散される
熱がスリーブ４やカソード部材５に効率良く伝達される
ようにする働きをするもので、例えばタングステンとア
ルミナが従来から用いられている。

【０００６】そして、これらの絶縁膜２やダーク層３
は、形成すべき膜の使用環境や生産性に応じて、溶射、
蒸着、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)、吹き付
け、浸漬塗布、電着(電気泳動法)など、各種の方法によ
り形成されているのが通例であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ダー
ク層による陰極加熱用ヒータの熱放散特性の向上につい
て充分な配慮がされているとはいえず、以下に説明する
ように、省エネルギー化と信頼性について問題があっ
た。ブラウン管など熱陰極を用いた電子管では、陰極加
熱用電力の低減が要望されており、このため、ヒータ自
体の小型化の促進と共に、効率良くカソードを加熱する
ことができる高熱効率のヒータが求められている。

【０００８】陰極でのヒータからの主な熱の流れは、絶
縁膜とダーク層には熱伝導で流れ、その後は、スリーブ
に真空中を熱輻射により伝達し、スリーブからは熱伝導
でカソード部材に伝達される。そこで、ヒータの加熱効
率を高めるためには、ダーク層からスリーブへの熱の伝
達が効率的に得られるようにする必要があり、この結
果、ダーク層の放射率を高めることが重要である。

【０００９】従来技術でヒータに用いられているダーク
層の材料は、上記したように、タングステンとアルミナ
が一般的であるが、これは、ブラウン管用ヒータの使用
環境が高真空、高温度であるのに加え、ブラウン管内部
の汚染を避けるため、低蒸気圧を要求されるからで、こ
こで、ヒータ材料としてのタングステンと、絶縁膜材料
としてのアルミナを採用することにより、信頼性の点で
問題が無く、材料入手の容易なことなどの理由から選択
されているものである。

【００１０】なお、従来技術では、タングステンの粒子
をアルミナに混合して使用しているが、これは、タング
ステン粒子単独では絶縁膜のアルミナとの付着性が劣
り、ヒータ動作中に絶縁膜内部に拡散し、絶縁性の低下
要因となる虞れがあるためで、絶縁膜の構成材と同じア
ルミナとの混合物を使用することにより、付着性を高め
るためである。

【００１１】このように、ダーク層に要求される材料物
性は、高融点、高放射率、そして低蒸気圧、更には高真
空、高温での安定性も具備しなければならない。また、
ダーク層は絶縁性であることが望ましい。そこで、上記
の従来技術以外にも、例えば特開平２−５１８２１号公
報では、ジルコニウム(Ｚr)、ハフニウム(Ｈf)、チタン
(Ｔi)、ニオブ(Ｎb)の１種類以上を添加したダーク層に
ついて開示しており、特開昭５８−１７６８４５号公報
では、タングステン、モリブデン(Ｍo)とアルミナを用
いたダーク層について開示しているが、いずれも高融点
の金属粒子を添加してダーク層の機能を高めているもの
である。

【００１２】従って、省エネルギー化と信頼性の見地か
らすれば、ヒータのダーク層としては、絶縁性に優れ、
より一層高放射率の材料が望ましいが、しかし、タング
ステンなどの金属は導電性で、且つ、アルミナの放射率
は０．４７程度に過ぎないので、結局、従来技術では、
省エネルギー化と信頼性の点に問題が残ってしまうので
ある。

【００１３】本発明の目的は、高い熱放散特性と優れた
絶縁特性のダーク層を備え、低消費電力で長寿命、且つ
信頼性の高い陰極加熱用ヒータを提供することにあり、
さらに、これにより、同じく低消費電力で長寿命、且つ
信頼性の高いブラウン管を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、陰極加熱用
ヒータのダーク層の材料として、酸化ハフニウムと炭化
ケイ素を用いることにより達成される。これは、ダーク
層に要求される物性を満足する高熱放射材料として、酸
化ハフニウムと炭化ケイ素が存在することを見い出した
結果によるものである。

【００１５】このため、ヒータを模擬した試料を用い、
各試料の熱放射率を測定した。このときの試料は、厚さ
１ｍｍのタングステン板に膜厚１００〜１５０μｍの絶
縁膜を設け、その表面にダーク層を膜厚1０μｍになる
ように形成したものである。このときの試料の膜構成
は、表１の通りである。

【００１６】

【表１】

【００１７】次に、この試料を水素中１６００℃で焼成
した。試料の中央部に熱電対を１０ｍｍ間隔で２組取付
け、真空中で試料のタングステン板に通電して加熱し、
熱電対で温度を測定し、測定した結果により、放射率ε
を次の(1)式により求めた。 ε＝ＶＩ／σＡ(Ｔ⁴−Ｔ₀ ⁴) …… ……(1) ただし、Ｖ ： 熱電対間の電圧(Ｖ) Ｉ ： 通電電流(Ａ) Ａ ： 熱電対間の表面積(ｍ²) Ｔ ： 熱電対温度(Ｋ) σ ： ステファン・ボルツマン定数 ５.６７^-8(Ｗ／ｍ²Ｋ⁴) Ｔ₀： 真空容器内の温度(Ｋ)

【００１８】測定結果は図２の通りで、ヒータ動作温度
１２５０℃のとき、ダーク層が酸化ハフニウムのときの
試料２と、炭化ケイ素のときの試料３の放射率εは、そ
れぞれ０.８０、０.８５となり、従来技術でのタングス
テンとアルミナの混合物のときの試料１の放射率０.４
６を大きく上回っていた。

【００１９】従って、これらの材料、すなわち、酸化ハ
フニウムと、炭化ケイ素をダーク層に用いると、ヒータ
の熱が効率良くカソードやスリーブに伝わり、カソード
の温度を同等にした場合でのヒータの温度を下げること
ができ、この結果、消費電力の低減による省エネルギー
化と、動作温度の低減によるヒータ線や絶縁膜の信頼性
向上と長寿命化が達成できることが判る。

【００２０】ここで、これら酸化ハフニウムと炭化ケイ
素の各々の材料を単独で使用してダーク層を形成しても
良く、絶縁膜との付着性を高めるため、この絶縁膜の構
成材料、例えばアルミナとの混合物として膜を形成して
も良い。しかし、混合物にした場合には、熱放射率が低
い材料と混合することになるので、酸化ハフニウム単独
の場合、又は炭化ケイ素単独の場合よりもヒータの熱効
率を高める効果は減少する。

【００２１】一方、このとき、ダーク層を構成する粉末
の粒径を細かくすることにより、有効表面積の増大が得
られ、更にヒータの熱放射効率を高めることができる。
次に、図示してないが、温度が１２５０℃のときの電気
抵抗は、酸化ハフニウムが７×１０³Ω・ｃｍで、炭化
ケイ素は４×１０³Ω・ｃｍであり、従って、これらの
材料は絶縁性も兼ね備えており、絶縁膜上に形成する高
放射材料として好適なことが判る。

【００２２】また、特に酸化ハフニウムは、絶縁膜をア
ルミナ、ヒータ線をタングステンとした場合、両者とほ
とんど反応せず、安定である点でも優れている。更に、
これら酸化ハフニウム又は炭化ケイ素によるダーク層
は、溶射、蒸着、ＣＶＤ、吹き付け、浸漬塗布、電着な
どいずれの方法でも成膜が可能であり、成膜方法に限定
されない点でも有利である。

【００２３】

【発明の実施の形態】

＜実施例１＞以下、本発明による陰極加熱用ヒータと、
それを用いたブラウン管について、詳細に説明する。本
実施例では、何れも図１に示した含浸形カソードに本発
明を適用した場合を例にして説明する。

【００２４】まず、直径３０μｍの３％Ｒｅ−Ｗ線を直
径１１０μｍのモリブデン金属芯線に巻き、ヒータコイ
ル(図１の金属線１に相当)とした。次に、電解質成分の
硝酸アルミニウム、硝酸マグネシウムをエタノール水溶
液に溶解し、これに無機物として純度９９．９％以上の
平均粒径４μｍのアルミナ粉末を２０ vol ％配合して
絶縁膜用分散液とした。また、同じく電解質成分の硝酸
アルミニウム、硝酸マグネシウムをエタノール水溶液に
溶解し、これにダーク材料として純度９９％以上の平均
粒径０．６μｍの酸化ハフニウム粉末を１５ vol ％配
合してダーク層用分散液とした。

【００２５】次に、図３に示す電着による成膜装置を用
い、３０個のヒータコイルを吊り下げ保持して負極６と
し、アルミニウム板を正極７として電源８に接続した。
そして、まず、電着容器９には絶縁膜用分散液１０を入
れ、これを電解液として電圧８０Ｖで３秒間、電源８か
ら負極６と正極７に通電し、絶縁膜２を形成した。その
後、電着容器９内の電解液をダーク層用分散液に交換
し、今度は電源電圧３０Ｖで４秒間通電し、ダーク層３
を形成した。

【００２６】次いで、これを１６００℃の水素雰囲気中
で５分間焼成した。このとき、焼成後のダーク層３を含
む絶縁膜２全体の膜厚は１１０μｍであった。焼成終了
後、モリブデン金属芯線を硝酸と硫酸との混合液により
溶解除去し、水洗い、乾燥して実施例１のヒータを作製
した。

【００２７】一方、実施例１と同様な工程で絶縁膜２を
形成した後、電解質成分の硝酸アルミニウム、硝酸マグ
ネシウムをエタノール水溶液に溶解し、ダーク材料とし
ては、純度９９％以上の平均粒径１μｍのタングステン
粉末を４ vol ％と純度９９．９％以上の平均粒径４μ
ｍのアルミナ粉末を２０ vol ％配合してダーク層用分
散液とし、これを用い、電源電圧３０Ｖで３秒間通電し
ダーク層を形成した。その他の条件は同じにして比較例
１を作成した。

【００２８】そして、これら実施例１と比較例１のヒー
タを通電試験に供試し、両者のカソード温度を９７０℃
ｂ(輝度温度)に調整した。このとき、ヒータの温度の制
御は、電圧を調整して行なった。このときの電圧とヒー
タ温度は、予め図４の関係にあることが確認されている
ので、実施例１ではヒータ温度が１２００℃ｂで、比較
例１では１２４０℃ｂと推定できた。従って、この実施
例１によれば、９７０℃ｂの同一カソード温度を得るの
に、ヒータ温度は４０℃、低くて済み、この結果、消費
電力が低減され、省エネルギー化を得ることができた。

【００２９】次に、ヒータに５分通電し３分休止する断
続通電試験によれば、ヒータ断続回数６万回時点でのヒ
ータ温度とヒータ断線不良率との関係は、予め図５のよ
うになることが確認されている。従って、この実施例１
によれば、ヒータ温度の低下が得られた結果、ヒータ断
線不良率を大きく減らすことができ、長寿命で高信頼性
のヒータを容易に得ることができることが判る。

【００３０】＜実施例２＞実施例１のダーク層形成を浸
漬塗布で行って実施例２とする。このとき、ダーク層用
分散液として、ニトロセルロースをメチルイソブチルケ
トンに溶解した液に、ダーク材料となる平均粒径０.６
μｍで純度９９％以上の酸化ハフニウム粉末を１５ vol
％配合したものを用いた。

【００３１】また、比較例２としては、比較例１のダー
ク層形成を浸漬塗布で行ったものとした。このとき、ダ
ーク層用分散液としては、ニトロセルロースをメチルイ
ソブチルケトンに溶解した液に、ダーク材料となる平均
粒径１μｍで純度９９％以上のタングステン粉末を２ v
ol ％ｇと、平均粒径４μｍで純度９９％以上のアルミ
ナ粉末を１４ vol ％配合したものを用いた。

【００３２】そして、これら実施例２と比較例２を、通
電試験に供試したときのヒータ温度は、両者のカソード
温度を９７０℃ｂ(輝度温度)に調整したとき、実施例２
では１１９０℃ｂ、比較例２では１２４０℃ｂとなり、
従って、この実施例２によっても、４０℃以上もヒータ
温度を低下させることができた。

【００３３】また、この結果を実施例１での結果と比較
してみれば明らかなように、実施例１はダーク層が電着
で形成し、実施例２では浸漬塗布法で形成しにもかかわ
らず、通電試験の結果、両者は同等のヒータ温度低減が
得られており、従って、本発明の効果は成膜方法に依存
しないことが判る。

【００３４】＜実施例３＞実施例２のダーク層用分散液
におけるダーク材料を、炭化ケイ素(粒径２μｍ、純度
９９％)にし、実施例１と同様な工程でヒータを作成
し、実施例３とした。そして、比較例１と共に通電試験
を行ない、両者のカソード温度を９７０℃ｂ(輝度温度)
に調整した場合、ヒータの温度は、この実施例３では１
１９５℃ｂ、比較例１では１２４０℃ｂとなり、従っ
て、この実施例３によれば、ヒータ温度を４５℃も低下
させることができることが判った。

【００３５】＜実施例４＞実施例２のダーク層用分散液
の材料を、炭化ケイ素(粒径２μｍ、純度９９％)７ vol
％とアルミナ(粒径純度４μｍ、純度９９％以上)８ vo
l ％に変えただけで、実施例１と同様な工程によりヒー
タを作成して実施例４とした。比較例１と共に通電試験
を行ない、両者のカソード温度を９７０℃ｂ(輝度温度)
に調整した場合、ヒータの温度は、実施例４では１２２
０℃ｂ、比較例１では１２４０℃ｂとなり、従って、こ
の実施例４によれば、ヒータ温度を２０℃低下できるこ
とが判った。

【００３６】＜実施例５＞図６は、本発明の実施例５
で、本発明をブラウン管に適用した場合一例をしめした
断面図である。この図６において、ガラスバルブ１３は
細い円筒状のネック部と膨らんだコーン部とで構成さ
れ、ネック部の内部には電子銃１１が設けられ、コーン
部の底には蛍光体(電子銃照射により蛍光する物質)を塗
布した蛍光面１２が設けられていて、高真空状態に封止
されている。

【００３７】電子銃１１は、上記実施例１〜４の何れか
によるヒータＨを備えた陰極１４と、ウエーネルト電極
１５、それに電子の加速と収束のための円筒電極１６で
構成されていて、その後方には電線接続用のソケットピ
ン２０が設けられている。

【００３８】また、ガラスバルブ１３のネック部とコー
ン部の内面には導電膜１９(蛍光面１２を覆っているア
ルミニウム膜)が設けられ、外側には端子となるアノー
ドボタン１８が設けられている。さらに、ガラスバルブ
１３のネック部には、偏向ヨーク１７が取付けられる。

【００３９】従って、この実施例５のブラウン管によれ
ば、実施例１〜実施例４の何れかによるヒータＨが用い
られているので、ヒータ温度が低くてすみ、この結果、
省エネルギー化と、信頼性の向上を充分に得ることがで
きる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、酸化ハフニウム又は炭
化ケイ素をダーク層に用いたことにより、ヒータの熱を
効率良くカソードやスリーブに伝えることができるの
で、カソードの温度を同等にした場合でのヒータの温度
を下げることができ、この結果、消費電力の低減による
省エネルギー化と、動作温度の低減によるヒータ線や絶
縁膜の信頼性向上と長寿命化を確実に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用対象としているヒータの一例を示
す説明図である。

【図２】放射率の温度依存性を説明するための特性図で
ある。

【図３】電着による膜形成装置の一例を示す説明図であ
る。

【図４】ヒータ電圧とヒータ温度の関係を示す特性図で
ある。

【図５】ヒータ温度とヒータ断線不良率の関係を示す特
性図である。

【図６】本発明が適用対象としているブラウン管の一例
を示す断面図である。

【符号の説明】

Ｈ ヒータ １ 金属線 ２ 絶縁膜 ３ ダーク層 ４ スリーブ ５ 含浸形カソード部材 ６ 負極 ７ 正極 ８ 電源 ９ 電着容器 １０ 分散液 １１ 電子銃 １２ 蛍光面 １３ ガラスバルブ １４ 陰極 １５ ウエーネルト電極 １６ 円筒電極 １７ 偏向ヨーク １８ アノードボタン １９ 導電膜 ２０ ソケットピン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通電発熱用の金属線の表面に絶縁膜とダ
   ーク層を有する陰極加熱用ヒータにおいて、 前記ダーク層が、酸化ハフニウム又は炭化ケイ素の少な
   くとも一方を含む層で構成されていることを特徴とする
   陰極加熱用ヒータ。
2. 【請求項２】 通電発熱用の金属線の表面に絶縁膜とダ
   ーク層を備え、該ダーク層が、酸化ハフニウム又は炭化
   ケイ素の少なくとも一方を含む層で構成された陰極加熱
   用ヒータを電子銃のカソードに備えたことを特徴とする
   ブラウン管。