DE19711891A1 - Flachstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Flachstrahler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter der Bezeichnung "Flachstrahler" sind hier Strahler mit einer flächigen Geometrie gemeint, die Licht emittieren, d. h. sichtbare elektromagnetische Strahlung, oder auch Ultraviolett(UV)- sowie Vakuumultraviolett(VUV)-Strahlung.

Derartige Strahlungsquellen eignen sich, je nach dem Spektrum der emittier­ ten Strahlung, für die Allgemein- und Hilfsbeleuchtung, z. B. Wohn- und Bürobeleuchtung bzw. Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen, beispiels­ weise LCD's (Liquid Crystal Displays), für die Verkehrs- und Signalbeleuch­ tung, für die UV-Bestrahlung, z. B. Entkeimung oder Photolytik.

Es handelt sich dabei insbesondere um Flachstrahler, wie in der EP 0 363 832 beschrieben. Bei dieser Art von Strahler sind entweder die Elektroden einer Polarität oder alle Elektroden, d. h. beiderlei Polarität, mittels einer dielektri­ schen Schicht von der Entladung getrennt (einseitig bzw. zweiseitig dielek­ trisch behinderte Entladung). Derartige Elektroden werden im folgenden auch verkürzend als "dielektrische Elektroden" bezeichnet.

Die dielektrische Schicht kann durch die Wandung des Entladungsgefäßes selbst gebildet sein, indem die Elektroden außerhalb des Entladungsgefäßes, etwa auf der Außenwandung, angeordnet sind. Ein Vorteil dieser Ausfüh­ rung mit äußeren Elektroden ist, daß keine gasdichten Stromdurchführun­ gen durch die Wandung des Entladungsgefäßes geführt werden müssen. Allerdings ist die Dicke der dielektrischen Schicht - ein wichtiger Parameter, der unter anderem die Zündspannung und die Brennspannung der Entla­ dung beeinflußt - im wesentlichen durch die Anforderungen an das Entla­ dungsgefäß, insbesondere dessen mechanische Festigkeit, festgelegt. Da die Höhe der erforderlichen Versorgungsspannung mit der Dicke der dielektri­ schen Schicht zunimmt, ergeben sich unter anderem folgende Nachteile. In erster Linie muß die für den Betrieb des Flachstrahlers vorgesehene Span­ nungsversorgung auf den höheren Spannungsbedarf ausgelegt werden. Dies ist in der Regel mit Mehrkosten und größeren Außenabmessungen verbun­ den. Außerdem sind höhere Sicherheitsvorkehrungen zum Berührungs­ schutz erforderlich.

Andererseits kann die dielektrische Schicht auch in Gestalt einer zumindest teilweisen Umhüllung oder Schicht mindestens einer innerhalb des Entla­ dungsgefäßes angeordneten Elektrode realisiert sein. Das hat den Vorteil, daß die Dicke der dielektrischen Schicht auf die Entladungseigenschaften hin optimiert werden können. Allerdings erfordern innere Elektroden gas­ dichte Stromdurchführungen. Dadurch sind zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich, was die Herstellung in der Regel verteuert.

Üblicherweise sind längliche Elektroden mit verschiedener Polarität (Anoden und Kathoden) abwechselnd nebeneinander angeordnet, wodurch sich flächenartige Entladungskonfigurationen mit relativ flachen Entla­ dungsgefäßen realisieren lassen. Ebenso können die Anoden und Kathoden auf unterschiedlichen Seiten der Innenwandung des Entladungsgefäßes an­ geordnet sein, z. B. derart, daß sich jeweils eine Anode und Kathode gegen­ überstehen. Außerdem sind die Elektroden paarweise an die beiden Pole einer Spannungsquelle angeschlossenen. Ein besonders effizientes Verfahren zum Betreiben von Strahlern mit dielektrischen Elektroden ist in der WO 94/23442 beschrieben.

Stand der Technik

Aus der DE-OS 195 26 211 ist ein Flachstrahler bekannt, der mit Hilfe einer Folge von durch Pausenzeiten voneinander getrennten Spannungspulsen - d. h. entsprechend dem Betriebsverfahren der WO 94/23442 - betrieben wird. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils streifenförmige Elektroden auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes angeordnet.

In der EP 0 363 832 ist unter anderem ein UV-Hochleistungsstrahler mit streifenförmigen Elektroden offenbart, die auf der Innenwandung des Ent­ ladungsgefäßes angeordnet sind. Über Stromdurchführungen zum Verbin­ den der inneren Elektroden mit einer Spannungsquelle sind allerdings keine Angaben enthalten.

Üblicherweise sind die inneren Elektroden von Entladungslampen und -strahlern mit einer drahtförmigen oder folienartigen Stromzuführung ver­ bunden. Eine Durchführung verbindet die Stromzuführung im Innern des Entladungsgefäßes mit äußeren Stromzuführungen, die ihrerseits der Ver­ bindung mit einer elektrischen Versorgungsquelle dienen. Um die Gasdicht­ heit sicherzustellen, muß die Durchführung einerseits eng vom Material des Entladungsgefäßes umgeben sein. Andererseits weisen die Materialien von Durchführung, üblicherweise ein Metall oder eine Metallegierung, und Ent­ ladungsgefäß, z. B. Glas oder Keramik, zum Teil sehr unterschiedliche Wär­ meausdehnungskoeffizienten auf. Um zu hohe mechanische Spannungen und folglich Spannungsbrüche und Risse im Durchführungsbereich zu vermeiden, werden die Durchführungen unter anderem mittels sehr dünner Drähte realisiert. Diese Technik ist allerdings auf geringe Stromstärken bzw. Lampenleistungen beschränkt, da die dünnen Drähte ansonsten ähnlich wie eine Schmelzsicherung durchbrennen würden. Diesem Nachteil wird be­ kanntermaßen durch Verwendung einer dünnen Folie, z. B. einer ca. 10-20 µm dicken Molybdänfolie, im Dichtungsbereich der Durchführung abge­ holfen.

Die genannten Techniken sind aufgrund der vielen Einzelteile sowie Hand­ habungs- und Fertigungsschritte für eine automatisierte Fertigung von Flachstrahlern mit sehr vielen Elektrodenstreifen wenig geeignet.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flachstrahler mit streifen­ artigen inneren Elektroden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereit­ zustellen, der Stromdurchführungen aufweist derart, daß der Flachstrahler - weitgehend unabhängig von der Größe und damit der Anzahl der Elektro­ den - in relativ wenigen Fertigungsschritten und folglich kostengünstig her­ stellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi­ gen Ansprüchen.

Unter dem Begriff "streifenartige Elektrode" oder auch verkürzend "Elektrodenstreifen" soll hier und im folgenden ein längliches, im Vergleich zu seiner Länge sehr dünnes Gebilde verstanden werden, das in der Lage ist, als Elektrode wirken zu können. Dabei müssen die Kanten dieses Gebildes nicht notwendigerweise parallel zueinander sein. Insbesondere sollen auch Unterstrukturen entlang der Längsseiten der Streifen umfaßt sein. Außer­ dem kann ein Streifen auch ein Muster aufweisen, z. B. ein zickzack- oder rechteckwellenförmiges Muster.

Die Erfindung schlägt vor, die inneren streifenartigen Elektroden selbst zu­ sätzlich auch als Durchführungen inklusive äußere Stromzuführungen wei­ ter zu bilden.

Zu diesem Zweck ist das Entladungsgefäß aus einer Bodenplatte und einer Deckenplatte aufgebaut, die mittels Lot, z. B. Glaslot, - eventuell aber nicht notwendigerweise über einen zusätzlichen Rahmen - miteinander verbun­ den sind. Auf einen Rahmen kann verzichtet werden, wenn zumindest eine der beiden Platten z. B. wannenartig geformt ist derart, daß von der Boden- und Deckenplatte ein Entladungsraum umschlossen ist. Die Elektrodenstrei­ fen sind jeweils mit einem Ende durch das Lot hindurch gasdicht nach au­ ßen geführt. Die Streifen selbst sind gasdicht direkt auf der Bodenplatte und/oder Deckenplatte aufgebracht - ähnlich wie Leiterbahnen auf einer elektrischen Leiterplatte -, z. B. durch Aufdampfen, Siebdruck mit anschlie­ ßendem Einbrennen oder ähnlichen Techniken. Die Dichtung der Durchfüh­ rung sowie der anderen Bauelemente übernimmt das Lot.

Auf diese Weise werden die inneren Elektroden, die Durchführungen und äußeren Stromzuführungen quasi gleichzeitig in einem gemeinsamen Ferti­ gungsschritt als funktionell unterschiedliche Teilbereiche einer jeweils einzi­ gen kathodenseitigen bzw. anodenseitigen schichtartigen Leiterbahnstruktur hergestellt. Gegenüber dem Stand der Technik ist die Anzahl der Handha­ bungs- und Fertigungsschritte dadurch deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie die kostengünstige Fertigung nahezu be­ liebig großer Flachstrahler ermöglicht, da der genannte Fertigungsabschnitt praktisch unabhängig von der Größe des Strahlers immer gleichartig reali­ siert werden kann.

Um mechanische Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen gering zu halten, und um die Gasdichtheit auch im Dauerbetrieb zu gewähr­ leisten, sind die Materialien für Glaslot und Rahmen sowie Boden- und Dec­ kenplatte aufeinander abgestimmt. Außerdem sind die Dicken der Elektro­ denstreifen so dünn gewählt, daß einerseits die Wärmespannungen gering bleiben und daß andererseits die im Betrieb erforderlichen Stromstärken realisiert werden können. Insofern ist in der Regel ein geeigneter Kompro­ miß zu finden zwischen geringen ohmschen Verlusten (möglichst große Dic­ ken) und geringen mechanischen Spannungen (möglichst geringe Dicken). Typische Dicken für Leitsilberstreifen liegen im Bereich von ca. 50 nm bis ca. 50 µm.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen Flachstrahler in teilweise durchbrochener Draufsicht,

Fig. 1b einen Querschnitt durch den Flachstrahler aus Fig. 1a entlang der Linie AA,

Fig. 1c eine ausschnittsweise Darstellung eines Querschnitts durch den Flachstrahler aus Fig. 1b entlang der Linie BB.

Die Fig. 1a-1c zeigen schematisch einen Flachstrahler 1 in Draufsicht sowie zwei Schnittdarstellungen entlang der Linien AA bzw. BB. Damit die Verhältnisse besser erkennbar sind, ist in Fig. 1c lediglich ein gegenüber Fig. 1b vergrößerter Ausschnitt längs der Linie BB dargestellt. Der Flach­ strahler 1 besteht aus einem Entladungsgefäß 2, streifenförmigen Kathoden 3 und dielektrisch behinderten, streifenförmigen Anoden 4. Das Entladungs­ gefäß 2 besteht aus einer Bodenplatte 5, einer Deckenplatte 6 und einem Rahmen 7, die allesamt eine rechteckige Grundfläche aufweisen. Bodenplat­ te 5 und Deckenplatte 6 sind mittels Glaslot 8 mit dem Rahmen gasdicht verbunden derart, daß das Innere 9 des Entladungsgefäßes 2 quaderförmig ausgebildet ist. Die Bodenplatte 5 ist größer als die Deckenplatte 6 derart, daß das Entladungsgefäß 2 einen umlaufenden freistehenden Rand aufweist. Die Kathoden 3 und Anoden 4 sind abwechselnd und parallel zueinander im gegenseitigen Abstand von ca. 6 mm auf der Innenwandung der Bodenplat­ te 5 angeordnet. Die Kathoden 3 und Anoden 4 sind an entgegengesetzten Enden verlängert und als kathodenseitige 10 bzw. anodenseitige 11 Durch­ führungen aus dem Innern 9 des Entladungsgefäßes 2 auf der Bodenplatte 5 beidseitig nach außen geführt. Auf dem Rand der Bodenplatte 5 gehen die Durchführungen 10; 11 in je eine kathodenseitige 12 bzw. anodenseitige 13 busartige Leiterbahn über, die in zwei benachbarten Abschnitten 14; 15 en­ den. Die beiden Abschnitte 14; 15 dienen als Außenkontakte für die Verbin­ dung mit einer elektrischen Impulsspannungsquelle (nicht dargestellt). Auf der Innenwandung der Deckenplatte 6 ist eine Schicht 16 eines Leuchtstoff­ gemisches aufgebracht, welche die vorwiegend kurzwellige Strahlung der Entladung in sichtbares weißes Licht konvertiert. Es handelt sich dabei um einen Dreibandenleuchtstoff mit der Blaukomponente BAM (BaMgAl₁₀O₁₇: Eu²⁺), der Grünkomponente LAP (LaPO₄: [Tb³⁺, Ce³⁺]) und der Rotkomponente YOB ([Y, Gd]BO₃: Eu³⁺). Die Schichtdicke beträgt ca. 27 µm. In einer Variante (nicht dargestellt) sind außer der Innenwandung der Deckenplatte zusätzlich noch die Innenwandung der Bodenplatte sowie des Rahmens mit einem Leuchtstoffgemisch beschichtet. Ferner ist noch di­ rekt auf der Innenwandung der Bodenplatte je eine lichtreflektierende Schicht aus TiO₂ und Al₂O₃ aufgebracht. Die Schichtdicken betragen ca. 15 µm bzw. 7 µm.

Der Durchbruch in der Deckenplatte 6 dient lediglich darstellerischen Zwecken und gibt den Blick auf einen Teil der Anoden 4 und Kathoden 3 frei. Im Innern 9 des Entladungsgefäßes 2 sind die Anoden 4 vollständig mit einer Glasschicht 17 bedeckt (vgl. auch Fig. 1b, welche einen Schnitt des Flachstrahlers 1 längs einer Anode 4 zeigt), deren Dicke ca. 250 µm beträgt.

Die Elektroden 3; 4, Durchführungen 10; 11, Leiterbahnen 12; 13 und Außen­ kontakte 14; 15 sind als verschiedene Abschnitte einer kathodenseitigen und einer anodenseitigen Schichtstruktur aus Silber realisiert, die mittels Sieb­ drucktechnik und anschließendem Einbrennen gemeinsam aufgebracht sind. Die Schichtdicke beträgt ca. 6 µm.

In einer Variante (nicht dargestellt) sind die Kathodenstreifen auf der In­ nenwandung der Deckenplatte aufgebracht. Jedem Kathodenstreifen ist ein Anodenstreifenpaar zugeordnet derart, daß im Querschnitt betrachtet je­ weils die gedachte Verbindung von Kathoden und korrespondierenden An­ oden die Form eines auf dem Kopf stehenden "V" ergibt. Kathoden- und Anodenstreifen sind auf derselben Seite der Leuchtstofflampe mittels Durch­ führungen nach außen geführt und gehen auf dem entsprechenden Rand der Decken- bzw. Bodenplatte in die kathodenseitige bzw. anodenseitige Strom­ zuführung über. Sowohl die Anodenstreifen als auch die Kathodenstreifen sind vollständig mit einer dielektrischen Schicht bedeckt, die sich über die komplette Innenwandung der Boden- und der Deckenplatte erstreckt derart, daß die dielektrischen Schicht zusätzlich als Glaslot zur gasdichten Verbin­ dung dient. Auf der dielektrischen Schicht der Bodenplatte ist je eine licht­ reflektierende Schicht aus TiO₂ und Al₂O₃ aufgebracht. Als letzte Schicht folgt darauf und ebenso auf der dielektrischen Schicht der Deckenplatte eine Leuchtstoffschicht aus einem BAM, LAP, YOB-Gemisch.

Die Erfindung ist nicht durch die angegebenen Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Außerdem können Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbei­ spiele auch kombiniert werden.

Claims (8)

1. Flachstrahler (1) mit einem zumindest teilweise transparenten und mit einer Gasfüllung gefüllten geschlossenen Entladungsgefäß (2) aus elek­ trisch nichtleitendem Material und mit auf der Innenwandung des Entladungsgefäßes (14) angeordneten streifenartigen Elektroden (3, 4), wobei zumindest die Anoden (4) jeweils mit einer dielektrischen Schicht (17) bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Entladungsgefäß (2) zumindest eine Bodenplatte (5) und eine Deckenplatte (6) aufweist, wobei die Bodenplatte (5) und die Dec­ kenplatte (6) mittels Lot (8), gegebenenfalls auch über einen zwi­ schen Decken- und Bodenplatte angeordneten zusätzlichen Rah­ men (7), gasdicht miteinander verbunden sind,
• - die streifenartigen inneren Elektroden (3, 4) zusätzlich in Durchfüh­ rungen (10, 11) und diese wiederum in zwei busartige äußere Strom­ zuführungen (12, 14; 13, 15) übergehen derart, daß die Elektro­ den (3, 4), die Durchführungen (10, 11) und die äußeren Stromzufüh­ rungen (12, 14; 13, 15) als jeweils funktionell unterschiedliche Teilbe­ reiche einer kathoden- bzw. anodenseitigen einheitlichen, leiter­ bahnähnlichen Struktur (3, 10, 12, 14; 4, 11, 13, 15) ausgebildet sind,

wobei die Durchführungen (10, 11) durch das Lot (8) gasdicht abge­ deckt nach außen geführt sind und wobei die beiden sich unmittelbar daran anschließenden äußeren Stromzuführungen (13, 14) zum An­ schluß einer elektrischen Versorgungsquelle dienen.

2. Flachstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die­ lektrischen Schichten zusätzlich als Lot für die gasdichten Durchfüh­ rungen dienen.

3. Flachstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die busartigen äußeren Stromzuführungen (12; 13) auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes angeordnet sind.

4. Flachstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ka­ thoden- und anodenseitige Struktur aus einer Metallschicht besteht, wobei die Schichtdicke im Bereich zwischen ca. 50 nm und 50 µm liegt.

5. Flachstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke im Bereich zwischen ca. 1 µm und 10 µm liegt.

6. Flachstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Lotes (8) auf die Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten der Materialien der Bodenplatte (5) und der Dec­ kenplatte (6) sowie gegebenenfalls des Rahmens (7) abgestimmt ist.

7. Flachstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest ein Teil der Innenwandung des Entladungsgefäßes eine Schicht aus einem Leuchtstoff oder Leuchtstoffgemisch aufweist.

8. Flachstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Teil der Innenwandung des Entladungsgefäßes, insbesondere auf der Innenwandung der Bodenplatte, zwischen Innenwandung und Leuchtstoffschicht eine lichtreflektierende Schicht aufgebracht ist.