JP2000512070A - 放電ランプ用冷陰極、この冷陰極を備えた放電ランプおよびこの放電ランプの作動方法 - Google Patents

放電ランプ用冷陰極、この冷陰極を備えた放電ランプおよびこの放電ランプの作動方法

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Abstract

(57)【要約】 放電ランプ、殊に誘電体妨害される放電を用いて作動される放電ランプ(6)に対する冷陰極(1)は、導電性の、相対向している2つの電極を有しており、これら電極の間に、強誘電体層がサンドイッチ形式に配置されている。電極の少なくとも1つは1つまたは複数の開口を備えている。作動中、2つの電極に高速に変化する極性を有する電圧が印加される。これにより、強誘電体層の表面に電子が放出され、これら電子は放電ランプの作動電圧を用いて開口を通ってランプ陽極(8)に向かって加速されかつランプ(6)の放電の点弧ないし支援のために用いられる(第2a図)。

Description

【発明の詳細な説明】 放電ランプ用冷陰極、この冷陰極を備えた放電ラン プおよびこの放電ランプの作動方法 技術分野 本発明は、請求項1の上位概念に記載の、放電ランプ、殊に誘電体妨害される 放電を用いて作動される放電ランプ用冷陰極に関する。 誘電体妨害される放電では、少なくとも1つの電極が誘電体層によって放電室 から隔離されている。 更に、本発明は、請求項9の上位概念に記載の、この陰極を備えた放電ランプ 、殊に誘電体妨害される放電を用いて作動される放電ランプ並びに請求項13の 上位概念に記載のこの形式のランプを作動するための方法に関する。 「放電ランプ」とはここでは、光、即ち可視の電磁放射線、または紫外放射線 (UV)並びに真空紫外放射線(VUV)を放射する放射器の謂いである。 放電ランプの電極の役目は、とりわけ、自立放電を支援するために必要な数の 自由電子を放出することである。これらの電子は、実質的に、陰極から放出され るか(変化しない極性の電圧、例えば直流電圧または単極のパルス電圧による作 動の場合)ないし瞬時の陰極から放出される(変化する極性の電圧、例えば交流 電圧または双極のパルス電圧による作動の場合)。更に、(瞬時の陰極に前置さ れている陰極降下空間において自由電子が生成される。 陰極降下空間は、電極間の残りの空間に比べると高い電界強度によって特徴付 けられており、即ち陰極に関する電位はこの領域において比較的強く降下する。 その結果、陰極降下室における自由電子の生成は一般に相応に高いエネルギー交 換に結び付いている。有効放射線、即ち光ないしUV/VUV放射線のできるだ け効率のよい生成を考慮して、放電ランプの陰極降下を低減するようにしている 。このために最終的に、陰極表面から電子が放出される効率を高めることが要求 される。 公知技術 電極をコイルフィラメントとして実現し、加熱しかつ場合によっては付加的に エミッタペーストを被覆して、熱的な電子放出を改善するという1つの方法があ る。この比較的煩雑な技術は例えば蛍光ランプに適用される。この所謂熱電極に 結び付いている別の欠点は、ランプの制限された寿命および封入ガスの加熱であ る。 ドイツ連邦共和国実用新案登録第29501343号明細書には、冷陰極を備 えたグロー蛍光ランプが記載されている。陰極降下を低減するために、電極にマ ンガンまたはランタンがドーピングされている。 米国特許第541824号明細書には、光電陰極を備えたVUV放射線源が記 載されている。放射線源内にとりわけ、Xeエキサイマーが形成され、これが短 波のVUV放射線を生成する。光電陰極は、50nmの厚さの、特殊鋼面に被着 されている光放出層とこれに対して平行な格子電極とから成っている。VUV放 射線は格子電極を通って光放出層に達しかつそこで光電効果を用いて電子を放出 する。それからこれら電子は格子電極を通ってかつこのようにして放電を支援す る。電子生成のための上述のメカニズムは放電それ自体によって生成されるVU V放射線に基づいているということが不都合である。即ち、放電の点弧期間には 、この電子源はまだ使用することができないか使用できても制限されている。こ のことは、パルス化作動される放電において、効率低下という欠点で顕著になる 。 ヨーロッパ特許出願公開第675520号公報には、自動車照明用の小型ネオ ンランプに対する壺または杯形状の電極が記載されている。電極の内壁はエミッ タ層が均一に被覆されている。 米国特許第5159238号明細書には、扁平な放電ランプに対する陰極が記 載されている。陰極は、低温で溶融するガラス、例えば鉛ガラスに埋め込まれて いる導電性の酸化物粒子から成っている。 発明の開示 本発明の課題は、上述の欠点を取り除きかつ低い電極温度において改善された 電子放出特性を有する電極を提供することである。 この課題は請求項1の特徴部分に記載の構成によって解決される。本発明の特 別有利な実施例は請求項1に従属している従属請求項に記載されている。 本発明の別の課題は、上述の陰極を有する放電ランプを提供することである。 この課題は、本発明によれば請求項9の特徴部分に記載の構成によって解決され る。 更に、本発明の別の課題は、この形式の放電ランプの作動方法を提供すること である。この課題は、本発明によれば、請求項13の特徴部分に記載の構成によ って解決される。 本発明の基本思想は、R.MillerおよびS.Savageによって実証された、電子放 出のための強誘電体材料の能力(R.MillerおよびS.Savage,Journal of Physi cs 21,1960,第662頁以下)を改善された電子放出を有する陰極のために意 図的に使用するということにある。電子放出のメカニズムは周知のように、強誘 電体内の高速な分極変化に基づいている。 本発明は、サンドイッチ構造を有する陰極を提供する。その際強誘電体材料、 例えば鉛−ジルコン−チタン酸塩(PZT)または鉛−ランタン−チタン酸塩( PLZT)から成るセラミックは、例えばプレート、 シート、フィルムまたは類似のものによって実現されている2つの導電性の面の 間に配置されている。1つまたは2つの面は例えば、多孔性薄板、線材格子また は相応に被着された層の形の少なくとも1つの開口を有している。開口の個所で は強誘電体材料が被覆されていないので、強誘電体層によって生成される自由電 子がこれらの開口を通って放電装置の陽極の方向に達することができる。本発明 のサンドイッチ形式の冷陰極は簡単にサンドイッチ陰極とも称される。 放電ランプにおける作動期間中、2つの導電性の面に、高速に変化する電圧パ ルス列が印加される。従ってサンドイッチ陰極は電気的なコンデンサのように作 用し、その際これらの面はコンデンサ電極に相応する。強誘電体にこの場合コン デンサ誘電体の役目が当てられる。このようにして、強誘電体内に冒頭に述べた 高速の分極変化が実現される。 有利にはサンドイッチ陰極および殊に強誘電体層は、分極変化のために必要で ある、電圧パルスの高さをできるだけ低く抑えるために、薄く実現されている。 層の厚さに対する典型的な値は1mmより僅かで、有利にはそれは約10μmお よび0.2mmの間にある。 サンドイッチ陰極は種々異なった形式の冷陰極放電ランプによって使用される 。本発明の冷陰極は、陽極が誘電体妨害を有しているかまたはそうでないかに無 関係に、その有利な効果を発揮する。この関係において重要なのは、サンドイッ チ陰極それ自体が誘電体妨害なしに放電容器内に存在するということだけである 。その際サンドイッチ陰極の幾何学形状は、放電容器の幾何学形状にできるだけ 最適に整合される。 例えばドイツ連邦共和国実用新案登録第29501343号明細書の冒頭に述 べたグロー蛍光ランプまたはヨーロッパ特許第700074号明細書に開示され ているグロー蛍光ランプのような管形状の放電ランプに対して、サンドイッチ陰 極は中空シリンダとして成形されている。サンドイッチ陰極の金属性の内壁およ び外壁はそれぞれ1つの電流供給線を有している。2つの電流供給線は、気密に 放電容器から外部に案内されている。これにより、高速に変化する電圧パルスを サンドイッチ陰極に導くことができる。 同様に有利には、サンドイッチ陰極は、一方の側が誘電体妨害された放電によ って作動される放電ランプにおいて使用される。サンドイッチ陰極は、放電容器 の内部に、例えば該陰極を内壁に直接被着することによって配置されている。陽 極は外壁に取り付けられているかまたは放電容器の内部に取り付けられている。 後者の場合、陽極は確かに、付加的な誘電体、例えば薄いガラス層によって本来 の放電から隔離されている。 サンドイッチ陰極の利点は、電子の放出の時点を精 確に制御できることにある。即ち、高速の分極変化に対する電圧信号の時間的な 調整ないし放電によって、有効放射生成の効率が高められる。このことは殊に、 改良された有効放射効率という特徴を既に有している、WO94/23442号 に記載のパルス化された放電に当てはまる。効率の上昇は、十分な数の電子の意 図した用意によって、サンドイッチ陰極の表面に、ガス放電の点弧の前に直接実 現される。 誘電体妨害される放電において同様に使用される交流電圧励振に対して、効率 上昇は本発明のサンドイッチ陰極の使用によって自然に適って制限されている。 というのは、ここではそれぞれ2番目のフェーズにおいて、サンドイッチ陰極は 陽極として作用しかつ結果的にそこで放出される電子が放電に寄与しないからで ある。 パルス化作動される誘電体妨害される放電の場合、本発明の作動方法は次の通 りである。まず、サンドイッチ陰極の2つの電気接続端子に、高速変化する極性 を有する電圧信号が印加される。これにより生じる、強誘電体の高速な極性変化 に基づいて十分な数の電子がサンドイッチ陰極の表面に放出されるので、適当な 極性の電圧パルスがサンドイッチ陰極および陽極間に加えられる。これにより電 子は陽極の方向に加速されかつその結果放電が点弧される。 図面の説明 次に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。その際: 第1a図は、サンドイッチ構造における強誘電体電子エミッタを備えた本発明の ストリップ形状の陰極の平面図であり、 第1b図は、第1a図のサンドイッチ構造のラインAAに沿って切断して見た断 面図であり、 第2a図は、第1図のストリップ形状のサンドイッチ陰極を備えたUV/VUV フラット放射線器の平面図であり、 第2b図は、第2a図のUV/VUVフラット放射線器のラインBBに沿って切 断して見た断面図であり、 第3図は、第2図の電極装置の電気的な接続の略図であり、 第4a図は、パルス化作動におけるランプ電極における電圧の時間経過を一部示 す波形図であり、 第4b図は、本発明の作動方法に相応する、サンドイッチ陰極の電極における電 圧の、第4a図に対応する時間経過を示す波形図である。 第1a図、第1b図は、ストリップ形状のサンドイッチ陰極1を平面ないしラ インAAに沿って切断して見た断面の形で略示している。約2mm幅のサンドイ ッチ陰極1は、基部層2と、被覆層3と、基部層2と被覆層3との間に配置され ている強誘電体層4とから成っている。強誘電体層4は約100μmの厚さの、 PZT(鉛−ジルコン−チタン酸塩)から成るサブストレートから成っている。 基部層2および被覆層3は白金から成り、即ちこの白金は、強誘電体サブストレ ート4の上面および下面にそれぞれ約1μmの膜厚で被着されている。被覆層3 は約200μmの正方形の開口5を有している。これら開口は、200・200 μmの寸法を有している。放電ランプにおける作動のために、基部層2および被 覆層3はそれぞれ、電流供給線に接続されている(図示されていない)。サンド イッチ陰極2がその開口5から電子を放出するように、2つの電流供給線は電圧 源に接続されている(図示されていない)。電圧源は極性を高速変化する電圧信 号を送出する。 第2a図および第2b図は、UV/VUVフラット放射器6、すなわちUVな いしVUV放射効率よい放射に基づいて構想されている扁平な放電ランプの平面 図ないしラインBBに沿って切断して見た断面図である。フラット放射器6は、 矩形の基面、第1図のサンドイッチ陰極1および2つのストリップ形状の金属陽 極8を備えた扁平な放電容器7から成っている。放電容器7はといえば、矩形の 底部プレート9と槽形式のカバー部10(第2a図には図示されていない)とか ら成り、両方ともガラスでできている。底部プレート9およびカバー部10は、 取り囲んでいる縁部の領域において相互に気密に連結されておりかつフラット放 射器6のガス封入部をこのようにして閉じ込めている。封入ガスは、10kPa の封入圧力を有するキセノンから成っている。複数の陽極8は同じ幅を有しかつ サンドイッチ陰極1と同様に、底部プレート9の内壁に相互に平行に取り付けら れている。サンドイッチ陰極1とは異なって、2つの陽極8は完全にガラス層1 1によって被覆されている。これらガラスの厚さは約150μmである。 変形例において(図示されていない)、カバー部10の内壁には、放電によっ て生成されるUV/VUV放射を可視光線に変換する蛍光物質または混合蛍光物 質が被膜されている。この変形例は、一般照明または表示装置、例えばLCD( Liquid Crystal Display)のバックグラウンド照明に適している扁平な蛍光ラン プである。 サンドイッチ陰極を備えた放電ランプを作動するための方法を説明するために 第3図には、第2図の装置およびその電気的な接続関係が示されている。その際 同じ参照番号は同じ特性を有している。サンドイッチ陰極、即ち基部層2および 被覆層3の電極は、電圧信号U1を送出する第1の電圧源12の出力端子にそれ ぞれ接続されている。陽極8(簡単にするために1つの陽極ストリップだけが断 面にて示されている)は、電圧信号U2を送出する第2の電圧源13の第1の極 に接続されている。更に、サンドイッチ陰極1の被覆 層3は付加的に第2の電圧源13の第2の極に接続されている。 第4a図および第4b図は同様に、パルス化作動される放電の例に基づいた本 発明の作動方法の原理を説明するために用いられる。これらはそれぞれ、第3図 にて説明した電圧信号U1ないしU2の時間経過を示すものである。それぞれ、 原理的には制限されていない、電圧パルス列の1つの電圧パルスしか図示されて いない。重要なのはとりわけ、2つの電圧信号U1およびU2の時間的な同期で ある。第1の電圧信号U1は、時点t2で迅速に極性が変化しかつこれにより強 誘電体層4からの電子の放出がスタートするように選択されている。その後、即 ち後の時点t3>t2において、意図的に電圧信号U2の電圧パルスがスタートし 、これにより放出された電子が陽極8の方向へ加速されかつこれにより放電が点 弧するかないし放電が支援される。電圧信号U1の極性変化に対する時間間隔は 約500nsおよびそれ以下である。その際ここでは異なった極性の、時点t1 およびt4において連続する2つの電圧パルスのピーク間の時間間隔Δt=t4− t1として考えられている。上述の時間間隔の典型的な値は100nsまたは数 百ナノ秒のオーダにある。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 放電ランプ、例えば誘電体妨害された放電を用いて作動される放電ランプ 用陰極において、 冷陰極(1)は、導電性の、相対向している2つの電極(2,3)を有しており 、これら電極(2,3)の間に、強誘電体層(4)が配置されており、この場合 電極の少なくとも1つ(3)は1つまたは複数の開口(5)を有していて、作動 中、前記2つの電極(2,3)に高速変化する極性の電圧が加わることで、前記 開口(5)を通って電子が放出され、該電子は、放電ランプの放電の点弧ないし 支援に適している ことを特徴とする冷陰極。 2. 前記電極(2,3)および強誘電体層(4)は扁平化またはストリップ形 状の構造をなしておりかつ該強誘電体層(4)の上面および下面は前記それぞれ 相対向している電極(2,3)の内側の面に対向している 請求項1記載の冷陰極。 3. 扁平の形状の構造は中空シリンダとして成形されている 請求項2記載の冷陰極。 4. 前記電極(2,3)は前記強誘電体層(4)の上面および下面に、冷陰極 がサンドイッチ構造(1)を有するように直接被着されている 請求項2または3記載の冷陰極。 5. 前記強誘電体層(4)の厚さは1mmより僅かであり、有利には約50μ mおよび500μmの領域にある 請求項1記載の冷陰極。 6. 前記電極(2,3)は金属、例えば白金から成る 請求項1記載の冷陰極。 7. 前記電極の少なくとも1つ(3)の前記開口(5)は、格子または網目の 形状によって実現されている 請求項1記載の冷陰極。 8. 前記強誘電体層(4)は鉛−ジルコン−チタン酸塩(PZT)または鉛− ランタン−チタン酸塩(PLZT)から成っている 請求項1記載の冷陰極。 9. 少なくとも部分的に透明でかつガス封入物が封入されている閉じられた( 7)またはガスまたは混合ガスが流れる放電容器と、該放電容器内に配置されて いる負の極性の1つまたは複数の電極(陰極)(1)と、正の極性の1つまたは 複数の電極(陽極)(8)とを備え、前記放電容器は非導電性の材料から成って いる、放電ランプ(6)において、 前記陰極(1)は請求項1から8までのいずれか1項記載の特徴を有している ことを特徴とする放電ランプ。 10.前記陰極(1)は、前記放電容器(7)の内壁にストリップ形状に、該陰 極(1)内の開口(5)が該放電容器(7)の内部の方向を向いているように配 置されている 請求項9記載の放電ランプ。 11.前記陽極(8)は前記放電容器(7)の内部とはおよび場合によっては相 互に誘電体材料(11)によって隔離されている 請求項9記載の放電ランプ。 12.前記陽極(8)は、前記放電容器(7)の内壁にストリップ形状に配置さ れておりかつそれぞれの陽極(8)は誘電体層(11)によって完全に被覆され ている 請求項11記載の放電ランプ。 13.請求項9の特徴を有する放電ランプの作動方法において、 高速に極性が変化する第1の時間変化する電圧信号(U1)を用意し、 第2の時間変化する電圧信号(U2)を用意し、 前記第1および第2の信号を、第1の信号(U1)の高速の極性変化に、第2の 信号(U2)の振幅の絶対値の増加が追従するように同期し、 前記第1の電圧信号(U1)を前記冷陰極(1)の電4極(2,3)に印加して 、該冷陰極(1)が極性変化 の都度、前記開口(5)から電子を放出するようにし、前記第2の電圧信号(U 2)を放電ランプ(6)の陽極(8)および冷陰極(1)に、該第2の電圧信号 (U2)の振幅の絶対値の増加の都度、放出された電子が陽極(8)の方向に加 速されかつこれにより放電の点弧ないし支援が行われるように印加する ことを特徴とする方法。 14.前記第1の電圧信号(U1)の極性変化に対する時間間隔は約500ns より短い 請求項13記載の方法。 15.第2の時間変化する電圧信号(U2)を休止時間によって分離されている 電圧パルスから形成する 請求項13記載の方法。 16.前記パルス幅は、0.1μsおよび10μsの間の領域、有利には0.5 μsおよび5μsの間の領域にある 請求項15記載の方法。 17.前記パルス繰り返し周波数は、1kHzおよび1MHzの間の領域、有利 には10kHzおよび100kHzの間の領域にある 請求項15または16記載の方法。 18.前記第2の時間変化する電圧信号(U2)を交流電圧から形成する 請求項13記載の方法。
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