JP2006024564A - 誘電体バリア放電ランプ - Google Patents

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Abstract

【課題】 誘電体バリア放電ランプを提供する。
【解決手段】 誘電体バリア放電ランプ(1)の放電容器(2)は、主軸(6)と交差する端部を備える。該ランプ内には、カソードとして機能するように電圧が印加される第1のタイプの電極(3)と、アノードとして機能するように電圧が印加される第2のタイプの電極(4)とがある。両電極は、実質的に真直ぐで細長く、且つ主軸(6)に実質的に平行な長手方向軸線を有する。電極(3、4)は、放電ボリューム内部に配置される。少なくとも1つのタイプの電極は、誘電体層によって放電ボリュームから隔離される。電極(3、4)が放電ボリューム内部に群をなして配列され、該群の各々が第1のタイプの少なくとも1つの電極(3)と第2のタイプの少なくとも1つの電極(4)とを備える誘電体バリア放電ランプもまた開示される。
【選択図】 図1

Description

本発明は誘電体バリア放電ランプに関する。
現在知られている市販の低圧放電ランプの多くは、いわゆる小型蛍光灯である。これらのランプは、少量の水銀も含むガスが封入されている。水銀は毒性の強い物質であるので、新しい形式のランプが最近開発されている。水銀封入蛍光灯に取って代わる有望な1つの候補は、いわゆる誘電体バリア放電ランプ(略してDBDランプ)である。水銀を排除すること以外に、誘電体バリア放電ランプはまた、寿命が長くウォームアップ時間が無視できる程度であるといった利点をもたらす。
例えば、米国特許第6,060,828号に詳細に説明されているように、DBDランプの作動原理は、希ガス(典型的にはキセノン)中での放電に基づく。放電は、1対の電極によって維持され、これらの電極間には少なくとも1つの誘電体層が存在する。kHzの周波数範囲を有する数kVの電圧が、電極の対に印加される。多くの場合、第1の極性を有する複数の電極が、反対の極性を有する単一の電極と組み合わされる。放電の間、エキシマ(励起分子)がガス中に発生し、準安定なエキシマが消滅するときに電磁放射線を放出する。エキシマの電磁放射線は、水銀封入蛍光灯内で発生するプロセスと類似する物理的プロセスで適切なルミネセント材料により可視光に変換される。この種の放電は、誘電体妨害放電とも呼ばれている。
上述のように、DBDランプは、誘電体によって放電ガスから分離された少なくとも1つの電極のセットを有さなければならない。誘電体として放電容器自体の壁を用いることは公知である。この方式においては、薄膜誘電体層は無くてもよい。薄膜誘電体層は、製造が複雑であり、劣化する傾向があるので、これは有利である。この要件を満たすために、種々の放電容器−電極構成が提案されている。米国特許第5,994,849号には、平面構成が開示され、ここでは、放電容器の壁は誘電体として作用する。反対の極性を有する電極が、互いに交互して配置される。該配置は、電極が、少なくとも一方の側から放電ボリュームを覆わないが、電極間に電場を確立するのに使用されるエネルギーの大部分が放電容器の外部に放散する利点を有する。一方で、平面のランプ構成は、従来の白熱電球用に設計された既存のランプソケット及びランプハウジングの大半で使用することができない。
米国特許第6,060,828号及び第5,714,835号には、従来的なねじ込みソケットに好適な実質的に円筒型のDBD光源が開示されている。これらのランプは、放電ボリューム内に単一の内部電極を有し、該内部電極は、放電ボリュームの外側表面上で幾つかの外部電極によって囲まれる。比較的大きい放電ボリューム内での放電は一様でない傾向があるので、こうした電極構成は十分に均一な光を与えないことが分かっている。一部のボリューム部分、特に両電極から離れているボリューム部分では、有効な放電が実質的に全く存在しない。
米国特許第6,777,878号には、円筒型放電容器の壁の内側に配列され、誘電体層によって覆われた細長い電極を有するDBDランプ構成が開示されている。この構成においては、電極は、互いに比較的大きく離れており、従って点弧を開始するのに極めて高い電圧が必要とされる。低温始動の困難性を克服するために、細長い円筒放電ランプの一方端部にある外部金属リングが提案されている。このランプ構成は、従来的な細長い円筒形状のDBDランプの群に属し、白熱ランプと交換して使用することができない。
米国特許第6,060,828号公報 米国特許第5,994,849号公報 米国特許第5,714,835号公報 米国特許第6,777,878号公報 米国特許第5,604,410号公報
従って、高い作動電圧を必要とすることなく、点弧を開始し作動状態を維持するのが容易な、改良された放電容器−電極構成を有するDBDランプ構成に対する必要性が存在する。更に、有効な放電ボリューム内部の電場及び放電が均一且つ強力であり、これにより実質的にランプの全ボリュームを有効に使用できることを保証する、改良された放電容器−電極構成に対する必要性も存在する。改良された放電容器−電極構成を有することに加え、製造が比較的簡単であるDBDランプを提供することが求められている。更に、使用される放電ガス、励起電圧、周波数及び励起信号波形の特性により、種々のタイプの電極セットの構成に容易に対応する放電容器−電極構成を提供することが求められている。提案される電極配列は、より高い輝度及び効率を提供するために、電極の自己遮蔽効果を最小にする。
本発明の例示的な実施形態において、誘電体バリア放電ランプは、主軸を有する放電容器を備え、該放電容器は放電ガスが封入された放電ボリュームを内包する。放電容器は、主軸と交差する端部を更に備える。ランプ内には、第1のタイプの少なくとも1つの電極と第2のタイプの少なくとも1つの電極とがある。1つのタイプの電極はカソードとして機能するように電圧が印加され、第2のタイプの電極はアノードとして機能するように電圧が印加される。両電極は、実質的に真直ぐで細長く、且つ放電容器の主軸に実質的に平行な長手方向軸線を有する。これらの電極は、放電ボリューム内部に配置される。少なくとも1つのタイプの電極は、誘電体層によって放電ボリュームから隔離される。
本発明の別の態様の例示的な実施形態において、誘電体バリア放電ランプは主軸を有する放電容器を備え、該放電容器は放電ガスが封入された放電ボリュームを内包する。放電容器は、主軸と交差する端部を更に備える。ランプ内には、第1のタイプの電極と第2のタイプの電極とがある。1つのタイプの電極はカソードとして機能するように電圧が印加され、第2のタイプの電極はアノードとして機能するように電圧が印加される。電極は、実質的に真直ぐで細長く、且つ放電容器の主軸に対して実質的に平行な長手方向軸線を有する。これらの電極は、放電ボリューム内部に群をなして配列され、該群の各々は、第1のタイプの1つの電極と第2のタイプの少なくとも1つの電極とを備える。少なくとも1つのタイプの電極は、誘電体層によって放電ボリュームから隔離される。
開示されたDBDランプは、従来技術よりも優れた幾つかの利点を有する。これらは、有効放電ボリュームが両方のタイプの電極(カソード及びアノード)を収容するために完全に使用され、有効放電ボリュームを減少させ且つある種の遮蔽効果の原因になるであろう他の要素が放電容器内部に配置されないことを保証する。放電容器内部にあり且つ互いに平行な異なるタイプの電極の配列は、kHzの範囲の周波数を有した1〜5kVの出射電圧を供給する電源の使用を可能にすることになる。電場の力線密度は、外部電極を有する公知の従来型ランプ構成よりも実質的に高い。本発明によるランプは、良好な効率で作動することになる。このことに加え、該ランプは均一で均質のボリューム放電、及び大きな照明表面を提供することができる。
本発明の更なる態様及び利点は、添付図面を参照して説明される。
ここで図1及び図2を参照すると、低圧放電ランプ1の概略図が示されている。ランプは、誘電体バリア放電ランプ(以下DBDランプともいう)であり、DBDランプのエンベロープとしても機能する単一の放電容器2を有する。放電容器2は、放電ガスが封入された放電ボリュームを内包する。放電容器の壁は、励起ガスの短波長放射線を可視光に変換するためのルミネセント層で被覆することができる。図示された実施形態において、放電容器は、実質的に円筒形であり、軟質又は硬質ガラス、或いはランプによって放射される波長に対して透過性の任意の適切なセラミックとすることができる透明材料で作られる。安全性をより高くするために、別個の外側エンベロープ(図示せず)を使用してもよく、該エンベロープは放電容器と同じ材料、或いはランプによって放射される波長に対して透過性の適切なプラスチック材料で作ることができる。放電容器2及び外側エンベロープ(用いられる場合)は、ランプベース(図示せず)によって機械的に支持され、該ベースは更に、標準の差込式、ねじ込み式、或いはバヨネット式ソケットに相当する、ランプ1の接点端子を保持する。ランプベースはまた、周波数50〜200kHzで1〜5kVの電圧を供給する公知のタイプの電源を収容することができ、より詳細な説明は必要としない。DBDランプ用の電源の作動原理は、例えば米国特許第5,604,410号に開示されている。
放電容器2の内部には、互いに対して、及び放電容器2の主軸6に対して実質的に平行に配列された、異なるタイプの2つの電極3及び4が存在する。該電極は、アノード及びカソードとして動作するように電源(図示せず)によって電圧が印加される。両方の電極は、放電容器の同じ端部領域を通って導かれ、これは電源への電極のより好都合な接続を形成する。電極の1つは、誘電体層5によって放電ボリュームから隔離される。DBDランプの動作原理に基づき、異なるタイプの電極間には誘電体隔離層が存在する必要があり、該層は連続アークが形成されるのを回避する。この目的のためには、図1及び図2に示されたように2つの電極の1つを誘電体層によって隔離すれば十分である。誘電体層として、電極及び放電容器に結合することができる、誘電率が十分に高い任意の材料を使用することができる。電極に沿った均質な放電を可能にするために、誘電体層は放電容器の内部の電極に沿って同じ厚みaを有する。誘電体層の厚みはできる限り小さく保つべきであり、約0.25mmとすることができる。誘電体層として使用される材料と放電容器の材料とが同じものである場合には、放電容器の貫通領域の気密シールを形成することがより容易となる。
提案される実施形態における電極は、銀又は銅などの良導体材料製の真直ぐな細長いロッド様のワイヤである。電極の直径dは、好ましくは約1mmである。また、電極の重量及び該電極製造に使用する材料を低減するために、円筒型電極を使用してもよい。平行電極3及び4の間隔Aは重要ではないが、間隔が大きくなると励起電圧の大きさも増大する。2〜5kVの励起電圧では、2〜5mmの電極間隔Aが適切であることが分かっている。励起電圧の3kV上限を超えないようにするために、異なるタイプの近接する電極3と4の間隔Aは3mmを超えない。この電極間隔はまた、放電ギャップとも呼ばれ、その値は、放電容器2内での放電プロセスの一般的パラメータにも影響を与える。
図3及び図4には、異なる放電容器電極構成を備えたDBDランプが示される。放電容器2の内部には、互いに対して及び放電容器2の主軸6に対して実質的に平行に配列された異なるタイプの2つの電極3及び4がある。該電極は、アノード及びカソードとして動作するために電源(図示せず)によって電圧が印加される。該電極は、放電容器の相対する端部分を通って導かれ、これは、端部分の貫通領域での放電容器に対する電極のより好都合な固定を可能にする。図1及び図2とは異なり、図3及び図4に示される実施形態においては、両方の電極が誘電体層5によって放電ボリュームから隔離されている。上記のように、両方のタイプの電極に誘電体層を施す必要はないが、放電容器の貫通領域内に気密シールを製造するときは、これは有利となる可能性がある。第1の実施形態との別の相違点は、放電容器が、僅かに丸みのあるコーナー領域を備える矩形断面を有することである。この放電容器配列は、電場のより均質な分布を形成するには有用であり、また、放電容器2内でガスのより均質な励起をもたらすることができる。電極の数を増やすことによって、電場の一様性、従って放電分布の一様性を高めることができることが分かっている。以下の実施形態は、あるタイプの少なくとも1つの電極を有する種々の電極配列を示す。
図5及び図6において、DBDランプは異なるタイプの4つの電極を備えて示されている。図5に示される実施形態においては、第1のタイプ(アノード/カソード)の1つの電極3があり、第1のタイプの電極の周囲に第2のタイプ(カソード/アノード)の3つの電極4がある。第2のタイプの電極4と第1のタイプの電極3との間の各間隔が異なる場合、放電は、互いに隣接して位置する異なるタイプの電極間で発生することになる。第2のタイプの電極4と第1のタイプの電極3との間の各間隔が同じである場合、放電は、第1のタイプの電極3と第2のタイプの電極4との間に偶発的に発生し、これにより放電容器内でのより均質な放電分布が生じることになる。電極3と電極4の間の全てに放電を発生させるために、電極のパラメータ(厚み、長さ、誘電体隔離)が同一であることも重要である。この配列においては、4つの電極は、放電を発生するのに一度に1つの活性電極対だけを備えた群を形成する。図6に示される実施形態においては、第1のタイプ(アノード/カソード)の2つの電極と、第2のタイプ(カソード/アノード)の2つの電極とが放電容器2の内部に存在する。この配列においては、異なるタイプの2つの電極が、2つのタイプの一方に割当てられた1つの電極だけを有する電極の群(対)を形成し、従って、同時に(各励起区間において)2つの放電経路を確立することが可能である。同時に2つの放電経路が生成される事実に従って、該配列の光度は、同じ数の電極を有する図5に示される実施形態に対して2倍になる。1つの対の電極間の間隔が、各対間の間隔よりも小さい場合には、2つの一定の放電経路が形成されることになる。しかしながら、図6に示されるように、4つの電極が正方形の端点に配列され、例えば、1つの対の電極間の間隔と、各対間の間隔とが同じである場合には、結果としてより均質なガス励起が得られる放電経路が形成されることになる。
DBDランプの更に良好な光度は、放電容器内で幾つかの群の電極アレイが使用される場合に達成することができる。このような幾つかの群の電極のアレイにおいては、同時放電経路の数はアレイ内の群の数に等しい。各群は、第1のタイプ(アノード/カソード)の1つの電極と、第2のタイプ(カソード/アノード)の少なくとも1つの電極とからなる。電極の群内の各電極の間隔が異なる場合には、放電は、互いに隣接して位置する異なるタイプの電極間に発生することになる。異なるタイプの電極間の間隔が同じである場合には、放電は、第1のタイプの電極と第2のタイプの電極との間で偶発的に発生し、これにより放電容器内部のより均質な放電分布が形成されることになる。各電極間に放電を発生させるためには、電極のパラメータ(厚み、長さ、誘電体隔離)が同一であることも重要である。
第2のタイプの電極は、2次元周期格子で配列することができ、第1のタイプの電極は該格子セルの中央に配列することができる。図7及び図8に示される好ましい実施形態において、電極は六方格子(ハニカム・パターンに類似する)で配列される。例えば正方格子である他の周期格子と比較して、六方格子は相対的に高い実装密度を有するので、六方配列が好ましい。このことは、少なくとも(Σ)/Ve比率(式中Viはi番目の電極の容積であり、Veは放電容器2の容積である)を最大化することが要求されているときには、この方式で放電容器の有効容積が最も効率的に満たされることを意味する。
放電容器2内部の電極3及び電極4の数は、ランプ1の寸法及び目標出力に応じて変わることができる。例えば、7個、19個、又は37個の電極が、六方ブロックを形成することができる。
誘電体バリア放電(誘電体妨害放電とも称される)は、第1のセットの相互接続電極3と、第2のセットの相互接続電極4とによって発生する。用語「相互接続」は、電極3及び電極4が共通の電位にある、すなわち、図9に示されるように、これらが1つのセット内で互いに接続されていることを表している。第1のタイプの電極3は、これらの端部で互いに接続されて電源7の1つの端子と導体8を介して接続されており、第2のタイプの電極4は、これらの端部で互いに接続され、電源7の他方の端子と導体9を介して接続されている。電源7は、本線の電圧10に接続される。2つの電極セットの概要をより良好に確保するため、図面では、第2のタイプ(カソード/アノード)の電極は白色にされ、第1のタイプ(アノード/カソード)の電極は黒色にされている。同じ型の電極は、放電ボリュームの内側或いは外側で相互接続することができる。異なるタイプの電極は、その同じ端部で放電容器を通って導くことができる。放電容器の端部は主軸と交差する。第1のタイプの電極は、第1の端部で放電容器を通って導かれ、第2のタイプの電極は、第1の端部と反対側の第2の端部で放電容器を通って導かれることも可能である。
図7に示される実施形態においては、異なるタイプの2つの隣り合う電極の間の間隔は約3〜5mmである。この間隔は放電ギャップとも呼ばれ、その値は、放電容器2内の放電プロセスの一般的なパラメータにも影響を及ぼす。
図7及び図8に示されるように、第1及び第2のタイプの電極3及び電極4は、六方格子の格子点に置かれる。図7に示される実施形態においては、第2のタイプの6つ(3つがコーナー点)の電極が、第1のタイプの1つの電極を囲む。この配列においては、異なるタイプの電極の数が異なっている。該六方格子は、第1のタイプの13個の電極と第2のタイプの24個の電極、併せて37個の電極から形成される。このことは、励起の間に13個の同時に起こる別個の放電経路が電極間に形成され、良好な光度と高出力の光の強さとが得られることを意味する。
図8に示される実施形態において、隣り合う列の電極の交互するタイプを備えた1つの列において同じタイプの電極だけが存在する。この配列において、異なるタイプの電極の数はほぼ同じである。六方格子は、第1のタイプの20個の電極と第2のタイプの17個の電極の、併せて37個の電極から形成される。これは、励起の間に17個の同時に起こる別個の放電経路が電極間に形成され、更に良好な光度と高出力の光の強さが得られることを意味する。
可視光を得るために、放電容器2の内側表面15は、ルミネセント材料の層(図示せず)で覆われる。ルミネセント材料として、蛍光体を含む多くの化合物及び混合物を使用することができ、これらは当技術分野において公知であり、従って、ここでより詳細に説明する必要はない。ルミネセント層は、エキシマの下方遷移のUV放射線を可視光に変換する。
このルミネセント層は、放電容器2の内壁又は外壁に施工することができる。分離したエンベロープが放電容器の周囲に設けられている場合には、ルミネセント層は、該分離エンベロープの内側表面を覆うこともできる。何れの場合であっても、該エンベロープは透明ではなく透光性のみであるのが好ましい。この方式では、放電容器2内の比較的細い電極3及び4は殆ど知覚されず、ランプ1はまた、より均一な照明外側表面をもたらす。放電容器或いはエンベロープの外側表面を覆うことも可能であるが、この場合には、放電容器2は、UV域において実質的に非吸収性でなければならず、そうでない場合ランプの効率が低くなる。
図示の全ての実施形態において、誘電体層5の壁厚は実質的に一定であるのが好ましく、主として製造の観点から、電極の全長に沿った放電容器2内部の均一な放電を確保することも同様に好ましい。誘電体層の厚みはできる限り薄く保たれるべきであり、約0.25mmとすることができる。
最後に、放電ボリューム内の電場のパラメータ及び誘電体バリア放電の効率はまた、励起周波数、励起信号波形、ガス圧及びガス組成などの多くの他の要因に依存する点に留意されたい。これらの要因は、当技術分野においては公知であり本発明の一部を形成するものではない。
提案の電極−放電容器配列は、幾つかの利点を有する。最初に、1つの放電容器2は、多くの薄壁及び湾曲放電容器よりも効率良く製造することができる。同時に多数の微小放電を可能とするために比較的多数の電極を使用することができ、結果として均質な放電分布及びDBDランプの高い光度が得られる。
本発明は、図示され開示された実施形態に限定されず、他の要素、改良及び変形形態もまた本発明の範囲内にある。例えば、本発明の目的において多くの他の形態の放電容器2又はエンベロープを適用できることは、当業者には明らかであり、例えば、エンベロープは、三角形、正方形、或いは六角形の断面を有することができる。逆に、電極は、正方形(立方体)又は均一な非周期的な格子などの種々のタイプの格子で配列することができるが、好ましい実施形態は、実質的に等しい形状の均一な寸法の電極を備えた周期格子の使用を予想している。また、電極の材料を変更してもよい。
異なるタイプの2つの電極を内包する円筒型放電容器を備えた誘電体バリア放電ランプの平面断面図。 図1に示された円筒型放電容器を備えた誘電体バリア放電ランプの側断面図。 異なる放電容器及び電極配列を有する、DBDランプの別の実施形態の平面断面図。 図3に示された平坦型放電容器を有するDBDランプの側面断面図。 4つの電極を内包する円筒型放電容器を有する、DBDランプの別の実施形態の平面断面図。 4つの電極を内包する円筒型放電容器を有する、DBDランプの更に別の実施形態の平面断面図。 電極アレイを内包する円筒型放電容器を有する、DBDランプの更なる実施形態の平面断面図。 電極アレイを内包する円筒型放電容器を有する、DBDランプの別の実施形態の平面断面図。 互いに相互接続され且つ電源に接続された同じタイプの電極を有する電極配列の概略側面図。
符号の説明
1 誘電体バリア放電ランプ
2 放電容器
3、4 電極
5 誘電体層
6 主軸

Claims (10)

  1. 誘電体バリア放電ランプであって、
    a)放電ガスが封入された放電ボリュームを内包し、且つ主軸(6)を有し、該主軸(6)と交差する端部を更に含む放電容器(2)と、
    b)一方のタイプの前記電極がカソードとして機能するように電圧が印加され、他方のタイプの前記電極がアノードとして機能するように電圧が印加され、前記両電極(3、4)が前記放電容器の主軸(6)に対して実質的に平行な長手方向軸線を有する実質的に真直ぐな細長い電極である、第1のタイプの少なくとも1つの電極(3)と第2のタイプの少なくとも1つの電極(4)と、
    を備え、
    c)前記両電極(3、4)が、前記放電ボリューム内部に配置され、
    d)少なくとも一方のタイプの前記電極(3)が、誘電体層(5)によって前記放電ボリュームから隔離される、
    ことを特徴とするランプ。
  2. 前記電極(3、4)が、群をなして放電ボリューム内に配列され、前記群の各々が、前記第1のタイプの1つの電極(3)と前記第2のタイプの少なくとも1つの電極とを含む請求項1に記載のランプ。
  3. 前記第2のタイプの電極(4)が、前記電極の群内の前記第1のタイプの電極(3)に対して等しい間隔を置いていることを特徴とする請求項2に記載のランプ。
  4. 前記第2のタイプの電極(4)が、二次元周期の格子で配列され、前記第1のタイプの電極(3)が、前記格子セルの中央に配列されることを特徴とする請求項3に記載のランプ。
  5. 前記第2のタイプの電極(4)が、六方格子で配列され、前記第1のタイプの電極(3)が、前記六方格子セルの中央に配列されることを特徴とする請求項4に記載のランプ。
  6. 前記電極の同じタイプが、前記放電ボリュームの内部で相互接続される請求項1に記載のランプ。
  7. 前記電極の異なるタイプが、同じ端部で前記放電容器を通って導かれることを特徴とする請求項6に記載のランプ。
  8. 前記第1のタイプの電極が、第1の端部で前記放電容器を通って導かれ、前記第2のタイプの電極が、第2の端部で前記放電容器を通って導かれることを特徴とする請求項6に記載のランプ。
  9. 前記放電容器が、エンベロープを形成する透明材料の壁を備え、前記壁がルミネセント層で覆われることを特徴とする請求項1に記載のランプ。
  10. 誘電体バリア放電ランプであって、
    a)放電ガスが封入された放電ボリュームを内包し、且つ主軸(6)を有し、該主軸(6)と交差する端部を更に含む放電容器(2)と、
    b)一方のタイプの前記電極がカソードとして機能するように電圧が印加され、他方のタイプの前記電極がアノードとして機能するように電圧が印加され、前記両電極(3、4)が前記放電容器(2)の主軸(6)に対して実質的に平行な長手方向軸線を有する実質的に真直ぐな細長い電極である、第1のタイプの電極(3)と第2のタイプの電極(4)と、
    を備え、
    c)前記両電極(3、4)が、前記放電ボリューム内部に群をなして配列され、前記群の各々が、前記第1のタイプの1つの電極(3)と前記第2のタイプの少なくとも1つの電極(4)とを備え、
    d)少なくとも一方のタイプの前記電極(3)が、誘電体層(5)によって前記放電ボリュームから隔離される、
    ことを特徴とするランプ。
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