JP2007329096A

JP2007329096A - Discharge lighting device and lighting fixture using it

Info

Publication number: JP2007329096A
Application number: JP2006161422A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hatai; 崇幡井; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Tsutomu Ichihara; 勉櫟原; Takuya Komoda; 卓哉菰田; Nobuyoshi Koshida; 信義越田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP4944503B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To lower breakdown voltage in accordance with specifications such as kinds of discharge gas, gas pressure, and arrangement of discharge electrode. <P>SOLUTION: The device is provided with an anode electrode 2a and a cathode electrode 2b as a pair of discharge electrodes for generating discharge plasma by impressing an electric field on discharge gas sealed inside an airtight vessel 1, an electron source 10 arranged inside the airtight vessel 1 and capable of supplying electron in the discharge gas, and a control means 20 for controlling the electron source 10 so that the sum of initial energy of electron and energy the electron obtains by the electric field exceeds ionization energy of the discharge gas at least at a part of electron emitted from the electron source 10. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、放電点灯装置およびそれを用いた照明器具に関するものである。 The present invention relates to a discharge lighting device and a lighting fixture using the same.

従来から、放電ガスが封入された気密容器と、気密容器内に配置された一対の放電用電極とを備えた発光装置のような放電プラズマ装置に用いられ放電用電極間の放電プラズマ生成空間での放電プラズマの生成を補助する放電プラズマ生成補助装置として、放電ガス中へ電子を供給可能な電子源を気密容器内に設け、適宜タイミングで電子源から電子を放出させることにより、放電開始電圧の低減、放電プラズマの維持電圧の低減、放電プラズマの安定化などの効果が得られることが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、放電プラズマ生成補助装置の適用例として、気密容器の内面に放電プラズマで生成される紫外線などで励起されて発光する蛍光体層を設けたプラズマディスプレイパネルの他に、紫外線ランプ、蛍光ランプなどへ適用することが記載されている。 Conventionally, in a discharge plasma generation space between discharge electrodes used in a discharge plasma device such as a light emitting device having an airtight container filled with a discharge gas and a pair of discharge electrodes arranged in the airtight container. As a discharge plasma generation auxiliary device for assisting the generation of the discharge plasma, an electron source capable of supplying electrons into the discharge gas is provided in the hermetic container, and the electrons are discharged from the electron source at an appropriate timing to thereby reduce the discharge start voltage. It is known that effects such as reduction, reduction of discharge plasma sustain voltage, and stabilization of discharge plasma can be obtained (see, for example, Patent Document 1). In addition, in the above-mentioned Patent Document 1, as an application example of the discharge plasma generation auxiliary device, in addition to a plasma display panel provided with a phosphor layer that emits light by being excited by ultraviolet rays generated by discharge plasma on the inner surface of an airtight container. Application to ultraviolet lamps, fluorescent lamps and the like is described.

ところで、放電プラズマ生成補助装置として利用する電子源としては、例えば、フィラメントのような熱電子を放出する電子源の他に、Spindt型電子源、ＢＳＤ（Ballistic electronSurface-emitting Device）型電子源、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）型電子源、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型電子源などの電界放射型電子源がある。
特開２００２−１５０９４４号公報 By the way, as an electron source used as a discharge plasma generation auxiliary device, for example, in addition to an electron source that emits thermal electrons such as a filament, a Spint type electron source, a BSD (Ballistic electron Surface-emitting Device) type electron source, and an MIM There are field emission electron sources such as a (Metal-Insulator-Metal) type electron source and a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type electron source.
JP 2002-150944 A

一対の放電用電極と電子源とを備えた放電点灯装置において対をなす放電用電極間の放電開始電圧を低減するために必要な電子源の仕様は、気密容器内に封入されている放電ガスの種類やガス圧、放電用電極間の距離などの条件や、所望の放電開始電圧の低減量などの条件によって大きく異なるのが実状であり、放電プラズマ装置の仕様（放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極間の距離など）に基づいて電子源の仕様を容易に設計可能とするための設計指針が求められている。 The specification of the electron source required to reduce the discharge start voltage between the pair of discharge electrodes in the discharge lighting device having a pair of discharge electrodes and an electron source is a discharge gas sealed in an airtight container. The actual conditions vary greatly depending on the conditions such as the type of gas, the gas pressure, the distance between the discharge electrodes, and the conditions such as the amount of reduction in the desired discharge start voltage. Therefore, there is a need for a design guideline for easily designing the specifications of the electron source based on the distance between the discharge electrodes.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できる放電点灯装置およびそれを用いた照明器具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to provide a discharge lighting device capable of reducing a discharge start voltage according to specifications such as the type of discharge gas, gas pressure, and arrangement of discharge electrodes, and the like. It is in providing the used lighting fixture.

請求項１の発明は、気密容器内に封入されている放電ガスに電界を印加して放電プラズマを生成させるための少なくとも一対の放電用電極と、気密容器内に配置され放電ガス中へ電子を供給可能な電子源とを備え、電子源から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が前記電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源を制御する制御手段が設けられてなることを特徴とする。ここにおいて、電子源から放出された電子が対をなす放電用電極間の電界により得るエネルギは、対をなす放電用電極間の電界強度と放電ガス中における電子の平均自由行程との積に依存し、電界強度は対をなす放電用電極間に印加される電圧と対をなす放電用電極間の距離とに依存する一方で、平均自由行程は気密容器内の放電ガスの種類やガス圧に依存するから、電子源から放出される電子の初期エネルギによらず、放電点灯装置の仕様によってほぼ決まるものと考えられる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided at least a pair of discharge electrodes for applying an electric field to the discharge gas sealed in the hermetic vessel to generate discharge plasma, and electrons disposed in the hermetic vessel in the discharge gas. An electron source that can be supplied, and the electron source is controlled such that the sum of the initial energy of the electron and the energy obtained by the electric field exceeds the ionization energy of the discharge gas for at least some of the electrons emitted from the electron source. Control means for controlling is provided. Here, the energy obtained by the electric field between the discharge electrodes paired with the electrons emitted from the electron source depends on the product of the electric field strength between the paired discharge electrodes and the mean free path of the electrons in the discharge gas. However, while the electric field strength depends on the voltage applied between the paired discharge electrodes and the distance between the paired discharge electrodes, the mean free path depends on the type and gas pressure of the discharge gas in the hermetic vessel. It depends on the specifications of the discharge lighting device regardless of the initial energy of electrons emitted from the electron source.

この発明によれば、電子源から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が放電用電極間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源を制御する制御手段が設けられており、気密容器内において放電ガスの電離エネルギよりも大きなエネルギを有する電子により放電ガスが励起されるから、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できる。 According to the present invention, the electron source is such that the sum of the initial energy of the electron and the energy obtained by the electric field between the discharge electrodes exceeds the ionization energy of the discharge gas for at least some of the electrons emitted from the electron source. Since the discharge gas is excited by electrons having energy larger than the ionization energy of the discharge gas in the hermetic container, the type of discharge gas, the gas pressure, the arrangement of the discharge electrodes, etc. The discharge start voltage can be reduced according to the specifications.

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記一対の放電用電極が前記気密容器内において離間して配置され、前記一対の放電用電極が並んでいる方向と直交する一平面内に前記一対の放電用電極のうちの一方の放電用電極と前記電子源とが配置されてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the pair of discharge electrodes are disposed apart from each other in the hermetic vessel, and are within a plane perpendicular to the direction in which the pair of discharge electrodes are arranged. One discharge electrode of the pair of discharge electrodes and the electron source are arranged.

この発明によれば、前記電子源が前記一対の放電用電極のうちの一方の放電用電極の近傍で他方の放電用電極側とは反対側に離間して配置されている場合に比べて、前記電子源から放出された電子が前記放電ガスに衝突しやすくなるので、前記電子源から放出された電子を前記放電ガスの励起に有効に利用することができる。 According to this invention, compared to the case where the electron source is arranged in the vicinity of one discharge electrode of the pair of discharge electrodes and spaced apart from the other discharge electrode side, Since the electrons emitted from the electron source easily collide with the discharge gas, the electrons emitted from the electron source can be effectively used for exciting the discharge gas.

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記電子源と前記一方の放電用電極とを一体としたことを特徴とする。 The invention of claim 3 is characterized in that, in the invention of claim 2, the electron source and the one discharge electrode are integrated.

この発明によれば、前記電子源と前記一方の放電用電極とが別体である場合に比べて、前記電子源から放出される電子を前記放電ガスの励起により有効に利用することができるとともに、放電点灯装置の構造の簡略化を図れる。 According to this invention, compared to the case where the electron source and the one discharge electrode are separate, electrons emitted from the electron source can be effectively used by excitation of the discharge gas. In addition, the structure of the discharge lighting device can be simplified.

請求項４の発明は、気密容器内に封入されている放電ガスに電界を印加して放電プラズマを生成させるための少なくとも一対の放電用電極と、気密容器内に配置され一対の放電用電極の並んでいる方向とは直交する一方向へ電子を供給可能な電子源と、前記一方向において電子源に対向配置された補助電極とを備え、電子源から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が補助電極と電子源との間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源を制御する制御手段が設けられてなることを特徴とする。ここにおいて、電子源から放出された電子が補助電極と電子源との間の電界により得るエネルギは、補助電極と電子源との間の電界強度と放電ガス中における電子の平均自由行程との積に依存し、電界強度は補助電極と電子源との間に印加される電圧と両者間の距離とに依存する一方で、平均自由行程は気密容器内の放電ガスの種類やガス圧に依存するから、電子源から放出される電子の初期エネルギおよび対をなす放電用電極間に印加する電圧によらず、放電点灯装置の仕様によってほぼ決まるものと考えられる。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided at least a pair of discharge electrodes for generating a discharge plasma by applying an electric field to the discharge gas sealed in the hermetic container, and a pair of discharge electrodes disposed in the hermetic container. An electron source capable of supplying electrons in one direction orthogonal to the direction of alignment and an auxiliary electrode disposed to face the electron source in the one direction, and at least a part of the electrons emitted from the electron source And a control means for controlling the electron source so that the sum of the initial energy of the electron and the energy obtained by the electric field between the auxiliary electrode and the electron source exceeds the ionization energy of the discharge gas. . Here, the energy obtained by the electron emitted from the electron source due to the electric field between the auxiliary electrode and the electron source is the product of the electric field strength between the auxiliary electrode and the electron source and the mean free path of the electrons in the discharge gas. The electric field strength depends on the voltage applied between the auxiliary electrode and the electron source and the distance between the two, while the mean free path depends on the type of discharge gas and the gas pressure in the hermetic vessel. Therefore, it is considered that the initial energy of electrons emitted from the electron source and the voltage applied between the paired discharge electrodes are almost determined by the specifications of the discharge lighting device.

この発明によれば、電子源から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が補助電極と電子源との間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源を制御する制御手段が設けられており、気密容器内において放電ガスの電離エネルギよりも大きなエネルギを有する電子により放電ガスが励起されるから、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できる。 According to the present invention, the sum of the initial energy of the electron and the energy obtained by the electric field between the auxiliary electrode and the electron source for the electron emitted from the electron source exceeds the ionization energy of the discharge gas. The control means for controlling the electron source is provided, and the discharge gas is excited by electrons having energy larger than the ionization energy of the discharge gas in the hermetic container. The discharge start voltage can be reduced according to specifications such as electrode arrangement.

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記電子源は、下部電極と、下部電極に対向した表面電極と、下部電極と表面電極との間に介在しナノメータオーダの多数の半導体微結晶および各半導体微結晶それぞれの表面に形成され半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜を有する強電界ドリフト層とを備えた電界放射型電子源からなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, the electron source is interposed between a lower electrode, a surface electrode facing the lower electrode, and the lower electrode and the surface electrode. A field emission electron source comprising a large number of semiconductor microcrystals and a strong electric field drift layer formed on the surface of each semiconductor microcrystal and having a large number of insulating films having a thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystals It is characterized by that.

この発明によれば、前記電子源としてフィラメントやSpindt型電子源を採用した場合に比べて、前記電子源から放出される電子の初期エネルギが高くなるので、前記電子源から放出された電子が前記電界により得るエネルギを低減することが可能となり、放電点灯装置の仕様の関係などで前記電子源から放出された電子が前記電界により得るエネルギが小さな場合でも、放電開始電圧を低減することが可能となる。 According to the present invention, since the initial energy of electrons emitted from the electron source is higher than when a filament or a Spindt type electron source is adopted as the electron source, the electrons emitted from the electron source are It becomes possible to reduce the energy obtained by the electric field, and it is possible to reduce the discharge start voltage even when the energy emitted from the electron source by the electric field is small due to the specification of the discharge lighting device. Become.

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記電子源を冷却可能な冷却手段を備え、前記制御手段は、冷却手段を制御する機能を有することを特徴とする。 The invention of claim 6 is the invention of claim 5, further comprising cooling means capable of cooling the electron source, wherein the control means has a function of controlling the cooling means.

この発明によれば、冷却手段により前記電子源が冷却されるように前記制御手段によって冷却手段を制御することにより、前記電子源の前記強電界ドリフト層内での電子の散乱が減少するので、前記電子源から放出される電子のエネルギ分布に関して初期エネルギの高い電子の割合が増加し、前記放電ガスの電離エネルギを超える電子の数を増加させることができるから、放電開始電圧をより確実に低減することが可能となる。 According to this invention, by controlling the cooling means by the control means so that the electron source is cooled by the cooling means, the scattering of electrons in the strong electric field drift layer of the electron source is reduced. Since the proportion of electrons with high initial energy increases with respect to the energy distribution of electrons emitted from the electron source and the number of electrons exceeding the ionization energy of the discharge gas can be increased, the discharge starting voltage is more reliably reduced. It becomes possible to do.

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の放電点灯装置を備えてなることを特徴とする。 A seventh aspect of the invention is characterized by comprising the discharge lighting device according to any one of the first to sixth aspects.

この発明によれば、照明器具における放電点灯装置の放電開始電圧の低電圧化を図れる。 According to this invention, it is possible to reduce the discharge start voltage of the discharge lighting device in the lighting fixture.

請求項１，４の発明では、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できるという効果がある。 According to the first and fourth aspects of the invention, there is an effect that the discharge start voltage can be reduced according to specifications such as the type of discharge gas, gas pressure, and arrangement of discharge electrodes.

（実施形態１）
本実施形態の放電プラズマ装置は、図１（ａ）に示すように、放電ガス（例えば、Ｘｅなどの希ガス）が封入された気密容器１と、気密容器１の内部に配置されたアノード電極２ａおよびカソード電極２ｂと、気密容器１内に配置され放電ガス中へ電子を供給可能な電子源１０とを有する放電ランプＬａと、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界および電子源１０を制御するマイクロコンピュータなどからなる制御手段２０とを備えている。なお、本実施形態では、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとで一対の放電用電極（主電極）を構成しており、アノード電極２ａとカソード電極２ｂと電子源１０と制御手段２０とで放電点灯装置を構成している。 (Embodiment 1)
As shown in FIG. 1A, the discharge plasma apparatus according to the present embodiment includes an airtight container 1 in which a discharge gas (for example, a rare gas such as Xe) is sealed, and an anode electrode disposed inside the airtight container 1. 2a and a cathode electrode 2b, a discharge lamp La having an electron source 10 disposed in the hermetic vessel 1 and capable of supplying electrons into the discharge gas, an electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b, and the electron source 10 And a control means 20 comprising a microcomputer for controlling the above. In this embodiment, the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b constitute a pair of discharge electrodes (main electrodes), and the anode electrode 2a, the cathode electrode 2b, the electron source 10 and the control means 20 are used for discharge lighting. Configure the device.

放電ランプＬａは直管形の放電ランプであり、気密容器１が透光性を有する材料（例えば、ガラス、透光性セラミックなど）により円筒状に形成されており、気密容器１の長手方向の一端部（図１（ａ）における左端部）にアノード電極２ａが配置され、長手方向の他端部（図１（ａ）における右端部）にカソード電極２ｂが配置され、カソード電極２ｂの近傍で当該カソード電極２ｂの側方に電子源１０が配置されている。すなわち、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとが気密容器１内において離間して配置され、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとが並んでいる方向と直交する一平面内にカソード電極２ｂと電子源１０とが配置されている。ここで、放電ランプＬａは、アノード電極２ａおよびカソード電極２ｂが平板状の形状に形成されており、カソード電極２ｂにおけるアノード電極２ａとの対向面と電子源１０における電子放出面とが同一平面上に配置されている。なお、本実施形態における放電ランプＬａは、気密容器１の内面に、Ｘｅガスの励起により発生した紫外線によって励起されて発光する蛍光体層（図示せず）を設けてあるが、蛍光体層は必ずしも設ける必要はなく、蛍光体層を設けていない場合には、Ｘｅガスの励起により発生した紫外線や可視光が気密容器１を通して放射されることとなる。 The discharge lamp La is a straight tube type discharge lamp, and the hermetic container 1 is formed in a cylindrical shape from a light-transmitting material (for example, glass, translucent ceramic, etc.). The anode electrode 2a is disposed at one end (the left end in FIG. 1A), the cathode electrode 2b is disposed at the other end in the longitudinal direction (the right end in FIG. 1A), and in the vicinity of the cathode electrode 2b. An electron source 10 is disposed on the side of the cathode electrode 2b. That is, the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b are spaced apart from each other in the hermetic container 1, and the cathode electrode 2b and the electron source 10 are arranged in a plane perpendicular to the direction in which the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b are arranged. Is arranged. Here, in the discharge lamp La, the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b are formed in a flat plate shape, and the surface of the cathode electrode 2b facing the anode electrode 2a and the electron emission surface of the electron source 10 are on the same plane. Is arranged. The discharge lamp La in the present embodiment is provided with a phosphor layer (not shown) that emits light by being excited by ultraviolet rays generated by the excitation of Xe gas on the inner surface of the hermetic vessel 1. When the phosphor layer is not provided, ultraviolet rays and visible light generated by the excitation of the Xe gas are emitted through the hermetic container 1.

電子源１０は、ＢＳＤ型電子源と呼ばれている電界放射型電子源であり、図２（ａ）に示すように、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）１４の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜など）からなる下部電極１５が形成され、下部電極１５上に強電界ドリフト層１６が形成され、強電界ドリフト層１６上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極１７が形成されている。なお、表面電極１７を構成する導電性薄膜の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定することが望ましいが、当該導電性薄膜は単層膜に限らず多層膜でもよい。なお、本実施形態における電子源１０では、下部電極１５と強電界ドリフト層１６と表面電極１７とで表面電極１７を通して電子を放出する電子源素子１０ａを構成している。 The electron source 10 is a field emission type electron source called a BSD type electron source. As shown in FIG. 2A, a rectangular plate-like insulating substrate (for example, an insulating glass substrate, insulating material) A lower electrode 15 made of a metal film (for example, a tungsten film) is formed on one surface, and a strong electric field drift layer 16 is formed on the lower electrode 15. A surface electrode 17 made of a conductive thin film (for example, a gold thin film) is formed thereon. Although the thickness of the conductive thin film constituting the surface electrode 17 is desirably set to about 10 to 15 nm, the conductive thin film is not limited to a single layer film but may be a multilayer film. In the electron source 10 according to the present embodiment, the lower electrode 15, the strong electric field drift layer 16, and the surface electrode 17 constitute an electron source element 10a that emits electrons through the surface electrode 17.

電子源素子１０ａの強電界ドリフト層１６は、図２（ｂ）に示すように、少なくとも、下部電極１５の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成されている。ここに、各グレイン５１は、下部電極１５の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１４の厚み方向に延びている）。 As shown in FIG. 2B, the strong electric field drift layer 16 of the electron source element 10a includes at least columnar polycrystalline silicon grains (semiconductor crystals) 51 arranged on the surface side of the lower electrode 15, and grains. A thin silicon oxide film 52 formed on the surface of the silicon 51, a number of nanometer-order silicon microcrystals (semiconductor microcrystals) 63 interposed between the grains 51, and a silicon microcrystal formed on the surface of each silicon microcrystal 63. A plurality of silicon oxide films 64 which are insulating films having a film thickness smaller than the crystal grain size of 63. Here, each grain 51 extends in the thickness direction of the lower electrode 15 (that is, extends in the thickness direction of the insulating substrate 14).

上述の電子源素子１０ａから電子を放出させるには、表面電極１７が下部電極１５に対して高電位側となるように表面電極１７と下部電極１５との間に駆動電圧を駆動電源Ｖ_ＰＳにより印加すれば、下部電極１５から強電界ドリフト層１６へ注入された電子が強電界ドリフト層１６をドリフトし表面電極１７を通して放出される。 In order to emit electrons from the above-described electron source element 10a, a driving voltage is applied between the surface electrode 17 and the lower electrode 15 by the driving power source _VPS so that the surface electrode 17 is on the high potential side with respect to the lower electrode 15. When applied, electrons injected from the lower electrode 15 into the strong electric field drift layer 16 drift through the strong electric field drift layer 16 and are emitted through the surface electrode 17.

ここに、上述の電子源素子１０ａでは、表面電極１７と下部電極１５との間に印加する駆動電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。なお、本実施形態の電子源素子１０ａは、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができるという特徴を有している。 Here, in the above-described electron source element 10a, electrons can be emitted even when the driving voltage applied between the surface electrode 17 and the lower electrode 15 is a low voltage of about 10 to 20V. The electron source element 10a of the present embodiment is characterized in that the electron emission characteristics are less dependent on the degree of vacuum, and a popping phenomenon does not occur during electron emission, and electrons can be stably emitted with high electron emission efficiency. Have.

上述の電子源素子１０ａの基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極１７と下部電極１５との間に表面電極１７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１５から強電界ドリフト層１６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層１６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層１６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図２（ｂ）中の矢印の向き（図２（ｂ）における上向き）へドリフトし、表面電極１７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層１６では下部電極１５から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極１７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層１６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。 The basic configuration of the above-described electron source element 10a is well known, and it is considered that electron emission occurs in the following model. That is, electrons e ⁻ are injected from the lower electrode 15 into the strong electric field drift layer 16 by applying a voltage between the surface electrode 17 and the lower electrode 15 with the surface electrode 17 at the high potential side. On the other hand, since most of the electric field applied to the strong electric field drift layer 16 is applied to the silicon oxide film 64, the injected electrons e ⁻ are accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film 64, and the strong electric field drift layer 16. 2 drifts in the direction of the arrow in FIG. 2B (upward in FIG. 2B) toward the surface and tunnels through the surface electrode 17 and is emitted. Thus, in the strong electric field drift layer 16, electrons injected from the lower electrode 15 are almost scattered by the silicon microcrystal 63 and are accelerated and drifted by the electric field applied to the silicon oxide film 64 and emitted through the surface electrode 17. Thus, since the heat generated in the strong electric field drift layer 16 is dissipated through the grains 51, no popping phenomenon occurs during electron emission, and electrons can be stably emitted.

なお、上述の強電界ドリフト層１６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。 In the above-described strong electric field drift layer 16, the silicon oxide film 64 constitutes an insulating film, and an oxidation process is used to form the insulating film, but a nitriding process or an oxynitriding process is used instead of the oxidation process. Alternatively, when the nitriding process is adopted, each of the silicon oxide films 52 and 64 becomes a silicon nitride film, and when the oxynitriding process is adopted, each of the silicon oxide films 52 and 64 is silicon oxynitride. Become a film.

本実施形態の放電点灯装置では、制御手段２０によって駆動電源Ｖ_ＰＳから電子源１０の表面電極１７と下部電極１５との間に電子源１０の駆動用の直流電圧を印加させることにより、電子源１０から電子が放出される一方で、制御手段２０によって主電源Ｖ_ＡＫからアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に始動用電圧を印加させるので、電子源１０から放出された電子は、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界によって加速され、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電プラズマ生成空間３中に存在する放電ガスのガス分子に衝突する。ここで、ガス分子に衝突する電子が持っているエネルギが放電ガスの電離エネルギよりも大きければ、放電ガスが励起されて電離するから、このような過程が繰り返されることによってアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に流れる電流が急激に増大し放電プラズマが生成される。ここにおいて、電子源１０から放出された電子がアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界により得るエネルギは、対をなすアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界強度と放電ガス中における電子の平均自由行程との積に依存し、電界強度は両電極２ａ，２ｂ間に印加される電圧と両電極２ａ，２ｂ間の距離とに依存する一方で、平均自由行程は気密容器１内の放電ガスの種類やガス圧に依存するから、電子源１０から放出される電子の初期エネルギによらず、放電点灯装置の仕様によってほぼ決まる。したがって、放電プラズマ装置における放電ガスの種類、ガス圧、各電極２ａ，２ｂの配置などが決まっている場合に、放電開始電圧を低減したときに放電プラズマが発生するか否か、言い換えれば、両電極２ａ，２ｂ間の放電プラズマ生成空間３に放電ガスの電離エネルギを超えるエネルギを有する電子が存在するか否かは、電子源１０から放出させる電子の初期エネルギ分布により決まることとなる。要するに、放電ガスの電離エネルギを超えるエネルギの電子が存在するように、電子源１０から放出させる電子の初期エネルギ分布を調整すれば、放電開始電圧の低減が可能となる。 In a discharge lighting device in this embodiment, by applying a DC voltage for driving the electron source 10 between the surface electrode 17 and the lower electrode 15 of the electron source 10 from the drive power source V _PS by the control means 20, the electron source 10, while electrons are emitted from the main power supply V _AK by the control means 20 between the anode electrode 2 a and the cathode electrode 2 b, the electrons emitted from the electron source 10 It is accelerated by the electric field between 2a and the cathode electrode 2b, and collides with the gas molecules of the discharge gas existing in the discharge plasma generation space 3 between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b. Here, if the energy of the electrons colliding with the gas molecules is greater than the ionization energy of the discharge gas, the discharge gas is excited and ionized. Therefore, by repeating such a process, the anode electrode 2a and the cathode electrode The current flowing between 2b rapidly increases and discharge plasma is generated. Here, the energy obtained by the electrons emitted from the electron source 10 by the electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b is the electric field strength between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b making a pair, and in the discharge gas. Depending on the product of the mean free path of electrons, the electric field strength depends on the voltage applied between the electrodes 2a and 2b and the distance between the electrodes 2a and 2b, while the mean free path is within the hermetic container 1. Therefore, it depends on the specifications of the discharge lighting device regardless of the initial energy of electrons emitted from the electron source 10. Therefore, when the type of discharge gas, the gas pressure, the arrangement of the electrodes 2a and 2b, etc. in the discharge plasma apparatus are determined, whether or not discharge plasma is generated when the discharge start voltage is reduced, in other words, both Whether or not electrons having energy exceeding the ionization energy of the discharge gas exist in the discharge plasma generation space 3 between the electrodes 2a and 2b is determined by the initial energy distribution of electrons emitted from the electron source 10. In short, the discharge start voltage can be reduced by adjusting the initial energy distribution of electrons emitted from the electron source 10 so that electrons having energy exceeding the ionization energy of the discharge gas exist.

そこで、本実施形態における制御手段２０は、電子源１０から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子がアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源１０を制御するように構成してある。言い換えれば、制御手段２０は、電子源１０から放出される電子の放出直後の初期エネルギ分布と各電子が上記電界により得るエネルギとで決まる加速後のエネルギ分布の最大エネルギが放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源１０を制御するように構成してある。 Therefore, the control means 20 in the present embodiment is the sum of the initial energy of electrons and the energy obtained by the electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b for at least some of the electrons emitted from the electron source 10. Is configured to control the electron source 10 so as to exceed the ionization energy of the discharge gas. In other words, the control means 20 determines the ionization energy of the discharge gas by the maximum energy of the energy distribution after acceleration determined by the initial energy distribution immediately after the emission of electrons emitted from the electron source 10 and the energy that each electron obtains from the electric field. It is configured to control the electron source 10 so as to exceed.

一例を挙げて説明すれば、放電ガスがＸｅガスであり、ガス圧が１０Ｐａの場合、放電ガスの電離エネルギは１２．１ｅＶ、放電ガス中における電子の平均自由行程は３５０μｍとなり、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の距離が１０ｃｍで、両電極２ａ，２ｂ間に印加する電圧が１ｋＶの場合、両電極２ａ，２ｂ間の電界強度は、１０ｋＶ／ｍとなるから、電子が平均自由行程の距離を進む間に上記電界により得るエネルギは３．５ｅＶとなる。ただし、この３．５ｅＶという値は電子が平均自由行程の距離だけ進むと仮定した場合に上記電界により得る平均のエネルギであるから、上記電界によって３．５ｅＶよりも高いエネルギを得る電子もあれば、電子源１０からの放出後すぐに放電ガスと衝突してしまい上記電界によるエネルギをほとんど得ることができない電子も存在する。 For example, when the discharge gas is Xe gas and the gas pressure is 10 Pa, the ionization energy of the discharge gas is 12.1 eV, the mean free path of electrons in the discharge gas is 350 μm, and the anode electrode 2a When the distance to the cathode electrode 2b is 10 cm and the voltage applied between the electrodes 2a and 2b is 1 kV, the electric field strength between the electrodes 2a and 2b is 10 kV / m. The energy obtained by the electric field while traveling a distance of 3.5 eV is 3.5 eV. However, since this value of 3.5 eV is the average energy obtained by the electric field when it is assumed that the electron travels the distance of the mean free path, there are some electrons that obtain energy higher than 3.5 eV by the electric field. There are also electrons that collide with the discharge gas immediately after being emitted from the electron source 10 and can hardly obtain energy from the electric field.

ここで、上述の電子源１０の駆動電圧を１６Ｖとすると、電子源１０から放出される電子の初期エネルギ分布は図１（ｂ）中に実線で示すような分布であり、電子数が最大となるエネルギが約７ｅＶ、最大エネルギが約１０ｅＶであるから、放電ガスの電離エネルギである１２．１ｅＶを超えるエネルギを有する電子は存在しないこととなる。これに対して、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に上述のように１０ｋＶ／ｍの電界が印加され、当該電界によって電子が加速されると、上述のように電子は平均で３．５ｅＶのエネルギを得ることになる。したがって、電子源１０から放出されアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界によって加速された後の電子のエネルギ分布は、図１（ｂ）中に一点鎖線で示したような分布となる。図１（ｂ）中の一点鎖線で示した電子エネルギ分布から分かるように、一部の電子は、上記電界によるエネルギを得た結果、Ｘｅガスの電離エネルギである１２．１ｅＶを超えるエネルギを有することとなるから、当該エネルギを有する電子がＸｅガスに衝突することでＸｅガスの電離を引き起こすことができる。 Here, if the driving voltage of the electron source 10 is 16 V, the initial energy distribution of electrons emitted from the electron source 10 is a distribution as shown by a solid line in FIG. Therefore, there is no electron having energy exceeding 12.1 eV which is the ionization energy of the discharge gas. On the other hand, when an electric field of 10 kV / m is applied between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b as described above, and electrons are accelerated by the electric field, the electrons average 3.5 eV as described above. You will get the energy. Therefore, the energy distribution of the electrons emitted from the electron source 10 and accelerated by the electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b becomes a distribution as indicated by a one-dot chain line in FIG. As can be seen from the electron energy distribution indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 1B, as a result of obtaining energy by the electric field, some electrons have energy exceeding 12.1 eV which is the ionization energy of Xe gas. As a result, the electrons having the energy collide with the Xe gas to cause ionization of the Xe gas.

また、放電ランプＬａの仕様が変更されることとなって電子が平均自由行程を進む間に得るエネルギが変化した場合でも、当該変化後のエネルギに応じて電子源１０から放出させる電子の初期エネルギ分布を調整すればよい。すなわち、平均自由行程が小さくなった場合には、電子源１０の駆動電圧を高くして初期エネルギ分布を高エネルギ側にシフトさせればよく、平均自由行程が大きくなった場合は電子源１０の駆動電圧を低くして初期エネルギ分布を低エネルギ側にシフトさせることが可能となり、電子源１０での電力消費の低減および電子源１０の長寿命化を図れる。 Even when the specification of the discharge lamp La is changed and the energy obtained while the electrons travel through the mean free path changes, the initial energy of the electrons emitted from the electron source 10 according to the energy after the change. The distribution may be adjusted. That is, when the mean free path becomes small, the driving voltage of the electron source 10 may be increased to shift the initial energy distribution to the high energy side. When the mean free path becomes large, the electron source 10 The drive voltage can be lowered to shift the initial energy distribution to the low energy side, so that the power consumption in the electron source 10 can be reduced and the life of the electron source 10 can be extended.

上述の例では、電子源１０としてＢＳＤ型電子源を用いているが、ＭＩＭ型電子源やＭＩＳ型電子源でも、放出される電子の初期エネルギ分布の形状はＢＳＤ型電子源と似た形状になり、駆動電圧を適宜制御することで、所望の初期エネルギ分布を得ることができる。ただし、電子源１０として、Spindt型電子源やフィラメント（熱陰極）を採用した場合には、電子源１０から放出された電子の初期エネルギはほとんどゼロなので、この種の電子源を採用する場合には、放電ガスの電離エネルギを超えるエネルギのほとんどをアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの電界から得る必要がある。ここにおいて、電子源１０から放出された電子の自由行程の分布はマックスウェル・ボルツマン分布に準じた分布となり、電子が電界から得るエネルギは自由行程と電界強度とを乗じた値となるから、電子源１０としてSpindt型電子源やフィラメントを採用した場合には、自由行程と電界強度とを乗じた値が放電ガスの電離エネルギ以上であれば放電プラズマが発生する。ここで、電子源１０から放出された全ての電子のうち電離エネルギ以上のエネルギを得ることのできる電子の割合は上述の自由行程の分布から演算することができるので、当該割合に応じて電子源１０から放出させる電子数を決め、当該電子数以上の電子が得られるように電子源１０を制御すればよい。これに対して、電子源１０として上述のようにＢＳＤ型電子源を採用した場合には、フィラメントやSpindt型電子源を採用した場合に比べて、電子源１０から放出される電子の初期エネルギが高くなるので、電子源１０から放出された電子が電界により得るエネルギを低減することが可能となり、放電点灯装置の仕様の関係などで電子源１０から放出された電子が電界により得るエネルギが小さな場合でも、放電開始電圧を低減することが可能となる。 In the above example, a BSD type electron source is used as the electron source 10, but the shape of the initial energy distribution of emitted electrons is similar to that of the BSD type electron source even in the MIM type electron source or the MIS type electron source. Thus, a desired initial energy distribution can be obtained by appropriately controlling the drive voltage. However, when a Spindt-type electron source or a filament (hot cathode) is used as the electron source 10, the initial energy of electrons emitted from the electron source 10 is almost zero. Therefore, when this type of electron source is used. Needs to obtain most of the energy exceeding the ionization energy of the discharge gas from the electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b. Here, the distribution of the free path of electrons emitted from the electron source 10 is a distribution according to the Maxwell-Boltzmann distribution, and the energy that the electrons obtain from the electric field is a value obtained by multiplying the free path and the electric field strength. When a Spindt-type electron source or filament is used as the source 10, discharge plasma is generated if the value obtained by multiplying the free path and the electric field strength is equal to or greater than the ionization energy of the discharge gas. Here, the proportion of electrons that can obtain energy equal to or higher than the ionization energy among all the electrons emitted from the electron source 10 can be calculated from the above-described free path distribution. The number of electrons emitted from 10 is determined, and the electron source 10 may be controlled so that electrons equal to or more than the number of electrons can be obtained. On the other hand, when the BSD type electron source is employed as the electron source 10 as described above, the initial energy of electrons emitted from the electron source 10 is higher than when a filament or a Spindt type electron source is employed. Since the energy obtained by the electron emitted from the electron source 10 can be reduced by the electric field, the energy obtained by the electron emitted from the electron source 10 by the electric field is small due to the specification of the discharge lighting device. However, the discharge start voltage can be reduced.

以上説明した本実施形態の放電点灯装置では、電子源１０から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子がアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源１０を制御する制御手段２０が設けられており、気密容器１内において放電ガスの電離エネルギよりも大きなエネルギを有する電子により放電ガスが励起されるから、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極（アノード電極２ａおよびカソード電極２ｂ）の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できる。また、一対の放電用電極であるアノード電極２ａとカソード電極２ｂとが気密容器１内において離間して配置され、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとが並んでいる方向と直交する一平面内にカソード電極２ｂと電子源１０とが配置されているので、電子源１０がカソード電極２ｂの近傍でアノード電極２ａ側とは反対側に離間して配置されている場合に比べて、電子源１０から放出された電子が放電ガスに衝突しやすくなるので、電子源１０から放出された電子を放電ガスの励起に有効に利用することができる。なお、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電プラズマ生成空間３に放電プラズマが生成された後は、制御手段２０によって電子源１０への電源供給を停止させるようにすれば、低消費電力化を図れるとともに電子源１０の長寿命化を図れる。なお、本実施形態では、制御手段２０によって各電源Ｖ_ＰＳ，Ｖ_ＡＫの出力電圧を制御するようにしているが、各電源Ｖ_ＰＳ，Ｖ_ＡＫに直列に接続したスイッチ（図示せず）を適宜にオンオフさせるようにしてもよい。 In the discharge lighting device of the present embodiment described above, the initial energy of electrons and the energy obtained by the electric field between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b for at least a part of the electrons emitted from the electron source 10 are obtained. Control means 20 for controlling the electron source 10 is provided so that the sum exceeds the ionization energy of the discharge gas, and the discharge gas is excited in the hermetic vessel 1 by electrons having an energy larger than the ionization energy of the discharge gas. Thus, the discharge start voltage can be reduced according to specifications such as the type of discharge gas, gas pressure, and the arrangement of discharge electrodes (anode electrode 2a and cathode electrode 2b). Further, a pair of discharge electrodes, an anode electrode 2a and a cathode electrode 2b, are arranged in the airtight container 1 so as to be spaced apart from each other, and the cathode is disposed in a plane perpendicular to the direction in which the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b are arranged. Since the electrode 2b and the electron source 10 are arranged, the electron source 10 emits from the electron source 10 as compared with the case where the electron source 10 is arranged in the vicinity of the cathode electrode 2b and away from the anode electrode 2a side. Since the emitted electrons easily collide with the discharge gas, the electrons emitted from the electron source 10 can be effectively used for excitation of the discharge gas. In addition, after the discharge plasma is generated in the discharge plasma generation space 3 between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b, if the power supply to the electron source 10 is stopped by the control means 20, low power consumption is achieved. The life of the electron source 10 can be extended. In this embodiment, the output voltage of each power source V _PS and V _AK is controlled by the control means 20, but a switch (not shown) connected in series to each power source V _PS and V _AK is appropriately used. You may make it turn on and off.

また、上記実施形態では、一対の放電用電極（アノード電極２ａ，カソード電極２ｂ）の両方を気密容器１内に配置してあるが、一対の放電用電極の一方の放電用電極を気密容器１の外部に配置した構造でもよいし、対となる放電用電極を気密容器１内に配置する場合には、複数対の放電用電極を配置するようにしてもよい。 In the above embodiment, both the pair of discharge electrodes (the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b) are arranged in the hermetic container 1, but one discharge electrode of the pair of discharge electrodes is used as the hermetic container 1. Alternatively, a plurality of pairs of discharge electrodes may be arranged when a pair of discharge electrodes is arranged in the hermetic container 1.

（実施形態２）
本実施形態の放電プラズマ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、電子源１０とカソード電極２ｂとを一体とし、電子源１０の表面電極１７をカソード電極２ｂに兼用している点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。 (Embodiment 2)
The basic configuration of the discharge plasma apparatus of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 3, the electron source 10 and the cathode electrode 2b are integrated, and the surface electrode 17 of the electron source 10 is used as the cathode electrode 2b. It is different in that it is also used for. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

ところで、気密容器１内において電子源１０から放出された電子の平均自由行程は、放電ガスのガス圧にもよるが、通常はμｍのオーダであり、気密容器１内における電子源１０の配置位置によっては、電子源１０と放電プラズマ生成空間３との距離が大きくなりすぎてしまい、電子源１０から放出された電子が放電プラズマ生成空間３に到達する前に放電ガスと衝突し、放電プラズマの生成には有効に寄与しない。 Incidentally, the mean free path of electrons emitted from the electron source 10 in the hermetic container 1 is usually on the order of μm, although it depends on the gas pressure of the discharge gas, and the arrangement position of the electron source 10 in the hermetic container 1. In some cases, the distance between the electron source 10 and the discharge plasma generation space 3 becomes too large, and the electrons emitted from the electron source 10 collide with the discharge gas before reaching the discharge plasma generation space 3, and the discharge plasma It does not contribute effectively to generation.

これに対して、本実施形態の放電点灯装置では、電子源１０が一対の放電用電極（アノード電極２ａおよびカソード電極２ｂ）のうちの一方の放電用電極であるカソード電極２ｂを兼ねているので、実施形態１のように電子源１０とカソード電極２ｂとが別体である場合に比べて、電子源１０から放出される電子を放電プラズマ生成空間３へ効率的に供給することができて、電子源１０から放出された電子を放電ガスの励起のためにより有効に利用することができるとともに、放電点灯装置の構造の簡略化を図れる。 On the other hand, in the discharge lighting device of the present embodiment, the electron source 10 also serves as the cathode electrode 2b which is one of the pair of discharge electrodes (the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b). Compared with the case where the electron source 10 and the cathode electrode 2b are separate as in the first embodiment, the electrons emitted from the electron source 10 can be efficiently supplied to the discharge plasma generation space 3, The electrons emitted from the electron source 10 can be used more effectively for the excitation of the discharge gas, and the structure of the discharge lighting device can be simplified.

（実施形態３）
本実施形態の放電プラズマ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図４に示すように、電子源１０が気密容器１内においてアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの並んでいる方向とは直交する一方向へ電子を供給可能とするように配置されるとともに、気密容器１内において電子源１０に対向配置された補助電極３０とを備えており、マイクロコンピュータなどからなる制御手段２０が、電子源１０から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が補助電極３０と電子源１０との間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源１０を制御する点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。 (Embodiment 3)
The basic configuration of the discharge plasma apparatus according to the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the electron source 10 is arranged in a direction in which the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b are arranged in the hermetic container 1. Is arranged so as to be able to supply electrons in one orthogonal direction, and is provided with an auxiliary electrode 30 disposed opposite to the electron source 10 in the hermetic container 1, and a control means 20 comprising a microcomputer or the like is provided. The sum of the initial energy of the electrons and the energy obtained by the electric field between the auxiliary electrode 30 and the electron source 10 exceeds the ionization energy of the discharge gas for at least some of the electrons emitted from the electron source 10. The difference is that the electron source 10 is controlled. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

補助電極３０は、電子源１０から放出された電子を加速するために設けたものであって、電子源１０と補助電極３０とで、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電プラズマ生成空間３での放電プラズマの生成を補助する放電プラズマ生成補助装置を構成している。 The auxiliary electrode 30 is provided for accelerating the electrons emitted from the electron source 10, and a discharge plasma generation space between the anode electrode 2 a and the cathode electrode 2 b between the electron source 10 and the auxiliary electrode 30. 3 constitutes a discharge plasma generation assisting device that assists in the generation of discharge plasma in 3.

ところで、実施形態１や実施形態２の放電点灯装置では、電子源１０から放出された電子が電界から得るエネルギが電子の平均自由行程と対をなす放電用電極間（アノード電極２ａ・カソード電極２ｂ間）の電界とで決まってしまうので、電界から得るエネルギを大きくするには、ガス圧を下げて平均自由行程を長くするか、アノード電極２ａ・カソード電極２ｂ間の電圧を高くするか、アノード電極２ａ・カソード電極２ｂ間の距離を短くするなどして電界強度を高くするしかないが、放電ランプＬａの特性を変えてしまうので、容易に実施できない場合が多い。 By the way, in the discharge lighting device of Embodiment 1 and Embodiment 2, the energy obtained from the electric field by the electrons emitted from the electron source 10 is paired with the mean free path of the electrons (the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b). In order to increase the energy obtained from the electric field, the gas pressure is decreased to increase the mean free path, the voltage between the anode electrode 2a and the cathode electrode 2b is increased, or the anode Although the electric field strength can only be increased by shortening the distance between the electrode 2a and the cathode electrode 2b, the characteristics of the discharge lamp La are changed.

これに対して、本実施形態の放電点灯装置は、上述の補助電極３０を備えており、補助電極３０と電子源１０との間の距離や、補助電極３０と電子源１０との間に印加する電圧を変えることによって、放電ランプＬａの特性には影響を与えることなく、電子を加速するための電界強度を変えることが可能であり、制御手段２０によって補助電極３０と電子源１０の表面電極１７との間に加速用電源Ｖ_Ｇから印加させる電圧を制御するようにしてある。 On the other hand, the discharge lighting device of the present embodiment includes the auxiliary electrode 30 described above, and is applied between the auxiliary electrode 30 and the electron source 10 or between the auxiliary electrode 30 and the electron source 10. By changing the voltage to be applied, it is possible to change the electric field strength for accelerating the electrons without affecting the characteristics of the discharge lamp La. The control means 20 controls the auxiliary electrode 30 and the surface electrode of the electron source 10. It is so as to control the voltage applied from the acceleration power source V _G between the 17.

以上説明した本実施形態の放電点灯装置では、電子源１０から放出される電子の少なくとも一部について電子の初期エネルギと当該電子が補助電極３０と電子源１０との間の電界により得るエネルギとの和が放電ガスの電離エネルギを超えるように電子源１０を制御する制御手段２０が設けられており、気密容器１内において放電ガスの電離エネルギよりも大きなエネルギを有する電子により放電ガスが励起されるから、放電ガスの種類、ガス圧、放電用電極（アノード電極２ａおよびカソード電極２ｂ）の配置などの仕様に応じて放電開始電圧を低減できる。なお、本実施形態では、制御手段２０によって各電源Ｖ_ＰＳ，Ｖ_Ｇ，Ｖ_ＡＫの出力電圧を制御するようにしているが、各電源Ｖ_ＰＳ，Ｖ_Ｇ，Ｖ_ＡＫに直列に接続したスイッチ（図示せず）を適宜にオンオフさせるようにしてもよい。 In the discharge lighting device according to the present embodiment described above, the initial energy of electrons and the energy obtained by the electric field between the auxiliary electrode 30 and the electron source 10 for at least a part of the electrons emitted from the electron source 10 are obtained. Control means 20 for controlling the electron source 10 is provided so that the sum exceeds the ionization energy of the discharge gas, and the discharge gas is excited in the hermetic vessel 1 by electrons having an energy larger than the ionization energy of the discharge gas. Thus, the discharge start voltage can be reduced according to specifications such as the type of discharge gas, gas pressure, and the arrangement of discharge electrodes (anode electrode 2a and cathode electrode 2b). The switch in the present embodiment, each power supply _V PS by the control means _20, V _G, but so as to control the output voltage of the _{V AK,} which is connected in series with each power supply _{_{_{V PS, V G, V AK}}} ( You may make it turn on / off suitably.

（実施形態４）
本実施形態の放電プラズマ装置の基本構成は実施形態１と同じであり、図５に示すように、電子源１０における絶縁性基板１４の一表面側に電子源１０を冷却可能な冷却手段としてのペルチェ素子４０が形成されている点に特徴がある。なお、他の構成は実施形態１と同じなので、図示および説明を省略する。 (Embodiment 4)
The basic configuration of the discharge plasma apparatus of the present embodiment is the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 5, as a cooling means capable of cooling the electron source 10 on one surface side of the insulating substrate 14 in the electron source 10. It is characterized in that the Peltier element 40 is formed. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, illustration and description thereof are omitted.

ペルチェ素子４０は、ｐ形熱電半導体材料（例えば、ｐ形のＢｉ_２Ｔｅ_３）よりなる第１熱電要素４１とｎ形熱電半導体材料（例えば、ｎ形のＢｉ_２Ｔｅ_３）よりなる第２熱電要素４２とが図５の左右方向において離間して交互に配設され、金属材料（例えば、アルミニウム、銅など）からなる電極４３を介して接合されている。すなわち、ペルチェ素子４０は、絶縁性基板１４の厚み方向に直交する面内で第１熱電要素４１と第２熱電要素４２とが交互に立設されており、電気的には第１熱電要素４１と第２熱電要素４２とが交互に並んだ形で直列接続されている。 The Peltier element 40 includes a first thermoelectric element 41 made of a p-type thermoelectric semiconductor material (for example, p-type Bi ₂ Te ₃ ) and a second thermoelectric element made of an n-type thermoelectric semiconductor material (for example, n-type Bi ₂ Te ₃ ). The elements 42 are alternately arranged spaced apart in the left-right direction in FIG. 5 and are joined via electrodes 43 made of a metal material (for example, aluminum, copper, etc.). That is, in the Peltier element 40, the first thermoelectric elements 41 and the second thermoelectric elements 42 are alternately erected in a plane orthogonal to the thickness direction of the insulating substrate 14. And the second thermoelectric elements 42 are connected in series in an alternating fashion.

したがって、ペルチェ素子４０へ外部から電圧を印加して電流を流すと（つまり、複数の第１熱電要素４１と複数の第２熱電要素４２との直列回路へ電流を流すと）、絶縁性基板１４の厚み方向において絶縁性基板１４に近い側（図５における下側）の電極４３は吸熱し、絶縁性基板１４から遠い側（図５における上側）の電極４３は発熱するので、ペルチェ素子４０へ電流を流すことで電子源１０の電子源素子１０ａを冷却することができる。 Accordingly, when a current is applied to the Peltier element 40 by applying a voltage from the outside (that is, when a current is passed through a series circuit of the plurality of first thermoelectric elements 41 and the plurality of second thermoelectric elements 42), the insulating substrate 14 In the thickness direction, the electrode 43 closer to the insulating substrate 14 (lower side in FIG. 5) absorbs heat, and the electrode 43 farther from the insulating substrate 14 (upper side in FIG. 5) generates heat. The electron source element 10a of the electron source 10 can be cooled by passing a current.

本実施形態の放電点灯装置では、上述のペルチェ素子４０を備えており、マイクロコンピュータなどからなる制御手段２０がペルチェ素子４０も制御する機能を有しているので、ペルチェ素子４０により電子源１０を冷却させることにより、電子源１０の強電界ドリフト層１６内での電子の散乱が減少して、電子源１０から放出される電子のエネルギ分布に関して初期エネルギの高い電子の割合が増加し、放電ガスの電離エネルギを超える電子の数を増加させることができるから、放電開始電圧をより確実に低減することが可能となる。ここで、一例として、電子源素子１０ａの室温（３００Ｋ）での電子放出特性を図６の「イ」に示し、１００Ｋでの電子放出特性を同図の「ロ」に示す。なお、図６は、横軸が電子エネルギ、縦軸が放出電子数であり、図６から、室温では放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっているのに対して、１００Ｋでは放出電子のエネルギ分布が狭くなるとともにエネルギの高い電子の割合が増加していることが分かる。 In the discharge lighting device of the present embodiment, the Peltier element 40 described above is provided, and the control means 20 including a microcomputer has a function of controlling the Peltier element 40. By cooling, the scattering of electrons in the strong electric field drift layer 16 of the electron source 10 is reduced, and the proportion of electrons having a high initial energy with respect to the energy distribution of electrons emitted from the electron source 10 is increased. Since the number of electrons exceeding the ionization energy can be increased, the discharge start voltage can be more reliably reduced. Here, as an example, the electron emission characteristics of the electron source element 10a at room temperature (300K) are shown in FIG. 6A, and the electron emission characteristics at 100K are shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the electron energy and the vertical axis represents the number of emitted electrons. From FIG. 6, the energy distribution of the emitted electrons is relatively wide at room temperature, whereas the energy of the emitted electrons is 100K. It can be seen that the proportion of electrons with high energy increases as the distribution narrows.

ここにおいて、３００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が比較的広くなっている原因の一つとしては、シリコン微結晶６３を構成しているシリコン原子の格子振動による散乱が考えられる。これに対して、１００Ｋにおける放出電子のエネルギ分布が狭くなっているのは、強電界ドリフト層１６が冷却されることによってシリコン原子の格子振動が小さくなって強電界ドリフト層１６での電子の散乱確率が減少するためであると考えられる。要するに、強電界ドリフト層１６を冷却することによって、放出電子に関してほぼ理論通りのエネルギ分布特性を得ることができるものと考えられる。 Here, one of the reasons why the energy distribution of the emitted electrons at 300 K is relatively wide is considered to be scattering due to lattice vibration of silicon atoms constituting the silicon microcrystal 63. On the other hand, the energy distribution of the emitted electrons at 100 K is narrowed because the lattice vibration of silicon atoms is reduced by cooling the strong electric field drift layer 16 and the electrons are scattered in the strong electric field drift layer 16. This is probably because the probability decreases. In short, it is considered that by cooling the strong electric field drift layer 16, it is possible to obtain energy distribution characteristics that are almost theoretically related to the emitted electrons.

なお、上述の絶縁性基板１４上に図示しないサーミスタ素子からなる感温素子を設け、制御手段２０が感温素子による検出温度に基づいてペルチェ素子４０へ流す電流の電流値を制御するようにすれば、ペルチェ素子４０に流す電流値を制御することで電子源１０の冷却温度を所望の温度（規定温度範囲内）に調節することができ、電子源１０の電子放出特性を安定させることができる。 In addition, a temperature sensing element composed of a thermistor element (not shown) is provided on the insulating substrate 14 described above, and the control means 20 controls the current value of the current flowing to the Peltier element 40 based on the temperature detected by the temperature sensing element. For example, the cooling temperature of the electron source 10 can be adjusted to a desired temperature (within a specified temperature range) by controlling the value of the current flowing through the Peltier device 40, and the electron emission characteristics of the electron source 10 can be stabilized. .

ところで、上記各実施形態の放電点灯装置は、例えば、図７に示すような照明器具に利用することができる。図７に示した照明器具は、いわゆる富士型の照明器具であって、天井面のような施工面に取り付けられる器具本体１００と、器具本体１００の長手方向の両端部にそれぞれ設けられた各一対のソケット１０２と、器具本体１００に器具本体１００を覆うように取り付けられる断面Ｖ字形の反射板１０３と、器具本体１００に長手方向が一致する形でそれぞれソケット１０２間に保持される２本の直管形のランプ１０４と、２本のランプ１０４を点灯させる点灯装置（図示せず）とを備えている。ここにおいて、ランプ１０４として、上述の放電ランプＬａにおいて気密容器１の内面に蛍光体層を形成したものを用い、点灯装置に制御手段２０を設けることにより、上述の放電点灯装置を備えた照明器具を実現することができ、照明器具における放電点灯装置の放電開始電圧の低電圧化を図れる。 By the way, the discharge lighting device of each said embodiment can be utilized for a lighting fixture as shown in FIG. 7, for example. The lighting fixture shown in FIG. 7 is a so-called Fuji-type lighting fixture, which is a fixture main body 100 attached to a construction surface such as a ceiling surface, and each pair provided at both ends in the longitudinal direction of the fixture main body 100. A socket 102, a reflector 103 having a V-shaped cross section that is attached to the instrument body 100 so as to cover the instrument body 100, and two straight plates that are held between the sockets 102 so that the longitudinal directions thereof coincide with the instrument body 100. A tube-shaped lamp 104 and a lighting device (not shown) for lighting the two lamps 104 are provided. Here, as the lamp 104, the above-described discharge lamp La in which the phosphor layer is formed on the inner surface of the hermetic vessel 1 is used, and the lighting device having the above-described discharge lighting device is provided by providing the lighting device with the control means 20. Therefore, it is possible to reduce the discharge start voltage of the discharge lighting device in the lighting fixture.

また、上記各実施形態では、放電プラズマ装置としてＸｅガスを用いた放電ランプＬａを例示したが、放電ランプＬａに限らず、例えば、プラズマディスプレイパネルなどでもよい。また、上記各実施形態における放電プラズマ装置では、気密容器１内に封入するガスとしてＸｅガスを採用しているが、気密容器１内に封入するガスは、Ｘｅガスに限定するものではなく、例えば、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｎ_２ガス、ＣＯガス、Ｈｇ蒸気や、それらの混合ガスなどのようにエネルギを供給することで放電を起こすガスであればよい。 In each of the above embodiments, the discharge lamp La using Xe gas is exemplified as the discharge plasma apparatus. However, the discharge lamp is not limited to the discharge lamp La, and may be a plasma display panel, for example. Moreover, in the discharge plasma apparatus in each of the above embodiments, Xe gas is adopted as the gas sealed in the hermetic container 1, but the gas sealed in the hermetic container 1 is not limited to Xe gas, for example, , He gas, Ne gas, Ar gas, Kr gas, N ₂ gas, CO gas, Hg vapor, or a mixed gas thereof may be used as long as it causes discharge by supplying energy.

実施形態１を示し、（ａ）は放電プラズマ装置の概略構成図、（ｂ）は放電点灯装置の動作原理の説明図である。Embodiment 1 is shown, (a) is a schematic configuration diagram of a discharge plasma device, (b) is an explanatory diagram of the operating principle of a discharge lighting device. 同上に用いる電子源を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は動作説明図である。The electron source used for the above is shown, (a) is a schematic cross-sectional view, (b) is an operation explanatory diagram. 実施形態２の放電プラズマ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the discharge plasma apparatus of Embodiment 2. 実施形態３の放電プラズマ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the discharge plasma apparatus of Embodiment 3. 実施形態４における要部概略断面図である。10 is a schematic cross-sectional view of a main part in Embodiment 4. 同上における電子源の電子放出特性の説明図である。It is explanatory drawing of the electron emission characteristic of the electron source in the same as the above. 照明器具を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。A lighting fixture is shown, (a) is a front view, (b) is a bottom view, (c) is a side view.

Explanation of symbols

１気密容器
２ａアノード電極（放電用電極）
２ｂカソード電極（放電用電極）
３放電プラズマ生成空間
１０電子源（電界放射型電子源）
１５下部電極
１６強電界ドリフト層
１７表面電極
２０制御手段
３０補助電極
４０ペルチェ素子（冷却手段）
６３シリコン微結晶（半導体微結晶）
６４シリコン酸化膜（絶縁膜）
Ｌａ放電ランプ 1 Airtight container 2a Anode electrode (discharge electrode)
2b Cathode electrode (discharge electrode)
3 Discharge plasma generation space 10 Electron source (field emission electron source)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Lower electrode 16 Strong electric field drift layer 17 Surface electrode 20 Control means 30 Auxiliary electrode 40 Peltier device (cooling means)
63 Silicon microcrystal (Semiconductor microcrystal)
64 Silicon oxide film (insulating film)
La discharge lamp

Claims

At least a pair of discharge electrodes for applying an electric field to the discharge gas sealed in the hermetic vessel to generate discharge plasma, and an electron source arranged in the hermetic vessel and capable of supplying electrons into the discharge gas. And a control means for controlling the electron source so that the sum of the initial energy of the electron and the energy obtained by the electric field exceeds the ionization energy of the discharge gas for at least a part of the electrons emitted from the electron source. A discharge lighting device characterized by comprising:

The pair of discharge electrodes are spaced apart from each other in the hermetic container, and one discharge electrode of the pair of discharge electrodes is within a plane perpendicular to the direction in which the pair of discharge electrodes are arranged. The discharge lighting device according to claim 1, wherein the electron source is arranged.

3. The discharge lighting device according to claim 2, wherein the electron source and the one discharge electrode are integrated.

At least a pair of discharge electrodes for generating an electric field by applying an electric field to the discharge gas sealed in the hermetic vessel and a direction in which the pair of discharge electrodes are arranged in the hermetic vessel are orthogonal to each other An electron source capable of supplying electrons in one direction, and an auxiliary electrode disposed opposite to the electron source in the one direction, and at least a part of the electrons emitted from the electron source has an initial electron energy and the electrons A discharge lighting device comprising: control means for controlling an electron source so that a sum of energy obtained by an electric field between the auxiliary electrode and the electron source exceeds an ionization energy of the discharge gas.

The electron source is formed on the surface of a lower electrode, a surface electrode facing the lower electrode, a large number of nanometer-order semiconductor microcrystals and each semiconductor microcrystal interposed between the lower electrode and the surface electrode. 5. The field emission electron source comprising a strong electric field drift layer having a large number of insulating films having a film thickness smaller than a crystal grain size of the crystal according to any one of claims 1 to 4. The discharge lighting apparatus as described.

6. The discharge lighting device according to claim 5, further comprising a cooling unit capable of cooling the electron source, wherein the control unit has a function of controlling the cooling unit.

A lighting fixture comprising the discharge lighting device according to any one of claims 1 to 6.