JP2011154905A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力化、高発光効率化、および寿命化を図れる発光装置を提供する。
【解決手段】ガスが封入された気密容器１と、気密容器１内へガスを励起させる電子を供給する電子源２と、電子源２に対向配置されたアノード電極３と、気密容器１の内面側に配置され励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光によって励起され発光する蛍光体層４と、電子源２の表面電極２７・下部電極２５間（駆動電極間）の電圧およびアノード電極３・電子源２間の電圧を制御する制御装置５とを備える。制御装置５は、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、ガスの励起エネルギよりも大きくガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源２の駆動電極間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させる。蛍光体層４は、励起光によって励起され発光する第１の蛍光体と、電子源２からの電子により励起され発光する第２の蛍光体とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気密容器内に封入されているガスの発光過程で放射される励起光を蛍光体により波長変換して励起光よりも長波長の光を発光する発光装置に関するものである。

地球の環境問題に対する関心が高まるにつれて、発光装置として、水銀を利用せずに例えばキセノンガスなどの希ガスを透光性の気密容器内に封入した希ガス蛍光ランプのような無水銀蛍光ランプが各所で研究開発されている。

しかしながら、希ガス蛍光ランプは、水銀を利用した従来の蛍光ランプに比べて、効率が低く、従来の蛍光ランプと同等の輝度を得るためには、透光性の気密容器内に配置された一対の放電用電極間により高い放電開始電圧（始動電圧）および放電維持電圧を印加しなければならないという問題があった。

これに対して、キセノンガスなどの希ガスからなるガスが封入された透光性の気密容器内に、一対の放電用電極とは別に電界放射型の電子源を配置し、一対の放電用電極間に電圧を印加する前に電子源を駆動して電子を放出させることにより、放電開始電圧を低減する技術が提案されており（例えば、特許文献１参照）、放電開始電圧を半分程度まで低減できることが知られている。なお、上記特許文献１に開示された発光装置では、気密容器の内面の適宜部位に、ガスの放電により発生した紫外光からなる励起光により励起されて発光する蛍光体からなる蛍光体層が形成されている。

特開２００２−１５０９４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された発光装置では、気密容器内にキセノンガスのイオン化エネルギ（１２．１３ｅＶ）以上の電子を供給する必要がある。しかしながら、キセノンガスのイオン化エネルギはキセノンガスから紫外光を発生させるのに必要な励起エネルギ（８．４４ｅＶ）よりも大きいので、電子源の駆動用電極間に印加する電圧が必要以上に大きくなり、低消費電力化および単位入力電力当たりの発光効率の高効率化が制限されるとともに電子源の寿命が短くなって発光装置の寿命が短くなってしまう懸念があった。また、上記特許文献１に開示された発光装置では、放電プラズマのイオンが電子源や蛍光体層に衝突することにより電子源や蛍光体層にダメージが発生し、発光装置の寿命が短くなってしまうという懸念があった。

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、低消費電力化、高発光効率化、および長寿命化を図れる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、真空紫外〜可視光域の光を発光可能なガスが封入され少なくとも一部が透光性材料により形成された気密容器と、気密容器内へガスを励起させる電子を供給する電子源と、気密容器内において電子源に対向配置されたアノード電極と、気密容器の内面側に配置され励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光によって励起され発光する蛍光体層と、電子源の駆動用電極間の電圧およびアノード電極と電子源との間の電圧を制御する制御装置とを備え、制御装置は、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、ガスの励起エネルギよりも大きくガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源の駆動用電極間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させるものであり、蛍光体層は、前記励起光によって励起され発光する第１の蛍光体と、前記電子源からの電子線により励起され発光する第２の蛍光体とを有することを特徴とする。

この発明によれば、制御装置により、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、ガスの励起エネルギよりも大きくガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源の駆動用電極間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させ、励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光が蛍光体層で波長変換されるので、ガスを放電させて蛍光体層を発光させる場合に比べて、電子源の駆動用電極間に印加する電圧を低減できるから、低消費電力化および高発光効率化を図れる。また、放電プラズマのイオンに起因して電子源や蛍光体層がダメージを受けることもないから、長寿命化を図れる。また、蛍光体層が、前記励起光によって励起され発光する第１の蛍光体と、前記電子源からの電子線により励起され発光する第２の蛍光体とを有するので、前記電子源から放出された電子をより有効に利用することができるから、発光効率を更に向上させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記蛍光体層は、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体とが混合されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記蛍光体層を容易に形成することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記蛍光体層は、前記アノード電極における前記電子源との対向面側に形成されてなり、前記第１の蛍光体により形成され前記アノード電極に積層された層状の第１の蛍光体層と、前記第２の蛍光体により形成され第１の蛍光体層に積層された層状の第２の蛍光体層とからなることを特徴とする。

この発明によれば、第１の蛍光体層と第２の蛍光体層とを積層する場合に、電子が前記第１の蛍光体層を通して前記第２の蛍光体層へ入射するように積層する場合に比べて、前記第２の蛍光体へ到達する電子のエネルギが高くなるから、前記第２の蛍光体の発光効率を高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記蛍光体層は、前記アノード電極における前記電子源との対向面を覆うように形成されてなり、平面視において、前記第１の蛍光体により形成された第１の蛍光体層と前記第２の蛍光体により形成された第２の蛍光体層とに分割されてなることを特徴とする。

この発明によれば、第１の蛍光体層と第２の蛍光体層とを厚み方向に積層する場合に比べて、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体との一方の発光効率が低下するのを防止することができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記アノード電極は、前記第１の蛍光体層に重なる第１のアノード電極と、前記第２の蛍光体層に重なる第２のアノード電極とに分離して形成されており、前記制御装置は、前記第１のアノード電極と前記電子源との間の電圧と、前記第２のアノード電極と前記電子源との間の電圧とを独立して制御可能であることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の蛍光体層へ向かう電子のエネルギと前記第２の蛍光体層へ向かう電子のエネルギとを独立して制御することが可能となり、より一層の高発光効率化および低消費電力化を図れる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記制御装置は、前記電子源を間欠的に駆動し、前記電子源を駆動する期間には、前記第１のアノード電極と前記電子源との間にのみ電圧が印加され、前記電子源を駆動しない期間には、前記第２のアノード電極と前記電子源との間にのみ電圧が印加されないように、前記アノード電極と前記電子源との間の電圧を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源を間欠的に駆動することによる低消費電力化を図りつつ前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体を効率良く発光させることが可能となる。

請求項７の発明は、請求項４の発明において、前記アノード電極は、前記蛍光体層のうち前記第２の蛍光体層のみに重なっていることを特徴とする。

この発明によれば、低消費電力化を図りつつ前記第２の蛍光体を効率よく発光させることが可能となる。

請求項８の発明は、請求項４ないし請求項７の発明において、前記電子源は、前記第１の蛍光体層の厚み方向への投影領域内のみに形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の蛍光体層へ到達する前記励起光を少なくすることができ、前記励起光をより有効に利用することが可能となる。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記第１の蛍光体層の平面積よりも前記電子源の電子放出面の平面積が小さいことを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の蛍光体層へ到達する前記励起光をより少なくすることができる。

請求項１０の発明は、請求項５ないし請求項９の発明において、前記電子源と前記蛍光体層との間に、前記電子源から放出された電子を加速するためのグリッド電極が配置されてなり、前記制御装置により前記グリッド電極の電位を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源から放出された電子を加速することができる。

請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記制御装置は、前記アノード電極の電位を前記グリッド電極の電位よりも高くすることを特徴とする。

この発明によれば、前記グリッド電極に吸収される電子を低減して前記第２の蛍光体層に到達する電子を増加させることができ、前記電子源から放出される電子をより有効に利用できる。

請求項１２の発明は、請求項１０の発明において、前記制御装置は、前記電子源を間欠的に駆動し、前記電子源を駆動する期間には、前記グリッド電極と前記電子源との間に電圧が印加され、前記電子源を駆動しない期間には、前記グリッド電極と前記電子源との間に電圧が印加されないように、前記グリッド電極と前記電子源との間の電圧を制御することを特徴とする。

この発明によれば、低消費電力化を図れるとともに、前記グリッド電極に吸収される電子を低減して前記第２の蛍光体層に到達する電子を増加させることができる。

請求項１３の発明は、請求項４ないし請求項９の発明において、前記第２の蛍光体層の手前にグリッド電極が配置されてなり、前記制御装置は、前記アノード電極の電位を前記グリッド電極の電位よりも高くすることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の蛍光体層に到達する電子を低減して、より多くの電子を前記第２の蛍光体層側に引き寄せることが可能となる。

請求項１４の発明は、請求項１ないし請求項１３の発明において、前記第２の蛍光体は、低速電子線用の蛍光体であることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の蛍光体が高速電子線用の蛍光体である場合に比べて、前記アノード電極と前記電子源との間に印加する電圧を低減でき、放電の発生を防止することができる。

請求項１の発明では、低消費電力化、高発光効率化、および長寿命化を図れるという効果がある。

実施形態１の発光装置の概略構成図である。 同上に用いる電子源の要部説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の動作説明図である。 実施形態２の発光装置の概略構成図である。 実施形態３の発光装置の概略構成図である。 実施形態４の発光装置の概略構成図である。 実施形態５の発光装置の概略構成図である。 実施形態６の発光装置の概略構成図である。 実施形態７の発光装置の概略構成図である。 実施形態８の発光装置の概略構成図である。 実施形態９の発光装置の概略構成図である。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置は、図１に示すように、真空紫外〜可視光域の光を発光するガス（例えば、キセノンガスなど）が封入され透光性材料により形成された気密容器１と、気密容器１内へガスを励起させる電子を供給する電子源２と、気密容器１内において電子源２に対向配置された透明電極（例えば、ＩＴＯ膜など）からなるアノード電極３と、気密容器１の内面側に配置され励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光によって励起され発光する蛍光体層４と、電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間の電圧およびアノード電極３と電子源２の表面電極２７との間の電圧を制御する制御装置５とを備えており、励起されたガスの発光過程で放射される光（例えば、真空紫外光）が蛍光体層４で可視光に波長変換され気密容器１を通して放射されることとなる。なお、本実施形態では、電子源２における表面電極２７と下部電極２５とが一対の駆動用電極を構成し、表面電極２７の表面が電子放出面を構成している。また、図１中の直線の矢印は電子源２から放出される電子を示し、同図中の波線の矢印は励起されたガスの発光過程で放射される光を示している。

気密容器１は、透光性材料（例えば、ガラスなど）からなる矩形板状のリヤプレート１１と、リヤプレート１１の一表面側に対向配置された透光性材料（例えば、ガラスなど）からなる矩形板状のフェースプレート１２と、リヤプレート１１とフェースプレート１２との間に介在する矩形枠状のスペーサ１３とで構成され、リヤプレート１１の上記一表面側に電子源２が配置され、フェースプレート１２における電子源２との対向面側にアノード電極３が形成され、アノード電極３における電子源２との対向面側に蛍光体層４が形成されている。なお、気密容器１の形状は特に限定するものではない。また、リヤプレート１１、フェースプレート１２およびスペーサ１３の材料はガラスに限らず、例えば、透光性セラミックでもよい。また、本実施形態では、気密容器１全体が透光性材料により形成されているが気密容器１は必ずしも全体が透光性材料により形成されている必要はなく、少なくとも一部が透光性材料により形成されていればよい。

電子源２は、弾道電子面放出型電子源（Ballistic electronSurface-emitting Device：ＢＳＤ）であり、下部電極２５と、下部電極２５に対向した表面電極２７と、下部電極２５と表面電極２７との間に介在する強電界ドリフト層２６とを備えている。ここにおいて、下部電極２５は、金属膜（例えば、タングステン膜など）により構成され、表面電極２７は、膜厚が１０〜１５ｎｍ程度の導電性薄膜（例えば、Ａｕ膜など）により構成されているが、下部電極２５および表面電極２７の材料は特に限定するものではなく、いずれも単層膜に限らず、多層膜でもよい。

また、強電界ドリフト層２６は、図２に示すように、少なくとも、下部電極２５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）２６１と、グレイン２６１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜２６２と、グレイン２６１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）２６３と、各シリコン微結晶２６３の表面に形成され当該シリコン微結晶２６３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２６４とから構成されている。ここに、各グレイン２６１は、下部電極２５の厚み方向に延びている（つまり、リヤプレート１１の厚み方向に延びている）。

上述の電子源２から電子を放出させるには、表面電極２７が下部電極２５に対して高電位側となるように表面電極２７と下部電極２５との間に駆動用電源Ｖｐｓから電圧を印加すれば、下部電極２５から強電界ドリフト層２６へ注入された電子が強電界ドリフト層２６をドリフトし表面電極２７を通して放出される。

ここに、上述の電子源２では、表面電極２７と下部電極２５との間に印加する電圧を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２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。

上述の電子源２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２７と下部電極２５との間に表面電極２７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極２５から強電界ドリフト層２６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層２６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜２６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜２６４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２６におけるグレイン２６１の間の領域を表面に向かって図２中の矢印の向き（図２における上向き）へドリフトし、表面電極２７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層２６では下部電極２５から注入された電子がシリコン微結晶２６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜２６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極２７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２６で発生した熱がグレイン２６１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。

なお、上述の強電界ドリフト層２６では、シリコン酸化膜２６４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２６２，２６４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２６２，２６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。また、本実施形態では、電子源２をガラス基板からなるリヤプレート１１の上記一表面側に直接形成してあるが、電子源２の下部電極２５をシリコン基板と当該シリコン基板の裏面側のオーミック電極とで構成して、リヤプレート１１の上記一表面側に配置するようにしてもよい。

ところで、上述の制御装置５は、電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に電圧を印加する駆動用電源Ｖｐｓと、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加するアノード電極用電源Ｖａと、駆動用電源Ｖｐｓおよびアノード電極用電源Ｖａそれぞれを制御するマイクロコンピュータなどにより構成される制御手段５ａとで構成されており、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、気密容器１内に封入されているガスであるキセノンガスの励起エネルギよりも大きくキセノンガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源２の表面電極２７・下部電極２５間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させる。

ここにおいて、本実施形態の発光装置では、制御装置５によって駆動用電源Ｖｐｓから電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に表面電極２７側を高電位とする電圧を印加させることにより、電子源２から電子が放出される一方で、制御装置５によってアノード電極用電源Ｖａからアノード電極３と電子源２の表面電極２７との間にアノード電極３を高電位側とする電圧を印加させるので、電子源２から放出された電子は、アノード電極３と表面電極２７との間の電界によって加速され、アノード電極３と表面電極２７との間に存在するガスの原子（ここでは、キセノン原子）に衝突する。

ここで、電子源２から放出された電子がアノード電極３と表面電極２７との間の電界により得るエネルギは、アノード電極３と表面電極２７との間の電界強度とガス中における電子の平均自由行程との積に依存し、電界強度はアノード電極３・表面電極２７間に印加される電圧とアノード電極３・表面電極２７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内のガスの種類やガス圧に依存するが、本実施形態では、ガス圧を５ｋＰａに設定してあり、電子の平均自由工程が短いので、電子源２から放出された電子がアノード電極３と表面電極２７との間の電界により得るエネルギは電子源２から放出される電子のエネルギ分布のピークエネルギに比べて小さく、電子源２から放出される電子のエネルギ分布がガスに衝突する電子のエネルギ分布から若干、高エネルギ側にシフトする。ここで、本実施形態では、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、キセノンガスの励起エネルギよりも大きくキセノンガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源２の駆動時に当該電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に表面電極２７を高電位側として印加する電圧を２０Ｖとしてあり、電子エネルギ分布のピークエネルギを１０ｅＶ程度としてある。

しかして、本実施形態の発光装置では、制御装置５により、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、ガスの励起エネルギよりも大きくガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源２の表面電極２７・下部電極２５間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させ、励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光が蛍光体層４で波長変換されるので、ガスを放電させて蛍光体層４を発光させる場合に比べて、電子源２の表面電極２７・下部電極２５間に印加する電圧を低減できて低消費電力化を図れるから、低消費電力化および高発光効率化を図れ、また、放電プラズマのイオンに起因して電子源２や蛍光体層４がダメージを受けることもないから、長寿命化を図れる。

ここにおいて、本実施形態の発光装置では、電子源２とアノード電極３との間隔をパッシェンミニマムよりも大きな１ｃｍに設定してあり、ガスの放電が起こりにくくなっている。なお、電子源２とアノード電極３との間の間隔は１ｃｍに限定するものではない。

また、本実施形態の発光装置では、電子源２として、上述の弾道電子面放出型電子源を採用しているので、ガス中でも安定して動作可能で、キセノンガスの励起エネルギである８．４４ｅＶ以上の初期エネルギを有する電子を放出することができ、電子源２としてスピント型電子源を採用した場合に比べて、電子源２から放出される電子の初期エネルギが高くなるから、電子源２の駆動電圧（表面電極２７・下部電極２５間の電圧）やアノード電極３と表面電極２７との間に印加する電圧を低減でき、低消費電力化を図れる。

ところで、本実施形態の発光装置では、気密容器１内に封入するガスとしてキセノンガスを採用し、キセノンガスの圧力を５ｋＰａに設定してあるが、当該ガス圧は５ｋＰａに限定するものではない。ここで、気密容器１内に蛍光体層４を設けずに、気密容器１内のガス圧を１００Ｐａ〜５０ｋＰａの範囲で変えたものについて、アノード電極３と表面電極２７との間に印加する電圧（以下、アノード電圧と称する）を１００Ｖとして、電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に表面電極２７を高電位側として２０Ｖのパルス電圧を印加したときに発生する紫外光の発光強度を光電子増倍管により測定した結果を図３に示す。図３から、ガス圧を２ｋＰａ〜２０ｋＰａの範囲内で設定すれば、キセノンガスの放電を防止することができるとともに発光効率の向上を図れることが確認された。なお、ガス圧が１００Ｐａのもの、１ｋＰａのものについては、放電が起こったため光電子増倍管による測定は行っていない。

また、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との距離を１ｃｍ、ガス圧を５ｋＰａとして、アノード電圧を変化させたときの紫外光の発光強度を光電子増倍管により測定した結果を図４に示す。ここで、アノード電圧を０〜１８０Ｖとした範囲では、放電は起こっておらず、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間の電界強度Ｅ〔Ｖ／ｍ〕とガス圧ｐ〔Ｐａ〕とを用いてＥ／ｐで規定される換算電界強度を０〜３．６〔Ｖ／ｍＰａ〕の範囲で設定することで、放電を防止できることが分かる。なお、図４から、アノード電圧を増加させることにより紫外光の発光強度が増加していることが分かるが、これは、アノード電圧の増加に伴い電子のエネルギ分布のピークエネルギが高エネルギ側へシフトし、キセノンガスが励起される確率が増加するためであると推測される。

また、図５に示すように、キセノン原子をイオン化して放電させるには１２．１３ｅＶのエネルギが必要であるのに対して、波長１４７ｎｍの紫外光を放射させるためには８．４４ｅＶの励起エネルギでよく、エキシマ（ここでは、励起状態のキセノン分子）を生成することにより１４７ｎｍよりも長波長である１７２ｎｍの発光を得ることができる。なお、図５中の下向きの矢印に付した数値は発光波長を示している。

ここで、本実施形態では、ガスとして希ガスの一種であるキセノンガスを採用し、気密容器１内のガスの圧力をエキシマの生成が可能な圧力である５ｋＰａに設定してあるので、気密容器１内に電子源２から電子を供給することにより、エキシマ（励起状態の分子）を生成することが可能となり、蛍光体層４でのストークス損失を低減することができ、発光効率の向上を図れる。

また、本実施形態の発光装置における制御装置５は、電子源２から気密容器１内に周期的に電子が供給されるように、上述の駆動用電源Ｖｐｓから電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に表面電極２７を高電位側として矩形波電圧を印加させるようにしている。しかして、本実施形態の発光装置では、制御装置５が電子源２を間欠的に駆動するので、電子源２を連続駆動する場合に比べて、低消費電力化を図れる。

ここにおいて、気密容器１内に蛍光体層４を設けずに、気密容器１内のキセノンガスの圧力を５ｋＰａとし、電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に表面電極２７を高電位側として２０Ｖのパルス電圧を印加した場合の紫外光の発光強度の経時変化を測定した結果を図６に示す（なお、図６中の「ＯＮ」は電子源２にパルス電圧が印加されている期間を示し、「ＯＦＦ」は電子源２にパルス電圧が印加されていない期間を示す）。図６から、電子源２へのパルス電圧の印加停止から、２０μｓｅｃ程度の間、残光が得られていることが分かる。要するに、残光時間が２０μｓｅｃ程度であることが分かる。

そこで、制御装置５では、上述の矩形波電圧の１周期において電子源２からの電子の供給を停止させるオフ期間を、電子源２から電子を供給させるオン期間からオフ期間へ移行したときのキセノンガスの残光時間よりも短くなるように設定してある。ここで、上述の矩形波電圧の周波数およびオンデューティを変化させた場合のオフ時間（オフ期間の時間）を図７に示す。図７は、横軸が周波数、縦軸がオフ時間であり、「イ」がオンデューティを１％とした場合、「ロ」がオンデューティを１０％とした場合、「ハ」がオンデューティを５０％とした場合を示している。

しかして、本実施形態の発光装置では、電子源２からの電子の供給を停止させるオフ期間にも紫外光の発光が継続されるので、発効効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、上述のように電子源２が、下部電極２５と、下部電極２５に対向した表面電極２７と、下部電極２５と表面電極２７との間に介在する強電界ドリフト層２６とを備えた弾道電子面放出型電子源により構成されているので、制御装置５が上述の矩形波電圧を交流電圧とすれば、電子源２の表面電極２７・下部電極２５間に順バイアス電圧が印加されて電子源２から気密容器１内へ電子が供給される期間と、表面電極２７・下部電極２５間に逆バイアス電圧が印加されて順バイアス電圧印加時に電子源２の強電界ドリフト層２６中のトラップに捕獲されていた電子を強電界ドリフト層２６外の下部電極２５へ放出させる期間とが繰り返されるので、強電界ドリフト層２６中のトラップに捕獲された電子に起因した電界の緩和を抑制することができ、電子源２の長寿命化を図れる。

また、本実施形態の発光装置では、制御装置５が、電子源２の表面電極２７・下部電極２５間に印加する矩形波電圧である第１の矩形波電圧に同期する第２の矩形波電圧をアノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に印加させるようにすれば、アノード電極３と電子源２との間に一定電圧を印加する場合に比べて、低消費電力化を図れる。

ここにおいて、制御装置５が、上記第２の矩形波電圧をアノード電極３の電位が電子源２よりも高電位であり且つ上記オン期間よりも上記オフ期間の方が低い電位となるように設定してあるようにすれば、電子源２の低消費電力化を図りつつ上記オフ期間に電子をアノード電極３に引き抜くことができる。

ところで、本実施形態の発光装置の蛍光体層４の蛍光体として、ガスから発生する光（キセノンガスの場合は、真空紫外光）からなる励起光によって発光する蛍光体（以下、第１の蛍光体ともいう）のみを用いることが考えられる。しかしながら、この場合は、ガスを励起した後のエネルギを失った電子や、もともとガスを励起できるだけのエネルギを持っていなかった電子や、ガスに衝突せずに蛍光体層４やスペーサ１３などに直接衝突する電子など、電子源２から放出された電子のうち発光に寄与しない電子が存在してしまう。

これに対して、本実施形態の発光装置では、蛍光体層４が、ガスからの励起光によって励起され発光する第１の蛍光体と、電子源２からの電子線により励起され発光する第２の蛍光体とを有するので、電子源２から放出された電子をより有効に利用することができるから、発光効率を更に向上させることができる。

ここにおいて、蛍光体層４は、透光性の樹脂液中に第１の蛍光体の粉末および第２の蛍光体の粉末を分散させた蛍光体ペーストを塗布して乾燥させた後で焼成することにより形成された蛍光体塗布膜により構成されている。要するに、本実施形態の発光装置における蛍光体層４では、第１の蛍光体と第２の蛍光体とが混合されているので、蛍光体層４を容易に形成することができる。

また、第２の蛍光体としては、低速電子線用の蛍光体を用いているので、第２の蛍光体がＣＲＴなどに用いられる高速電子線用の蛍光体（例えば、Ｐ２２型蛍光体）である場合に比べて、アノード電極３と電子源２との間に印加する電圧を低減でき、放電の発生を防止することができる。

発光装置全体としての所望の発光色は特に限定するものではないが、例えば、所望の発光色を白色とする場合には、第１の蛍光体および第２の蛍光体それぞれについて周知の、赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体とを用いるようにすればよい。この場合、第１の蛍光体に関しては、例えば、赤色蛍光体として、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕなど、緑色蛍光体として、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｔｂなど、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕなどを用いることができる。また、第２の蛍光体に関しては、例えば、赤色蛍光体として、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ＋Ｉｎ_２Ｏ_３など、緑色蛍光体として、ＺｎＯ：Ｚｎなど、青色蛍光体として、ＺｎＳ：Ａｇ＋Ｉｎ_２Ｏ_３などを用いることができる。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図８に示すように、アノード電極３における電子源２との対向面側に形成された蛍光体層４が、第１の蛍光体により形成されアノード電極３に積層された層状の第１の蛍光体層４ａと、第２の蛍光体により形成され第１の蛍光体層４ａに積層された層状の第２の蛍光体層４ｂとからなる点が相違するだけである。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。

しかして、本実施形態の発光装置では、第１の蛍光体層４ａと第２の蛍光体層４ｂとを積層する場合に、電子が第１の蛍光体層４ａを通して第２の蛍光体層４ｂへ入射するように積層する場合に比べて、第２の蛍光体へ到達する電子のエネルギが高くなるから、第２の蛍光体の発光効率を高めることができる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図９に示すように、アノード電極３における電子源２との対向面を覆うように形成された蛍光体層４が、平面視において、第１の蛍光体により形成された第１の蛍光体層４ａと第２の蛍光体により形成された第２の蛍光体層４ｂとに分割されている点が相違するだけである。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。

しかして、本実施形態の発光装置では、実施形態１のように第１の蛍光体と第２の蛍光体とを混合する場合や、実施形態２のように第１の蛍光体層４ａと第２の蛍光体層４ｂとを厚み方向に積層する場合に比べて、第１の蛍光体と第２の蛍光体との一方の発光効率が低下するのを防止することができる。

（実施形態４）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態３と略同じであり、図１０に示すように、アノード電極３が、第１の蛍光体層４ａに重なる第１のアノード電極３ａと、第２の蛍光体層４ｂに重なる第２のアノード電極３ｂとに分離して形成されており、制御装置５が、第１のアノード電極３ａと電子源２との間の電圧と、第２のアノード電極３ｂと電子源２との間の電圧とを独立して制御可能である点が相違するだけである。なお、実施形態３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。

ここにおいて、制御装置５は、第１のアノード電極３ａと電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加する第１のアノード電極用電源Ｖａａと、第２のアノード電極３ｂと電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加する第２のアノード電極用電源Ｖａｂと、駆動用電源Ｖｐｓおよび各アノード電極用電源Ｖａａ，Ｖａｂそれぞれを制御するマイクロコンピュータなどにより構成される制御手段５ａとで構成されている。

しかして、本実施形態の発光装置では、第１の蛍光体層４ａへ向かう電子のエネルギと第２の蛍光体層４ｂへ向かう電子のエネルギとを独立して制御することが可能となり、より一層の高発光効率化および低消費電力化を図れる。

また、制御装置５が、電子源２を間欠的に駆動し、電子源２を駆動する期間には、第１のアノード電極３ａと電子源２との間にのみ電圧が印加され、電子源２を駆動しない期間には、第２のアノード電極３ｂと電子源２との間にのみ電圧が印加されないように、アノード電極３と電子源２との間の電圧を制御するようにすれば、電子源２を間欠的に駆動することによる低消費電力化を図りつつ第１の蛍光体および第２の蛍光体を効率良く発光させることが可能となる。

（実施形態５）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態３と略同じであり、図１１に示すように、アノード電極３が、蛍光体層４のうち、電子線により励起される第２の蛍光体からなる第２の蛍光体層４ｂのみに重なっている点が相違するだけである。なお、実施形態３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。

しかして、本実施形態の発光装置では、低消費電力化を図りつつ第２の蛍光体を効率よく発光させることが可能となる。

（実施形態６）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態５と略同じであり、図１２に示すように、電子源２が、第１の蛍光体層４ａの厚み方向への投影領域内のみに形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態５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。

しかして、本実施形態の発光装置では、電子源２からの電子により励起されたガスからの励起光（例えば、真空紫外光など）が第１の蛍光体層４ａへ到達しやすくなる一方で、第２の蛍光体層４ｂへ到達する励起光を少なくすることができ、励起光をより有効に利用することが可能となる。

なお、本実施形態では、複数の第１の蛍光体層４ａそれぞれの投影領域毎に電子源２を配置してあるが、電子源２の数を１つとして、表面電極２７を各第１の蛍光体層４ａに対応する形状にパターニングしてもよいし、表面電極２７において第１の蛍光体層４ｂに対応する部位にマスク層を設けるようにしてもよい。

（実施形態７）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態６と略同じであり、図１３に示すように、第１の蛍光体層４ａの平面積よりも電子源２の電子放出面（表面電極２７の表面）の平面積が小さい点が相違するだけである。なお、実施形態６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。

しかして、本実施形態の発光装置では、実施形態６の発光装置に比べて、電子源２からの電子により励起されたガスからの励起光（例えば、真空紫外光など）が第１の蛍光体層４ａへより到達しやすくなる一方で、第２の蛍光体層４ｂへ到達する励起光をより少なくすることができる。

（実施形態８）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態６と略同じであり、図１４に示すように、電子源２と蛍光体層４との間に、電子源２から放出された電子を加速するためのグリッド電極６が配置されており、制御装置５によりグリッド電極６の電位を制御する点が相違するだけである。なお、実施形態６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。

制御装置５は、グリッド電極６と電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加するグリッド電極用電源（図示せず）を備えており、当該グリッド電極用電源を制御手段５ａにより制御するように構成されている。ここで、グリッド電極６は、導電性材料（例えば、ニッケル、アルミニウム、ステンレスなど）により網状の形状に形成されており、該網状の各網目それぞれの部分が、電子源２から放出された電子の通る開口部を構成している。なお、グリッド電極６は、網状の形状に限らず、例えば、平板状の導電性基材に開口部を設けたものでもよい。

しかして、本実施形態の発光装置では、制御装置５が、グリッド電極６の電位を制御することにより、電子源２から放出された電子を加速することができる。

ここにおいて、制御装置５がアノード電極３の電位をグリッド電極６の電位よりも高くするようにすれば、電子源２から放出された電子のうちグリッド電極６に吸収される電子を低減して第２の蛍光体層４ｂに到達する電子を増加させることができ、電子源２から放出される電子をより有効に利用できる。

また、制御装置５が、電子源２を間欠的に駆動し、電子源２を駆動する期間には、グリッド電極６と電子源２との間に電圧が印加され、電子源２を駆動しない期間には、グリッド電極６と電子源２との間に電圧が印加されないように、グリッド電極６と電子源２との間の電圧を制御するようにすれば、低消費電力化を図れるとともに、グリッド電極６に吸収される電子を低減して第２の蛍光体層４ｂに到達する電子を増加させることができる。

（実施形態９）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態８と略同じであり、図１５に示すように、グリッド電極６の配置が相違する。なお、実施形態８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。

本実施形態の発光装置では、第２の蛍光体層４ｂの手前にグリッド電極６が配置されており、制御装置５が、アノード電極３の電位がグリッド電極６の電位よりも高くなるように、アノード電極用電源Ｖａおよび上記グリッド電極用電源を制御する。

しかして、本実施形態の発光装置では、第１の蛍光体層４ａに到達する電子を低減して、より多くの電子を第２の蛍光体層４ｂ側に引き寄せることが可能となる。

なお、上記各実施形態では、気密容器１内に封入するガスとしてキセノンガスを採用しているが、気密容器１内に封入するガスは、キセノンガスに限定するものではなく、例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガスなどの他の希ガスや、希ガス以外の不活性ガス（窒素ガスなど）や、それらの混合ガスなどでもよい。

１ 気密容器
２ 電子源
３ アノード電極
３ａ 第１のアノード電極
３ｂ 第２のアノード電極
４ 蛍光体層
４ａ 第１の蛍光体層
４ｂ 第２の蛍光体層
５ 制御装置
６ グリッド電極
２５ 下部電極（駆動用電極）
２６ 強電界ドリフト層
２７ 表面電極（駆動用電極）

Claims (14)

1. 真空紫外〜可視光域の光を発光可能なガスが封入され少なくとも一部が透光性材料により形成された気密容器と、気密容器内へガスを励起させる電子を供給する電子源と、気密容器内において電子源に対向配置されたアノード電極と、気密容器の内面側に配置され励起されたガスの発光過程で放射される光からなる励起光によって励起され発光する蛍光体層と、電子源の駆動用電極間の電圧およびアノード電極と電子源との間の電圧を制御する制御装置とを備え、制御装置は、電子のエネルギ分布のピークエネルギが、ガスの励起エネルギよりも大きくガスのイオン化エネルギよりも小さくなるように電子源の駆動用電極間の電圧を制御することでガスを放電させずにガスを励起させるものであり、蛍光体層は、前記励起光によって励起され発光する第１の蛍光体と、前記電子源からの電子により励起され発光する第２の蛍光体とを有することを特徴とする発光装置。
2. 前記蛍光体層は、前記第１の蛍光体と前記第２の蛍光体とが混合されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記蛍光体層は、前記アノード電極における前記電子源との対向面側に形成されてなり、前記第１の蛍光体により形成され前記アノード電極に積層された層状の第１の蛍光体層と、前記第２の蛍光体により形成され第１の蛍光体層に積層された層状の第２の蛍光体層とからなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記蛍光体層は、前記アノード電極における前記電子源との対向面を覆うように形成されてなり、平面視において、前記第１の蛍光体により形成された第１の蛍光体層と前記第２の蛍光体により形成された第２の蛍光体層とに分割されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記アノード電極は、前記第１の蛍光体層に重なる第１のアノード電極と、前記第２の蛍光体層に重なる第２のアノード電極とに分離して形成されており、前記制御装置は、前記第１のアノード電極と前記電子源との間の電圧と、前記第２のアノード電極と前記電子源との間の電圧とを独立して制御可能であることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
6. 前記制御装置は、前記電子源を間欠的に駆動し、前記電子源を駆動する期間には、前記第１のアノード電極と前記電子源との間にのみ電圧が印加され、前記電子源を駆動しない期間には、前記第２のアノード電極と前記電子源との間にのみ電圧が印加されないように、前記アノード電極と前記電子源との間の電圧を制御することを特徴とする請求項５記載の発光装置。
7. 前記アノード電極は、前記蛍光体層のうち前記第２の蛍光体層のみに重なっていることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
8. 前記電子源は、前記第１の蛍光体層の厚み方向への投影領域内のみに形成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記第１の蛍光体層の平面積よりも前記電子源の電子放出面の平面積が小さいことを特徴とする請求項８記載の発光装置。
10. 前記電子源と前記蛍光体層との間に、前記電子源から放出された電子を加速するためのグリッド電極が配置されてなり、前記制御装置により前記グリッド電極の電位を制御することを特徴とする請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光装置。
11. 前記制御装置は、前記アノード電極の電位を前記グリッド電極の電位よりも高くすることを特徴とする請求項１０記載の発光装置。
12. 前記制御装置は、前記電子源を間欠的に駆動し、前記電子源を駆動する期間には、前記グリッド電極と前記電子源との間に電圧が印加され、前記電子源を駆動しない期間には、前記グリッド電極と前記電子源との間に電圧が印加されないように、前記グリッド電極と前記電子源との間の電圧を制御することを特徴とする請求項１０記載の発光装置。
13. 前記第２の蛍光体層の手前にグリッド電極が配置されてなり、前記制御装置は、前記アノード電極の電位を前記グリッド電極の電位よりも高くすることを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光装置。
14. 前記第２の蛍光体は、低速電子線用の蛍光体であることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の発光装置。

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