JP3446622B2 - 低圧放電ランプ - Google Patents

低圧放電ランプ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、地球環境にやさし
い低圧放電ランプに関する。
【0002】
【従来の技術】低圧放電ランプのうち、混合希ガス封入
の放電ランプ、すなわち希ガス放電ランプは、水銀封入
のランプに比べて発光効率が格段に低い。しかしなが
ら、この希ガス放電ランプの長所は、水銀封入ランプの
欠点である著しい温度特性をもちあわせないことであ
る。このため、複写機やファクシミリ等の情報読み取り
用光源や液晶バックライトのように、周辺温度の変動に
影響されず常に一定の光出力を要求される光源に利用さ
れることが多い。また、この希ガス放電ランプは水銀を
含まないため、いわゆる「地球環境保護」の観点からも
注目されつつある。
【0003】この発光効率を高めるための手段は、希ガ
スが放射する紫外放射束をいかに増強するか、また、そ
の紫外放射から蛍光体を介して可視光をいかに効率よく
変換できるか、の2点に大別できる。
【0004】このうち、前者の紫外放射束を効率よく発
光する手段として、矩形波による点灯方式が正弦波によ
る点灯方式よりも優れていることが従来から知られてい
る。また、周波数についても、放電管の管径や管長、及
び封入ガスの種類とガス圧などをパラメータとして、最
適化をはかる努力が続けられている。
【0005】例えば特開平2−174097号公報等で
代表されるように、パルス幅とそのデューティー比を、
バルブ諸元や封入ガス特性に応じて変化させ、極大値を
求めている例が多いが、その発光効率は一般照明用ラン
プに比べて低く、改良の余地が残されている。また、平
板型光源を目指して、片側に複数の導体電極と誘電体膜
を設置した例が開示されているが、上記と同様に、その
低い発光効率のために一般照明用として使用できないの
が現状である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、希ガス放電ランプの放電特性を改良し、い
かに高効率の紫外域発光を実現し、高効率の点灯方式を
見いだすかにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明では、複数の電極とそれを被膜する誘電体膜並び
に酸化マグネシウム膜を有した基板を相対向させ、これ
に制御パルス発生装置によリ複数の電極に個別にパルス
電位を印加することによって、希ガスの効率的な発光を
促す最適点灯制御方法を見いだすものである。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例について
説明する。
【0009】図1は本発明の第1の実施例を示すもので
あって、ガラス基板1には一定距離をおいて電極21,
23,25,27,29が平行に設置されている。これ
らの電極は線状で、ITO膜または金属(銀)膜で作成
される。誘電体3は上記ガラス基板1の上に電極を覆う
ようにして塗布され、さらにその上にMgO膜、蛍光体
の順に塗布される。
【0010】図1はこのような構成をもつ2枚の基板を
基板支持枠6で隔てて平行に対向せしめた放電ランプ
で、基板内にはXeガスなどで代表される希ガスが封入
されている。
【0011】このような放電ランプにおいて、例えば電
極21と電極22、さらに電極23と電極24の間に電
圧を印加すると、それぞれの誘電体を介した誘電体バリ
ア放電或いは無声放電が発生する。一般に、Xeガスの
低圧放電時におけるXe原子は、供給する電気エネルギ
ーに応じてXe*,Xe**,またはXe+のもつエネ
ルギー準位に励起され、主要原子発光として、Xe*か
らXeの基底準位に到る共鳴線である147nmの放射
が観測される。
【0012】しかしながら、この励起過程において短時
間に過剰な電気エネルギーを供給したり、継続的に電気
エネルギーを供給したりすると、前者の場合、イオン化
されたXeからの両極性拡散や、共鳴線以外の遷移過程
でのたとえば中性原子・分子衝突によるエネルギーロス
が増大し、後者の場合にも電子密度の増大による前者と
同様のロスが生ずる。これにより、適切なエネルギー準
位たとえばXe*をわずかに越える程度の準位の電気エ
ネルギーを短時間に供給し、一定休止期間を経て次の電
気エネルギーを供給することが発光効率を高める上で重
要となる。
【0013】一方、Xe2の2原子分子においては、主
にXe*のエネルギー準位を経て、2原子分子を構成
し、Xe*より低準位のXe2*にシフトして172n
mや158nmの分子発光すなわちエキシマ発光が観測
される。
【0014】この場合も、Xe*をわずかに越える程度
の準位の電気エネルギーを電子密度の増大しない程度の
短時間に供給するとともに、Xe2**のレベルへの励
起を極力抑制する低電子密度を維持することが効率向上
の上で重要となる。
【0015】上記の無声放電はこのような放電条件にう
まく適合し、例えば放電間隔が約1000μm程度で大
気圧以下程度のガス圧の場合には、放電柱の太さは約1
00μmのオ−ダで観測される。
【0016】この放電箇所ないし放電点は、一般的な無
声放電ではランダムに発生するが、本実施例では平行電
極上に限定することができ、隣接電極との距離を約10
0μm程度に最適化すれば、放電点の密度を上げながら
電子密度の増大によるエネルギ−ロスを低減でき、ラン
ダム発生の場合に比べてエキシマ発光の効率を増やせる
ことになる。
【0017】ここで、MgO膜は全面電極方式に比べて
増加する放電電圧を下げる役割をもつ。また、蛍光体5
は、例えばユーロピウム付活アルミン酸バリウム(青
色)、ジンクシリケ−トマンガン(緑色)及びユ−ロピ
ウム付活酸化イットリウム(赤色)を調合して白色発光
を呈するようにするもので、このように、3種の蛍光体
を合わせた場合の量子効率は147nmよりも172n
mで高くなる。
【0018】これにより、Xeガス放電時の発光を14
7nmの原子発光から2原子分子発光すなわち172n
m発光に変換する方が発光効率(lm/W)が増大する
のである。また点灯方式については、正弦波点灯時の立
ち上がり及び立ち下がりの時間帯では印加電圧が低いた
め無声放電の発生が少なくなる。このため、正弦波点灯
よりは矩形波点灯の方が無声放電の起こる確率が高くな
り、全体の発光効率が上昇する。
【0019】図1では上下の電極が千鳥配置となるよう
に配置し、各電極への電圧は図2のように制御して印加
する。すなわち、位相の異なるパルス電圧を4種用意
し、図1の上側電極21,25−−にΦ1のパルス電圧
を、また、上側電極の23,27−−にΦ3、下側電極
22,26−−にΦ2、下側電極24,28−−にΦ3
のパルスを、それぞれ印加する。
【0020】図はこれらのパルス電圧のタイムフロ−
チャ−トを表し、(a)は電極の相対位置とパルス印加
結線図を、(b)は印加電圧と各時刻における放電経路
を表したものである。(b)において、時刻t10の区
間では電極21と22,及び電極23と24で放電す
る。菱形の斜線部はその放電経路を表すものである。
【0021】同様に、時刻t11では電極20(図示せ
ず)と21、電極22と23,電極24と25でそれぞ
れ放電する。これらの動作をまとめて別の表現をとる
と、ある電極の位相が対向する2つの電極の中間位相に
ある場合、前記2つの電極の位相に対して±1/4シフ
トした位相で駆動されていることがわかる。
【0022】また、電極22に注目すれば、時刻t11
とt20においてHレベルを維持しつつ、電極23から
電極21に放電経路を移していることがわかる。また、
時刻t21とt30においてはLレベルを維持しつつ、
電極23から電極21に放電経路を移していることがわ
かる。このようにして各放電経路の一方を固定し他方を
切り換えながら、同時に放電の極性を交互に変えること
により、無声放電の放電環境を安定かつ均一に整えるこ
とができる。
【0023】また、このような千鳥の電極構造において
は、図1のパネルをその真上もしくは真下から見た場合
に、放電柱は上下の各電極に基点を合わせて斜めに傾
き、蛍光体を介しての見かけ上の輝度が上昇する。さら
に、原子発光が放電空間中を進む時に、その線スペクト
ルのために大きな自己吸収を受けて見かけ上の輝度が低
下するのに対して、2原子分子の発光は172nmを中
心とした狭帯域発光を呈するため自己吸収が桁違いに小
さく、このために蛍光体面に達する紫外線が増大して、
上記のパネルの発光輝度は飛躍的に増大する。
【0024】上記の実施例では対向する電極が平行であ
る場合について説明してきたが、対向電極が直交する場
合について、第2の実施例をあげて説明する。図3はパ
ネルの電極を平面的に表したもので、縦・横の線は電極
を表し、上下の基板によって対向しているものである。
このとき、縦横の各交点が放電点となる。
【0025】いま、縦横の電極に交互にH、L、H、L
の電圧に印加するが、図3のようにその印加パタ−ンを
横電極についてはP1,P2とし、縦電極についてはP
3,P4と設定する。いま、時刻t1において縦電極の
印加パタ−ンをP3として横電極の印加パタ−ンをP1
とする。このとき、丸印の交点で放電する。
【0026】次に時刻t2において横電極の印加パタ−
ンをP1からP2に切り替えると、丸印の交点での放電
は止まり×印の交点で放電する。さらに、時刻t3にお
いて縦電極をP3からP4に切り換えると、×印での放
電は止まり丸印の交点で放電する。
【0027】しかし、前回時刻t1における丸印の放電
時に比べて放電の極性が反転していることがわかる。さ
らに、時刻t4において横電極をP2からP1に切り換
えれば、丸印での放電は止まり×印で前回の時刻t2と
逆電位での放電が生ずる。
【0028】また、同じ丸印ないし×印であっても斜め
同士では放電時刻は同じでもお互いに放電の方向が逆転
し、一方縦横1つおきには同時刻に同方向の放電が生ず
ることになる。さらに上記の動作を図3の縦横の電極の
うち二重丸及び三角の交点における動作を例にとって、
これに印加するパルス電圧のタイムフロ−チャートを用
いて説明する。
【0029】図4において、二重丸の放電点では、時刻
t1とt3で斜線入り菱形が示すように放電し、その極
性は反転していることがわかる。同様に三角の放電点で
は時刻t2とt4で極性を変えて放電していることがわ
かる。
【0030】このように、縦電極、横電極共に、奇数電
極と偶数電極に分けて、これらに互いに位相の反転した
パルス信号を印加し、さらに縦電極と横電極の位相差を
1/4シフトすることにより、図3に示すように斜め格
子状の放電点が見かけ上左右または上下に一斉にシフト
するようになる。
【0031】このようにして各電極の電位を複数の位相
で切り換えることにより、無声放電の生ずる放電点をマ
トリックス状に制御できる。放電点は、一般的な無声放
電ではランダムに発生するが、本実施例では斜め格子状
に電極交点を限定することができるうえ、どの放電点に
おいても放電中の周囲の4つの放電点での放電を止める
ことになり、無声放電の放電環境を安定かつ均一に整え
ることができる。
【0032】さらに、対向する電極間距離、及び隣接電
極間距離を最適化すれば、放電点の密度を上げながら電
子密度の増大によるエネルギ−ロスを低減でき、ランダ
ム発生の場合に比べてエキシマ発光の効率を増やせるこ
とができるのである。
【0033】なお、上記には、平板型の低圧放電ランプ
について説明してきたが、背面のガラス基板のいずれか
に光反射膜を施せば、平板の片面からのみ容易に光を取
り出すことができる。さらに上記平板を曲げて円筒状に
すれば、現用の直管蛍光ランプの形体に近づく。
【0034】この場合、バルブは二重管となり内管内側
に光反射膜を設け、電極は、外管内側と内管外側に螺旋
状電極どうしの組み合わせ、もしくは螺旋状電極と管径
方向の直線電極の組み合わせ、更に直線電極どうしの組
み合わせなどの形態で設置でき容易に製作できる。さら
に内管の内部の中空を利用して電極に印加するパルス点
灯回路を収納することができ実用上の長所が多い。
【0035】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、平板型低
圧希ガス放電ランプを点灯する際、複数の対向電極の空
間的構造に応じて位相の異なる複数のパルスを対応する
電極に適切に印加することにより、エキシマ光を最大限
に取り出すことができ、Xeガス放電の場合、147n
mより長波長紫外域で高い量子効率が期待できる蛍光体
を介して可視光に効率よく変換でき、産業応用面におけ
る価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における低圧放電ランプの構造
を表わす図
【図2】(a),(b)本発明の第1の実施例における
印加パルスのフロ−チャ−ト
【図3】本発明の第2の実施例による電極への印加電圧
パタ−ンを表した図
【図4】本発明の第2の実施例による印加パルスのフロ
−チャ−ト
【符号の説明】
1 ガラス基板 3 誘電体 4 酸化マグネシウム(MgO)膜 5 蛍光体 6 基板支持枠 21〜29 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松岡 富造 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−22805(JP,A) 特開 平6−231731(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 65/00 H01J 61/30 H05B 41/30 - 43/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス基板上に平行に設置された複数個
    の電極と、前記電極を覆う誘電体と、前記誘電体を覆う
    蛍光体を備え、これらのガラス基板上の構成要素が基板
    支持枠で対向して設置され、封入された希ガスをパルス
    点灯する低圧放電ランプにおいて、前記ガラス基板上の
    電極の長さ方向が、前記基板支持枠を挟んだ両電極どう
    しで互いに平行かつ千鳥に配列された構成とし、それぞ
    れのガラス基板に配列された電極のうち、奇数番目と偶
    数番目の電極を位相の反転する2つのパルス電圧で駆動
    するとともに、ある電極の位相が対向する2つの電極の
    中間位相にあり、対向する電極間のパルス電圧位相を互
    いに±1/4シフトした位相で駆動することを特徴とす
    る低圧放電ランプ。
  2. 【請求項2】 ガラス基板上に平行に設置された複数個
    の電極と、前記電極を覆う誘電体と、前記誘電体を覆う
    蛍光体を備え、これらのガラス基板上の構成要素が基板
    支持枠で対向して設置され、封入された希ガスをパルス
    点灯する低圧放電ランプにおいて、前記ガラス基板上の
    電極の長さ方向が、前記基板支持枠を挟んだ両電極どう
    しで互いに平行かつ直交に配列された構成とし、それぞ
    れのガラス基板に配列された電極のうち、奇数番目と偶
    数番目の電極を位相の反転する2つのパルス電圧で駆動
    するとともに、基板支持枠を挟んで対向かつ直交する電
    極間のパルス電圧位相を互いに±1/4シフトした位相
    で駆動することを特徴とする低圧放電ランプ。
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KR20050051204A (ko) 2003-11-27 2005-06-01 삼성전자주식회사 플라즈마 평판 램프
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