JP3589453B2 - 位相制御多電極型交流放電光源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度で大容量の弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい放電を利用した光源に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般の照明用光源は、高温白熱されたタングステン線などの個体フィラメントからの熱放射、あるいは放電状態における気体水銀などの励起原子、分子およびイオンからの放射を利用している。
白熱型照明光源は演色性は良いが電気−光変換効率（発光効率）は低い。
一方、放電型照明光源は発光効率は高いが演色性はあまり良くない。
世界の電力消費の約１５％が民生用照明光源およびその関連エネルギーにおいて使用されているので、省エネルギーの観点から新光源の開発は発光効率の高い放電型光源を中心に行なわれてきた。
【０００３】
本出願人は、特開平８−３３００７９号公報に開示された低コストで大容量の放電（弱電離低温プラズマ）を安定して発生できる低周波交流電源として、位相が配列（制御・調整）された複数個の交流出力からなる位相制御多出力型交流電源装置を先に出願し、さらに、この電源を用いて、特開平１０−１３０８３６号公報に開示された放電を効率的に発生させるための電極と、特開平１０−１３４９９４号公報に開示された磁場の構成方法を出願している。
【０００４】
電極の構成方法は、電極を熱伝導性のよい絶縁シートを介して冷却された装置内壁に密着固定する方法であり、磁場の構成方法は、装置外壁に複数の磁石を取り付けて電極表面付近にプラズマの流出を抑える多極磁場を形成する方法である。
本出願人は、さらに、この電極と磁場の構成方法を用いて、特開２００１−２５６９２３号公報に開示された省エネルギー効果の高い、高出力・高効率の放電型照明装置を出願している。
【０００５】
そこで本発明は、位相制御多電極型交流放電の電極と磁場の構成方法にさらなる検討を加えて、より省エネルギー効果の高い、高出力・高効率の放電型光源を提供することを目的になされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下のように構成した。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明は、放電室内側の電極取付面に絶縁層を介してｎ片（ｎは４以上の整数）の膜状電極片を平面視縦のストライプ状に並べて密着固定すると共に、
放電室外側に、隣り合う磁石の極性が互いに異なるように着磁した多極のシート磁石により形成した多極磁場形成手段を設けて、前記膜状電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込め、
しかして各々の前記膜状電極片にｍ本（ｍは４以上かつｎ以下の整数）おきにｍ相の位相制御多出力交流電源を接続して前記放電室を発光させてなる位相制御多電極型交流放電光源である。
請求項２の発明は、前記電極取付面に導電材料を印刷・焼成して前記膜状電極片を作成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源である。
請求項３の発明は、前記電極取付面に導電材料をプラズマ溶射して前記膜状電極片を作成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源である。
請求項４の発明は、前記多極磁場を磁性体シートに極性を交互に変えながら縞状に着磁して形成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源である。
請求項５の発明は、前記多極磁場を２極に着磁した短冊状の磁性体シートをその極性を交互に変えながら隙間なく横に並べて形成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源である。
請求項６の発明は、前記位相制御多出力交流電源を四相交流電源とする請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
図１に、本発明を実施した電極取付面を平面状に形成した平面光源の断面図を示す。
平面光源Ａは、プラズマディスプレイやＥＬ板のような平面構造をなし、平面容器の底面に設けた電極取付面１にｎ片のシート状の分割電極２を僅かな間隙ａを空けて敷き詰め、電気絶縁性と熱伝導性に優れたシート状の絶縁体３を介して密着固定する。
分割電極２は、できるだけ面積を大きくして電極取付面１全体を覆うように配置する。
電極取付面１の対向面は、内側を蛍光体ｂで被膜した前面ガラス４で覆う。
【００１０】
電極取付面１は二重壁ｃを形成し、冷却水ｄを二重壁ｃの間に流して電極取付面１に密着する分割電極２を冷却する。
電極取付面１の二重壁ｃは、図１２に示すように、外側に空冷用のフィンｆを取り付けて冷却してもよい。
二重壁ｃの外側は、隣り合う極性を逆にして配列したｎ＋１本の棒状の磁石５を間隙ａに沿って密着して固定する。磁石５の矢印は磁極の方向を示す。
これにより、磁力線が分割電極２の表面を覆うように多極磁場を形成する。
多極磁場の磁石５は、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてもよい。
また、ラバー・マグネットなどのシート状の磁石５を絶縁体３の表側あるいは裏側に張り付けて多極磁場を形成することもできる。
さらに、磁石５を取り付けた二重壁ｃの外側を磁気シールド板６で覆う。
【００１１】
ここで、磁石５と分割電極２との位置関係は任意であるが、図１では磁石５を分割電極２と分割電極２との間隙ａの真後ろに置く場合を示す。
このとき、多極磁場は分割電極２の表面が磁力線で覆われるように形成されるので、プラズマＰが分割電極２の表面近傍に効果的に閉じ込められる。
【００１２】
ｎ片の分割電極２には、図１３に示すように、位相が１／ｎ周期ずつずれていて振幅が同じ大きさのｎ個の交流電源１０を接続する。
ｎ個の交流電源１０は、コントローラ１１により周波数や振幅および位相（波形を含む）が制御された低周波交流電源を星形結線して構成し、電源全体は絶縁トランスなどにより浮遊電位のままにしておき、放電を分割電極２間のみに発生させる。
【００１３】
本発明を実施した平面光源Ａは以上のような構成で、平面光源Ａ内を排気装置（図示しない）によって真空排気し、Ｈｅ、Ｘｅ数％の混合ガス数百Ｔｏｒｒを封入あるいは流入する。
次に、ｎ片の分割電極２に１ｋｗ以下の位相制御ｎ出力交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、図１に示すように、電極取付面１に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマＰが生じる。
ｎ片の分割電極２にｎ相の交流電圧を印加すると、放電は１周期の間に分割電極２間を１回りするので、１秒間に放電が印加周波数だけ回転する。
このため、どの時刻においても何れかの分割電極２間で放電が起こり、低周波の交流放電にも拘わらず高周波点灯のような連続放電が発生する。
放電の結果、Ｘｅ原子などにより紫外線が放射され、前面ガラス４の内側に塗布された蛍光体ｂにより可視光に変換される。
【００１４】
図２と図３に、実際に試作した平面光源の平面図と断面図を示す。
図中、２０は裏面蛍光塗料付き光取り出しガラス窓（９０×９０×３ｍｍ）、２１は窓枠支持ガラス棒（Φ２ｍｍ）、２２は窓支持ガラス小柱（Φ２ｍｍ）、２３は放電・発光室内ガス排気・注入ステンレスパイプ（Φ２ｍｍ）、２４はセラミック電極基板（１００×１００×０．７ｍｍ）、２５はポリプロピレン絶縁シート（１００×１００×０．０５ｍｍ）、２６はラバー多極磁石シート（１００×１００×１ｍｍ）、２７は軟鉄磁気シールド板（１００×１００×１．５ｍｍ）を示し、装置全体の寸法は１００×１００×〜８．２ｍｍ、放電室の容積は８６×８６×２ｍｍである。
【００１５】
電極基板２４とガラス窓２０は、ガラス棒２１とガラス小柱２２を介して接着する。このとき、放電・発光時の熱の発生およびプラズマＰの衝撃によって不用なガスが放出しないようにセラミック系接着剤を使用する。
ガラス窓２０と電極基板２４の間のガラス小柱２２は、減圧下における放電空間に掛かる大気圧力を支持する。なお、ガラス窓２０の面積が小さい場合はガラス小柱２２は必ずしも必要としない。
放電室は、排気した後に放電ガスを注入してパイプ２３に接続したバルブ（図示しない）を閉じる。
放電室は軟鉄磁気シールド板２７を介して自然放熱により冷却される。あるいは、磁気シールド板２７の外側にフィンを取り付けて冷却しても良い。
【００１６】
図４に、電極および多極磁石シートの配置図を示す。
電極２８は、電極基板２４表面にタングステンを印刷・焼成して幅０．５ｍｍ、長さ７８ｍｍ、電極間距離１．５ｍｍ、総数４０の電極を平面視縦のストライプ状にパターン成形する。あるいは、電極基板２４表面にタングステンをプラズマ溶射して電極をパターン成形してもよい。
磁場に効果的に閉じ込められる放電層の厚さを１ｍｍ程度とした場合、着磁ピッチの幅は２ｍｍ程度となる。ここで、電極の面積はできるだけ大きくした方が良いが、十分な絶縁性を確保するため、隣り合う電極間の距離を１．５ｍｍとし、電極の幅を０．５ｍｍとした。
また、電極基板２４裏面の横方向に同様にして４本のリード線２９をパターン成形する。
４本のリード線２９は、電極基板２４表面の電極２８とスルーホール３０を通してそれぞれ４本おきに１０本接続し、４０本の電極２８に対して四相１０並列給電を行う。
【００１７】
多極磁石シート２６は、残留磁束密度２０００ガウスのラバー磁気シートを使用し、２極着磁したシートを幅２ｍｍの間隔で切断し、極性を交互に変えて磁気シールド板２７の内壁面に貼り付ける。あるいは、Ｎ極とＳ極を交互に着磁した磁性体シートを磁気シールド板２７の内壁面に貼り付けても良い。
これにより、各極性の磁石幅にわたって一様に着磁された多極磁石シート２６が出来上がる。
多極磁石シート２６の着磁ピッチは、電極間ピッチと等しい２ｍｍで、各電極を各磁極のエッジにくるようにセットする。
これにより、図５に示すように電極表面をアーチ状の磁力線で覆い、放電の結果生成されるプラズマＰを効果的に閉じ込める。
プラズマＰが効率よく閉じ込められれば、結果的に電気−光変換効率が上がると考えられる。
また、縦のストライプを構成する電極２８の上下端も磁力線に覆われるように横方向の多極磁石シート２６を電極２８の上下端に配置する。
【００１８】
電極基板２４裏面と多極磁石シート２６の間は、絶縁シート２５を挿入してリード線２９を電気的に完全に絶縁する。
また、電極基板２４の裏面にハンダ付けする余地を確保するため、多極磁石シート２６と磁気シールド板２７の一端を切り欠く。
【００１９】
図６に、多極磁石シート表面における磁場の大きさを計算で求めた等高線図を示す。
ここでの等高線の間隔は５０ガウスであり、シート磁石の残留磁束密度は２０００ガウス、厚さ１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、着磁ピッチ幅２ｍｍである。
多極磁石シート２６表面における磁場は、極性の異なる所で大変大きく、表面から離れるにつれて急に小さくなる。
【００２０】
図７は、多極磁石シートの表面からの距離ｚに対する磁場の大きさの変化を示す。ここで、ｚは一つの短冊状磁石の中心における表面からの距離、パラメータは着磁ピッチ幅、シート厚さは１ｍｍである。磁場は表面から離れるにつれて減少するが、その勾配は着磁ピッチ幅が大きくなると緩やかになる。ピッチ幅の増加とともに、磁石表面における磁場は減少するが、表面からより遠方まで磁場が到達する。従って、ピッチ幅によって、磁石表面における磁場分布は決定される。結果的に、磁場に効果的に閉じ込められる放電層の厚さが着磁ピッチ幅により決定される。
【００２１】
図８に、電極基板の断面図を示す。
電極基板２４は、表面に四相交流を印加する電極２８を描画する。
ここでの電極基板２４は厚さ０．７ｍｍのアルミナであり、電極２８は幅０．５ｍｍ、厚さ２０μｍのタングステンで、そのピッチは２ｍｍである。
多相交流電源は、放電部で発生する雑音が相殺し合う、位相差が等間隔で各成分の振幅が同じ対称多相交流電源とし、その中で構成が簡単な対称四相交流電源を採用する。
また、周波数が高いほど電源サイズを小さくでき、高周波変成器から発生する音波雑音が可聴域に入るのを避けるため、周波数は３０ｋＨｚ以上とする。
出力相電圧は、開始時３００Ｖ、放電維持時２５０Ｖ程度とする。
出力電力は、従来の卓上蛍光灯と同等の２０Ｗ程度とする。
【００２２】
図９と図１０に、二次元静電界解析シミュレータを用いて求めた電極基板周辺の等電位分布図と電界ベクトル分布図をそれぞれ示す。
ここでは四相交流を４電極ごとに並列に印加する場合を想定し、４電極ごとに＋１Ｖ、０Ｙ、−１Ｖ、０Ｖの電位を与え、瞬間ごとの電界は静電的（直流的）とみなせるほど低周波と考える。
図９より、電位分布は零電位にある電極を境にしてプラス電極を山にマイナス電極を谷にした形になり、その勾配は電極周辺で大きく、電界は電極エッジに集中することが分かる。
図１０より、電界の向きはプラス電位のある電極からマイナス電位のある電極へ向かう。これは、図９に示された等電位線に垂直な方向が電界の向きに等しいことからも分かる。
以上により、四相交流を電極群へ印加した場合、多極磁場の影響を考えなければ、放電は１つおきの電極間で発生することが予想される。
【００２３】
図１１に、四相交流電源のブロック図を示す。
四相交流電源は、方形波を出力するマルチバイブレータを信号発生器３１とし、その正相および逆相信号から第１および第３相電圧制御信号を生成する。
第１相電圧制御信号を位相の基準として移相器３２により１／４周期位相の遅れた第２相電圧制御信号を生成し、その逆相から第４相電圧制御信号を生成する。
それらの信号で２台のプッシュプル式インバータ３３を駆動し、高電圧の正弦波四相交流電圧を得る。
また、放電電流制限用インピーダンス３４を負荷に直列に挿入する。
放電電流制限用インピーダンス３４としてキャパシタンスを利用することにより、抵抗のような電力損失を防ぐ。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相制御多電極型交流放電光源は、隣り合う磁石の極性が互いに異なるように着磁した多極のシート磁石により形成した多極磁場形成手段を設けて、前記膜状電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込め、各々の膜状電極片に位相制御多出力交流電源を接続して放電室を発光させる。
従って、本発明によれば、放電電極が非常に薄いので、外部にシート磁石を取り付けるだけで電極近傍の放電空間へ強い磁場を作用させることができる。
また、多極磁場を各極性の磁石幅にわたって一様に着磁された多極のシート磁石で形成するので、プラズマが効果的に閉じ込められ、その結果電気−光変換効率が上がり、光の発光密度（輝度）をより一層高めることができる。
また、膜状電極片にｍ本（ｍは４以上かつｎ以下の整数）おきにｍ相の位相制御多出力交流電源を接続して放電室を発光させるので、どの時刻においてもいずれかの分割電極間で放電が起こり、低周波の交流放電にも拘わらず高周波点灯のような連続放電が発生する。
また、対称多相交流電源の中で最も構成が簡単な四相交流電源を使用すると、電源コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した平面光源の断面図である。
【図２】実際に試作した平面光源の平面図である。
【図３】図２の断面図である。
【図４】実際に試作した平面光源の電極および多極磁石シートの配置図である。
【図５】磁場によるプラズマの閉じ込めを示す模式図である。
【図６】多極磁石シート表面における磁場の等高線図である。
【図７】多極着磁ピッチによる表面の磁場強度の変化を示すグラフである。
【図８】電極基板の断面図である。
【図９】電極基板周辺の等電位分布図である。
【図１０】電極基板周辺の電界ベクトル分布図である。
【図１１】四相交流電源のブロック図である。
【図１２】外側にフィンを取り付けた平面光源の断面図である。
【図１３】本発明を実施した平面光源の電源接続図である。
【符号の説明】
１ 電極取付面
２ 電極
３ 絶縁体
４ 前面ガラス
５ 磁石
６ 磁気シールド板
１０ 交流電源
１１ コントローラ
２０ ガラス窓
２１ ガラス枠
２２ ガラス柱
２３ パイプ
２４ 電極基板
２５ 絶縁シート
２６ 多極磁石シート
２７ 磁気シールド板
２８ 電極
２９ リード線
３０ スルーホール
３１ 信号発生器
３２ 移相器
３３ インバータ
３４ インピーダンス
Ａ 平面光源
ａ 間隙
ｂ 蛍光体
ｃ 二重壁
ｄ 冷却水
ｆ フィン
Ｐ プラズマ

Claims (6)

1. 放電室内側の電極取付面に絶縁層を介してｎ片（ｎは４以上の整数）の膜状電極片を平面視縦のストライプ状に並べて密着固定すると共に、
   放電室外側に、隣り合う磁石の極性が互いに異なるように着磁した多極のシート磁石により形成した多極磁場形成手段を設けて、前記膜状電極片表面に多極磁場を形成して放電を閉じ込め、
   しかして各々の前記膜状電極片にｍ本（ｍは４以上かつｎ以下の整数）おきにｍ相の位相制御多出力交流電源を接続して前記放電室を発光させてなる位相制御多電極型交流放電光源。
2. 前記電極取付面に導電材料を印刷・焼成して前記膜状電極片を作成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源。
3. 前記電極取付面に導電材料をプラズマ溶射して前記膜状電極片を作成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源。
4. 前記多極磁場を磁性体シートに極性を交互に変えながら縞状に着磁して形成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源。
5. 前記多極磁場を２極に着磁した短冊状の磁性体シートをその極性を交互に変えながら隙間なく横に並べて形成してなる請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源。
6. 前記位相制御多出力交流電源を四相交流電源とする請求項１記載の位相制御多電極型交流放電光源。

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