JP4206337B2 - フラット型誘電体バリア放電ランプおよびフラット型誘電体バリア放電ランプの点弧および作動方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は誘電体バリア放電ランプおよび誘電体バリア放電ランプの点弧および作動方法並びに当該方法を実行するのに適している回路装置に関する。

誘電体バリア放電ランプは、誘電阻止された（dielektrisch behinderter）ガス放電をベースとする電磁ビーム源である。

誘電体バリア放電ランプは、必然的に少なくとも１つのいわゆる誘電阻止された電極を前提条件として必要とする。誘電阻止された電極は、放電容器の内部に対して誘電性バリアによって分けられている。このような誘電性バリアは、例えば電極を覆う誘電層として構成されるか、または電極が放電容器の外壁部上に配置されている場合にはランプの放電容器自体によって構成される。

アメリカ合衆国特許第５６０４４１０号で公開されているように、誘電性バリアが原因でこの種のランプの作動には時間変化する電圧が電極間に必要である。これは例えば正弦波状交流電圧またはパルス状電圧である。

放電容器の形状は基本的に任意であり、例えば管状またはフラットである。本発明は殊にいわゆるフラット型ランプおよび、開口部を有しているまたは開口部を有していない棒状ランプにも関する。

フラット型ランプでは、放電容器は実質的に基本プレートおよび、基本プレートと接続されたフロントプレートによって構成される。光の放射は通常はフロントプレートを通じて行われる。フラット型ランプは殊に面積の大きい照明タスク（例えば液晶ディスプレイ等の表示部の直接的なバックライト）に適しているが、一般的な照明にも適している。

棒状ランプでは、放電容器は管から構成されている。この管は両側で閉成されている。光の放射は放電管の外套面全体によって、または縦長の開口部によってのみ行われる（開口ランプ）。開口ランプは殊にオフィス・オートメーション（OA=Office Automation)に対する装置（例えばカラーコピーおよびカラースキャナー）、信号照明に対する装置（例えば自動車内のブレーキ表示光および方向表示光）、補助照明に対する装置（例えば自動車の室内照明）並びにディスプレイの後方照明に対する装置（例えば液晶ディスプレイ、いわゆる「エッジタイプバックライト」として）に使用される。

放電容器には通常、希ガス（例えばキセノン）または混合ガスが充填されている。有利にはアメリカ合衆国特許第５６０４４１０号に記載されたパルス状作動方法によって作動されているガス放電のあいだ、いわゆるエキシマーが生成される。エキシマーとは励起された分子（例えばＸｅ_２ ^＊）である。これは例えば通常は結合されていない基底状態への回帰時に電磁的なビームを放射する。Ｘｅ_２ ^＊の場合、分子帯放射の最高は約１７２ｎｍである（ＶＵＶ放射）。

従来技術
アメリカ合衆国特許第６０３４４７０号明細書には、誘電阻止された電極を有するフラット型ランプが公開されている。ランプの放電容器は、底面プレートおよびフロントプレートから成る。これらのプレートは包囲枠を介して、ガス気密性に相互に接続されている。底面プレートには、光を反射する層が設けられている。すなわちフロントプレートのみが光の出力結合に用いられる。内壁部も底面プレートもフロントプレートも発光材料層によって積層されている（図６ｂを参照）。これによって高い光効率ないし高い光密度がフロントプレート上で得られる。しかし欠点は、ランプが暗部にある場合（例えばＬＣＤディスプレイ内）にはランプの電極に電圧が印加された後の点弧遅延が長いことである。しばら経った後ですら暗部では、ランプは通常作動と比べて格段に高い電圧によってのみ点弧される。

ＵＳ５００６７５８号には、誘電阻止された電極対を有するフラット型ランプが示されている。この電極対は対になって高電圧源の２つの極に接続されている。これらの電極はワイヤから成り、フラットなガラス誘電体内に埋め込まれている。作動中には誘電体表面上に隣接する各電極ワイヤ間に沿面放電が形成される。誘電体表面上には、放電に対する点弧電圧を低減させる層が設けられる。この層の材料は、マグネシウム、イッテルビウム、ランタンおよびセリウムの酸化物を含む（ＭｇＯ，Ｙｂ_２Ｏ_３，Ｌａ_２Ｏ_３，ＣｅＯ_２）。ガラス誘電体の外壁部に対向する透明なプレート上には、発光材料層が設けられる。欠点は、点弧電圧を低減する層が原因で誘電体表面が、可能な最大光効率の部分が得られる発光材料層を有していないことである。

アメリカ合衆国特許第６０９７１５５号には、冒頭に記載された形式の誘電体バリア放電ランプが公開されている。このランプは管状の放電容器を有している。この放電容器の内壁部および／または外壁部上には、少なくとも２つの縦長の導体路に類似した電極が放電容器の長手軸と平行に配向されて配置されている。このランプでも暗部、例えばＯＡ機器内では点弧の問題が生じる。

発明の説明
本発明の課題は、高い光効率もランプの改善された時間特性も実現する、請求項１の上位概念に記載された形式の誘電体バリア放電ランプの点弧方法および作動方法を提供することである。

上述の課題は、請求項１に記載された特徴部分の構成によって解決される。特に有利な構成は、請求項１に従属する請求項に記載されている。

本発明のさらなる課題は、上述の方法を実行するのに適した回路装置を提供することである。

この課題は、回路装置に対する独立請求項の特徴部分の構成によって解決される。特に有利な構成は、この独立請求項に従属する請求項に記載されている。

さらに上述の方法に適したランプ並びに、ランプと回路装置から成る照明システムに対する保護も要求する。

縦長の電極を有する誘電体バリア放電ランプを点弧および作動させる本発明の方法では、少なくとも１つの縦長の電極をギャップによって２つの部分電極に分け、このように修正されたランプで以下のステップを行うことが提案される。

点弧フェーズでは２つの部分電極間に点弧電圧が印加され、電極ギャップの領域において２つの部分電極間で点弧されて補助放電が生じる。

これに続く通常作動時には動作電圧が電極間に印加され、電極間で主放電が生じる。

この方法の利点は殊に、既に生じている補助放電によって、主放電の点弧が容易になることである。これによって点弧フェーズ中の動作電圧を、暗部でも高くする必要はない。従って動作電圧を供給するランプ電圧発生器の設計時に、そうでない場合には必要な比較的高い絶縁耐力に関するコスト増加を回避することができる。確実な点弧を保証するためには、補助放電を点弧する電極ギャップに対する駆動制御回路が適切に、絶縁耐性に設計されればよい。しかし補助放電の点弧に必要な電圧レベルは、比較的簡単な方法によって制限することができる。電極ギャップは有利には最も近い（naechstbenachbarten）電極との間隔より短く、ないしは通常作動時には主放電が生じる、反対の極性を有する電極の間隔より短く選択される。これによって補助放電の点弧電圧は、補助放電を用いない主放電の点弧電圧よりも低いことが保証される。さらに電極ギャップに接する、部分電極の終端部でも誘電阻止は完全に放棄されている（誘電阻止されていない補助放電）か、または終端部だけ誘電阻止されている（一方は誘電阻止された補助放電）。誘電阻止されていない補助放電は、点弧電圧が特に僅かであるという利点を有している。しかし２つの部分電極の領域においてスパッタリングプロセスによる強力な汚染が負担となる。従ってこの点においては、完全なギャップであるが、少なくとも部分電極終端部に誘電層を設けて（両面誘電阻止補助放電）、これによっていくらか高くなってしまう補助放電に対する点弧電圧を甘受するのも有利である。いずれにせよ、主放電と比較して格段に低い補助放電における出力変換も有利である。従って補助放電に対する駆動制御回路を相応に脆弱に構成することができ、これによってコストがより低減される。

電極におけるギャップの他に（または複数の電極ギャップも必要である場合）、ランプの放電容器内にさらなる修正が必要ないことはさらなる利点である。これによって（例えばＵＳ５００６７５８の冒頭に記載されているような）ランプの光束に対するネガティブな作用もほぼ回避される。

通常作動時には２つの部分電極間の電圧の値は有利には、補助放電の点弧電圧ないし保持電圧よりも低く選択される。これによって通常作動時に補助放電は消滅する。これは次の利点を有する。すなわちランプの主放電並びに光密度均一性は全体的に影響されず、さらに通常作動時には補助放電に対する駆動制御回路に電圧がいらない（spannungsfrei）という利点である。特に有利には通常作動時には２つの部分電極間の電圧値は、主放電のあらゆる影響を回避するのに充分に小さく選択される。通常作動時には２つの部分電極が実質的に同じ電気的ポテンシャルに維持されるのは特に有利であることが判明している。

さらに通常作動時には、動作電圧が有利には二分された電極とその対向電極とのあいだにも印加される。これによって主放電は、各部分電極とそれに隣接する対向電極とのあいだにも延在する。これは次のような利点を有する。すなわち二分された電極が点弧だけに使用されるのではなく、主放電を形成するのにも寄与する、すなわち通常作動時には通常の電極のように作用するという利点である。

さらに動作電圧は有利には、ガス放電へのパルス状の有効電力入力結合（Wirkleistungseinkopplung）に調整される。動作電圧のパルス時間および休止時間は、主放電が多数の部分放電から成るように選択される。これに対するさらなる詳細は、既に挙げられたアメリカ合衆国特許第５６０４４１０号に記載されている。この関連において、二分された電極の対向電極および／または二分された電極自体に部分放電を位置決めする手段を設けることはさらに有利である。電極ギャップはこの場合には有利には２つの手段の間、すなわち作動時に生じる２つの部分放電の間に位置付けられる。このようにして主放電の元来の部分放電パターンは電極ギャップによって不変に保たれる。部分放電を位置決めする手段は、例えば鼻状の突出部によって実現される。これらの突出物は少なくとも、１つの極性の電極に沿って相互間隔（gegenseitigem Abstand）で配置される。これに対する詳細はＵＳ６０６０８２８号に記載されている。

上述した方法を実行する回路装置は、補助放電に対する点弧電圧を生成する点弧回路と、主放電に対する動作電圧を生成するように構成されたランプ電圧発生器とを有している。点弧電圧は点弧変圧器の２次側の２つの端子で取出される。点弧変圧器の１次側は、直流電圧源からの電圧を印加する第１の手段を介して給電される。第１の手段は例えば、点弧変換器の一次側の端子と接続された制御可能なスイッチによって実現される。さらにこの点弧回路は、点弧変圧器の一次側を短絡させる第２の手段を有している。この第２の手段は、例えば点弧変圧器の一次巻き線と並列に接続された制御可能なスイッチである。点弧変圧器としては例えば従来のコイル変圧器、またはピエゾ変圧器が考えられる。

完全な照明システムでは、点弧変圧器の２次側の第１の端子は、誘電体バリア放電ランプの一方の部分電極と接続されている。２次側の第２の端子およびランプ電圧発生器の第１の出力側は他方の部分電極並びに第１の極性の分断されていない電極と接続されている。ランプ電圧発生器の第２の出力側は第２の極性の電極と接続されている。

誘電体バリア放電ランプの縦長の電極は例えば放電容器の壁部上に配置された電極路として実現される。このような電極路は例えば現行のプリント技術（シルクスクリーンプリント、ステンシルプリント）によってプリントされる。電極ギャップは該当する電極路を長手軸方向において２つの部分電極路に分断する。

図面の簡単な説明
以下で本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。

図１は、フラット型誘電体バリア放電ランプに対する電極設計の部分図である。
図２は、図１の電極設計を有する誘電体バリア放電ランプの点弧および作動回路装置の簡単な電気回路図である。

発明の有利な実施例
図１には、フラット型誘電体バリア放電ランプに対する電極設計の部分図が示されている。この電極構成は単極性の電圧パルスによる作動に対して設計されており、このために幾つかの陽極路Ａおよび陰極路Ｋを有している。これらはフラット型ランプ（ここには図示されていない）の基本プレート上にプリントされている。ここでは常に２つの陽極路の間に１つの陰極路が配置されている。見やすくするためにここでは、２つの陽極路と１つの陰極路を有する部分のみが示されている。電極路は、誘電性バリアとして作用する薄いガラス層によって覆われている（図示されていない）。各陰極路Ｋは両面に突出部Ｖを有している。これらの突出部は作動中に生じる三角形の部分放電Ｅを位置付ける手段として用いられる。図１の右側の陽極路は、この陽極路を分断するギャップＬによって２つの部分陽極路ＡおよびＡ’に分けられている。電極ギャップＬの長さｌは約０. ８ｍｍである。陰極路Ｋの左側には、分断されていない別の陽極路Ａが設けられている。（部分）陽極路Ａ、Ａ’と最も近い各陰極路Ｋとの間の最小間隔ｄは約６ｍｍである。基本プレートの大きさに応じて、電極デザインのこの部分が複数回繰り返され、実質的に基本プレートの内面全体を覆う。しかし通常は、主放電の点弧を補助するこの種の電極ギャップを有する唯一の陽極路で充分であり、またフラット型ランプが非常に大きい場合には幾つかの少ない上述の陽極路で充分である。陽極路および陰極路はフラット型ランプの周辺領域において共通の供給線路と接続されている（図示されていない）。このような電極設計の作用を、以下で説明する図２に記載された回路装置とともに明らかにする。

図２に簡単に示された回路装置は点弧変圧器ＴＲ１を有する。一次回路は直流電圧源Ｕ１によって給電される。この直流電圧源は第１の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｍ１を介して、点弧変圧器ＴＲ１の１次巻き線の２つの端子と接続されている。１次巻き線と並列に第２の電界効果トランジスタＭ２が接続されている。点弧変圧器ＴＲ１の２次巻き線の第１の端子は、陽極路Ａと接続されている。２次巻き線の他方の端子は、部分電極路Ａ’また場合によっては複数の部分電極路と接続されている。さらにこの回路装置は、ランプ電圧発生器Ｕ２を有している。このランプ電圧発生器は一方では陽極路Ａと、他方では陰極路Ｋと接続されている。ランプ電圧発生器Ｕ２はパルス状の電力入力結合に適したパルス電圧シーケンスを供給し、例えばＵＳ６３２３６００号で公開されたように実現される。ＦＥＴ，Ｍ１，Ｍ２の代わりに制御可能な他のスイッチも使用可能である。

以下の機能説明には、２つの図面図１および図２が関連する。点弧フェーズの開始とともに既にランプ電圧発生器Ｕ２はパルス状の動作電圧を供給する。この動作電圧は陽極路Ａと陰極路Ｋの間に印加される。ここで電界効果トランジスタＭ１はその制御入力側Ｘを介してパルス状に駆動制御される。これによって点弧変圧器ＴＲ１の２次側で陽極Ａおよび部分電極Ａ’とのあいだに高電圧が生じる。これは、ギャップＬの領域において補助放電を点弧する（図１には示されていない。なぜなら図１には通常作動が示されているからである）。補助放電は、部分放電Ｅから成る主放電を誘導する。

ここで後続の通常作動の開始時点では、第１の電界効果トランジスタＭ１は高抵抗状態に制御される。これに対して第２の電界効果トランジスタＭ２はその制御入力側Ｙを介して導電性（すなわち低抵抗）の状態に制御され、点弧変圧器ＴＲ１を一次側で短絡させる。これによって点弧変圧器ＴＲ１の２次側の２つの端子、およびそこに接続されている陽極路Ａおよび部分電極路Ａ’は同じ電気的ポテンシャルになる。このようにして動作電圧Ｕ２は通常動作において部分電極路Ａ’と陰極路Ｋとのあいだにも作用する。これによって次のことが保証される。すなわち通常作動時には部分電極路Ａ’と最も近い陰極路Ｋとのあいだにも同じように部分放電Ｅが生じることが保証される。これは部分電極路Ａ’が点弧補助放電に対してのみではなく、主放電にも使用されるという利点を有している。そうでない場合にはこの領域は通常作動のあいだは暗く、望まれるものではない。

本発明をフラット型ランプの例に基づいてより詳細に説明したが、本発明はこのようなタイプのランプに限定されるものではない。本発明はむしろ、その有利な効果を失うことなく、フラット型でない容器形状を有する誘電体バリア放電ランプにも使用可能である。従って本発明は例えば非常に容易に、管状の放電容器を有する棒状ランプで使用可能である。これは例えば陰極路とギャップによって分断された陽極路を相互に対立して（diametral）正反対に内面上に、放電容器の長手軸と平行に配置することによって実現される。駆動制御は基本的に上述のフラット型ランプと同じように行われる。

フラット型誘電体バリア放電ランプに対する電極設計の部分図である。

図１の電極設計を有する誘電体バリア放電ランプの点弧および作動回路装置の簡単な電気回路図である。

Claims (11)

1. フラット型誘電体バリア放電ランプであって、
   第１の極性の縦長である２つの電極路（Ａ）を有しており、該電極路は放電容器の壁部上に配置されており、
   当該第１の極性の２つの電極路（Ａ）の間に、第２の極性の縦長である１つの電極路（Ｋ）が配置されており、該電極路は放電容器の壁部上に配置されている形式のものにおいて、
   前記第１の極性の２つの電極路（Ａ）と前記第２の極性の１つの電極路（Ｋ）は、各電極路の長手方向に対して直交する方向で、相互に平行に配置されており、
   前記第１の極性の２つの電極路（Ａ）のうちの１つが長手方向において電極ギャップ（Ｌ）によって２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）に二分されている、
   ことを特徴とするフラット型誘電体バリア放電ランプ。
2. 前記電極ギャップ（Ｌ）の長さ（Ｉ）は、前記二分された第１の極性の電極路（Ａ, Ａ’）と前記第２の極性の電極路（Ｋ）との間隔（ｄ）より短い、請求項１記載のフラット型誘電体バリア放電ランプ。
3. 前記第２の極性の電極路（Ｋ）および前記二分された第１の極性の電極路（Ａ，Ａ’）自体に、主放電の部分放電（Ｅ）を位置決めするための手段（Ｖ）が設けられている、請求項１または２記載のフラット型誘電体バリア放電ランプ。
4. 前記第２の極性の電極路（Ｋ）または前記二分された第１の極性の電極路（Ａ Ａ’）自体に、主放電の部分放電（Ｅ）を位置決めするための手段（Ｖ）が設けられている、請求項１または２記載のフラット型誘電体バリア放電ランプ。
5. 前記電極ギャップ（Ｌ）を、前記部分放電を位置決めするための２つの手段（Ｖ）の間、すなわち作動時に生じる２つの部分放電（Ｅ）の間に位置付ける、請求項３または４記載のフラット型誘電体バリア放電ランプ。
6. 請求項１記載の２つの第１の極性の電極路（Ａ）および１つの第２の極性の電極路（Ｋ）から成るユニットを複数個有する、フラット型誘電体バリア放電ランプ。
7. フラット型誘電体バリア放電ランプの点弧および作動方法であって、
   第１の極性の縦長である２つの電極路（Ａ）を有しており、該電極路は放電容器の壁部上に配置されており、
   当該第１の極性の２つの電極路（Ａ）の間に、第２の極性の縦長である１つの電極路（Ｋ）が配置されており、該電極路は放電容器の壁部上に配置されており、
   前記第１の極性の２つの電極路（Ａ）と前記第２の極性の１つの電極路（Ｋ）は、各電極路の長手方向に対して直交する方向で、相互に平行に配置されており、
   前記第１の極性の２つの電極路（Ａ）のうちの１つが長手方向において電極ギャップ（Ｌ）によって２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）に二分されている形式の方法において、
   ・点弧フェーズにおいて
   前記電気ギャップ（Ｌ）の領域において前記２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）間に補助放電が点弧されるように点弧電圧を当該２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）間に印加し、
   ・通常作動時において
   二分されていない第１の極性の電極路（Ａ）と前記第２の極性の電極路（Ｋ）との間に主放電（Ｅ）が生じるように動作電圧を当該二分されていない第１の極性の電極路（Ａ）と当該第２の極性の電極路（Ｋ）との間に印加する、
   ステップを有する、
   ことを特徴とする、フラット型誘電体バリア放電ランプの点弧および作動方法。
8. 通常作動時に前記２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）間の電圧値を、補助放電の点弧電圧ないし保持電圧より小さく選択する、請求項７記載の方法。
9. 通常作動時に前記２つの部分電極路（Ａ, Ａ’）を、実質的に同じ電気的ポテンシャルに維持する、請求項７または８記載の方法。
10. 通常作動時に、前記二分された電極路（Ａ, Ａ’）と前記第２の極性の電極路（Ｋ）との間に動作電圧を印加する、
    すなわち前記各部分電極路（Ａ, Ａ’）と、隣接する第２の極性の電極路（Ｋ）との間にも主放電（Ｅ）が生じる、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記動作電圧をガス放電へのパルス状電力の供給に適合するように調整し、主放電が多数の部分放電（Ｅ）から成るようにそのパルス時間および休止時間を選択する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。

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