JP5237538B2

JP5237538B2 - 放電プラズマ装置

Info

Publication number: JP5237538B2
Application number: JP2006243074A
Authority: JP
Inventors: 崇幡井; 浩一相澤; 勉櫟原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: JP2007220649A

Description

本発明は、放電プラズマを利用する放電プラズマ装置に関するものである。

従来から、放電媒体であるガスが封入された気密容器と、気密容器に設けられて放電プラズマを生成するためのエネルギを供給するエネルギ供給手段としてガスに電界を印加する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、ガス中へ電子を供給する電界放射型の電子源を気密容器に設けることで、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。

ところで、上記特許文献１では、電子源として、弾道電子面放出型電子源（Ballisticelectron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）やＭＩＭ型電子源などの平面型電子源を用いることにより、スピント型電子源を用いる場合に比べて、イオン衝撃の影響を受けにくくなることが記載されているが、ガスとしてＡｒガスやＸｅガスなどのように分子量の比較的大きなガスが封入されている場合や、発光装置の構成の関係で加速されたイオンが平面型電子源の表面電極に衝突するような場合には、平面型電子源でもイオン衝撃による損傷を受け、寿命が短くなるとともに信頼性が低下することがある。

そこで、放電プラズマのイオンから電子源の表面電極を保護するために、電子源から放出された電子の通る開口部を有し且つ気密容器内で生成された放電プラズマのイオンから電子源の表面電極を保護する保護部材を備えた放電プラズマ生成補助装置が提案されている。ここにおいて、保護部材は、例えば、絶縁性材料により一面開口した直方体状に形成された絶縁性保護部材と、導電性材料により形成され絶縁性保護部材において電子源の電子放出面に対向する前壁に設けられた窓孔内に配置された導電性保護部材とで構成され、導電性保護部材が電子源から放出された電子の通る複数の開口部を有している。なお、導電性保護部材は、網状に形成されており、該網状の網目の部分それぞれが開口部を構成している。

上述の保護部材を備えた放電プラズマ生成補助装置では、導電性保護部材と電子源の表面電極とを短絡して両者を同電位となるようにすることで、保護部材内へのイオンの侵入を抑制することができる。
特開２００２−１５０９４４号公報

しかしながら、上述の保護部材を有するプラズマ生成補助装置を備えた放電プラズマ装置でも、気密容器内のガスに電界を印加するための一対の放電用電極と導電性保護部材との電位の関係によっては、一対の放電用電極の一方の放電用電極と導電性保護部材との間で放電プラズマが発生し、当該放電プラズマのイオンが保護部材内へ侵入して電子源がイオン衝撃による損傷を受けるので、電子源の寿命が短くなって、結果的に放電プラズマ装置の寿命が短くなってしまう恐れがあった。

例えば、一対の放電用電極の一方の放電用電極がアノード電極、他方の放電用電極がカソード電極であり、カソード電極および導電性保護部材を接地し、アノード電極の電位をカソード電極の電位に対して正の電位とした場合には、カソード電極と導電性保護部材とが同電位となるので、アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加したときに、アノード電極とカソード電極との間で放電プラズマが生成されるのと同時に、アノード電極と導電性保護部材との間でも放電プラズマが発生し、アノード電極と導電性保護部材との間で発生した放電プラズマのイオンが保護部材内へ侵入することがあった。

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、気密容器内に充填されているガス中へ電子を供給する電子源の長寿命化および信頼性の向上を図れる放電プラズマ装置を提供することにある。

請求項１の発明は、放電媒体であるガスが封入された気密容器と、前記ガスに電界を印加して所望の放電プラズマ生成空間に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、前記気密容器内に配置され前記ガス中へ電子を供給する電子源および前記電子源に対向配置されるグリッド電極を有し前記放電プラズマ生成空間での前記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を備え、前記電子源が、下部電極と強電界ドリフト層と表面電極とで構成される電子源素子を有し、前記強電界ドリフト層が、多数のナノメータオーダの半導体微結晶と、前記各半導体微結晶の表面に形成され当該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とを有してなり、前記一対の放電用電極の一方の前記放電用電極がアノード電極、他方の前記放電用電極がカソード電極であり、前記グリッド電極の電位を前記カソード電極の電位よりも高く前記アノード電極の電位よりも低くなるように前記グリッド電極と前記カソード電極と前記アノード電極との電位関係を設定してなり、前記放電プラズマ生成補助装置を前記気密容器内において前記アノード電極と前記カソード電極との間の空間である前記放電プラズマ生成空間の外で前記アノード電極における前記カソード電極側とは反対側で前記アノード電極の近くに配置し、且つ、前記グリッド電極を前記電子源よりも前記アノード電極に近づけてなることを特徴とする。

この発明によれば、グリッド電極の電位をカソード電極の電位よりも高くアノード電極の電位よりも低くなるように前記グリッド電極と前記カソード電極と前記アノード電極との電位関係を設定してあるので、前記アノード電極と前記カソード電極との電位差に比べて、前記アノード電極と前記グリッド電極との電位差が小さくなるから、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加して所望の放電プラズマ生成空間に放電プラズマを生成させる場合に前記アノード電極と前記グリッド電極との間で不要な放電プラズマが生成されるのを抑制することができて、前記グリッド電極における電子源側へ放電プラズマのイオンが侵入するのを防止することができ、気密容器内に充填されているガス中へ電子を供給する前記電子源の長寿命化および信頼性の向上を図れる。また、この発明によれば、放電プラズマ生成補助装置が前記放電プラズマ生成空間の外に配置されているので、前記放電プラズマ生成補助装置が前記放電プラズマ生成空間で生成された放電プラズマに曝されるのを防ぐことができ、また、前記放電プラズマ生成補助装置が前記アノード電極における前記カソード電極側とは反対側で前記アノード電極の近くに配置され、且つ、前記グリッド電極を前記電子源よりも前記アノード電極に近づけてあるので、前記電子源から放出され所望の前記放電プラズマ生成空間に到達する電子の量を増やすことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記アノード電極の電位と前記グリッド電極の電位との電位差を前記アノード電極と前記グリッド電極との間の放電開始電圧よりも小さくするように前記電位関係を設定してなることを特徴とする。

この発明によれば、前記アノード電極と前記グリッド電極との間で不要な放電プラズマが生成される可能性をさらに低減することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記グリッド電極と前記電子源の電子放出部との電位差を前記グリッド電極と前記電子放出部との間の放電開始電圧よりも小さくするように前記電位関係を設定してなることを特徴とする。

この発明によれば、前記アノード電極と前記グリッド電極との電位差を小さくするために前記グリッド電極の電位を高くしたときに前記グリッド電極と前記電子源の前記電子放出部との間で前記電子源の電子放出部との電位差を前記グリッド電極と前記電子放出部との間で不要な放電プラズマが発生して前記電子源が損傷を受けるのを防止することができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記気密容器内の放電状態を検出する放電検出手段と、前記放電検出手段により前記気密容器内での放電開始が検出されたときに前記電子源へのプラスイオンの衝突を抑制するように前記電子源の電位を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、制御手段では、放電検出手段により前記気密容器内での放電開始が検出されたときに前記電子源へのプラスイオンの衝突を抑制するように前記電子源の電位および前記グリッド電極の電位を制御するので、保護部材を設けることなく前記電子源へのプラスイオンの衝突が抑制されるから、放電開始電圧を低減でき且つ長寿命化を図れる。

請求項１の発明では、気密容器内に充填されているガス中へ電子を供給する電子源の長寿命化および信頼性の向上を図れるという効果がある。

本実施形態では、放電プラズマ装置として発光装置を例示する。本実施形態の発光装置は、放電ランプであり、図１に示すように、放電媒体であるガス（例えば、Ａｒなどの希ガス）が封入された気密容器１と、気密容器１の内部に配置され上記ガスに電界を印加して気密容器１内の所望の放電プラズマ生成空間３に放電プラズマを生成させるための一対の放電用電極２ａ，２ｂと、気密容器１内に配置され上記ガス中へ電子を供給する電子源１０（図２参照）と、電子源１０に対向配置されるグリッド電極２０（図２参照）とを備えており、気密容器１内のガスを放電させることで可視光を放射させることができる。ここにおいて、グリッド電極２０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から放出された電子の通過する複数の開口部２０ａを有しており、本実施形態では、電子源１０とグリッド電極２０とで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。

本実施形態における放電ランプは直管形の放電ランプであり、気密容器１は、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、長手方向の一端部（図１における左端部）に配置された一方の放電用電極２ａがアノード電極を構成し、長手方向の他端部（図１における右端部）に配置された他方の放電用電極２ｂがカソード電極を構成しており、放電プラズマ生成補助装置が、カソード電極２ｂの近傍でカソード電極２ｂに対してアノード電極２ａ側とは反対側に配置されている（要するに、電子源１０およびグリッド電極２０は、気密容器１内において放電プラズマ生成空間３の外に配置されている。

本実施形態における発光装置では、電子源１０を駆動することにより、電子源１０から放出された電子が上記ガス中へ供給されるので、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に電界印加用電圧源Ｖ_ＡＫから電圧を印加する前に電子源１０へ駆動電源Ｖ_ＰＳから電圧を印加することで電子源１０の駆動を開始して上記ガス中へ電子を供給しておくことにより、放電を開始させるのに必要なアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電圧である放電開始電圧を低減することができ、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に電圧を印加した後も電子源１０を駆動するようにすれば放電プラズマの安定化を図れるとともに、放電維持電圧を低減することができ、低消費電力化を図れる。

電子源１０は、図１および図２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。

本実施形態における電子源１０では、強電界ドリフト層１６が電子通過層を構成しており、下部電極１５と電子通過層たる強電界ドリフト層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。

電子源素子１０ａの強電界ドリフト層１６は、図３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）。

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。

ここに、本実施形態における電子源素子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。ここで、電子源１０へ与える駆動電圧は一定の直流電圧でもよいし、パルス状の電圧でもよい。また、駆動電圧をパルス状の電圧とした場合、駆動電圧を印加していない時に逆バイアスの電圧を印加するようにしてもよい。

本実施形態における電子源素子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３中の矢印の向き（図３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。

なお、上述の電子源１０では、表面電極１７が電子放出部を構成している。また、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。

ところで、上述のグリッド電極２０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１０から放出された電子の通る開口部２０ａを構成している。

上述のグリッド電極２０としては、３０メッシュと呼ばれる、正方形状の網目の部分の１辺が０．６ｍｍで線材の径が０．２５ｍｍのニッケル製の網状体を用いているが、網目の部分のサイズ、つまり、開口部２０ａのサイズは、特に限定するものではなく、電子源１０から放出された電子が通過でき且つ放電プラズマ生成空間３で生成された放電プラズマからのイオンの侵入を抑制できればよく、例えば、正方形状の開口部２０ａの１辺の長さを０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲内で適宜設定すればよい。なお、本実施形態では、グリッド電極２０を網状の形状に形成してあるが、グリッド電極２０は、網状の形状に限らず、例えば、平板状の導電性基材であって電子源１０の表面電極１７に対向する部分に表面電極１７と同一形状の開口部を設けたものでもよい。

以上説明した本実施形態の発光装置では、グリッド電極２０の電位をカソード電極２ｂの電位よりも高くアノード電極２ａの電位よりも低くなるようにグリッド電極２０とカソード電極２ｂとアノード電極２ａとの電位関係を設定してある。具体的には、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に電圧を印加する電界印加用電圧源Ｖ_ＡＫ、電子源１０の表面電極１７と下部電極１５との間に駆動電圧を印加する駆動電源Ｖ_ＰＳ、グリッド電極２０と電子源１０の電子放出部である表面電極１７との間に電圧を印加する電子加速用電源Ｖ_ｃ、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間に電圧を印加する電源Ｖ_ＧＫ、それぞれの出力電圧を適宜設定することによって、上述の電位関係を満足させるようにしている。なお、各電源Ｖ_ＡＫ，Ｖ_ＰＳ，Ｖ_ｃ，Ｖ_ＧＫそれぞれの出力電圧は図示しないマイクロコンピュータなどにより構成される制御部によって適宜制御するようにしてある。

ここにおいて、例えば、一実施例として気密容器１内にＡｒガスが１０Ｐａの圧力で封入され、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の距離が１０ｃｍ、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間の距離が５ｍｍ、グリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間の距離が５ｍｍに設定されている場合について例示する。パッシェンの法則により、ガス圧をｐ、電極間距離をｄとすれば、ｐ×ｄ＝１００〔Ｐａ・ｃｍ〕の時、最も放電プラズマが発生しやすい。上述の一実施例では、ガス圧ｐが１０Ｐａであるから、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間およびアノード電極２ａとグリッド電極２０との間で放電が発生しやすくなる。ここで、電子源１０から供給する電子の量や電子のエネルギにもよるが、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に約２００Ｖの電圧を印加すると放電プラズマ生成空間３に放電プラズマを生成することができる。そこで、カソード電極２ｂの電位を０Ｖ、グリッド電極２０の電位を１００Ｖとしておき、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に印加する電圧を２００Ｖよりも低い電圧から上昇させるとアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電圧が２００Ｖになった時点でアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の空間である放電プラズマ生成空間３に放電プラズマが生成されるが、この時点でアノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差は１００Ｖであり、アノード電極２ａとグリッド電極２０との間の距離はアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の距離よりもやや長いので、アノード電極２ａとグリッド電極２０との間での放電開始電圧に達しておらず不要な放電プラズマは発生しない。

しかして、本実施形態の発光装置では、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの電位差に比べて、アノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差が小さくなるから、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に電圧を印加して所望の放電プラズマ生成空間３に放電プラズマを生成させる場合にアノード電極２ａとグリッド電極２０との間で不要な放電プラズマが生成されるのを抑制することができて、グリッド電極２０における電子源１０側へ放電プラズマのイオンが侵入するのを防止することができ、気密容器１内に充填されているガス中へ電子を供給する電子源１０の長寿命化および信頼性の向上を図れる。

ところで、アノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差を小さくするためにグリッド電極２０の電位を高くしていくと、グリッド電極２０と電子源１０の電子放出部である表面電極１７との電位差が大きくなってグリッド電極２０と電子源１０との間の空間や、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間の空間で不要な放電プラズマが発生してします可能性がある。

ここで、上述の実施例では、ｐ＝１０Ｐａであるから、最も放電の発生しやすい電極間距離はｄ＝１０ｃｍ（すなわち、ｐ×ｄ＝１００〔Ｐａ・ｃｍ〕のとき）であるのに対し、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間やグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間の距離は５ｍｍなので、通常はｋＶオーダの電位差がないと放電プラズマは発生しない。したがって、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間やグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間において主放電（アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電）とは無関係な異常放電（不要な放電プラズマ）が発生して電子源１０が損傷を受けるという現象については、あまり考慮する必要はない。

ただし、Ａｒの圧力を１００Ｐａ〜１ｋＰａ程度として使用するような場合は、ｄ＝１ｍｍ〜１ｃｍの場合が最も放電しやすくなるので、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの電位差やグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との電位差が２００Ｖ程度になると、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間やグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間で異常放電（不要な放電プラズマ）が発生してしまう。

そこで、アノード電極２ａの電位とグリッド電極２０の電位との電位差をアノード電極２ａとグリッド電極２０との間の放電開始電圧よりも小さくするように上述の電位関係を設定すれば、アノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差を小さくするためにグリッド電極２０の電位を高くしたときにグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間で不要な放電プラズマが発生して電子源１０が損傷を受けるのを防止することができる。

また、本実施形態では、発光装置の輝度を高めるために、アノード電極２ａの電圧を高くしていくと、アノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差が放電開始電圧よりも大きくなって不要な放電プラズマが発生する可能性がある。例えば、上述の一実施例で説明すれば、アノード電極２ａの電位を３００Ｖまで上げると、アノード電極２ａとグリッド電極２０との電位差が２００Ｖとなるので、アノード電極２ａとグリッド電極２０との間の放電開始電圧がアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電開始電圧と同じとみなせば（本実施形態のアノード電極２ａとカソード電極２ｂとグリッド電極２０との位置関係では、アノード電極２ａとグリッド電極２０との間の放電開始電圧の方がアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の放電開始電圧よりもやや高い）、アノード電極２ａとグリッド電極２０との間で不要な放電プラズマが発生してしまう恐れがある。

そこで、上述のようにアノード電極２ａの電位を高くする場合には、グリッド電極２０の電位も高くすればよい。上述のようにＡｒガスの圧力が１０Ｐａ程度の場合は、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間やグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間の放電開始電圧はｋＶオーダの電圧であり不要な放電プラズマは発生しにくいが、圧力が１００Ｐａ〜１ｋＰａ程度の場合は、グリッド電極２０の電位を高くするとグリッド電極２０と電子源１０の表面電極１７との間の空間で不要な放電プラズマが発生する可能性が生じるので、グリッド電極２０と表面電極１７との間の空間での放電プラズマの発生を防止するには、グリッド電極２０の電位の増加に合わせて電子源１０の表面電極１７および下部電極１５の電位を増加させればよい。例えば、グリッド電極２０の電位を１５０Ｖとする場合には、電子源１０の表面電極１７の電位を９０Ｖ、下部電極１５の電位を７５Ｖとすれば、グリッド電極２０と表面電極１７との電位差は６０Ｖとなりグリッド電極２０と表面電極１７との間の空間で放電プラズマが発生するのを抑制することができる。なお、この場合の電子源１０の駆動電圧は１５Ｖ（＝９０−７５）となる。

なお、上述の実施形態では、電子源１０としてＢＳＤを用いているが、電子源１０としては、ＢＳＤに限らず、ＭＩＭ型電子源や、スピント型の電子源や、カーボンナノチューブを用いた電子源などを採用してもよく、ＭＩＭ型電子源を採用する場合には、上部電極（表面電極）が電子放出部を構成し、スピント型の電子源を採用する場合には、円錐状のエミッタが電子放出部を構成し、カーボンナノチューブを用いた電子源の場合にはカーボンナノチューブが電子放出部を構成する。

また、上述の実施形態では、電子源１０とグリッド電極２０とを有する放電プラズマ生成補助装置を気密容器１内でカソード電極２ｂの近傍に配置してあるが、図４に示すように、カソード電極２ｂではなくアノード電極２ａの近傍に配置してもよい。ところで、放電プラズマ生成補助装置を放電プラズマ生成空間３内に配置すると、たとえアノード電極２ａとグリッド電極２０との間で放電プラズマが発生しなかったとしても、放電プラズマ生成補助装置が放電プラズマに曝されるので、グリッド電極２０の電子源１０側へイオンが侵入する恐れがある。しかしながら、図４の構成では、放電プラズマ生成補助装置を気密容器１内においてアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の空間である放電プラズマ生成空間３の外でアノード電極２ａの近くに配置し、且つ、グリッド電極２０を電子源１０よりもアノード電極２ａに近づけてあるので、放電プラズマ生成補助装置が放電プラズマ生成空間の外に配置されていることにより、放電プラズマ生成補助装置が放電プラズマ生成空間３で生成された放電プラズマに曝されるのを防ぐことができ、また、放電プラズマ生成補助装置がアノード電極２ａの近くに配置され、且つ、グリッド電極２０を電子源１０よりもアノード電極２ａに近づけてあることにより、電子源１０から放出され放電プラズマ生成空間３に到達する電子の量を増やすことができる。

ところで、図１や図４に示す構成の発光装置において、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間で放電プラズマが発生するのは、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の距離をｄ、電子増倍率をα、カソード電極２ｂのイオンによる二次電子放出係数をγとすると、
γ＞１／（ｅ^αｄ−１）
の関係を満たしたときであり、カソード電極２ｂにイオンが衝突して二次電子を発生させることでアノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間で放電が維持されるが、この原理はカソード電極２ｂとグリッド電極２０との間でも同様である。

そこで、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの距離をｄ、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間の空間での電子増倍率をα、気密容器１内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、グリッド電極２０の材料を、
γ≦１／（ｅ^αｄ−１）
の関係を満たす材料により形成すれば、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、電子源１０の長寿命化を図れる。

ここにおいて、γを低くするには、イオンに対する二次電子放出効率の低い材料を用いればよく、この種の材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｐｏなどや、これらの酸化物、窒化物、炭化物などを用いることが望ましい。

また、グリッド電極２０の材料として、上述の材料以外の材料を用いても、αが、
α≦ｌｎ{（１／γ）＋１}／ｄ
の関係を満たすようにグリッド電極２０の電位を設定することで、グリッド電極２０とカソード電極２ｂとの間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、電子源１０の長寿命化を図れる。ここで、グリッド電極２０は、イオンに対する二次電子放出効率が低い方が望ましいが、放電プラズマ生成補助装置からの電子放出効率を向上させるためには、電子に対する二次電子放出効率が高い方が望ましい。

また、図１の構成に対して、図５に示すように、気密容器１内の放電状態を検出する放電検出手段５と、上記制御部を構成し放電検出手段５により気密容器１内の放電開始が検出されたときに電子源１０へのプラスイオンの衝突を抑制するように電子源１０の電位およびグリッド電極２０の電位を制御する制御手段６とを設けてもよい。

ここにおいて、上述の放電ランプでは、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電流−電圧特性が放電開始前後で大きく変化する（放電前の電流−電圧特性では電流がほとんど流れておらず、放電後の電流−電圧特性では電流が増加し且つ電圧が低下する）。つまり、上述の放電ランプは、放電が開始されると、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間のインピーダンス、電流、電圧それぞれが急激に変化する。ここで、上述の放電検出手段５は、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間のインピーダンスの変化に基づいて気密容器１内の放電状態を検出するようになっているので、当該インピーダンスの変化により気密容器１内の放電開始を検出することができる。なお、放電検出手段５は、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間のインピーダンスの変化に限らず、電流の変化もしくは電圧の変化に基づいて気密容器１内の放電開始を検出するようにしてもよく、いずれにしても、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間の電気的特性の変化により気密容器１内の放電開始を確実に検出することができる。

また、制御手段６は、上述のように放電検出手段５により気密容器１内の放電開始が検出されたときに電子源１０へのプラスイオンの衝突を抑制するように電子源１０の電位を制御するにあたって、上述の各電源Ｖ_ＡＫ，Ｖ_ＰＳ，Ｖ_ｃ，Ｖ_ＧＫそれぞれの出力電圧を適宜制御することによって電子源１０の電位およびグリッド電極２０の電位をアノード電極２ａの電位とカソード電極２ｂの電位との間の電位に制御する機能を有しており、カソード電極２ｂの近傍に配置した電子源１０へのプラスイオンの衝突を抑制することができる。また、電子源１０とグリッド電極２０とからなる放電プラズマ生成補助装置が、図４のようにアノード電極２ａの近傍に配置されている場合や、アノード電極２ａとカソード電極２ｂとの間に配置されている場合にも、制御手段６が、放電検出手段６により放電開始が検出されたときに、電子源１０の電位およびグリッド電極２０の電位をアノード電極２ａの電位とカソード電極２ｂの電位との間の電位に制御するようにすれば、電子源１０へのプラスイオンの衝突を抑制することができる。

ところで、上記実施形態では、気密容器１を円筒状の形状としてあるが、気密容器１の形状は円筒状の形状に限らず、例えば、電球のような球状の形状でもよいし、直方体状の形状や立方体状の形状などでもよいし、一対の平板と両平板との間に介在するフレームとで構成される平面型の気密容器でもよい。

また、上記実施形態では、エネルギ供給手段として、円筒状の気密容器１の内部に一対の放電用電極２ａ，２ｂを気密容器１の長手方向に離間して配置してあるが、一対の放電用電極２ａ，２ｂの一方の放電用電極を気密容器１の外部に配置してもよい。また、対となる放電用電極２ａ，２ｂ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２ａ，２ｂを配置するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、放電プラズマ装置としてＡｒガスを用いた放電ランプを例示したが、放電ランプに限らず、例えば、照明用の蛍光ランプやプラズマディスプレイパネルなどでもよく、蛍光ランプの場合には、気密容器１の内面の適宜部位に、紫外線などにより励起されて発光する蛍光体層を設ければよい。

また、上記実施形態における発光装置では、気密容器１内に封入するガスとしてＡｒガスを採用しているが、気密容器１内に封入するガスは、Ａｒガスに限定するものではなく、例えば、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅ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。

実施形態の放電プラズマ装置としての発光装置の概略構成図である。同上に用いる放電プラズマ生成補助装置の概略断面図である。同上に用いる電子源の動作説明図である。同上の他の構成例の概略構成図である。同上の別の構成例の概略構成図である。

符号の説明

１気密容器
２ａ放電用電極（アノード電極）
２ｂ放電用電極（カソード電極）
３放電プラズマ生成空間
５放電検出手段
６制御手段
１０電子源
１５下部電極
１６強電界ドリフト層
１７表面電極（電子放出部）
２０グリッド電極

Claims

放電媒体であるガスが封入された気密容器と、前記ガスに電界を印加して所望の放電プラズマ生成空間に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、前記気密容器内に配置され前記ガス中へ電子を供給する電子源および前記電子源に対向配置されるグリッド電極を有し前記放電プラズマ生成空間での前記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を備え、前記電子源が、下部電極と強電界ドリフト層と表面電極とで構成される電子源素子を有し、前記強電界ドリフト層が、多数のナノメータオーダの半導体微結晶と、前記各半導体微結晶の表面に形成され当該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とを有してなり、前記一対の放電用電極の一方の前記放電用電極がアノード電極、他方の前記放電用電極がカソード電極であり、前記グリッド電極の電位を前記カソード電極の電位よりも高く前記アノード電極の電位よりも低くなるように前記グリッド電極と前記カソード電極と前記アノード電極との電位関係を設定してなり、前記放電プラズマ生成補助装置を前記気密容器内において前記アノード電極と前記カソード電極との間の空間である前記放電プラズマ生成空間の外で前記アノード電極における前記カソード電極側とは反対側で前記アノード電極の近くに配置し、且つ、前記グリッド電極を前記電子源よりも前記アノード電極に近づけてなることを特徴とする放電プラズマ装置。
前記アノード電極の電位と前記グリッド電極の電位との電位差を前記アノード電極と前記グリッド電極との間の放電開始電圧よりも小さくするように前記電位関係を設定してなることを特徴とする請求項１記載の放電プラズマ装置。
前記グリッド電極と前記電子源の電子放出部との電位差を前記グリッド電極と前記電子放出部との間の放電開始電圧よりも小さくするように前記電位関係を設定してなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の放電プラズマ装置。
前記気密容器内の放電状態を検出する放電検出手段と、前記放電検出手段により前記気密容器内での放電開始が検出されたときに前記電子源へのプラスイオンの衝突を抑制するように前記電子源の電位および前記グリッド電極の電位を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の放電プラズマ装置。