JP6241971B2 - ガス放電装置とそれを使用した平面光源およびそれらの駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス放電装置とそれを使用した平面光源に関し、更に詳細には、ガラス細管を主体とした外部電極型の紫外または可視光源用の放電チューブとそれを使用した平面光源およびそれらの駆動方法に関するものである。
従来、ガス放電を利用した光源デバイスとして、高圧水銀ランプやエキシマ放電ランプなどがよく知られている。また紫外発光源としては、紫外発光蛍光体を用いたガス放電デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、平面光源の構成に適した細管構成の外部電極型ガス放電デバイスも周知である（例えば、特許文献２、３及び４参照）。
UV-Cバンドの紫外蛍光体を利用した従来のエキシマ放電ランプは、高価な石英ガラス外囲器を使用するほか、駆動のために高圧の方形波交流電源を必要とするなどの問題がある。また、ガス放電チューブを利用した従来の紫外線発光用のガス放電デバイスは、電極構成が複雑であるほか、発光効率や発光出力の点で未だ実用の域に達していない。
従って本発明は、構成が簡単で、安価で発光効率の良い光源用、特に、紫外光源用のガス放電装置を提供するものである。また本発明は、発光効率が高く、発光出力の大きな紫外若しくは可視発光用の平面光源を容易に構成することのできるプラズマチューブ形式のガス放電装置を提供するものである。
本発明は、一対の長電極間で少なくとも２種類の放電を発生させるようにした外部電極型の新しい光源用ガス放電装置を提供とするものである。すなわち本発明は、放電ガスを封入したガラス細管の長手方向に放電間隙を挟んで両側に延びる第1及び第2の放電電極を設け、両電極間に正弦波形または傾斜波形等の交番電圧を印加した時に、電圧上昇に伴って電極近接端間で最初に発生するトリガ放電を種火とし、漸次電極の長手方向に向けて放電を移行させる考え方を骨子とするものである。一対の放電電極は放電間隙を構成する近接端部を挟んで、両側に延びる形で配置される。
更に具体的に述べると、本発明の第1の特徴は、横断面において対向する前面側と背面側を有し、内部に放電ガスを封入した透光性の外囲器と、該外囲器の外側に長手方向に設けた第1及び第２の電極を有し、前記第1及び第2電極は、前記外囲器の背面側の外側において互いに近接した位置でトリガ放電部を構成するトリガ電極部と、該トリガ放電部を挟んで互いに離間する方向に延びる主電極部を具えたガス放電装置の構成にある。
前記外囲器としては、横断面の長軸径が５ｍｍ以下の円形、楕円形、扁平楕円形、長方形または台形を有する透明なガラス細管を用いるのが好ましく、その長さは２ｃｍから１０ｃｍが適当であり、応用面によってはそれよりも長くて構わない。また、紫外光源を構成する外囲器には、石英管よりも格段に安価でポピュラーな硼珪酸系ガラスの細管を用いても、発光面となる前面側の管の肉厚を３００μｍ以下とすることにより、十分な紫外線透過光を得ることができる。
第1及び第2電極は、ガラス細管からなる外囲器の長手方向における間隙を挟んで両端方向に延び、前記間隙の近接端がトリガ電極部を構成するとともに、両側延長部が主電極部を構成する。
この構成において、前記第1及び第2電極はガラス細管からなる外囲器の長手方向に沿った１つの線上に設けられてもよいし、異なる線上に設けられてもよい。また前記第1及び第2電極の一方の端部に他方の端部と対向するトリガ電極片を付設してもよい。更に第1及び第2の電極は、ガラス細管の長手方向に交互に複数設けられてもよい。
外囲器の背面側の底部内面には、主としてキセノンガスの放電により発生する真空紫外線で励起されて発光する紫外蛍光体層、または可視蛍光体層、或はそれらの混合蛍光体層が設けられ、外囲器の前面側から所望波長の発光が得られる。
また本発明によれば、上記細管構成のガス放電デバイスの共通の電極上に複数本を平行に並べて配列することによりフレキシブルな平面光源を構成することができる。
本発明のガス放電装置によれば、外周器の長手方向に沿って設けた第１および第２の電極によるシンプルな電極構成で高効率の発光を得ることができる。また、外囲器となるガラス細管内に紫外発光蛍光体層を設けた構成では、従来の紫外発光LED等に比べて強い強度でUV-BバンドやUV-Cバンドの紫外線発光を高い効率で得ることができる。
更に複数本の紫外線発光管を共通の電極シート上に並べることにより容易にフィルム状の平面光源を構成することができるので、医療用途や殺菌・滅菌用途など産業上の実用範囲が大幅に拡大する。
以下本発明の好ましい実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明を簡略化するため、同じ構成要素には同じ符号を付けている。また以下の説明では本発明の電極構成を特徴づけるため、ガラス管の長手方向に延びる電極を、『長電極』と呼ぶ。
［実施形態１］
図1は、本発明によるガス放電装置の基本的構成を実施形態１として示す模式的縦断面図である。ネオンとキセノンの混合ガスを封入した細長いガラス管１がデバイスの主体となる外囲器を構成しており、その背面側となる底部外面にガラス管１の長手方向に沿った一対の長電極２及び３が間隙４を挟んで両側に延びるように配置されている。そして、一方の長電極２は接地され、他方の長電極３には正弦波交流電源ＡＣから正弦波交流電圧が印加される。
図1は、本発明によるガス放電装置の基本的構成を実施形態１として示す模式的縦断面図である。ネオンとキセノンの混合ガスを封入した細長いガラス管１がデバイスの主体となる外囲器を構成しており、その背面側となる底部外面にガラス管１の長手方向に沿った一対の長電極２及び３が間隙４を挟んで両側に延びるように配置されている。そして、一方の長電極２は接地され、他方の長電極３には正弦波交流電源ＡＣから正弦波交流電圧が印加される。
外囲器となるガラス管１は、酸化珪素(SiO2)と酸化硼素(B2O3)を主成分とする硼珪酸系ガラスのパイプ状母材を外径５ｍｍ以下で肉厚が５００μ以下の細管となるようリドロウ(線引き)して形成してある。
ガラス管１の横断面は、図２(a)、(b)、(c)または(d)に示すような円形、扁平楕円形、長方形または台形等とすることができる。後述するように、ガラス管１の内面に紫外発光蛍光体層を形成して紫外線光源用のガス放電デバイスを構成する場合、ガラス管１の発光面となる前面側の肉厚を３００μm以下にすることが紫外線透過率の点から重要である。因に図１の実施例のガラス管１は、長径軸を挟んで対向する前面側と背面側を平坦面とした図２（ｃ）に示した長方形の横断面を有するものである。
硼珪酸系のガラスであっても厚さを３００μm以下にすることにより、UV-Bの波長バンドの紫外線に対し９０％以上の透過率を得ることができる。この場合、図２（b）、（ｃ）または（ｄ）の横断面の例に示すようにガラス管１の前面側の厚さに対して電極を配置する背面側の厚さを厚くし機械的強度を高めるようにしてもよい。対向面の厚さを非対称としたガラス管１はガラス母材整形時のプロセス制御で実現することができる。
図1の構成において、一対の長電極２と３の互いに隣接する近接端がトリガ電極部２aと３aを構成し、ギャップ寸法Ｄｇの間隙４に対応したガラス管１内の対応ガス空間がトリガ放電部５となる。またトリガ電極部２aと３aから両側に離間する方向に延びる延長部が長さＥＬの主電極部２bと３bを構成し、主電極部２ｂと３ｂの対応ガス空間が主ガス放電部６となる。トリガ放電部と主電極部は説明の便宜上附した部分名称であり、実質的な電極パターンは、１対の細長い電極の近接端部に間隙４を隔てて管軸方向に配置した極めてシンプルなものとなる。
長電極２と３は、ガラス管１の外面上に銀ペースト等を印刷して直接形成してもよいし、或は、銅箔、アルミ箔等の金属箔や樹脂等のベースフィルム上に形成した金属メッシュパターンをガラス管１の外面に貼り付けて形成してもよい。また長電極２と３の対はガラス管の外面上に絶縁層や絶縁フィルムを介して設けられる場合もある。
また、これらの長電極２と３は、図１の場合、ガラス管１の底部外面の長手方向に沿って一直線上に配置されている。
また、一対の長電極２と３の管軸に対する角度位置はガラス管１の側面において互いに異なっていてもよい。一対の長電極２と３をガラス管１の発光面側に形成する場合には、長電極２と３が発光を透過するようITO等の周知の透明電極か、メッシュパターンの金属電極を採用する必要がある。但し紫外線蛍光体を使用する紫外発光チューブにおいては、発光ロスが生じないよう、電極は発光面を避けた背面側に配置するのが好ましい。
図3は、図1に示したガス放電装置の放電モデルを説明するための模式図である。一対の長電極２と３の間には、図３（ｂ）に示すように、一方の長電極２を接地した状態で、他方の長電極３に正弦波交流電源ACを接続し、図３(a)に示すような正弦波形の交流電圧を印加する。
正弦波電圧の上昇過程における電圧ｖ１が、タイミングｔ１においてトリガ電極部２a、３a間の放電開始電圧Ｖfを超えると、トリガ放電部５で放電が発生する。このトリガ放電によって近傍のガス空間に多量の空間電荷が供給され、いわゆる種火効果が生じて正弦波の電圧の上昇とともに長電極の主電極部２b、３bに向かって放電が拡張し、いわゆる長距離放電に移行していくことになる。
同時に、最初にトリガ放電を発生したトリガ電極２aと３aに対応したガラス管１の内壁面上には印加電圧と逆極性の電荷（電子(-)と陽イオン(+)）が壁電荷として蓄積され、この壁電荷による電界が印加電圧の電界を打ち消す形となってトリガ放電部５での放電は停止する。
図3(b)、(c)、(d)、(e)は、図３(a)の印加正弦波電圧のタイミングｔ１〜ｔ４に対応した放電と壁電荷の蓄積状態を模式的に示し、図3(f)、(g)、(h)、(i)は、極性反転した後のタイミングｔ５〜ｔ８に対応した放電と壁電荷の蓄積状態を模式的に示している。
このモデルから、タイミングｔ１においてトリガ電極部２aと３a間のトリガ放電部５で発生した放電が、タイミングｔ２、ｔ３と続く印加電圧の上昇過程で壁電荷の蓄積を伴いながら主電極部2ｂ、３bの延長方向に沿って主放電部６に拡張していく様子が理解できる。
また、印加正弦波電圧が一方の波高値に達した後の電圧下降過程のタイミングｔ４では、図３（ｅ）に示すような壁電荷の蓄積状態となって放電は停止状態にある。その後、印加電圧の極性が反転したタイミングｔ５においては、蓄積した壁電荷の電界が印加正弦波電圧の反対極性の上昇過程の電界に加算される結果、トリガ電極部２a、３aのトリガ放電部５に加わる実効電圧が放電開始電圧Ｖfを超えて図３（ｆ）に示すように再度トリガ放電が発生し、逐次、反対極性の壁電荷の発生を伴いながらタイミングｔ６，ｔ７において、それぞれ図３（ｇ）、（ｈ）に示すように主放電部６に向けて放電が拡張する。そして、ガラス管１の端部まで放電が拡張したタイミングｔ８においては図３（ｉ）のような壁電荷状態になって放電が停止する。以下、この動作が繰り返される。
印加電圧の上昇過程を利用して複合放電を発生させるには、上記の正弦波電圧以外にも鋸歯状波形（ランプ波形）の電圧を利用することもできる。また外部電極構成の本発明に係るプラズマチューブは容量性負荷となるので、矩形波形であっても立ち上がり時間の傾斜を利用して上記のような複合放電を発生させることができる。従って立ち上がり時間を持った交番電圧を対となる長電極間に印加すれば同様の駆動を行うことができる。しかしながら、正弦波電圧を利用することが、波形発生の易しさの点で望ましい。輝度の調整は、正弦波電圧の周波数または鋸歯状波形電圧の傾斜角度の変更で行うことができる。
正弦波電圧の印加に伴ってこのような複合放電が一対の長電極２と３の間で交互に繰り返され、その都度、放電経路に沿って陰極グロー発光と陽光柱発光とが発生する。放電ガスとしてネオン(Ne)に数%のキセノン(Xe)を混合したガスを用いる場合、放電光としてはネオンオレンジ色の発光と、１４３ｎｍ、１７３ｎｍの波長の真空紫外線(VUV)が得られる。従って、NeとXeの混合比を適宜調整してガス放電の発光をそのまま利用すれば、ネオン発光管または紫外線発光管を得ることができる。
図１に示した実施形態１のガス放電装置の場合、ガラス管１は、直径が５ｍｍ〜０．５ｍｍの大きさで作成され、例えば、横断面における長径寸法２ｍｍの長方形または扁平楕円形とすることができる。一対の長電極２と３の近接端部の間隙４、すなわちトリガ電極部２aと３aとの間隙４のギャップ寸法Ｄｇはトリガ放電の開始電圧を決定するファクタとなるもので、５ｍｍ以下が実用的であり、例えば３ｍｍとすることができる。この場合のトリガ放電部5の放電開始電圧Ｖfは約９００Ｖとなる。
他方、各長電極２及び３の延長方向における放電の広がりは、印加する正弦波電圧のピーク電圧Ｖｐによって変化する。ピーク電圧Ｖｐを高くしすぎると、トリガ放電部５の損傷を招く危険がある。すなわちトリガ電極部の間隙寸法Ｄｇは通常０．１ｍｍ以上２ｃｍ以下程度の範囲に設定されるが、正弦波のピーク電圧Ｖｐはガラス細管１の有効長さ（２ＥＬ+Ｄｇ）により異なることになる。従って両ファクタの関係から長電極の主電極部２b及び３bの長さELは、それぞれトリガ電極部２ａと３ａとのギャップ寸法Ｄｇの３倍以上、好ましく１０倍程度とし、例えば、ガラス細管１の放電有効長の全長が５０ｍｍの場合は、トリガ電極間隙長Ｄｇを３ｍｍ、両主電極部の長さＥＬ（図１）をそれぞれ２３．５ｍｍとすることができる。
この結果、図１のような一対の長電極２，３を用いたガラス管１は、全体として５〜１０ｃｍほどの長さのものとなる。後述するように、対となる長電極２，３を、トリガ放電間隙４を挟んで長手方向に複数個交互に配置する構成を採れば、更に長尺のガス放電装置を構成することも可能である。
正弦波電圧の周波数は、電極間容量とインピーダンスとの関係から数１０kHz、例えば４０kHzに設定される。ピーク電圧Ｖｐはトリガ放電部５の放電開始電圧Ｖfに応じてそれよりも高い１０００Ｖ乃至はそれ以上の値に設定されるが、その上限は長電極上での放電の広がり長さと、トリガ放電部５の損傷防止を考慮して決めるのが望ましい。
また、本発明のガス放電装置は、壁電荷の蓄積を利用することにより、長い電極に沿って放電を停止させながら拡張させていく放電形式をとるので、駆動時のピーク電流を低く抑えることができ、LEDやエキシマ放電ランプに比べて消費電力も格段に少なくて済む。
因に、実施形態１のガス放電装置を駆動するために、１０Ｖの直流電圧(電池)を４２KHzの正弦波電圧に変換するインバータ回路と、この正弦波電圧をピーク電圧１０００Ｖまで昇圧する小型トランスとを含む５Ｗの市販の小型電源回路(例えば、ハリソン電機製 HIU-465型)を好適に用いることができた。
［実施形態２］
図４(a)及び(b)は、それぞれ本発明によるガス放電装置の実施形態２を示す縦断面図と横断面図である。この実施形態２の基本的構成は図１に示した実施形態１と実質的に同じであるが、図１のガラス管１の背面側底部内面に、ガス放電に伴う紫外線で励起されて発光する蛍光体層７が形成されたガス放電チューブ１０を用いる点が、実施形態１とは異なる。なお、ガラス管１の横断面は図４（b）に示すような長方形即ち扁平四辺形であり、長径軸を挟んで対向する平坦面を備えている。ガス放電チューブ１０の発光面となる前面側の平坦面には３００μm以下の厚みの薄い管壁のほか出射光を遮るものは何もない。
図４(a)及び(b)は、それぞれ本発明によるガス放電装置の実施形態２を示す縦断面図と横断面図である。この実施形態２の基本的構成は図１に示した実施形態１と実質的に同じであるが、図１のガラス管１の背面側底部内面に、ガス放電に伴う紫外線で励起されて発光する蛍光体層７が形成されたガス放電チューブ１０を用いる点が、実施形態１とは異なる。なお、ガラス管１の横断面は図４（b）に示すような長方形即ち扁平四辺形であり、長径軸を挟んで対向する平坦面を備えている。ガス放電チューブ１０の発光面となる前面側の平坦面には３００μm以下の厚みの薄い管壁のほか出射光を遮るものは何もない。
蛍光体層７の一例としてガドリリュウム賦活蛍光体(LaMgAl11O19 : Gd) を用いた場合、UV-Bバンドの波長レンジである３１１ｎｍの紫外発光を得ることができる。またプラセオジム賦活の蛍光体(YBO3 : PrまたはY2SiO5 : Pr)を用いればUV-Cバンドの波長レンジの２６１nｍまたは２７０nｍの紫外発光を得ることができる。
ガス放電チューブ１０の蛍光体層７の形成自体は、周知の沈降法を用いることができる。すなわち、前述の蛍光体粉末を懸濁液の状態とした蛍光体スラリーをガラス管の中に導入して静置し、その後、上澄み液を排出して沈殿物を焼成することで蛍光体層７を形成することができる。
紫外発光蛍光体材料の懸濁液を作る際、微細な酸化マグネシュウム(MgO)の結晶粒子を混入しておけば、放電動作時の蛍光体層７からの二次電子放出を増大させる効果が得られ、放電電圧の低減に寄与することができる。また紫外発光蛍光体層７に可視蛍光体、例えば赤色蛍光体を少量混合した場合、不可視の紫外スペクトルの発光を赤色の可視発光によって確認することが可能となる。
紫外発光蛍光体層７として前述のガドリリュウム賦活蛍光体を用いた実施形態２のガス放電装置において、一対の長電極２と３の間に正弦波電圧を印加することにより、実施形態１の場合と同様のトリガ放電と長電極に沿った長距離放電との複合放電が繰り返され、それに伴って、蛍光体層７から３１１ｎｍの波長にピークを持つ紫外発光を１０ｍＷ／ｃｍ2の発光強度で、かつ4％Ｗ/Ｗの発光効率で得ることができた。
［実施形態３］
図５(a)及び(b)は、本発明の実施形態３としての平面光源の構成を示す平面図と横断面図である。
電極シート２０と電極シート３０がトリガ放電部を構成する間隙４０（ギャップ寸法Ｄｇ）を挟んで近接配置され、その上面に実施形態２で用いた横断面が長方形又は扁平楕円形のガス放電チューブ１０が例示的に６本平行に配列されている。
図５(a)及び(b)は、本発明の実施形態３としての平面光源の構成を示す平面図と横断面図である。
電極シート２０と電極シート３０がトリガ放電部を構成する間隙４０（ギャップ寸法Ｄｇ）を挟んで近接配置され、その上面に実施形態２で用いた横断面が長方形又は扁平楕円形のガス放電チューブ１０が例示的に６本平行に配列されている。
すなわち図４に示した紫外発光用のガス放電チューブ１０をそれぞれの長電極２と３をそれぞれ共通とした電極シート２０と３０の上に並べてフレキシブルな平面光源が構成されている。各放電チューブ１０の背面側の平坦面が電極シート２０と３０の面に良くフィットする。
電極シート２０と３０は、例えば、ポリイミド系樹脂やPET等の樹脂フィルムを共通の支持体８としてその上面にアルミ箔を張り付けた構成や、銅箔をパターンニングして形成されている。電極パターンは個々の放電チューブ１０に対応した線状の分割パターンとし、両サイドでそれぞれ共通接続するようにしてもよい。
因に、横断面における横方向の長径寸法２ｍｍとした長さ１００ｍｍの放電チューブ１０を共通の電極シート２０と３０の上に５０本並べることにより、１０ｃｍ四方の紫外発光平面光源を得ることができる。この平面光源は極めてシンプルな構成であり、かつ、長距離放電を利用して発光するので、極めて高い発光効率と輝度（発光強度）を得ることができる。この構成によれば電極シート２０と３０が背面側の有効放電領域の殆どを自動的にカバーして反射板の機能を呈するメリットもある。
また、上記のように構成した、例えば１０ｃｍ四方の平面光源を単位光源とし、複数個の単位光源をモザイク状またはタイル状に縦横隣接配置して大面積の紫外線照射装置を構成することができる。
この場合、モザイク配列の単位光源それぞれの電極端子を個別に導出して選択的に駆動電源に接続すれば、照射エリアを小面積の光源単位で選択可能となり特に医療用途等に有利である。この場合も、駆動電源としては上述と同様のDC電圧を正弦波に変換して昇圧する小型の電源が使えるので、全体として極めてシンプルで安価なユニット構成とすることができる。すなわちこの小型駆動電源回路は単位光源毎に正弦波電圧を印加する側の電極シート３０の支持体８の裏面に容易に実装して平面光源のモジュール化を行うことができる。
［実施形態４］
本発明によるガス放電装置の実施形態４を図６(a)、(b)に示す。この実施形態の特徴はトリガ放電部５０の構成にある。その他の構成は実施形態３（図５）と同等である。なお、ガス放電チューブ１０の内面に設けた紫外発光蛍光体層７は図示を省略している。
本発明によるガス放電装置の実施形態４を図６(a)、(b)に示す。この実施形態の特徴はトリガ放電部５０の構成にある。その他の構成は実施形態３（図５）と同等である。なお、ガス放電チューブ１０の内面に設けた紫外発光蛍光体層７は図示を省略している。
すなわち、図６(a)に示す縦断面図において、図の左手に延びる一方の長電極２のトリガ電極部２aの上部対向面にトリガ電極片３１が形成されている。更に、このトリガ電極片３１は接続導体４２により右手に延びる他方の長電極３に接続されている。かくしてガス放電チューブ１０を横断する対向放電セル構造のトリガ放電部５０が作られる。
ガス放電チューブ１０を複数本、例えば、６本並べて平面光源とする場合には、図６(b)のような構成となる。電極シート２０と３０は先に図５(a)を参照して説明した実施形態３のものと実質的に同じである。
ここでは、左方の電極シート２０の右端部に対向してガス放電チューブ配列の上面にチューブを横切る方向の共通のトリガ電極片３１ａが設けられ、接続導体４２ａで右方の電極シート３０に接続される。
トリガ電極片３１aは透明導電膜でもよいが、銀ペーストを筋状に塗布して形成してもよい。或は、紫外線透過性のアクリル系樹脂フィルム(例えば、カナセライト＃００１)の面上にトリガ電極パターンの導体膜をあらかじめ形成した形で、保護フィルムを兼ねてガス放電チューブ配列の上面にラミネートすることもできる。
トリガ放電部５０を対向放電セル構造としたこの実施形態４では、実施形態１又は２のようなガラス管１の長手方向に沿った面放電セル構造よりも、初期のトリガ放電開始電圧が低いものなるので、トリガ放電を確実に発生させることが可能となる。
この対向放電形式のトリガ放電が種火として近接したガス放電空間への空間電子の供給源となり、壁電荷を伴う長距離放電が正弦波電圧の上昇につれて順次管軸方向に延びていく動作は、実施形態１で説明した動作と同じである。上部に位置するトリガ電極片３１とそれに連なる右方の電極シート３０を接地電位とし、左方の電極シート２０に正弦波形の駆動電圧を印加して駆動する。
なお、トリガ電極片３１aは、必ずしも図６(a)のような一方の長電極の端部トリガ電極部２aに対向する位置に設ける必要はない。例えば、ガス放電チューブ１０の底面に設けた一方の電極シート３０の端部から他方の電極シート２０の端部に斜めに接近するようガス放電チューブ１０の側面に延長する線状導体片として形成してもよい。また主電極部の近接端の一方から他方の近接端に向かってトリガ電極片を形成することもできる。
因に、トリガ電極片３１aを設けた実施形態４の構造で、長径寸法２ｍｍ、長さ３センチのチューブを１ｍｍ間隔で１０本並べた3ｃｍ×3ｃｍ（９ｃｍ2）のガス放電装置を駆動するには、５Ｖの直流電圧(電池)を８０kHzの正弦波電圧に変換するインバータ回路と、この正弦波電圧をピーク電圧６５０Ｖまで昇圧する小型トランスとを含む出力２Ｗの市販の小型電源回路(例えば、エレバム社製 Ｓ−０５５８４型)で十分であった。
即ちこのトリガ電極片３１aを付設した構造では、さらに少ない消費電力で６ｍＷ／ｃｍ2、４％Ｗ／Ｗの効率的な紫外線発光が実現できた。このガス放電装置の有効放電面積は９ｃｍ2であるので、５０ｍＷを超える総出力の紫外線発光装置が実現された。
［参考例１］
図７(a)は、本発明の参考例１としてのガス放電装置を示す縦方向断面図、図７ｂはその平面図である。この参考例のガス放電装置の特徴は、対となる長電極２２と３２が１本のガス放電チューブ１０の上下対向面に設けられ、近接端部が重なりを持って対向放電セル構造のトリガ放電部５２を構成している点にある。ガス放電チューブ１０の内面の紫外発光蛍光体層７の図示は省略してある。
図７(a)は、本発明の参考例１としてのガス放電装置を示す縦方向断面図、図７ｂはその平面図である。この参考例のガス放電装置の特徴は、対となる長電極２２と３２が１本のガス放電チューブ１０の上下対向面に設けられ、近接端部が重なりを持って対向放電セル構造のトリガ放電部５２を構成している点にある。ガス放電チューブ１０の内面の紫外発光蛍光体層７の図示は省略してある。
すなわち、放電ガスを封入したガス放電チューブ１０の上部外面には左方の端部から中央に向けて延びる一方の長電極２２が設けられ、下部外面には右方の端部から中央に向けて延びる他方の長電極３２が設けられている。両長電極は中央部分にトリガ電極部２２a及び３２aとなる対向して重なる部分を有し、この部分のガス空間にトリガ放電部５２を形成している。
ガス放電チューブ１０を複数本並べて、平面光源を構成する場合には、図７(b)の平面図のように、複数本（ここでは６本）からなるチューブアレイを上下から各チューブの長電極２２，３２を共通化した電極シート２２ｂと電極シート３２ｂとで挟み込んだ形となる。発光面となる上側の電極シート２２ｂは放射光を取り出す点から透明導電膜または金属メッシュパターンで構成する必要がある。この構成は片方の電極による光の透過ロスが生じるので紫外光よりもむしろ可視光の平面光源に適したものとなる。
電極シート２２ｂも電極シート３２ｂもそれぞれ共通の支持フィルム上にあらかじめベタパターンまたはガス放電チューブの配列に沿ったストライプパターンで形成しておくのが好ましい。
参考例１の構成においては、トリガ放電部５２が対向放電形式であるので、初期トリガ放電を低い電圧でより確実に発生させることができる。また駆動電源との接続は、発光面側に位置する電極シート２２ｂを接地電位とし、背面側の電極シート３２ｂに正弦波交流電圧を印加するようにする。
この場合も実施形態４と同様に小型電源回路(エレバム社製 Ｓ−０５５８４型)で駆動することが可能であった。
この場合も実施形態４と同様に小型電源回路(エレバム社製 Ｓ−０５５８４型)で駆動することが可能であった。
［参考例２］
図８(a)、(b)は、それぞれ本発明の参考例２を示す光源用ガス放電装置の縦断面図と平面光源とした場合の裏側から見た裏面図である。この参考例２の特徴は、図４の長電極２，３に対応する複数対の電極セグメント２Ａ，３Ａを交互に一列に配置し、ガス放電チューブの長尺化を図った点にある。
図８(a)、(b)は、それぞれ本発明の参考例２を示す光源用ガス放電装置の縦断面図と平面光源とした場合の裏側から見た裏面図である。この参考例２の特徴は、図４の長電極２，３に対応する複数対の電極セグメント２Ａ，３Ａを交互に一列に配置し、ガス放電チューブの長尺化を図った点にある。
すなわち、図８(a)に示すように、１本のガス放電チューブ１０の背面側底面には図４の長電極２と長電極３とが複数の電極セグメント2A及び3Aとしてそれぞれトリガ電極の間隙４（寸法Ｄｇ）を挟むよう交互に分割配置されている。電極セグメント2A、3Aのそれぞれの長さELは実施形態１で述べたようにトリガ電極の間隙寸法Ｄｇの少なくとも３倍ある。
従って、本発明のガス放電装置では、従来大型ディスプレイ用のプラズマ・チューブ・アレイにおいて画素を構成していた表示電極対間の放電とは異なる形態の複合放電が発生する。この放電形態の違いは、電極の長さと、上昇過程の長い正弦波駆動電圧に起因してもたらされる。
参考例２においてガス放電チューブ１０を複数本並べて平面光源を構成した場合の裏側から見た裏面図が図８(b)に示される。ここでは、図８（ａ）に示すアルミ箔等からなる電極セグメント2Aと3Aが、それぞれカプトン(登録商標)又はPETのような図示しない支持フィルム上に各放電チューブ１０を横切る方向の共通セグメント電極20A、30Aとして交互に配置されている。また、複数の共通セグメント電極20Aと30Aは第1群と第2群としてそれぞれ接続導体20Bと30Bにより共通接続されてそれぞれ端子部20Cと30Cに導出されている。この場合、共通セグメント電極20Aと30Aは、各放電チューブに個別に設けた電極セグメント２Ａ、３Ａを図示しない支持基板上の配線導体で共通接続した構成とすることもできる。
かくして一方の端子20Cを接地電位に接続し、他方の端子30Cから電源ＡＣの正弦波交流電圧を印加することにより、放電チューブ毎に隣接する電極セグメント間隙でのトリガ放電と各電極セグメントに沿った長距離放電とが繰り返し発生し、全面に亘る紫外発光を得ることができる。
［実施形態の変形例］
参考例２における電極セグメントは、必ずしも図８(a)のようにガス放電チューブ１０の底面に一直線上に整列して設ける必要はない。変形例として、ガス放電チューブ１０の上面と下面とに電極セグメントを隣接端がオーバーラップする形で交互に設けることができる。この構成によれば、図７を参照して前述した参考例１の対向電極構造のトリガ放電部をガラス放電チューブの長手方向に複数有するガス放電装置を得ることができる。
参考例２における電極セグメントは、必ずしも図８(a)のようにガス放電チューブ１０の底面に一直線上に整列して設ける必要はない。変形例として、ガス放電チューブ１０の上面と下面とに電極セグメントを隣接端がオーバーラップする形で交互に設けることができる。この構成によれば、図７を参照して前述した参考例１の対向電極構造のトリガ放電部をガラス放電チューブの長手方向に複数有するガス放電装置を得ることができる。
或は、図８(a)の構成において、電極セグメントの一方に実施形態４の特徴として上述したトリガ電極片３１を付設してもよい。ガス放電チューブを長尺化した場合でもトリガ電極片による対向放電形式のトリガ放電部においてガス放電チューブ全長に亘る確実なトリガ放電を発生させることができる。
また、以上の実施形態では、放電ガスを封入する外囲器として細長いガラスチューブを使用したが、２枚の薄いガラスシートの間に密閉された放電空間を形成し、その外面にトリガ放電間隙を挟んで長手方向に延びる帯状電極を配置した構成とすることもできる。共通の放電空間の外側に帯状電極の対を平行に複数対並べることにより実質的に実施形態３と同様の平面光源を得ることもできる。
なお、上記実施形態においては、ガラス細管の外面に直接対となる長電極を設けた構成を例示したが、ガラス管壁の平滑さを補償する観点や、管壁保護の観点から絶縁層や絶縁フィルムを介して電極対を配設してもよい。因に、ガラス細管の外面にアルミ箔等から成るベタパターンの長電極を直接貼り付けて形成した場合、ガラス表面の微細な凹凸により接着面に気泡が介在し、駆動時に無用な気中放電が起こるおそれがあり、これを防ぐには薄いポリイミド系樹脂の絶縁テープ、例えばカプトン(登録商標)を介して電極を設けるのが好ましい。即ち、図５（ｂ）における電極支持シート８の裏側に共通電極２０と３０を配置し、ガラス細管と電極との間に薄い絶縁層が介在した構成をとることができる。
またガラス細管の表面保護のため、テフロン(登録商標)等の紫外線透過機能を有する耐熱性のフッ素樹脂等を細管表面にコーティングすることも可能である。これにより、ガラス細管の耐候性、耐衝撃性が向上し、応用面の拡大を図ることができる。この場合も、ガラス管外面上の電極対はガラス管表面に対してコーティング樹脂の絶縁層を介して間接的に設けられることになる。
１ ガラス管
２，３ 長電極
２Ａ，３Ａ 電極セグメント
２ａ，３ａ トリガ電極部
２ｂ，３ｂ 主電極部
４ 間隙
５ トリガ放電部
６ 主ガス放電部
７ 蛍光体層
８ 支持体
１０ ガス放電チューブ
２０，３０ 電極シート
２０Ａ 共通セグメント電極
２０Ｂ 接続導体
２０Ｃ 端子部
２２，３２ 電極シート
２２ａ トリガ電極部
３０Ａ 共通セグメント電極
３０Ｂ 接続導体
３０Ｃ 端子部
３１ トリガ電極片
３２ａ トリガ電極部
４０ 間隙
４２ 接続導体
５０ トリガ放電部
５２ トリガ放電部
ＡＣ 正弦波交流電源
２，３ 長電極
２Ａ，３Ａ 電極セグメント
２ａ，３ａ トリガ電極部
２ｂ，３ｂ 主電極部
４ 間隙
５ トリガ放電部
６ 主ガス放電部
７ 蛍光体層
８ 支持体
１０ ガス放電チューブ
２０，３０ 電極シート
２０Ａ 共通セグメント電極
２０Ｂ 接続導体
２０Ｃ 端子部
２２，３２ 電極シート
２２ａ トリガ電極部
３０Ａ 共通セグメント電極
３０Ｂ 接続導体
３０Ｃ 端子部
３１ トリガ電極片
３２ａ トリガ電極部
４０ 間隙
４２ 接続導体
５０ トリガ放電部
５２ トリガ放電部
ＡＣ 正弦波交流電源
Claims (8)
- 横断面において対向する前面側と平坦な背面側を備え、内部に放電ガスを封入したガラス細管からなる透光性の外囲器と、該外囲器の背面側平坦面の外側に設けた第１及び第２の電極を有し、前記第１及び第２の電極は、前記外囲器の背面側長手方向に沿った一線上において互いに近接した位置でトリガ放電部を構成する間隙を挟んで互いに離間する方向に延びる前記背面側平坦面に対向した電極パターンを有し、
更に、前記外囲器を、発光面となる前面側の厚さが３００μｍ以下の硼珪酸系ガラスの細管で構成し、発光面に対向する背面側の内側に紫外発光蛍光体層を設けたことを特徴とする紫外線発光用のガス放電装置。
- 横断面において対向する前面側と平坦な背面側を備え、内部に放電ガスを封入したガラス細管からなる透光性の外囲器と、該外囲器の背面側平坦面の外側に設けた第１及び第２の電極を有し、前記第１及び第２の電極が、前記外囲器の背面側長手方向に沿った一線上において互いに近接した位置でトリガ放電部を構成する所定寸法の間隙を挟んで当該間隙寸法の少なくとも3倍の長さで両端方向に延び、かつ前記背面側平坦面に対向して有効放電長の全長をカバーする一対の電極パターンを有し、
更に、前記外囲器を、発光面となる前面側の厚さが３００μｍ以下の硼珪酸系ガラスの細管で構成し、発光面に対向する背面側の内側に紫外発光蛍光体層を設けたことを特徴とする紫外線発光用のガス放電装置。
- 前記トリガ放電部を構成する間隙を挟んだ第１及び第２の電極の近接端部の一方に他方の近接端部と対向するトリガ電極片をさらに付設してなることを特徴とする請求項１または２に記載の紫外線発光用のガス放電装置。
- 横断面において対向する前面側と平坦な背面側を有し、内部に放電ガスを封入した透光性のガラス細管と、該ガラス細管の背面側平坦面の外側に位置する第１及び第２の電極とを有し、前記第１と第２の電極が、前記ガラス細管の背面側平坦面の長手方向に沿った一線上において互いに近接した位置でトリガ放電部を構成する間隙を挟んで互いに離間する方向に延びる前記背面側平坦面に対向した電極パターンを有するガス放電チューブを単位発光源とし、該単位発光源となるガス放電チューブを複数本平行に配置するとともに、前記各ガス放電チューブの第１と第２の電極対をそれぞれ電気的に共通接続してなり、
更に、前記各ガラス細管を、発光面となる前面側の厚さが３００μｍ以下の硼珪酸系ガラスで構成し、発光面に対向する背面側の内側に紫外発光蛍光体層を設けたことを特徴とする紫外線発光用のガス放電装置。
- 横断面において対向する前面側と平坦な背面側を有し、背面側平坦面の内面に紫外発光蛍光体層を設けるとともに、内部に放電ガスを封入した複数本のガス放電チューブと、該複数本のガス放電チューブを平行に配列してそれぞれの背面側平坦面を共通に支持する絶縁支持体とから成り、
前記絶縁支持体は、前記各放電チューブの背面側平坦面に共通に対向する第１及び第２の電極を備え、該第１と第２の電極は、各ガス放電チューブの長手方向に対して互いに近接した位置でトリガ放電部を構成する間隙を挟んで互いに離間する方向に延びる共通の電極パターンを有し、
更に、前記各ガス放電チューブを、発光面となる前面側の厚さが３００μｍ以下の硼珪酸系ガラスの細管で構成したことを特徴とする紫外線発光用の平面光源。
- 横断面において対向する前面側と平坦な背面側を有し、内部に放電ガスを封入した複数本のガス放電チューブと、該複数本のガス放電チューブを平行に配列してそれぞれの背面側平坦面を共通に支持する絶縁支持体とから成り、
前記絶縁支持体は、前記各放電チューブの背面側平坦面に共通に対向する第１及び第２の電極を備え、前記第１と第２の電極は前記絶縁支持体の一面に形成した金属箔からなり、かつ各ガス放電チューブの長手方向に対して互いに近接した位置でトリガ放電部を構成する間隙を挟んで互いに離間する方向に延び、実質的に有効放電領域の全体をカバーする各放電チューブに共通の一対のシートパターンを有し、
更に、前記各ガス放電チューブを、発光面となる前面側の厚さが３００μｍ以下の硼珪酸系ガラスの細管で構成し、発光面に対向する背面側の内側に紫外発光蛍光体層を設けたことを特徴とする紫外線発光用の平面光源。
- 前記第1及び第2の電極間に正弦波交番電源を接続し、前記のトリガ放電部で発生した放電が印加正弦波電圧波形の上昇過程において有効放電領域を定める第１第２電極対の両側延長端部へ拡大するように駆動することを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載のガス放電装置及び平面光源の駆動方法。
- 前記第1及び第2の電極の一方を接地電位とし、他方の電極にピーク電圧への上昇過程で前記トリガ放電部での放電を開始する正弦波交番電圧を印加することを特徴とする請求項７に記載のガス放電装置及び平面光源の駆動方法。
以上
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