JP2000353494A - 低圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希ガス放電ランプの構造及び点灯制御方法を
特定して、紫外放射効率、及び蛍光体を介しての可視放
射効率の極大化をはかること。 【解決手段】 複数の電極２１〜２９とそれを被膜する
誘電体３並びに酸化マグネシウム膜４を有したガラス基
板１を相対向させ、これに制御パルス発生装置によリ複
数の電極に個別に位相差パルス電位を印加し、沿面放電
を含む誘電体バリア放電により、希ガスの効率的な発光
を促す最適点灯制御を行うものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体バリア放電
を誘起する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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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。

【０００６】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。

【０００７】本発明が解決しようとする課題は、上記問
題点を解決するため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。

【０００８】

【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膜に個別にパルス
電位を印加することによって、希ガスの効率的な発光を
促す最適点灯制御を実現するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て説明する。

【００１０】図１は本発明の第１の実施の形態を示す図
であって、ガラス基板１には一定距離をおいて電極２
１，２３，２５，２７，２９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４、蛍光
体５の順に塗布される。

【００１１】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させた放電ランプで、
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。

【００１２】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
ア放電また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。

【００１３】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、例えば中性原子・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温度の増大による前者と同
様のロスが生ずる。

【００１４】これにより、適切なエネルギー準位、例え
ばXe*やXe**への励起確率が最大となるように電気エネ
ルギーの時間印加特性を特定し、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。

【００１５】一方、Xe2の２原子分子においては、Xe*や
Xe**のエネルギー準位を経て、主に３体衝突等により２
原子分子を構成し、Xe*より低準位のXe2*にシフトして1
72nmや158nmの分子発光、すなわちエキシマ発光が観測
される。この場合も、Xe*やXe**の励起効率が最大とな
るように電気エネルギーの時間印加特性を特定すること
が効率向上の上で重要となる。

【００１６】上記の誘電体バリア放電は、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100μｍのオ−ダで観測される。

【００１７】この放電箇所ないし放電点は、一般的な誘
電体バリア放電ではランダムに発生するが、本実施形態
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１００μｍ程度に最適化すれば、放電点の密度を
上げながら電子温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。ここで、ＭｇＯ膜４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。

【００１８】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１
４７ｎｍよりも１７２ｎｍで高くなる。

【００１９】さらに、励起波長が可視発光域に近づけ
ば、ストークスシフトによって発光効率が高くなること
が知られている。これにより、Xeガス放電時の発光を１
４７ｎｍの原子発光から２原子分子発光、すなわち１７
２ｎｍ発光に変換する方が発光効率（ｌｍ／Ｗ）は格段
に増大するのである。

【００２０】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、誘電体バリア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誘電体バリア放
電の起こる確率が高くなり、全体の発光効率が上昇す
る。

【００２１】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。

【００２２】図２はこれらのパルス電圧の印加方法とタ
イムフロ−を表し、図２（a）は電極の相対位置とパル
ス印加結線図を、図２（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。ただし、ここで示す印
加電圧Ｈとはパワー電圧が印加される期間を表すもの
で、このＨの期間にＤＣの他に正弦波や矩形波などのＡ
Ｃの電圧を印加してもよいことを表す。

【００２３】図２（b）において、時刻t10とt11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。同様
に、時刻t11とt20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。

【００２４】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。

【００２５】また、電極２２に注目すれば、時刻t11か
らt21までの間においてＨレベルを維持しつつ、電極２
３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からt31までの間においては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。

【００２６】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、誘電体バリア放電の放電環境を安定かつ
均一に整えることができる。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】上記には誘電体バリア放電が主に対向電極
間で生ずる場合について述べてきたが、広義の誘電体バ
リア放電には、隣接電極間での放電、すなわち沿面放電
が含まれる。これは、対向する電極間距離に比べて隣接
電極間距離を縮めることにより、対向電極間の放電の前
に沿面放電を起こさせて放電空間を立体化するもので、
これによって放電箇所の密度を上げ、ランダム発生の場
合に比べてエキシマ発光の効率を高めようとするもので
ある。以下にこの実施形態について説明する。

【００３０】図２（ｂ）において、電極２４は電極２２
と逆位相となっているが、今この電極２４の立ち下がり
時刻をΔｔだけ早めてみる。

【００３１】例えば時刻t11の少し前に電極２４の電位
をＨからＬにシフトする。このあと時刻t11になって電
極２２がＬからＨに立ち上がったとき、隣接の電極２４
と対向する電極２３は共にＬレベルにある。

【００３２】このとき、対向する電極間距離に比べて隣
接電極間距離を小さくしておけば、電極２２はまず隣接
電極２４との間で沿面放電をおこし、すぐに対向電極２
３との放電に移行する。

【００３３】これによって、放電経路の立体化がはから
れ、電極２４の早期立ち下げにともなう電極２４と２３
の間の放電期間短縮によって生ずる放射束低下分以上の
放射束の増大が見込まれ、発光効率が向上する。

【００３４】同様に、電極２１、２２，２３において
は、それぞれ時刻t20,t21,t30のΔｔ前の時刻に印加電
圧をＨからＬに落としておく、いわゆる「隣接電極の反
転位相パルスの立ち下げにΔｔの時間進みを設ける」こ
とによって、対向電極間との誘電体バリア放電の前にそ
れぞれ隣接電極間との沿面放電を起こさせることができ
る。

【００３５】このΔｔは、０から大きくしていくとはじ
め紫外放射効率は上昇するが、一定値を越えると低下し
ていく。このため、紫外放射効率が極大となるΔｔを求
め、それぞれの放電空間構造に応じてこの値を固定する
ことが重要となる。

【００３６】上記の実施形態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の実施の形態をあげて説明する。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。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。

【００４１】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。

【００４２】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。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。

【００４３】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、誘電体バリア放電の生ずる放
電点をマトリックス状に制御できる。放電点は、一般的
な誘電体バリア放電ではランダムに発生するが、本実施
形態では、格子状に放電点を限定することができる。

【００４４】このため、ある放電点において放電終了後
に残った残留電荷は、一周期をおいて再び逆方向に加速
されてイオンとの衝突回数が増大して放電効率の上昇に
寄与する。これにより、誘電体バリア放電において高効
率のエキシマ発光を作り出す放電環境を整えることがで
きる。

【００４５】この実施形態の場合も、誘電体バリア放電
が主に対向電極間で生ずる場合について述べてきたが、
広義の誘電体バリア放電には、隣接電極間での放電、す
なわち沿面放電が含まれる。

【００４６】これは、対向する電極間距離に比べて隣接
電極間距離を縮めることにより、対向電極間の放電の前
に沿面放電を起こさせて放電空間を立体化するもので、
これによって放電箇所の密度を上げ、ランダム発生の場
合に比べてエキシマ発光の効率を高めようとするもので
ある。

【００４７】図３をもとに、沿面放電を含む誘電体バリ
ア放電を起こす方法について説明する。図３において、
横電極Ｐ１，Ｐ２への電圧印加パターンを考える。

【００４８】いまＰ１がＨからＬの状態にシフトする時
刻を前記と同様Δｔだけ早める。この状態をＰ１１とす
ると横電極の奇数、偶数は共にＬの状態にある。次にＰ
２に移って偶数電極がＬからＨに立ち上がったとき、対
向する電極間距離にくらべて隣接電極間距離を小さくし
ておけば、偶数の横電極はまず隣接の奇数電極との間で
沿面放電をおこし、すぐに対向のＬ電極との放電に移行
する。

【００４９】これによって、放電経路の立体化がはから
れ、奇数横電極の早期立ち下げにともなう対向電極間の
放電期間短縮にともなう放射束低下分以上の放射束の増
大が見込まれ、発光効率が向上する。このことは、縦電
極のパターンであるＰ３からＰ４へのシフトについても
同様にＨからＬにΔｔだけ早く落とすことによって実現
できる。

【００５０】なお、上記実施形態において、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。

【００５１】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態に近づく。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。

【００５２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、低圧希ガ
ス放電ランプを点灯する際、複数の隣接及び対向電極の
空間的構造を特定し、これに応じて位相の異なる複数の
パルスを隣接並びに対向する電極に対して時間・空間的
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147nmより長波長
の172nm紫外放射を利用して、この紫外域で高い発光効
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実用的な価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における低圧放電ラ
ンプの構造を表わす図

【図２】（a）第１の実施の形態における電極の相対位
置とパルス印加結線図 （b）同印加パルスのフロ−チャ−ト

【図３】本発明の第２の実施の形態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の実施の形態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 酸化マグネシウム膜 ５ 蛍光体 ６ 基板支持枠 ２１〜２９ 複数の電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪野原 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 重田 照明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (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 (72)発明者 青野 正明 愛媛県北条市光洋台５−13 Ｆターム(参考） 3K082 BA04 CA31

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に平行に設置された複数の電極と、
   前記電極を覆う誘電体と、前記誘電体を覆う蛍光体とが
   基板支持枠で対向して設置され、双方の電極が平行かつ
   互いに千鳥配置の構成をとり、かつ、対向電極間よりも
   隣接電極間の距離を短くし、沿面放電のあとに誘電体バ
   リア放電を誘起する構造をもつ低圧放電ランプ。
2. 【請求項２】ある電極に印加されるパルス電圧の位相が
   対向する２つの電極のもつパルス電圧の中間位相にあっ
   て、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、かつ隣接電極の反転位相パルスの立ち
   下げにΔｔの時間進みを設けてなる請求項１記載の低圧
   放電ランプ。
3. 【請求項３】基板支持枠を挟んで対向するガラス基板上
   の電極の長さ方向が互いに直交し、かつ、対向電極間よ
   りも隣接電極間の距離を短くし、沿面放電のあとに誘電
   体バリア放電を誘起する構造をもつ低圧放電ランプ。
4. 【請求項４】ある電極に印加されるパルス電圧の位相が
   対向する電極のもつパルス電圧の中間位相にあって、前
   記電極の位相に対して±１／４シフトした位相で駆動さ
   れ、かつ、隣接電極の反転位相パルスの立ち下げにΔｔ
   の時間進みを設けてなる請求項３記載の低圧放電ラン
   プ。