JP6485780B2

JP6485780B2 - ガス放電発光装置

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Publication number: JP6485780B2
Application number: JP2017033534A
Authority: JP
Inventors: 篠田　傳; 傳篠田; 平川　仁; 仁平川; 粟本　健司; 健司粟本; 濱剛郭; 武文日▲高▼; 純一郎 ▲高▼橋
Original assignee: SHIKOH TECH CO., LTD.
Current assignee: SHIKOH TECH CO., LTD.
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: JP2017123340A

Description

本発明は、ガス放電発光装置に関する。

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）。さらに、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及び３参照）。

特許第５０７４３８１号特許公報特開２００４−１７００７４号公開特許公報特開２０１１−０４０２７１号公開特許公報

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。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、構成が簡単で、組み立てや修理がし易く、発光効率のよい光源用、特に、紫外光源用のガス放電発光装置を提供するものである。また、本発明は、発光管と電極部材とを独立のパーツとして構成したタッチコンタクト方式の新しい紫外発光用の平面光源を提供するものである。

簡単に述べると本発明は、ガラス細管からなる電極を持たない発光管組み立て体（アセンブリ）と、該発光管組み立て体に交番駆動電圧を印加する電極組み立て体（アセンブリ）とを互いに独立のパーツとして構成し、両者を着脱自在のタッチコンタクト形式で重ね合わせて新しい形式のガス放電発光装置を提供する考え方を骨子とするものである。

電極組み立て体の電極対は、その上に発光管が載置された状態で、該発光管の長手方向に放電間隙を挟んで両側に延びる長電極のパターンをもって絶縁基板の背面または表面に配置される。

対となる長い電極間に正弦波形またはランプ波形等の交番駆動電圧を印加した際、電圧の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が種火となり、その後、漸次電極の長手方向に向けて放電が拡張して発光管全長に亘る効率的な発光が得られる。

更に具体的に述べると、本発明の第1の特徴は、放電ガスを封入したガラス細管からなる発光管組み立て体と、絶縁基板上に少なくとも１対の放電電極を配置した電極組み立て体とからなり、該電極組み立て体の上に前記発光管組み立て体を離脱可能に載置したタッチコンタクト構成を特徴とするガス放電発光装置の構成にある。ここで、タッチコンタクトとは、両組み立て体が互いに物理的に面接触した状態で保持されることを意味する。

前記ガラス細管としては、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長くてもよい。

また、紫外光源を構成する場合のガラス細管には、石英ガラスよりも格段に安価でポピュラーな硼珪酸系ガラスを用いても、発光面となる表面側の管の肉厚を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。

電極組み立て体において、電極対を構成する第1及び第2電極は、その上に発光管組み立て体が載置された時、ガラス細管の長手方向に、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放電部を構成するとともに、両側延長部が主放電部を構成する長電極パターンを持って設けられる。この構成において、前記電極対が複数となるよう第1及び第2電極をガラス細管の長手方向に交互に直列配置することにより、発光管の長尺化に対応することができる。対となる長電極は、発光管の長手方向に沿って近接端部の間隙長の少なくとも３倍の長さを持つのが望ましい。

ガラス細管の内面には、キセノン混合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発光蛍光体層、または可視発光蛍光体層、或はそれらの混合蛍光体層が設けられ、所望波長の発光が得られる。

また、本発明によれば、上記ガラス細管構成の発光管を複数本平行に配列した発光管組み立て体と、各発光管に共通の電極対を備えた電極組み立て体とを重ねてフレキシブルな平面光源を構成することができる。発光波長の異なる複数の発光管を組み合わせて配列してマルチ発光波長の面光源を構成してもよい。

更に、本発明の第２の特徴に従うと、回路部品を搭載したプリント回路基板を主体とする駆動回路組み立て体と、内部に蛍光体層を備えて放電ガスを封入されたガラス細管からなる発光管を複数本並置した発光管組み立て体とを、それらの間に少なくとも１対の放電電極を備えた電極組み立て体を挟んで重ね合わせた光源モジュールの構成を有し、該発光管組み立て体と電極組み立て体とは、前記放電電極の対が前記発光管に対してその長手方向に沿った放電間隙を構成する近接端部から両側に延びる長電極パターンをもって対面するよう離脱可能に重ね合わされたタッチコンタクト構成を有するガス放電発光装置が提供される。

本発明によれば、発光管組み立て体はそれ自体では電極を持たず、また、電極組み立て体は絶縁基板上にアルミ箔のような導電膜をベタパターンで形成したシンプルな構成のガス放電発光装置が得られる。また、発光管組み立て体と電極み立て体とが独立に構成されており、しかも、発光管は電極組み立て体の対となる電極間隙を横切る方向に置くだけで放電間隙長が自動的に定まるので、組み立ては勿論、発光管の破損や劣化に伴う交換・修復が極めて容易となる。

更に、本発明は、ガラス細管からなる発光管に対して、その長手方向に沿って位置する長電極の対から交番駆動電圧を印加することにより発生する新しい形式の放電を利用するものであり、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等に比べて高効率で強い強度の紫外線発光を得ることができる。

また、複数本の紫外発光管を並べることにより容易に大面積で高出力の紫外平面光源を構成することができるので、水銀レスの紫外光源として医療用途や殺菌・滅菌用途、露光用途、植物育成照射用途など応用範囲が大幅に拡大する。

本発明によるガス放電発光装置の基本的構成を実施形態１として示す縦断面図と横断面図である。本発明によるガス放電発光装置の実施形態１の放電モデルを時系列的に示す模式図である。本発明によるガス放電発光装置の実施形態２による平面光源の構成を示す平面図と断面図である。本発明の実施形態３による大型平面光源の構成を示す平面図と要部断面図である。本発明の実施形態４による光源モジュールの構成を示す断面図である。本発明のガス放電装置の駆動回路の１例を示す回路構成図である。

以下、図面に示す実施形態を用いてこの発明を詳細に説明する。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、以下の実施形態では電極対を構成する放電電極を便宜上「長電極」と称するが、長さを限定的に表すものではない。なお、「タッチコンタクト形式」とは、電極の発光管に対する接続が物理的な固着を伴わない着脱自在の単純接触で行われる構造を意味するが、着脱可能な粘着構造やクランプ構造を除くものではない。

（実施形態１）
図１(a)、（ｂ）は、本発明によるガス放電発光装置の基本的構成を実施形態１として示す縦断面図と横断面図である。本発明のガス放電発光装置は、それぞれ独立したパーツ構成を有する発光管組み立て体（assembly）１０と電極組み立て体（assembly）２０とからなる。

発光管組み立て体１０は、内部にネオン（Ne）とキセノン（Xe）の混合ガスを封入して両端を気密封着したガラス細管１１からなる発光管１２を主体とし、発光管１２はガラス細管１１の背面側１１aの底部内面に形成された紫外発光蛍光体層１３を有する。本発明の特徴として、この発光管組み立て体１０は、管内にも管外にも電極を持たない細長いガラス管が主体である。

ガラス細管１１は、酸化珪素(SiO₂)と酸化硼素(B₂O₃)を主成分とする透明な硼珪酸系ガラスのパイプ状母材を外径５ｍｍ以下で肉厚が５００μｍ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。

ガラス細管１１の横断面は、図１(b)に示すように対向する平坦面を備えた扁平楕円形が好ましいが、円形や長方形、矩形または台形等とすることができる。ガラス細管１１の内面に紫外発光蛍光体層１３を形成して紫外光源用のガス放電デバイスを構成する場合、ガラス細管１１の発光面となる前面側１１b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。

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、ガラス管１１の前面側１１bの厚さに対して背面側１１ａ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細管１はガラス母材整形時の熱処理プロセスの制御で実現することができる。

紫外発光蛍光体層１３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２６３nｍまたは２７０nｍの紫外発光を得ることができる。

ガラス細管１１の内壁面への蛍光体層１３の形成には、周知の沈降法や溶液通過法を用いることができる。また、紫外発光蛍光体層１３に可視蛍光体、例えば赤色蛍光体を少量混合した場合、発光スペクトル幅を広げたり、不可視の紫外スペクトルの発光を赤色の可視発光成分によって確認したりすることが可能となる。

他方、図1の構成において、発光管組み立て体１０から独立したパーツを構成する電極組み立て体２０は、例えば、カプトンテープ(商品名)のようなポリイミド樹脂製の絶縁基板２１の上にギャップ寸法Ｄｇの間隙部２２を開けて配置された一対の細長い長電極２３と２４からなる。説明の便宜上、一方の長電極２３をＸ電極と称し、他方の長電極２４をＹ電極と称する。

電極組み立て体２０の上に発光管組み立て体１０が載置された状態で、対となる長電極の互いに隣接する近接端がトリガ電極部２３aと２４aを構成し、間隙部２２のギャップ寸法Ｄｇに対応した発光管１２内のガス空間にトリガ放電部１５が形成される。また、トリガ電極部２３aと２４aから両側に離間する方向に延びる延長部が有効長さＥＬの主電極部２３bと２４bを構成し、主電極部２３ｂと２４ｂの対応ガス空間が主ガス放電部１６となる。

Ｘ電極２３とＹ電極２４は、樹脂等のベースフィルム上に貼り付けた銅箔、アルミ箔等の金属導体箔でもよいし、蒸着法や印刷法などで直接形成した導電膜で構成してもよい。図１に示す実施形態１においては、絶縁基板２１の表側に長電極対が設けられているが、基板の裏側に電極を配置するようにしてもよい。発光管１２とＸ，Ｙ電極対２３、２４との間に絶縁基板を介在させた構成は、図３を参照する実施態様２において後述する。

発光管組み立て体１０が、電極組み立て体２０の上に離脱可能に載置されることにより、この発明のガス放電発光装置が完成する。細長い発光管１２は、電極組み立て体２０におけるＸ，Ｙ電極２３、２４に沿って間隙部２２を横切る（跨ぐ）方向に置かれるだけで動作可能となる。

両組み立て体間での厳密な位置合わせは必要ないが、載置状態を安定に保つために図示しない粘着手段または機械的クランプ手段が適宜設けられる。ギャップ寸法ＤｇとＸ，Ｙ電極２３、２４の有効長さＥＬ×２を合わせた範囲が有効発光領域となる。

図２は、図1に示したガス放電発光装置の放電モデルを時系列的に説明するための模式図である。一対のＸ，Ｙ電極２３、２４の間には、図２（ｂ）に代表して示すように、一方のＸ電極２３を接地した状態で、他方のＹ電極２４に正弦波交流電源ACを接続し、図２(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２３a、２４a間の放電開始電圧Ｖｄを超えると、トリガ放電部１５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Ｘ，Ｙ電極２３、２４の主電極部２３b、２４b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２３aと２４aに対応した発光管１２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１５での放電は停止する。

図２(b)、(c)、(d)、(e)は、図２(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(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。

この放電モデルから、タイミングｔ１においてトリガ電極部２３aと２４aの間隙部２２に対応するトリガ放電部１５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２３ｂ、２４bの延長方向に沿って主放電部１６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２（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なる。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。

その結果、トリガ電極部２３a、２４aのトリガ放電部５に加わる実効電圧が放電開始電圧を超えて図２（ｆ）に示すように再度トリガ放電が発生する。その後逐次、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２（ｇ）、（ｈ）に示すように主放電部１６に向けて放電が拡張する。そして、発光管１２の端部まで放電が拡張したタイミングｔ８においては図２（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）の電圧や立ち上がりの緩やかなパルス電圧を利用することもできる。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。或は正弦波駆動電圧を間欠的に印加し、印加時間幅やインターバルを調整することでも照射強度を調整することができる。

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Ｘ，Ｙ電極２３、２４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、前述のような蛍光体層１３を設けなくても、ネオン色発光装置または紫外線発光装置を得ることができる。

図１に示した実施形態１のガス放電発光装置の場合、ガラス細管１１は、直径が５ｍｍ〜０．５ｍｍの大きさで作成され、例えば、長径寸法２ｍｍ、短径寸法１ｍｍで肉厚１００μmの扁平楕円断面の細管とすることができる。

ここで、電極組み立て体２０における一対のＸ，Ｙ電極２３、２４の間隙部２２のギャップ寸法Ｄｇはトリガ放電の開始電圧を決定する重要な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Ｖｄは約９００Ｖとなる。

他方、対となるＸ，Ｙ電極２３、２４のトリガ電極部２３ａ、２４ａから両側へ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１５の損傷を招く危険がある。すなわち、トリガ電極部２３ａ、２４ａのギャップ寸法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は発光細管１の有効発光領域長（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Ｘ，Ｙ電極２３、２４の長さELは、それぞれトリガ電極部２３ａと２４ａとのギャップ寸法Ｄｇの３倍以上、好ましくは１０倍程度とし、例えば、ガラス細管１の有効発光領域長の全長が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のように長電極２３，２４を１対だけ設けた電極組み立て体２０に対応する発光管組み立て体１０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Ｘ，Ｙ電極２３，２４を交互に複数個直列配置する構成を採れば、更に長尺の発光管を持つガス放電発光装置を構成することが可能である。

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１５の放電開始電圧Ｖｄ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。なお、実際の駆動波形は、負荷が容量性であるので、立ち上がり、立下り時間の生ずることを考慮したパルス波形でも同様の動作を行うことができる。

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。

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。

因に、紫外発光蛍光体層１３として前述のガドリリュウム賦活蛍光体を用いた長径寸法２mm幅で有効発光領域５０ｍｍ長の発光管を主体とする実施形態１のガス放電発光装置において、一対の長電極２３と２４の間に周波数４０kHz、Ｐ−Ｐ電圧３０００Ｖの正弦波電圧を印加することにより、電極対近接端部間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、３１１ｎｍの波長にピークを持つ紫外発光を５ｍＷ／ｃｍ²の発光強度で得ることができ、その時の発光効率は２４％Ｗ/Ｗであった。

（実施形態２）
図３(a)及び(b)は、本発明の実施形態２としての平面光源の概略構成を示す平面図と横断面図である。
発光管組み立て体１１０は、複数本（図の場合６本）のガラス細管からなる発光管１１２から構成され、各発光管１１２が電極組み立て体１２０の上にタッチコンタクト形式で平行に載置されて平面構成のガス放電発光装置１００が提供される。

発光管組み立て体１１０における各発光管１１２は実施態様１の発光管１２と実質的に同じ構成を持つ。他方、電極組み立て体１２０は、図３（ｂ）に示すようにフィルム状の絶縁基板１２１の背面即ち下面に放電電極対１２３（Ｘ）と１２４（Ｙ）を備えている。対となる放電電極１２３及び１２４は、載置される複数本の発光管１１２に共通となるシート状のベタパターンを持ち、放電電極１２３と１２４の近接端部間に寸法Ｄgのギャップが設けられている。絶縁基板１２１には厚み２５〜５０μm程度のポリイミド樹脂フィルムが適し、電極材には厚さ１０μmほどのアルミ箔が好適である。

かくしてガラス細管からなる発光管１１２を、電極組み立て体１２０の絶縁基板１２１の上に、電極近接端部間の寸法Ｄｇのギャップを横切る方向で次々と並べて載置することで所定面積の平面光源が完成する。

この状態において、共通の電極対１２３，１２４は各発光管１１２の長手方向に対して実施形態１と同様の長電極対の配置関係を持ち、平面光源として同様の原理で共通に駆動可能となる。また、隣接する発光管１１２の間に適当なスペースＳＰを設けることにより、発光装置１００は、発光管１１２の配列方向にフレキシビリティを持ったものになる。

さらに、実施形態２の大きな特長は、複数本の発光管を並べて平面光源を構成することにある。従って、並置された各発光管は必ずしも同じ発光波長の蛍光体を備える必要はない。例えば、上述のような２種類の蛍光体を用いて発光波長３１１nmの紫外線と波長２６３nmの紫外線を発する2種類の発光管を作り、両者を所定の本数比率で配列することで、３１１nmと２６３nmの紫外線を任意のエネルギー比率で発光させる紫外線発光デバイスを作ることができる。

このようなマルチ波長の複合平面光源は、紫外線と可視光の組み合わせなど、応用分野に合わせて種々な組み合わせで構成することができる。また、発光スペクトルの異なる幾つかの発光管を用いたり、発光エネルギーの異なる発光管を適宜組み合わせることにより紫外線発光エネルギーの分布設計を容易に行うことが可能となるほか、さらにはその均一性を向上させることができる。

なお、発光波長の異なる発光管同士に対しては、対応する電極組み立て体の電極対パターンを発光管の長手方向に延長させて絶縁基板上で適宜共通化させることにより発光波長の選択駆動を行わせることができる。或は発光管毎の長電極対を個別に、または複数本の組にして導出し、間引き駆動やエリア選択駆動を行わせることもできる。

ところで、実施形態１のようにＸ，Ｙ電極対２３、２４がガラス細管１１の底面に直接コンタクトする構成では、駆動時にコンタクト面の縁辺部で管面に沿った不要な気中放電の発生する現象がみられることがある。

すなわち、長電極対の一方を接地して他方に正弦波電圧を印加して駆動する場合、印加電圧がピークに達した状態では、発光管内が全長に亘るプラズマにより実質的な導通状態となってピーク電圧に対応した電位となり、対向する電極の縁辺部で管外壁面に沿った予期しない気中放電が発生するものと考えられる。

このような沿面放電は、有害なオゾンの発生を伴うほか、無効な電力消費を行い、また、電極組み立て体や発光管の破損を引き起こし、安全上も好ましくない。

この点、実施形態２のように電極対１２３、１２４とガラス細管１１１との間に電極組み立て体１２０の薄いフィルム状絶縁基板１２１が介在する構成においては、各ガラス細管の下部側縁に沿った無用な気中放電を効果的に防ぐことができる。また、電極組み立て体１２０の表面に電極対１２３、１２４は露出しない構成となるので、発光管交換時などでの感電の危険も生じない。

（実施形態３）
図４は本発明による実施形態３としての大型平面光源の構成を示す平面図と要部断面図である。この実施形態においては、複数対の放電電極が配置された電極組み立て体２２０の上に、長尺のガラス細管でできた発光管を複数本ずつの発光管ユニットとした発光管組み立て体２１０をタッチコンタクト形式で載置した構成のガス放電発光装置が提供される。なお、図４(a)に示す平面図と、同(b)、(c)に示す断面図において、各部材の寸法は図示の便宜上対応しない大きさで描かれている。

発光管組み立て体２１０は、図４(b)の横断面図に示すように、この場合、発光管２１２を例示的に３本ずつのグループとした複数の発光管ユニット２１８をもって構成されている。各発光管ユニット２１８は、それぞれカプトンテープ(商品名)のような薄い絶縁シート２１９を基板としてその上に平行に配列されている。この状態で発光管組み立て体２１０にはどこにも電極は付いていない。

他方、電極組み立て体２２０は、図４(c)の縦断面図に示すように、この場合２対のＸ，Ｙ電極対２３１、２３２を破線(図４a)で示す非放電間隙を隔てて絶縁基板２２１の上表面に配置した構成を持つ。２対の電極のトータルの配置幅が上記発光管組み立て体２１０の各発光管２１２の長さに対応した有効発光領域長に対応する。

また、各Ｘ，Ｙ電極対２３１、２３２は、短冊状（セグメント状）に切り分けたアルミや銅の金属箔導体を絶縁基板２２１の上に張り付けて作られたＸ電極片３１Ｘ、３２ＸとＹ電極片３１Ｙ、３２Ｙからなり、それぞれ全ての発光管ユニットの発光管２１２を共通に横切る長さを有する。

先の実施態様１と同様に各電極対のＸ電極片３１Ｘ、３２Ｘ，Ｙ電極片３１Ｙ、３２Ｙは発光管２１２を横切る方向に細長いけれども、その幅は個々の発光管２１２に対しては管径よりもはるかに広く、各発光管との交差位置において長手方向に沿った長電極対として機能する。

上記の構成においては、発光管２１２を複数本、この場合３本ずつグループ化した発光管ユニット２１８で発光管組み立て体２１０を構成したが、勿論、全ての発光管を共通の絶縁シート２１９の上に貼り付けて発光管組み立て体を構成してもよい。しかしながら、図４(ｂ)のように数本または数十本ずつの発光管をグループ化したユニット構成とすることにより、組み立てや修復・交換が容易となるほか、発光面サイズの変更にも容易に対応可能となる。

なお、発光管組み立て体２１０を構成する各発光管ユニット２１８は、その支持体となる絶縁シート２１９の下面が電極組み立て体２２０のＸＹ電極対２３１、２３２の上に接する状態で離脱可能に載置されるが、載置状態を保つ上での粘着手段や機械的クランプ手段の使用を排除するものではない。また図４の構成において、電極組み立て体２１０は絶縁基板２２１の表側に電極対２３１、２３２を配置しているが、電極対は絶縁基板の裏側に設けても良い。この場合、発光管２１２と電極対との間には発光管組み立て体支持用と電極組み立て体支持用との２枚の絶縁シートが介在することになるが、いずれも５０μm程度乃至はそれ以下の薄いフィルムなので、交番駆動電圧の印加に問題は生じない。

図４(a）に示すように、実施形態３のガス放電発光装置では、電池ＢＴのようなＤＣ電源を共通の電源とし、２つのＸ，Ｙ電極対２３１、２３２をそれぞれ別々の駆動回路２４１、２４２に接続して駆動が行われる。各駆動回路は図６を参照して後述するようなインバータ回路と昇圧回路を含み、対となる一方のＹ電極片３１Ｙ、３２Ｙに正弦波駆動電圧を印加する。各電極対の他方のＸ電極片３１Ｘ、３２Ｘは、接地電位に保持される。

無論、２つのＸ，Ｙ電極対２３１、２３２のＹ電極片３１Ｙ、３２Ｙ同士を共通接続して単一の駆動回路で駆動することも可能である。しかしながら、図示したような分割駆動構成をとることにより、規格化された小型で安価な駆動回路を必要個数組み合わせて任意の発光面サイズの発光装置に対応することができ、部品の標準化の面で有利である。

また、複数の電極対を配列して長尺の発光管を駆動した場合、隣接する電極対相互間に放電のデッドスペースができ、この部分での輝度低下が避けられない。この点、個別の駆動回路から印加する正弦波駆動電圧の位相を互いに異ならせて各電極対を駆動すれば、発光管の管軸方向の輝度分布を均一化する上で効果的である。勿論、反射鏡や拡散板などの光学手段を利用して周辺部または非放電部の輝度分布を均一化することも可能である。

更に、輝度分布を均一化する上からは、Ｘ電極片３１Ｘ、３２ＸとＹ電極片３１Ｙ、３２Ｙを交互に等間隔で平行に配置し、隣接する電極片の組み合わせを所定の周期で上下交互に組み替えて隣接電極片同士が同相で、電極片の組相互間に駆動電圧が印加されるように駆動することも効果的である。このような駆動方式によればＸＹ電極片の奇数間隙と偶数間隙の全てに対応して長尺の発光管の全長に亘る隙間のない放電を交互に行わせることができる。

１例として、長径寸法２ｍｍで有効放電領域長２０ｃｍの発光管２１２を１０本ずつ共通の絶縁シート上に並べた幅２ｃｍの発光管ユニット２１８を作成し、これを１０ユニット準備した。他方、共通の絶縁基板２２１の上に１対の電極配置幅を１０cmとした長さ２０ｃｍのセグメント状ＸＹ電極片３１Ｘ、３２Ｘと３１Ｙ、３２Ｙを２対配置して電極組み立て体２２０を作成した。

このような電極組み立て体２２０の上に、各発光管が対となる電極片間のギャップを横切る方向で１０個の発光管ユニット２１８を重ねることにより、２０×２０ｃｍの有効発光面を持つ平面光源を構成することができた。

実施形態３の大型平面光源は、図４に示した分割駆動方式により、効率的に駆動することができる。各駆動回路は図６の構成を有する。

（実施形態４）
図５は、実施形態４として駆動回路を一体化した光源モジュール（ガス放電発光装置）３００の模式的断面図である。この光源モジュール３００では、駆動回路組み立て体３３１を構成するプリント基板３３２の上に衝撃吸収層３３３を介して電極組み立て体３２０が置かれ、発光管３１２からなる発光管組み立て体３１０がその上に重ねて配置され、全体として外枠またはケース３３４に収容されている。発光管組み立て体３１０は実施形態３で述べたように複数本又は全部の発光管を支持基板上に配列したユニット構成であってもよい。

なお、電極組み立て体３２０は、絶縁基板３２１とその下面に設けられたＸ電極３２３とＹ電極３２４から構成される。外枠またはケース３３４は上記３つの組み立て体を所定の位置関係に保持するためのクランプ手段３３５を備えている。また、この光源モジュール３００の前面には、発光管３１２の上面を覆う形で光透過性の保護板３３６が設けられている。

衝撃吸収層３３３としては、シリコンコンパウンドやシリコンシートのように熱伝導率が高く、衝撃吸収性を持った柔軟な絶縁材料が好適である。また、保護板３３６としては紫外線透過率の良好なアクリル系またはフッ素系の樹脂フィルム又は薄板が用いられる。プリント基板３３２には、後述する駆動回路組み立て体３３１の構成部品３３7が搭載されている。

プリント基板３３２の上面左右には電極組み立て体３２０の一方のＸ電極３２３及び他方のＹ電極３２４とコンタクトする１対のＸ給電端子３４３とＹ給電端子３４４が設けられている。Ｘ及びＹ電極３２３、３２４と対応するＸ及びＹ給電端子３４３、３４４とのコンタクトはＤＣ回路のような固着接続を必要とするものではない。

駆動電圧が数１０ＫＨzの交番電圧なので両者を重ねただけのタッチコンタクト形式で駆動回路組み立て体３３１から電極組み立て体１２０を通して発光管組み立て体３１０への駆動電圧の供給がロスなく行われる。駆動回路組み立て体３３１と電極組み立て体３２０と発光管組み立て体３１０とはいずれもタッチコンタクト形式で組み立てられており、それらの間に半田付けのような固着はなされていない。従って、発光管組み立て体３１０はこの光源モジュール３００から簡単に離脱可能である。

駆動回路組み立て体３３１は正弦波駆動電圧を発生して発光管組み立て体３１０を駆動する。一方のＸ給電端子３４３を接地側としてＸ電極３２３に接触させ、他方のＹ給電端子３４４からＹ電極３２４に正弦波駆動電圧を供給することにより、先に述べたような動作原理の放電発光を得ることができる。

電極組み立て体３２０の表面には絶縁基板３２１があり、Ｘ及びＹ電極３２３、３２４は露出していない。従って、発光管の位置調整や交換時において電極に直接触れて感電するような危険も生じない。

因に、長軸径２ｍｍ、短軸径１ｍｍの扁平楕円断面形状を有する有効放電領域の長さ１０ｃｍのガス放電発光チューブ１０を１ｍｍ間隔で３０本並べた構成の発光管組み立て体を用いることにより、発光面積９０平方ｃｍの平面光源モジュール３００を構成することができる。

また、発光管となるガラス細管１１の直径は最大でも５ｍｍであり、衝撃吸収層３３３と、回路部品３３７を搭載したプリント基板３３２と、前面保護板３３６とを合わせても光源モジュール３００全体の厚さは数ｃｍ程度のものとなる。

すなわち、この光源モジュール３００を駆動するにはピークツウピーク電圧が数千ボルトで周波数が数１０kHzの正弦波駆動回路が必要であるが、発光管３０本程度であれば後述する数ワット規模の小型インバータ電源で駆動できるメリットがある。

この規模のインバータ電源回路は昇圧用の変圧器を含めても高さ１ｃｍ以下に収まり、従ってケース３３４の大きさは、厚さ１ｃｍ余りで９×１０ｃｍ四方程度の小型のものとなる。

図６は、駆動回路組み立て体３３１の回路構成の一例を示す回路図である。インバータ回路部INVに入力プラグPL1を介してＤＣ６−１８Vの範囲で電圧を設定可能なＤＣ電源（電池）BTを接続する。

インバータ回路部INVは、トランジスタQ1、Q2、コイルL1、抵抗R1、R2およびコンデンサC1からなる。インバータ回路部INVの交番出力は昇圧トランスTFの２次巻き線から出力プラグPL2に取り出される。各回路部品の回路定数を適宜設定することにより、出力プラグPL2には正弦波交番高電圧が得られ、発光管３１２に対向して位置するＸ電極３２３とＹ電極３２４の間へ印加される。

正弦波電圧の周波数はコンデンサC1の容量を可変することにより１０kHz〜８０kHzの範囲で調整することができ、また正弦波出力電圧のピーク値は電池BTの電圧を変えることにより１０００V〜８０００Vの範囲で調整することができる。また図示していないけれども、インバータ回路INVと昇圧トランスTFの間にゲート回路を設けて、発光管３１２に供給される正弦波駆動電圧を任意のデユ―ティサイクルで断続的に印加するようにしてもよい。印加時間幅とデユ―ティ比を調整することにより発光出力の強度を安定的に調整することができる。

図６に示した駆動回路においては、昇圧トランスTFの出力ラインに通常設けられる電流制限用のコンデンサが無い点が注目される。昇圧トランスの一方の出力ラインが、Ｘ給電端子３４３との接触コンタクトを通して電極組み立て体３２０のＸ電極３２３を接地電位にキープする一方、他方の出力ラインからの正弦波駆動電圧がＹ給電端子３４４との接触コンタクトを通してＹ電極３２４に供給される。発光管組み立て体３１０は駆動回路組み立て体３３１に対して完全な容量性負荷となるので、出力コンデンサを省くことにより無用な電力損失を解消することができる。

なお、プリント基板３３２には、駆動回路組み立て体３３１を構成するコイルやコンデンサ、トランス等の回路部品３３７が搭載されている。プリント基板３３２は搭載部品を下方に向けた形でケース３３４の中に収納固定され、プリント基板３３２の上方に電極組み立て体３２０と発光管組み立て体１１０が順次重ねて載置されている。

また、電源となる電池BTはケース３３４の中に電池収容部を設けて収容してもよいし、或は、プリント基板３３２から電源接続ライン引き出して外部電源に接続するようにしてもよい。また電源は電池以外に商用電圧を変換するＤＣ電源を用いてもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明は、それ自体が電極を持たない発光管を主体とした発光管組み立て体と、発光管に駆動電圧を印加する電極組み立て体とをそれぞれ独立のパーツとして構成し、両者をタッチコンタクト形式で組み合わせてガス放電発光装置を構成することを特徴とする。この構成は、図２を参照して述べた長電極対間での特殊なＡＣ複合放電形式を採用したことにより初めて可能となるものであり、従来の放電管とは原理的に異なるものである。

本発明のガス放電発光装置においては、電極を持たないシンプルな発光管を部品として用意しておくだけで、発光管の破損や劣化に際して低いコストで容易に対応することができる。また本発明を用いることにより、ＬＥＤ等に比して面積当たりの発光強度の高い平面状の紫外発光を効率よく得ることができる。

１０：発光管組み立て体
１１：ガラス細管
１２：発光管
１３：蛍光体層
２０：電極組み立て体
２３：Ｘ電極
２４：Ｙ電極
２１：絶縁基板

Claims

内部に紫外線を発光する放電ガスを封入した肉厚３００μｍ以下のガラス管からなる発光管を主体とする発光管組み立て体と、絶縁基板上に放電間隙を構成する隙間を挟んで両側に延びる少なくとも１対の放電電極を配置した電極組み立て体とからなり、前記電極組み立て体の上に前記発光管組み立て体を前記発光管が前記隙間を横切る方向に配置し、かつ前記発光管組み立て体は前記電極組み立て体から離脱可能に配置されていることを特徴とするガス放電発光装置。
前記紫外線を発光するガスがネオンとキセノンの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載のガス放電発光装置。
前記紫外線が真空紫外線であり、前記ガラス管が肉厚３００μm以下の硼珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１又は２記載のガス放電発光装置。
前記発光管組み立て体が複数本の発光管を平行に配列した構成を有し、前記電極組み立て体が前記複数本の発光管に対して共通の放電電極対を有することを特徴とする請求項１，２及び３項の何れか１項に記載のガス放電発光装置。
前記ガラス管内に蛍光体層を有し、ガス放電による紫外線発光と蛍光体層による発光とを含んだ波長域の光放射を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガス放電発光装置。
互いに独立のパーツとして構成された、内部に紫外線を発光する放電ガスを封入した肉厚３００μｍ以下のガラス管からなる発光管と、絶縁基板の一面に放電間隙を構成する隙間を挟んで設けられた少なくとも１対の放電電極を有する電極組み立て体とからなり、前記発光管が前記電極組み立て体の上に前記隙間を横切る方向に配置され、かつ前記発光管は前記電極組み立て体から離脱可能に配置され、更に前記少なくとも１対の電極間に交番駆動電圧を印加する駆動回路を接続して成ることを特徴とするガス放電発光装置。
前記駆動回路が交番駆動電圧を間欠的に印加できることを特徴とする請求項６記載のガス放電発光装置。
前記発光管を構成するガラス管が発光面となる前面側と、該前面側に対向する背面側とを有し、背面側の肉厚が前面側の肉厚よりも厚いことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のガス放電装置。
前記発光管が発光面となる上面と、該上面に対向する背面を有し、前記上面を光透過性の樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のガス放電発光装置。