本発明の第1の形態によれば、放電用媒質を 充填したガラス管の両端部の外壁面に外部電 極を配置し、前記外部電極間に高周波電圧を 印加するから、放電用媒質が高周波電圧でイ オン化されて電子と陽イオンが生成される。 前記電子は外部電極から注入されず、ガラス 管内の放電用媒質から生成されるものであり 、ガラス管外の外部回路とガラス管内の内部 回路とが電子的に完全に遮断された独立回路 となる。電子が外部回路から供給されないか ら、陰極電圧降下は生じず、電力の無駄な消 耗が無くなり、低電力節電型の蛍光放電灯管 を提供できる。ガラス管内に内部電極が無い から、金属電極の消耗やガラス管内壁面への 金属スパッタリングが無くなり、超長寿命化 を達成できる。前記放電用媒質とは、例えば ArガスとHg滴(加熱によりHg蒸気)である。
 本発明の高周波電圧とは、Ar等の放電用媒� �を効率的に電離又は励起させることができ� �電圧を意味しており、その振幅・周期・波� �は通常の電子工学的定義に特段に限定され� �ものではないことは云うまでもない。高周� �電圧の印加によりArはイオン化されてAr ⁺ とe ^- に電離する。電子e ^- は外部電極の陽極近傍のガラス管内に集積し て電子源となり、陽イオン(Ar ⁺ )は外部電極の陰極近傍のガラス管内に集積� �て陽イオン源(単にイオン源とも呼ぶ)となる 。前記電子源から供給される電子が高周波電 圧により陽イオン源へ進行し、その途中でHg� ��子を非弾性衝突により励起し、その基底遷� ��により放出される紫外線により蛍光膜から� ��視光が外部に放射される。衝突電子は陽イ� ��ン源の陽イオン(Ar ⁺ )と結合して中性の放電用媒質に戻る。従っ� �、放電用媒質はイオン化と再結合を反復す� �だけであり、放電用媒質の消耗は全く無く� �蛍光放電灯管の超寿命化を実現できる。
 本発明の外部電極型蛍光放電灯管は、外部� ��流が内部回路に供給されないから、外部消� ��電力は極限まで低減され、バッテリー電源� ��必要とする過疎部・山間部などでもバッテ� ��ー駆動による放電灯管の使用が可能になる� ��期的な放電灯管を提供できる。しかも、前� ��陰極電圧降下がないから、従来観察されて� ��た電極近傍の明暗の縞状模様が無くなり、� ��極近傍も全体的に明るく発光して照度の向� ��を図ることができる。
 また、従来から、蛍光放電灯管の両端が黒� ��み、発光がオンオフに点滅し始めると、蛍� ��放電灯管の寿命が消尽したとして、蛍光放� ��灯管を廃棄するのが常であった。しかし、� ��の廃棄される蛍光放電灯管でも、内部に封� ��されたArガスやHgなどの放電用媒質は全く異 常が見られないことが多い。本発明では、放 電用媒質に異常がない廃棄された蛍光放電灯 管でも、ガラス管の両端部の外壁面に外部電 極を配置して、前記外部電極間に高周波電圧 を印加するだけで、新品の蛍光放電灯管と同 程度に発光させる事が可能になり、放電蛍光 灯管のリサイクルを可能にすることができる 。

 本発明の第2の形態によれば、前記ガラス 管の前記両端部である縮径された小ガラス管 の外壁面に前記外部電極を配置できるから、 外部電極の取付の容易性と点灯電力の一層の 低減化が可能になる利点がある。小ガラス管 の直径はガラス管の直径よりかなり小さくで きるから、小ガラス管の外壁面に配置される 外部電極の面積は一層に小さくなる。小ガラ ス管の内壁面には蛍光膜を塗着するから、外 部電極の面積に対応した蛍光膜面積も小ガラ ス管では同様に小さくなる。この小面積化に 応じて、高周波電源回路に流れる高周波電流 も小さくなる。蛍光放電灯管の場合、消費電 力は高周波電源回路に流れる高周波電流と外 部電極に印加する実行電圧の積で評価される 。この評価は外部回路の消費電力であり、蛍 光放電管内で放電に関与する電力とは無関係 である。従って、高周波電流が小さくなれば 、点灯消費電力を低減化できることは明白で ある。

 本発明の第3の形態によれば、前記外部電 極が前記外壁面に成膜された導電膜電極であ るから、導電膜の形成容易性により電極製造 工程が単純化され、蛍光放電灯管の製造コス トを低減することができる。導電膜としては 、電極ペースト膜、物理蒸着膜、化学蒸着膜 、メッキ膜、その他の成膜方法による導電膜 が使用される。物理蒸着膜としては、真空蒸 着膜、スパッタリング膜、イオンプレーティ ング膜などがある。化学蒸着膜としては、CVD 膜、熱CVD膜、その他の化学導電膜がある。メ ッキ膜としては、電解メッキ膜、無電解メッ キ膜が利用できる。電極ペースト膜を具体的 に説明すれば、ガラス管又は小ガラス管の外 壁面に、Agペースト等の電極ペーストを所定� ��状に塗着し、電気炉中で焼成すれば、有機� ��が気散して金属分が導電膜として形成され� ��。前記導電膜は半田で形成してもよく、製� ��の容易さとコスト低減が実現できる。

 本発明の第4の形態によれば、前記外部電 極が、ガラス管又は小ガラス管の外壁面にコ イル状電極、リング状電極、点状電極又は小 面積電極を配置するだけで構成でき、電極構 造の多様化と電極構造の簡単化が実現できる 利点がある。コイル状電極は細電線をガラス 管の外周面に巻回したもので、発光強度はコ イルの巻数に多少依存するが、巻数を増やす と巻数依存性が無くなる傾向にある。リング 状電極は、ガラス管の外周面に金属リングを 外嵌した構造で、前記コイル状電極の先端自 由端を細電線に接触固定させた構造を含む。 前記コイル状電極やリング状電極は細電線か ら形成してもよいが、導電膜で形成してもよ いことは言うまでもない。点状電極はガラス 管に細電線を接触させて構成しても良いし、 ガラス管外壁面に導電膜を点状に成膜しても 良い。小面積電極はガラス管外壁面に導電膜 で形成すれば簡単に構成できるが、金属板を 配置しても良いし、細電線を平面状に多重巻 回して形成しても簡単に構成できる。

 本発明の第5の形態によれば、前記ガラス 管の内壁面に蛍光膜を塗着し、この蛍光膜を 連続して前記外部電極に対向した位置まで塗 着するから、電子源と陽イオン源を外部電極 位置の蛍光膜上に形成でき、外部電極間の全 域から放電発光させることが可能になる。蛍 光体は誘電体であり、陽極外部電極に対応す る蛍光体は-+に分極し、蛍光体表面に電子源� ��形成される。また、陰極外部電極に対応す� ��蛍光体は+-に分極し、蛍光体表面に陽イオ� �源が形成される。この電子源と陽イオン源� �間に内部放電回路が構成される。外部電極� �ガラス管又は小ガラス管の両端位置に配置� �れば、放電管の全領域から発光させること� �でき、従来の蛍光放電管灯と比較してガラ� �管全領域発光が可能になり、かなり明るい� �光灯を実現できる。

 本発明の第6の形態によれば、前記蛍光膜 の表面において、ガラス管軸方向に、PL蛍光� ��粒子とCL蛍光体粒子を交互に分散配置する� �ら、急速点灯とガラス管の全領域発光を可� �にした蛍光放電灯管を実現できる。負電荷� �持った蛍光体粒子として、光発光蛍光体(PL� �光体)が存在する。光発光蛍光体の粒子内部� ��存在する不純物には電子がトラップされて� ��り、このトラップされた電子に起因して内� ��持続分極 (PIP)が形成され、内部持続分極の 電子が蛍光膜表面に出現して前記負電荷を構 成する。前記電子源から取り出された電子を CL蛍光膜表面の表面伝導により加速し、前記� ��速電子の軌道を蛍光膜上の負電荷を持ったP L蛍光体粒子によりガス空間に曲げ、蛍光放� �灯管のガスを瞬時に点灯放電させる蛍光放� �灯管が実現できる。従って、加速電子を曲� �たい位置に光発光蛍光体を配置しておけば� �その位置の光発光蛍光体の負電荷が、前記� �速電子に対し曲げ作用を行う。蛍光体の選� �により、前記負電荷の大小を可変調整でき� �これにより蛍光膜上の表面伝導電子と放電� �スとの衝突を加速して、放電空間内の急速� �灯を実現でき、蛍光放電灯管に従来から存� �した遅延点灯を無くすことができる。

 負電荷を持たない蛍光体粒子には、電子� ��発光蛍光体(CL蛍光体)が含まれる。特に、低 電圧電子線発光蛍光体は表面汚染が少なく、 負電荷に帯電しない性質を有し、チャージア ップしない特性を有する。前記蛍光膜の表面 に負電荷を持たない蛍光体粒子(CL蛍光体)と� �電荷を持った蛍光体粒子(PL蛍光体)を交互に� ��置させて、前記蛍光膜表面の複数箇所で前� ��加速電子を前記負電荷を有した蛍光体粒子� ��より、電子をガス空間側に曲げる急速点灯� ��全面発光する高効率な蛍光放電灯管が提供� ��れる。本形態では、負電荷を持たない蛍光� ��領域ではクーロン反発力が発生しないから� ��蛍光膜を表面伝導する電子は加速される。� ��方、負電荷を持つ蛍光体領域では、加速電� ��はクーロン反発力により放電空間に曲げら� ��、放電ガスを強制的に放電させ、放電灯管� ��急速点灯する。しかも、本形態では、多数� ��負電荷領域が電子の表面伝導方向に点在す� ��から、放電灯管の多数領域で放電が生起し� ��放電灯管の全体が明るく発光することがで� ��る。換言すると、前記負電荷性蛍光体粒子� ��蛍光膜上に加速電子の進行方向に沿って多� ��点在させると、加速電子と負電荷とのクー� ��ン反発力により、多数の負電荷位置にて加� ��電子が放電空間中に強制的に曲げられ、加� ��電子と放電ガスとの多領域における全空間� ��突により放電空間全領域での放電が生起し� ��急速点灯と全空間点灯が同時達成できる放� ��灯管を実現できる。

 本発明の第7の形態によれば、前記蛍光膜 を、ハロ燐酸カルシウム白色発光PL蛍光体粉� ��電子線照射下で白色発光するCL蛍光体粉の� �合粉から形成するから、蛍光放電灯管の製� �コストを低減できる効果がある。即ち、ハ� �燐酸カルシウム白色発光PL蛍光体はクラーク 数が低い希少な希土類元素を用いないから、 蛍光体コスト低減できる。しかも、表面に負 電荷を有するハロ燐酸カルシウム白色発光PL� ��光体粉と表面に負電荷を有さないCL蛍光体� �の混合粉から蛍光膜を形成すると、必然的� �ガラス管軸方向の蛍光膜表面にPL蛍光体粒子 とCL蛍光体粒子が交互に無数に分散して存在� ��ることになる。無数のPL蛍光体粒子の位置� �その負電荷により伝導電子が曲げられて発� �し、その領域は蛍光膜の全面であるから、� �速点灯と全面発光が可能になる。

 本発明の第8の形態によれば、前記蛍光膜 を、希土類PL蛍光体粉とZnOからなるCL蛍光体� �の混合粉から形成するから、希土類蛍光膜� �使用した蛍光放電灯管の製造コストを低減� �きる効果がある。希土類PL蛍光体粉は表面に 負電荷を有する高性能のPL蛍光体粉であるが� ��近年の希土類元素物質の高騰により、希土� ��蛍光膜を使用した蛍光放電灯管の製造コス� ��は上昇しつつある。そこで、本形態では、C L蛍光体粉として、価格が比較的に安くて安� �したCL蛍光体であるZnO蛍光体を使用して、混 合蛍光体粉の製造コストを低減させることを 企図している。特に、ZnO蛍光体は紫外線によ り励起されてから発光するまでの減衰時定数 が極めて短いから高速発光が可能であり、30� �V以下の低電圧でも明るいCLを発光する特性� �有する。しかも、表面に負電荷を有する希� �類PL蛍光体粉と表面に負電荷を有さないZnO蛍 光体粉の混合粉から蛍光膜を形成すると、必 然的にガラス管軸方向の蛍光膜表面にPL蛍光� ��粒子とCL蛍光体粒子が交互に無数に分散し� �存在することになる。無数のPL蛍光体粒子の 位置でその負電荷により伝導電子が曲げられ て発光し、その領域は蛍光膜の全面であるか ら、急速点灯と全面発光が可能になる。

 本発明の第9の形態によれば、高周波電圧 としてパルス高周波電圧を用いて放電駆動す るから、確実な急速点灯と全面発光を実現す ることができる。現在の電子回路技術により パルス高周波の波形は自在に設計することが 可能である。パルス高周波の波高値により放 電ガスの温度制御が可能である。好適には、 1パルスは高電圧尖端パルスと中電圧矩形パ� �スから構成される。高電圧尖端パルスによ� �ガス原子を瞬間的にイオン化し、中電圧矩� �パルスにより電子を加速する。このパルス� �反復することにより、イオン化と電子加速� �連続的に行い、急速点灯と全面発光を安定� �且つ持続的に実現することが可能になる。

 本発明の第10の形態によれば、本発明に� �る前記蛍光放電灯管の複数本を平面状に配� �して平面状蛍光放電灯管群を形成し、前記� �面状蛍光放電灯管群から放射される可視光� �拡散する光拡散板を設けた平面型光源が提� �される。本発明に係る蛍光放電灯管は、殆� �ど発熱しない節電型蛍光灯であり、電極損� �やガス損耗が無いから超長寿命型蛍光灯で� �り、高輝度・急速点灯・全面発光の高特性� �有した蛍光灯である。このような高特性を� �する多数の蛍光放電灯管を並列させて平面� �蛍光放電灯管群を構成し、光拡散板を設け� �可視光を拡散するように構成すれば、良好� �平面型光源を提供することができる。多数� �、例えば5本の蛍光放電灯管を並列発光させ� ��駆動電力は、1本当たりの駆動電力より多少 増加するだけで、2倍にも達しないことが実� �的に確認されている。即ち、並列配置した� �面状蛍光放電灯管群の左右両端縁の上方に2� ��の細電線を配置して高周波電圧を印加する� ��合に、その本数を次第に増加させながら全� ��数を発光させても、外部電源から供給され� ��高周波駆動電圧は同一でも高周波駆動電流� ��多少増加するだけで、本数に比例するほど� ��は変化しないことが、本発明者により実験� ��に確認されている。この実験的事実は蛍光� ��電灯管の分野において画期的なことである� ��これらの関係は、今後の研究によりより詳� ��に明らかにされるであろう。

 本発明の第11の形態によれば、内直径が5mm� �下に調整された前記蛍光放電灯管の複数本� �平面状に配列して平面状蛍光放電灯管群を� �成し、前記蛍光放電灯管を線順次に放電点� �して消費電力を減少させる平面型光源が提� �される。内直径が5mm以下の細型蛍光放電灯� �であるから、多数の細型蛍光放電灯管を平� �状に組立てることができる。
 平面状蛍光放電灯管群を形成する点の構成� ��作用・効果については、本形態と第10形態� �は同様であるから、本形態の作用効果の詳� �は省略する。以下には異なる点を説明する� �本形態の特徴点は、蛍光放電灯管を線順次� �放電点火して消費電力を減少させる点であ� �。第10形態では、多数本の蛍光放電灯管を同 時点灯させる場合について説明したが、同時 点灯しても1本点灯の消費電力より多少増加� �る程度に過ぎないことを述べた。しかし、� �数本を1本ずつ線順次に点灯させる場合には� ��常時1本しか点灯しないのであるから、1本� �点灯電力しか消費されないことは明らかで� �り、多数本の同時点灯よりも確実に消費電� �を低減させることができることは言うまで� �無い。1本点灯を移動させながら反復できる� ��は、本発明の蛍光放電灯管が急速点灯を可� ��にしているからである。また、1本の蛍光放 電灯管が全面発光且つ高輝度発光するので、 1本だけ発光させていても十分な照度を与え� �ことができる。急速点灯性により、前記点� �の移動速度を増大させても、観察者は全本� �点灯していると錯覚し、平面型光源として� �効である。

 本発明の第12の形態によれば、前記平面� �光源を背面光源(背面照明光源)として使用す る液晶表示装置が提供できる。液晶表示装置 は必ず背面光源を必要とするが、本発明に係 る平面型光源を背面光源として利用すれば、 良好な液晶表示装置を実現できる。本発明に よれば、内直径が1mmの蛍光放電灯管も製造で きるので、バッテリー駆動で稼動するノート ブック型PCやそれよりもサイズが小さい携帯� ��器の液晶表示装置(LCD表示装置)に利用でき� �。本発明になる蛍光放電灯管が瞬間点灯(急� ��点灯)、高輝度、低消費電力、長寿命、超薄 型の利点を有し、これらの特徴を効果的に発 揮できるからである。

[本発明の更なる詳細説明]
 蛍光放電灯管の放電に現れ、省電効果の最� ��大きな陰極電圧降下を除去する問題を最も� ��本から考える。本発明者の研究によれば、� ��来の陰極を使用した蛍光放電灯管に現れる� ��極電圧降下の現象は次の原因により引き起� ��されることが分かった。

 現在の固体物理では次の事実を示す。陰� ��が電子をガス空間に放出すると、正孔(電子 の抜け穴)が陰極表面に必ず残る。正孔は電� �からの電子により埋められるが、正孔の発� �時から電子が正孔を埋めるまでの間に時間� �がある。統計的には、陰極表面層に常に決� �られた量の正孔が存在する。この正孔の正� �界はガス空間に広がり、ガス空間にある自� �電子を引き寄せる。引き寄せられた自由電� �は陰極に突入できず、陰極表面層の正孔と� �ス空間で静電結合し、陰極表面層の直上(約5  μm)に留まる。陰極表面に留まり、強固に陰 極表面で結合した電子を表面結合電子(SBE, su rface-bound-electron)または空間電子雲あるいは単 に電子雲と呼ぶ。陰極表面の電子雲の存在は 1900年代初期の真空管の研究で既に検出され� �良く知られていた。現在、最先端半導体素� �は、固体接合界面に生ずるSBEを利用して成� �している。SBEの取り扱いは最先端科学技術� �知識を必要とし、最先端技術になる製品を� �み出す。蛍光放電灯管の研究では、理由は� �からないがSBEの存在は無視されていた。陰� �電圧降下の現象はこの無視されたSBEに起因� �て発生する。

 陰極表面を必然的に覆う表面結合電子SBEの� ��界強度は計測できる。負電荷の電界強度は1 00 V/5 μm = 2 x 10 ⁵  V/cmである。SBEは強い負電界 (2 x 10 ⁵  V/cm)で陰極を静電遮蔽している。静電遮蔽さ� ��た陰極から電子をガス空間に引き出すには� ��陰極と陽極間に印加している一方向の電場� ��、電界の大きさは2 x 10 ⁵  V/cm以上が必要になる。引き出された電子は� �速運動エネルギー(2 x 10 ⁵  V/cm以上)を持つ。引き出された電子は電界に� ��って一方向に進み、ガス放電を起すと考え� ��いた。一方向に進む電子がガス原子と衝突� ��る確率は、ガス濃度と管長から計算できる� ��その値は管長 (1 m) 当たり0.001ガス原子で� ��る。これは1000 mの電子移動で1個のガス原� �に遭遇する確率で非常に小さい。ガス放電� �現実問題の解を求める時、一方向に進む電� �の考えは無効である。計算の詳細を以下に� �す。

 電子の直径は5.6 x10 ^-13  cmであるので断面積は5 x 10 ^-23  cm ² 、管長を100 cmとすると、一方向に進む電子� �占有体積は 5 x 10 ^-21  cm ³ となる。蛍光放電灯管内に含まれるArガス原� ��数を計算する。蛍光放電灯管の直径は3 cm� �あるので、管の断面積は14 cm ² 、管の体積は1.4 x 10 ³  cm ³ である。1気圧にある1モルのガスの体積は22.4  x 10 ³  cm ³ 。蛍光放電灯管に封入するArガス圧は7mm Hg � ��あるのでAr ガス圧は約0.01 (= 7/760) 気圧に なる。管中のArガスのモル数は 6 x 10 ^-4 モル (=1x 10 ^-2  x 1.4 x 10 ³ cm ³ /22.4 x 10 ³ )である。1モルのガス原子数はアボガドロ数� �(6 x 10 ²³ / mole) で与えられるので、管中には3.6 x 10 ²⁰  (6 x 10 ^-4  x 6 x 10 ²³ ) Arガス 原子が存在する。一方向に進む電� �の占有体積は 5 x 10 ^-21  cm ³ であるので、その中に含まれるガス原子数は (5 x 10 ^-21 /1.4 x 10 ³ )x 3.6 x 10 ²⁰  = 0.001となる。一方向に進む電子がArガス原� �と遭遇する1m当たりの確率は 0.001 である。 上記計算は、蛍光放電灯管中で放電に寄与す る電子は、従来考えていたように「陰極―陽 極間の電界で加速され、一方向に進む電子」 では有り得ないことを示す。この結論は、蛍 光放電灯管内のガス放電を論ずる上で大切な 結論である。

 蛍光放電灯管のガス空間を移動する電子� ��、負電荷と運動エネルギーの両方の性質を� ��ち合わせ、陰極ー陽極間の電位勾配ではな� ��、蛍光放電灯管に印加している高周波電界� ��影響を受けて移動する。蛍光放電管中の電� ��移動に例外は無い。陽極により陰極から引� ��出された電子が陰極ー陽極間の電界により� ��動すると考えると、その電子は放電管中で� ��ス原子と遭遇する機会は無く、放電は起こ� ��ない。ガス原子と遭遇するには、陰極から� ��き出された電子は、印加している高周波電� ��からの作用を受け、電子軌道を変更しなけ� ��ばならない。電子軌道を変更した電子はガ� ��原子と遭遇する。運動エネルギーを持った� ��子がガス原子と遭遇した時、何が起こるか� ��、陰極電圧降下を論ずる前に理解すること� ��必要である。

 電子の持つ負電荷に着目すると、ガス空� ��を移動する電子は、電子を充満した電子殻� ��持ったガス原子に接近しても、最外殻電子� ��負電界で強いクーロン反発を受け、ガス原� ��中には入れず、非弾性衝突のみが許容であ� ��。非弾性衝突した電子は消えず、ガス空間� ��残る。ガス空間に残った電子は、次の高周� ��電界の波により再度加速され、他のガス原� ��と非弾性衝突する。この繰り返しにより電� ��は陽極に至り、陽極が電子を捕集する。陰� ��から放出された電子数と陽極で捕集された� ��子数が一致する理由である。この計測事実� ��、放電路中で電子の雪崩現象があるとする� ��来の仮説を否定する。又、放電中に加速電� ��がガス原子と衝突して二次電子を放出し、� ��の二次電子がガス放電に関与する仮説も否� ��する。電子源から取り出した電子は、ガス� ��子と非弾性衝突し、非弾性衝突した電子が� ��り返し使用される。繰り返し使用する電子� ��最適化条件の検討が大切であったが検討さ� ��なかった。

 非弾性衝突を受けた側のガス原子に着目� ��ると、非弾性衝突時の衝突電子の運動エネ� ��ギーに依存し、ガス原子のイオン化(自由電 子と自由陽イオンをガス空間に作る)、ガス� �子の励起(ガス原子の電子を発光状態にする) 、単なる非弾性衝突の3種類がガス原子に起� �る。励起されたガス原子のみが発光する。� �オン化にはエントロピーの変化により発熱� �伴う。自由電子と自由イオンの直接再結合� �は、陽イオンが原子に復帰するだけで、発� �は見られず、熱の吸収が起こる。ガス原子� �からの要求は、非弾性衝突する電子は、主� �ガス原子を励起する運動エネルギーを持つ� �とである。もう1つの要求はガスの保温で、� ��オン化で発生する熱を利用し、Hgが最適蒸� �圧で蒸発するに必要な温度(40 ℃)にガスを� �温することである。

 蛍光放電灯管の電極に印加する高周波が� ��記要求条件を満たすとき、蛍光放電灯管中� ��ガス原子の状態を最大化できる。それには� ��周波の一波長間の波形を最大化すると良い� ��蛍光放電灯はサイン波形の高周波の印加で� ��高輝度に発光するが、より効率良くガス原� ��を発光させるには、Hgガス温度を規制する� �オン化電圧とガス原子を励起する電圧とか� �なる変形パルス波形の印加が最適である。� �発明は最適化したパルス波形の高周波で点� �する蛍光放電灯管の提供もする。

 現在市販している細管のCCFLと20 mm以下の HCFLは経験則で見つけた周波数が30kHzから50 kH z、波高値が 2 kV以上のサイン波による高周� ��を電極に印加している。周波数は電子の平� ��自由工程と関係し、Arガス圧を電子の平均� �由工程に調節する。CCFLの場合、Arガスは70 m mHgになる。波高値は共鳴電子の運動エネルギ ーと関係する。50 kHz印加の場合、平均自由� �程は0.2 μmである。1蛍光体粒子の大きさは� �均2μmから4μmであるので、1蛍光体粒子表面� �10から20波の高周波が到達する。高周波の各� ��で蛍光体粒子表面に到達する電子は高周波� ��加速した電子と散乱電子がある。蛍光体粒� ��表面には運動エネルギーを持った電子が多� ��回到達し、多数の電子が蛍光体粒子内に突� ��する。PL蛍光体粒子は内部持続分極 (PIP)を� ��っているので、放電の初期に蛍光膜に接近� ��る加速電子は、PIPのクーロン反発で蛍光体� ��子に接近できない。放電灯内で発光したUV� �より蛍光膜が発光すると、PL蛍光体粒子のPIP 電荷は消えるので、放電路の電子は蛍光体粒 子に突入できる。突入した電子は多数の二次 電子を蛍光体粒子表面から放出する。放出し た二次電子と蛍光体粒子内の正孔との間でSBE が形成され、蛍光体粒子はSBEの強い負電荷で 遮蔽される。SBEは蛍光体に光が照射されても 消えない。蛍光体粒子上のSBEの存在は、陽光 柱と蛍光膜の間隙を決定する重要因子となる 。本発明は電子の突入で出来るSBEを可能な限 り消去し、陽光柱と蛍光膜との間隙を最小限 にする蛍光膜を提供する蛍光放電灯である。

 以上の知識を基にして最大課題である陰極� ��下電圧を検討する。陽極により陰極から電� ��を取り出すと、取り出した直後の電子は非� ��に大きな運動エネルギー (10 ⁶  V/cm以上)を持ち、一方向に進む。この高運� �エネルギーを持った電子の動きは高周波電� �の影響を受け、進行方向を僅かに変える。� �行方向を変えた高運動エネルギーを持った� �子は、熱振動しているガス原子と非弾性衝� �する機会を持ち、ガス原子をイオン化する� �エントロピー変化による発熱を伴う。非弾� �衝突した電子は僅かに運動エネルギーを失� �、電子軌道も管軸方向から僅かに変位した� �向をとる。非弾性衝突した電子は高周波電� �の影響を再び受け、更に方向を変更し、他� �ガス原子と非弾性衝突する機会を持ち、ガ� �原子のイオン化により、更に運動エネルギ� �を失い、進行方向を僅かに変更するが、管� �方向に進む。陰極から取り出した高エネル� �ー電子は、非弾性衝突による電子軌道の散� �と高周波電界による作用を繰り返し受けな� �ら減速して行く。繰り返しは減速電子が高� �波と同期できるエネルギーに減少する(Arの� �オン化エネルギー15.7 eV以下)まで継続する� �継続する陰極からの距離はガス圧により変� �るが、ガス圧を変えても陰極電圧降下は存� �する。高周波電界により完全に制御された� �子は、高周波と共鳴し陽極に向かって進む� �高周波に共鳴した電子はガス原子と非弾性� �突を繰り返し、安定した陽光柱放電を形成� �る。

 陽光柱放電を巨視的に見た時、電子の挙� ��は高周波同期で説明できる。統計学の平均� ��で考えると、陽光柱内の電子の平均自由工� ��は、Paschenの実験曲線で最低値の (pd) で求� ��られる。求めた電子の平均自由工程は高周� ��の波長と一致する。微視的に電子の挙動を� ��ると、ガス原子と非弾性衝突して散乱した� ��子軌道は、暫し間、無作為な方向を取る。� ��に蛍光膜の近辺でガス原子と非弾性衝突し� ��電子は、蛍光膜上の蛍光体粒子に突入する� ��会を持つ。蛍光体粒子に突入できる電子の� ��動エネルギーは15 eVよりも高く20 eVの範囲� ��ある。電子が突入した蛍光体粒子は、低速� ��子線を照射したCL蛍光膜と同じで、CL蛍光体 粒子の特有な特性を示す。多くの蛍光体では 蛍光体粒子の特性により陽光柱と蛍光膜の間 に陽光柱からの電子が入れない間隙ができる 。この間隙は、蛍光体粒子上に出来るSBEと密 接な関係を持つ。

 上述したように、蛍光放電灯管の基本から� ��解すると、陰極電圧降下の機構が明確に理� ��できる。陰極電極を採用するからと、過去� ��研究者と同じ実験条件になり、陰極電圧降� ��の原因は解析できない。本発明者は後に述� ��る運動エネルギーがゼロに近い電子源を使� ��した実験から「陰極から取り出した電子の� ��運動エネルギーが緩和され、高周波と同期� ��きる水準に減衰するまでの距離が、陰極電� ��降下の領域である。」と明言する。陰極電� ��降下の領域での主現象はエントロピーの変� ��で発熱を伴うガス原子のイオン化である。� ��ス空間温度が上昇し、放電管端のガラス管� ��の温度が高くなる。陰極電圧降下の領域で� ��、ガス原子はイオン化により電子と陽イオ� ��が相互に作用できない距離に離れ、自由電� ��と自由陽イオンがガス空間に出来る。陽イ� ��ンの質量は電子の質量の10 ³ 倍である。高周波電界により陽イオンの移動 方向は電子と逆方向であり、自由電子と自由 陽イオンは高周波電界の電場でより遠く離さ れ、電荷の密度分布が幾つか出来る。これら の電荷の密度分布は陰極からの距離により変 わる。この理由で陰極電圧降下の領域内では 自由電子、自由陽イオン、一次電子が複雑な 偏在分布で存在する。分布が一様でないので 、陰極面に平行に陰極表面から6種類の弱い� �光縞が観測される。陰極電圧降下は不規則� �上記分布範囲に起る。陰極電圧降下の主原� �は陰極電極表面に形成するSBEであり、電荷� �偏在分布が存在する放電路には原因が無い� �又、陰極表面に形成するSBE量は、陰極に印� �する周波数に無関係である。電荷の偏在分� �は原因により誘起された現象であり、陰極� �面のSBEを消去すれば全て消える。陰極電圧� �下を蛍光放電灯管の点灯から完全に消すに� �、SBEを形成しない電子源を蛍光放電灯管内� �作れば良い。

 以上に詳述した現象を検討した結果、本� ��明者は、「蛍光放電灯管中には管内壁面に� ��布された蛍光膜と、放電に必要なアルゴンA rガスと水銀Hgのみを含有し、その他の部品材 料が全然含まれない蛍光放電灯管に外付けの 電極構造からなる単純構造を持った蛍光放電 灯管」を開発した。放電に必要な電源を構成 する電子源と陽イオン源は、次の手段により 得る。金属電極を内装しない蛍光放電灯管を 作る。蛍光放電灯管の両端の狭い範囲の外壁 の一部面積または外壁全周にAgペースト等の� ��導体膜を適切な厚さで塗布し、外壁の電導� ��膜を外付き電極とする。両端の電極に周波� ��が20 kHzから70 kHzにあり、波高値が1 kVから 20 kVにある高周波電圧を印加すると電導体直 下のガラス内壁面に塗布された蛍光体粒子が 誘電分極する。誘電分極した蛍光体粒子上に 電子雲と陽イオン雲がそれぞれ瞬間に形成す る。これ等の電子雲と陽イオン雲は、蛍光放 電灯管内のガス放電の内部電源となる。外付 け電極に対応する内部管壁に蛍光体膜が塗布 されていないと、電子雲と陽イオン雲は管内 に形成しない。蛍光膜の存在が必要条件であ る。蛍光膜を構成する個々の蛍光体粒子は電 気絶縁体であるので、外付け電極に対応する 内部管壁に電気絶縁体粒子による膜が必要条 件と言い換えても良い。高周波電界にある電 子雲の形成は電子の世界では長いが、高周波 の次の波で遊離するので、電子雲からから取 り出した電子の運動エネルギーはゼロに近く 、高周波と同期する。同期した電子は蛍光膜 の表面電導から始まり、ガス空間のガス原子 を放電させる点火装置の働きを経て放電灯管 内を高周波と同期して移動し、陽イオン雲に 到達するまでの間で放電を起す。電子が陽イ オン雲に到達すると陽イオンと再結合してガ ス原子に復帰する。蛍光放電灯管内のガス放 電に外部からガス空間に電子を直接注入する 必要もなく、また内部に付けた陽極で電子を 捕集する必要もない。高周波電界の中にある 電子雲から取り出す電子の運動エネルギーは ゼロに近く、ガス点灯で電力を無駄に浪費し ていた陰極電圧降下は放電路から完全に消え る。その結果、陰極電極を使用した従来の蛍 光放電灯管の点灯で費やしていた陰極電圧降 下の電力40 % を消去した本発明になる蛍光� �電灯管が得られる。

 それだけではない。放電に必要な電子流� ��大きさは最大0.1 mAと極度に低減できる。更 に、蛍光放電灯管に塗布された蛍光膜中の蛍 光体発光中心は40℃で非常に安定であるので� ��蛍光放電灯管中には放電灯管の寿命を阻害� ��る因子は存在せず、蛍光放電灯管の寿命は� ��度に長くなり、蛍光放電灯管の製造工程で� ��ガス工程が十分である場合、蛍光体粒子表� ��に有機残留ガスが吸着しないので初期輝度� ��600,000時間以上も保持する。更に、蛍光放電 灯管の点灯に要する時間は、蛍光膜の特性を 変更することにより変り、従来の蛍光放電灯 の秒単位の点灯速度を大幅に改善し、1/100の1 0ミリ秒前後で蛍光膜全面が瞬時に点灯する� �これは本発明者が開発したガス点灯のミク� �な点火装置が蛍光膜全面に均一に分散して� �り、ガス点灯の点火装置がほぼ同時に働く� �らである。瞬時点灯の差は眼で認知できな� �が、LCDを初めとする産業用機器に使用する� �光放電灯管では効果は歴然となり、産業用� �器用照明光源の新たな使用形態が発生する� �

 例えば、LCDバックライトに適用するとき� ��複数本のCCFL蛍光放電灯管をある間隔を置い て配列する。配列した蛍光放電灯管を単独、 又は数本を束ね、眼の残像効果が働く周期内 で線順次に点灯が出来る。線順次点灯すると LCDスクリーン上に映す画像には面輝度のふら つきは見られず、大きな画質の改善が出来る 。同時に大きな省電にも連係する。線順次で 点灯するバックライトの電力は、全面を光ら せた場合の電力より、画面を線順次する分割 数に逆比例する。線順次の分割数が10分割で� ��るならば十分の一、20分割であるならば二� �分の一に減少する。電力の減少した分の全� �または一部に相当する電力量を蛍光放電灯� �数の増加で埋めることが許される。LCDのス� �リーン輝度は蛍光放電灯管数の増加数に比� �して増加するので、高輝度なLCDスクリーン� �得られる。従来のCCFLでは点灯速度は秒単位� ��あるので、CCFLを線順次に点灯することは不 可能で、バックライトは常時全面を光らせる 。線順次点灯を採用すると、スクリーン上の 画質の改善だけでなく大きな省電が実現し、 その効果は歴然である。

 上述したように、蛍光放電灯管の点灯特� ��は今まで検討されなかった蛍光膜の特性で� ��きく変わる。電子供給源だけでは解決でき� ��い問題である。そこで本発明者は、使用す� ��蛍光体の特性を基本から理解する一手段と� ��てハロ燐酸カルシウム蛍光体と希土類混合� ��光体との差がどこに有るかを調べた。この� ��査は本発明になる蛍光放電灯管の蛍光膜を� ��解する重要な要素である。詳細を以下に記� ��。

 ハロ燐酸カルシウム蛍光体を電子線照射� ��に置くと白色に発光せず、弱い黄色に発光� ��、発光強度は極度に低く実用にならない。� ��光放電灯管の点灯で励起水銀 (Hg) 蒸気か� �発する254 nm紫外線の照射下でのみ白色に明� ��く発光する。更にハロ燐酸カルシウム蛍光� ��は、入力を増加すると発光強度が飽和する� ��従来、発光強度の飽和を蛍光体粒子内の発� ��中心数の飽和に帰していた。そこで、発光� ��関与する蛍光体粒子内の発光中心を計算す� ��。蛍光膜の単位面積当たりで発光に関与す� ��蛍光体粒子数を実験的に決めると、関与す� ��蛍光体粒子の全体積が計算できる。蛍光体� ��子内の発光中心の濃度はモル比で与えられ� ��ので、発光中心の数が計算できる。一方、� ��光膜に照射している紫外線の光子数は実測� ��きる。計算による発光中心数は蛍光体に照� ��する紫外線光子の10 倍以上で、蛍光放電灯 管内の蛍光膜の発光中心数は飽和から程遠い 。実験室で蛍光放電灯管内の蛍光膜に照射し ている紫外線強度と同じ紫外線光源を幾つか 用意し、紫外線光源を重複させて蛍光膜から の発光強度を紫外線強度の関数で調べる。蛍 光膜に照射する紫外線量を3倍に増加すると� �蛍光膜は3倍の輝度で発光する。5倍にすると 、発光強度も5倍になり、発光強度は紫外線� �度と一次関数で表せる。蛍光体粒子中の発� �中心数の計算は正しい。蛍光放電灯管で輝� �飽和が発生するのは、蛍光放電灯管内の蛍� �膜に到達する紫外線光子数が飽和すると確� �する。ハロ燐酸カルシウム蛍光体を使用す� �と、入力電力を増加させると蛍光膜上に届� �254 nm紫外線が飽和するのだ。何故放電管中� ��紫外線量は飽和するのかの科学的理由は分� ��っていなかった。従って,ハロ燐酸カルシウ ム蛍光膜を使用すると、管径を細くしり、太 くした蛍光放電灯管の蛍光膜が暗くなる理由 も不明で、経験的に求めた最適な管径30 mm � ��蛍光放電灯のみを実用生産していた。

 蛍光体の発光についてもう少し詳しく検� ��する。蛍光体は大別すると光発光蛍光体(PL,  photoluminescence)と電子線で明るく発光する電� ��線発光蛍光体(CL, Cathodoluminescence)の2つに大� ��類できる。白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍� ��体は、発光中心を254 nm紫外線で直接励起す るPL蛍光体に属する。直接励起蛍光体の特徴� ��、蛍光膜に入射する254 nm紫外線光子1個を� �視光の光子1個として放出する。量子効率(出 力光子数/入力光子数)が最大1の蛍光体である 。PL蛍光体を使用する蛍光放電灯管では、明� ��く発光する蛍光膜を得るには、蛍光膜に照� ��する紫外線光子密度を増加するより方法が� ��い。PL蛍光体粒子のもう一つの特徴は、PL蛍 光体は本質的にPIPを保持しており、蛍光膜中 のPL蛍光体粒子は負に帯電している。仮にPIP� ��持たない蛍光体粒子が存在を仮定すると、� ��子の照射下で蛍光体粒子は電気絶縁体の特� ��を持ち、PL蛍光体粒子には直ちにSBEが形成� �、見かけ上負に帯電する。

 電子線で明るく発光するCL蛍光体は、基� �結晶励起蛍光体に属する。CLが実用さしてい る条件では、電子1個が蛍光体粒子に入射す� �と、蛍光体粒子内に電子-正孔対が数千個も� ��来る。電子-正孔の1対が粒子内で再結合し1� ��の光子を粒子から放出するので、CL蛍光体� �子は1個の入力電子で数千個の光子を放出す� ��。CL蛍光体の特徴は量子効率が非常に大き� �蛍光体である。CL蛍光体粒子の特異な特徴は 、蛍光体粒子がPIPを保持していても、表面に 不純物が付着していなければ、臨界電圧以上 の電子を照射すると、PIPは消え、蛍光体粒子 表面は電気的に中性な絶縁体になる。表面が 汚染していると、蛍光体粒子は見かけ上直ち に負に帯電する。CL蛍光体の発光中心は直接� ��起でも明るく発光するので、CL蛍光体が大� �な光吸収バンドを254 nm 付近に持っている� �PL蛍光体としても使用できる。PL蛍光体は良� ��CL蛍光体になれない。

 上述した整理を基に、254 nm紫外線照射下 で白色に発光する希土類混合蛍光体に電子線 を照射すると、蛍光膜は赤色が強い弱い白色 で発光する。その発光強度はCLの実用水準よ� ��可なり低い。希土類混合蛍光体成分で赤色� ��発光する蛍光体は臨界電圧が110 V の低電� �で発光するCL蛍光体である。低電圧で明るく 赤色に発光するCL蛍光体には幾つかの種類が� ��るが、そのどれもが白色に発光する希土類� ��合蛍光体の実用に使える。緑色と青色に発� ��する希土類蛍光体はPL蛍光体でCL蛍光体では ない。この観測結果より、管径を3 mmと細く� ��た蛍光放電灯管で希土類混合蛍光膜が明る� ��白色に発光する理由は、約70 % はPL蛍光体� ��あるが、110 Vで発光する低電圧CL蛍光体を� �30重量%含んでいるからである。

 この観測事実は直ちに利用できる。ハロ� ��酸カルシウムPL蛍光体に白色に発光する低� �圧 (10 V) ZnO CL蛍光体を30重量%添加し、粉� �混合による蛍光体粉を作る。この混合蛍光� �粉を使用した蛍光膜は、管径が30 mm の蛍光 放電灯管では輝度が約 20 % 増加する。又、 最大管径を30 mmに限定する理由もなくなり、 30 mm 以上の管径で、長さに制限が無く、Ar� �ス圧のみを増加させ、電極に30 kHzから70kHz� �波高値が数kVの高周波を印加すると、消費電 力を現在の蛍光放電灯の約半分にし、輝度が 約倍になる非常に明るく発光する蛍光放電灯 管を製造できる。消費電力が少なくても輝度 が約倍になる理由は、放電路中を移動する同 一電子が繰り返し多数回 (3万回から7万回) � ��ス原子と非弾性衝突するからである。更に� ��径を3 mm前後と細くした蛍光放電灯管の蛍� �膜でも明るく発光する。この事実は、蛍光� �電灯管内の放電に関与する電子の動きに、� �面が清浄なCL蛍光体の関与が不可欠な役割を 担っていることを立証する。換言すれば、蛍 光放電灯管の放電路を形成する移動電子と蛍 光膜の電気特性が密接に関連し、その結果と して、蛍光放電灯管内の蛍光膜が効率良く発 光する事実を示す。この事実は蛍光放電灯の 点灯機構と蛍光膜の発光機構を考える上で重 要な発見である。

 蛍光膜による問題は、上述したように新� ��い発見で解決でき、10分の1以下の単価で製� ��できるハロ燐酸カルシウム蛍光体を主に使� ��し、管径を種々と変えた家庭の部屋の照明� ��使う50 mm径から、LCDのバックライトに使う� ��が3 mm 前後までの管径を異にする蛍光放電 灯管が製造できる。管径が10 mm 前後の蛍光� ��電灯管を電球型に集約した省電型蛍光放電� ��管もこの範疇に入る。このように蛍光体の� ��本からPL蛍光体の特性を理解すると、稀有� �高価な希土類資源を使わず、原料単価を大� �く引き下げた蛍光放電灯管を需要者に提供� �きる。発明した蛍光放電灯は既存の陰極電� �を使用した省電型蛍光放電灯よりも更に40 %  も電力を減少できるので、需要者の経済と� ��境汚染対策に大きく貢献する高輝度蛍光放� ��灯管が提供できる。更に、次に述べる省電� ��高輝度平面光源が可能となる。

 屋外広告などで広告文字の背面に高輝度� ��色平面光源を使用すると色の異なる広告文� ��や映像が鮮やかになる。この高輝度白色平� ��光源に管径が30 mmから50 mmの本発明になる� ��光膜からなる白色蛍光放電灯を隙間無く全� ��に配列すると高輝度白色平面光源ができる� ��この大画面になる高輝度白色平面光源に配� ��した蛍光放電灯管を単独又は複数本を束ね� ��順次に50サイクルで点灯すると、眼の残像� �果が働き、大画面になる高輝度白色平面光� �に点灯に原因する光のちらつきは見られず� �消費電力のみが配列した蛍光放電灯管数を� �割する数に逆比例で低減する。配列した蛍� �放電灯管の分割数が20分割であると消費電力 は20分の1となる。30分割であると30分の1にな� ��。この高輝度白色平面光源は、LEDを配列し� ��同じ大きさの白色平面光源と比較すると、L EDでは可視光へのエネルギー変換効率は25 %  、熱の発生が200℃前後であるが,本発明にな� �蛍光放電灯管の使用では発熱は無視できる40 ℃前後であり、省電で可視光へのエネルギー 変換効率(50 %)が抜群な高輝度屋外白色平面� �源となる。ビルの大壁面に取り付ける屋外� �大型広告に最適である。

 同じ原理で管径が1 mm前後の本発明になる� �数個の蛍光放電灯管を小型平面に隙間なく� �又は隙間を置いて配列し、そのままで、又� �厚さ1 mm以下の光拡散板と背面に光反射板と の組み合わせにより平面型照明光源ができる 。この平面型照明光源で配列した蛍光放電灯 管を単独又は複数本を束ね、順次に50サイク� ��で点灯すると、厚さ数ミリの種々な大きさ� ��ある高輝度な新規な屋内照明用面光源が提� ��できる。この屋内平面光源は、発熱が40  ^o C前後に規制され、非常に少ない電力で点灯� �る例外的な照明光源である。

 平面光源に使用する蛍光放電灯管径を変� ��ることにより、種々の屋内外の照明用面光� ��が出来る。平面に配列した蛍光放電灯管を� ��独又は複数本を束ね、順次に50サイクルで� �灯できるのは、本発明になる10ミリ前後で瞬 時に点灯する蛍光放電灯管でのみ可能となる 。本発明になる蛍光放電灯管は、抜群の省電 力であるにも拘わらず高輝度に発光するので 、平面型屋内外の照明光源に大きな変革をも たらす。