(57)【要約】【課題】高輝度の可視光と共に情報通信用の光変調信号を発生することが可能な簡易な構造の可視光空間通信用発光装置を提供する。【解決手段】可視光空間通信用発光装置１０は、低圧に保たれたガラス管１１内に発光材料製の発光層１６で被覆されたアノード電極１５と、グリッド電極１８と、カソード電極１７とが順次配列されている。カソード電極が多数のカーボンナノチューブの小片で構成されている。カソード電極とグリッド電極間に直流低電圧である第１バイアス電圧が印加され、カソード電極とアノード電極間に直流高電圧である第２バイアス電圧が印加され、さらにカソード電極とグリッド電極間に、通信用変調信号が入力される。発光層が、白色光を発光するものであり、かつガラス管のアノード電極と対向する照射面が着色される。【選択図】　　図１
2004070764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧に保たれたガラス管内に電子の衝突により発光する発光層で被覆されたアノード電極と、グリッド電極と、カソード電極とが順次配列されてなり、該カソード電極とグリッド電極間に直流低電圧である第１バイアス電圧が印加され、該カソード電極とアノード電極間に直流高電圧である第２バイアス電圧が印加される可視光空間通信用発光装置であって、
前記カソード電極が多数のカーボンナノチューブの小片で構成されており、さらに前記カソード電極とグリッド電極間に、通信用変調信号が入力されることを特徴とする可視光空間通信用発光装置。
【請求項２】
外部の明るさを検出する光検出手段と、該光検出手段からの検出信号に応じて、検出信号が大きいときは前記第１バイアス電圧又は第２バイアス電圧の値を大きくし、検出信号が小さいときは該第１バイアス電圧又は第２バイアス電圧の値を小さくなるように調節する電圧調整装置を設けたことを特徴とする前記請求項１に記載の可視光空間通信用発光装置。
【請求項３】
前記発光層が、白色光を発光するものである、かつ前記ガラス管の前記アノード電極と対向する照射面が着色されていることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の可視光空間通信用発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光照射を行うと共に、可視光に光変調信号成分を含むことにより光通信も可能な可視光空間通信用発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の可視光空間通信用発光装置の一例である交通信号灯機として、例えば特開平４−１３１０００号公報に示すように、信号機の表示部（燈器）をＬＥＤのような高速点滅可能なもので構成し、伝達すべき道路情報等をパルス変調器を介して表示部に入力してこれを点滅させることにより光情報信号として発信させるものが知られている。この光情報信号を、通行車両に設けた光検出器により検出し、さらにデコーダで復調して車両に搭載した表示装置に表示させるようにしていた。これにより、交通信号機は、通常の交通信号を表示すると共に、交通情報及びその他の一般情報を車両の乗員等に伝達できるという効果が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記交通信号灯機は、発光体としてランプ，発光ダイオード，半導体レーザ等が用いられるが。いずれも単位当りの光量が小さく、十分な光量が得られないため、これらを複数個配列した同期発光させる必要がある。しかし、このような同期発光を行うことにより、光情報信号として周波数特性の低下がおこるという問題がある。
【０００４】
ところで、近年注目を集めているカーボンナノチューブについては、カーボンナノチューブでカソード電極を形成し、アノード電極とカソード電極間に高電界を加えることにより、簡単に電子を引出すことができる。この電子を加速して、アノード電極に設けた蛍光体等の発光層に衝突させることにより、発光層を高輝度で発光させることが考えられる。さらに、本件発明者は、アノード電極とカソード電極間にグリッド電極を加えて３極管構造とし、グリッド電極とカソード電極間に情報信号を加えることにより、高輝度の光情報信号を発生させられることを見出して、本発明を想到した。
すなわち、本発明は、高輝度の可視光と共に情報通信用の光変調信号を発生することが可能な簡易な構造の可視光空間通信用発光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために上記請求項１の発明の構成上の特徴は、低圧に保たれたガラス管内に電子の衝突により発光する発光層で被覆されたアノード電極と、グリッド電極と、カソード電極とが順次配列されてなり、カソード電極とグリッド電極間に直流低電圧である第１バイアス電圧が印加され、カソード電極とアノード電極間に直流高電圧である第２バイアス電圧が印加される可視光空間通信用発光装置であって、カソード電極が多数のカーボンナノチューブの小片で構成されており、さらにカソード電極とグリッド電極間に、通信用変調信号が入力されることにある。
【０００６】
上記のように構成した請求項１の発明においては、可視光空間通信用発光装置は、図３に概略的に示すように、低圧に保たれたガラス管１１内に電子の衝突により発光する発光層１６で被覆されたアノード電極１５と、グリッド電極１８と、カーボンナノチューブを含むカソード電極１７とが順次配列されている。そして、カソード電極１７とグリッド電極１８間に直流低電圧である第１バイアス電圧がバイアスされ、カソード電極１７とアノード電極１５間（グリッド電極とアノード電極間）に直流高電圧である第２バイアス電圧がバイアスされることにより、カーボンナノチューブの先端から電子が引出される。この自由電子がアノード電極１５とグリッド電極１８間で加速されてアノード電極１５に高速で衝突する。
【０００７】
このような電子のアノード電極１５への高速での衝突により、発光層１６から外部に高輝度の可視光が照射される。そのため、外部においては、高輝度の可視光が確実に認識される。さらに、カソード電極１７とグリッド電極１８間に、情報通信用の変調信号が入力されているため、これに対応した光変調信号を含む可視光が放射される。したがって、信号の受け手は、外部でこの光変調信号を受光し、光電変換素子により電気信号に変換し、さらに電気信号を復調することにより、情報を受け取ることができる。また、光変調信号は、十分な輝度であり、複数の発光装置から同期発光されたものではないので、周波数特性が低下することもない。
【０００８】
また、上記請求項２の発明の構成上の特徴は、前記請求項１に記載の可視光空間通信用発光装置において、外部の明るさを検出する光検出手段と、光検出手段からの検出信号に応じて、検出信号が大きいときは第１バイアス電圧又は第２バイアス電圧の値を大きくし、検出信号が小さいときは第１バイアス電圧又は第２バイアス電圧の値を小さくなるように調節する電圧調整装置を設けたことにある。
【０００９】
上記のように構成した請求項２の発明においては、外部が明るいときは、光検出手段からの大きな検出信号に応じて、電圧調整装置が第１バイアス電圧値又は第２バイアス電圧値を大きくする。これにより、カソードからの電子が大きく加速され、その結果、アノード電極に設けた発光層からの発光の輝度が高められ、外部の明るさに対抗した輝度の光を発生することができる。また、日没後のように外部が暗くなると、光検出手段からの小さい検出信号が出力され、これに応じて電圧調整装置が第１バイアス電圧値又は第２バイアス電圧値を小さく調整する。その結果、アノード電極に設けた発光層からの発光の輝度が低められるが、外部が暗いため相対的に明るさを確保でき、外部からの認識に十分な明るさである。また、不必要に高い輝度の光を照射することを防止できるため、省電力効果も得られる。
【００１０】
また、上記請求項３の発明の構成上の特徴は、前記請求項１又は２に記載の可視光空間通信用発光装置において、発光層が、白色光を発光するものである、かつガラス管のアノード電極と対向する照射面が着色されていることにある。これにより、可視光空間通信用発光装置は、輝度の高い種々の色の光を簡単に発生することができ、発光色の変化を簡易に実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態である道路の交差点等に設置される交通信号灯機用の可視光空間通信用発光装置１０（以下、単に可視光発光装置と記す）の概略構成を断面図により示したものである。
【００１２】
可視光発光装置１０は、一端が封止されたガラス製の円筒形の管部１１と、その開口端側を封止する口金部１９とを備えた電球形式になっている。管部１１は、封止された軸方向一端面（図示上端）が赤，青，緑等に着色された照射面１２になっており、また、軸方向他端（図示下端）の開口１３にて軸方向に延びた取付部（図示しない）により口金部１９に挿嵌固定されている。管部１１は、開国１３近傍にて内周面の周方向全周から軸心方向にわずかに延びた中心孔を有する円環状の薄板である仕切り壁部１４を設けている。照射面１２と仕切り壁部１４との間の空間が、発光作用が行われる動作空間Ｓになっている。また、仕切り壁部１４から口金部１９方向の狭い空間は、電圧処理等が行われる駆動空間Ｄになっている。
【００１３】
管部１１の動作空間Ｓ内部には、照射面１２に接近して、アルミニウム製である円板形状のアノード電極１５が管部１１の内周壁に同軸状に密着して固定されている。アノード電極１５の照射面１２側の全面には、発光材料が塗布固着されてなる発光層１６が形成されている。発光材料としては、白色光を放射する材料が用いられる。また、動作空間Ｓ内部の仕切り壁部１４の中心孔から軸方向にわずかに離れた位置に、カソード電極１７が設けられている。カソード電極１７は、カーボンナノチューブの多数の小片が集められて固定された構造になっている。さらに、カソード電極１７からアノード電極１５側にわずかに離れて、グリッド電極１８が設けられている。
【００１４】
駆動空間Ｄ内には、電源トランス２１が設けられている。電源トランス２１は一次側が口金１９側の１００ｖ端子に接続されており、二次側が直流第１バイアス電圧である５００Ｖの低圧側と、直流第２バイアス電圧である１０ｋＶの高圧側になっている。グリッド電極１８が接続線１８ａを介して低圧側に接続されており、アノード電極１５が接続線１５ａを介して高圧側に接続されている。カソード電極１７は、接続線１７ａを介して口金１９側の０Ｖ端子に接続されている。そして、グリッド電極１８の接続線１８ａには加算回路２２が介装されている。
【００１５】
加算回路２２の入力側には、さらに変調信号を生成する変調信号生成部２３と、グリッド電圧を調節する電圧調整装置であるグリッド電圧調整部２４が接続されている。変調信号生成部２３は、交通管理センター等からの交通情報信号等を、パルス変調して、変調信号として出力するものである。グリッド電圧調整部２４の入力側には、外部の明るさを検出する光センサ２５が接続されている。グリッド電圧調整部２４は、光センサ２５からの入力に応じて上記低圧側の電圧に付加する電圧を演算し、加算回路２２にて低圧側電圧に付加するものである。例えば、晴天の昼間の場合は、付加する電圧値が高くなり、夜間の場合は電圧を付加しない。ただし、グリッド電圧調整部２４については、必要に応じてこれを省くことも可能である。
【００１６】
受信装置３１は、図２に示す公知の構成であり、可視光発光装置１０の発光層１６から放射される光変調信号を受光し、固有の色の光を通過させる青色及び赤色のフィルタ３２と、フィルタ３２を通過した光変調信号を電気信号に変換する光電変換素子３３と、変換された変調パルス信号を増幅する増幅器３４と、増幅された変調パルス信号を復調する復調器３５と、復調された信号を音声信号に変換する音声信号生成器３６と、音声信号を音声として発生するスピーカ３７とを備えている。
【００１７】
つぎに、可視光発光装置１０の動作について説明する。
可視光発光装置１０のカソード電極１７とグリッド電極１８間に第１バイアス電圧が印加され、カソード電極１７とアノード電極１５間に第２バイアス電圧が印加されることにより、カソード電極１７においてカーボンナノチューブの先端の電子が引出される。この自由電子が、アノード電極１５とグリッド電極１８間で加速されてアノード電極１５に高速で衝突する。このような電子のアノード電極１５への高速での衝突により、発光層１６から外部に高輝度の可視光が発光される。この可視光が、赤色の照射面１２を通過して照射されることにより、受け手は、高輝度の赤色光を確実に認識することができる。
【００１８】
さらに、カソード電極１７とグリッド電極１８間に、通信用変調信号が入力されているため、変調信号が加算回路２２で第１バイアス電圧に加算され、発光層１６からこの変調信号を含む可視光が照射される。情報の受け手側では、受信装置３１により、可視光発光装置１０からの光変調信号を受光し、光電変換素子３３により電気信号に変換し、さらに電気信号を復調器３５によって復調し、音声信号生成器３６によって音声信号に変換してスピーカ３７を駆動させることにより、音声として情報を受け取ることができる。
【００１９】
また、外部が明るいときは、光センサ２５からの大きな検出信号に応じて、グリッド電圧調節部２４が第１バイアス電圧値を大きくする。これにより、カソード電極１７からの電子が大きく加速され、その結果、アノード電極１５の発光層１６からの発光の輝度が高められ、外部の明るさに対抗した輝度の光を発生することができる。また、日没後のように外部が暗くなると、光センサ２５からの小さい検出信号が出力され、これに応じてグリッド電圧調節部２４が第１バイアス電圧値を小さく調整する。その結果、発光層１６からの発光の輝度が低められるが、外部が暗いため相対的に明るさを確保でき、外部からの認識に十分な明るさである。また、可視光発光装置１０の輝度を不必要に明るくなら内容に抑えられることにより、省電力効果も達成される。
【００２０】
また、この可視光発光装置１０は、発光層１６の発光材料を白色光を発光させる材料とし、かつ管部１１のアノード電極１５と対向する照射面１２を赤，黄色，青等に着色することより、輝度の高い種々の色の光を簡易に発生させることができ、発光色の多様な変化を容易に実現できる。
【００２１】
なお、上記実施形態においては、グリッド電圧調整部２４は、外部の明るさのみにより、発光の輝度を調節するようになっているが、これに限らず、例えば、雨天時、霧発生時等のような天候状態、あるいは道路の交通量の状態等も考慮して第１バイアス電圧を調整することができる。これにより、雨天時のように光表示が見にくいときには発光輝度を強くして表示を強調し、交通量が無いときあるいは非常に少ないとき等、表示の必要性が少ないときは輝度を弱くすればよい。
【００２２】
さらに、上記実施形態においては、グリッド電圧調整部２４によって、カソード電極１７とグリッド電極１８間の第１バイアス電圧を調整することにより発光の輝度を調節するようになっているが、これに限らず、カソード電極１７とアノード電極１５間の第２バイアス電圧を調整するアノード電圧調整部を設けて第２バイアス電圧を調整することにより発光の輝度を調節するようにすることもできる。また、上記実施形態においては、発光層の材料として白色光発生材料を用いているが、例えば、緑色の蛍光を発生する蛍光材料等を用いて、そのまま緑色等の照射光として利用することも可能である。
【００２３】
さらに、上記実施形態においては、可視光発光装置として、単一の電球タイプのものを示しているが、これに限らず多数の発光装置を組み合わせたパネル状の装置とすることも可能である。また、上記実施形態においては、可視光発光装置を交通信号灯機に適用した場合について示しているが、これに限らず横断歩道の表示器、道路情報表示板等類似の用途に使用することが可能である。その他、上記実施形態に示したものは一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
【００２４】
【発明の効果】
上記請求項１の発明によれば、アノード電極とグリッド電極とカソード電極とを含む３極管構造を採用すると共に、カソード電極としてカーボンナノチューブを利用し、さらに各電極間に直流バイアスに加えると共にカソード電極とグリッド電極間に情報通信用の変調信号を印加したことにより、高輝度の照射光が得られ、表示用として優れた効果が得られると共に、光変調信号による情報通信を行うこともできる。
【００２５】
また、照射光の輝度を、外部の明るさに応じて変化させることにより、高い表示効果を維持できると共に、省電力効果も得られる（請求項２の発明の効果）。さらに、発色材料として白色光を発生するものを選び、照射面を着色することにより、輝度の高い種々の色の光を簡単に発生させることができ、発光色の変化を簡単に持たせることができる（請求項３の発明の効果）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である道路の交差点等に設けられる可視光空間通信用発光装置を概略的に示す断面図である。
【図２】受信装置の構成を概略的に説明するブロック図である。
【図３】可視光空間通信用発光装置の基本的構成を説明するブロック図である。
【符号の説明】
１０…可視光空間通信用発光装置、１１…管部、１２…照射面、１５…アノード電極、１６…発光層、１７…カソード電極、１８…グリッド電極、２３…変調信号生成部、２４…グリッド電圧調整部、２５…光センサ、３１…受信装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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