蛍光表示管
VFD管のバリエーション
7セグメント8セグメント（シャープ EL-8）16セグメント
7セグメント8セグメント（シャープ EL-8）16セグメント
ビデオカセットレコーダーに使われる典型的な真空蛍光ディスプレイの全景
画像の右側にある金属板のバネによって張られた複数のフィラメントを強調した VFD のクローズアップ。
CDとデュアルカセットHi-Fiの真空蛍光表示管。外部からの紫外線照射により、すべてのセグメントが視認可能です。

真空蛍光ディスプレイ( VFD ) は、かつてはビデオ カセット レコーダー、カー ラジオ、電子レンジなどの民生用電子機器によく使用されていたディスプレイ デバイスです。

VFDは、陰極線管とほぼ同様のカソードルミネッセンスの原理に基づいて動作しますが、はるかに低い電圧で動作します。VFDの各管には、蛍光体でコーティングされた炭素陽極があり、陰極フィラメントから放出された電子が陽極に衝突します。[ 1 ] [ 2 ] VFDの各管は、メッシュ制御グリッドも備えているため、三極真空管です。[ 3 ]

液晶ディスプレイ(LCD)とは異なり、VFD は高コントラストの非常に明るい光を発し、さまざまな色の表示要素をサポートできます。 VFD の標準的な照度は約 640 cd/m 2で、高輝度 VFD は 4,000 cd/m 2で動作し、実験ユニットは駆動電圧とそのタイミングに応じて35,000 cd/m 2まで上がります。 [ 3 ]色の選択 (これによって蛍光体の性質が決定されます) とディスプレイの明るさは蛍光体の寿命に大きく影響し、鮮やかな赤色の VFD では最短 1,500 時間から、より一般的な緑色の VFD では 30,000 時間までの範囲になります。[ 3 ] 以前は VFD の蛍光体にはカドミウムが一般的に使用されていましたが、現在のRoHS準拠の VFD ではこの金属が構造から排除され、代わりにアルカリ土類金属と微量の III 族金属のマトリックスに微量の希土類金属をドープした蛍光体が使用されています。[ 4 ]

VFDは、 7セグメントの数字、マルチセグメントの英数字、あるいはドットマトリックス構造で様々な英数字や記号を表示できます。実際には、表示できる画像の形状にほとんど制限はなく、陽極上の蛍光体の形状のみに依存します。

最初のVFDは、1959年にフィリップスが開発した単一表示のDM160でした。[ 5 ]最初のマルチセグメントVFDは、1967年にイセ電子が製造した日本製の単桁7セグメントデバイスでした。[ 6 ]このディスプレイは、電卓やその他の民生用電子機器で一般的に使用されるようになりました。[ 7 ] 1980年代後半には、年間数億個が製造されました。[ 8 ]

デザイン

3本の水平タングステン線と制御グリッドを備えたVFD数字のマクロ画像

この装置は、高真空状態のガラス容器に入れられた熱陰極（フィラメント）、グリッド、陽極（リン光体）から構成される。陰極は細いタングステン線から成り、アルカリ土類金属酸化物（バリウム、[ 2 ]ストロンチウムおよびカルシウム酸化物[ 9 ] [ 10 ]）でコーティングされており、電流によって650 °C [ 2 ]まで加熱されると電子を放出する。これらの電子は、薄い（厚さ50ミクロン）ステンレス鋼から作られたグリッド（光化学加工を使用して作製）によって制御および拡散される。 [ 2 ]電子がリン光体でコーティングされた陽極板に衝突すると、蛍光を発して光を放出する。従来の真空管のオレンジ色に輝く陰極とは異なり、VFD陰極ははるかに低い温度で効率的なエミッターであるため、実質的に目に見えない。[ 11 ]陽極は、導電性のトレース（各トレースは単一のインジケータセグメントに接続されている）を備えたガラス板で構成され、絶縁体でコーティングされています。その後、部分的にエッチングして穴を開け、グラファイトなどの導体で埋めます。グラファイトは蛍光体でコーティングされています。これにより、トレースからセグメントにエネルギーが伝達されます。蛍光体の形状がVFDのセグメントの形状を決定します。最も広く使用されている蛍光体は、亜鉛ドープ銅活性化酸化亜鉛[ 2 ]で、ピーク波長505 nmで光を生成します。

酸化物を塗布する陰極線は、タングステンまたはルテニウム・タングステン合金で作られています。陰極中の酸化物は空気中では不安定であるため、炭酸塩として陰極に塗布されます。陰極はVFDに組み込まれ、VFDの真空中で電流を流すことで加熱され、炭酸塩が酸化物に変換されます。[ 2 ] [ 10 ]

動作原理は真空管三極管と同一です。電子は、グリッドとプレートの両方がカソードに対して正電位にある場合にのみ、特定のプレート要素に到達（および「点灯」）できます。[ 12 ]これにより、複数のグリッドとプレートがマトリックスを形成する多重化ディスプレイとしてディスプレイを構成することができ、必要な信号ピンの数を最小限に抑えることができます。右に示すVCRディスプレイの例では、グリッドは一度に1つの数字だけが点灯するように配置されています。すべての数字の同様のプレート（例えば、すべての数字の左下のプレート）はすべて並列に接続されています。ディスプレイを駆動するマイクロプロセッサは、数字のグリッドに正電圧を印加し、次に適切なプレートに正電圧を印加することで、数字を1つずつ点灯させます。電子は数字のグリッドを流れ、正電位にあるプレートに衝突します。マイクロプロセッサは、視覚の残像によってすべての数字が同時に光っているかのような錯覚を生み出すのに十分な速度で、このように数字を点灯させます。

追加表示（この例では「VCR」、「Hi-Fi」、「STEREO」、「SAP」など）は、追加桁の一部、または既存の桁の2つ以上の追加桁のように配置され、実際の桁と同じ多重化方式でスキャンされます。これらの追加表示の中には、オレンジ色など、異なる色の光を発する蛍光体が使用されているものもあります。

ほとんどのVFDから発せられる光には多くの色が含まれており、製品設計者の意図に応じて、色の彩度を高めるためにフィルターをかけることで深い緑や深い青などを表現することができます。VFDで使用される蛍光体は、ブラウン管ディスプレイの蛍光体とは異なり、CRTでは数千ボルトの電子エネルギーを必要とするのに対し、VFDは約50ボルトの電子エネルギーで十分な明るさ​​を発する必要があるためです。[ 13 ] VFDの絶縁層は通常黒色ですが、ディスプレイを透明にするために除去したり透明にしたりすることができます。ドライバICを内蔵したAMVFDディスプレイは、高い画像輝度と多くのピクセル数を必要とする用途に利用できます。異なる色の蛍光体を積み重ねることで、グラデーションや様々な色の組み合わせを実現できます。ハイブリッドVFDは、固定表示セグメントとグラフィックVFDの両方を同一ユニットに搭載しています。VFDは、表示セグメント、グリッド、および関連回路を前面および背面のガラスパネルに搭載し、中央のカソードを両パネルに使用してセグメント密度を高めることができます。セグメントを背面ではなく前面のみに配置することも可能で、視野角と明るさが向上します。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

用途

明るさに加えて、VFDは頑丈で安価であり、さまざまなカスタマイズされたメッセージを表示するように簡単に設定できるという利点があります。LCDとは異なり、VFDは液晶の再配列の応答時間によって制限されないため、氷点下でも正常に機能し、寒冷地の屋外機器に最適です。当初、このようなディスプレイの主な欠点は、単純なLCDよりも大幅に多くの電力（0.2ワット）を使用することでした。これは電卓などの電池駆動機器にとって大きな欠点と考えられていたため、VFDは主にAC電源または高出力充電式電池 で駆動する機器で使用されるようになりました

1992年式マーキュリー・グランドマーキスのデジタルダッシュボードクラスター

1980 年代に、このディスプレイは自動車に使用され始めました。特に、自動車メーカーがスピードメーターやオドメーターなどの車両計器用のデジタル ディスプレイの実験を行っていたのです。その良い例が、1980 年代初頭に製造された高級スバル車です (スバル愛好家からはデジダッシュ、つまりデジタルダッシュボードと呼ばれていました)。VFD は明るいため、車での使用に最適です。ルノー エスパス Mk4 とセニック Mk2 では、ラジオやマルチ メッセージ パネルを含むダッシュボードのすべての機能を表示するために VFD パネルが使用されていました。これらは直射日光下でも読み取れるほど明るく、夜間使用のために調光も可能です。このパネルでは、通常の青/緑に加えて、濃い青、赤、黄/オレンジの 4 色が使用されます。

この技術は、1979年から1980年代半ばにかけて携帯型電子ゲーム機にも使用されました。これらのゲームは明るく鮮明なディスプレイを特徴としていましたが、安価に製造できる最大の真空管のサイズのためにディスプレイのサイズは非常に小さく、拡大鏡としてのフレネルレンズの使用が必要になることが多かったのです。後期のゲームは洗練されたマルチカラーディスプレイを搭載していましたが、初期のゲームでは蛍光体が発する（通常は水色の）光の色を透明フィルターで変化させることで色彩効果を実現していました。消費電力と製造コストの高さが、ビデオゲーム用ディスプレイとしてのVFDの衰退の一因となりました。LCDゲームは製造コストがはるかに低く、電池（またはACアダプター）の頻繁な交換も必要なく、携帯性もはるかに優れていました。1990年代後半以降、バックライト付きカラーアクティブマトリックスLCDディスプレイは、任意の色で任意の画像を安価に再現できるようになり、固定色、固定文字のVFDに比べて大きな利点となりました。これがVFDの人気低下の主な理由の一つですが、VFDは現在も製造が続けられています。多くの低価格 DVD プレーヤーには依然として VFD が搭載されています。

1980 年代半ば以降、高輝度仕様の小型ディスプレイを必要とするアプリケーションでは VFD が使用されていましたが、現在では高輝度有機発光ダイオード(OLED) の採用により、VFD はこれらの市場から排除されつつあります。

蛍光表示管は、かつては世界中のオーティス・エレベーター社や北米のモンゴメリー・エレベーター社でエレベーターの階数表示器として広く使用されていました（前者は 1980 年代前半から 2000 年代後半まで緑色の16 セグメント表示器（通常は 2 つ）の形式で使用されており、後者は 1980 年代半ばから 2000 年代前半まで緑色または青色の 10 x 14ドットマトリックス表示器（通常は 3 つ、1 つは矢印用、他の 2 つは数字用）の形式で使用されていました）。

広く普及している固定文字VFDに加え、個別にアドレス指定可能なピクセルの配列で構成されたグラフィックタイプのVFDも利用可能です。これらのより高度なディスプレイは、任意の画像を表示できる柔軟性を備えており、一部の民生用機器では依然として有用な選択肢となる可能性があります。

VFDでは、ディスプレイを駆動するために必要な接続数を減らすために多重化が使用されることがあります。[ 2 ]

アンプとしての使用

多くのアマチュア無線家が、 VFDを三極管アンプとして使用する可能性について実験してきました。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] 2015年、コルグはVFD技術に基づいたアナログオーディオアンプコンポーネントであるNutubeを発売しました。Nutubeは、 Voxのギターアンプ[ 26 ]やApex Sangakuのヘッドフォンアンプ[ 27 ]などのアプリケーションで使用されています。Nutubeはコルグによって販売されていますが、ノリタケ伊勢丹によって製造されています。[ 28 ]

フェード

VFDでは、フェードが問題になることがあります。発光量の減少と蛍光体効率の低下により、光出力は時間の経過とともに低下します。この低下の速度と程度は、VFDの構造と動作によって異なります。機器によっては、VFD出力の損失により機器が動作不能になる場合があります。ディスプレイドライバチップを使用してVFDを駆動するために必要な電圧を下げることで、フェードを遅らせることができます。フェードは、カソードの蒸発や汚染によっても発生する可能性があります。硫黄を含む蛍光体は、フェードが発生しやすいです。[ 2 ]

通常、フィラメント電圧を上げることで発光を回復できます。中程度のフェードは33%の電圧上昇で改善でき、重度のフェードは66%の電圧上昇で改善できます。これにより、使用中にフィラメントが見える場合がありますが、通常使用される緑青VFDフィルターは、フィラメントからの赤やオレンジ色の光を軽減するのに役立ちます。

歴史

1976年から1986年の間に製造されたカシオM-1電卓のVFDディスプレイ付きPCB [ 29 ]

当時普及していた3つのディスプレイ技術（VFD、LCD、LED）のうち、最初に開発されたのはVFDです。初期の携帯型電卓では、VFDとLEDディスプレイが使用されていました。LEDディスプレイは、高電圧を必要とせず電力要件が単純だったため、この用途ではVFDの代替でした。ディスプレイ技術の選択はメーカーの商業的決定によって異なり、カシオ、キヤノン、シャープなどの企業はLEDディスプレイを廃止してVFDと初期のLCDを採用しましたが、LEDディスプレイを製造していたテキサス・インスツルメンツとヒューレット・パッカードは、ずっと長い間LED技術を使い続けました。その後、LCD技術が十分に確立されると、携帯型電卓でLEDディスプレイとVFDに取って代わり、消費電力とコストを削減しました。最近では、教育分野以外では、携帯電話の電卓アプリケーションがポケット電卓に取って代わっており、LEDバックライト付きLCDから有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイの形のフルLEDディスプレイへと進化しています。

最初のVFDは、1959年にフィリップスが開発した単表示のDM160でした。トランジスタで簡単に駆動できるため、ネオンよりも駆動しやすく、電球よりも長寿命であったため、コンピューター用途を狙っていました。1967年に発売された日本製の単桁7セグメントディスプレイは、アノードの点ではフィリップスのDM70 / DM71 Magic Eyeに似ていました。DM160はスパイラルワイヤアノードを採用していたからです。日本製の7セグメントVFDは、ニキシー管やパナプレックスネオン数字、あるいはポケット電卓のLEDディスプレイのように、卓上電卓のディスプレイに特許使用料を支払う必要がないことを意味していました。英国では、フィリップスの設計はムラード社（第二次世界大戦前からフィリップスがほぼ1000％所有）によって製造・販売されていました。

ソビエト連邦のIV-15 VFD管はDM160と非常によく似ています。DM160、DM70/DM71、そしてソビエト連邦のIV-15は（VFDパネルのように）三極管として使用できます。したがって、DM160は最小のVFD管であり、最小の三極管バルブです。IV -15は形状が若干異なります（ DM160とIV-15の比較 写真をご覧ください）。

参照

参考文献

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  2. ^ a b c d e f g h Chen, J., Cranton, W., & Fihn, M. (編). (2016). ビジュアルディスプレイ技術ハンドブック. doi:10.1007/978-3-319-14346-0 1610ページ以降
  3. ^ a b cジャンリン・チェン、ウェイン・クラントン、マーク・フィン（2011年）『ビジュアルディスプレイ技術ハンドブック』シュプリンガー、pp. 1056, 1067– 1068. ISBN 978-3-540-79566-7。
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  7. ^ Joseph A. Castellano (ed),ディスプレイ技術ハンドブックGulf Professional Publishing, 1992 ISBN 0-12-163420-59ページ
  8. ^ Joseph A. Castellano (ed),ディスプレイ技術ハンドブックGulf Professional Publishing, 1992 ISBN 0-12-163420-5176ページ
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  11. ^ Joseph A. Castellano（編）、『ディスプレイ技術ハンドブック』、Gulf Professional Publishing、1992年ISBN 0-12-163420-5第7章 蛍光表示管 163ページ以降
  12. ^ Elektrotechnik Tabellen Kommunikationsselektronik (第 3 版)。ブラウンシュヴァイク、ドイツ：ウェスターマン。 1999.p. 110.ISBN​ 3142250379。
  13. ^ウィリアム・M・イェン、塩谷茂雄、山本肇（編）、リン光体ハンドブック、CRCプレス、2007年ISBN 0-8493-3564-7 第8章
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  27. ^ “Sangaku ヘッドホンアンプ” . 2018年4月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年3月11日閲覧。
  28. ^ “ニュース | KORG INCとNoritake Co.、革新的な真空管「Nutube」を限定発売 | KORG (USA)” . 2020年11月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月29日閲覧。
  29. ^ “Calculator.orgウェブサイト” . 2023年7月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年7月23日閲覧。
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