(57)【要約】【課題】高いランプ効率を有する希ガス型の誘電体バリア放電ランプ等を提供すること。【解決手段】バルブ１０と、バルブ１０の内部に封入された希ガスを含む放電媒体１２と、バルブ１０の内部に配置された内部電極１３と、バルブ１０の外部に配置された外部電極１５とを有し、放電媒体１２は、キセノンとアルゴンの混合ガスであって、キセノン分圧比が９５％以上９９．５％以下であることを特徴とする。この構成によって、高いランプ効率を有する希ガス型の誘電体バリア放電ランプを実現できる。【選択図】図１
2010140637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブと、
前記バルブの内部に封入された希ガスを含む放電媒体と、
前記バルブの内部に配置された内部電極と、
前記バルブの外部に配置された外部電極とを有し、
前記放電媒体は、キセノンとアルゴンの混合ガスであって、キセノン分圧比が９５％以上９９．５％以下であることを特徴とする、誘電体バリア放電ランプ。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプと、
前記誘電体バリア放電ランプからの光が入射する液晶パネルと、を備える、液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部電極と外部電極とを備えた光源装置に関する。また、本発明は当該光源装置を備えるバックライト装置のような照明装置、及び当該バックライト装置を備える液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年デジタルテレビの大画面化、薄型化の進展に伴い、液晶バックライトの大型化の要請が強くなってきている。液晶バックライト用光源としては、従来から重用されてきた冷陰極蛍光ランプに変わるものとして、発光ダイオードや有機ＥＬ素子を使用した固体発光デバイスの研究も進み、一部は商品化されている。しかしながら、発光効率や寿命特性などとコストの観点から、まだ当面の間は冷陰極蛍光ランプを完全に代替するには至らないものとみられる。
【０００３】
蛍光ランプは、蛍光体を励起するための紫外線源として、環境負荷物質である水銀を用いた低圧グロー放電を使用している。このため環境保護の観点からは、水銀を使用せずに現行の蛍光ランプと同等の効率を有する光源の開発が求められている。
【０００４】
上記目的を達成するためには、蛍光体を有効に励起、発光できる波長（およそ１００ｎｍから３００ｎｍ程度）の紫外線を効率よく放射する放射源が必要である。水銀以外で注目されているのは、希ガスを主体とした低圧ないし中圧（概ね大気圧以下）での放電プラズマである。紫外線は、蛍光体によって可視光に変換されるため、紫外線のエネルギーと可視光のエネルギーの差に相当するエネルギーは損失となる。このため放電によって得られる紫外線の波長は可視光に近い方が望ましい。このことから、希ガス放電の中でもキセノンを主体とした放電プラズマが、放射される紫外線の波長が比較的長いため有望とされる。
【０００５】
キセノン放電では特に、励起状態のキセノン原子と基底状態のキセノン原子が不安定に結合するエキシマ（ｅｘｃｉｍｅｒ；励起二量体）が解離する際に放出される、１７２ｎｍ付近のブロードな放射の効率が高いことが知られている。一般にエキシマの生成、放射解離はパルスアフターグロー中で特に効率が高い。このため通常のグロー放電よりも、電極と放電空間との間に、電流を遮断する電荷障壁となる誘電体層を設けた、いわゆる誘電体バリア放電の方が高い効率を期待できる。
【０００６】
このため、キセノンを主体とした希ガス放電を応用した希ガス蛍光ランプとしては、発光管のガラス管壁を電荷障壁となる誘電体層として利用した構成のものが、従来から精力的に研究されてきた。そのような構成の例として、特許文献１に開示されたランプの構造を図９に示す。図９において、１はガラス製のバルブ、２は放電空間、３は蛍光体被膜、４は冷陰極からなる内部電極、５はバルブ１の外面に設けられた外部電極である。また、バルブ１内にはキセノン１００％が４０Ｔｏｒｒ（５．３×１０３ＫＰａ）封入されている。１０は高周波点灯回路であり、周波数３０ＫＨｚの正弦波電圧をランプに供給するようになっている。
【特許文献１】特開平５−２９０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような希ガス蛍光ランプでは、ランプ効率が低いと言う課題があった。鋭意研究した結果、希ガス種の比率が特定の場合に、急激にランプ効率が上昇することを発見した。
【０００８】
本発明は、封入されている希ガス種の比率を特定の範囲とすることにより、高いランプ効率を有する希ガス型の誘電体バリア放電ランプ等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明の誘電体バリア放電ランプは、バルブと、前記バルブの内部に封入された希ガスを含む放電媒体と、前記バルブの内部に配置された内部電極と、前記バルブの外部に配置された外部電極とを有し、前記放電媒体は、キセノンとアルゴンの混合ガスであって、キセノン分圧比が９５％以上９９．５％以下であることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本願発明の液晶表示装置は、上記の誘電体バリア型放電ランプと、前記誘電体バリア放電ランプからの光が入射する液晶パネルと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、放電媒体として、キセノンにアルゴンを微量に混合し、キセノン分圧比を９５％以上９９．５％以下とすることで、高効率な誘電体バリア放電ランプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における誘電体バリア放電ランプを示す。
【００１４】
誘電体バリア放電ランプ１００は、細長い気密容器１０、蛍光体層１１および気密容器１０内に封入された希ガスを主体とする放電媒体１２からなり、気密容器１０の一方の端部に封着された内部電極１３を有している。このランプ１００は外部電極１４に配置されて利用される。本実施形態では、ランプ１００と外部電極１４の間に空気層１５を設けている。ランプ１００の内部電極１３と外部電極１４との間に、駆動回路１６によって高電圧を印加することで、誘電体バリア放電を起こし発光させる。
【００１５】
本実施形態では、気密容器１０として、ホウケイ酸ガラスで形成された断面構造が概ね円形形状の直管を用いた。直管の内径は２．０ｍｍ、外径は３．０ｍｍ、長さは３５０ｍｍであった。蛍光体層１１は、青色蛍光体ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、緑色蛍光体ＬａＰＯ４：Ｃｅ，Ｔｂ、および、赤色蛍光体（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕを混合したものを気密容器１０の内表面に形成した。
【００１６】
放電媒体１２（不図示）としては、キセノンとアルゴンを所定の分圧比で配合した混合ガスを用いた。
【００１７】
内部電極１３はニッケルで形成し、外部電極１４はアルミニウムで形成した。外部電極１４は平板状であり、気密容器１０と外部電極１４との間には空気層１５が設けられており、その距離は５ｍｍでランプ長手方向に一定にしてある。また、外部電極１４の表面には、鏡面反射処理が施されている。そのため、外部電極１４の表面に高反射シートを設置しなくても、光源装置から高い出射光量を望むことができる。ランプ点灯用の駆動回路１６を、内部電極１３と外部電極１４との間に接続し、周波数２０〜３０ｋＨｚの矩形交番電圧を印加した。
【００１８】
以下、具体的な実験結果を挙げて説明する。
【００１９】
上記ランプ１００を、放電媒体１２のキセノンとアルゴンの分圧比が異なる７つの条件について、ランプ効率の評価を行った。以下、この７つのガス条件を列挙する。なお、全圧力は、すべて１６ｋＰａである。
【００２０】
条件（１）キセノン４０％：アルゴン６０％
条件（２）キセノン６０％：アルゴン４０％
条件（３）キセノン８０％：アルゴン２０％
条件（４）キセノン９５％＋アルゴン５％
条件（５）キセノン９８％＋アルゴン２％
条件（６）キセノン９９．５％＋アルゴン０．５％
条件（７）キセノン１００％
上記構成ランプを、高圧パルス電源（ハイデン研究所製：ＳＢＰ−５Ｋ−ＨＦ−１）により点灯させ、ランプ効率の測定を行った。測定時の駆動波形は、駆動周波数が２０ｋＨｚの正負交番の矩形であり、電圧は０からピーク電圧値までの差（０−ｐ値）が２〜２．６ｋＶの範囲で変化させた。図２に、条件（７）Ｘｅ１００％の電圧依存性を示している。横軸が駆動円圧の０−ｐ値、縦軸がランプ効率（任意単位系：ａｕ）である。図２からわかるように、ランプ効率が最大となる最適な電圧が存在する。これは、次のような要因による。電圧が小さい場合、プラズマ中の電子エネルギー（電子温度）が低くなり、キセノン原子の励起効率が低下してしまう。また、逆に電圧を大きくすると、電流密度が増大し、電子がすでに励起されたキセノン原子と衝突しイオン化してしまうため、エキシマの生成効率が低下する。以上のような理由から、効率を最大にする最適な電圧が存在することになる。
【００２１】
条件（１）から（７）までの各ランプについて、電圧を０−ｐ値が２〜２．６ｋＶの範囲で変化させ、ランプ効率を測定した。ｎ増しのため、いずれのランプも４本用意し、その平均値を求めた。その結果を、図３、表１に示している。
【００２２】
【表１】
2010140637.tif 000003
【００２３】
図３の縦軸は最適電圧におけるランプ効率（ｎ＝４本の平均値）、横軸はキセノン分圧比（Ｘｅ分圧比）、すなわち、（キセノン分圧）／（キセノン分圧＋アルゴン分圧）の百分率を示している。
【００２４】
この実験結果より、キセノン分圧比によって極大値が存在することがわかる。また、極大値は、キセノン分圧比が１００％に近い部分に存在することがわかる。したがって、キセノンにアルゴンを微量混合することにより、ランプ効率を向上できることが明らかとなった。図３から、キセノン分圧比を９５．０〜９９．５％とすることにより、キセノンを１００％とした場合よりもランプ効率を向上することができる。
【００２５】
図４は、各キセノン分圧における駆動電圧を示したグラフである。縦軸は、ランプ効率が最大となる最適電圧（ｎ＝４本の平均値）、横軸はキセノン分圧比（９５〜１００％）を示している。アルゴンを混合することで、効率を向上するだけでなく、駆動電圧を低減する効果も確認される。
【００２６】
ここで、効率向上の効果を理解するために、本実施形態で起こる放電現象について説明する。一般的に、キセノン分圧を増加すれば、励起状態のキセノン原子と基底状態のキセノン原子２個との衝突によって起こる三体衝突が増加し、エキシマの生成効率は上昇する。しかしながら、一方で、電子エネルギー（電子温度）が低下するため、そもそも、励起状態のキセノン原子を減少させてしまうことになる。キセノン原子の励起に必要な高い電子エネルギー（電子温度）を維持するために、駆動電圧を高くすれば良いのだが、現実的には、駆動回路の制約によって上限が決定されることになる。本実施形態のランプ構成の場合、駆動電圧を０−ｐ値２．５ｋＶ以下の範囲に抑えようとした場合、１６ｋＰａ以下にする必要があった。そのため、本実施形態では、全圧を１６ｋＰａにして実験を行っている。なお、駆動電圧は、気密容器の管径、長さ、気密容器１０と外部電極１４との距離にも依存するため、必ずしも、駆動回路の制約のみでガス圧が決定されるわけではない。
【００２７】
図３において、キセノン分圧比を増加していくと、効率が良くなっていく傾向がある。これは、先に述べたように三体衝突の増加によってエキシマの生成効率が向上するからである。ところが、キセノン分圧比を１００％にするよりも、アルゴンを微量混合しキセノン分圧比を９５〜９９．５％にした方がより高い効率を実現できることが明らかとなった。これは、アルゴンを微量に混合することにより、電子エネルギー（電子温度）が高くなり、キセノン原子の励起効率が向上したためと考えられる。すなわち、キセノン分圧比９５〜９９．５％の範囲においては、エキシマ生成効率向上の効果よりも、アルゴン混合によるキセノン原子の励起効率向上の効果の方が支配的になっていると推論できる。これは、本願発明者らの検討によって、初めて明らかになったことである。
【００２８】
以上の検討は、ランプからの出力光束をランプへの投入電力で除した値である「ランプ効率」で評価を行った。ここで、その算出方法について説明する。
【００２９】
図５に測定配置図、図６にその模式図を簡単に示している。外部電極１４に直列にコンデンサ１７を接続する。電圧プローブＶ１を内部電極１３、コンデンサ１７間に、電圧プローブＶ２をコンデンサ１７間に接続する。ランプへの影響を小さくするために、コンデンサ１７の容量はランプの容量に比べ大きなものを使用する。本実施形態では、ランプの容量が数１０ｐＦ程度に対し、コンデンサの容量は数１０ｎＦ程度であった。上記配置において、ランプ、コンデンサ間に高電圧を印加しランプを点灯させた状態で、電圧Ｖ１およびＶ２を測定する。測定した電圧Ｖ１およびＶ２より、ランプにかかる電圧Ｖ＝Ｖ１−Ｖ２を算出する。また、コンデンサ１７の容量Ｃおよび電圧Ｖ２より、測定部位に蓄えられる電荷Ｑ＝Ｃ×Ｖ２を算出する。上記のように求めた電圧Ｖ、電荷Ｑをそれぞれ、縦軸、横軸にしたＶ−Ｑリサージュ図を図７に示す。ランプ電力は、図７で囲まれている面積に相当し、「（ランプ電力）＝（１周期の面積）×（駆動周波数）」により求まる。
【００３０】
また、同時に照度計等を用いて光出力を測定すれば、「（ランプ効率）＝（光出力）／（ランプ電力）」を計算できることになる。
【００３１】
なお、本実施形態では、気密容器１０はホウケイ酸ガラスで形成された直管状のものを用いたが、これに限定されることはない。例えば、気密容器１０の材質は、石英ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス等のガラスであってもよい。また、形状も直管に限らず、例えば、Ｌ字状、Ｕ字状、Ｔ字状または矩形状等であってもよい。また、本実施形態では、内径２．０ｍｍ、外径３．０ｍｍ、長さ３５０ｍｍの直管を用いたが、管径やランプ長はこれに限定されるものではない。
【００３２】
なお、蛍光体１１の種類は、限定されることはなく、いわゆる、一般照明用蛍光灯、プラズマディスプレイ等に用いられる他の材料であってもよい。
【００３３】
なお、放電媒体１２の全圧は、本実施形態では１６ｋＰａであったが、これに限定されることはない。
【００３４】
なお、内部電極１３は、ニッケルだけでなく、例えばタングステン、ニオブなどの金属で形成できる。内部電極１３の表面は、酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムといった金属酸化物層で表面の一部又は全体覆われていてもよい。このような金属酸化物層を用いることによって、点灯開始電圧を低減でき、イオン衝撃による電極の劣化を防止できる。本実施形態では、内部電極１３が気密容器１０の一端にのみ封着されていたが、これに限るものではなく、内部電極が２個以上封着されていても良い。
【００３５】
なお、外部電極１４は、アルミに限らず、銅、ステンレス等の金属や、酸化スズ、酸化インジウム等を主成分とする透明導電性構造物等で形成できる。さらに、外部電極１４は鏡面反射処理の施されているものを使用することにより、外部電極１４の表面に高反射シートを設置しなくても、光源装置から高い出射光量を望むことができる。外部電極１４と気密容器１０との距離を隔てての保持・固定に関する手段（保持部材）は、絶縁性部材（例えば、シリコンゴム）を利用するなど様々な構成があり得る。何れの方法も容易に実現できるため、具体例を挙げての説明は省略する。上記実験は平板状の外部電極１４で行ったが、外部電極１４の形状には依存しない。また、本実施形態では、気密容器１０と外部電極１４との距離は５ｍｍであったが、これに限るものではない。
【００３６】
なお、気密容器１０の管径、長さ、放電媒体１２の全圧、および、気密容器１０と外部電極１４との距離はいずれも、その値が大きくなるほど高い電圧が必要となるため、任意に決定することはできず、実使用上設けられる駆動電圧の上限で点灯が実施できるように設定しなければならない。例えば、気密容器１０の長さを長くした場合、放電媒体１２の全圧を低くすることで、ランプを全長に渡って点灯することが可能になる。
【００３７】
なお、本実施形態では、ランプ点灯用の駆動回路１６を２０ｋＨｚにして点灯を行ったがこれに限定されるものではない。
【００３８】
（実施形態２）
本発明の光源装置を用いた発光デバイスの一実施例について説明する。
【００３９】
本実施の形態に於ける発光デバイス１０００の構成を図８に示す。図８の発光デバイス１０００は平板状直方体型の拡散板２０の背面にランプ１００が配置されている。また、ランプ１００の背面には、反射機能を有する外部電極１４が設置されている。ランプ１００および外部電極１４は筐体２４に組み込まれている。図８に示すように光源装置１０００から放出される光は各シートを透過し、前面に導出される。光を散乱させる拡散シート２１や放射される光の方位を限定するためのプリズムシート２２、さらには放出される光の偏光を制限する偏光シート２３が形成されている。
【００４０】
図８は前面からだけ光が放出される面光源デバイスとして有用である。また、図８の前面に液晶デバイスを配置して光を導けば、液晶ディスプレイのバックライトとして利用することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき面光源として他の実施の形態に適応することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、一般照明用光源、ファクシミリ、複写機等の原稿照明用光源、液晶パネルバックライト用光源に利用される光源装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態１における誘電体バリア放電ランプを示す側面断面図
【図２】本実施形態１におけるランプ効率の電圧依存性を示す図
【図３】本実施形態１におけるランプ効率のキセノン分圧比依存性を示す図
【図４】本実施形態１における駆動電圧のキセノン分圧比依存性を示す図
【図５】本実施形態１における効率測定時の配置を示す模式図
【図６】本実施形態１における効率測定時の配置を示す模式回路図
【図７】本実施形態１におけるＶ−Ｑリサージュ波形図
【図８】本実施形態２における誘電体バリア放電ランプを用いた液晶表示装置を示す概略図
【図９】従来例における希ガス放電ランプを示す模式図
【符号の説明】
【００４４】
１００    ランプ
１０    気密容器
１１    蛍光体層
１２    放電媒体
１３    内部電極
１４    外部電極
１５    空気層
１６    駆動回路
１７    コンデンサ
２０    拡散板
２１    拡散シート
２２    プリズムシート
２３    偏光シート
２４    筐体
２５    筐体
【図１】
2010140637.tif 000004
【図２】
2010140637.tif 000005
【図３】
2010140637.tif 000006
【図４】
2010140637.tif 000007
【図５】
2010140637.tif 000008
【図６】
2010140637.tif 000009
【図７】
2010140637.tif 000010
【図８】
2010140637.tif 000011
【図９】
2010140637.tif 000012