(57)【要約】  蛍光ランプ（１０）は、内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管（１０２）と、発光管（１０２）の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極（１０１ａ）と、発光管（１０２）において、第１の内部電極（１０１ａ）の反対側の端部に封装された第２の内部電極（１０１ｂ）と、発光管（１０２）より所定の距離を離して発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極（１０３）とを備える。蛍光ランプ１０２の外部において、第２の内部電極（１０１ｂ）に容量性の内部電荷排出手段（１０４）が電気的に接続される。
2008038527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光ランプと、前記蛍光ランプに駆動電圧を供給する電源回路とを含むランプ点灯装置であって、
前記蛍光ランプは、
内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、
前記発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、
前記発光管の前記第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、
前記発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極と、
前記第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と
を備える、
ことを特徴とするランプ点灯装置。
【請求項２】
前記内部電荷排出手段の容量値は０．１ｐＦ以上かつ１０ｐＦ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項３】
前記内部電荷排出手段は、前記外部電極と対向して配置され浮遊電位におかれた導体部材であることを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項４】
前記外部電極と前記導体部材との間に、誘電体よりなる支持部材を設けたことを特徴とする請求項３に記載のランプ点灯装置。
【請求項５】
前記前記蛍光ランプを複数配置したことを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項６】
前記複数の蛍光ランプの各々の内部電荷排出手段がそれぞれ電気的に分離されていることを特徴とする請求項５に記載のランプ点灯装置。
【請求項７】
内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、
前記発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、
前記発光管の前記第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、
前記発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極と、
前記第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と、
を備えたことを特徴とする蛍光ランプ。
【請求項８】
液晶パネルと、前記液晶パネルを照明するバックライト装置とを備え、
前記バックライト装置は請求項１記載のランプ点灯装置を含むことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水銀を用いないで環境負荷を減らした放電光源及びそのような光源を点灯させる点灯装置に関する。
【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、その発光主体である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。水銀以外の、放電による紫外線放射媒体として注目されるのは、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１光子は最終的に蛍光体によって可視光の１光子に変換されるため、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１０に示す。【０００７】
図１０は、誘電体バリア放電を用いた希ガス蛍光ランプの発光管の断面図である。図１０において、内面に蛍光体膜が形成された、硬質ガラス等よりなる透光性の発光管２の外表面に、ニッケル等の導電金属線をコイル状に巻回した外部電極３が設けられている。発光管２の一方の端部には、冷陰極の内部電極１が気密に封装されている。また発光管２の内部にはキセノンを主体とする希ガスが所定の圧力で封入される。内部電極１と外部電極３との間には高周波の矩形パルス電圧が印加される。外部電極３の外側は透光性の絶縁チューブ４によって被覆されており、矩形パルス電圧を周囲から絶縁している。【０００８】
ランプの動作時には内部電極１と外部電極３との間で、発光管２の管壁を電荷障壁とした誘電体バリア放電が発生し、封入されたキセノンなどの希ガスから効率よく紫外線を放射させ、それによって蛍光体層を励起し発光するものである。【０００９】
【特許文献１】特開２００２−４２７３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１０のような構成の場合、発光管２の全長が長くなると、長手方向の輝度分布が一様でなくなるという課題がある。すなわち、内部電極１から遠い部分では、希ガスを放電させて十分な強度の紫外線を発生させるだけの電界強度が得られず輝度が低下する。またそれを避けるために内部電極１に印加する電圧を高くすれば、内部電極１から遠い部分での輝度は上昇する反面、放電電流が増加し、これにより内部電極１の近傍での放電が収縮して紫外線放射効率が低下し、輝度が低くなる。画面上での明るさが一様であることを強く求められるテレビ用液晶バックライトとしては、発光管２の長手方向で輝度が一様でないことは大きな課題である。特許文献１ではこれを回避するために、外部電極３の巻きピッチを変化させるという手段をとっている。輝度が低下する内部電極１の近傍及び内部電極１から遠い部分でのまきピッチを狭くすることで、単位長さ当りの投入電力を局所的に高くし、その部分の輝度を上げて輝度分布を一様に近づけようとするものである。【００１１】
しかしながらこの方法では、特に内部電極１近傍の紫外線放射効率が低くなっている部分に過剰に電力を投入することで、全体としての効率が低下するという課題がある。また、テレビの画面寸法に合わせて発光管２の長さを変更したり、画面にあわせて調光によってバックライトへの投入電力が変化したりした場合にも、輝度を一様に保てる必要がある。しかしそのような外部電極３の巻きピッチを設計するのはきわめて困難であり、実用上の柔軟性にかけていた。【００１２】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、発光効率を落とさずに、低い駆動電圧でも長手方向の輝度分布を一様にできるようにした、水銀を使用しない希ガス蛍光ランプ及びその点灯装置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】
【００１３】
本発明に係るランプ点灯装置は、蛍光ランプと、蛍光ランプに駆動電圧を供給する電源回路とを含むランプ点灯装置である。蛍光ランプは、内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、発光管の第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極とを備える。さらに、蛍光ランプは、第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段を備える。【００１４】
本発明に係る蛍光ランプは、内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、発光管の第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と、発光管より所定の距離を離して発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極とを備える。【００１５】
本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、液晶パネルを照明するバックライト装置とを備える。バックライト装置は上記のランプ点灯装置を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は容量性の内部電荷排出手段を通して放電中の残留電荷を発光管外に排出して発光管の内部での残留電荷量を制御することにより、誘電体バリア放電における極性反転時のプラズマの導電率を低下させ、発光管の全長にわたって放電効率を一様にすることが可能となる。その結果発光管の長手方向の輝度分布を均一にし、かつ効率のよいバックライト用希ガス蛍光ランプを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における希ガス蛍光ランプの斜視図
【図２】本発明の効果を示すグラフ
【図３】本発明の希ガス蛍光ランプの放電の様子を説明する模式図
【図４】本発明の実施の形態１の電気回路的構成を示す模式図
【図５】本発明における電気容量の測定法を示す模式図
【図６】電気容量の測定におけるＶ−Ｑリサージュの例を示す図
【図７】本発明の効果を示す、容量の測定結果の例を示す図
【図８】本発明の実施の形態２における液晶バックライトユニットの斜視図
【図９】本発明の実施の形態２における液晶表示装置の構成を示す図
【図１０】従来の希ガス蛍光ランプの構成を示す図
【符号の説明】
【００１８】
１、１０１    内部電極
１０    希ガス蛍光ランプ
１０１ａ    駆動用内部電極
１０１ｂ    内部電荷調整用内部電極
２、１０２    発光管
３、１０３    外部電極
１０４    内部電荷調整手段として動作する導体部材
２００    電源回路
２５０    ランプ点灯装置
３００    液晶バックライトユニット
４００    液晶パネル
４３０    液晶パネル駆動回路
４５０    バックライト装置
５００    液晶表示装置
Ｘ    内部電荷排出手段
Ｙ    擬似的なランプ容量
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における希ガス蛍光ランプの構成を示した図である。図１において、発光管１０２はホウケイ酸ガラスなどの光透過性を持った硬質ガラスの円筒管であり、内面には励起スペクトルが特に真空紫外領域（主に２００ｎｍ以下）において強くなるように選定された、三波長の蛍光体膜（図示せず）が形成されている。発光管１０２の内部には放電ガスとして、主にキセノンよりなる希ガスが常温で約１６ｋＰａの圧力で封入されている。発光管１０２の両端部には、カップ状冷陰極の内部電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ）が気密に封装されている。第１及び第２の内部電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ）はニッケル等の高融点かつ電気伝導性の高い金属よりなる。【００２１】
発光管１０２は、シリコーン樹脂などの絶縁性部材よりなるスペーサ１０５によって、概略平板状のアルミ材よりなる外部電極１０３から距離３．０ｍｍ（ただし発光管１０２の外表面と外部電極１０３との最短距離とする）の位置に支持される。外部電極１０３は、その表面に高輝度反射コーティングが施されている。ここで概略平板状とは必ずしも完全に平らな板である必要はない。例えば少なくとも発光管１０２の直径程度以上の幅を持ち、発光管１０２の軸までの距離よりも大きな曲率半径をもつ凹面形状であることを許容する。【００２２】
内部電極１０１のうちの一方１０１ａは駆動用内部電極として使用される。駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３の間に、ランプ点灯用の電源回路（図１では示さず、図４等参照）から、周波数２０ｋＨｚの矩形交番電圧を印加することで点灯駆動を行う。この場合、外部電極１０３を基準電位（接地電位）とすることが安全上望ましい。電圧印加時には、発光管１０２のガラス管壁が電荷障壁として作用するため、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間で誘電体バリア放電を実現することが出来る。【００２３】
駆動用内部電極１０１ａと反対側の端部には、駆動用内部電極１０１ａと同じカップ状冷陰極の内部電荷調整用の内部電極（以下「調整用内部電極」という。）１０１ｂが封装されている。調整用内部電極１０１ｂは発光管１０２の外部において導体部材１０４と電気的かつ物理的に接続され、内部電荷排出手段として動作する。内部電荷排出手段とは、発光管１０２の端部に蓄積され得る電荷を排出する機能を有する。導体部材１０４は、外部電極１０３と平行な平面内に配置された平板状の導電性を有する部材である。ここで、調整用内部電極１０１ｂおよび導体部材１０４はともに浮遊電位におかれている。好ましくは、導体部材１０４は、面積が約１ｃｍ2のアルミ板で構成され、外部電極１０３との距離は約４．５ｍｍである。【００２４】
図２に、本実施の形態１の希ガス蛍光ランプの、長手方向の輝度分布の測定結果を示す。同図において、比較として、導体部材１０４を含む内部電荷排出手段を持たない従来の構成の場合と、導体部材１０４を用いた本実施の形態（本発明）の構成の場合とを示している。実線（曲線Ｐ１、Ｐ２）は導体部材１０４を接続しない従来の場合であり、破線（曲線Ｑ１、Ｑ２）は導体部材１０４（面積１ｃｍ２）を接続した本発明の場合である。印加電圧２．０ｋＶ0-Pでは、導体部材１０４を接続しない場合には明確に駆動用内部電極１０１ａ側の輝度が高く、調整用内部電極１０１ｂ側の輝度が低い。すなわち印加電圧が不足していることがわかる。それに対して導体部材１０４を接続した場合には、同じ２．０ｋＶ0-Pの印加電圧でもほとんど均一な輝度分布を達成できていることがわかる。輝度の均斉度を評価するために図２の管面輝度の平坦部分を直線でフィッティングしてその傾きを求めたところ、導体部材１０４を接続しない場合では−０．００１５であったのに対し、導体部材１０４を接続した場合には＋０．０００９に改善された。なお目視評価では概ね傾きが±０．００１より大きくなると、明暗の傾きを感じ始めることがわかった。すなわち、本実施の形態１のような簡単な構成を採用することによって、希ガス蛍光ランプの長手方向の輝度分布を、印加電圧を高くすることなく均一にできることがわかった。【００２５】
ここで、このような効果を理解するために駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間での誘電体バリア放電の進展について、図３を参照しながら簡単に説明する。なお図３では例として駆動用内部電極１０１ａの電位が正から負に反転する位相での様子を示すが、逆極性に反転する位相でも概ね同様の議論が成り立つと考えてよい。【００２６】
駆動用内部電極１０１ａの印加電圧が高くなり放電ガスが絶縁破壊することによって、まず電界強度が最も高い駆動用内部電極１０１ａの近傍で放電が開始される。放電開始によって発光管１０２内部にはプラズマが生成される。プラズマ中の正負の電荷（おのおの主にイオンと電子である）が、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間の電界によって発光管１０２内の空間を、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３の方向へとそれぞれドリフトすることによってランプ電流が流れる。外部電極１０３側にドリフトした電荷（電子）は、絶縁体である発光管１０２の管壁が電荷障壁として作用するため、発光管１０２の管壁に蓄積されてゆくことになる。蓄積された電荷はそれ自身が生じる電界によって電極間電界を中和するため、最初に放電が開始された駆動用内部電極１０１ａの近傍では、やがて放電ガス中の放電が維持できなくなって放電が停止する。【００２７】
この結果、当初の放電によって発生したプラズマのうちドリフトせずに空間に残留したもの（「残留電荷」と呼ぶ）が、いわゆるパルスアフターグロープラズマに類似した状態となって存在する。プラズマは有限の電気抵抗を持つ導体として振舞うため、残留電荷の先端部Ａは、駆動用内部電極１０１ａの電位から、残留電荷での電圧降下分だけ低い電位を持つ擬似的な内部電極となる。【００２８】
一方、残留電荷の先端部Ａから先の領域では、発光管１０２の管壁には電荷が蓄積されていないため、残留電荷の先端部Ａと外部電極１０３との電位差による電界によって放電開始が可能である。したがってプラズマでの電圧降下によって残留電荷の先端部Ａでの電位が放電開始電圧を下回るか、先端部Ａが発光管１０２の端部に達するまで、発光管１０２の長手方向に微小な距離毎に上記の過程を繰り返しながら放電が進展し、残留電荷のプラズマが延伸することになる。この延伸速度は通常非常に速い（１×１０6ｍ／秒以上）ため、本実施の形態１で用いるような２０ｋＨｚ程度の周波数の場合には、印加電圧の極性が反転した直後にパルス状のランプ電流が流れ、再度極性が反転するまでのほぼ半周期（２５マイクロ秒）はほとんど電流が流れない休止期間となる。【００２９】
放電が終了した後、印加電圧の極性が再度反転するまでの間は、蓄積電荷が印加電圧によって維持されているため、発光管１０２内には実効的な電界がかからない状態となる。しかし残留電荷は完全に消失（体積再結合及び両極性拡散による）するには数十マイクロ秒以上の時間がかかるため、次の極性反転時にはある程度の残留電荷が存在する状態となる。【００３０】
ところで、先に述べたようにキセノンを用いた希ガス蛍光ランプにおいて蛍光体を励起する紫外線は、キセノン励起原子より放射される１４７ｎｍの共鳴輝線と、キセノンエキシマが解離する際に放射される１７２ｎｍ付近をピークとする連続放射からなる。特にエキシマからの連続放射は効率が高く、これを有効に発生させることがランプ効率向上のためには重要である。エキシマは励起状態にある１つのキセノン原子と、基底状態の２つのキセノン原子との衝突反応（三体衝突過程）によって形成される。キセノン励起原子は励起に要するエネルギーが一般蛍光灯の水銀に比べて高いため、キセノン励起原子を効率よく生成するためには、プラズマ中の電子のエネルギー（電子温度）が高い必要がある。したがって、１４７ｎｍの共鳴輝線放射は、電子が高電界で加速される、印加電圧の極性反転時に主としてパルス状に放射される。【００３１】
一方で三体衝突過程では電子が介在しないため、放電終了後にもエキシマの形成と１７２ｎｍ連続放射は継続する。むしろ電子電流が存在する場合には一度励起されたキセノン励起原子が比較的低エネルギーの電子との衝突で容易に電離される（累積電離）ため、電流密度が高いプラズマ中ではエキシマの形成効率が低下する。従って、エキシマからの連続放射を効率よく得るためには電流密度が低い方がよい。【００３２】
上記の議論を本願発明にかかる図１のような構成の希ガス蛍光ランプに当てはめて検討した結果、長手方向の輝度分布は以下のような要因によって不均一になっているものと考えることが出来る。【００３３】
印加電圧が低い場合には、駆動用内部電極１０１ａの反対側では放電進展に寄与するプラズマ電位の低下によって輝度が低くなる。逆に印加電圧を高くすると、駆動用内部電極１０１ａ近傍においては過剰な電流による効率低下が生じるのである。つまり単純に印加電圧を上げることで放電を遠くまで進展させようとすれば、駆動用内部電極１０１ａ近傍での電流密度が上昇することになり、紫外線発光効率が低下して輝度が低くなるのである。さらに、印加電圧の極性反転時に残留電荷のプラズマが多量に存在した場合、発光管１０２の内部の空間はいわば電気抵抗の小さい状態となり、放電時の電流密度が高くなる。著しい場合には放電が線状に収縮し、ストリーマー状（繊維状）になるのが観測される。上記の議論から、このような状態では電子温度が低くなり、キセノンの励起効率が下がるとともに累積電離が支配的となり、紫外線の放射効率が低下する。また特に駆動用内部電極１０１ａの反対側の端部では、過剰に存在する残留電荷によって電界強度が低下するため、印加電圧を上げても輝度が上昇しにくく、さらに印加電圧を上げなければならない。【００３４】
この残留電荷の寿命は概ね放電ガスの組成と圧力によって決まる。しかし放電ガスの組成やガス圧は発光効率やランプ寿命などにも影響を及ぼすため、独立に決定することは出来ない。このため、パルス放電が発生する印加電圧の極性反転時に残留電荷を十分に少ない状態にするには、残留電荷が再結合して消えるのを待つこと、すなわち駆動周波数を下げて放電休止期間を長くすることが有効である。しかしながら駆動周波数を下げると、単位時間あたりの放電回数が少なくなり、必然的に発光量が低下してランプとしての光出力が小さくなる。このため、必要な光量を確保するにはランプの本数を増やす必要が生じ、著しく周波数を下げることは実際的ではない。【００３５】
そこで、本願発明者らは上に説明したような物理過程の考察に基づき、発光管１０２内の残留電荷を、自然消滅を待たずに積極的に制御する手段を検討した。その結果として、本願発明のような内部電荷排出手段を設けることを着想した。【００３６】
図４は、図１に示す希ガス蛍光ランプの構成を模式的に示した図である。同図に示すように、本願発明にかかる希ガス蛍光ランプでは好適な実施の形態として平板状の導体部材１０４を浮遊電位（接地しない）としたので、導体部材１０４と外部電極１０３とで並行平板コンデンサＣxを構成し、これが容量性の内部電荷調整手段Ｘとして動作する。すなわち上で説明したような過程に従って延伸してきた残留電荷のプラズマは、発光管１０２の端部に達すると、調整用内部電極１０１ｂに接触する。プラズマからは見かけ上、発光管１０２の外部において、プラズマに対して直列に（駆動用内部電極１０１ａ及びプラズマと外部電極１０３が擬似的に作るランプ容量Ｙに対してはプラズマの抵抗を介して並列に）コンデンサＣxが接続されているように見える。このため、導体部材１０４と外部電極１０３が構成する並行平板コンデンサＣxの静電容量が許すだけの電荷が、コンデンサＣxに蓄積されることによって発光管１０２の内部空間から排出されることになる。この結果、調整用内部電極１０１ｂの近傍でも電界強度の低下を抑制でき、調整用内部電極１０１ｂ側の端部付近でも輝度を高めることが出来る。また低い印加電圧でも放電を進展させられるので、駆動用内部電極１０１ａ付近でも電流密度上昇による効率低下を抑えることが出来る。従って長手方向の輝度分布をより低い駆動電圧で均一にすることが可能となる。なお、導体部材１０４の電位は他の電位にクリップせず、浮遊電位とすることが望ましい。プラズマが延伸してきた場合には導体部材１０４の電位はプラズマ電位に等しくなる（厳密にはシース電位だけ差を持つ）ため、電荷排出が必要十分なだけスムーズに行われ、駆動電圧と電流とのバランスを取りやすくなる。【００３７】
また、調整用内部電極１０１ｂは、外部にて導体部材１０４と接続されるとともに発光管１０２内部に露出しており、休止期間中及び放電進展中も発光管１０２内の残留電荷プラズマとほぼ同電位を維持する。このため、放電はもっぱら駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間の誘電体バリア放電に限定され、調整用内部電極１０１ｂは放電に寄与しないと考えてよい。【００３８】
また本実施の形態１のような構成により得られるさらなる効果について再度図２を参照して説明する。【００３９】
図２において、印加電圧を２．４ｋＶ0-pとした場合、導体部材１０４を使用しない従来のランプでは、曲線Ｐ１に示すように駆動用内部電極１０１ａの近傍側で輝度が低く、内部電極１０１ａの反対側の端部で輝度が高くなるような分布を示している。このときの傾きは＋０．００１６９と悪化している。これは、印加電圧が過剰となったことから、駆動用内部電極１０１ａ近傍では収縮放電状態となって紫外線発光効率が著しく低下して輝度が低下したものと理解できる。ところが導体部材１０４を接続した本発明のランプでは、同様に２．４ｋＶ0-pを印加した場合、曲線Ｑ１に示すように、全体的な輝度は上昇するものの、輝度分布の平坦さが維持されている。このときの傾きの値は＋０．０００６５と非常に良好であった。つまり導体部材１０４を接続しない従来の場合（曲線Ｐ１参照）には、印加電圧に対する輝度傾斜の良好な範囲が狭くて、印加電圧が変化するにつれて連続的に輝度傾斜も変化するのに対し、導体部材１０４を接続した本発明の場合（曲線Ｑ１参照）、ある一定の電圧以上（本実施の形態ではほぼ２．０ｋＶ０−ｐ以上）では良好な輝度分布を維持できる。このことは製品設計上、導体部材１０４を導入することで印加電圧に対する輝度分布特性の安定性を高くすることが出来ることを示しており、重要な長所である。さらには、ＴＶ用バックライトとして使用した場合、映像シーンに応じて印加電圧を高めて輝度を上昇させるような制御を行う際にも、輝度分布が崩れないという長所となる。【００４０】
さらに本実施の形態１の構成によれば、通常の冷陰極蛍光ランプを製作するプロセスを利用して両端に電極を封装した発光管１０２を作成し、その片端側の電極に導体部材１０４を接続することで調整用内部電極１０１ｂを形成し、反対側の電極を駆動用内部電極１０１ａとすればよい。内部電荷排出手段として回路素子（例えば高耐圧かつ微小容量のコンデンサ）を使用する場合にくらべてきわめて簡単な構成で、量産時の大きなプロセス改変なしに、上記のような大きな効果を得ることができる。したがってコストの上昇を最小限に抑えることが可能である。【００４１】
なお、多数の実験検討の結果、本実施の形態における好適な内部電荷排出手段は導体部材１０４を平板状とし、その面積を１ｃｍ２、外部電極１０３との距離を約４．５ｍｍとした。この場合の電気容量は、測定結果から約０．２ｐＦであった。このときの電気容量の測定方法を以下に説明する。【００４２】
図５に示すように、外部電極１０３と電源回路２００の接地端子との間に電力測定用コンデンサ１５０を挿入し、その両端電圧Ｖｑを測定する。電力測定用コンデンサ１５０の容量と測定したＶｑから、外部電極１０３に蓄積される電荷量がわかる。この蓄積電荷量は電流の積分値であるから、図６に示すように横軸に印加電圧Ｖ、縦軸に蓄積電荷Ｑのグラフ（Ｖ−Ｑリサージュ）を書くと、ランプへの充放電にともなうヒステリシスをもった図形となる。この面積を求めることで電圧波形の１周期分のランプ電力が求まる。このとき、図形の上辺、及び下辺を直線と見たときの傾きは、電荷量を電圧で割った物理量であるから、容量に相当する量を表すと考えられる。ただしこの量は、発光管１０２と外部電極１０３との幾何学的容量のみでなく、ランプ点灯時の放電に伴う電流の影響も含む。そのため、放電の影響を最小限にするため、電圧反転直後の部分のみを取り出し、駆動用内部電極１０１ａが陰極から陽極に反転するときの傾きＣ１と、逆に陽極から陰極に反転するときの傾きＣ２を求めた。多数の実験の結果、Ｃ１およびＣ２の値は、印加電圧や周波数を変えてもほとんど変化しないため、概ねランプの幾何学的な容量を反映しているものと考えてよい。【００４３】
図７に、本実施の形態１の構成に基づき導体部材１０４（面積１ｃｍ２、外部電極１０３からの距離３ｍｍ）を装着した場合と、導体部材１０４を装着しない場合とで、幾何学的容量Ｃ１とＣ２を測定した結果を示す。誤差棒は複数サンプルの測定結果の標準偏差である。図７から、導体部材１０４を装着した場合にはＣ１、Ｃ２とも値が大きくなっており、その増分は約０．２ｐＦと見ることができる。これは先に述べたとおり、平行平板コンデンサを仮定して計算した値と一致する。なお、Ｃ１とＣ２の値が異なるのは、駆動用内部電極１０１ａの極性によって、移動する電荷（電子またはイオン）が異なるため、各々の移動度の違いが影響するためである。【００４４】
当然ながら内部電荷排出手段の必要な容量Ｃxは他の諸条件によって変更させることが可能であり、それに伴って導体部材１０４の寸法を変化させることが出来る。導体部材１０４の面積をより大きくし、また外部電極１０３との距離をより小さくすることで、内部電荷排出手段の容量Ｃxが大きくなり、排出できる電荷量が大きくなる。この結果、より低い印加電圧でも輝度分布を均一にする効果を得ることが可能である。【００４５】
しかしながら、同時に放電電流が大きくなり、全体としての発光効率の低下を招くことになる。たとえば本実施の形態を用いて距離が４．５ｍｍのままで、面積を変化させた本願発明者らの実験の結果からは、面積約４ｃｍ2以上では効率が１０％程度低下した。一方で導体部材１０４の面積が小さすぎる場合には、当然ながら輝度分布を均一にする効果が得にくくなった。【００４６】
本願発明者等がさらに発光管１０２の長さや発光管１０２と外部電極１０３との距離などを考慮し実験を重ねた結果、効率低下と長手方向の輝度の均一化および駆動電圧抑制の効果のバランスから、内部電荷排出手段の電気容量Ｃxの好適な範囲は、０．１ｐＦ以上１０ｐＦ以下の範囲であった。これより小さければ輝度分布を均一化する効果が得られず、またこれより大きければ効率が低下し、また発光が不安定になってちらつきが出るなどの特性悪化が見られた。こうした好適な電気容量は、内部電荷排出手段が平行平板コンデンサであることから、導体部材１０４の面積及び外部電極１０３との距離の組み合わせによって任意に実現可能である。【００４７】
導体部材１０４の材質についても、金属であればアルミに限定されるものではない。また導体部材１０４の代わりに、一般的ではないものの上記の好適な範囲の容量を持った高耐圧のコンデンサ素子で代用することも可能である。【００４８】
また、内部電極１０１にカップ状冷陰極を使用しているが、かならずしもこの形状に限定されない。より簡易な形状とすることでコストを下げることが可能であるし、エミッタ材料を塗布して陰極降下による損失を低減することも出来る。同様に外部電極１０３についても、本実施の形態では高輝度反射コーティングを施したアルミ製の平板としているが、十分な電気伝導性を持った材料であれば他の構成も可能である。例えば発光管１０２を焦点付近に置いた略放物面とすることで正面輝度を高めることが可能である。また外部電極１０３の表面を拡散面とすることも可能である。【００４９】
（実施の形態２）
図８は、実施の形態１で示した希ガス蛍光ランプを用いた、液晶バックライトユニットの発光部分の構成を示す図である。【００５０】
図８の液晶バックライトユニット３００は、実施の形態１で示した希ガス蛍光ランプ１０を複数並列に接続した構成を有する。発光管１０２は、外部電極１０３から所定の距離（本実施の形態では約３ｍｍ）に維持するために、スペーサ１０５で直接支持される。発光管１０２の導体部材１０４と外部電極１０３との間には、樹脂ブロックなどの誘電体による支持部材１０６が挿入される。導体部材１０４は支持部材１０６の上面に接着され、発光管１０２の位置を決定している。また本実施の形態では支持部材１０６を比誘電率約３．０のエポキシ樹脂製としたため、支持部材１０６を挿入しない場合に比して導体部材１０４の面積を１／３としてもほぼ同等の効果が得られる。また、本願発明の希ガス蛍光ランプのように誘電体バリア放電を利用した場合、電源回路２００からみたランプ全体の負荷は容量性となる。従って、本発明では、各々のランプに流れる電流は負荷容量によって制限されるため、電流と電圧に負特性を示す通常の冷陰極ランプと違い、単一の電源回路２００で複数本のランプを点灯（駆動）することが可能である。そのため、本実施の形態では駆動用内部電極１０１ａはコネクタ１０７を通して共通の電源線１０８に接続され、単一の電源回路２００で駆動される。一方、調整用内部電極１０１ｂは各ランプに対して独立である。これは、ランプのバラつきによって放電進展のタイミングがずれた場合に、先に点灯したランプに電流が集中することを回避するためである。【００５１】
図８に示した本実施の形態では、８本のランプを点灯する場合を図示しているが、ランプ本数はテレビ画面のサイズ等によって適宜増減することが可能である。【００５２】
支持部材１０６の材質はその電気特性や経年劣化特性などを勘案して適切なものを選択することが可能である。その場合には、導体部材１０４の面積や外部電極１０３との距離なども適切な設計を行うべきである。【００５３】
また本実施の形態２では外部電極１０３はアルミ平面板を使用しているが、例えば各々の発光管１０２ごとに独立した概略平面状の導体で構成しても良い。この場合には、全ての独立した外部電極１０３は同一の基準電位とすることが望ましい。【００５４】
図９に、実施の形態２の液晶バックライトユニットを利用した液晶表示装置の構成を示す。液晶表示装置５００は、液晶パネル４００と、入力画像信号に応じて液晶パネルを駆動する液晶パネル駆動回路４３０と、液晶パネル４００を照明するバックライト装置４５０とを含む。バックライト装置４５０は例えば実施の形態２で示した液晶バックライトユニット３００を含む。このように構成される液晶表示装置において、バックライト装置４５は、ランプ長手方向の輝度分布が均一なバックライト光で液晶パネル４００を照明できる。このため、画面全体において輝度ムラのない高画質の画像表示が可能となる。また、バックライト装置４５０は、図２に示すように、電圧に依存しない均一な輝度分布を実現できるため、液晶表示装置においてシーン毎に輝度を変化させる制御を行う場合でも、輝度ムラのない高画質の画像表示が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、水銀を使用せずに高効率で輝度の均斉度に優れた蛍光ランプ及びその利用を実現するものであり、液晶バックライト、特に大画面のテレビ用液晶バックライト等として有用である。
【図１】
2008038527.tif 000003
【図２】
2008038527.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008038527.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月22日(2008.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光ランプと、前記蛍光ランプに駆動電圧を供給する電源回路とを含むランプ点灯装置であって、
前記蛍光ランプは、
内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、
前記発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、
前記発光管の前記第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、
前記発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極と、
前記第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と
を備える、
ことを特徴とするランプ点灯装置。
【請求項２】
前記内部電荷排出手段の容量値は０．１ｐＦ以上かつ１０ｐＦ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項３】
前記内部電荷排出手段は、前記外部電極と対向して配置され浮遊電位におかれた導体部材であることを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項４】
前記外部電極と前記導体部材との間に、誘電体よりなる支持部材を設けたことを特徴とする請求項３に記載のランプ点灯装置。
【請求項５】
前記前記蛍光ランプを複数配置したことを特徴とする請求項１に記載のランプ点灯装置。
【請求項６】
前記複数の蛍光ランプの各々の内部電荷排出手段がそれぞれ電気的に分離されていることを特徴とする請求項５に記載のランプ点灯装置。
【請求項７】
内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、
前記発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、
前記発光管の前記第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、
前記発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極と、
前記第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と、
を備えたことを特徴とする蛍光ランプ。
【請求項８】
液晶パネルと、前記液晶パネルを照明するバックライト装置とを備え、
前記バックライト装置は請求項１記載のランプ点灯装置を含むことを特徴とする液晶表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水銀を用いないで環境負荷を減らした放電光源及びそのような光源を点灯させる点灯装置に関する。
【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、その発光主体である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。水銀以外の、放電による紫外線放射媒体として注目されるのは、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１光子は最終的に蛍光体によって可視光の１光子に変換されるため、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１０に示す。
【０００７】
図１０は、誘電体バリア放電を用いた希ガス蛍光ランプの発光管の断面図である。図１０において、内面に蛍光体膜が形成された、硬質ガラス等よりなる透光性の発光管２の外表面に、ニッケル等の導電金属線をコイル状に巻回した外部電極３が設けられている。発光管２の一方の端部には、冷陰極の内部電極１が気密に封装されている。また発光管２の内部にはキセノンを主体とする希ガスが所定の圧力で封入される。内部電極１と外部電極３との間には高周波の矩形パルス電圧が印加される。外部電極３の外側は透光性の絶縁チューブ４によって被覆されており、矩形パルス電圧を周囲から絶縁している。
【０００８】
ランプの動作時には内部電極１と外部電極３との間で、発光管２の管壁を電荷障壁とした誘電体バリア放電が発生し、封入されたキセノンなどの希ガスから効率よく紫外線を放射させ、それによって蛍光体層を励起し発光するものである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−４２７３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１０のような構成の場合、発光管２の全長が長くなると、長手方向の輝度分布が一様でなくなるという課題がある。すなわち、内部電極１から遠い部分では、希ガスを放電させて十分な強度の紫外線を発生させるだけの電界強度が得られず輝度が低下する。またそれを避けるために内部電極１に印加する電圧を高くすれば、内部電極１から遠い部分での輝度は上昇する反面、放電電流が増加し、これにより内部電極１の近傍での放電が収縮して紫外線放射効率が低下し、輝度が低くなる。画面上での明るさが一様であることを強く求められるテレビ用液晶バックライトとしては、発光管２の長手方向で輝度が一様でないことは大きな課題である。特許文献１ではこれを回避するために、外部電極３の巻きピッチを変化させるという手段をとっている。輝度が低下する内部電極１の近傍及び内部電極１から遠い部分でのまきピッチを狭くすることで、単位長さ当りの投入電力を局所的に高くし、その部分の輝度を上げて輝度分布を一様に近づけようとするものである。
【００１１】
しかしながらこの方法では、特に内部電極１近傍の紫外線放射効率が低くなっている部分に過剰に電力を投入することで、全体としての効率が低下するという課題がある。また、テレビの画面寸法に合わせて発光管２の長さを変更したり、画面にあわせて調光によってバックライトへの投入電力が変化したりした場合にも、輝度を一様に保てる必要がある。しかしそのような外部電極３の巻きピッチを設計するのはきわめて困難であり、実用上の柔軟性にかけていた。
【００１２】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、発光効率を落とさずに、低い駆動電圧でも長手方向の輝度分布を一様にできるようにした、水銀を使用しない希ガス蛍光ランプ及びその点灯装置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】
【００１３】
本発明に係るランプ点灯装置は、蛍光ランプと、蛍光ランプに駆動電圧を供給する電源回路とを含むランプ点灯装置である。蛍光ランプは、内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、発光管の第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極とを備える。さらに、蛍光ランプは、第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段を備える。
【００１４】
本発明に係る蛍光ランプは、内面に蛍光体膜を形成し放電ガスを封入した透光性材料よりなる発光管と、発光管の一方の端部に封装され高周波の矩形交番電圧を印加する第１の内部電極と、発光管の第１の内部電極の反対側の端部に封装された第２の内部電極と、第２の内部電極と電気的に接続された容量性の内部電荷排出手段と、発光管より所定の距離を離して発光管の長手方向に沿在するように設けられた外部電極とを備える。
【００１５】
本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、液晶パネルを照明するバックライト装置とを備える。バックライト装置は上記のランプ点灯装置を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は容量性の内部電荷排出手段を通して放電中の残留電荷を発光管外に排出して発光管の内部での残留電荷量を制御することにより、誘電体バリア放電における極性反転時のプラズマの導電率を低下させ、発光管の全長にわたって放電効率を一様にすることが可能となる。その結果発光管の長手方向の輝度分布を均一にし、かつ効率のよいバックライト用希ガス蛍光ランプを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における希ガス蛍光ランプの構成を示した図である。図１において、発光管１０２はホウケイ酸ガラスなどの光透過性を持った硬質ガラスの円筒管であり、内面には励起スペクトルが特に真空紫外領域（主に２００ｎｍ以下）において強くなるように選定された、三波長の蛍光体膜（図示せず）が形成されている。発光管１０２の内部には放電ガスとして、主にキセノンよりなる希ガスが常温で約１６ｋＰａの圧力で封入されている。発光管１０２の両端部には、カップ状冷陰極の内部電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ）が気密に封装されている。第１及び第２の内部電極１０１（１０１ａ、１０１ｂ）はニッケル等の高融点かつ電気伝導性の高い金属よりなる。
【００１９】
発光管１０２は、シリコーン樹脂などの絶縁性部材よりなるスペーサ１０５によって、概略平板状のアルミ材よりなる外部電極１０３から距離３．０ｍｍ（ただし発光管１０２の外表面と外部電極１０３との最短距離とする）の位置に支持される。外部電極１０３は、その表面に高輝度反射コーティングが施されている。ここで概略平板状とは必ずしも完全に平らな板である必要はない。例えば少なくとも発光管１０２の直径程度以上の幅を持ち、発光管１０２の軸までの距離よりも大きな曲率半径をもつ凹面形状であることを許容する。
【００２０】
内部電極１０１のうちの一方１０１ａは駆動用内部電極として使用される。駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３の間に、ランプ点灯用の電源回路（図１では示さず、図４等参照）から、周波数２０ｋＨｚの矩形交番電圧を印加することで点灯駆動を行う。この場合、外部電極１０３を基準電位（接地電位）とすることが安全上望ましい。電圧印加時には、発光管１０２のガラス管壁が電荷障壁として作用するため、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間で誘電体バリア放電を実現することが出来る。
【００２１】
駆動用内部電極１０１ａと反対側の端部には、駆動用内部電極１０１ａと同じカップ状冷陰極の内部電荷調整用の内部電極（以下「調整用内部電極」という。）１０１ｂが封装されている。調整用内部電極１０１ｂは発光管１０２の外部において導体部材１０４と電気的かつ物理的に接続され、内部電荷排出手段として動作する。内部電荷排出手段とは、発光管１０２の端部に蓄積され得る電荷を排出する機能を有する。導体部材１０４は、外部電極１０３と平行な平面内に配置された平板状の導電性を有する部材である。ここで、調整用内部電極１０１ｂおよび導体部材１０４はともに浮遊電位におかれている。好ましくは、導体部材１０４は、面積が約１ｃｍ2のアルミ板で構成され、外部電極１０３との距離は約４．５ｍｍである。
【００２２】
図２に、本実施の形態１の希ガス蛍光ランプの、長手方向の輝度分布の測定結果を示す。同図において、比較として、導体部材１０４を含む内部電荷排出手段を持たない従来の構成の場合と、導体部材１０４を用いた本実施の形態（本発明）の構成の場合とを示している。実線（曲線Ｐ１、Ｐ２）は導体部材１０４を接続しない従来の場合であり、破線（曲線Ｑ１、Ｑ２）は導体部材１０４（面積１ｃｍ２）を接続した本発明の場合である。印加電圧２．０ｋＶ0-Pでは、導体部材１０４を接続しない場合には明確に駆動用内部電極１０１ａ側の輝度が高く、調整用内部電極１０１ｂ側の輝度が低い。すなわち印加電圧が不足していることがわかる。それに対して導体部材１０４を接続した場合には、同じ２．０ｋＶ0-Pの印加電圧でもほとんど均一な輝度分布を達成できていることがわかる。輝度の均斉度を評価するために図２の管面輝度の平坦部分を直線でフィッティングしてその傾きを求めたところ、導体部材１０４を接続しない場合では−０．００１５であったのに対し、導体部材１０４を接続した場合には＋０．０００９に改善された。なお目視評価では概ね傾きが±０．００１より大きくなると、明暗の傾きを感じ始めることがわかった。すなわち、本実施の形態１のような簡単な構成を採用することによって、希ガス蛍光ランプの長手方向の輝度分布を、印加電圧を高くすることなく均一にできることがわかった。
【００２３】
ここで、このような効果を理解するために駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間での誘電体バリア放電の進展について、図３を参照しながら簡単に説明する。なお図３では例として駆動用内部電極１０１ａの電位が正から負に反転する位相での様子を示すが、逆極性に反転する位相でも概ね同様の議論が成り立つと考えてよい。
【００２４】
駆動用内部電極１０１ａの印加電圧が高くなり放電ガスが絶縁破壊することによって、まず電界強度が最も高い駆動用内部電極１０１ａの近傍で放電が開始される。放電開始によって発光管１０２内部にはプラズマが生成される。プラズマ中の正負の電荷（おのおの主にイオンと電子である）が、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間の電界によって発光管１０２内の空間を、駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３の方向へとそれぞれドリフトすることによってランプ電流が流れる。外部電極１０３側にドリフトした電荷（電子）は、絶縁体である発光管１０２の管壁が電荷障壁として作用するため、発光管１０２の管壁に蓄積されてゆくことになる。蓄積された電荷はそれ自身が生じる電界によって電極間電界を中和するため、最初に放電が開始された駆動用内部電極１０１ａの近傍では、やがて放電ガス中の放電が維持できなくなって放電が停止する。
【００２５】
この結果、当初の放電によって発生したプラズマのうちドリフトせずに空間に残留したもの（「残留電荷」と呼ぶ）が、いわゆるパルスアフターグロープラズマに類似した状態となって存在する。プラズマは有限の電気抵抗を持つ導体として振舞うため、残留電荷の先端部Ａは、駆動用内部電極１０１ａの電位から、残留電荷での電圧降下分だけ低い電位を持つ擬似的な内部電極となる。
【００２６】
一方、残留電荷の先端部Ａから先の領域では、発光管１０２の管壁には電荷が蓄積されていないため、残留電荷の先端部Ａと外部電極１０３との電位差による電界によって放電開始が可能である。したがってプラズマでの電圧降下によって残留電荷の先端部Ａでの電位が放電開始電圧を下回るか、先端部Ａが発光管１０２の端部に達するまで、発光管１０２の長手方向に微小な距離毎に上記の過程を繰り返しながら放電が進展し、残留電荷のプラズマが延伸することになる。この延伸速度は通常非常に速い（１×１０6ｍ／秒以上）ため、本実施の形態１で用いるような２０ｋＨｚ程度の周波数の場合には、印加電圧の極性が反転した直後にパルス状のランプ電流が流れ、再度極性が反転するまでのほぼ半周期（２５マイクロ秒）はほとんど電流が流れない休止期間となる。
【００２７】
放電が終了した後、印加電圧の極性が再度反転するまでの間は、蓄積電荷が印加電圧によって維持されているため、発光管１０２内には実効的な電界がかからない状態となる。しかし残留電荷は完全に消失（体積再結合及び両極性拡散による）するには数十マイクロ秒以上の時間がかかるため、次の極性反転時にはある程度の残留電荷が存在する状態となる。
【００２８】
ところで、先に述べたようにキセノンを用いた希ガス蛍光ランプにおいて蛍光体を励起する紫外線は、キセノン励起原子より放射される１４７ｎｍの共鳴輝線と、キセノンエキシマが解離する際に放射される１７２ｎｍ付近をピークとする連続放射からなる。特にエキシマからの連続放射は効率が高く、これを有効に発生させることがランプ効率向上のためには重要である。エキシマは励起状態にある１つのキセノン原子と、基底状態の２つのキセノン原子との衝突反応（三体衝突過程）によって形成される。キセノン励起原子は励起に要するエネルギーが一般蛍光灯の水銀に比べて高いため、キセノン励起原子を効率よく生成するためには、プラズマ中の電子のエネルギー（電子温度）が高い必要がある。したがって、１４７ｎｍの共鳴輝線放射は、電子が高電界で加速される、印加電圧の極性反転時に主としてパルス状に放射される。
【００２９】
一方で三体衝突過程では電子が介在しないため、放電終了後にもエキシマの形成と１７２ｎｍ連続放射は継続する。むしろ電子電流が存在する場合には一度励起されたキセノン励起原子が比較的低エネルギーの電子との衝突で容易に電離される（累積電離）ため、電流密度が高いプラズマ中ではエキシマの形成効率が低下する。従って、エキシマからの連続放射を効率よく得るためには電流密度が低い方がよい。
【００３０】
上記の議論を本願発明にかかる図１のような構成の希ガス蛍光ランプに当てはめて検討した結果、長手方向の輝度分布は以下のような要因によって不均一になっているものと考えることが出来る。
【００３１】
印加電圧が低い場合には、駆動用内部電極１０１ａの反対側では放電進展に寄与するプラズマ電位の低下によって輝度が低くなる。逆に印加電圧を高くすると、駆動用内部電極１０１ａ近傍においては過剰な電流による効率低下が生じるのである。つまり単純に印加電圧を上げることで放電を遠くまで進展させようとすれば、駆動用内部電極１０１ａ近傍での電流密度が上昇することになり、紫外線発光効率が低下して輝度が低くなるのである。さらに、印加電圧の極性反転時に残留電荷のプラズマが多量に存在した場合、発光管１０２の内部の空間はいわば電気抵抗の小さい状態となり、放電時の電流密度が高くなる。著しい場合には放電が線状に収縮し、ストリーマー状（繊維状）になるのが観測される。上記の議論から、このような状態では電子温度が低くなり、キセノンの励起効率が下がるとともに累積電離が支配的となり、紫外線の放射効率が低下する。また特に駆動用内部電極１０１ａの反対側の端部では、過剰に存在する残留電荷によって電界強度が低下するため、印加電圧を上げても輝度が上昇しにくく、さらに印加電圧を上げなければならない。
【００３２】
この残留電荷の寿命は概ね放電ガスの組成と圧力によって決まる。しかし放電ガスの組成やガス圧は発光効率やランプ寿命などにも影響を及ぼすため、独立に決定することは出来ない。このため、パルス放電が発生する印加電圧の極性反転時に残留電荷を十分に少ない状態にするには、残留電荷が再結合して消えるのを待つこと、すなわち駆動周波数を下げて放電休止期間を長くすることが有効である。しかしながら駆動周波数を下げると、単位時間あたりの放電回数が少なくなり、必然的に発光量が低下してランプとしての光出力が小さくなる。このため、必要な光量を確保するにはランプの本数を増やす必要が生じ、著しく周波数を下げることは実際的ではない。
【００３３】
そこで、本願発明者らは上に説明したような物理過程の考察に基づき、発光管１０２内の残留電荷を、自然消滅を待たずに積極的に制御する手段を検討した。その結果として、本願発明のような内部電荷排出手段を設けることを着想した。
【００３４】
図４は、図１に示す希ガス蛍光ランプの構成を模式的に示した図である。同図に示すように、本願発明にかかる希ガス蛍光ランプでは好適な実施の形態として平板状の導体部材１０４を浮遊電位（接地しない）としたので、導体部材１０４と外部電極１０３とで並行平板コンデンサＣxを構成し、これが容量性の内部電荷調整手段Ｘとして動作する。すなわち上で説明したような過程に従って延伸してきた残留電荷のプラズマは、発光管１０２の端部に達すると、調整用内部電極１０１ｂに接触する。プラズマからは見かけ上、発光管１０２の外部において、プラズマに対して直列に（駆動用内部電極１０１ａ及びプラズマと外部電極１０３が擬似的に作るランプ容量Ｙに対してはプラズマの抵抗を介して並列に）コンデンサＣxが接続されているように見える。このため、導体部材１０４と外部電極１０３が構成する並行平板コンデンサＣxの静電容量が許すだけの電荷が、コンデンサＣxに蓄積されることによって発光管１０２の内部空間から排出されることになる。この結果、調整用内部電極１０１ｂの近傍でも電界強度の低下を抑制でき、調整用内部電極１０１ｂ側の端部付近でも輝度を高めることが出来る。また低い印加電圧でも放電を進展させられるので、駆動用内部電極１０１ａ付近でも電流密度上昇による効率低下を抑えることが出来る。従って長手方向の輝度分布をより低い駆動電圧で均一にすることが可能となる。なお、導体部材１０４の電位は他の電位にクリップせず、浮遊電位とすることが望ましい。プラズマが延伸してきた場合には導体部材１０４の電位はプラズマ電位に等しくなる（厳密にはシース電位だけ差を持つ）ため、電荷排出が必要十分なだけスムーズに行われ、駆動電圧と電流とのバランスを取りやすくなる。
【００３５】
また、調整用内部電極１０１ｂは、外部にて導体部材１０４と接続されるとともに発光管１０２内部に露出しており、休止期間中及び放電進展中も発光管１０２内の残留電荷プラズマとほぼ同電位を維持する。このため、放電はもっぱら駆動用内部電極１０１ａと外部電極１０３との間の誘電体バリア放電に限定され、調整用内部電極１０１ｂは放電に寄与しないと考えてよい。
【００３６】
また本実施の形態１のような構成により得られるさらなる効果について再度図２を参照して説明する。
【００３７】
図２において、印加電圧を２．４ｋＶ0-pとした場合、導体部材１０４を使用しない従来のランプでは、曲線Ｐ１に示すように駆動用内部電極１０１ａの近傍側で輝度が低く、内部電極１０１ａの反対側の端部で輝度が高くなるような分布を示している。このときの傾きは＋０．００１６９と悪化している。これは、印加電圧が過剰となったことから、駆動用内部電極１０１ａ近傍では収縮放電状態となって紫外線発光効率が著しく低下して輝度が低下したものと理解できる。ところが導体部材１０４を接続した本発明のランプでは、同様に２．４ｋＶ0-pを印加した場合、曲線Ｑ１に示すように、全体的な輝度は上昇するものの、輝度分布の平坦さが維持されている。このときの傾きの値は＋０．０００６５と非常に良好であった。つまり導体部材１０４を接続しない従来の場合（曲線Ｐ１参照）には、印加電圧に対する輝度傾斜の良好な範囲が狭くて、印加電圧が変化するにつれて連続的に輝度傾斜も変化するのに対し、導体部材１０４を接続した本発明の場合（曲線Ｑ１参照）、ある一定の電圧以上（本実施の形態ではほぼ２．０ｋＶ０−ｐ以上）では良好な輝度分布を維持できる。このことは製品設計上、導体部材１０４を導入することで印加電圧に対する輝度分布特性の安定性を高くすることが出来ることを示しており、重要な長所である。さらには、ＴＶ用バックライトとして使用した場合、映像シーンに応じて印加電圧を高めて輝度を上昇させるような制御を行う際にも、輝度分布が崩れないという長所となる。
【００３８】
さらに本実施の形態１の構成によれば、通常の冷陰極蛍光ランプを製作するプロセスを利用して両端に電極を封装した発光管１０２を作成し、その片端側の電極に導体部材１０４を接続することで調整用内部電極１０１ｂを形成し、反対側の電極を駆動用内部電極１０１ａとすればよい。内部電荷排出手段として回路素子（例えば高耐圧かつ微小容量のコンデンサ）を使用する場合にくらべてきわめて簡単な構成で、量産時の大きなプロセス改変なしに、上記のような大きな効果を得ることができる。したがってコストの上昇を最小限に抑えることが可能である。
【００３９】
なお、多数の実験検討の結果、本実施の形態における好適な内部電荷排出手段は導体部材１０４を平板状とし、その面積を１ｃｍ２、外部電極１０３との距離を約４．５ｍｍとした。この場合の電気容量は、測定結果から約０．２ｐＦであった。このときの電気容量の測定方法を以下に説明する。
【００４０】
図５に示すように、外部電極１０３と電源回路２００の接地端子との間に電力測定用コンデンサ１５０を挿入し、その両端電圧Ｖｑを測定する。電力測定用コンデンサ１５０の容量と測定したＶｑから、外部電極１０３に蓄積される電荷量がわかる。この蓄積電荷量は電流の積分値であるから、図６に示すように横軸に印加電圧Ｖ、縦軸に蓄積電荷Ｑのグラフ（Ｖ−Ｑリサージュ）を書くと、ランプへの充放電にともなうヒステリシスをもった図形となる。この面積を求めることで電圧波形の１周期分のランプ電力が求まる。このとき、図形の上辺、及び下辺を直線と見たときの傾きは、電荷量を電圧で割った物理量であるから、容量に相当する量を表すと考えられる。ただしこの量は、発光管１０２と外部電極１０３との幾何学的容量のみでなく、ランプ点灯時の放電に伴う電流の影響も含む。そのため、放電の影響を最小限にするため、電圧反転直後の部分のみを取り出し、駆動用内部電極１０１ａが陰極から陽極に反転するときの傾きＣ１と、逆に陽極から陰極に反転するときの傾きＣ２を求めた。多数の実験の結果、Ｃ１およびＣ２の値は、印加電圧や周波数を変えてもほとんど変化しないため、概ねランプの幾何学的な容量を反映しているものと考えてよい。
【００４１】
図７に、本実施の形態１の構成に基づき導体部材１０４（面積１ｃｍ２、外部電極１０３からの距離３ｍｍ）を装着した場合と、導体部材１０４を装着しない場合とで、幾何学的容量Ｃ１とＣ２を測定した結果を示す。誤差棒は複数サンプルの測定結果の標準偏差である。図７から、導体部材１０４を装着した場合にはＣ１、Ｃ２とも値が大きくなっており、その増分は約０．２ｐＦと見ることができる。これは先に述べたとおり、平行平板コンデンサを仮定して計算した値と一致する。なお、Ｃ１とＣ２の値が異なるのは、駆動用内部電極１０１ａの極性によって、移動する電荷（電子またはイオン）が異なるため、各々の移動度の違いが影響するためである。
【００４２】
当然ながら内部電荷排出手段の必要な容量Ｃxは他の諸条件によって変更させることが可能であり、それに伴って導体部材１０４の寸法を変化させることが出来る。導体部材１０４の面積をより大きくし、また外部電極１０３との距離をより小さくすることで、内部電荷排出手段の容量Ｃxが大きくなり、排出できる電荷量が大きくなる。この結果、より低い印加電圧でも輝度分布を均一にする効果を得ることが可能である。
【００４３】
しかしながら、同時に放電電流が大きくなり、全体としての発光効率の低下を招くことになる。たとえば本実施の形態を用いて距離が４．５ｍｍのままで、面積を変化させた本願発明者らの実験の結果からは、面積約４ｃｍ2以上では効率が１０％程度低下した。一方で導体部材１０４の面積が小さすぎる場合には、当然ながら輝度分布を均一にする効果が得にくくなった。
【００４４】
本願発明者等がさらに発光管１０２の長さや発光管１０２と外部電極１０３との距離などを考慮し実験を重ねた結果、効率低下と長手方向の輝度の均一化および駆動電圧抑制の効果のバランスから、内部電荷排出手段の電気容量Ｃxの好適な範囲は、０．１ｐＦ以上１０ｐＦ以下の範囲であった。これより小さければ輝度分布を均一化する効果が得られず、またこれより大きければ効率が低下し、また発光が不安定になってちらつきが出るなどの特性悪化が見られた。こうした好適な電気容量は、内部電荷排出手段が平行平板コンデンサであることから、導体部材１０４の面積及び外部電極１０３との距離の組み合わせによって任意に実現可能である。
【００４５】
導体部材１０４の材質についても、金属であればアルミに限定されるものではない。また導体部材１０４の代わりに、一般的ではないものの上記の好適な範囲の容量を持った高耐圧のコンデンサ素子で代用することも可能である。
【００４６】
また、内部電極１０１にカップ状冷陰極を使用しているが、かならずしもこの形状に限定されない。より簡易な形状とすることでコストを下げることが可能であるし、エミッタ材料を塗布して陰極降下による損失を低減することも出来る。同様に外部電極１０３についても、本実施の形態では高輝度反射コーティングを施したアルミ製の平板としているが、十分な電気伝導性を持った材料であれば他の構成も可能である。例えば発光管１０２を焦点付近に置いた略放物面とすることで正面輝度を高めることが可能である。また外部電極１０３の表面を拡散面とすることも可能である。
【００４７】
（実施の形態２）
図８は、実施の形態１で示した希ガス蛍光ランプを用いた、液晶バックライトユニットの発光部分の構成を示す図である。
【００４８】
図８の液晶バックライトユニット３００は、実施の形態１で示した希ガス蛍光ランプ１０を複数並列に接続した構成を有する。発光管１０２は、外部電極１０３から所定の距離（本実施の形態では約３ｍｍ）に維持するために、スペーサ１０５で直接支持される。発光管１０２の導体部材１０４と外部電極１０３との間には、樹脂ブロックなどの誘電体による支持部材１０６が挿入される。導体部材１０４は支持部材１０６の上面に接着され、発光管１０２の位置を決定している。また本実施の形態では支持部材１０６を比誘電率約３．０のエポキシ樹脂製としたため、支持部材１０６を挿入しない場合に比して導体部材１０４の面積を１／３としてもほぼ同等の効果が得られる。また、本願発明の希ガス蛍光ランプのように誘電体バリア放電を利用した場合、電源回路２００からみたランプ全体の負荷は容量性となる。従って、本発明では、各々のランプに流れる電流は負荷容量によって制限されるため、電流と電圧に負特性を示す通常の冷陰極ランプと違い、単一の電源回路２００で複数本のランプを点灯（駆動）することが可能である。そのため、本実施の形態では駆動用内部電極１０１ａはコネクタ１０７を通して共通の電源線１０８に接続され、単一の電源回路２００で駆動される。一方、調整用内部電極１０１ｂは各ランプに対して独立である。これは、ランプのバラつきによって放電進展のタイミングがずれた場合に、先に点灯したランプに電流が集中することを回避するためである。
【００４９】
図８に示した本実施の形態では、８本のランプを点灯する場合を図示しているが、ランプ本数はテレビ画面のサイズ等によって適宜増減することが可能である。
【００５０】
支持部材１０６の材質はその電気特性や経年劣化特性などを勘案して適切なものを選択することが可能である。その場合には、導体部材１０４の面積や外部電極１０３との距離なども適切な設計を行うべきである。
【００５１】
また本実施の形態２では外部電極１０３はアルミ平面板を使用しているが、例えば各々の発光管１０２ごとに独立した概略平面状の導体で構成しても良い。この場合には、全ての独立した外部電極１０３は同一の基準電位とすることが望ましい。
【００５２】
図９に、実施の形態２の液晶バックライトユニットを利用した液晶表示装置の構成を示す。液晶表示装置５００は、液晶パネル４００と、入力画像信号に応じて液晶パネルを駆動する液晶パネル駆動回路４３０と、液晶パネル４００を照明するバックライト装置４５０とを含む。バックライト装置４５０は例えば実施の形態２で示した液晶バックライトユニット３００を含む。このように構成される液晶表示装置において、バックライト装置４５は、ランプ長手方向の輝度分布が均一なバックライト光で液晶パネル４００を照明できる。このため、画面全体において輝度ムラのない高画質の画像表示が可能となる。また、バックライト装置４５０は、図２に示すように、電圧に依存しない均一な輝度分布を実現できるため、液晶表示装置においてシーン毎に輝度を変化させる制御を行う場合でも、輝度ムラのない高画質の画像表示が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、水銀を使用せずに高効率で輝度の均斉度に優れた蛍光ランプ及びその利用を実現するものであり、液晶バックライト、特に大画面のテレビ用液晶バックライト等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１における希ガス蛍光ランプの斜視図
【図２】本発明の効果を示すグラフ
【図３】本発明の希ガス蛍光ランプの放電の様子を説明する模式図
【図４】本発明の実施の形態１の電気回路的構成を示す模式図
【図５】本発明における電気容量の測定法を示す模式図
【図６】電気容量の測定におけるＶ−Ｑリサージュの例を示す図
【図７】本発明の効果を示す、容量の測定結果の例を示す図
【図８】本発明の実施の形態２における液晶バックライトユニットの斜視図
【図９】本発明の実施の形態２における液晶表示装置の構成を示す図
【図１０】従来の希ガス蛍光ランプの構成を示す図
【符号の説明】
【００５５】
１、１０１    内部電極
１０    希ガス蛍光ランプ
１０１ａ    駆動用内部電極
１０１ｂ    内部電荷調整用内部電極
２、１０２    発光管
３、１０３    外部電極
１０４    内部電荷調整手段として動作する導体部材
２００    電源回路
２５０    ランプ点灯装置
３００    液晶バックライトユニット
４００    液晶パネル
４３０    液晶パネル駆動回路
４５０    バックライト装置
５００    液晶表示装置
Ｘ    内部電荷排出手段
Ｙ    擬似的なランプ容量
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008038527.tif 000013
【図２】
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【図３】
2008038527.tif 000015
【図４】
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【図５】
2008038527.tif 000017
【図６】
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【図７】
2008038527.tif 000019
【図８】
2008038527.tif 000020
【図９】
2008038527.tif 000021
【図１０】
2008038527.tif 000022
【国際調査報告】
2008038527.tif 000023
2008038527.tif 000024
2008038527.tif 000025
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