(57)【要約】【課題】長手方向に一様な輝度分布を有する、外部電極と内部電極とを有する誘電体バリア放電ランプを提供すること。【解決手段】ガラス管１と、ガラス管１内部の内部電極３，４と、ガラス管１外部の外部電極５とを有する誘電体バリア放電ランプにおいて、ガラス管内の放電が収縮陽光柱から拡散陽光柱に移行する領域に、外部電極のガラス管側の面と放電媒体がガラス管と接する面との間で形成される静電容量が変化させる構成６を設けたことを構成とする。この構成により、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ変わった以降の拡散陽光柱の輝度低下を抑制することができ、ガラス管１の長手方向の輝度分布をより均一にできる。【選択図】図１
2008226691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電媒体が封入されたガラス管と、
前記ガラス管の少なくとも一端に封装された内部電極と、
前記ガラス管の外部の長手方向に配置された外部電極と、を有する誘電体バリア放電ランプであって、
前記ガラス管の長手方向において、前記ガラス管内の放電が収縮陽光柱から拡散陽光柱に移行する領域に、前記外部電極の前記ガラス管側の面と前記放電媒体が前記ガラス管と接する面との間で形成される静電容量が、前記ガラス管の長手方向の他の領域よりも低くなる構成を設けた、誘電体バリア放電ランプ。
【請求項２】
前記静電容量を低くする構成は、前記外部電極の面積を小さくする構成である、請求項１の誘電体バリア放電ランプ。
【請求項３】
前記外部電極の面積を小さくする構成は、前記外部電極へ設けられた切り欠き構造である、請求項２に記載の誘電体バリア放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度化が図れ、かつ安定した点灯が可能なバックライト用光源などに好適な誘電体バリア放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の映像ディスプレイの大画面化、薄型化にともない、液晶表示装置の高性能化が要求されている。そしてその構成用件であるバックライト用光源として、従来、冷陰極蛍光ランプが使用されてきた。しかしながら、近年、環境保護の面から、光源部の無水銀化が期待されている。このため、水銀を使用しないで高効率が得られる誘電体バリア放電ランプが開発されている。その代表的なものとして、キセノンガスを封入した円筒状ガラス容器に、その端部から容器内に貫通するように設けた内部電極と、円筒ガラス容器の長さ方向に配置した外部電極で構成され、両電極間に電圧を加えて、円筒ガラス容器内に放電を得る放電ランプがある。しかしながら、ガラス容器のほぼ全域に線状の外部電極を形成すると、放電が外部電極の近傍に集中して放電が収縮してしまい、放電媒体を効率よく励起できない場合がある。その結果、発光効率が低下する場合があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これに対して、外部電極をガラス容器の長手方向に不連続に複数配置することで放電が外部電極近傍に集中することを回避し、効率向上を実現するランプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図７は、特許文献２に記載された従来の誘電体バリア放電ランプの構成を示すものである。
【０００５】
図７（Ａ）の線Ｉ−Ｉにおける断面図を図７（Ｂ）に示す。図７（Ａ）において光源装置は、発光管（放電管）２０と、発光管２０の内部に配置された第１の電極２１と、発光管２０の外部に配置された第２の電極２２とを備える。第１の電極２１にはリード２４が接続されている。
【０００６】
図７（Ｂ）に示すように、発光管２０の内面には、蛍光体層２３が形成されている。蛍光体層２３は、放電媒体から発せられた光の波長を変換するために形成される。蛍光体層２３の材料を変化させることによって、さまざまな波長の光が得られる。たとえば、白色光や、赤、緑および青（ＲＧＢ）の光が得られる。蛍光体層２３は、放電灯に一般的に用いられる材料で形成できる。
【０００７】
第２の電極２２は、発光管２０の外部に形成されている。第２の電極２２は、第１の電極２１からの距離が異なり且つ不連続な複数の部分（接触部）で発光管２０の外面と接触している。
【特許文献１】特開平５−２９０８５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８７１７号公報（図１、図１０を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図７に記載の光源装置を、図８に示す構造の光源装置でランプ長手方向の輝度分布を測定した。図８（ａ）は実験に使用したランプの側面構成図である。図８（ｂ）はランプの正面側面構成図である。図８（ｃ）は、第２の電極２２を構成するアルミ板の立体図である。長さ４５０ｍｍ外径３ｍｍΦのガラス管の端部に第１の電極２１がある発光管２０を用意し、第２の電極２２を、幅４ｍｍ、高さ５ｍｍのコの字に成形した厚さ０．３ｍｍのアルミ板２２‘を奥行き１５ｍｍに切り出し、図８（ａ）にあるように３ｍｍの間隔で発光管２に沿って配置した。各第２の電極２２’は配線で導通を取り第２の電極２２’として電気的につながれている。発光管２は、スペーサ８を用いて、図８（ａ）に示すように組合せた。
【０００９】
このとき第１の電極２１と第２の電極２２の間のみに２５ｋＨｚの矩形波で、インバータ回路より給電した。このときのランプ長手方向の輝度分布を図９に示す。ランプの長手方向に対して第１の電極２１（内部電極）に近い方の端部の輝度が高く、他端に行くに従い輝度が低下する傾斜した輝度分布となっている。すなわち、収縮放電から拡散放電になって輝度は上昇する（約３０ｍｍの位置）。しかしながら、拡散放電になった以降は拡散放電であるにもかかわらず、内部電極から離れるにしたがって輝度が低下する。
【００１０】
このようなランプ長手方向に輝度分布がある光源装置を液晶バックライト用光源として使用する場合、均一な輝度分布のバックライト面を得るために、輝度の高い部分を光学的に減衰させるなどの輝度均一化手段が必要となり、光学的な効率が低下する課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、長手方向に一様な輝度分布を有する、外部電極と内部電極とを有する誘電体バリア放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本願の誘電体バリア放電ランプは、放電媒体が封入されたガラス管と、前記ガラス管の少なくとも一端に封装された内部電極と、前記ガラス管の外部の長手方向に配置された外部電極と、を有する誘電体バリア放電ランプであって、前記ガラス管の長手方向において、前記ガラス管内の放電が収縮陽光柱から拡散陽光柱に移行する領域に、前記外部電極の前記ガラス管側の面と前記放電媒体が前記ガラス管と接する面との間で形成される静電容量が、前記ガラス管の長手方向の他の領域よりも低くなる構成を設ける。
【００１３】
好適な実施形態として、前記静電容量を低くする構成は、前記外部電極の面積を小さくする構成である。
【００１４】
好適な実施形態として、前記外部電極の面積を小さくする構成は、前記外部電極へ設けられた切り欠き構造である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガラス管と、ガラス管内部の内部電極と、ガラス管外部の外部電極とを有する誘電体バリア放電ランプにおいて、ガラス管内の放電が収縮陽光柱から拡散陽光柱に移行する領域に、外部電極のガラス管側の面と放電媒体がガラス管と接する面との間で形成される静電容量が変化させる構成を設けたことを構成とする。この構成により、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ変わった以降の拡散陽光柱の輝度低下を抑制することができ、ガラス管の長手方向の輝度分布をより均一にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態における誘電体バリア放電ランプの構成を示す図である。
【００１７】
ガラス管１の内壁面に蛍光体層２が形成され、かつキセノンを主体とした希ガスが封入され、ガラス管１の両端側に対向して封装された一対の第１及び第２の内部電極３、４と、ガラス管２の外側に管軸方向ほぼ全長に亘って、所定の距離を保つように設置した外部電極５とを有する。外部電極５には、前記内部電極３，４からの放電が、完全に拡散陽光柱となってガラス管１内部に広がる位置の近傍に、部分的に発光管と外部電極の容量を変えた領域６を設ける。また、外部電極５はガラス管１の三方を囲むレフレクタを兼ね、導光体方向へ効率よく光を導く。
【００１８】
ここでガラス管２は外径２〜５ｍｍ程度、長さ１５０ｍｍ以上で放電媒体としてキセノンとアルゴンの混合ガスが、キセノン分圧比３０％以上、全圧５〜４０ｋＰａ程度に封入されている。
【００１９】
インバータ７は、蛍光ランプの内部電極３、４と外部電極５との間に交流電圧（矩形波電圧）を供給する。その交流電圧の周波数は１０〜６０ｋＨｚである。
【００２０】
この誘電体バリア放電ランプの始動動作を、図２を用いてさらに説明する。
【００２１】
始動時、内部電極３，４と外部電極５の間に、電源７より例えば正の電圧が印加されるとする。このとき電圧は、内部電極３、４、ガラス管２内に封入された希ガス、ガラス管１を構成するガラス層、ガラス管１と外部電極５との間の空隙、外部電極５の間に印加され、図２（ａ）に示すように電界Ｅを生ずる。簡単のため内部電極３の近傍のみを考える。電界Ｅは、内部電極３と外部電極５との距離が短い程高く、ガラス管１の長さ方向に対して、内部電極３より遠ざかるほどその密度は低下する。印加電圧がある値を超えると、図２（ｂ）に示すように、内部電極３と外部電極５の最も近いところの希ガスが電離しプラズマＰが発生する。
【００２２】
次に図２（ｃ）に示すように、プラズマ中に発生した電子と正イオンは内部電極３と外部電極５との間の電界により、プラズマ中の負電荷は内部電極３に吸収され、正イオンは、放電管１内壁近傍に移動し、放電管１のガラス層と放電管１と外部電極５との間の空隙を誘電体層とした正イオンと外部電極５とで構成されるコンデンサを形成する。この結果プラズマＰ中の電界は、放電管１内壁近傍の正イオンと、内部電極３に移動した電子によって部分的にうち消される。プラズマＰは導体であるため、接している内部電極から電流の供給を受け、プラズマＰの先端と正イオンで帯電していない放電管１内壁を通して外部電極５との間に電界を生じ、内部電極３に接した尾を引きつつ放電管１内壁を帯電しながら、放電管１の先端に延びていく。プラズマＰはインピーダンスを持つため、内部電極３から遠くなるに従い電圧降下を生じ、プラズマ先端の電界は低下し消滅する。
【００２３】
プラズマが放電管１内部の内部電極３より遠くなる方に延びるとき、発光管内部の電界をほぼ打ち消して、結果としてガラス管１のガラス層とガラス管１と外部電極５との間の空隙を誘電体層とした、正イオンと外部電極５とのコンデンサＣ１が残る。次に、電源７の印加電圧が負に反転した瞬間、外部電極５と内部電極３との間に電源７からの印加電圧によって発生する電界−Ｅに加え、放電管１内壁近傍の正イオンと内部電極３とによって発生する電界−Ｅｃが生じるため、内部電極３と外部電極５の最も近いところの希ガス中にプラズマＰが発生する。プラズマ中に発生した電子と正イオンは内部電極３と外部電極５との間の電界−Ｅと−Ｅｃにより、プラズマ中の正イオンは、内部電極３において電子による再結合で消滅し、電子は、放電管１内壁近傍に移動し、ガラス管１のガラス層と、ガラス管１と外部電極５との間の空隙を誘電体層とした電子と外部電極５とのコンデンサＣ１を形成する。
【００２４】
図３に内部電極３と外部電極５との間に印加する交流矩形電圧の値を変化させた場合における、内部電極３の端部からガラス管１の長さ方向への距離に対する輝度分布を示す。内部電極３の端部から電流密度が高い収縮陽光柱が延び、ある程度の距離から拡散陽光柱に移行していき、完全に拡散陽光柱に切り替わった後に最大輝度となる。図３のａ，ｂ，ｃの位置がそれぞれの印加電圧における拡散陽光柱移行位置である。この後、さらに内部電極３から遠ざかるに従って放電距離が伸び、内部電極３から供給された電流は、プラズマのインピーダンスで電圧降下を生じ、先端部のプラズマのエネルギーが低下して、プラズマからの励起紫外放射が減少するため輝度も低下していく。なお印加電圧が低いとガラス管１の途中で放電が消滅する。逆に、印加電圧を高くすると、内部電極３の端部の電流密度が高くなるため図３に示すとおり収縮放電から拡散放電への移行距離が長くなり、輝度のピークも内部電極３から離れていく。同時に全体の放電距離も伸びる。
【００２５】
次に長さ３２０ｍｍ外径３ｍｍΦのガラス管１の両端に内部電極３，４がある発光管を用意し、レフレクタ機能を兼ねさせるため長さ３２０ｍｍ、幅４ｍｍ、高さ５ｍｍのコの字に成形した厚さ０．３ｍｍのアルミ製外部電極５に、両端から１２０ｍｍの位置に図４に示すように頂角９０°のＶ字の切り欠きを設けてスペーサ８を用い組合せた。この切り欠きによって、その部分だけガラス管１のガラス層と、ガラス管１と外部電極５との間の空隙を誘電体層とした電子と外部電極５との容量Ｃ１が小さくなるようにした。このとき内部電極３と外部電極５の間のみに２５ｋＨｚの矩形波で、インバータ回路より給電した。なお、内部電極４は開放状態である。
【００２６】
印加電圧１．８ｋＶでの電気特性から、ＶＱリサージュ法（電気学会技術報告  第８３０号、（２００１年）ｐ．７１参照）単位ランプ長に対する容量を求めると、切り欠きの無い状態で約３０（ｐＦ／ｍ）であった。外部電極５の面積が、平行平板コンデンサの電極と仮定し、電極面積が容量と比例関係にあると仮定すれば、上記切り欠き部分の容量は、切り欠きの無い外部電極５の約３０％の容量となる。ただしこの値は、頂角９０°のＶ字の切り欠きを、ランプ長手方向に幅５ｍｍだけ、三面でガラス管１を囲んだ外部電極の高さ５ｍｍの両壁が欠落して、外部電極５の底辺部のみとして求めた値である。
【００２７】
内部電極３と外部電極５への印加電圧を大きくしていった場合の、ガラス管１の長さ方向への距離に対する輝度分布を図５に示す。図５においてＡの位置が、容量Ｃ１を小さくした位置である。図５から、印加電圧が１．０−１．６ｋＶまでは、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ切り替わった以降の拡散陽光柱の輝度分布は低下する。しかしながら、印加電圧が１．８ｋＶでは、収縮陽光柱が拡散陽光柱に完全に切り替わる位置と、外部電極５の切り欠きの位置が一致し、さらに拡散陽光柱の輝度は低下することなく一定で保たれる部分が存在することがわかる。印加電圧が２．０ｋＶの場合は、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ切り替わる約１８０ｍｍ以降の拡散陽光柱部分の輝度が低下する。
【００２８】
以上のことから、ガラス管１内の放電が、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ以降する領域に、外部電極５のガラス側の面とガラス管１内の放電媒体がガラス管１の接する内表面との間で形成される静電容量が変化する構成を設けることにより、ガラス管１の長手方向の輝度分布を改善することができる。
【００２９】
なお、ガラス管１内の放電が、収縮陽光柱から拡散陽光柱へ以降する領域に、外部電極５のガラス側の面とガラス管１内の放電媒体がガラス管１の接する内表面との間で形成される静電容量が変化する構成を設けることで、長手方向の輝度分布が改善するメカニズムは次のように考える。
【００３０】
一般に、拡散陽光柱は収縮陽光柱に比べてインピーダンスが高く、プラズマ中の電位降下が大きい。しかしながら、静電容量を小さくする「切り欠き」による部分的な容量Ｃ１が低い位置Ａが完全に拡散陽光柱に切り替わる輝度のピーク位置にあると、拡散陽光柱に切り替わるがインピーダンスが低くなる。インピーダンスが低くなると電位降下が小さくなり、そのため高い輝度領域が拡大したものと推定する。このことは図５において、例えば印加電圧１．４ｋＶの場合、切り欠き位置Ａは拡散陽光柱の領域であるが、輝度低下の傾斜が位置Ａで一旦緩むことからも、プラズマの電位降下が位置Ａで部分的に小さくなっていることが推定できる。
【００３１】
なお、図５において、印加電圧１．２ｋＶでは、この現象は発生していない。すなわち印加電圧１．４ｋＶ以上で、この現象が得られている。ランプの容量は印加電圧に寄らず一定であるため、この現象は、容量Ｃ１に充電される電荷Ｑが、ある値以上である必要があることが分かる。容量Ｃ１に充電される電荷Ｑは、印加電圧Ｖと容量Ｃ１との積で表されるから、印加電圧１．８ｋＶで切り欠き部分の容量が３０×０．３（ｐＦ／ｍ）であることから、切り欠き部分への蓄積電荷Ｑは１６．２（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）である。この蓄積電荷Ｑは、切り欠きの無い部分の蓄積電荷に対して、３７．８（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）低い。この蓄積電荷Ｑの差ΔＱが印加電圧１．４ｋＶで充電される場合、２９．４（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）であるから、この蓄電電荷の差ΔＱが２９．４（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）であれば、上記の効果を得ることができる。
【００３２】
一方、電極５の内幅を８ｍｍに広げ、ガラス管１と外部電極５の底辺部との距離は０．５ｍｍのまま、ガラス管１と外部電極５の側壁との距離を２．５ｍｍとした場合、切り欠きの無い状態での容量Ｃ１は１５（ｐＦ／ｍ）となる。このとき印加電圧１．８ｋＶで充電した場合、切り欠きが無い部分での単位長さ当たりの蓄積電荷Ｑは２７（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）しかなく、外部電極５を切り離して容量Ｃ１の低下を図っても、部分的に２９．４（ｋＶ・ｐＦ／ｍ）のΔＱを作ることができない。実際に電極５を２ｍｍ切り離してランプを点灯したが、上記の効果は得られなかった。
【００３３】
次に図４に示した構成で、内部電極３、４と外部電極５の間に２５ｋＨｚの矩形波で、インバータ回路より給電した、両内部電極駆動の場合のランプ全長に亘る輝度分布を図６に示す。切り込みが無い場合、輝度分布は中央が大きく低下するＭ字となる。これは、内部電極３、４より延びたプラズマが、それぞれ拡散陽光柱への移行領域で輝度の極大を迎え、その後、内部電極から遠ざかるに従って輝度が低下するため、放電管１の中央で輝度の極小となるＭ字型の輝度分布を呈する。
【００３４】
これに対して、切り欠きを設けた場合、中央部の輝度が持ち上がり、輝度均斉度は大きく改善される。なお、図６で分かるとおり、切り欠き位置の設計が内部電極から遠くなっており、そのため輝度のピーク位置から若干離れ、そのため輝度分布の谷間が発生している。これは、切り欠き位置を図５に示す片側点灯でのデータから決めたためで、切り欠き位置を適正にすることによりさらに、輝度均斉度は向上する可能性がある。
【００３５】
なおこのとき、光源からの全光束をインバータ回路への投入電力で除したシステム効率（ｌｍ／Ｗｓ）は表１に示すように同程度の電力で１７％の向上が得られ、本発明の構成によりシステム効率の低下は無く、むしろ向上することが分かった。
【００３６】
【表１】
2008226691.tif 000003
【００３７】
一方、ガラス管１と外部電極５との容量Ｃ１の分布を、内部電極３、４からランプ長手方向に行くに従って大きくすることで、特許文献１と同様に、分布容量を連続的に大きく出来るが、外部電極は導光体へ光を導くレフレクタ機能を兼用させるためには、外部電極５の開口幅は導光体の厚みで決まるため変えることが出来ず、ガラス管１と外部電極５の底の部分との距離を、内部電極３、４からランプ長手方向に行くに従って小さくすることしかできない。このため、分布容量を大きく制御できない。したがって、輝度分布のランプ長手方向の傾斜は、多少角度はゆるくなるものの、大きな改善は得られず、分布容量の増大でランプ効率は逆に数％低下する。すなわち、本発明の現象は、分布容量をランプ長手方向に連続的に変化させる場合と、異なる効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施形態では、内部電極をランプ長さ方向の両端に設けた蛍光ランプについて説明したが、本実施形態の方法は内部電極が片側にのみ設けられた蛍光ランプの場合でも有効である。
【００３９】
また、静電容量を小さくする手段として、切り欠き構造を用いたが、この構造に限定されない。すなわち、静電容量を小さくする構成で有ればよい。例えば、必要な箇所のガラス管１と外部電極５との距離を大きくしたり、ガラス管１の肉厚を小さくしたりすることで、静電容量を小さくする構成が実現できる。
【００４０】
本実施形態では放電管１の外径を３ｍｍのもので示したが、２〜５ｍｍでもよい。
【００４１】
さらに放電管１は、直管状、および曲管状のいずれでもよい。曲管状としては、たとえばＵ字状、Ｗ形、Ｌ形、矩形状など種々の形状を採用することなできる。また、封入するキセノンガスと混合するバッファガスはアルゴン以外の例えばネオンの場合でも有効である。外部電極５の形状も放物面や楕円、Ｖ形、半円形状でもよい。
【００４２】
また、本実施形態はサイドライト方式バックライトについて示したが、直下型バックライトでも有効である。このとき外部電極５は、導光体への照明の制約が無いため、平面等でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の誘電体バリア放電ランプは、水銀を用いない長尺の細管蛍光ランプについて、その輝度分布を管軸方向に一様にする手段を提供するため、液晶のバックライト光源等として有用である。また、光源の線状性、均一性から、線状紫外線照射光源として、あるいは装飾用光源等への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態１における誘電体バリア放電ランプの構成図
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施形態１における誘電体バリア放電ランプの放電原理図
【図３】誘電体バリア放電ランプの外部電極と内部電極とに印加する電圧を変化させた場合における輝度分布図
【図４】（ａ）は本発明の実施形態１の誘電体バリア放電ランプの斜視図、（ｂ）は本発明の実施形態１の誘電体バリア放電ランプの断面図
【図５】本発明の実施形態１の誘電体バリア放電ランプの外部電極と内部電極とに印加する電圧を変化させた場合における輝度分布図
【図６】本発明の実施形態１の、両端に内部電極を有し、かつ、外部電極に２つの切り欠きを有する誘電体バリア放電ランプの長手方向の輝度分布図
【図７】（Ａ）は従来の光源装置の側面図、（Ｂ）は従来の光源装置の断面図
【図８】（ａ）は従来の光源装置の側面部分図、（ｂ）は従来の光源装置の断面図、（ｃ）は従来の光源装置の外部電極の斜視図
【図９】従来の光源装置におけるガラス管長手方向における輝度分布図
【符号の説明】
【００４５】
１    ガラス管
２    蛍光体層
３，４    内部電極
５    外部電極
【図１】
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【図２】
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【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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