JP2007134059A - 希ガス蛍光ランプ及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 全周方向から光出力を得る希ガス蛍光ランプにおいて、放射される可視光の輝度が高くバックライト用光源として好適な希ガス蛍光ランプを提供すること。更に、光源として実質的に水銀を使用しない希ガス蛍光ランプを用いて、高輝度かつ輝度ムラを少なくできる、液晶表示装置のバックライトに好適な光源装置を提供すること。
【解決手段】 希ガス蛍光ランプにおいて、蛍光体層は発光管の全周に亘って形成されてなり、当該蛍光体層を構成する蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共に、その厚みが１０〜２０μｍであることを特徴とする。更に、光源装置においては、発光管の内表面上に全周に亘って蛍光体層が形成され、蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共にその厚みが１０〜２０μｍである希ガス蛍光ランプと；投光開口を備えた筐体と；投光開口に配設された光出射面を有する光拡散板と；を具備していることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示体などのバックライト装置の光源に関し、特に、外部電極型の希ガス蛍光ランプ及び光源装置に関するものである。

従来、液晶表示体などのバックライト装置に使用されるランプは、細長いガラス管からなる発光管内に水銀及び希ガスが封入され、内面に蛍光体が塗布されたものであり、発光管の両端に一対の内部電極を具備した、いわゆる低圧水銀ランプである。かかるランプは、低圧水銀蒸気放電によって得られる２５４ｎｍの紫外線で蛍光体を励起し、可視光を得るものである。このような水銀を用いるランプは低温時の光束立ち上がり特性が悪く、また、環境負荷の大きな水銀を用いることから、最近では、このような問題のない、環境負荷の低いランプへの代替が検討、模索されている。

一方、従来から原稿照明用光源として好適に使用されている希ガス蛍光ランプは、水銀を用いず、主として、５〜１０ｋＰａ程度の低圧のＸｅガス放電からの波長１７２ｎｍの発光で蛍光体を励起し、発光するランプであり、特許文献１などに開示されるよう蛍光体層の一部に蛍光体の非形成部を形成して開口、すなわち、アパーチャを設けたものである。

図７は、かかる原稿照明用の希ガス蛍光ランプの管軸に垂直方向断面の概略構成図である。
発光管１１における対向面に配置された外部電極１２ａ，１２ｂに電圧が印加されると、発光管１１内に誘電体を介在させた放電が励起され、発生した真空紫外光が蛍光体膜を照射する。蛍光体層１３にアパーチャ１４が形成されており、この部分が光取り出し部となる。真空紫外光が蛍光体により変換され放射した可視光は、蛍光体層１３で反射され、最終的にアパーチャ１４から出射される。

このようなアパーチャを有する希ガス蛍光ランプにおいては、蛍光体層における反射性を高く設定することで、アパーチャからの出力を高くすることができる。しかしながら、安易に蛍光体層の厚みを増しても経済性を伴わないものとなり、また発光管からの剥離し易さが増してくるため、蛍光体層の原料となる蛍光体を平均粒径が小さいものを使用することで反射性を高め、これにより蛍光体層の厚みを小さくすることが行われている（特許文献１）。
よって、原稿照明用の希ガス蛍光ランプにおいて、蛍光体の平均粒子径は１〜３μｍの範囲のものが好適に使用され、その厚みは、発光管と蛍光体層の間に反射層を設けるか否かによって変位するが、大よそ３０〜５０μｍ程度である。

このような希ガス蛍光ランプは、立ち上がり特性が良好であり、低圧水銀ランプとは異なり水銀を用いていないため、環境負荷の面からも好適と考えられる。また、ランプ構造上も、水銀を使用していないので、発光管を構成するガラスのアルカリ成分と水銀とが反応する恐れがなく、発光管内面に保護膜を形成する必要も無い。よって生産性の点においても好都合である。このような事情から、希ガス蛍光ランプをバックライト用光源や一般照明用に用いることが検討されている。
特開平１１−２８８６９７号公報

しかして、上述のバックライト用光源においては、光出射面において輝度のムラを抑える必要があり、拡散光源であることが望まれる。従って現状の希ガス蛍光ランプをそのまま採用することは不可であり、指向性のためのアパーチャは形成せず、発光管の全周方向から光を取り出すのが好適と考えられる。

一般に、蛍光ランプの輝度と蛍光体層の膜厚との間には相対関係があることは知られている。よって、アパーチャが形成されておらず、可視光を蛍光体層に透過させて発光管外部に放射させるランプにおいても、蛍光体層で可視光に変換される効率と蛍光体層の透過性のバランスをはかり、最適な厚みを設定することが必要である。

しかしながら、単なる膜厚の設計のみでは高い照度を得るにも限界があり、十分な輝度が得られないことが、本発明者らの検討によって判明した。
そこで本発明は、全周方向から光出力を得る希ガス蛍光ランプにおいて、放射される可視光の輝度が高く、バックライト用光源として好適な、希ガス蛍光ランプを提供することを目的とする。
また更なる目的は、光源として実質的に水銀を使用しない希ガス蛍光ランプを用い、十分な輝度を有し、かつ、輝度ムラを少なくできる、液晶表示装置用のバックライトに好適な、光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る希ガス蛍光ランプは、希ガスが封入され、内面に蛍光体層を形成した直管状の発光管を有し、
該発光管の外面に、その長手方向に亘って一方の電極を形成すると共に、他方の電極を一方の電極と該他方の電極の間に誘電体を介在させて形成し、一方と他方の電極の間で誘電体を介して放電させることにより、前記発光管内でエキシマ発光させる希ガス蛍光ランプにおいて、
蛍光体層は発光管の全周に亘って形成されてなり、当該蛍光体層を構成する蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共に、その厚みが１０〜２０μｍであることを特徴とする。

また、本発明に係る光源装置は、希ガスが封入された直管状の発光管と、該発光管の外面に、その長手方向に亘って形成された一方の電極及び該一方の電極との間に誘電体を介在させて形成された他方の電極と、前記発光管の内表面上に全周に亘って、形成され、蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共に、その厚みが１０〜２０μｍである蛍光体層とを備えてなる希ガス蛍光ランプと；
内部に前記希ガス蛍光ランプを収容し、投光開口を備えた筐体と；
該筐体の投光開口に配設された光出射面を有する光拡散板と；
を具備していることを特徴とする。

本発明においては、蛍光体層の層みを１０〜２０μｍとし、かつ、蛍光体の平均粒子径を４〜６μｍとすることにより、アパーチャのない希ガス蛍光ランプにおいて、発光効率を高くすることができ、液晶表示装置における直下型のバックライト用光源として好適な希ガス蛍光ランプを提供できるようになる。
また、本発明に係る光源装置によれば、発光管内に実質的に水銀を封入していない希ガス蛍光ランプを用いているため、低温時においても光束立ち上がり特性が良好で、環境負荷も低く、しかも、高い輝度が得られる、液晶表示用のバックライト装置として好適な、光源装置を提供することができる。

図１は本発明の実施例の希ガス蛍光ランプの構成を示す図であり、同図（ａ）は本発明の実施例の希ガス蛍光ランプの斜視図、同図（ｂ）は希ガス蛍光ランプを管軸に垂直な平面で切った断面図を示している。
発光管１１は透光性のガラスよりなり、その材質としては例えばソーダ石灰ガラス、アルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、バリウムガラスなどを挙げることができる。発光管１１の外表面上には一対の帯状の電極１２ａ，１２ｂが、当該発光管１１の長さ方向に伸びるように配置されている。これら電極１２ａ，１２ｂは、図１（ｂ）に示す管軸に垂直な断面図において、互いに対向するよう配置されている。
外部電極１２ａ，１２ｂは、材質としては導電性のものであれば特に制限されるものではなく、例えば、金、銀、ニッケル、カーボン、金パラジウム、銀パラジウム、白金などを好適に用いることができ、発光管１０の外表面にテープ状金属を貼付したり、導電性ペーストをスクリーン印刷して焼成したりすることにより、実現する。

発光管１１の内部には、例えばＸｅ（キセノン）ガス、或は、Ｘｅを含む希ガスの混合ガスが全封入圧５〜１００ｋＰａの範囲で封入されている。発光管１１に同図に示す点灯電源２０より高周波電圧が印加されると、外部電極１２ａ，１２ｂの間に誘電体を介在させた放電が発生し、この放電によりキセノンによるエキシマ分子発光が発生する。

発光管の内表面には、全周に亘って蛍光体層１３が形成されている。蛍光体は、赤色蛍光体がユーロピウム付活酸化イットリウム蛍光体（Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ）、緑色蛍光体がセリウム・テルビウム付活リン酸ランタン蛍光体（ＬａＰＯ_４：Ｃｅ，Ｔｂ）、青色の蛍光体がユーロピウム付活アルミン酸バリウム・マグネシウム蛍光体（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ）である。これら以外にも、真空紫外光により励起される蛍光体として、赤色蛍光体としてはＹ（Ｖ，Ｐ）Ｏ_４：Ｅｕ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕなど、緑色蛍光体としてはＺｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｔｂ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｔｂなどを用いることができる。

上記希ガス蛍光ランプに同図に示す点灯電源２０より高周波電圧が印加されると、外部電極１２ａ，１２ｂの間に誘電体を介在させた放電が発生し、この放電によりキセノンによるエキシマ分子発光が発生する。点灯方式としては、電圧波形が矩形波で、高電圧（〜３０００Ｖｐ−ｐ）を印加する方式を主とする。無論この方式に限定されず、高圧のパルス状の電圧によっても同様の効果を得ることができる。
エキシマ発光で得られた波長１７２ｎｍの真空紫外光が蛍光体層１３における蛍光体を照射して励起し、可視光が放射される。可視光の多数は蛍光体層１３で反射されて、反射光が対向部の蛍光体層１３をある確率で透過し、発光管１１の外部に出射される。

上記構成に係る希ガス蛍光ランプにおいて、蛍光体層を構成する蛍光体の平均粒子径は４〜６μｍであり、平均粒子径をこのように設定することで、高い輝度が得られる希ガス蛍光ランプを提供することができる。また、蛍光体層の膜厚を１０〜２０μｍとすることで、高い発光効率を実現することができる。
以下、この根拠について説明する。

〔蛍光体層の膜厚の検討１〕
〔実験例１〕
蛍光ランプの輝度と蛍光体層の膜厚との間には相対関係があることは既知である。しかしながら、アパーチャが形成されていない希ガス蛍光ランプにおいては検討されていない。本発明者らはアパーチャが形成されていない希ガス蛍光ランプにおいて蛍光体層の膜厚と発光効率の関係を調査した。
先ず、図２に示すグラフ図中、点線で示す曲線は、本発明者らが最適な蛍光体層の膜厚を検討するために得た実験データである。なお、このデータは、従来技術に係る希ガス蛍光ランプにおいて、アパーチャを形成せず、すなわち、発光管の全周に亘って蛍光体層を形成した希ガス蛍光ランプについてのものである。
なお、実験例１に用いた希ガス蛍光ランプは、発光管は外径φ８ｍｍ（内径φ７．２ｍｍ）、全長７００ｍｍであり、その内部に、キセノン８０％、ネオン２０％の混合ガスを、１０kＰａ（２５℃換算）封入し、その外表面上に、幅１ｍｍ、長さ６８０ｍｍ、厚さ１０μｍのアルミニウム製の電極を添設したものである。
蛍光体層は、発光管内表面上に全周に亘って形成し、具体的には、平均粒径が１〜３μｍの赤色蛍光体（Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ）、青色蛍光体（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ）及び緑色蛍光体（ＬａＰＯ_４：Ｃｅ，Ｔｂ）を混合して塗布用の懸濁液を調製し、これを発光管内表面上に塗布して乾燥、焼成することにより、形成した。かかる蛍光体層の膜厚を８〜３４μｍの間で変化させて、蛍光体層の厚さが異なる多数のランプを作製し、それぞれ点灯して発光効率を測定した。
図２において、縦軸は発光効率の相対値であり最大値を１として示す。横軸は蛍光体層の膜厚（μｍ）を示す。なお、点灯条件は、室温で、ランプ入力８Ｗであった。

この図のように蛍光体の平均粒子径が１〜３μｍのランプにおいては、発光効率は膜厚１０〜２０μｍにおいてピークとなり、１３μｍ近傍において最大となる。膜厚が２０μｍを超えると、発光効率は常に、膜厚１０〜２０μｍの範囲よりも下回り、高い効率が得られなくなる。
従って、バックライト光源用の希ガス蛍光ランプ（すなわち、アパーチャがない希ガス光源ランプ）においては、蛍光体層の膜厚が約１０〜２０μｍの範囲に最適値があると考えられる。

〔蛍光体平均粒径の検討１〕
本発明者らは更に高い発光効率を実現するため、蛍光体の平均粒子径と照度について調査した。

〔実験例２−１〕
図１に示す液晶表示装置のバックライト用希ガス蛍光ランプ（１）を下記の仕様により作製した。
発光管の材質はバリウムガラスであり、管の外径φ８ｍｍ（内径φ７．２ｍｍ）、全長７００ｍｍであった。その内表面の全周に亘って、平均粒子径が、２μｍ、４μｍ、５μｍ、６．５μｍ、８μｍの青色蛍光体；ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕを、それぞれ塗布した。この膜厚は１５μｍであった。発光管の内部には、キセノン８０％、ネオン２０％の混合ガスを、１０ｋＰａ（２５℃換算）封入し、外表面上に一対の外部電極を形成した。外部電極は材質がＡｌ（アルミニウム）であり、幅１ｍｍ、長さ６８０ｍｍ、厚さ１０μｍであった。ガラス管内にガスを封入して端部を封止し、金属シートよりなる電極を管の対向位置に貼り付けて形成した。なお電極には、ランプの片側に端子を形成して給電部を形成し、上述した条件で電圧を印加してランプを点灯し、輝度を測定した。なお、発光管の材質は、蛍光体粒子径や膜厚の相対的な関係について、影響を与えないので、他の材質のガラス、例えば、ソーダ石灰ガラス、アルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラスなどを使用しても、最適な粒子径や膜厚の範囲は、変わらない。

図３に上記実験結果を、白抜きの三角形及び実線で示す。なおグラフは、縦軸が輝度の相対値であり、横軸が蛍光体の平均粒子径（μｍ）である。

〔実験例２−２〕
上記実験例２−１とは、蛍光体層の膜厚を２０μｍとしたことを除いて、同仕様の希ガス蛍光ランプを作製した。
更に、点灯条件も同様にしてランプを点灯して輝度を測定した。
この結果を前図、図３に、黒塗りの四角及び点線で合わせて掲載する。

以上の実験例２−１〜２−２の結果、従来技術に係る蛍光体の平均粒子径が１〜３μｍのものに比較し、平均粒子径が４〜６μｍの範囲のもので蛍光体層を形成すると、輝度が高くなる。また、平均粒子径約５μｍにおいて最大の輝度が得られるとわかった。

〔実験例３−１〕
上記実施例２−１とは、蛍光体層を構成する蛍光体を緑色蛍光体であるＬａＰＯ_４，Ｃｅ，Ｔｂ（Ｇ）に変更したことを除いて、同様の仕様として種々の希ガス蛍光ランプを作製した。蛍光体の平均粒径を、２μｍ、３μｍ、５．５μｍ、６．５μｍと種々変更して、それぞれ、膜厚が１５μｍの蛍光体層ガラス管の内周面の全周に亘って形成した。

図４は、上記実験結果を示す図であり、白抜きの三角形と実線で示す。なおグラフにおける縦軸は輝度の相対値、横軸は蛍光体の平均粒子径である。

〔実施例３−２〕
上記実施例３−１とは、蛍光体層の膜厚を２０μｍとしたことを除いて、同仕様の希ガス蛍光ランプを作製した。
更に、点灯条件も同様にしてランプを点灯して輝度を測定した。
この結果を前図、図４に黒塗りの四角形及び点線で示す。

以上の実験例３−１、３−２の結果、従来技術に係る蛍光体の平均粒子径が１〜３μｍのものに比較し、平均粒子径が４〜６μｍの範囲のもので蛍光体層を形成すると、輝度が高くなる。また、平均粒子径約５μｍにおいて最大の輝度が得られるとわかった。

なお、比較のために蛍光体の材質を赤色蛍光体であるユーロピウム付活酸化イットリウム蛍光体（Ｙ₂Ｏ_３：Ｅｕ）を用い、その平均粒子径を２〜８μｍの範囲で変えて、平均粒子径が異なる蛍光体を用いて種々の希ガス蛍光ランプを作製したところ、上記実験例と同様、５μｍにおいて最大輝度が得られ、４〜６μｍの範囲の蛍光体を選択すると、蛍光体の平均粒子径が３μｍ以下のものに比較して、高い輝度を得ることができるとわかった。
また、この実験結果と実験例２−１〜３−２の結果も合わせて考察すると、蛍光体の材質によらず、平均粒子径が４〜６μｍである場合には、高い輝度を得ることができるとわかった。

〔蛍光体層の膜厚の検討２〕
以上の結果を考慮し、蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍである蛍光体（赤色蛍光体、青色蛍光体、緑色蛍光体の混合）を用いて、〔実験例１〕と同仕様の希ガス蛍光ランプを作製し、発光効率を測定した。この結果を、図２に実線で示す。

図２に示すように、蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍのランプにおいては、平均粒子径１〜３μｍとした実験例１に係るランプに比較し、高い発光効率を得ることができるとわかった。
また、膜厚が１０〜２０μｍにおいてピークとなり、１５μｍ近傍において最大となる。膜厚が２０μｍを超えると、発光効率は常に、膜厚１０〜２０μｍの範囲よりも下回り、高い効率が得られなくなる。すなわち膜厚と発光効率の相関については、蛍光体の平均粒子径の大小によらず、同様の傾向を示すことがわかった。

このように、従来の原稿照明用の希ガス蛍光ランプに比較し、平均粒子径が大きい、平均粒子径が４〜６μｍの蛍光体を用いることにより、高い発光効率が得られるようになる。
この理由は下記のように考えられる。
図５は、発光管１１と蛍光体層１２を拡大して示す拡大図であり、（ａ）は本発明に係る希ガス蛍光ランプの拡大図、（ｂ）は従来技術に係る希ガス蛍光ランプの拡大図である。キセノンの分子発光により放射された真空紫外光が、蛍光体の表面において可視光に変換され、変換された可視光が蛍光体の粒子の間を通過して、発光管の外部に放射される。可視光は、蛍光体層を通過する間、蛍光体表面で反射を繰り返すが、（ａ）で示すように蛍光体が比較的大きい場合、発光管１１の内面に到着するまで蛍光体と衝突（反射）する回数は比較的少なく、よって、蛍光体に吸収される光が少なく、すなわち、光学的な効率が高くなって、光出力がより大きくなる。一方、（ｂ）のように蛍光体の粒子径が小さい場合、蛍光体と衝突（反射）する回数が多くなって光の減衰が大きくなるため、光出力が小さくなる、と推測される。
一方、蛍光体の平均粒子径が大きくなると、蛍光体の対比表面積が減少するため真空紫外光から可視光に変換される効率が低下する。蛍光体の平均粒子径が６μｍを超えて大きくなると、蛍光体層を透過して可視光が発光管外部に放射される効率よりも、発光管内で発生する可視光量の低下が影響し、発光管外部に放射される光出力が低下し、輝度が減少していくと考えられる。

上記構成に係る希ガス蛍光ランプによれば、蛍光体層を構成する蛍光体の平均粒子径を４〜６μｍとすることにより、高い輝度が得られる希ガス蛍光ランプを提供することができる。また、蛍光体層の膜厚を１０〜２０μｍとすることで、高い発光効率を実現することができる。

このような本発明に係る希ガス蛍光ランプによれば、液晶表示装置のバックライト用光源装置として好適に利用することができる。
図６は、本発明に係る希ガス蛍光ランプを複数本用いて、液晶表示装置におけるバックライト用の光源装置を構成した図である。
図６において、希ガス蛍光ランプ１０は、同一平面上に、各ランプの管軸が互いに平行になるよう配置されている。複数のランプ１０を取り囲む箱状の筐体３１は、外周部分３１１が例えば鋼板よりなり、その内部に白色のポリカーボネイト製の反射成形体３１２が嵌め込まれている。
筐体３１上部には、投光開口３２が形成され、これを覆うように拡散シート３３、指向性制御シート３４が積層状態に配設されており、最外部に配置された拡散シート３３から光が放出され、ここから出た光が液晶パネル（不図示）を照射する。
このような光源装置３０によれば、光源である希ガス蛍光ランプ１０は立ち上がりが速く拡散光を放射するものであるうえ輝度が高く、液晶表示用のバックライト用として好適に使用することができる。

本発明の実施例の希ガス蛍光ランプの構成を示す図であり、同図（ａ）は本発明の実施例の希ガス蛍光ランプの斜視図、同図（ｂ）は希ガス蛍光ランプを管軸に垂直な平面で切った断面図である ランプの発光効率相対値と蛍光体層の膜厚（μｍ）の関係を示す図である。 実験結果を示す図であり、輝度と蛍光体の平均粒子径の関係を示す図である。 実験結果を示す図であり、輝度と蛍光体の平均粒子径の関係を示す図である。 発光管と蛍光体層を拡大して示す説明用断面図であり、（ａ）は本発明に係る希ガス蛍光ランプの図、（ｂ）は従来技術に係る希ガス蛍光ランプの図である。 液晶表示装置におけるバックライト用の光源装置を構成した図である。 従来技術にかかる原稿照明用の希ガス蛍光ランプの管軸に垂直方向断面の概略構成図である。

符号の説明

１０ 希ガス蛍光ランプ
１１ 発光管
１２ａ，１２ｂ 外部電極
１３ 蛍光体層
１４ アパーチャ
２０ 点灯電源
３０ 光源装置
３１ 筐体
３２ 光投射口
３３ 拡散シート
３４ 指向性制御シート

Claims (2)

1. 希ガスが封入され、内面に蛍光体層を形成した直管状の発光管を有し、
   該発光管の外面に、その長手方向に亘って一方の電極を形成すると共に、他方の電極を一方の電極と該他方の電極の間に誘電体を介在させて形成し、一方と他方の電極の間で誘電体を介して放電させることにより、前記発光管内でエキシマ発光させる希ガス蛍光ランプにおいて、
   蛍光体層は発光管の全周に亘って形成されてなり、当該蛍光体層を構成する蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共に、その厚みが１０〜２０μｍであることを特徴とする希ガス蛍光ランプ。
2. 希ガスが封入された直管状の発光管と、該発光管の外面に、その長手方向に亘って形成された一方の電極及び該一方の電極との間に誘電体を介在させて形成された他方の電極と、前記発光管の内表面上に全周に亘って、形成され、蛍光体の平均粒子径が４〜６μｍであると共に、その厚みが１０〜２０μｍである蛍光体層とを備えてなる希ガス蛍光ランプと；
   内部に前記希ガス蛍光ランプを収容し、投光開口を備えた筐体と；
   該筐体の投光開口に配設された光出射面を有する光拡散板と；
   を具備していることを特徴とする光源装置。
   
   

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