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Die Erfindung betrifft mit Edelgas von niederem Druck ohne Quecksilber
gefüllte Glühkathoden-Leuchtstoffentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs, die für Büroautomatisierungsgeräte, wie Kopiergeräte und
Telefaxgeräte, Verwendung finden. Eine derartige Lampe ist aus der EP-A-0 285
396 bekannt.
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Seit kurzem werden Leuchtstofflampen, die Licht aus Edelgasentladung
beziehen, als Lichtquelle für Büroautomatisierungsgeräte verwendet. Ein Beispiel
für derartige Lampen sind die in "Toshiba Review", Vol. 40, No. 12, Seiten
1079 bis 1082, beschriebenen Leuchtstoffentladungslampen. Hierbei handelt es
sich um eine mit Edelgas gefüllte Kaltkathoden-Leuchtstofflampe, bei der der
Hauptteil des eingefüllten Gases Xe ist und das fluoreszierende Material mit
ultravioletter Strahlung aus der Glimmentladung zum Leuchten angeregt wird.
Weil in der Lampe kein Quecksilber eingesetzt wird, zeigt sie in einem
breiten Temperaturbereich eine stabile Lichtleistung, und die Lichtfarbe kann
durch entsprechende Auswahl des fluoreszierenden Materials verändert werden.
Ein Problem bei der Verwendung der mit Edelgas gefüllten
Kaltkathoden-Entladungslampe ist jedoch die Tatsache, daß sie eine hohe Zündspannung benötigt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben an der Entwicklung von mit
Edelgas gefüllten Leuchtstofflampen gearbeitet, die für
Büroautomatisierungsgeräte geeignet sind und durch die Verwendung von Glühkathoden nicht nur eine
niedrige Zündspannung aufweisen, um die Probleme mit der Hochspannung zu
verringern, sondern auch eine geringe Temperaturabhängigkeit und eine kurze
Ansprechzeit - was die Vorteile von mit Edelgas gefüllten
Leuchtstoffentladungslampen sind - und sind so auf die mit Edelgas von niedrigem Druck
gefüllte Leuchtstoffentladungslampe gekommen, die die gewünschten
Eigenschaften hat.
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Es wurde jedoch ein neues Problem der mit Edelgas von niedrigem Druck
gefüllten
Glühkathoden-Leuchtstoffentladungslampen der oben erwähnten Bauweise
entdeckt, nämlich, daß die Leuchtkraft rasch abnimmt, wenn der
Röhrendurchmesser weniger als 20 mm beträgt, wobei jedoch ein solcher Durchmesser für
Lichtquellen von Büroautomatisierungsgeräten allgemein erwünscht ist.
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Die Erfinder haben gefunden, daß die Verschlechterung der Leuchtkraft durch
Ionenbeschuß der positiven Säule verursacht wird, d. h. bei einer
Glühkathodenlampe mit kleinem Durchmesser ist der Abstand zwischen der Mittelachse der
positiven Säule und der Schicht fluoreszierenden Materials klein, vor allem
bei einem Röhrendurchmesser von 20 mm oder darunter, so daß das
fluoreszierende Material im Gegensatz zu Kaltkathodenlampen durch Ionenbeschuß stark
beeinträchtigt wird. Dies ist die Ursache der raschen Verschlechterung der
Leuchtkraft.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll das erwähnte Problem gelöst werden. Die
Erfindung hat das Ziel, mit Edelgas von niedrigem Druck gefüllte
Glühkathoden-Leuchtstoffentladungslampen zur Verfügung zu stellen, die als normale
Leuchtstofflampen für allgemeine Beleuchtungszwecke verwendet werden können
und gebrauchsfreundlich sind, weil sie nicht nur temperaturunabhängig sind
und eine kurze Ansprechzeit haben, was für mit Edelgas gefüllte
Entladungslampen charakteristisch ist, sondern weil auch die Leuchtkrafteinbuße durch
Verwendung dünnerer Röhren geringer ist.
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Mit Edelgas von niedrigem Druck gefüllte und kein Quecksilber enthaltende
Glühkathoden-Leuchtstoffentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs sind erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Volumen-
Prozentgehalt des Xenon-Gases 50% oder weniger beträgt.
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Die nach der vorliegenden Erfindung zusätzlich zum Xenon beigegebenen Gase
He, Ne, Ar und Kr sind in Lampen chemisch stabil und mildern die Auswirkungen
des Ionenbeschusses auf die Schicht fluoreszierenden Materials, ohne
nachteilige Auswirkungen auf andere Lampeneigenschaften zu haben. Eine
Verschlechterung der Leuchtkraft durch Ionenbeschuß wird damit vermieden, und die
Leuchtkraft wird auch bei kleinem Röhrendurchmesser verbessert.
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Fig. 1 ist ein teilweiser Querschnitt zur Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen Röhrendurchmesser und Leuchtkraft.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen Röhrendurchmesser und Einbußenminderung.
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Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zusatz von Ne und der Leuchtkraft.
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Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Zündfrequenz und der Leuchtdichte.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des wichtigen Bereichs. Mit 1 ist eine Röhre
bezeichnet, mit 2 eine Schicht aus fluoreszierendem Material, mit 4 eine
Elektrode und mit 5 ein Spalt. Als Röhre 1 wird eine gerade Glasröhre mit
einer Wandstärke von 0,7 mm verwendet, und an beiden Enden ist je eine
Elektrode vorgesehen. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist konstant
260 mm, und die Elektroden 4 sind Glühkathoden mit einem Glühdraht mit
Dreifachwendel, der mit einem Emissionsgemisch beschichtet ist. Als
fluoreszierendes Material für die Schicht 2 wird grüner Leuchtstoff Zn&sub2;SiO&sub4;:Mn mit
dem Markennamen PlGl verwendet, der im Handel bei Kasei Optonics erhältlich
ist. Zwischen der Schicht 2 aus fluoreszierendem Material und der Röhre 1 ist
die reflektierende Schicht 3 gebildet. Die reflektierende Schicht 3 und auch
die Schicht 2 aus fluoreszierendem Material bilden eine Öffnung mit dem 2 mm
breiten geradlinigen Spalt 5 in Längsrichtung der Röhre. In die Röhre 1 ist
Leuchtgas gefüllt, und bei der Elektrode 4 sind Bariumgetter aufgedampft;
beides ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Der Versuch wurde mit den vorerwähnten Leuchtstofflampen durchgeführt, wobei
unterschiedliche Leuchtgase verwendet wurden. Die Leuchtdichte wurde in der
Mitte der Öffnung in der Mitte der Lampe gemessen. Als Zündgerät für die
Lampe wurde ein 40-kHz-Sinus-Inverter mit L-förmigem Vorschaltwiderstand
verwendet. Die Lampe wurde wie oben angegeben eingeschaltet und blieb 18
Minuten lang eingeschaltet, woraufhin sie für zwei Minuten ausgeschaltet
wurde. Dieser 20-Minuten-Zyklus wurde zur Bestimmung der Leuchtkraft
(Stabilität) wiederholt, wobei jeweils die Leuchtdichte zum aktuellen Zeitpunkt zur
ursprünglichen Leuchtdichte in Beziehung gesetzt wurde.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Röhrendurchmesser und der
Leuchtkraft, wobei die durchgezogene Linie die Leuchtkraftwerte nach 1000 Stunden
Einschaltdauer von Lampen mit verschiedenen Röhrendurchmessern darstellt, die
nur mit Xe von 66,6 Pa (0,5 Torr) befüllt waren. Aus dem Versuchsergebnis
geht hervor, daß die Leuchtkraft umso mehr zurückgeht, je weiter der
Röhrendurchmesser von 20 mm unterschritten wird. Beispielsweise liegt der Wert bei
einem Durchmesser von 6 mm bei 70% gegenüber 90% bei 25 mm, d. h. die
Leuchtkraft nimmt um 20% ab.
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Die Lampe, die mit Xe desselben Drucks von 0,5 Torr befüllt war, jedoch
zusätzlich Ne mit einem Druck von 599,9 Pa (4,5 Torr) enthielt, was einen
Gesamtdruck von 666 Pa (5,0 Torr) ergibt (Xe: 20% und Ne: 80%), zeigte das
mit der gestrichelten Linie dargestellte Verhalten, jedoch eine deutlich
verbesserte Leuchtkraft im Durchmesserbereich 16 mm und kleiner. Der
Leuchtkraftunterschied zwischen diesen beiden Linien ist in Fig. 3 dargestellt. Aus
der Abbildung ist klar ersichtlich, daß die Verbesserung im
Durchmesserbereich von 16 mm oder kleiner liegt.
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Anschließend wurde die Ne-Menge untersucht. Beispielsweise wurden jeweils bei
einem Röhrendurchmesser von 10 mm und einem Gesamtdruck von 66,6 Pa (0,5
Torr) ausgehend von Null unterschiedliche Mengen an Ne zugegeben. Die
Leuchtkraft nach 1000 Stunden verhält sich wie in Fig. 4 dargestellt, d. h. die
Leuchtkraft ist bei derselben Menge wie Xe am größten, weshalb die Menge von
Ne gleich groß oder größer sein sollte als Xe bzw. das Mischungsverhältnis 50
% oder mehr betragen sollte.
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Es wurde festgestellt, daß im Niederdruckbereich die Beziehung zwischen
Leuchtdichte und Anfangsleuchtdichte fast ausschließlich vom Partialdruck von
Xe abhängig war und daß die Anfangsleuchtdichte - anders als bei den
herkömmlichen mit Quecksilberdampf von niedrigem Druck befüllten
Leuchtstoffentladungslampen - mit einer Erhöhung des Gesamtdrucks durch Zugabe von Ne nicht
abnimmt. Das bedeutet, daß die Leuchtkraft verbessert werden kann, ohne daß
die Leuchtdichte abnimmt.
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Tendenziell verlängert sich die Nonspot-Lebensdauer durch den Zusatz von Ne.
Diese Verbesserung ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß Ne das
Verdampfen der Elektronen emittierenden Substanz, mit der die Wendeln
beschichtet sind, vermindert. In diesem Punkt zeigt die Lampe nämlich dasselbe
Verhalten wie eine mit Quecksilberdampf von niedrigem Druck befüllte
Leuchtstoffentladungslampe.
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Bei den vorstehenden Versuchen wurde nur Ne als zusätzliches Gas verwendet,
jedoch haben andere Edelgase, wie beispielsweise He, Ar und Kr, dieselbe
Wirkung wie Ne. Es können auch Gasgemische verwendet werden.
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Die Wirkung ist vorstehend für das mit Mangan aktivierte grüne
fluoreszierende Material Zinksilikat beschrieben und wurde bei Verwendung von
verschiedenen anderen fluoreszierenden Materialien bestätigt, wie mit Mangan
aktiviertem Barium-aluminat, zweiwertigem mit Terbium aktiviertem Yttriumsilikat,
dreiwertigem mit Europium aktiviertem Yttriumgadoliniumborat oder
zweiwertigem mit Europium aktiviertem Bariummagnesiumaluminat.
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Tabelle 1 enthält Beispiele. Mit den vorgenannten fluoreszierenden
Materialien wurde die Innenseite von Röhren mit einem Innendurchmesser von 8 mm
beschichtet, um Schichten aus fluoreszierendem Material zu bilden, und es
wurden solche Röhrenlampen, die 100% Xe enthielten, als Referenzlampen
verwendet und Lampen, die zusätzlich zu Xe eine gewünschte Menge Ne oder Ar
enthielten, als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt und
auf ihre Leuchtkraft über 1000 Stunden getestet.
Tabelle 1
Xe Druck (Torr) Ne Druck (1 Torr = 133,3 Pa) Ar fluoreszierendes Material 1000 h Leuchtkraft (%) Vergleichsbeispiel 1 mit Mangan aktiviertes Zinksilikat Beispiel 1 mit Mangan aktiviertes Bariumaluminat dreiwertiges mit Terbium aktiviertes Yttriumsilikat dreiwertiges mit Europium aktiviertes Yttriumgadoliniumborat
Tabelle 1
Xe Druck (Torr) Ne Druck (1 Torr = 133,3 Pa) Ar fluoreszierendes Material 1000 h Leuchtkraft (%) Vergleichsbeispiel 5 zweiwertiges mit Europium aktiviertes Magnesiumaluminat Beispiel 5 dreiwertiges mit Terbium aktiviertes Yttriumscandiumsilikat
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Nicht in Tabelle 1 angegeben ist, daß die Wirkung bei Lampen beobachtet
wurde, die die Infrarotstrahlung von Xe nutzen und bei denen ein
fluoreszierendes Material mit Umwandlung von infrarotem in sichtbares Licht verwendet
wird.
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Die in Tabelle 1 aufgeführten getesteten Lampen wurden eingeschaltet unter
denselben Zündbedingungen wie die oben erwähnte Ausführungsform, bei der mit
Edelgas von niedrigem Druck gefüllte Entladungslampen mittels eines
L-förmigen Inverters gezündet werden, beispielsweise eine Lampe mit einem
Röhrendurchmesser von 10 mm, einem Xe-Partialdruck von 66,6 Pa (0,5 Torr), einem
Ne-Partialdruck von 66,6 Pa (0,5 Torr) und einem Gesamtdruck von 133,3 Pa
(1,0 Torr); die Beziehung zwischen Frequenz und Leuchtdichte ist in fig. 5
dargestellt.
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Fig. 5 zeigt die Leuchtdichteänderung beim Wechsel der Frequenz von
Gleichstrom zu einer Hochfrequenz-Sinuswelle von 100 kHz, wobei eine Lampe
verwendet wurde, bei der die Leuchtdichte als Prozentsatz der Leuchtdichte bei
50 kHz dargestellt ist. Die durchgehende Linie stellt die Helligkeit bei
100 mA dar, die gestrichelte Linie die Helligkeit bei 500 mA. Die Tonfrequenz
beträgt etwa 15 kHz, so daß eine Frequenz von 15 kHz oder mehr wünschenswert
ist, jedoch ist die Leuchtdichte groß im Bereich von 30 kHz oder höher, und
die Leuchtdichte ändert sich nicht bei Änderung des Röhrenstroms, d. h. die
Leuchtdichte ändert sich bei einer Änderung der Speisespannung nicht, so daß
die Frequenz für Beleuchtungszwecke etwa 40 kHz betragen sollte.
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Für die vorliegende Erfindung kann als Elektrode (4) jede Elektrode verwendet
werden, die zumindest bei stabilen Entladungsbedingungen als Glühkathode
arbeitet, auch eine Kaltstartelektrode.
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Die Wirkung der Erfindung ist völlig unabhängig vom Vorhandensein einer
reflektierenden Schicht und vom Öffnungstyp.
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Die Erfindung stellt mit Edelgas gefüllte Leuchtstofflampen zur Verfügung,
die als Lichtquelle für Büroautomatisierungsgeräte geeignet sind, einen
Röhrendurchmesser von 16 mm oder weniger haben, zusätzlich zum Leuchtgas Xe
eines der Gase He, Ne, Ar, oder Kr enthalten, gebrauchsfreundlich sind und
nur eine niedrige Zündspannung benötigen, deren Leuchtdichte
temperaturunabhängig ist, die schnell zünden und die außerdem, wie oben beschrieben, nur
geringe Leuchtkrafteinbußen durch den kleinen Röhrendurchmesser aufweisen.