JP2005209382A - 放電灯および放電灯用電極 - Google Patents

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Abstract

【課題】 冷陰極型放電灯の発光効率を向上させ長寿命化を図る。
【解決手段】 放電灯１はガラス管２の両端に有底形状のカップ４を有する電極３を備える。カップ４はガラス管２の端部に挿入保持される導入線８と接続される。またカップ４の開口端部４ａには、カップ４の端面を覆う衝突防止リング５を備える。また、カップ４の内側の底部には、電子放出物質としてバリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）からなる３元金属酸化物を含浸させた多孔質のタングステンディスク６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は冷陰極型の放電灯および放電灯用電極に関する。詳しくは、電子放出物質を含む電子放出部材をカップの内部に備えることで、発光効率を向上させ、高輝度化を図るものである。
従来より、光源用として蛍光体を利用した放電灯が用いられている。放電灯の中で冷陰極型の放電灯は、ガラス管の管径を細くできることから、液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる。
冷陰極型の放電灯は、ガラス管の両端に電極を備え、ガラス管内の空間にアルゴン等の希ガスと水銀が封入されるとともに、ガラス管の内面に蛍光体が塗布された構成である（例えば、特許文献１参照。）。
図４は冷陰極型の従来の放電灯の構成例を示す要部断面図である。放電灯５１はガラス管５２の両端に電極５３を備える。ガラス管５２の内部の空間にはアルゴン等の希ガスと水銀が封入されるとともに、ガラス管５２の内面の所定の範囲に蛍光体５２ａが塗布される。
電極５３はカップ５４を備える。カップ５４は先端が開口した有底形状で、ガラス管５２の端部に挿入保持されている１本の導入線５５の先端に取り付けられる。
冷陰極型の放電灯５１の発光原理を説明すると、両電極５３の間に高周波で電圧を印加すると、グロー放電が発生しカップ５４から電子が放出される。カップ５４から放出され加速された電子は水銀原子に衝突し、水銀原子を励起する。励起された水銀原子は紫外線を放出する。この紫外線が蛍光体５２ａによって可視光に変換され、放電灯５１は発光する。
特開平１０−２３３１８８号公報
従来の冷陰極型の放電灯では、動作時における陰極降下電圧が大きいという問題がある。すなわち、電極自体で消費され発光に寄与しない消費電力が大きく、消費電力に対して発光効率が低いという問題がある。
また、放電中に生じたイオンが電極に衝突しカップを消耗させるいわゆるイオンスパッタリングが顕著に生じるという問題がある。カップが消耗していくと十分な量の電子を放出できず、輝度が低下する。よって、電極の寿命が短くなるという問題があった。そして、このように電極の寿命が短いと、結果として放電灯の寿命が短くなるという問題があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、発光効率が高く高輝度化を図れる放電灯および放電灯用電極を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明に係る放電灯は、発光物質を含むガスが封入され内面に蛍光体が塗布されたガラス管の両端に電極を備えた放電灯において、電極は、先端が開口した有底形状のカップの内部に、電子放出物質を含む電子放出部材を備えたものである。
本発明に係る放電灯によれば、両電極間に高周波で電圧を印加することでグロー放電が発生する。グロー放電によって電子放出部材が加熱され、電子放出物質が電子を放出する。例えば多孔質の電子放出部材に電子放出物質を含浸させれば、大量の電子放出物質を含浸することができ、電子を放出しやすい状態となる。これにより、電圧降下特性が改善される。
加速された電子は発光物質に衝突して発光物質を励起させ、例えば紫外線を放出させる。そして、この紫外線が蛍光体に衝突して可視光に変換され、放電灯が発光する。
なお、放電中に生じたイオンは電極に衝突し、カップを消耗させる要因となるが、カップの開口端部に衝突防止部材を備えることで、カップへのイオンの衝突を防ぎ、カップの消耗を抑える。
また、電子放出部材をカップの底部に取り付けることで、電子放出部材へのイオンの衝突を防ぎ、電子放出物質の飛散を抑える。
本発明に係る放電灯用電極は、発光物質を含むガスが封入され内面に蛍光体が塗布されたガラス管の両端に備えた放電灯用電極において、先端が開口した有底形状のカップの内部に、電子放出物質を含む電子放出部材を備えたものである。
本発明に係る放電灯用電極によれば、ガラス管の両端部に取り付けられ、両電極間に高周波で電圧が印加されることでグロー放電が発生する。グロー放電によって電子放出部材が加熱され、電子放出物質が電子を放出する。例えば多孔質の電子放出部材に電子放出物質を含浸させれば、大量の電子放出物質を含浸することができ、電子を放出しやすい状態となる。
本発明に係る放電灯用電極では、カップの内部に電子放出物質を含む電子放出部材を備えたことで電子を放出しやすい構成となり、電子の放出に必要な温度を下げることができる。このような電極を備えた放電灯では、動作中に電極に印加する電圧を下げることができ、陰極降下電圧を小さくすることができる。従って、消費電力に対する発光効率を向上させることできる。また、電子の放出が増加するので、高輝度化を図ることができる。
更に、カップの開口端部に衝突防止部材を備えることで、カップへのイオンの衝突を防ぎ、カップの消耗を抑えることができる。これにより、電極の長寿命化を図り、結果として放電灯の長寿命化を図ることができる。
また、電流値を上げるとイオンスパッタリングがより顕著になるが、衝突防止部材を備えることで、高電流でもカップの消耗を抑えることができる。従って、冷陰極型の放電灯であっても、高電流を流すことで高輝度化を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の放電灯および放電灯用電極の実施の形態について説明する。
１．放電灯および電極の構成
図１は本実施の形態の放電灯の構成例を示す断面図、図２は本実施の形態の放電灯用電極の構成例を示す斜視図である。ここで、図１（ａ）は放電灯の端部を管軸に沿った面で切断した要部断面図、図１（ｂ）は放電灯の全体断面図である。また、図２は電極を先端側から見た斜視図である。
本実施の形態の放電灯１は冷陰極型の放電灯で、棒状で細径のガラス管２の両端に電極３を備える。ガラス管２の内面には所定の範囲で蛍光体２ａが塗布される。また、ガラス管２の内部にはアルゴン（Ａｒ）あるいはネオン（Ｎｅ）等の希ガスと発光物質である水銀（Ｈｇ）が封入される。
電極３はカップ４を備える。カップ４はニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）等で構成され、先端側が開口した有底の円筒形状である。カップ４の開口端部４ａには衝突防止リング５が取り付けられる。衝突防止リング５は衝突防止部材の一例で、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ2）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の金属酸化物で構成されるセラミックリングである。
衝突防止リング５はカップ４の開口端部４ａの端面を覆うフランジ部５ａと開口端部４ａに嵌るスリーブ部５ｂから構成される。フランジ部５ａは開口端部４ａの端面全体を覆うため、カップ４の外径より若干大きな外径を有する。また、スリーブ部５ｂはカップ４の内径とほぼ同じ外径を有する。
そして、スリーブ部５ｂをカップ４の開口端部４ａに挿入し、例えば開口端部４ａに沿ってレーザを照射して熱で開口端部４ａを部分的に変形させることで開口端部４ａでスリーブ部５ｂをかしめて、衝突防止リング５がカップ４に固定され、カップ４の先端が衝突防止リング５のフランジ部５ａで覆われる。なお、衝突防止リング５はリング状であるので、内周側は開口している。
また、電極３はタングステンディスク６を備える。タングステンディスク６は電子放出部材の一例で、タングステン（Ｗ）で構成した多孔質の円板状の部材に、電子放出物質としてバリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）からなる３元金属酸化物である（４ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ2ＣＯ3）を含浸させて構成される。なお、電子放出物質としてはＣａＯを含まない二元のバリウム酸化物でも良い。
なお、電子放出部材はモリブデンなどのレアメタル、酸化イリジウム（ＩｒＯx）等、仕事関数を低下させることができる金属あるいは合金で構成されるものでもよい。また、電子放出物質はストロンチウム（Ｓｒ）を含んでも良い。
タングステンディスク６はキャップ７に取り付けられてカップ４に取り付けられる。キャップ７は例えばニッケルで構成され、カップ４の内径とほぼ同じ外径を有する円板で、カップ４に挿入されて、カップ４の底部に溶接により固定される。これにより、タングステンディスク６はカップ４の底部に固定される。なお、電子放出部材を円筒状の形状として、カップ４の内部に取り付ける構成としてもよい。
電極３はガラス管２の端部に挿入保持される一本の導入線８に取り付けられる。導入線８はガラス管２の内側に突出するインナーリード８ａとガラス管２の外部に突出するアウターリード８ｂから構成され、インナーリード８ａの先端にカップ４の底面が溶接により固定される。なお、導入線８はインナーリード８ａが例えばコバール（Ｋｏｖ）で構成され、アウターリード８ｂが例えばニッケルで構成される。
なお、上述したガラス管２の内面の蛍光体２ａの塗布範囲は、電極３のカップ４の先端より若干外側となる位置までとする。この蛍光体２ａが塗布された範囲が放電灯１の発光部分となる。
２．放電灯の動作
次に、本実施の形態の放電灯１の動作について説明する。両電極３の間に高周波で例えば１．５ｋＶ程度の電圧を印加する。これによりグロー放電が発生し、タングステンディスク６が加熱されて、含浸している電子放出物質から電子が放出される。なお、グロー放電が発生した後は、両電極３の間に例えば８５０Ｖ程度の電圧を印加するような制御を行う。
タングステンディスク６から放出され加速された電子は水銀原子に衝突し、水銀原子を励起する。励起された水銀原子は紫外線を放出する。この紫外線が蛍光体２ａによって可視光に変換され、放電灯１は発光する。
さて、カップ４の内部に電子放出物質を含浸させた多孔質のタングステンディスク６を備えたことで、電子を放出しやすい構成となっている。よって、電子を放出するために必要な温度を低下させることができる。
従って、電極３に印加する電圧を下げることができる。例えば、従来構成ではグロー放電開始後に１ｋＶ程度の電圧を印加していたが、本例の構成では印加する電圧を例えば８５０Ｖ程度に下げることができる。これにより、陰極降下電圧が小さくなり、消費電力に対する発光効率が向上する。
また、タングステンディスク６を備えることで電子の放出が増加し、高輝度化を図ることができる。
更に、放電中に生じたイオンは電極３に衝突し、カップ４を消耗させる要因となるが、カップ４の開口端部４ａに衝突防止リング５を備えたことで、イオンのカップ４への衝突が防止され、カップ４の消耗が抑えられる。 これにより、電極３は長期間にわたり電子を放出できることから、電極３の寿命を延ばすことができ、放電灯１の長寿命化を図ることができる。
なお、電流値を上げると輝度が向上するが、イオンスパッタリングがより顕著になるので、従来構造の電極ではカップの消耗が早く、寿命が著しく短くなるので、電流値を上げて輝度を向上させることができなかった。これに対して、本実施の形態の放電灯１では、カップ４の開口端部４ａに衝突防止リング５を備えることで、高電流でもカップの消耗を抑えることができる。従って、長寿命化を図りつつ、高電流を流すことで高輝度化を図ることができる。
放電灯１の高輝度化を図ることで、例えば液晶ディスプレイの直下型バックライトとして使用する場合は、画面全体で必要とされる輝度を得るために必要な放電灯の本数を減らすことができる。
また、カップ４の底部に電子放出物質を含浸させたタングステンディスク６を備えたことで、タングステンディスク６へのイオンの衝突が防止され、電子放出物質の飛散が抑えられる。
図３は本実施の形態の放電灯１と従来の放電灯の寿命を比較したグラフである。図７に示す従来構造の放電灯は、イオンスパッタリングによる電極の消耗等で６００００時間程度で使用開始当初の輝度の５０％まで輝度が低下する。
これに対して、図１および図２で説明した本実施の形態の放電灯１では、イオンスパッタリングによる電極３の消耗が抑えられ、電子が放出されやすい構成であることから、８００００時間を超えても相対輝度が５０％以上ある。このため、放電灯１の寿命は電極３の寿命ではなく、ガラス管２に塗布されている蛍光体２ａの寿命によって決まる。
本発明は、発光効率が高く長寿命な放電灯であることから、照明器具のみならず、液晶ディスプレイ等のバックライトに適用して、液晶ディスプレイの長寿命化や省電力化を図ることができる。
本実施の形態の放電灯の構成例を示す要部断面図である。 本実施の形態の放電灯用電極の構成例を示す斜視図である。 本実施の形態の放電灯と従来の放電灯の寿命を比較したグラフである。 冷陰極型の従来の放電灯の構成例を示す要部断面図である。
符号の説明
１・・・放電灯、２・・・ガラス管、２ａ・・・蛍光面、３・・・電極、４・・・カップ、４ａ・・・開口端部、５・・・衝突防止リング、５ａ・・・フランジ部、５ｂ・・・スリーブ部、６・・・タングステンディスク、７・・・キャップ、８・・・導入線、８ａ・・・インナーリード、８ｂ・・・アウターリード

Claims (14)

  1. 発光物質を含むガスが封入され内面に蛍光体が塗布されたガラス管の両端に電極を備えた放電灯において、
    前記電極は、
    先端が開口した有底形状のカップの内部に、電子放出物質を含む電子放出部材を備えた
    ことを特徴とする放電灯。
  2. 前記電極は、前記カップの開口端部に衝突防止部材を備えた
    ことを特徴とする請求項１記載の放電灯。
  3. 前記電子放出部材は、多孔質のタングステン、モリブデン、酸化イリジウムのいずれかで構成される
    ことを特徴とする請求項１記載の放電灯。
  4. 前記電子放出物質は、バリウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウムの何れかを組み合わせた酸化物で構成される
    ことを特徴とする請求項１記載の放電灯。
  5. 前記電子放出部材は前記カップの底部に取り付けられる
    ことを特徴とする請求項１記載の放電灯。
  6. 前記衝突防止部材は、前記カップの開口に嵌められ開口端部を覆うリング形状を有する
    ことを特徴とする請求項２記載の放電灯。
  7. 前記衝突防止部材は、金属酸化物で構成される
    ことを特徴とする請求項２記載の放電灯。
  8. 発光物質を含むガスが封入され内面に蛍光体が塗布されたガラス管の両端に備えた放電灯用電極において、
    先端が開口した有底形状のカップの内部に、電子放出物質を含む電子放出部材を備えた
    ことを特徴とする放電灯用電極。
  9. 前記カップの開口端部に衝突防止部材を備えた
    ことを特徴とする請求項８記載の放電灯用電極。
  10. 前記電子放出部材は、多孔質のタングステン、モリブデン、酸化イリジウムのいずれかで構成される
    ことを特徴とする請求項８記載の放電灯用電極。
  11. 前記電子放出物質は、バリウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウムの何れかを組み合わせた酸化物で構成される
    ことを特徴とする請求項８記載の放電灯用電極。
  12. 前記電子放出部材は前記カップの底部に取り付けられる
    ことを特徴とする請求項８記載の放電灯用電極。
  13. 前記衝突防止部材は、前記カップの開口に嵌められ開口端部を覆うリング形状を有する
    ことを特徴とする請求項９記載の放電灯用電極。
  14. 前記衝突防止部材は、金属酸化物で構成される
    ことを特徴とする請求項９記載の放電灯用電極。
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