JP3586836B2

JP3586836B2 - 超小型紫外線発光管及びバックライト

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Publication number: JP3586836B2
Application number: JP2002193260A
Authority: JP
Inventors: 聡渡辺; 理平笠井; 浩一新井
Original assignee: 聡渡辺
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004039378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の水銀を使用する石英硝子製紫外線放電ランプよりも、遥かに超細管型、かつ超小型で、而も同等以上に発光効率がよく、従ってコストも安価であり、現在製造販売されている紫外線発生装置を大幅に改善できることはもとより、テレビ、パーソナルコンピュータの液晶用バックライトも特に改善されることにより、ディスプレイが画期的に鮮明に見やすく改善される等、極めて広範囲に応用が期待できる新規性大なる技術である。これらの大なるメリットに更に加えて、本発明技術は、無水銀の新技術でもあることから、使用済み放電管処理に公害問題の無い、次世代蛍光灯として期待でき、独創的、進歩性のある超小型紫外線発光管及びバックライトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外線を発光する装置及びバックライト装置は非常に多いが、いずれも構成上、発光効率あるいは放電管寿命、使用済み放電管の廃棄物処理において、いまだ多くの欠点ないし問題点を有する。第１の従来技術は特開平８−２７３６２０のようなもので、図３にその従来の代表的なバックライトの構造を示す。細管１７の内部に蛍光膜１８が塗布され、間隙１９にアルゴン，水銀，キセノンガス２０が封入される。内部に内電極２１があり、これを導出するために封じ部２２があり、この封じ部２２を保護するためにゴムブッシュ２３がある。これは冷陰極放電管であるので内電極２１もその近辺に陰極降下部があり、発熱する。キセノンを混在させて低温時の動作を改善するものである。
【０００３】
第２の従来技術は特開平９−２３７６０８のようなもので無電極放電ランプ、無電極放電灯、光処理装置、殺菌装置及び水処理装置である。電極が外部で寿命は長いと思われるが封入物質として水銀を必ず入れ、共にアルゴン，クリプトン，キセノン又はネオンのいずれかを封入する。用途は水処理用であり、太くて大きい構造である。
【０００４】
第３の従来技術は、特開平１１−２６５６８９のようなもので、誘電体バリヤ放電ランプ，誘電体バリヤ放電ランプ装置及び紫外線照射装置である。封入ガスはエキシマ用ガスとして、内部電極には通電加熱する構造であり、ハロゲンサイクルを利用したエキシマガスとの化学反応を考慮したものである。誘電体バリア放電の片方の電極を放電空間内部に入れた構造で、実施例では冷却構造が示され、外径も１２ｍｍと比較的大きい構造である。
【０００５】
第４の従来技術は特開平７−２８８１１３のようなもので誘電体バリア放電ランプである。これは封入ガスはキセノンと塩素ガスであるが、硝子を二重管構造にして電極を放電空間外部に配置してあるが、管の太さは２３．５ｍｍと太い。その構成は、ボルトで表した放電構造電圧をＶ、ｃｍで表した放電ギャップ長をｄ、キロパスカルで表したキセノンガスの圧力をｐとした時、（Ｖ／ｄ）／ｐの値が４０〜１００の範囲になるように構成する。また、該放電容器はＯＨ基濃度が１０ｐｐｍ以下の石英を使用する。また、塩素濃度が０．１％〜２％のガスを封入する。また、封入圧力が１３．３〜１３３キロパスカルになるようにガスを封入する。発明の効果としては、発光効率が高く、光出力が安定である長寿命の誘電体バリヤ放電ランプを提供できるというものである。
【０００６】
図４に前記公知文献に記載されたものとは異なる従来のバックライトを示す。このバックライトは前記の図３に示したバックライトと近似する構造のものからなるが、図示のように図３のものをＵ字型形状に曲げたものからなりコンパクトの構造にまさめられる。このバックライトは内電極２４が前記の図３に示したバックライトの内電極２１と異なるがその他の構造や間隙１９内に封入されるガスの種類は同一のものからなる。この内電極２４は図５に示す構造のものからなる。即ち、コイル状に巻回されたタングステン系の直径が０．１ｍｍの電極２５は薄膜の箔部２６（モリブデン箔）の一端部に白金箔２８を介して溶着される。また、箔部２６の他端にはリード線２７（モリブデン線）が溶着される。
【０００７】
図３及び図４に示したバックライトの場合は間隙１９内に水銀を封入しているため毒性があり、廃棄物処理ができない。また、低温動作が不可であり、用途が限定される。また、内電極２１，２４に連結されるステムの部分の寸法が長くなり、かつ溶着を必要とし製作コストがかかると共に折れ易い欠点を有している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記各種の従来技術には、次に述べるような、多くの問題点、欠陥が存在する。第一の従来技術では不活性ガスと水銀を主封入ガスとしており、水銀が大体に毒性があり、放電管が廃棄物となったときに処理がしにくい。日本国内でも水銀の廃棄物処理は全国で数ヶ所にとどまっている。また、これは冷陰極放電管であるので、超細管型が普及しているが、管内部に蛍光体が塗布され高価な蛍光体の再利用ができにくいという欠点がある。
【０００９】
次に、第２の従来技術は外部電極であるから、これも装置が大型になるという欠点があり、また、放電空間への電力注入に効率が悪いという欠点もある。更に、水銀が使用されているため、使用済み放電管の処理が非常に困難であり、現在でもこの最終処分場は、日本全体で数ヶ所しかないから、廃棄物については、大問題である。
【００１０】
また、第３の従来技術では、基本は放電体バリア放電であり、前記と同様、放電管内への電気エネルギーの注入に高電圧が必要である。ハロゲンと電極の化学反応を利用して長寿命化しており（ハロゲンサイクルと称する）、そのため熱陰極の構造であり高温に発熱する。発熱すれば、熱遮断が必要となり、装置を小型化できないという欠点がある。
【００１１】
更に、第４の従来技術では、誘電体バリア放電であり、硝子を二重構造にしているから、比較的大きい装置に適している。従って小型化はできないという欠点がある。また、蛍光体を塗布する必要のあるバックライトの目的に関して欠点がある。
【００１２】
本発明は、前記多くの従来技術の問題点、諸欠点を除去して、従来に比し、発光効率を向上させ、放電管寿命はアルゴン、水銀型冷陰極バックライトと比較しても遜色無く、使用済み放電管の処理に問題をのこさない超小型、超細管構造を持つ超小型紫外線発光管及びバックライトを提供することを目的課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、次の手段を創始して諸問題を解決した。即ちその第１の特徴は不活性ガスとハロゲンガスを充填した石英硝子製放電容器と、放電容器内の電極とからなる放電ランプにおいて、放電容器を陽光柱放電空間と各電極部放電空間を隔て電流の流出入源となる出入り口を陽光柱放電空間内に突き出した構造を持つことを特徴とする紫外線発光管及びバックライトであることである。また、第２の特徴は前記紫外線発光管及びバックライトにおいて、電極材料がタングステン又はモリブデン又はニッケルにより、コイル巻きで作られた円錐状であり、これに溶接又は圧着で接続された材料がモリブデンであり、電極との圧着部が線状で石英硝子との封じ部が１０〜１５ミクロン厚に圧延された箔状であり、線状部と箔部分が一体で構成されていることを特徴とする電極及び導出線構造を持つ物であることである。
【００１４】
前記、本発明の構造を解決する手段について、更に説明する。本発明の主たる目的は従来のバックライトや殺菌灯など紫外線発光管はＡｒ・Ｈｇガス封入型が一般的であり、比較して高効率であるハロゲンガスを用いた誘電体バリヤ放電管やエキシマ放電管が大型のため使用出来ない。また、水銀を用いているため、使用済み製品の廃棄物処理の難しさから、水銀を使用しない他の方式が望まれる。本発明は電極側に電極部放電空間を設けて、その中で限定的にタングステンやモリブデンとハロゲンガスとの化学反応を利用する。即ち、ハロゲンサイクルを利用し、陽光柱放電用空間には化学反応物質が入り込みにくい構造としたものである。化学反応物質は黒色不透明であり発光する紫外線の取り出しに支障があるため化学反応させる空間と紫外線を取り出す空間とを隔離したことでバックライトのように超細管、超小型を要求する応用製品にハロゲンガスを採用したエキシマ放電管の採用を可能にした。
【００１５】
更に、課題の解決手段の原理を示す。放電動作時は電極部は高温に発熱し、即ち実施例では１２０℃で陽光柱放電空間は温度が低く、同じく実施例では８０℃である。電極部のガスは膨張し電極部放電空間から、陽光柱放電空間に放出される。電極部放電空間内のハロゲンガスは電極材と化学反応するが、即ち封入するＳＦ_６、Ｂｒ_２、Ｃｌ_２などと、タングステン電極に対してはＷＦ_６が融点２．５℃沸点１９．５℃であり、モリブデン電極に対してはＭｏＦ_５が融点１７．５℃、沸点３５℃が電極部放電空間内でガス状であり、ハロゲンサイクルが動作する。他の沸点が１２０℃以上の反応化学物質は、例えば、ＷＢｒ_５は融点が２７６℃で沸点は３３３℃であるので電極部放電空間内の壁に付着する。化学反応物質は陽光柱放電空間内に向かって突出したノズル構造が障害となって、陽光柱放電空間内には入れないため、この放電空間を黒色部で汚すことは無く、紫外線の出力の低下を防ぐ。電極材がニッケルの場合はハロゲンガスと反応しにくくハロゲンサイクルが利用できないが、一方でハロゲンガスの消耗がすくない。しかしニッケルは融点がタングステン（３３８７℃）、モリブデン（２６２３℃）に比較して１４００℃と著しく低く、スパッタリングの蒸発もしやすい。ニッケル電極の場合、ここでもスパッタリング物質は前記と同様に陽光柱放電空間に入れず紫外線出力の低下を防ぐ。
【００１６】
更に深くその原理を説明する。消灯時には温度が下がって、陽光柱放電空間内の構成ガスも電極部放電空間に逆流する機会が生まれるが、出入り口が陽光柱電空間内に向かって突出したノズル構造になっているため、封入したエキシマガスの構成成分のうちヘリウムのような分子の小さいガスが電極部放電空間内に先に入り両方の空間が圧力平行に達し、ＳＦ_６やＢｒ_２、Ｃｌ_２のような分子の大きいハロゲンガスは電極部放電空間に入ることができない。この時、ノズルの孔は封入ガスの平均自由行程の数倍以下、即ち実施例では０．５ｍｍ以下にしておく。
【００１７】
本発明の課題を解決する手段について、更に説明する。バックライトは封じ部の無発光部分を短くする必要がある。本発明は電極部放電空間がこの無発光部分を増してしまう欠点がある。この課題を解決するため、従来、石英硝子と導入線の封じは内部電極取り付け部とモリブデン箔と外部接続部とを個別に溶接接続して、約１５ｍｍ程度の封じ距離が必要であった。１５ミクロンのモリブデン箔を用いてピンチシールする技術は必須であるが、箔と溶接部に応力が極端に集中し、溶接部を石英硝子で補強せざるを得なく、封じ距離が必要な要因となっている。本発明は内部電極取り付け部、箔部及び外部導出部を直径７５ミクロンのモリブデン線の途中を鎚打ち、圧延、焼き鈍し更に研磨して一体化した。こうすることで７５ミクロンのモリブデン線から１５ミクロン厚モリブデン箔に移行する課程をなめらかにすることが出来て、折れ破損を無くせた。従って石英硝子による固定距離を短く出来て良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。石英硝子容器は真空紫外線を含む紫外線透過の石英硝子管を用い、外形は４ｍｍ以下、それら形状、長さは任意であるけれども、形状はＵ字型、Ｌ字型、円形などからなり、長さは２０乃至２００ｍｍ以上と広い範囲に設定することができる。ノズルは最初に石英硝子管を引き延ばし絞り、孔径０．５ｍｍのところで切断して陽光柱放電空間を作る硝子管の内側に接続する。ノズル管即ち電極部放電空間を作る側に電極を入れて封じ加工をする。もう一方のノズル管側も同様である。電極はタングステン、モリブデン、ニッケルのいずれか目的紫外線の封入ガスの種類に対応して選択される。電極の形状はホローカソードになるようコイル巻の円錐状である。電極部からノズルまでの距離は電子が空間電荷を構成する位置、即ち放電が両極性拡散による発光に移る寸前にする。つまり、電極部先端から数ｍｍのところに置く。本発明はホローカソードを用いているので、７ｍｍとした。電極にニッケルを使用する場合は、石英硝子の加工温度が高いため加工部からニッケルまでの距離を取り１３ｍｍとした。封入するハロゲンを含むガス種は蛍光体を刺激して発光させることができ、目的とする紫外線を発光させる封入ガス構成である。波長１９３ｎｍにはＡｒＦ、１７５ｎｍにはＡｒＣｌ、１６１ｎｍにはＫｒＢｒ、２４８ｎｍにはＫｒＦ、２２２ｎｍにはＫｒＣｌ、２０８ｎｍにはＫｒＢｒ、３５／ｎｍにはＸｅＦ、３０８ｎｍにはＸｅＣｌ、２８２ｎｍにはＸｅＢｒなどを含む、あるいは放電管内で放電により製造できるガス構成で放電を低電圧で容易に起こさせることのできるキャリアガス、即ちＨＣｌ、Ｈ_２、ＳＦ_６、Ｂｒ_２、Ｃｌ_２、ＣＨ_３Ｂｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどを目的発光波長にあわせて混合選択したものを封入する。
【００１９】
次に、蛍光体は管外部に塗布される。結果として高価な蛍光体の再使用を可能として、本発明の紫外線発光管及びバックライトは石英硝子、電極も含め、封入ガスを除いて全部再利用でき自然環境保護に沿った発明である。また、ハロゲンガスとの化学反応がないため、ハロゲンガスの消耗がない。紫外線に対して可視光に変換するよい蛍光体と光透過を防げない粘着液が必要である。蛍光体はデイスプレイ用として、赤緑青の三原色を用いる。具体的には次の材料である。
赤：イットリウムガドリニウムポレートのユーロピウム付活
緑：ケイ酸亜鉛のマンガン付活
青：バリウムマグネシウメアルミネートのユーロピウム付活
粘着液には無機系の物が使用できる。蛍光体塗布後焼成した後に残る結着剤がＳｌＯ_２であるような粘着液例えばトウペ製ポーセリンＮｏ２００が使用できる。実施の形態について更に説明する。バックライトは液晶デイスプレイの導光板周囲から、あるいは背面から均一に有効に光を導入させる目的でＬ字形、コ字形などに折り曲げて使用する場合がある。本発明はこの形状加工が済んだ後に蛍光体塗布を行うので蛍光体の再利用が容易である。
【００２０】
（実施例１）
図１（ａ），（ｂ）に本発明の超小型紫外線発光管及びバックライト（以下、発光管という）の実施例を示す。この発光管１は図示のようにＵ字型に曲げられたものからなる。
【００２１】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、この発光管１は、Ｕ字型に曲げられた石英硝子製放電管２とその内端部に配設される電極部３，３からなる。石英硝子製放電管２は一端部に絞り閉止部１０（ガス封入後に閉止されたもの）を形成すると共にその内部に比較的広い容積の陽光柱放電空間４に形成する。また、これに連通する電極部放電空間５を形成する。なお、電極部放電空間５は石英硝子製放電管２と一体的に形成されるノズル部６により陽光柱放電空間４と小孔（例えば、０．５ｍｍ）のノズル孔７を介して陽光柱放電空間４側と連通する。また、図１に示すように、Ｕ字型に曲げられた石英硝子製放電管２の曲げ端側は一体的に融着され、その曲げ端側には封じ部８が一体的に形成される。なお、融着しない部分には空隙９が開口形成される。また、封じ部８の長さは例えば、１５ｍｍ程度のものからなり、以下に説明する電極部３の箔部１５を完全に封じ込める寸法のものからなる。
【００２２】
石英硝子製放電管２の陽光柱放電空間４や電極部放電空間５内には不活性ガスとハロゲンガスを含む無水銀のガス１１が充填される。また、石英硝子製放電管２の外面には発光物質１２が塗布される。
【００２３】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、電極部３はコイル状に拡径して巻回される電極１３と、この電極１３が圧着される線状部１４と、線状部１４と一体的に連結される箔部１５と、箔部１５に一体的に連結されるリード線１６からなる。本実施例では電極１３は直径０．１ｍｍのタングステン，モリブデン又はニッケル線をコイル状に巻回したものからなる。また、線状部１４は直径約７５ミクロン程度の線状体からなり、箔部１５は厚み１０乃至１５ミクロン程度のモリブデン箔からなり線状部１４に円滑に一体的に連結される。また、箔部１５の長さは５ｍｍ以下のものからなり、前記の封じ部８内に封じ込み可能な寸法からなる。また、リード線１６は本実施例では７５ミクロン程度のモリブデン線からなる。
【００２４】
図２（ｃ），（ｄ）は前記の電極部３と異なる形状の電極部３ａを示す。このものは線状部１４ａの部分と線状部１４ａに圧着される電極１３ａの構造については図２（ａ），（ｂ）のものと同様であるが、箔部１５ａとリード線１６ａとが別体のものからなる。この場合、リード線１６はモリブデン線からなり、箔部１５ａに溶着される。
【００２５】
（実施例２）
図１（ｃ）は前記の発光管１と形状の異なる発光管１ａを示す。このものはストレートな石英硝子製放電管２ａと、その両端に設けた電極部３ａ，３ａからなる。なお、各構成要素については図１（ａ），（ｂ）のものとほぼ同一のものからなり重複説明を省略する。即ち、陽光柱放電空間４ａや電極部放電空間５ａやノズル孔７等が形成され、内部には不活性ガスとハロゲンガスを含む無水銀のガス１１が充填される。
【００２６】
以上の構造の電極部３，３ａに高周波の電界を加えることにより、陽光柱放電が発生し紫外線を発生することになる。なお、本実施例では石英硝子製放電管２，２ａは外径約４ｍｍ程度の管をＵ字型に曲げたものとストレートにしたものからなり、全長は２０ｍｍ乃至２００ｍｍ程度の超小型のものであるが、Ｕ字型に限らずＬ字型、円形状やその他のものでもよい。
【００２７】
【発明の効果】
１）本発明によれば、従来、超小型紫外線発光管やバックライトの分野に使用されていなかったエキシマ放電管を極小な電極部放電空間と陽光柱放電空間を隔離する事を独創したので、エキシマ放電管の寿命が格段に長くなり、動作温度が下がり、高効率なエキシマ放電管が超小型になり、これにより小型のオゾン発生器や紫外線装置が可能となりデイスプレイ使用機器の明るさが画期的に大となり、大きな効果を得る事ができる。
２）水銀にかわるエキシマガスを超小型紫外線発光管に採用可能にしたことで、使用済み管の処理が容易であり、高価な蛍光体も再使用を可能として、本発明の紫外線発光管及びバックライトは石英硝子、電極も含め、封入ガスを除いて全部再利用でき自然環境保護に沿った発明である。
３）本発明は、将来、現在照明用として一般的である水銀使用の蛍光灯に変わる可能性を証明したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光管の全体構造を示す平面断面図（ａ）、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視の正面図、（ｃ）はストレートタイプの発光管の平面断面図。
【図２】本発明の発光管の電極部の電極の詳細構造を示す平面図（ａ），（ｃ）、（ｂ）は（ｃ）のＢ矢視側面図、（ｄ）は（ａ）のＣ矢視の側面図。
【図３】従来のストレートのバックライトの全体構造を示す平面断面図。
【図４】従来のＵ字型状のバックライトの全体構造を示す平面断面図。
【図５】従来のバックライトに使用されている電極部を示す側面図。
【符号の説明】
１超小型紫外線発光管及びバックライト（発光管）
１ａ超小型紫外線発光管及びバックライト（発光管）
２石英硝子製放電管
２ａ石英硝子製放電管
３電極部
３ａ電極部
４陽光柱放電空間
４ａ陽光柱放電空間
５電極部放電空間
５ａ電極部放電空間
６ノズル部
７ノズル孔
８封じ部
９空隙
１０絞り閉止部
１１無水銀のガス
１２発光物質
１３電極
１４線状部
１５箔部
１６リード線

Claims

不活性ガスとハロゲンガスを含み無水銀のガスを充填した石英硝子製放電容器と、該放電容器内の電極とからなる放電ランプであって、前記放電容器が陽光柱放電空間を形成し、該陽光柱放電空間内の両端に小型で有孔尖頭部を有する電極部放電空間を内方向に突出して設け、該電極部放電空間の先端部は電流出入源となるノズルを構成し、放電に伴う無水銀ハロゲンサイクルの化学物質の大部分は前記電極部放電空間内に止まり、電子及びガスが該ノズルを通過して陽光柱放電空間内に出入することにより、紫外線を高能率で発生することを特徴とする超小型紫外線発光管及びバックライト。
前記電極部放電空間内の電極が、タングステン又はモリブデン又はニッケル線のコイル巻の円錐状であり、これに溶接又は圧着で接続された材料がモリブデンであり電極との圧着部が線状で、石英硝子との封じ部の厚さが１０〜１５μｍに圧延された箔状であり、線状部と箔状部分が一体で構成されている請求項１に記載の超小型紫外線発光管及びバックライト。
前記放電容器は、その外側に発光物質を塗布したものである請求項１又は２に記載の超小型紫外線発光管及びバックライト。