JP4041159B2 - 誘電体バリア型放電ランプ、バックライト装置、及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア型放電ランプに関し、特にランプ効率を向上させるランプ構造に関する。

近年、液晶表示装置のバックライト装置等に使用されるランプとして、放電媒体として水銀を用いるランプ（有水銀ランプ）の研究に加え、放電媒体として水銀を用いないランプ（無水銀ランプ）の研究が盛んに行われている。無水銀ランプは、温度の時間変化に伴う発光強度の変動が少ない点と、環境上の観点から好ましい。無水銀ランプとしては、希ガスが封入されたバルブの管壁を介して放電させる「誘電体バリア型」が主流である。

一方、液晶表示装置では高輝度化が求められており、液晶表示装置に使用されるバックライト装置も高輝度化が強く求められている。

誘電体バリア型放電ランプにおいて高輝度化（高照度化）を目的とした技術として特許文献１がある。図１６に特許文献１で開示されている希ガス蛍光ランプ１の概略断面図を示す。希ガス蛍光ランプ１はガラスバルブ２に外部電極４と内部電極５を備える。内部電極５上には誘電体層８が設けられ、その上に蛍光体層６が設けられている。特許文献１では、希ガス放電ランプ１のランプ照度は、内部電極５の面積よりも外部電極４の面積を大きくすることによって大きくなるとされている。加えて、静電容量に着目すると、内部電極５と放電空間との間で形成される静電容量が、外部電極４と放電空間との間で形成される静電容量より小さい場合には、さらにランプ照度が大きくなるとされている。

特開２００２−２０８３７９号公報（段落［００２１］〜［００２４］，図６）

しかしながら、ランプからの出力光束をランプへの投入電力で除した値である「ランプ効率（ｌｍ／Ｗ）」に着目して本発明者が鋭意研究したところ、特許文献１に教示されているような「内部電極５と放電空間との静電容量」と「外部電極５と放電空間との静電容量」との大小関係はランプ効率とは関連性がないことが分かった。

本発明は、かかる新たな知見に基づいてなされたものであり、ランプ効率の高い誘電体バリア型放電ランプ、及びそれを用いたバックライト装置と液晶表示装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、誘電体バリア型放電ランプにおいて、一対の電極間におけるバルブの内表面積当たりのランプ容量がある値よりも小さい場合に、ランプからの出力光束をランプへの投入電力で除した値であるランプ効率が大幅に向上することを新たに見出した。

具体的には、本発明の第１の態様は、希ガスを含む放電媒体が封入されたバルブと、前記バルブに配置された第１及び第２の電極とを備え、前記第１及び第２の電極間における前記バルブの内表面積当たりのランプ容量が２．８ｎＦ／ｍ^２未満である、誘電体バリア型放電ランプを提供する。前記バルブの内表面積当たりのランプ容量を２．８ｎＦ／ｍ^２未満に設定することにより、ランプ効率が大幅に向上する。

前記バルブの内表面積当たりのランプ容量を２．４ｎＦ／ｍ^２未満に設定することがより好ましい。

具体的には、前記第１の電極が前記バルブの内部に配置され、前記第２の電極が前記バルブの外部に配置される。前記第２の電極は、前記バルブと離隔して配置して配置することが好ましい。

前記バルブの内表面積当たりのランプ容量は、誘電体バリア型放電ランプの物理的な構成、すなわち、バルブの管壁等の容量（誘電率及び厚み）と、第２の電極とバルブ間の空隙距離で決まる。バルブの管壁等の容量は、誘電率の変更には材料の変更が必要である点で、空気よりも誘電率が低い材料は現在知られていない点等からして、所望の値に調節するのは必ずしも容易ではない。従って、第２の電極とバルブ間の空隙距離を調節することで、バルブの内表面積当たりのランプ容量を調節することが好ましい。

また、本願発明者は、前述のように物理的な構成で決まるランプ容量に加えて、ランプに印加される電圧も加味することにより、一対の電極間におけるバルブの内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量がある値よりも小さい場合に、ランプ効率が大幅に向上することを新たに見出した。

具体的には、本発明の第２の態様は、希ガスを含む放電媒体が封入されたバルブと、前記バルブに配置された第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極間に交流電圧を印加し、誘電体バリア放電を繰り返し発生させて前記希ガスをプラズマ化して発光させる点灯回路とを備え、前記第１及び第２の電極間における、前記バルブの内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量が２９．０μＣ／ｍ^２未満である、誘電体バリア型放電ランプを提供する。

さらに具体的には、前記点灯回路から前記第１及び第２の電極間に印加される電圧は、ピーク・ツー・ピーク値で１．２５ｋＶ以上３．２ｋＶ以下である。

また、前記第１の電極が前記バルブの内部に配置され、前記第２の電極が前記バルブの外部に配置される。前記第２の電極は、前記バルブと離隔して配置して配置することが好ましい。

本発明の第１の態様の誘電体バリア型放電ランプでは、バルブの内表面積当たりのランプ容量を２．８ｎＦ／ｍ^２未満に設定することによりランプ効率を大幅に向上することができる。また、本発明の第２の態様の誘電体バリア型放電ランプでは、バルブの内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量を２９．０μＣ／ｍ^２未満に設定することにより、ランプ効率を大幅に向上することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに本発明の実施形態にかかる誘電体バリア型放電ランプ装置１００を示す。後に詳述するように、本発明は誘電体バリア型放電ランプにおいて、一対の電極間における静電容量であるランプ容量（バルブの内表面の単位面積当たり）を適切な値に設定することにより、ランプ効率を大幅に向上するものである。また、本発明は、物理的な構成で決まるランプ容量に加えて、ランプに印加される電圧も加味し、電極間におけるバルブの内表面の単位面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量を適切な値に設定することにより、ランプ効率を大幅に向上するものである。ランプ容量及び／又は放電電荷量がかかる範囲に設定されている限り、図１Ａ，１Ｂの誘電体バリア型放電ランプ装置１００のように外部電極１２がバルブ１０に対して離隔して配置された基本構造（外部電極非接触型）を有していても、図２に示すように外部電極１２がバルブ１０に対して密接した基本構造（外部電極接触型）を有していてもよい。

発光管ないしバルブ１０には、一対の電極、すなわち内部電極（第１の電極）１１と外部電極（第２の電極）１２が配置されている。本実施形態では、内部電極１１はバルブ１０の一端に配置されている。外部電極１２は、バルブ１０の外部に配置されている。具体的には、外部電極１２は、バルブ１０の長手方向（管軸の方向）に延び、保持部材１７によりバルブ１０の外周面に対して空隙を隔てて対向している。外部電極１２とバルブ１０の外周面の最短距離（空隙距離ｄ）はバルブ１０の長手方向に一定である。バルブ１０の内部には希ガスが封入され（不図示）、バルブ１０の内面には蛍光体層１３が塗布されている。内部電極１１と外部電極１２とには点灯回路１４が接続されている。点灯回路１４は内部電極１１と外部電極１２へ矩形波の電圧を印加している。点灯回路１４からの出力の一端はグランド１５に接続されている。

バルブ１０は、大量生産が容易で強度も強い細い管形状のもの使用することが一般的である。また、バルブ１０の材料としては、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス等のガラスがある。バルブ１０の外径は、通常１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度であるが、これに限定するものではない。例えば、一般照明用蛍光灯で利用されている３０ｍｍ程度であってもよい。バルブ１０は、直線状の形状に限らず、Ｌ字状、Ｕ字状または矩形状等であってもよい。

バルブ１０は封止されており、内部には放電媒体（図示せず）が封入されている。放電媒体は希ガスを主体とした１種類以上のガスである。バルブ１０に封入されているガスの圧力、すなわち誘電体バリア型放電ランプ装置１００のランプの内部の圧力は０．１ｋＰａ〜７６．０ｋＰａ程度である。

内部電極１１は、バルブ１０の一端の内部に形成されている。内部電極１１は、例えばタングステンやニッケルなどの金属で形成できる。内部電極１１の表面は、酸化セシウム、酸化バリウム、酸化ストロンチウムといった金属酸化物層で表面の一部又は全体覆われていてもよい。このような金属酸化物層を用いることによって、点灯開始電圧を低減でき、イオン衝撃による電極の劣化を防止できる。なお、内部電極１１は、ランプの一端だけでなく、両端にあってもよい（後述する図１１Ｂ、図１２Ｂ、及び図１３Ｂ参照）。

外部電極１２は、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属や、酸化スズ、酸化インジウム等を主成分とする透明導電性構造物等で形成できる。外部電極１２は鏡面反射処理の施されているものを使用することにより、外部電極１２とバルブ１０との間に高反射シートを設定しなくても、バルブ１０から外部電極１２への光を効率良く反射させて高い光取り出し効率を実現できる。

蛍光体層１３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１３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。例えば、白色光や、赤、緑及び青等の光が得られる。蛍光体層１３は、所謂、一般照明用蛍光灯、プラズマディスプレイ等に用いられる材料で形成できる。

点灯回路１４は、内部電極１１と外部電極１２との間に矩形波の電圧を印加する。

誘電体バリア型放電の場合は一般的に矩形波で電圧を印加するとランプ効率（バルブ１０からの出力光束をバルブ１０への投入電力で除した値）が高くなるので好ましい。なお、電圧波形は矩形波に限定されず、バルブ１０が点灯できる範囲であればサイン波等でもよい。点灯回路１４によって電圧が印加されることにより、バルブ１０の管壁を介して誘電体バリア放電が繰り返し発生し、希ガスがプラズマ化して発光する。

続いて、誘電体バリア型放電ランプ装置１００のランプ部の静電容量Ｃ０（以降、「ランプ容量Ｃ０」という）、１回の放電毎の放電電荷量Ｑ０、及びランプ効率ηの測定方法について説明する。

図３に誘電体バリア型放電ランプ１００の等価回路を示す。誘電体バリア型放電ランプ１００のランプ部分のランプ容量Ｃ０は、内部電極１１と外部電極１２とに誘電体に相当する放電空間と蛍光体１３とバルブ１０とが挟まれたコンデンサ（以降、「コンデンサＬ」という）の静電容量に相当する。

このランプ容量Ｃ０及びランプ効率ηは、図４Ａの誘電体バリア型放電ランプ装置３００を用いて算出できる。図４Ａは誘電体バリア型放電ランプ装置３００の概略断面図であり、図４Ｂは図４Ａの誘電体バリア型放電ランプ装置３００の等価回路図である。誘電体バリア型放電ランプ装置３００は、外部電極１２とグランド１５との間に、ランプ容量Ｃ０と直列になるようにコンデンサ１６が接続されている点のみ、図１Ａ及び図１Ｂの誘電体バリア型放電ランプ装置１００と相違する。なお、誘電体バリア型放電ランプ装置１００と同一構成は、同一符号を付して説明を省略する。

図４Ｂの等価回路において、ランプ容量Ｃ０と静電容量Ｃ１６との合計電圧が測定できる位置と、静電容量Ｃ１６が測定できる位置とに、それぞれ電圧プローブＶ１と、電圧プローブＶ２を接続する。なお、ランプに印加される電圧への影響を小さくするために、コンデンサ１６の静電容量Ｃ１６はランプ容量Ｃ０に比べ大きなものを使用する。例えば、ランプ容量Ｃ０が数１０ｐＦ程度であるのに対し、静電容量Ｃ１６が数１０ｎＦ程度のコンデンサＣ１６が使用される。

上記配置において、点灯回路１４から矩形波の電圧を印加し、バルブ１０を点灯させた状態で電圧Ｖ１及びＶ２を測定する。後に詳述するように、ピーク・ツー・ピーク値（ｐ−ｐ値）で数ｋＶの電圧値を有し、かつ周波数が２０〜３０ｋＨｚ程度（ランプによっては数１０ｋＨｚのオーダーとなる場合がある。）の交流電圧で点灯させる。測定した電圧Ｖ１及びＶ２より、内部電極１１と外部電極１２とに印加される電圧（ランプ電圧）Ｖ０（＝Ｖ１−Ｖ２）を算出する。また、コンデンサ１６とランプから構成されるコンデンサＬとは直列接続であるので、コンデンサ１６の静電容量Ｃ１６と電圧Ｖ２とにより、コンデンサＬに蓄えられる電荷Ｑ（＝Ｃ１６×Ｖ２）を算出する。

図５に、上記のように算出したランプ電圧Ｖ０と電荷Ｑとを、それぞれ縦軸と横軸とにしたＶ−Ｑリサージュ図を示す。ここで、ランプ電力Ｗはランプ電流Ｉとランプ電圧Ｖ０の積、すなわち単位時間当たりに流れる電荷量Ｑとランプ電圧Ｖ０との積で表せるので、下記の式（１）に示すように図５のＶ−Ｑリサージュ図のＡＢＣＤの点で囲まれた面積Ｓに駆動周波数ｆを掛けた値に相当する。

ここで、点Ａから点Ｂまで及び点Ｃから点Ｄまでは、矩形波の電圧が急峻に変化した直後のコンデンサＬへの電荷Ｑの蓄積とランプ電圧Ｖ０との変化を示し、点Ｂから点Ｃまで及び点Ｄから点Ａまでは、放電空間で放電が開始して停止するまでのコンデンサＬへの電荷Ｑの蓄積とランプ電圧Ｖ０とを示している。

一方、ランプ容量Ｃ０は、電荷Ｑの変化量を電圧Ｖ０の変化量で除した値であるので、点Ａと点Ｂとの傾きから算出できる。ただし、外部電極１２は、バルブ１０が長手方向に延びており、バルブ１０の長さによってランプ容量Ｃ０が異なる。言い換えれば、同一のコンデンサが長手方向に並列に配置さていると考えることができる。同一の電極構成でもバルブ１０の管径が大きくなと、内表面積の増加分だけ蓄えられる電荷量は多くなる。つまり、管径が大きくなると、実質的にランプ容量が大きくなる。そこで、バルブ１０の大きさを排除してランプ容量を評価するために、バルブ１０の内表面積ＳＬでランプ容量Ｃ０を除した値を、内表面積当たりのランプ容量Ｃ０と定義した。この内表面積当たりのランプ容量Ｃ０は以下の式（２）で表される。この式（２）において、ΔＱとΔＶは、それぞれ点Ａから点Ｂまで（点Ｃから点Ｄまで）の電荷の変化量とランプ電圧の変化量を示す。

さらに誘電体バリア型放電ランプ装置３００から出力される全光束値をΦとすると、ランプ効率ηは式（１）を利用して以下の式（３）で算出できる。

点Ｂから点Ｃまで、及び点Ｄから点Ａまでの電荷Ｑの変化は、それぞれ１回の放電によって放電空間内を移動した電荷である。この点Ｂから点Ｃまで、又は点Ｄから点Ａまでの電荷Ｑの蓄積量を、１回の放電毎の放電電荷量Ｑ０と定義する。

点Ｂ及び点Ｃのランプ電圧Ｖ０をそれぞれの電圧Ｖ０ｂ，Ｖ０ｃとし、その平均電圧値をＶ０ｂｄとする。同様に、点Ｄ及び点Ａのランプ電圧Ｖ０をそれぞれの電圧Ｖ０ｄ，Ｖ０ａとし、その平均電圧値をＶ０ｄａとする。点Ｂから点Ｃまで、及び点Ｄから点Ａまでのランプ電圧Ｖ０の変化は小さいので、放電電荷量Ｑ０は、面積Ｓを平均電圧値Ｖ０ｂｃから平均電圧値Ｖ０ｄａを引いた値であるＶ０ｂｃｄａで除した値に概ね相当し、以下の式（４）で表せる。

ただし、バルブ１０はある大きさを有しているため、バルブ１０の長さや管径によって放電電荷量Ｑ０が異なる。そこで、バルブ１０の内表面積ＳＬの影響を排除して放電電荷量を評価するために、以下の式（５）に示すように内表面積ＳＬで放電電荷量Ｑ０を除した値を、内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量ｑ０として定義する。

以上の式（１）から式（５）までにより、図４Ａの誘電体バリア型放電ランプ装置３００におけるＶ−Ｑリサージュ図を利用して、内表面積当たりのランプ容量Ｃ０と、内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量ｑ０と、ランプ効率ηとを算出できる。

（実験）
ランプ効率ηとランプ容量Ｃ０及び放電電荷量ｑ０との関係を調べるため、種々のランプ容量Ｃ０の誘電体バリア型放電ランプを作成し、ランプ容量Ｃ０、放電電荷量ｑ０、及びランプ効率ηを測定した。

内表面積当たりのランプ容量Ｃ０を変化させるためには、バルブ１０と外部電極１２の間の空隙距離ｄ（外部電極１２と放電空間との距離と対応する。）を変ること、バルブ１０の管壁の厚み（バルブ１０の外径と内径の差で決まる）を変えること、及びバルブ１０の構成材料を変更して誘電率を変えること等が考えられる。しかし、バルブ１０の構成材料の変更による誘電率の変更は、空気よりも誘電率が低い材料は現在知られていない点等からして、必ずしも容易ではない。そこで、本実験では、種々の形態の外部電極１２について、バルブ１０と外部電極１２との間の空隙距離ｄを変化させてランプ容量Ｃ０を変化させた。また、管壁の厚みが異なるバルブ１０を使用し、それによってもランプ容量Ｃ０を変化させた。

内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量ｑ０を変化させるには、ランプ容量Ｃ０を変えること、及び入力電圧の値を変えることが考えられる。しかし、入力電圧については、放電を安定させて点灯を維持するように設定する必要があるので、調整可能な範囲が狭い。そこで、本実験では、主としてランプ容量Ｃ０を変えることで放電電荷量ｑ０を変化させ、入力電圧については、一般に点灯維持に必要される値の範囲内にある、ｐ−ｐ値で１．２５ｋＶ以上３．２ｋＶ以下の範囲で設定した。

以下の表１に示すように、Ｎｏ．１からＮｏ．１４までの１４種類の外部電極１２を使用した。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、Ｎｏ．１からＮｏ．５の外部電極１２の断面は、「コの字」形状である。外部電極１２におけるコの字形状の３つの平面のそれぞれとバルブ１０との最短距離を空隙距離ｄと定義すると、外部電極１２はそれぞれの平面と空隙距離ｄが等しくになるように配置している。Ｎｏ．１からＮｏ．５の外部電極１２における空隙距離ｄは、それぞれ０．５ｍｍ、０．９ｍｍ、１．７ｍｍ、２．５ｍｍ、及び３．３ｍｍである。なお、幅ＷＤは「コの字」形状を構成する３つの壁部の幅の総和と定義する。Ｎｏ．１からＮｏ．５の外部電極１２の幅ＷＤは、それぞれ１６．４ｍｍ、１５．６ｍｍ、１８．０ｍｍ、１９．６ｍｍ、２１．２ｍｍである。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、Ｎｏ．６の外部電極１２の断面は、「放物線」形状である。空隙距離ｄは、外部電極１２の放物線形状の底部とバルブ１０との最短距離と定義する。Ｎｏ．６の外部電極１２における空隙距離ｄは３．１ｍｍであり、幅ＷＤは１３．０ｍｍである。

図８に示すように、Ｎｏ．７の外部電極１２は、バルブ１０の長手方向に沿って配置した幅ＷＤが１３．０ｍｍの平板であって、断面構造は「直線」形状である。空隙距離ｄは、外部電極１２の断面の直線形状とバルブ１０との最短距離と定義する。Ｎｏ．７の外部電極１２における空隙距離ｄは３．１ｍｍである。

図９に示すように、Ｎｏ．８の外部電極１２は、バルブ１０の長手方向に沿って配置した直線状のワイヤであって、断面構造は円形状である。空隙距離ｄは、外部電極１２の断面の円形状とバルブ１０との最短距離と定義する。Ｎｏ．８の外部電極１２における空隙距離ｄは３．１ｍｍである。なお、ワイヤの場合、幅ＷＤはワイヤの直径である０．３０ｍｍとした。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、Ｎｏ．９の外部電極１２の断面は、「逆Ｖ字」形状である。ここで、空隙距離ｄは、外部電極１２の逆Ｖ字形状の凸頂点とバルブ１０との最短距離と定義する。Ｎｏ．８の外部電極１２における空隙距離ｄは３．１ｍであり、幅ＷＤは１３．０ｍｍである。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、Ｎｏ．１０及びＮｏ．１２の外部電極１２は、バルブ１０の長手方向に沿って配置された幅ＷＤがそれぞれ５ｍｍ及び１５ｍｍの平板であり、空隙距離ｄは共に６．５ｍｍである。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、Ｎｏ．１１及びＮｏ．１３の外部電極１２はバルブ１０に対して空隙をあけて長手方向に沿って配置した平板１２ａと、この平板１２ａと電気的に接触するようにバルブ１０の周囲に一定間隔をあけて巻回された螺旋状のワイヤ１２ｂとからなる。Ｎｏ．１１及びＮｏ．１３の平板１２ａの幅ＷＤはそれぞれ５ｍｍと１５ｍｍである。空隙距離ｄは、Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２のいずれも６．５ｍｍである。

図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、Ｎｏ．１４の外部電極１２はバルブ１０の周囲に一定間隔をあけて巻回された螺旋状のワイヤからなる。空隙距離ｄは６．５ｍｍである。

バルブ１０は４種類使用した。具体的には、外径２．６ｍｍ、内径２．０ｍｍ、管壁厚み０．３ｍｍ、長さ１６０ｍｍの直管（Ｎｏ．１のバルブ１０）、外径３．０ｍｍ、内径２．０ｍｍ、管壁厚み０．５ｍｍ、長さ１６０ｍｍの直管（Ｎｏ．２のバルブ１０）、外径３．０ｍｍ、内径２．０ｍｍ、管壁厚み０．５ｍｍ、長さ３７０ｍｍの直管（Ｎｏ．３のバルブ１０）、及び外径４．０ｍｍ、内径３．０ｍｍ、管壁厚み０．５ｍｍ、長さ３７０ｍｍの直管（Ｎｏ．４のバルブ１０）を使用した。
Ｎｏ．１及びＮｏ２．のバルブ１０には一端にのみ内部電極１１が配置されている（図１Ａ、図６Ｂ、図７Ｂ、及び図１０Ｂ参照）。一方、Ｎｏ．３及びＮｏ．４のバルブ１０には両端に内部電極１１Ａ，１１Ｂが配置されている（図１１Ｂ、図１２Ｂ、及び図１３Ｂ参照）。

以下の表２から表４に示す条件で、ランプ電圧Ｖ０と電荷Ｑを測定し、Ｖ−Ｑリサージュ図によりバルブ１０の内表面積当たりのランプ容量Ｃ０、内表面積当たりの放電電荷量ｑ０、及びランプ効率ηを算出した。その他の条件としては、バルブ１０内にはキセノン６０％とアルゴン４０％との混合ガスを２０ｋＰａ封入した。外部電極１２の主成分はＡｌであり、反射機能を持たすために外部電極１２の表面をＡｇでコーティングした。全光束及びランプ電力は、誘電体バリア型放電ランプを積分球内に設置し、高圧パルス電源（ハイデン研究所製：ＳＢＰ−５Ｋ−ＨＦ−１）により点灯させて測定した。高圧パルス電源からなる点灯回路１４の駆動波形は、正負交番の矩形とした。

表２に示す実験Ｎｏ．１〜９では、Ｎｏ．１〜９の外部電極１２とＮｏ．１，２のバルブ１０を使用し、入力電圧はｐ−ｐ値で１．２５ｋＶ〜２．０ｋＶとした。また、表３に示す実験Ｎｏ．１０〜４２では、Ｎｏ．１０〜１４の外部電極１２と、Ｎｏ．３のバルブ１０を使用し、入力電圧はｐ−ｐ値で１．６ｋＶ〜３．０ｋＶとした。さらに、表４に示す実験Ｎｏ．４３〜７２では、Ｎｏ．１０〜１４の外部電極１２と、Ｎｏ．４のバルブ１０を使用し、入力電圧はｐ−ｐ値で２．０ｋＶ〜３．２ｋＶとした。実験Ｎｏ．１〜７２全体で、入力電圧はｐ−ｐ値で１．２５ｋＶ以上３．２ｋＶ以下である。

実験Ｎｏ．１〜７２の内表面積当たりのランプ容量Ｃ０、内表面積当たりの放電電荷量ｑ０、及びランプ効率ηの測定結果を表２から表４に示す。また、ランプ容量Ｃ０及びランプ効率ηの測定結果をグラフ化したものを図１４に示す。さらに、放電電荷量ｑ０及びランプ効率ηの測定結果をグラフ化したものを図１５に示す。図１４及び図１５において、「■」は実験Ｎｏ．１〜９（表２）を示し、「▲」は実験Ｎｏ．１０〜４２（表３）を示し、「×」は実験Ｎｏ．４３〜７２（表４）を示す。

図１４から、ランプ効率ηを向上させるには、特許文献１のような「内部電極５と放電空間との静電容量」と「外部電極５と放電空間との静電容量」との大小関係では無く、内部電極１１と外部電極１２とによって形成されるバルブ１０の内表面積当たりのランプ容量Ｃ０に着目すると良いことが分かる。具体的には、ランプ容量Ｃ０を小さくすると、ランプ効率ηが向上することが分かる。さらに具体的には、ランプ容量Ｃ０が２．８ｎＦ／ｍ^２（実験Ｎｏ．２）未満となるとランプ効率ηが大幅に向上することが分かる。特に、ランプ容量Ｃ０が２．４ｎＦ／ｍ^２（実験Ｎｏ．３）未満となると、より明確にランプ効率ηの向上が認められる。

さらに、図１４から、外部電極１２の形状が変わってもランプ効率ηとランプ容量Ｃ０との相関は同様の傾向を示すことが分かる。従って、ランプ効率は、外部電極１２の形状に関わらず、ランプ容量Ｃ０に依存することが分かる。

本実験では、ランプ容量Ｃ０の最小値は０．５ｎＦ／ｍ^２であるが、ランプ容量Ｃ０を小さくするほど放電電荷量が小さくなる、すなわち、ランプ電流が小さくなることから、さらにランプ容量Ｃ０を小さくすることができれば、ランプ効率は向上することになる。さらに、ランプ容量Ｃ０の下限値は、各発光デバイスで必要とされる輝度により決定される。ランプ容量Ｃ０が低くなると、同一駆動電圧の場合、ランプ１本の単位長さ当たりの輝度が低下する。通常は、電圧の増大や本数の増加により輝度を補うことが可能であるが、各発光デバイスの点灯回路の性能やコストの制約により輝度が確保できない場合にのみ、実用上ランプ容量の下限値が設定されることになる。

図１５からすると、誘電体バリア型放電ランプの物理的な構成で決まるランプ容量Ｃ０に加えて印加電圧を加味した場合、すなわちバルブ１０の内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量ｑ０に着目した場合、放電電荷量ｑ０が少なくなるとランプ効率ηが向上することが分かる。具体的には、放電電荷量ｑ０が２９．０μＣ／ｍ^２（実験Ｎｏ．２）未満となるとランプ効率ηが大幅に向上することが分かる。特に、放電電荷量ｑ０が２１．６７μＣ／ｍ^２（実験Ｎｏ．３４）未満となると、より明確にランプ効率ηの向上が認められる。

実験Ｎｏ．１〜７２では、放電電荷量ｑ０を低減するために入力電圧を低く設定するのではなく、前述のように入力電圧は一般的に点灯維持に必要とされる範囲内に設定し、ランプ容量Ｃ０を小さくすること（空隙距離ｄを大きくすること等）で放電電荷量ｑ０を低減している点に特徴がある。入力電圧を低くしないことで、管内に印加される電界強度Ｅ（入力電圧及びランプ電圧Ｖ０に比例する）を高く保つことができ、準安定状態に多くのキセノンを励起できると推察される。さらに、放電電荷量ｑ０を低くすることでキセノンのイオン化を防ぐことができ、ランプ効率ηが従来の予測を超えて向上したと推測される。

本発明は、以下の理論的な考察に基づいて前述の実験の結果として達成されたものである。一般的に、ランプ電流Ｉを少なくすると、ランプ効率ηが高くなることが知られている。しかし、誘電体バリア型放電ランプの物理的な構成が定まれば、その構成に対して最大のランプ効率ηを得ることができる最適なランプ電圧Ｖ０が存在し、この最適なランプ電圧Ｖ０から更にランプ電圧を低下させてランプ電流Ｉを低減させてもランプ効率は向上しない。そこで、本発明者は、電界強度Ｅを高く保ちつつ、ランプ電流Ｉ（放電電荷量ｑ０）を低減することができれば更に効率向上につながると考え、電界強度Ｅを高くする構成として、ランプ容量Ｃ０を小さくする構成に気づいた。すなわち、ランプ電圧Ｖ０は点灯維持に必要とされる範囲内ないしは、製品として実用的な範囲に設定し、かつ、ランプ容量Ｃ０を小さくする構成（バルブ１０と外部電極１２との空隙距離ｄを大きく、あるいは、外部電極１２とバルブ１０内の放電空間との誘電率を小さくする構成）にすることで、電界強度Ｅを高く保ちつつ電荷量Ｑを小さくする構成に気づいた。この構成でランプ効率ηを実際に測定した結果、図１４及び図１５に示すように、ランプ効率が急激に向上するランプ容量Ｃ０及び放電電荷量ｑ０の値を新たに見つけ出した。

ランプ効率を急激に上昇させるランプ容量Ｃ０の範囲を実現するには、外部電極１２とバルブ１０との空隙距離ｄを大きくすることが実用的である。前述のように現在発見されている物質において誘電率が最も小さい物質が空気であり、空隙距離ｄは単に外部電極１２をバルブ１０からより離れた位置に配置するだけで大きくできるからである。

図１Ａを参照すると、本実施形態の誘電体バリア型放電ランプ１００は、液晶表示装置９００用の面光源デバイスであるバックライト装置７００の一部を構成し、拡散板７０１の光入射面７０１ａ側に配置されている。図１Ａ，２Ａにおいて紙面に対して垂直な方向に複数の誘電体バリア型放電ランプ１００Ａ，１００Ｂが互いに平行となる姿勢で配置される。拡散板７０１の光出射面７０１ｂ側には、光を散乱させるための拡散シート７０２、放射される光の方位を限定するためのプリズムシート７０３、及び放出される光の偏光を制限する偏光シート７０４が積層状態で配置されている。誘電体バリア型放電ランプ１００、拡散板７０１、及び光学シート７０２〜７０４は筐体７０５内に収容されている。偏光シート７０４の前面に液晶パネル８００が配置されている。誘電体バリア型放電ランプ１００の発する光は、拡散板７０１の光出射面７０１ｂから出射し、光学シート７０２〜７０４を透過して液晶パネル８００を背面側から照射する。

なお、本バックライト７００は、液晶表示装置用バックライトとして説明したが、液晶表示装置以外の面光源として使用できる。例えば、看板用のバックライト、室内用照明光源、車内用照明光源等である。

本発明の誘電体バリア型放電ランプは、液晶表示装置用のバックライト光源、看板用バックライト光源、室内用照明光源、車内用照明光源等として有用である。

本発明の実施形態における誘電体バリア型放電ランプ１００（外部電極非接触型）の管軸方向での模式的な断面図。 図１ＡのＩ−Ｉ線での断面図。 実施形態における誘電体バリア型放電ランプ１００（外部電極接触型）の管軸と直交する方向での模式的な断面図。 本発明の実施形態における誘電体バリア型放電ランプ１００の等価回路図。 ランプ容量及び放電電荷量を測定するための構成の模式的な断面図。 図４Ａの等価回路図。 Ｖ−Ｑリサージュ波形図。 コの字状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 コの字状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 放物面状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 放物面状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 平板状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 直線状のワイヤからなる外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 逆Ｖ字状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 逆Ｖ字状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 平板状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 平板状の外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 バルブに対して間隔をあけて巻回したワイヤと平板により構成された外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 バルブに対して間隔をあけて巻回したワイヤと平板により構成された外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 バルブに対して間隔をあけて巻回したワイヤからなる外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸と直交する方向での模式的な断面図。 バルブに対して間隔をあけて巻回したワイヤからなる外部電極を備える誘電体バリア型放電ランプの管軸方向での模式的な断面図。 ランプ容量とランプ効率の関係を示すグラフ。 放電電荷量とランプ効率の関係を示すグラフ。 従来の希ガス蛍光ランプ１の断面図。

符号の説明

１００，３００ 誘電体バリア型放電ランプ装置
１０ バルブ
１１，１１Ａ，１１Ｂ 内部電極
１２ 外部電極
１２ａ 平板
１２ｂ ワイヤ
１３ 蛍光体
１４ 点灯回路
１５ グランド
１７ 保持部材
７００ バックライト装置
７０１ 拡散板
７０２ 拡散シート
７０３ プリズムシート
７０４ 偏光シート
７０５ 筐体
８００ 液晶パネル
９００ 液晶表示装置

Claims (10)

1. 希ガスを含む放電媒体が封入されたバルブと、
   前記バルブに配置された第１及び第２の電極と
   を備え、
   前記第１及び第２の電極間における前記バルブの内表面積当たりのランプ容量が２．８ｎＦ／ｍ^２未満である、誘電体バリア型放電ランプ。
2. 前記バルブの内表面積当たりのランプ容量が２．４ｎＦ／ｍ^２未満である、請求項１に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
3. 前記第１の電極が前記バルブの内部に配置され、前記第２の電極が前記バルブの外部に配置されている、請求項１に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
4. 前記第２の電極は前記バルブと離隔して配置されている、請求項３に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
5. 希ガスを含む放電媒体が封入されたバルブと、
   前記バルブに配置された第１及び第２の電極と、
   前記第１及び第２の電極間に交流電圧を印加し、誘電体バリア放電を繰り返し発生させて前記希ガスをプラズマ化して発光させる点灯回路と
   を備え、
   前記第１及び第２の電極間における、前記バルブの内表面積当たり、かつ１回の放電毎の放電電荷量が２９．０μＣ／ｍ^２未満である、誘電体バリア型放電ランプ。
6. 前記点灯回路から前記第１及び第２の電極間に印加される電圧は、ピーク・ツー・ピーク値で１．２５ｋＶ以上３．２ｋＶ以下である、請求項５に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
7. 前記第１の電極が前記バルブの内部に配置され、前記第２の電極が前記バルブの外部に配置されている、請求項５に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
8. 前記第２の電極は前記バルブと離隔して配置されている、請求項７に記載の誘電体バリア型放電ランプ。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の誘電体バリア型放電ランプと、
   光入射面と光出射面とを備え、前記誘電体バリア型放電ランプから発せられる光を前記光入射面から前記光出射面に導いて出射させる拡散板と
   を備える、バックライト装置。
10. 請求項９に記載のバックライト装置と、
    前記拡散板の前記光出射面に対向して配置された液晶パネルと
    を備える、液晶表示装置。

Images