JP4385731B2 - 放電ランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体障壁放電を利用して紫外光を放出させる放電ランプに関し、さらに詳しくは封入物に特徴を持つ放電ランプに関する。

近時、平面ディスプレーパネルとしてプラズマディスプレーパネル（ＰＤＰ）が脚光を集めている。ＰＤＰの画像表示用基板には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）（以下、Ｒ，Ｇ，Ｂと略記する）の蛍光体が塗布され、紫外光等を照射し、これらの蛍光体を発光させることによりカラー画像を表示する。上記蛍光体に、欠損やむらがあったり、色の異なる蛍光体が混ざったりすると、所望の特性が得られない。そこで、上記画像表示用基板を製造する際、上記蛍光体の塗布状態を検査することが行われている。

蛍光体の塗布状態を検査は次の３点が確認される。
(1) 必要な部分に塗れているか。はみ出しや欠損はないか。(2) Ｒ，Ｇ，Ｂが境界線で混ざっていないか。(3) 塗りむらはないか。

蛍光体の塗布状況を検査するためには、蛍光体を発光させなければならない。なぜなら、上記したＲ，Ｇ，Ｂを発する蛍光体は、可視光下では白色であり、見分けがつかないためである。蛍光体を発光させるためには、蛍光体に励起光を照射する。励起光の光源として従来はキセノンランプや超高圧水銀ランプが使用されていた。

特開２００３−１３０８０１号公報には、波長が短くなると、その分エネルギーが大きくなるため、Ｒの蛍光体を十分に励起するために、超高圧水銀ランプやキセノンランプから放射される光の波長よりも、短い波長の光を励起光として用いることが考えられ、２００ｎｍ〜２３０ｎｍの波長の光を、十分な放射強度で発光できるランプを使用するのが望ましいとして、カドミウム（Ｃｄ）と希ガスを放電容器に封入したＣｄランプ、またはクリプトンガス（Ｋｒ）と塩素ガス（Ｃｌ）を放電容器に封入したＫｒＣｌエキシマランプが提案されている。ＣｄランプまたはＫｒＣｌエキシマランプを使えば、Ｒの蛍光体の発光量を大きくし、Ｇ，Ｂの蛍光体と同等とすることができることが示されている。

波長が２００ｎｍ以下の場合には、大量にオゾンが発生するので、空気中で使用することが困難であり、検査装置の光源として用いるのは適当でない。Ｃｄランプは２００〜２３０ｎｍ域に輝線を有し、蛍光体の検査用途には適するが、放電空間に電極があるため、点灯時間の経過に伴う電極の損耗によりランプの使用寿命が長くない。
ＫｒＣｌエキシマランプは２２２ｎｍの発光を有するが、ランプの点灯時間経過に従い、Ｃｌ（塩素）が放電容器の石英ガラスとの反応を生じて減少すると考えられ、ＫｒとＣｌの最適比率の維持を行うことが技術的な問題としてあった。

近時、これらＣｄランプやＫｒＣｌエキシマランプ以外に、波長２００ｎｍよりも長波長であって、エネルギーの大きい２００ｎｍの近くに発光ピークを持つ新しい光源が望まれている。

発明者は、２００ｎｍに近い発光として、沃素の原子発光が２０６ｎｍの波長であること
に着目した。特開２００２−２６０８９３号公報には発生させる紫外線の波長に応じて沃素のみを含む場合を示唆する記載があるものの、実効ある２０６ｎｍの原子発光を得るためのランプ構成や条件についての記載が一切なく、実用に供することはできない。
特開２００３−１３０８０１号公報 特開２００２−２６０８９３号公報

本発明は上記した事情を考慮してなされたものであって、本発明の目的は、オゾンの発生がなく、波長２００ｎｍよりも長波長であり２００ｎｍの近くに発光ピークを持つ光源であって、電極の消耗のない放電ランプを、沃素の２０６ｎｍの発光を効率よく使った放電ランプ装置として提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、誘電体障壁放電をする放電ラン
プと該放電ランプに電圧印加する点灯電源とからなる放電ランプ装置であって、該放電ラ
ンプは放電容器の光放出部以外の外壁に少なくとも一対の電極を相互に離間させて配置し
、該放電容器に沃素のみを常温において４Ｐａ以上６０Ｐａ以下となる圧力で封入し、該放電ランプに１ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加する点灯電源とを具備したことを特徴とする波長２０６ｎｍの光を利用する沃素ランプ装置とするものである。

請求項２に記載の発明は、前記放電容器に連なる閉空間に沃素の供給源を具備したことを特徴とする請求項１に記載の波長２０６ｎｍの光を利用する沃素ランプ装置とする。

発明者は石英ガラス製放電容器に沃素のみを封入した同種の放電ランプを製作し、点灯する実験を行った。すると、点灯時間の経過とともにランプ出力が低下するという問題が生じた。発明者が調べたところ、点灯時に沃素が石英ガラスの放電容器と反応して放電容器に取り込まれることで、放電容器が着色し、透過率が下がることに起因することが判明した。さらに、沃素が放電容器と反応し取り込まれ着色する部位は放電容器の外壁に電極を配置している部位のみであることが判明した。そこで、放電容器の光放出部以外の容器外壁に少なくとも一対の電極を相互に離間させて配置した構成とすることで、沃素が放電容器と反応する部位を制限することが可能となり、点灯時間の経過とともにランプ出力が低下することが抑制されることを見出し、本発明は完成したものである。

本発明によって、２０６ｎｍの光出力が高く、直ぐに出力の低下することのない放電ランプ装置が得られた。従来から存在するＫｒＣｌエキシマランプと異なり、本発明の放電ランプ装置は沃素のみを封入した放電ランプを使用し、沃素以外の封入物との混合比率について何ら問題を生じることはない。また、電極が放電容器の外にあること、発光波長が２００ｎｍ以上であって、かつ２００ｎｍに近い２０６ｎｍの発光が効率よく得られることから、新たな蛍光体検査用光源としての利用可能性がある。２０６ｎｍの発光を効率よく発する光源は従来なかったものであり、新たな用途への利用も見込める。

本発明の実施形態としては、図１に管軸に沿った断面図で示したように、放電ランプ１は、放電容器１０が石英ガラス製であって、外側管１０ａと内側管１０ｂを有する二重管ランプを用いた。放電容器に沃素のみを常温において４Ｐａ以上６０Ｐａ以下となる圧力で封入し、内側管１０ｂの外壁に離隔して電極２０ａ、２０ｂを二つ並べ、一方は高圧の点灯電源５０につなぎ、もう一方は接地し、周波数１ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加する。この場合、光放出部は電極２０ａ、２０ｂの配置されていない外側管１０ａの外面全周になる。

図２には、沃素の供給源である沃素溜まり３０を放電容器１０に連続する空間に配置した例を示す。沃素の放電容器内の圧力は沃素の供給源の温度により決まる。具体的には放電容器１０に沃素のみを常温において４Ｐａ以上６０Ｐａ以下とするためには、沃素溜まり３０の温度制御領域４０温度を０℃〜３０℃までで温度管理をすることになる。温度管理は例えば図２に示した構造として、放電の熱が沃素溜まり３０に届かないようにしたり、沃素溜まり３０を空冷したりして行う。

具体的な実施例としては次の通りである。放電ランプ装置は一例を挙げれば図１の構造のものであり、合成石英ガラス製の放電容器１０で、外側管１０ａの外径２６．５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、内側管１０ｂの内径１４ｍｍ、肉厚１ｍｍ、ランプ長さ２５ｃｍの二重管ランプを例示する。内側管１０ｂの外面に配置したアルミニウム製の電極２０ａ、２０ｂを二つ並べ、一方は高圧の点灯電源５０につなぎ、もう一方は接地し、周波数１３．５６ＭＨｚの正弦波電圧を印加し、１００Ｗを入力する。なお、電極はステンレス製でもよい。

本発明のランプにおいて、高効率で発光するための沃素の封入量について鋭意実験検討した。放電容器に沃素のみを封入し、沃素圧力を常温において０．４Ｐａ〜１×１０^４Ｐａで変えたときの２０６ｎｍの沃素の原子発光の発光強度を調べた。その結果が図３である。この結果をみると、沃素圧力が低い方が発光強度が強いことが分かる。しかし、０．４Ｐａではほとんど出力がなくなった。一方で沃素圧力の上限は６０Ｐａであり、これ以上の圧力では２０６ｎｍの発光ピーク以外に３００ｎｍ以上のほかの発光が起こることがわかった。最も発光強度が強いのは４Ｐａであり、図４に実線でその発光スペクトルを示す。２０６ｎｍの沃素の原子発光の発光が見られる。また図４の破線は１３３Ｐａのときの発光スペクトルであり、２０６ｎｍの発光ピーク以外に３００ｎｍ以上のほかの発光が起こり、２０６ｎｍの波長の発光も大きく減少しているのがわかる。
本実験の結果、放電容器に沃素のみを常温において４Ｐａ以上６０Ｐａ以下となる圧力で封入すれば２０６ｎｍの沃素の強い原子発光が得られることがわかった。
このように、本発明の放電ランプ装置は、２００ｎｍ〜２３０ｎｍの波長の光を、十分な放射強度で発光でき、蛍光体の検査用として好適な放電ランプ装置とすることができる。

沃素は放電時間が経過すると放電容器壁に打ち込まれ放電空間から減少していく。そこで、長寿命化のために、沃素溜まりを放電容器に連続する空間に配置することを考えた。図５は、本発明の放電ランプ装置の放電ランプの最冷点温度と放射強度の関係を示すが、図５に示すように、その沃素溜まりのある個所の温度を最冷点温度部位として低く維持することで放電容器内の沃素圧力を適切な量に制限できる。しかし、最冷点温度が４０℃を超えると沃素圧力が上昇し、光出力（放射強度）が急速に低下することが分かる。

先に記したように、点灯時に沃素が石英ガラスと反応して放電容器に取り込まれることで、放電容器の透過率が下がる。放電容器の光放出部以外の容器壁に少なくとも一対の電極を相互に離間させて配置した構成とすることで、沃素が放電容器と反応する部位を制限することが可能となった。そのことを以下に説明する。

合成石英ガラス製の放電容器であって、外側管外径２６．５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、内側管内径１４ｍｍ、肉厚１ｍｍ、ランプ長２５ｃｍの二重管ランプを用いる。
本願発明のランプとして、図１に示したように、放電ランプ１の内側管１０ｂの外壁に電極２０ａ、２０ｂを２つ並べ、放電容器１０内に沃素のみを２７Ｐａ封入し、一方の電極２０ａに高圧を印加、もう一方の電極２０ｂを接地し、周波数１３．５６ＭＨｚの正弦波を２００Ｗ入力し点灯したときと、比較例として、図６に示したように、放電ランプ１´の内側管１０ｂ´外壁の電極２０ａ´に高圧を印加し、外側管１０ａ´の外壁の電極２０ｂ´を接地し、周波数１３．５６ＭＨｚの正弦波を２００Ｗ入力したときで２０６ｎｍの放射維持率を比較した。その２０６ｎｍ光の放射維持率の対比結果は図７のようになる。実線が本発明の放電ランプ装置であり、破線が比較例の放電ランプ装置である。比較例のように電極を外側管外面と内側管外壁に配置することで出力が急速に減少していくが、本発明のように電極を内側管外壁に並べることで出力の減少を抑えることができることがわかる。

電圧の周波数については、１ＭＨｚ以上であることが必要である。それは以下の理由による。
正弦波の電圧を印加した例で説明すると、放電は電圧の立上りおよび立下りのときに起こる。すなわち１周期で2回放電がおこる。例えば１ＭＨｚのとき、放電は０．５μsごとに起こる。電子は放電のエネルギーを得て沃素原子を励起するが、全ての電子が沃素原子を励起できるほど高いエネルギーを得られるのではない。沃素原子を励起するまでには至らない高エネルギー状態の電子は、中性原子との衝突などにより数μsのうちに放電が起これば、僅かのエネルギーを得るだけで沃素原子を励起できるようになるため、沃素の発光効率を高めることができる。したがって１ＭＨｚ以上の高周波で点灯することが沃素だけを封入した本発明のランプ装置においては発光強度を高めるためには必要な条件となる。

図８に周波数を変えていったときの２０６ｎｍの放射強度変化を測定した結果を示す。１３．５６ＭＨｚでの発光強度を１とした場合に規格化して表したもので示したが、この図から、１ＭＨｚ以上の高周波電圧の印加で強い２０６ｎｍの発光が得られることが分かる。

本発明の放電ランプ装置の一実施形態の概略断面図を示す。 本発明の放電ランプ装置の他の実施形態の概略断面図を示す。 放電空間内の沃素圧力と２０６ｎｍ放射強度の関係を示す。 放電空間内の沃素圧力ごとの発光スペクトル図を示す。 本発明の放電ランプ装置の放電ランプの最冷点温度と放射強度の関係を示す。 比較例として光放出部側に電極を配置した例を示す。 本発明と比較例の、２０６ｎｍ光の放射維持率の対比を示す。 点灯周波数と２０６ｎｍ光の放射強度の関係を示す。

符号の説明

１、１´ 放電ランプ
１０、１０´ 放電容器
１０ａ、１０ａ´ 内側管
１０ｂ、１０ｂ´ 外側管
２０a、２０ａ´ 電極
２０ｂ、２０ｂ´ 電極
３０ 沃素溜まり
４０ 温度制御領域
５０、５０´ 点灯電源
１００、１００´ 放電ランプ装置

Claims (2)

1. 誘電体障壁放電をする放電ランプと該放電ランプに電圧印加する点灯電源とからなる放電ランプ装置であって、
   該放電ランプは放電容器の光放出部以外の外壁に少なくとも一対の電極を相互に離間させて配置し、該放電容器に沃素のみを常温において４Ｐａ以上６０Ｐａ以下となる圧力で封入し、
   該放電ランプに１ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加する点灯電源とを具備したことを特徴とする波長２０６ｎｍの光を利用する沃素ランプ装置。
2. 前記放電容器に連なる閉空間に沃素の供給源を具備したことを特徴とする請求項１に記載の波長２０６ｎｍの光を利用する沃素ランプ装置

Images