CN1201640C - 放电灯点燃装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能以高的效率使介质阻挡放电灯放电的放电灯点燃装置，以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在至少一个电极和气体之间配置介质阻挡层并通过该介质阻挡层在灯管内引起放电的放电灯，该放电灯点燃装置的特征在于：作为所述重复电压波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间，在0.03μs以上、9μs以下；在所述重复波形的1周期内或邻接周期中，所述供给主要能量的波形间的最长间隔，在3.4μs以上。

Description

放电灯点燃装置

技术领域

本发明涉及用于点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封于由电介质构成的灯管内部并通过介质阻挡层在灯管内引起放电点燃放电灯的放电灯点燃装置。

背景技术

在将以稀有气体为主体的放电用气体封入由电介质物质构成的放电容器内的放电灯中，已知当通过介质阻挡层施加高频电压时，在容器内将产生受激准分子发光。

并且，为了选择所需要的光，有的在放电容器内部涂布荧光体，有的不涂布荧光体。不涂布荧光体的型式，作为至少从放电容器的一部分通过介质物质放射出紫外线的介质阻挡放电灯，已在市场上出售，经常用于紫外线清洗或有机材料的紫外线改性等。

另一方面，作为在放电容器内表面涂布荧光体的型式，已知有外部电极式荧光放电灯，用于OA设备的原稿读取或用作液晶显示器的背照光而在市场上出售。

以往，上述的介质阻挡放电灯(以下，根据需要简称为放电灯)，是在将连续高频电压或脉冲高频电压施加于其电极的条件下点燃的。

但是，由于在上述点燃条件下不能获得高效率的放电，所以本发明人进行了各种实验研究，结果表明，通过施加上升急速且具有相对于重复周期t其宽度在预定值以下的最大峰值波形的重复电压波形而点燃放电灯，能以高效率保持稳定的放电。

因此，本发明人等在以前提出的特愿平8-4499号(WO97/26779)中指出，规定施加于放电灯的电压的半幅值，并使电压波形依赖于该半幅值而急速上升，对该放电灯是有效果的。

即，如图9所示，当由驱动电路7切换开关元件8并通过变压器9对放电灯1施加电压时，如该图的A所示，在将从上述1周期内具有电压最大峰值的波形与0V电压相交的位置起其电压值等于最大峰值(该图中的H)的一半(该图中的H/2)的2点a、b的宽度定义为半幅值W时，通过将该半幅值W在预定值以内的重复电压波形施加于放电灯1，可以保持稳定的放电，并能使照度提高。

上述半幅值小，即意味着电压急速上升，因而照度也随半幅值减小而提高。此外，与现有的推挽点燃方式相比，如上所述，在回扫点燃方式中规定预定的半幅值的方法，可以提高照度。

如上所述，通过减小半幅值，与现有的推挽点燃方式等相比虽可以提高照度，但是，近年来，一直期望着以更高的效率点燃放电灯。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而开发的，其目的在于，提供一种通过施加以往没有使用过的电压波形的灯电压而能以高的效率使介质阻挡放电灯放电的放电灯点燃装置。

着眼于以上的各点，本发明通过以如下方式点燃放电灯来解决上述课题。

(1).根据本发明的一种放电灯点燃装置，以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在至少一个电极和气体之间配置介质阻挡层并通过该介质阻挡层在灯管内引起放电的放电灯，该放电灯点燃装置的特征在于：作为所述重复电压波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间，在0.03μs以上、9μs以下；

在所述重复波形的1周期内或邻接周期中，所述供给主要能量的波形间的最长间隔，在3.4μs以上。

(2).在(1)中所述的放电灯点燃装置中，封入灯管内的稀有气体压力为10666Pa～101325Pa。

(3).在(1)中所述的放电灯点燃装置中，将放电灯点燃，以使点燃灯电压E与稀有气体封入压力P和放电空间距离x之积的比{E/(x·P))为0.007≤E/(x·P)≤2.344(V/cm·Pa)。

(4).根据本发明的一种放电灯点燃装置，以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在所述灯管外表面沿管轴方向至少配置2个以上的电极并在所述灯管内部涂布荧光物质的外部电极式放电灯，该放电灯点燃装置的特征在于：作为所述重复电压波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间，在0.03μs以上、9μs以下；

在所述重复波形的一周期内或邻接的周期中、所述供给能量的波形间的最长间隔，在3.4μs以上。

(5).在(4)中所述的放电灯点燃装置中，所述供给能量的波形的间隔上限为8ms。

(6).在(4)中所述的放电灯点燃装置中，封入灯管内的稀有气体压力为10666Pa～101325Pa。

(7).在(4)中所述的放电灯点燃装置中，将放电灯点燃，以使点燃灯电压E与稀有气体封入压力P和放电空间距离x之积的比{E/(x·P))为0.007≤E/(x·P)≤2.344(V/cm·Pa)。

如上所述，本发明人等，在以前的申请中指出，通过减小半幅值、也就是使施加于放电灯的电压急速上升，可以提高照度。

其后，本发明人等对图1所示的介质阻挡放电灯进行各种实验研究时，又弄清楚了以下情况。

(1)在介质阻挡放电灯中，不仅是施加于灯的电压急速上升，而且所施加的电压波形的急速下降对放电也是有效果的。

这可以考虑是基于以下的原因。

由于作为本发明对象的灯是进行介质阻挡放电的灯，所以放电气体与电极通过电介质进行电容耦合(通过电容的耦合)，使电力通过该电容耦合输入给放电气体。

即，通过对外部电极施加急速的电压变化，可以将电力输入给放电气体。这一点可以由表示电容性阻抗的下式清楚地看出。就是说，这是由于上升、下降急速的波形大多包含ω高的频率分量，而ω越高，则阻抗越低，因而使电力的输入变得更为容易。

Z＝√{R²+(1/ωC)²)

本发明放电灯的放电气体的主体是氙，在施加急速变化的电压的情况下，使电子具有超过9eV(氙的最低激发能级)的高能量，因而可以高效率地激发氙原子。而且，在急速上升或下降之后的灯电压变化较小的期间，通过激发原子与基态氙原子的碰撞，生成Xe2^**，并立即离解而发出受激准分子光。

图2是表示施加于放电灯的电压波形和灯电流的图，如该图2(a)所示，当电压不是急速上升、下降时，灯电流不会呈峰值状增加，但如图2(b)、(c)所示，当电压急速地上升、下降时，在电压急速上升、下降的期间，灯电流呈峰值状增加，在该期间内，将为点燃放电灯所需的主要能量供给放电灯。在本发明中，将上述期间称作「重复波形的主要能量供给期间」。

如上所述，施加于放电灯的电压的急速上升、下降，对放电是有效果的，但是，如果上述电压的急速上升、下降在极其短的时间之间连续发生，则就不能有效地使灯发光。

图3是说明施加于灯的电压与受激准分子发光的关系的图，在该图中，在灯电压急速变化的点A、B、C、D，灯电流增加并发生放电，而受激准分子发光则在这些放电后的余辉中发出很强的光。

由于放电灯在上述余辉中发光，所以受激准分子光的输出取决于到下一次放电的时间。

在图3中，当时间t1、t4足够长时，可在放电A、D的余辉中得到受激准分子光。另一方面，当在放电B后经过极其短的时间t1又发生放电C时，在放电B中生成的氙的激发粒子与在生成受激准分子的过程中生成的受激准分子一起被接着发生的C放电破坏。

而如果在放电C后的时间t3足够长，则由在放电C中生成的氙的激发粒子生成受激准分子，并得到受激准分子光。

即，如在发生放电之后经过极短的时间又发生下一次放电，则所生成的受激准分子将被下一次放电破坏。因此，为了使放电灯以高的效率发光，放电的时间间隔、即供给为使放电灯发光所需能量的波形的间隔，必须在预定值以上。实验结果表明，上述灯施加电压的急速上升、下降的间隔、即供给为使放电灯放电所需能量的波形的间隔，如后文所述，必须在3.4μs以上。

另外，当前使用着的荧光体(RGB)的80％余辉时间，B(蓝)约在1μs以下、G(绿)约在8ms以下、R(红)约在2ms以下。

因此，在放电容器内表面涂有荧光体的外部电极式荧光放电灯中，为了连续地发出在复印机等中经常使用的G(绿)光，必须将供给为使上述放电灯放电所需能量的波形的间隔设定在8ms以下。

(2)如上所述，在预定值以上的时间间隔内，通过将上升、下降急速的电压波形施加于放电灯，能使放电灯以高的效率发光，但是，所进行的各种实验研究的结果表明，当上述上升时间、下降时间过长或过短时，就不能使放电灯以高的效率发光了。

这里，将本发明的「上升时间」、「下降时间」定义如下。

①上升时间

在图4(a)、(b)所示的电压波形中，将电压从0％到达大约100％的电压的时间a定义为上升时间。而当如图4(c)、(d)所示电压波形为负极性时，同样将电压从0％到达大约-100％的负电压的时间a定义为上升时间。

②下降时间

在图4(a)、(b)所示的电压波形中，将电压从约为100％到大约0％的电压的时间b定义为下降时间。而当如图4(c)、(d)所示电压波形为负极性时，同样将电压从约为-100％的负电压到0％的电压的时间b定义为下降时间。

当上升时间过长时不能使放电灯以高的效率发光的原因如下。

即，在放电灯灯内的电子能量具有峰值的上升急速的阶段中，电子由电场加速，电子能量在与氙原子碰撞的同时增加，受激准分子的生成也增加。因此，真空紫外发光的发光效率增加。

但是，如过了电子能量的峰值而电压仍继续上升时，加速中的电子在中途就会与在放电中生成的离子碰撞，使复合的频度增加，因而电子能量受到抑制，另外，使所生成的受激准分子被电子和离子破坏，因而降低了紫外线的发光效率。

进行实验后所得到的结果表明，上述上升、下降时间的上限，如后文所述，为9μs左右。

接着，又对上述上升、下降时间的下限进行了研究，如后文所述，在管径8mm的灯中，在灯的上升时间为0.03μs的条件下，可观察到灯管的管端部变为不放电的现象。

对此虽未明确地解释清楚，但可以考虑如下的原因。

即，管端部附近的电压是不均匀的，其电场强度比靠中央的部位弱。因此，当电压上升急速时，有时会发生不能将电子充分加速(与提高电子能量含义相同)到足以维持放电的情况。一旦变成不放电的状态，则由于在其附近只施加灯电压而不能达到放电起始电压，因而不放电部分不能恢复到原来的状态。

在同一灯中，在灯电压的上升时间为0.1μs的条件下，观察不到上述现象，所以，可以说，上升时间最好在0.03μs以上。

附图说明

图1是表示在本发明的实施例中使用的放电灯结构的图。

图2是表示施加于放电灯的电压波形和灯电流的图。

图3是说明对灯的施加电压与受激准分子发光的关系的图。

图4是说明本发明的上升时间、下降时间的图。

图5是表示在本实施例中使用的点燃电路的概略结构的图。

图6是表示上升时间、下降时间与照度效率的关系的图。

图7是表示照度效率与上升、下降波形的间隔的关系的图。

图8是表示作为本发明适用对象的其他放电灯结构的图。

图9是表示放电灯点燃电路的结构和放电灯施加电压的半幅值的图。

具体实施方式

图1是表示在本发明的实施例中使用的放电灯结构的图。在该图中，其图(a)表示外部电极式荧光放电灯的垂直于管轴方向的断面图，(b)示出其侧视图。而该图(c)是中空圆筒形介质阻挡受激准分子灯的结构图。

如该图(a)、(b)所示，外部电极式荧光放电灯1，包括：内部封入以氙为主要成分的稀有气体的由玻璃等电介质构成的放电容器(灯管)3、在其管轴方向的侧面沿大约整个长度配置的由铝等材质构成的一对带状或线状电极2、2′、及在放电容器3的内表面上形成的荧光物质层4。

并且，将点燃电路5连接于外部电极式荧光放电灯1的一对电极2、2′，并在电极2、2′上施加具有重复波形的灯电压。由此，可通过放电容器3的侧面将电压施加于夹在外部电极2、2′中间的放电容器3的内部放电空间，以产生放电并使灯发光。

另一方面，如该图(c)所示，中空圆筒形介质阻挡受激准分子放电灯10，包括：内部封入以氙为主要成分的稀有气体的由石英玻璃构成的中空圆筒形放电容器(灯管)11、安装在放电容器11外周的金属网电极12、及安装在中空圆筒内侧的金属电极13。

并且，将点燃电路5连接于上述灯10的金属网电极12和金属电极13，并在金属网电极12和金属电极13上施加与上述相同的具有重复波形的灯电压。因此，可通过放电容器3的侧面将电压施加于夹在外部电极2、2′中间的放电容器3的内部放电空间，以产生放电并使灯发光。

由点燃电路5施加于上述放电灯1、10的电压，如上所述，其作为主要能量供给期间的波形上升或下降时间，在0.03μs以上、9μs以下，并且是在上述波形的间隔内最长间隔为3.4μs以上的重复波形电压。通过施加上述重复电压波形的电压，可以使外部电极式荧光放电灯1、中空圆筒形介质阻挡受激准分子放电灯10以高的效率发光。

另外，在图1(a)、(b)所示的外部电极式荧光放电灯1中，当连续地发出G(绿)光时，如上所述，将作为上述主要能量供给期间的波形的间隔上限设定为8ms。

图5是表示在本实施例中使用的点燃电路的概略结构的图。由于是以改变条件的方式点燃放电灯，所以该图示出一种可以调整施加电压的波形的点燃电路例。

在该图中，21是由个人计算机等构成的波形生成器，22是输入输出部，23是存储器，由波形生成器21生成施加于放电灯的波形，并通过输入输出部22存储在存储器23内。

存储在存储器23内的波形数据，可与时钟脉冲发生器24输出的规定频率的时钟脉冲同步地读出，并供给到驱动器25。

从直流电源7将直流电压供给由多个变换器构成的波形合成用变换器群26，波形合成用变换器群26，根据驱动器25的输出，产生具有由波形生成器21生成的波形的重复波形电压。该电压通过滤波器28施加于放电灯1。

另外，在图5中示出了一种可以调整施加电压的波形的点燃电路例，但作为点燃电路，可以采用其他熟知的电路，例如，也可以采用在上述图9中示出的回扫方式的点燃电路。

当采用图9所示的点燃电路时，通过适当地选定上述图9中的变压器9的电感、驱动电源的电压、驱动信号的脉冲间隔等，可以将重复波形的上升时间、下降时间、波形间隔等设定为所期望的值。

在本实施例中，采用图5所示的点燃电路及图9所示的回扫方式的点燃电路，使施加于放电灯的电压波形改变，从而对电压的上升时间、下降时间与照度效率[照度/灯管功率(1x/W)]的关系、施加于放电灯的电压波形的间隔与照度效率[照度/灯管功率(1x/W)]的关系进行了研究。

此时的实验条件如下。

①点燃条件

灯电压：-3kV_o-p

点燃频率：固定为10kHz

波形宽度：30μs(波形与0V的相交点宽度)

②实验中使用的灯规格

管径：备有一对外部电极的φ8.0mm放电灯

灯长：360mm

封入气体：以氙Xe为主要成分的稀有气体

封入压力：120×133.32Pa

为求出上升时间、下降时间的上限值，进行了如下实验。

采用图5所示的点燃电路，通过操作波形操作器21，生成上述图2中示出的三角波状的电压波形，将该电压波形施加于放电灯1，以将放电灯1点燃。然后，测定此时的照度和输入放电灯1的灯功率。

在以上的测定中，改变波形的上升/下降的斜率，借以改变波形的上升时间、下降时间，并求得上升时间、下降时间与照度效率的关系。

图6是表示以上述方式求得的上升时间、下降时间与照度效率的关系的图，其中图(a)表示上升时间与照度效率的关系，(b)示出下降时间与照度效率的关系。

从该图可以清楚看出，当上升时间、下降时间都超过了9μs时，照度效率降低。由此可知，施加于放电灯的上升时间、下降时间的上限为9μs。

另外，为求出上升时间、下降时间的下限值，进行了如下实验。

由于图5所示的点燃电路不能实现急速的脉冲上升，所以，采用上述图9所示的回扫方式的点燃电路并减小变压器9的二次绕组的寄生电容(杂散电容)，以获得急速上升的脉冲，并将其施加于放电灯而求得上述下限值。

其结果是，当上升时间超过0.03μs时，放电灯的管端部变暗。由此可知，施加于放电灯的上升时间、下降时间的下限为0.03μs。

接着，在上述实验条件下，采用图5的点燃电路按如下方式对上升波形、下降波形的间隔与照度的关系进行研究。

由图5所示点燃电路的波形操作器21生成矩形波形并施加于放电灯1，将放电灯1点燃，并测定了照度和管电压。然后，仅改变上述波形间的间隔，借以检验波形间的间隔与照度的关系。

图7是表示以上述方式求得的照度效率与上升、下降波形的间隔的关系的图。此外，在该图中表示出当使上升、下降的速度基本保持恒定、且施加1.6μs脉宽(与0V的相交点宽度)的电压并使其间隔变化时的结果。

从该图可以清楚看出，当上述波形间的间隔在3.4μs以下时，照度效率降低。由此可知，上述波形间的间隔下限值为3.4μs。

在上述实验中，使用了封入压力为120×133.32Pa的放电灯，但封入放电灯的稀有气体的压力可以在80×133.32Pa～760×133.32Pa的范围内任意选定。

即，如上述特愿平8-4499号所公开的，在现有的采用正弦波高频电压点燃的情况下，如Xe气体分压达到100×133.32Pa以上，则亮度变化率急剧增大，但在本发明中，在将具有急速的上升沿、下降沿的电压施加于介质阻挡放电灯使之点燃时，即使Xe分压升高，亮度变化率也不会变化，所以，按照本发明，封入灯管内的稀有气体压力即使在80×133.32Pa以上，也仍能稳定地保持点燃状态。

另外，当封入放电灯的稀有气体的压力超过760×133.32Pa时，放电灯的密封将难以保持，所以封入气体压力的上限值应在760×133.32Pa以下。

此外，在以上的实验中，将对灯的施加电压规定为-3kVo-p，但作为对灯的施加电压，通常可以考虑使用1000V～10000V范围内的电压，使用该范围内的任意电压，都能获得同样的效果。

如上所述，在本发明中，可以使用封入气体压力为80×133.32Pa～760×133.32Pa、施加电压在1000V～10000V范围内的放电灯。

因此，在对φ15mm、放电容器壁厚0.3mm的放电距离长的灯(放电空间距离14.4mm)施加灯电压的最小值1000V、而封入压力选定在760×133.32Pa的情况下，E/xP值如下。

E/xP＝1000/(1.44×760)＝0.914

另外，在对φ6mm、放电容器壁厚1.0mm的放电距离短的灯(放电空间距离4mm)施加灯电压的最大值10000V、而封入压力选定在80×133.32Pa的情况下，E/xP值如下。

E/xP＝10000/(0.4×80)＝312.5

以上实验是对图1(a)、(b)所示的外部电极式荧光放电灯1进行的，但对图1(c)所示的中空圆筒形介质阻挡受激准分子放电灯10，在同样的点燃条件下也可以获得同样的效果。

另外，在以上说明中，对图1(a)～(c)所示的外部电极式荧光放电灯、中空圆筒形介质阻挡受激准分子放电灯的点燃条件进行了说明，但本发明的适用对象并不限定于上述放电灯，例如，也可以应用于图8(a)～(c)所示的放电灯。

即，对于如图8(a)所示的在由玻璃等构成的放电容器31内设有作为高压侧电极的金属棒32并在放电容器外周设有低压侧电极33的放电灯、或如该图(b)所示的在由玻璃、陶瓷制成的2个电介质板41和框体42构成的放电容器的两面设有外部电极44的放电灯、或如该图(c)所示的在由玻璃等形成的在内表面涂有荧光体的半球状放电容器51内设有作为高压侧电极的金属棒52并在上述放电容器51的外侧设有作为低压电极的外部电极53的放电灯，都同样可以适用。

如上所述，在本发明中可以获得以下的效果。

(1)在以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在至少一个电极和气体之间配置介质阻挡层并通过该介质阻挡层在灯管内引起放电的放电灯时，将作为上述重复波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间设定为0.03μs以上、9μs以下，因此，可以高效率地点燃放电灯。

(2)在以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在上述灯管外表面沿管轴方向至少配置2个以上的电极并在上述灯管内部涂布荧光物质的外部电极式放电灯时，将作为上述重复波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间设定为0.03μs以上、9μs以下，因此，可以高效率地点燃上述外部电极式放电灯。

(3)在上述重复波形的1周期内或邻接周期中，将供给上述能量的波形间的最长间隔设定为3.4μs以上，因此，生成的氙的激发粒子与在生成受激准分子的过程中生成的受激准分子，不会一起被接着发生的放电破坏，所以能高效率地点燃放电灯。

(4)将供给上述能量的波形的间隔上限设定为8ms，因此，可以连续地发出在复印机等中经常使用的G(绿)光。

产业上的应用可能性

如上所述，在本发明中提出的放电灯点燃装置，可以应用于OA设备的原稿读取或用作液晶显示器的背照光等。

Claims (9)

1.一种放电灯点燃装置，使用回扫方式的点燃电路，以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在至少一个电极和气体之间配置介质阻挡层并通过该介质阻挡层在灯管内引起放电的放电灯，所述放电灯点燃装置的特征在于：作为所述重复电压波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间在0.03μs以上、9μs以下。

2.根据权利要求1所述的放电灯点燃装置，其特征在于：在所述重复波形的1周期内或邻接周期中，所述供给主要能量的波形间的最长间隔在3.4μs以上。

3.根据权利要求1所述的放电灯点燃装置，其特征在于：封入灯管内的稀有气体压力为10666Pa～101325Pa。

4.根据权利要求1所述的放电灯点燃装置，其特征在于：将放电灯点燃，以使点燃灯电压E与稀有气体封入压力P和放电空间距离x之积的比为{E/(x·P))为0.007≤E/(x·P)≤2.344(V/cm·Pa)。

5.一种放电灯点燃装置，使用回扫方式的点燃电路，以具有重复波形的1kV～10kV灯电压点燃将预定量的至少一种以上稀有气体密封在由电介质构成的灯管内部、且在所述灯管外表面沿管轴方向至少配置2个以上的电极并在所述灯管内部涂布荧光物质的外部电极式放电灯，所述放电灯点燃装置的特征在于：作为所述重复电压波形的主要能量供给期间的波形上升或下降时间在0.03μs以上、9μs以下。

6.根据权利要求5所述的放电灯点燃装置，其特征在于：在所述重复波形的一周期内或邻接的周期中、所述供给能量的波形间的最长间隔，在3.4μs以上。

7.根据权利要求5所述的放电灯点燃装置，其特征在于：所述供给能量的波形的间隔上限为8ms。

8.根据权利要求5所述的放电灯点燃装置，其特征在于：封入灯管内的稀有气体压力为10666Pa～101325Pa。

9.根据权利要求5所述的放电灯点燃装置，其特征在于：将放电灯点燃，以使点燃灯电压E与稀有气体封入压力P和放电空间距离x之积的比为{E/(x·P)}为0.007≤E/(x·P)≤2.344(V/cm·Pa)。

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