JP2002529896A - Ｅｌ発光体におけるカラー・シフト制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 周波数（τ）で繰り返される、即ち、低デューティ・サイクルのエンベロープ（２６）を有する高周波信号（２１，２２）のバーストでＥｌランプに給電し、ランプ内の発光体が放出する光のカラーをシフトするが、ランプの寿命を劣化させない。バーストは、高周波信号の１つ以上の連続サイクル、または高周波信号の単一またはいくつかの密接したサイクルを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （背景） 本発明は、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）ランプに関し、特に、ランプの寿
命に重大な影響を及ぼすことなく、ＥＬ発光体が発光する光におけるカラー・シ
フトの生成に関する。

【０００２】 ＥＬパネルは、本質的に、２つの導電性電極の間に誘電体層を有するコンデン
サであり、導電性電極の一方は、酸化インディウム錫（ＩＴＯ）のような透明な
金属層である。この誘電体層は、銅をドープしたＺｎＳ発光体粉末を含むか、あ
るいは誘電体層に隣接して別個の発光体粉末層がある。発光体粉末は、強い電界
の存在下において光を放射する。用いる電流は非常に小さい。ＥＬランプはコン
デンサであるので、発光体が輝くには、電極に交流電流を印加しなければならな
い。さもないとランプは印加電圧まで充電し、ランプを通過する電流が停止し、
ランプは光の生成を中止する。

【０００３】 ＥＬ発光粒子は、硫化亜鉛系材料であり、一般に、硫化銅（Ｃｕ₂Ｓ）、セレ
ン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、および硫化カドミウム（ＣｄＳ）のような１つ以上の化
合物を、硫化亜鉛結晶構造内部の固溶体内に、あるいは粒子構造内部の第２相ま
たはドメインとして含んでいる。ＥＬ発光体は、通常、ドーパントのような他の
物質、例えば、臭素、塩素、マンガン、銀等を適量、色中心として、活性剤とし
て、または粒子格子内の欠陥を修正し、発光体の特性を所望通りに改質するため
に、含有している。銅活性化硫化亜鉛発光体は、印加電界の下で青および緑の光
を生成し、銅／マンガン活性化硫化亜鉛は、印加電界の下でオレンジ色の光を生
成する。これらの発光体を合わせると、印加電界の下で白色光を生成する。

【０００４】 Ｃｕ_xＳは、ｐ−型半導体であり、一方ＺｎＳ：Ｃｕ，ｈ（ｈ＝Ｃｌ，Ｂｒ，
Ｉ）はｎ−型半導体である。Ｃｕ_xＳの針が印加電界を変形し、局部的な電界強
度を、平均電界強度よりも１，０００倍もの高さにする。得られる発光カラーは
、ドーピング・レベルによって決定される。理論上は理解されているが、ＥＬ発
光粒子の輝度は詳細には理解されていない。発光体の輝度は、時間および使用と
共に劣化し、発光体を水分または高周波（１，０００ヘルツよりも高い）交流電
流に晒すと、一層劣化する。

【０００５】 携帯電子デバイス、自動車用ディスプレイ、および低電圧バッテリを電源とす
るその他の用途では、インバータによってＥＬランプに給電する。インバータは
直流を交流に変換する。ＥＬランプが十分に輝くためには、約１２５ボルトを超
過するピーク・ピーク電圧が必要である。実際の電圧は、ランプの構造によって
異なり、特に、発光体粉末内部の電界強度によって異なる。インバータの効率は
、バッテリの寿命およびランプの明るさに影響を及ぼす。

【０００６】 ＥＬランプを通過する交流の周波数は、ＥＬランプの寿命に影響を与え、２０
０ヘルツおよび１，０００ヘルツ間の周波数が好ましい。２００ヘルツ未満の周
波数では、発光体においてイオン移動が生ずる。１，０００ヘルツよりも高いと
、発光体の寿命が、周波数に反比例する割合で短縮する。

【０００７】 ＥＬランプは均一の輝度を与え、消費電力が非常に少ないので、ディスプレイ
におけるＥＬランプの需要は高い。また、種々のカラーの需要も高いが、発光体
の数が限られるために、これを満たすのは難しい。発光体のカラーは、量子力学
現象であり、定義として、カラーの連続スペクトルを与えない。異なる発光体の
混合、発光体の「カスケード」（発光体からの光を用い蛍光染料を模擬する）、
およびフィルタリングは、当技術分野において、特定の発光体の最強発光帯域以
外のカラーを得るための公知のいくつかの技術の内の３つである。

【０００８】 発光体の操作は、いずれもトレードオフを伴う。典型的に、明るさを犠牲にし
て種々のカラーを得ている。多くの場合、発光体の寿命（半分の明るさになるま
での時間）も短縮する。駆動周波数が高くなるに連れて、そして発光体の寿命が
高周波数化に伴って短縮するに連れて、青−緑発光体のカラーは青に向かってシ
フトすることが知られている。例えば、４，０００ヘルツにおいて半分の明るさ
までの時間は、１，０００ヘルツにおける時間の約１／４となる。

【０００９】 したがって、前述のことに鑑み、本発明の目的は、従来技術の青色ＥＬランプ
よりも長寿命化および高輝度化を図った青色ＥＬランプを提供することである。 本発明の別の目的は、寿命や輝度を実質的に変化させることなく、ＥＬランプ
のカラーを可変とする装置および方法を提供することである。

【００１０】 本発明の更に別の目的は、ＥＬ発光体または発光体混合物によって発光するカ
ラーをシフトする技法を提供することである。 本発明の別の目的は、カスケードＥＬ発光体から放射される光のカラーをシフ
トする技法を提供することである。

【００１１】 本発明の更に別の目的は、ＥＬランプ用電池給電式インバータの効率を向上さ
せることである。 （発明の概要） 前述の目的は本発明において達成する。つまり、低周波数で繰り返される、即
ち、低デューティ・サイクル・エンベロープを有する高周波信号のバーストによ
ってＥＬランプに給電し、ランプ内の発光体が放射する光のカラーをシフトさせ
る。バーストは、高周波信号の１つ以上の連続サイクル、または高周波信号の数
回の密接したサイクルを含む。 （発明の詳細な説明） 本発明は、添付図面に関連付けて以下の詳細な説明を検討することによって、
その理解を一層高めることができよう。

【００１２】 図１は、例えば、４，０００ヘルツの高周波キャリア信号を表す正弦波波形図
１１を示す。破線１３および１４で表すキャリア信号のエンベロープは一定であ
る。このような信号を、青−緑発光体で作られたＥＬランプに印加すると、ラン
プは、２００ヘルツで同じランプを駆動する場合よりも、濃い青色光を放出する
が、ＥＬランプの寿命は著しく短縮する。例えば、２００ヘルツで駆動するラン
プの寿命の１／４未満となる。

【００１３】 本発明によれば、低周波エンベロープを有する高周波キャリアによってＥＬラ
ンプを駆動する。即ち、高周波信号（例えば、＞１，０００ヘルツ）でランプを
駆動し、低周波数（例えば、３０ないし１，０００ヘルツ）でバーストが反復す
る。このような信号を図２に示す。例えば、高周波信号２４のサイクル２１およ
び２２を、周期タウ（τ）毎にＥＬランプに印加する。ここで、τは低周波信号
の周期である。その結果、濃い青色に向かう明確なシフト、および明るさの僅か
な減少が生ずる。エンベロープ２６は、約５０パーセント未満の低デューティ・
サイクルを有する。

【００１４】 高周波数でＥＬランプを駆動すると、通常ではランプの輝度が高まる。バース
トの低デューティ・サイクルのために、輝度は低下する。輝度を高めるには、バ
ーストの電圧を高める。電圧を高めるとＥＬランプの寿命が多少短縮するが、周
波数を高める場合の影響よりも、その影響は遥かに少ない。

【００１５】 周期τ毎に１サイクル以上の高周波数を用いることができ、サイクルは連続で
ある必要はない。図３に示すように、破線で示す高周波信号３１の内実線で示す
２サイクルをＥＬランプに印加する。その結果は同じであり、ＥＬランプの寿命
に悪影響を及ぼすことなく、明確なカラーのシフトが得られる。

【００１６】 ＡＣ発電機または高周波発振器から供給すると、高周波信号は正弦波状となり
、接地即ち共通点を中心として対称となる。本発明は、単一方向パルスを供給す
るインバータとでも作用する。図４に示すように、一連の第１高周波パルスをＥ
Ｌアンプに印加し、各パルスがランプを充電する。２つの高周波パルスのみを印
加し、逆極性のパルスが印加されるまでランプは放電する。波形４１で示すよう
に、ＥＬランプ上の電圧は、パルスを印加する毎に上昇する。波形４２で示すよ
うに、パルスの連続バーストは、ランプを逆極性に充電し、これによって交流を
ランプに印加する。

【００１７】 高周波パルスのデューティ・サイクルは、パルスを供給するサイクルによって
決定される。パルスのエンベロープのデューティ・サイクルは、低く、約５０パ
ーセント未満である。図３に関連して説明したように、１つ以上のパルスを印加
することができ、パルスは連続である必要はないが、エンベロープに対して低い
デューティ・サイクルを維持するためには、互いに比較的接近していなければな
らない。デューティ・サイクルは、低バースト周波数の方が高バースト周波数よ
りも長くすることができる。何故なら、バースト周波数が低い程、ＥＬランプに
対する害が少ないからである。例えば、バースト繰り返しレートを同一と仮定す
ると、５，０００ヘルツにおける１０サイクルは、１，０００ヘルツにおける１
０サイクルよりもデューティ・サイクルは短い。１，０００ヘルツにおける１０
サイクルでは、５０パーセントよりも高いデューティ・サイクルが得られるが、
これは受け入れられない。

【００１８】 図５は、パルスをランプに供給する、スイッチ・インダクタ・ブースト回路を
示す。回路の右側部分は当技術分野では公知である。米国特許第５，３１３，１
１７号（Ｋｉｍｂａｌｌ：キンボール）を参照のこと。トランジスタ５１および
５２が、インダクタ５３を介して直列に電源５５および接地間に接続されている
。トランジスタ５１をオンとし、トランジスタ５２にパルスを供給している間オ
ンに保持しておくと、正パルスがダイオード５７を介してＥＬランプ５８に結合
される。トランジスタ５２をオンとし、トランジスタ５１にパルスを供給してい
る間オンに保持しておくと、負パルスがダイオード５９を介してＥＬランプ５８
に結合される。

【００１９】 パルス発生器５０は、いずれのプログラム可能なパルス発生器またはマイクロ
コントローラでもよく、高周波キャリア・パルスを変調するための適切な信号を
供給する。従来技術では、トランジスタ５１は、低周波数の半サイクルの終了ま
で、導通状態に留まっている。本発明では、トランジスタ５２に２回パルスを供
給した後、トランジスタ５１はオフとなり（図４に示す特定例）、半サイクルの
期間中オフに留まっている。同様に、トランジスタ５２は、トランジスタ５１に
２回パルスを供給した後、オフとなり、こうして、図４に示す波形が得られる。

【００２０】 図５では、ランプ５８の一方の電極を接地し、正または負のいずれかのパルス
を他方の電極に印加する。図６に示す回路では、ブリッジ回路のＡＣ対角線を横
切ってランプを接続し、誘導性ブースト回路からのパルスをブリッジのＤＣ対角
線に印加する。米国特許第４，５２７，０９６号（Ｋｉｎｄｌｍａｎｎ）を参照
のこと。

【００２１】 図６では、パルス発生器６０がラインＣ上で高周波パルスをトランジスタ６１
に供給する。トランジスタ６１は、電源および接地間において、インダクタ６２
と直列に接続されている。トランジスタ６１がオフになる毎に、正パルスがダイ
オード６３を介してブリッジ６４のＤＣ対角線に結合される。ラインＤ上にあり
インバータ６７を通過する低周波パルスが、ブリッジの対向するアームを交互に
導通させることによって、ＥＬランプ６６に印加するパルスの極性を決定する。
パルス発生器６０は、図２、図３および図４に示すシーケンスを生成するのに適
したパルス源であればいずれでも可能である。

【００２２】 図７は、カラーをｘ−ｙ座標系で表した標準的なＣＩＥ色度図である。曲線７
１は、種々の温度における黒体のスペクトル放出を表し、曲線の右下角にある赤
から、曲線の左端にある白に達する。曲線は、０．１７６，０．００５の青から
、０．０８２，０．８３４の緑へ、そして０．７３５，０．２６５の赤に延びる
色度曲線である。この曲線は典型的に赤から青までで閉じるが、この線に沿った
カラーは人工的に発生する。

【００２３】 全て同様に構成され、同じ青−緑発光体を含有するＥＬランプに対して行なっ
た試験では、一部のランプを４００ヘルツの正弦波で駆動し、一部を２，０００
ヘルツの正弦波で駆動し、一部を４００ヘルツでパルス化した２，０００ヘルツ
で駆動した。等しい初期輝度（１４．４ｆＬ）を有するように、全てのランプに
対して電圧を調節した。４００Ｈｚで駆動したランプは、ドット７４で表すカラ
ー座標ｘ＝０．１７１，ｙ＝０．３８７を有した。パルス状２，０００ヘルツ信
号で駆動したランプは、ドット７５で表すカラー座標ｘ＝０．１６３，ｙ＝０．
２９４を有した。定常２，０００ヘルツ信号で駆動したランプは、ドット７６で
表すカラー座標ｘ＝０．１５８，ｙ＝０．２５２を有した。パルス状高周波信号
で駆動したランプは、４００ヘルツで駆動したランプよりも明らかに濃い青であ
った。このように、カラーが得られたが、カラーは本発明の半分に過ぎない。

【００２４】 ドット７６で表したランプの平均寿命はわずか２３８時間でしかなかった。こ
の時点で、間欠的な高周波で駆動したランプは、初期輝度の６３％であり、４０
０Ｈｚで駆動したランプは初期輝度の６６％であった。２３８時間における寿命
曲線の傾きに基づいて、ドット７４および７５で表したランプは、約１０００時
間の寿命を有することが予測される。このように、本発明にしたがって駆動した
ランプは、従来技術にしたがって駆動したランプの寿命よりも４倍長い寿命を有
する。

【００２５】 高周波信号をパルス化しＥＬランプに印加することによって、インバータの効
率が向上する。何故なら、ランプは蛍光体の持続性のために短い時間光を放出し
続けるが、インバータはもはや連続的に動作しないからである。

【００２６】 高周波数のバーストは、低周波信号と組み合わせることによって、輝度を高め
目立ち方が少ないカラー・シフトを得ることができる。言い換えると、異なる周
波数のバーストを順次、例えば、４００ヘルツ、次いで１，２００ヘルツ、そし
て更に４，０００ヘルツというように供給することによって、本発明にしたがっ
てＥＬランプを駆動すれば、所望のカラーを生成することができる。バーストは
、分離していても隣接していても可能である。バーストは全てが同じ電圧である
必要はなく、前述の理由のために、同じ電圧でない方が好ましい。低周波バース
トの電圧は、高周波バーストよりも低い。

【００２７】 キャリア信号の波形は重要ではない。例えば、正弦波、方形波、鋸歯波、また
は三角波を、個々にまたは組み合わせて用いることができる。図８は、色度図の
一部であり、種々の波形および周波数によって駆動したランプによって生成した
カラーを示す。白い菱形は図７からのデータを表す。ドット８１は、４００ヘル
ツの正弦波波形でランプを駆動して得られたカラーを表す。４００ヘルツの三角
波形で駆動したランプからは、本質的に同じカラーが得られた。ドット８２は、
４００ヘルツの鋸歯波形で駆動したランプから得られたカラーを表す。ドット８
３は、４００ヘルツで繰り返される２，０００ヘルツの正弦波波形の単一サイク
ルで駆動したランプから得られたカラーを表す。ドット８４は、４００ヘルツで
繰り返される２，０００ヘルツの三角波形の単一サイクルで駆動したランプから
得られたカラーを表す。ドット８５は、２，０００ヘルツの正弦波波形で駆動し
たランプから得られたカラーを表す。ドット８６は、２，０００ヘルツの三角波
形で駆動したランプから得られたカラーを表す。ドット８７は、４００ヘルツで
繰り返される２，０００ヘルツの鋸波波形の単一サイクルで駆動したランプから
得られたカラーを表す。ドット８８は、２，０００ヘルツの鋸波波形で駆動した
ランプから得られたカラーを表す。

【００２８】 図８に示す検査結果では、特定の光度を維持する試みは行なわず、寿命の測定
も行なわなかった。何故なら、いずれのパラメータもカラーには影響を及ぼさな
いからである。一方、波形は寿命に多大な影響を及ぼす。特に、鋸歯波形は、同
じ周波数の正弦波信号よりも寿命を短縮すると考えられる。

【００２９】 より明るい青を有することができれば、以前には得られなかったカラー、例え
ば、紫を得ることができる。紫は、実際には、赤と青の混合である。このような
ＥＬランプは、例えば、カスケード発光体を用いることによって、今や実現可能
である。他の新規なカラーの組み合わせも得ることができる。

【００３０】 このように、本発明は、従来技術の青色ＥＬランプよりも長い寿命および高い
輝度を有する青色ＥＬランプを提供する。寿命や輝度を大幅に変更することなく
、ＥＬランプのカラーを可変とすることができる。本発明は、単一ＥＬ発光体、
混合発光体、またはカスケード発光体とでも作用する。以前には得られなかった
カラー、例えば、紫を有用な明るさおよび寿命で得られることに加えて、バッテ
リ駆動式インバータの効率も向上する。

【００３１】 以上、本発明について説明したが、本発明の範囲内において種々の変更が可能
であることは、当業者には明白であろう。例えば、デューティ・サイクルのオフ
時間の間０ボルトを供給するように示したが、０ボルトではなく低電圧をランプ
に供給することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 エンベロープを有する連続高周波信号を表す図である。

【図２】 パルス状高周波信号を表す図である。

【図３】 パルス状高周波信号の別の形態を表す図である。

【図４】 電池駆動式インバータのパルス状出力からのエンベロープを表す図である。

【図５】 単一端出力を有する誘導性ブースト・インバータの部分的構成図である。

【図６】 ブリッジ出力を有する誘導性ブースト・インバータの部分的構成図である。

【図７】 ＣＩＥ色度図である。

【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年３月１日（２０００．３．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キンナリー，エドワード・エル アメリカ合衆国アリゾナ州85233，チャン ドラー，サウス・マーティヌク・ドライブ 731 Ｆターム(参考） 3K007 AB05 DA01 DA02 DB02 EC00 GA01 GA04

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＥＬランプにおける少なくとも１つの発光体が生成する光
   のカラーを調節する方法であって、 高周波キャリアおよび低周波エンベロープを有する電気信号を生成するステッ
   プであって、前記低周波エンベロープが短いデューティ・サイクルを有する、ス
   テップと、 前記電気信号を前記ＥＬランプに印加するステップと、 から成る方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記生成するステップは、少
   なくとも１サイクルの前記高周波キャリアを間欠的に発生することを含む方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の方法において、前記生成するステップは、少
   なくとも１サイクルのパルス状電圧を間欠的に発生することを含む方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の方法において、前記印加するステップは、ブ
   リッジ回路によって、前記ＥＬランプを通過するパルスの方向を交代させるステ
   ップを含む方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載の方法において、前記高周波キャリアは、少な
   くとも１，０００ヘルツの周波数を有し、前記発光体のカラーを青に向けてシフ
   トする方法。
6. 【請求項６】 ＥＬランプにおける少なくとも１つの発光体が生成する光の
   カラーをシフトする方法であって、 高周波キャリア信号を供給するステップと、 前記信号を低周波数で変調し、短いデューティ・サイクルを有する変調信号を
   生成するステップと、 前記変調信号を前記ＥＬランプに印加するステップと、 から成る方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の方法において、前記供給するステップは、少
   なくとも１サイクルの前記高周波キャリアを生成することを含む方法。
8. 【請求項８】 請求項６記載の方法において、前記供給するステップは、少
   なくとも１サイクルのパルス状電圧を生成することを含む方法。
9. 【請求項９】 ＥＬランプにおける少なくとも１つの発光体が生成する光の
   カラーをシフトする方法であって、 第１周波数を有する第１信号を生成するステップと、 第２周波数を有する第２信号を生成するステップであって、前記第２周波数が
   前記第１周波数よりも高い、ステップと、 前記第１信号および前記第２信号を交互に前記ＥＬランプに印加するステップ
   と、 から成る方法。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の方法において、前記第１信号および第２信
    号を、所定の間隔だけ分離する方法。
11. 【請求項１１】 請求項９記載の方法において、前記第１信号の周波数は３
    ０ないし１，０００ヘルツの範囲であり、前記第２信号の周波数は１，０００ヘ
    ルツよりも高い方法。
12. 【請求項１２】 請求項９記載の方法において、前記第１信号および前記第
    ２信号を交互に前記ランプに印加し、前記ランプに連続的に給電する方法。