JP2005071857A - 誘電体バリア放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 希ガス外面電極型蛍光ランプに対して、極低調光率域でもちらつきのない安定したランプ点灯を可能にする。
【解決手段】 この誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成する希ガス放電用ガスが充填された放電プラズマ空間を有し、この希ガス放電用ガスに放電現象を誘起させるための２つの電極4,5のうち少なくとも一方と希ガス放電用ガスの間に誘電体1が介在する構造の誘電体バリア放電ランプ12と、電極4,5に周期的に所定パルス数の矩形波の高電圧を印加するための給電装置9とを具備し、給電装置が外部からの調光信号から調光率に対応して出力パルス数／単位時間を判定し、パルス数設定信号18を出力するパルス数判定回路16と、パルス数設定信号の示す所定パルス数／単位時間だけの矩形波駆動信号19,20を出す駆動信号作成回路１７を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パーソナルコンピュータやナビゲーションシステムなどに使用される液晶表示装置のバックライト光源に適する誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する。

従来から液晶表示装置用のバックライト光源には、水銀が封入された冷陰極蛍光ランプが使用されている。図４は、水銀入り冷陰極蛍光ランプの低調光時（１％）のランプ点灯波形、すなわちランプ電圧波形及び電流波形を示している。水銀入り蛍光ランプの場合、図４中に示してあるように調光率１％に適合した調光制御信号のハイレベル（Ｈ）期間の信号を使って、１％に対応した期間Ｗにランプ電圧、電流波形を作成する。水銀入り蛍光ランプの場合は、この期間Ｗの前後に初期の波形歪や波形残りが多少存在してもランプ光にちらつきが発生するまでには至らなかった。これは、水銀の場合は、キセノンなどの希ガスに比べて光の変換効率が非常に高いために、ガラス管中に極めて微量の水銀を封入すればよい上に、水銀原子の重さがキセノン原子よりも軽いという条件も加わってガラス管内を広い範囲で自由に移動可能である。そのため、水銀入り蛍光ランプヘ少々歪んだランプ電圧波形を供給しても、水銀原子から発する紫外線がガラス管内を広く拡散することで、ランプ光がちらつくという現象は発生し難かった。

しかし、近年有害物質である水銀の変わりに希ガスを使った外面電極型誘電体バリア放電型の冷陰極蛍光ランプが開発されている。そのような希ガス蛍光ランプを点灯させる希ガス蛍光ランプ点灯装置の一例として、図５、図６の構造の外面電極型蛍光ランプ１２と、図７、図９のハーフブリッジ方式の給電装置９を組み合わせた従来例の誘電体バリア放電ランプ点灯装置を説明する。まずランプ１２の構造について説明すると、１は内壁に蛍光体２が設けられたガラス管であり、このガラス管１の内部には少なくともキセノンを含んだ放電媒体が封入されている。ガラス管１の少なくとも一端には、導入線３を介して内部電極４が封着されている。ガラス管１の外壁には、線状の導電性物質（導電線）が外部電極５として螺旋状に巻かれている。外部電極５は、透光性熱収縮チューブ６で被覆され、ガラス管１の表面に固定されることにより電極の位置ずれを生じない工夫がされている。内部電極４は導入線３を介して電圧供給線８に接続され、また外部電極５は固定用金属棒７を介して電圧供給線８'に接続され、インバータ構成の給電装置９を用いて高周波の正負のランプ電流を供給することで放電を開始し、キセノンから紫外線を放出する。この紫外線は蛍光体２によって可視光に変換され、光源として利用できる。

上記の外面電極型蛍光ランプ１２を点灯するためのインバータ構成の給電装置９は、図７、図９に示すようなものである。この従来の給電装置９では、トランスＴ１の２次巻線側に希ガス外面電極型蛍光ランプ１２を接続し、１次巻線側の一端には中点バイアス作成用のコンデンサＣ１，Ｃ２を並列に接続し、各々のコンデンサＣ１，Ｃ２を介してＶｃｃとＧＮＤへつなぎ、さらに残りの一端は、コイル、ダイオード、抵抗、抵抗成分を持った素子Ｚ１，Ｚ２、もしくはそれらを組みわせた素子群を介して、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から高周波の矩形波電圧を供給する。

図７は、駆動信号作成回路１０から制御回路１１を経て出力される駆動信号１により半導体スイッチング素子Ｓ１がオフし、駆動信号２により半導体スイッチング素子Ｓ２がオンすることで、正のランプ電流を作成する状態を示している。図９は、駆動信号１により半導体スイッチング素子Ｓ１がオンし、駆動信号２により半導体スイッチング素子Ｓ２がオフすることで、負のランプ電流を作成する状態を示している。すなわち、タイミングチャート図１０〜図１１に示すように、駆動信号１、駆動信号２のオン期間でランプ駆動用トランスＴ１の１次巻線電圧が、Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ…と繰り返すことで、トランスＴ１の２次巻線に接続された外面電極型蛍光ランプ１２に正負のランプ電流を供給して点灯させるのである。そしてこれらの動作を繰り返すことで、ランプ１２に矩形波電圧が継続的に供給されることで、容量成分を持った本構造の希ガス外面電極型蛍光ランプ１２に正負のランプ電流が継続的に印加され、輝度の高いランプ点灯が実現できる。

ここで１００％以外の調光時においては、その調光率に応じて調光制御信号１３のＨ電圧の時間が変わる従来例の給電装置９は、制御回路１１において調光制御信号１３のＨ電圧の期間だけスイッチＳ３，Ｓ４が閉じて、駆動信号作成回路１０で作った駆動信号１、駆動信号２を半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２へ伝達し、その他のＬ（ロー）電圧の期間においてはスイッチＳ３，Ｓ４を開き、駆動信号１、駆動信号２を半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２へ伝達しない。

図９、図１０、図１１は、給電装置９によるランプ駆動周波数が２０ｋＨｚで、調光率が２％の場合のタイミングチャートを示している。ここで、ランプ駆動周波数（＝ｆ）が２０ｋＨｚであるとは、すなわち１パルスの周期（＝ｔ）が５０μｓｅｃであり、調光率が１００％すなわち全灯で１周期当たり２００パルスの駆動信号がランプ１２に供給され、１周期（＝５０μｓｅｃ×２００パルス）が１０ｍｓとなる波形である。この場合、調光率２．０％では１周期当たり４パルスの矩形波がランプ１２に供給されることになる。

図９中の１周期目は１発目の波形が１サイクル分の波形の途中からスタートして欠落Ａ−１、欠落Ａ−２が発生した場合であり、２周期目は最後のサイクルの波形が途中で途切れて欠落Ｂ−１、欠落Ｂ−２が発生した場合である。

図１０はランプ駆動波形の２周期目のスタートが（１サイクル＋α）時間早くスタートしたために、１サイクル目のスタートタイミングの変動が−１／２×Ｔ〜＋１／２×Ｔ（ただし、Ｔは１サイクルの周期）を超えた場合である。

図１１はランプ駆動波形の各サイクルの変動幅が、−１／１０×Ｔ〜＋１／１０×Ｔを超えた場合のタイミングチャートである。

しかし、従来回路の場合は、調光制御のためのスイッチＳ３，Ｓ４の開閉タイミングが１サイクル毎に同期していない上に、駆動信号作成回路１０で作成した駆動信号自体も常に１サイクル分のランプ駆動波形の管理をしていないために波形が歪んだり、周期が変動したりし、その歪んだ、変動した駆動信号１，２によってトランスＴ１の１次側に接続された半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオン／オフ制御するため、トランスＴ１の２次側に接続された外面電極型蛍光ランプ１２の駆動波形の１つ１つをきめ細かく管理することは不可能であった。

従来の水銀入り蛍光ランプ（冷陰極構造）の場合、輝度が低い２５％以下の低調光域においても、ランプ駆動波形に少々変動があっても、また最初の駆動波形が途中から始まろうが最後の駆動波形が途中で切れて終わろうが、水銀レスの希ガス外面電極型蛍光ランプとは発光原理が違うことから、ランプ光がちらつくという現象までに至らなかった。

しかしながら、従来の調光制御方式を適用した給電装置９を使って本構造のようなバリア放電を利用したキセノンランプを点灯する場合、２５％以下の低調光域でちらつきが目立ち、低調光率で安定なランプ点灯が要求される用途への適応は困難であった。
特開２００２−１２４２１４号公報 特開２００２−２０３６９９号公報

本発明は、上述した従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、ランプ駆動波形の１つ１つをきめ細かく管理することで、安定したランプ点灯が可能となり、特に２５％以下の極低調光率域でもちらつきのない安定したランプ点灯が可能な誘電体バリア放電ランプ点灯装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成する希ガス放電用ガスが充填された放電プラズマ空間を有し、この希ガス放電用ガスに放電現象を誘起せしめるための２つの電極のうち少なくとも一方と前記希ガス放電用ガスの間に誘電体が介在する構造を有する誘電体バリア放電ランプと、前記電極に周期的に所定パルス数の矩形波の高電圧を印加するための給電装置とを具備する誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、前記給電装置は、外部から入力される調光信号から調光率に対応して単位時間当たりの出力パルス数を判定し、パルス数設定信号を出力するパルス数判定回路と、前記パルス数設定信号の示す単位時間当たりの所定パルス数だけの矩形波駆動信号を出力する駆動信号作成回路とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１の誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、前記矩形波駆動信号の各周期の１サイクル目のスタートタイミングの変動を、−１／２×Ｔ〜＋１／２×Ｔの範囲内（ただし、Ｔは１サイクルの周期）にしたことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、前記矩形波駆動信号の各サイクルの変動幅を、−１／１０×Ｔ〜＋１／１０×Ｔの範囲内にしたことを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３の誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、前記給電装置の駆動方式は、フルブリッジ方式、ハーフブリッジ方式、プッシュプル方式又は中点タップ方式であることを特徴とするものである。

本発明によれば、希ガス誘電体バリア放電ランプを低い調光率範囲でも水銀入りの蛍光ランプと同等以上にちらつきなく安定して点灯させることができ、低い調光率でも安定な点灯が求められるナビゲーションシステムやＴＶモニターに使用される液晶表示装置のバックライト光源として導入可能である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１、図２は本発明の１つの実施の形態の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の回路図であり、図３はそのタイミングチャートである。駆動点灯させる誘電体バリア放電ランプは、従来例として図４、図５に示した水銀レスの希ガス外面電極型蛍光ランプ１２であり、これに対して図１、図２に示した回路構成の給電装置９にて高周波、矩形波電圧を供給する。

給電装置９は、外部から調光信号１３を入力しパルス数を判定するパルス数判定回路１６、このパルス数判定回路１６のパルス数設定信号１８により欠陥のない完全な矩形波形の駆動信号１（１９）、駆動信号２（２０）を生成して出力する駆動信号作成回路１７、そして、従来例と同様にこれらの駆動信号１９，２０によってスイッチング動作する半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、回路要素Ｚ１，Ｚ２、中点バイアス用コンデンサＣ１，Ｃ２、ランプ駆動用トランスＴ１にて構成されている。

次に、上記構成の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の動作について説明する。本実施の形態でも、従来例と同じようにランプ駆動周波数は２０ｋＨｚ、調光率２％の場合の動作を図３を用いて説明する。

本実施の形態の特徴は、調光率に応じて駆動信号の正確なパルス数を計算するパルス数判定回路１６へ調光信号１３を入力することで、調光率に応じたパルス数の情報を持ったパルス数設定信号１８を作成することにある。このパルス数設定信号１８は駆動信号作成回路１７へ入力される。駆動信号作成回路１７は、入力されるパルス数設定信号１８に基づいて出力する駆動信号１（１９）、駆動信号２（２０）のパルスの個数を判断し、１周期分のパルス数、各サイクルのランプ駆動波形を正確に管理する。なお、パルス数判定回路１６と駆動信号作成回路１７を包含する部分２１をマイコンや専用ＩＣで構成することでランプ駆動波形の１パルス１パルスを正確に作成、制御できるようになり、より精度の高い波形の制御が比較的簡単に実現できる。

駆動信号作成回路１７では、調光率に見合った１周期分のパルス数をパルス数設定信号１８から判断し、それを反映した正確なパルス数、完全なパルス波形の駆動信号１９、２０を作成して出力し、これらによって従来回路と同じように半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオン／オフ制御する。

図１に示した状態のように、半導体スイッチング素子Ｓ２がオンすれば、Ｖｃｃ→Ｃ１→Ｔ１→Ｚ２→Ｓ２→ＧＮＤの経路で電流が流れ、逆に半導体スイッチング素子Ｓ１がオンすれば、図２に示したようにＶｃｃ→Ｓ１→Ｚ１→Ｔ１→Ｃ２→ＧＮＤの経路で電流が流れる。

これにより、本実施の形態の誘電体バリア放電ランプ点灯装置では、給電装置９のランプ駆動用トランスＴ１の２次巻線から蛍光ランプ１２に、図３に示すようなちらつきの発生しない条件を満足するランプ駆動波形、すなわちランプ電圧波形、ランプ電流波形が得られることとなる。すなわち、ちらつきのない安定した点灯を実現するための条件として、常に１サイクル分のランプ駆動波形の出力を完全に管理することで、各周期のランプ駆動波形中には不完全な波形が存在せず、すなわち従来回路のように各周期の１発目の波形が１サイクルの分の波形の途中からスタートしたり、各周期の最後のサイクルの波形が途切れたりしないようにできる。また、ランプ駆動波形の各周期の１サイクル目のスタートタイミングの変動が−１／２×Ｔ〜＋１／２×Ｔの範囲内（ただし、Ｔは１サイクルの周期）であること、ランプ駆動波形の各サイクルの変動幅が−１／１０×Ｔ〜＋１／１０×Ｔの範囲内であることを満足することで、水銀ランプ同等以上のちらつきのない安定したランプ点灯が可能になるのである。

なお、本発明は希ガスを使った外面電極型誘電体バリア放電ランプのいずれにも適応できる上に、フルブリッジ方式、ハーフブリッジ方式、プッシュプル方式又は中点タップ方式などのいずれにも適応でき、駆動回路方式には特に依存しないものである。また、上記ではランプ駆動周波数２０ｋＨｚを例にとって説明したが、本発明はランプ駆動周波数に関して特に２０ｋＨｚに限定されるものではない。

本発明の１つの実施の形態の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の回路図であり、半導体スイッチング素子Ｓ１がオフ、Ｓ２がオン時の状態を示す図。 上記実施の形態の回路図であり、半導体スイッチング素子Ｓ２がオフ、Ｓ１がオン時の状態を示す図。 上記実施の形態による周波数２０ｋＨｚ、調光率２％時のタイミングチャート。 従来例による水銀入り蛍光ランプの実波形図（調光率１％の場合）。 一般的な希ガス外面電極型蛍光ランプの外観図。 一般的な希ガス外面電極型蛍光ランプの軸方向断面図。 従来例の回路図であり、半導体スイッチング素子スイッチＳ２がオン、Ｓ１がオフ時の状態を示す図。 従来例の回路図であり、半導体スイッチング素子スイッチＳ１がオン、Ｓ２１がオフ時の状態を示す図。 従来例による周波数２０ｋＨｚ、調光率２％時のタイミングチャート（波形の途中からスタートした場合と最後が波形の途中で切れた場合）。 従来例による周波数２０ｋＨｚ、調光率２％のタイミングチャート（１周期目が完全に終わらずに２周期目がスタートした場合）。 従来例による周波数２０ｋＨｚ、調光率２％のタイミングチャート（ランプ駆動波形に変動がある場合）。

符号の説明

１：ガラス管
２：蛍光体
３：導入線
５：外部電極
６：熱収縮チューブ
７：固定用金属棒
９：給電装置
１２：希ガス外面電極型蛍光ランプ
１３：調光信号
１６：パルス数判定回路
１７：駆動信号生成回路
１８：パルス数設定信号
１９：駆動信号１
２０：駆動信号２
２１：マイコンまたはカスタムＩＣ
Ｔ１：ランプ駆動用トランス
Ｓ１，Ｓ２：半導体スイッチング素子
Ｓ３，Ｓ４：調光期間設定スイッチ
Ｚ１，Ｚ２：回路要素
Ｃ１，Ｃ２：中点バイアス用コンデンサ
Ｖｃｃ：電圧
Ｖ₂：トランス１次電圧
Ｉ_L2：ランプ電流

Claims (4)

1. 誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成する希ガス放電用ガスが充填された放電プラズマ空間を有し、この希ガス放電用ガスに放電現象を誘起せしめるための２つの電極のうち少なくとも一方と前記希ガス放電用ガスの間に誘電体が介在する構造を有する誘電体バリア放電ランプと、前記電極に周期的に所定パルス数の矩形波の高電圧を印加するための給電装置とを具備する誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、
   前記給電装置は、外部から入力される調光信号から調光率に対応して単位時間当たりの出力パルス数を判定し、パルス数設定信号を出力するパルス数判定回路と、前記パルス数設定信号の示す単位時間当たりの所定パルス数だけの矩形波駆動信号を出力する駆動信号作成回路とを備えたことを特徴とする誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
2. 前記矩形波駆動信号の各周期の１サイクル目のスタートタイミングの変動を、−１／２×Ｔ〜＋１／２×Ｔの範囲内（ただし、Ｔは１サイクルの周期）にしたことを特徴とする請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
3. 前記矩形波駆動信号の各サイクルの変動幅を、−１／１０×Ｔ〜＋１／１０×Ｔの範囲内にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
4. 前記給電装置の駆動方式は、フルブリッジ方式、ハーフブリッジ方式、プッシュプル方式又は中点タップ方式であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
   
   

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