JP2006338896A - 誘電体バリア放電ランプの点灯装置及び点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長さ方向全域に亘り、一様な輝度が得られる誘電体バリア放電ランプの点灯装置及び点灯方法を提供する。
【解決手段】 点灯装置は、発光管（１）の内部電極（４、５）と外部電極（６）間に第１の周波数の交流電圧を供給し発光管を発光させるインバータ（７）と、振幅が第２の周波数で変化する電源電圧をインバータ（７）に供給する電源（９）とを備える。インバータ（７）は、電源（９）からの第２の周波数の電圧を用いて第１の周波数の交流電圧を振幅変調した電圧を発光管（１）の内部電極（４、５）と外部電極（６）間に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高輝度化が図れ、かつ安定した点灯が可能なバックライト用光源などに好適な誘電体バリア放電ランプの点灯装置及び点灯方法に関する。

近年の映像ディスプレイの大画面化、薄型化にともない、液晶表示装置の高性能化が要求されている。そしてその構成用件であるバックライト用光源として、従来、冷陰極蛍光ランプが使用されてきたが、近年、環境保護の面から、光源部の無水銀化が期待されている。このため、水銀を使用しないで高効率が得られる誘電体バリア放電ランプが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

図１０，図１１は、特許文献１に記載された従来の誘電体バリア放電ランプの構成及びそれにより得られる輝度分布を示すものである。

図１０において、誘電体バリア放電ランプ１４は、内壁面に蛍光体皮膜１５が形成され、かつキセノンを主体とした希ガス放電媒体が封入されたガラス管１６と、ガラス管の両端にリード端子１７ａを導出して封装された内部電極１８ａとリード端子１７ｂを導出して封装された内部電極１８ｂと、ガラス管１６の外周面に、管軸方向ほぼ全長に亘って螺旋状に捲装された外部電極１９とを有する。このようなランプ１４は、リード端子１７ａおよび１７ｂを介して内部電極１８ａおよび１８ｂに、リード１９ａを介して外部電極１９に、電源２１から所定の周期的な交流電圧（１〜３ｋＶ）が印加されると、内部電極１８ａ、１８ｂと外部電極１９との間で放電が開始され、ガラス管１６内で紫外放射を放射する。こうして放射された紫外放射がガラス管１６内壁面の蛍光体被膜１５を励起し可視放射を発生させ、蛍光ランプとして機能する。

この誘電体バリア放電ランプを液晶バックライト用光源として使用する場合、液晶ディスプレイの大型化に伴い、発光管（ランプ）の長尺化が要求される。このため、ガラス管１６の全長に亘って所要の発光を得るために、ガラス管全域に放電を広げるためには印加電圧を非常に高く設定する必要があった。しかしながら印加電圧を一定以上高くするとガラス管１６の管軸方向に放電のムラが生じ、全長に亘ってほぼ一様の輝度分布を持つ蛍光ランプとして機能しなくなる問題があった。

これをさらに詳しく説明すると、ガラス管１６の長さ方向全域に亘り、陽光柱が管軸方向に広がる拡散陽光柱を発生する場合には、ランプの輝度を全長に亘りほぼ一様に高くすることができる。しかし、ガラス管１６を長くし、ガラス管１６内全域に放電を発生させるため印加電圧を高くすると、内部電極１８ａ、１８ｂ付近の管電流が高くなり陽光柱が細い線状の収縮陽光柱となり、これより発生する紫外放射がきわめて小さくなるため、この内部電極１８ａ、１８ｂ近辺の輝度が１／２以下となり長さ方向の輝度ムラが発生する。

このような問題に対して特許文献１では、拡散陽光柱の発生をガラス管１６の少なくとも半分の長さで発生させ、かつ収縮陽光柱が発生しない印加電圧を、外部電極１９に対して内部電極１８ａ，と１８ｂに交互に所定の周期で接続を切り替えて印加し（図１０（ａ）、（ｂ）参照）、これにより、ガラス管の長さ方向全域に亘り、一様な輝度を得ている。
特開平２００４−１２７５４０号公報（図５を参照）

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、実現できるランプの長さは、管軸方向に均一な拡散陽光柱がえられ、かつ電極部分で収縮陽光柱が発生しない放電での陽光柱の最大長さの２倍が限度である。例えば図１１を参照すると、ガラス管３００ｍｍの発光管の場合、すでに１００ｍｍ以上収縮陽光柱が発生していることが示されており、封入ガス条件にもよるが、この方法では、実用になるのはガラス管６００ｍｍ以下である。特許文献１の方法に対するわれわれの実験では、図１２に示すように、ランプ左端（内部電極）に印加電圧を変えても輝度が上昇せず管軸方向に広がる収縮放電の領域（図１２の囲み部分）が生じ、ランプ左端から４００ｍｍ以上の距離では輝度が低下した。このように、われわれの実験によれば、ガラス管径５ｍｍ以下では、４００ｍｍ以上のランプで特許文献１記載の効果を得ることは、収縮陽光柱が抑制できず難しい。

実際に、例えば３２インチ以上の液晶ディスプレイ用バックライトを実現する場合、放電管を水平点灯しようとすればガラス管は７００ｍｍ以上が必要となり、特許文献１の方法では実現できない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは長さ方向全域に亘り、一様な輝度が得られる誘電体バリア放電ランプの点灯装置を提供することにある。

上記従来の課題を解決するため、本発明に係る誘電体バリア放電ランプの点灯装置は、内部電極と外部電極とを有する発光管を点灯させる装置であって、発光管の内部電極と外部電極間に第１の周波数の交流電圧を供給し、発光管を発光させるインバータと、振幅が第２の周波数で変化する電源電圧をインバータに供給する電源とを備える。インバータは電源からの第２の周波数の電圧を用いて第１の周波数の交流電圧を振幅変調した電圧を発光管の内部電極と外部電極間に供給する。

本発明に係る誘電体バリア放電ランプの点灯方法は、内部電極と外部電極とを有する発光管を点灯させる方法であって、第１の周波数の交流電圧を第２の周波数の電圧を用いて振幅変調し、その振幅変調した電圧を発光管の内部電極と外部電極間に供給する。

第２の周波数は、発光管の蛍光体の残光時間より短い周期の周波数であるのが好ましい。または、第２の周波数は１００Ｈｚ以上かつ１ｋＨｚ以下であってもよい。

インバータが発光管の内部電極と外部電極間に供給する電圧は、その実効値電圧の平均が１．５ｋＶから２．５ｋＶであり、かつ電圧振幅率が±５０％以内であることが好ましい。

本発明によれば、発光管の内部電極と外部電極間に供給する第１の周波数の交流電圧を第２の周波数の電圧を用いて振幅変調し、その振幅変調した電圧を発光管に供給することにより、発光管の管軸方向の輝度分布を管軸方向に変化させ、発光管の輝度分布を均一にした誘電体放電ランプの点灯装置を実現できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態における誘電体バリア放電ランプの点灯装置の構成を示す図である。点灯装置は、蛍光ランプ１を点灯させるための駆動電圧を供給するインバータ７と、インバータ７を制御するための駆動信号を生成する駆動信号発生回路８と、電源９とを含む。

蛍光ランプ１はガラス管２の内壁面に蛍光体層３が形成され、かつキセノンを主体とした希ガスが封入され、ガラス管２の両端側に対向して封装された一対の第１及び第２の内部電極４、５と、ガラス管２の外側に、管軸方向ほぼ全長に亘って、所定の距離を保つように設置した外部電極６とを有する。

ここでガラス管２は外径２〜５ｍｍ程度、長さ６００ｍｍ以上で放電媒体としてキセノンとアルゴンの混合ガスが、キセノン分圧比３０％以上、全圧５〜４０ｋＰａ程度に封入されている。

インバータ７は、スイッチング素子であるＦＥＴ１０，１１と、パルストランス１２とを備える。インバータ７は、駆動信号発生回路８からの駆動信号によりＦＥＴ１０および１１を交互にＯｎ状態にし、電源９からの電圧を所定の周波数（以下「第１の周波数」という。）の矩形波に変調し、パルストランス１２の一時側に印加する。

電源９はパルストランス１２の一次側に電源電圧を供給するが、本実施形態では、特に、２０Ｖの直流電圧に、±１０Ｖの振幅値で１００Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下の周波数（以下「第２の周波数」という。）の交流電圧を重畳して得られる１０Ｖ〜３０Ｖ程度のバイアス電圧をインバータ７に出力する。このバイアス電圧により、インバータ７の出力電圧は例えば１ｋＶから３ｋＶに変調される。

インバータ７は、蛍光ランプ１の内部電極４、５と外部電極６との間に交流電圧（矩形波電圧）を供給する。その交流電圧の周波数（以下「駆動周波数」という。）は駆動信号発生回路８より制御される。具体的には、駆動信号発生回路８から、インバータ７のスイッチング素子１０、１１に供給される駆動信号により制御される。駆動周波数は１０〜６０ｋＨｚである。

図２は駆動信号発生回路８からインバータ７の各スイッチング素子１０、１１に供給される駆動信号（２０ｋＨｚ）の波形を示す図である。図３は電源９から出力されるバイアス電圧（６６７Ｈｚ）の波形を示す図である。電源９からインバータ７に対して図３に示すバイアス電圧が印加されるとともに、インバータ７の各スイッチング素子１０、１１が図２に示す駆動信号により駆動されることで、パルストランス１２の一次側には結果として図４に示すような交流電圧が印加される。この交流電圧に応じて昇圧された駆動電圧がパルストランス１２の二次側から蛍光ランプ１に供給される。すなわち、蛍光ランプ１には、第１の周波数の矩形波を第２の周波数の交流電圧により振幅変調して得られる電圧が駆動電圧として供給される。このように蛍光ランプ１に所定の周波数で振幅値が変化する駆動電圧を印加することで、蛍光ランプ１の輝度分布を管軸方向に変化させ、蛍光ランプ１の管軸方向の輝度分布の均一化を図ることが可能となる。以下、この点についてより詳細に説明する。

図５に電源９からパルストランス１２の一次側に印加される電源電圧に対する蛍光ランプ１の管軸方向の輝度分布の変化の様子を示す。電源電圧が１０Ｖ程度の低い状態では、内部電極４、５と、外部電極６との間の印加電圧は０．５〜１ｋＶ程度と低くなる。このときランプ内の放電分布は図５（ａ）に示すように、両内部電極４、５からほぼ拡散陽光柱の状態の放電が発生し、内部電極４、５近傍で輝度の最大領域が発生し、蛍光ランプ１の中央部に行くに従い輝度が減衰する。このため、蛍光ランプ１の中央に暗部が生じる。

さらに電源電圧を上げ、内部電極４、５と、外部電極６との間の印加電圧が２ｋＶ程度になると、図５（ｂ）に示すように内部電極４、５近辺から収縮陽光柱が伸び始め、蛍光ランプ１の中央部の暗部がなくなる。このとき、両内部電極４、５から蛍光ランプ１の管中央方向に拡散陽光柱より輝度が低い収縮陽光柱が延び、ある程度の距離から拡散陽光柱に切り替わる。この拡散陽光柱への切り替わり部分で輝度は高くなる。しかし拡散陽光柱は管中央部に行くに従い減衰し輝度が低下していくため、Ｍ字型の輝度分布を呈する。この内部電極からの収縮陽光柱の延びは、電圧が上がるに従い増加し、輝度のピークは蛍光ランプ中央に移動していく。

さらに電源電圧を上げ、内部電極４、５と外部電極６との間の印加電圧が３ｋＶ程度になると、図５（ｃ）に示すように、内部電極４、５から蛍光ランプ１の中央手前まで長く収縮陽光柱が発生し、ランプ中央部で拡散陽光柱が発生する。このため、輝度のピークは蛍光ランプ１の中央部に寄ってしまう。

以上のような輝度分布の変化を考慮し、電源電圧（すなわち電源９の出力電圧）を第２の周波数で変化させると、蛍光ランプ１の管軸方向の輝度分布は、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｂ）、（ａ）、…と順次変化する。このとき、蛍光体３の残光や、人間の目の残像効果により、ランプ管軸方向に均一な輝度分布が得られる。

液晶バックライトで使用する場合、６０コマ／秒のインタレース映像信号とシンクロさせる必要があるため、第２の周波数は、６０Ｈｚの整数倍であることが望ましい。また、第２の周波数は蛍光ランプ１の蛍光体の残光時間より短い周期の周波数が好ましい。よって、人間の目の残光効果は１００Ｈｚ以下ではフリッカを感じること、蛍光体の残光時間が数ｍ秒であることから、第２の周波数は１００Ｈｚ以上が好ましく、特に３００Ｈｚ以上であることがより望ましい。

図６は、実際にランプ長７３０ｍｍのランプを点灯させる場合の、点灯装置の電源電圧を変化させた時の代表的な電源電圧値に対する輝度分布の測定値である。ランプの外径は３ｍｍで、ランプ長７３０ｍｍ、封入ガスはキセノン分圧６０％のキセノン・アルゴン混合ガスで、ガス圧２０ｋＰａである。電源電圧の変化に応じて輝度のピークが管軸方向に移動していくことが分かる。また、この場合に電源電圧を３００Ｈｚの周波数で変化させながら点灯させた場合の輝度分布を図７に示す。図５に示したのと同様な輝度分布の変化が見られ、大幅な輝度の均一化が得られている。

なお、本実施形態では、内部電極をランプ長さ方向の両端に設けた蛍光ランプについて説明したが、本実施形態の方法は内部電極が片側にのみ設けられた蛍光ランプの場合でも有効である。図８に内部電極が片側にのみ設けられた蛍光ランプの場合の構成を示す。点灯装置の構成、動作は図１に示すものと同様である。図９Ａは、片側にのみ内部電極を設けた蛍光ランプ１ｂに対していくつかの振幅値の電源電圧を印加した場合の、電源電圧毎の輝度分布を示す。同図に示すように片側電極の蛍光ランプ１ｂの場合であっても、電源電圧に応じてその分布がランプの管軸方向にシフトしているのが分かる。図９Ｂは、片側電極の蛍光ランプ１ｂに対する印加電圧の振幅を周期的に変化させたときの輝度分布の様子を示した図である。同図より、ランプの管軸方向に対して輝度の均一化が図られているのが分かる。

また、封入するキセノンガスと混合するバッファガスはアルゴン以外の例えばネオンの場合でも有効である。電源９を変調する第２の周波数は、単一の周波数だけでなく、複数の周波数からなるひずみ波形でもよい。このとき、電圧波形によりランプ管軸方向の輝度分布を制御することが可能となる。

また、インバータ７から蛍光ランプ１の内部電極４、５と外部電極６間に供給される電圧は、インバータ７内のパルストランス１２の昇圧比により実効値電圧の平均値が１．５ｋＶから２．５ｋＶで、かつ電圧振幅率が±５０％以内、すなわち｛平均電圧±（平均電圧×０．５）｝以内となるような電圧であればよい。このような条件を満たせば、電源９の直流電源の電圧は、２０Ｖに限らず、１５Ｖまたは２４Ｖであってもよい。また、電源９の出力電圧が交流である場合は、その出力電圧が負となる位相では蛍光ランプ１が点灯しなくなり、蛍光ランプ１の休止期間が大きくなるため望ましくない。

本発明の誘電体バリア放電ランプの点灯方法および点灯装置は、水銀を用いない長尺の細管蛍光ランプについて、その輝度分布を管軸方向に一様にする手段を提供するため、大画面ディスプレイ用液晶のバックライト光源等として有用である。また、光源の線状性、均一性から、線状紫外線照射光源として、あるいは装飾用光源等への応用も可能である。

本発明の実施の形態における誘電体バリア放電ランプの点灯装置の構成図 駆動信号発生回路からインバータに供給される駆動信号の波形を示す図 電源から出力されるバイアス電圧の波形を示す図 パルストランスの一次側に印加される交流電圧（電源電圧）の波形を示す図 電源電圧を変化させたときの蛍光ランプ管軸方向の輝度分布の変化を示す図。 本発明の実施の形態の点灯装置により電源電圧の振幅値を変化させながら点灯したときの、代表的な電源電圧に対する蛍光ランプの管軸方向の輝度分布を示す図。 本発明の実施の形態の点灯装置により電源電圧の振幅値を周波数３００Ｈｚで変化させながら蛍光ランプを点灯した場合の管軸方向の輝度分布を示す図 内部電極が片側にだけ設けられた蛍光ランプに対する点灯装置の構成図 片側にのみ内部電極を設けた蛍光ランプに対していくつかの振幅値の電源電圧を印加した場合の、電源電圧毎の輝度分布を示す図 片側電極の蛍光ランプに対する印加電圧の振幅を周期的に変化させたときの輝度分布の様子を示した図 従来の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の構成図 従来の誘電体バリア放電ランプ点灯手段によるランプ長方向における輝度分布を示す図 従来の点灯方式で点灯させたときの実験結果を示した図

符号の説明

１、１ｂ 蛍光ランプ（発光管）
２ ガラス管
３ 蛍光体層
４，５ 内部電極
６ 外部電極
７ インバータ
８ 駆動信号発生回路
９ 電源
１０ 第１のＦＥＴ
１１ 第２のＦＥＴ
１２ パルストランス

Claims (5)

1. 内部電極と外部電極とを有する発光管を点灯させる装置であって、
   前記発光管の内部電極と外部電極間に、第１の周波数の交流電圧を供給し前記発光管を発光させるインバータと、
   振幅が第２の周波数で変化する電源電圧を前記インバータに供給する電源とを備え、
   前記インバータは、前記電源からの第２の周波数の電圧を用いて前記第１の周波数の交流電圧を振幅変調した電圧を、前記発光管の内部電極と外部電極間に供給する、
   誘電体バリア放電ランプの点灯装置。
2. 前記第２の周波数は、前記発光管の蛍光体の残光時間より短い周期の周波数である、請求項１記載の誘電体バリア放電ランプの点灯装置。
3. 前記第２の周波数は１００Ｈｚ以上かつ１ｋＨｚ以下である、請求項１記載の誘電体バリア放電ランプの点灯装置。
4. 前記インバータが前記発光管の内部電極と外部電極間に供給する電圧は、その実効値電圧の平均が１．５ｋＶから２．５ｋＶであり、かつ電圧振幅率が±５０％以内である、請求項１記載の誘電体バリア放電ランプの点灯装置。
5. 内部電極と外部電極とを有する発光管を点灯させる方法であって、
   第１の周波数の交流電圧を第２の周波数の電圧を用いて振幅変調し、
   該振幅変調した電圧を前記発光管の内部電極と外部電極間に供給する、
   誘電体バリア放電ランプの点灯方法。
   

Images