JP2007234517A - 冷陰極蛍光ランプの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の発光ちらつきを抑制し、かつ、輝度を向上させ発光効率をアップすること。
【解決手段】アノード１３側に正極性電圧（第１電圧）を印加してカソード１４上の多数の電子放出点それぞれから電界集中によりアノード１３に向けて電子を放出させ、この放出した電子をアノード１３上の蛍光体１２に衝突させて該蛍光体１２を励起発光させる冷陰極蛍光ランプの駆動方法において、第１電圧をアノード１３に印加する第１ステップと、この第１電圧の印加により蛍光体１２にチャージアップした電子をカソード１４に正極性電圧（第２電圧）を印加して除電する第２ステップとを繰り返し、蛍光体１２の発光ちらつきを抑制する駆動方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード側に正極性電圧を印加してカソード上の多数の電子放出点それぞれから電界集中によりアノードに向けて電子を放出させ、この放出した電子をアノード上の蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプの駆動方法に関するものである。

上記冷陰極蛍光ランプの駆動方法としては、アノード側に直流電源の正極性電圧を印加してカソード上の多数の電子放出点それぞれから電界集中によりアノードに向けて電子を放出させ、この放出した電子をアノード面上の蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させるようになっている(特許文献１)。

このような駆動方法による課題を図８（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して説明する。図８（ａ）は冷陰極蛍光ランプの一部の構造を示す断面図である。図８（ａ）において１１は真空封止されたガラス管、１２は蛍光体、１３はアノード、１４はカソードである。また、１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…はカソード１４上の例えばスピント型の電子放出点である。

アノード１３に直流電源６０の正極性の電圧を印加した場合、カソード１４上の各電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…それぞれに電界が集中して該電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…それぞれから電子がアノード１３に向けて放出される。この放出された電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…は蛍光体１２の対応する各領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…に衝突することにより蛍光体１２はその各領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…において励起発光する。

このような場合、蛍光体１２に衝突した電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…の一部１６ｎ１，１６ｎ２，１６ｎ３，…が該蛍光体１２の各領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…にチャージアップ(帯電)すると、その後で電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…から放出してくる電子は上記各領域に先にチャージアップしている電子１６ｎ１，１６ｎ２，１６ｎ３，…に反発されて蛍光体１２に到達できない、いわゆる電子の蹴られ現象を生じてしまい、また、到達することができても、例えば図８（ｂ）で示すように上記領域に近い蛍光体１２の別の領域１２ｎ１´，１２ｎ２´，１２ｎ３´，…に破線で示すように軌道を曲げられて電子衝突して当該別の領域１２ｎ１´，１２ｎ２´，１２ｎ３´，…が励起発光するようになる。そのため、図８（ｃ）のｄ１→ｄ２→ｄ３→…で示すように蛍光体１２の各発光領域に対応して光るガラス管１１の管面１１ａ上の各領域では、それまで励起発光して明るかった当初の領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は暗くなり、それまで暗かった別の領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…は励起発光して明るくなる。もちろん、電子はチャージアップ状態により、様々な領域に衝突する方向に電子軌道が曲げられ、曲げられた先の領域に衝突して発光する。なお、図８（ｃ）で白抜き丸印は明るい輝度で発光する領域、黒抜き丸印は発光状態から非発光状態になって発光していない領域である。

以上の結果、従来の駆動方法では、ガラス管１１の管面１１ａにおける発光は明暗のちらつき、すなわち、上記した白抜きと黒抜きとで示す多数の明暗斑点の集合からなりその明暗斑点の集合状態が定まらず複雑ランダムに変化するような発光状態が発生していた。また、暗い領域が存在することにより、輝度の大きさにも影響している。さらにチャージアップ状態が持続する期間が長いために発光に寄与しないエネルギが熱に変わりガラス管１１の管面１１ａの温度が極めて高温になってしまい、冷陰極蛍光ランプを扱い難くすると共にエネルギ損失も大きい。

そこで、このようなチャージアップを防止するために蛍光体１２の内面に例えば、アルミニウム蒸着によりアルミニウムの薄膜シートを設け、この薄膜シートでチャージアップを防止することが考えられるが、薄膜シートのシート抵抗によりチャージアップを緩和させるのに時間を要しており、その間は蛍光体１２の各領域に向けて電子放出して発光させることができないので発光のちらつきを十分に抑制することができない。特に、冷陰極蛍光ランプの管径が数ｍｍ程度の極細管になってくると、このようなアルミニウム蒸着は困難であり冷陰極蛍光ランプを製作し難くする。

また、冷陰極蛍光ランプの管径がさらに１ｍｍ程度前後の極細管の内部をガラス管１１内面に非接触状態でその内部に長手方向にカソード１４を線状に空中架設している場合、線状のカソード１４がクーロン力でアノード１３側に引き寄せられて接触してしまい、これも発光のちらつきを引き起こしてしまう。
特開２０００−０９０８１２号公報

本発明により解決すべき課題は、蛍光体の発光ちらつきを抑制して均一発光を可能とし、輝度を向上して発光効率をアップ可能とし、管面温度の高温化を抑制し、かつ、製作容易化を達成可能とすることである。

本発明による冷陰極蛍光ランプの駆動方法は、アノード側に正極性電圧（第１電圧）を印加してカソード上の多数の電子放出点それぞれから電界集中によりアノードに向けて電子を放出させ、この放出した電子をアノード上の蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプの駆動方法において、第１電圧をアノードに印加して蛍光体を発光させる第１ステップと、このステップにより蛍光体にチャージアップした電子を、カソードに正極性電圧（第２電圧）を印加して、除電する第２ステップと、を繰り返して、蛍光体の発光ちらつきを抑制することを特徴とするものである。

本発明では、第１ステップにより例えば多数の各電子放出点に対応する蛍光体の各蛍光体領域は各電子放出点それぞれから放出した電子が衝突して発光することができるとともに、第２ステップにより、当該蛍光体の各蛍光体領域にチャージアップしている電子は徐電され、次のサイクルの第１ステップでは電子が軌道を曲げられることなく対応する各蛍光体領域に電子衝突してそれぞれの領域を発光させることができるようになる。

したがって、本発明では以下の作用効果を発揮することができる。

第１に、蛍光体の発光領域のすべてにわたり発光ちらつきがなくなり、すなわち、具体的には、従来のような明暗斑点が無くなることにより、その明暗斑点が複雑ランダムに入り組んだ状態がなくなり、全体的にソフトで均一な発光状態を得ることができる。

第２に、従来のような暗斑点が無くなることにより、全体の輝度が向上し、発光効率をアップすることができるようになる。

第３に、チャージアップの持続が短いために電子放出に用いたエネルギをほとんど発光に寄与させることができ、その分、ランプの管面温度の高温化が解消しランプが扱い易くなり、消費エネルギ損失を小さくすることができる。特に、本発明では、管径が数ｍｍ程度の極細管の冷陰極蛍光ランプであっても、容易に製作することができる。

第４に、冷陰極蛍光ランプの管径がさらに１ｍｍ程度前後の極細管の内部をガラス管内面に非接触状態でその内部に長手方向にカソードを線状に空中架設するような場合でも、その線状のカソードがクーロン力でアノード側に引き寄せられて接触することを無くすことができ、この接触による発光のちらつきを解消することができる。

本発明の好適な一態様は、第１、第２電圧を、電圧の波形、大きさ、周波数が設定された電圧印加単位ごとに印加することである。

この態様では、第１ステップで波形、大きさ、周波数を蛍光体の発光状態に応じて設定した１つないしは複数の電圧印加単位で第１電圧を構成し、その構成した第１電圧でもってアノードに印加することができるから、冷陰極蛍光ランプの輝度、調光、等を適宜に設定することができる。すなわち、冷陰極蛍光ランプの用途に応じて第１ステップでは第１電圧の波形を正弦波やパルス波形やその他の波形とし、大きさを数ｋＶとし、周波数を数１０Ｈｚから数１０ｋＨｚまで設定し、また、第２ステップでは第１ステップにおける第１電圧の構成に対応して第２電圧の波形、大きさ、周波数を設定して除電することができ、蛍光体の発光ちらつきをより効果的に抑制することができる。

本発明の好適な一態様は、第１ステップでは、第１電圧を１電圧印加単位で印加するかまたは複数の電圧印加単位で続けて印加し、第２ステップでは、第２電圧を１電圧印加単位で印加するかまたは複数の電圧印加単位で続けて印加することである。

この態様では例えば第１ステップでは第１電圧を複数の電圧印加単位で連続して印加し、第２ステップでは第２電圧を１電圧印加単位で印加する場合では、蛍光体を発光させるための第１電圧の印加期間を長くし、チャージアップを抑制するための第２電圧の印加期間を短くすることができる。また、その逆も可能である。

本発明のより好適な一態様は、第２電圧の電圧印加単位を、正弦波交流電圧の半サイクルとすることである。

本発明のより好適な一態様は、上記第２電圧の立ち上がり速度を調整可能とすることである。

本発明のより好適な一態様は、上記冷陰極蛍光ランプは、そのアノードが一方向に細長いガラス管の内面に形成され、そのカソードが、ガラス管の略中央をガラス管長手方向に線状に空中架設されている。

この態様において、より好ましい態様はガラス管の管径が５ｍｍ以下である。

また、この態様においてさらにより好ましい態様は、カソードが、導線と、該導線の表面に形成された、ｎｍオーダーの微細突起を電子放出点として多数有する炭素膜を備えたものである。

本発明によれば、蛍光体の発光駆動に関して、蛍光体の発光ちらつきを抑制して均一に発光させることができるとともに、全体の輝度が向上し、発光効率が大きくアップする。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る冷陰極蛍光ランプの駆動方法を説明する。

図１は、同駆動方法の実施に用いる冷陰極蛍光ランプとその駆動電源とを示す図、図２（ａ）は冷陰極蛍光ランプの側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の冷陰極蛍光ランプの部分断面図、図３（ａ）は冷陰極蛍光ランプの駆動方法における第１ステップの説明に供する図、図３（ｂ）は同方法における第２ステップの説明に供する図である。

これらの図を参照して、１０は冷陰極蛍光ランプ、２０は商用交流電源、３０は高圧トランス、４０は電源スイッチ、５０は可変抵抗器により構成された調光部である。商用交流電源２０と高圧トランス３０との間にスライダックを介装してもよい。この冷陰極蛍光ランプ１０は高圧トランス３０、電源スイッチ４０、調光部５０と共にユニット化することができる。調光部５０を操作することにより、冷陰極蛍光ランプ１０の発光を調光することができる。また、商用交流電源２０を用いるので、通常の１００Ｖ、５０Ｈｚや６０Ｈｚ等のコンセントにプラグを差し込むだけで使用することができ、家庭用として簡便な照明ランプとなる。

冷陰極蛍光ランプ１０は、真空封止されたガラス管１１内に、蛍光体１２付きのアノード１３と、線状のカソード１４とが対向配置されて構成されている。カソード１４はガラス管１１の略中央をガラス管１１長手方向に線状に延びている。なお、ガラス管１１の形状はバックライトを始めとして光源の用途に応じて様々な形態をとることができるものであり、実施の形態のように細管形状に限定されず、図示略のフラットパネル形状とすることができる。アノード１３はＩＴＯ（酸化インジウム・錫）やアルミニウム等の金属をスパッタリングやＥＢ蒸着等により薄膜状にして形成されている。蛍光体１２は、アノード１３にスラリー塗布法、スクリーン印刷法、電気永動法、沈降法等により塗布等により形成されている。カソード１４は、導線１４ａと、該導線１４ａの表面に形成された、ｎｍオーダーの微細突起を電子放出点として多数有する炭素膜１４ｂとを備えたものである。この炭素膜１４ｂは例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、針状炭素膜、等がある。

実施の形態の駆動方法の第１ステップにおいては、図３（ａ）で示すようにアノード１３とカソード１４との間においてアノード１３に交流電圧Ｖａｃの正の半サイクル電圧（正極性電圧である第１電圧）ＶａｃＰを印加することにより、カソード１４上の多数の電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…それぞれに電界を集中させて該電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…それぞれから電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…を放出させる。この放出した電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…は蛍光体１２の対応する領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…に衝突し、蛍光体１２は発光する。この蛍光体１２の発光１７はアノード１３およびガラス管１１を介して外部に放射される。

実施の形態の駆動方法の第２ステップにおいては、図３（ｂ）で示すように正の半サイクル電圧ＶａｃＰの印加後、交流電圧Ｖａｃの負の半サイクル電圧（カソード１４側からは正極性電圧である第２電圧）ＶａｃＮがカソード１４に印加される。この印加により、蛍光体１２にチャージアップされている電子１６ｎ１，１６ｎ２，１６ｎ３，…は除電される。

以上の第１、第２ステップを交互に繰り返して、蛍光体１２は電子のチャージアップに伴う発光ちらつきが抑制され均一発光することができる。

このようにして蛍光体１２が均一発光すると、図４のガラス管１１の管面１１ａの電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…に対応する領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は、ｄ１→ｄ２→ｄ３→…で示すように、従来のように明暗に輝度変化することが無く、また、領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…も従来のように明暗に輝度変化することが無くなり、したがって、全体的にほぼ一様な輝度で発光（ただし管面１１ａ自体が発光するのではないが外部からの視認では管面１１ａがあたかも発光しているように見える状態の発光）することができ、発光ちらつきが解消される。すなわち、従来では、発光領域と非発光領域とがチャージアップ状態で定まらず、発光領域が次に非発光領域に急激に変化し、また、その発光領域の位置が変動しており、その発光ちらつきの理解のため図８（ｃ）で示すように白抜きと黒抜きとで示したが、実施の形態では、領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は発光領域として安定し、その隣接の領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…は発光しなくても、発光と非発光とを繰り返さないので、領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…の安定した発光によりほぼ白抜きで表されるように発光と同等の発光状態として視認することができる。

以上の結果、実施の形態の駆動方法では、管面１１ａの発光状態が当該管面１１ａ全体にわたり、発光領域と非発光領域の変動が抑制されるために全体の輝度変化が少なくなりソフトで均一な発光状態に駆動することができ、照明ランプとして用いた場合に好適な冷陰極蛍光ランプを提供することができるようになる。

アノード１３とカソード１４との間の交流電圧Ｖａｃにおいては、図５（ａ）で示すように、第１電圧ＶａｃＰと第２電圧ＶａｃＮは全周期がＴ１＋Ｔ２で第１電圧ＶａｃＰは１つの期間Ｔ１で１つの電圧印加単位、第２電圧ＶａｃＮは１つの期間Ｔ２で１つの電圧印加単位をなしている。図５（ａ）で示す第１電圧ＶａｃＰ、第２電圧ＶａｃＮは、期間Ｔ１，Ｔ２が相等しいとき、電圧波形が共に正弦波であり、電圧の大きさも共に等しいため、図１で示す商用交流電源２０の電圧を高圧トランス３０で昇圧した電圧に相当することができる。

また、図５（ｂ）で示すように、上記第１ステップでは、第１電圧ＶａｃＰは２以上の複数の電圧印加単位で続けて印加し、上記第２ステップでは、第２電圧ＶａｃＮを１電圧印加単位で印加してもよい。

また、図５（ｃ）で示すように、上記第１ステップでは、第１電圧ＶａｃＰは１電圧印加単位で印加し、上記第２ステップでは、第２電圧ＶａｃＮを２以上の複数の電圧印加単位で続けて印加してもよい。

また、図５（ｄ）で示すように、上記第１、第２ステップでは、第１電圧ＶａｃＰと第２電圧ＶａｃＮのデューティ比（電圧印加期間Ｔ１，Ｔ２の比率）は、デューティ比を変えてもよい。

また、図５（ｅ）で示すように、上記第１、第２ステップでは、第１電圧ＶａｃＰ、第２電圧ＶａｃＮの電圧波形をパルス状であってもよい。この場合、第１電圧ＶａｃＰの電圧波形をパルス状とし、第２電圧ＶａｃＮの電圧波形を正弦波状としてもよいし、その逆でもよい。

また、交流電源３０は商用であったが、図６（ａ）で示すように、直流電源３０ａとフルブリッジインバータ３０ｂとで構成することができる。このフルブリッジインバータ３０ｂにおける半導体素子等からなるスイッチング素子ＳＷ１ないしＳＷ４を高速で図示略の駆動回路でスイッチング駆動することにより、高圧トランス３０の一次側に電流ｉｄ１，ｉｄ２を流して、二次側に高周波例えば数１０ｋＨｚ程度の高周波の交流電圧Ｖａｃを発生させることにより、この冷陰極蛍光ランプ１０を例えば、液晶表示装置用バックライトとして用いることができるようになる。なお、この交流電圧Ｖａｃは例えば図６（ｂ）で示すように期間Ｔ１で第１電圧ＶａｃＰ、期間Ｔ２で第２電圧ＶａｃＮ、期間Ｔ３は休止期間とする波形の交流電圧として冷陰極蛍光ランプ１０を駆動することができる。

さらには、第２電圧ＶａｃＮの立ち上がり速度を図７で示すように調整可能としてもよい。図７では第２電圧ＶａｃＮの印加期間Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，…のように短くして、第２電圧ＶａｃＮのｄＶ／ｄｔで表すことができる立ち上がり速度をＶ１，Ｖ２，Ｖ３…のように早くしてもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

図１は本発明の実施の形態に係る冷陰極蛍光ランプの駆動方法の実施に用いる冷陰極蛍光ランプとその駆動電源とを示す図である。 図２（ａ）は冷陰極蛍光ランプの側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の冷陰極蛍光ランプの部分断面図である。 図３（ａ）は冷陰極蛍光ランプの駆動方法における第１ステップを示す図、図３（ｂ）は同方法における第２ステップを示す図である。 図４は冷陰極蛍光ランプの発光状態を示す図である。 図５（ａ）ないし（ｅ）は冷陰極蛍光ランプの駆動電圧の波形を示す図である。 図６（ａ）は交流電源の変形例を示す図、図６（ｂ）はその交流電源による電圧波形を示す図である。 図７は立ち上がり速度が異なる第２電圧ＶａｃＮの波形を示す図である。 図８（ａ）は従来の冷陰極蛍光ランプの駆動方法の実施に用いる冷陰極蛍光ランプとその駆動電源とを示す図、図８（ｂ）は従来の駆動方法による課題の説明に供する図、図８（ｃ）は従来の駆動方法による冷陰極蛍光ランプの発光状態を示す図である。

符号の説明

１０ 冷陰極蛍光ランプ
１１ ガラス管
１２ 蛍光体
１３ アノード
１４ カソード
２０ 交流電源
３０ トランス
４０ 電源スイッチ
５０ 調光部

Claims (8)

1. アノード側に正極性電圧（第１電圧）を印加してカソード上の多数の電子放出点それぞれから電界集中によりアノードに向けて電子を放出させ、この放出した電子をアノード上の蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプの駆動方法において、
   第１電圧をアノードに印加して蛍光体を発光させる第１ステップと、
   このステップにより蛍光体にチャージアップした電子を、カソードに正極性電圧（第２電圧）を印加して、除電する第２ステップと、
   を繰り返して、蛍光体の発光ちらつきを抑制する、ことを特徴とする冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
2. 第１、第２電圧を、電圧の波形、大きさ、周波数が設定された電圧印加単位ごとに印加する、ことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
3. 第１ステップでは、第１電圧を１電圧印加単位で印加するかまたは複数の電圧印加単位で続けて印加し、
   第２ステップでは、第２電圧を１電圧印加単位で印加するかまたは複数の電圧印加単位で続けて印加する、ことを特徴とする請求項２に記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
4. 上記第２電圧の電圧印加単位を、正弦波交流電圧の半サイクルとする、ことを特徴とする請求項２に記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
5. 上記第２電圧の立ち上がり速度を調整可能とする、ことを特徴とする請求項４に記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
6. 上記冷陰極蛍光ランプは、そのアノードが一方向に細長いガラス管の内面に形成され、そのカソードが、ガラス管の略中央をガラス管長手方向に線状に空中架設されている、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
7. 上記ガラス管の管径が５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項６に記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。
8. 上記カソードは、導線と、該導線の表面に形成された、ｎｍオーダーの微細突起を電子放出点として多数有する炭素膜を備えたものである、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の冷陰極蛍光ランプの駆動方法。

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