JP2008153113A - 冷陰極蛍光ランプの駆動方式 - 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】ランプ管１１の内面に蛍光体１２付き陽極１３を備え、ランプ管１１内部に線状陰極１４を備え、この陰極１４はその外周面にｎｍオーダーの微細突起を備えた炭素膜からなる複数の電子放出点１４ｂを備え、陽極１３と陰極１４との間にパルス状電圧を印加して複数の電子放出点それぞれから電界放射により陽極１３に向けて電子を放出させ、この放出した電子を蛍光体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１０の駆動方式であり、パルス状電圧を６０Ｈｚ以上の周期で印加し、さらに好ましくは、上記周期内でのパルス状電圧の印加期間を短く制御し、次の印加期間までのパルス状電圧印加停止中に蛍光体１２にチャージアップしている電子を除電制御すると共に、管面上での斑状発光を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷陰極蛍光ランプの駆動方式に係り、より詳しくは、ランプ管の内面に蛍光体付き陽極を備え、ランプ管内部に線状陰極を備え、この陰極はその外周面にｎｍオーダーの微細突起を備えた炭素膜からなる多数の電子放出点を備えた冷陰極蛍光ランプの駆動方式に関するものである。

冷陰極蛍光ランプには、ランプ管の内面に蛍光体付き陽極を備え、ランプ管内部に線状陰極を備え、この陰極はその外周面に炭素膜からなる複数の電子放出点を備えて構成されたものがある。

この冷陰極蛍光ランプでは、陽極と陰極との間に電圧を印加して上記複数の電子放出点それぞれから電界放射により陽極に向けて電子を放出させ、この放出した電子を上記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は陽極、１４は陰極である。また、１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…は陰極１４上の例えばスピント型の電子放出点である。

陽極１３に正極性の電圧を印加した場合、陰極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陽極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管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は暗くなり、それまで暗かった別の管面領域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（明斑点）、ダブルハッチング付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（暗斑点）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、上記した白抜きとダブルハッチングとで示す多数の明暗斑点の集合からなりそれらの位置が定まらず複雑ランダムに変化する、すなわち、発光がちらつく状態が発生しており、この蛍光体へチャージアップした電子に起因した発光ちらつきを解消することが技術的に解決すべき課題となっていた。

また、この種の冷陰極蛍光ランプは多数の電子放出点それぞれからの電子が蛍光体１２に衝突して発光したものであり、電子が衝突した蛍光体箇所は明斑点として明るく発光するが電子が衝突せず発光していない周囲の領域との輝度差が大きく、その明斑点（斑状発光）が目立ち、その斑状発光を抑制して発光均一性を得ることが技術的に解決すべき課題となっていた。

その他、冷陰極蛍光ランプでは、陽極と陰極との間に直流電圧を印加する駆動方式であり、そのため、輝度変調を行うことが困難であり、そのため、ランプとしての商品価値を得る上では輝度変調を容易に行うことができるようにすることや、直流駆動による蛍光体への電子の連続衝突により蛍光体が早期に劣化して寿命短縮につながっており、蛍光体の早期劣化を抑制して長寿命可能とすること、等も技術的に解決すべき課題となっていた。

なお、冷陰極蛍光ランプの駆動方式としてパルス状電圧を印加する技術も提供されている（特許文献２）。この技術では冷陰極蛍光ランプの輝度調整をパルス状電圧（パルス信号）のパルス幅を変更することにより行うに際して、単にパルス幅を短く制御して冷陰極蛍光ランプの発光を暗くしたのでは、輝度不均一となるので、パルス信号の組み合わせを図るものである。しかしながら、この技術に関わる冷陰極蛍光ランプは、通常の蛍光灯であり、上記した冷陰極蛍光ランプのように、陰極に多数のｎｍオーダーの微細突起からなる炭素膜構成の電子放出点があり、これら多数の電子放出点から放出する電子により蛍光体が明暗斑点で発光し発光ちらつきが発生するというものではなく、したがって、上記した技術的課題についての開示も示唆もなかった。この技術的課題は本出願人が上記冷陰極蛍光ランプの商品価値を高めるために研究の過程でのみ見出し得た全く新規な課題である。その他、冷陰極管にパルス電源を用いたもの（特許文献３）、等がある。
特開２０００−０９０８１２号公報 特開２００３−１５１７９３号公報 特開平１０−０７５５７６号公報

本発明における冷陰極蛍光ランプの駆動方式において解決すべき主たる課題は、発光ちらつきを解消し、発光均一性を確保して当該ランプを照明ランプとしてその商品価値を高めることであり、その他の課題として、輝度変調を容易に確保し、蛍光体の早期劣化を抑制して長寿命化を可能として照明ランプとしての実用性を高め、発光効率が高く温度上昇を抑制しランプハウスへの実装を容易にすることである。

本発明による冷陰極蛍光ランプの駆動方法は、ランプ管の内面に蛍光体付き陽極を備え、ランプ管内部に線状に延びる陰極を備え、この陰極はその外周面にｎｍオーダーの微細突起を備えた炭素膜からなる複数の電子放出点を備え、陽極と陰極との間にパルス状電圧を印加して上記複数の電子放出点それぞれから電界放射により陽極に向けて電子を放出させ、この放出した電子を上記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式において、上記パルス状電圧を６０Ｈｚ以上の周期で印加し、上記周期に対するパルス状電圧の印加期間のデューティ比を、次の印加期間までのパルス状電圧印加停止期間内で蛍光体にチャージアップしている電子を除電して当該次の印加期間で電子放出点から放出する電子の蛍光体へ向かう軌道の直進性を得るよう制御することを特徴とするものである。

さらに好ましくは、記周期に対するパルス状電圧の印加期間のデューティ比を、斑状発光の輝度がその周囲の輝度との差が所定以下の値となるよう、制御する。

なお、上記駆動は陰極を接地して陽極に正電圧を印加する正圧駆動、陽極を接地して陰極に負電圧を印加する負圧駆動のいずれも含む。

上記線状とは断面形状に限定されず、断面円形、楕円形、その他を含む。

上記線状とは陰極の直径を限定するものではなく、ワイヤ状、円筒状、円柱状、その他を含む。

上記陰極は、直線状にランプ管内に配設されたものだけに限定されず、螺旋しつつランプ管内に配設されたものや曲線状にランプ管内に配設されるもの等を含む。

上記周期をＴとし、パルス状電圧の印加期間をＴＡ、印加停止期間をＴＢとすると、そのデューティ比（Ｒ）はＲ＝ＴＡ／（ＴＡ＋ＴＢ）＝ＴＡ／Ｔで与えられる。このデューティ比（Ｒ）を小さくすることは、印加期間（ＴＡ）が短くなり、次の印加期間までのパルス状電圧印加停止期間（ＴＢ）が長くなり、蛍光体にチャージアップしている電子を除電できる期間が長くなり、その除電で当該次の印加期間で電子放出点から放出する電子の蛍光体へ向かう軌道の直進性を得ることができる。この場合、印加期間（ＴＡ）を短くすることにより、斑状発光の輝度がその周囲の輝度との差が小さくなり斑状発光を目立たなく制御することができる。

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、駆動電圧をパルス状電圧としてもそのパルス状電圧を６０Ｈｚ以上の周期で印加するから、視覚的にはこのパルス状電圧の印加で蛍光体が発光、発光停止を繰り返しても発光期間の発光が残像効果でちらつきを感じることがない。そして、１周期内でのパルス状電圧の印加期間を短く制御し、次の印加期間までのパルス状電圧印加停止中に蛍光体にチャージアップしている電子を除電するので、電子放出点から放出した電子がチャージアップにより蛍光体の様々な領域に衝突する方向にその軌道を曲げられず直進することができるようになり、明暗斑点が複雑に変化しなくなり、発光ちらつきが低減する。

第２に、印加期間を短く制御するので明斑点（斑状発光領域）とその周囲領域との輝度差が減り、結果として斑状発光を目立ちにくくすることができ、全体的にソフトで均一な発光状態を得ることができる。

この場合、斑状発光領域を広くし斑状発光領域間の領域を狭くすることにより斑状発光をほとんで目立たせなくして全体的にソフトでほぼ完全に均一な発光状態を得ることができるようになり、照明ランプとしての商品価値を十分に達成することができる。

本発明は、その他として、１周期内の印加期間の制御（デューティ比制御）で発光輝度の変調を容易に行うことができる。さらに本発明では、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。さらに本発明では、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。結果として、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。

なお、パルス状電圧は矩形波状に限定されず、正弦波状、三角形波状等の電圧も含むことができる。

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回路とを示す図、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は駆動電圧であるパルス状電圧の波形を示す図、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は発光ちらつきの抑制の説明に用いる図、図５は斑状発光の状態を示す図、図６は斑状発光を抑制して発光均一性を得るためのパルス状電圧の波形の説明に用いる図、図７は斑状発光の抑制の説明に用いる図である。

これらの図を参照して、１０は冷陰極蛍光ランプ、２０はパルス電源、３０は可変抵抗、４０は電源スイッチ、５０は制御回路である。これらは図示略のランプハウスに一体に組み込み可能とすることができる。可変抵抗３０は調光部として作用することができ、可変抵抗３０の操作により、冷陰極蛍光ランプ１０の発光を調光することができる。

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付きの陽極１３と、線状の陰極１４とが対向配置されて構成されている。陰極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。陽極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、陽極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。陰極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有する炭素膜からなる多数の電子放出点１４ｂとを備えたものである。この炭素膜に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においては、パルス電源２０から図３で示すパルス状電圧を陽極１３と陰極１４との間に印加する。このパルス状電圧は、制御回路５０により制御された、６０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周期（Ｔ）で印加される。この周期（Ｔ）はさらに制御回路５０により制御されて、パルス状電圧の印加期間（ＴＡ）と印加停止期間（ＴＢ）とに分けられると共に該制御回路５０のＰＷＭ制御により印加期間（ＴＡ）すなわちパルス状電圧のパルス幅が制御されて上記１周期（Ｔ）内における印加期間（ＴＡ）のデューティ比が０．１〜９９％に制御されることができる。また、制御回路５０はパルス状電圧の波高値を制御することができる。この制御により、輝度変調が可能であり、また、蛍光体１２への電子の連続衝突による当該蛍光体１２の早期劣化を防止して長寿命化が可能となり、また、電子連続衝突による温度上昇の抑制が可能となり、ランプハウスへの組み込みも容易となる。

この印加期間（ＴＡ）において立ち上がるパルス状電圧は陽極１３と陰極１４との間に印加され、これによって、図４（ａ）で示すように多数の電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…それぞれから電子放出が行われ、放出した電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…は蛍光体１２の対応する領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…に衝突して該蛍光体１２を励起発光させるようになっている。この蛍光体１２の発光１７は陽極１３およびガラス管１１を介して外部に放射される。次に印加期間（ＴＡ）直後では、図４（ｂ）で示すように蛍光体１２の領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…には電子１６ｎ１，１６ｎ２，１６ｎ３，…がチャージアップしている。

ここでデューティ比（Ｒ）＝[印加期間（ＴＡ）／周期（Ｔ）]×１００％とすると、制御回路５０により印加期間（ＴＡ）のデューティ比（Ｒ）が０．１〜５０％に制御されることにより、印加期間（ＴＡ）で蛍光体１２の各領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…にチャージアップした電子１６ｎ１，１６ｎ２，１６ｎ３，…は図４（ｃ）で示すように次の印加停止期間（ＴＢ）で除電される。

これにより、この除電後の次の印加期間（ＴＡ）では、図４（ａ）で示すように、陰極１４上の多数の電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…それぞれからの電子１５ｎ１，１５ｎ２，１５ｎ３，…は軌道を曲げられずに蛍光体１２の対応する領域１２ｎ１，１２ｎ２，１２ｎ３，…に直進して衝突し、蛍光体１２は発光する。この蛍光体１２の発光１７は陽極１３およびガラス管１１を介して外部に放射される。その結果、ガラス管１１の管面１１ａ上の各領域では、管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は斑状発光し、その周囲の管面領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…は励起発光せず、暗い状態である。

以上の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管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…と、その周囲の管面領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…とが交互に斑状発光することによる発光ちらつきが抑制されるようになる。

その結果、ガラス管１１の管面１１ａの電子放出点１４ｎ１，１４ｎ２，１４ｎ３，…に対応する管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…は、図５で示すようにｄ１→ｄ２→ｄ３→…で示すように、従来のように明るく発光する管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…と、その周囲の暗い管面領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…とが乱雑に入り組んで移動変化するようなことが無くなり、発光ちらつきが抑制されるのであるが、その管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…の輝度がその周囲の管面領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…の輝度より高く斑状発光している。

すなわち、斑状発光の複雑ランダムに動くことによる発光ちらつきは解消されたが、ガラス管の管面全体が均等に発光するのではなく多数の斑状発光が見えるものとなる。そこで、そこで、さらに制御回路５０により印加期間（ＴＡ）は図６で示すように、印加期間（ＴＡ１）へと短く制御、すなわち、１周期（Ｔ）における印加期間（ＴＡ）のデューティ比を小さく制御される。一方で印加停止期間（ＴＢ）は、印加停止期間（ＴＢ１）へとそのデューティ比を長く制御される。そうすると、図７で示すように管面領域１１ｎ１，１１ｎ２，１１ｎ３，…の発光輝度が低下し、その周囲の管面領域１１ｎ１´，１１ｎ２´，１１ｎ３´，…の輝度との差異が減り、シングルハッチングとダブルハッチングで示すように、両領域とその領域周囲の領域との輝度差は０以上の所定の値以下に小さくなる。これにより、その斑状発光は目立ちにくくなり、ガラス管の管面全体が均等に発光させることができるようになる。上記所定の値は、実験等により適宜に決定することができる。

以上の結果、実施の形態の駆動方法では、冷陰極蛍光ランプ全体の発光状態がその全体にわたり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。

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は冷陰極蛍光ランプの駆動方法におけるパルス状電圧の印加周期とその波形を示す図である。 図４（ａ）はパルス状電圧の印加期間において電子放出点から電子放出し蛍光体が発光している状態を示す図、図４（ｂ）はパルス状電圧の印加停止期間において蛍光体に電子がチャージアップしている状態を示す図、図４（ｃ）はそのチャージアップ電子が除電している状態を示す図である。 図５は図４（ａ）〜図４（ｃ）のタイミングによりガラス管管面での発光状態を示す図である。 図６は冷陰極蛍光ランプの駆動方法におけるパルス状電圧の印加周期を一定でパルス状電圧の印加期間を短縮する場合の電圧波形を示す図である。 図７は図６のタイミングでパルス状電圧を印加した場合のガラス管管面での発光状態を示す図である。 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 陽極
１４ 陰極
２０ パルス電源
３０ 可変抵抗
４０ 電源スイッチ
５０ 制御回路

Claims (2)

1. ランプ管の内面に蛍光体付き陽極を備え、ランプ管内部に線状に延びる陰極を備え、この陰極はその外周面にｎｍオーダーの微細突起を備えた炭素膜からなる複数の電子放出点を備え、陽極と陰極との間にパルス状電圧を印加して上記複数の電子放出点それぞれから電界放射により陽極に向けて電子を放出させ、この放出した電子を上記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式において、
   上記パルス状電圧を６０Ｈｚ以上の周期で印加し、
   上記周期に対するパルス状電圧の印加期間のデューティ比を、次の印加期間までのパルス状電圧印加停止期間内で蛍光体にチャージアップしている電子を除電して当該次の印加期間で電子放出点から放出する電子の蛍光体へ向かう軌道の直進性を得るよう、制御する、ことを特徴とする冷陰極蛍光ランプの駆動方式。
2. 上記周期に対するパルス状電圧の印加期間のデューティ比を、さらに、斑状発光の輝度がその周囲の輝度との差が所定以下の値となるよう、制御する、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式。

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