JP3988341B2 - 希ガス蛍光ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希ガスを用いた蛍光ランプ点灯装置に係わり、特に、ファクシミリ、複写機、スキャナー等の情報機器の原稿読取用照明に用いられる希ガス蛍光ランプ点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ファクシミリ、複写機、スキャナー等の情報機器の原稿読取用照明や、大型カラーディスプレイ装置等の表示用光源として蛍光ランプが用いられている。これらの用途ではランプに対してより小型、高輝度、長寿命、かつ高信頼性が求められている。また、蛍光ランプとしては、放電容器の両端部内部に外部と導通する金属電極を突設し、この金属電極間に発生する放電を利用する蛍光ランプが知られていたが、金属のスパッターによる端部黒化、放電から得られる紫外線強度の効率が低いことなどの制約を受けることから、誘電体バリア放電を利用した蛍光ランプの点灯装置が用いられるようになった。この誘電体バリア放電の一形態としては、放電容器の外部に一対の電極を設けた、外部電極型希ガス蛍光ランプが知られているが、電極を放電容器の内部と外部、または全ての電極を放電容器の内部に配設する場合がある。また、外部電極型希ガス蛍光ランプの点灯装置としては、同じ印加電圧の場合、正弦波に比べて矩形波パルスの方が高い輝度が得られることから矩形波パルスで外部電極型希ガス蛍光ランプを点灯する点灯装置が用いられるようになっている。
【０００３】
特開平６−１６３００６号公報には、通常の外部電極型希ガス蛍光ランプでは、ガラスバルブを介して放電を行うので高い電圧を印加する必要があるが、この公報に開示された技術によれば、交流の矩形波パルスを蛍光ランプに印加する点灯装置を用いることによって、印加する電圧のピーク値を上げることなく高い光出力を得ることができることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記した公報にあるような交流矩形波パルスによる希ガス蛍光ランプの点灯を行ってみた。この際、点灯装置４内のトランスとして、エポキシ樹脂を含浸させた大型トランスを用い、二次側インダクタンスを１２０ｍＨとし、点灯周波数を６０ｋＨｚとしてランプを点灯させたところ、図７に示すように、点灯初期において、十数分経過後には、ランプ照度が１０％近い変動を生じた。通常、原稿読み取り用等の用途に用いられる光源は、高い光安定性が求められるので、ランプ照度の変動は、これらの分野の光源としては致命的な問題である。ランプ照度の変動を防止する手段としては、光出力や出力電流、出力電圧等を監視し、それらの変動を検出してフィードバック制御することによりランプ照度の安定化を図ることも考えられるが、このような手段を用いることは、回路装置の複雑化、高コスト化を招き好ましいものではない。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、交流の矩形波パルスを用いて希ガス蛍光ランプを点灯する希ガス蛍光ランプ点灯装置において、簡単な構成でランプ点灯初期から定常点灯状態に至る過程のランプ照度の変動を防止する希ガス蛍光ランプ点灯装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【０００７】
第１の手段は、外壁および／または内壁に一対の電極を有し、内壁に蛍光体を有し、誘電体からなる放電容器に、エキシマー生成ガスを封入し、前記誘電体を介して、誘電体バリア放電させる蛍光ランプと、前記電極に交流の矩形波パルスを印加する点灯装置を備える希ガス蛍光ランプ点灯装置において、昇圧トランスを備え、前記点灯装置は、前記蛍光ランプのランプ電圧のうち、ランプ電圧の尖状電圧部分を除く実効立ち上り電圧をＶａ、ランプ電圧の尖状電圧部分を除く実効ピーク・ツウ・ピーク電圧をＶｂとするとき、前記ランプ電圧は前記Ｖａが前記Ｖｂより小さい共振電圧部分を含み、電圧比Ｖａ／Ｖｂが略８０％以上になるような特性を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１乃至図９を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置の概要を示す図である。
【００１３】
同図において、１は希ガスが封入された蛍光ランプ、２は希ガス蛍光ランプ１を構成する誘電体である鉛ガラス等の直状円筒状のガラスバルブ、３，３’はガラスバルブ２の外壁に設けられる電極からなり、点灯装置４からの出力電圧が印加される外部電極、４は希ガス蛍光ランプ１を駆動するための後述する交流矩形波パルスを出力する点灯装置である。
【００１４】
なお、ガラスバルブ２の内壁のほぼ半面には、図示していない蛍光体層が形成されており、また、ガラスバルブ２の内部には、キセノンを主体とする希ガスが数千Ｐａ以上の圧力で封入されている。
【００１５】
本発明の希ガス蛍光ランプ点灯装置に適用される希ガス蛍光ランプの数例を図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図９（ａ）は、図１に示した放電容器外部に一対の電極を有する蛍光ランプの断面図であり、図９（ｂ）は放電容器の外部と放電容器内部にそれぞれ１つの電極を有する蛍光ランプの断面図であり、図９（ｃ）は放電容器の内部に一対の電極を有する蛍光ランプの断面図である。図９（ｂ）、（ｃ）においては、放電容器内部の電極が誘電体で被覆されている。
【００１６】
なお、ここに示した例以外にもランプ外表面に電極を配置し、ランプの内部のほぼ中心に棒状の電極を配置する形態でも同じような効果が期待できる。
【００１７】
この希ガス蛍光ランプ点灯装置の動作について説明する。点灯装置４から出力された印加電圧は、外部電極３，３’を介して、誘電体であるガラスバルブ２と放電ガスの容量結合によりランプ内部に印加される。ランプ内部の放電形態は、古くから知られているオゾナイザー放電あるいは無声放電と呼ばれる形態に属する。この放電については、例えば、文献Ｂ．Ｅｌｉａｓｓｏｎ ａｎｄ Ｕ．Ｋｏｇｅｌｓｃｈａｔｚ ”ＵＶ Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ４６，２９９（１９８８）にその詳細が述べられている。
【００１８】
図２は、図１に示す点灯装置４の詳細な構成を示す図である。
【００１９】
同図において、ＤＣ電圧源の電圧Ｖｉは外部より供給されるものとしている。ＤＣ電圧源にはコンデンサ１１が装荷された上で、チョークコイル１２を介してＦＥＴ等を利用したスイッチ素子１３に接続される。スイッチ素子１３がオン状態からオフ状態に遷移したときに、チョークコイル１２に発生する誘導電圧は、昇圧されたＤＣ電圧Ｖｊとしてダイオード１４を介して平滑コンデサ１５に蓄えられる。因みに、チョークコイル１２、スイッチ素子１３、ダイオード１４、平滑コンデンサ１５よりなるチョッパ回路は、昇圧型チョッパ回路と呼ばれる。
【００２０】
ＦＥＴ等を利用したスイッチ素子１６，１７、昇圧トランス１８より構成されるインバータ回路はプッシュプル方式で構成されており、チョッパ回路出力電圧Ｖｊは昇圧トランス１８の１次側の中点タップに接続される。ここで、昇圧トランス１８は、ランプ印加電圧の変化速度について、放電開始直前から、放電開始後の尖頭電圧値に達するまでの期間において、エキシマ生成の効率低下を来たさないような急峻さを有するものを用いる。
【００２１】
ＰＷＭ制御回路１９内で生成されたパルス幅変調された制御信号はトランジスタ２０，２１、抵抗器２２，２３等からなるインバータゲート信号発生回路に入力され、これによりインバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬが生成される。インバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬは、それぞれ抵抗器２４，２５等を介して、インバータ回路用スイッチ素子１６，１７のゲート端子に入力される。
【００２２】
一方、チョッパゲート信号発生回路は、ダイオード２６，２７、抵抗器２８よりなる信号加算器を用いて構成され、これに前記インバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬが入力されることにより、チョッパ回路用ゲート信号Ｇｃが生成される。チョッパ回路用ゲート信号Ｇｃは、トランジスタ２９，３０よりなるバッファ回路、コンデンサ３１と抵抗器３２よりなる微分回路、抵抗器３３を介して、チョッパ回路用スイッチ素子１３のゲート端子に入力される。
【００２３】
次に、本実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置における照度変動の防止の原理について図３乃至図４を用いて説明する。
【００２４】
図３は、本実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置の希ガス蛍光ランプ１および点灯装置４間に形成される等価回路を示す図である。
【００２５】
同図において、希ガス蛍光ランプ１は、放電プラズマ空間の放電路に形成される放電抵抗Ｒｇと、放電スイッチＳＷｇと、放電プラズマ空間に形成されるコンデン分Ｃｇと、ガラスバルブ電極間の誘電体としてのガラスバルブ間に形成されるコンデンサ分Ｃｄからなる回路素子で表され、また点灯装置４はトランス１８の２次側インダクタンスＬと矩形波パルス電源Ｅとして表すことができ、さらに、希ガス蛍光ランプ１と点灯装置４間は配線やトランス等の浮遊容量Ｃｅで表わすことができる。
【００２６】
図４（ａ）は、図３に示す等価回路において、希ガス蛍光ランプ１に印加されるランプ電圧波形を示す図であり、図４（ｂ）は、図３に示す等価回路に形成される共振回路の共振周波数ｆが比較的高い場合のランプ電圧波形、また図４（ｃ）は、図３に示す等価回路に形成される共振回路の共振周波数ｆが比較的低い場合のランプ電圧波形を示す図である。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、ランプ電圧波形のうち、Ａに示される電圧波形（以下、共振電圧部分という）は、図３に示す等価回路において、実質的に希ガス蛍光ランプ１と点灯装置４間に形成される共振回路の共振周波数ｆによって決まると考えられる。
【００２８】
ここで、共振周波数ｆ＝１／２π√（ＬＣ）
Ｌは、トランス１８の２次側インダクタンス
Ｃは、希ガス蛍光ランプ１の容量Ｃｄ，Ｃｇ、浮遊容量Ｃｅ等で形成される容量である。
【００２９】
また、ランプ電圧のうち、Ｂに示される電圧波形（以下、立ち上がり電圧部分、または立ち下がり電圧部分という）は、点灯装置４から希ガス蛍光ランプ１に印加される交流矩形波パルスの正負の切り替わり時に現れ、この立ち上がり電圧部分Ｂまたは立ち下がり電圧部分Ｂが大きい程、ランプの発光光量は増大することになる。
【００３０】
ところで、図２に示すような希ガス蛍光ランプ点灯装置では、点灯装置４に設けられているトランス１８は、ランプ点灯時、鉄損、銅損等により発熱するので、ランプ点灯開始と共にトランス温度が上昇し、温度上昇と共にトランスコアの透磁率が大きくなるので、上記のインダクタンスＬも大きくなって行く。
【００３１】
従って、希ガス蛍光ランプ１の点灯初期に比べて、定常点灯状態では、インダクタンスＬの増大に伴って上式から明らかなように共振周波数ｆが低下し、例えば、図４（ｂ）に示すランプ電圧波形から、図４（ｃ）に示すランプ電圧波形に移行していく。
【００３２】
図４（ｃ）のランプ電圧波形は 図４（ｂ）のランプ電圧波形に比べて、共振電圧部分Ａが水平化していると共に、立ち上がり電圧部分Ｂおよび立ち下がり電圧部分Ｂが大きくなるため、ランプ発光量が増大することになる。このように、共振周波数ｆの変動と共に、ランプの照度変動を引き起こすことが分かる。
【００３３】
本実施形態の発明では、上記の知見に基づいて、共振周波数ｆの変動による照度変動を防止するために、共振電圧部分Ａを点灯開始から共振周波数ｆの変動に関わらず水平状態に近づけておき、共振電圧部分Ａの変動を抑制しようとするものである。
【００３４】
そのためには、図４（ａ）に示すように、電圧Ｖａを、ランプ電圧の尖状電圧部分を除く立ち上り（または立ち下り）電圧（以下、実効立ち上り電圧という）とし、電圧Ｖｂを、ランプ電圧の尖状電圧部分を除くピーク・ツウ・ピーク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ）電圧（以下、実効ピーク・ツウ・ピーク電圧という）とするとき、ランプの点灯開始から電圧比Ｖａ／Ｖｂを高めておくとよい。
【００３５】
図５は、希ガス蛍光ランプに交流の矩形波パルスを印加する点灯装置を備える希ガス蛍光ランプ点灯装置に用いられる各種のトランス１８別の各電圧比Ｖａ／Ｖｂにおける、定常点灯状態に対する点灯開始時の照度変動率を表したグラフである。なお、ここで照度変動率は下式で表される。
【００３６】
照度変動率＝｛（定常安定点灯時の照度−点灯開始時の照度）／定常安定点灯時の照度｝×１００（％）
同図において、横軸は電圧比Ｖａ／Ｖｂ（％）、縦軸は照度変動率（％）を示し、ａは、トランス１８としてエポキシ樹脂を含侵させた大型トランスを用いた場合の各電圧比Ｖａ／Ｖｂにおける照度変動率を示すものであり、ｂは、トランス１８としてエポキシ樹脂を含侵させない大型トランスを用いた場合の各電圧比Ｖａ／Ｖｂにおける照度変動率を示すものであり、ｃは、トランス１８としてエポキシ樹脂を含侵させない小型トランスを用いた場合の各電圧比Ｖａ／Ｖｂにおける照度変動率を示すものである。
【００３７】
なお、エポキシ樹脂を含侵させた大型トランスは、エポキシ樹脂を含侵させない大型トランスやエポキシ樹脂を含侵させない小型トランスに比べて熱放出が悪くトランスの温度上昇がし易いものと考えられる。
【００３８】
図５に示すグラフから明らかなように、いずれのトランスの場合も、電圧比Ｖａ／Ｖｂを略８０％以上に設定すると、原稿読み取り用光源として支障のない照度変動率３％以下に抑えることができる。また、あるトランス（例えば、大型トランスｂ、小型トランスｃ）の場合は、電圧比Ｖａ／Ｖｂが略７２％以上に設定すると、既に照度変動率は３％以下を確保しているが、さらに照度変動率を低下させることができる。
【００３９】
図６は、図７に示した照度変動率の大きかったものと比べて、電圧比Ｖａ／Ｖｂを８０％以上に設定すべく、エポキシ樹脂を含浸させた大型トランスを用い、トランス１８の二次側インダクタンスＬを２４０ｍＨと２倍大きくしたときの、ランプの点灯開始から定常点灯状態に至るまでのランプ照度の変移を示す図である。
【００４０】
図６と図７とを対比すると明らかなごとく、当初照度変動が１０％以上あったのに対して、本実施形態のものによれば、照度変動を３％以下に収めることができる。
【００４１】
図８は、電圧比Ｖａ／Ｖｂを高めるための他の手段を説明するための図である。
【００４２】
図８（ａ）は、図１に示す希ガス蛍光ランプ点灯装置において、交流矩形波パルスの周波数が比較的低い（周波数ｆ１）場合のランプ電圧波形、図８（ｂ）は、図１に示す希ガス蛍光ランプ点灯装置において、交流矩形波パルスの周波数が比較的高い（周波数ｆ２）場合のランプ電圧波形を示す図である。
【００４３】
同図において、Ａは、希ガス蛍光ランプ１と点灯装置４間に形成される共振回路の共振周波数ｆによって決まる共振電圧部分、電圧Ｖａ１，Ｖａ２は、図４（ａ）で説明したと同様に、実効立ち上り電圧であり、電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２も、同じく図４（ａ）で説明したと同様に、実効ピーク・ツウ・ピーク電圧である。
【００４４】
これらの図に示すように、図８（ａ）に示す交流矩形波パルスの周波数ｆ１と比べて、図８（ｂ）に示すように交流矩形波パルスの周波数ｆ２が高くなると、共振電圧部分Ａがそれ程下がらないうちに、交流矩形パルスの正負の周期が切り替わるので、電圧比（Ｖａ２／Ｖｂ２）＞電圧比（Ｖａ１／Ｖｂ１）の関係が得られ、図５において説明したと同様に、電圧比Ｖａ／Ｖｂを増大させることができ、照度変動率を低下させることができる。
【００４５】
なお、上記の実施形態では、電圧比Ｖａ／Ｖｂを上げるために、点灯装置４と蛍光ランプ１間に形成される共振回路の共振周波数を低く設定する場合と、点灯装置４から出力される交流矩形波パルスの周波数を高く設定する場合について説明したが、必要に応じて両者を併用してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本願請求項１に記載の発明によれば、電圧比Ｖａ／Ｖｂが略８０％以上となるような点灯装置を用いることにより、ランプ点灯初期から定常点灯状態に至る過程のランプ照度の変動を、格別の回路手段を付加することなく抑制することができ、原稿読取用光源等の光源として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置の概要を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す点灯装置４の詳細な構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置の希ガス蛍光ランプ１および点灯装置４間に形成される等価回路を示す図である。
【図４】図３に示す等価回路において、希ガス蛍光ランプ１に印加されるランプ電圧波形を示す図である。
【図５】希ガス蛍光ランプ点灯装置に用いられる各種のトランス別の各電圧比Ｖａ／Ｖｂにおける、定常点灯状態に対する点灯開始時の照度変動率を示したグラフである。
【図６】本実施形態に係る希ガス蛍光ランプ点灯装置のランプの点灯開始から定常点灯状態に至るまでのランプ照度の変移を示す図である。
【図７】希ガス蛍光ランプ点灯装置のランプの点灯開始から定常点灯状態に至るまでのランプ照度の変移の大きい例を示す図である。
【図８】電圧比（Ｖａ／Ｖｂ）を高めるための他の手段を説明するための図である。
【図９】本発明の希ガス蛍光ランプ点灯装置に適用される希ガス蛍光ランプの断面の数例を示す図である。
【符号の説明】
１ 蛍光ランプ
２ ガラスバルブ
３，３’ 外部電極
４ 点灯装置
１１ コンデンサ
１２ チョークコイル
１３ チョッパ回路用スイッチ素子
１４ ダイオード
１５ 平滑コンデンサ
１６，１７ インバータ回路用スイッチ素子
１８ 昇圧トランス
１９ ＰＷＭ制御回路

Claims (1)

1. 外壁および／または内壁に一対の電極を有し、内壁に蛍光体を有し、誘電体からなる放電容器に、エキシマー生成ガスを封入し、前記誘電体を介して、誘電体バリア放電させる蛍光ランプと、前記電極に交流の矩形波パルスを印加する点灯装置を備える希ガス蛍光ランプ点灯装置において、昇圧トランスを備え、前記点灯装置は、前記蛍光ランプのランプ電圧のうち、ランプ電圧の尖状電圧部分を除く実効立ち上り電圧をＶａ、ランプ電圧の尖状電圧部分を除く実効ピーク・ツウ・ピーク電圧をＶｂとするとき、前記ランプ電圧は前記Ｖａが前記Ｖｂより小さい共振電圧部分を含み、電圧比Ｖａ／Ｖｂが略８０％以上になるような特性を有することを特徴とする希ガス蛍光ランプ点灯装置。

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