JP4754280B2

JP4754280B2 - 発光装置の輝度制御システム

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Publication number: JP4754280B2
Application number: JP2005185561A
Authority: JP
Inventors: 篤史難波
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP2007005191A

Description

本発明は、電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置の輝度を制御する発光装置の輝度制御システムに関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる冷陰極電界放出型の発光装置が開発されている。この種の発光装置は、カソード電極に対して正の電位を与えたゲート電極によって電子を引き出し、更に正の高電圧を与えたアノード電極上の蛍光体に電子を衝突させて蛍光発光させるものであり、電界放出型照明ランプ（Field Emission Lamp:FEL）や電界放出型表示装置（Field Emission Display:FED）としての用途が見込まれている。

例えば、特許文献１には、ＦＥＬに関連する技術として、カソード電極表面と略平行な略平板に孔を設け、この孔端をカソード電極側に突き出した構造のグリッド電極（ゲート電極）とする技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、略平板領域における電界よりも孔端における電界を高くすることができ、カソード電極からグリッド電極に飛び込む無効電子を抑制することができる。

また、特許文献２には、同様にＦＥＬに関連して、部分的に開口を備えた半円筒状のグリッド電極が直方体形状カソード電極に対して間隙を持って囲む技術が開示されている。特許文献２の技術では、電子が蛍光板電極に突入したことによって叩き出された正イオンがカソード電極に突入することを抑制し、放電破壊を防止することができる。

更に、特許文献３には、ＦＥＤに関連して、陰極基板にカーボンナノチューブ製の平面状の冷陰極を形成し、透明な陽極基板に、ストライプ状の透明な陽極ストリップと、これに交差するストライプ状の選択グリッドストリップと、格子状の電子引き出しグリッドとを形成している。

特許文献３の技術によれば、冷陰極から放出された電子は、冷陰極と電子引き出しグリッドとの間の電子滞留領域に滞留して電子雲を形成する。そして、何れかの選択グリッドストリップと何れかの陽極ストリップとに電圧が印加されると、電子雲からの電子流が電子引き出しグリッドの開口と選択グリッドストリップの開口とを通過して陽極ストリップ上の蛍光体に衝突する。これにより、冷陰極電界放出に起因する電子の偏在を平均化し、蛍光体の発光ムラをなくすことができる。
特開２００４−２０７０６６号公報特開２００４−２２０８９６号公報特開２００４−３３５３８５号公報

上述の特許文献１〜３は、電界放出型の発光装置に特有の問題に対処するものであるが、電子線によって励起されて発光する蛍光体を用いる発光装置では、発光開始からの時間経過と共に蛍光体の表面に電荷が蓄積（チャージアップ）して帯電し、この帯電した電場の影響により、発光輝度が低下したり、像が不鮮明になるといった問題がある。従来、この蛍光面でのチャージアップに対処するには、導電性材料を蒸着する等して帯電した電荷を除去する等の方法が取られているが、製品構造上の制約が多いばかりでなく、製造コストの上昇を招く虞がある。

更に、電界放出型の発光装置においては、蛍光体のチャージアップばかりでなく、蛍光体や冷陰極電子放出源の経年変化による発光輝度の低下という問題があり、上述の特許文献１〜３の技術では、蛍光体のチャージアップ、蛍光体や冷陰極電子放出源の経年変化といった外乱に対しては、有効に対処することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電界放出型の発光装置におけるチャージアップや経年変化等の外乱に対して、目標とする輝度を確実に維持することのできる発光装置の輝度制御システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による発光装置の輝度制御システムは、冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、上記修正目標輝度算出手段は、上記輝度目標値のフィードバック補正を、上記輝度偏差に基づく比例積分制御により行うことを特徴とする。
また、本発明による他の発光装置の輝度制御システムは、冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、上記パルス駆動周期算出手段は、予め設定された上記蛍光体の発光輝度と上記パルス信号の周期との関係に基づいて上記目標輝度に対応する基本パルス周期を算出し、この基本パルス周期を上記修正目標輝度に対応して修正することにより、上記パルス駆動周期を算出することを特徴とする。
また、本発明による更に他の発光装置の輝度制御システムは、冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、上記駆動手段は、上記カソード電極をパルス駆動し、上記蛍光体を周期的に飽和状態で高輝度発光させることを特徴とする。

その際、輝度目標値のフィードバック補正に、比例積分制御の積分補償に基づく学習制御を加えることが望ましい。学習制御を行う場合には、蛍光体の発光輝度が設定輝度に収束してから発光終了までの輝度偏差の積分量の変化に基づいて行うことが望ましく、学習制御を反映したフィードフォワード制御を輝度目標値のフィードバック補正に加えることが望ましい。

また、パルス駆動周期は、設定範囲外となったとき、設定範囲内に制限すると共に、比例積分制御における積分補償の更新を停止することが望ましい。パルス駆動周期は、予め設定された蛍光体の発光輝度とパルス信号の周期との関係に基づいて目標輝度に対応する基本パルス周期を算出し、この基本パルス周期を修正目標輝度に対応して修正することにより算出することができる。

発光装置の駆動は、カソード電極をパルス駆動し、蛍光体を周期的に飽和状態で高輝度発光させることが望ましく、冷陰極電子放出源の電界放出特性のバラツキによる輝度ムラを防止することができる。カソード電極をパルス駆動する際には、カソード電極側のインピーダンスを、冷陰極電子放出源の電流密度が蛍光体を飽和状態で高輝度発光させる値となる低インピーダンス状態と、冷陰極電子放出源からの電子放出を停止状態とする高インピーダンス状態とに周期的に変換することが望ましい。

本発明による発光装置の輝度制御システムは、チャージアップや経年変化等の外乱が発生しても、目標とする輝度を確実に維持することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係り、図１は輝度制御システムの構成図、図２は輝度制御の機能ブロック図、図３は発光後の経過時間と輝度低下量との関係を示す説明図、図４は輝度とパルス駆動周期との関係を示す説明図、図５は制御周期を示す説明図、図６は輝度制御ルーチンのフローチャートである。

図１において、符号１は、例えば平面状の電界放出型照明ランプ等に用いられる電界放出型発光装置（以下、単に「発光装置」と記載する）である。この発光装置１は、所定間隔で対向配置されたガラス基板２，３の内部を真空状態に維持し、この真空状態下で、電子放出源を有するカソード電極５、グリッド状のゲート電極１０、電子線によって励起発光する蛍光体１６を有するアノード電極１５を基底面側から投光面側に向かって順に配置した基本構成を有している。

尚、図１においては、カソード電極５とゲート電極１０とアノード電極１５との３極構造を例示しているが、ゲート電極１０を用いない２極構造であっても良い。

カソード電極５は、ベースとなるガラス基板２上に形成された導電材からなり、例えば、アルミニウムやニッケル等の金属を蒸着やスパッタ法等によって堆積したり、銀ペースト材を塗布して乾燥・焼成する等して形成されている。このカソード電極５の表面には、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料が膜状に塗布され、冷陰極電子放出源６が形成される。

ゲート電極１０は、カソード電極５に対向して配置されるグリッド状の電極であり、カソード電極５との電位差（ゲート電圧）に応じてカソード電極５上に形成された冷陰極電子放出源６に電界を印加し、電子を放出させる。このゲート電極１０には、冷陰極電子放出源６から放出された電子を通過させる微細な開口が多数形成されており、ステンレス材、ニッケル材、アンバー材等の導電性の薄板に、エッチング或はパンチング法等を用いて円形や矩形等の多数の開口が形成される。

アノード電極１５は、投光面となるガラス基板３の裏面側に配置された透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）からなり、ゲート電極１０（カソード電極５）に対向する面に、冷陰極電子放出源６から放出された電子によって励起発光される蛍光体１６が塗布されている。蛍光体１６は、例えば、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等によってアノード電極１５上に成膜される。

一方、符号５０は、発光装置１の発光輝度を制御するコントローラであり、アノード電極１５やゲート電極１０に印加する高電圧を発生する高電圧電源装置２０及び発光装置１を駆動する駆動回路３０を介して発光装置１の発光輝度を制御する。コントローラ５０は、マイクロコンピュータを中心として構成され、操作パネル等に備えられた点灯スイッチ６０のＯＮを検出すると、高電圧電源装置２０からアノード電極１５に正の高電圧を印加すると共にゲート電極１０に一定の電圧を印加し、蛍光体１６の発光輝度を検出する輝度検出手段としての輝度センサ４０からの信号に基づいて、蛍光体１６の発光輝度が所望の目標輝度に一致するようにフィードバック制御する。輝度センサ４０は、例えばフォトダイオード等の光検出センサであり、発光装置１の投光面に対向する所定位置に配設されている。

周知のように、電界放出型の発光装置は、カソード電極に対してアノード電極を所定の正の高電位に維持し、ゲート電極からカソード電極へ所定のゲート電圧を印加すると、電子放出源から真空中に電子が電界放出されてアノード電極に向って加速され、蛍光体に衝突して光を放つ。この電子線で励起される蛍光体の実際の発光輝度は、蛍光体表面への電荷の蓄積（チャージアップ）、蛍光体や電子放出源の経年変化等の外乱により、時間経過と共に目標輝度に一致しなくなる。

従って、コントローラ５０は、蛍光体上でのチャージアップや蛍光体及び電子放出源の経年変化等の外乱による輝度の変化をフィードバック制御により補償し、発光装置１の輝度を目標輝度に一致させる。このコントローラ５０による輝度制御は、図２の機能ブロック図に示され、フィードバック補正量算出部５１、学習制御補正量算出部５２、修正目標輝度算出部５３、基本パルス周期算出部５４、パルス駆動周期算出部５５、駆動パルス算出部５６によって代表される各演算機能部と、各演算機能部における制御周期を設定する制御周期設定部５７とによって代表することができ、制御周期設定部５７で設定した制御周期毎に、駆動パルス算出部５６からの駆動パルスによって駆動回路３０が制御される。駆動回路３０について、後述する。

フィードバック補正量算出部５１は、以下の（１）式に示すように、セットされた目標輝度ＣＤＴＧＴと、輝度センサ４０の出力を読み込んで算出された実際の蛍光体１６の発光輝度ＣＤＳＥＮとの輝度偏差ＥＲＲＣＤを算出し、この輝度偏差ＥＲＲＣＤに基づいてフィードバック補正量ＣＤＣＦＢを算出する。
ＥＲＲＣＤ＝ＣＤＴＧＴ−ＣＤＳＥＮ…（１）

フィードバック補正量ＣＤＣＦＢは、本形態においては、輝度偏差ＥＲＲＣＤに比例する比例分に積分補償分を加えた比例積分制御によって算出される。比例積分制御における比例係数ＫＰ及び積分係数ＫＩは、予め設定されており、以下の（２）式に示すように、輝度偏差ＥＲＲＣＤに比例する比例分（ＫＰ×ＥＲＲＣＤ）に、輝度偏差ＥＲＲＣＤを積分した輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤによる積分補償分（ＫＩ×ＩＴＥＣＤ）を加算することにより、フィードバック補正量ＣＤＣＦＢが算出される。
ＣＤＣＦＢ＝ＫＰ×ＥＲＲＣＤ＋ＫＩ×ＩＴＥＣＤ…（２）

（２）式における輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤは、制御周期ＤＬＴＴ毎に輝度偏差ＥＲＲＣＤを積分して算出され、以下の（３），（４）式に示すように、後述するパルス制限フラグＸＰＴの値が“０”のとき、制御周期ＤＬＴＴ毎の積分を継続し、パルス制限フラグＸＰＴの値が“１”のとき、積分を停止する。
ＸＰＴ＝０のとき、
ＩＴＥＣＤ＝ＥＲＲＣＤ×ＤＬＴＴ＋ＩＴＥＣＤＯＬＤ…（３）
ＸＰＴ＝１のとき、
ＩＴＥＣＤ＝ＩＴＥＣＤＯＬＤ…（４）
但し、ＩＴＥＣＤＯＬＤ：１制御周期前の輝度偏差積分量

フィードバック補正量算出部５１で算出されたフィードバック補正量ＣＤＣＦＢは、修正目標輝度算出部５３に送られ、修正目標輝度算出部５３で、目標輝度ＣＤＴＧＴを修正して修正目標輝度ＣＤＣＬＣを算出する。この修正目標輝度ＣＤＣＬＣは、以下の（５’）式に示すように、基本的には、目標輝度ＣＤＴＧＴにフィードバック補正量ＣＤＣＦＢを加算することで算出されるが、本形態においては、（５’）式に学習制御補正量算出部５２で算出した輝度補正学習値ＣＤＬＲＮを加えた（５）式により、修正目標輝度ＣＤＣＬＣを算出する。
ＣＤＣＬＣ＝ＣＤＴＧＴ＋ＣＤＣＦＢ…（５’）
ＣＤＣＬＣ＝ＣＤＴＧＴ＋ＣＤＣＦＢ＋ＣＤＬＲＮ…（５）

輝度補正学習値ＣＤＬＲＮは、以下の（６）式に示すように、発光終了時に、輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤに基づく積分補償分（ＫＩ×ＩＴＥＣＤ）に前回までの輝度補正学習値ＣＤＬＲＮＯＬＤを加算して更新される。この学習制御を加えることにより、発光直後から輝度の外乱が存在するような条件下においても、的確に輝度を目標値に一致させることができる。
ＣＤＬＲＮ＝ＫＩ×ＩＴＥＣＤ＋ＣＤＬＲＮＯＬＤ…（６）

この場合、学習制御の役割を、蛍光体及び電子放出源の経年変化への対応と位置づけて輝度補正を行うためには、発光直後の過渡的に輝度が変化する時間を経過した後から発光が終了するまでの輝度偏差の積分量に基づいて、輝度補正学習値ＣＤＬＲＮを決定する必要がある。

すなわち、発光後の経過時間に対する輝度の低下量は、図３に示すように、蛍光体上でのチャージアップ等により初期に比較的大きく低下し、その後、輝度低下量が略飽和状態となる。従って、発光開始後からの経過時間が設定時間ＴＢＳＴ（発光輝度が設定輝度に収束して輝度低下量が略飽和になったと判定できる時間）に達したとき、そのときの輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤを学習を開始する学習開始積分量ＩＴＥＳＴとして記憶する。

そして、発光終了時に、以下の（７）式に示すように、輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤと学習開始積分量ＩＴＥＳＴとの差に基づいて、輝度補正学習値ＣＤＬＲＮを更新することで静的な輝度偏差のみを学習値として算出し、安定した学習制御を実現する。
ＣＤＬＲＮ＝ＫＩ×（ＩＴＥＣＤ−ＩＴＥＳＴ）＋ＣＤＬＲＮＯＬＤ…（７）
但し、ＩＴＥＣＤＯＬＤ：前回の輝度補正学習値

更に、前述の図３に示すチャージアップ等による輝度低下をフィードフォワード的に補正し、修正目標輝度ＣＤＣＬＣに反映させるようにしても良い。この輝度低下分のフィードフォワードによる補正は、例えば、一次遅れとしてモデル化し、以下の（８）式に示すように、１制御周期前の輝度補正量ＣＤＣＯＲＯＬＤ、フィードフォワード輝度補正定数ＫＣＣ、補正モデル定数ＫＡ（０＜ＫＡ＜１）を用いて、フィードフォワード輝度補正量ＣＤＣＯＲを算出することができる。
ＣＤＣＯＲ＝ＫＡ×ＫＣＣ＋（１−ＫＡ）×ＣＤＣＯＲＯＬＤ…（８）

（８）式のフィードフォワード輝度補正量ＣＤＣＯＲは、輝度補正学習値ＣＤＬＲＮを用いて修正目標輝度ＣＤＣＬＣへ反映させることが望ましく、その場合には、（８）式のフィードフォワード輝度補正量ＣＤＣＯＲは、以下の（８’）式によって算出することができる。
ＣＤＣＯＲ＝ＫＡ×（ＫＣＣ＋ＣＤＬＲＮ）＋（１−ＫＡ）×ＣＤＣＯＲＯＬＤ…（８’）

そして、以下の（９）式に示すように、目標輝度ＣＤＴＧＴに、フィードバック補正量ＣＤＣＦＢとフィードフォワード輝度補正量ＣＤＣＯＲとを加算することにより、修正目標輝度ＣＤＣＬＣを算出する。このように、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを的確に組み合わせることにより、制御精度を向上することができる。
ＣＤＣＬＣ＝ＣＤＴＧＴ＋ＣＤＣＦＢ＋ＣＤＣＯＲ…（９）

以上の修正目標輝度ＣＤＣＬＣは、基本パルス周期算出部５４、パルス駆動周期算出部５５、及び駆動パルス算出部５６を介して、駆動回路３０に出力されるパルス信号に変換される。コントローラ５０による発光装置１の輝度制御は、パルス変調方式によって行われ、本形態においては、周波数一定でパルス幅を可変するパルス幅変調ではなく、パルス幅一定で周波数を可変する周波数変調方式を採用し、ゲート電極１０からカソード電極５へパルス状にゲート電圧を印加する際のパルス信号のパルス幅を一定として周期を可変することにより、発光輝度を制御する。

発光装置１の輝度とパルス駆動周期との関係は、予め設定されてコントローラ５０内に記憶されており、図４に示すように、パルス駆動周期が長くなるにつれて発光輝度が減少関数的に低くなる。この輝度とパルス駆動周期との関係は、予め実験或いはシミュレーション等によって求められてマップ化され、基本パルス周期算出５４において、目標輝度ＣＤＴＧＴに対する基本パルス周期ＴＢとして算出される。

基本パルス周期ＴＢは、パルス駆動周期算出部５５において、修正目標輝度ＣＤＣＬＣに対応した周期に修正され、パルス駆動周期Ｔ１として算出される。このパルス駆動周期Ｔ１は、規定以上に周波数範囲が広くなって過変調となるのを防止するため、以下の（１０）〜（１２）式に示すように、最小値Ｔ１ＭＩＮと最大値Ｔ１ＭＡＸとの間に制限される。最小値Ｔ１ＭＩＮ又は最大値Ｔ１ＭＡＸの制限を受けたときには、パルス制限フラグＸＰＴを“１”にセットする。前述したように、このパルス制限フラグＸＰＴのセットにより、輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤの更新が停止され、制御性が確保される。
Ｔ１ＭＩＮ≦Ｔ１≦Ｔ１ＭＡＸのとき、
Ｔ１＝Ｔ１；ＸＰＴ＝０…（１０）
Ｔ１＜Ｔ１ＭＩＮのとき、
Ｔ１＝Ｔ１ＭＩＮ；ＸＰＴ＝１…（１１）
Ｔ１＞Ｔ１ＭＡＸのとき、
Ｔ１＝Ｔ１ＭＡＸ；ＸＰＴ＝１…（１２）

駆動パルス算出部５６は、パルス駆動周期算出部５５で算出したパルス駆動周期Ｔ１でパルス幅一定のパルス信号を生成し、駆動回路３０に出力する。その結果、パルス幅が一定で周期Ｔ１が修正目標輝度ＣＤＣＬＣに応じて変化するパルス信号により駆動回路３０が駆動され、周波数変調による輝度制御が行われる。

この場合、パルス駆動周期Ｔ１を算出する制御周期ＤＬＴＴすなわちフィードバック補償の制御周期は、制御周期設定部５７において、パルス駆動周期Ｔ１以上の長さの周期として可変設定される。すなわち、制御周期設定部５７は、パルス駆動周期Ｔ１の変化に連動して制御周期ＤＬＴＴを可変設定し、制御周期ＤＬＴＴが必ずパルス駆動周期Ｔ１以上になるようにする。具体的には、図５に示すように、前回のパルス駆動周期Ｔ１ＯＬＤを用いて、次回のパルス駆動周期を算出する制御周期ＤＬＴＴを設定し、次回の制御周期ＤＬＴＴが前回のパルス駆動周期Ｔ１ＯＬＤと同じか長くなるようにする（ＤＬＴＴ≧Ｔ１ＯＬＤ）ことで、制御性を向上することができる。

また、周波数変調方式による発光装置１の輝度制御では、高電圧電源装置２０からゲート電極１０へ出力するパルス電圧を、周期Ｔ１で可変することにより発光輝度を制御しても良いが、本形態においては、高電圧電源装置２０からゲート電極１０に出力する電圧を一定として、駆動回路３０でカソード電極５側のインピーダンスを低インピーダンス状態と高インピーダンス状態とに切り換えるようにしている。これにより、高電圧電源装置２０の簡素化を図りつつ、実質的にゲート電極１０からカソード電極５に印加される電圧をパルス状に変化させることができ、発光装置１の発光輝度を制御することができる。

更に、本形態においては、蛍光体１６に生じる輝度ムラを低減するため、高電圧電源装置２０からゲート電極１０に印加する電圧を通常のゲート電圧よりも高い一定の電圧としている。すなわち、冷陰極電子放出源６の電界放出特性は必ずしも一定ではないことから、通常のゲート電圧で発生する電界強度では、冷陰極電子放出源６の領域によって電子放出の電流密度が異なり、蛍光面全体として見ると発光輝度のムラが生じることがある。

従って、本形態においては、高電圧電源装置２０からゲート電極１０に通常のゲート電圧よりも高い電圧を出力し、蛍光体１６を高輝度で発光させる電流密度となるような電界強度をカソード電極５に与えることにより、冷陰極電子放出源６の電界放出特性のバラツキによる領域毎の発光輝度の差を、実用上問題のないレベルとする。

一般に、電界放出の電流密度は、印加する電界強度が比較的小さい場合には、電界強度の増加に応じて電流密度も緩やかに増加するが、或る電界強度を越えると、電流密度が急激に増加する。一方、蛍光体は、電流密度の増加に応じて発光輝度が高くなるが、所定の電流密度以上では発光が飽和状態となり、それ以上電流密度を増加させても、発光輝度は高くならない。

従って、カソード電極５に与える電界強度を通常よりも大幅に大きくして蛍光体１６を飽和状態或は飽和状態に近い高輝度で発光させることにより、冷陰極電子放出源６の電界放出特性のバラツキによる領域毎の発光輝度の差を小さくすることができ、発光ムラを低減することができる。

カソードインピーダンスを変換する駆動回路３０は、図１に示すように、主として、コントローラ５０からのパルス信号によって駆動されるスイッチング素子としてのトランジスタＴＲ１，ＴＲ２と、カソード電極５に接続された直列抵抗Ｒ１，Ｒ２とにより構成され、カソード電極５に接続された直列抵抗Ｒ１，Ｒ２を切換えることにより、カソードインピーダンスを低インピーダンス状態と高インピーダンス状態とに周期的に変換する。

コントローラ５０からのパルス信号は、ＯＮ（ハイレベル），ＯＦＦ（ローレベル）の周期がＴ１で、ＯＦＦ時間がＴ２の信号であり、このパルス信号は、修正目標輝度ＣＤＣＬＣに対応するパルス信号として１段目のトランジスタＴＲ１のベースにバイアス抵抗ＲＢを介して入力される。

１段目のトランジスタＴＲ１は、エミッタが接地され、コレクタがコレクタ抵抗ＲＣを介して電源Ｖｃｃに接続されると共に、２段目のトランジスタＴＲ２のベースに接続されている。２段目のトランジスタＴＲ２は、同様にエミッタが接地され、コレクタがカソード電極５に直列接続される抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との中間に接続されている。カソード電極５は抵抗Ｒ１から抵抗Ｒ２を経て接地されている。

一方の抵抗Ｒ１は、低インピーダンス用の抵抗であり、蛍光体１６の飽和状態での発光を可能とする電流密度を発生させる電圧をカソード電極５に印加するため、例えば数十ｋΩ程度の抵抗値に設定されている。他方の抵抗Ｒ２は、高インピーダンス用の抵抗であり、カソード電流を略零とするため、例えば数ＭΩ程度の抵抗値に設定されている。

従って、コントローラ５０からのパルス信号がＯＦＦの時間Ｔ２では、１段目のトランジスタＴＲ１がＯＦＦのとき、２段目のトランジスタＴＲ２がＯＮとなり、抵抗Ｒ２が短絡されてカソードインピーダンスが抵抗Ｒ１による低インピーダンス状態となる。その結果、高電圧電源装置２０からの一定の高電圧がゲート電極１０を介してカソード電極５に印加され、蛍光体１６全体が高輝度で均一に発光する。

一方、コントローラ５０からのパルス信号がＯＮの時間（Ｔ１−Ｔ２）では、１段目のトランジスタＴＲ１がＯＮされて２段目のトランジスタＴＲ２がＯＦＦされ、カソードインピーダンスが抵抗Ｒ１，Ｒ２の合成抵抗による高インピーダンス状態となる。その結果、ゲート電極１０とカソード電極５とが同電位となって冷陰極電子放出源６からの電子の放出が停止し、蛍光体１６が非発光状態となる。

以上の過程が繰り返されて蛍光体１６が間欠的に発光することになるが、パルス信号の周波数を５０Ｈｚ以上の周波数とすることにより、人間の視覚にはトランジスタＴＲ２がＯＮの期間での高輝度発光が残像として残り、連続発光として認識される。

尚、ゲート電極１０に印加するゲート電圧が数百Ｖ以下の場合には、抵抗Ｒ２は無限大(即ち抵抗Ｒ２を使用しない状態)であっても良い。但し、ゲート電圧が５００Ｖ或は１ｋＶ以上の高圧を必要とする場合には、トランジスタＴＲ１のＯＮ期間にゲート電圧と同じ高電圧がトランジスタＴＲ２のコレクタに印加されることになり、高耐圧トランジスタを必要とするか、或は既存のトランジスタでは設計できなくなるので、抵抗Ｒ２を使用してトランジスタＴＲ２のコレクタに印加される電圧を下げることが好ましい。

実際の装置設計では、目標とする発光輝度と発光の均一性を得るように、アノード電極１５に塗布する蛍光体１６の種類や厚み、アノード電極１５及びゲート電極１０に印加する電圧、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値等を最適に調節する。

以上のコントローラ５０の輝度制御は、具体的には、図６のフローチャートに示す輝度制御ルーチンによって実行される。次に、図６の輝度制御ルーチンについて説明する。

この輝度制御ルーチンは、点灯スイッチ６０のＯＮによって起動され、最初のステップＳ１において、輝度センサ４０の出力を読み込み、発光装置１の実際の輝度ＣＤＳＥＮを算出する。次いで、ステップＳ２へ進んで目標輝度ＣＤＴＧＴから実際の輝度ＣＤＳＥＮを減算して輝度偏差ＥＲＲＣＤを算出し、ステップＳ３でパルス制限フラグＸＰＴを参照し、輝度制御におけるパルス駆動周期Ｔ１が最小値Ｔ１ＭＩＮ又は最大値Ｔ１ＭＡＸの制限を受けているか否かを調べる。

そして、ＸＰＴ＝０であり、パルス駆動周期Ｔ１が制限を受けていない場合には、ステップＳ３からステップＳ４へ進み、輝度偏差ＥＲＲＣＤに制御周期ＤＬＴＴを乗算した値を、１制御周期前の輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤＯＬＤに加算して輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤを算出し（（３）式参照）、ステップＳ６へ進む。また、ＸＰＴ＝１であり、パルス駆動周期Ｔ１が制限を受けているときには、ステップＳ３からステップＳ５へ進み、輝度偏差積分量ＩＴＥＣＤを前回の値ＩＴＥＣＤＯＬＤとし（（４）式参照）、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、輝度偏差ＥＲＲＣＤの比例積分制御によってフィードバック補正量ＣＤＣＦＢを算出し（（２）式参照）、ステップＳ７で、フィードバック補正量ＣＤＣＦＢに基づいて目標輝度ＣＤＴＧＴを修正した修正目標輝度ＣＤＣＬＣを算出する。修正目標輝度ＣＤＣＬＣは、目標輝度ＣＤＴＧＴに、フィードバック補正量ＣＤＣＦＢと輝度補正学習値ＣＤＬＲＮとを加算することにより算出される（（５）式参照）。

尚、学習制御を行わない場合には、修正目標輝度ＣＤＣＬＣは、目標輝度ＣＤＴＧＴにフィードバック補正量ＣＤＣＦＢを加算して算出される（（５’）式参照）。また、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせる場合には、目標輝度ＣＤＴＧＴに、フィードバック補正量ＣＤＣＦＢとフィードフォワード輝度補正量ＣＤＣＯＲとを加算することにより、修正目標輝度ＣＤＣＬＣを算出する（（９）式参照）。

その後、ステップＳ８へ進み、予め設定した発光装置１の輝度とパルス駆動周期との関係から修正目標輝度ＣＤＣＬＣに対応したパルス駆動周期Ｔ１を算出し、ステップＳ９で、パルス駆動周期Ｔ１が最小値Ｔ１ＭＩＮを下回っているか否かを調べる。そして、Ｔ１＜Ｔ１ＭＩＮの場合には、ステップＳ９からステップＳ１０へ進んでパルス駆動周期Ｔ１を最小値Ｔ１ＭＩＮとして制限し（Ｔ１＝Ｔ１ＭＩＮ）、ステップＳ１１でパルス制限フラグＸＰＴをセットする（ＸＰＴ＝１）。

また、ステップＳ９において、Ｔ１≧Ｔ１ＭＩＮの場合には、ステップＳ９からステップＳ１２へ進み、パルス駆動周期Ｔ１が最大値Ｔ１ＭＡＸを越えているか否かを調べる。そして、Ｔ１≦Ｔ１ＭＡＸの場合には、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進んでパルス駆動周期Ｔ１の値を保持したままパルス制限フラグＸＰＴをクリアし（ＸＰＴ＝０）
、Ｔ１＞Ｔ１ＭＡＸの場合、ステップＳ１２からステップＳ１４へ進んでパルス駆動周期Ｔ１を最大値Ｔ１ＭＡＸとして制限し（Ｔ１＝Ｔ１ＭＡＸ）、ステップＳ１５でパルス制限フラグＸＰＴをセットする（ＸＰＴ＝１）。

パルス制限フラグＸＰＴをセット（Ｓ１１，Ｓ１５）或いはクリア（Ｓ１３）した後は、ステップＳ１６へ進んで次の制御周期に対応する目標輝度ＣＤＴＧＴを算出し、ルーチンを抜ける。この目標輝度ＣＤＴＧＴは、例えば、コントローラ５０に設けられた操作パネルのダイアル或いはスイッチを操作して所望の明るさを設定すると、この設定値に対応した目標輝度ＣＤＴＧＴとして算出される。

以上のルーチンで算出されたパルス駆動周期Ｔ１の駆動パルス信号は、パルス駆動周期Ｔ１以上の長さの制御周期ＤＬＴＴ毎に駆動回路３０に出力され、発光装置１が駆動される。これにより、蛍光面のチャージアップや蛍光体及び冷陰極電子放出源の経年変化といった外乱に対しても、実際の発光輝度と目標値との偏差に基づくフィードバック制御により、目標とする輝度を確実に維持することができる。

また、輝度のフィードバック制御に学習制御や学習制御を反映したフィードフォワード制御を取り入れることにより、制御精度をより向上することができ、更には、発光装置を駆動する際に、蛍光体を周期的に飽和状態で高輝度発光させることにより、冷陰極電子放出源の電界放出特性のバラツキによる輝度ムラを防止して均一に発光させることができ、外乱による輝度低下をより正確に補償することができる。

輝度制御システムの構成図輝度制御の機能ブロック図発光後の経過時間と輝度低下量との関係を示す説明図輝度とパルス駆動周期との関係を示す説明図制御周期を示す説明図輝度制御ルーチンのフローチャート

符号の説明

１発光装置
５カソード電極
６冷陰極電子放出源
１５アノード電極
１６蛍光体
３０駆動回路
４０輝度センサ
５０コントローラ
５１フィードバック補正量算出部
５２学習制御補正量算出部
５３修正目標輝度算出部
５４基本パルス周期算出部
５５パルス駆動周期算出部
５６駆動パルス算出部
５７制御周期設定部
ＣＤＴＧＴ目標輝度
ＣＤＣＬＣ修正目標輝度
ＥＲＲＣＤ輝度偏差
ＣＤＣＦＢフィードバック補正量
ＣＤＬＲＮ輝度補正学習値
ＣＤＣＯＲフィードフォワード輝度補正量
ＤＬＴＴ制御周期
Ｔ１パルス駆動周期
ＴＢ基本パルス周期
ＤＬＴＴ制御周期

Claims

冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、
上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、
上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、
上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、
上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、
上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、
上記修正目標輝度算出手段は、
上記輝度目標値のフィードバック補正を、上記輝度偏差に基づく比例積分制御により行うことを特徴とする発光装置の輝度制御システム。
上記修正目標輝度算出手段は、
上記輝度目標値のフィードバック補正に、上記比例積分制御の積分補償に基づく学習制御を加えることを特徴とする請求項１記載の発光装置の輝度制御システム。
上記修正目標輝度算出手段は、
上記学習制御を、上記蛍光体の発光輝度が設定輝度に収束してから発光終了までの上記輝度偏差の積分量の変化に基づいて行うことを特徴とする請求項２記載の発光装置の輝度制御システム。
上記修正目標輝度算出手段は、
上記輝度目標値のフィードバック補正に、上記学習制御を反映したフィードフォワード制御を加えることを特徴とする請求項２又は３記載の発光装置の輝度制御システム。
上記パルス駆動周期算出手段は、
上記パルス駆動周期が設定範囲外となったときには、上記パルス駆動周期を設定範囲内に制限すると共に、上記比例積分制御における積分補償の更新を停止することを特徴とする請求項２〜４の何れか一に記載の発光装置の輝度制御システム。
上記パルス駆動周期算出手段は、
予め設定された上記蛍光体の発光輝度と上記パルス信号の周期との関係に基づいて上記目標輝度に対応する基本パルス周期を算出し、この基本パルス周期を上記修正目標輝度に対応して修正することにより、上記パルス駆動周期を算出することを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の発光装置の輝度制御システム。
上記駆動手段は、
上記カソード電極をパルス駆動し、上記蛍光体を周期的に飽和状態で高輝度発光させることを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の発光装置の輝度制御システム。
上記駆動手段は、
上記カソード電極側のインピーダンスを、上記冷陰極電子放出源の電流密度が上記蛍光体を飽和状態で高輝度発光させる値となる低インピーダンス状態と、上記冷陰極電子放出源からの電子放出を停止状態とする高インピーダンス状態とに周期的に変換することを特徴とする請求項７記載の発光装置の輝度制御システム。
冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、
上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、
上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、
上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、
上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、
上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、
上記パルス駆動周期算出手段は、
予め設定された上記蛍光体の発光輝度と上記パルス信号の周期との関係に基づいて上記目標輝度に対応する基本パルス周期を算出し、この基本パルス周期を上記修正目標輝度に対応して修正することにより、上記パルス駆動周期を算出することを特徴とする発光装置の輝度制御システム。
冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、該カソード電極に真空空間を介して対向配置され、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極とを少なくとも備えた発光装置の発光輝度を制御する輝度制御システムであって、
上記蛍光体の発光輝度を検出する輝度検出手段と、
上記蛍光体の輝度目標値と上記輝度検出手段で検出した輝度との輝度偏差に基づいて、上記輝度目標値をフィードバック補正した修正目標輝度を算出する修正目標輝度算出手段と、
上記発光装置をパルス駆動するためのパルス信号の周期を、上記修正目標輝度に対応してフィードバック補償したパルス駆動周期として算出するパルス駆動周期算出手段と、
上記フィードバック補償の制御周期を、上記パルス駆動周期以上の長さの周期として可変設定する制御周期設定手段と、
上記制御周期設定手段で設定された制御周期で上記パルス駆動周期のパルス信号により上記発光装置を駆動する駆動手段とを備え、
上記駆動手段は、
上記カソード電極をパルス駆動し、上記蛍光体を周期的に飽和状態で高輝度発光させることを特徴とする発光装置の輝度制御システム。
上記駆動手段は、
上記カソード電極側のインピーダンスを、上記冷陰極電子放出源の電流密度が上記蛍光体を飽和状態で高輝度発光させる値となる低インピーダンス状態と、上記冷陰極電子放出源からの電子放出を停止状態とする高インピーダンス状態とに周期的に変換することを特徴とする請求項１０記載の発光装置の輝度制御システム。