JP5416357B2 - 電界放出型ランプの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子放出源から電界放出された電子により蛍光体を励起発光させる電界放出型ランプに用いて好適な電界放出型ランプの駆動装置に関する。

電子放出源から電界放出された電子により蛍光体を励起発光させる電界放出型ランプは知られており、特許文献１には、少なくとも、電子放出源を有するカソード電極と蛍光体を有する蛍光板電極（アノード電極）とが真空中で対向配置された発光装置であって、カソード電極に電圧を印加した状態で、カソード電極側のインピーダンスを、電子放出源における電界放出の電流密度が第１の設定値以上となる低インピーダンス状態から第２の設定値以下となる高インピーダンス状態に周期的に変換するインピーダンス変換手段を備えた発光装置（電界放出型ランプ）が開示されている。一方、この種の電界放出型ランプを発光させるには、専用の駆動装置を接続してアノード電極（蛍光板電極）に高圧の直流電圧を印加する必要がある。

従来、このような用途に適した駆動装置、特に、高圧の直流電圧を安定して出力するとともに、電圧変換効率を向上させることを目的とした駆動装置としては、特許文献２に開示されるスイッチング電源回路が知られており、同文献２には、スイッチング素子を備え、入力された直流人力電圧を断続して出力するスイッチング手段と、一次側の出力を二次側に伝送するために設けられ、一次巻線、第１の二次巻線、及び第２の二次巻線を巻回すると共に、上記一次巻線と上記第１の二次巻線とについては疎結合とされる所要の結合度が得られるようにされ、上記第１の二次巻線と第２の二次巻線については密結合の状態が得られるようにされた絶縁コンバータトランスと、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とするようにして挿入される一次側直列共振回路と、上記スイッチング手段のスイッチング動作時において部分共振動作が得られるようにして形成される一次側部分共振回路と、上記第１の二次巻線に得られる交番電圧を入力して整流動作を行うことで、二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて、上記スイッチング素子のスイッチング周波数を可変することで定電圧制御を行うようにされる定電圧制御手段と、上記第２の二次巻線に得られる交番電圧を入力して整流動作を行うことで、所定の高圧レベルとされる直流高電圧を得るように構成された直流高電圧生成手段とを備えるスイッチング電源回路が開示されている。
特開２００６−２８６５６５号公報 特開２００１−２１８４６０号公報

しかし、上述した従来の駆動装置（スイッチング電源回路）は、次のような問題点があった。

第一に、従来のスイッチング電源回路は、電圧変換効率を向上させることを目的としているものの、スイッチング手段を動作させるための共振回路が必須となるため、全体の信号系統（回路構成）の複雑化を招く。通常、直流入力電圧１２〔Ｖ〕，出力直流電圧５〔ｋＶ〕及び駆動電力２０〔Ｗ〕程度の電源回路では、電圧変換効率が８６〔％〕程度となり、共振回路の構成部品による損失が無視できないことから、電圧変換効率を向上させるには限界がある。しかも、共振回路に伴う構成部品の増加は、装置全体の小型コンパクト化及び低コスト化を図る上でも不利になる。

第二に、電界放出型ランプでは、ゲート電極の電圧制御或いは特許文献１に開示されるようなカソード電極に直列接続したスイッチング素子のオン／オフ制御により輝度制御（調光制御）が可能であるため、電界放出型ランプを発光させる駆動装置の出力電圧が変動したとしてもさほど支障を生じない。したがって、スイッチング電源装置に求められる一般的な性能である出力電圧の高度の安定化は、電界放出型ランプにとってさほど重要な性能ではなく、従来のスイッチング電源装置は電界放出型ランプにとって必ずしも最適な駆動装置として構成されているとはいえない。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した電界放出型ランプの駆動装置の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを出力する駆動回路と、このスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂによりスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂをオン／オフ制御して直流入力電圧Ｖｉをスイッチングするスイッチング回路３と、スイッチングされた入力電圧Ｖｉを昇圧する昇圧トランス４と、この昇圧トランス４の出力電圧Ｖｍｏを整流して直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇを出力する整流回路５を備える電界放出型ランプＬの駆動装置１を構成するに際して、昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓを利用した共振回路６と、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で略ゼロとなる電流閾値に達したときにスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオフにし、昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で略ゼロとなる電圧閾値に達したときにスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオンにする制御を行うことにより、当該スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒを共振回路６の共振条件にマッチングさせる機能を有する駆動回路２と、整流回路５の直流出力電圧Ｖｇを電界放出型ランプＬのゲート電極Ｌｇに印加するとともに、少なくとも負荷電流に基づき当該ゲート電極Ｌｇに印加する直流出力電圧Ｖｇの大きさを制御して電界放出型ランプＬを調光可能な制御回路１３とを備えることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、駆動回路２は、具体的なスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂの生成方法（出力方法）として、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達するタイミングｔｒ及び昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングｔｓを予め求め、求めたタイミングｔｒ，ｔｓに基づいて生成したスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを固定の他励信号として出力することができるし、或いは、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達するタイミングｔｒ及び昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングｔｓを所定の検出手段１１ｉ，１１ｖにより検出し、この検出したタイミングｔｒ，ｔｓに基づいてスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ／オフタイミングｔｒを制御することによりスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを自励信号として出力することができる。他方、整流回路５には、多倍電圧整流回路１２を用いることができる。

このような構成を有する本発明に係る電界放出型ランプの駆動装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓを利用した共振回路６の共振条件に、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒをマッチングさせるようにしたため、追加的な共振回路が不要となる。したがって、追加的な共振回路の構成部品による損失を排除できるため、電圧変換効率をより高めることができる。また、全体の信号系統（回路構成）が単純化するため、装置全体の小型コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。

（２） 駆動回路２におけるスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ／オフタイミングｔｒを共振条件にマッチングさせる機能として、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で略ゼロとなる電流閾値に達したときにスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオフにし、昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で略ゼロとなる電圧閾値に達したときにスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオンにする機能を設けたため、ゼロボルトスイッチング動作を行わせることができ、ゼロボルトスイッチング動作のメリットであるスイッチング損失の低減及びスイッチングノイズの低減を図れるなど、本発明に係る駆動装置１に適用して最適な態様で動作させることができ、より大きな効果を得ることができる。

（３） 駆動装置１に、整流回路５の直流出力電圧Ｖｇを電界放出型ランプＬのゲート電極Ｌｇに印加するとともに、ゲート電極Ｌｇに印加する直流出力電圧Ｖｇの大きさを制御して当該電界放出型ランプＬを調光可能な制御回路１３を設けたため、駆動装置１の直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇが変動しても調光制御により電界放出型ランプＬの輝度を一定にすることができる。したがって、従来のスイッチング電源装置のように、直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇに対する高度の安定化はさほど重要とはならないため、その分回路構成の簡略化，小型化，電圧変換効率の更なる向上を図れるなど、電界放出型ランプＬに対する駆動装置１としての最適化を図ることができる。

（４） 好適な態様により、駆動回路２における具体的なスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂの生成方法（出力方法）として、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達するタイミングｔｒ及び昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングｔｓを予め求め、求めたタイミングｔｒ，ｔｓに基づいて生成したスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを固定の他励信号として出力するようにすれば、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂにおけるオンタイミングｔｓ及びオフタイミングｔｒを固定できるため、回路構成の簡略化を図れるとともに、小型コンパクト化及び低コスト化に寄与できる。

（５） 好適な態様により、駆動回路２における具体的なスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂの生成方法（出力方法）として、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達するタイミングｔｒ及び昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングｔｓを所定の検出手段１１ｉ，１１ｖにより検出し、この検出したタイミングｔｒ，ｔｓに基づいてスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ／オフタイミングｔｒを制御することによりスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを自励信号として出力するようにすれば、入力電流Ｉｉ及び端子電圧Ｖｍｉの変動等に応じてオン／オフタイミングｔｒ，ｔｓを最適な状態に変更できるため、より精度の高い動作を行わせることができるとともに、駆動装置１の高性能化及び性能安定化に寄与することができる。

（６） 好適な態様により、整流回路５に、多倍電圧整流回路１２を用いれば、倍数選択により昇圧トランス４における二次巻線部の巻数を変えることにより、昇圧トランス４の共振条件を調整できるため、昇圧トランス４の共振条件を変更した場合であっても、同一の直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇを得ることができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る電界放出型ランプの駆動装置１の理解を容易にするため、図６及び図７を参照して、本発明の原理の概要について説明する。

図６は、トランス６０を高周波スイッチング動作させる際の簡易等価回路を示す。図６中、６１は理想トランス部，Ｃｓ，Ｃｓは浮遊静電容量，６４は漏れインダクタンス，６５は導線抵抗を示す。この簡易等価回路において、トランス６０の一次巻線６０ｆ側にスイッチング手段ＳＷａ，ＳＷｂを接続し、図７に示すように、スイッチング手段ＳＷａ，ＳＷｂを交互にオン／オフ制御すれば、トランス６０を固有の周波数により共振させることができる。即ち、追加的な共振回路を設けることなく、浮遊静電容量Ｃｓ…を利用してトランス６０のみで共振動作を行うことができる。また、スイッチング手段ＳＷａ，ＳＷｂのオンタイミングｔｓ及びオフタイミングｔｒをトランス６０の共振条件にマッチングさせれば、ゼロボルトスイッチング動作も可能となる。したがって、追加的な共振回路が不要になるため、共振回路の構成部品による損失を排除でき、電圧変換効率を高めることができるとともに、全体の信号系統（回路構成）を単純化できるため、装置全体の小型コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。加えて、ゼロボルトスイッチング動作を行わせれば、ゼロボルトスイッチング動作のメリットであるスイッチング損失の低減及びスイッチングノイズの低減も図れることになる。

次に、本実施形態に係る電界放出型ランプの駆動装置１の構成について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る駆動装置１及びこの駆動装置１により駆動する（発光させる）電界放出型ランプＬを示す。この場合、電界放出型ランプＬは、真空バルブ９１の内部に、カソード電極Ｌｋ，ゲート電極Ｌｇ，アノード電極Ｌａの順に間隔を空けて配した構成を有し、蛍光体を有するアノード電極Ｌａに直流高電圧を印加すれば、電子放出源を有するカソード電極Ｌｋから電子が電界放出され、この電子がアノード電極Ｌａの蛍光体を励起発光させる発光原理を有する。

一方、駆動装置１は、入力側に、正側入力端子２１ｐ及び負側入力端子２１ｎを有し、正側入力端子２１ｐは電源ラインＨを介して単巻トランスを用いた昇圧トランス４に接続するとともに、負側入力端子２１ｎはグランドＧに接続する。昇圧トランス４は、同一巻数となる第一巻線Ｎｆｘと第二巻線Ｎｆｙを有する一次巻線部Ｎｆと二次巻線部Ｎｓを有し、第一巻線Ｎｆｘと第二巻線Ｎｆｙの共通接続部となる一次巻線部Ｎｆの中間タップＪｃに上述した電源ラインＨが接続される。他方、駆動装置１の出力側には、アノード出力端子２１ａ，ゲート出力端子２１ｇ及びカソード出力端子２１ｋを有し、アノード出力端子２１ａ，ゲート出力端子２１ｇ及びカソード出力端子２１ｋは、電界放出型ランプＬにおけるアノード電極Ｌａ，ゲート電極Ｌｇ及びカソード電極Ｌｋにそれぞれ接続することができる。

また、昇圧トランス４の一次側となる電源ラインＨとグランドＧには、制御回路１３及び駆動回路２を接続する。制御回路１３は、電界放出型ランプＬのカソード電極Ｌｋ（又はアノード電極Ｌａ）に対してスイッチング素子１４を直列接続し、このスイッチング素子１４をオン／オフ制御して電界放出型ランプＬを調光する調光機能を備える。調光機能は、正側入力端子２１ｐの直流入力電圧Ｖｉと電流検出部１３ｄから検出するアノード電極Ｌａに流れる負荷電流から駆動電力を求めるとともに、スイッチング素子１４をスイッチングする際のデューティ比を可変制御することにより駆動電力が一定となるように制御する。なお、ゲート電極Ｌｇに印加する直流出力電圧Ｖｇの大きさを可変制御しても同様の調光を行うことができる。調光機能には、このように直流入力電圧Ｖｉが変動しても駆動電力（輝度）が一定になるように制御する調光機能と、不図示の調整ダイヤル等を操作して任意に電界放出型ランプＬの輝度を変化させる調光機能が含まれる。

駆動回路２は、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂを出力する機能を備える。図２に、駆動回路２の具体的回路構成を示す。図２に示す駆動回路２は、オペアンプ２２ａを利用した発振回路２２、相互に反対方向に接続した第一ダイオードＤｓと第二ダイオードＤｒを有する双方向ダイオード２３、フリップフロップ回路２４ｆ，アンド回路２４ａ及び２４ｂを用いたスイッチング信号生成回路２４を備える。なお、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は抵抗、Ｃｃはコンデンサを示すとともに、Ｒｓは第一ダイオードＤｓに直列接続した調整抵抗、Ｒｒは第二ダイオードＤｒに直列接続した調整抵抗を示す。

この駆動回路２は、他励式発振器を構成し、発振回路２２からは図３（ａ）に示すパルス信号Ｓｍが出力する。このパルス信号Ｓｍはスイッチング信号生成回路２４に付与され、一方のアンド回路２４ａから図３（ｂ）に示すスイッチング信号Ｓａが出力するとともに、他方のアンド回路２４ｂから図３（ｃ）に示すスイッチング信号Ｓｂが出力する。また、調整抵抗Ｒｓ，Ｒｒ及びコンデンサＣｃにより、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ及びオフタイミングｔｒが設定される。この場合、調整抵抗Ｒｓの大きさを変更すれば、コンデンサＣｃに対する充電時間が変化し、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオフタイミングを変更できるとともに、調整抵抗Ｒｒの大きさを変更すれば、コンデンサＣｃにおける放電時間が変化し、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングを変更できる。

さらに、昇圧トランス４の一次側（一次巻線部Ｎｆ）には、ＦＥＴを用いたスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂを接続する。即ち、スイッチング素子Ｑａを構成するＦＥＴのゲートにスイッチング信号Ｓａを付与するとともに、このＦＥＴのドレインを一次巻線部Ｎｆにおける第一巻線Ｎｆｘの端部Ｊｘに接続し、かつソースをグランドＧに接続する。また、スイッチング素子Ｑｂを構成するＦＥＴのゲートにスイッチング信号Ｓｂを付与するとともに、このＦＥＴのドレインを一次巻線部Ｎｆにおける第二巻線Ｎｆｙの端部Ｊｙに接続し、かつソースをグランドＧに接続する。この場合、第一巻線Ｎｆｘの端部ＪｘとグランドＧ間の電圧及び第二巻線Ｎｆｙの端部ＪｙとグランドＧ間の電圧が一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉとなる。

他方、昇圧トランス４の二次巻線部Ｎｓには、この二次巻線部Ｎｓから出力する出力電圧Ｖｍｏを整流して二系統の直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇを出力する整流回路５を接続する。この場合、整流回路５は、多倍電圧整流回路１２により構成する。多倍電圧整流回路１２は、ダイオードＤ１，Ｄ２…Ｄ７，Ｄ８及びコンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃ５，Ｃ６により構成する。なお、Ｃ７は平滑コンデンサを示す。そして、一方の直流出力電圧Ｖａは、アノード出力端子２１ａに付与されるとともに、他方の直流出力電圧Ｖｇは、ゲート出力端子２１ｇに付与される。

次に、本実施形態に係る駆動装置１の動作及び機能について、図１〜図６を参照して説明する。

まず、駆動装置１では、予め、駆動回路２から出力するスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ／オフタイミングｔｒを設定する。本実施形態に係る駆動装置１は、高周波スイッチング動作させることを前提とするため、図６に示した簡易等価回路のように、昇圧トランス４の浮遊静電容量Ｃｓを利用する。したがって、駆動装置１では、昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓにより構成される共振回路６を利用する。今、実際に測定した共振回路６の共振周波数が６０〔ｋＨｚ〕（共振条件）であったとすれば、駆動回路２におけるスイッチング周波数が６０〔ｋＨｚ〕になるように設定する。

そして、設定したスイッチング周波数により駆動装置１を作動させれば、駆動回路２の発振回路２２からパルス信号Ｓｍが出力する。このパルス信号Ｓｍはスイッチング信号生成回路２４に付与され、一方のアンド回路２４ａからスイッチング信号Ｓａが出力するとともに、他方のアンド回路２４ｂからスイッチング信号Ｓｂが出力する。これにより、スイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑａ，Ｑｂが交互にオン／オフし、一次巻線部Ｎｆには、スイッチングされた入力電圧Ｖｉが印加されることにより入力電流Ｉｉが流れる。また、これにより、二次巻線部Ｎｓの両端には出力電圧Ｖｍｏが出力する。

この際、入力電流Ｉｉと一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉを、例えば、波形表示し、入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達したときに、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオフにするオフタイミングｔｒを設定する。この場合、電流閾値を略ゼロに設定し、入力電流Ｉｉが減少過程で略ゼロに達したときに、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂがオフするオフタイミングｔｒを、図２に示す駆動回路２における調整抵抗Ｒｓの大きさを変更して設定する。また、端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達したときに、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂをオンにするオンタイミングｔｓを設定する。この場合も、電圧閾値を略ゼロに設定し、端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達したときに、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂがオンするオンタイミングｔｓを、図２に示す駆動回路２における調整抵抗Ｒｒの大きさを変更して設定する。

これにより、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒを共振回路６の共振条件にマッチングさせることができる。この結果、駆動回路２では、このようにして得られたオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒに基づいてスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂが生成されることになり、生成されたスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂは固定の他励信号として駆動回路２から出力する。図２に示すような駆動回路２を構成すれば、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂにおけるオンタイミングｔｓ及びオフタイミングｔｒを固定できるため、回路構成の簡略化を図れるとともに、小型コンパクト化及び低コスト化に寄与できる利点がある。

また、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒを共振回路６の共振条件にマッチングさせるため、スイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑａ，Ｑｂはゼロボルトスイッチング動作を行うことになる。したがって、ゼロボルトスイッチング動作のメリットであるスイッチング損失の低減及びスイッチングノイズの低減を図れるなど、本発明に係る駆動装置１に適用して最適な態様で動作させることができ、より大きな効果を得ることができる。

このように、本実施形態に係る駆動装置１によれば、基本的に、昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓを利用した共振回路６の共振条件に、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒをマッチングさせるようにしたため、追加的な共振回路が不要となる。したがって、追加的な共振回路の構成部品による損失を排除できるため、電圧変換効率をより高めることができる。また、全体の信号系統（回路構成）が単純化するため、装置全体の小型コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。

次に、駆動装置１の具体的な動作について説明する。今、正側入力端子２１ｐ及び負側入力端子２１ｎに、直流入力電圧Ｖｉ（＝１２〔Ｖ〕）が付与された場合を想定する。駆動回路２では、上述したように、発振回路２２から図３（ａ）に示すパルス信号Ｓｍが出力し、駆動回路２からは、昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓを利用した共振回路６の共振条件にマッチングしたオン／オフタイミングｔｓ，ｔｒを有する図３（ｂ）に示すスイッチング信号Ｓａ及び図３（ｃ）に示すスイッチング信号Ｓｂが出力し、スイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑａ，Ｑｂのゲートに付与される。これにより、スイッチング素子（ＦＥＴ）Ｑａ，Ｑｂが交互にオン／オフし、一次巻線部Ｎｆには、スイッチングされた入力電圧Ｖｉが印加されることにより、図３（ｅ）に示す入力電流Ｉｉが流れる。また、これにより、二次巻線部Ｎｓの両端には、図３（ｄ）に示す出力電圧Ｖｍｏが出力する。

図４及び図５は、実測した入力電流Ｉｉ〔Ａ〕と端子電圧Ｖｍｉ〔Ｖ〕の波形を示している。図４及び図５は、図１に示した駆動装置１及び図２に示した駆動回路２を使用するとともに、直流出力電圧Ｖａを７〔ｋＶ〕，駆動電力を１０〔Ｗ〕とし、周辺温度が５０〔℃〕の状態における実測波形であり、図４及び図５におけるタイミングｔｓ，ｔｒにおいて、ゼロボルトスイッチング動作が行われている。また、図３（ｄ）に示すように、出力電圧Ｖｍｏは、正弦波に近似する波形となり、昇圧トランス４及びこの昇圧トランス４の有する浮遊静電容量Ｃｓを利用した共振回路６は、正規の共振回路として動作していることを確認できる。この場合、電圧変換効率として、９５．２５〔％〕が得られた。このような１０〔Ｗ〕クラスでも、かなり高い電圧変換効率が得られるため、さらに駆動電力（出力電力）が大きい場合には、より電圧変換効率が高まるものと推測される。

他方、昇圧トランス４の二次巻線部Ｎｓからは出力電圧Ｖｍｏが出力し、多倍電圧整流回路１２により多倍電圧整流が行われる。これにより、アノード出力端子２１ａからは、略７．０〔ｋＶ〕の直流出力電圧Ｖａが得られ、電界放出型ランプＬのアノード電極Ｌａに付与されるとともに、ゲート出力端子２１ｇからは、略３．８〔ｋＶ〕の直流出力電圧Ｖｇが得られ、電界放出型ランプＬのゲート電極Ｌｇに付与される。なお、このような多倍電圧整流回路１２を用いれば、倍数選択により昇圧トランス４における二次巻線部Ｎｓの巻数を変えることにより、昇圧トランス４の共振条件を調整できるため、昇圧トランス４の共振条件を変更した場合であっても、同一の直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇを得ることができる利点がある。

例示する多倍電圧整流回路１２の原理は次のようになる。この多倍電圧整流回路１２では、コンデンサＣ１の両端電圧が二次巻線部Ｎｓの出力電圧Ｖｍｏと同じになるとともに、他のコンデンサＣ２〜Ｃ６の両端電圧は、それぞれ二次巻線部Ｎｓの出力電圧Ｖｍｏの２倍となる。したがって、アノード出力端子２１ａの直流出力電圧Ｖａは、
Ｖａ＝Ｖｉ＋（６．５×Ｖｍｏ） …（１）
となる。ここで、Ｖｉは１２〔Ｖ〕である。また、Ｖｍｏは（Ｎｓ／Ｎｆｘ）×１２となる。例示の場合、Ｎｓ／Ｎｆｘ＝９０に設定してあるため、（１）式は、
Ｖａ＝１２＋（６．５×９０×１２）
＝７．０３２
≒７．０〔ｋＶ〕
となる。また、このときのゲート出力端子２１ｇの直流出力電圧Ｖｇは、
Ｖｇ＝Ｖｉ＋（３．５×Ｖｍｏ） …（２）
となる。よって、
Ｖｇ＝１２＋（３．５×９０×１２）
＝３．７９２
≒３．８〔ｋＶ〕
となる。

なお、駆動時には、制御回路１３による調光機能により調光制御が行われる。即ち、制御回路１３では、正側入力端子２１ｐからの直流入力電圧Ｖｉ（１２〔Ｖ〕）の大きさと電流検出部１３ｄにより検出するアノード電極Ｌａに流れる負荷電流の大きさから駆動電力を得る。また、制御回路１３は、スイッチング制御信号Ｓｋを出力し、スイッチング素子１４を３５０〔Ｈｚ〕のスイッチング周波数によりスイッチングするとともに、得られた駆動電力が一定となるように、スイッチング制御信号Ｓｋのデューティ比を可変制御する。ゲート電極Ｌｇに印加する直流出力電圧Ｖｇの大きさを可変制御しても同様の調光を行うことができる。この場合、ゲート電極Ｌｇに仮想線で示す電圧可変回路１３ｖを接続し、制御回路１３から電圧制御信号Ｓｇを付与することにより駆動電力が一定となるように制御すればよい。

このような制御回路１３を設ければ、駆動装置１の直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇが変動しても調光制御により電界放出型ランプＬの輝度を一定にすることができる。特に、本実施形態に係る駆動装置１では、直流入力電圧Ｖｉの大きさが変動した場合、直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇが変動するが、このような調光制御が可能なため、従来のスイッチング電源装置のように、直流出力電圧Ｖａ，Ｖｇに対する高度の安定化はさほど重要とはならないため、その分、回路構成の簡略化，小型化，電圧変換効率の更なる向上を図れるなど、電界放出型ランプＬに対する駆動装置１としての最適化を図れる利点がある。

他方、図８には、駆動回路２の変更実施形態を示す。なお、図８において、図２と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にした。図８に示す駆動回路２は、昇圧トランス４に流れる入力電流Ｉｉが減少過程で所定の電流閾値に達するタイミングｔｒ及び昇圧トランス４における一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉが低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングｔｓを所定の検出手段１１ｉ，１１ｖにより検出し、この検出したタイミングｔｒ，ｔｓに基づいてスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのオンタイミングｔｓ／オフタイミングｔｒを制御するようにしたものである。この場合、例示の検出手段１１ｉは、図１に仮想線で示すように、入力電流Ｉｉの大きさを検出する電流検出回路である。また、例示の検出手段１１ｖは、一次巻線部Ｎｆの端子電圧Ｖｍｉの大きさを検出する電圧検出回路である。これにより、検出手段１１ｉからは入力電流Ｉｉの検出信号Ｓｄａが図８における放電電流制御回路３１ａに付与されるとともに、検出手段１１ｖからは端子電圧Ｖｍｉの検出信号Ｓｄｂが図８における充電電流制御回路３１ｂに付与される。

したがって、図８に示す駆動回路２は次のように動作（機能）する。まず、調整抵抗Ｒｓ，Ｒｒは、コンデンサＣｃに対する充電時間又は放電時間を長めに設定する。これにより、充電電流制御回路３１ｂは、検出信号Ｓｄｂの大きさに応じてコンデンサＣｃに充電する充電電流ｉｂの大きさを制御することができるため、検出信号Ｓｄｂの大きさに対応してスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのタイミングを変更することができる。即ち、充電電流ｉｂを多くすれば、コンデンサＣｃに対する充電時間が早くなるため、オフタイミングを早めることができる。一方、放電電流制御回路３１ａは、検出信号Ｓｄａの大きさに応じてコンデンサＣｃから放電する放電電流ｉａの大きさを制御することができるため、検出信号Ｓｄａの大きさに対応してスイッチング信号Ｓａ，Ｓｂのタイミングを充電電流制御回路３１ｂ側の場合と同様変更することができる。

図８に示す駆動回路２では、スイッチング信号Ｓａ，Ｓｂは自励信号として出力するため、入力電流Ｉｉ及び端子電圧Ｖｍｉの変動等に応じて、オン／オフタイミングｔｓ，ｔｒを最適な状態に変更できるため、より精度の高い動作を行わせることができるとともに、駆動装置１の高性能化及び性能安定化に寄与できる利点がある。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、電流閾値及び電圧閾値として、略ゼロである場合を例示したが、略ゼロとは完全にゼロであることは勿論のことゼロに近い僅かな大きさも含む概念である。また、整流回路５として多倍電圧整流回路１２を用いた場合を例示したが、他の整流回路を排除するものではない。さらに、昇圧トランス４として単巻トランスを例示したがトランスの種類は問わない。

本発明に係る駆動装置１は、電界放出型照明ランプ（ＦＥＬ）や電界放出型表示装置（ＦＥＤ）など、各種用途における電界放出型ランプＬに利用することができ、同様の発光原理を用いる以上、その名称は問わない。

本発明の最良の実施形態に係る電界放出型ランプの駆動装置の回路図、 同駆動装置に備える駆動回路を具体的に示す回路図、 同駆動装置における各部の信号を示すタイミングチャート、 同駆動装置の昇圧トランスにおける入力電流を実測した実測波形図、 同駆動装置の昇圧トランスにおける一次巻線部の端子電圧を実測した実測波形図、 同駆動装置の理解を容易にするための本発明の原理説明図、 図６に示した原理説明図におけるスイッチング手段のオン／オフ状態を示すタイミングチャート、 本発明の変更実施形態に係る駆動回路を具体的に示す回路図、

符号の説明

１：駆動装置，２：駆動回路，３：スイッチング回路，４：昇圧トランス，５：整流回路，６：共振回路，１１ｉ：検出手段，１１ｖ：検出手段，１２：多倍電圧整流回路，１３：制御回路，１４：スイッチング素子，Ｓａ：スイッチング信号，Ｓｂ：スイッチング信号，Ｑａ：スイッチング素子，Ｑｂ：スイッチング素子，Ｖｉ：直流入力電圧，Ｖｍｉ：一次巻線部の端子電圧，Ｖｍｏ：昇圧トランスの出力電圧，Ｖａ：直流出力電圧，Ｖｇ：直流出力電圧，Ｖｉ：昇圧トランスに印加される入力電圧（直流入力電圧），Ｎｆ：一次巻線部，Ｌ：電界放出型ランプ，Ｃｓ：浮遊静電容量，ｔｓ：オンタイミング，ｔｒ：オフタイミング，Ｉｉ：入力電流，Ｌｇ：ゲート電極，Ｌｋ：カソード電極，Ｌａ：アノード電極

Claims (4)

1. スイッチング信号を出力する駆動回路と、このスイッチング信号によりスイッチング素子をオン／オフ制御して直流入力電圧をスイッチングするスイッチング回路と、スイッチングされた入力電圧を昇圧する昇圧トランスと、この昇圧トランスの出力電圧を整流して直流出力電圧を出力する整流回路を備える電界放出型ランプの駆動装置において、前記昇圧トランス及びこの昇圧トランスの有する浮遊静電容量を利用した共振回路と、前記昇圧トランスに流れる入力電流が減少過程で略ゼロとなる電流閾値に達したときに前記スイッチング信号をオフにし、前記昇圧トランスにおける一次巻線部の端子電圧が低下過程で略ゼロとなる電圧閾値に達したときに前記スイッチング信号をオンにする制御を行うことにより、当該スイッチング信号のオン／オフタイミングを前記共振回路の共振条件にマッチングさせる機能を有する駆動回路と、前記整流回路の直流出力電圧を電界放出型ランプのゲート電極に印加するとともに、少なくとも負荷電流に基づき当該ゲート電極に印加する直流出力電圧の大きさを制御して前記電界放出型ランプを調光可能な制御回路とを備えることを特徴とする電界放出型ランプの駆動装置。
2. 前記駆動回路は、前記昇圧トランスに流れる入力電流が減少過程で所定の電流閾値に達するタイミング及び前記昇圧トランスにおける一次巻線部の端子電圧が低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングを予め求め、求めたタイミングに基づいて生成した前記スイッチング信号を固定の他励信号として出力することを特徴とする請求項１記載の電界放出型ランプの駆動装置。
3. 前記駆動回路は、前記昇圧トランスに流れる入力電流が減少過程で所定の電流閾値に達するタイミング及び前記昇圧トランスにおける一次巻線部の端子電圧が低下過程で所定の電圧閾値に達するタイミングを所定の検出手段により検出し、この検出したタイミングに基づいて前記スイッチング信号のオン／オフタイミングを制御することにより前記スイッチング信号を自励信号として出力することを特徴とする請求項１記載の電界放出型ランプの駆動装置。
4. 前記整流回路は、多倍電圧整流回路を用いることを特徴とする請求項１記載の電界放出型ランプの駆動装置。

Images