JPH1154291A

JPH1154291A - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JPH1154291A
Application number: JP20639097A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ogasawara; 宏小笠原; Hidenori Kakehashi; 英典掛橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電トランスを用いてネオン管を効率よく発
光させる。【解決手段】出力側に接続されるネオン管に電力を伝
達する少なくとも１つの圧電トランスと、この圧電トラ
ンスの入力側に接続されて圧電トランスを駆動するトラ
ンス駆動回路とを備えてなり、出力電圧を前記ネオン管
に印加してネオン管を点灯させる放電灯点灯装置におい
て、その出力電圧を、圧電トランスの出力側にネオン管
と並列にダイオードを接続することにより、圧電トラン
スの出力を半波整流して、非正弦波状の波形とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスを用
いてネオン管を点灯させる放電灯点灯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ネオン管を点灯させる放電灯点
灯装置ではネオン管に高電圧を印加させるために、鉄心
にコイルを装着してなる、いわゆる電磁トランス（巻線
トランス）が使用されている。また、このネオン管を点
灯させるためにネオン管に印加される電圧波形は、正弦
波よりも高調波成分あるいは直流成分を含んだ歪波形
が、ネオン管を効率よく発光できることがよく知られて
いる。また、近年では、直流点灯でも正弦波点灯に比べ
てネオン管の発光が大きくできることも報告されている
（平成９年度照明学会全国大会Ｎｏ．５）。

【０００３】また、電磁トランスに比べて高効率で薄
型、不燃性等の特徴をもつ圧電トランスの放電灯点灯装
置への応用も図られており、この圧電トランスをインバ
ータ式の放電灯点灯装置に用いた例が報告されている
（PJM Smidt.,JL Duarte.,1996;Powering Neon lamps t
hrough piezoelectric transformers;IEEE;pp310-315
）。

【０００４】図７及び図８は、このような圧電トランス
を用いた従来の別の放電灯点灯装置を示すもので、図７
に回路図を、図８にその回路図におけるＡＢ間、及びＯ
Ｐ間の電圧波形を示す。ここでは、Ｌ₀とＣ₀からなる
ＬＣ共振回路の両端に矩形波電圧Ｖ_ABを印加すると、Ｃ
₀の両端にその入力側が接続された圧電トランス１の出
力電圧Ｖ_OP、つまり、ネオン管２に印加される電圧の波
形は、図８に示したように、正弦波となる。これは、圧
電トランス１は、鋭い尖鋭度（Ｑ）の共振特性を持ち、
フィルター効果があるため、圧電トランス１の共振周波
数成分しか出力しないためでもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電磁トランスを使用した従来の放電灯点灯装置にお
いては、昇圧機能を果たすトランスが電磁トランス（巻
線トランス）であるため、鉄心の磁気飽和による制約
や、巻線の絶縁設計、及び実装方法等の点から、トラン
スが大型になるという問題点があるばかりか、煩わしい
巻線、組立工程を必要としてコストも高くなりがちであ
った。

【０００６】また、圧電トランス１を使用した従来の別
の放電灯点灯装置においては、放電灯点灯装置の出力電
圧となる圧電トランス１の出力電圧波形が正弦波である
ために、ネオン管２には正弦波電圧が印加されて、ネオ
ン管２を効率よく発光させることができないという問題
点があった。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、圧電トランスを用いて
ネオン管を効率よく発光させる放電灯点灯装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、請求項１記載の発明にあっては、出力側に
接続されるネオン管に電力を伝達する少なくとも１つの
圧電トランスと、この圧電トランスの入力側に接続され
て圧電トランスを駆動するトランス駆動回路とを備えて
なり、出力電圧を前記ネオン管に印加してネオン管を点
灯させる放電灯点灯装置において、前記出力電圧が、非
正弦波状の波形を有するようにしたことを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明にあっては、請求項１
記載の放電灯点灯装置において、前記出力電圧が、少な
くとも直流成分を含むことを特徴とする。

【００１０】請求項３記載の発明にあっては、請求項２
記載の放電灯点灯装置において、前記出力電圧が、略平
流状の直流電圧である特徴とする。

【００１１】請求項４記載の発明にあっては、請求項
１、または請求項２記載の放電灯点灯装置において、前
記出力電圧が、前記圧電トランスの駆動周波数に対する
少なくとも１つの高調波成分を含むことを特徴とする。

【００１２】請求項５記載の発明にあっては、請求項４
記載の放電灯点灯装置において、前記出力電圧が、前記
圧電トランスの出力電圧を半波整流した電圧であること
を特徴とする。

【００１３】請求項６記載の発明にあっては、請求項５
記載の放電灯点灯装置において、前記圧電トランスの出
力側に、前記ネオン管と並列にダイオードを接続したこ
とを特徴とする。

【００１４】請求項７記載の発明にあっては、請求項４
記載の放電灯点灯装置において、前記出力電圧が、前記
圧電トランスの出力電圧を全波整流した電圧であること
を特徴とする。

【００１５】請求項８記載の発明にあっては、請求項４
記載の放電灯点灯装置において、前記ネオン管に、駆動
周波数が異なる複数の圧電トランスを並列に接続したこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項９記載の発明にあっては、請求項４
記載の放電灯点灯装置において、前記圧電トランスを、
所定の基本周波数と少なくとも１つの高調波の周波数で
強い共振ピークを有するように構成すると共に、前記圧
電トランスを前記トランス駆動回路により、所定の基本
周波数とその高調波の周波数を含む電圧で駆動させたこ
とを特徴とする。

【００１７】請求項１０記載の発明にあっては、請求項
８、または請求項９記載の放電灯点灯装置において、前
記圧電トランスを駆動する電圧を、矩形波としたことを
特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の放電灯点灯装置
の第１の実施の形態を示すものであり、この放電灯点灯
装置は、圧電トランス１とトランス駆動回路３、及びダ
イオードＤ₁とを備えてなり、ネオン管２を点灯させる
ように構成されている。

【００１９】圧電トランス１は、圧電セラミックの圧電
及び電歪現象を利用したものであって、例えばＰＺＴ等
のセラミック材料に、一次側電極である一対の駆動電極
１ａと、二次側電極である一対の出力電極１ｂ（一方は
駆動電極１ａの一方と共通）とを設けて構成されてい
る。そして、圧電トランス１の駆動電極１ａに一次電圧
として高周波電圧を加えると電歪現象で機械振動が発生
し、それが圧電セラミックの内部を伝わって応力と変位
とが生ずるが、同時にその変位に比例する電圧を生ずる
圧電現象が生じ、この電圧を出力電極１ｂから二次電圧
として取り出すようにされており、駆動電極１ａがトラ
ンス駆動回路３に接続されると共に、出力電極１ｂがネ
オン管２の両端に接続されるようにされている。

【００２０】トランス駆動回路３は、圧電トランス１の
駆動電極１ａに接続されて圧電トランス１を駆動させる
例えばインバータ発振回路等であって、電源４に接続さ
れて動作し、圧電トランス１の共振周波数に略一致する
高周波電圧を出力するようにされている。そして、圧電
トランス１の駆動電極１ａに、その電圧を印加すること
により、圧電トランス１の出力電極１ｂ間に昇圧された
高電圧を出力させるようにされている。また、圧電トラ
ンス１の出力側には、ネオン管２と並列にダイオードＤ
₁が接続されている。

【００２１】したがって、放電灯点灯装置の出力電圧と
しては、同図(b) に示すように、ダイオードＤ₁により
半波整流された出力電圧が得られ、この半波整流された
電圧がネオン管２に印加されるようにされるため、ネオ
ン管２を流れる電流波形もこの波形と同様の波形とな
る。この電圧・電流波形は、半波であるためもちろん非
正弦波状であって、フーリエ級数に展開すると直流成分
と、圧電トランス１の共振周波数に略一致する交流成分
（基本波成分）、及びその基本波成分の高調波成分を含
むものとなる。

【００２２】本願発明者等は、このように構成した本実
施の形態における放電灯点灯装置と、図１においてダイ
オードを省略した従来の放電灯点灯装置を用いて、ネオ
ン管２を点灯させて比較実験を行い、表１に示す結果を
得た。なお、このとき、圧電トランス１、及びトランス
駆動回路３は同じものを使用し、負荷をφ４×４００mm
のネオン管２すると共に、電源４からトランス駆動回路
３に印加される電圧をＤＣ１３．５Ｖ一定とした。ま
た、圧電トランス１の駆動周波数は１１６kHz とし、ネ
オン管２の照度は、ネオン管２から３０cm離れた位置で
測定した。

【００２３】

【表１】

【００２４】この表１からも明らかなように、本実施の
形態における放電灯点灯装置では、ネオン管２に印加さ
れる電圧が半波であるため、従来の放電灯点灯装置に比
べてランプ電流の実効値は減少しており、入力電流及び
入力電力は３分の２程度となっている。また、ネオン管
２の照度も、従来の放電灯点灯装置に比べて約２倍とな
っており、発光効率が非常によいことがわかる。

【００２５】このように構成されているため、本実施の
形態における放電灯点灯装置においては、放電灯点灯装
置の出力電圧であるネオン管２に印加される電圧が非正
弦波である半波であるため、入力電流及び入力電力を減
少させると共に、ネオン管２の照度を上げることがで
き、発光効率を大幅に向上させることができる。また、
昇圧部が圧電トランス１であるため、装置の薄型化及び
不燃化を図ることもできる。さらには、圧電トランス１
の出力インピーダンスは、電磁トランスに比べて非常に
高く、ダイオードＤ₁等により出力端子１ｂが短絡され
た状態であっても圧電トランス１の出力電流はあまり変
わらず、このため、ネオン管２と並列にダイオードＤ₁
を挿入するだけで、簡単な構成で放電灯点灯装置の出力
電圧の波形を非正弦波状である半波にでき、このとき、
トランス駆動回路３側にほとんどストレスを与えること
もない。

【００２６】なお、圧電トランスの出力側にネオン管２
直列にダイオードを挿入させることにより、圧電トラン
スの出力を半波整流させてネオン管を点灯させることも
可能ではある。しかしながら、この方法では、ダイオー
ドが不導通のとき、圧電トランスの出力側が無負荷状態
となるため、圧電トランスが過振動して破壊に至るおそ
れが生ずる。このおそれをなくすためには、本実施の形
態に示すようにダイオードをネオン管と並列に挿入する
ことが有効である。

【００２７】図２は、本発明の放電灯点灯装置の第２の
実施の形態を示すもので、前記第１の実施の形態と異な
る点は、ダイオードＤ₁とネオン管２の間に、ネオン管
２と並列にコンデンサＣ₁を接続し、そのコンデンサＣ
₁とダイオードＤ₁の間であって圧電トランス１の非共
通端子側である一方の出力端子１ｂ側に、異なるダイオ
ードＤ₂を接続した点であり、他は前記第１の実施の形
態と同様に構成されている。そして、ダイオードＤ₁に
より半波整流された電圧を、コンデンサＣ₁で平滑さ
せ、放電灯点灯装置の出力電圧として、非正弦波状出力
である半波間の谷部が不完全に谷埋めされた脈流状の電
圧を得るようにさせている。この出力電圧もまた、第１
の実施の形態の出力電圧と同様に、フーリエ級数に展開
すると直流成分と、圧電トランス１の共振周波数に略一
致する交流成分（基本波成分）、及びその基本波成分の
高調波成分を含むものとなる。このように構成しても前
記第１の実施の形態と略同様の効果を奏する。

【００２８】図３は、本発明の放電灯点灯装置の第３の
実施の形態を示すもので、前記第１の実施の形態と異な
る点は、１つのダイオードＤ₁に代えて、４つのダイオ
ードＤ₃、Ｄ₄、Ｄ₅、Ｄ₆からなるダイオードブリッ
ジを接続し、放電灯点灯装置の出力電圧として、圧電ト
ランス１の出力をダイオードブリッジにより全波整流し
た電圧を得るようにさせた点であり、他は前記第１の実
施の形態と同様に構成されている。この出力電圧もま
た、第１の実施の形態の出力電圧と同様に、フーリエ級
数に展開すると直流成分と、圧電トランス１の共振周波
数に略一致する交流成分（基本波成分）、及びその基本
波成分の高調波成分を含むものとなる。

【００２９】このように構成しても前記第１の実施の形
態と略同様の効果を奏すると共に、ネオン管２に全波整
流した電圧を印加させるため、第１の実施の形態におけ
る放電灯点灯装置よりも、電力伝達効率を高めることが
できる。

【００３０】図４は、本発明の放電灯点灯装置の第４の
実施の形態を示すもので、前記第３の実施の形態と異な
る点は、４つのダイオードＤ₃、Ｄ₄、Ｄ₅、Ｄ₆から
なるダイオードブリッジのネオン管２側に、容量の大き
い平滑コンデンサＣ₂を接続して、放電灯点灯装置の出
力電圧を大きさにほとんど変化のない略平流状の直流と
させた点であり、他は前記第３の実施の形態と同様に構
成されている。

【００３１】このように構成してもネオン管２を直流点
灯できて、前記第１の実施の形態と略同様の効果を奏す
ると共に、ネオン管２が略平流状の電圧により直流点灯
されるため、ネオン管２からのノイズの発生を低減でき
る。

【００３２】図５は、本発明の放電灯点灯装置の第５の
実施の形態を示すものであり、この放電灯点灯装置は、
複数である２つの圧電トランス１（１ｃ、１ｄ）と、１
つのトランス駆動回路３とを備えてなり、ネオン管２を
点灯させるように構成されている。

【００３３】２つの圧電トランス１は、それぞれ例えば
ＰＺＴ等のセラミック材料に、一次側電極である一対の
駆動電極１ａと、二次側電極である一対の出力電極１ｂ
（一方は駆動電極の一方と共通）とを備えて構成され、
駆動電極１ａがトランス駆動回路３に並列に接続される
と共に、出力電極１ｂがネオン管２に並列に接続される
ようにされている。また、一方の圧電トランス１ｃは、
共振周波数がｆ₀とされ、他方の圧電トランス１ｄは、
共振周波数がｆ₀の整数倍である例えば３ｆ₀とされて
いる。

【００３４】トランス駆動回路３は、２つの圧電トラン
ス１ｃ、１ｄの駆動電極１ａに接続されて圧電トランス
１を駆動させるもので、電源４に接続されて動作し、周
波数ｆ₀の矩形波電圧を出力するようにされている。一
般に矩形波は、フーリエ級数に展開すれば、以下に数１
で示したような式で表現される。

【００３５】

【数１】

【００３６】つまり、矩形波は、基本波の周波数ｆ
₀と、その奇数次調波成分を含んでおり、例えば３次の
高調波３ｆ₀の成分は、基本波ｆ₀の成分の三分の一の
振幅を持っているのである。そこで、本実施の形態にお
ける２つの圧電トランス１ｃ、１ｄに、周波数ｆ₀の矩
形波電圧を印加すれば、２つの圧電トランス１ｃ、１ｄ
は、それぞれの共振周波数である周波数ｆ₀と、高調波
３ｆ₀とを含んだ駆動電圧によって駆動されることにな
る。

【００３７】したがって、２つの圧電トランス１ｃ、１
ｄの合成出力は、各圧電トランス１ｃ、１ｄの各共振周
波数での昇圧比が略同程度とすれば、同図(b) に示すよ
うに、基本周波数の交流電圧に、その高調波電圧を加え
て生成される非正弦波状の波形である矩形波に近い歪波
形となり、この歪波形の電圧がネオン管２に印加され
て、ネオン管２が点灯される。このように構成しても前
記第１の実施の形態と略同様の効果を奏する。

【００３８】なお、本実施の形態において、他方の圧電
トランス１の共振周波数は、一方の圧電トランス１の第
３調波にかぎられるものではなく、一方の圧電トランス
１の共振周波数のその他の奇数次調波であってもよい。

【００３９】図６は、本発明の放電灯点灯装置の第６の
実施の形態を示すものであり、この放電灯点灯装置は、
第５の実施の形態と略同動作する放電灯点灯装置を１つ
の圧電トランス１を用いて構成させたもので、１つの圧
電トランス１とトランス駆動回路３とを備えてなり、ネ
オン管２を点灯させるように構成されている。

【００４０】圧電トランス１は、一次側電極である一対
の駆動電極１ａと、二次側電極である一対の出力電極１
ｂ（一方は駆動電極１ａの一方と共通）とを設けて構成
され、駆動電極１ａがトランス駆動回路３に接続される
と共に、出力電極１ｂがネオン管２の両端に接続される
ようにされている。一般に、圧電トランスは、その長さ
方向に定在波がたつとき共振して大きな昇圧作用を得る
ことができるが、この圧電トランス１は、同図(b) に示
すように、定在波の波長をλとすると、λ／２の整数倍
の周波数に複数の共振点が存在するように構成されてい
る。そして、同図では、圧電トランス１は、基本波の周
波数ｆ₀と、特に限定されるものではないが、例えば３
次調波の周波数３ｆ₀に略同程度の共振ピークを有する
セラミック材料により形成されており、圧電トランス１
には第５の実施の形態と同様の矩形波電圧が入力として
印加され、放電灯点灯装置の出力として、第５の実施の
形態と同様の出力を得るようにされている。このように
構成しても、前記第５の実施の形態と同様の効果を奏す
ると共に、第５の実施の形態に比べて圧電トランス１を
１つで構成できるという効果をも奏する。

【００４１】なお、前記各実施の形態で言う非正弦波状
の電圧とは、当然のことではあるが正弦波を除く波形を
有する電圧を意味しており、ここでは、放電灯点灯装置
を構成する少なくとも１つの圧電トランスの共振周波数
である交流に、その交流の少なくとも１つの高調波や直
流のうちの一方、または両方を加えた合成電圧や、直流
である脈流や平流等を意味する。

【００４２】

【発明の効果】このように構成されているため本発明
は、請求項１乃至請求項１０記載の発明にあっては、放
電灯点灯装置の出力電圧であるネオン管に印加される電
圧が非正弦波であるため、ネオン管の発光効率を大幅に
向上させることができる。また、昇圧部が圧電トランス
であるため、放電灯点灯装置の高効率化、薄型化及び不
燃化を図ることもできる。

【００４３】請求項３記載の発明にあっては、請求項２
記載の発明の効果に加えて、ネオン管を略平流で直流点
灯できるため、ネオン管からのノイズの発生をほとんど
なくすことができる。

【００４４】請求項５記載の発明にあっては、請求項４
記載の発明の効果に加えて、放電灯点灯装置の出力電圧
であるネオン管に印加される電圧が非正弦波である半波
であるため、入力電流及び入力電力を減少させることが
できて、効率をよくすることができる。

【００４５】請求項６記載の発明にあっては、請求項５
記載の発明の効果に加えて、圧電トランスの出力インピ
ーダンスは、電磁トランスに比べて非常に高く、ダイオ
ードにより出力端子が短絡された状態であっても圧電ト
ランスの出力電流はあまり変わらず、このため、ネオン
管と並列にダイオードを挿入するだけで、簡単な構成で
放電灯点灯装置の出力電圧の波形を非正弦波状である半
波にでき、このとき、トランス駆動回路側にほとんどス
トレスを与えることもない。また、ダイオードが不導通
のときも、圧電トランスの出力側が無負荷状態となら
ず、圧電トランスが過振動して破壊に至るおそれもな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電灯点灯装置の第１の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は出力電圧であるネオ
ン管に印加される電圧波形を示す波形図である。

【図２】本発明の放電灯点灯装置の第２の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は出力電圧であるネオ
ン管に印加される電圧波形を示す波形図である。

【図３】本発明の放電灯点灯装置の第３の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は出力電圧であるネオ
ン管に印加される電圧波形を示す波形図である。

【図４】本発明の放電灯点灯装置の第４の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は出力電圧であるネオ
ン管に印加される電圧波形を示す波形図である。

【図５】本発明の放電灯点灯装置の第５の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は出力電圧であるネオ
ン管に印加される電圧波形を示す波形図である。

【図６】本発明の放電灯点灯装置の第６の実施の形態を
示すもので、(a) は回路図、(b) は圧電トランスの共振
特性（昇圧比）を示す特性図である。

【図７】従来の放電灯点灯装置を示す回路図である。

【図８】同上の点ＡＢ間、及びＯＰ間の電圧波形を示す
波形図である。

【符号の説明】

１圧電トランス２ネオン管３トランス駆動回路Ｄ₁ ダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】出力側に接続されるネオン管に電力を伝
達する少なくとも１つの圧電トランスと、この圧電トラ
ンスの入力側に接続されて圧電トランスを駆動するトラ
ンス駆動回路とを備えてなり、出力電圧を前記ネオン管
に印加してネオン管を点灯させる放電灯点灯装置におい
て、前記出力電圧が、非正弦波状の波形を有するように
したことを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】前記出力電圧が、少なくとも直流成分を
含むことを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
【請求項３】前記出力電圧が、略平流状の直流電圧で
ある特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。
【請求項４】前記出力電圧が、前記圧電トランスの駆
動周波数に対する少なくとも１つの高調波成分を含むこ
とを特徴とする請求項１、または請求項２記載の放電灯
点灯装置。
【請求項５】前記出力電圧が、前記圧電トランスの出
力電圧を半波整流した電圧であることを特徴とする請求
項４記載の放電灯点灯装置。
【請求項６】前記圧電トランスの出力側に、前記ネオ
ン管と並列にダイオードを接続したことを特徴とする請
求項５記載の放電灯点灯装置。
【請求項７】前記出力電圧が、前記圧電トランスの出
力電圧を全波整流した電圧であることを特徴とする請求
項４記載の放電灯点灯装置。
【請求項８】前記ネオン管に、駆動周波数が異なる複
数の圧電トランスを並列に接続したことを特徴とする請
求項４記載の放電灯点灯装置。
【請求項９】前記圧電トランスを、所定の基本周波数
と少なくとも１つの高調波の周波数で強い共振ピークを
有するように構成すると共に、前記圧電トランスを前記
トランス駆動回路により、所定の基本周波数とその高調
波の周波数を含む電圧で駆動させたことを特徴とする請
求項４記載の放電灯点灯装置。
【請求項１０】前記圧電トランスを駆動する電圧を、
矩形波としたことを特徴とする請求項８、または請求項
９記載の放電灯点灯装置。