DE19505092B4 - Verfahren zum Betreiben einer mit Unterdruck-Edelgas gefüllten Glühkathoden-Entladungslampe - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Glühkathoden-Entladungslampe mit zwei Elektroden (4), die an einem jeweiligen Ende einer Glasröhre (1) gebildet sind, die mit einem Edelgas bei einem Unterdruck gefüllt ist, wobei
a) mindestens eine der an den beiden Enden der Glasröhre (1) gebildeten Elektroden (4) als Glühkathode (7) in einem stabilen Entladungszustand betrieben wird, bei dem, angeregt durch eine Gasentladung, von einem fluoreszierenden Material (3) in der Glasröhre (1) Licht emittiert wird, wobei zwischen den Elektroden ein Entladungsstrom I_L fließt; und
b) der Entladungsstrom I_L und die Temperatur T_f, auf die die Glühkathode (7) aufgeheizt wird, beim Betrieb der Entladungslampe in einem Bereich liegen, der mit I_L in mA und T_f in °C so definiert ist, daß
wenn I_L < 55 mA, T_f < 6,5 I_L + 592,5 (°C) ist,
und
wenn I_L ≥ 55 mA, T_f < 2 I_L + 840 (°C) ist,
c) so...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit Unterdruck-Edelgas gefüllten Glühkathoden-Entladungslampe, wie sie bei Büroautomatisierungsgeräten (nachfolgend 0A-Geräte genannt), wie einem Faxgerät, einem Kopiergerät usw. eingesetzt wird, bei der mindestens eine der beiden in einer Glasröhre vorgesehenen Elektroden in einen stabilen Entladungszustand als Glühkathode eingesetzt wird und Licht von einem fluoreszierenden Material emittiert wird, wobei der während des Entladevorgangs des Unterdruck-Edelgases entstehende ultraviolette Anteil von der Glasröhre abgeschirmt wird und die Glühkathode zumindest während des Betreibens erhitzt wird.
• Eine Lampe, bei der eine Lichtemission durch einen Entladevorgang eines Edelgases erzeugt wird, wurde kürzlich als Lichtquelle für ein 0A-Gerät eingesetzt. Jedoch ist für den praktischen Einsatz einer derartigen Lampe das Problem der ungleichförmigen Leuchtdichte-Verteilung zu lösen.
• So treten beispielsweise sich bewegende Streifen auf, die für den Entladungsvorgang eines unter Unterdruck stehenden Edelgases typisch sind; dies ist dargestellt in den erweiterten Inhaltsangaben Nr. 57 der Nationalen Konferenz anläßlich des 75. Jahrestages der Gründung der Gesellschaft für Beleuchtung (24.) Seite 84, 1991, Komittee/Geschäftsführungskomittee der Nationalen Konferenz der Gesellschaft für Beleuchtung.
• Eine detaillierte Beschreibung findet sich in dem Technischen Bericht von Mitsubishi Denki, 65(4), Seiten 82-86, 1991. Da sich die helleren und dunkleren Abschnitte einer positiven Entladungssäule in unregelmäßiger Art und Weise unter Streifenbildung entlang der Achsrichtung der Lampe bewegen, falls die Lampe als Leselichtquelle für ein 0A-Gerät benutzt wird, bewirken die sich bewegenden Streifen eine unmittelbare Verzerrung der Leuchtdichte-Verteilung und haben somit in einigen Fällen negative Auswirkungen auf den Lesevorgang.
• Demnach wird ein Gleichstrom-Zündverfahren zum Lösen dieses Problems vorgeschlagen. Da im Rahmen dieses Verfahrens Streifengruppen mit gleicher Größe in regelmäßiger Weise in der Lampe auftreten und sich in eine Richtung mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen, wird ein ladungsgekoppelter Lese-Baustein (CCD-Baustein) – anders als beim Auftreten von sich bewegenden Streifen – in einheitlicher Weise durch die sich fortbewegenden Streifen während des Lesens einer Vorlage beeinflußt, und hierdurch wird die Menge des empfangenen Lichts vergleichmäßigt, so daß die negativen Auswirkungen der sich fortbewegenden Streifen vermieden werden.
• Andererseits ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 1-157053, sowie der US 4,972,115 eine Vorrichtung zum Heizen einer Glühkathode auf eine Temperatur zwischen 800°C und 1200°C während des Betreibens offenbart, um die Leuchtdichte-Verteilung zu verbessern.
• Die DE 40 01 526 A1 beschreibt Maßnahmen zur Vermeidung von überhitzten Punkten (hot spots) auf der Glühkathode einer Entladungslampe, wobei beispielhaft bei einem Entladungsstrom von 125 mA eine Glühkathodentemperatur von 900°C gemessen wurde. Auf die oben genannten Probleme der ungleichförmigen Leuchtdichte-Verteilung im Entladungsraum, geht diese Druckschrift nicht ein.
• Der Hochgeschwindigkeitsbetrieb der neuesten 0A-Geräte verringert die Lesezeit pro Zeile bei FAX-Geräten und führt aufgrund einer Zunahme der erforderlichen Abstufungs-Anzahl zu höheren Stabilitätsanforderungen an das durch eine Lampe abgegebene Licht.
• Obgleich nicht bei allen Lampen nicht auf bewegliche Streifen zurückzuführende Schwankungen der abgegebenen Lichtmenge auftreten, also Schwankungen der abgegebenen Lichtmenge über eine längere Zeitdauer als diejenige der beweglichen Streifen (im folgenden als Flickern bezeichnet), erzeugen einige Lampen in irregulärer Weise Flickern, worüber bisher noch nicht berichtet wurde.
• Bei langer Lesezeit und vielen Unregelmäßigkeiten führt eine auf Flickern zurückzuführende Veränderung der bei einer Zeile empfangenen gesamten Lichtmenge nicht zu einem Problem.
• Jedoch führen bei einem Gerät mit einer hohen Betriebsgeschwindigkeit und einer kurzen Lesezeit – wie bei einem neueren 0A-Gerät – der ungünstige Einfluß des nicht auf bewegliche Streifen zurückzuführenden Flickerns auf den Lesevorgang zu einem schwerwiegenden Problem.
• Ein anderer denkbarer Faktor, der zu einer weiteren Zunahme der durch Flickern verursachten Probleme führt, ist in der Zunahme der Anzahl unterschiedlicher Abstufungen zu sehen. Ist nur eine einfache Entscheidung zu treffen, ob jeder Abschnitt einer zu lesenden Zeile schwarz oder weiß ist, so führt eine Veränderung der Lichtmenge nicht zu einem besonderen Problem. Bei einer Anzahl der Lese-Abstufungen von bis zu 256 muß eine Lichtquelle im Hinblick auf die Lichtmenge eine Stabilität aufweisen, die einer Schwankung von 1/256 oder weniger pro Lesezeit entspricht, um den Dichteunterschied von 1/256 einer Vorlage zu erfassen.
• Zusätzlich hält das Flickern nicht immer wie oben beschrieben beim Betreiben einer Lampe an, und es kann natürlich nicht von außerhalb des Gerätes gesteuert werden.
• Mit der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Probleme gelöst, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Glühkathoden-Entladungslampe mit Unterdruck-Edelgas zu schaffen, bei der ein Flickern der Lampe nicht auftritt.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• In einem Verfahren zum Betreiben einer Glühkathoden-Entladungslampe mit Unterdruck-Edelgas gemäß der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine der an beiden Enden einer Glasröhre gebildeten Elektroden als Glühkathode in einem stabilen Entladungszustand betrieben und Licht durch ein fluoreszierendes Material auf der Grundlage eines Entladungsvorgangs des in der Glasröhre dicht eingeschlossenen Unterdruck-Edelgases emittiert, und die Glühkathode auf eine Temperatur in einem Bereich geheizt, bei dem die Elektronen-Emission der Glühkathode im Verhältnis zu dem zwischen den Elektroden fließenden Lampenstrom nach dem Betreiben der Lampe nicht zu hoch ist.
• Mit dem Verfahren läßt sich der instabile Zustand aufgrund der Überschußelektronen-Emission durch die Glühkathode und das Auftreten von Flickern beim Betreiben der Lampe vermeiden.
• Unter der Annahme, daß der zwischen den Elektroden fließende Lampenstrom mit I_L (mA) und die Temperatur der Glühkathode mit T_f (°C) bezeichnet ist, wird der Temperaturbereich folgendermaßen gewählt:
  gilt I_L < 55 mA, so ist T_f < 6,5 I_L + 592,5 (°C), und
  gilt I_L ≥ 55 mA, so ist T_f < 2 I_L + 840 (°C).
• In der beiliegenden Zeichnung, anhand der ein Ausführungsbeispiel beschrieben wird, zeigen:
• 1 eine teilweise weggebrochene Frontansicht zur Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
• 2 einen Graph zur Darstellung der Beziehung zwischen der Glühkathoden-Temperatur, dem Lampenstrom und dem Auftreten von Flickern.
• 1 zeigt eine teilweise weggebrochene Frontansicht einer Glühkathoden-Entladungslampe mit Unterdruck-Edelgas und einer Austritts-Öffnung, bei der ein Verfahren zum Betreiben einer Glühkathoden-Entladungslampe mit Unterdruck-Edelgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
• In der 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 eine Glasröhre mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm; das Bezugszeichen 2 eine auf der Innenfläche der Glasröhre 1 gebildete Reflexionsschicht; und das Bezugszeichen 3 eine auf der Reflexionsschicht 2 gebildete fluoreszierende Schicht mit einem grünen fluoreszierenden Material, das eine Verbindung aus Zink-Silikat Zn₂SiO₂:Mn enthält (beispielsweise das von der Kasei Optonics Co., Ltd. hergestellte grüne fluoreszierende Material GP₁G₁). Eine Austrittsöffnung 8 mit einer Breite von 2 mm ist an der Umfangsfläche der Glasröhre 1 in Längsrichtung zu der fluoreszierenden Schicht 3 und der Reflexionsschicht 2 ausgebildet, wobei hier die fluoreszierende Schicht 3 und die Reflexionsschicht 2 nicht aufgetragen sind.
• Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine Elektrode mit einem Paar von Drähten 6, die in ein Endstück 5 zum hermetischen Abdichten eines Endes der Glasröhre 1 eingearbeitet sind, und einer zwischen den Drähten 6 angeschlossenen Wolfram-Glühdrahtspule 7 als Glühkathode. Die Glühdrahtspule 7 ist eine sogenannte Dreifachwendelspule, die mit einer elektronenemittierenden Substanz beschichtet ist.
• Der Abstand zwischen den Elektroden wird zu 260 mm gewählt. Eine 10% Xenon (Xe) von 90° Neon (Ne) enthaltende Gasmischung wird unter einem Druck von 1 Torr dicht in der Glasröhre 1 eingeschlossen. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Getter, mit dem sich Gase während der Lebensdauer der Lampe absorbieren lassen.
• Die Entladungslampe wird mit einem Gleichstrom gezündet, der durch Halbwellen-Gleichrichtung mit Hilfe einer Brückenschaltung gebildet wird, wobei die Brückenschaltung an eine Sinuswellen-Stromversorgung mit 50 kHz angeschlossen ist.
• Die 2 zeigt einen Graph, in dem das Verhältnis zwischen dem zwischen Elektroden 4 fließenden Lampenstrom, der Temperatur des Glühdrahts 7 jeder Elektrode 4 und das Auftreten von Flickern dargestellt ist. Das Auftreten von Flickern wurde mit Hilfe der in der Mitte der Austrittsöffnung 8 der Lampe austretenden Lichtmenge unter Einsatz eines optischen Meßfühlers gemessen, wobei der zwischen den Elektroden 4 fließende Lampenstrom bei einer gewünschten Glühdrahttemperatur verändert wurde und die Glühdrahttemperatur durch das Steuern des durch den Glühdraht 7 fließenden Stroms eingestellt wurde.
• In dem Graphen kennzeichnet die Markierung O einen Bereich, in dem kein Flickern auftritt, die Markierung Δ einen Bereich mit leichtem Auftreten von Flickern und die Markierung X einen Bereich mit merklichem Flickern. Die in der 2 gezeigten Ergebnisse wurden durch eine freie Bewertung der mit zehn Lampen erzielten Meßergebnisse erhalten. Selbst bei Lampen, die dem in der 2 durch die Markierung X gekennzeichneten Bereich, in dem ein Flickern auftritt, zugeordnet wurden, trat nicht immer ein Flickern auf, und einige von ihnen erzeugten kein Flickern.
• Im Gegensatz trat bei allen Lampen, die dem Bereich ohne Auftreten eines Flickerns zugeordnet wurden, entsprechend der Markierung O in 2, kein Flickern auf. Anders ausgedrückt trat bei Lampen, die dem flickerfreien Bereich zugeordnet wurden, kein Flickern auf, und bei Lampen, die dem Flickerbereich zugeordnet wurden, trat mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Flickern auf.
• Demnach kann diese Ausführung das Auftreten von Flickern dadurch verhindern, daß das Verhältnis zwischen dem Lampenstrom und der Glühdrahttemperatur so gesteuert wird, daß es dem flickerfreien Bereich entspricht.
• Eine denkbare Erklärung zum Entstehen des flickerfreien Bereichs und des Flickerbereichs in Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen dem Lampenstrom und der Glühdrahttemperatur ist wie folgt:
  Damit ein Lampenstrom fließen kann, muß in einem ausreichenden Umfang die Möglichkeit zum Emittieren von Elektronen bestehen. Dient der Glühdraht als Glühkathode, so läßt sich dieser Umfang durch das Steuern der Glühkathoden-Temperatur als ein Parameter steuern.
• So sollte beispielsweise in dem Fall, in dem ein Lampenstrom von 55 mA oder weniger fließt, die Elektrodentemperatur der Glühkathode 950°C oder weniger betragen. Ist die Temperatur der Glühkathode höher als 950°C, so werden möglicherweise Elektronen von der Glühkathode in einer Zahl emittiert, die größer als die für das Aufrechterhalten des Lampenstroms erforderliche Zahl ist, wodurch das gleichmäßige Fließen des Elektronenstroms gestört wird.
• Ist die Glühkathoden-Temperatur, verglichen mit einem Lampenstrom außerordentlich hoch, so führt dies zu einer möglichen Emission von Überschuß-Elektronen an der Glühkathode, wodurch die Entladungslampe ungleichmäßig gezündet wird und der in der 2 gezeigte Flicker-Bereich entsteht.
• Somit zeigt sich, daß in dem Fall, in dem das Verhältnis zwischen dem Lampenstrom und der Glühdrahttemperatur nicht in dem Flicker-Bereich liegt, die von der Glühkathode emittierten Elektronen nicht das Fließen des Lampenstroms stören, so daß die Entladungslampe stabil und ohne das Auftreten eines Flickerns gezündet werden kann, wodurch der in der 2 gezeigte flickerfreie Bereich entsteht.
• Wenn bei einem Lampenstrom von 55 mA die Glühkathoden-Temperatur ungefähr 750°C oder weniger beträgt, kann der Lampenstrom nicht ausschließlich durch die von der Glühkathode emittierten Thermo-Elektronen aufrechterhalten werden, so daß der Kathoden-Spannungsabfall zunimmt und somit ein Phänomen auftritt, daß Feldelektronen emittiert werden. Dieses Phänomen wurde durch Messen von Ne-Licht erfaßt, das in der Nähe der Kathode bei Entladung einer Xe/Ne-Gasmischung emittiert wurde. Jedoch wurde in diesem Fall das im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtete Flickern nicht beobachtet.
• Da die Temperatur der Glühkathode üblicherweise zwischen 800 und 1200°C gewählt wird, so wie es in der japanischen Patent- Offenlegungsschrift Nr. 1-157053 beschrieben ist, wird die Entladungslampe aufgrund von Quellspannungs-Schwankungen oder dergleichen oft in dem oben beschriebenen Flicker-Bereich gezündet.
• Durch lineare Approximation der in 2 gezeigten Grenzlinie zwischen dem Flicker-Bereich und dem flickerfreien Bereich wurden die folgenden Gleichungen erhalten:
  Gilt I_L < 55 mA, so ist T_f = 6,5 I_L + 592,5 (°C), und
  gilt I_L ≥ 55 mA, so gilt T_f = 2 I_L + 840 (°C),
  wobei I_L dem Lampenstrom und T_f die Glühdrahttemperatur darstellt.
• Weiterhin tritt – wie in 2 gezeigt ist – auch dann kein Flickern in der Entladungslampe auf, wenn die Glühdrahttemperatur niedriger ist als diejenige der Grenzlinie zwischen dem Flicker-Bereich und dem flickerfreien Bereich, die in Abhängigkeit vom Lampenstrom I_L gezeigt sind. Erfüllt die Glühdrahttemperatur T_f die nachfolgend in Abhängigkeit vom Lampenstrom I_L angegebebenen Beziehungen, so tritt demnach kein Flickern auf.
• Gilt I_L < 55 mA, so ist T_f < 6,5 I_L + 592,5 (°C), und
  gilt I_L ≥ 55 mA, so gilt T_f < 2 I_L + 840 (°C).
• Mit dieser Ausführung kann demnach das Auftreten von Flickern in der Entladungslampe durch Einstellen der Glühdrahttemperatur T_f in den Bereichen entsprechend der obigen in Abhängigkeit vom Lampenstrom I_L angegebenen Ungleichungen vermieden werden.
• Obgleich sich die Ausführungsform beispielhaft auf ein Gleichstrom-Betreiben mit Hilfe von Halbwellen-Gleichrichtung bezieht, wie sie im allgemeinen auch eingesetzt wird, treten beim Betreiben mit Wechselstrom dieselben Effekte auf.
• Weiterhin wird das Auftreten von Flickern durch den Entladungsvorgang selbst verursacht und hängt nicht nur von der Art und dem Vorhandensein von fluoreszierendem Material ab. Ferner wurden unabhängig davon, daß dieses Phänomen mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen der Lampenröhre vermessen wurde, dieselben Ergebnisse erzielt.
• Obgleich die Ausführung auf Xe als lichtemittierendes Gas basiert (Ne ist als Puffergas hinzugefügt), führt der Einsatz von He, Ne, Ar oder Kr zu denselben Effekten.
• Da ferner der Schwankungs-Ausgleichsbereich der Entladungslampe bei einer Nenn-Eingangsgröße im allgemeinen festliegt, sind die in den obigen Ungleichungen angegebenen Beziehungen selbst an der oberen Grenze des Schwankungs-Ausgleichsbereichs erfüllt. Beträgt beispielsweise der Schwankungs-Ausgleichsbereich bei einer Nenn-Eingangsgröße von 24 V 6%, so wird das Verhältnis zwischen dem Lampenstrom I_L und der Glühdrahttemperatur T_f nicht so gewählt, daß die Ungleichungen gemäß einer Nenn-Eingangsgröße von 24V erfüllt sind, sondern das Verhältnis zwischen dem Lampenstrom I_L und der Glühdrahttemperatur T wird so gewählt, daß die Ungleichungen selbst bei einer Eingangsspannung von ungefähr 25,5 V erfüllt sind, entsprechend einer Spannungsschwankung von +6%. Hierdurch kann das Betreiben der Entladungslampe in dem Flicker-Bereich und somit das Auftreten von Flickern bei der Entladungslampe vermieden werden.
• Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Glühkathoden-Temperatur in einem Bereich gewählt, bei dem eine Emission von Überschuß-Elektronen von der Glühkathode über den zwischen den Elektroden fließenden Lampenstrom hinaus vermieden wird, so daß keine Überschuß-Elektronen-Emission der Glühkathode über den Lampenstrom hinaus und kein instabiler Zustand der Lampe auftritt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein stabiles Betreiben der Entladungslampe und das Verhindern von Flickern erreicht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer Glühkathoden-Entladungslampe mit zwei Elektroden (4), die an einem jeweiligen Ende einer Glasröhre (1) gebildet sind, die mit einem Edelgas bei einem Unterdruck gefüllt ist, wobei a) mindestens eine der an den beiden Enden der Glasröhre (1) gebildeten Elektroden (4) als Glühkathode (7) in einem stabilen Entladungszustand betrieben wird, bei dem, angeregt durch eine Gasentladung, von einem fluoreszierenden Material (3) in der Glasröhre (1) Licht emittiert wird, wobei zwischen den Elektroden ein Entladungsstrom I_L fließt; und b) der Entladungsstrom I_L und die Temperatur T_f, auf die die Glühkathode (7) aufgeheizt wird, beim Betrieb der Entladungslampe in einem Bereich liegen, der mit I_L in mA und T_f in °C so definiert ist, daß wenn I_L < 55 mA, T_f < 6,5 I_L + 592,5 (°C) ist, und wenn I_L ≥ 55 mA, T_f < 2 I_L + 840 (°C) ist, c) so daß in diesem Bereich eine Emission von Überschuß-Elektronen durch die Glühkathode (7) über den während des Betreibens der Entladungslampe zwischen den Elektroden fließenden Entladungsstrom hinaus vermieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von dem fluoreszierenden Material (3) emittiert wird durch eine Anregung der durch die Entladung des in der Glasröhre (1) enthaltenen Edelgases erzeugten ultravioletten Strahlung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von dem fluoreszierenden Material (3) emittiert wird durch eine Anregung des durch die Entladung des in der Glasröhre (1) enthaltenen Edelgases erzeugten sichtbaren Lichts.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fluoreszierende Material (3) Zink-Silikat Zn₂SiO₂:Mn ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Glühkathode (7) eine Wolfram-Glühdrahtspule (7) verwendet wird, die mit einer elektronenemittierenden Substanz beschichtet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Edelgas eine Mischung aus 10% Xenon (Xe) und 90% Neon (Ne) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelgasfüllung He, Ne, Ar, Kr umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Edelgasfüllung in der Glasröhre (1) eine reine Edelgasfüllung verwendet wird.