JP2005005204A

JP2005005204A - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP2005005204A
Application number: JP2003169412A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shiba; 俊明司馬; Eiji Abe; 英治阿部
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06
Also published as: US20070090768A1; EP1635622A1; WO2004112444A1

Abstract

【課題】外面電極型蛍光ランプをちらつきなく高輝度点灯させることができ、調光時にもちらつきなく点灯させることができる放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】この放電灯点灯装置は、高周波電源回路からの高周波電圧を外面電極外面電極に印加して希ガスを使った外面電極型蛍光ランプを放電点灯させるもので、外面電極型蛍光ランプは、その中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上とし、この外面電極型蛍光ランプに供給するランプ電流の周波数は２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲内に設定したものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外面電極型蛍光ランプに対する放電灯点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶用のバックライトには、光源として水銀が封入された冷陰極蛍光ランプが使用されていたが、近年有害物質である水銀の変わりにキセノンを封入した蛍光ランプが開発されている。
【０００３】
一般に希ガスを使った外面電極型誘電体バリア放電の仕組みは、次の通りである。外面電極型誘電体バリア放電ランプは、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成する希ガス放電用ガスが充填された放電プラズマ空間をランプ管内に形成してあり、この希ガス放電用ガスに放電現象を誘起させるための両電極のうち少なくとも一方の電極を外面電極としてガラス管の外面に配置し、ガラス管内の希ガス放電用ガスとの間に誘電体であるガラス材を介在させる構造である。そしてこの誘電体バリア放電ランプに対して、その外面電極に高電圧を印加するための給電装置を接続し、給電装置から昇圧トランスを介して誘電体バリア放電ランプに概ね周期的な波形の高電圧を印加することにより、希ガス放電ランプを放電点灯させる。
【０００４】
外面電極型誘電体バリア放電ランプの放電点灯装置の一例として、キセノンのような希ガスを封入した外面電極蛍光ランプを用いる放電灯点灯装置の構成が図９に示してある。図９において、１は、内壁に蛍光体２が設けられたガラス管であり、このガラス管１の内部には少なくともキセノンを含んだ放電媒体が封入されている。ガラス管１の少なくとも一端には、導入線３を介して内部電極４が封着されている。ガラス管１の外壁には、管軸方向に沿って任意形状の導電性物質が外部電極５として設置されている。例えば、線状の導電性物質（導電線）が、螺旋状に巻かれ、外部電極５にしてある。この外部電極５は、透光性熱収縮チューブ６で被覆され、ガラス管１の表面に固定されることによりその位置ずれが生じない工夫されている。内部電極４には、導入線３を介して電圧供給線８が接続され、また外部電極５には、固定用金属棒７を介して電圧供給線８’が接続されている。
【０００５】
この外面電極型蛍光ランプの点灯のために、電源（インバータ）９を用いて高周波の正負のランプ電流をこれらの電圧供給線８，８’を介して電極４，５間に供給することによってガラス管１内で放電を開始させ、キセノンから紫外線を放出させる。この紫外線はガラス管１の内壁の蛍光体２に当たって可視光に変換されてガラス管１から放射され、これが光源として利用される。
【０００６】
上記の構成の外面電極型蛍光ランプを点灯させる給電装置として、図１０、図１１のようなランプ電流が流れるようにランプと直接２次巻線が接続されたトランスの１次側へ矩形波電圧を印加するのが最適である。図１２、図１３は従来の放電灯点灯装置の回路図、図１４はそのタイミングチャートを示している。
【０００７】
図１２、図１３に示すように従来の放電灯点灯装置は、トランスＴ１の２次巻線側に外面電極型蛍光ランプ１３を接続し、トランスＴ１の１次巻線の一端には中点バイアス作成用の１対のコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点を接続し、この１対のコンデンサＣ１，Ｃ２を介して電源Ｖｃｃとグランド電位点ＧＮＤとをつなぎ、トランスＴ１の１次巻線の残りの一端には、コイル、ダイオード、抵抗、抵抗成分を持った素子もしくはそれらを組みわせた素子群で構成される回路素子Ｚ１，Ｚ２を介在させて、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から高周波の矩形波電圧を供給する構成である。そして半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の駆動のために制御回路１０を設け、半導体スイッチング素子Ｓ１は駆動信号（１）１１、半導体スイッチング素子Ｓ２は駆動信号（２）１２により交互にオン／オフ駆動するようにしている。
【０００８】
図１２は、駆動信号（１）１１により半導体スイッチング素子Ｓ１がオフし、駆動信号（２）１２により半導体スイッチング素子Ｓ２がオンすることで、正のランプ電流を作成する状態を示している。図１３は、駆動信号（１）１１により半導体スイッチング素子Ｓ１がオンし、駆動信号（２）１２により半導体スイッチング素子Ｓ２がオフすることで、負のランプ電流を作成する状態を示している。すなわち、図１４のタイミングチャートに示すように、駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２のオン期間でランプ駆動用トランスＴ１の１次巻線電圧が「Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ…」と発振を繰り返すことで、トランスＴ１の２次巻線に接続されたキセノン外面電極型蛍光ランプ１３に正負のランプ電流を供給する。
【０００９】
一般的に１８ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの周波数でこれらの動作を繰り返すことで、ランプに正負のランプ電流が継続的に印加され、輝度の高いランプ点灯が実現できる。ただ、現実的には２０ｋＨｚ以下の周波数では前記トランスの駆動音が可聴領域となるため、一般的には２０ｋＨｚ近傍で駆動している。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−１９８１９２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ランプ中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒよりも低い場合は、従来の周波数２０ｋＨｚで概ね最高の輝度が得られたが、点灯時の発光の安定性よりも輝度向上を重視する目的でランプ中の希ガスのガス圧を１２０ｔｏｒｒ以上に設定したランプに対しては、２０ｋＨｚ近傍の周波数では最高の輝度が得られない。また、輝度向上を目的にランプヘ電力を入れるため、単に低い周波数のままでランプ電流のピーク値を高くする方法ではガラス管内の電界が強くなり過ぎてランプの光がランプ管内の一部に収縮（「陽光柱の収縮」と呼ぶ）してしまい、逆にランプの輝度を低下させてしまう。
【００１２】
さらに、ランプ電流のピーク値を高くすると、電気部品によっては流れる電流に応じて指数関数的に消費電圧が上昇するダイオード、ＦＥＴなどの電気部品ではそれ自体の発熱の問題も発生し、ひいては電力効率の低下を招いてしまう。
【００１３】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、希ガスを使った外面電極型蛍光ランプをちらつきなく高輝度点灯させることができる放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明はまた、希ガスを使った外面電極型蛍光ランプの調光時にもちらつきなく点灯させることができる放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１５は、外面電極型蛍光ランプ中の希ガスのガス圧を１２０ｔｏｒｒ以上の高いガス圧に設定し、入力電力一定の場合の輝度と周波数の関係を表した特性図であり、図１６は入力電圧一定の場合の輝度と周波数の関係を表した特性図である。
【００１６】
これらの特性図を参照すれば、ランプ中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上の外面電極型蛍光ランプにおいて、ランプに供給するランプ電流の周波数を２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲内に設定することで、ランプ光が収縮しない高輝度な点灯が可能になる。また、ランプ電流の周波数を２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚに設定した場合に、ランプのちらつきが発生する可能性のある低い調光率範囲では、前記周波数を２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚ内に強制的に変更することでちらつきのない安定したランプの点灯を可能にする。さらに、現在の調光率を自動判別し、ランプのちらつきが見えやすい低い調光率の範囲ではランプ電流の周波数を強制的に低くし、高い調光率の範囲では視覚的にもランプのちらつきが見えにくくなる上に安定した点灯が可能になるため、ランプ電流の周波数を高くすることで全調光域で高輝度でちらつきのない安定した点灯が可能になる。
【００１７】
請求項１の発明は、高周波電源回路からの高周波電圧を外面電極に供給することによって希ガスを使った外面電極型蛍光ランプを放電点灯させる放電灯点灯装置において、前記外面電極型蛍光ランプは、その中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上とし、前記外面電極型蛍光ランプに供給するランプ電流の周波数が２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲内の値になるようにしたものである。
【００１８】
請求項１の発明の放電灯点灯装置では、その中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上である外面電極型蛍光ランプに供給するランプ電流の周波数が２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲内の値になるように高周波電源回路を駆動することにより、外面電極型蛍光ランプをランプ光が収縮しない高輝度で点灯する。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の放電灯点灯装置において、前記高周波電源回路は調光モードで駆動させる調光回路を備え、当該調光回路は、１００％点灯モード及びランプのつらつきが発生しない範囲の調光率までは、前記ランプ電流の周波数を可聴域のノイズが出ない周波数の値にし、ランプのちらつきが発生する低い調光率の範囲では、前記ランプ電流の周波数をより低い周波数の値になるように前記高周波電源回路駆動することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２の放電灯点灯装置において、前記調光回路は、１００％点灯モード及びランプのつらつきが発生しない範囲の調光率までは、前記ランプ電流の周波数を２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚ内の値にし、ランプのちらつきが発生する低い調光率の範囲では、前記ランプ電流の周波数を２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚ内の値になるように高周波電源回路を駆動することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２及び３の発明の放電灯点灯装置では、外面電極型蛍光ランプの現在の調光率を自動判別し、ランプのちらつきが見えやすい低い調光率の範囲ではランプ電流の周波数を強制的に低くし、高い調光率の範囲ではランプ電流の周波数を高くすることによって、希ガスを使った外面電極型蛍光ランプを全調光域で高輝度でちらつきのない安定した点灯を行う。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の放電灯点灯装置の回路図である。本実施の形態の放電灯点灯装置は、トランスＴ１の２次巻線側に外面電極型蛍光ランプ１３を接続し、トランスＴ１の１次巻線の一端には中点バイアス作成用の１対のコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点を接続し、これら１対のコンデンサＣ１，Ｃ２を介して電源Ｖｃｃとグランド電位点とをつなぎ、トランスＴ１の１次巻線の残りの一端には、コイル、ダイオード、抵抗、抵抗成分を持った素子もしくはそれらを組みわせた素子群で構成される回路素子Ｚ１，Ｚ２を介在させて、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２から高周波の矩形波電圧をトランスＴ１の１次巻線に供給するようにしている。そして、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング制御のため、制御回路２０を備えている。
【００２３】
外面電極型蛍光ランプ１３は従来例の欄で説明した図９の構造である。ただし、ガラス管１の中の希ガスのガス圧は１２０ｔｏｒｒ以上である。
【００２４】
制御回路２０は、２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲の予め設定されている所定の高速の駆動信号（３）１４、駆動信号（４）１５を出力する高調光率駆動信号回路１６と、２０ｋＨｚ〜２３ｋＨｚの可聴域を超えた範囲の予め設定されている所定の調光時駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２を出力する低調光率駆動信号回路１７と、入力される調光信号から調光率を自動判定し、判定した調光率が所定値を超える高調光率かそれよりも低い低調効率であるかにより信号切換指令２１を出力する調光率判定回路１９と、この駆動信号切換スイッチＳ３，Ｓ４を備えている。
【００２５】
次に、上記構成の外面電極型蛍光ランプ１３に対する放電灯点灯装置の動作について説明する。
【００２６】
＜高調光率点灯動作＞図１において、調光率判定回路１９で調光信号１８から現在の調光率を判定し、高い調光率の場合は駆動信号切換スイッチＳ３，Ｓ４を２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの高調光率駆動信号回路１６側に切り換え、２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚ内の設定周波数の駆動信号（３）１４、駆動信号（４）１５で半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を交互にオン／オフ駆動する。
【００２７】
半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が交互にオン／オフ駆動すれば、図１２、図１３に示した従来回路と同様の動作でトランスＴ１の１次巻線に高周波電流を通電し、これによって２次巻線側に図２、図３に示すランプ電流を生起させ、これによって外面電極型蛍光ランプ１３を点灯する。
【００２８】
図１２に示したと同様に、駆動信号（３）１４により半導体スイッチング素子Ｓ１がオフし、駆動信号（４）１５により半導体スイッチング素子Ｓ２がオンすることで、正のランプ電流を作成する。また次のパルスタイミングでは、図１３に示したと同様に、駆動信号（３）１４により半導体スイッチング素子Ｓ１がオンし、駆動信号（２）１５により半導体スイッチング素子Ｓ２がオフすることで、負のランプ電流を作成する。このように、駆動信号（３）１４、駆動信号（４）１５のオン期間でランプ駆動用トランスＴ１の１次巻線電圧が「Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ→Ｌ→Ｈ…」と発振を繰り返すことで、トランスＴ１の２次巻線に接続されたキセノン外面電極型蛍光ランプ１３に正負のランプ電流を供給する。
【００２９】
図２、図３は、駆動信号（３），（４）の周波数が２７ｋＨｚで調光率１００％の場合の実際のオシロスコープの波形である。１サイクル中のランプ電流の正、負にそれぞれランプ電流の流れていない期間があり、この期間が長いほどちらつき難くなる。
【００３０】
逆に調光率判定回路１９で調光信号１８から現在の調光率を判定し、低い調光率の場合は制御回路２０において駆動信号切換スイッチＳ３，Ｓ４を２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚの低調光時駆動信号回路１７側に切り換え、２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚ内の設定周波数の駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２で半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を交互にオン／オフ駆動する。低調光率の場合、駆動信号（１）１１、駆動信号（２）１２で半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が交互にオン／オフ駆動すれば、図１２、図１３に示した従来回路と同様の動作でトランスＴ１の１次巻線に高周波電流を通電し、これによって２次巻線側に図５、図６に示すランプ電流を生起させ、これによって外面電極型蛍光ランプ１３を点灯する。
【００３１】
図５、図６は駆動信号（１），（２）の周波数が２０ｋＨｚで調光率２．０％の場合の実際のオシロスコープの波形である。１サイクル中のランプ電流の正、負にそれぞれランプ電流の流れていない期間Ｔ１，Ｔ２があり、この期間が長いほどちらつき難くなる。
【００３２】
図４は周波数２５ｋＨｚ、調光率２．０％の場合のタイミングチャートである。本発明においては本来、周波数２５ｋＨｚの場合は調光率が高い場合の設定であり、このような低調光率で点灯させることはないが、参考例として示している。図中の点灯パルスが最大では調光率１００％の場合では２００サイクルまで継続する。このタイミングチャートは、従来の回路のタイミングチャートである図１４と対比するためにあえて２％の場合のパルス数４個の場合とした。図４のタイミングチャートに示すように、周波数を２５ｋＨｚに設定した場合、ランプ電力が一定の場合は、ランプ電流はＩ_Ｃ＜Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｄ＜Ｉ_Ｂとなり、少ないランプ電流になることを表している。また、周波数が２５ｋＨｚになるとランプ電流が流れてない期間が従来の回路の場合より短くなるため、ちらつきが発生することも表している。
【００３３】
図７、図８は周波数２７ｋＨｚ、調光率２．０％の場合の実際のオシロスコープの波形である。本発明においては本来、周波数２７ｋＨｚの場合は調光率が高い場合の設定であり、このような低調光率で点灯させることはないが、参考例として示している。
【００３４】
低調光率、低周波数の場合の図６の波形と比較例の図８の波形を比較すると、スイッチング周波数が高い場合、ランプ電流の流れていない期間が短くなり、Ｔ３＜Ｔ１，Ｔ４＜Ｔ２となっていることが実波形からもわかる。
【００３５】
これらより、本発明の放電灯点灯装置では、１００％点灯モード及びランプのつらつきが発生しない範囲の高調光率では、ランプ電流の周波数を可聴域のノイズが出ない周波数帯２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚにし、この周波帯ではランプのちらつきが発生する低い調光率の範囲では、ランプ電流の周波数をより低い周波数帯２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚになるように半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を駆動することで、１００％点灯や高調光率点灯時にはランプ光が収縮しない安定でしかも高輝度な点灯が可能であり、また、低い調光率範囲では、ランプ電流の周波数を強制的に低く設定することでちらつきのない安定したランプの点灯が可能である。
【００３６】
なお、上記の実施の形態では高周波電源回路としてハーフブリッジ方式のものを採用しているが、高周波電源回路の種類は特に問わない。例えば、フルブリッジ方式の電源回路、プッシュプル方式の電源回路も採用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ランプ中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上のランプにおいて、１００％点灯や高調光率点灯時にはランプ光が収縮しない安定でしかも高輝度な点灯が可能であり、また、低い調光率範囲では、ランプ電流の周波数を強制的に低く設定することでちらつきのない安定したランプの点灯が可能である。
【００３８】
また本発明によれば、現在の調光率を自動判別し、ランプのちらつきが見えやすい低い調光率の範囲ではランプ電流の周波数を強制的に低くし、高い調光率の範囲ではランプ電流の周波数を自動的に高くすることで全調光域で高輝度でちらつきのない安定した点灯が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態の放電灯点灯装置の回路図。
【図２】上記実施の形態の放電灯点灯装置において、周波数２７ｋＨｚ、調光率１００％時のランプ電圧、電流の波形図。
【図３】図２におけるＡ１部分の拡大波形図。
【図４】上記実施の形態の放電灯点灯装置を用いて周波数２７ｋＨｚ、調光率２％に設定した時のタイミングチャート（参考例）。
【図５】上記実施の形態の放電灯点灯装置において、周波数２０ｋＨｚ、調光率２％時のランプ電圧、電流の波形図。
【図６】図５におけるＡ２部分の拡大波形図。
【図７】上記実施の形態の放電灯点灯装置において、周波数２７ｋＨｚ、調光率２％に設定した時のランプ電圧、電流の波形図（参考例）。
【図８】図７におけるＡ３部分の拡大波形図。
【図９】一般的な希ガス外面電極型蛍光ランプの外観図及び断面図。
【図１０】従来例において、周波数２０ｋＨｚ、調光率１００％時のランプ電圧、電流の波形図。
【図１１】図１０におけるＢ１部分の拡大波形図。
【図１２】従来例において、半導体スイッチング素子Ｓ２がオンした時の電流の流れを示す動作説明図。
【図１３】従来例において、半導体スイッチング素子Ｓ１がオンした時の電流の流れを示す動作説明図。
【図１４】従来例において、周波数２０ｋＨｚ、調光率２％時のタイミングチャート。
【図１５】１２０ｔｏｒｒ以上の希ガスを封入した外面電極型蛍光ランプの入力電力一定にしたときの輝度−周波数の特性図。
【図１６】１２０ｔｏｒｒ以上の希ガスを封入した外面電極型蛍光ランプの入力電圧一定にしたときの輝度−周波数の特性図。
【符号の説明】
１：ガラス管
２：蛍光体
３：導入線
４：内部電極
５：外部電極
６：透光性熱収縮チューブ
７：固定用金属棒
８，８’：電圧供給線
９：電源（インバータ）
１１：駆動信号（１）
１２：駆動信号（２）
１３：外面電極ランプ
１４：駆動信号（３）
１５：駆動信号（４）
１６：高調光率駆動信号回路
１７：低調光率駆動信号回路
１８：調光信号
１９：調光率判定回路
２０：制御回路
２１：駆動信号切換信号
Ｔ１：ランプ駆動用トランス
Ｓ１，Ｓ２：半導体スイッチング素子
Ｓ３，Ｓ４：駆動信号切換スイッチ
Ｚ１，Ｚ２：回路素子
Ｃ１，Ｃ２：中点バイアス用コンデンサ
Ｖｃｃ：駆動電源電圧

Claims

高周波電源回路からの高周波電圧を外面電極外面電極に印加して希ガスを使った外面電極型蛍光ランプを放電点灯させる放電灯点灯装置であって、
前記外面電極型蛍光ランプは、その中の希ガスのガス圧が１２０ｔｏｒｒ以上であり、
前記外面電極型蛍光ランプに供給するランプ電流の周波数が２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚの範囲内であることを特徴とする放電灯点灯装置。
前記高周波電源回路を調光モードで駆動させる調光回路を備え、当該調光回路は、１００％点灯モード及びランプのつらつきが発生しない範囲の調光率までは、前記ランプ電流の周波数を可聴域のノイズが出ない周波数の値にし、ランプのちらつきが発生する低い調光率の範囲では、前記ランプ電流の周波数をより低い周波数の値になるように前記高周波電源回路を駆動することを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
前記調光回路は、１００％点灯モード及びランプのつらつきが発生しない範囲の調光率までは、前記ランプ電流の周波数を２４ｋＨｚ〜３４ｋＨｚ内の値にし、ランプのちらつきが発生する低い調光率の範囲では、前記ランプ電流の周波数を２０ｋＨｚ〜２４ｋＨｚ内の値になるように前記高周波電源回路を駆動することを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯装置。