JP5400667B2 - 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の駆動装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来のランプに対し、電界放出型のランプが開発されている。この種のランプは、真空容器内で、電子放出源を有するカソード電極に対して正の電圧を与えて電子を電界放出させ、放出させた電子をアノード電極上の蛍光体に衝突させて蛍光発光させるものであり、カソード電極とアノード電極との間に設けたゲート電極の電圧を適正に制御することで、低消費電力でありながら、高輝度の発光を得ることができる。

このような電界放出型ランプを駆動するには、スイッチング電源等による高圧の直流電圧が必要であり、例えば、特許文献１には、スイッチングされた入力電圧を昇圧する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を用い、この共振回路の共振条件にスイッチング信号のオン／オフタイミングをマッチングさせることで、電源回路の構成部品による損失を排除して電圧変換効率を高めるとともに、全体の回路構成を単純化して小型コンパクト化及び低コスト化を図ることのできる技術が開示されている。

特開２００９−２３８４１４号公報

しかしながら、電界放出型ランプには、電子放出源や蛍光体の特性バラツキ、電極間距離の製造上のバラツキ、経年変化等に起因するランプ特性のバラツキが存在することは避けられず、複数のランプを同じ電力で駆動しようとしても、個々のランプ毎に最適な駆動条件が異なるという問題がある。

このため、電界放出型ランプを複数個用いて照明等に利用し、同一電力で均一な発光を得ようとする場合、従来では個々のランプ毎に駆動装置を用意せねばならず、回路部品の増大による駆動装置全体の大型化、コスト上昇を招いてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複数の電界放出型ランプを１つの駆動装置で定電力駆動することができ、回路部品の増大による装置の大型化やコスト上昇を回避することのできる電界放出型ランプの駆動装置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、本発明による電界放出型ランプの駆動装置は、複数の電界放出型ランプを、所定個数のランプで構成される代表ランプを基準として駆動する電界放出型ランプの駆動装置であって、前記代表ランプに適合する代表ゲート電圧を生成するための安定化電圧を制御し、前記代表ゲート電圧で前記代表ランプを駆動制御する第１の制御部と、前記代表ランプ以外の他のランプを、前記代表ゲート電圧を与える安定化電圧を分圧したゲート電圧で駆動すると共に、前記安定化電圧の分圧比を制御して前記代表ランプと同一電力になるよう駆動制御する第２の制御部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明による電界放出型ランプの駆動装置は、複数の電界放出型ランプを駆動する電界放出型ランプの駆動装置であって、前記複数の電界放出型ランプ全体に適合するゲート電圧を生成するための安定化電圧を制御する第３の制御部と、前記安定化電圧を分圧したゲート電圧で前記複数の電界放出型ランプをそれぞれ駆動すると共に、前記安定化電圧の分圧比を制御して全てのランプが同一電力となるよう駆動制御する第４の制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の電界放出型ランプを１つの駆動装置で定電力駆動することができ、回路部品の増大による装置の大型化やコスト上昇を回避することができる。

本発明の実施の第１形態に係り、ランプ駆動装置の回路ブロック図 同上、ゲート電圧とランプ電流との関係を示す特性図 同上、電力制御回路の基本構成図 同上、電力制御回路における各部の電圧及び電流を示す説明図 同上、ランプ電力とランプ電圧との関係を示す説明図 本発明の実施の第２形態に係り、ランプ駆動装置の回路ブロック図 同上、高圧制御回路の構成図 同上、高圧制御回路への入力電圧と各部の電圧との関係を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
先ず、本発明の実施の第１形態について説明する。図１に示すように、第１形態におけるランプ駆動装置１は、複数のｎ個（ｎは２以上の自然数）の電界放出型ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnを駆動対象として、各電界放出型ランプに与えるゲート電圧を生成するための直流高電圧を入力電圧ＶＧinから生成し、安定化した電圧を供給する高圧安定化回路１０と、複数の電界放出型ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnのゲート電圧を制御し、各電界放出型ランプを一定電力で駆動する電力制御回路２０とを主要部として構成されている。

電界放出型ランプ（以下、単に「ランプ」と記載）Ｌ1,Ｌ2,…,Ｌnは、真空中で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で蛍光体を励起発光させる周知の冷陰極電界放出型発光装置である。本ランプ駆動装置１は、真空容器の内部に電子放出源を有するカソード電極と蛍光体を有するアノード電極とを所定間隔で配置し、カソード電極とアノード電極との間にゲート電極を配置した３極構造のランプを駆動対象としている。

これらの複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnは、電子放出源や蛍光体の特性バラツキ、電極間距離の製造上のバラツキ、経年変化等に起因するランプ特性のバラツキが一定の範囲内にあるものとして選定されている。ランプ駆動装置１は、これらの複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnの中の任意のランプを代表ランプとして、この代表ランプの特性に応じたゲート電圧で駆動すると共に、他のランプのゲート電圧を代表ランプを基準とする特性バラツキ分に応じて制御する。

以下では、複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnの中の１個のランプを代表ランプとして選定し、代表ランプがランプＬ１であるものとして説明する。このとき、或る一定のアノード電圧ＶaでのランプＬ1のランプ電流（カソード電流）とゲート電圧との関係は、図２に太線で示すような曲線で表される。これに対して、ランプＬ2,…,Ｌnは、特性のバラツキにより、同じアノード電圧でも、ランプ電流とゲート電圧との関係が図２中の破線で囲む領域内となるようなバラツキを有しており、ランプＬ2,…,Ｌnを代表ランプＬ1と同じゲート電圧で駆動すると、ランプ電力がばらついてしまう。

従って、代表ランプであるランプＬ1を一定電力となるゲート電圧Ｖgで駆動し、ランプ電流が一定の電流値Ｉkであるとき、他のランプＬ2,…,Ｌnのゲート電圧を、バラツキ幅であるΔＶgの幅で制御することにより、ランプＬ2,…,Ｌnを、代表ランプＬ1と同じランプ電流Ｉkで駆動することができる。これにより、ランプ特性のバラツキ、更にはアノード電圧の変動に対しても、全てのランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnを一定の電力で駆動することが可能となる。

尚、図２においては、便宜上、代表ランプであるランプＬ1の特性を、ランプＬ2,…,Ｌnによるバラツキ幅の中心付近に示しているが、代表ランプとしては、そのランプ特性が全てのランプの中心である必要は無く、バラツキ幅が所定範囲内にある複数のランプの中の任意のランプを代表ランプとすることができる。これは、本実施の形態のランプ駆動装置１は、代表ランプ以外のランプを、特性バラツキ幅の中心との差に応じて制御するわけではなく、代表ランプの特性との差に応じて制御するからである。

具体的には、各ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnのゲート電極Ｇ1,Ｇ2,…,Ｇnは、それぞれ、抵抗Ｒ1_1,Ｒ2_1,…,Ｒn_1を介して高圧安定化回路１０の出力端に接続されると共に、抵抗Ｒ1_2,Ｒ2_2,…,Ｒn_2を介して接地されている。また、代表ランプＬ1以外のランプＬ2,…,Ｌnのゲート電極Ｇ2,…,Ｇnには、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等からなる制御素子Ｑ2,…,Ｑnが抵抗Ｒ2_2,…,Ｒn_2に対して並列に接続されている。

更に、各ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnのカソード電極Ｋ1,Ｋ2,…,Ｋnは、それぞれ、カソード電流検出用の抵抗Ｒk1,Ｒk2,…,Ｒknを介して接地され、各抵抗Ｒk1,Ｒk2,…,Ｒknのカソード電極側が電力制御回路２０の入力端に接続されている。尚、各ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnのアノード電極Ａ1,Ａ2,…,Ａnには、図示しない電源回路からゲート電圧よりも高圧のアノード電圧Ｖaが印加される。

電力制御回路２０は、抵抗Ｒk1の両端電圧を入力として、高圧安定化回路１０を制御する制御信号を生成すると共に、抵抗Ｒk2,…,Ｒknの両端電圧を入力として、各制御素子Ｑ2,…,Ｑnを駆動制御する制御信号を生成する。すなわち、電力制御回路２０は、第１の制御部としての機能により、代表ランプＬ1に対しては、カソード電極Ｋ1に接続した抵抗Ｒk1によりカソード電流Ｉkを検出して高圧安定化回路１０を制御し、高圧安定化回路１０からの出力電圧Ｖgoを抵抗Ｒ1_1,Ｒ1_2で分圧したゲート電圧が代表ランプＬ1のカソード電流Ｉkを一定とする適正な電圧となるよう駆動制御する。

また、電力制御回路２０は、第２の制御部としての機能により、高圧安定化回路１０の出力電圧Ｖgoに対して、抵抗Ｒ2_1,Ｒ2_2,…,Ｒn_1,Ｒn_2によるインピーダンス分圧の分圧比を制御素子Ｑ2,…,Ｑnの導通制御によって可変し、各ランプＬ2,…,Ｌnのゲート電圧を制御する。すなわち、各ランプＬ2,…,Ｌnのゲート電圧は、抵抗Ｒ2_1,…,Ｒn_1と、抵抗Ｒ2_2,…,Ｒn_2及び制御素子Ｑ2,…,Ｑnのオン抵抗とによる分圧比で電圧Ｖgoを分圧した電圧であり、各ランプＬ2,…,Ｌnのカソード電流が代表ランプＬ1のカソード電流Ｉkと同じになるよう個別に制御される。これにより、ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnの個体差や経年変化による特性バラツキ、更にはアノード電圧の変動等に対しても、ランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnを一定電力で駆動することが可能となる。

このような電力制御回路２０は、図３に示すように、各ランプ毎のコンパレータＣＰ1,ＣＰ2,…,ＣＰnを基本として構成されている。各コンパレータＣＰ1,ＣＰ2,…,ＣＰnは、外部から入力される比較用の電圧Ｖinと、各ランプのカソード電流検出用の抵抗Ｒk1,Ｒk2,…,Ｒknによる検出電圧とに基づいて、高圧安定化回路１０への制御信号、各ランプのゲート側に接続された制御素子Ｑ2,…,Ｑnへの制御信号を出力する。

各コンパレータＣＰ1,ＣＰ2,…,ＣＰnに外部から入力される電圧Ｖinは、ランプのアノード電圧Ｖaに基づく電圧であり、アノード電圧Ｖaに比例する電圧である。このようなアノード電圧に比例する電圧は、例えば、高圧のアノード電圧を生成する電源回路内のトランスや倍電圧整流回路等を利用して生成することができる。

詳細には、各コンパレータＣＰ1,ＣＰ2,…,ＣＰnの非反転入力端子（＋端子）には、それぞれ、各ランプのカソード電流検出用の抵抗Ｒk1,Ｒk2,…,Ｒknが抵抗Ｒf1,Ｒf2,…,Ｒfnを介して接続されると共に、外部からの電圧Ｖinを比較用として入力するための抵抗Ｒg1,Ｒg2,…,Ｒgnが接続されている。各コンパレータＣＰ1,ＣＰ2,…,ＣＰnは、反転入力端子（−端子）に印加される所定の基準電圧Ｖrと、非反転入力端子（＋端子）に印加される電圧すなわちアノード電圧Ｖaに比例する電圧Ｖin及びカソード電流の検出電圧に基づく電圧とを比較して、高圧安定化回路１０への制御信号、各ランプのゲート側に接続された制御素子Ｑ2,…,Ｑnに対する制御信号を出力する。

以下、図４を用いて１つのランプのコンパレータＣＰで代表して電力制御回路２０の動作を説明する。図４において、カソード電極Ｋに接続される電流検出用の抵抗Ｒkを流れるカソード電流をＩk、入力電圧Ｖinにより抵抗Ｒg及び抵抗Ｒfを介して抵抗Ｒkに流れる電流をＩin、抵抗Ｒfの両端電圧をＶf、抵抗Ｒkの両端電圧をＶkとすると、入力電圧Ｖinがアノード電圧Ｖaに比例する前提下で、以下の（１）〜（３）式の条件を満足するように入力電圧Ｖin、抵抗Ｒg,Ｒf,Ｒkを設定する。
Ｖin＞＞Ｖk＋Ｖf …（１）
Ｖａ＞＞Ｖk …（２）
Ｉk＞＞Ｉin …（３）

このとき、抵抗Ｒfの両端電圧Ｖfはアノード電圧Ｖaにほぼ比例し、抵抗Ｒkの両端電圧Ｖkはカソード電流Ｉkにほぼ比例する。また、ランプ電力Ｐは、Ｐ＝Ｖa×Ｉkであることから、Ｖk×Ｖfにほぼ比例する値で代表することができる。このため、以下の（４）式に示すようにＶk×Ｖfで表現される電力Ｐ’を、実際のランプ電力Ｐへの制御パラメータとして用いることができる。
Ｐ’＝Ｖk×Ｖf
＝（Ｖr−Ｖf）×Ｖf
＝Ｖr×Ｖf−Ｖf² …（４）

図５は、（４）式の電力Ｐ’と電圧Ｖfとの関係を示すグラフであり、Ｖf＝Ｖkのときランプ電力Ｐが１００％であるとすると、Ｖf＝０．５×Ｖrのとき、Ｖk＝０．５×Ｖrで電力Ｐ’が１００％となり、実際のランプ電力Ｐの変化に相似した曲線となる。従って、コンパレータＣＰの非反転入力である電圧（Ｖk＋Ｖf）が反転入力である一定の基準電圧Ｖrと等しくなるように、高圧安定化回路１０の出力Ｖgo或いは制御素子Ｑを介して各ランプのゲート電圧を制御することで、各ランプを代表ランプと同じ一定電力で駆動することが可能となる。

尚、高圧安定化回路１０は、例えば、入力電圧ＶＧinを降圧して安定化した電圧に対する分圧比を電力制御回路２０のコンパレータＣＰ1の出力に基づいて制御する等して代表ランプＬ1に適正なゲート電圧を与える電圧を生成し、電圧Ｖgoとして出力する。

このように本実施の形態においては、複数のランプを代表する代表ランプのゲート電圧を適正電圧に制御し、その上で他のランプのゲート電圧をランプ特性のバラツキに応じて補正することで、全てのランプを一定電力で駆動することができる。これにより、従来のように、個々のランプ毎に、ゲート電圧を適正に保つための高圧安定化回路及び電力制御回路を設ける必要がなく、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

尚、以上の説明においては、ランプ特性が一定の範囲内にある複数のランプの中から任意の１個のランプを代表ランプとして選定する例について説明したが、代表ランプとして、複数個の類似特性のランプを選定するようにしても良い。例えば、一定の範囲内のランプ特性の中でも、ランプ特性が互いに類似の複数のランプを纏めて全体を複数のランプ群に区分し、複数のランプ群の中の任意の１つのランプ群を代表として選定する。

その場合においても、ランプ駆動装置１は、以上の説明と同様に動作する。すなわち、複数の代表ランプ（代表ランプ群）に対して、電力制御回路２０により、高圧安定化回路１０の出力Ｖgoが代表ランプ群の適正ゲート電圧を与える電圧となるよう制御すると共に、他のランプ群のゲート電圧を、代表ランプ群の電力と同じになるよう制御する。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。
前述の第１形態においては、駆動対象となる複数のランプの中に任意の代表ランプを設定し、この代表ランプの特性に合わせるように他のランプを制御している。これに対して、第２形態では、代表ランプを設定することなく、複数のランプ全体の代表特性を予め調査しておき、この代表特性に適合する電圧を高圧安定化回路１０で発生させる。そして、高圧安定化回路１０の出力に基づいて、各ランプのゲート電圧を同一構成の回路で制御する。

このため、図６に示すように、第２形態のランプ駆動装置１Ａは、第１形態に対して、高圧安定化回路１０の制御を、電力制御回路２０に代えて高圧制御回路３０で行うように変更する。また、これに伴い、電力制御回路２０の機能を若干変更し、電力制御回路２０Ａで、複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnのそれぞれのゲート電圧を制御する。このため、ランプＬ1に対しても、ゲート電圧制御用の制御素子Ｑ1を追加する。その他の構成は、第１形態と同様であるため、以下では、高圧制御回路３０を中心として説明する。

高圧制御回路３０は、図７に示すように、コンパレータＣＰhと、ＦＥＴ等からなる制御素子Ｑhとを中心として構成されている。具体的には、コンパレータＣＰhの出力端子側に、抵抗Ｒ30を通して高圧安定化回路１０の出力電圧Ｖgoを制御する制御素子Ｑhが接続されている。

コンパレータＣＰhの出力側は、抵抗Ｒ31,Ｒ32を介して反転入力端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ33を介して接地されている。コンパレータＣＰhの反転入力端子（−端子）には基準電圧Ｖrhを抵抗Ｒ32と抵抗Ｒ33で分圧した電圧が印加される。一方、コンパレータＣＰhの非反転入力端子（＋端子）には、ランプのアノード電圧Ｖaに比例する入力電圧Ｖinを分圧する抵抗Ｒ34,Ｒ35が接続され、更に、制御素子Ｑhのアノード側電圧が抵抗Ｒ36を介して印加される。

このような構成の高圧制御回路３０は、複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnの全体に適合するゲート電圧を生成するための安定化電圧を制御する第３の制御部として機能する。すなわち、高圧制御回路３０は、高圧安定化回路１０の出力電圧ＶgoがランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnの代表特性に適合するゲート電圧を与える電圧となるような制御動作を行う。この制御動作では、コンパレータＣＰhの非反転入力端子に印加される電圧をＶ1、コンパレータＣＰhの出力側の電圧をＶ2、制御素子Ｑhのアノード側電圧をＶ3とすると、高圧制御回路３０の入力電圧Ｖin（アノード電圧Ｖaに比例する電圧）と電圧Ｖ1,Ｖ2,Ｖ3との関係は、図８に示すような関係となる。

図８からも明らかなように、高圧制御回路３０への入力電圧Ｖinが上昇すると、入力電圧Ｖinに比例してコンパレータＣＰhの非反転入力側の電圧Ｖ1が上昇し、この電圧Ｖ1の上昇に対して、コンパレータＣＰhの出力電圧Ｖ2がより大きく上昇する。このとき、コンパレータＣＰhの出力によって制御素子Ｑhが導通して電圧Ｖ3が低下するため、高圧安定化回路１０の出力である電圧Ｖgoも低下する。

従って、入力電圧Ｖinの変化に適する電圧Ｖgoとなるように、各抵抗の抵抗値を設定することで、ランプ電圧（アノード電圧）Ｖaの変化に対応して電圧Ｖ3に基く代表特性のゲート電圧を制御することができる。但し、この場合、電圧Ｖ3の変化は、ランプのアノード電圧Ｖaに比例する入力電圧Ｖinの変化に対して直線的となるため、アノード電圧にと適正ゲート電圧との関係が直線的でないことに起因する誤差が発生する。

この誤差については、電力制御回路２０Ａにより、個々のランプ特性のバラツキも含めて各ランプを定電力制御することで、補正することができる。このとき、電力制御回路２０Ａは、高圧安定化回路１０からの出力電圧Ｖgoを分圧したゲート電圧で複数のランプＬ1,Ｌ2,…,Ｌnをそれぞれ駆動すると共に、電圧Ｖgoの分圧比を制御して全てのランプが同一電力となるよう駆動制御する第４の制御部として機能するが、代表ランプに対する制御を除いた実質的な機能は、第１形態と同様である。

このように、第２形態においては、第１形態に対して、複数のランプの中に代表ランプを設けないため、代表ランプに異常が発生しても他のランプの制御に影響を及ぼすことがない。また、全てのランプを同一構成の回路で駆動するため、回路間の差によるランプ駆動特性の差が生じることもない。

尚、第２形態においても、第１形態と同様、一定の範囲内のランプ特性を有する複数のランプに対して、ランプ特性が互いに類似している複数のランプを纏めて、全体を複数のランプ群に区分して駆動するようにしても良い。その場合、ランプのゲート電圧は、全体の代表特性に適合するゲート電圧となるよう、ランプ群毎に制御しても良く、個々のランプ毎に制御しても良い。

１，１Ａ ランプ駆動装置
１０ 高圧安定化回路
２０，２０Ａ 電力制御回路
３０ 高圧制御回路
Ｌ1,Ｌ2,…,Ｌn 電界放出型ランプ
Ｖa アノード電圧
Ｖg ゲート電圧
Ｉk カソード電流

Claims (3)

1. 複数の電界放出型ランプを、所定個数のランプで構成される代表ランプを基準として駆動する電界放出型ランプの駆動装置であって、
   前記代表ランプに適合する代表ゲート電圧を生成するための安定化電圧を制御し、前記代表ゲート電圧で前記代表ランプを駆動制御する第１の制御部と、
   前記代表ランプ以外の他のランプを、前記代表ゲート電圧を与える安定化電圧を分圧したゲート電圧で駆動すると共に、前記安定化電圧の分圧比を制御して前記代表ランプと同一電力になるよう駆動制御する第２の制御部と
   を備えたことを特徴とする電界放出型ランプの駆動装置。
2. 複数の電界放出型ランプを駆動する電界放出型ランプの駆動装置であって、
   前記複数の電界放出型ランプ全体に適合するゲート電圧を生成するための安定化電圧を制御する第３の制御部と、
   前記安定化電圧を分圧したゲート電圧で前記複数の電界放出型ランプをそれぞれ駆動すると共に、前記安定化電圧の分圧比を制御して全てのランプが同一電力となるよう駆動制御する第４の制御部と
   を備えたことを特徴とする電界放出型ランプの駆動装置。
3. 前記電界放出型ランプのカソード電流及びアノード電圧に基づいて、前記安定化電圧又は前記分圧比を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電界放出型ランプの駆動装置。

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