JP2007200680A - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプと外部電極を離間して配置した内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置において、高耐圧電線からの漏れ電流を抑制し、システム効率を向上する。
【解決手段】外部電極１と内部電極３との間に高周波高電圧を印加する第１の点灯回路５と、外部電極１と内部電極４との間に高周波高電圧を印加する第２の点灯回路６とを備え、第１の点灯回路５と第２の点灯回路はほぼ同位相、ほぼ同電位の高周波高電圧を出力することにより、第１の点灯回路５と内部電極３とを接続する高耐圧電線１４および第２の点灯回路６と内部電極４を接続する高耐圧電線２０を極力短くできるため、高耐圧電線１４、２０からの漏れ電流を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体バリア放電により点灯する外部電極式の放電ランプ点灯装置、より具体的には、矩形波電圧を印加し、矩形波電圧の電圧値が変化するときに流れるパルス電流によって点灯する誘電体バリア放電ランプを点灯する放電ランプ点灯装置に関する。

近年、液晶ディスプレイ等のバックライト用途として、誘電体バリア放電により点灯する外部電極式の希ガス放電ランプの研究が盛んに行われている。これは、希ガス放電ランプは水銀が不要であるため、水銀蒸気圧の上昇に伴う発光効率の低下を招くことなく、また環境上好ましいとの理由に基づくものである。誘電体バリア放電を用いた点灯動作においては、駆動電圧の印加により誘電対層を充電し、駆動電圧が反転したときに発生する高圧により放電を起こさせる作用を用いるため、駆動電圧として高周波の矩形波電圧が用いられる。また、誘電体バリア放電はランプの負荷特性が容量性の正特性となるため、点灯回路１つで複数のランプを並列点灯できるという特徴がある。

誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置の一例が、特開２００３−１６８３０４号公報に開示されている。図８（ａ）は従来放電ランプ点灯装置の構成を示す平面図、図８（ｂ）は従来放電ランプ点灯装置の裏面側の構成を示す平面図、図８（ｃ）は従来放電ランプ点灯装置の図８（ａ）における縦断面図である。

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、１０１は反射板、１０２は反射板１０１上に配置された外部電極、１０３は外部電極１０２に接触した状態で反射板１０１上に配置された放電ランプ、１０４は放電ランプ１０３の一端に封止された内部電極、１０５は外部電極１０２と内部電極１０４との間に高周波高電圧を印加し放電ランプ１０３を点灯するための点灯回路、１０６は点灯回路１０５と内部電極１０４とそ電気的に接続する高耐圧電線である。反射板１０１は放電ランプ１０３から発せられる光を反射させるだけでなく、放電ランプ１０３をはめ込むための溝があり、そこに接着剤や接着テープ等で放電ランプが固定される。外部電極１０２は反射板１０１上に印刷等により形成され、放電ランプ１０３の管軸方向に対して、直交するように構成されている。外部電極１０２はリード線を介して点灯回路１０５の低圧出力に接続されＧＮＤ電位に固定される。放電ランプ１０３は、透光性の材料（例えばホウケイ酸ガラス）で発光管が形成され、その内部に放電用ガスとしてＸｅを主成分としたガスが、２ｋＰａ〜３５ｋＰａ程度の圧力範囲で封入されている。また、発光管の内壁には所望の光が得られるように、ＲＧＢそれぞれ適切に調合された蛍光体が塗布されている。内部電極１０４は、例えばニッケルやニオブといった金属で形成され、リード線を介して点灯回路１０５の高圧出力と接続される。点灯回路１０５は、昇圧トランスを用いたプッシュプル方式やハーフブリッジ方式などのインバータ回路で構成され、入力された直流電圧を高周波高電圧（例えば２０ｋＨｚ ３ｋＶｐ−ｐ）の矩形波電圧に変換する。

以上のような従来の放電ランプ点灯装置において動作を説明する。電源（図示せず）がＯＮされると、点灯回路１０５から矩形波形の高周波高電圧が発生する。外部電極１０２と内部電極１０４との間に印加された高周波高電圧により、発光管内に放電が発生する。放電が開始すると、放電用ガスであるＸｅがエキシマ発光により１７２ｎｍの紫外線を発生する。発生した紫外線は発光管内壁の蛍光体により可視光に変換される。放電ランプ１０３からの可視光は、反射板１０１により反射され、拡散板、レンズシート等（図示せず）を通して均一な面光源となり、バックライトとして用いられる。

上述のような内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置においては、ランプ電圧がランプ長に依存することが知られている。これは、内部電極から離れた位置においてもプラズマを発生させるために、より強い電界を発生させる必要があるためである。ランプ電圧の上昇は漏れ電流に起因するシステム効率の低下の一因となるため、図８に示す放電ランプ１０３の一端に内部電極１０４を配置した構成は、通常は小型の液晶ディスプレイ（例えば、１０インチ以下のカーナビゲーション用等）で使用される。

また、近年、１５インチ程度の液晶ＴＶから３０インチ以上の大型液晶ＴＶが実用化されており、このように画面サイズの大型化に対応するために、図９（ａ）、（ｂ）に示すように内部電極１０４を放電ランプ１０３の両端に配置している。これにより、ランプ長増加によるランプ電圧の上昇を、内部電極１０４を放電ランプ１０３の片側に配置したときと比べて１０〜４０％程度抑制することができる。
特開２００３−１６８３０４号公報

一般に、システム効率低下の一要因として、点灯回路１０５と放電ランプ１０３を接続する高耐圧電線１０６からの漏れ電流が知られている。すなわち、点灯回路１０５から出力される電力の一部が、放電ランプ１０３に伝達されず、別経路を通って熱として損失するため、光出力が低下する。

漏れ電流によるシステム効率低下対策としては、図８のように放電ランプ１０３の片側に内部電極１０４を配置した場合、点灯回路１０５を内部電極１０４の極力直近に配置し、高耐圧電線１０６を短くすることで有る程度対策できる。また、図９のように放電ランプ１０３の両端に内部電極１０４を配置した場合では、少なくともランプ長に相当する長さの高耐圧電線１０６が必要となり、漏れ電流が増加傾向にあるが、放電ランプ１０３と外部電極１０２が接触した構成においては、まだ比較的ランプ電圧が低く、高耐圧電線１０６の配線場所の工夫、高耐圧電線１０６の高耐圧化などの対策で、漏れ電流をほぼ無視できるほどに対策できる。

ところで、Ｘｅエキシマ発光を用いた放電ランプは、水銀を用いた放電ランプにくらべてまだ発光効率が低い。本願発明者らが発光効率改善に取り組んだところ、内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置において、放電ランプ１０３と外部電極１０２との距離を離すことにより発行効率が改善することが分かってきた。

ところが、放電ランプ１０３と外部電極１０２との距離を離すと、ランプ電圧が上昇する。これは、距離を離したためランプインピーダンスが大きくなるためである。上述のように、ランプ電圧の上昇は、漏れ電流増加によるシステム効率低下の要因となり、対策が必要であるが、放電ランプ１０３と外部電極１０２との距離を離すことによるランプ電圧の上昇は、放電ランプ１０３が長くなることによるランプ電圧上昇よりもはるかに大きく、高耐圧電線１０６の配線場所の工夫、高耐圧電線１０６の高耐圧化などではすでに対処できなくなってきた。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ランプと外部電極を離間して配置した内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置において、高耐圧電線１０６からの漏れ電流を抑制し、システム効率を向上した放電ランプ点灯装置の提供を目的とする。

第１発明に係る放電ランプ点灯装置は、反射板と、反射板上に配置または反射板と一体成型された外部電極と、外部電極から離間して配置された両端に一対の内部電極を有する複数の放電ランプと、外部電極と一対の内部電極の一方との間に高周波高電圧を印加する第１の点灯回路と、外部電極と一対の内部電極の他方との間に高周波高電圧を印加する第２の点灯回路とを備え、第１の点灯回路および第２の点灯回路が略同位相、略同電位の高周波高電圧を出力し複数の放電ランプを点灯することを特徴とする。

第１発明にあっては、内部電極の一方と第１の点灯回路とを接続する高圧配線および内部電極の他方と第２の点灯回路とを接続する高圧配線を短くできるため、漏れ電流を抑制でき、システム効率を向上できる。

第２発明に係る放電ランプ点灯装置は、第１発明において、放電用のガスとして少なくともＸｅを含む希ガスが封入されていることを特徴とする。

第２発明においては、放電用ガスがＸｅであることにより、放電時の電離及び励起効率に優れ、高輝度高効率の光源とすることができる。

第３発明に係る放電ランプ点灯装置は、第１発明乃至第２発明のいずれかにおいて、高周波高電圧は略矩形波形であることを特徴とする。

第３発明にあっては、高周波高電圧が略矩形波形であることにより、放電用ガスを効率よく電離及び励起でき、高輝度高効率の光源とすることができる。

第４発明に係る放電ランプ点灯装置は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、第１の点灯回路と第２の点灯回路とですくなくとも駆動系回路を共用したことを特徴とする。

第４発明にあっては、駆動系回路を共用したことにより、第１または第２の点灯回路のいずれかの構成を簡単でき、コスト削減ができる。

本発明によれば、ランプと外部電極を離間して配置した内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置において、高圧配線部分からの漏れ電流を抑制でき、様々な用途の光源として用いることができる等、優れた効果を奏する。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係る放電ランプ点灯装置の構成を示す平面図、図１（ｂ）は本発明の実施の形態１に係る放電ランプ点灯装置の裏面側の構成を示す平面図、図１（ｃ）は本発明の実施の形態１に係る放電ランプ点灯装置の図１（ａ）における縦断面図である。

本発明の実施の形態１に係る放電ランプ点灯装置は、外部電極１と、放電ランプ２と、一対の内部電極３、４と、第１の点灯回路５と、第２の点灯回路６、高耐圧電線１４、２０とを備えている。

外部電極１は、反射板の機能を備えとおり、反射板と外部電極とを一体成型した構成である。外部電極１は、導電性を有する金属材料で作られており、例えばアルミを基材として表面に銀蒸着した金属材料等を用いればプレス加工で簡単に反射板の機能を備えた外部電極を構成することができる。

放電ランプ２の構成の一例を図２に示す。図２に示すように、放電ランプ２は、可視光（３８０ｎｍ〜７７０ｎｍ）における透過率が優れたホウケイ酸ガラス、ソーダガラスなどで形成された円筒状の発光管７に、放電用ガスとしてキセノンを主成分とする混合ガスが封入されており、その封入圧力は例えば２０ｋＰａである。キセノン以外の混合ガス成分としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン等で、混合比を例えば６：４で混合する。発光管７の内表面には蛍光体８が塗布されている。発光管７の両端には、ニッケル、ニオブなどの金属製の内部電極３、４が配置され、リード線により、発光管７の外部に電気的に導出されている。放電ランプ２は、図１に示すように、外部電極１から離間して配置されており、スペーサ（図示せず）で放電ランプ２と外部電極１との距離が例えば３ｍｍに固定されている。スペーサは白色または透明の樹脂等で作られる。

第１の点灯回路５および第２の点灯回路２の構成の一例を図３に示す。図３において、１は外部電極、２は放電ランプ、３、４は内部電極、５、６はそれぞれ第１の点灯回路および第２の点灯回路、１４、２０は高耐圧電線である。図１では放電ランプ２を４本としているが、ここでは簡単のめ１本のみを図示する。

外部電極１、放電ランプ２、内部電極３、４は上記と同様であるので詳細は省略する。

第１の点灯回路５および第２の点灯回路６はそれぞれプッシュプル方式のインバータ回路である。第１の点灯回路５および第２の点灯回路６はそれぞれ、直流電源９、１５、駆動回路１０、１６、スイッチ素子であるＦＥＴ１１、１２、１７、１８、昇圧トランス１３、１９を含む。直流電源９、ＦＥＴ１１、１２は昇圧トランス１３の１次巻き線に、直流電源１５、ＦＥＴ１７、１８は昇圧トランス１９の１次巻き線に接続される。駆動回路１０はＦＥＴ１１、１２にゲート信号を出力し、ＦＥＴ１１、１２を交互にＯＮ／ＯＦＦする。駆動回路１６はＦＥＴ１７、１８にゲート信号を出力し、ＦＥＴ１７、１８を交互にＯＮ／ＯＦＦする。また、駆動回路１０、１６は、第１の点灯回路５の出力電圧と第２の点灯回路６の出力電圧との位相差ができないように、それぞれ同期して動作し、出力するゲート信号の周波数、デューティー等はほぼ一定で、ＦＥＴ１１、１７がＯＮ、ＦＥＴ１２、１８がＯＦＦの期間と、ＦＥＴ１１、１７がＯＦＦ、ＦＥＴ１２、１８がＯＮの期間とができるように動作する。駆動回路１０、１６は市販のＩＣ等で簡単に構成することができ、同期動作に関してもＩＣの機能として内臓しているものもあり簡単に構成できる。昇圧トランス１３、１９は直流電源９、１５からの直流電圧を矩形波形の高周波高電圧に変換する。なおこのときの周波数は駆動回路１０、１６の出力信号の周波数に依存し、例えば２０ｋＨｚである。また、昇圧比は昇圧トランス１３、１９の１次巻き線と２次巻線の巻数比に依存し、例えば直流２４Ｖを６ｋＶｐ-ｐの矩形波電圧に変換する。このとき昇圧トランス１３、１９の出力電圧は必ずしも理想的な矩形波形にはならず、昇圧トランスのリーケージインダクタンス、寄生容量等の影響により、多少のリンギングを含む。前記６ｋＶｐ-ｐはリンギングを含むｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋの値を示している。昇圧トランス１３、１９の出力電圧（すなわち、第１の点灯回路５と第２の点灯回路の出力電圧）は、ほぼ同位相、ほぼ同電位である。昇圧トランス１３の出力電圧と昇圧トランス１９の出力電圧とが異なる位相、異なる電位である場合、内部電極３と内部電極４との間で放電が発生してしまい、放電ランプ２の発光効率が低下する。逆に言うと、内部電極３と内部電極４との間で放電が発生しない程度であれば、昇圧トランス１３と昇圧トランス１９の出力電圧は、ほぼ同位相、ほぼ同電位でなくても良いが、設計が複雑になる。昇圧トランス１３の２次巻線の一端は高耐圧電線１４を介して内部電極３に、他端は外部電極１に接続されるとともにＧＮＤに接続される。昇圧トランス１９の２次巻線の一端は高耐圧電線２０を介して内部電極４に、他端は外部電極１に接続されるとともにＧＮＤに接続される。昇圧トランス１３、１９の２次巻線の他端と外部電極およびＧＮＤとの接続は、電圧が低いことから、特に高耐圧電線でなくてもよい。第１の点灯回路５と第２の点灯回路６は高耐圧電線１４、２０がなるべく短くなるように、内部電極３および４の直近に配置される（図１参照）。

上記構成において、放電ランプ２の内部電極３、４と外部電極１の間に矩形波の高周波高電圧が印加されると、矩形波の高周波高電圧の電圧値が変化するとき、すなわち極性が反転するときに内部電極３と外部電極１および内部電極４と外部電極１との間にパルス電流が流れ、放電ランプ２内に誘電体バリア放電が生じる。このとき発光管７と放電ランプ２と外部電極１との空隙とが誘電体として作用する。誘電体バリア放電が開始すると、発光管７内に封入されたキセノンが電子により励起され、紫外線を放射する。紫外線は発光管７の内壁に塗布された蛍光体８により可視光に変換され、放電ランプ２は点灯する。一般に、誘電体バリア放電を用いた点灯動作においては、正弦波電圧よりも矩形波電圧で点灯することにより、キセノンのエキシマ発光が増加し、紫外線が多く放出されるため、発光効率が良くなる。

放電ランプ２の点灯中、高耐圧電線１４、２０は高周波高電圧が印加されるため、高耐圧電線１４、２０の被覆を通して、外部電極１や近接したその他の金属部材（例えば、液晶ＴＶの筐体など）に向かって流れる漏れ電流が発生するが、第１の点灯回路５および第２の点灯回路６を内部電極３および４の直近に配置することにより、高耐圧電線１４、２０からの漏れ電流を最小限に抑制することができ、放電ランプ点灯装置のシステム効率の低下を抑制できる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る放電ランプ点灯装置の構成を示す図である。実施の形態２において実施の形態１と異なる点は、駆動回路２３が第１の点灯回路２１と第２の点灯回路２２とで共用化されたことであり、その他は実施の形態１と同じであり、同構成のものには同符号をつけて詳細な説明は省略する。駆動回路２３を共用化することにより、ほぼ同位相、ほぼ同電位の矩形波の高周波高電圧を主力する第１の点灯回路２１と第２の点灯回路２２とを、より簡単に構成できる。第１の点灯回路２１と第２の点灯回路２２はそれぞれ内部電極３、４の直近に配置し、高耐圧電線１４、２０が極力短くなるようにしている。

上記構成により、高耐圧電線１４、２０からの漏れ電流を抑制でき、放電ランプ点灯装置のシステム効率の低下を抑制できだけでなく、放電ランプ点灯装置の全体コストを大幅に削減することができる。第１の点灯回路２１は、図３の点灯回路５と同じ構成であるが、第２の点灯回路２２の構成が簡単化している。なお、この構成では、第１の点灯回路２１と第２の点灯回路２２との間に、ゲート信号を伝達する配線が必要になるが、ゲート信号は通常５〜１５Ｖ程度と低電圧であるため、この配線からの漏れ電流はほとんど発生せず、システム効率への影響はない。

また、図４の構成に加えてさらにＦＥＴ２６、２７まで共用化した図５に示す構成も考えられる。第１の点灯回路２４は、図３の第１の点灯回路５および図４の第１の点灯回路２１と同じ構成であるが、第２の点灯回路２５の構成がさらに簡単化している。これにより放電ランプ点灯装置の全体コストをさらに削減することができる。ただし、この場合、第１の点灯回路２４と第２の点灯回路２５との間に、高周波の大電流が流れる配線が必要になり、電圧が低いためこの配線からの漏れ電流はほとんど発生しないが、大電流による不要輻射ノイズの発生が考えられ、配線場所等を考慮する必要がある。

なお、外部電極１は平面状の構成としたが、この構成に限ったものではなく、例えば図６に示すような波形の断面形状のものでも良い。また、材料も導電性を有していれば良い。ただし、反射板と一体生成するのではあれば、反射率が高くかつ導電性を有した材料で構成する必要がある。また、図７に示すように、反射板２９上に外部電極３０を配置した構成でも良い。反射板２９は、例えば白色の樹脂、外部電極３０は例えば銅、アルミ等で構成できる。また、反射板２９は図６と同様に断面が波形でも良い。また、外部電極３０はストライプ状に構成したが、他の形状でも良い。

また、放電ランプ２は、封入ガス圧を２０ｋＰａとしたが、５〜３５ｋＰａ程度の範囲であれば他のガス圧でも良い。また、放電ランプ２を４本並列で点灯した例で説明したが、他の本数でもよく、ランプの本数は液晶ディスプレイのサイズに依存し、例えば３２インチサイズであるとランプは１６〜２０本程度必要となる。また、放電ランプ２と外部電極１との距離を３ｍｍとしたが、この距離に限定したものではなく、１〜２０ｍｍ程度の範囲であればよい。ランプ長が２５０ｍｍ以上のとき、特に漏れ電流抑制効果が顕著である。

また、内部電極３、４はカップ形状で示しているが、棒状でも良い。

また、第１の点灯回路５、２１、２４および第２の点灯回路６、２２、２５をプッシュプル方式としたが、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等、他の方式でも良い。また、直流電源９、１５はチョッパ回路等で構成してもよい。また、ＦＥＴ１１、１２、１７、１８、２６、２７はバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等を代わりに使っても良い。また、駆動周波数を２０ｋＨｚとしたが、他の周波数でも良く、発光効率の観点から５〜３０ｋＨｚ程度であれば良い。また、昇圧トランス１３、１９の出力電圧を６ｋＶｐ−ｐとしたが、この値は、放電ランプ２の長さ、ガス圧等の設計要因で変化し、放電ランプによって他の値であっても良いのは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、放電ランプと外部電極を離間して配置した内部−外部電極方式の誘電体バリア放電を用いた放電ランプ点灯装置において、外部電極と一対の内部電極の一方との間に高周波高電圧を印加する第１の点灯回路と、外部電極と一対の内部電極の他方との間に高周波高電圧を印加する第２の点灯回路とを備え、第１の点灯回路と第２の点灯回路でほぼ同位相、ほぼ同電位の高周波高電圧を出力することにより、第１の点灯回路および第２の点灯回路と内部電極を接続する高耐圧電線を極力短くできるため、高耐圧電線からの漏れ電流を抑制でき、放電ランプ点灯装置のシステム効率を向上できる。これにより、本発明に係る放電ランプ点灯装置は、液晶ディスプレイ等のバックライト用光源、コピー機、スキャナ等に有用である。

本発明の実施の形態１に係る放電ランプ点灯装置の一例を示す構成図 本発明の実施の形態１に係る放電ランプの一例を示す構成図 本発明の実施の形態１に係る第１および第２の点灯回路の一例を示す回路図 本発明の実施の形態２に係る第１および第２の点灯回路の一例を示す回路図 本発明の実施の形態２に係る第１および第２の点灯回路の他の一例を示す回路図 外部電極の構成の他の一例を示す構成図 反射板および外部電極の構成の他の一例を示す構成図 従来の放電ランプ点灯装置の構成を示す構成図 従来の放電ランプ点灯装置の構成の他の一例を示す構成図

符号の説明

１，２８，３０，１０２ 外部電極
２，１０３ 放電ランプ
３，４，１０４ 内部電極
５，２１，２４ 第１の点灯回路
６，２２，２５ 第２の点灯回路
７ 発光管
８ 蛍光体
９，１５ 直流電源
１０，１６，２３ 駆動回路
１１，１２，１７，１８，２６，２７ ＦＥＴ
１３，１９ 昇圧トランス
１４，２０，１０６ 高耐圧電線
２９，１０１ 反射板
１０５ 点灯回路

Claims (4)

1. 反射板と、前記反射板上に配置または前記反射板と一体成型された外部電極と、前記外部電極から離間して配置された両端に一対の内部電極を有する複数の放電ランプと、前記外部電極と前記一対の内部電極の一方との間に高周波高電圧を印加する第１の点灯回路と、前記外部電極と前記一対の内部電極の他方との間に高周波高電圧を印加する第２の点灯回路とを備え、前記第１の点灯回路および前記第２の点灯回路が略同位相、略同電位の高周波高電圧を出力し前記複数の放電ランプを点灯することを特徴とする放電ランプ点灯装置。
2. 前記複数の放電ランプは、放電用のガスとして少なくともＸｅを含む希ガスが封入されていることを特徴とする請求項１に記載された放電ランプ点灯装置。
3. 前記高周波高電圧は略矩形波形であることを特徴とする請求項１から２に記載された放電ランプ点灯装置。
4. 前記第１の点灯回路と前記第２の点灯回路とで少なくとも駆動系回路を共用したことを特徴とする請求項１から３に記載された放電ランプ点灯装置。

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