CN1155298C

CN1155298C - 放电灯的点灯装置

Info

Publication number: CN1155298C
Application number: CNB971900159A
Authority: CN
Inventors: 横川佳久; 宏; 平冈尊宏; 树; 井上正树; 吉冈正树; 龙志; 五十岚龙志
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 2004-06-23
Anticipated expiration: 2017-01-13
Also published as: EP0817542B1; EP0817542A1; CN1178062A; CA2215599A1; DE69711278T2; JP3277788B2; CA2215599C; KR19980703026A; KR100436884B1; JPH09199285A; EP0817542A4; TW344188B; WO1997026779A1; US5977722A; DE69711278D1

Abstract

一种外部电极型荧光放电灯的点灯装置。将开关元件8按所定频率的驱动信号开关(ON/OFF)，使变压器9的次级侧产生图1A所示的重复电压波形，将该电压波形施加於外部电极式荧光放电灯1予以点灯。上述重复电压波形，在具有其一周期内之最大尖峰的波形的电压为0V时的波宽度W₀对重复周期t为2W₀＜t，其半值宽度W(图1中a、b间的幅度)设定为所定值(例如2.5μsec以下)。因此，即使提高上述放电灯1的封入气压，亦可维持稳定的放电，并可获得高照度。

Description

放电灯的点灯装置

技术领域

本发明涉及用於传真机，复印机，图像阅读机(I-mage reader)等信息机器的原稿读取照明或液晶显示器的背光装置等的外部电极式萤光放电灯的点灯装置。

背景技术

用於OA机器的原稿照明或OA机器的液晶画面的背光等的萤光灯，已知有外部电极式萤光放电灯。

上述外部电极式萤光放电灯，在玻璃管外面配设带状的一对外部电极，连续将高频电压或脉冲高频电压施加於该电极予以点灯。

图12是表示上述外部电极式萤光放电灯的构造图，图中(a)表示外部电极式萤光放电灯的垂直於管轴方向的断面图，(b)表示其侧面图。

如图12所示，外部电极式萤光放电灯1包括：由玻璃等电介质构成的放电容器3；沿其管轴方向侧面大体全长配设的由铝等材料制成的一对带状或线状电极2，2′及形成於放电容器3内表面的萤光物质层4。

先前，与内部电极式冷阴极萤光放电灯相同，将高频电压施加於上述外部电极式萤光放电灯1的外部电极进行点灯。

即如图13所示，将高频电源电路5连接於外部电极式萤光放电灯1的一对电极2，2′，将例如图14所示波形的高频交流电压施加於电极2，2′。因此，经电容器3的侧面将高频电压施加於被外部电极2，2′挟持的放电容器3的内部的放电空间，从而产生放电。此种技术披露于日本特开平3-225745号(美国专利第5,117,160号)。

上述现有的点灯方式中，进一步提高外部电极式萤光放电灯照度的方法之一，有提高封入放电容器3内部的稀有气体气压的方法。

然而，如上述提高封入压力时，若不提高外部电极式萤光放电灯的附加电压则放电所需电流不足，而无法获得稳定的放电。

兹更详细说明提高封入压力时的放电容器3内部的放电形状，此放电的发光集中的部位多数产生於灯的整个区域，但此局部多数的发光集中部位随时改变其位置，可观察到放电容器3内的呈带状的发光状态。图15以模式图表示此带状的放电现象。

图12所示外部电极式萤光放电灯1，可视为由外部电极2，2′及电介质放电容器3构成的电容器。

流经此种外部电极式萤光放电灯1的灯电流由外部电极2，2′与电介质构成的放电容器3之间所形成的静电容量的大小决定。为了提高外部电极式萤光放电灯1的照度，需流通更多电流，必须提高对外部电极2，2′施加的电压及电压的高频频率。

然而，提高所加电压时，有外部电极2，2′间之电介质表面产生沿面放电的危险性或点灯电路内产生绝缘破坏的危险性等问题。

发明内容

本发明为解决上述问题之方法，其目的在于提供即使提高放电容器内的封入气压亦可维持稳定的放电，并且可得到更高照度的外部电极式萤光放电灯的点灯装置。

如上述，施加正弦波的现有点灯方式，在提高放电容器3的内部封入的稀有气体气压，并提高对放电灯1所加的电压时，将发生前述图15所示现象，而无法维持稳定的放电。

经各种实验研究结果，了解到耸立急剧时，用具有重复周期t、波幅为所定值以下的最大尖峰的波形的重复电压波形，对放电灯1点灯，即使提高封入气压亦可维持稳定的放电。

即，如图1A所示，在灯两端所测电压(图1中，P-Q间电压)波形中，将具有上述1周期内的电压之最大尖峰的波形取与电压0V交叉的位置至最大尖峰值(图1中H)的一半电压值(图1中H/2)的2点a，b的宽度定义为半值宽度W时，由於将该半值宽度W设为所定值以内的重复电压波形施加於放电灯1，即使提高封入气压仍可维持稳定的放电，并且可提高照度。

本发明依据上述原理，按下述解决前述课题。

(1)一种放电灯的点灯装置，以具有重复波形的灯电压对外部电极式放电灯进行点灯，该外部电极式放电灯的玻璃管内部密封有He、Ne、Ar、Kr、Xe中的至少任一种以上的稀有气体，上述玻璃管内部涂敷着荧光物质，上述玻璃管外面的管轴方向上至少配置2根以上的带状电极，其特征在于：上述灯电压的重复波形中、具有一周期内唯一最大尖峰(H)的波形的电压在0时的波宽度Wo，对于电压波形的重复周期t有：2 Wo＜t，并且以回扫描方式的电路产生前述灯电压的重复波形。

因此，即使提高封入放电灯的气压亦可维持稳定的放电，比现有的施加正弦波的点灯方式，可提高发光照度。

(2)上述放电灯点灯装置中，将灯电压的重复波形中具有一周期内的唯一最大尖峰的波形电压在0 V时的波宽度为Wo时，对电压波形的重复周期t为2 Wo＜t，且设按正弦波对前述灯点灯时可得的最大照度为L，附加以上述条件供给相同灯功率时，该照度L可得具有最大尖峰的波形的半值宽度为Wx，这时，使用的灯电压的具有最大尖峰的波形的半值宽度为W＜Wx，用具有该重复波形的电压，对放电灯点灯。

(3)在上述所述的放电灯点灯装置中，具有最大尖峰的波形的半值宽度W为W≤2.5μsec。

(4)在上述所述的放电灯点灯装置中，重复电压波形的周期t为5μsec至70μsec。

(5)在上述所述的放电灯点灯装置中，对玻璃管内部封有分压为10666Pa(80 Torr)以上的Xe气和全封入气体气压为101332Pa(760 Torr)以下的外部电极式萤光放电灯进行点灯。

(6)在上述所述的放电灯点灯装置中，将有助於发光的有效功率施加於接有最大尖峰电压的振动波。

本发明的所述放电灯关灯装置，因构成如上述(1)～(6)，故即使提高封入放电灯的气压亦可维持稳定的放电，比现有的施加正弦波的点灯方式，可提高照度。

附图说明

图1：表示本发明实施例的放电灯点灯装置的回扫描方式的基本构成电路图。

图2：表示本发明其他实施例的点灯装置的回扫描方式的电路构成图。

图3：表示具备二极管的MOSFET的电路构成图。

图4：表示本发明使用的回扫描方式的实验电路的构成图。

图5：表示半值宽度与放电灯(8管)的照度的关系图。

图6：表示半值宽度与放电灯(6.5管)的照度的关系图。

图7：表示放电灯点灯时的灯电压波形图。

图8：表示使波形不同时的灯功率与照度的关系图。

图9：表示点灯周期与照度的关系图。

图10：表示Xe气分压与亮度变化率的关系图。

图11：表示Ne混合比与照度的关系图。

图12：表示外部电极式萤光放电灯的构造图。

图13：外部电极式萤光放电灯的现有的正弦波高频点灯方式的电路图。

图14：表示现有的外部电极式萤光放电灯点灯用电压波形的概念图。

图15：加大封入气体压力时呈现的不稳定放电现象的模式图。

具体实施方式

图1是表示本发明之实施例的放电灯点灯装置的基本电路构成图。该图中，1是前述外部电极式荧光放电灯(以下称放电灯)，6是直流电源，7是驱动电路，8是开关元件，9是变压器。此图表示回扫描方式之基本电路构成，开关元件8，按照驱动电路7输出的所定频率的驱动信号进行开/关(on/off)。由该驱动信号使开关元件8开(on)，经过直流电源6→变压器9的初级侧绕线→开关元件8→接地G流通电流，将能量储存於变压器9中。

当开关元件8关(off)时，因流经变压器9的电流被切断，故储存於上述变压器9中的能量放出，在变压器9的初级侧、次级侧产生具有如图A所示急峻耸立的电压波形。

此电压波形，以随电路常数的衰减常数衰减，其次开关元件8开后再关时，与上述同样，再次产生具有急峻耸立之电压波形。

如上所述，每当由驱动电路7输出的驱动信号以所定频率使开关元件8开/关时，在变压器9的次级侧如同图A所示重复产生具有急峻耸立的电压波形，将此电压波形施加於放电灯1。

上述放电灯点灯装置中，由於如上所述，将上述电压波形的半值宽度W定为所定值以内，以所定重复周期t施加於放电灯1，则即使提高封入放电灯1中的气压，亦可维持稳定的放电。

此可认为由於将耸立时间早，即含大量的高频率成分的电压施加於放电灯，使由玻璃等构成的放电容器3事实上不起电介质作用，而接近于直接将电压施加於封入内部的气体本身的状态之故。

即，通过玻璃点灯的放电灯，因玻璃本身为电介质，故将电压施加於灯时，此玻璃表面带电，达击穿(break down)电压时开始放电。此放电因立即中和玻璃表面，电位梯度消除，故放电停止。因而，下一放电开始时，同样重复玻璃表面中和、放电停止的动作。

此现象按照玻璃表面状态及当时的带电状态，发生於玻璃表面的所有部分。

施加於灯的电压为正弦波时，因电压比较缓慢地上升，同样的电压波形连续重复出现，故可认为这些现象不断发生，如前所述的带状放电发生。

因此，施加正弦波的现有点灯方式，为了提高照度逐渐提高封入放电灯的气压时，如后述，当Xe气的分压达10666Pa(80 Torr)以上时，上述现象发生，亮度变动率急剧加大。

针对此点，将耸立时间早的电压波形施加於灯时，如前述，因接近于直接将电压施加於封入放电容器3内的气体本身的状态，故上述电介质表面中和的现象减少，可认为不发生带状放电而产生稳定之发光。

此时，由放电灯1的Xe气体发射的紫外线之照度，无论施加於放电灯1的上述电压的重复频率(所谓点灯频率)过高，或过低均降低。此可认为由于下列理由所致。

(1)降低点灯频率时。

在输入功率一定，降低点灯频率时，灯电压波形的每1次重复之能量随点灯频率降低而加大。另一方面，Xe之发光效率随输入能量加大而降低。

因此，可认为点灯频率愈降低，发光效率降低，随之照度亦降低。

(2)提高点灯频率时。

由上述(1)所说明，点灯频率上升时，虽至某一频率照度将上升，但再提高频率时，下一电压波形将消除产生紫外线的激发源，并降低照度。

此可认为与激发源的寿命相关，以比一次发生的激发源的寿命更快的周期将下一电压波形施加於放电灯时，以下一周期所得能量打消尚剩余之激发源，而无法获得自激激励源的效率良好的发光。

如以上，将施加於放电灯1的电压的半值宽度W定为所定值以内，又将施加於放电灯1的电压的重复频率选定於合适的范围内，即使提高封入气体的压力，亦可以稳定的发光状态使放电灯点灯。

图2是本发明之其他实施例的点灯装置的回扫描方式的电路构成图，本实施例中将二极管D与开关元件8串联地设置。

例如，上述开关元件8，使用MOSFET时，通常如图3所示，其构造是在漏(drain)与源(source)间设二极管D1。因此，图2所示点灯电路，在使输入关之瞬间，於变压器9的初级侧产生反电动势，电流流向图3中的箭头所示方向，效率大为降低。

图2中，将二极管D1与开关元件8串联连接，从而阻止上述电流。

由於如上所述的结构，即使使用图3所示设有二极管D1的开关元件，亦不致降低效率，而可获得前述半值宽度为所定值以内的电压波形。

以下表示使用上述点灯装置将外部电极式荧光放电灯1点燃时的实验结果。

图4是表示本实施例中所使用的回扫描方式的实验电路之构成图，图4中开关元件8使用MOSFET，如图2所示将二极管D与开关元件8串联连接，将50Ω之电阻R1及1000pF之电容器C1的串联电路所构成的缓冲(Sunbber)电路10连接於变压器9的初级侧。

因此，将24V的直流电源连接於变压器9的初级侧的一方的端子，另一方端子经二极管D1连接开关元件8，如该图所示将波高值12V的驱动信号供给开关元件8。此外，将440μF的电容器C2连接於24V的直流电源。

使用具有下列(1)～(4)项的特性的变压器9，变压器9的次级侧产生的重复电压波形之半值宽度改变。

(1)半值宽度0.4μS时

初级侧的电感8.5μH

次级侧的电感0.34mH

(2)半值宽度0.8μS时

初级侧的电感8.5μH

次级侧的电感1.3mH

(3)半值宽度1.9μS时

初级侧的电感8.5μH

次级侧的电感5.4mH

(4)半值宽度3.0μS时

初级侧的电感8.5μH

次级侧的电感12.1mH

图5，图6是表示由上述实验电路所得半值宽度与放电灯的照度的关系图。

图5表示在管径8mm、灯长360mm的放电灯中使用电极宽度8mm的2片(一对)带状电极，并按下列A、B项条件将放电灯点灯时的半值宽度与照度的关系，该图中「本发明的点火方式」表示使用图4之电路点灯的情形，「先前的点灯方式」表示以正弦波高频率交流电压对放电灯点灯的情形。

条件A：灯功率7W

条件B：灯功率13W

又，本发明的点灯方式的点灯频率在条件A时以40kHz、条件B时以70kHz点灯。

由该图可知，在条件A，B的任一情形下，先前的点灯方式中不管半值宽度值如何但照度略为一定，而本发明的点灯方式则随着半值宽度的减小照度增加，将半值宽度减小至比2.8μS～3μS小时，比先前的点灯方式的照度增加。

图6表示在管径6.5mm，灯长360mm的放电灯中使用电极宽度7mm的2片(一对)带状电极，并按上述条件B，即灯功率13W对放电灯点灯时的半值宽度与照度的关系，与图5同样，「本发明的点灯方式」表示使用图4的电路点灯的情形，而「先前的点灯方式」表示以正弦波高频率交流电压对放电灯点灯的情形。此外，此时的本发明点灯方式的点灯频率采用70kHz。

图6的情形中，半值宽度小於2.6μS时，照度比先前的点灯方式高。

由以上实验可确认即使改变放电灯的管径，至少将半值宽度W定为W≤2.5μS时，照度比先前的点灯方式高。

其次为查施加於放电灯的电压玻形与照度的关系，改变图4所示电路的电路参数，将所产生的如图7(a)～(c)所示波形1～3的电压施加於放电灯，以查灯功率与照度的关系，此外，图7中，依波形1→波形2→波形3的顺序连有最大尖峰电压的振动波逐渐减小。

该灯功率例如尖峰电压为1400V时，波形1中为13.5W，波形2中为12.7W，波形3中为11.0W。此即将波形3的灯功率作为1时，则波形1为1.22，波形2就相当於1.14。该灯功率的差异是由于连有最大尖峰电压的输入振动波中有助于发光的功率不同致。

如上述，若能将有助于发光的有效功率输入连有最大尖峰电压的振动波，即可降低尖峰电压获得必要的光量，使点灯电路灯中的绝缘、耐压等的操作容易。

图8是表示将上述波形1～3施加於放电灯时的灯功率与照度的关系图，该图表示管径8mm、灯长360mm的放电灯使用点灯频率70kHz的情形。

如同图所示，可确认即使附加於放电灯的电压波形改变，亦可获得略相同的照度。

此外，可认为不仅如图7(a)～(c)所示的仅单极性地出现电压尖峰的波形1-3，而且如该图(d)所示双极性地显现电压尖峰的电压波形4均可获得同样效果，重要的是在所定时间间隔中将具有所定值以下的半值宽度W(例如W≤2.5μS以下)的电压波形施加於放电灯，即可获得本发明的效果。

图9是表示点灯周期与照度的关系(灯功率一定：13W)之图，与前述图5相同，「本发明的点灯方式」表示使用图4的电路点灯的情形，而「先前的点灯方式」表示以正弦波高频交流电压对放电灯点灯的情形，并使用管径8mm、灯长360mm的放电灯。

如该图所示，「本发明的点灯方式」中照度随点灯周期之加长而降低，并且，即使点灯周期缩短，照度也降低。此可认为如前述，是因降低点灯频率时(加长点灯周期)发光效率降低，则照度随之降低，并且过分提高点灯频率时(过分缩短点灯周期时)，无法由自激激励源获得效率良好的发光之故。

另一方面，「先前的点灯方式」中，点灯周期至略30μS时可保持一定照度，而略超过30μS时照度将降低。

由上述实验可知，使用「本发明的点灯方式」，将点灯周期设为略5μS～70μS时，比「先前的点灯方式」可得高的照明度。

其次，查封入放电灯的Xe气体分压与亮度变化率的关系。

如前述，提高放电灯的封入压力时，如图15所示的「先前的点灯方式」中，观察放电容器3内的发光状态为带状。兹就使用「先前的点灯方式」时与使用「本发明的点灯方式」时调查的Xe气体分压与亮度变化率的关系，确认本发明的效果。

此外，亮度变化率由对放电灯点灯经过n分后的放电灯的最大值亮度a(前述图15的发光集中部位的亮度最大值)，和最小值亮度b(图15中黑暗部分的亮度最小值)所定义，由下式算出。

亮度变化率(％)＝((a-b)/(a+b)}×100

图10是表示Xe气体分压与亮度变化率的关系图，与前述图5相同，「本发明的点灯方式」表示用图4的电路点灯的情形，「先前的点灯方式」表示以正弦波对放电灯点灯的情形，使用管径8mm，灯长360mm的放电灯，以灯功率13W点灯，求经点灯3分后的亮度变化率。

如该图所示，「先前的点灯方式」中当Xe气体分压达13332 Pa(100Torr)以上时，亮度变化率将急激加大。针对此点，「本发明的点灯方式」中，即使提高Xe分压，亮度变化率也不变，由本发明可确认将Xe气体分压设为10666Pa(80Torr)以上则可稳定保持点灯状态。

如以上，由於使用「本发明的点灯方式」，可将Xe气体封入压力设为：「先前的点灯方式」中亮度变化率大、保持稳定的点灯状态困难的10666Pa(80Torr)以上，比「先前的点灯方式」可得高的照度。

因此，提高放电灯照度的方法之一，是使用Xe-Ne系的混合气体作为封入放电灯的气体。

图11是表示使用上述气体系、Xe气压为13332Pa(100Torr)、改变Ne气体的混合比时的照度效率图，该图表示使用管径8mm，灯长360mm的放电灯、点灯频率为70kHz和灯功率为一定(20W)的情形。

如该图所示，仍保持Xe气体分压为13332Pa(100Torr)，逐渐加大Ne气体之混合比时，照度效率将上升。

即使使用如上述的Xe-Ne系之混合气体，使用「本发明的点灯方式」时，可确认与图10同样，即使加大Xe气体之分压亦可获得维持稳定的放电状态的本发明之效果。

此外，将Xe气体的分压设为13332Pa(100Torr)，Ne气体的混合比设为80％时，放电灯内的全压将为66660Pa(500Torr)，只有封入放电灯的全压达101324Pa(760Torr)以上时，放电灯制作时将产生膨胀等灯不良，致使放电灯的制作困难。

因此，封入放电灯的气压以全压101324Pa(760Torr)以下为宜。

如上所述，本发明的放电灯点灯装置，可用於传真机、复印机、图像阅读机等信息机器的原稿读取照明、或液晶显示器的背光装置。

Claims

1.一种放电灯的点灯装置，以具有重复波形的灯电压对外部电极式放电灯(1)进行点灯，该外部电极式放电灯(1)的玻璃管内部密封有He、Ne、Ar、Kr、Xe中的至少任一种以上的稀有气体，所述玻璃管内部涂敷着萤光物质，所述玻璃管外面的管轴方向上至少配置2根以上的带状电极(2，2′)，其特征在于：所述灯电压的重复波形中、具有一周期内唯一最大尖峰(H)的波形的电压在0时的波宽度W_o，对于电压波形的重复周期t有：2W_o＜t，并且

以回扫描方式的电路产生前述灯电压的重复波形。

2.如权利要求1所述的放电灯点灯装置，其特征在于：具有最大尖峰的波形的半值宽度W为W≤2.5微秒。

3.如权利要求1所述的放电灯点灯装置，其特征在于：重复电压波形的周期t为5微秒至70微秒。

4.如权利要求1所述的放电灯点灯装置，其特征在于：对玻璃管内部封有分压为10666帕以上的Xe气且全封入气体气压为101324帕以下的外部电极式萤光放电灯(1)进行点灯。