JP3627553B2

JP3627553B2 - 放電装置

Info

Publication number: JP3627553B2
Application number: JP01017399A
Authority: JP
Inventors: 眞一品田; 茂生御子柴; 智一志賀; 桂子平山; 清五十嵐
Original assignee: 日立ライティング株式会社
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2000208096A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放電装置、液晶表示装置および情報機器に関し、特に可視光、紫外光等を放射する放電装置、液晶表示装置および情報機器に関する。より詳細には屋内外の照明用、表示用、機器用、あるいは液晶表示装置用のバックライト等に用いられる放電装置、液晶表示装置および情報機器に関するものである。ここで情報機器とは、例えば、液晶表示装置を有するか又は内蔵したコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、液晶テレビ等をいう。
【０００２】
【従来の技術】
放電を用いた光源、例えば照明用や表示用の蛍光ランプや平板型の放電装置等を駆動するには種々の方法がある。例えば、液晶表示装置のバックライト用インバータや高周波点灯の蛍光ランプ等、一般的な放電装置の駆動は、数１０ｋＨｚの高周波を用いている。これらの駆動方法の効率改善例として、例えば特開平９ー１１５４８３号公報に記載されている放電装置の駆動方法がある。
【０００３】
図１１は前記従来の放電装置の駆動方法による駆動電圧波形を示す図で、少なくとも一対の電極を有する放電装置において、一方の電極に―Ｖｈの電圧パルスを有する電圧Ｖ１が印可され、他の一方の電極にはＶ１と同じ電圧パルスで、半周期位相のずれた電圧パルス―Ｖｈを有する電圧Ｖ２が印可されて交流放電を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の駆動方法は、放電ガスに水銀を用いた場合に有効で、安定性が良く、高輝度、高効率な放電装置が得られる特徴がある。しかし、放電ガスとして水銀をなくし、キセノンあるいはキセノンと他の希ガスの混合ガスを用いた場合、従来の駆動方法では放電プラズマが不安定となり放電空間全体に均一に広がらず、一部分に集中したり、輝度が不均一になったりして放電空間全体が均一に発光しない問題があった。特に、平板状の放電装置において、電極間が長く陽光柱を発生させて発光させる構成の放電装置では従来の駆動方法では放電プラズマが広がらず陽光柱が収縮して平面発光にならない問題があった。また、輝度、効率も低下する問題もあった。
【０００５】
本発明の目的は、上述した課題を改善することにある。本発明の実施例によれば、放電用ガスとして水銀を有さず、かつ、キセノンを放電ガスに用いても放電プラズマが放電空間全体に広がって安定で均一性の良い放電が得られると共に高輝度、高発光効率の放電装置を提供することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の実施例による放電装置は、一対の電極を有し、放電空間にキセノンを含む希ガスの混合ガスからなる放電用ガス（水銀を含まない。）が封入され、前記電極間で放電を行う放電装置において、前記電極間の発光面に放電プラズマが広がるよう電圧を印加した後、放電プラズマが収縮する前に放電を停止させることを繰り返す手段を有する。また、一対の電極を有し、放電空間にキセノンを含む希ガスの混合ガスからなる放電用ガスが封入され、前記電極間で放電を行う放電装置において、電圧を印加して放電プラズマを発生させ、前記電圧印加開始から放電電流が最大になる時間をｔとする時、電圧印加開始から１．１ｔの間に電圧を消去あるいは低減して放電を停止させることを繰り返す手段を有する。また、前記電圧印加開始から放電電流が最大になる時間をｔとする時、０．９ｔ以上から１．１ｔ以下の間に電圧を消去あるいは低減して放電を停止させることを繰り返す手段を有する。この場合、前記放電装置において、前記電極の少なくとも一方にアース電位に対して０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_Ｌ１に、一定の周波数を有しピーク電圧がＶ_Ｈ１の正又は負の電圧が重畳された電圧を印加し、前記他の一方の電極に前記電圧Ｖ_Ｈ１とほぼ同じ電圧Ｖ_Ｈ２が重畳された直流電圧Ｖ_Ｌ２を印加し、前記電圧の関係を｜Ｖ_Ｌ１｜および｜Ｖ_Ｌ２｜が｜Ｖ_Ｈ１｜および｜Ｖ_Ｈ２｜より小さくなるようにする。また、前記電極に印加する電圧として、前記電極の少なくとも一方にアース電位に対して０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_Ｌ３に、一定の周波数を有しピーク電圧がＶ_Ｈ３の正又は負の電圧が重畳された電圧を印加し、前記他の一方の電極に０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_Ｌ４を印加し、前記電圧の関係を｜Ｖ_Ｌ３｜および｜Ｖ_Ｌ４｜が｜Ｖ_Ｈ３｜より小さくなるようにする。さらに、前記電圧として矩形若しくは略矩形の電圧パルスとする。また、前記電極に印加する電圧パルスとして、互いに略半周期位相のずれた電圧パルスとする。また、前記電極間に発生する放電プラズマが陽光柱を有している。また、前記放電ガスとしてキセノンと一種類以上の他の希ガスを混合したガスを用い、キセノンの混合比を７％以上３８％以下にする。また、前記放電ガスの封入圧力を１，７００Ｐａ以上１２，６００Ｐａ以下にする。さらに、前記放電装置として、透光性を有する前面板と背面板とを略平行に位置させて扁平状の放電空間を有する密閉容器を構成し、前記密閉容器の内面に蛍光体を塗布し、前記放電空間の互いに離間した辺に所定の長さに渡って第一及び第二の電極を設けた平板型の放電装置とする。また、前記電極を前面板に形成する。また、前記電極の表面を覆って誘電体層を設ける。
【０００７】
本発明の実施例に係る放電装置は液晶表示装置のバックライトとして有効であるが、直接照明装置の光源としても使用できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施例を図面と共に説明する。図１は本発明による平板型放電装置の一実施例を示す断面斜視図である。図に示すように、ソーダガラス等からなる透光性の前面板２と、ソーダガラスやセラミック等からなる浅皿形の背面板３とが、例えば低融点ガラス（図示せず）で略平行に位置するよう一体に気密封着され、扁平状の放電空間８を有する密閉容器１が構成されている。発光面となる前面板２の内面には互いに略平行な第一および第二の放電電極４、５が放電空間８の互いに離間した第一および第二の辺に沿って長さ方向全体に渡って設けられており、さらに放電電極４、５の表面には誘電体層６が形成されている。前面板２と背面板３の内面には蛍光体７が塗布され、放電空間８には、例えばキセノンとアルゴンの混合ガスやキセノンとアルゴンとネオンの混合ガス等が封入されている。発光面の大きさは、例えば２．５インチ液晶用のバックライトに用いる場合５２ｍｍ×４０ｍｍで、この時、電極間距離は約５４ｍｍ、放電空間８の高さは１．８ｍｍで、例えば５インチの場合、発光面の大きさは１０５ｍｍ×７４ｍｍで、この時、電極間距離は約７６ｍｍ、放電空間８の高さは２．４ｍｍである。
【０００９】
本構造による平板型光源は、両放電電極４、５間に電圧を印加することにより放電空間８内にキセノンの希ガス放電が発生し、キセノンの陽光柱から放射される紫外線により蛍光体７が励起されて発光し、前面板を通して外部に放射される。
【００１０】
扁平状の放電空間を有する放電装置では一つもしくは二つの放電経路に陽光柱が収縮しやすいということが一般に知られている。特に、キセノンなどの希ガスによる放電は水銀による放電に比べ放電プラズマの収縮現象が起きやすく、放電空間全体に均一な放電プラズマを発生させるためには印加電圧、放電電流条件や駆動周波数、パルス幅、デューティ比、ガス組成、封入圧力等を適当に選ぶことが必要になってくる。
【００１１】
図２は本発明の実施例による放電装置の印加電圧パルスと放電電流の関係を示す図である。図中、（ａ）、（ｂ）は従来の駆動方法による印加電圧と放電電流を示し、（ｃ）、（ｄ）は本発明の実施例による印加電圧と放電電流を示す。図から明らかなように、（ａ）、（ｃ）で示した電圧波形に違いはないが、（ｂ）、（ｄ）の電流波形に大きな違いが見られる。従来の駆動法による放電電流はパルス印加期間前半において最大値をとり、パルス印加期間中に再び零になる。このような電流条件の場合、キセノン混合ガスによる放電プラズマは図４に示したような収縮現象を起こし、放電空間全体に広がらない。一方、本発明の実施例による駆動方法では（ｃ）、（ｄ）に示したように、電圧パルスを印加して放電プラズマを発生させ、前記電圧パルス印加開始から放電電流が最大になるまでの所要時間をｔとした時、電圧パルス印加開始から時刻１．１ｔまでの間に電圧パルスの印加を停止して放電を停止させるよう電圧パルスの幅を適当に選ぶ。この場合、電圧パルスの印加を停止せず、印加電圧を下げて放電を終了させても良い。このような電流条件になるよう電圧パルスの幅を設定することで、放電プラズマは放電空間全体に均一に広がり、キセノン放電のプラズマ中に陽光柱が発生していても平面状の放電プラズマが得られる。
【００１２】
上記電流条件を満足させるには、印加電圧、周波数、パルス幅、デューティ比（パルス幅／周期×１００％）をある範囲に選ぶことが必要になる。
【００１３】
図３はパルス幅をパラメータにした放電電流の時間変化を示した図で、駆動波形は図５に示したと同様な電圧で、周期７０μｓ、１０６０Ｖの矩形波電圧を印加して放電させている。封入ガスはキセノン２８％ーアルゴン７２％の混合ガスで、封入圧力は５．３ｋＰａである。
【００１４】
この条件では、電圧パルス印加後の時間ｔが６．７μｓで放電電流がほぼ最大値になり、この時、パルス幅が４．８μｓから７．３５μｓの間で均一に広がった放電プラズマが得られる。電流が最大値になる時のパルスデューテイ比は９．６％である。パルス幅がこれより広い７．４μｓなると図４に示したように放電プラズマの収縮が発生し全面発光しなくなる。
【００１５】
このように、電圧パルス印加後に放電電流が最大になるまでの所要時間をｔとしたとき、放電プラズマを均一に広がらせておくためには電圧パルスを最大１．１ｔまで印加できる。また、印加時間が短いと放電プラズマは広がるが電力が少ないため発光輝度が低下する。高輝度で、安定な放電を得るための条件は０．９ｔ以上１．１ｔ以下が望ましい。
【００１６】
次に、本発明の実施例による放電装置の駆動波形と電圧条件の例を以下に示す。放電電圧と放電電流は上記した条件を満足している。
【００１７】
図５（ａ）は、本発明の実施例による駆動波形と電圧条件の関係を示す図で、例えば上記平板型放電装置の片方の電極４に正又は負又は０Ｖの直流電圧Ｖ_L1 （本図の例では０Ｖ）に一定の周波数(周期)とパルス幅を有する正の電圧パルス＋Ｖ_H1が重畳された電圧Ｖ１を印加し、他の一方の電極５に加える電圧Ｖ２として、前記電圧パルスＶ_H1とお互いに略半周期位相のずれた、同じかほぼ同じ電圧パルス＋Ｖ_H2が重畳された直流電圧Ｖ_L2（Ｖ_L1と同じかほぼ同じ電圧）を印加して交流放電を行わせる。
【００１８】
図５（ｂ）は、矩形若しくは略矩形電圧パルスとして負の電圧−Ｖ_Ｈ１および−Ｖ_Ｈ２を印加したもので、他の構成は（ａ）と同じである。これらの電圧を印加し、キセノンを含む希ガスを用いて放電空間８全体に均一な放電を発生させるための電圧条件は、Ｖ_Ｌ、Ｖ_Ｈの絶対値でＶ_ＨよりＶ_Ｌが小さくなるように選ぶことが必要である。すなわち、前記電圧の関係を｜Ｖ_Ｌ１｜および｜Ｖ_Ｌ２｜が｜Ｖ_Ｈ１｜および｜Ｖ_Ｈ２｜より小さくなるようにする。このような条件にすることでキセノンと希ガスの混合ガスを放電ガスに用いても陽光柱が放電空間全体に広がり、安定性、均一性の良い発光が得られる。
【００１９】
図６（ａ）、（ｂ）は別の駆動波形を示した図で、上記電極に印加する電圧として、例えば電極４の電圧Ｖ１に０Ｖを含む正又は負の直流電圧Ｖ_L3 （本図の例では０Ｖ）に一定の周波数とパルス幅を有する矩形若しくは略矩形電圧パルスＶ_H3が重畳された電圧とし、他の一方の電極５の電圧Ｖ２にＶ_L3と同じかほぼ同じ直流電圧Ｖ_L4を印加して放電させる例で、（ａ）は電圧パルスＶ_H3、が正の場合、（ｂ）は負の場合を示す。この場合の放電は極性を有する放電となる。
【００２０】
本実施例による電圧の関係は、上記図５の例と同じようにＶ_Ｌ、Ｖ_Ｈの絶対値でＶ_ＨよりＶ_Ｌが小さくなるように選ぶことが必要である。すなわち、前記電圧の関係を｜Ｖ_Ｌ３｜および｜Ｖ_Ｌ４｜が｜Ｖ_Ｈ３｜より小さくなるようにすることでキセノンと希ガスの混合ガスを放電ガスに用いても放電空間全体に放電プラズマが広がり、安定性、均一性の良い放電が得られる。
【００２１】
上記した実験結果からキセノンを含む希ガスを用いて、安定で放電空間全体に均一な放電プラズマが得られる電圧パルスの条件は発光面の大きさや電極間距離、封入ガス組成、圧力により最適な範囲があり、周波数が５ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下で、パルス幅が０．３μｓ以上１０μｓ以下で、デューテイ比が０．５％以上２５％以下の関係を満足するよう選ぶことが必要である。なお、ここで示したパルス幅は半値幅を用いている。
【００２２】
図７は上記した条件を満足させた駆動条件での放電空間全面均一に放電する安定動作領域を示す図で、横軸はデューテイ比、縦軸は印加電圧で、周期と封入圧力をパラメータにしている。封入ガスはアルゴンーキセノン（２８％）を用いた。ここで、電圧が１１００Ｖ以上は実験用回路の出力電圧の制約から実験を行っていないが、安定動作領域は左上がりの曲線で増加すると推定する。
【００２３】
安定動作領域は、封入ガス圧力を例えば４ｋＰａから６．７ｋＰａに高くすると、同じ周期でデューテイ比が大きい方にシフトする。さらに圧力を高くするとデューテイ比がさらに大きいところで安定動作する。また、周期を大きく（周波数を低く）すると安定動作領域は拡大する。
【００２４】
次に、上記した構造の平板型放電装置の放電電極４、５に図６（ａ）に示した波形の電圧を印加した場合の封入ガス圧と発光効率の関係を示す。周波数は１６ｋＨｚの略矩形の電圧パルスで、上記電流条件を満足するよう点灯させた。図８はキセノンーアルゴン混合ガスを封入した場合、図９はキセノンーアルゴンーネオンの混合ガスを封入した場合で、入力電力は０．７Ｗ一定の条件で、発光効率は相対値で表してある。図７のキセノン混合比は３０％、１５％、７％の３種類の例で、図８は、ａがキセノン２５％ーアルゴン５０％ーネオン２５％で、ｂがキセノン２１％ーアルゴン１６％ーネオン６３％の例である。ネオンを混合することで安定動作領域は高封入圧力にシフトし、効率も向上する。
【００２５】
これらの結果、キセノン混合比と発光効率の関係は、キセノン混合比を増やすに従い発光効率は増加するが、３０％以上でほぼ飽和する。また、キセノンの混合比が３８％までは封入圧力を１，７００Ｐａ以上の適当な値に選べば放電プラズマは放電空間８内全体に広がり全面均一な発光が得られる。しかし、キセノンの混合比を３８％より増やしたり、圧力を１，７００Ｐａより低くすると電流条件や放電電力によらず放電プラズマが収縮して全面発光しない。また、封入ガス組成を変えたり電力を大きくすることで封入ガス圧は高くできるが、１２，６００Ｐａを越えると動作電圧が２．５ｋＶ以上になり、通常の駆動回路では駆動できなくなることや、放電電流が増加して発光効率が大幅に低下するとともに回路の発熱や部品の電流容量等の問題が発生し実用化が難しくなる。
【００２６】
キセノン混合比が７％より少なくなるとキセノンの量が少なすぎて輝度が急激に減少し、実用的な明るさが得られなくなる。
【００２７】
従って、前記した実験結果から安定で均一な放電プラズマを得るために、封入するキセノン混合ガスのキセノン混合比は７％以上、３８％以下で、封入圧力は１，７００Ｐａ以上１２，６００Ｐａ以下が最適な範囲である。
【００２８】
図１０は上記した本発明の実施例による駆動方法を用いて、平板型の放電装置を駆動した場合の発光面の輝度均斉度を示した図である。駆動条件は、電圧１１００Ｖ、周期３５μｓ、パルス幅２．１μｓ、封入ガスはアルゴンーキセノン２８％を用いた。発光面の大きさは５インチで、輝度均斉度は、発光面を９分割して中心部の輝度を１００％とし、それぞれの領域における輝度を測定して求めた。この時の中心輝度は７，０００ｃｄ／ｍ^２であった。図から明らかなように８７％以上の優れた均斉度が得られている。
【００２９】
本発明の実施例による放電装置の駆動方法は、キセノンを含む希ガスを放電ガスに用いた場合、陽光柱の収縮現象を低減し、安定性良く、放電空間全体に均一な放電を発生させることが可能で、高輝度、高発光効率でかつ均斉度の優れた放電装置が得られる。また、水銀を用いない放電装置を使用できるため、放電装置の製造工程が簡略化できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よりも均斉度のよい放電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放電装置の一実施例を示す断面斜視図である。
【図２】本発明による電圧と電流の関係を示す特性図である。
【図３】電流波形を示す特性図である。
【図４】発光の状態を示す図である。
【図５】本発明による放電装置の駆動電圧波形の例を示す図である。
【図６】本発明による放電装置の駆駆動電圧波形の別の例を示す図である。
【図７】安定動作領域を示す特性図である。
【図８】封入ガス圧力と発光効率の関係を示す特性図である。
【図９】封入ガス圧力と発光効率の関係を示す特性図である。
【図１０】均斉度を示す特性図である。
【図１１】従来の駆動電圧波形である。
【符号の説明】
１…密閉容器、２…前面板、３…背面板、４…電極、５…電極、６…誘電体、７…蛍光体、８…放電空間。

Claims

一対の電極を有し、放電空間にキセノンとそれ以外の希ガスからなる放電用ガスが封入され、前記一対の電極間の発光面に放電プラズマが広がるよう前記一対の電極間に電圧を印加することと、放電プラズマが実質的に収縮しないように放電を停止させること又は放電プラズマが実質的に収縮する前に放電を停止させることとを繰り返す手段を有することを特徴とする放電装置。
一対の電極を有し、放電空間にキセノンとそれ以外の希ガスからなる放電用ガスが封入され、前記一対の電極に電圧を印加して放電プラズマを発生させることと、前記電圧印加開始時から放電電流が最大になるまでの所要時間をｔとした時に電圧印加開始時から時刻1.1ｔまでの期間内に前記電圧印加を停止するか又は印加電圧を下げることにより放電を停止させることとを繰り返す手段を有することを特徴とする放電装置。
一対の電極を有し、放電空間にキセノンとそれ以外の希ガスからなる放電用ガスが封入され、前記一対の電極に電圧を印加して放電プラズマを発生させることと、前記電圧印加開始時から放電電流が最大になるまでの所要時間をｔとした時に時刻0.9ｔ〜1.1ｔの期間内に前記電圧印加を停止するか又は印加電圧を下げることにより放電を停止させることとを繰り返す手段を有することを特徴とする放電装置。
前記電極の少なくとも一方にアース電位に対して０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_L1に、所定の周波数を有しピーク電圧がＶ_H1の正又は負の電圧が重畳された電圧を印加し、他方の前記電極にアース電位に対して０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_L2に、所定の周波数を有しピーク電圧がＶ_H2の正又は負の電圧が重畳された電圧を印加し、前記Ｖ_H1、Ｖ_H2はほぼ同じ値であって、｜Ｖ_L1｜および｜Ｖ_L2｜が｜Ｖ_H1｜および｜Ｖ_H2｜よりそれぞれ小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の放電装置。
前記一対の電極の少なくとも一方に対して、アース電位に対して０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_L3に一定の周波数を有しピーク電圧がＶ_H3の正又は負の電圧が重畳された電圧を印加し、他方の前記電極に対して、０Ｖ又は正又は負の直流電圧Ｖ_L4を印加し、前記電圧の関係を｜Ｖ_L3｜および｜Ｖ_L4｜が｜Ｖ_H3｜よりそれぞれ小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の放電装置。
前記一対の電極に印加する電圧は矩形若しくは略矩形の電圧パルスであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一に記載の放電装置。
前記一対の電極に印加する電圧は、互いに略半周期位相のずれた電圧パルスであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一に記載の放電装置。
前記一対の電極間に発生する放電プラズマの中には陽光柱が存在することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一に記載の放電装置。
前記放電用ガス中のキセノンの混合比が７％以上３８％以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一に記載の放電装置。
前記放電用ガスの封入圧力は１，７００Ｐａ以上１２，６００Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一に記載の放電装置。
透光性を有する前面板と背面板とを略平行に位置させて扁平状の放電空間を有する密閉容器を構成し、前記密閉容器の内面に蛍光体を塗布し、前記放電空間の互いに離間した辺に所定の長さに渡って前記一対の電極を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一に記載の放電装置。
前記一対の電極を前記前面板に形成したことを特徴とする請求項１１に記載の放電装置。
前記電極の表面を誘電体層で覆ったことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一に記載の放電装置。
放電容器には水銀が封入されていないことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一に記載の放電装置。
請求項１から請求項１４のいずれか一に記載の放電装置と、前記放電装置の発光面上に液晶表示素子が設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
請求項１から請求項１４のいずれか一に記載の放電装置と、前記放電装置の発光面上に液晶表示素子が設けられていることを特徴とする情報機器。