(57)【要約】【課題】放電開始時と放電終了時において、ともに共振周波数に対応させた駆動周波数でスイッチング制御することができるエキシマランプの発光装置を提案することである。【解決手段】誘電体を介在させた放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された誘電体を介在させた放電ランプと、この誘電体を介在させた放電ランプに交流の高電圧を印加する給電装置からなり、前記給電装置は、一次巻線と二次巻線からなるトランスと、この一次巻線に接続されたスイッチングインバータ部と、前記トランスの二次巻線に接続された共振用コイルと共振用コンデンサと可飽和リアクトルを有し、前記可飽和リアクトルは、前記誘電体を介在させた放電ランプの放電開始時においては共振現象を生じるためのインダクタンス成分を有するとともに、放電終了時においては飽和状態となることを特徴とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を介在させた放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填されたエキシマランプと、このエキシマランプに交流の高電圧を印加する給電装置からなる発光装置において、
前記給電装置は、一次巻線と二次巻線からなるトランスと、この一次巻線に接続されたスイッチングインバータ部と、前記トランスの二次巻線に接続された共振用コイルと共振用コンデンサと可飽和リアクトルを有し、
前記可飽和リアクトルは、前記誘電体を介在させた放電ランプの放電開始時においては共振現象を生じるためのインダクタンス成分を有するとともに、放電終了時においては飽和状態となることを特徴とするエキシマランプを使った発光装置。
【請求項２】
前記可飽和リアクトルは、前記エキシマランプの点灯状態を検知する手段と、この検知手段から可飽和状態への切換手段によって制御される他励式である請求項２のエキシマランプを使った発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、光化学反応用の紫外線光源として使用される放電ランプの一種で、誘電体を介在させた放電によってエキシマ分子を形成し、前記エキシマ分子から放射される光を利用するいわゆるエキシマランプを含む光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマランプについては、例えば、特開平２ー７３５３号があり、そこには、放電容器にエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填し、誘電体を介在させた放電（別名オゾナイザ放電あるいは無声放電。電気学会発行改定新版「放電ハンドブック」平成１年６月再販７刷発行第２６３ページ参照）によってエキシマ分子を形成せしめ、該エキシマ分子から放射される光を取り出す放射器が記載されている。
【０００３】
また、エキシマランプを含む光源装置については、例えば、特開平４ー２３０９５１号があり、そこには、高電圧トランスを使用せずに、いわゆるＬＣ共振によって高電圧を発生する構成について述べられている。
【０００４】
上記のようなエキシマランプおよびこれを含む光源装置は、従来の低圧水銀放電ランプや高圧アーク放電ランプには無い種々の特長を有しているため応用の可能性が多岐にわたっている。とりわけ、近来の環境汚染問題への関心の高まりのなかで、紫外線による光化学反応を応用した無公害の材料処理は、その最も重要な応用のひとつであり、従って、エキシマランプを使った光源装置に対する高出力化、高効率化、高安定化、および複数ランプの並列点灯による大規模化の能力に対する要求には非常に強いものがある。しかし、従来の技術においては、これらの要求に十分応えることができなかった。
【０００５】
図３を用いてエキシマランプを点灯する発光装置にについて説明する。
エキシマランプ１０は、放電空間１１を囲む放電容器１２とその外面に電極１３ａ、１３ｂから構成される。このエキシマランプ１０は、直流電源部２０、スイッチングインバータ２１、トランス２３、コイル２４、コンデンサ２５を介して接続される。
エキシマランプ１０は、一方の電極１３ａから放電プラズマを経て他方の電極１３ｂに達する放電路の間に、放電容器１２を形成する誘電体すなわち絶縁体が介在する。この誘電体がコンデンサの働きをすることによって電流が流れることになる。
放電中の放電プラズマを近似的に純抵抗と見なせば、エキシマランプは、コンデンサと抵抗とを直列に接続したものと等価であると言え、力率が悪いという欠点がある。
【０００６】
一般的に、このような容量性負荷に電力を供給する場合、力率を改善する方法として、負荷に直列にコイルを挿入してＬＣ共振回路を構成する方法が知られている。
さらに、共振現象による電圧の増大作用によって、給電装置の内部電源電圧を下げることもでき、共振用コンデンサを負荷に並列に接続することで共振をより強化することもできる。
【０００７】
しかし、このような共振現象を利用した回路によって、所望の動作を得るには、負荷容量と共振用コンデンサの容量、コイルのインダクタンス、負荷抵抗の値により計算される共振周波数に対して、正確に一致した周波数で、回路を駆動しなければならない。この条件が満足された場合のみ、理論的な力率が１００％となる回路駆動が可能となる。
【０００８】
ところが、エキシマランプの場合は、放電が開始される前の状態における放電路の抵抗は、ほとんど無限大であるが、印加電圧を上げて放電を開始させると、放電路の抵抗は瞬間的に有限の値となり、さらに印加電圧の上昇にともない小さくなってゆく。
すなわち、エキシマランプの静電容量が、最初、非常に小さい値であったものが、放電開始時点で不連続的に大きくなり、印加電圧の上昇とともにさらに大きくなってゆくことになる。
このことは、エキシマランプの放電状態によって、回路の共振周波数が不連続的または連続的に低下してしまうことを意味しており、前述のようなＬＣ共振回路において効果的な共振周波数での駆動と高い力率を得ることが困難になってしまう。
【０００９】
上記内容は、エキシマランプに対して、１パルスの交流電圧を供給した場合の放電開始前と放電開始後の放電路抵抗の違いに基づき最適共振周波数の変化を問題とするものである。
しかし、エキシマランプを長時間、例えば１５時間点灯させた場合に、ランプ内のガス圧力やガス温度などのランプ特性が変化することによっても同様の問題を生じる。この場合は、エキシマランプの点灯経過時間によって最適共振周波数が異なることを意味している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、放電開始時と放電終了時において、ともに共振周波数に対応させた駆動周波数でスイッチング制御することができるエキシマランプの発光装置を提案することである。また、点灯開始時と長時間点灯後もともに共振周波数に対応させた駆動周波数でスイッチング制御することができるエキシマランプの発光装置を提案することである
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明のエキシマランプを使った発光装置は、誘電体を介在させた放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された誘電体を介在させた放電ランプと、この誘電体を介在させた放電ランプに交流の高電圧を印加する給電装置からなり、前記給電装置は、一次巻線と二次巻線からなるトランスと、この一次巻線に接続されたスイッチングインバータ部と、前記トランスの二次巻線に接続された共振用コイルと共振用コンデンサと可飽和リアクトルを有し、前記可飽和リアクトルは、前記誘電体を介在させた放電ランプの放電開始時においては共振現象を生じるためのインダクタンス成分を有するとともに、放電終了時においては飽和状態となることを特徴とする。
さらには、点灯時間に経過によるランプ特性に変化に応じて、最適共振周波数にするため、可飽和リアクトルを他励式に制御するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の発光装置の実施例を示すものである。
エキシマランプ１０は、前記のように直流電源部２０、インバータ部２１、トランス２３、共振用コイル２４、共振用コンデンサ２５、さらに可飽和インダクタンス２６を介して接続される。
直流電源部２０は、商用電力ラインを直流電源に変換するこのであって、例えば、ダイオードによる整流回路、サイリスターによる導通角制御による回路、昇圧、降圧チョッパー回路等により構成される。
インバータ部２１は、直流電源部２０からの電流を正逆に切り替えて流すためのスイッチングインバータであり、例えば、４個の電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）を使用した、いわゆるフルブリッジ回路が採用される。そして、このインバータ部２１からパルス電圧が出力される。
昇圧トランス２３は、１次巻線２３ａ、２次巻線２３ｂ、さらに３次巻線２３ｃより構成され、２次巻線２３ｂには、直列共振用コイル２４、可飽和インダクタンス２６、共振用コンデンサ２５、エキシマランプ１０によりＬＣ共振回路が接続される。
【００１３】
昇圧トランス２３の３次巻線２３ｃでは、エキシマランプ１０のランプ電圧が検出されて、波形整形器３０を介して位相比較回路３１に送信される。また、昇圧トランス２３の一次巻線２３ａに接続されたカレントトランス２７では、エキシマランプ１０のランプ電流が検出され、同様に位相比較回路３１に送信される。この位相比較回路３１は、例えば、ＰＬＬからなり、電圧位相と電流位相の差を検出することができる。この位相差は正負のパルス信号として取り出される。
【００１４】
この位相差パルス信号は、ローパスフィルター３２に入力されて平滑され、さらに、ローパスフィルター３２の出力信号は、その大小に対応して発振周波数の高低が変化する周波数可変発振器３３に入力される。そして、周波数可変発振器３３の出力信号は、スイッチング素子駆動回路３４に入力される。そして、スイッチング駆動回路３４により、スイッチングインバータ部２１内に存在するスイッチング素子が交互動作する。
【００１５】
このような制御機構により、エキシマランプへの電圧位相と電流位相との位相差がゼロになるよう制御され、常に特定の共振周波数をエキシマランプ１０に供給することができる。しかしながら、前記のように、エキシマランプの最適周波数は、放電開始前後によって変化する。そして、可飽和インダクタンス２６は、この最適周波数の変化による影響を解消するために機能する。
【００１６】
可飽和インダクタンス２６は、昇圧トランス２３の２次巻線２３ｂに直列に接続されている。そして、エキシマランプ１０の放電期間に発生する容量分の増加を吸収するように飽和することができ、この飽和によって、ＬＣ共振回路の共振周波数は自動的（自励式）に変化することができる。
【００１７】
可飽和インダクタンス２６について、具体例を説明すると、可飽和インダクタンスは通常のインダクタンスと直列に接続され、インダクタンスの割合が、例えば１０：１になる様に調整される。そして、外部に対する漏洩磁束を極力少なくするために、リング状の鉄心に直接巻くトロイダル巻き線を採用される。
【００１８】
コア材としては、例えば、酸化鉄と二価金属化合物が合成されたフェライト磁性材（Ｍｎ−Ｚｎ）を使用し、又ヒステリシス損を抑えるために保磁力（Ｈｃ）のある程度小さくかつ磁気飽和を制御に適した角型磁化曲線のものを使用した。これにより、エキシマランプの放電開始電圧に到達する直前に可飽和リアクトルが飽和する様に、断面積が０．８ｃｍ２、比磁気特性値（ＡＬ値）が６０００ｎＨであるリング状鉄心を５個並列使用した。
【００１９】
ここで、図１に示す回路に対して、数値例を示すと、共振周波数は１００ｋＨｚ、直列共振用コイル２４のインダクタンスは４．２ｍＨ、共振用コンデンサー２５のキャパシタンスは６００ｐＦ、可飽和インダクタンス２６のインダクタンスは４２ｍＨである。
エキシマランプ１０は、厚さ１ｍｍの石英ガラス製放電容器であって、放電ギャップ４ｍｍであり、放電空間には、キセノンガスが約４００００Ｐａの圧力で満たされた、断面積２００平方センチ、点灯時の静電容量が２００ｐＦのエキシマランプ１０を３本並列点灯させるものである。
このような回路構成とエキシマランプによって、前記した可飽和インダクタンス２６の特性により、共振周波数を誘電体を介する放電の前後で変動させることができ、かつ、トランスの発熱を抑制することが可能となった。
【００２０】
図２は本発明の第２実施例を示す。すなわち、エキシマランプの長時間点灯に基づく最適共振周波数の変化を問題とするものである。図１と同一番号は同一部分を示し、昇圧トランス２３の２次巻線に発生する電圧位相と電流位相の差を検出して、周波数可変発振器３３、スイッチング素子駆動回路３４を介して制御する点も同じである。
【００２１】
この実施例では、昇圧トランス２３の２次巻線２３ｂに直列に接続されている可飽和インダクタンス２６の磁束を制御する手段を有しており、この手段によって、積極的に負荷特性、例えばＱ値・共振周波数を制御することができる。すなわち、エキシマランプに供給する１パルスの交流電圧における最適共振周波数の変化については、上記のように、可飽和インダクタン２６を配置させることで、自身の性能によって自励的に変化させることができる。そして、可飽和インダクタンス２６の磁束を制御する手段を用いることでエキシマランプの経時変化に対応させたインダクタンスの性能に微調整ができるものである。
【００２２】
ランプ電流検出回路４０は、エキシマランプ１０に流れる電流を電圧に変換しランプ電流と同相信号を取得するものであって、カレントトランス、もしくはシャント抵抗により構成される。
ランプ電圧検出回路４１は、エキシマランプのランプ電圧を測定するものであるが、具体的には、直列共振用コイル２４の両端に発生する電位の電位検出回路４２、可飽和インダクタンスの両端に発生する電位の可飽和インダクタンス電位検出回路４３、昇圧トランス２３の２次電圧を検出する波形整形器３０からの信号を合算させて検出、測定する。
【００２３】
放電ランプ演算回路４４は、ランプ電圧検出回路４１とランプ電流検出回路４０により取得した信号を掛け算器により皮相電力を算出する回路である。インダクタンス制御回路４３´は、前記取得した、放電ランプ演算回路４４により出力される信号により可飽和インダクタンス２６の磁束量を制御する増幅器から構成される。
【００２４】
このように可飽和インダクタンス２６を制御することで、エキシマランプ１０の特性変動を抑制させるよう動作させる。電力検出回路４５は、前記放電ランプ演算回路４４の出力信号を積分することにより、瞬時に実効電力を出力する回路で、前記周波数可変発振器３３のパルス発生時のオフタイムの長さを制御して定電力動作を実現する。また、平均電力の制御精度を向上するために、直流電源部２０の出力電圧を制御する、直流電圧制御回路４６を付加させた。
【００２５】
以上のように、可飽和インダクタンス２６を積極的に制御することにより、エキシマランプ１０の負荷変動による、昇圧トランス磁束の歪による発熱、直列共振のＱ値の減少によるエキシマランプ１０の立ち消え等の異常放電を抑制する効果、ならびにエキシマランプ１０の電流のスルーレートを上昇させる事も可能であるので、発光効率の増加も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエキシマランプ発光装置を示す。
【図２】本発明のエキシマランプ発光装置を示す。
【図３】従来のエキシマランプ発光装置を示す。
【符号の説明】
１０　エキシマランプ
１１　放電空間
１２　放電容器
２０　直流電源部
２１　スイッチングインバータ
２３　トランス
２４　コイル
２５　コンデンサ
【図１】
2004031058.tif 000003
【図２】
2004031058.tif 000004
【図３】
2004031058.tif 000005