(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体バリア放電ランプと、この誘電体バリア放電ランプに高電圧を印加する給電装置よりなる誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、
前記給電装置は、昇圧トランスを介して前記バリア放電ランプに概略周期的な波形の高電圧を印加するとともに、
この印加される電圧波形は、一の誘電体バリア放電が終了して次の誘電体バリア放電のために電圧極性を変化させるにあたり、
まず急峻な立ち上がりを発生させて、この急峻な立ち上がりに続いて、第一極値点と第二極値点の差に対する第二極値点と第三極値点の差の比率が３０％以下の振動波形を発生させることを特徴とする誘電体バリア放電ランプ点灯装置。
【請求項２】
誘電体バリア放電ランプと、この誘電体バリア放電ランプに高電圧を印加する給電装置よりなる誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、
前記給電装置は、昇圧トランスを介して前記バリア放電ランプに概略周期的な波形の高電圧を印加するとともに、
この印加される電圧波形は、一の誘電体バリア放電が終了して次の誘電体バリア放電のために電圧極性を変化させるにあたり、
まず急峻な立ち上がりを発生させて、この急峻な立ち上がりに続く、第一極値点の後、振動波形は実質的に存在しないことを特徴とする誘電体バリア放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は誘電体バリア放電ランプの点灯装置に関する。特に、誘電体バリア放電を利用した蛍光ランプを光源とする画像読取装置に適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
この発明に関する誘電体バリア放電ランプについては、例えば、特開平２−７３５３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、誘電体バリア放電（別名オゾナイザ放電あるいは無声放電。電気学会発光改訂新版「放電ハンドブック」平成１年６月再販７刷発行第２６３頁参照）によってエキシマ分子を形成せしめ、このエキシマ分子から放射される光を取出す放射器が記載されている。
【０００３】
この誘電体バリア放電ランプは、従来の低圧水銀ランプや高圧アーク放電ランプにはない種々の特徴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、近年の光化学環境汚染問題への関心の高まりの中でこの紫外線による光化学反応は期待が大きい。
【０００４】
図１は誘電体バリア放電ランプの放電原理を説明するための概略構造を示している。
誘電体バリア放電ランプ２には、放電プラズマ空間３を挟んで電極（４，５）の間に、１枚または２枚の誘電体（６，７）が存在する。図では、ランプ封体８が誘電体（６，７）を兼ねている。
【０００５】
この誘電体バリア放電ランプ２を点灯させる際は、その両極の電極（４，５）に、例えば、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ、２ｋＶ〜１０ｋＶの高周波の交流電圧が給電装置１より給電線１１を介して印加される。ところが放電プラズマ空間３と電極（４，５）の間に介在する誘電体（６，７）のため、電極（４，５）から放電プラズマ空間３に直接に電流が流れるのではなく、誘電体（６，７）がコンデンサの働きをすることによって電流が流れる。すなわち、各誘電体（６，７）の放電プラズマ空間３側の面には、各電極（４，５）側の面と等量逆符号の電荷が誘電体の分極により誘起され、放電プラズマ空間３を挟んで対向する誘電体（６，７）の面の間で放電する。
【０００６】
誘電体（６，７）の放電プラズマ空間３側の面に沿っては電流があまり流れないため、放電が生じた部分では、誘電体（６，７）の放電プラズマ空間３側の面に誘起された電荷は、放電により移動した電荷により中和され、放電プラズマ空間３の電界が減少するため、電極（４，５）への電圧印加が継続されていても、放電電流はやがて停止してしまう。ただし、電極（４，５）への印加電圧がさらに上昇する場合は、放電電流は持続する。１度放電が生じた後、放電が停止した部分は、電極（４，５）に印加される電圧の極性が反転するまで、再放電しない。
【０００７】
例えば、キセノンガスを封入した誘電体バリア放電ランプの場合、キセノンガスは、放電によりイオンと電子に分離し、キセノンプラズマとなる。このプラズマ中で、特定のエネルギー準位に励起されたキセノンが結合し、エキシマ分子が形成される。キセノンエキシマは、ある寿命時間を経過すると解離してしまうが、このときに開放されるエネルギーが真空紫外波長の光子として放出される。誘電体バリア放電ランプが真空紫外光源として効率的に動作させるためには、このエキシマ分子形成を効率的に行うことがポイントとなる。
【０００８】
ここで、放電時に効率的なエキシマ分子形成を阻害する大きな要因は、放電プラズマをエキシマ分子形成に寄与しないエネルギー準位へ励起してしまうことである。
放電開始直後の放電プラズマの電子運動は集団的であり、エネルギーは高いが温度は低い状態にある。この状態では、放電プラズマは、エキシマ分子を形成するために必要な、共鳴状態に遷移する確率が高い。しかし放電時間が長くなると、プラズマの電子運動は次第に熱的、すなわちマックスウェル−ボルツマン分布と呼ばれる熱平衡状態になり、プラズマ温度が上昇し、エキシマ分子を形成できないような、より高い励起状態に遷移する確率が上昇してしまう。
【０００９】
さらに、エキシマ分子が形成された場合でも、寿命時間の経過を待って所期の光子を放出して自然に解離する前に、後続の放電により、エキシマ分子が破壊される場合もある。実際、キセノンエキシマの例では、放電開始から真空紫外波長の光子放出まで、１μｓ程度の期間を要し、この期間内の後続の放電や再放電は、エキシマ発光の効率を低下させる。
【００１０】
すなわち、一度誘電体バリア放電が開始したならば、後続する放電のエネルギーはできるだけ小さくすることが最も重要であることがわかる。そして、誘電体バリア放電ランプに印加する電圧は、正弦波的形状の電圧ではなく、急峻な変化する有する電圧が適していることを意味している。
【００１１】
このような考えから誘電体バリア放電ランプの発光効率を改善するために、擬矩形波的な電圧波形を印加する技術が、例えば、特開平１１−３１７２０３号に紹介されている。この公開公報には、急峻な立ち上がりを有する電圧を印加するとともに、その後の振動波形を抑えるために振動波形が生じている時間を短縮することが開示されている。
この技術は、前述の一度、誘電体バリア放電が開始したならば、後続する放電のエネルギーはできるだけ小さくすることが重要であるという要件を満たすものであり、発光効率という点で優れた効果を奏するものである。
【００１２】
しかしながら、上記誘電体バリア放電ランプは、発光効率という意味において優れた構成を提供するものではあるが、使用時間の経過とともに放射照度が低下してしまうという問題が発生した。
特に、この誘電体バリア放電ランプを画像読取装置の光源である蛍光ランプとして利用する場合、時間経過とともに放射照度が低下すると、画像読取素子であるＣＣＤセンサに感度低下をもたらすことになり、良好な画像の認識ができないという致命的な問題を発生させてしまう。
また、画像読取装置用の光源に限らなくても、使用時間の経過とともに放射照度が低下するという現象は好ましいものではない。
このため、従来までの発光効率の向上という技術課題以外に、放射照度の維持、すなわち放射照度の低下防止という新たな課題を解決することが強く求められている。
なお、誘電体バリア放電ランプを上記画像読取装置の光源として利用する技術については、本出願人の先の出願である特願２０００−３８８４８６号を参照されたい。
【００１３】
【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、誘電体バリア放電ランプ点灯装置において、発光効率の維持のみならず、使用時間の経過に伴う放射照度の低下を良好に防止することである。
【００１４】
上記課題を解決するために、この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置は、誘電体バリア放電ランプと、この誘電体バリア放電ランプに高電圧を印加するための給電装置よりなる。そして、この給電装置は、昇圧トランスを介して前記バリア放電ランプに概略周期的な波形の高電圧を印加するとともに、この印加される電圧波形は、一の誘電体バリア放電が終了して次の誘電体バリア放電のために電圧極性を変化させるにあたり、まず急峻な立ち上がりを発生させて、この急峻な立ち上がりに続いて第一極値点と第二極値点の差に対する第二極値点と第三極値点の差の比率が３０％以下の振動波形を発生させることを特徴とする。また、請求項２の発明は、急峻な立ち上がりを発生させて、この急峻な立ち上がりに続く、第一極値点の後、振動波形は実質的に存在しないことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明者らは、上記課題に対して鋭意検討した結果、使用時間の経過とともに誘電体バリア放電ランプ（以下、「放電ランプ」ともいう）の放射照度が低下する理由は、放電用ガスが温度上昇することにあると考えた。この温度上昇は連続して周期的な電圧が印加されることにより積み重なって生じるものであり、この温度上昇によって、放電容器内で効率的なエキシマ分子の形成が行われていないことが原因として考えられた。
また、この温度上昇は、放電ランプに対して急峻な立ち上がり波形の電圧を印加した後に発生する振動電圧波形が原因しており、上記特開平１１−３１７２０３号に開示されている振動波形の時間規定だけでは不十分であって、振動そのものの大きさ（すなわち、「振幅」）を規定する必要があるとした。
具体的には、誘電体バリア放電を発生させるために急峻な立ち上がり電圧波形を印加した後に生ずる振動電圧波形において、その振幅を可能な限り小さくすること、好ましくは振動波形を発生させないことが放射照度の低下防止に効果的である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置について説明するが、まず、点灯装置全体の構成を説明する。
図２は誘電体バリア放電ランプ点灯装置を示すもので、給電装置１と誘電体バリア放電ランプ２から構成される。図は給電装置１のうちインバータ回路、この実施例ではハーフブリッジ方式と呼ばれるものを利用した簡略化された回路図を示す。
ＤＣ電圧源１２の電力が交流に変換されてコンデンサ（１８，１９）、ＦＥＴ等によるスイッチ素子（１４，１５）を介して、昇圧トランス１０の１次側に印加される。昇圧トランス１０はこれを交流の高電圧に変換し、これは誘電体バリア放電ランプ２に印加される。インバータ回路の各スイッチ素子（１４，１５）には、インバータゲート駆動回路（１６，１７）が接続され、ゲート信号（Ｇｕ、ＧＬ）にしたがって、各スイッチ素子（１４，１５）のオンまたはオフが制御される。
【００１７】
図３に、ゲート信号（Ｇｕ、ＧＬ）とランプ印加電圧波形Ｖｓ（ｔ）の概略関係図を示す。
ゲート信号（Ｇｕ、ＧＬ）がローレベルであるときは、それが接続されているスイッチ素子（１４，１５）がオフになり、ゲート信号（Ｇｕ、ＧＬ）がハイレベルであるときは、それが接続されているスイッチ素子（１４，１５）がオンになる。
このようにして１回の誘電体バリア放電ランプは、スイッチ素子のオンオフ動作により、急峻な立ち上がりＢ１とそれに続く振動波形Ｂ２を有する概略周期的な波形となる。
【００１８】
ここで、本発明の点灯装置において最も好ましい電圧波形は、急峻な立ち上がりＢ１の後に振動波形Ｂ２を有さないことであり、給電装置１によってそのような電圧波形になるべく放電ランプを制御することにある。
【００１９】
この点について図４の回路モデルを使って説明する。
誘電体バリア放電ランプは、前記のように、放電用ガスを抵抗、誘電体をコンデンサとしてみなすことができるので、図に示すように抵抗とコンデンサの直列接続と考えることができる。これがトランスの２次側に表現できるとともに、１次側にステップ的電圧を印加する場合をモデル化している。
まず、トランスＴの一次巻線に対する２次巻線の巻数比率Ｎ（ｎp／ｎs），直流電圧源Ｅ、負荷抵抗Ｒ、負荷コンデンサの静電容量Ｃ、一次側のインダクタンスＬp、二次側のインダクタンスＬs、相互インダクタンスＬＭ、トランスＴの一次二次間の結合係数ｋ、漏洩インダクタンスＦとするとき、
ＬＭ２＝ｋ２ＬpＬsという関係式が導かれる。
これに漏洩インダクタンスＦを考慮すると、
Ｆ＝（ＬＰＬＳ−ＬＭ２）／ＬＰ  または  Ｆ＝（１−ｋ２）ＬＳが導ける。さらに、時刻ｔ＝０で一次側のスイッチＳＷを閉じる場合の回路の応答を解析すると、普通は二次側電流ｉＳ（ｔ）は、数１に示す振動解となる。
【００２０】
【数１】
0004293409.tif 000002
【００２１】
そして、この数１におけるｓｉｎの部分の根号内が、０より小さい場合に振動波形はなくなり、０より大きい場合に振動波形が形成されることになる。
そして、このことは通常、数２の条件として表すことができる。
【００２２】
【数２】
0004293409.tif 000003
【００２３】
このように、トランスＴの２次側に生じる電圧波形の現象を解析すると、抵抗、コンデンサの静電容量、トランスの漏洩インダクタンスの値を適当に組合せることにより、振動波形（リンギング）が存在しないように設定することができる。
なお、数１は電流波形の振動に関して説明したが、電流波形の振動の有無と電圧波形の振動の有無は対応する。
【００２４】
図５に、上記のような回路パラメータを工夫することで生成できる電圧波形のうち、最も好ましい形態である振動波形を有さないものを示す。この波形は、数２に示す関係を満足することで達成できるものであるが、実際には誘電体バリア放電ランプの誘電体と電極が形成する静電容量、ランプの放電ガスの組成や圧力、昇圧トランスの構造を適当に組み合せることであり、より具体的には放電プラズマの抵抗を大きくするか、あるいはトランスの二次側から見た漏洩インダクタンスを小さくすることにより達成できる。
【００２５】
次に、上記解析を立証するための実験について説明する。
図２に示した回路構成において、昇圧トランス１０の巻線と放電ランプ２の封入ガス圧を変化させることにより放電ランプ２の電圧波形、特に、急峻な立ち上がり後の振動波形の状態を観察した。
使用した放電ランプ２は、封入ガスとしてキセノンを使い、その封入量は１９．３ｋＰａとした。昇圧トランス１０は一次巻線が２４ターンとして、二次巻線は２４０ターン、２８８ターン、３８１ターン、４２０ターンの４つの場合について実験をおこなった。
図６は、上記４つの各々の電圧波形を示す。すなわち、（ａ）は二次側巻線が２４０ターン、（ｂ）は二次側巻線が２８８ターン、（ｃ）は二次側巻線が３８１ターン、（ｄ）は二次側巻線が４２０ターンの場合についての電圧波形を表している。また、図は縦軸が電圧値、横軸が時間を示し、縦軸は５００Ｖ／ｄｉｖ，横軸は５μｓｅｃ／ｄｉｖとしている。
【００２６】
ここで、振動の大きさの定義について説明すると、図７に示すように、急峻な立ち上がり（オーバシュート）Ｂ１に続く電圧振動波形において、第一極値点（Ｘ１）、第二極値点（Ｘ２）、第三極値点（Ｘ３）…と変化しながら振動は減衰する。このとき、第一極値点（Ｘ１）と第二極値点（Ｘ２）の差（ａ）に対する第二極値点（Ｘ２）と第三極値点（Ｘ３）の差（ｂ）との比率（ｂ／ａ：以後、この比率を便宜上「リンギング率」という）を振動の大きさとして取り上げる。
なお、第一極値点（Ｘ１）、第三極値点（Ｘ３）は極大点、第二極値点（Ｘ２）は極小点であるが、図３に示すように放電ランプ２への印加電圧の極性が反転したときの電圧波形では、当然のことながら、第一極値点（Ｘ１）、第三極値点（Ｘ３）が極小点、第二極値点（Ｘ２）が極大点となる。
【００２７】
図６に示す実験結果に戻り、電圧波形におけるリンギング率は（ａ）は１１．９％、（ｂ）は２８．８％、（ｃ）は４６．６％、（ｄ）は５５．３％が測定された。
すなわち、二次側巻線の巻数を変化させるにしたがい、（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）と示すようにリンギング率が大きくなっていることがわかる。
そして、この実験から、昇圧トランスの二次側インダクタンスを変化させることが、放電ランプの電圧波形に大きな影響を及ぼし、具体的には、インダクタンスが小さいほど振動波形が減少していることが示される。
【００２８】
次に、昇圧トランスの一次側巻線２４ターン、二次側巻線２８８ターンとして、放電ランプの封入ガスとしてキセノンガスを２１．３ｋＰａ封入させた。つまり、前記実験の（ｂ）と同じトランス（巻線数が同じ）であって、封入ガスの圧力を増加させた一例を示している。
図８にこの放電ランプと電圧波形を示すが、この場合のリンギング率はほぼ０％であって、振動波形はほとんどなくなっていることがわかる。
つまり、同じトランス仕様であっても、放電ランプの封入ガスの圧力を変化させることで、振動波形に影響を及ぼすことが示される。
【００２９】
次に、リンギング率と放射照度の時間的減衰について説明する。
上記実験で求めたリンギング率を有する各放電ランプの放射照度の低下率を測定した。放射照度はランプ点灯５分後の照度が点灯開示時の照度に比べて減衰した比率を表している。
図９（ａ）はキセノンガスを１９．３ｋＰａ封入したもの、（ｂ）はキセノンガスを２１．３ｋＰａ封入した場合の実験結果を表すが、リンギング率が小さいほど照度低下率が小さいことが示される。特に、リンギング率が３０％以下になると照度低下率は５％以下になることが示される。
【００３０】
このように、誘電体バリア放電ランプにおいて、急峻な立ち上がりの後、振動波形（リンギング）の発生を防止あるいは限りなく小さくすることで、ランプの発熱の原因となる余計な正弦波的交流電力の印加を防止することができる。したがって、ランプ発熱に伴うエキシマ発光効率の低下を良好に防止できる。
また、この実験例では振動波形の大小による放射照度への影響を説明したが、前記式３の条件を満たすことで振動波形を完全になくすることができ、これが振動波形による熱の発生が全く生じないという意味において最も好ましい実施形態であるといえる。
【００３１】
次に、振動波形を発生させない別の方法について説明する。
図７に示す電圧波形を使って説明すると、電圧波形が第一極値点（Ｘ１）を迎えた後、電圧が下がり始めて第ニ極値点（Ｘ２）に到達して、再度、上昇に転ずる瞬間においてスイッチング素子をオフすることで実質的に振動波形が生じない駆動が実現できる。
図１０にこのような駆動を行った場合の電圧波形を示す。
なお、スイッチング素子をオフするタイミングについては、第二極値点（Ｘ２）の瞬間に限るものではなく、第一極値点（Ｘ１）の到達後で第二極値点（Ｘ２）に到達する前の期間でもかまわない。さらには、第二極値点（Ｘ２）を経過した後であってもランプの温度上昇に影響を与えない程度であれば、スイッチング素子をオフするタイミングを設定することは可能である。
【００３２】
このように、本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置においては、給電装置が昇圧トランスを介してバリア放電ランプに概略周期的な波形の高電圧を印加するものであって、この印加される電圧波形は、一の誘電体バリア放電が終了して次の誘電体バリア放電のために電圧極性が変化させるにあたり、以下の変化をさせることを特徴としている。
第一に、急峻な立ち上がりを発生させて、その後、第一極値点と第二極値点の差に対する第二極値点と第三極値点の差の比率が３０％以下の振動波形になるようにしている。これは、図８に示す電圧波形においてリンギング率（ｂ／ａ）を３０％以下とするものである。
第二に、急峻な立ち上がりを発生させて第一の極値点（極大点）に達した後、振動波形（リンギング）を生じることなく減衰曲線を描くようにしている。これは、図５に示す電圧波形を意味している。
第三に、急峻な立ち上がりを発生させて第一の極値点（極大点）に達した後、第二極値点に到達する前後における実質的にランプに温度上昇を与えない範囲において、スイッチング素子をオフすることで振動波形（リンギング）の発生を防止するものである。これは、図１０に示す電圧波形を意味している。同図の縦軸は電圧値を示す。
【００３３】
なお、上記実施例においては、ハーフブリッジ型スイッチング回路と使う場合について説明をしたが、フルブリッジ型回路やプッシュプル型回路を使うことも可能である。
【００３４】
また、本発明は一般的な形態の誘電体バリア放電ランプについて説明をしたが、放電容器内面に蛍光体を塗布した形態の蛍光ランプについても適用できることはいうまでもない。
この場合、放電容器の内面に蛍光体を塗布する可視光放射型のランプにおいては、ランプの温度上昇に起因して蛍光体の可視光変換効率が低下して可視光出力も低下するが、本発明のように振動波形を抑えることでこのような問題も併せて良好に解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘電体バリア放電ランプの概念を説明する図を示す。
【図２】本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置を示す。
【図３】本発明の誘電体バリア放電ランプの電圧波形を示す。
【図４】本発明を説明するためのモデル図を示す。
【図５】本発明の誘電体バリア放電ランプの電圧波形の第一の形態を示す。
【図６】本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の振動波形に関する実験結果を示す。
【図７】本発明の誘電体バリア放電ランプの電圧波形の第ニの形態、及び、振動波形の説明図を示す。
【図８】本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の振動波形に関する実験結果を示す。
【図９】本発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置の照度低下率に関する実験結果を示す。
【図１０】本発明の誘電体バリア放電ランプの電圧波形の第三の形態を示す。
【符号の説明】
１  給電装置
２  誘電体バリア放電ランプ
３  放電プラズマ空間
４、５  電極
６，７  誘電体
【図１】
0004293409.tif 000004
【図２】
0004293409.tif 000005
【図３】
0004293409.tif 000006
【図４】
0004293409.tif 000007
【図５】
0004293409.tif 000008
【図６】
0004293409.tif 000009
【図７】
0004293409.tif 000010
【図８】
0004293409.tif 000011
【図９】
0004293409.tif 000012
【図１０】
0004293409.tif 000013