JP5010455B2 - 誘電体バリア放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

この発明は、ドライ洗浄用等として使用される誘電体バリア放電ランプを点灯させる誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する。

従来、液晶基板等のドライ洗浄用として使用される誘電体バリア放電ランプは、石英ガラス管内にエキシマ生成ガスが封入されたエキシマランプに、高周波電圧を印加して石英ガラス管内を放電させ、エキシマ生成ガスをエキシマ状態にして、波長１７２ｎｍの単波長の発光を照射させることで、大気中の酸素が分解して活性酸素を生成し、結合が切断された有機化合物が活性酸素と反応して、炭酸ガスや水等を生成させ、有機化合物の除去を可能としている。（例えば、特許文献１）
特開２００５−２０９３９７公報

上記した特許文献１の技術における誘電体バリア放電ランプは、高電圧で、かつ高周波で点灯させる必要がある。異なる仕様の誘電体バリア放電ランプに変えても誘電体バリア放電ランプを最適な発光効率とするにはインバータのトランスの仕様を変える必要がある。これを満足するためには、異なる仕様の誘電体バリア放電ランプに変える度に、インバータとともに、直流電源を最適なものに設計し直す必要があった。したがって、ランプ仕様ごとに個別電源を用意するような従来技術の方法では、リードタイムが長くなりタイムリーな市場要求に応えることができない、また、納入後のメンテナンス管理を困難とし、結果的にコストアップにつながる、という問題があった。

この発明の目的は、異なる仕様の誘電体バリア放電ランプに変えた場合にも直流電源を新たに設計し直すことなく最適な発光効率を得ることのできる誘電体バリア放電ランプ点灯装置を提供することにある。

上記した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、紫外線透過性の細長い管状をなす気密容器内の管軸方向に内部電極を配置し、前記気密容器外に半円周形状の外部電極を密着させて配置し、前記気密容器内にエキシマ生成ガスを封入させた誘電体バリア放電ランプと、商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換し出力するコンバータと、前記コンバータから供給される直流電圧に基づき高周波を生成し、該高周波により前記誘電体バリア放電ランプに誘電体バリア放電を誘起させて紫外線を放射するインバータと、を具備し、前記コンバータは、少なくとも２つの直流電源の出力を直列接続して構成したことを特徴とする。

この発明によれば、異なる仕様の誘電体バリア放電ランプに変更した場合にも、変更したランプに対応するインバータの入力仕様に応じ、直流電源の数を加減することで、新たに設計し直すことなく最適な発光効率を得ることのできる点灯装置の実現が可能となる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第１の実施形態について説明するための概念的な構成図である。
図１において、商用電源１１から供給される交流電圧を、駆動用のスイッチＳＷ、コンバータ１２を介して直流電圧に変換する。コンバータ１２から供給される直流電圧に基づいてインバータ１３で高周波を生成する。

コンバータ１２は、電源１１の交流電圧を直流電圧に変換する２つの直流電源１２１，１２２から構成する。直流電源１２１，１２２の出力は互いを直列に接続し、コンバータ１２からは、直流電源１２１，１２２のそれぞれの直流電圧が足し合わされたものを出力直流電圧としてインバータ１３に供給している。

１４は誘電体バリア放電ランプである。この誘電体バリア放電ランプ１４は、紫外線透過性を有する例えば石英ガラス製の細長い管状の気密容器１４１内に、エキシマ生成ガスであるキセノンが封入されている。さらに、気密容器１４１内部の管軸方向の全域に内部電極１４２を配置し、気密容器１４１外部の半円周形状に密着する外部電極１４３を配置している。

誘電体バリア放電ランプ１４は、インバータ１３で生成される高周波に基づき誘電体バリア放電を誘起させることで、紫外線を放射させることができる。

図２は、誘電体バリア放電ランプを点灯させる点灯装置の具体例について説明するための回路図であり、図３は図２の動作について説明するための説明図である。
図２において、電源１１の交流電圧は、直流電源１２１，１２２それぞれのトランスＴ１の１次コイルＬａに供給する。トランスＴ１の２次コイルＬｂから取り出される巻線比に応じた交流電圧を生成する。それぞれのトランスＴ１の２次コイルに導出された交流電圧は、整流用のダイオードＤ１、コンデンサＣ１で平滑されて直流電圧に変換される。直流電源１２１，１２２から出力される直流電圧は、加算されてコンバータ１２の出力としてインバータ１３の駆動用電源として供給する。

直流電源１２１，１２２のコンデンサＣ１の出力には図示極性の逆流防止用のダイオードＤ２を接続している。これは、直列接続された直流電源１２１，１２２の立ち上がりの時間差による逆流が発生することの不具合を防止するものである。

インバータ１３は、例えば自励共振型のプッシュプル回路であり、トランジスタＱ２，Ｑ３、定電流用インダクタＬ、始動抵抗Ｒ１，Ｒ２、トランスＴ２、コンデンサＣ２等で構成される。

コンバータ１２から直流電圧が供給されると、回路定数、トランジスタＱ２，Ｑ３のｈｆｅ（電流増幅率）のバラツキでトランジスタＱ２，Ｑ３の何れかが先に導通する。トランジスタＱ２が先に導通したとすると、トランスＴ２の中間タップａを有する１次巻線ＮＰ１，ＮＰ２には図中ドット印がある側がマイナスになる電圧を発生する。ベース巻線Ｎｂには１次巻線ＮＰ１，ＮＰ２とＮｂの巻線比に等しい電圧を誘起する。

この電圧により、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間は順バイアスされ急速に飽和領域に達する。トランジスタＱ３のベース・エミッタ間は逆バイアスされ遮断状態なる。このときの電流は、１次巻線ＮＰ１とＮＰ２の中間タップａから１次巻線ＮＰ１、トランジスタＱ２のコレクタ、接地（−）へと流れる。中間タップａは正、１次巻線ＮＰ１の端部ｂは負となり、入力電圧が印加される。

一方、中間タップａと１次巻線ＮＰ２の端部ｃ間には、１次巻線ＮＰ１と同じ電圧が誘起され、トランスＴ２は１次巻線ＮＰ２の端部ｃが正、１次巻線ＮＰ１の端部ｂが負となり、トランジスタＱ３のベース・エミッタ間には、この電圧が印加される。

また、コンデンサＣ２とトランスＴ２の１次巻線ＮＰ１，ＮＰ２との共振により共振電流は、端部ｃからコンデンサＣ２を介して端部ｂの経路で流れ、コンデンサＣ２に充電される。

トランスＴ２の２次巻線ＮＳにはドットの印がある側の端子ｄに負が、その逆の端子ｅに正が発生し、電流は端子ｂからｃの方向に流れ、電圧と電流はコンデンサＣ２の電圧、電流と同相になる。トランスＴ２の２次巻線ＮＳには負荷である誘電体バリア放電ランプ１４が接続される。

このように、トランジスタＱ２，Ｑ３は、ＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返して発振するが、主として共振用コンデンサＣ１、トランスＴ２で決まる共振周波数により高周波発振する。発振は、正弦波に近い波形となる。

トランスＴ２は、１次巻線ＮＰ１，ＮＰ２に供給された電圧を、誘電体バリア放電ランプ１４を点灯させるのに必要な電圧まで昇圧し、２次巻線ＮＳ側から出力する。トランスＴ２で発生した高周波、高電圧が誘電体バリア放電ランプ１４に印加されると、内部の気密容器１４１を通して＋／−電極間に印加されることにより放電用ガスが励起され、その後エキシマ状態となり基底状態へ戻る際に真空紫外光であるエキシマ光または真空紫外を発生する。

このとき、図３に示す点灯波形となる。すなわち、始動電圧ＶＳと点灯維持電圧ＶＬを比較すると、ＶＳ＜ＶＬが成り立っていることから、点灯維持電圧ＶＬが確保できるように、インバータ１３のトランスＴ２の設計を行うことで、確実な始動が可能となる。

図４〜図６は、図２で説明した点灯装置で点灯される誘電体バリア放電ランプをより具体的に説明するためのもので、図４は構成図、図５は図４の要部を具体的に説明するための構成図、図６は図４のｘ−ｘ’断面図である。

ＬＴは発光管であり、この発光管ＬＴは気密容器１４１、電媒体および長い内部電極１４２を備え、両端に給電部４３ａ，４３ｂおよび支持部４４ａ，４４ｂを有している。

気密容器１４１は、図５に示すように、紫外線透過性の材料からなり、例えば外径が１８ｍｍ、内径１６ｍｍの細長い円管状の中空部４５および中空部４５の両端に形成された封止部４６ａ，４６ｂを備えていて、長さ１３００ｍｍである。封止部４６ａ，４６ｂには、それぞれ内部にモリブデン箔４７ａ，４７ｂが埋設されたピンチシール構造である。なお、気密容器１４１の中空部４５の内部にはエキシマ生成ガスとしてキセノンが封入されている。

長い内部電極１４２は、図５に示すように、気密容器１４１の内部に気密容器１４１と同軸関係に配設されており、多数のアンカー４８および内部リード４９ａ，４９ｂからなる。内部電極１４２は、線径０．２６ｍｍのタングステン線からなる金属細線を巻回してなる例えば外径１．２ｍｍのコイルを主体として構成されている。アンカー４８は、内部電極１４２に例えば１５ｍｍ間隔の一定ピッチで多数配設している。内部リード４９ａ，４９ｂは、内部電極１４２の両端を引き延ばして形成されている。そして、内部電極１４２は、約２ｋｇの張力を作用させた状態で、気密容器１４１の両端に形成された封止部４６ａ，４６ｂのモリブデン箔４７ａ，４７ｂの一端に内部リード４９ａ，４９ｂを溶接している。内部電極１４２は、気密容器１４１内に装架された状態で張力の作用によって引き延ばされている。

給電部４３ａ，４３ｂは、それぞれ棒状をなしていて、それらの内端が気密容器１４１の両端に形成された封止部４６ａ，４６ｂに埋設されたモリブデン箔４７ａ，４７ｂに溶接され、基端が気密容器１４１の両端に形成された封止部４６ａ，４６ｂから外部の管軸方向へ突出している。また、給電部４３ａ、４３ｂは、後述する支持部４４ａ，４４ｂの内部において、それぞれ給電線５０ａ，５０ｂに加締め接続されている。なお、給電線５０ａ，５０ｂは、高周波点灯装置１００の出力端から延在している。

支持部４４ａ，４４ｂは、発光管ＬＴを図４に示す位置出しガイド５１ａ，５１ｂに取り付けられる。なお、位置出しガイド５１ａ，５１ｂは、外部電極１４３の管軸方向両端から気密容器１４１の端部方向へ延在して気密容器１４１の取り付け位置を規定する。

外部電極１４３は、下面が凹形の円弧状曲面に形成されて樋状をなしたアルミニウムブロックからなり、内部電極１４２に対向する領域のほぼ全長にわたって、気密容器１４１の上半部外面に０．３５±０．１５ｍｍの間隙Ｇを存して対向して配設されている。また、外部電極１４３の管軸方向の中央部には、スペーサ５２を収納する切込み溝５３および吸気孔５４が形成されているとともに、図５に示すように、両側面に冷却パイプ８が溶接されている。切込み溝５３は、図４および図６に示すように、管軸に対して直交するように形成され、外部電極１４３の下面に開口している。吸気孔５４は、切込み溝５３に跨って形成されるとともに、外部電極１４３の上下を貫通している。

スペーサ５２は、図４、図６に示すように、板厚３ｍｍのステンレス鋼板からなり、外部電極１４３の切込み溝５３内に圧入により収納されているとともに、下部が外部電極１４３の下面に位置する円弧状曲面からわずかに突出している。その突出量は、外部電極１４３と気密容器１４１との間の間隙Ｇが所定の離間距離より小さくならないような値になっている。なお、スペーサ５２と気密容器１４１とは、図面上若干離間しているが、接触していてもよい。

吸気孔５４は、切込み溝５３に跨って形成されているので、下端の開口端がスペーサ５２の両側に分かれて開口している。このため、スペーサ５２の両側の空気は、吸気孔５４に良好に吸気される。そうして、吸気孔５４内を通って外部電極１４３の外部へ排出された空気は、さらに排気ダクトによって紫外線照射装置の外部へ排出される。従って、たとえスペーサ５２と気密容器１４１とが擦れてスペーサ５２が削れて微粒のパーティクルが生じたとしても、パーティクルは、周囲の空気と一緒に吸気孔５４から外部へ排出されることになる。

高周波点灯装置１００は、誘電体バリア放電ランプ１４の内部電極１４２と外部電極１４３との間に高周波電圧を印加して、誘電体バリア放電ランプ１４を付勢して点灯するものであり、図２のコンバータおよびインバータより構成されるものとする。高周波点灯回路１００の高周波出力は、一対の給電線５０ａ，５０ｂを介して誘電体バリア放電ランプ１４における発光管ＬＴの一対の給電部４３ａ、４３ｂと、外部電極１４３との間に接続されている。

誘電体バリア放電ランプ１４は、高周波点灯回路１００の高周波出力端の一方が給電線５０ａ，５０ｂを経由して内部電極１４２から外部へ導出された一対の給電部４３ａ、４３ｂに接続され、他方が外部電極１４３の一端に給電線５０ａ，５０ｂを経由して接続されているので、高周波点灯回路１００の電源１１が投入されると、高周波を発生して高周波出力が内部電極１４２と、これに気密容器１４１の壁面を介して対向している外部電極１４３との間に印加されて、誘電体バリア放電が気密容器１４１の内部に生起する。この誘電体バリア放電によってキセノンのエキシマにより１７２ｎｍを中心波長とする真空紫外光を放射する。真空紫外光は、気密容器１４１の壁面を透過して外部へ導出されるので、これをそれぞれの目的に応じて利用することができる。

また、外部電極１４３と気密容器１４１との間は、わずかに離間しているので、ランプが点滅を繰り返しても少なくともランプの有効長の部分においては、パーティクルが発生しなくなり、スペーサと気密容器との擦れにより、たとえパーティクルが発生するにしても、極めて少量となるのに加えて、吸気手段がパーティクルを速やかに外部へ排出するので、黒色付着物を生じるようなことがなくなる。

この実施形態では、インバータに供給されるコンバータからの直流電圧を、直流電源を直列に接続することで、仕様の異なる誘電体バリア放電ランプの点灯に必要な出力電圧を確保することが可能となる。このため、仕様の異なる誘電体バリア放電ランプを使用した場合でも、新たに設計し直すことなく最適な発光効率の実現することができる。換言すれば、特別な直流電源でなく既製品の直流電源（＋２４Ｖ、＋４８Ｖ）を用いて仕様の異なる誘電体バリア放電ランプを点灯させることができる。

図７は、この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第２の実施形態について説明するための概念的な構成図である。

この実施形態は、コンバータ１２の直流電源の直列接続数を３個にした例を示したもので、他の構成については図１の構成と同じであり、ここでの説明は省略する。

すなわち、コンバータ１２は、電源１１の交流電圧を供給する直流電源１２１〜１２３で構成される。直流電源１２１の正の出力はインバータ１３の正の入力に、負の出力は直流電源１２２の正の出力に、直流電源１２２の負の出力は直流電源１２３の正の出力に、直流電源１２３の負の出力はインバータ１３の負の入力にそれぞれ接続されている。

これにより、直流電源１２１〜１２３は直列接続されたことになり、図１の実施形態で使用される誘電体バリア放電ランプに比べて高いランプ電圧で点灯させる仕様ランプに対応させることが可能となる。

図８、図９は、この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第３の実施形態について説明するためのものであり、図８は概念的な構成図、図９は図８の作用について説明するための説明図である。この実施形態でも、上記した実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付してここでは異なる部分について説明する。

この実施形態は、コンバータ１２とインバータ１３との間に異常検出部７１を配置し、例えば所定の電流値以下になった場合に異常であるとして検出し、外部に異常検出を知らせるようにしたものである。

異常検出部７１の一例としては、直流電流センサ７１１を用いて、コンバータ１２とインバータ１３間の電流をモニタするとともに、エラーアンプ７１２を用いて基準値以下となった場合に、異常信号を出力する構成となっている。

すなわち、図９（ａ）に示すように、スイッチＳＷのオン、オフに基づき、コンバータ１２の出力から異常検出部７１を介して図９（ｂ）に示す出力電圧Ｖｄｃを、インバータ１３に供給する。図９（ｂ）に示す出力電圧Ｖｄｃの値がＶ１は正常点灯時のインバータ１３の駆動電圧で、Ｖ２はインバータ１３の駆動開始電圧である。

また、図９（ｂ）に示すＶ３は、異常検出部７１において異常として検出する電流値となるときのインバータ１３に供給される電圧（コンバータ１２の出力電圧に相当）である。さらに、図９（ｂ）に示すＶ４は、コンバータ１２を構成する直流電源１２１，１２２の中で何れか一方が出力停止したときのインバータ１３に供給される電圧（コンバータ１２の出力電圧に相当）である。

これらＶ１〜Ｖ４の電圧値は、Ｖ４＜Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１の関係となるように設定した。この条件は、安定点灯状態、インバータ駆動→点灯開始、点灯異常検出、ＤＣ電源停止、など各動作点におけるコンバータ１２の出力電圧の関係を規定している。

すなわち、インバータ１３が駆動開始する電圧Ｖ２とインバータ１３に供給される電圧Ｖ１の関係がＶ２＜Ｖ１であることから、コンバータ１２は、確実にインバータ１３を駆動する条件を満たすことができる。

異常を検出する電流値となったときの電圧Ｖ３とＶ１、Ｖ２の関係がＶ３＜Ｖ２＜Ｖ１であることから、誘電体バリア放電ランプ１４の正常点灯時に異常信号を出力するといった誤動作を起こすことがない。また、インバータ１３駆動直後に異常信号を出力するといった誤動作を起こすことがない。

複数の直流電源のうち１台が停止した場合の電圧Ｖ４とＶ２、Ｖ３の関係がＶ４＜Ｖ３＜Ｖ２であることから、コンバータ１２に故障が起きた場合にも確実に異常検出を行うことができる。また、直流電源が１台でも出力停止した条件では、インバータ１３を駆動できないことが分かる。

なお、図９（ｃ）はインバータ１３の出力電流Ｉｄｃを示し、図９（ｄ）はインバータ１３の駆動の状態による誘電体バリア放電ランプ１４に流れるランプ電流ＩＬを、図９（ｅ）は誘電体バリア放電ランプ１４の点灯、不点灯の状態について示している。

このように、安定点灯状態、インバータ駆動、点灯異常検出、直流電源停止等の各動作点におけるコンバータ１２の出力電圧と異常検出部７１がモニタする出力電流の関係を図９のように規定することによって、誤動作を回避し、確実な点灯や異常検出を行うことが可能となる。

図１０は、この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第４の実施形態について説明するための概念的な構成図である。図８と同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。

この実施形態は、コンバータ１２の直流電源１２１，１２２の出力をそのまま異常検出部７１に接続し、異常検出部７１内に直流電源１２１，１２２の直列接続を行い、直流電源１２１，１２２間の逆流を防止するダイオードＤ２される合成部７１３を構成したものである。

この実施形態は、異常検出部７１内に合成部７１３を構成したことにより、コンバータ１２を構成する各直流電源１２１，１２２側は、例えば市販の電源に逆流防止用のダイオードを接続するなどの手を加えることなく使用することが可能となる。

この実施形態の場合でも、コンバータ１２の直流電源は２個ではなくそれ以上の数があっても構わず、この数は誘電体バリア放電ランプの仕様に基づきに調整することが可能である。

この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第１の実施形態について説明するための概念的な構成図。 図１の誘電体バリア放電ランプを点灯させる点灯装置の具体例について説明するための回路図。 図１の誘電体バリア放電ランプを点灯させる条件について説明するための説明図。 図１の誘電体バリア放電ランプをより具体的に説明するための構成図。 図４の要部を具体的に説明するための構成図。 図４のｘ−ｘ’断面図。 この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第２の実施形態について説明するための概念的な構成図。 この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第３の実施形態について説明するための概念的な構成図。 図８の作用について説明するための説明図。 この発明の誘電体バリア放電ランプ点灯装置に関する第４の実施形態について説明するための概念的な構成図。

符号の説明

１１ 電源
１２ コンバータ
１２１〜１２３ 直流電源
１３ インバータ１３
１４ 誘電体バリア放電ランプ
１００ 高周波点灯装置
１４１ 気密容器
１４２ 内部電極
１４３ 外部電極
７１ 異常検出部
７１３ 合成部

Claims (1)

1. 紫外線透過性の細長い管状をなす気密容器内の管軸方向に内部電極を配置し、前記気密容器外に半円周形状の外部電極を密着させて配置し、前記気密容器内にエキシマ生成ガスを封入させた誘電体バリア放電ランプと、
   商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換し出力するコンバータと、
   前記コンバータから供給される直流電圧に基づき高周波を生成し、該高周波により前記誘電体バリア放電ランプに誘電体バリア放電を誘起させて紫外線を放射するインバータと、
   前記コンバータと前記インバータの間に電流検出部を配置し、所定の電流値以下となった場合に異常として検出し、外部に信号を出力する異常検出部とを具備し、
   前記コンバータは、少なくとも２つの直流電源の出力を直列接続して構成され、
   前記インバータの入力電圧をＶ１、前記インバータの駆動開始電圧をＶ２、前記異常検出部において外部に異常信号を出力する電流値となるときの前記インバータの入力電圧をＶ３、前記コンバータを構成する少なくとも２つの前記直流電源のうち、少なくとも一つが出力停止したときの前記インバータの入力電圧をＶ４とした場合に、Ｖ１〜Ｖ４にはＶ４＜Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１の関係があることを特徴とする誘電体バリア放電ランプ点灯装置。

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