特許 5909884 放電ランプ点灯装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5909884

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】放電ランプ点灯装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 41/24 20060101AFI20160414BHJP

【ＦＩ】

   H05B41/24

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-129849(P2011-129849)

(22)【出願日】2011年6月10日

(65)【公開番号】特開2012-256561(P2012-256561A)

(43)【公開日】2012年12月27日

【審査請求日】2014年3月17日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078754

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 正彦

(72)【発明者】

【氏名】中村 雅規

【審査官】 三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２３４２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６５７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−４３０８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｂ ４１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体バリア放電を利用した放電ランプを点灯するために用いられる放電ランプ点灯装置において、
放電ランプの電極間に高周波高電圧を印加する昇圧トランスを備えてなり、
当該昇圧トランスは、それぞれ４〜１１．６５の昇圧比に設定された、一次巻線およびこれに対応する二次巻線よりなる複数の変圧部を有してなり、
前記変圧部の各々の一次巻線が互いに並列に接続されていると共に、当該変圧部の各々の二次巻線が互いに直列に接続されており、
前記変圧部の各々の一次巻線に矩形波状の高周波電圧が入力され、
前記昇圧トランスにおける各変圧部の昇圧比の合計が１０〜３０であることを特徴とする放電ランプ点灯装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体バリア放電を利用した放電ランプを点灯するために用いられる放電ランプ点灯装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば半導体素子、液晶表示装置等のフラットパネルディスプレイ、太陽電池などの製造工程においては、一般に、シリコンウエハやガラス基板等の基板に対して密着性の高い薄膜を形成するために、基板の表面を洗浄処理することによって、当該基板の表面に存在する有機物等の汚染物を除去することが行われており、基板の表面を洗浄処理する方法としては、水や有機溶剤等を使用しない光洗浄方法が広く利用されている。かかる光洗浄方法においては、例えば波長２００ｎｍ以下の真空紫外線を放射する光源が用いられており、真空紫外線を放射する光源としては、誘電体バリア放電を利用した放電ランプが知られている。

【0003】

このような放電ランプにおいては、放電容器内において誘電体バリア放電を発生させるために、当該放電ランプの電極間に高周波高電圧を印加することが必要であるため、放電ランプを点灯させるための点灯装置としては、一次巻線と二次巻線との間に高い電位差が生じる昇圧トランスを備えてなるものが用いられている（特許文献１および特許文献２参照。）。
そして、最近においては、放電ランプに要求される光強度は益々高くなり、これに伴って、点灯装置における昇圧トランスの昇圧比が例えば１０倍以上という高いレベルが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−７８９２８号公報

【特許文献2】特開２００５−３９０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、誘電体バリア放電を利用した放電ランプにおいては、点灯装置における昇圧トランスの昇圧比が高くなるほど、ランプの発光効率が低下する、という特有の問題を有する。これは、昇圧トランスの昇圧比が高くなるほど、二次巻線に発生する電圧の立ち上がりが緩やかになり、急峻な電圧変化によって効率的にエキシマ分子を生成する性質に反してしまうからである。

【0006】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、誘電体バリア放電を利用した放電ランプを点灯するために用いられる放電ランプ点灯装置において、昇圧トランスの昇圧比が大きいものであっても、放電ランプを高い発光効率で点灯することができる放電ランプ点灯装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の放電ランプ点灯装置は、誘電体バリア放電を利用した放電ランプを点灯するために用いられる放電ランプ点灯装置において、
放電ランプの電極間に高周波高電圧を印加する昇圧トランスを備えてなり、
当該昇圧トランスは、それぞれ４〜１１．６５の昇圧比に設定された、一次巻線およびこれに対応する二次巻線よりなる複数の変圧部を有してなり、
前記変圧部の各々の一次巻線が互いに並列に接続されていると共に、当該変圧部の各々の二次巻線が互いに直列に接続されており、
前記変圧部の各々の一次巻線に矩形波状の高周波電圧が入力され、
前記昇圧トランスにおける各変圧部の昇圧比の合計が１０〜３０であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の放電ランプ点灯装置によれば、昇圧トランスが複数の変圧部を有し、変圧部の各々の一次巻線が互いに並列に接続されていると共に、当該変圧部の各々の二次巻線が互いに直列に接続されており、変圧部の各々の一次巻線に矩形波状の高周波電圧が入力されるため、各変圧部の昇圧比の合計が昇圧トランスの昇圧比となると共に、変圧部の各々の昇圧比を低く設定することにより、変圧部の各々において、立ち上がりが急峻な電圧変化が得られる。従って、変圧部の昇圧比の合計すなわち昇圧トランスの昇圧比が大きいものであっても、昇圧トランスにおいて立ち上がりが急峻な電圧変化が得られることにより、放電ランプにおいて効率的にエキシマ分子が形成され、その結果、放電ランプを高い発光効率で点灯することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の放電ランプ点灯装置の一例における構成を放電ランプと共に示す説明図である。

【図2】本発明の放電ランプ点灯装置によって点灯される放電ランプの構成を示す説明用断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。

【図3】実施例１および比較例１に係る放電ランプ点灯装置による出力電力の電圧波形を示すグラフである。

【図4】実施例１および比較例１に係る放電ランプ点灯装置による出力電力の電流波形を示すグラフである。

【図5】放電ランプ点灯装置のフルブリッジ回路に入力される電力と放電ランプに投入される電力との関係を示すグラフである。

【図6】放電ランプに投入される電力と放電ランプの照度との関係を示すグラフである。

【図7】本発明の放電ランプ点灯装置によって、放電ランプを投入電力を４２０Ｗとなる条件で点灯させた場合、および放電ランプを投入電力が６３０Ｗとなる条件で点灯させた場合における、照度値と昇圧比との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の放電ランプ点灯装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の放電ランプ点灯装置の一例における構成を放電ランプと共に示す説明図である。この放電ランプ点灯装置（以下、単に「点灯装置」ともいう。）１０は、誘電体バリア放電を利用した放電ランプ３０を点灯させるためのものであり、直流電圧Ｖ_DCを高周波電圧に変換するフルブリッジ回路１５と、フルブリッジ回路１５から出力された高周波電圧を昇圧して放電ランプ３０における一方の電極３２および他方の電極３３間に高周波高電圧を印加する昇圧トランス２０とにより構成されている。

【0012】

フルブリッジ回路１５は、ブリッジ状に接続された４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４によって構成されている。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各々は、これらに対応する駆動回路Ｇ１〜Ｇ４が作動することによって駆動され、互いに対角に配置されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４およびスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を交互にＯＮ状態にすることにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点との間に矩形波状の高周波電圧が発生し、この高周波電圧はフルブリッジ回路１５から出力される。

【0013】

昇圧トランス２０においては、それぞれ所定の昇圧比に設定された、一次巻線２２，２６およびこれに対応する二次巻線２３，２７よりなる２つの変圧部２１，２５が設けられ、一方の変圧部２１の一次巻線２２および他方の変圧部２５の一次巻線２６が、フルブリッジ回路１５に対して互いに並列に接続されていると共に、一方の変圧部２１の二次巻線２３および他方の変圧部２５の二次巻線２７が互いに直列に接続されており、一方の変圧部２１の二次巻線２３は、放電ランプ３０の一方の電極３２に電気的に接続され、他方の変圧部２５の二次巻線２７は、放電ランプ３０の他方の電極３３に電気的に接続されている。

【0014】

昇圧トランス２０の昇圧比、すなわち一方の変圧部２１の昇圧比と他方の変圧部２５の昇圧比との合計は、１０〜３０であることが好ましく、より好ましくは１４〜２０である。この昇圧比の合計が過小である場合には、十分に昇圧できないため、放電ランプ３０が均一に点灯しない。一方、この昇圧比の合計が過大である場合には、例えば、一次巻線２２，２６側から見た二次巻線２３，２７側の浮遊容量が大きくなり、出力波形の立ち上がりの急峻が阻害され、発光効率が低下する。
また、一方の変圧部２１の昇圧比および他方の変圧部２５の昇圧比は、同一のものであっても異なるものであってもよい。
また、一方の変圧部２１および他方の変圧の各々の昇圧比は、４〜１０であることが好ましい。

【0015】

図２は、本発明の点灯装置によって点灯される放電ランプの構成を示す説明用断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。この放電ランプ３０は、誘電体バリア放電を利用して発光するものであって、エキシマ用ガスが気密に封入された放電空間Ｓを形成する放電容器３１を有する。この放電容器３１は、互いに対向するそれぞれ矩形の上壁部３１ａおよび下壁部３１ｂと、上壁部３１ａおよび下壁部３１ｂの周縁を連接する４つの側壁部３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆよりなる扁平な箱型のものであって、全体が例えば波長２００ｎｍ以下の紫外線の透過性に優れた材料により構成されている。
放電容器３１における上壁部３１ａの外面（図２において上面）には、網状の一方の電極３２が設けられ、当該放電容器３１における下壁部３１ｂの外面（図２において下面）には、網状の他方の電極３３が設けられており、一方の電極３２および他方の電極３３は、図１に示す点灯装置１０に電気的に接続されている。
また、放電容器３１における上壁部３１ａおよび４つの側壁部３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆの各々の内面全面並びに下壁部３１ｂの周辺部分の内面には、それらを覆うよう光反射膜３５が形成されている。

【0016】

放電容器３１を構成する材料としては、真空紫外線を良好に透過するもの、具体的には、合成石英ガラスなどのシリカガラス、サファイアガラスなどを用いることができる。
一方の電極３２および他方の電極３３を構成する材料としては、金、銀、銅、ニッケル、クロムなどの耐腐食性を有する金属材料を用いることができる。また、一方の電極３２および他方の電極３３は、上記の金属材料を含む導電性ペーストをスクリーン印刷することにより、或いは上記の金属材料を真空蒸着することにより、形成することができる。
一方の電極３２および他方の電極３３の各々の厚みは、例えば０．１μｍ〜数十μｍである。
光反射膜３５を構成する材料としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどよりなるものを用いることができ、例えばシリカ粒子とアルミナ粒子とからなるもの、特に、シリカ粒子の含有割合が３０〜９９質量％で、アルミナ粒子の含有割合が１〜７０質量％であるものが好ましい。

【0017】

放電容器３１内に封入されるエキシマ用ガスとしては、例えば真空紫外線を放射するエキシマを生成し得るもの、具体的には、キセノン、アルゴン、クリプトン等の希ガス、または、希ガスと、臭素、塩素、ヨウ素、フッ素等のハロゲンガスとを混合した混合ガスなどを用いることができる。エキシマ用ガスの具体的な例を、放射される紫外線の波長と共に示すと、キセノンガスでは１７２ｎｍ、アルゴンとヨウ素との混合ガスでは１９１ｎｍ、アルゴンとフッ素との混合ガスでは１９３ｎｍである。
また、エキシマ用ガスの封入圧は、例えば１０〜１００ｋＰａである。
また、放電容器３１の内面には蛍光体層が形成されていてもよく、これにより、当該蛍光体層による蛍光を放射することができる。

【0018】

上記の点灯装置においては、直流電源（図示省略）から直流電圧Ｖ_DCが入力されると、フルブリッジ回路１５によって高周波電圧に変換され、フルブリッジ回路１５から出力された高周波電圧が昇圧トランス２０によって昇圧されて高周波高電圧が発生する。
そして、放電ランプ３０においては、一方の電極３２と他方の電極３３との間に、昇圧トランス２０から出力された高周波高電圧が印加されることによって、放電容器３１内の放電空間Ｓにおいて誘電体バリア放電が発生し、この誘電体バリア放電によってエキシマ用ガスに由来するエキシマ分子が形成され、これにより、例えば波長２００ｎｍ以下の紫外線Ｌが発生し、この紫外線Ｌは、直接または光反射膜３５に反射されて放電容器３１の下壁部３１ｂから下方に放射される。

【0019】

而して、上記の点灯装置１０によれば、昇圧トランス２０が２つの変圧部２１，２５を有し、変圧部２１，２５の各々の一次巻線２２，２６が互いに並列に接続されていると共に、当該変圧部２１，２５の各々の二次巻線２３，２７が互いに直列に接続されているため、各変圧部２１，２５の昇圧比の合計が昇圧トランス２０の昇圧比となると共に、変圧部２１，２５の各々の昇圧比を低く設定することにより、変圧部２１，２５の各々において、立ち上がりが急峻な電圧変化が得られる。従って、変圧部２１，２５の昇圧比の合計すなわち昇圧トランス２０の昇圧比が大きいものであっても、昇圧トランス２０において立ち上がりが急峻な電圧変化が得られることにより、放電ランプ３０の放電容器３１内において効率的にエキシマ分子が形成され、その結果、放電ランプ３０を高い発光効率で点灯することができる

【0020】

本発明の点灯装置は、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば昇圧トランスは、それぞれの一次巻線が互いに並列に接続されていると共に、それぞれの二次巻線が互いに直列に接続されていれば、３つ以上の変圧部を有するものであってもよい。
また、フルブリッジ回路は必須のものではない。
また、フルブリッジ回路のほかに、ハーフブリッジ回路やフライバッグ回路などの種々の回路を有する構成であってもよい。

【実施例】

【0021】

以下、本発明の点灯装置の具体的な実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

【0022】

〈実施例１〉
図１に示す構成に従い、下記の仕様の昇圧トランスａを有する放電ランプ点灯装置Ａを作製した。
［昇圧トランスａの仕様］
一方の変圧部および他方の変圧部の仕様：
一次巻線：それぞれ径が０．０６ｍｍの素線５０４本を束ねてなる３本の束線が並列に配置されて固定された帯状体よりなる芯線を巻き回してなるもの。
一次巻線の巻数：９巻き
二次巻線：それぞれ０．０８ｍｍの素線７本を束ねてなる７本の束線によって構成された撚り線よりなる芯線を巻き回してなるもの。
一次巻線の巻数：７６巻き
昇圧比：８．４４（一方の変圧部および他方の変圧部の昇圧比の合計が１６．８８）
コア：ＪＦＥフェライト株式会社製「ＥＥＲ−９０」

【0023】

〈実施例２〉
昇圧トランスａを、一方の変圧部および他方の変圧部の各々における二次巻線の巻数が６５巻きで昇圧比が７．２（一方の変圧部および他方の変圧部の昇圧比の合計が１４．４）であることを除いて昇圧トランスａと同様の仕様の昇圧トランスｂに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成の放電ランプ点灯装置Ｂを作製した。

【0024】

〈実施例３〉
昇圧トランスａを、一方の変圧部および他方の変圧部の各々における二次巻線の巻数が７２巻きで昇圧比が８．０（一方の変圧部および他方の変圧部の昇圧比の合計が１６．０）であることを除いて昇圧トランスａと同様の仕様の昇圧トランスｃに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成の放電ランプ点灯装置Ｃを作製した。

【0025】

〈実施例４〉
昇圧トランスａを、一方の変圧部および他方の変圧部の各々における二次巻線の巻数が９０巻きで昇圧比が１０（一方の変圧部および他方の変圧部の昇圧比の合計が２０）であることを除いて昇圧トランスａと同様の仕様の昇圧トランスｄに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成の放電ランプ点灯装置Ｄを作製した。

【0026】

〈実施例５〉
昇圧トランスａを、一方の変圧部および他方の変圧部の各々における二次巻線の巻数が１０５巻きで昇圧比が１１．６５（一方の変圧部および他方の変圧部の昇圧比の合計が２３．３）であることを除いて昇圧トランスａと同様の仕様の昇圧トランスｅに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成の放電ランプ点灯装置Ｅを作製した。

【0027】

〈比較例１〉
昇圧トランスａを、単一の変圧部を有する下記の仕様の昇圧トランスｆに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成の放電ランプ点灯装置Ｆを作製した。
［昇圧トランスｅの仕様］
一次巻線：それぞれ径が０．０８ｍｍの素線２３１０本を束ねた束線よりなる芯線を巻き回してなるもの。
一次巻線の巻数：９巻き
二次巻線：それぞれ０．０８ｍｍの素線７本を束ねてなる７本の束線によって構成された撚り線よりなる芯線を巻き回してなるもの。
一次巻線の巻数：１３０巻き
昇圧比：１４．４
コア：ＪＦＥフェライト株式会社製「ＥＥＲ−１２０」

【0028】

〈試験用放電ランプの作製〉
図２に示す構成に従い、下記の仕様の放電ランプ（１）、放電ランプ（２）および放電ランプ（３）を作製した。
［放電ランプ（１）］
放電容器の寸法：全長１２００ｍｍ，幅２５ｍｍ、高さ１０ｍｍ
有効発光長：１１００ｍｍ
封入物：キセノンガス
［放電ランプ（２）］
放電容器の寸法：全長２２００ｍｍ，幅２５ｍｍ、高さ１０ｍｍ
有効発光長：２１００ｍｍ
封入物：キセノンガス
［放電ランプ（３）］
放電容器の寸法：全長３２００ｍｍ，幅２５ｍｍ、高さ１０ｍｍ
有効発光長：３１００ｍｍ
封入物：キセノンガス

【0029】

〈点灯装置の特性評価試験〉
［試験１］ 実施例１に係る放電ランプ点灯装置Ａおよび比較例１に係る放電ランプ点灯装置Ｆの各々に７６０Ｗの直流電力を入力し、それぞれから出力される高周波電力の電圧波形および電流波形を測定した。結果を図３および図４に示す。
図に示す結果から明らかなように、実施例１に係る点灯装置Ａによれば、立ち上がりが急峻な電圧変化が得られることが確認された。

【0030】

［試験２］
実施例１に係る放電ランプ点灯装置Ａおよび比較例１に係る放電ランプ点灯装置Ｆの各々を用い、当該放電ランプ点灯装置の各々に入力される電力（以下、「入力電力」ともいう。）を変化させて放電ランプ（１）を点灯させ、放電ランプ（１）に投入される電力（以下、「ランプ投入電力」ともいう。）および放電ランプ（１）の照度を測定した。ここで、放電ランプ（１）の照度は、窒素雰囲気下において放電容器の外表面から２５ｍｍ離れた位置に照度計を配置して測定した。結果を図５および図６に示す。
図５は、図１に示す放電ランプ点灯装置のフルブリッジ回路１５に入力される電力（チッパー電力）と放電ランプに投入される電力（ランプ投入電力）との関係を示すグラフであり、図６は、放電ランプに投入される電力（ランプ投入電力）と放電ランプの照度との関係を示すグラフである。
図５に示す結果から、実施例１に係る放電ランプ点灯装置Ａによれば、入力電力が増加するに従ってランプ投入電力が増加するが、比較例１に係る放電ランプ点灯装置Ｆにおいては、入力電力が６００Ｗ以上の場合に、入力電力が増加してもランプ投入電力がほとんど増加しないことが理解される。
また、図６に示す結果から、実施例１に係る放電ランプ点灯装置Ａによれば、ランプ投入電力が７００Ｗ程度までであれば、ランプ投入電力が増加するに従って放電ランプの照度が高くなるが、比較例１に係る放電ランプ点灯装置Ｆにおいては、ランプ投入電力が６００Ｗ程度で、放電ランプの照度が低下することが理解される。

【0031】

［試験３］
実施例２〜５に係る放電ランプ点灯装置Ｂ〜放電ランプ点灯装置Ｅを用い、ランプ投入電力が４２０Ｗおよび６３０Ｗとなる条件で、放電ランプ（１）〜放電ランプ（３）を点灯させ、各放電ランプの照度値と放電ランプ点灯装置における昇圧トランスの昇圧比との関係を調べた。ここで、放電ランプの照度値は、ウシオ電機株式会社製の照度計「ＵＩＴ−２５０」（１７２ｎｍ）により、窒素雰囲気下において、放電容器の外表面から１０ｍｍ離れた位置で計測した。
図７は、放電ランプ（２）を投入電力を４２０Ｗとなる条件で点灯させた場合、および放電ランプ（２）を投入電力が６３０Ｗとなる条件で点灯させた場合における、照度値と昇圧比との関係を示すグラフである。この図７の結果から、昇圧比が１４〜２０であれば、高い発光効率が得られることが理解される。さらに、図示は省略するが、放電ランプ（１）および放電ランプ（３）についても同様の傾向が得られた。
このように、本発明の放電ランプ点灯装置によれば、昇圧比が１０〜３０において高い発光効率が得られ、特に昇圧比が１４〜２０においてより高い発光効率が得られることがわかる。

【符号の説明】

【0032】

１０ 放電ランプ点灯装置
１５ フルブリッジ回路
２０ 昇圧トランス
２１ 変圧部
２２ 一次巻線
２３ 二次巻線
２５ 変圧部
２６ 一次巻線
２７ 二次巻線
３０ 放電ランプ
３１ 放電容器
３１ａ 上壁部
３１ｂ 下壁部
３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ 側壁部
３２ 一方の電極
３３ 他方の電極
３５ 光反射膜
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｇ１〜Ｇ４ 駆動回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】