CN107535040A - 使用气体放电的发光装置的驱动方法和驱动电路和紫外线照射装置 - Google Patents

Abstract

在正常操作期间，将施加在设置为面对气体放电发光管的底部的外表面的电极对之间的交流驱动电压切换为低于启动照明时的电压值V1的电压值V2。此外，正常放电操作期间施加的交流驱动电压以预定周期和占空比间歇地施加以实现发光强度的调整。

Description

使用气体放电的发光装置的驱动方法和驱动电路和紫外线照 射装置

技术领域

本发明涉及一种使用气体放电的发光装置的驱动方法和驱动电路和紫外线照射装置。更具体地，本发明涉及一种用于最佳驱动平面光源的放电装置的驱动方法和驱动电路，特别是通过排列多个相互平行的紫外线发光气体放电管构建的紫外线发光平面光源装置。

背景技术

照惯例，众所周知作为使用气体放电的光源装置的高压汞灯和准分子放电灯。并且，使用紫外线发光荧光体的气体放电装置以紫外线发光源著称(例如，见专利文件1)。此外，具有适用于平面光源的配置的薄壁管配置的外部电极类型气体放电装置也是众所周知的(例如，见专利文件2和3)。

专利文件

专利文件1：日本专利No.5074381

专利文件2：日本未经审查的专利公开No.2004-170074

专利文件3：日本未经审查的专利公开No.2011-040271

发明内容

使用紫外线发光荧光体的传统准分子放电灯具有需要昂贵石英玻璃包层以及需要高压矩形波交流电源用于驱动的问题。此外，使用气体放电管用于紫外线发光的传统气体放电装置具有复杂的电极结构，且还没有从光视效率和发射强度的视角发展为实际水准。

因此，为了解决上述问题，本发明提供了一种用于最佳化驱动光源的气体放电装置的新驱动方法，特别是对于紫外线光源，之前由本发明人发明的(参见日本专利申请No.2015-099146/PCT-JP2016-052716)一种对此的驱动电路，以及一种紫外线照射装置。

具体地，根据本发明被驱动的光源的气体放电装置通过正弦波交流(AC)电压驱动，但其频率特性和电压特性不总是常量，且几乎不可避免地存在由于每个放电管的小变化以及随操作时间引起特性变化。此外，变为负载的放电装置的电容在初始照明(放电)启动时和放电启动之后之间非常不同，且进一步地，随时间的发射强度降低是不可避免地。因此，本发明的目的在于提供一种用于根据将被驱动的放电装置的特性的变化和改变优化驱动条件的驱动方法和驱动电路，以获得长期稳定的发射特性。

简单地说，本发明基于光源的气体放电装置以下述方式驱动的构思：在正常放电操作期间，将在布置为面对组成气体放电装置的包层的底部的外表面的电极对之间施加的交流驱动电压切换为电压Vs，电压Vs低于初始照明(放电)启动时的电压Vo。此外，根据本发明，三步骤初始驱动顺序被应用，其中具有若干周期的电压增长过程的缓冲期间在照明(放电)启动电压Vo被施加之前被设置，以及在照明(放电)启动电压Vo时的照明期间(写期间)之后，固定电压的稳定期间被设置。在初始驱动顺序之后，维持电压Vs的正常照明(放电)操作被执行。

这样的驱动通过使用对应于组成光源的气体放电装置的玻璃包层的内壁上的部分的电极上交替累积的壁电荷实现，其具有外部放电类型且将根据交流驱动电压的极性变换被驱动。

从Vo到Vs的驱动电压的切换以及初始驱动顺序中交流电压的调整能够通过切换针对作为驱动电源的逆变电路的输入直流电压(DC)来实现。交流驱动电压的调整还可以通过改变用于控制逆变电路的切换操作以控制施加至升压变压器的初级绕组的电流的值的信号的占空比实现。

本发明特征还在于执行用于优化驱动频率的自动调整功能的驱动方法。从组成驱动电路的逆变电源中的升压变压器施加至光源的气体放电装置的驱动电压的频率在初始照明(放电)启动时间在固定扫描范围内被扫描，并且扫描期间的放电电压和放电电流被检测以自动调整频率以通过反馈控制优化频率。

由于该自动调整功能，将被驱动的每个光源装置的棘手的调整操作能够被消除。此外，由于针对每个照明操作执行自动调整操作，该装置能够在最佳条件下通过附随于操作时间的特性变化被不断驱动。

此外，根据本发明的驱动电路特征在于提供在DC-AC逆变电源电路中用于驱动光源的外部电极类型气体放电装置，该气体放电装置包括基于放电电压和放电电流的检测值自动调整输出电压和驱动频率的自动频率控制电路设置。

自动频率控制电路自动调整驱动频率至由作为电容负载的气体放电装置和包括在逆变电源电路中的升压变压器的输出电感确定的共振电路的共振频率。该电路在具有峰值电压V1的正弦波的共振点周围的预定范围内扫描频率，且通过扫描期间检测的放电电流和放电电压的反馈控制设置最佳驱动频率。

对最佳驱动频率的调整在每个照明操作被执行，且在调整之后，对将驱动电压Vo切换至低于电压Vo的电压Vs的控制被执行。这样的电压切换功能也被合并到控制电路中。

此外，在本发明中，作为在正常照明期间调整发射强度的一种手段，用于在预定突发脉冲串周期间歇地施加交流驱动电压的驱动方法被使用。发光强度可以通过改变具有固定的突发脉冲串周期的驱动电压的施加时间和暂停时间之间的占空比来调整。同样，发光强度可以通过改变具有固定占空比的突发脉冲串周期来调整。由于该发光强度调整手段，由于放电装置的老化引起的发光强度的降低可以被补偿以实现连续稳定操作。

本发明的效果

根据本发明，仅在初始照明启动时，超过放电启动电压Vf的高驱动电压被施加至将被驱动的由外部电极类型气体放电装置组成的光源装置，且之后，执行低驱动电压的正常发光操作。因此，相比于光源装置通过连续施加照明启动处施加的高驱动电压被稳定驱动的情况，延长气体放电装置的操作寿命的效果和降低功耗的效果可以被获得。

此外，根据本发明一个方面，最佳驱动条件针对每次照明被设置，由此稳定的发光强度能够通过随环境变化或将被驱动的紫外线光源装置或气体放电装置的特性随时间的变化或特性改变被不断获得。

根据本发明另一方面，调整发光强度的功能被添加至与使用气体放电装置的光源装置相关联的驱动电路，由此由于光源装置的老化引起的发光强度的下降可以被补偿以从而获得长期稳定的发光强度。

因此，本发明能够提供光源模块，特别是紫外线光源模块，其为无汞的，以稳定方式操作，且具有平面发光配置，由此能够扩展诸如医疗用途、消毒/杀菌用途、如照片曝光的工业用途以及植物生长用途的应用领域。

附图说明

图1示出了用于描述根据本发明第一实施方式的紫外线发光气体放电管的基本配置及使用其的光源装置的横截面图和透视图。

图2示出了显示图1中所示的光源装置的结构示例的纵向截面图和后视图。

图3示出了显示作为光源装置的修改的面板配置的气体放电装置的平面图、横截面图和纵向截面图。

图4示出了图1中所示的光源装置的电极连接图和等效电路图。

图5是以时序方式示出了图1中所示的紫外线发光气体放电管的放电模型的示意图。

图6是示出了根据本发明第一实施方式的驱动电路的框图。

图7是示出了图6中所示的频率自动调整控制电路的配置的框图。

图8是示出了图1中所示的光源装置的频率特性的线形图。

图9是示出了第一实施方式中的驱动频率变化引起的分别对应于驱动电压和驱动电流的相关检测信号的变化的线形图。

图10是用于描述根据第一实施方式的驱动方法的操作顺序的流程图。

图11是用于描述图10中所示的驱动方法的操作波形的时序图。

图12是示出了根据本发明第二实施方式的驱动电路的框图。

图13是用于描述根据第二实施方式的驱动方法的时序图。

图14是用于描述根据本发明第三实施方式的在初始照明启动时的驱动顺序的时序图。

图15是示出了用于执行根据第三实施方式的驱动方法的驱动电路的结构示例的图。

图16是明确示出了初始照明启动时的操作顺序的时序图。

图17是示出了交流电流驱动电压控制单元中的发光强度控制电路的结构示例的框图。

图18是示出了用于调整发光强度的第一操作实例的时序图。

图19是示出了用于调整发光强度的第二操作实例的时序图。

图20是示出了光源装置的发光波形和驱动波形之间的关系的时序图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。应当注意的是，为了简化描述，相同的组件通过相同的参考数字标识。此外，尽管将被驱动的光源的气体放电装置的放电电极有时为方便起见被称为“长电极”，但该术语并非用于限定电极的长度。

第一实施方式

图1示出了用于描述作为本发明第一实施方式的具有管配置的紫外线发光气体放电装置的基本配置和通过排列多个紫外线发光气体放电管获得的平面光源装置的基本配置的说明性视图。

[设置有气体放电管的光源装置]

图1(a)是紫外线发光气体放电管的截面图。

图1(a)所示，紫外线发光气体放电管(下文中称为发光管)1具有作为主组件的用作包层且具有平椭圆横截面的延长玻璃管2。玻璃管2设置有在其内部底面上的紫外线荧光层3，并且填充有通过混合氖和氙获得的放电气体，且玻璃管的两端被密封。

玻璃管2为由包含氧化硅(SiO2)和氧化硼(B2O3)的廉价硼硅酸玻璃材料形成作为主组件的薄壁管，并且具有例如有大约2mm的长轴和大约1mm的短轴的长椭圆截面。玻璃管2的厚度被限制为300μm或小于300μm以实现关于UV-B和UV-C波段的紫外光的符合要求的透射比。显然地，具有极好的紫外光透射比的石英可以被用于玻璃管2的材料。

如果钆活性化的荧光剂(LaMgAl11O19:Gd)被用作紫外线发光荧光层3的一个实例，属于对工业用途或医疗用途有效的UV-B波段的波长范围的311nm的紫外光的发出可以被获得。如果镨活性化的荧光剂(YBO3:Pr or Y2SiO5:Pr)被使用，属于对消毒或杀菌有效的UV-C波段的波长范围的261nm或270nm的紫外光的发出可以被获得。如果具有极好的紫外线透射比的石英用于玻璃管的材料，直接使用通过氙气组件的放电发射的143nm或173nm真空紫外光(VUV)的发光管可以被获得，而无需使用上述的荧光层。注意到发光管1在图1(a)中以箭头22的方向发出光。

[柔性的平面光源装置]

图1(b)是根据本发明实施方式的平面发射类型光源装置4的透视图。

如图1(b)所示，图1(a)中所示的具有玻璃管2作为主组件的多个发光管1在与发光管1的纵向方向交叉的方向上相互平行布置以构建具有阵列结构的光源装置4。

在图1(a)和1(b)中，构建发光管阵列结构10的发光管1中的每个通过具有极好的热传导性的粘合剂12(诸如硅树脂)以可拆除的粘附状态置于薄(若干10μm)抗热绝缘膜11上。在相邻发光管1之间形成具有相同大小或部分不同大小的间隙以实现光源装置4的弯曲。

另一方面，通过例如由聚酰亚胺树脂形成的柔性绝缘衬底13以及其上形成的电极对14构建的电极组件15以粘附(非固定)状态设置在发光管阵列组件10之下。

电极对14包括带状X电极14X和Y电极14Y，他们面向在构建发光管阵列组件10的发光管1的底部背面，并且以共同电极间隙或在他们之间形成的狭缝G向两侧延伸。

具体地，X电极14X和Y电极14Y总的来说具有以与每个发光管的纵向方向交叉的方向延伸的共同电极图案。另一方面，关于单个发光管1，电极对14具有长电极对的配置，以与用于在其间形成的管中生成初始放电的大约0.1到10mm的电极间隙G对称的方式沿着发光管1的纵向方向向两侧延伸。沿着管的纵向方向的X电极14X和Y电极14Y中每个的长度是电极间隙G的宽度的五至十倍或更多。

如果图1(b)中所示的发光管阵列结构10通过以1mm的间隔排列二十个发光管1来构建，每个发光管1由长5cm且具有长轴为2mm、短轴为1mm的平椭圆截面的薄玻璃管形成，则X电极14X和Y电极14Y形成为如下模式，即，向其中形成的宽3mm的放电狭缝G的两侧，并以23.5mm的幅度向与发光管1交叉的方向延伸。

因此，5x 6＝30cm²的发光表面的背面除了0.3x 6＝1.8cm²的间隙(对应于电极狭缝G的宽度)以外几乎被电极表面覆盖。电极相对于发光区域的覆盖百分比为大约94％。

可以通过印刷导电油墨(诸如银膏等)或可以通过粘附或粘结已经预先成形的金属导电箔(诸如铜箔或铝箔)直接在绝缘衬底13上形成X电极14X和Y电极14Y。同样显而易见的是电极对可以通过图样化在绝缘衬底13上形成的导电层获得。

如果诸如Teflon(注册商标)的透明氟塑料用于支撑阵列中的发光管1的绝缘膜11，X电极14X和Y电极14Y优选由具有光反射特性的材料形成，并且对于这一点，使用铝箔特别有效

在这种情况下，电极狭缝G可以为向下打开的窗口，由此发射的紫外光可能从背面漏出。因此，优选的是对应于电极狭缝G的部分被具有等同于电极材料的光反射特性的绝缘材料关闭，诸如反光带。

此外，气体放电发光管1可以通过直接在绝缘衬底13(X电极14X和Y电极14Y在其上形成)上设置由硅树脂等组成的粘附绝缘层被布置。由于发光管阵列组件10和电极组件15没有相互粘结(未固定)，施加至绝缘衬底13的用于弯曲柔性的平面光源装置的张力能够被吸收。

图2(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别为示出了根据本实施方式的光源装置4的特定结构示例的纵向截面图和后视图。在图2(a)的实施方式中，多个发光管1布置在聚酰亚胺绝缘膜11上，聚酰亚胺绝缘膜11具有在其下表面上形成的由铜或铝箔组成的X电极14X和Y电极14Y的图样，以便通过诸如硅树脂的热导电粘附剂以可拆除的方式相互平行。此外，电极对14X和14Y的背面被抗热绝缘膜16a覆盖，由此完成膜状柔性表面光源装置。

如图2(b)所示，作为另一平面光源配置，与衬底表面的形状一致的硬板状光源装置通过将由玻璃、陶瓷或树脂形成的绝缘底面支撑衬底16b粘附至图2(a)中所示的膜状光源装置的背面获得。

此外，代替底面支撑衬底16b，图2(c)中所示的散热衬底16c可以被设置。关于图2(d)的后视图更明显的是，散热衬底16c具有作为基底的由树脂、玻璃或陶瓷组成的，且形成有不损害刚性的程度的金属(例如，铜)通孔19的绝缘基底材料20、以及形成在绝缘基底材料20的两个表面上且具有几乎与电极图样14X和14Y相同的图样的用于散热的金属(例如，铜)图样层21和22。用于散热的金属图样21和22能够被划分为岛状区，如图2(e)所示，以便对应于通孔以防止由于与电极14X和14Y的电容量耦合而引起的高压的产生。

[具有气体放电面板配置的平面光源装置]

根据本发明的将被驱动的平面光源装置可以具有面板配置和上述的通过排列多个发光管1获得的管阵列配置。图3(a)为用于描述具有这样的面板配置的平面光源装置40的平面图，而图3(b)和3(c)为从箭头查看沿着线A-A和B-B的截面图。

该平面光源装置40的配置基本上与通过用一个面板包层100替换图1(b)中所示的发光管阵列组件10获得配置相同。在图3中，面板包层100具有前衬底101和后衬底102，且气体密封空间103在他们之间形成。气体空间103通过诸如玻璃棒的隔离件104被分为多个条状放电通道，并且气体空间103的外围也通过类似的玻璃棒密封。此外，排气管105被设置以与对应于触发放电间隙(电极狭缝)G的跨杆状间隔件104之间的中心空间的公共空间连通。

前衬底101由具有300μm以下的厚度的抗热微玻璃片或石英玻璃板形成，其传输紫外光。后衬底102同样由石英玻璃或抗热微玻璃片形成，并且具有在其背面形成的电极对106X和106Y和在其内表面上形成的紫外线荧光层(未示出)。

此外，由玻璃或石英组成的支撑衬底108通过具有良好热导电性的粘附剂被粘附到后衬底102的背面，以便将电极对106X和106Y夹入他们之间。电极对106X和106Y可以形成在支撑衬底108上。支撑衬底108具有支撑由薄前衬底101和后衬底102组成玻璃面板包层100的功能，并且还具有电极衬底和散热板的功能。支撑衬底108的后表面可以镶有由铜或铝组成的金属片以增强散热效果，如在图2中所示的具有发光管阵列配置的光源装置中的散热衬底16c中。

当具有上述面板配置的气体放电装置用作平面光源装置40时，该装置还能够以与之前描述的具有发光管阵列配置的光源装置4相同的方式被驱动。电极对106X和106Y并非必须形成为具有所示的共同的整体连续图样。电极对106X和106Y可以形成为带状图样，沿着以带状模式被间隔件104划分的气体放电通道的纵向方向延伸以便与其对应。

[电极连接和等效电路]

图4(a)是具有发光管阵列配置的光源装置4的示意平面图。上述具有管阵列配置的光源装置4或具有面板配置的平面光源装置40均为外部电极类型，并且基本上由正弦波电压驱动。具体地，将具有管阵列配置的光源装置4看作典型示例，驱动电源17被连接以便施加正弦波电压至发光管1共有的接地的X电极14X与Y电极14Y，如图4(a)中所示。

图4(b)示出了图4(a)中所示的光源装置4的等效电路。图3中所示的具有面板配置的平面光源装置40的等效电路基本上与图4(b)中所示的等效电路相同。发光管1的电路元件包括放电开关PS、内电阻R以及绝缘膜11和玻璃管2的电容Cwx和Cwy。

X和Y电极14X和14Y的电极间电容Cp与发光管1的电路元件并联连接，并且寄生电容Csx和Csy在这些电极中的每个和地之间。

输出正弦波高电压的驱动电源17连接至电极端子TX和TY。严格来说能够被看作几乎是打开状态的高阻抗泄漏路径RP也在端子TX和TY之间。

如上所述，光源装置4是电容负载。因此，如果驱动电源17由逆变电源组成，升压变压器的输出绕组的电感与光源装置4的驱动端子TX和TY并联连接，以便并联共振电路被构建为整体。相应地，光源装置4通过包括电源电路的共振频率驱动是优选的。

如随后描述的，根据本发明，正弦波驱动电压的频率根据20kHz和50kHz之间的光扫描，其预先基于图4(b)中的等效电路中的总负载电容和和逆变电源的输出电感之间的关系被确定，并且例如可被设置为25kHz的共振频率。

此外，初始照明时的峰值电压大于1000V，其高于对应于电极狭缝G(图4(a))的气体空间的放电启动电压，并且考虑关于电极14X和14Y的放电扩大的长度与由于超出电极狭缝G的击穿电压引起的损害的预防之间的平衡被确定。

[放电模型]

图5是以时序方式示出了根据本发明的被驱动的发光管1的放电模型的示意图。图5(a)中所示的正弦波电压施加在长电极14X和14Y之间。当图5(a)中所示的正弦波电压的增长过程中的电压V1在定时t1超出对应于长电极14X和14Y之间的电极狭缝G的放电空间CS的放电启动电压Vf时，触发放电TD在对应部分发生。

由于触发放电TD，大量的空间电荷供应至相邻气体空间，由此所谓的启动效应被引起。因此，伴随着正弦波电压的增长，放电沿着长电极14X和14Y的纵向方向扩大，并且增长至所谓的长距离放电。

同时，具有与施加的电压的极性相反的极性的电荷(电子(-)和正离子(+))被累积为对应于初始生成触发放电TD的电极狭缝G的放电管1的内壁表面上的壁电荷，并且由该壁电荷引起的电场抵消施加的电压引起的电场。因此，对应于电极狭缝G的部分中的放电被停止。

图5(b)、(c)、(d)和(e)示意性地示出了对应于图5(a)中所示的施加的正弦波电压的定时t1至t4的壁电荷的放电和累积状态。

可以从该放电模型理解的是，在定时t1在对应于电极狭缝G的部分中生成的触发放电TD在所施加的电压的增长期间在定时t2和t3沿着长电极14X和14Y的延伸方向扩大，并伴随着避电荷的累积。

具有与施加的电压的极性相反的极性的电荷(电子(-)和正离子(+))被作为壁电荷累积，并且由壁电荷引起的内电场抵消外部施加的电压引起的电场。因此，生成的放电随而停止。

相应地，当施加的正弦波电压的极性被变换，由壁电荷引起的内电场与由外部施加的电压引起的电场被结合，其结果是放电在对应于电极狭缝G的部分再次开始，并且之后，伴随着相反方向上施加的正弦波电压的增长的放电的扩大和停止以与上述相同的方式继续向着长电极对14X和14Y的两端。由于该操作的重复，气体放电和由于气体放电引起的发光被执行。在如上所述的放电开始之后，这里提及的壁电荷与反向施加的电压结合，并且因此，即使施加的电压下降该放电也能够继续。该放电模型在本发明人之前提交的日本专利申请No.2015-148622(JP2017-27912A)中被更详细的描述。

[驱动电路]

图6示出了根据本实施方式的驱动电路。该驱动电路具有连接至通过排列多个发光管1获得的且作为典型示例示出的光源装置4的逆变电源的配置。具体地，升压变压器20的次级绕组L2连接至光源装置4，并且将电源输入切换电路21的DC电压转换为AC电压的开关晶体管Tr1和Tr2连接至升压变压器20的初级绕组L1。此外，类似于正常逆变电源电路，电容C、C1和C2以及电阻R1如图6中所示适当连接。

确定驱动频率的开关晶体管Tr1和Tr2的开关控制通过从频率自动调整控制电路22提供给开关控制电路23的频率控制信号S1和S2执行。

驱动电压检测信号VD和驱动电流检测信号ID从升压变压器20的输出侧反馈回频率自动调整控制电路22作为控制信号。此外，电源切换信号DS从频率自动调整控制电路22送至电源输入切换电路21。

如图7中的框图所示，频率自动调整控制电路22具有包括电压控制振荡电路(VCO)和顺序选择控制电路25的频率控制信号生成单元24作为主要部件。连接至顺序选择控制单元25的为利用作为输入的驱动电压检测信号VD确定共振期间的电压的电压确定电路26、利用作为输入的驱动电流检测信号ID确定共振期间的电流的电流确定电路27、以及根据信号VD和ID确定共振期间的电功率的功率确定电路28。响应于来自这些电路的输出，顺序选择控制单元25生成控制信号至频率控制信号生成单元24，并生成控制信号DS至电源输入切换电路21。

图8是示出了连接至图6中所示的具有逆变电源配置的驱动电路的光源装置4的典型频率特性的图。图8示出了具有超出电极间隙G处放电启动电压Vf的峰值的特性曲线VP1和由于壁电荷的影响具有超出低于Vf的维持电压Vs的峰值电压的特性曲线VP2，其中垂直轴上的电压随着水平轴上的频率F的增加而增加的共同共振点fr0在两个曲线中出现。对应于共振频率f0的谐波的弱共振点fr1和fr2还以高于共振点fr0处频率的频率出现。

因此，共振频率f0能够通过粗略地预测上述的共振点以及扫描f1至f2之间的范围内的共振点处的频率周围的频率被选择。图9是用于描述选择共振频率的工作原理的图，其中驱动电压检测信号VD和驱动电流检测信号ID相对于水平轴上的驱动信号频率的扫描的变化通过相对值表示。

当驱动信号频率F增加时，驱动电流检测信号ID趋向于增加，并且电流损耗降低的区域在特定频率出现。此外，驱动电压检测信号VD随着频率F的增加趋向于减小，但驱动电压检测信号VD增加的区域在特定频率出现。

也就是，当驱动信号频率F增加时，基于升压变压器20的电感元件、电极间电容或光源装置的浮动电容等等确定的根据频率特性的电压变化和电流变化出现。当驱动信号频率F增加时，电流趋向于增加，但存在电流损耗减小的频率。此外，振幅电压具有如下特性，即虽然在频率高时趋向于减小，但存在其在特定频率增加的峰值。

结果，可以从图9中理解的是电流检测信号ID和电压检测信号VD极大地变化的频率区域在如图9中的阴影线指示的共振频率f0周围的共同频率范围SB中相互重叠。

其后，图6和图7中所示的驱动电路的操作将参考图10中所示的操作流程图和图11中所示的驱动波形图被描述。

例如，基于光源装置4的粗略的负载电容和升压变压器20的次级绕组L2的漏电感预测的预测共振频率以及诸如25kHz的预测共振频率周围的大约10kHz的频率扫描范围的扫描条件预先针对驱动电路中的顺序选择控制电路25(图7)被设置作为初始条件(步骤1)。

当电源在电源输入切换电路21(图6)中打开时，具有电压V1(例如，12V)的DC电源首先打开(步骤2)，以及然后，根据针对图7中的顺序选择控制单元25预先设置的操作顺序，变频基本时钟信号F0从低于共振点的频率的频率从包括在频率控制信号生成单元24(图7)中的VCO传送，以便扫描预先确定的扫描范围内的频率，例如图9中所示的预先确定的范围SB(步骤3)。为了方便起见，图11没有示出频率扫描引起的基本时钟信号F0中周期T0处的变化。

在该时期期间，顺序选择控制单元25(图7)生成具有3:2的占空比的大约100至1000Hz的频率的突发脉冲串信号B0，并且基本时钟信号F0被转换为在突发脉冲串周期暂时中断的时钟信号F1，如图11中所示。

在时钟信号F1的上沿时间和下沿时间处，具有脉冲宽度TSa和不同相位的频率控制信号S1和S2被产生。这些频率控制信号S1和S2均通过开关控制电路23送至晶体管Tr1和Tr2的栅电极(图6)以可替换地切换两个晶体管的通/断状态。

因此，来自升压变压器20的初级绕组L1的中点的电流的方向以交变方式被反向，并且根据匝数比升压的正弦波驱动电压Vout从次级绕组L2的输出端子施加至光源装置4的Y电极14Y。

如果有关光源装置4的驱动电压Vout的突发脉冲串频率是100Hz，则一个周期的时间为10ms。因此，如果占空比被设置为3:2，则在一个突发脉冲串周期中施加驱动电压的时间为6ms。相应地，扫描振荡频率的扫描信号在例如第一突发脉冲串周期中的驱动电压施加期间(突发脉冲串长度)从顺序控制电路25提供至频率控制信号生成单元24(图7)中的VCO。

结果，变频基本时钟信号F0的周期T0被改变，因而驱动电压Vout的频率也被扫描。上述的用于搜索共振点的扫描操作不限于在突发脉冲串信号B0的第一周期中执行，并且可以在多个周期内执行。

随着驱动电压Vout和频率扫描的应用，检测由于光源装置4的放电操作引起的电压和电流变化的操作被启动(步骤4)。之后，检测信号VD和ID的变化中的峰值和对应这些值的驱动频率分别通过图7中所示的电压确定电路26、电流确定电路27和功率确定电路28确定(步骤5)。

根据各个确定电路确定的信号反馈回顺序选择控制单元25(图7)，并且控制频率控制信号生成单元24中的VCO以便确定电路确定的频率被固定为所选择的频率(步骤6)。

在因驱动频率扫描而选择最佳频率的操作之后，电源输入切换信号DS从频率自动调整控制电路22中的顺序选择控制单元25(图7)输出至电源输入切换电路21(图6)。

由于该切换信号DS，电源从电压V1(例如，12V)的DC电源(电池)切换为低于电压V1的电压V2(例如，6V)的DC电源(电池)。响应于该切换，升压变压器20的输出侧出现的驱动电压Vout也在照明启动时从Vout1下降为Vout2，且因此，装置处于正常照明状态(步骤7和8)。

是光源装置4的发射单元的发光管1具有如之前提及的外部电极类型配置。因此，发光管1具有一种性质，使得在以超出放电启动电压Vf的电压开始放电之后，由于在该管的内壁表面上累积的壁电荷的作用，其能够以低于放电启动电压的电压Vs维持放电。

另一方面，为了通过该光源装置4获得高发射亮度，考虑增加驱动电压并且增加驱动频率。然而，存在驱动电压增加导致装置寿命减少的问题。同样，增加频率导致缩短正弦波的周期。因此，通过利用该光源装置的特性，即在正弦波的增加过程实现针对增加贯穿每个放电管的长电极对的整体长度的放电的照明操作变得困难。

相应地，通过根据本发明实施方式的驱动方法，光源装置被驱动为在照明启动时以高电压可靠地执行照明操作，并且在随后的正常照明期间通过将驱动电压的峰值降低将近一半被驱动。输出电压为V1的DC电源被用作照明启动时的电源。该DC电压V1被转换并升高为具有2000V的峰值的正弦波电压以作为足以启动光源装置4的放电的驱动电压Vout。

另一方面，在正常照明期间，DC电源被切换为输出电压V2的电源，以便升高的正弦波输出电压的峰值变为大约1000V。这样的电压切换比调整升压变压器20的输出侧的电压更有利。根据本实施方式的驱动方法，即使驱动频率被设置更高，沿着贯穿纵向方向上的发光管1的整体长度的长电极对扩大的均匀且强的放电发射能够通过在正常照明期间降低驱动电压的峰值获得。

显而易见地，在如图11中所示的间歇地施加驱动电压的突发脉冲串驱动过程中，如果正常驱动以高于如初始放电中的放电启动电压Vf的电压执行，其可能导致再次施加电压时不稳定的放电。也就是，太多的壁电荷在放电间隙累积，导致自抵消放电发生，其中由于电压施加停止时壁电荷本身的势差产生放电。另一方面，在本发明中，不同于传统光源驱动，通过将正常驱动期间的电压降低到能够维持放电的水平驱动该装置，由此实现稳定的驱动。此外，即使驱动电压停止，管壁上累积的壁电荷也会充分地保留若干小时，由此放电能够通过再次施加维持电压立刻被重新启动。

尽管正常照明操作期间的驱动电压Vs为能够通过使用壁电荷维持放电的电压，但其根据电极的长度确定以增加沿着管轴方向的电极14X和14Y的两侧的放电。因此，如果电极的长度较长，维持电压Vs的峰值无需设置为等于或小于电极对的相邻端之间(放电间隙G处)的放电启动电压Vf。能够被电极对覆盖的有效发光区域的长度根据放电间隙的击穿电压和驱动电压的峰值之间的关系确定。为了扩大具有被抑制的驱动电压的有效发光区域，该装置能够被配置以便多电极对沿着发光管的纵向方向排列。

第二实施方式

[驱动电路]

图12是对应图6的图，示出了根据本发明第二实施方式的平面光源装置40或光源装置4的驱动电路。该实施方式的特征在于在进行初始照明操作之后通过控制升压变压器20的初级电流量而降低驱动电压，以代替第一实施方式中的DC电源切换方法。

具体地，相比于图6中所示的第一实施方式，图12中的驱动电路未设置电源输入切换电路21，且相反，额外在频率自动调整控制电路22中设置有振幅切换控制单元29。其他配置与第一实施方式相同。

振幅切换控制单元29发出占空比控制信号以用于控制至频率控制信号生成单元24的频率控制信号S1和S2的占空比，在通过顺序选择控制单元25(图7)预先设置的初始照明操作期间结束之后。

如图13中的第二实施方式中的各个波形时序图中所示，响应于占空比控制信号，频率控制信号S1和S2的脉冲宽度从TSa变窄至TSb，且占空比从TSa/T0变为TSb/T0。

因此，处于通状态的通过频率控制信号S1和S2控制通-断的开关晶体管TR1和TR2的传导时间被缩短，且流过升压变压器20的初级绕组L1的电流根据脉冲宽度被减小。因此，升压变压器20的输出侧获得的正弦波电压的幅值从Vout1降低为Vout2。

第三实施方式

[初始照明启动顺序]

上述实施方式已经描述了在启动初始照明时和正常照明期间之间切换驱动电压的操作。然而，在超出放电启动电压Vf的电压Vo恰好在开关打开以用于启动初始照明操作之后被施加时，过度的过冲电压可能生成而损害驱动电路。具体地，将被驱动的气体放电装置为电容性负载，且放电启动之后的负载电容变得显著小于驱动启动之前的大电容。因此，如果大交流电压突然从作为电感元件的升压变压器施加至小电容负载，根据驱动频率而具有二次反应波形的过度的过冲电压可能被生成，并且该电压可能超过元件的击穿电压。

图14(a)是示出了通过消除启动初始照明的操作期间的上述问题而稳定启动装置的初始驱动顺序的波形包络。初始照明启动期间IDP具有三个阶段的序列，即缓冲期间DP、写期间FP和稳定期间SP。在缓冲期间DP，从电源的输出变压器施加的正弦波电压逐渐增加到被提高至超过放电间隙G中的放电启动电压Vf的Vo。其后，具有若干周期的写期间FP以该电压电平Vo执行，由此初始放电在电极对14X和14Y之间启动。该期间的正弦波电压波形的变化在图14(b)中示出。

在写期间FP之后，用于施加低于放电启动电压Vf的稳定电压Vso的正弦波的稳定期间SP被设置为使伴随壁电荷的生成而稳定初始放电。在三个阶段中的初始照明驱动顺序被执行之后，正常放电模式NDM操作被执行。在正常放电模式下，维持电压VS低于初始照明时的电压Vo的正弦波在预先确定的突发脉冲串周期间歇性地被施加以实现使用壁电荷来维持放电的操作。在正常照明操作的放电维持期间，发光强度可以通过调整间歇性地施加的驱动电压的突发脉冲串周期或施加时间的占空比来调整。这将在后面详细描述。

图15是驱动电路的配置实例，对于光源装置根据包括上述初始照明序列的第三实施方式执行驱动。图16示出了用于描述该驱动电路的操作的操作波形时序图。该电路大概包括通过虚线包围的交流驱动电压生成单元200和交流驱动电压控制单元300两部分。该交流驱动电压生成单元200具有逆变电源的配置，其基本上与图12中所示的电路配置相同。

交流电流驱动电压控制单元300包括频率/振幅控制电路310和发光强度控制电路320。频率/振幅控制电路310包括用于生成如图16所示的主时钟信号F0的电路，和根据预先设置的顺序中的主时钟信号对与初始突发脉冲串周期Tbc-1对应的时钟的数量计数以确定突发长度Tb-1的控制电路，并且生成在该期间具有预先确定的占空比的切换控制信号S1和S2。频率/振幅控制电路310还设置有能够从外部调整驱动频率的频率调整微调器311。

因此，在光源装置4或平面光源装置40中启动初始放电时的初始突发脉冲串周期Tbc-1期间，在主时钟信号F0的下降沿时间和上升沿时间生成的切换控制信号S1和S2的占空比(也就是，脉冲宽度)如图16中所示通过定序器的控制变化。其结果是，通过类似于之前参考图11和12描述的从驱动电压Vout1切换为驱动电压Vout2的操作原理，从升压变压器20输出的驱动电压的正弦波幅值能够在三个阶段(缓冲期间DP、写期间FP和稳定期间SP)中变化，如图16中Vout指示的。

初始突发脉冲串周期Tbc-1被设置为等于或五倍于100至1000Hz的正常驱动期间的突发脉冲串周期，并且用于执行三阶段初始驱动顺序的突发长度Tb-1被设置为具有50％或更多的占空比。也就是，初始突发脉冲串周期Tbc-1为大约50ms，而突发长度Tb-1为25ms或更长。

另一方面，发光强度控制电路320例如具有图17中所示的配置。其控制突发控制信号B0以确定正常照明期间的驱动电压的施加时间或施加周期，从而调整发光强度。

每单位时间的放电发射次数可以通过以固定的驱动电压的施加周期(也就是，突发脉冲串周期Tbc)改变突发脉冲串时间长度Tb(也就是，占空比)被增加或减少。根据该操作，发光强度被改变。进一步地，当突发脉冲串周期Tbc以固定占空比改变时，每单位时间的放电发射次数也被改变为能够调整发光强度。图18是用于描述通过以固定的突发脉冲串周期Tbc改变占空比而调整发光强度时的操作的时序图。图19是用描述突发脉冲串周期Tbc以固定占空比改变时的操作的时序图。

关于图17中所示的发光强度控制电路的配置，来自发光强度调整单元321的模拟强度信号通过A/D转换电路322被转换为数字强度信号，并提供至一个突发脉冲串周期计数值记录表323和一个突发脉冲串长度值记录表324。因此，根据预先确定的突发脉冲串周期的计数值和对应于强度信号的突发长度计数值被读取，并且针对突发脉冲串周期计数电路325和突发脉冲串长度计数电路326分别设置。

以这样的方式，每当来自主时钟信号生成电路327的对应于突发脉冲串周期计数电路325中设置的计数值的时钟信号F0的数量被计数，突发脉冲串周期信号Tbc被提供至突发脉冲串控制信号生成电路328。类似地，对应于突发脉冲串长度计数电路326中设置的突发脉冲串长度的主时钟信号F0的数量同样被计数，并且每当时钟信号F0被计数，突发脉冲串长度信号Tb被提供至突发脉冲串控制信号生成电路328。突发脉冲串控制信号B0通过突发脉冲串周期信号Tbc和突发脉冲串长度信号Tb生成，并且作为发光强度控制信号提供至驱动电压生成单元中的开关控制电路23。

注意到一个突发脉冲串周期计数值记录表323和一个突发脉冲串长度计数值记录表324具有其上记录的计数值，用于设置初始突发脉冲串周期时间和三阶段驱动电压变化时间以用于在启动初始放电时执行之前描述的操作的顺序。当电源被打开时，参考图16描述的初始突发脉冲串周期Tbc-1和初始突发脉冲串长度Tb-1通过来自包括在频率/振幅控制电路310中的定序器(未示出)的控制信号确定。

图20示出了上述突发脉冲串驱动在本发明中被实施时驱动电压波形(a)和发光波形(b)之间的关系。例如通过第二实施方式中的方法优化的具有25μs的周期(40KHz的驱动频率)的正弦波如图20(a)中所示以根据预先确定的发光强度的占空比被施加至具有发光管阵列配置的光源装置。因此，根据施加的正弦波的周期在图20(b)中所示的脉冲发射被执行，并且根据综合值的发光强度被获得。用于施加驱动驱动电压的突发长度Tb与突发脉冲串周期Tbc的比(Tb/Tbc)，也就是占空比，基本上以线性关系对应于发光强度。具有100％占空比的驱动意味着驱动电压被连续施加，并且由于该驱动，可获得最大发光强度。

然而，具有上述高占空比的驱动或连续照明可能缩短光源装置的寿命，并且因此，不是优选的。另一方面，如果占空比低且突发长度太短，放电和发光可能是不稳定的。优选地是突发长度Tb被设置以便驱动正弦波在一个突发脉冲串周期Tbc中具有至少五个或更多个周期。视情况而定，突发脉冲串频率能够在100到1000Hz的范围内被设置，并且占空比能够在10到90％的范围内被设置。可以通过在这样的范围内调整突发脉冲串周期或占空比来增加或降低发光强度。如果驱动正弦波的频率为40KHz，并且突发频率为1000Hz，一个突发脉冲串长度中的正弦波的波形数量为具有50％占空比的20个周期，且与其相关联的四十次放电和发光被生成。

其他修改

尽管已经参考第一、第二和第三实施方式详细描述了本发明，但驱动电压的最佳条件并不限于驱动电路的共振点。也就是，尽管具有共振频率的驱动是最佳条件的指南，但共振频率不仅通过光源装置4的电容确定，而且通过包括逆变电源中的升压变压器20的输出电感的综合电路常数确定，并且在次级线圈的输出电感较低以降低共振频率时，并不适用于以低频率驱动装置。此外，当光源装置4的发射区域增大时，变为负载的电容相应地改变并且共振频率因此改变。然而，并不适用于通过随着这样的变量改变驱动频率。此外，严格来说驱动电压不必具有正弦波，可以是具有由于负载电容和电感引起的自然性失真的交流波形，。

本发明的主旨在于长期可靠且稳定地驱动由具有外部电极配置的气体放电装置组成的光源装置，高电压的初始驱动周期被设置在启动初始放电时，且这之后，执行低维持电压的正常放电驱动。如在初始放电驱动过程中在正常放电驱动期间施加超过Vf的电压的方法引起突发脉冲串驱动的每个截止周期的壁电荷的自消除，其可能引起另一不稳定的放电。另一方面，使用壁电荷执行维持电压电平的正常放电驱动的方法实现稳定的占空比调整。

此外，在本发明中，初始放电启动期间的操作顺序被最佳化以执行可靠照明操作。此外，一旦初始放电产生，稳定放电能够通过使用壁电荷间歇地维持，由此在突发脉冲串驱动方法中发射亮度或发光强度可以通过调整突发脉冲串周期或占空比被调整，或由光源装置的老化引起的发光强度的降低能够被补偿。即使预先确定的周期的突发脉冲串驱动执行某一段时间，以及然后，暂时停止驱动，如果停止时间处于数十小时内，正常照明操作能够立即被重新启动，而无需执行初始驱动顺序。

补偿发光强度的降级的方法如下。例如，在初始设置占空比被设置为大约75％，且驱动以最大发光强度的75％启动。在长期驱动之后，在发光强度降低至大约初始亮度的80％之后，通过使用发光强度调整单元将占空比设置为100％以将亮度提高大约25％。因此，亮度能够被恢复至几乎初始亮度。在该方法中，发光强度通过改变占空比被恢复一次。然而，占空比可以每隔一段时间被改变多于一次。以这种方式，实际使用时间能够被延长，也就是，通过调整占空比，装置的寿命能够被延长。用于调整占空比的方法的示例包括信号被外部提供至电路中的控制单元的方法和预先在电路中建立诸如DIP开关的物理单元且该开关在维护时间被切换的方法。此外，为了自动保持发光强度常数的操作，发光表面的发射强度可以被检测，并且该检测信号可以被数字化并添加至用于改变发光强度控制单元320中的记录表323和324中的计数值反馈控制元件。

可替换地，在出货时，电压检测信号值和电流检测信号值可以在装置以预先确定的驱动频率驱动时根据发射亮度水平等获得，这些值可以针对每个确定电路被设置作为参考电平，并且根据设置电平恢复检测信号变化的反馈控制可以被执行以选择和搜索驱动频率。

在任何情况下，根据本发明，使用气体放电的光源装置，特别是具有大区域的无汞紫外线光源装置可以长期稳定驱动，且因此，本发明显著有利于扩展紫外线应用领域。

附图标记说明

1 紫外线发光气体放电管(发光管)

2 玻璃管

3 紫外线荧光层

4 光源装置

10 发光管阵列结构

11 绝缘膜

12 粘附剂

13 绝缘衬底

14 电极对

14X X电极

14Y Y电极

15 电极结构

16C 散热衬底

17 驱动电源

20 升压变压器

21 电源输入切换电路

22 频率自动调整控制电路

23 开关控制电路

24 频率控制信号生成单元

25 顺序选择控制单元

26 电压确定电路

27 电流确定电路

28 功率确定电路

29 振幅切换控制单元

G 电极狭缝

L1 初级绕组

L2 次级绕组

Claims (15)

1.一种用于光源装置的驱动方法，所述光源装置使用气体放电且被配置成包括填充有放电气体且具有正面和背面的玻璃包层、以及面对所述玻璃包层的所述背面的外表面并向两侧延伸的电极对，所述电极对之间形成有构成放电间隙的间隙，该驱动方法包括以下步骤：

在初始放电启动以产生初始放电时，在所述电极对之间施加第一交流驱动电压，所述第一交流驱动电压超过在所述放电间隙处的放电启动电压；以及

在所述电极对之间施加低于所述第一交流驱动电压的第二交流驱动电压以执行正常放电操作。

2.根据权利要求1所述的用于光源装置的驱动方法，

其中逆变电源用作所述光源装置的驱动源，所述逆变电源具有切换驱动电压以及施加交流驱动电压至所述电极对之间的功能，所述交流驱动电压通过转换来自升压变压器的次级绕组的DC电压获得，并且在所述光源装置的初始放电启动之后，所述驱动电压被切换为低于所述初始放电启动时施加的第一驱动电压的第二驱动电压以执行正常放电操作。

3.根据权利要求2所述的用于光源装置的驱动方法，

其中通过切换施加至所述升压变压器的初级绕组的DC电源的电压来切换所述驱动电压。

4.根据权利要求2所述的用于光源装置的驱动方法，

其中用于将所述DC电压转换为AC电压的开关晶体管连接至所述升压变压器的初级绕组，并且通过改变用于驱动所述开关晶体管的控制信号的占空比来切换所述驱动电压。

5.根据权利要求2或3所述的用于光源装置的驱动方法，

其中所述逆变电源设置有频率自动调整控制电路，

其中在所述光源装置的初始放电启动期间扫描驱动频率，并且扫描过程中的驱动电压和驱动电流被检测并被反馈回所述自动频率调整控制电路以搜索最佳驱动频率。

6.根据权利要求5所述的用于光源装置的驱动方法，

其中所述驱动频率的扫描操作在一频率范围内执行，该频率范围被预先确定为在由所述光源装置和连接至所述光源装置的所述升压变压器的次级绕组确定的共振频率周围。

7.根据权利要求5所述的用于光源装置的驱动方法，

其中所述驱动电压和所述驱动电流分别被检测作为相对于预定参考值的相对值，并且扫描范围内所述驱动频率变化的最大值所在的点上的频率被选择作为最佳驱动频率。

8.根据权利要求1所述的用于光源装置的驱动方法，

其中通过间歇地施加所述第二交流驱动电压来执行所述正常放电操作。

9.根据权利要求4所述的用于光源装置的驱动方法，

其中通过改变所述正常放电操作期间交流驱动电压的非施加时间和施加时间的重复周期以及占空比中的至少一者来调整发光强度。

10.根据权利要求1所述的用于光源装置的驱动方法，

其中所述初始放电启动时的驱动以包括缓冲期间、写期间和稳定期间的操作顺序执行，其中在所述电极对之间施加的交流驱动电压的振幅在所述缓冲期间逐渐增加，具有超过放电启动电压的振幅的第一交流驱动电压在所述写期间被施加在所述电极对之间，以及低于所述写期间的所述驱动电压的交流驱动电压在所述稳定期间被施加。

11.根据权利要求1、8和9中任一项所述的用于光源装置的驱动方法，

其中在所述初始放电启动期间之后的正常放电操作期间施加的第二交流驱动电压被设置为用于通过使用放电产生的壁电荷来维持在所述初始放电启动期间产生的放电的电压。

12.一种用于光源装置的驱动方法，所述光源装置使用气体放电且通过排列相互平行的多个外部电极类型放电管被构建，每个所述外部电极类型放电管具有填充有放电气体的薄玻璃管、以及面对所述薄玻璃管的外表面并沿着纵向方向向两侧延伸的电极对，所述电极对之间形成有放电间隙，

其中，在打开电源用于初始放电启动之后，第一正弦波驱动电压被施加以在所述放电管中引起放电，从而在所述放电管的内壁表面上形成壁电荷，以及然后，低于所述第一正弦波驱动电压的第二正弦波电压被施加以通过使用所述壁电荷维持所述放电，且所述第二正弦波驱动电压被间歇地施加以实现发光强度的调整。

13.一种用于驱动光源装置的驱动电路，所述光源装置使用气体放电且被配置成包括填充有放电气体且具有正面和背面的玻璃包层、以及面对所述玻璃包层的所述背面的外表面并向两侧延伸的电极对，所述电极对之间形成有构成放电间隙的间隙，

所述驱动电路包括：

电源单元，生成将在所述电极对之间施加的交流驱动电压；

电压控制单元，改变初始放电启动时和随后正常放电期间之间的交流驱动电压的电压值；以及

控制单元，控制以便所述交流驱动电压间歇性被施加且能够调整施加时间和非施加时间的重复周期和占空比中的至少一者。

14.根据权利要求13所述的用于光源装置的驱动电路，

其中所述光源装置具有气体放电管阵列配置，该气体放电管阵列配置包括填充有放电气体的多个薄玻璃管以及面对所述薄玻璃管的外表面并沿着纵向方向延伸的电极对，所述电极对之间形成有放电间隙，

所述电源单元具有逆变电源配置，该逆变电源配置用于在所述电极对之间施加正弦波驱动电压，以及

所述电压控制单元改变至开关晶体管的控制信号的占空比，所述开关晶体管交替切换施加至包括在所述逆变电源中的升压变压器的初级绕组的电流的方向，从而改变来自所述升压变压器的次级绕组的将被施加在所述电极对之间的交流驱动电压的电压值。

15.一种紫外线照射装置，该装置包括：

紫外线光源装置，其使用气体放电且被配置为：多个放电管沿着紫外线照射表面相互平行排列，每个所述放电管内部具有紫外线荧光层且填充有放电气体，且共同电极对被布置为面对所述紫外线照射表面的背面并沿着所述放电管的纵向方向延伸，所述共同电极对之间形成有放电间隙；以及

逆变电源，在所述共同电极对之间施加交流驱动电压，

其中所述逆变电源设置有：电压控制单元，用于切换所述交流驱动电压的电压值；和控制单元，用于以预定周期和占空比间歇地施加交流驱动电压。