JP2005039092A

JP2005039092A - 昇圧トランス

Info

Publication number: JP2005039092A
Application number: JP2003275513A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nakamura; 雅規中村
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: TW200509156A; KR100687563B1; JP4453810B2; TWI287808B; KR20050010485A

Abstract

【課題】沿面コロナ放電を発生させることなく、小型でかつ２次側に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性が優れた昇圧トランスを提供すること、特に、２次側に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性に優れ、発熱量が少なく、１次側から２次側への電力転送効率の優れた昇圧トランスを提供すること。
【解決手段】エキシマ放電ランプを点灯するための高周波高電圧を供給する昇圧トランスにおいて、この昇圧トランスの１次巻線１１と２次巻線２間に絶縁材からなる複数の壁状体８を設け、この壁状体８間に気体層９を設け、２次巻線２は、壁状体８と平行な進行方向に巻線が巻回される第１の巻線態様と、第１の巻線態様によって巻線が形成される毎に、既存の巻線間の間隙上に巻線が巻回される第２の巻線態様と、第１の巻線態様と第２の巻線態様とが交互に繰り返されて巻線が前記進行方向に巻回されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波高電圧用の昇圧トランスに係わり、特に、エキシマ放電ランプの点灯回路に適用される高周波高電圧用の昇圧トランスに関する。

一般に高電圧用の昇圧トランスにおいては、１次巻線と２次巻線との間に高い電位差を生じる。そのため、この電位差を十分に吸収するために１次巻線と２次巻線間に絶縁層を設けたり、または２次巻線を形成する巻線の層数を増加させて、各層にかかる電圧を下げている。

さらに、高周波高電圧用の昇圧トランスにおいては、単に絶縁耐圧を上げるだけでなく、絶縁層に誘導されるコロナ放電を防ぐ対策も必要である。従来、これに対処するために、絶縁紙として、例えば、誘電率が２．５であるノーメックス（デュポン社の登録商標）を１０枚程度重ねて使用していた。またトランス全体を油中に漬けて絶縁を確保したり、モールドにより絶縁する方法が行われていた。しかし、このような方法ではトランスが大型化してしまい、また変換効率が低下する等の問題があった。

また、２次巻線は、コイル状に巻いた巻線層を何重にも重ねて形成しているが、各層のコイルの巻き始めと巻き終わり間には電位差が生じる。そのため、ある巻線層と次に重ねる巻線層との間に絶縁紙を入れ、層間の絶縁を確保している。しかし、このように層間絶縁紙を入れると、より一層トランスが大型化するという問題があった。

特開平３−３４６４３号公報には、チョークコイルやトランスの巻線方法として、ブロック巻きまたはバンク巻きと呼ばれる巻線方法を採用することによって、巻線の各層間に介在させる層間絶縁材を少なくする技術が開示されている。

また、特開平５−１３２４７号公報には、高周波高電圧の伝送における近接効果および表皮効果を軽減するために、昇圧トランスの２次巻線をリッツ線と呼ばれる絶縁された電線を複数本束ねて絶縁物で被覆した電線を採用する技術が開示されている。

また、特開平８−９６７６６号公報には、給電装置であるスイッチングインバータからの出力電圧を昇圧トランス（トランス１８）で昇圧し、ＬＣ直列共振回路（コイル１９、コンデンサ２０）を介してエキシマ放電ランプ（誘電体バリア放電ランプＴ１乃至Ｔ４）に供給し点灯する回路が開示されている。

特開平３−３４６４３号公報特開平５−１３２４７号公報特開平８−９６７６６号公報

ところで、昇圧トランスにおいて、２次巻線の各層間に絶縁層を介在させると、２次巻線に浮遊容量が発生する。そのため、高周波高電圧を昇圧しようとすると、高周波高電圧の立ち上がり時間を鈍らせてしまうという問題が生じる。特に、エキシマ放電ランプのように、電極間に配置した誘電体にチャージされた電荷を短時間で放出させて点灯させる放電ランプにおいては、高周波電圧の立ち上がり時間が鈍ると、発光効率が低下するという問題を発生する。

このような問題を解決するためには、エキシマ放電ランプ用の高周波高電圧の昇圧トランスにおいては、２次巻線の各層間に介在する層間絶縁材を少なくして浮遊容量を減らす必要がある。そのために、上記特開平３−３４６４３号公報に開示されているようなブロック巻き乃至はバンク巻きと呼ばれる巻線方法を採用することが考えられる。しかし、単に２次巻線にブロック巻き乃至はバンク巻きを採用しようとすると、１次巻線と２次巻線間に大きな電位差が発生してしまい、高周波高電圧の昇圧トランスに適用することはできない。

また、エキシマ放電ランプ用の高周波で且つ立ち上がりが急峻な昇圧トランスにおいては、近接効果および表皮効果を軽減させる必要がある。そのために上記特開平５−１３２４７号公報に開示されているようなリッツ線を採用することにより伝送効率を改善することも考えられる。しかし、単にリッツ線を採用しても、１次巻線と２次巻線間の沿面コロナ放電を回避するためには、絶縁材料を実際の耐圧以上に入れなければならず、結果として、浮遊容量が増大し、変換効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、沿面コロナ放電を発生させることなく、小型でかつ２次側に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性の優れた昇圧トランスを提供することにある。特に、エキシマ放電ランプにおける発光効率を改善するために、２次側に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性に優れ、発熱量が少なく、１次側から２次側への電力転送効率の優れた昇圧トランスを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、エキシマ放電ランプを点灯するための高周波高電圧を供給する昇圧トランスにおいて、この昇圧トランスの１次巻線と２次巻線間に絶縁材からなる複数の壁状体を設け、この壁状体間に気体層を設けたことを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段において、前記壁状体の比誘電率と前記気体層の比誘電率とを合成した合成比誘電率が１乃至４であることを特徴とする。

第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記２次巻線は、前記壁状体と平行な進行方向に巻線が巻回される第１の巻線態様と、前記第１の巻線態様によって巻線が形成される毎に、既存の巻線間の間隙上に巻線が巻回される第２の巻線態様と、前記第１の巻線態様と前記第２の巻線態様とが交互に繰り返されて巻線が前記進行方向に巻回されていることを特徴とする。

第４の手段は、第１の手段乃至第３の手段のいずれか１つの手段において、前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であることを特徴とする。

第５の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であると共に、前記金属素線を複数本束ねて複合リッツ線を構成し、この複合リッツ線の中心部に非金属材からなるダミー線を配置したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エキシマ放電ランプを点灯するために急進な立ち上がりが求められる高周波高電圧を供給する昇圧トランスにおいて、この昇圧トランスの１次巻線と２次巻線間に絶縁材からなる複数の壁状体を設け、この壁状体間に気体層を設けるようにしたので、従来の昇圧トランスと比べて、１次巻線と２次巻線間の間隙を狭くすることができ、１次巻線から２次巻線への電磁エネルギーの転送効率を向上させることができ、また、２次巻線に誘起される高周波高電圧の２次電圧の立ち上がり特性を改善することができ、エキシマ放電ランプの発光効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記壁状体の比誘電率と前記気体層の比誘電率とを合成した合成比誘電率が１乃至４であるようにしたので、従来のノーメックス等の絶縁体を複数枚巻回したものに比べて、気体層を介在した壁状体に印加される電圧を大きくすることができ、壁状体と１次巻線または２次巻線間に発生する沿面コロナ放電を防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記２次巻線は、前記壁状体と平行な進行方向に巻線が巻回される第１の巻線態様と、前記第１の巻線態様によって巻線が形成される毎に、既存の巻線間の間隙上に巻線が巻回される第２の巻線態様と、前記第１の巻線態様と前記第２の巻線態様とが交互に繰り返されて巻線が前記進行方向に巻回されているので、従来の２次巻線の巻回方法と比べて、隣接する巻線間の電位差が小さくなるため絶縁層を介在させる必要がなくなり、２次巻線における浮遊容量を小さくでき、２次巻線に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性を改善することができる。特に、急峻なパルス状の高周波高電圧でエキシマ放電ランプを点灯させる場合には極めて有効となる。

請求項４に記載の発明によれば、前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であるので、高周波電圧伝送における表皮効果を軽減させ、電力伝送効率を改善すると共に、昇圧トランスにおける発熱を抑制することができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であると共に、前記金属素線を複数本束ねて複合リッツ線を構成し、この複合リッツ線の中心部に非金属材からなるダミー線を配置したので、高周波電圧伝送における近接効果を軽減させ、電力伝送効率を改善することができると共に、昇圧トランスにける発熱を抑制することができる。

本発明の一実施形態を図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの点灯装置に用いられる昇圧トランスを示す正面図である。
同図において、１は昇圧トランスのフェライトコア、２は複数層巻回された２次巻線、３はトランス押さえ板Ａ、４はトランス押さえ板Ｂ、５は昇圧トランスを冷却するための冷却流体を供給するために設けられたテフロン（登録商標）チューブ等で構成された冷却ホース、６は高圧（ＨＶ）ケーブル、７はアース（Ｅ）ケーブルである。

図２（ａ）は、図１に示したフェライトコア１の中心を通り、紙面と平行な切断面から見た昇圧トランスの一部断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部を拡大して示した図、図３は図２に示す１次巻線１１の断面拡大図である。

これらの図において、８は、例えば、ガラス繊維材等からなる低誘電率材で構成される壁状体、９は壁状体８間に形成され、例えば、空気またはＮ２等からなる上記冷却流体が流出入可能に設けられた０．４乃至０．８ｍｍの厚さを有する気体層、１０は壁状体８間に形成された気体層９を確保するために設けられたスペーサ、１１は１層分巻回された１次巻線、１２は、例えば、０．１３ｍｍの厚さを有するノーメックス（登録商標）を複数枚重ね合わせて形成された絶縁層である。なお、その他の構成は図１に示した同符号の構成に対応する。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の発明に係る昇圧トランスにおいては、１次巻線１１上に壁状体８間に形成された気体層９を介して２次巻線２が巻回されている。そのため、従来、この１次巻線上にノーメックス（登録商標）等の絶縁体を複数枚（例えば、１０枚）巻回した後に２次巻線を巻回したような場合に比べて、１次巻線１１と２次巻線２間の間隙を狭くすることができる。その結果、昇圧トランスを小型化でき、また、１次巻線１１から２次巻線２への電磁エネルギーの転送効率を向上させることができ、さらに、２次巻線２に誘起される高周波高電圧の２次電圧の立ち上がり特性を改善することができ、エキシマ放電ランプの発光効率を向上させることができる。また、壁状体８と気体層９によって形成される合成誘電率を１乃至４と小さくすることにより、従来のノーメックス（登録商標）等の絶縁体を複数枚巻回したものに比べて、空気層９を介在した壁状体８に印加される電圧を大きくすることができ、壁状体８と１次巻線１１または２次巻線２間に発生する沿面コロナ放電を防止することができる。

また、２次巻線２は、図２（ｂ）に示すように、気体層９を確保する壁状体８上にバンク巻きに巻回されている。即ち、初めに１ターン目を壁状体８上に巻回し、次に、壁状体８と平行な進行方向において２ターン目を巻回し、次に、３ターン目を１ターン目と２ターン目の間隙上に巻回し、次に、４ターン目以降は、２ターン目と３ターン目の巻回方法を繰り返しながら、最終的に壁状体８上に壁状体８と平行に２層の２次巻線２を巻回する。換言すると、２次巻線２は、壁状体８と平行な進行方向に巻線が巻回される第１の巻線態様と、この第１の巻線態様によって巻線が形成される毎に、既存の巻線間の間隙上に新たな巻線を巻回する第２の巻線態様と、この第１の巻線態様と第２の巻線態様とを交互に繰り返して巻線を前記進行方向に巻回することによって構成されている。２次巻線２を上記のような巻回方法によつて巻回することにより、従来の２次巻線を一層巻回毎に次の層を積み重ねて巻回して行く巻回方法では、各層間に絶縁層を介在させる必要があるため、２次巻線における浮遊容量が増大することになるが、本発明の巻回方法によれば、隣接する巻線間の電位差を小さくすることができるため、絶縁層を介在させる必要がない。その結果、２次巻線２における浮遊容量を小さくでき、２次巻線２に誘起される高周波高電圧の立ち上がり特性を改善することができる。特に、急峻なパルス状の高周波高電圧でエキシマ放電ランプを点灯させる場合には極めて有効である。

また、１次巻線１１は、図３に示すように、素線の素線径φ０．０３乃至φ０．０８のものを用いる。このような素線を用いることにより、高周波電圧伝送における表皮効果を軽減させ、電力伝送効率を改善すると共に、昇圧トランスにおける発熱を抑制することができる。

さらに、１次巻線１１は、図３に示すように、リッツ線の技術を用いて素線径φ０．０３乃至φ０．０８の素線７本を束ね、さらに素線７本の束を非金属材からなるダミー線１３の周りに６束配置したものを用いる。１次巻線１１をこのように構成することにより、高周波電圧伝送における近接効果を軽減させ、電力伝送効率を改善することができると共に、昇圧トランスにおける発熱を抑制することができる。なお、１次巻線１１としてこのような巻線を採用することにより、交流抵抗計数（Ｆａｃ）を２０％低減することができた。

なお、実際の昇圧トランスの組立法としては、予め巻回された１次巻線１１、２次巻線２、および気体層９を形成した壁状体８を用意しておき、フェライトコア１に絶縁層１２を巻回後、その上に１次巻線１１、気体層９を形成した壁状体８、２次巻線２の順に配置して構成する。

本実施形態の発明に係る昇圧トランスは、適用される高周波高電圧の周波数が１０ｋＨｚから１ＭＨｚであり、昇圧トランスは、昇圧比が７倍から２０倍、１次側の入力電圧が５０Ｖから４００Ｖ、入力電流が最大１５０Ａｐ、出力電圧が２ｋＶｐ−ｐから１５ｋＶｐ−ｐ、出力電流が５００ｍＡから５Ａである。この場合、従来の昇圧トランスの２次側電圧の立ち上がり特性が、図４（ｂ）に示すように、４ｋＶ０−ｐ／μｓであるの対して、本発明の昇圧トランスによれば、図４（ａ）に示すように、１２ｋＶ０−ｐ／μｓとなり、極めて立ち上がり特性の優れた昇圧トランスを得ることができる。

本発明に係るエキシマ放電ランプの点灯装置に用いられる昇圧トランスを示す正面図である。図１に示した昇圧トランスのフェライトコア１の中心を通り、紙面と平行な切断面から見た一部断面図、および前記一部断面図のＡ部を拡大して示した図である。図２に示す１次巻線１１の断面拡大図である。本発明に係る昇圧トランスの高周波高電圧の立ち上がり特性および従来技術に係る昇圧トランスの高周波高電圧の立ち上がり特性を示す図である。

符号の説明

１フェライトコア
２２次巻線
３トランス押さえ板Ａ
４トランス押さえ板Ｂ
５冷却ホース
６ＨＶケーブル
７Ｅケーブル
８壁状体
９気体層
１０スペーサ
１１１次巻線
１２絶縁層
１３ダミー線

Claims

エキシマ放電ランプを点灯するための高周波高電圧を供給する昇圧トランスにおいて、
この昇圧トランスの１次巻線と２次巻線間に絶縁材からなる複数の壁状体を設け、この壁状体間に気体層を設けたことを特徴とする昇圧トランス。
前記壁状体の比誘電率と前記気体層の比誘電率とを合成した合成比誘電率が１乃至４であることを特徴とする請求項１に記載の昇圧トランス。
前記２次巻線は、前記壁状体と平行な進行方向に巻線が巻回される第１の巻線態様と、前記第１の巻線態様によって巻線が形成される毎に、既存の巻線間の間隙上に巻線が巻回される第２の巻線態様と、前記第１の巻線態様と前記第２の巻線態様とが交互に繰り返されて巻線が前記進行方向に巻回されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の昇圧トランス。
前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の昇圧トランス。
前記１次巻線は、巻線を構成する金属素線の素線径がφ０．０３乃至φ０．０８であると共に、前記金属素線を複数本束ねて複合リッツ線を構成し、この複合リッツ線の中心部に非金属材からなるダミー線を配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の昇圧トランス。