JP2010097847A

JP2010097847A - キセノンフラッシュランプ及びそれを用いた擬似太陽光照射装置

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Publication number: JP2010097847A
Application number: JP2008268542A
Authority: JP
Inventors: Maki Takenaga; 麻紀竹永; Shigenori Kobayashi; 茂法小林; Masaki Kanai; 正樹金井
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP5309880B2

Abstract

【課題】点灯回路の主回路に用いる半導体の耐圧に対して適正な範囲のランプ電圧となるようにキセノンフラッシュランプを設計する。
【解決手段】キセノンフラッシュランプにおいて、キセノンフラッシュランプの管径をＤ（ｍｍ）、キセノンガス圧をＰ（ｔｏｒｒ）、１本あたりの発光長をＬ（ｍｍ）、ｎを１以上の整数、１本当たりのランプ電圧をＶとした場合に、１０００≦ｎ×Ｌ≦３０００であり、ランプ電流が６０Ａ以下の場合に、ｎ×Ｖ≦８００となるようにＤ、Ｐ及びＬが選択される構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明はキセノンフラッシュランプに関し、特に擬似太陽光照射装置に用いるキセノンフラッシュランプに関する。

擬似太陽光照射装置用の光源として従来からキセノンフラッシュランプが使用されている。キセノンフラッシュランプはその発光特性が太陽光に近いこと、照度立ち上がりが速いこと（閃光点灯が可能なこと）、及びランプ形状についても太陽光パネルのサイズに合わせてアーク長を長くすることが可能なことから、特に擬似太陽光照射装置用の光源に適している（例えば、特許文献１）。

図２はキセノンフラッシュランプの一般的な点灯回路を説明する図である。点灯回路３は直流電源部３１、コンデンサ３２、スイッチング素子３３、整流素子３４、電流検出部３５及び制御部３６からなる。ランプ１は必要に応じてｎ本（ｎは１以上の整数）が直列接続される。なお、整流素子３４はなくても動作可能である。制御部３６は、検出電流に基づいて、キセノンフラッシュランプ１に供給される直流電流が電流値一定の矩形波（幅１０ｍ〜１２０ｍｓ）となるようにスイッチング素子３３の動作を制御する。
特開２００６−１０８１２８号公報

ところで、ランプの管径、ガス圧及び発光長の選択次第では、ランプ電圧（複数本を直列接続する場合には合計ランプ電圧）が高くなり、点灯回路に使用する半導体の耐圧に対してディレーティングがとれない場合があった。また、ランプ電圧が高くなる場合に対応するために、より高い耐圧の半導体素子を点灯回路に用いる必要があり、点灯回路が高価になるという問題があった。

そこで、点灯回路の主回路に用いる半導体の耐圧に対して適正な範囲の合計ランプ電圧となるように、ランプを設計する必要がある。

本発明の第１の側面は、キセノンフラッシュランプであって、キセノンフラッシュランプの管径をＤ（ｍｍ）、キセノンガス圧をＰ（ｔｏｒｒ）、１本あたりの発光長をＬ（ｍｍ）、ｎを１以上の整数、１本あたりのランプ電圧をＶとした場合に、１０００≦ｎ×Ｌ≦３０００であり、ランプ電流が６０Ａ以下の場合に、ｎ×Ｖ≦８００となるようにＤ、Ｐ及びＬが選択されたキセノンフラッシュランプである。

本発明の第２の側面は、点灯回路によって直流電流が通電されるキセノンフラッシュランプであって、キセノンフラッシュランプの管径をＤ（ｍｍ）、キセノンガス圧をＰ（ｔｏｒｒ）、１本あたりの発光長をＬ（ｍｍ）、ｎを１以上の整数、１本あたりのランプ電圧をＶとした場合に、１０００≦ｎ×Ｌ≦３０００であり、ランプ電流が６０Ａ以下の場合に、ｎ×Ｖの値が、点灯回路の主回路に使用される半導体素子の最大定格電圧の８０％以下となるようにＤ、Ｐ及びＬが選択されたキセノンフラッシュランプである。
ここで、上記半導体素子の最大定格電圧を１０００Ｖ以上１５００Ｖ以下とするのが望ましい。

また、上記第１及び第２の側面において、６.０≦Ｄ≦２０.５、３０≦Ｐ≦１２０、６００≦Ｌ≦１０５０とすればよく、より好ましくは、１２.５≦Ｄ≦２０.５、３０≦Ｐ≦１００、６００≦Ｌ≦１０５０とするのが望ましい。

本発明の第３の側面は、上記第１及び第２の側面のキセノンフラッシュランプ、及びそのキセノンフラッシュランプに直流矩形波電流を通電するための点灯回路からなる擬似太陽光照射装置である。

上記のようにキセノンフラッシュランプを設計することにより、ランプ電圧（合計ランプ電圧）を点灯回路の半導体素子の耐圧に対して余裕を持った値とすることができる。
また、点灯回路の半導体素子の耐圧を低いものとし、高電流タイプ又は低価格な半導体を用いることができ、点灯回路の負荷やコストを低減することができる。

図１は本発明の擬似太陽光照射装置１００を模擬的に示す図である。図において、照射対象の太陽光パネル２が本発明のキセノンフラッシュランプ１（以下、「ランプ１」という）及びその反射板５によって照射される。ランプ１は点灯回路３によって通電され、太陽光パネル２には測定手段４が接続されている。点灯回路３は上述した図２のものと同様である。

次に、ランプ１の設計について説明する。
ランプ１の発光特性及びパネル２に対する好適な配置関係を確保するのに必要な検討事項として、（１）ランプの管径Ｄ（ｍｍ）、（２）内部のガス圧Ｐ（ｔｏｒｒ）、並びに（３）発光長Ｌ（ｍｍ）及び直列接続する本数ｎがある。以下、１本あたりの単位発光長をＬ、合計発光長をｎＬで表す。

また、点灯回路３との関係において必要な検討事項としてランプ電圧がある。即ち、点灯回路３を安全に使用するためには、光束確保に必要な５０〜６０Ａのランプ電流を通電した時のランプ電圧が点灯回路３の半導体素子（スイッチング素子３３、整流素子３４）の最大定格電圧に対して所定の余裕を持った値である必要がある。
一般的には半導体素子（３３、３４）の最大定格電圧は１０００〜１５００Ｖ程度のものが使用され、その素子に係る電圧、即ち、合計ランプ電圧ｎＶは最大定格電圧の８０％程度（７０〜９０％）以下とするのが信頼性確保の観点から望ましい。例えば、スイッチング素子３３の最大定格電圧が１０００Ｖである場合、ｎＶは８００Ｖ以下とするのが望ましい。

（１）管径Ｄ
管径Ｄはランプ電圧Ｖ、スペクトル合致度、及び照度立ち上がりの速さに影響する。その関係をまとめると以下の表の通りとなる。

図３は、例えば、ガス圧Ｐ＝１００、合計発光長ｎＬ＝１２００（ｎ＝２、Ｌ＝６００）の場合の管径Ｄと合計ランプ電圧ｎＶとの関係を各ランプ電流について示すグラフである。グラフは下に凸の二次曲線で近似される。これらの二次曲線は、Ｄ＝２１付近に極小点が存在し、このうちのランプ電流が６０Ａのものについては、
ｎＶ＝２.８８Ｄ^２−１２５Ｄ＋１７２０
で表され（有効数字３桁）、Ｄ＝６.０付近で、ｎＶ＝８００となる。なお、極小点より左側がこの近似曲線の有効範囲である。
従って、６.０≦Ｄ≦２０.５が、上記条件におけるＤの好適な範囲となる。

（２）ガス圧Ｐ
ガス圧Ｐはランプ電圧Ｖ、ランプ寿命（黒化の有無）、及び照度立ち上がりに影響する。その関係をまとめると以下の表の通りとなる。

ここで、ガス圧の実用的な下限（スパッタによる黒化が問題とならない範囲）はＰ＝３０である。

図４は、例えば、管径Ｄ＝２０.５、合計発光長ｎＬ＝１６００（ｎ＝２、Ｌ＝８００）の場合のガス圧Ｐと合計ランプ電圧ｎＶとの関係を各ランプ電流について示すグラフである。グラフは上に凸の二次曲線で近似される。これらの二次曲線は、Ｐ＝１２５付近に極大点が存在し、このうちのランプ電流が６０Ａのものについては、
ｎＶ＝−０.１５５Ｐ^２＋３.９３Ｐ＋２４２
で表される（有効数字３桁）。なお、極大点より左側がこの近似曲線の有効範囲である。
従って、３０≦Ｐ≦１２０が、上記条件におけるＰの好適な範囲となる。

（３）発光長
単位発光長Ｌ又は合計発光長ｎＬはランプ電圧Ｖに影響するが、専らパネル２の寸法に従って決定される。当然に発光長が大きいほどランプ電圧は高くなる。
パネルの寸法は１０００〜３０００ｍｍであるので、１０００≦ｎＬ≦３０００であればよい。従って、ｎ＝２（場合によってはｎ＝１）として、６００≦Ｌ≦１０５０とするのが好適である。

図５は、例えば、管径Ｄ＝２０.５、ガス圧Ｐ＝１００の場合の合計ランプ長ｎＬと合計ランプ電圧ｎＶとの関係を示すグラフである。グラフは下に凸の二次曲線で近似される。このようなグラフに基づいて、単位発光長Ｌ（又は合計発光長ｎＬ）を決定することができる。

図３〜５に示した例は、各パラメータについての測定結果の一例に過ぎない。また、合計ランプ電圧ｎＶの上限を８００Ｖとしたが、使用する半導体素子（３３、３４）の最大定格電圧によってこの値は適宜設定変更すればよい。

表３に、ランプの管径Ｄ、内部のガス圧Ｐ、及び単位発光長Ｌを変化させた場合の実施例についての測定結果を示す。なお、いずれの実施例においても、ｎ＝２である。
これらの実施例では、いずれも合計ランプ電圧ｎＶが８００Ｖ以下となり、好適な結果が得られた。

なお、表３はランプ電流が５０Ａの場合についての合計ランプ電圧ｎＶ（ｎ＝２）を記載するものであるが、図６（ａ）〜（ｃ）の電流−電圧特性のグラフより、ランプ電流が６０Ａの場合においてもｎＶが８００Ｖ以下となることが予想できる。

以上のようにランプを設計することにより、合計ランプ電圧を意図する電圧以下とすることができるとともに、点灯回路の高耐圧化を回避することができる。

本発明の擬似太陽光照射装置を示す図である。キセノンフラッシュランプの一般的な点灯回路を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプの管径とランプ電圧の関係を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプのガス圧とランプ電圧の関係を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプの発光長とランプ電圧の関係を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプの電流−電圧特性を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプの電流−電圧特性を示す図である。本発明のキセノンフラッシュランプの電流−電圧特性を示す図である。

符号の説明

１．キセノンフラッシュランプ
２．太陽光パネル
３．点灯回路
４．測定手段
５．反射板
３１．直流電源部
３２．コンデンサ
３３．スイッチング素子
３４．整流素子
３５．電流検出部
３６．制御部
１００．擬似太陽光照射装置

Claims

キセノンフラッシュランプであって、
該キセノンフラッシュランプの管径をＤ（ｍｍ）、キセノンガス圧をＰ（ｔｏｒｒ）、１本あたりの発光長をＬ（ｍｍ）、ｎを１以上の整数、１本あたりのランプ電圧をＶとした場合に、
１０００≦ｎ×Ｌ≦３０００であり、
ランプ電流が６０Ａ以下の場合に、ｎ×Ｖ≦８００となるように前記Ｄ、Ｐ及びＬが選択されたキセノンフラッシュランプ。
点灯回路によって直流電流が通電されるキセノンフラッシュランプであって、
該キセノンフラッシュランプの管径をＤ（ｍｍ）、キセノンガス圧をＰ（ｔｏｒｒ）、１本あたりの発光長をＬ（ｍｍ）、ｎを１以上の整数、１本あたりのランプ電圧をＶとした場合に、
１０００≦ｎ×Ｌ≦３０００であり、
ランプ電流が６０Ａ以下の場合に、ｎ×Ｖの値が、前記点灯回路の主回路に使用される半導体素子の最大定格電圧の８０％以下となるように前記Ｄ、Ｐ及びＬが選択されたキセノンフラッシュランプ。
請求項２記載のキセノンフラッシュランプにおいて、前記半導体素子の最大定格電圧が１０００Ｖ以上１５００Ｖ以下であるキセノンフラッシュランプ。
請求項１又は２記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
６.０≦Ｄ≦２０.５、３０≦Ｐ≦１２０、６００≦Ｌ≦１０５０
であるキセノンフラッシュランプ。
請求項１又は２記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
１２.５≦Ｄ≦２０.５、３０≦Ｐ≦１００、６００≦Ｌ≦１０５０
であるキセノンフラッシュランプ。
請求項１から５いずれか一項に記載のキセノンフラッシュランプ、及び該キセノンフラッシュランプに直流矩形波電流を通電するための点灯回路からなる擬似太陽光照射装置。