JP5153365B2 - マイクロ波励起放電ランプの点灯方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波励起放電ランプの点灯方法に関し、特に、リップルのない直流電流を用いて大出力で紫外光を発光させる無電極放電ランプの点灯方法に関する。

マグネトロンからのマイクロ波電力を放電ランプに印加して点灯する無電極放電ランプは、放電ランプ内に電極を必要としない。そのため、電極の劣化や、封入ガスの汚染や、石英ガラスなどのランプ容器の汚染を引き起こさず長寿命である。放電ランプの内径を細くできるので、有電極放電ランプに比べて集光性が良い。無電極放電ランプにマイクロ波電力を印加するためには、適切な空洞（マイクロ波）共振器に無電極放電ランプを収容し、マグネトロンで発生したマイクロ波電力を、適切な導波路（導波管や同軸線路）を経由し、空洞共振器に設置したアンテナにより結合して印加する。

マグネトロンを駆動するには、数千ボルトの電圧と数百ミリアンペアの電流が必要になる。通常、商用周波数の電力を整流して得られる脈流状態の電力をマグネトロンに印加する方法が広く行われている。この方法は、電源装置を低価格で作製でき、電源装置が単純なため、故障が少ないことが特徴である。また、マグネトロン駆動電力を、要求される照度により、フルパワーの35％〜100％の間で変化させることができる。

マグネトロンのマイクロ波で励起する無電極放電ランプは、高出力で集光性が良い紫外光が得られるので、FPD業界でのフィルム加工や、光ファイバー線の線引き加工や、UV塗装などの分野で利用されている。これらの工程で使用される塗布物は、一般的に感光性樹脂（ホトポリマー）といわれるものである。紫外線を一定量以上照射すると、固化したり乾燥したり硬化したりする。また、離型性や粘着性などを高めることができる。環境対策（CO₂、VOC排出規制など）のために、エネルギー使用量と溶剤使用量の少ない工程が求められており、感光性樹脂を用いる工程は、基本的に溶剤を使用せず、熱に代わり紫外線で処理するので、熱処理に比べてエネルギー使用量と溶剤使用量が非常に少ない。

近年は、製造ラインの高スピード化の要求が強い。また、安定した製品を製造するための安定性の要求も強い。光ファイバーの線引きラインのスピードは、1000ｍ／分である。フィルム加工は、100ｍ〜200ｍ／分である。この様な高速処理では、脈流電源を使用した場合、製造ラインの高スピード化で、部分的に紫外線の照射量が変化し、均一な製品とならなくなる。周波数（50Hzあるいは60Hz）に応じて、放電ランプの点滅（約10ミリ秒〜８ミリ秒毎）があり、紫外光の未照射期間が発生して、製品への光の照射むらとなり、安定した製品が得られない。また、50Hzまたは60Hzの２倍の周波数で点滅を繰り返すことにより、放電ランプの寿命が短くなる。

そこで、直流電源でマグネトロンを駆動する方法が用いられるようになった。パルスモードスイッチング電源を応用し、脈動の少ない直流電力をマグネトロン駆動に使用すると、マイクロ波電力の強さが安定し、放電ランプに印加した場合、発光出力が一定し、良質の光を得ることができる。脈流を使う従来型の電源装置で、平均電力を直流駆動と同じにして運転した場合、脈流方式ではマグネトロンが停止する期間が長いため、その分マグネトロンのピーク出力が大きくなる。この結果、マグネトロンの最大ピーク電力が大きくなり、マグネトロンの寿命が短くなる。放電ランプへのマイクロ波入力も脈流状態となるため、最大ピーク入力が大きくなり、放電ランプの寿命も短くなる。脈動のない直流電源装置で駆動すると、マグネトロンと放電ランプの寿命が延びる。

このように、マグネトロンの直流駆動には利点があるが、一方では異常発振を起し易いという欠点もある。脈動のない直流電源装置を使用すると、マグネトロン駆動電力が安定して放電ランプも安定状態であるとき、突然に異常状態が起きるときがある。マグネトロンは、反射波の振幅と位相により、発振周波数と出力が変化する。その様子は、マグネトロンごとにリーケ線図として表される。マグネトロンに突然の異常動作が生じた場合、直流電源で動作するので陽極電圧がゼロになることがなく、正常な安定した動作に戻ることはない。この状態は、マグネトロンと放電ランプにとっては望ましくない状態である。製造ラインで使用する紫外線放電ランプの場合は、異常状態の発現後、早期に安定状態に戻り、作業の中断を極力抑える必要があり、放電ランプが破損する前に、安定した発光状態に戻ることが要求される。マグネトロンの異常発振の対策として、マグネトロンの高圧駆動を周期的に停止する方法や、異常を検知してマグネトロンを一時的に停止する方法がある。

また、点灯開始直後のマイクロ波励起無電極放電ランプ内の発光媒体の気化が不十分であると、反射波によりマグネトロンが自己加熱して破損する。これを防止するために、点灯開始直後のスタート期間に、発光媒体がマイクロ波を吸収して充分に気化する時間よりも長い時間をかける。すなわち、脈動のない直流電源装置で駆動するマグネトロンを使用し、点灯開始直後のスタート期間に、発光媒体がマイクロ波を吸収して充分に気化する時間よりも長いスタート時間となるように、発光媒体の気化に合わせて、マグネトロンへの電力を増加するスタートを行う。これは、無電極放電ランプシステムのソフトスタートとして知られている。以下に、マグネトロンの異常発振対策に関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「高周波加熱装置」は、不安定発振やモーディングによるマグネトロンおよび他の構成部品の損傷を防ぎ、かつ不安定発振の検知信頼性を向上させるものである。マグネトロンのモーディング時に、これを電流検知回路で検知して、制御回路で、インバータ回路のオン信号を遮断する。また、加熱開始時に、電流検知回路からの入力に基づく制御を一定時間停止するか、電流帰還手段のレベル値がある一定値に達するまで、マグネトロン電流検知機能を停止する。

特許文献２に開示された「マグネトロンの異常検知方法」は、インバータ電源で付勢されるマグネトロンを用いた高周波加熱装置のマグネトロンの異常発振を検出する方法である。インバータ電源への入力電流を、入力電流検出手段で検出する。マグネトロンの異常動作であるモーディングの発生を、異常発振検知手段で検知する。インバータ電源への入力電流と、異常発振検知手段の基準値とを比較することにより、マグネトロンの異常発振を検知することができる。

特許文献３に開示された「無電極ランプシステム」は、反射波によるマグネトロンの自己加熱による破損を防止するものである。マグネトロンより発生させたマイクロ波の電磁場により、無電極ランプの内部に封入された発光媒体を励起させて発光させる。マグネトロンを駆動させるための電力を、ソフトスタート手段で徐々に増加させる。ソフトスタート手段は、反射波によるマグネトロンの自己加熱によって破損を防止するためのものであり、無電極ランプの発光開始時に使用する。

特許文献４に開示された「高周波加熱装置」は、バッテリーなどの直流電源を入力電源とするものにおいて、起動から定常への遷移時にモーディング発振の状態で安定することを防ぎ、マグネトロンの寿命を延ばすものである。モーディング発振検知部で、マグネトロンがモーディング発振していることを検出する。この情報に基づいて、インバータ回路を停止または再起動させる。モーディング発振検知部によって、マグネトロンがモーディング発振を継続することを防止できる。マグネトロンの寿命を損ねることなく、バッテリーなどの直流電源を電力源とする高周波加熱装置を実現できる。

特許文献５に開示された「マグネトロン駆動電源装置」は、異常検出回路を設けることなく、簡単な回路構成で、マグネトロンを安定に動作させることができるものである。高圧発生手段で、マグネトロンを駆動する高圧を発生する。マグネトロンのカットオフ可能な僅かな期間だけ、高圧発生手段の動作を停止させる停止信号を、所定周期毎に停止信号発生手段で発生する。高圧発生手段は、停止信号発生手段からの停止信号に応じて高圧の発生を停止する。
特開平05-251174号公報 特開平07-014672号公報 特開2003-068490号公報 特開2003-100440号公報 特開2004-200051号公報

しかし、上記従来のマグネトロンの直流駆動方法では、次のような問題がある。マグネトロンの異常現象が無電極放電ランプの点灯開始直後の１分以内に起きやすく、放電ランプあるいはマグネトロンの破損となる。無電極放電ランプを点灯するためのマグネトロンには共振器が接続されているので、マイクロ波加熱用のマグネトロンとは動作特性が異なり、マイクロ波加熱用のマグネトロンの異常発振防止方法をそのまま適用することができない。点灯開始直後や減光や増光の途中では、マグネトロン駆動電流や印加電圧が変化し、放電ランプからのマイクロ波反射も変化するので、異常発振を簡単に検出することができない。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、直流駆動のマグネトロンによる無電極放電ランプの点灯開始直後の異常状態を持続させないことである。

上記の課題を解決するために、本発明では、交流電力を高圧直流電力に変換し、高圧直流電力をマグネトロンに供給し、マグネトロンからマイクロ波を発生し、共振器中の無電極放電ランプをマイクロ波で励起する無電極放電ランプ点灯方法で、高圧直流電力の供給開始から無電極放電ランプの放電が安定するまでのスタート期間では、高圧直流電力の供給を徐々に増加させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させ、無電極放電ランプの放電が安定した後の安定状態期間では、高圧直流電力の異常電圧を検知したとき、マグネトロンへの高圧直流電力の供給を一時的に停止させる方法とした。

安定状態期間では、マグネトロンの電極電圧が規定の値より１％以上上昇した時に異常と検知する。スタート期間では、高圧直流電力を徐々に増大させて平坦に保持し、そしてまた徐々に増大させる。高圧直流電力の供給停止時間は、高圧直流電力が印加されるオン時間より短い。高圧直流電力の供給停止時間は、0.1ミリ秒から20ミリ秒の範囲である。スタート期間では、一定の周期または不規則的な間隔で、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。減光時には、高圧直流電力を徐々に減少させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。減光からの復帰時には、高圧直流電力を徐々に増加させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。

上記のようにマグネトロンの駆動電源を制御することで、異常状態が継続しない安定した連続的な点灯状態が得られる。従来の点灯方法に比べて、オン／オフ動作がほとんどスタート期間のみになり、放電ランプの寿命が約２倍になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図６を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、スタート期間では、高圧直流電力の供給を徐々に増加させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し一時的に停止させ、安定放電期間では、高圧直流電力の異常電圧を検知したとき、マグネトロンへの高圧直流電力の供給を一時的に停止させる無電極放電ランプ点灯方法である。

図１は、本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法を確認するためのランプ穴あけ実験のタイムチャートである。図２は、無電極放電ランプ点灯方法の効果確認実験のタイムチャートである。図３は、マグネトロンの動作モードの説明図である。

図４は、本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法を実行する点灯装置の機能ブロック図である。図４において、商用電力１は、50Hzまたは60Hzの交流電力である。整流器２は、交流を脈流に変える手段である。コンデンサ３は、脈流を低リップルの直流に変える平滑手段である。スイッチング回路４は、直流電流をパルス電流に変換する回路である。トランス５は、パルス電流を昇圧して高圧交流電流にする手段である。整流器６は、高圧交流電流を高圧の脈流電流に変える手段である。コンデンサ７は、高圧の脈流電流を低リップルの高圧直流電流に変える平滑手段である。

トランス８は、マグネトロンのヒータ電流の電圧を変えるとともに、ヒータとヒータ制御回路を絶縁する手段である。マグネトロン９は、マイクロ波を発振する電子管である。ヒータ制御回路10は、マグネトロンのヒータ電流を制御する手段である。電流検出回路11は、マグネトロンの陽極電流を検出する回路である。比較器12は、マグネトロンの陽極電流と設定値を比較する手段である。手動ノブ13は、手動でマグネトロン駆動電圧を設定するための操作ノブである。タイマ14は、電流設定信号をオン／オフするタイミングを生成し、電流設定信号をオン／オフ制御する手段である。

パルス幅変調回路（PWM）15は、比較器の出力に応じて、パルス幅が規定のオンとオフの幅になるように制御する回路である。ドライバ16は、スイッチング回路を駆動する素子である。プログラマ17は、駆動電圧を設定する手段である。可変電圧発生回路18は、プログラマあるいは手動ノブに従って電圧を発生する回路である。スイッチ19は、タイマに従って設定電圧をオンオフする手段である。タイマ20は、マグネトロンをオフにするタイミングを決める手段である。電圧検出器21は、マグネトロンの陰極電圧を検出する手段である。異常計測器22は、マグネトロンの陰極電圧に基づいて異常を検出する手段である。導波管23は、マグネトロンの出力マイクロ波を共振器に伝える手段である。無電極放電ランプ24は、マイクロ波により点灯される放電ランプである。

図５は、無電極放電ランプ点灯方法を説明するタイムチャートである。図６は、無電極放電ランプ点灯方法におけるスタート期間での制御方法を説明するタイムチャートである。

上記のように構成された本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法の原理と動作手順を説明する。最初に、無電極放電ランプを安定に点灯する方法の原理を説明する。マグネトロンと導波路と共振器とアンテナと放電ランプを組み合わせた灯具では、発振周波数の変化に対する応答動作が複雑になる。マグネトロンの発振周波数が変わると、無電極放電ランプへの導波路およびアンテナと共振器は、マイクロ波の振幅と位相を変化させる。すなわち、発振周波数が変化すると反射波の振幅・位相が変化し、その影響でマグネトロンの発振周波数が変化する。その結果、さらに反射波が強くなり、さらに発振周波数が変化し、より反射の大きい状態に遷移してしまう。例えば、ゴミや塵や結露や水滴などの外部要因により、放電ランプ内の放電状態が乱れて、放電ランプが異常状態になることがある。マグネトロン駆動電力が安定していると、放電ランプからの強い反射波によって引き起こされたマグネトロンの異常状態を、いつまでも保つこととなる。

空洞共振器およびアンテナと放電ランプとの結合が適切であれば、マグネトロンからのマイクロ波電力はすべて放電ランプに吸収される。しかしながら、マグネトロンの出力が６ｋW（片側３ｋW×２）以上になるような大出力の放電ランプでは、放電開始前後で電気的動作が大幅に変化するため、アンテナと放電ランプとの間のマイクロ波の結合は一定しない。放電ランプが放電を開始する前は反射波が強く、マグネトロンへの影響が強いが、放電開始後に放電が安定し、マイクロ波の吸収が強くなると、反射波が弱くなってマグネトロンの動作は安定する。放電開始前はマイクロ波の吸収が少なく、吸収されないマイクロ波は反射波となってマグネトロンに戻ってゆく。放電開始後は、放電ガスが電気的に伝導体となるので、マイクロ波を吸収し、マグネトロンへ戻る反射波は少なくなる。

ソフトスタートでマグネトロンに徐々に電流を流しはじめると、マイクロ波電力は次第に大きくなり、反射波も大きくなる。この反射波の振幅および位相によっては、マグネトロンの発振状態が、定格状態から大きくはずれた状態に陥って安定する。スタート時には、マグネトロンの電流と電圧が大きく変化するので、異常な安定点に近づき易い。このような定格動作から外れた周波数での発振状態では、共振器とアンテナでのマイクロ波の分布が乱れ、異常に強い定在波が発生することがある。このような場合、マイクロ波電力が放電ランプの一部に集中し、放電ランプの一部を異常に加熱して、放電ランプを破損させることがある。

点灯開始時のマグネトロン異常発振によるランプ破損を避けるために、次のように制御する。直流駆動のマグネトロンをソフトスタートさせ、放電ランプへマイクロ波を照射したとき、反射波の強い状態で異常動作状態を持続させないため、直流電源の出力を短時間オフにし、異常動作状態をリセットすることを繰り返す。その後、安定した直流電力を供給すると同時に、マグネトロンの陽極動作電流が一定になるように制御する。放電ランプの動作電圧の上昇を検知したとき、直流電源の出力を短時間オフにして安定状態に戻す。さらに、マグネトロン駆動電力の増加または減少の開始から約30秒間は、マグネトロンを繰り返し一時的に停止させて、マグネトロンおよび放電ランプの異常状態の継続を防止する。

安定状態期間では、マグネトロンの電極電圧が規定の値より１％以上上昇した時に異常と検知する。スタート期間では、高圧直流電力を徐々に増大させて平坦に保持し、そしてまた徐々に増大させる。高圧直流電力の供給停止時間は、高圧直流電力が印加されるオン時間より短くする。高圧直流電力の供給停止時間は、0.1ミリ秒から20ミリ秒の範囲とする。スタート期間では、一定の周期または不規則的な間隔で、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。減光時には、高圧直流電力を徐々に減少させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。減光からの復帰時には、高圧直流電力を徐々に増加させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させる。この方法は、マグネトロンの異常発振の原因と対策方法の効果を確認する実験の結果に基づくものである。

次に、図１を参照しながら、マイクロ波励起放電ランプ点灯装置に異常動作を強制的に発生させる実験について説明する。異常動作とは、ランプの特定の場所に穴が開くということである。この現象の明確な原因は不明である。ランプの安定点灯中に、針金をランプの近くに投入することによって、常に同じような穴が開くという現象を、実験で再現できる。実験において、マグネトロン駆動電流とマグネトロン電圧とランプの光出力は、図１に示すように変化する。時間軸に、T1〜T5までのマークを記してある。

T1で、電源を起動して放電を開始すると、光出力が上昇する。T1〜T2はソフトスタ−ト期間である。マグネトロン駆動電流を定格電流よりも低い値に一時的に保持し、その後定格電流まで増加させる。このとき、マグネトロン電圧が上昇し、光出力も増加する。T2の時点で、放電が安定する。T2〜T3では、安定点灯が持続する。T3で、針金をランプの近くに投入する。T3〜T4で、放電状態が乱れ、光出力が減少する。このとき、マグネトロン駆動電流を所定電流に維持しており、電圧が約200V上昇して少し変動する。

T4で、ランプに穴が開き、放電が止まり、光出力は０になる。この後、電圧は安定状態に戻る。針金投入後、ランプに穴が開くまでの時間は、針金の投入の仕方で、長くなったり短くなったりする。T5で放電が停止した後、マグネトロン駆動電流とマグネトロン電圧は安定状態の値に戻るが、光出力が０になったため、保安回路が働いて、マグネトロンは強制的に停止される。

次に、図２を参照しながら、マグネトロンの駆動を一次停止させる実験の結果を説明する。T1まで安定点灯している。T1で針金を投入すると、放電が不安定となり、電圧が上昇する。約１秒経過後、パルス変調回路を操作して、マグネトロンを短時間停止させる。この後、マグネトロン電圧と光出力が元に戻り、安定点灯を持続する。

この結果から、次のことが結論できる。針金をランプの近くに投入した後、針金はランプ近くを通り、冷却風に飛ばされて、ランプから離れたところに行く。飛ばされた後の針金の位置は、はじめからこの位置にあれば、放電を乱さない位置である。放電が乱れたのは、針金がランプの近くを通り、マイクロ波の分布を大きく乱したためである。これがきっかけとなってとなって放電状態が乱れる。この状態が、針金が無くなっても持続してしまう。持続したままの乱れた放電は、マグネトロンを短時間停止するとリセットされ、安定状態を取り戻す。

次に、図３を参照しながら、マグネトロンの結合モードについて説明する。マグネトロン内部は、陰極と陽極と磁石から構成されている。陽極には、空洞共振器が作られている。陰極と陽極の間には、電子を加速するために、高電圧（４〜５kV）が印加されている。陰極から放出された電子は、陽極へ向う間に磁場により曲げられる。これによって、電磁波（マイクロ波）を発生する。陽極に組み込まれた共振器により、単一周波数で効率よく発振する。陽極には複数（10個程度）の共振器が作られており、これらの共振器相互の位相が異なる高次モード発振が可能である。ただし、この高次モードの発振は、基本モードより1000V程度高い電圧が必要であるため、通常は、高次モードの発振は起こらないようになっている。この様子を、図３（ａ）の電流・電圧のグラフで示す。マグネトロンのフィラメントが劣化するか、加熱電力が不足して、カソード電流が十分に流れないとき、電流が少なく電圧の高い高次モードに遷移することがある。この現象は、モーディングとして知られている。

異常状態が維持される原因は、次のように推定される。無電極放電ランプでは、導波管などを通して、マグネトロンの外部にマイクロ波を取り出し、負荷となる共振器にマイクロ波電力を供給している。この負荷の共振器と、マグネトロンの共振器とが結合して、マグネトロンの基本モードとは異なるモード（ここでは結合モードという）で発振する可能性がある。これは、複数の共振器が強く結合すると、それぞれの共振周波数とは異なる共振点を持つようになる現象と同じである。

図３（ｂ）に示すように、結合モードは、通常より高電圧を必要とするモードとなるので、このようなモードでの発振は通常では起こりにくい。ところが、負荷の共振器の共振状態によっては、基本モードの周波数の反射波が強くなって不安定となり、高電圧を必要とする結合モードに遷移して、その状態を維持するようになる。放電ランプを収容した共振器が負荷となっている場合、この結合モードが存在すると考えられる。針金などが投入された場合、その擾乱を受けて基本モードの周波数の反射波が強くなる。この条件では、結合モードが基本モードより安定になるので、基本モードから結合モードに遷移し、その状態を持続する。状態遷移の様子を簡単に表すと、図３（ｃ）のようになる。

次に、図４を参照しながら、無電極放電ランプ点灯装置の動作を説明する。商用電力１を整流器２で整流し、コンデンサ３で平滑した直流電力を、半導体スイッチング素子によるスイッチング回路４により20ｋHz程度の交流に変換する。この交流をトランス５により昇圧し、整流器６で整流し、コンデンサ７で平滑して高電圧電流を得る。この直流電力をマグネトロン９に印加する。トランス８はヒータ加熱用電力を供給し、ヒータ制御回路10により加熱電力を制御する。なお、本実施例において整流器２からコンデンサ７までを高圧直流電源と称す。マグネトロン９で発生したマイクロ波は、導波管23に供給され、空洞共振器中の放電ランプ24を点灯させる。

マグネトロン９の陽極電流を所定の値に保たせるために設けられたプログラマ17の指令出力により、可変電圧発生回路18の出力電圧が変えられる。また、電流検出回路11から検出された電流値は、電圧値に変換されて、比較器12に供給される。スイッチ19を介して可変電圧発生回路18から供給された電圧値と、電流検出回路11から得られた電流を基にする電圧値とが、比較器12により比較される。この比較結果に基づいて、パルス幅変調回路（PWM）15、ドライバ16を介して、スイッチング回路４が制御される。その結果、マグネトロンに供給される電圧が制御される。

タイマ14は、電流設定信号をオン／オフするタイミングを生成し、電流設定信号をオン／オフ制御する。タイマ14は、タイマICにより、ワンショットタイマ回路と自励発信回路を組み合わせて、所定の制御信号を生成してもよいし、プログラマブルコントローラ（PLC）などで生成してもよい。

無電極放電ランプの放電開始時に、プログラマ17からの指令により、所定の時間（期間）、マグネトロンに印加される電力が徐々に増加するように、可変電圧発生回路18の出力電圧を制御する。即ち、この出力電圧は、比較器12、PWM15、ドライバ16を介して、スイッチング回路４に供給される。その制御素子（トランジスタ）のオン時間が長くなるように、それらのスイッチング速度（周波数）を徐々に変化させる。その結果、マグネトロンに供給される電力（電圧、電流）が増加する。

所定時間後、マグネトロンの陽極電流が上昇し、プログラマ17に設定された値と等価になれば、比較器12の出力で、PWM15の出力が規定のオンとオフの幅になるように、PWM15が制御される。その結果、ドライバ16を介して、スイッチング回路４のスイッチングを規定の幅に保つように制御する。

一方、マグネトロンの陽極電流が上昇し、プログラマ17に設定された値となるまでの期間、タイマ20からの指令により、スイッチ19が周期的にオン、オフされる。このオン時間は、例えば、100ミリ秒であり、オフ時間は２ミリ秒である。この周期的なオン、オフにより、異常動作を回避しながらの電力増加となり、スタート時のトラブルの発生がなくなる。

マグネトロンおよび放電ランプの放電が安定動作に移行してから、マグネトロンに供給される電圧が、例えば放電ランプ周辺のゴミや塵により放電が乱れ、一定値を超えて変化した場合、電圧検出器21により、その電圧が検出される。その変化した時間が、例えば0.5秒である時、異常計測器22により判別されて、判別出力がタイマ20に供給される。この供給により、タイマ20が駆動され、スイッチ19をオフさせる。その時間は、例えば１ミリ秒である。

この１ミリ秒の間、スイッチング回路４はオフにされ、マグネトロンへの電力供給が遮断される。したがって、異常放電による放電ランプの局部温度上昇による放電ランプのガラス容器の破損を防ぐことができる。また、放電ランプ装置の停止による時間および製造物の不良が最低限に抑えられる。

また、点灯中にラインスピードを遅くするなどのため、あるいは被照射物の種類の変更により、放電ランプの出力を変える場合には、手動ノブ13により、可変電圧発生回路18の電圧を変える。この電圧変更期間中では、タイマ14により、スイッチ19を、例えば、１秒オンさせ、１ミリ秒オフさせる。その期間、スイッチ19がオフの間は、スイッチング回路４が遮断される。そのため、放電ランプの異常放電状態の発生がなく、安全にマグネトロンへの供給電力の変更ができる。

次に、図５のタイムチャートを参照しながら、ランプ点灯の流れを説明する。点線は電流設定値で、実線はマグネトロンに印加される電圧を検出した値である。aからスタートし、ｃまではソフトスタート期間になっている。なお、ｂの平坦部はソフトスタート期間の待機状態（無電極ランプの光強度が設定値以下の場合）で、平坦な電力供給を示す。このソフトスタート期間は、マグネトロンに印加される電力が徐々に増加するように、電流設定値を徐々に増加させ、同時に周期的にオン、オフされる。このソフトスタート期間後は、マグネトロンの発振、放電ランプの放電が一定となり、安定状態期間ｄになる。連続した安定状態期間ｄで、突然異常なマグネトロンの発振、放電ランプの放電の乱れが生じた時、マグネトロンの印加電圧がｅ時点で上昇し、それが0.5秒連続して設定値以上の電圧値になったとき（ｆ時点）、タイマにより、設定電流値を１ミリ秒間オフして、マグネトロンへの供給電力を遮断し、その後連続した安定状態期間ｇに戻す。

放電ランプの照度を上下させるためにマグネトロンへの出力を変えたい場合は、例えば、次のようにする。安定状態期間ｇでｈの時点から手動ノブ13を用い、タイマとスイッチを経由し、周期的にスイッチング回路を遮断しながら、所定のｉ時点まで下げ、ｊ時点の安定状態にする。同様に、マグネトロンへの出力を増加させるには、手動ノブ13で、所定のｌ時点まで周期的にスイッチング回路を遮断しながら上げ、ｍの安定状態に移行させる。

次に、図６を参照しながら、ソフトスタート方法を説明する。ソフトスタート期間から安定状態（定格）までのプログラマによるマグネトロンの電流値は、図６に示すようになる。例えば、マグネトロンへの入力がフルパワー入力の60％のｏ時点で、装置内に設置した光強度検知センサなどにより、無電極放電ランプ24からの光の強度、すなわち、無電極放電ランプ24に封入された発光媒体の気化の状態を検知する。その光の強度が、所定の光強度以上であるか否かを判断する。

ソフトスタートの作動途中で、無電極放電ランプ24からの光の強度が、所定の光強度以下であるときには、電流を一定（ｉ₁）に保ち、電力増加を停止して待機し、無電極放電ランプ24の立ち上がりを待つ。そして、所定の光強度以上になったときには、電流を増加させ（ｉ₁からｉ₂）、即ち入力を増加（上昇）させ、マグネトロンの電力を徐々に増加するように制御する（ｐからｑ）。その後は、マグネトロンを定格動作させる。

なお、ｎからｑへの期間、マグネトロン出力が低く設定されるので反射波が小さく、マグネトロンはより安定するが、さらに、周期的にｔの期間、マグネトロンを停止させることにより、異常状態が発生しても正常状態に復帰させることで、マグネトロンの正常動作電流値ｉ₂を確保することができる。周期的でなくて、不規則的な間隔で高圧直流電力の供給を繰り返し停止させてもよい。マグネトロンの停止時間（ｔ）は、0.1ミリ秒から20ミリ秒が望ましく、30ミリ秒以上であると、放電ランプの放電が停止する。

ソフトスタートのパラメータや高圧直流電力の供給停止の周期などは、一律に決めてもよいが、マグネトロンと負荷の共振器と無電極放電ランプの組合せに応じて、実験やシミュレーションで最適値を求めるとよい。こうすることにより、発振の安定度と寿命を最大にすることができる。また、定常状態での安定度を高めるために、結合モードを基本モードからできるだけ遠ざけるように、負荷の共振器などを調整するとよい。

上記のように、本発明の実施例では、無電極放電ランプ点灯方法を、スタート期間では、高圧直流電力の供給を徐々に増加させるとともに、高圧直流電力の供給を繰り返し停止させ、安定放電期間では、高圧直流電力の異常電圧を検知したとき、マグネトロンへの高圧直流電力の供給を一時的に停止させる方法としたので、最低限のオフ操作で異常状態から復帰でき、放電ランプの寿命が長くなる。

本発明の無電極放電ランプ点灯方法は、強力な紫外光を発光させる放電ランプの点灯方法として最適である。

本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法を確認するためのランプ穴あけ実験のタイムチャートである。 本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法の効果確認実験のタイムチャートである。 本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法で用いるマグネトロンの動作モードの説明図である。 本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法を実行する点灯装置の機能ブロック図である。 本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法説明するタイムチャートである。 本発明の実施例における無電極放電ランプ点灯方法のスタート期間での制御方法を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１ 商用電力
２ 整流器
３ コンデンサ
４ スイッチング回路
５ トランス
６ 整流器
７ コンデンサ
８ トランス
９ マグネトロン
10 ヒータ制御回路
11 電流検出回路
12 比較器
13 手動ノブ
14 タイマ
15 パルス幅変調回路（PWM）
16 ドライバ
17 プログラマ
18 可変電圧発生回路
19 スイッチ
20 タイマ
21 電圧検出器
22 異常計測器
23 導波管
24 無電極放電ランプ

Claims (8)

1. 交流電力を脈流に変え、且つ平滑手段にて平滑された直流をパルスに変換したあと昇圧し、昇圧された高圧交流を高圧の低リップルの高圧直流電力に変換する高圧直流電源により、前記低リップルの高圧直流電力をマグネトロンに供給し、前記マグネトロンからマイクロ波を発生し、共振器中の無電極放電ランプを前記マイクロ波で励起する無電極放電ランプ点灯方法において、前記低リップルの高圧直流電力の供給開始から前記無電極放電ランプの放電が安定するまでのスタート期間では、前記低リップルの高圧直流電力の供給を徐々に増加させるとともに、前記低リップルの高圧直流電力の供給を繰り返し停止させ、前記無電極放電ランプの放電が安定した後の安定状態期間では、前記低リップルの高圧直流電力の異常電圧を検知したとき、前記マグネトロンへの前記低リップルの高圧直流電力の供給を一時的に停止させることを特徴とする無電極放電ランプ点灯方法。
2. 前記安定状態期間では、前記マグネトロンの電極電圧が規定の値より１％以上上昇した時に異常と検知することを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。
3. 前記スタート期間では、前記高圧直流電力を徐々に増大させて平坦に保持し、そしてまた徐々に増大させることを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。
4. 前記高圧直流電力の供給停止時間は、前記高圧直流電力が印加されるオン時間より短いことを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。
5. 前記高圧直流電力の供給停止時間は、0.1ミリ秒から20ミリ秒の範囲であることを特徴とする請求項４記載の無電極放電ランプ点灯方法。
6. 前記スタート期間では、一定の周期または不規則的な間隔で、前記高圧直流電力の供給を繰り返し停止させることを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。
7. 減光時には、前記低リップルの高圧直流電力を徐々に減少させるとともに、前記低リップルの高圧直流電力の供給を繰り返し停止させることを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。
8. 減光からの復帰時には、前記低リップルの高圧直流電力を徐々に増加させるとともに、前記低リップルの高圧直流電力の供給を繰り返し停止させることを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ点灯方法。

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