JP5601294B2

JP5601294B2 - 光源装置

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Publication number: JP5601294B2
Application number: JP2011185540A
Authority: JP
Inventors: 一豊後
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
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Description

本発明は、液体クロマトグラフの検出器などに用いられる分光光度計など光学的測定装置に用いられる重水素ランプなどのガス放電管を備えた光源装置に関するものである。

重水素ランプなどのガス放電管を備えた光源装置は、ガス放電管の電極間に放電を開始させるための高電圧を印加するためのトリガ電源部と、ガス放電管に一定の電圧を印加してガス放電管の放電を維持するとともにガス放電間の電極間を流れる電流を定電流制御して発光強度を一定に保つよう構成された定電流電源部を備えている（例えば、特許文献１参照。）。

従来の一般的なガス放電管駆動回路の一例を示す。図４はガス放電管の一つである重水素ランプの駆動回路の一例を概略的に示す回路図である。
重水素ランプ１０２の駆動回路は、重水素ランプ１０２において放電を開始させるための高電圧を印加するトリガ電源部１０３、重水素ランプ１０２の陰極を加熱するためのヒータ電源部１０４及び重水素ランプ１０２に一定の放電維持電圧を印加するための定電流電源部１０５を備えている。

トリガ電源部１０３は、直流電源１０６の他に、コンデンサ１０８及び抵抗１１０の直列回路からなる充電回路を備えており、スイッチ１１２により充電回路を直流電源１０６と重水素ランプ１０２のいずれかに切り換えて接続するようになっている。

定電流電源部１０５は、重水素ランプ１０２の放電後に放電を維持するための一定電圧を印加するために、定電流電源１１４、補正抵抗１１７及びダイオード１１８を備えている。ダイオード１１８はトリガ電源部１０３からの放電開始用の高電圧の流入を防止するために、重水素ランプ１０２側がカソードとなるように接続されている。定電流電源部１０５の電圧はトリガ電源部１０３から印加される電圧よりも低い。

図４は充電回路を充電する状態を示しており、スイッチ１１２は＜ＯＦＦ＞と表示された直流電源１０６側に接続されている。放電開始時にはスイッチが＜ＯＮ＞と表示された重水素ランプ１０２側に接続され、コンデンサ１０８に蓄積された電荷により重水素ランプ１０２に高電圧が印加され、重水素ランプ１０２の電極間に放電が起こる。重水素ランプ１０２において放電が開始された後は、スイッチ１１２は再び＜ＯＦＦ＞と表示された直流電源１０６側に切り換えられ、定電流電源部１０５による一定電圧のみが重水素ランプ１０２に継続して印加されることで、重水素ランプ１０２における放電が維持される。

特開平９−２１０７８０号公報

上記のガス放電管の駆動回路において、定電流電源部１０５は、設定電圧１５０Ｖ程度で電流値が３００ｍＡになるように重水素ランプ１０２を定電流制御するように構成されていることが一般的である。他方、重水素ランプ１０２の点灯後、重水素ランプ１０２において点灯を維持するための放電維持電圧は、個体差があるもののおおよそ８０±１０Ｖ程度である。そのため、定電流電源部１０５の設定電圧が１５０Ｖに設定されている場合は、重水素ランプ１０２の点灯後は、１５０−（８０±１０）＝６０〜８０Ｖに３００ｍＡを乗じた１８〜２４Ｗ程度の電力損失が定電流電源部１０５において発生することになる。この電力損失は発熱として現れる。従来はその発生した熱量は放熱されていたため、それが装置内の温度を上昇させ、検出器の検出信号のドリフトの要因となっていた。

また、重水素ランプの種類によっては、点灯開示直後は例えば２００Ｖ程度の電圧を定電流電源部から印加する必要がある反面、その後の放電維持電圧が９０±２０Ｖ程度しか必要ないもののもある。この場合に、２００Ｖで放電を維持すると、電力損失すなわち光源部からの発熱量がさらに大きくなり、装置の分析精度の安定性やドリフト性能がさらに悪くなるという問題が生じる。

上記の問題を改善するために、重水素ランプが点灯した後に定電流電源部の発生電圧を放電維持に必要な電圧にまで低下させるようになっている装置も存在する。しかし、既述のように、重水素ランプの放電維持電圧は例えば規格が９０Ｖであったとしても、実際には７０〜１１０Ｖの間で個体差がある。そのため、重水素ランプが点灯した後に放電を維持するために必要な電圧としては、最大の１１０Ｖを考慮する必要がある。一般には、信頼性の観点から、その電圧に例えば２０Ｖの余裕をもたせた１３０Ｖを放電維持電圧値として設定しておくことが行われている。そのため、実際の放電維持電圧が１１０Ｖよりも低い重水素ランプを使用している場合には、電力損失が大きくなり、光源部からの放熱量も大きくなるという問題があった。

本発明は、重水素ランプの放電維持電圧と実際にその重水素ランプに印加される電圧との差を小さくして、放熱量の小さいガス放電管駆動回路を提供することを目的とするものである。

本発明は、ガス放電管と、ガス放電管を点灯させる際にガス放電管に接続され、ガス放電管への印加電圧を、ガス放電管において放電が開始される電圧まで到達させるように所定の電圧を印加するためのトリガ電源部と、ガス放電管へのトリガ電源部からの電圧の印加のオン・オフを切り替えるためのトリガスイッチと、ガス放電管において放電が開始される前後を通じてガス放電管に接続され、ガス放電管に電圧を印加するとともに、ガス放電管を流れる電流の定電流制御を行なう定電流電源部と、ガス放電管において放電が開始された後はガス放電管に印加される電圧がガス放電管の放電を維持する放電維持電圧値となるように定電流電源部を制御する電源制御部と、を備えた光源装置であって、ガス放電管に印加されている電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、定電流電源部は出力電圧を調整可能にする可変電源を備えており、電源制御部は、可変電源の出力電圧を所定の開始電圧としたときの電圧検出部から取り込んだ電圧に予め定めた電圧を加算した電圧を動作電圧として、動作電圧の設定後は電圧検出部から取り込む電圧が動作電圧となるように可変電源をフィードバック制御する電源電圧制御手段を備えていることを特徴とするものである。

本発明の光源装置では、ガス放電管に印加されている電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、定電流電源部は出力電圧を調整可能にする可変電源を備えており、電源制御部は、可変電源の出力電圧を所定の開始電圧としたときの電圧検出部から取り込んだ電圧に予め定めた電圧を加算した電圧を動作電圧として、動作電圧の設定後は電圧検出部から取り込む電圧が動作電圧となるように可変電源をフィードバック制御する電源電圧制御手段を備えているので、放電管において放電が開始された後の定電流電源部からの出力電圧を電圧検出部から取り込んだ電圧に基づいて設定した動作電圧にすることができ、電力損失を抑制することができる。これにより、光源からの発熱を抑えてこの光源装置を利用した分析装置内の温度を安定化させることができ、検出信号のドリフトを抑制することができる。

光源装置の一実施例を概略的に示す回路図である。同実施例の光源装置のガス放電管駆動回路の構成の一例を具体的に示す回路図である。同実施例の動作を示すフローチャートである。従来のガス放電管駆動回路の一例を概略的に示す回路図である。

本発明の光源装置の好ましい実施形態では、定電流電源部はガス放電管に流す電流値として複数の電流値のうちの１つを選択する切換回路を備えており、電源制御部はその切換回路を切り換えるモード選択部を備えている。これにより、ガス放電管を流れる電流を小さくして消費電力を低減することも可能となり、電力損失がさらに低減される。

以下に、ガス放電管の一つである重水素ランプを備えた光源装置の一実施例について説明する。図１は重水素ランプを備えた光源装置を概略的に示す回路構成図である。
重水素ランプ２に電圧を印加するための電源部として、トリガ電源部３及び定電流電源部５が重水素ランプ２のアノードに接続されている。重水素ランプ２のカソードを加熱するヒータに電圧を印加するために、ヒータにはヒータ用電源４が接続されている。

トリガ電源部３は、直流電源６の他に、コンデンサ８及び抵抗１０の直列回路からなる充電回路を備えており、スイッチ１２により充電回路を直流電源６と重水素ランプ２のいずれかに切り換えて接続するようになっている。図１ではトリガスイッチ１２は充電回路を直流電源６側に接続する＜ＯＦＦ＞側に接続された状態になっている。この状態では、充電回路は直流電源６に接続され、コンデンサ８に電荷が蓄電される。他方、トリガスイッチ１２が＜ＯＮ＞側に切り替えられると、充電回路のコンデンサ８が重水素ランプ２側に接続される。重水素ランプ２の点灯の際にはトリガスイッチ１２が＜ＯＮ＞側に切り替えられることにより、コンデンサ８の充電電圧が重水素ランプ２に印加される。

定電流電源部５は、重水素ランプ２にトリガ電源部３と並列に接続されている。定電流電源部５は重水素ランプ２の点灯時及び点灯後において重水素ランプ２に電圧を印加するものである。定電流電源部５は重水素ランプ２への印加電圧を調節でき、供給電流を２段階に変更できる定電流電源回路１４、補正抵抗１７及びダイオード１８の直列回路である。定電流電源回路１４は印加電圧を調節できる可変電源１５と供給電流を２段階に変更できる定電流回路１６を含んでおり、具体的な一例は後述の図２を参照して説明されるものである。

重水素ランプ２は、点灯後は定電流電源部５の定電流電源１４により調整された印加電圧と選択された定電流によって放電を維持され、光量が一定に維持される。定電流電源１４は、後述の図２に示されるように、電圧及び電流をそれぞれ可変に発生させることができるようになっている。
重水素ランプ２のアノードにはＡ／Ｄコンバータ２１が接続されて重水素ランプ２のアノードにかかる電圧が取り込まれるようになっており、その取り込まれたアノード電圧は定電流電源１４による印加電圧調整に供せられる。

トリガ電源部３のトリガ電圧印加動作、定電流電源部５の電圧印加動作５及びヒータ電源４の駆動などこの駆動回路における重水素ランプ２の点灯動作は電源制御部２０によって制御されている。電源制御部２０は、電源電圧制御手段２２及びモード選択部２６を備えている。

電源電圧制御手段２２は、定電流電源部５の定電流電源１４にある可変電源１５の出力電圧をＡ／Ｄコンバータ２１から取り込まれた電圧値に基づいて調整するように構成されている。電源電圧制御手段２２は、点灯した後の重水素ランプ２における放電電圧をＡ／Ｄコンバータ２１を介して取り込み、その電圧に一定の余裕をもたせた電圧値になるように可変電源１５を制御する。例えば、取り込まれた重水素ランプ２の放電電圧の測定値が９０Ｖであった場合、その電圧に例えば２０Ｖの余裕をもたせた１１０Ｖを放電維持電圧値とするように可変電源１５を制御する。

モード選択部２６は、重水素ランプ２が点灯した後において、定電流電源部５の定電流電源１４にある定電流回路１６の電流値を設定する。この実施例では、モード選択部２６において「通常モード」とそれよりも消費電力を抑制する「省エネモード」のいずれかを選択するようになっている。「通常モード」は、重水素ランプ２が点灯した後の重水素ランプ２の通電電流を例えば３００ｍＡにするモードであり、「省エネモード」は、重水素ランプ２が点灯した後の重水素ランプ２の通電電流を、「通常モード」の電流値よりも低い電流の、例えば１００ｍＡにするモードである。定電流回路１６には、「通常モード」、「省エネモード」のそれぞれが設定されたときの重水素ランプ２の通電電流を「３００ｍＡ」、「１００ｍＡ」にそれぞれ設定するための切換えスイッチが設けられている。

モード選択部２６は、例えばモニタ用表示装置に表示され操作者がモードを選択するための画面も含んで構成されている。モード選択部２６はモニタ用表示装置上で選択されたモードに応じた電流値が重水素ランプ２の通電電流になるように定電流回路１６の切換えスイッチを切り換える。

「省エネモード」では、定電流電源部５の発生電流を通常モードの３００ｍＡから１００ｍＡに下げることにより、重水素ランプ２の発光量が小さくなるが、消費電力は３分の１に減らすことができ、それに伴なって電力損失も低減することができ、放熱量をさらに低く抑えることができる。一方で、重水素ランプ２の発光量が小さくなることにより、液体クロマトグラフなど、この重水素ランプ２を搭載した分析装置の検出部における検出光強度が通常モード時に比べると弱くなるため、検出信号の信号対ノイズ比が低下することが懸念されるので、それでも測定上、支障のない程度の信号対ノイズ比が得られるような発光量となるように「省エネモード」の電流値を設定する。

上記の場合、電源電圧制御手段２２は、重水素ランプ２に印加されている電圧が、重水素ランプ２の点灯開始時は２００Ｖ、重水素ランプ２の点灯後はＡ／Ｄコンバータ２１により取り込まれた電圧に２０Ｖを加算した電圧になるように可変電源１５をフィードバック制御する。

電源制御部２０は、この重水素ランプが装着される分光光度計の制御装置、又はその分光光度計が検出器として搭載される液体クロマトグラフの制御装置により実現することができる。そのような制御装置はメモリ装置を含む専用のＣＰＵ（演算処理装置）により、又は外部に接続される汎用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）により実現することができる。この実施例では、電源制御部２０は分光光度計又は液体クロマトグラフの制御装置としてのＣＰＵにより実現されているものとして説明する。

次に、図１中の定電流電源回路１４の具体的な一例を重水素ランプ２とともに図２に示す。
可変電源１５として、所望の一定電圧、例えば９０〜２００Ｖの間の一定電圧を供給するために、フライバック方式のスイッチング電源回路が設けられている。可変電源１５では、２４Ｖの入力電圧を昇圧するトランス３２の一次側にスイッチングＩＣ３６により所定の周波数でオン・オフが切り換えられるトランジスタ３４が接続されている。そのトランジスタ３４のデューティ比によりトランス３２の二次側に現れる出力電圧がきまり、ダイオード４２により整流された電圧が９０〜２００Ｖの間の一定電圧となるように、トランジスタ３４のデューティ比が制御される。その出力電圧を決めるために、トランス３２の出力電圧の分割電圧Ｖ１と、演算増幅器３８から供給される電圧が演算増幅器４０に供給されて合成され、その合成電圧がスイッチングＩＣ３６に供給される。演算増幅器３８から供給される電圧は、所定のデューティ比に設定されたバルス信号（ＰＷＭ信号）が制御部２０（図１）としてのＣＰＵから演算増幅器３８に供給されて電圧に変換されたものである。

この可変電源１５では、トランジスタ３４をスイッチングすることでトランス３２により２４Ｖ入力を昇圧させるが、その際、モニタ電圧Ｖ１とＣＰＵからのＰＷＭ信号による合成電圧がスイッチングＩＣ３６の所定電圧となるようフィードバック制御される。したがって、ＰＷＭ信号のデューティ比をＣＰＵにより適当に設定することにより、９０〜２００Ｖの間での一定電圧の可変供給が可能となる。この電圧の変更範囲は必ずしも９０〜２００Ｖに限らず、他の電圧範囲とすることもできる。

定電流回路１６は、トリガ回路からトリガ電圧が印加されランプ２が点灯した後の放電維持電圧下でのランプ２の通電電流を一定にするとともに、その通電電流量を通常モード時の３００ｍＡと省エネモード時の１００ｍＡとの間で切り換えることができるように構成されている。定電流回路１６では、可変電源１５から印加された電圧が抵抗５４、トランジスタ５２、抵抗１７及びダイオード１８を経てランプ２に印加される。その際に、トランジスタ５２により電流値が調整される。トランジスタ５２は比較回路６４の出力電圧により制御される。

比較回路６４の一方の入力端子には抵抗５４を流れる電流ｉによる電圧降下分を差動増幅回路５６により増幅した電圧が印加され、他方の入力端子には基準電圧回路（Ｒｅｆ）５８からの基準電圧に基づく電圧Ｖ３が印加される。基準電圧回路５８と差動増幅回路５６の他方の入力端子との間には抵抗６０とスイッチ６２の並列回路が設けられており、スイッチ６２をオンにすると基準電圧が電圧Ｖ３として差動増幅回路５６の他方の入力端子に印加され、スイッチ６２をオフにすると基準電圧が抵抗６０で降下されられた電圧が電圧Ｖ３として差動増幅回路５６の他方の入力端子に印加される。スイッチ６２は、電源制御部２０のモード選択部２６でのモード選択によりオン／オフの切換えが行われる。

この実施例では、トリガ回路からトリガ電圧が印加されランプ２が点灯するとランプ２には電流ｉが流れる。電流ｉが３００ｍＡのときに差動増幅回路５６の出力Ｖ２が３Ｖとなり、電流ｉが１００ｍＡのときに差動増幅回路５６の出力Ｖ２が１Ｖとなるように、差動増幅回路５６の周辺の抵抗が設定されている。また、スイッチ６２がオンのときにＶ３が３Ｖに、オフのときにＶ３が１Ｖになるように基準電圧回路５８と抵抗６０が設定されている。

そのため、定電流回路１６は、スイッチ６２がオンのときは電流ｉが通常モード時の３００ｍＡとなるようにトランジスタ５２が制御される定電流回路となり、スイッチ６２がオフのときは電流ｉが省エネモード時の１００ｍＡとなるようにトランジスタ５２が制御される定電流回路となる。

ランプ２に印加される電圧Ｖ４を電源制御部２０であるＣＰＵに取り込むことができるように、電圧Ｖ４を抵抗分圧した電圧値Ｖ５を取り出す接点がＡ／Ｄコンバータに接続されており、そのＡ／Ｄコンバータを介してその電圧値Ｖ５が制御部２０に取り込まれる。電圧値Ｖ５は電圧値Ｖ４を抵抗分圧しただけのものであるので、制御部２０では電圧値Ｖ５は電圧値Ｖ４と同様に扱われるので、以後は電圧値Ｖ４として説明する。

電源制御部２０の電源電圧制御手段２２は、可変電源１５の出力電圧を所定の開始電圧、例えば２００Ｖ、としたときにＡ／Ｄコンバータ２１から取り込んだ電圧Ｖ４に予め定めた電圧、例えば２０Ｖ、を加算した電圧（Ｖ４＋２０Ｖ）を動作電圧Ｖ４₀として設定し、その後はＡ／Ｄコンバータ２１から取り込む電圧Ｖ４がその動作電圧となるように、可変電源１５の演算増幅器３８に供給するパルス信号（ＰＷＭ）のデューティ比を調整することにより、可変電源１５をフィードバック制御する。

電圧値Ｖ４はランプ点灯中常時モニタしてもよく、点灯直後の一定時間だけモニタしてもよい。そのモニタする期間は、ランプ２からＡ／Ｄコンバータに至る回路にスイッチ６６を設け、そのスイッチ６６の開閉により設定することができる。

この実施例の定電流電源回路１４の動作の一例を図３のフローチャートを用いて説明する。
スイッチングＩＣ３６の動作をオフにする。ランプの点灯時の定電流制御を３００ｍＡ又は１００ｍＡのいずれかに設定する。操作者が通常モードを選択している場合にはスイッチ６２をオンにして定電流制御を３００ｍＡに設定し、省エネモードを設定している場合にはスイッチ６２をオフにして定電流制御を１００ｍＡに設定する。

可変電源１５の出力電圧が２００ＶになるようにＰＷＭを設定して出力し、スイッチングＩＣ３６をオンにし、トリガ電圧を印加してランプ２を点灯させる。
ここで、ランプ２が正常に点灯しない場合には、ランプ２へのトリガ電圧の印加を所定の回数まで繰り返し行ない、それでも点灯しないときに、操作者にエラーを告知するなどの機能を備えていてもよい。

ランプ２が正常に点灯した場合は、点灯した後、例えば１秒間待機する。１秒経過した後、ランプ２への印加電圧Ｖ４をＡＤコンバータで読み取り、Ｖ４が動作電圧Ｖ４₀となるようにＰＷＭを設定して出力する。動作電圧Ｖ４₀はこのランプ点灯動作の開始前に予め測定されたものである。

Ｖ４を常時モニタする場合、Ｖ４が動作電圧Ｖ４₀となるようにＰＷＭを設定して出力した後、１秒間待機、Ｖ４の読取り、Ｖ４＝Ｖ４₀となるようにＰＷＭを設定出力という動作を繰り返し行なう。Ｖ４を常時モニタしない場合には、Ｖ４＝Ｖ４₀となるようにＰＷＭを１回設定して出力した後に終了する。
なお、ランプ２が点灯してからＶ４をＡＤコンバータで読み取るまでの待機時間は１秒に限定されるものではない。

２放電管ランプ
３トリガ電源部
４ヒータ電源
５定電流電源部
１４定電流電源回路
１５可変電源
１６定電流回路
２０電源制御部（ＣＰＵ）
２１Ａ／Ｄコンバータ
２２電源電圧制御手段

Claims

ガス放電管と、
前記ガス放電管を点灯させる際に前記ガス放電管に接続され、前記ガス放電管への印加電圧を、前記ガス放電管において放電が開始される電圧まで到達させるように所定の電圧を印加するためのトリガ電源部と、
前記ガス放電管への前記トリガ電源部からの電圧の印加のオン・オフを切り替えるためのトリガスイッチと、
前記ガス放電管において放電が開始される前後を通じて前記ガス放電管に接続され、前記ガス放電管に電圧を印加するとともに、前記ガス放電管を流れる電流の定電流制御を行なう定電流電源部と、
前記ガス放電管において放電が開始された後は前記ガス放電管に印加される電圧が前記ガス放電管の放電を維持する放電維持電圧値となるように前記定電流電源部を制御する電源制御部と、を備えた光源装置において、
前記ガス放電管に印加されている電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記定電流電源部は出力電圧を調整可能にする可変電源を備えており、
前記電源制御部は、前記可変電源の出力電圧を所定の開始電圧としたときの前記電圧検出部から取り込んだ電圧に予め定めた電圧を加算した電圧を動作電圧として、動作電圧の設定後は前記電圧検出部から取り込む電圧が動作電圧となるように前記可変電源をフィードバック制御する電源電圧制御手段を備えていることを特徴とする光源装置。
前記定電流電源部は前記ガス放電管に流す電流値として複数の電流値のうちの１つを切換回路により選択する定電流回路を備えており、
前記電源制御部は前記切換回路を切り換えるモード選択部を備えている請求項１に記載の光源装置。