JP7397417B2

JP7397417B2 - 光源装置、および殺菌脱臭装置

Info

Publication number: JP7397417B2
Application number: JP2022547605A
Authority: JP
Inventors: 孝治小田; 淳哉朝山
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-12-13
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: JPWO2022054799A1; US20220072168A1; US11813372B2; CN114173444A; KR20230042316A; EP3968734A1; EP3968734B1; CN216391466U; WO2022054799A1

Description

この発明は光源装置に関する。特に、誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプとその点灯装置を含む光源装置に関する。

近年、誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプを使った殺菌・脱臭装置が知られている。このエキシマランプは誘電体材料からなる発光管を介在して配置された一対の電極により、いわゆる誘電体バリア放電を発生させて、内部に封入した放電用ガスを励起して紫外光を放射するものである。例えば、放電用ガスとして、キセノンガスを封入した場合には波長１７２ｎｍに単一ピークを有する真空紫外光が発生する。

この種のエキシマランプは、近年、車両や照明器具に搭載される用途が注目されており、光源装置としてもこのような用途に対応した装置開発が強く求められている。

特許第６７１７３３５号

そこで、この発明が解決しようする課題は、エキシマランプを使った新しい光源装置、特に、殺菌・脱臭用光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る光源装置は、誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプと、このエキシマランプに電力を供給するフライバック型点灯装置とを備える。前記点灯装置は、スイッチング素子と、一次側に前記スイッチング素子が接続されるとともに、二次側に前記エキシマランプが接続されるトランスと、前記スイッチング素子に駆動信号を供給する制御回路とを備える。
前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における、前記スイッチング素子に対するオンタイミングの周波数であるスイッチング周波数（ＦＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング周波数（ＦＯ）よりも低く、かつ、前記エキシマランプの点灯始動時における前記スイッチング素子に対するオンデューティ（ＴＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング素子に対するオンデューティ（ＴＯ）よりも小さい値になるように、前記スイッチング素子をオンオフ制御する。

さらに、前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における前記スイッチング周波数（ＦＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング周波数（ＦＯ）に向かって、ステップ的に大きくなるように前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする。

さらに、前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における前記オンデューティ（ＴＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時におけるオンデューティ（ＴＯ）に向かって、ステップ的に大きくなるように、前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする。

さらに、前記エキシマランプは略棒状の発光管と、当該発光管の両端部に配置され、リング状を呈した一対の電極とを備えることを特徴とする。

さらに、前記エキシマランプは波長１７２ｎｍの紫外光を放射することを特徴とする。
さらに、前記エキシマランプは、全長が１０ｃｍ以下の発光管を備え、密閉空間で使用される殺菌・脱臭用ランプであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る殺菌・脱臭装置は、誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプと、このエキシマランプに電力を供給するフライバック型点灯装置とを備える。
そして、前記点灯装置は、スイッチング素子と、一次側にスイッチング素子が接続されるとともに、二次側に前記エキシマランプが接続されるトランスと、当該スイッチング素子に駆動信号を供給する制御回路を含む。前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における、前記スイッチング素子に対するオンタイミングの周波数であるスイッチング周波数（ＦＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング周波数（ＦＯ）よりも低く、かつ、前記エキシマランプの点灯始動時における前記スイッチング素子に対するオンデューティ（ＴＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング素子に対するオンデューティ（ＴＯ）よりも小さい値になるように、前記スイッチング素子をオンオフ制御する。

本発明に係る光源装置は、点灯始動時において、定常点灯時とは異なる制御を行うことで、エキシマランプを確実に点灯させることができる。

本発明に係る光源装置の全体構成を示す。本発明に係るエキシマランプの拡大図を示す。本発明に係るエキシマランプの拡大図を示す。本発明に係る光源装置のランプに印加される電圧の波形を示す。本発明に係る光源装置の制御内容を示すタイムチャートである。本発明に係る光源装置の制御内容を示すタイムチャートである。本発明に係る光源装置の制御内容を示すタイムチャートである。

図１は本発明に係る光源装置の全体構成を示す。図１に示す光源装置は、エキシマランプ１と、トランス２と、入力回路３と、スイッチング素子４と、制御回路５とを備える。エキシマランプ１（以下、単に「ランプ１」ともいう）は一対の電極を備えており、これらの両電極が、トランス２の二次側巻線に電気的に接続される。トランス２の一次側巻線の一端には、商用電源や直流電源から電力が供給される入力回路３が接続されている。トランス２の一次側巻線の他端には、ＦＥＴ素子などのスイッチング素子４が接続されており、スイッチング素子４のゲートには制御回路５が接続されている。図１に示す回路は、一般的に、昇圧フライバック回路と言われており、スイッチング素子４のオフタイミングに対応して、トランス２の二次側にワンパルスの電圧波形が周期的に繰り返し発生する。

図２Ａ及び図２Ｂは本発明に係るランプ１の拡大図を示す。図２Ａはランプ１の外観図を示し、図２Ｂはランプ１の内部構造を示す。ランプ１は全体が略棒状の発光管１１を含み、その両端に一対の電極１２、１３が配置されている。発光管１１は誘電体材料である石英ガラスからなり、内部に放電用ガスとしてのキセノンガスが封入されている。両電極に電圧が印加されると、図２Ｂに示すように発光管１１の内部において放電が発生する。この放電により、封入ガスが励起してエキシマ状態となって、例えば波長１７２ｎｍの真空紫外光を発生させる。なお、図示略ではあるが、発光管１１の内面には、始動補助機能部材として白金ペーストが、電極１２に対応する位置に塗布されている。図２Ｂには、発光管１１内において放電が発生している状況が、網掛けの表記で模式的に図示されている。

なお、一対の電極１２、１３の電極形態は、図２Ａ及び図２Ｂに示す構造に限らない。例えば、長尺帯状の一対の電極が発光管の外表面に長手方向に伸びるように配置されていてもかまわないし（例えば、特開２００９－１２３４０６）、あるいは、一方の電極のみが発光管内部に配置されていてもかまわない（例えば、特開２００２－３１９３７１）。

また、本発明に係る光源装置を殺菌・脱臭装置として使用する場合は、ランプ１としては、ＵＶＣ（波長２００～２８０ｎｍ）、あるいは真空紫外光（波長２００ｎｍ以下）を放射するランプ１が利用される。発光ガスとして、Ｋｒ（クリプトン）とＢｒ（臭素）を封入した場合はＫｒＢｒ^＊（臭化クリプトンエキシマ分子）から波長２０７ｎｍに単一ピークを有する放射スペクトルが放射され、また、Ｋｒ（クリプトン）と塩素（Ｃｌ）を封入した場合はＫｒＣｌ^＊（塩化クリプトンエキシマ分子）から波長２２２ｎｍに単一ピークを有する放射スペクトルが放射される。本発明に係るランプ１は、車両や照明器具に搭載されることも想定されており、この場合には棒状の発光管も比較的短いものとなる。数値例をあげると、発光管１１は、全長４０ｍｍ、発光管径φ６ｍｍである。

図３は本発明に係る光源装置におけるトランス２の二次側に発生する電圧波形を示す。
フライバックを構成するスイッチング素子４がオフになる瞬間（ｔ０）において、トランス２の二次側巻線にはワンパルスの電圧が発生する。次のタイミング（ｔ１）においてスイッチング素子４がオフすると同様の電圧波形が繰り返し発生する。

ここで、一般にエキシマランプの点灯装置は、正弦波や矩形パルスをランプに供給するタイプが多いが、本発明では、図１に示すフライバック回路により、図３に示すようなほぼ単一ピークを有する電圧波形をランプ１に対して供給している。ピークの後の振動電流はＦＥＴ素子（スイッチング素子４）の回生電流との関係でほとんど生じていない。従来から知られているエキシマランプは、一般に、全長が１００ｍｍ以上と大きなものが多く、電極間に良好に放電を生じさせるためには、比較的高い電圧の正弦波や矩形波パルスをエキシマランプに対して供給していた。その一方で、本発明に係る光源装置は、車両に搭載したり、照明器具に搭載したりすることが一つの用途として想定されており、この場合には光源装置の規模は全体としては小型となる。この場合、図２Ａ及び図２Ｂに示すランプ１においても、全長は１００ｍｍ以下と比較的に小さいものが採用されることとなり、このため、小電力高電圧に適したフライバック型の点灯回路を採用することができるわけである。仮に、高電力が要求されるエキシマランプにおいてフライバック方式を採用すると、点灯装置のトランスが巨大化しスイッチング素子は大電流や高電圧に対応可能な製品が必要となるため現実的ではない。

図４は、本発明に係るランプ１を安定的に点灯させるための制御内容について説明するタイムチャートを示す。
時刻Ｔ１においてランプ１を点灯させる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までは点灯始動状態とし、時刻Ｔ３以降は定常点灯状態としている。
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２におけるスイッチング周波数（ＦＳ）は、定常点灯時のスイッチング周波数（ＦＯ）よりも低い値に設定される。スイッチング周波数は、図１におけるスイッチング素子４に対する制御回路５からの信号の周波数に相当するが、図３におけるランプ１に供給される電流波形の周期ともいえる。スイッチング周波数は、オンタイミング周波数とも記載されることがある。
さらに、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３におけるスイッチングのオンデューティ（ON DUTY）（ＴＳ）は、定常点灯時のオンデューティ（ＴＯ）よりも低い値に設定されている。

この理由は、点灯始動時も定常点灯時のランプ電力をほぼ同一値にするためである。つまり、ランプ１の点灯始動時は、安定的に点灯させるために、点灯周波数を下げてランプ１への供給電圧を高くしている。その一方で、ランプ電力が高くなると、紫外線量の増加に伴い、オゾンの発生量が多くなるため、スイッチング素子４のオンデューティを下げている。
数値例をあげると、以下の通りである。定常点灯時のランプ電圧３．８ｋＶに対して、点灯始動時のランプ電圧は４．５ｋＶである。定常点灯時のスイッチング周波数（ＦＯ）が２８ｋＨｚに対して、点灯始動時のスイッチング周波数（ＦＳ）は２４ｋＨｚである。定常点灯時のスイッチング素子４のオンデューティ（ＴＯ）が８０％に対して、点灯始動時のスイッチング素子４のオンデューティ（ＴＳ）は５３％である。スイッチング周波数を点灯始動時の値（ＦＳ）から定常点灯時の値（ＦＯ）に切り替えるタイミング（時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの経過時間）は１０ｍ秒であり、スイッチング素子のオンデューティを点灯始動時の値（ＴＳ）から定常点灯時の値（ＴＯ）に切り替えるタイミング（時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの経過時間）は１８ｍ秒である。

このように、本発明に係る光源装置は、小型化しているものの、安定的に点灯始動できるとともに、ランプ１の点灯始動時に、紫外線量の増加に伴ってオゾンが多量に発生するという問題を回避することができる。

図５は、図４の変形例であって、本発明に係るランプ１を安定的に点灯させるための制御内容について説明するタイムチャートを示す。
時刻Ｔ１においてランプ１を点灯させる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までは始動点灯状態とし、時刻Ｔ３以降を定常点灯状態としている。
図５に示す制御が、図４に示した制御と異なる点は、スイッチング周波数を点灯始動時の設定値（ＦＳ）から定常点灯時の設定値（ＦＯ）に切り替えるタイミング（Ｔ２）において、スイッチング素子４のオンデューティ（ON DUTY）が漸次増加するように制御していることである。
このように、スイッチング素子４のオンデューティの急激な変化を避けることで、ランプ１が点灯始動時から定常点灯状態へ移行する際の紫外線の変化量を少なくすることができる。

図６は、図４、図５のさらなる変形例であって、本発明に係るランプ１を安定的に点灯させるための制御内容について説明するタイムチャートを示す。
時刻Ｔ１においてランプ１を点灯させる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までは始動点灯状態とし、時刻Ｔ３以降を定常点灯状態としている。
図６に示す制御が、図４に示した制御と異なる点は、スイッチング周波数を点灯始動時（ＦＳ）から定常点灯時（ＦＯ）に切り替えるタイミング（Ｔ２）において、スイッチング素子４のオンデューティ（ON DUTY）がステップ的に増加するように制御していることである。
数値例を示すと、時刻Ｔ２におけるスイッチング素子４のオンデューティが５３％であり、５６％⇒５９％⇒６２％⇒６５％⇒６８％⇒７１％⇒７４％⇒７７％⇒８０％と１ｍ秒ごとにオンデューティをステップ的に増加させて、９ｍ秒の時間をかけて、定常点灯時のオンデューティ８０％まで変化させている。
このように、スイッチング素子４のオンデューティの急激な変化を避けることで、ランプ１を、点灯始動状態から定常点灯状態に対して安定的に移行させることができる。

１エキシマランプ
２トランス
３入力回路
４スイッチング素子
５駆動回路

Claims

誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプと、
前記エキシマランプに電力を供給するフライバック型点灯装置と、
前記点灯装置に備えられた、スイッチング素子と、
前記点灯装置に備えられ、一次側に前記スイッチング素子が接続されるとともに二次側に前記エキシマランプが接続されるトランスと、
前記点灯装置に備えられ、前記スイッチング素子に駆動信号を供給する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記エキシマランプの点灯始動時において、所定時間にわたって、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳに、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳに、それぞれ固定した状態で前記スイッチング素子をオンオフ制御し、
前記所定時間の経過後に、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳから上昇させると共に、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳから上昇させた状態で、前記スイッチング素子をオンオフ制御し、
前記エキシマランプの定常点灯時において、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳよりも高い周波数ＦＯに、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳよりも高いオンデューティＴＯに、それぞれ固定した状態で前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする光源装置。
前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における前記スイッチング周波数（ＦＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記スイッチング周波数（ＦＯ）に向かって、ステップ的に高くなるように、前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記制御回路は、前記エキシマランプの点灯始動時における前記オンデューティ（ＴＳ）が、前記エキシマランプの定常点灯時における前記オンデューティ（ＴＯ）に向かって、ステップ的に大きくなるように、前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記エキシマランプは、略棒状の発光管と、当該発光管の両端部にリング状配置された一対の電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記エキシマランプは波長１７２ｎｍの紫外光を放射することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記エキシマランプは、全長が１０ｃｍ以下の発光管を備え、密閉空間で使用される殺菌・脱臭用ランプであることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
誘電体バリア放電により紫外光を放射するエキシマランプと、このエキシマランプに電力を供給するフライバック型点灯装置と、
前記点灯装置に備えられたスイッチング素子と、
前記点灯装置に備えられ、一次側にスイッチング素子が接続されるとともに、二次側に前記エキシマランプが接続されるトランスと、
前記点灯装置に備えられ、前記スイッチング素子に駆動信号を供給する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記エキシマランプの点灯始動時において、所定時間にわたって、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳに、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳに、それぞれ固定した状態で前記スイッチング素子をオンオフ制御し、
前記所定時間の経過後に、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳから上昇させると共に、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳから上昇させた状態で、前記スイッチング素子をオンオフ制御し、
前記エキシマランプの定常点灯時において、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を周波数ＦＳよりも高い周波数ＦＯに、前記スイッチング素子に対するオンデューティをオンデューティＴＳよりも高いオンデューティＴＯに、それぞれ固定した状態で前記スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする殺菌脱臭装置。