KR20010106113A - 유전체 배리어 방전램프 광원장치 - Google Patents

Abstract

유전체 배리어 방전에 의해 엑시머 분자를 생성하는 방전용 가스가 충전된 방전 플라즈마 공간(G)이 있고, 상기 방전용 가스에 방전현상을 유기시키기 위한 양극의 전극(E) 중 적어도 한쪽과 상기 방전용 가스의 사이에 유전체(D)가 끼워진 구조를 가지는 유전체 배리어 방전램프(B)와, 상기 유전체 배리어 방전램프의 상기 전극(E)에 고전압을 인가하기 위한 급전수단을 가지고, 상기 급전수단이 급전수단 전단부(M)와 급전수단 후단부(S)로 분할하여 구성되고, 상기 유전체 배리어 방전램프(B)의 각각에 대응하여 각 1개의 급전수단 후단부(S)가 설치되며, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압(1)을 상기 급전수단 후단부(S)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S)의 각각은 스위치 소자와 승압 트랜스(T)에 의해 상기 DC 전원전압(1)을 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 변환하여, 상기 유전체 배리어 방전램프(B)의 전극(E)에 상기 교류 고전압(H)을 인가하는 것으로서, 상기 급전수단 후단부(S)의 각각은 상기 교류 고전압(H)의 주파수를 독립적으로 조정할 수 있고, 상기 급전수단 전단부(M)는 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전램프 광원장치.

Description

유전체 배리어 방전램프 광원장치{Light source device having dielectric barrier discharge lamp}

본 발명에 관련된 기술로는, 유전체 배리어 방전램프에 대해서는, 예를 들면 일본특개평 2-7353호가 있고, 여기에는 방전용기에 엑시머 분자를 형성하는 방전용 가스를 충전하고, 유전체 배리어 방전(별명 오존아이저 방전 혹은 무성방전. 전기학회 발행 개정 신판「방전 핸드백」헤이세이 1년 6월 재판 7쇄 발행 제 263페이지 참조)에 의해 엑시머 분자를 형성시키며, 상기 엑시머 분자로부터 방사되는 광을 인출하는 방사기가 기재되어 있다.

상기와 같은 유전체 배리어 방전램프 및 이것을 포함하는 광원장치는 종래의 저압 수은 방전램프나 고압 아크 방전램프에는 없는 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 응용의 가능성이 다수 분야에 걸쳐 있다. 특히, 종래의 환경오염 문제에의 관심이 높아지는 가운데, 자외선에 의한 광화학 반응을 응용한 무공해의 재료처리는그 중에서도 가장 중요한 응용분야 중의 하나이고, 따라서 유전체 배리어 방전램프 광원장치에 대한 고출력화, 또는 조사면적 확대화에 대한 요구도 대단히 높아지고 있다.

이 요구에 따른 제안 중의 하나로서, 예를 들면 일본특개평 4-229671호가 있고, 거기에는 복수의 유전체 배리어 방전램프의 병렬점등에 의해 광원의 대규모화, 조사면적의 확대화를 도모하는 구성이 기술되어 있다. 그러나 이와 같은 종래의 기술만으로는 해결할 수 없는 몇가지의 큰 문제가 있었다. 제1 문제는 넓은 면적을 조사하는 경우에는 조사 에너지 밀도의 균일화 또는 조광가능화가 곤란하다는 점이다. 제2 문제는 고출력화와 조사면적의 확대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 보다 경제성이 요구된다는 것이다. 제3 문제는 고출력화화 조사면적의 확대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 램프의 발열이 증가하고, 램프의 수명이 짧아진다고 하는 점이다.

그리고 제1 문제 중, 조광가능화가 필요하게 되는 이유에 대해 간단히 설명한다. 유전체 배리어 방전램프의 자외선에 의한 재료처리 작용은 대단히 복잡하고 고도의 광화학반응에 의한 것으로, 대면적의 재료에 대해 소망의 재료처리 효과를 얻기 위해서는 조사 에너지 밀도분포에서, 소망의 분포에 대한 과부족이 있어서는 안된다. 조사 에너지 밀도가 부족한 경우에는 조사의 효과가 낮아지기 때문에 문제가 된다고 하는 것은 명확하게 알려져 있다. 조사 에너지 밀도가 과잉인 경우에도 적정한 정도를 넘는 과잉의 반응을 발생할 문제가 있고, 또, 예를 들면 조사 자외선에 의한 분해생성물이 재반응을 일으켜서, 의도하지 않은 분자합성이 발생하여대상처리재료표면에 불균일한 불순물질층을 형성하는 것이다. 따라서 조사 에너지 밀도의 과부족에는, 행하려고 하는 재료처리반응의 종류에 의존한 어떠한 허용범위가 존재하고, 이상적인 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 이들이 만족할 수 있도록 조사 에너지 밀도의 조절기능이 요구되어지는 것이다.

또한, 다른 램프와 동일하게 유전체 배리어 방전램프에서도 램프 발광강도의 변동요인이 존재한다. 변동요인의 제1은 램프의 점등기동 직후부터 전기적, 열적으로 안정화할 때까지의 기간내의 변동이고, 변동요인의 제2는 램프가 신품인 상태부터 그 수명말기에 이를 때까지의 기간내의 변동이다. 이들 변동을 보정하고 소기의 조사 에너지 밀도를 유지하기 위해서도 조사 에너지 밀도의 조절기능이 요구되어지는 것이다.

상기 제1 문제, 즉 넓은 면적을 조사하는 경우에는 조사 에너지 밀도의 균일화 또는 조광가능화가 곤란한 문제를 해결하기 위한 제안으로서, 일본특개평 8-146198호가 있지만, 상기 제2 문제 및 제3 문제에 대한 적극적인 해결책이 포함되어 있지 않았다.

상기 제3 문제를 해결하기 위해서는 램프의 발광효율을 개선할 필요가 있다. 이하에서 램프의 발광효율을 가선하기 위한 조건에 대해 설명한다.

유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,…)에는 발정 플라즈마 공간(G)을 사이에 두고 전극(Ea, Eb)의 사이에, 1장 또는 2장의 유전체가 존재한다. 도 1은 2장의 유전체(D)가 존재하는 1개의 유전체 배리어 방전램프를 나타내고 있다. 덧붙여 말하자면, 도 1에서는 램프 봉체(6)가 유전체(D)를 겸하고 있다.

유전체 배리어 방전램프(B)를 점등시킬 때에는 그 양극의 전극(Ea, Eb)에 예를 들면 10㎑∼200㎑, 2㎸∼10㎸의 고주파의 교류전압이 인가된다. 그런데 방전 플라즈마 공간(G)과 전극(Ea, Eb)의 사이에 끼우는 유전체(D)때문에, 전극(Ea, Eb)으로부터 방전 플라즈마 공간(G)에 직접적으로 전류가 흐르지 않고, 유전체(D)가 콘덴서를 작동시킴으로써 전류가 흐르게 된다. 즉 각 유전체(D)의 방전 플라즈마 공간(G)측의 면에는 각 전극(Ea, Eb)측의 면과 같은 전하량을 가지는 역부호의 전하가 유전체 분극에 의해 유기되고, 방전 플라즈마 공간(G)을 사이에 두고 대향하는 유전체(D) 면의 사이에서 방전한다.

유전체(D)의 방전 플라즈마 공간(G)측의 면을 따라서는 전류가 그다지 흐르지 않기 때문에, 방전이 발생한 부분에서는 유전체(D)의 방전 플라즈마 공간(G)측의 면에 유기된 전하는 방전에 의해 이동한 전하에 의해 중화되고, 방전 플라즈마 공간(G)의 전계가 감소하기 때문에, 전극(Ea, Eb)에의 전압인가가 계속되고 있어도 방전전류는 바로 정지해 버린다. 단, 전극(Ea, Eb)에의 인가전압이 더욱 상승하는 경우에는 방전전류는 지속된다. 1번 방전이 발생한 후, 방전이 정지한 부분은 전극(Ea, Eb)에 인가되는 전압의 극성이 반전할 때까지 재방전하지 않는다.

예를 들면 크세논 가스를 봉입한 유전체 배리어 방전램프의 경우, 크세논 가스는 방전에 의해 이온과 전자로 분리되어, 크세논 플라즈마가 된다. 이 플라즈마 중에서 특정 에너지 준위에 여기된 크세논이 결합하여, 엑시머 분자가 형성된다. 크세논 엑시머는 어느정도 수명시간을 경과하면 해리해 버리지만, 이 때에 개방되는 에너지가 진공 자외파장의 광자로서 방출된다. 유전체 배리어 방전램프를 진공자외광원으로서 효율적으로 작동시키기 위해서는 이 엑시머 분자 형성을 효율적으로 할 필요가 있다.

방전시에 효율적인 엑시머 분자형성을 방해하는 큰 요인은 방전 플라즈마를 엑시머 분자형성에 기여하지 않는 에너지 준위로 여기해 버리는 것이다.

방전개시직후의 방전 플라즈마의 전자운동은 집단적이고, 엑시머는 높지만 온도는 낮은 상태에 있다. 이 상태에서는 방전 플라즈마는 엑시머 분자를 형성하기 위해 필요한 공명상태로 천이할 확율이 높다. 그러나 방전시간이 길게 되면, 플라즈마의 전자운동은 차례대로 열적, 즉 멕스웰 볼츠만 분포라고 불리는 열평형상태가 되고, 플라즈마 온도가 상승하여, 엑시머 분자를 형성할 수 없을 것 같은 보다 높은 여기상태로 천이할 확률이 상승해 버린다.

또한 엑시머 분자가 형성된 경우에도 수명시간의 경과룰 기다려서 소기의 광자를 방출하여 자연적으로 해리하기 전에, 후속의 방전에 의해 엑시머 분자가 파괴되는 경우도 잇다. 실제로 크세논 엑시머의 예에서는 방전개시로부터 진공자외파장의 광자방출까지 1㎲정도의 기간을 필요로 하고, 이 기간내의 후속의 방전이나 재방전은 엑시머 발광의 효율을 저하시킨다.

즉, 한번 방전이 개시하게 되면, 후속하는 방전의 에너지는 가능한 한 작게 하는 것이 가장 중요하다는 것을 알 수 있다.

방전시간이 짧은 경우에도 그 방전기간에 주입되는 에너지가 너무 크면, 동일하게 높은 여기상태로 전이할 확률이 상승해 버린다. 높은 여기상태로 천이한 플라즈마는 적외선을 방사하여 완화하여, 램프의 온도를 상승시킬 뿐이며, 엑시머 발광에 기여하지 않는다.

즉, 엑시머 분자형성에 기여하지 않는 에너지 준위에의 방전 플라즈마의 여기를 억제하도록 방전구동을 행하지 않으면 안되기 때문이다. 이 점에서 종래의 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 만족할 수 있는 것은 아니었다.

유전체 배리어 방전을 포함하는 모든 펄스 방전에 의한 엑시머 발광의 고효율화를 달성하도록 하는 제안으로서, 일본특개평 1-243363가 있고, 이것은 한번 방전이 개시하게 되면, 후속하는 방전의 에너지는 가능한 한 작게 하는 것이라고 하는 상기의 조건에 따른 것이다. 그러나 이 제안에 기재되어 있는 것은 어떤 매개변수를 조정하면 엑시머 발광이 고효율화할 수 있는지에 대해서이며, 그 매개변수값의 효과적인 조건이나 그것을 실현할 수 있는 급전장치의 구조에 대해서는 구체적으로는 어느것도 나타나 있지 않다. 특히, 유전체 배리어 방전의 경우에는 방전 플라즈마 공간에의 전압인가나 전류주입은 유전체를 통해서 행하지 않으면 안되기 때문에, 이 전압이나 전류의 제어의 자유도가 낮고, 최적조건을 실현할 수 있는 급전장치를 구성하는 것은 용이하지 않지만, 상기 제안에는 이들에 관한 정보는 아무것도 포함되어 있지 않다.

유전체 배리어 방전을 이용한 형광등의 구동파형에 관한 개선제안으로서, 예를 들면 일본특개평 6-163006이 있다. 이것에 의하면, 정부(正負) 극성의 구형 펄스열이나 교류의 구형파로 구동함으로써 형광등의 휘도가 향상한다고 하는 것이 기술되어 있다. 또한 여기에는 구형 펄스열이나 구형파에 대해 주파수나 듀티비에 관련하여 인가전압의 변화에 대한 휘도 변화의 실험결과가 기재되어 있고, 종래의 사인파 구동과 비교한 효율의 향상이 설명되어 있다. 그러나 현실의 급전장치에서는 고전압 트랜스 등이 포함되고, 이상적인 구형 펄스열이나 구형파를 인가하는 것은 불가능하고, 급전장치의 출력 임피던스와 램프의 임피던스의 상호 작용에 의해, 파형은 둔화되며, 또 부분적으로는 공진에 의해 사인파적 전압이 인가되어 버린다. 이와 같은 현실의 급전장치에서 이상적인 구형 파형으로부터의 불가피한 어긋남이 반드시 존재한다고 하는 전제에 의한 것으로, 어긋남 중 유해한 성분의 증가를 허용한도내로 억제하면서, 경제적으로 알맞은 실용적인 광원장치를 설계, 제작하는 것은 용이하지 않지만, 상기 제안에는 이것을 해결하기 위한 구체적인 지침에 대해서는 기술되어 있지 않다.

유전체 배리어 방전램프의 효율을 개선하려고 하는 제안으로서, 예를 들면 일본특표평 8-508363이 있다. 그러나 이 제안에서는 상기의 엑시머 분자형성을 효율적으로 하기 위한 엑시머 분자형성에 기여하지 않는 에너지 준위로의 방전 플라즈마의 여기를 억제하는 것의 달성에 아주 효과적인, 구체적인 사항은 어디에도 기술되어 있지 있지 않다.

상기의 엑시머 분자형성을 효율적으로 하기 위한 엑시머 분자형성에 기여하지 않는 에너지 준위로의 방전 플라즈마의 여기를 억제하는 것의 달성을 위해서는 램프인가전압이 유한의 증가율로 상승하여, 방전개시전압에 이르러 방전이 개시되면, 가능한 한 빨리 방전을 종료시키면 된다.

유전체 배리어 방전 램프의 전기회로적인 동작은 도 2에 도시하는 바와 같이, 방전 플라즈마 공간(G)의 방전로(7)는 저항(8)과 스위치(9)를 직렬로 접속한것이라고 생각하면 된다. 또, 유전체 배리어 방전램프(B)에는 전극(Ea, Eb)과 방전 플라즈마 공간(G) 사이에 유전체(D)가 있고, 이것은 전기회로적으로는 콘덴서로서 작동한다. 단, 유전체가 2장인 경우에는 각각의 콘덴서를 직렬 합성한 1개의 콘덴서(10)라고 생각하면 된다.

이 콘덴서가 방전 플라즈마 공간(G)에 대해서 직렬로 삽입된 구성이기 때문에, 유전체 배리어 방전램프(B)에는 램프인가전압의 극성이 변화한 직후의 어느 기간내에만 방전전류가 흐르게 되고, 램프인가전압을 실질적으로 0으로 한 휴지기간을 가지는 펄스 전압을 인가하지 않고도 자연적으로 방전의 휴지기간이 생긴다. 또, 방전 플라즈마 공간(G)의 전압이 방전개시전압에 이르지 않는 한, 방전은 발생하지 않기 때문에, 램프인가전압의 상승 또는 하강 속도가 급준일 필요는 없다.

방전 플라즈마 공간(G) 자체도 콘덴서(11)를 형성하고 있고, 방전이 개시되면, 이 콘덴서에 충전된 에너지의 거의가 방전으로 소비되기 때문에, 급전수단은 방전개시 이후에 유전체 배리어 방전램프(B)에 필요이상의 전류를 추가하여 흐르게 하지 않도록 하면 된다는 것을 알 수 있다.

램프 벽면의 단위면적 당에 대해서 생각해 본다. 방전개시전압은 가스압과 방전 갭의 간격이 결정되면 거의 자동적으로 결정되고, 또, 방전 플라즈마 공간이 형성하는 콘덴서(11)의 정전용량은 방전 갭 간격에 의해 결정되기 때문에, 1발의 방전이 개시하고나서 종료할 때까지의 기간에 플라즈마에 가해지는 최고 에너지는 방전 플라즈마 공간이 형성하는 콘덴서(11)에 충전된 전하가 모두 방전하는 에너지이고, 이들은 램프의 구조에 의해 결정되어 버린다. 상기의 엑시머 분자형성을 효율적으로 하기 위한 엑시머 분자형성에 기여하지 않는 에너지 준위로의 방전 플라즈마의 여기를 억제하는 것은 이 최소 에너지의 방전의 조건에서 가장 좋게 달성되게 된다.

그런데, 이 최소 에너지의 방전의 조건이라는 것은 매우 큰 출력 임피던스를 가지는 급전장치를 이용하여, 램프인가전압을 매우 천천히 상승시켜 방전시킴으로써 원리적으로는 실현가능하다.

그러나, 이와 같은 급전장치는 실제의 광원장치로서 응용하는 경우에는 몇가지 문제, 즉 출력 임피던스가 크면 주기적인 반복 방전을 위한 고속의 작동속도를 얻을 수 없는 문제와, 이 최소 에너지 방전의 조건에서는 방전 갭 간격의 램프내의 위치적 불균형의 영향에 의한 1개의 램프내에서의 방전의 불균일이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.

그리고 후자의 문제야말로 이전에 게재한 제1 문제, 즉 넓은 면적을 조사하는 경우에는 조사 에너지 밀도의 균일화 또는 조광가능화가 곤란한 문제로밖에 되지 않는다. 결국, 이전에 게재한 제3 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 램프의 발열이 증가하고, 램프 수명이 짧아지는 문제를 해결하기 위해 램프의 발광효율을 개선하려고 하면, 역으로 상기 제1 문제가 악화하고, 따라서 이들 두 문제를 동시에 해결하는 것은 대단히 곤란하다는 것을 알 수 있다.

따라서 필요한 광량을 실현가능하도록 작은 출력 임피던스를 가지는 급전수단을 사용하고, 또한 유전체 배리어 방전램프의 전 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한 실용적인 광원장치로 하기 위해 상기 최소 에너지의 방전의조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 함으로써 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건으로 바르게 설정할 필요가 있다. 보통, 이 적정한 램프인가전압의 범위는 넓지 않다.

상기 제1 문제에는 이전에 의론한 문제, 즉 방전 갭 간격의 램프내의 위치적 불균일의 영향에 의한 1개의 램프내에서의 방전의 불균일의 문제 외에, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 문제에 관해서도 충분히 고려할 필요가 있다.

이 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일을 보정하기 위해서는 램프투입전력을 개별적으로 조정하는 것 이외에 방법은 존재하지 않는다. 그러나 먼저 서술한 바와 같이 적정한 램프인가전압의 범위는 넓지 않기 때문에, 램프인가전압에 의해 램프투입전력을 개별적으로 조정하는 것은 부적당하다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일이 충분히 보정되는만큼, 램프인가전압을 개별적으로 가감시키면, 통상은 적정 범위를 넘어버리기 때문이다.

본 발명이 해결하려고 하는 문제는 상기 문제, 즉 넓은 면적을 조사하는 경우에는 조사 에너지 밀도의 균일화 또는 조광가능화가 곤란한 문제, 및 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 램프의 발열이 증가하여, 램프의 수명이 짧아지는 문제를 동시에, 또한 경제적으로 해결한 유전체 배리어 방전 램프 광원장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 이하의 구조를 가진다.

(1) 유전체 배리어 방전에 의해 엑시머 분자를 생성하는 방전용 가스가 충전된 방전 플라즈마 공간(G)이 있고, 상기 방전용 가스에 방전형상을 유기시키기 위한 양극의 전극(Ea, Eb) 중 적어도 한쪽과 상기 방전용 가스 사이에 유전체(D)가 끼워지는 구조를 가지는 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2‥)와, 상기 유전체 배리어 방전램프의 상기 전극(Ea, Eb)에 고전압을 인가하기 위한 급전수단을 가지는 유전체 배리어 방전램프 광원장치에 있어서, 상기 급전수단이 급전수단 전단부(M)와 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로 분할되어 구성되어, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 각각에 대응하고, 각 1개의 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)가 설치되어, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압(1)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 스위치 소자와 승압 트랜스(T)에 의해 상기 DC 전원전압(1)을 개략 주기적인 파형의 교류고전압(H)으로 변환하고, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 전극(Ea, Eb)에 상기 교류고전압(H)을 인가하는 것으로서, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 교류고전압(H)의 주파수를 독립적으로 조정가능하고, 상기 급전수단 전단부(M)는 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정가능한 것을 특징으로 하는 것이다.

(2) 또한 청구항 2에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 점등 기동용 DC 전원전압(3)의 양쪽을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3) 중 어느것을 선택하기 위한 점등전압 선택 스위치 회로(X)를 가지고, 유전체 배리어 방전램프의 점등 기동시에는 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)을, 또, 정상 점등시에는 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3)을, 점등전압 선택 스위치 회로(X)에 의해 선택하고, 선택된 전압에 따라 상기 개략 주기적인 파형의 교류고전압(H)으로 변환하는 것을 특징으로 하는 것이다.

(3) 또한 청구항 3에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 상기 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5) 중 어느것을 선택하기 위한 변조전압 선택 스위치 회로(Y)를 가지며, 또한 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 변조전압 선택 스위치 회로(Y)에 관한 두 개의 상태, 즉 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)을 선택하는 상태와, 상기 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 선택하는 상태를 교호로 개략 주기적으로 반복하고, 선택된 전압에 의해 상기 개략 주기적인 파형의 교류고전압(H)으로 변환하고, 또한 상기 두 개 상태의 계속시간 길이의 비를 조정가능한 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 예를 들면 광화학 반응용의 자외선 광원으로서 사용되는 방전래프의 일종으로, 유전체 배리어 방전에 의해 엑시머 분자를 형성하고, 상기 엑시머 분자로부터 방사되는 광을 이용하는 이른바 유전체 배리어 방전램프를 포함하는 광원장치에 관한 것이다.

도 1은 2장의 유전체가 존재하는 유전체 배리어 방전램프를 도시한다.

도 2는 유전체 배리어 방전램프의 등가회로를 도시한다.

도 3은 본 발명의 청구항 1에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 간략화된 구성도의 일례를 도시한다.

도 4는 본 발명의 청구항 2에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 간략화된 구성도의 일례를 도시한다.

도 5는 본 발명의 청구항 3에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 일부분의 간략화된 구성도의 일례를 도시한다.

도 6은 본 발명의 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 한 실시예의 간략화된 구성도의 일례를 도시한다.

도 7은 본 발명의 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 한 실시예의 일부분의 간략화된 구성도의 일례를 도시한다.

도 8은 본 발명의 램프전압 파형(Vs(t)) 및 램프 전류파형(Is(t))의 한 실측예를 도시한다.

도 9는 램프인가전압의 듀티사이클비 변조의 개념도를 도시한다.

본 발명의 청구항 1의 발명의 실시형태에 대해 도 3을 이용하여 설명한다.

급전수단 전단부(M)에 있어서, 상용전원라인(12)으로부터의 AC전압 입력은 예를 들면 다이오드 브리지 등에 의해 구성되는 정류회로(13), 평활 콘덴서(14)에 의해 직류전압라인(15)으로 변환된다. 상기 직류전압라인(15)에는 FET 등을 이용한 스위치 소자(16)나 다이오드(19), 쵸크코일(20), 평활 콘덴서(21)를 접속함으로써,전압가변 DC 전압원을 구성한다. 이것의 출력 DC 전원전압(1)은 광원 유닛(25)내에 포함되는 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에 대해 공통적으로 공급된다.

여기에서, 도 3의 상기 전압가변 DC 전압원은 강압 쵸퍼회로라고 불리는 것으로 상기 스위치 소자(16)에 부속하는 게이트 구동회로(17)에 입력하는 구형파적인 게이트 신호(18)의 듀티사이클비를 증감시킴으로써, 출력 DC 전원전압(1)을 증감시킬 수 있다. 본 전압가변 DC 전압원의 작동의 기동이나 정지제어, 저항분압기 등을 이용한 출력전압 검출회로(22)로부터의 전압측정신호(23)에 의해 피드백적으로 게이트 신호(18)를 생성하고, 출력 DC 전원전압을 안정화하는 제어 등은 급전수단 전단부 제어회로(24)가 행한다. 그리고 상기 광원 유닛(25)과 상기 급전수단 전단부(M)의 거리가 떨어져 있는 경우에는 상기 DC 전원전압(1)의 광원 유닛(25)측 입구에도 평활 콘덴서(26)를 접속하는 편이 좋다.

도 3에서는 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥) 중 한 개의 급전수단 후단부(S)에 대해서만 구조를 기재하고 있지만, 다른 것의 구조도 동일하고, 작동에 대해서도 동일하다.

급전수단 후단부(S)에서는 DC 전원전압(1)을 바이패스 콘덴서(27)에서 받아서, FET 등을 이용한 스위치 소자(28, 29, 30, 31)에 의해 구성되는 인버터 회로에 접속한다. 도 3의 인버터 회로는 풀브리지 인버터라고 불리는 것으로, 상기 각 스위치 소자(28, 29, 30, 31)에 부속의 왼쪽 위와 오른쪽 아래의 인버터 게이트 구동회로(32, 33)의 조, 또는 오른쪽 위와 왼쪽 아래의 인버터 게이트 구동회로(34, 35)의 조에 대해 조내의 스위치 소자가 동시에 온 구동되는 기간을 가지고, 이 온구동되는 조가 교호로 교번되도록 게이트 신호(36, 37, 38, 39)를 입력함으로써 승압 트랜스(T)의 1차측에는 극성이 정부로 변화하는 교류전압이 인가된다, 그리고 승압 트랜스(T)의 1차측에는 편여자 방지 콘덴서(41)를 삽입하는 경우가 있다.

이 인버터 회로의 기동이나 정지, 또는 교호로 교번하는 스위치 소자(28, 29, 30, 31)의 적정한 온 구동을 실현하는, 그리고 상기 게이트 신호(36, 37, 38, 39)의 생성을 행하는 인버터 게이트 신호 발생회로(40)는 급전수단 후단부 제어회로(42)에 포함된다. 또, 상기 온 구동되는 스위치 소자(28, 29, 30, 31)조가 교호로 교번하는 주파수는 주파수 설정수단(43)에 의해 상기 급전수단 후단부 제어회로(42)에 대해 설정된다. 또한 상기 급전수단 전단부 제어회로(24)와 주고 받는 광원 유닛 제어신호(44)에 의해 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 급전수단 후단부 제어회로에 대한 인버터 회로의 기동이나 정지 등의 총괄적 제어는 광원 유닛 제어회로(45)가 행한다.

상기 승압 트랜스(T)의 2차측에는 그 권선 비에 따라 승압되고, 설정된 주파수에 따른 주파수를 가지는 극성이 정부로 변화하는 교류고 전압(H)이 발생한다. 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로부터의 교류 고전압(H)은 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 각 전극에 인가됨으로써, 각 램프가 점등한다. 이 때, 상기 각 승압 트랜스(T)가 동일하게 제작되고 있는 것으로서, 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에 공급되는 상기 DC 전원전압(1)이 공통이기 때문에, 각 램프에 인가되는 교류 고전압(H)의 진폭은 모두 개략 동일하게 된다.

따라서, 모든 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉,유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해서, 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 한 것에 의한 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건이 되도록 상기 급전수단 전단부(M)에서, 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정하면 된다는 것을 알 수 있다. 이것에 의해 상기 제1 문제 중, 방전 갭 간격의 램프내의 위치적 불균일의 영향에 의한 1개의 램프내에서의 방전의 불균일의 문제와, 상기 제 3의 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 램프의 증발이 증가하고, 램프의 수명이 짧아지는 문제가 해결된다.

한편, 도 8은 이와 같은 풀 브리지 인버터에 의해 유전체 배리어 방전램프를 점등했을 때의 램프 전압파형(Vs(t)), 즉 급전수단 후단부(S)의 출력 교류 고전압(H)과 램프전류파형(Is(t))의 예이다. 도 8의 램프전류파형(Is(t))으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 램프전류는 램프전압파형(Vs(t))이 급준하게 변화한 수간에밖에 흐르지 않는다. 따라서 램프투입전력은 단위시간당 램프전압파형(Vs(t))의 급준한 변화의 회수, 즉 인버터 회로의 주파수에 비례하는 것을 알 수 있다. 이 것은 상기한 바와 같이, 유전체 베리어 방전램프(B)가 유전체(D)의 콘덴서(10)와 방전 플라즈마 공간(G)의 콘덴서(11)에 의해 구성된다고 하는 사실에 대응하는 것이다.

따라서 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥) 각각에서의 주파수 설정수단에 의해 인버터 회로의 주파수를 조정함으로써, 각 램프투입전력을 개별적으로 미세하게조정하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 이것에 의해 상기 제1 문제 중, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 문제와 조광가능화의 문제가 해결된다.

또, 전압가변 DC 전압원의 기능을 1개의 급전수단 전단부(M)에 집약하고, 이것에 의해 모든 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)에 인가하는 교류 고전압(H)의 진폭조정을 공통적으로 조정할 수 있도록 함으로써, 상기 일본특개평 8-146198호 중 실시예로 예를 들고 있는 회로와 비교하여 회로구성이 명확하게 간략화되어 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의해 상기 제2 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 보다 경제성이 요구된다고 하는 문제가 해결된다.

즉, 본 발명의 청구항 1의 발명에 의해 상기 제1 문제, 제2 문제, 제3 문제가 모두 해결되는 것을 알 수 있다.

다음에 본 발명의 청구항 2의 발명의 실시형태에 대해 도 4를 이용하여 설명한다.

일반적인 방전램프와 동일하게 유전체 배리어 방전램프에서도 소등상태로부터 점등기동할 때에는 정상점등시보다도 높은 램프인가전압을 필요로 한다. 도 2의 구성의 광원장치에서 소등상태로부터 점등기동을 위해 급전수단 전단부(M)의 출력 DC 전원전압(1)을 낮은 값으로부터 상승시켜가고, 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥) 중 어느 한 개가 점등한 경우를 생각한다. 점등이 완료한 램프에 대해서는 램프인가전압을 정상 점등에 적합한 값까지 내릴 필요가 있기 때문에, 급전수단 전단부(M)가 DC 전원전압(1)을 저하시킨 경우, 만약, 램프점등 타이밍의 분산에 기인하여 아직 점등이 완료하지 않은 램프가 존재하는 경우에는 이 램프는 미점등인채로 남을 가능성이 있다. 이것을 피하기 위해 모든 램프에서 점등이 완료할 때까지 DC 전원전압(1)을 계속 상승시킨 경우에는 점등이 완료한 램프에 있어서는 단시간에서는 어떻게 하든 과입력되기 때문에, 램프수명을 단축할 가능성이 있다.

이 점등기동시의 결점을 회피하기 위해, 급전수단 전단부(M)에 대해서는 도 3에서는 1계통이었던 강압 쵸퍼회로가 도 4에서는 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 생성하기 위한 도 3의 것과 동일한 강압 쵸퍼회로의 계통에 대해 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 생성하기 위한 추가의 스위치 소자(46), 게이트 구동회로(47), 게이트 신호(48), 다이오드(49), 쵸크코일(50), 평활 콘덴서(51), 출력전압 검출회로(52), 전압측정신호(53)로 구성되는 강압 쵸퍼회로의 계통이 추가되어, 합해서 2계통의 강압 쵸퍼회로로 구성되어 있다.

급전수단 후단부(S)에 대해서는 FET 등을 이용한 스위치 소자(54), 다이오드(55, 56)로 구성되는 점등전압 선택 스위치회로(X) 및 이들을 위한 게이트 구동회로(57), 게이트 신호(58)가 추가되고, 상기 급전수단 전단부(M)로부터 정상 점등용 DC 전원전압(2) 또는 점등 기동용 DC 전원전압(3) 중 어느것을 선택하여 스위치 소자(28, 29, 30, 31)로 이루어지는 인버터 회로에 공급할 수 있도록 되어 있다. 선택을 위한 스위치 게이트 신호 생성회로(61)는 급전수단 후단부 제어회로(42)에 포함된다. 또 각 램프의 점등을 검출하는 점등검출수단(59)이 추가된다. 그리고 도 4에서는 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)에 대해서는 기재를 생략하고 있다.

도 4 구성의 유전체 배리어 방전램프 광원장치를 다음과 같이 작동시킴으로써 상기한 점등기동시의 결점을 회피할 수 있다.

점등기동하는 경우에는 이것에 앞서서 급전수단 전단부(M)로부터 정상 점등용 DC 전원전압(2)으로서 정상 점등에 적합한 램프인가전압에 대응하는 값을 출력해 둔다. 또, 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)는 점등전압 선택 스위치 회로(X)가 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 선택하는 상태로 해 둔다.

소등상태로부터 점등기동을 위해 급전수단 전단부(M)는 출력 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 낮은 값으로부터 개시하여 시간과 함께 상승시켜 간다. 각 급전 수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서는 이것에 접속된 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 방전이 개시한 것을 점등 검출수단(59)에 의해 검출할 때까지 대기하고, 이것을 검출한 경우에는 점등전압 선택 스위치 회로는 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 바로 전환한다.

이와 같은 점등기동을 할 때의 일련의 동작에 의해, 이미 점등이 완료한 램프가 존재하는 경우에도 점등이 미완료한 램프에는 시간과 함께 상승하는 교류 고전압이 인가되기 때문에, 결국 확실하게 점등하기 위해 미점등인채로 남겨지는 램프가 존재할 가능성의 문제는 완전히 해결된다. 또, 점등이 완료한 후에는 다른 점등이 미완료의 램프가 존재하는 경우에도 과입력이 되지 않는 범위의 교류 고전압이 인가되기 때문에, 램프수명을 단축할 가능성의 문제도 또한 완전히 해결된다.

그리고, 정상 점등용 DC 전원전압(2)으로서 설정하는, 상기 정상 점등에 적합한 램프인가전압에 대응하는 값으로서는 유전체 배리어 방전램프가 점등하지 않고 방전을 유지할 수 있는 값으로부터 과입력이 되지 않는 상한값까지의 범위 중 적정한 램프인가전압에 대응하는 값, 오히려 통상적으로는 이 범위의 하한에 가까운 램프인가전압에 대응하는 값으로 하면 된다. 그리고 모든 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서 점등이 완료하고, 점등전압 선택 스위치 회로가 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 전환된 경우, 광원 유닛 제어회로(45)가 이것을 검지하고, 급전수단 전단부(M)에 정보를 송출하는 것을 기다리고, 상기 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해, 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 함으로써 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건에 대응하는 전압으로 변경하도록 제어하는 것이 바람직하다. 또는 처음부터 이 전압으로 설정해 두어도 된다.

그리고 모든 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서 점등이 완료하고, 점등전압 선택 스위치 회로가 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 전환된 경우, 급전수단 전단부 제어회로(24)는 점등기동용 DC 전원전압(3)의 출력을 정지하도록 해도 된다.

다음에 본 발명의 청구항 3의 발명의 실시형태에 대해 도 5를 이용하여 설명한다.

상기한 바와 같이, 적정한 램프인가전압의 범위는 넓지 않다고 하는 사정에 의해 본 발명의 청구항 1의 발명에서는 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에서의 주파수 설정수단(43)에 의해 인버터 회로의 주파수를 조정함으로써 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 보정과, 조광가능화의 양쪽을 달성했다. 그러나 이들 두 개의 기능, 즉 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 보정기능과, 전체적으로 하나의 형태인 램프발광강도의 증감기능과는 분리하여, 후자에 대해서는 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)마다 개별적으로 주파수 설정수단에 의한 것이 아닌, 광원장치 중, 다른 한 개의 요소의 조정에 의해 실현할 수 있는 쪽이 조작, 제어에서 적합하다.

이것을 가능하게 하기 위해, 도 4 중 광원 유닛 제어회로(45)에 대해 듀티사이클비 가변발진기(62)와 듀티사이클비 설정수단(63)을 추가함과 더불어, 변조전압 선택 스위치 회로(Y)의 선택상태를 광원 유닛 제어회로(45)로부터 제어할 수 있도록 한다. 이 모양을 도 5에 도시한다. 도 5에서는 광원 유닛 제어회로(45)의 주변만을 기재하고, 생략된 부분의 구성은 도 4와 동일하다.

듀티사이클비 가변발진기(62)는 디지털적인 로우레벨과 하이레벨의 출력을 반복하는 것으로, 이 출력신호는 변조신호(64)로서 광원 유닛 제어회로(45)에 접속되고, 광원 유닛 제어회로(45)는 이것을 각 급전수단 후단부 제어회로(42)에 송출한다. 급전수단 후단부 제어회로(42)는 송신한 변조신호의 로우레벨과 하이레벨의 차이에 따라서 변조전압 선택 스위치 회로(Y)에 의해 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4) 또는 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5) 중 어느것을 선택하여, 스위치 소자(28, 29, 30, 31)로 이루어지는 인버터 회로에 공급할 수 있도록 구성된다.

여기에서 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)은 유전체 배리어 방전램프가 소등하지 않고 간신히 방전을 유지할 수 있을 정도의 램프인가전압에 대응하는 전압을, 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)은 상기 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 함으로써, 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건에 대응하는 전압을 설정해 둔다.

또, 상기 듀티사이클비 가변발진기(62)에는 듀티사이클비 설정수단(63)이 접속되어, 이것의 설정을 변경함으로써 듀티사이클비 가변발진기(62)의 출력이 로우레벨인 기간과 하이레벨인 기간의 시간 길이의 비, 즉 듀티사이클비를 조정할 수 있다. 그리고 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에서의 주파수 설정수단(43)에 의해 인버터 회로의 주파수를 조정함으로써, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 보정에 대해 먼저 완료시켜 둔다.

이와 같은 구성, 설정을 기초로, 본 유전체 배리어 방전램프 광원장치를 작동시킨 경우, 램프인가전압은 도 9에 도시하는 개념도와 같이 램프발광강도에 대해 듀티사이클비 변조(PWM)를 걸 수 있게 된다. 변조신호(64)의 전압, 즉 변조신호 파형(Vm(t))이 로우레벨일 때는 변조전압 선택 스위치 회로(Y)에 의해 선택되는 인버터 회로에의 공급전압파형(Ve(t))의 전압은 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)이 되고, 램프인가파형(Vs(t))은 유전체 배리어 방전램프가 소등하지 않고 간신히 방전을 유지할 수 있을 정도의 램프인가전압이 인가되고, 역으로 변조신호파형(Vm(t))이 하이레벨일 때는 인버터 회로에의 공급전압파형(Ve(t))의 전압은 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)이 되고, 램프전압파형(Vs(t))은 상기 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 함으로써 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건에 대응하는 전압이 인가된다. 이 때, 듀티사이클비 설정수단(63)을 조정함으로써, 시간 평균적인 램프투입전력을 조정할 수 있다.

이것에 의해, 본 발명의 청구항 3의 발명은 광원장치내의 단 1개 요소인 듀티사이클비 설정수단(63)만의 조정에 의해 모든 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 램프투입전력을 균일하게 증감할 수 있다고 하는 조작상, 제어상의 큰 이점을 가지는 것을 알 수 있다. 그 때, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일은 문제가 되지 않는다. 왜냐하면, 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)이 선택되는 상태에서는 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에서의 주파수 설정수단(43)에 의해 인버터 회로의 주파수를 조정함으로써, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 보정이 이루어진 상태이고, 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)이 선택되는 상태에서는 만약 불균일이 일어났다고 해도 램프발광강도의 절대값이 작아서, 무시해도 되기 때문이다. 또, 효율에 대해서도 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)이 선택되는 상태에서는 상기 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해, 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 한 것에 의한 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건에 대응하는 전압이고, 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)이 선택되는 상태에서는 효율의 좋고 나쁨에 관계없이 램프투입전력의 절대값이 작아서 무시해도 되기 때문이다.

그리고 듀티사이클비 변조에 있어서, 유전체 배리어 방전램프가 소등하지 않고 간신히 방전을 유지할 수 있을 정도의 램프인가전압을 인가하고, 불완전 소등으로 하는 이유는 상기와 같이 소등상태로부터 점등기동할 때에는 정상 점등시보다도 높은 램프인가전압을 필요로 하고, 복잡한 전압제어를 요하게 되므로, 이것을 피하기 위해서이다. 또, 변조의 주파수에 대해서는 용도에 따라 최적한 값을 결정할 필요가 있지만, 인간의 눈으로 봐서 어른거림이 현저하게 느껴지지 않을 정도의 주파수보다 높은 값이면 통상의 응용에서는 충분하다.

이하에서 상기 제1 문제, 즉 넓은 면적을 조사하는 경우에는 조사 에너지 밀도의 균일화 또는 조광가능화가 곤란해지는 문제와, 상기 제2 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라서 보다 경제성이 요구되는 문제와, 상기 제3 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라서 램프의 발열이 증가하고, 램프의 수명이 짧아지는 문제가 해결된, 본 발명에 의한 유전체 배리어 방전램프 광원장치의 실시예에 대해 본 발명의 간략화된 구성을 도시하는 도 6을 이용하여 설명한다.

도 6의 광원장치의 구조는 기본적으로 본 발명의 청구항 3의 발명이 되는 유전체 배리어 방전램프 광원장치이다. 본 발명의 청구항 3의 발명이 되는 유전체 배리어 방전램프 광원장치에 있어서, 점등기동시에는 변조가 걸리지 않게끔 하면, M의 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)을 생성하는 계통과, 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 생성하는 계통과는 공통화할 수 있고, 또 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 생성하는 계통과, 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 생성하는 계통과는 공통화할 수 있고, 또한 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서 변조전압 선택 스위치 회로(Y)와 점등전압 선택 스위치 회로(X)와는 공통화할 수 있다. 이 때, 점등전압 선택 스위치 회로(X)를 위한 스위치 게이트 신호생성회로(61)가 점등검출수단(59)으로부터의 점등검출신호(60)와, 듀티사이클비 가변발진기(62)로부터의 변조신호(64) 중 어느것을 유효하게 하는지를 광원 유닛 제어회로(45)로부터의 변조기동선택신호(65)에 의해 제어할 수 있도록 구성해 둔다. 단, 이 제어는 모든 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 스위치 게이트신호 생성회로(61)에 대해서 공통이어도 된다. 70. 점등기동시에는 점등검출수단(59)으로부터의 점등검출신호(60)를 유효하게 하도록 변조기동선택신호(65)를 설정한 다음에, 상기 본 발명의 청구항 2의 실시형태의 설명에 기재한 바와 같이, 급전수단 전단부(M)로부터 정상 점등용 DC 전원전압(2)으로서 정상 점등에 적합한 램프인가 전압에 대응하는 값을 출력하고, 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)는 점등전압 선택 스위치 회로(X)가 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 선택하는 상태로 한다. 소등상태로부터의 점등기동을 위해 급전수단 전단부(M)는 출력 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 낮은 값으로부터 개시하여 시간과 함께 상승시켜 간다. 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서는 이것에 접속된 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 방전이 개시한 것을 점등검출수단(59)에 의해 검출할때까지 대기하고, 이것을 검출한 경우에는 점등전압 선택 스위치 회로는 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 바로 전환한다. 전환이 행해진 급전수단 후단부에서는 인버터 회로에의 급전전압은 정상점등에 적합한 램프인가전압에 대응하는 값이 되고, 램프에의 과입력이 방지된다.

모든 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서 점등이 완료하고, 점등전압 선택 스위치 회로가 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 치환된 경우, 광원 유닛 제어회로(45)가 이것을 검지하고, 급전수단 전단부(M)에 대해 그 취지의 신호를 송출한다. 급전수단 전단부(M)는 이것을 기다려서 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)에, 또 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)으로 각각 변화시킨다. 광원 유닛 제어회로(45)는 상기 스위치 게이트신호 생성회로(61)에 대해 듀티사이클비 가변발진기(62)로부터의 변조신호(64)를 유효하게 하도록 변조기동 선택신호(65)를 전환한다. 이것에 의해 상기 본 발명의 청구항 3의 발명의 실시형태의 설명에 기재된 바와 같이, 모든 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 램프발광강도가 듀티사이클비 설정수단(63)에 설정된 정보에 따른 듀티사이클비 변조가 이루어진 점등이 개시한다.

도 6에서는 점등검출수단(59)으로서 유전체 배리어 방전램프(B)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 트랜스(66)를 응용한 것으로 하고 있다. 이것은 도 7에 기재된 바와 같이 전류 트랜스(66)에 의해 검출되는 램프전류파형에 대해 절대값평균회로(67)를 이용하여 절대값의 평균값 신호(68)를 생성하고, 이것과 적당히 결정된 점등임계 전압(70)을 비교기(69)에 의해 비교한 결과를 점등검출신호(60)로 함으로써 간단히 실현할 수 있다.

도 7에서는 광원 유닛 제어회로(45)에서 논리곱회로(71)에 의해 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로부터의 점등검출신호(60)의 논리곱을 취함으로써 모든 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)에서의 점등이 완료하고, 점등전압 선택 스위치 회로가 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 선택하는 상태로 치환된 것을 나타내는 모든 램프점등신호(72)를 생성하고 있다.

또, 가산회로(73)에 의해 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로부터의 절대값의 평균값 신호(68)의 총화를 취함으로써, 모든 램프 총 전류신호(74)를 생성한다. 이 신호는 모든 램프투입전력에 상관하는 신호로서 이용할 수 있다. 모든 램프 총 전류신호(74)는 트랙 홀드 회로(75)에 입력되고, 변조 하이레벨 모든 램프투입 전력신호(76)가 생성된다. 트랙 홀드 회로(75)에는 제어신호로서 변조신호(64)를 입력한다. 이와 같이 구성함으로써, 듀티사이클비 변조가 하이레벨의 기간에는 모든 램프 총 전류신호(74)가 그대로 변조 하이레벨 모든 램프투입 전력신호(76)로서 입력되고, 역으로 듀티사이클비 변조가 로우레벨인 기간에는 그 직전의 변조가 하이레벨일 때의 모든 램프 총 전류신호(74)가 홀드되어 변조 하이레벨의 모든 램프투입 전력신호(76)로서 출력된다. 즉 변조 하이레벨의 모든 램프투입 전력신호(76)는 듀티사이클비 변조의 위상에 의하지 않고, 항상 변조가 하이레벨일 때의 모든 램프투입전력에 상관하는 신호인 것을 알 수 있다.

변조 하이레벨 모든 램프투입 전력신호(76)는 광원 유닛 제어신호(44)의 일부로서 급전수단 전단부(M)에 송출된다. 급전수단 전단부(M)에서는 변조 하이레벨의 모든 램프투입 전력신호(76)가 미리 설정된 목표값에 일치하도록 피드백적으로 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 증감시킨다.

이와 같이, 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 변조가 하이레벨일 때의 모든 램프투입전력에 상관하는 신호에 따라 제어하는 것이 이점이 크다. 왜냐하면 다른 방전램프와 동일하게 유전체 배리어 방전램프의 방전에 대해서는 그 램프인가전압과 램프투입 전력의 관계는 램프점등 개시로부터 경과시간이나 램프온도에 의해 변동하기 때문에, 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 고정적으로 가하는 것에서는, 램프인가 전압이 상기 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 가지게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 랜프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 한 것에 의한 엑시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건에 있는 것을 완전히 보증할 수 없기 때문이다.

도 6에서는 각 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)에 대해 각 램프의 램프 발광강도를 측정하기 위한 광검출기(U, U1, U2‥)를 설치하고 있고, 이들의 검출신호는 광원 유닛 제어회로(45)에서 총화되어, 모든 램프의 램프발광강도 신호가 생성된다. 모든 램프의 램프발광강도 신호는 광원 유닛 제어신호(44)의 일부로서 급전수단 전단부(M)로 송출된다. 급전수단 전단부(M)에서는 모든 램프의 램프발광강도 신호가 미리 설정된 목표값에 일치하도록 피드백적으로 변조의 듀티사이클비를 증감시킨다. 그리고 듀티사이클비 정보는 광원 유닛 제어신호(44)의 일부로서 광원 유닛(25)에 송출되고, 듀티사이클비 설정수단(63)에 설정된다.

이와 같이, 변조의 듀티사이클비를 모든 램프의 램프발광강도에 따라 제어하는 것이 이점은 크다. 상기 램프발광강도의 변동요인, 즉 램프의 점등기동 직후로부터 전기적, 열적으로 안정화할때까지의 기간내의 변동 및 램프가 신품인 상태로부터 그 수명말기에 이를때까지의 기간내의 변동이 직접적으로 보정되어, 항상 조사 에너지 밀도의 과부족이 없는 광원장치를 실현할 수 있다. 그리고 모든 램프의 램프발광 강도의 총화가 아닌, 1개의 램프에만 착안하여 그 램프발광강도를 측정하고, 이것에 따라 변조의 듀티사이클비를 제어하는 방법도 있다. 이 방법은 정밀도는 떨어지지만, 구성이 간단하므로 실용성은 충분하다.

또한, 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)마다 각 램프의 광검출기(U, U1, U2)로부터의 검출신호를 광원 유닛 제어회로(45)가 받아들이고, 또 광원 유닛 제어회로(45)로부터 각 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 주파수 설정수단(43)에의 주파수를 설정할 수 있도록 구성한 다음, 램프마다 램프발광강도 밸런스를 조사하여, 램프발광 강도가 전체의 평균보다도 큰 것이 있는 경우에는 그 광검출기가 속하는 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 주파수 설정수단(43)의 주파수를 줄이고, 역으로 램프발광강도가 전체 평균보다도 작은 것이 있는 경우에는 그 광검출기가 속하는 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 주파수 설정수단(43)의 주파수를 늘리도록, 연속적으로 또는 간헐적으로 자동제어하는 구성을 추가하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 일부 또는 전부의 램프를 교환한다든지, 경시변화에 의해 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 밸런스가 변화한 경우에도 넓은 면적에 걸쳐서 항상 조사 에너지 밀도가 균일화된 보다 우수한 광원장치를 실현할 수 있다.

그리고 듀티사이클비 변조를 사용하지 않은 광원장치에 있어서, 램프투입전력을 안정화하는 경우에는 도 7에서 절대값의 평균값 신호(68)에의 트랙 홀드 회로(75)의 삽입을 생략하면 된다. 이 경우에는 절대값의 평균값 신호(68)는 광원 유닛 제어신호(44)의 일부로서 급전수단 전단부(M)로 송출된다. 급전수단 전단부(M)에서는 절대값의 평균값 신호(68)가 미리 설정된 목표값에 일치하도록 피드백적으로 정상 점등용 DC 전원전압(2)을 증감시킨다. 그리고 도 7에서 R은 저항, C는 콘덴서, PO는 연산증폭기, BF는 버퍼, DI는 다이오드를 나타낸다.

여기에서는 점등검출수단(59)으로서 상기 전류 트랜스(66)를 응용한 것을 기재했지만, 광검출기(U)로부터의 모든 램프의 램프발광강도 신호를 이용해도 된다. 그리고 도 3, 도 4, 도 6에서는 풀브리지 인버터를 기재했지만, 하프브리지 방식이나 스위치 소자가 1개인 인버터 방식의 것이어도 된다. DC 전원전압(1), 정상 점등용 DC 전원전압(2), 점등 기동용 DC 전원전압(3), 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4), 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 생성하기 위해, 강압 쵸퍼방식의 것을 기재했지만, 다른 방식의 것이어도 된다. 또, 도 6에서는 정류회로(13)로서 다이오드 브리지의 것을 기재했지만, 다른 방식의 것이어도 되고, 시판의 DC 전원모듈이나, 특히 전원전류 고주파 억제기능이 부착된 액티브 필터 방식의 것이 적합하다.

당연하지만, 도면에 기재한 회로구성 등은 주요한 요소만을 기재한 일례로서, 실제로 응용하는 경우에는 사용하는 부품의 특징, 극성 등의 차이에 따라 적절하게 변경되고, 또 필요에 따라 주변소자가 추가되어야 하는 것이다.

본 발명에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 유전체 배리어 방전에 의해 엑시머 분자를 생성하는 방전용 가스가 충전된 방전 플라즈마 공간(G)이 있고, 상기 방전용 가스에 방전현상을 유기시키기 위한 양극의 전극(Ea, Eb) 중 적어도 한쪽과 상기 방전용 가스의 사이에 유전체(D)가 끼워진 구조를 가지는 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)와, 상기 유전체 배리어 방전램프의 상기 극성(Ea, Eb)에 고전압을 인가하기 위한 급전수단을 가지는 유전체 배리어 방전램프 광원장치에 있어서, 상기 급전수단이 급전수단 전단부(M)와 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로 분할하여 구성되고, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 각각에 대응하여, 각 1개의 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)가 설치되며, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압(1)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 스위치 소자와 승압 트랜스(T)에 의해 상기 DC 전원전압(1)을 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 교환하여, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 전극(Ea, Eb)에 상기 교류 고전압(H)을 인가하는 것으로서, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 교류 고전압(H)의 주파수를 독립적으로 조정할 수 있고, 상기 급전수단 전단부(M)는 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 것으로 했기 때문에, 유전체 배리어 방전램프에 대한 인가전압이 상기한 조건, 즉 유전체 배리어 방전램프의 모든 벽면에서 균일하게 방전을 발생시킬 여유를 갖게 한, 실용적인 광원장치로 하기 위해, 상기 최소 에너지의 방전의 조건보다도 램프인가전압을 높게 하고, 또한 램프인가전압을 높게 한 것에 의한 에시머 발광의 효율저하가 용인가능한 범위의 조건이 되도록 상기 급전수단 전단부(M)에서 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정할 수 있고, 상기 제1 문제 중, 방전 갭 간격의 램프내의 위치적 불균일의 영향에 의한 1개의 램프내에서의 방전의 불균일의 문제와, 상기 제3 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 램프의 발열이 증가하여, 램프의 수명이 짧아지는 문제가 해결되고, 상기 제1 문제 중, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 문제와 조광가능화의 문제가 해결되며, 상기 제2 문제, 즉 고출력화와 조사면적 광대화, 즉 장치의 대전력화에 따라 보다 경제성이 요구되는 문제가 해결된다.

또한, 청구항 2에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 점등 기동용 DC 전원전압(3)의 양쪽을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3) 중 어느것을 선택하기 위한 점등전압 선택 스위치회로(X)를 가지고, 유전체 배리어 방전램프의 점등 기동시에는 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)을, 또 정상 점등시에는 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3)을 점등전압 선택 스위치회로(X)에 의해 선택하고, 선택된 전압에 따라서 상기 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 것으로 했기때문에, 점등이 완료한 램프에 대해서는 램프인가전압을 정상 점등에 적합한 값까지 내릴 필요가 있기 때문에, 급전수단 전단부(M)가 DC 전원전압(1)을 저하시킨 경우, 만약 램프점등 타이밍의 분산에 기인하여 아직 점등이 완료하지 않은 램프가 존재하는 경우에는 이 램프는 미점등인채로 남겨질 가능성이 있는 문제와, 이것을 피하기 위해 모든 램프에서 점등이 완료할때까지 DC 전원전압(1)을 계속 상승시킨 경우에는 점등이 완료한 램프에 있어서는 단시간에서는 어떻게 하든 과입력되기 때문에, 램프 수명을 단축시킬 가능성이 있는 문제가 해결된다.

또한 청구항 3에 관한 유전체 배리어 방전램프 광원장치는, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고, 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 상기 변조 하이에벨용 DC 전원전압(5) 중 어느것을 선택하기 위한 변조 전압 선택 스위치회로(Y)를 가지고, 또한 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 변조 전압 선택 스위치회로(Y)에 관한 두 개의 상태, 즉 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)을 선택하는 상태와, 상기 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 선택하는 상태를 교호로 개략 주기적으로 반복하여, 선택된 전압에 따라 상기 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 교환하고, 또한 상기 두 개 상태의 계속시간 길이의 비를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 것으로 했기 때문에, 다른 램프 사이에서의 발광효율의 분산에 기인하는 불균일의 보정기능과, 전체적으로 한 형태인 램프발광강도의 증감기능과는 분리하여, 후자에 대해서는 각급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)마다 각각의 주파수 설정수단에 의한 것이 아닌, 광원장치 중, 다른 한 개 요소의 조정에 의해 실현할 수 있는 큰 이점을 얻을 수 있다.

본 발명의 유전체 배리어 방전램프 광원장치는 광화학 반응용의 자외선 광원 등에 이용할 수 있다.

Claims (3)

1. 유전체 배리어 방전에 의해 엑시머 분자를 생성하는 방전용 가스가 충전된 방전 플라즈마 공간(G)이 있고, 상기 방전용 가스에 방전현상을 유기시키기 위한 양극의 전극(Ea, Eb) 중 적어도 한쪽과 상기 방전용 가스의 사이에 유전체(D)가 끼워진 구조를 가지는 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)와,

   상기 유전체 배리어 방전램프의 상기 전극(Ea, Eb)에 고전압을 인가하기 위한 급전수단을 가지는 유전체 배리어 방전램프 광원장치에 있어서,

   상기 급전수단은 급전수단 전단부(M)와 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)로 분할하여 구성되고, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 각각에 대응하여 각 1개의 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)가 설치되고,

   상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압(1)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고,

   상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 스위치 소자와 승압 트랜스(T)에 의해 상기 DC 전원전압(1)을 개략 주기적이 파형의 교류 고전압(H)으로 변환하여, 상기 유전체 배리어 방전램프(B, B1, B2,‥)의 전극(Ea, Eb)에 상기 교류 고전압(H)을 인가하는 것으로서,

   상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 교류 고전압(H)의 주파수를 독립적으로 조정할 수 있고,

   상기 급전수단 전단부(M)는 상기 공통의 DC 전원전압(1)을 조정할 수 있는것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전램프 광원장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 점등 기동용 DC 전원전압(3)의 양쪽을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고,

   상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)과 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3) 중 어느것을 선택하기 위한 점등전압 선택 스위치회로(X)를 가지고,

   유전체 배리어 방전램프의 점등 기동시에는 상기 점등 기동용 DC 전원전압(3)을, 또 정상 점등시에는 상기 정상 점등용 DC 전원전압(2)을, 점등전압 선택 스위치회로(X)에 의해 선택하고, 선택된 전압에 따라 상기 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 변환하는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전램프 광원장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 급전수단 전단부(M)는 공통의 DC 전원전압으로서 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각에 대해 공급하고,

   상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)과 상기 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5) 중 어느것을 선택하기 위한 변조전압 선택 스위치회로(Y)를 가지고,

   또한 상기 급전수단 후단부(S, S1, S2,‥)의 각각은 변조전압 선택 스위치회로(Y)에 관한 두 개의 상태, 즉 상기 변조 로우레벨용 DC 전원전압(4)을 선택하는 상태와, 상기 변조 하이레벨용 DC 전원전압(5)을 선택하는 상태를 교호로 개략 주기적으로 반복하고, 선택된 전압에 의해 상기 개략 주기적인 파형의 교류 고전압(H)으로 변환시키며, 또한 상기 두 개 상태의 계속시간 길이의 비를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전램프 광원장치.