JP6501196B2 - Excimer lamp light source device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、UVオゾン洗浄、UV表面改質、UV硬化、UV殺菌、UV治療などの分野において利用可能なUV(紫外域の)光を発生して、もしくは発生したUV光を他の波長に変換して、それを照射する装置を構成する際に好適な光源であるエキシマランプと、それを点灯するインバータからなるエキシマランプ光源装置に関する。 The present invention generates UV (ultraviolet) light that can be used in the field of, for example, UV ozone cleaning, UV surface modification, UV curing, UV sterilization, UV treatment, etc. The present invention relates to an excimer lamp light source device including an excimer lamp which is a light source suitable for converting a wavelength into a device for irradiating the wavelength, and an inverter for lighting the same.
エキシマランプ光源装置に関しては、例えば、本発明の出願人による特許第3355976号や特許第3353684号、特許第3296284号公報などに記載されているように、エキシマランプを強力に駆動して、高効率のUV発光を得るための技術開発が行われて来たが、その動機は、主として工場や事務所などで使用できる業務用の装置での応用を念頭に置いていた。
一方、これらとは対照的に、例えば家庭用のUV殺菌などに用いるUV光源においては、比較的小規模な光源装置であって、高効率を求めないUV発光を、可及的低コストで実現することが要求される場合があり、このような用途に対しては、先に挙げた文献に記載のような技術は、必ずしも最適とは言えなかったため、代わりに、例えば低圧水銀ランプが用いられることが多かった。
しかし、有害な水銀を含む光源を、食品や飲料水を扱う殺菌装置に内蔵することに対し、世の中の批判が高まっており、そのような有害物質を含まないエキシマランプを、好適な条件で利用できる技術の確立が求められている。
With regard to the excimer lamp light source device, for example, as described in the patent 3355976, the patent 3353684, the patent 3296284 and the like by the applicant of the present invention, the excimer lamp is driven strongly to achieve high efficiency. Technology has been developed to obtain UV light, but its motives were mainly in view of application in commercial equipment that can be used in factories and offices.
On the other hand, in contrast to these, UV light sources used for UV sterilization for home use, for example, are relatively small-scale light source devices and realize UV emission not requiring high efficiency at the lowest possible cost For such applications, for example, low-pressure mercury lamps are used instead, as the techniques described in the above-mentioned documents are not always optimal. There were many cases.
However, there has been growing criticism of the world against incorporating harmful mercury-containing light sources into food and drinking water sterilizers, and use excimer lamps free of such harmful substances under suitable conditions. It is required to establish technology that can
本発明のエキシマランプ光源装置の一部を簡略化して示す模式図である図1の(a)および(b)は、エキシマランプ(Y)の構成を簡略化して示したもので、放電用ガスが充填された放電空間(Yg)が、石英ガラス等を用いて構成されたバルブ(Yt)の中に封じられている様子を表している。
前記放電空間(Yg)に高電圧を印加して、放電を誘起せしめるための両極の電極(Ye1,Ye2)のうち、少なくともその片方と前記放電空間(Yg)との間に誘電体(Yb)が介在する。
本図では、前記電極(Ye1,Ye2)は、両極とも前記バルブ(Yt)の外部に設けた外部電極とした場合を描いてあるが、何れか一方を前記バルブ(Yt)の内部に設け、前記放電空間(Yg)と接するように構成することも可能であり、ただし、そのようにすると、前記電極(Ye1,Ye2)に印加する必要電圧を低く抑えることができる利点がある反面、エキシマ発光の均一性が劣り易い弱点がある。
なお、前記電極(Ye1,Ye2)には、電極リード(Te1,Te2)を介して、インバータに実装された高電圧交流発生用のトランスからの交流高電圧が印加される。
(A) and (b) of FIGS. 1A and 1B, which are schematic views schematically showing a part of the excimer lamp light source device of the present invention, show the structure of the excimer lamp (Y) in a simplified manner. The discharge space (Yg) filled with is enclosed in a bulb (Yt) made of quartz glass or the like.
A dielectric (Yb) is applied between the discharge space (Yg) and at least one of the electrodes (Ye1, Ye2) of both electrodes for inducing a discharge by applying a high voltage to the discharge space (Yg) Intervenes.
In the drawing, the electrodes (Ye1 and Ye2) are drawn as external electrodes provided on both sides of the bulb (Yt), but either one is provided inside the bulb (Yt). It may be configured to be in contact with the discharge space (Yg). However, if it is made such, there is an advantage that the required voltage applied to the electrodes (Ye1, Ye2) can be suppressed low, but excimer emission There is a weakness that the uniformity of
An alternating current high voltage from a high voltage alternating current generation transformer mounted on an inverter is applied to the electrodes (Ye1 and Ye2) through the electrode leads (Te1 and Te2).
放電用ガスとしては、キセノンやクリプトンなどの希ガス、フッ素や塩素などのハロゲン等、もしくはそれらの混合物が、発生させたい光の波長に応じて選択して用いられる。
放電によって発生した光を直接利用する場合だけでなく、例えば前記バルブ(Yt)の内面に、蛍光体などの被膜を設け、発生したUV光を波長変換して、長い波長のUV光や可視光として外部に取出し、利用する場合もある。
As the discharge gas, a rare gas such as xenon or krypton, a halogen such as fluorine or chlorine, or the like, or a mixture thereof is selected and used according to the wavelength of light to be generated.
Not only when light generated by discharge is used directly, for example, a film such as a phosphor is provided on the inner surface of the bulb (Yt), and the generated UV light is wavelength-converted to obtain long-wavelength UV light or visible light It may be taken out as outside and used.
前記バルブ(Yt)としては、石英ガラスなどを用いることが多いが、例えばフッ素など、反応性が高い放電用ガスを用いる場合には、サファイアなどの耐腐食性の材料を使用する場合もある。
さらに、例えばキセノンエキシマなどの真空紫外域の光を取出す場合は、その波長に透過率を有する合成石英を用いたり、蛍光体でUVから可視光に変換した光を取出し、元のUV光自体は放射したくない場合は、ホウ珪酸ガラスを用いるなど、発生する光の波長に着目して、好適な材料が選ばれる。
また、本図のように、前記バルブ(Yt)が前記誘電体(Yb)を兼ねる場合が多いが、そうでないような構成、例えば、前記バルブ(Yt)の内面に前記電極(Ye1,Ye2)を設け、これら電極の片方もしくは両方と放電用ガスとの間に誘電体被膜を設けるようにすることもできる。
Although quartz glass or the like is often used as the valve (Yt), for example, when using a highly reactive discharge gas such as fluorine, a corrosion resistant material such as sapphire may be used.
Furthermore, for example, in the case of extracting light in the vacuum ultraviolet region such as xenon excimer, synthetic quartz having transmittance at that wavelength is used, or light converted from UV to visible light by a phosphor is extracted, and the original UV light itself is When radiation is not desired, a suitable material is selected by focusing on the wavelength of light generated, such as using borosilicate glass.
Also, as shown in this figure, the valve (Yt) often doubles as the dielectric (Yb), but this is not the case, for example, the electrodes (Ye1, Ye2) on the inner surface of the valve (Yt) And a dielectric film may be provided between one or both of the electrodes and the discharge gas.
なお、前記電極(Ye1,Ye2)は、金属板、金属蒸着膜、金属ペーストの固化体などを、前記バルブ(Yt)に被着もしくは形成せしめて構成することができるが、電極を通して光を取り出したい場合は、透明導電膜や金網、網状パターンに印刷した金属ペーストの固化体などによって構成してもよい。 The electrodes (Ye1 and Ye2) can be formed by depositing or forming a metal plate, a metal-deposited film, a solidified body of metal paste, etc. on the valve (Yt), but light is extracted through the electrodes In the case where it is desired, it may be constituted by a transparent conductive film, a wire mesh, a solidified body of metal paste printed in a mesh pattern, or the like.
ただし、本図の(a)に記載の前記エキシマランプ(Y)には、前記放電空間(Yg)に接する前記誘電体(Yb)の面の少なくとも一部に易放電物質層(Yo)を設けてあり、その結果、前記放電空間(Yg)のなかに放電が生じ易い易放電領域(Yx)が形成された構造を有している。
ここで易放電物質(または易電子放出物質)としては、特開平09−180685号や特開平11−354079号公報に記載のように、前記バルブを構成する誘電体(Yb)の仕事関数より小さい仕事関数を有する物質、例えば酸化マグネシウム(MgO)や酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、ホウ化ランタン(LaB6)よりなる群から選ばれた金属化合物などが利用可能で、特に放電開始時に前記エキシマランプ(Y)に印加する電圧を下げることができる。
However, in the excimer lamp (Y) described in (a) of the figure, an easily dischargeable material layer (Yo) is provided on at least a part of the surface of the dielectric (Yb) in contact with the discharge space (Yg). As a result, the discharge space (Yg) has a structure in which an easily discharged region (Yx) is easily formed in the discharge space (Yg).
Here, as the easy-discharge substance (or the easy-electron-emitting substance), as described in JP-A Nos. 09-180685 and 11-354079, the work function is smaller than the work function of the dielectric (Yb) constituting the valve. A substance having a work function such as magnesium oxide (MgO), lanthanum oxide (La2O3), cerium oxide (CeO2), yttrium oxide (Y2O3), zirconium oxide (ZrO2), or lanthanum boride (LaB6) A metal compound or the like can be used, and in particular, the voltage applied to the excimer lamp (Y) at the start of discharge can be lowered.
一方、本図の(b)に記載の前記エキシマランプ(Y)には、全体的な放電ギャップ長(Z)よりも短い放電ギャップ長(Zs)を有する誘電体部分(Ybs)が設けられることにより、放電が生じ易い易放電領域(Yx)が形成された構造を有している。
放電が生じ易くなる理由は、電界の大きさは電位差を距離で除した値に比例するため、放電ギャップ長の短い箇所では、印加された高電圧に起因して前記放電空間(Yg)に誘起される電界が他の箇所よりも強くなる、すなわち電界歪みが生ずるからである。
このような電界歪みを形成するために、他にも、例えば特許第2771428号公報に記載のように、前記放電空間(Yg)に誘電体の滴を融着させたり、あるいは前記誘電体(Yb)の一部に前記放電空間(Yg)に向かって凸の突起を設けるなどの方法や、特許第3149780号公報に記載のように、金属やカーボン、酸化錫、酸化インジウム等の導電性物質を前記放電空間(Yg)内に設けるなどの方法を採ることができる。
On the other hand, the excimer lamp (Y) described in (b) of this figure is provided with a dielectric portion (Ybs) having a discharge gap length (Zs) shorter than the overall discharge gap length (Z). Thus, the structure has a structure in which an easily discharged region (Yx) in which discharge easily occurs is formed.
The reason why the discharge is likely to occur is that the magnitude of the electric field is proportional to the potential difference divided by the distance, so that in the place where the discharge gap length is short, induced in the discharge space (Yg) due to the applied high voltage The electric field produced is stronger than at other places, that is, electric field distortion occurs.
In order to form such an electric field distortion, for example, as described in, for example, Japanese Patent No. 277 1428, a droplet of a dielectric is fused to the discharge space (Yg) or the dielectric (Yb) And a conductive material such as metal, carbon, tin oxide, or indium oxide as described in Japanese Patent No. 3149780, or the like by providing a convex protrusion toward the discharge space (Yg) in a part of A method such as providing in the discharge space (Yg) can be employed.
前記した、比較的小規模な光源装置であって、高効率を求めないUV発光を、可及的低コストで実現することが要求されるエキシマランプ光源装置の用途に対し、好適なインバータとして、例えば特開平05−074587号公報に記載のような、コレクタ共振回路と呼ばれる(ロイヤー回路と呼ばれる場合もある)プッシュプル回路方式のインバータが知られている。
この回路は、トランスの1次側巻線に並列に共振コンデンサを接続した上で、前記1次側巻線に設けた中点タップからDC電源を供給した状態で、トランジスタスイッチを用いて前記1次側巻線の両端から交互に、DC電源のグランドに電流を流し出すように動作することにより、前記トランスの2次側巻線に発生する、前記トランスの巻き数比に応じた高電圧を発生させ、それをエキシマランプに印加して点灯させるものであり、部品点数が少なく構造が簡単であるという特徴を有している。
As an inverter suitable for use in an excimer lamp light source device, which is required to realize UV light emission that does not require high efficiency at a cost as low as possible. For example, an inverter of a push-pull circuit system (sometimes called a Royer circuit) called a collector resonant circuit is known as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-074587.
In this circuit, a resonant capacitor is connected in parallel to the primary winding of the transformer, and then DC power is supplied from the center point tap provided on the primary winding using the transistor switch. A high voltage corresponding to the turns ratio of the transformer generated in the secondary winding of the transformer is generated by alternately flowing current to the ground of the DC power supply from both ends of the secondary winding. It is generated and applied to an excimer lamp for lighting, and has a feature that the number of parts is small and the structure is simple.
いま述べたコレクタ共振回路を基本として、特開平10−223385号公報には、奇数倍の高調波が重畳された波形を形成することにより、ピーク電圧が高い周期電圧をランプに供給することができ、エキシマランプの始動性が改善された点灯装置を実現する技術が記載されている。
しかし、前記したように、この種の方式の回路が技術的に古いため、近年においては、基本的性能の向上や改善を目指した工夫は、あまり行われて来なかった。
特に、前記した放電が生じ易い易放電領域が形成されたエキシマランプの場合、ランプ点灯のための印加電圧を低く抑えられる特徴があり、この特徴を活かせば、製品の品質・安全性の確保のために、前記した高電圧交流発生用のトランスおよびその周辺回路に必要な絶縁耐力を低く抑えることが可能になり、エキシマランプ光源装置の低コスト化に貢献するはずであるが、その実現に向けた努力は払われて来なかった。
Based on the collector resonance circuit just described, in JP-A-10-223385, a periodic voltage having a high peak voltage can be supplied to the lamp by forming a waveform in which odd harmonics are superimposed. A technique for realizing a lighting device with improved startability of an excimer lamp has been described.
However, as described above, since circuits of this type are technically old, in recent years, devices for improving or improving basic performance have not been widely implemented.
In particular, in the case of an excimer lamp in which the above-mentioned easy-to-discharge easy discharge region is formed, there is a feature that the applied voltage for lighting the lamp can be suppressed to a low level. As a result, it is possible to reduce the dielectric strength required for the transformer for high-voltage alternating current generation and its peripheral circuits as described above, which should contribute to the cost reduction of the excimer lamp light source device. Efforts have not been made.
すなわち、これまで、前記した放電が生じ易い易放電領域が形成されたエキシマランプを用いたエキシマランプ光源装置において、比較的小規模な光源装置であって、高効率を求めないUV発光を、可及的低コストで実現することに好適な技術が存在しなかった。 That is, in the excimer lamp light source device using the excimer lamp in which the above-described easy-to-discharge dischargeable region is formed, it is a relatively small-scale light source device, and UV emission not requiring high efficiency is acceptable. There has been no technology suitable for implementation at a low cost.
本発明が解決しようとする課題は、放電が生じ易い易放電領域が形成されたエキシマランプを安定に点灯することを、低コストで実現したエキシマランプ光源装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an excimer lamp light source device which realizes, at low cost, stable lighting of an excimer lamp in which an easily discharged area where discharge easily occurs is formed.
本発明における第1の発明のエキシマランプ光源装置は、エキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された放電空間(Yg)と、前記放電用ガスに放電を誘起せしめるための一対の電極(Ye1,Ye2)を有し、前記電極(Ye1,Ye2)のうちの少なくとも一方と前記放電空間(Yg)との間に誘電体(Yb)が介在するように構成され、前記放電空間(Yg)において紫外線を発生するエキシマランプ(Y)と、
トランス(Tf)と、該トランス(Tf)の1次側巻線(Lp)を駆動するための、少なくとも1個のスイッチ素子(Qu,Qv)を有し、前記トランス(Tf)の2次側巻線(Ls)に交流の高電圧を発生して、該2次側巻線(Ls)に接続された前記エキシマランプ(Y)の前記電極(Ye1,Ye2)に、高電圧を印加するためのインバータ(Ui)と、
を具備するエキシマランプ光源装置であって、
前記エキシマランプ(Y)は、放電が生じ易い易放電領域(Yx)が、前記放電空間(Yg)の一部に存在するように構成されており、
前記インバータ(Ui)は、前記1次側巻線(Lp)に接続されて、該1次側巻線(Lp)を含んで1次側共振回路を構成する共振コンデンサ(Crp)をさらに有しており、
前記1次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち1次側共振周波数 frp と、
前記2次側巻線(Ls)に接続された前記エキシマランプ(Y)と前記2次側巻線(Ls)とから構成される2次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち2次側共振周波数 frs との間に、
frp / frs ≦ 1.3
なる関係が成立し、かつ
前記トランス(Tf)の1次2次結合係数 k について、
k ≦ 0.85
なる関係が成立することを特徴とするものである。
In the excimer lamp light source device according to the first aspect of the present invention, a discharge space (Yg) filled with a discharge gas for generating excimer molecules, and a pair of electrodes (Ye1, 1 for inducing discharge in the discharge gas) And Y2), wherein a dielectric (Yb) is interposed between at least one of the electrodes (Ye1, Ye2) and the discharge space (Yg), and ultraviolet light is generated in the discharge space (Yg). And an excimer lamp (Y) to generate
A transformer (Tf) and at least one switch element (Qu, Qv) for driving a primary winding (Lp) of the transformer (Tf), the secondary side of the transformer (Tf) In order to apply a high voltage to the electrodes (Ye1, Ye2) of the excimer lamp (Y) connected to the secondary winding (Ls) by generating a high voltage of alternating current in the winding (Ls) The inverter (Ui),
An excimer lamp light source device comprising
The excimer lamp (Y) is configured such that an easily discharged region (Yx) in which a discharge is easily generated is present in a part of the discharge space (Yg),
The inverter (Ui) further includes a resonance capacitor (Crp) connected to the primary side winding (Lp) to form a primary side resonance circuit including the primary side winding (Lp). Yes,
A resonant frequency based on free vibration in the primary side resonant circuit, that is, a primary side resonant frequency frp;
Resonant frequency based on free vibration in the secondary side resonant circuit composed of the excimer lamp (Y) connected to the secondary side winding (Ls) and the secondary side winding (Ls), ie secondary Between the side resonance frequency frs,
frp / frs ≦ 1.3
And the first-order to second-order coupling coefficient k of the transformer (Tf),
k ≦ 0.85
The following relationship is established.
本発明における第2の発明のエキシマランプ光源装置は、前記1次側巻線(Lp)の巻線両端のノード(Nu,Nv)と前記共振コンデンサ(Crp)の両端とを接続するとともに、前記1次側巻線(Lp)には中点タップ(Nm)を設けて該中点タップ(Nm)にDC電源(Mh)の一端を接続し、前記巻線両端のノード(Nu,Nv)それぞれには前記スイッチ素子(Qu,Qv)の一端を接続し、前記スイッチ素子(Qu,Qv)それぞれの他端を前記DC電源(Mh)の他端に接続したコレクタ共振回路によって前記インバータ(Ui)を構成したことを特徴とするものである。 In the excimer lamp light source device according to the second invention of the present invention, nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding of the primary side winding (Lp) are connected to both ends of the resonant capacitor (Crp), A middle point tap (Nm) is provided on the primary side winding (Lp), one end of a DC power source (Mh) is connected to the middle point tap (Nm), and nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding respectively The inverter (Ui) is connected by a collector resonant circuit in which one end of the switch element (Qu, Qv) is connected to the other end of the switch element (Qu, Qv) and the other end of each switch element is connected to the other end of the DC power supply (Mh). It is characterized in that
本発明における第3の発明のエキシマランプ光源装置は、共振コンデンサ(Crp)の両端と1次側巻線(Lp)の両端とを接続した並列共振回路に対し、前記スイッチ素子(Qv)を直列接続した、共振回路スイッチ直列部の両端にDC電源(Mh)の両端を接続した一石並列共振回路によって前記インバータ(Ui)を構成したことを特徴とするものである。 In the excimer lamp light source apparatus according to the third invention of the present invention, the switch element (Qv) is connected in series to a parallel resonance circuit in which both ends of the resonance capacitor (Crp) and both ends of the primary winding (Lp) are connected. The inverter (Ui) is configured by a parallel single-pole resonant circuit in which both ends of a DC power supply (Mh) are connected to both ends of a connected resonant circuit switch series portion.
放電が生じ易い易放電領域が形成されたエキシマランプを安定に点灯することを、低コストで実現したエキシマランプ光源装置を提供することができる。 It is possible to provide an excimer lamp light source device which realizes, at low cost, stable lighting of an excimer lamp in which an easily discharged region in which discharge is easily generated is formed.
先ず、本発明のエキシマランプ光源装置を簡略化して示す模式図である図2を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
インバータ(Ui)のトランス(Tf)は、1次側巻線(Lp)と2次側巻線(Ls)とを有しており、前記1次側巻線(Lp)の巻線両端のノード(Nu,Nv)には共振コンデンサ(Crp)の両端を接続して1次側共振回路を構成している。
ここで、前記1次側巻線(Lp)には中点タップ(Nm)を設けてあり、これにDC電源(Mh)のプラス端子からの出力を供給する。
ただし、前記したDC電源(Mh)のプラス端子からの出力には、前記インバータ(Ui)における電源電圧を安定化させるための平滑コンデンサ(Ch)と、前記1次側巻線(Lp)への供給電流を安定化させるためのチョークコイル(Lh)を挿入してある。
First, a mode for carrying out the present invention will be described with reference to FIG. 2 which is a schematic view showing an excimer lamp light source device of the present invention in a simplified manner.
The transformer (Tf) of the inverter (Ui) has a primary winding (Lp) and a secondary winding (Ls), and the nodes at both ends of the winding of the primary winding (Lp) Both ends of the resonance capacitor (Crp) are connected to (Nu, Nv) to constitute a primary side resonance circuit.
Here, a midpoint tap (Nm) is provided in the primary side winding (Lp), and the output from the plus terminal of the DC power supply (Mh) is supplied to this.
However, the output from the positive terminal of the DC power supply (Mh) described above includes a smoothing capacitor (Ch) for stabilizing the power supply voltage in the inverter (Ui), and the primary side winding (Lp). A choke coil (Lh) is inserted to stabilize the supply current.
前記1次側巻線(Lp)の前記巻線両端のノード(Nu,Nv)それぞれには、バイポーラトランジスタ(あるいはFETなど)を用いたスイッチ素子(Qu,Qv)のコレクタを接続し、前記スイッチ素子(Qu,Qv)それぞれのエミッタを前記DC電源(Mh)のグランド端子に接続するとともに、前記スイッチ素子(Qu,Qv)それぞれのベースには、ベース抵抗(Ru,Rv)を介して前記したDC電源(Mh)のプラス端子からの電流供給経路を形成しておき、前記トランス(Tf)に設けた帰還巻線(Lxy)の巻線両端のノード(Nx,Ny)を前記スイッチ素子(Qu,Qv)それぞれのベースに接続してある。
このように回路を構成したことにより前記スイッチ素子(Qu,Qv)がオン状態とオフ状態とを交互に相補的に繰り返して、前記1次側巻線(Lp)に流れる電流を交互に反転させる自励発振の動作を行うため、前記トランス(Tf)の前記2次側巻線(Ls)には、前記1次側巻線(Lp)の巻数に対する前記2次側巻線(Ls)の巻数の比、すなわち巻数比に基づく、昇圧された交流の高電圧が発生し、前記2次側巻線(Ls)の巻線両端のノード(Na,Nb)に接続されたエキシマランプ(Y)を点灯することができる。
The collectors of switch elements (Qu, Qv) using bipolar transistors (or FETs) are connected to the nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding of the primary side winding (Lp), respectively, The emitters of the elements (Qu, Qv) are connected to the ground terminal of the DC power supply (Mh), and the bases of the switch elements (Qu, Qv) are connected via the base resistances (Ru, Rv). A current supply path from the plus terminal of the DC power supply (Mh) is formed, and nodes (Nx, Ny) at both ends of the feedback winding (Lxy) provided in the transformer (Tf) , Qv) connected to each base.
By configuring the circuit in this manner, the switch elements (Qu, Qv) alternately repeat the on state and the off state alternately alternately to alternately invert the current flowing through the primary winding (Lp). The number of turns of the secondary winding (Ls) relative to the number of turns of the primary winding (Lp) in the secondary winding (Ls) of the transformer (Tf) in order to perform a self-oscillation operation. A high voltage of boosted alternating current is generated based on a ratio of turns, ie, a turns ratio, and an excimer lamp (Y) connected to nodes (Na, Nb) at both ends of the winding of the secondary side winding (Ls) is generated. It can be lit.
図2に関していま述べた前記インバータ(Ui)の回路は、コレクタ共振回路と呼ばれており、そのトポロジーについては公知であるが、前記した、印加された高電圧に起因して前記放電空間(Yg)に誘起される電界が他の箇所よりも強くなる構造を設ける、あるいは前記放電空間(Yg)に接する前記誘電体(Yb)の面の少なくとも一部に易放電物質層(Yo)を設ける、などの方法によって作り込んだ易放電領域(Yx)を有する前記エキシマランプ(Y)を、その放電が生じ易い特徴を活かして、従来よりも低い印加電圧で点灯できるよう前記インバータ(Ui)を設計しようとすると困難を伴うことが判明した。 The circuit of the inverter (Ui) just described with reference to FIG. 2 is called a collector resonant circuit and its topology is known, but due to the applied high voltage mentioned above the discharge space (Yg) Providing a structure in which the electric field induced by the) is stronger than at other places, or providing an easily discharged material layer (Yo) on at least a part of the surface of the dielectric (Yb) in contact with the discharge space (Yg). The inverter (Ui) is designed so that the excimer lamp (Y) having the easy discharge area (Yx) built in by the method such as can be lighted with a lower applied voltage than before, taking advantage of the characteristic that the discharge easily occurs It proved to be difficult to try.
その理由を述べると、前記電極(Ye1,Ye2)のうちの少なくとも一方と前記放電空間(Yg)との間に誘電体(Yb)が介在するエキシマランプの場合、大雑把に言うと、印加電圧波形の1周期における正側と負側のピーク電位の差のみによって(1周期の時間長さとは無関係に)、ランプに投入される1周期あたりのエネルギーが決まり、そのエネルギーを1秒間に投入する回数、すなわち周波数をそれに乗ずることによってランプへの投入電力が決まるという顕著な特徴を有している。
そのため、ランプに投入される電力として規定の値を達成するためには、印加電圧を下げれば、それに応じてインバータの極性反転の周波数を高くしなければならないが、図2に記載した構成のインバータの場合、極性反転の周波数を高くすると発振が不安定になり易い問題があるからである。
ここで言う発振の不安定とは、発振周波数があるとき突然変わったり、あるいは元の周波数に突然戻ったり、場合によっては発振周波数の突然の変化と戻りを繰り返したりする現象で、その出現条件や出現予測の可否は不明である。
The reason is as follows. In the case of an excimer lamp in which a dielectric (Yb) intervenes between at least one of the electrodes (Ye1, Ye2) and the discharge space (Yg), roughly speaking, an applied voltage waveform Only the difference between the positive and negative peak potentials in one cycle (regardless of the length of one cycle) determines the energy per cycle injected into the lamp, and the number of times that energy is injected in 1 second That is, it has a remarkable feature that the input power to the lamp is determined by multiplying it by the frequency.
Therefore, in order to achieve the specified value as the power supplied to the lamp, if the applied voltage is lowered, the frequency of polarity inversion of the inverter must be increased accordingly. However, the inverter having the configuration described in FIG. 2 In this case, if the frequency of polarity inversion is increased, there is a problem that the oscillation tends to be unstable.
The instability of oscillation referred to here is a phenomenon that changes suddenly when there is an oscillation frequency, or suddenly returns to the original frequency, or in some cases, repeats sudden changes and oscillations of the oscillation frequency, and its appearance condition or Whether the appearance prediction is possible is unknown.
この問題を解決するため、実験的検討を繰り返した結果、発明者らは、
前記1次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち1次側共振周波数 frp と、
前記2次側巻線(Ls)に接続された前記エキシマランプ(Y)と前記2次側巻線(Ls)とから構成される2次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち2次側共振周波数 frs との間に、
frp / frs ≦ 1.3
なる関係が成立し、かつ
前記トランス(Tf)の1次2次結合係数 k について、
k ≦ 0.85
なる関係が成立するようにエキシマランプ光源装置を構成すればよいことを見出した。
ただし、これらの値の評価に際し、図2に記載のもののように、前記トランス(Tf)の巻線に前記中点タップ(Nm)がある場合は、該中点タップ(Nm)を無視して、該中点タップ(Nm)の図における上側と下側に描かれた2個の部分巻線を、合せて1個の巻線として扱う。
As a result of repeated experimental studies to solve this problem, the inventors
A resonant frequency based on free vibration in the primary side resonant circuit, that is, a primary side resonant frequency frp;
Resonant frequency based on free vibration in the secondary side resonant circuit composed of the excimer lamp (Y) connected to the secondary side winding (Ls) and the secondary side winding (Ls), ie secondary Between the side resonance frequency frs,
frp / frs ≦ 1.3
And the first-order to second-order coupling coefficient k of the transformer (Tf),
k ≦ 0.85
It has been found that the excimer lamp light source device may be configured such that the following relationship is established.
However, in the evaluation of these values, as in the case described in FIG. 2, when the winding of the transformer (Tf) has the midpoint tap (Nm), the midpoint tap (Nm) is ignored. The two partial windings drawn on the upper side and the lower side in the figure of the middle point tap (Nm) are collectively treated as one winding.
すなわち、前記した放電が生じ易い易放電領域が形成されたエキシマランプを、その放電が生じ易い特徴を活かして、従来よりも低い印加電圧で点灯できるインバータであって、前記1次側巻線(Lp)に接続されて、該1次側巻線(Lp)を含んで1次側共振回路を構成する共振コンデンサ(Crp)を有しているインバータ(Ui)を実現したい場合は、1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs との間の前記した関係と、1次2次結合係数 k についての前記した関係とを成立させるように設計すればよいとの結論を得た。 That is, the above-mentioned primary side winding (I) is an inverter capable of lighting the excimer lamp in which the above-described easy-to-discharge dischargeable region is formed by applying a lower applied voltage than before taking advantage of the characteristic of the discharge being easy to occur. If it is desired to realize an inverter (Ui) connected to Lp) and having a resonant capacitor (Crp) that comprises the primary side winding (Lp) to form a primary side resonant circuit, the primary side It has been concluded that the above-described relationship between the resonant frequency frp and the secondary-side resonant frequency frs and the above-described relationship with respect to the first-order second-order coupling coefficient k should be established.
このような結論を得る理由について、発明者らの考察を以下において説明する。
前記したようにランプに投入される電力として規定の値を達成するためには、印加電圧を下げれば、それに応じてインバータの極性反転の周波数を高くしなければならないが、そのためには、1次側共振回路の共振周波数を高くしなければならず、そして、そのためには、前記1次側巻線(Lp)を含んで1次側共振回路を構成する前記共振コンデンサ(Crp)の静電容量、すなわち1次側静電容 Cp を小さくしなければならない。
ところが1次側静電容 Cp を小さくすると、1次側共振回路としては弱くなるため、相互インダクタンスによって結合されている2次側共振回路の影響を受け易くなる。
The reason for obtaining such a conclusion will be described below by the inventors.
As described above, in order to achieve the specified value for the power supplied to the lamp, if the applied voltage is lowered, the frequency of polarity inversion of the inverter must be increased accordingly. It is necessary to increase the resonance frequency of the side resonance circuit, and for that purpose, the capacitance of the resonance capacitor (Crp) including the primary side winding (Lp) to constitute the primary side resonance circuit That is, the primary capacitance Cp must be reduced.
However, if the primary side electrostatic capacitance Cp is reduced, it becomes weak as the primary side resonant circuit, so it is easily influenced by the secondary side resonant circuit coupled by mutual inductance.
同じ放電ランプであっても、例えば冷陰極放電ランプのような、両電極が放電用ガスに接しているランプの場合は、印加電圧の極性が反転して、電流が零になる瞬間が存在しても、放電空間にはプラズマが残っており、逆方向の放電が直ちに開始するため、実質的に放電電流は連続であり、放電ランプ自体は、電気回路においては単なる低抵抗の抵抗器と見なすことができる。
そのため、冷陰極放電ランプを図2と類似のコレクタ共振回路によってインバータを構成しても、上で述べたような困難は生じない。
In the case of a lamp in which both electrodes are in contact with the discharge gas, such as a cold cathode discharge lamp, even when the discharge lamp is the same, there is a moment when the polarity of the applied voltage is reversed and the current becomes zero. However, since the plasma remains in the discharge space and the reverse discharge starts immediately, the discharge current is substantially continuous, and the discharge lamp itself is regarded as a mere low resistance resistor in the electric circuit. be able to.
Therefore, even if the cold cathode discharge lamp is configured as an inverter by a collector resonant circuit similar to that of FIG. 2, the above-mentioned difficulties do not occur.
しかし、これとは異なり、前記電極(Ye1,Ye2)のうちの少なくとも一方と前記放電空間(Yg)との間に誘電体(Yb)が介在するエキシマランプの場合は、ランプへの印加電圧の正・零・負の別とは関係なく、印加電圧の変化が正または負のピークを迎えると放電が停止し、その時点では、前記放電空間(Yg)に接する前記誘電体(Yb)の表面に付着した放電電荷による電界が、前記電極(Ye1,Ye2)に印加された電圧による電界を相殺しているため、仮に放電空間にはプラズマが残っていたとしても、次に印加電圧の極性が反転し、誘電体表面の電荷による電界と印加電圧による電界とを合わせた電界が、逆向きの放電開始に足る強さになるまでの期間は、確実に放電停止状態が継続する。
放電状態の放電空間は低抵抗の抵抗器と同等であるが、放電停止状態の放電空間はコンデンサと同等であるため、電気回路素子としては、放電状態のエキシマランプは誘電体コンデンサと放電空間抵抗器の直列接続と等価、放電停止状態のエキシマランプは誘電体コンデンサと放電空間コンデンサの直列接続と等価であり、したがってエキシマランプは、印加交流の1周期の間に静電容量の高いコンデンサの状態と静電容量の低いコンデンサの状態との急激な遷移を繰り返す、非線形の特殊な電気回路素子であることが判る、
However, unlike this, in the case of an excimer lamp in which a dielectric (Yb) is interposed between at least one of the electrodes (Ye1, Ye2) and the discharge space (Yg), the voltage applied to the lamp Regardless of whether it is positive, zero or negative, the discharge stops when the change in applied voltage reaches a positive or negative peak, at which point the surface of the dielectric (Yb) in contact with the discharge space (Yg) Since the electric field due to the discharge charge deposited on the electrode offsets the electric field due to the voltage applied to the electrodes (Ye1, Ye2), even if plasma remains in the discharge space, the polarity of the applied voltage is In the period until the electric field resulting from the electric field by the electric charge of the dielectric surface and the electric field by inversion and the electric field by the applied voltage becomes strong enough to start the discharge in the opposite direction, the discharge stop state surely continues.
The discharge space in the discharge state is equivalent to a low resistance resistor, but the discharge space in the discharge stop state is equivalent to a capacitor. Therefore, as an electric circuit element, the excimer lamp in the discharge state is a dielectric capacitor and discharge space resistance Equivalent to the series connection of the capacitor, the discharge-stopped excimer lamp is equivalent to the series connection of the dielectric capacitor and the discharge space capacitor, so the excimer lamp is the state of the capacitor with high capacitance during one cycle of applied AC. It can be seen that it is a special non-linear electrical circuit element that repeats a rapid transition between the state of the capacitor and the state of the capacitor with low capacitance,
このような急激な非線形動作が、前記トランス(Tf)の2次側に存在して、それによる擾乱が1次側に伝わっても、回路全体が安定な動作を継続するためには、1次側共振回路には相応の強さが必要であり、その強さを確保するために、1次側共振回路には2次側共振回路と比較した際の共振周波数の低さが必要になると考えられる。
何となれば、共振周波数が低いということは、静電容量またはインダクタンスが大きいことを意味し、これらが大きいほど、共振動作時に蓄積されているエネルギーが大きく、したがって2次側からの擾乱の影響を受け難いことを意味するからである。
ところが前記した、トランス(Tf)の2次側からの出力電圧低下の要請に従い、インバータの動作周波数の高周波化、すなわち1次側共振周波数 frp の相応の高さを要請すると、それが1次側の前記共振コンデンサ(Crp)の静電容量を小さくすることを要請し、そのことが2次側からの擾乱の影響を受け易い、発振の安定性の低いインバータを生む原因となっていたと考えられる。
Such an abrupt non-linear operation exists on the secondary side of the transformer (Tf), and even if a disturbance caused thereby is transmitted to the primary side, the primary circuit is required to continue the stable operation of the entire circuit. The side resonance circuit needs to have a corresponding strength, and in order to secure the strength, it is considered that the primary side resonance circuit needs to have a low resonance frequency as compared to the secondary side resonance circuit. Be
In any case, the fact that the resonant frequency is low means that the capacitance or inductance is large, and the larger these are, the more energy is stored at the time of resonant operation, and hence the influence of disturbance from the secondary side. It means that it is hard to accept.
However, according to the request for reduction of the output voltage from the secondary side of the transformer (Tf) described above, if the operating frequency of the inverter is increased, that is, if the corresponding height of the primary side resonance frequency frp is requested, it is the primary side To reduce the capacitance of the resonant capacitor (Crp), which is considered to be the cause of the generation of an inverter with low oscillation stability, which is susceptible to disturbances from the secondary side. .
この問題を回避するために、2次側共振周波数 frs と比較した1次側共振周波数 frp の相応の低さを確保するだけでなく、前記トランス(Tf)の1次2次結合係数 k の相応の小ささを確保する必要があった。
何となれば、1次2次結合係数 k が小さいということは、前記した2次側からの擾乱が1次側に伝わり難いことを意味し、さらに、1次2次結合係数 k を小さくしたことに伴って増大する漏洩インダクタンスの影響で、各部の電圧または電流波形が正弦波状のものに制限され、急激な変化が抑制されて動作が安定化されることを意味するからである。
In order to avoid this problem, not only a corresponding low of the primary side resonant frequency frp compared to the secondary side resonant frequency frs is ensured, but also the corresponding of the first order second order coupling coefficient k of the transformer (Tf) It was necessary to secure the smallness of
In any case, the fact that the first-order second-order coupling coefficient k is small means that the disturbance from the above-mentioned second-order side is hard to be transmitted to the first-order side, and that the first-order second-order coupling coefficient k is further reduced. This is because the voltage or current waveform of each part is limited to a sine wave due to the influence of the leakage inductance which increases with the situation, which means that the rapid change is suppressed and the operation is stabilized.
因みに、同じくエキシマランプであっても、易放電領域が形成されていないものを点灯する、従来のエキシマランプ光源装置の場合は、同様に図2と類似のコレクタ共振回路によってインバータを構成しても、ランプ印加電圧を高くする必要があるために、もとより極性反転周波数を低くせざるを得ず、必然的に1次側静電容 Cp が大きくなり、よって、上で述べたような困難は生じない。 Incidentally, even in the case of the conventional excimer lamp light source device which similarly lights the one in which the easy discharge region is not formed even if it is the excimer lamp, the inverter is similarly constituted by the collector resonance circuit similar to FIG. Because it is necessary to increase the voltage applied to the lamp, the polarity inversion frequency must be lower than in the first case, and the primary side electrostatic capacity Cp inevitably increases, and thus the above-mentioned difficulties do not occur. .
以上、前記した結論を得た理由について説明したが、ここで補足しておく。
1次2次結合係数 k について、上限値を前記した通り規定したが、余裕を見込んで、例えば、
k ≦ 0.82 〜 0.83
の程度とすることが望ましい。
また、1次2次結合係数 k についての前記した関係は、k の値は幾ら小さくても構わない、ということを意味する訳ではない。
1次2次結合係数 k が小さくなると、1次、2次それぞれでの共振作用は強くなるが、トランスとしての機能は弱くなるため、電気回路に関する常識として、1次2次結合係数 k の小ささには自ずと限度が存在し、例えば、
0.7 〜 0.73 ≦ k
の程度とすることが好適である。
The reason for obtaining the above-mentioned conclusion has been described above, but it will be supplemented here.
The upper limit value of the first-order second-order coupling coefficient k has been defined as described above.
k ≦ 0.82 to 0.83
It is desirable to have a degree of
Also, the above-described relationship for the first-order second-order coupling coefficient k does not mean that the value of k may be small.
When the first-order second-order coupling coefficient k decreases, the resonance action in each of the first-order and second-order cases becomes stronger but the function as a transformer becomes weaker. Therefore, as common knowledge regarding electrical circuits, small first-order second-order coupling coefficient k There is a natural limit to sasa, for example,
0.7 to 0.73 ≦ k
It is preferable that the
2次側共振周波数に対する1次側共振周波数の比の値 frp / frs についても同様に、上限値を前記した通り規定したが、余裕を見込んで、例えば、
frp / frs ≦ 1.2 〜 1.25
の程度とすることが望ましい。
また、2次側共振周波数に対する1次側共振周波数の比の値 frp / frs についての前記した関係は、frp / frs の値は幾ら小さくても構わない、ということを意味する訳ではない。
点灯したいエキシマランプの構造や投入したい電力と印加電圧を仕様として決めれば、1次2次結合係数 k についての前記した関係を成立させる前記トランス(Tf)の構造は概ね決まってしまい、よって2次側共振周波数 frs の値も概ね決まってしまう。
一方、1次側共振周波数 frp については、前記共振コンデンサ(Crp)として大きな静電容量のものを実装すれば、幾らでも低くでき、よって frp / frs の値は幾らでも小さくできるが、実際にそのようなことをしてしまうと、本発明のそもそもの目的である、ランプ点灯のための印加電圧を低く抑えることが達成できなくなってしまう。
そのため、2次側共振周波数に対する1次側共振周波数の比の値 frp / frs の小ささには自ずと限度が存在し、例えば、
0.9 ≦ frp / frs
の程度とすることが好適である。
The upper limit value of the ratio frp / frs of the ratio of the primary side resonant frequency to the secondary side resonant frequency is similarly defined as described above, but in anticipation of a margin, for example,
frp / frs ≦ 1.2 to 1.25
It is desirable to have a degree of
Also, the above-mentioned relationship of the value frp / frs of the ratio of the primary side resonant frequency to the secondary side resonant frequency does not mean that the value of frp / frs may be small.
If the structure of the excimer lamp to be turned on and the power to be supplied and the applied voltage are determined as specifications, the structure of the transformer (Tf) that establishes the above-mentioned relationship with respect to the first-order second-order coupling coefficient k is roughly determined. The value of the side resonance frequency frs is also roughly determined.
On the other hand, with regard to the primary side resonance frequency frp, if one having a large capacitance is mounted as the resonance capacitor (Crp), it can be lowered to any extent and hence the value of frp / frs can be lowered to any extent. If such a thing is done, it will become impossible to achieve low restraining the applied voltage for lamp lighting which is the original purpose of this invention.
Therefore, there is naturally a limit to the value of the ratio frp / frs of the ratio of the primary side resonance frequency to the secondary side resonance frequency, for example,
0.9 ≦ frp / frs
It is preferable that the
ここで、1次2次結合係数 k の測定、および1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs の測定について説明する。
先ず、前記トランス(Tf)の1次2次結合係数 k については、一般的に知られているように、2次側を開放した状態で、測定した1次側インダクタンスを Lp 、2次側を短絡した状態で、測定した1次側インダクタンスを Lp' と書くと、平方根関数を Sqrt と表記するとき、1次2次結合係数 k は、以下の式(式1)
k = Sqrt( 1− Lp'/Lp )
で計算される。
あるいは、1次側を開放した状態で、測定した2次側インダクタンスを Ls 、1次側を短絡した状態で、測定した2次側インダクタンスを Ls' と書くと、以下の式(式2)
k = Sqrt( 1− Ls'/Ls )
で計算される。
なお、測定はLCメータを用いて行うことが好適である。
Here, the measurement of the first-order second-order coupling coefficient k, and the measurement of the primary side resonance frequency frp and the secondary side resonance frequency frs will be described.
First, with respect to the primary-secondary coupling coefficient k of the transformer (Tf), as is generally known, the measured primary inductance is Lp and the secondary side is measured with the secondary side open. If the measured primary inductance is written as Lp ′ in a shorted state, and the square root function is expressed as Sqrt, the first-order second-order coupling coefficient k is expressed by the following equation (Equation 1)
k = Sqrt (1-Lp '/ Lp)
Calculated by
Alternatively, if the measured secondary side inductance is Ls while the primary side is open, and the measured secondary side inductance is Ls' while the primary side is shorted, the following equation (Equation 2)
k = Sqrt (1-Ls' / Ls)
Calculated by
Preferably, the measurement is performed using an LC meter.
これについて若干補足しておく。
電気回路の基礎理論においては、トランスの1次2次結合係数 k の定義は、相互インダクタンス Lm と、前記した1次側インダクタンス Lp および2次側インダクタンス Ls とに基づく以下の式(式3)
k = Lm / Sqrt( Lp・Ls )
によって行われ、トランスの1次側および2次側の漏洩インダクタンス成分を、それぞれ1次側および2次側巻線に直列に挿入されたインダクタンスと見なす回路モデルを建てて計算することにより、前記した式1,式2を得ることができる。
I will supplement this a little.
In the basic theory of electrical circuits, the definition of the transformer's first-order second-order coupling coefficient k is given by the following equation (Equation 3) based on the mutual inductance Lm and the aforementioned primary side inductance Lp and secondary side inductance Ls.
k = Lm / Sqrt (Lp · Ls)
To calculate the leakage inductance components on the primary and secondary sides of the transformer by constructing a circuit model that regards them as inductances inserted in series in the primary and secondary windings respectively.
因みに、前記した式1,式2は、漏洩インダクタンス成分、すなわち結合しない成分が、結合する成分に比べて微小であるとの近似を行わない場合でも成立する関係式であり、よって1次2次結合係数 k の値を求めることは、前記した式1,式2の何れを用いて行っても同じ値になるはずであるが、実際に測定・計算してみると、普通、多少の相違が現れる。
そのような場合は、前記した式1,式2の何れかにおいて前記した関係が成立していればよい。
Incidentally,
In such a case, the above-described relationship may be established in any of the above-described
次に、共振周波数については、通常の回路においては、LC共振回路を構成するコイルのインダクタンス L とコンデンサの静電容量 C とを測定すれば、LC共振周波数 fr は、以下の式(式4)
fr = 1/2π Sqrt( L・C )
によって計算できる。
ところが、図2のエキシマランプ光源装置の場合、このような単純な計算では、前記インバータ(Ui)の自励発振の動作周波数を予測することができなかった。
具体的には、前記トランス(Tf)を回路から取り外し、2次側を開放した状態で、前記巻線両端のノード(Nu,Nv)にLCメータを接続して1次側インダクタンス Lp を測定し、また前記共振コンデンサ(Crp)を回路から取り外し、1次側静電容 Cp としてこれをLCメータを用いて測定し、これらの値を前記した式4に適用して計算したが、前記インバータ(Ui)の自励発振の動作周波数(ランプで放電が発生しない低電圧での動作周波数、およびランプで放電が発生する高電圧での動作周波数の両方)と合わなかった。
その原因として、前記トランス(Tf)の1次側および、特に2次側に存在する巻線相互の、あるいは層間の寄生静電容量と、2次側の巻線両端のノード(Na,Nb)に接続された前記エキシマランプ(Y)の静電容量、さらに2次側巻線周辺に存在する浮遊静電容量が、共振周波数に影響を与えているものと考えた。
Next, for the resonance frequency, in a normal circuit, if the inductance L of the coil forming the LC resonance circuit and the capacitance C of the capacitor are measured, the LC resonance frequency fr is given by the following equation (Equation 4)
fr = 1 / 2π Sqrt (L · C)
It can be calculated by
However, in the case of the excimer lamp light source device of FIG. 2, the operating frequency of the self-oscillation of the inverter (Ui) could not be predicted by such a simple calculation.
Specifically, with the transformer (Tf) removed from the circuit and the secondary side open, an LC meter is connected to the nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding to measure the primary side inductance Lp. Also, the resonant capacitor (Crp) was removed from the circuit, and this was measured as an electrostatic capacitance Cp on the primary side using an LC meter, and these values were calculated using
As the cause, the parasitic capacitance between the windings or between layers on the primary side of the transformer (Tf) and especially on the secondary side, and the nodes (Na, Nb) at both ends of the secondary side windings It was considered that the capacitance of the excimer lamp (Y) connected to and the floating capacitance around the secondary winding influenced the resonance frequency.
そのため、本発明のエキシマランプ光源装置の技術に関連する概念の概略図である図5に基づく検討を行った。
本図の(a)に記載のように、1次側インダクタンス Lp と2次側インダクタンス Ls とを有し、相互インダクタンスが Lm で、そのときの1次2次結合係数が k であるトランスに対し、1次側インダクタンスに並列に1次側静電容 Cp を、2次側インダクタンスに並列に2次側静電容量 Cs を接続した回路モデルを建て、これに対して1次側インダクタンスに並列に、交流電流源 J を接続して励振する場合を考えると、共振周波数 fr は、同図の(b)に記載の式を用いて計算できる。
Therefore, a study based on FIG. 5, which is a schematic diagram of a concept related to the technology of the excimer lamp light source device of the present invention, was performed.
As shown in (a) of the figure, for a transformer having a primary side inductance Lp and a secondary side inductance Ls, and having a mutual inductance Lm and a primary-secondary coupling coefficient at that time being k Build a circuit model in which the primary electrostatic capacitance Cp is connected in parallel to the primary inductance and the secondary electrostatic capacitance Cs is connected in parallel to the secondary inductance, and in parallel to the primary inductance. Considering the case where excitation is performed by connecting an alternating current source J, the resonance frequency fr can be calculated using the equation described in (b) of the same figure.
この式に適用する2次側静電容量 Cs の値を得るために、前記DC電源(Mh)を取り外し、前記エキシマランプ(Y)と前記トランス(Tf)とを、図2のエキシマランプ光源装置の回路基板に接続した状態を基本として、1次側の前記巻線両端のノード(Nu,Nv)と前記中点タップ(Nm)、および前記帰還巻線(Lxy)の前記巻線両端のノード(Nx,Ny)とに接続された回路パターンとの接続を断ち、また図のなかの箇所(X)において、ランプ以外の回路部との接続のある2次側の前記巻線のノード(Nb)に接続された回路パターンとの接続を断った上で、前記エキシマランプ(Y)の電極に接続されるノード(Nz1,Nz2)にLCメータを接続して静電容量を測定した。
図2のエキシマランプ光源装置の回路の場合、前記箇所(X)で接続を断ったパターンに繋がっている前記エキシマランプ(Y)の低電圧側電極は、パターン(Jg)によって回路のグランドに接続されているため、前記ノード(Nz1,Nz2)の静電容量を測定するということは、前記エキシマランプ(Y)自身の静電容量を含め、該エキシマランプ(Y)の高電圧側電極に結合している全ての静電容量 Cs' を測定したことになる。
In order to obtain the value of the secondary side capacitance Cs applied to this equation, the DC power supply (Mh) is removed, and the excimer lamp (Y) and the transformer (Tf) are connected to the excimer lamp light source device of FIG. Nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding on the primary side, the midpoint tap (Nm), and nodes at both ends of the winding of the feedback winding (Lxy) on the basis of the state of connection to the circuit board of (Nx, Ny) and the node of the winding on the secondary side which has a connection with a circuit portion other than the lamp at a point (X) in the figure which is disconnected from the circuit pattern connected to The LC meter was connected to the nodes (Nz1, Nz2) connected to the electrodes of the excimer lamp (Y) after the connection with the circuit pattern connected to was disconnected, and the capacitance was measured.
In the case of the circuit of the excimer lamp light source apparatus of FIG. 2, the low voltage side electrode of the excimer lamp (Y) connected to the pattern disconnected at the point (X) is connected to the circuit ground by the pattern (Jg) Therefore, to measure the capacitance of the node (Nz1, Nz2) means coupling to the high voltage side electrode of the excimer lamp (Y) including the capacitance of the excimer lamp (Y) itself. It means that we have measured all the capacitance Cs'.
また1次側静電容 Cp の値として、前記共振コンデンサ(Crp)を回路から取り外し、LCメータによって静電容量を測定した。
1次側インダクタンス Lp および2次側インダクタンス Ls 、1次2次結合係数 k については、前記した式1または式2の計算のために取得した値を用いた。
そして、これらの値を前記した図5の(b)に記載の式に適用したが、やはり前記インバータ(Ui)の自励発振の動作周波数とは合わなかった。
Also, as the value of the primary side electrostatic capacity Cp, the resonance capacitor (Crp) was removed from the circuit, and the electrostatic capacity was measured by an LC meter.
For the primary side inductance Lp, the secondary side inductance Ls, and the first-order second-order coupling coefficient k, values obtained for the calculation of the
Then, although these values were applied to the equation described in FIG. 5 (b) described above, it was not matched with the operating frequency of the self-oscillation of the inverter (Ui).
その真の原因は定かではないが、前記トランス(Tf)は、前記エキシマランプ(Y)の点灯のための高電圧を得るに足る大きな巻数比を有するため、前記した2次側巻線における巻線相互の寄生静電容量と、巻線各部分のインダクタンスとが、分布定数回路を構成しているため、これまで述べて来たような、集中定数回路的な考察では正確な議論ができないことによるものと考えている。
ここで補足すると、前記インバータ(Ui)の自励発振の動作周波数を計算で予測することは、本発明の課題ではないが、それについて敢えて記載したのは、いま対象としている回路の場合、何らかのインダクタンス値と静電容量値の測定を行い、それらを用いた計算によって共振周波数を決定することは困難であることを示すためである。
Although the true cause is not clear, the transformer (Tf) has a large turns ratio enough to obtain a high voltage for lighting the excimer lamp (Y). Because the parasitic capacitance between the wires and the inductance of each part of the winding constitute a distributed constant circuit, accurate discussion can not be made with lumped circuit considerations as described above. I think that is due to.
To supplement here, it is not the task of the present invention to predict the operating frequency of the self-oscillation of the inverter (Ui) by calculation, but what is described about it in the case of the circuit currently targeted is This is because it is difficult to measure the inductance value and capacitance value and to determine the resonance frequency by calculation using them.
そのため、これまで述べたような、計算のためのモデルの構築やインダクタンスや静電容量等の測定の困難性等々による問題を避けるため、共振周波数測定を行う1次側および2次側の共振回路部分それぞれに対して短期間にエネルギーを与えて励振し、その後に現れる自由振動(減衰振動)を観測して、その周波数を実測することにした。
この方法が妥当である理由は、ここでの目的が、前記した2次側共振周波数 frs と比較した1次側共振周波数 frp の相応の低さを確保することであり、そのために知る1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs の値としては、1次側単独および2次側単独に励振したときに、そこで実際に起きる振動を観測すれば十分であり、その際、トランスの内部で1次側と2次側との間に磁気的または電気的、集中定数的または分布定数的な結合が、どのように存在しているかについては無頓着で構わないからである。
Therefore, in order to avoid the problems caused by the construction of models for calculation and the measurement of inductance, capacitance, etc. as described above, the primary side and secondary side resonance circuits for measuring the resonance frequency Energy was given to each part for a short period of time to excite, and it was decided to measure the frequency by observing the free vibration (damped vibration) that appears after that.
The reason why this method is appropriate is that the purpose here is to ensure a corresponding lowness of the primary side resonance frequency frp compared to the above-mentioned secondary side resonance frequency frs, and therefore the primary side to be known As the values of the resonance frequency frp and the secondary side resonance frequency frs, it is sufficient to observe the vibration that actually occurs there when excited on the primary side alone and the secondary side alone, and in that case, inside the transformer This is because it does not matter how the magnetic or electrical, lumped constant or distributed constant coupling is present between the primary side and the secondary side.
先ず、周波数測定のために使用する、専用の試験器の構成について、本発明のエキシマランプ光源装置に関連する技術を簡略化して示す模式図である図6を用いて説明する。
本図の試験器(Ut)の回路構成において、ノード(Ng)には後述する外部の試験用DC電源(Mt)のグランド端子を接続し、ノード(Nt)には、共振周波数を測定したい共振回路の一端を接続する。
パルス発生器(Fp)は、適当な時間幅を有する矩形波パルスの適当な頻度の繰り返しからなる励振信号(Sp)を発生させ、バッファ(Gs)およびゲートドライバ(Ds)を介して、FET等からなるスイッチ素子(Qs)を一瞬だけオン状態にすることを間欠的に繰り返す。
前記励振信号(Sp)は、インバータ(Gr)およびゲートドライバ(Dr)を介して、同じくFET等からなるスイッチ素子(Qr)を、前記スイッチ素子(Qs)とは相補的にオン状態にする。
なお、前記スイッチ素子(Qs)と前記スイッチ素子(Qr)とが同時にオン状態にならないよう、必要に応じてデッドタイムを設けるような工夫は行う。
First, the configuration of a dedicated tester used for frequency measurement will be described with reference to FIG. 6 which is a schematic view showing a technique related to the excimer lamp light source device of the present invention in a simplified manner.
In the circuit configuration of the tester (Ut) in this figure, the ground terminal of the external test DC power supply (Mt) described later is connected to the node (Ng), and the node (Nt) has a resonant frequency to be measured. Connect one end of the circuit.
The pulse generator (Fp) generates an excitation signal (Sp) consisting of an appropriate number of repetitions of square wave pulses having an appropriate time width, and through the buffer (Gs) and the gate driver (Ds), an FET or the like It intermittently repeats turning on the switch element (Qs) which consists of only for a moment.
The excitation signal (Sp) turns on a switch element (Qr), which is also an FET or the like, complementarily to the switch element (Qs) via an inverter (Gr) and a gate driver (Dr).
Note that a dead time is provided as necessary so that the switch element (Qs) and the switch element (Qr) are not simultaneously turned on.
前記スイッチ素子(Qs)と前記スイッチ素子(Qr)とは直列接続され、それらの接続箇所と前記ノード(Nt)との間に、電流制限抵抗(Rc)と、1個以上のダイオードを直列接続した直列ダイオードアレイ(Da)とを直列接続する。
なお、前記直列ダイオードアレイ(Da)は、順バイアス時は電流を流し、逆バイアス時は低静電容量かつ電流を流さない状態になるようにするために設けてあり、その直列個数は、実現したい逆バイアス時の静電容量の小ささによって決める。
前記スイッチ素子(Qr)に接続したDC電源(Mr)の電圧を前記ノード(Nt)の電圧より高くしておけば、前記スイッチ素子(Qs)がオフ状態の期間は、前記直列ダイオードアレイ(Da)が逆バイアスされて低静電容量化され、前記ノード(Nt)は、実質的にフローティング状態となり、一方前記スイッチ素子(Qs)がオン状態の期間は、前記ノード(Nt)から前記ノード(Ng)に電流が流される状態となる。
The switch element (Qs) and the switch element (Qr) are connected in series, and a current limiting resistor (Rc) and one or more diodes are connected in series between their connection point and the node (Nt). And the series diode array (Da) are connected in series.
The series diode array (Da) is provided to allow current to flow during forward biasing and low capacitance and no current to flow during reverse biasing, and the number of series connected is Determined by the smallness of the reverse bias capacitance.
If the voltage of the DC power source (Mr) connected to the switch element (Qr) is set higher than the voltage of the node (Nt), the series diode array (Da) is turned off while the switch element (Qs) is off. Is reverse-biased to lower the capacitance, and the node (Nt) is in a substantially floating state, while the switch element (Qs) is in an on-state while the node (Nt) is connected to the node (Nt). Ng) is supplied with current.
次に、前記試験器(Ut)を使用した共振周波数の測定について、本発明のエキシマランプ光源装置に関連する技術を簡略化して示す模式図である図7を用いて説明する。
本図の(a)は、本発明のエキシマランプ光源装置の前記した2次側共振周波数 frs を測定する様子を描いたものである。
同図のインバータ(Ui)においては、前記DC電源(Mh)を取り外し、前記エキシマランプ(Y)と前記トランス(Tf)とを、図2のエキシマランプ光源装置の回路基板に接続した状態を基本として、1次側の前記巻線両端のノード(Nu,Nv)と前記中点タップ(Nm)、および前記帰還巻線(Lxy)の前記巻線両端のノード(Nx,Ny)とに接続された回路パターンとの接続を断った上で、ランプ以外の回路部との接続のある2次側の前記巻線のノード(Nb)に試験用DC電源(Mt)を接続し、該試験用DC電源(Mt)を接続しなかった方の2次側の巻線のノード(Na)に前記試験器(Ut)の前記ノード(Nt)を接続する。
Next, measurement of the resonance frequency using the tester (Ut) will be described with reference to FIG. 7 which is a schematic view showing a technique related to the excimer lamp light source device of the present invention in a simplified manner.
(A) of this figure depicts a state of measuring the above-mentioned secondary side resonance frequency frs of the excimer lamp light source device of the present invention.
In the inverter (Ui) of the figure, it is basic that the DC power supply (Mh) is removed and the excimer lamp (Y) and the transformer (Tf) are connected to the circuit board of the excimer lamp light source device of FIG. Are connected to the nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding on the primary side, the midpoint tap (Nm), and the nodes (Nx, Ny) at both ends of the winding of the feedback winding (Lxy). The test DC power supply (Mt) is connected to the node (Nb) of the winding on the secondary side where there is a connection with the circuit section other than the lamp, and the test DC power source is disconnected. The node (Nt) of the tester (Ut) is connected to the node (Na) of the secondary winding which did not connect the power supply (Mt).
この状態において、前記試験器(Ut)の前記パルス発生器(Fp)を動作させると、前記スイッチ素子(Qs)がオン状態の期間に、前記2次側巻線(Ls)およびそれと結合のある全ての静電容量 Cse からなる共振回路にエネルギーが蓄積され、前記スイッチ素子(Qs)がオフ状態になると、このエネルギーが解放されて、この共振回路の共振周波数、すなわち前記した2次側共振周波数 frs で、前記ノード(Nt)の電位に自由振動が現れる。
したがって、オシロスコープを用いてこの振動を観測することにより、2次側共振周波数 frs を決定することができる。
In this state, when the pulse generator (Fp) of the tester (Ut) is operated, the secondary winding (Ls) and it are coupled while the switch element (Qs) is on. When energy is stored in the resonance circuit consisting of all the capacitances Cse and the switch element (Qs) is turned off, this energy is released and the resonance frequency of this resonance circuit, that is, the above-mentioned secondary side resonance frequency At frs, free oscillation appears at the potential of the node (Nt).
Therefore, by observing this vibration using an oscilloscope, the secondary resonance frequency frs can be determined.
一方、本図の(b)は、本発明のエキシマランプ光源装置の前記した1次側共振周波数 frp を測定する様子を描いたものである。
この場合は、共振にかかわる静電容量は、前記した2次側のような、ランプの静電容量や巻線相互の寄生静電容量、浮遊静電容量のような微小なものを総合したものでなく、回路素子としての前記共振コンデンサ(Crp)を陽に実装するものであり、この静電容量は、関連する寄生静電容量や浮遊静電容量等より十分に大きいため、前記トランス(Tf)と前記共振コンデンサ(Crp)とを前記インバータ(Ui)から取り出して、前記巻線両端のノード(Nu,Nv)と前記共振コンデンサ(Crp)とを接続し、前記巻線両端のノード(Nu,Nv)に前記試験用DC電源(Mt)と前記試験器(Ut)を接続して、先に2次側についての測定に関して説明したものと同様に、前記ノード(Nt)の電位の自由振動を観測し、1次側共振周波数 frp を決定すればよい。
On the other hand, (b) of this figure depicts a state in which the above-mentioned primary side resonance frequency frp of the excimer lamp light source device of the present invention is measured.
In this case, the capacitance involved in resonance is a combination of the lamp capacitance, the parasitic capacitance between the windings as in the secondary side as described above, and a small capacitance such as a floating capacitance. And the capacitor (Crp) is positively mounted as a circuit element, and the capacitance is sufficiently larger than the related parasitic capacitance, floating capacitance, etc. ) And the resonant capacitor (Crp) from the inverter (Ui), and connect nodes (Nu, Nv) at both ends of the winding to the resonant capacitor (Crp), and nodes (Nu at both ends of the winding) , Nv) and the test DC power supply (Mt) and the tester (Ut), and the free vibration of the potential of the node (Nt) is the same as described above for the measurement on the secondary side. Observe the primary side Resonant frequency frp may be determined.
ここで補足しておくと、先にランプ以外の回路部との接続のある2次側の前記巻線のノード(Nb)に試験用DC電源(Mt)を接続するとした理由は、例えば前記巻線のノード(Nb)が、同図に記載のようにパターン(Jg)によって回路のグランドに接続されていた場合に、逆にこの巻線のノード(Nb)を前記試験器(Ut)の前記ノード(Nt)に接続したならば、回路全体の電位を振動させることになり、測定手法として不適当だからである。
したがって、前記した巻線両端のノード(Na,Nb)のうち、ランプ以外の回路部との接続のある2次側のものが存在しない場合は、何れを前記巻線のノード(Nb)に接続してもよい。
Here, the reason for having previously connected the test DC power supply (Mt) to the node (Nb) of the winding on the secondary side where there is a connection to a circuit unit other than the lamp is, for example, the winding Conversely, if the line node (Nb) is connected to the circuit ground by the pattern (Jg) as described in the figure, the winding node (Nb) If connected to the node (Nt), the potential of the entire circuit is oscillated, which is unsuitable as a measurement method.
Therefore, among the nodes (Na, Nb) at both ends of the winding described above, when there is not a secondary side having a connection with a circuit section other than the lamp, either is connected to the node (Nb) of the winding You may
さらに、前記試験器(Ut)の前記直列ダイオードアレイ(Da)の直列数、および逆バイアス用の前記スイッチ素子(Qr)などについて補足しておく。
前記した前記2次側巻線(Ls)と結合のある全ての静電容量 Cse の大きさは、ランプも含め、例えば数ピコ〜数十ピコファラッドで、非常に小さい場合が多い。
したがって、前記スイッチ素子(Qr)を設けない簡単な構成において、もし前記直列ダイオードアレイ(Da)を挿入しなかったならば、前記スイッチ素子(Qs)のオフ状態の静電容量、例えば百ピコファラッド程度が前記ノード(Nt)に接続された状態での自由振動を観測することになり、共振周波数の測定に対する大きな誤差要因を持ち込むことになる。
Further, the series number of the series diode arrays (Da) of the tester (Ut), the switch element (Qr) for reverse bias, and the like are supplemented.
The magnitude of all the capacitances Cse coupled to the secondary side winding (Ls) described above, including lamps, is often very small, for example, several pico to several tens picofarad.
Therefore, in a simple configuration in which the switch element (Qr) is not provided, if the series diode array (Da) is not inserted, the off-state capacitance of the switch element (Qs), for example, 100 picofarads. By observing the free vibration with the degree connected to the node (Nt), a large error factor to the measurement of the resonance frequency is introduced.
この誤差要因を排除するために前記直列ダイオードアレイ(Da)を挿入するのであるから、その直列個数は、前記スイッチ素子(Qs)のオフ状態における前記ノード(Ng)と前記ノード(Nt)との間の静電容量 Ct が、前記した静電容量 Cse より十分に小さい値になるようにする必要がある。
前記した静電容量 Cse は直接測定できないため、LCメータを用いて測定した前記した静電容量 Cs' の値に対し、同じくLCメータを用いて測定した前記した静電容量 Ct が、例えば10%以下になるよう前記直列ダイオードアレイ(Da)の直列個数を設定すればよい。
Since the series diode array (Da) is inserted to eliminate this error factor, the number in series is determined by the number of nodes (Ng) and the node (Nt) in the off state of the switch element (Qs). The capacitance Ct between them must be sufficiently smaller than the capacitance Cse described above.
Since the capacitance Cse can not be measured directly, the capacitance Ct measured using the LC meter is, for example, 10% of the capacitance Cs' measured using the LC meter. The number of series connected diode arrays (Da) may be set to be as follows.
なお、実測によって前記した静電容量 Ct が、この条件を満足することが確認できるなら、前記試験器(Ut)における前記インバータ(Gr)を、したがって前記インバータ(Gr),ゲートドライバ(Dr),DC電源(Mr)を省略しても構わない。
また、前記スイッチ素子(Qs)のオン状態における電流によって前記直列ダイオードアレイ(Da)が破損する恐れが無い場合は、前記電流制限抵抗(Rc)の挿入を省略しても構わない。
In addition, if it can be confirmed that the capacitance Ct described above satisfies this condition by actual measurement, the inverter (Gr) in the tester (Ut), and accordingly, the inverter (Gr), the gate driver (Dr), The DC power supply (Mr) may be omitted.
In the case where there is no risk that the series diode array (Da) is damaged by the current in the on state of the switch element (Qs), the insertion of the current limiting resistor (Rc) may be omitted.
ここでは、前記試験器(Ut)の前記した静電容量 Ct の小ささについて、主として2次側の前記した静電容量 Cse との関連について述べた。
当然、1次側共振周波数 frp の測定に際し、静電容量 Ct は1次側の静電容量と比較しても十分小さくなければならないが、この場合は、前記したように回路素子としての前記共振コンデンサ(Crp)を陽に実装するものであり、この静電容量は、静電容量 Cse より十分に大きいため、通常は問題にならない。
Here, regarding the smallness of the above-mentioned capacitance Ct of the above-mentioned tester (Ut), the relation with the above-mentioned capacitance Cse of the secondary side was mainly described.
Of course, in the measurement of the primary side resonance frequency frp, the capacitance Ct must be sufficiently small compared to the capacitance on the primary side. In this case, as described above, the resonance as the circuit element is The capacitor (Crp) is explicitly mounted, and this capacitance is usually larger than the capacitance Cse, so this is usually not a problem.
これまで述べた図2に記載の構成を有し、1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs との間の前記した関係と、1次2次結合係数 k についての前記した関係とを成立させるようにした、エキシマランプ光源装置の具体的な設計の一例を、以下に簡単に記載しておく。
静電容量(LCメータによる測定)
共振コンデンサ(Crp):22nF( Cp )
箇所(X)で切断時の2次側総合:6.8pF ( Cs' )
トランス(Tf)の1次側巻線(Lp)(LCメータによる測定)
巻き数:14巻き(7巻き・7巻きで中点タップ)
インダクタンス(2次側を開放):26.96μH ( Lp )
インダクタンス(2次側を短絡):9.674μH ( Lp' )
1次2次結合係数(式1に基づく計算):0.801 ( k )
トランス(Tf)の2次側巻線(Ls)(LCメータによる測定)
巻き数:560巻き
インダクタンス(1次側を開放):32.37mH ( Ls )
インダクタンス(1次側を短絡):12.72mH ( Ls' )
1次2次結合係数(式2に基づく計算):0.779 ( k )
共振周波数(図7に基づく測定)
1次側共振周波数:200.3kHz( frp )
2次側共振周波数:173.91kHz ( frs )
共振周波数比:1.15 ( frp / frs )
光源装置インバータ動作
始動時:周波数:164.7kHz, 出力電圧:1110Vp-p
点灯時:周波数:123.3kHz, 出力電圧:3660Vp-p
DC電源(Mh):電圧:14.6V, 点灯時電流:0.540A
なお、前記1次2次結合係数 k の値を達成するために、前記トランス(Tf)を構成するフェライトコアにはギャップを設けてある。
The above-described relationship between the primary side resonance frequency frp and the secondary side resonance frequency frs and the above-described relation of the first-order second-order coupling coefficient k have the configuration described in FIG. An example of the specific design of the excimer lamp light source device which is made to hold is briefly described below.
Capacitance (measurement with LC meter)
Resonant capacitor (Crp): 22 nF (Cp)
Total on the secondary side when cutting at location (X): 6.8 pF (Cs')
Transformer (Tf) primary winding (Lp) (measured by LC meter)
Number of turns: 14 (7 · 7 turns in the middle tap)
Inductance (secondary side open): 26.96 μH (Lp)
Inductance (secondary side shorted): 9.674 μH (Lp ')
First-order quadratic coupling coefficient (calculation based on equation 1): 0.801 (k)
Transformer (Tf) secondary winding (Ls) (measured by LC meter)
Number of turns: 560 turns Inductance (Open primary side): 32.37 mH (Ls)
Inductance (shorted primary side): 12.72 mH (Ls')
First-order quadratic coupling coefficient (calculation based on equation 2): 0.779 (k)
Resonance frequency (measurement based on Fig. 7)
Primary side resonance frequency: 200.3 kHz (frp)
Secondary resonance frequency: 173.91 kHz (frs)
Resonant frequency ratio: 1.15 (frp / frs)
Light source device inverter operation Start-up: Frequency: 164.7 kHz, Output voltage: 1110 Vp-p
Lighting: Frequency: 123.3 kHz, Output voltage: 3660 Vp-p
DC power supply (Mh): Voltage: 14.6 V, operating current: 0.540 A
In order to achieve the value of the first-order second-order coupling coefficient k, a gap is provided in the ferrite core constituting the transformer (Tf).
これまで、主としてコレクタ共振回路による構成のインバータについて述べたが、他の方式の回路として、本発明のエキシマランプ光源装置を簡略化して示す模式図である図3に記載した、一石並列共振回路による構成のインバータ(Ui)における応用について説明する。
インバータ(Ui)のトランス(Tf)は、1次側巻線(Lp)と2次側巻線(Ls)とを有しており、前記1次側巻線(Lp)の巻線両端のノード(Nu,Nv)には共振コンデンサ(Crp)の両端を接続して、並列共振回路たる1次側共振回路を構成している。
前記巻線のノード(Nu)には、DC電源(Mh)のプラス端子からの出力を供給する。
ただし、前記したDC電源(Mh)のプラス端子からの出力には、前記インバータ(Ui)における電源電圧を安定化させるための平滑コンデンサ(Ch)を挿入してある。
Up to this point, the inverter mainly has a collector resonant circuit configuration, but as another type of circuit, it is based on a single stone parallel resonant circuit described in FIG. 3 which is a schematic diagram showing the excimer lamp light source device of the present invention in a simplified manner. The application in the inverter (Ui) of a structure is demonstrated.
The transformer (Tf) of the inverter (Ui) has a primary winding (Lp) and a secondary winding (Ls), and the nodes at both ends of the winding of the primary winding (Lp) Both ends of the resonance capacitor (Crp) are connected to (Nu, Nv) to constitute a primary side resonance circuit as a parallel resonance circuit.
The node (Nu) of the winding is supplied with the output from the plus terminal of the DC power supply (Mh).
However, a smoothing capacitor (Ch) for stabilizing the power supply voltage in the inverter (Ui) is inserted in the output from the plus terminal of the DC power supply (Mh) described above.
前記1次側巻線(Lp)の前記巻線のノード(Nv)には、バイポーラトランジスタ(あるいはFETなど)を用いたスイッチ素子(Qv)のコレクタを接続して、並列共振回路とスイッチ素子による共振回路スイッチ直列部を構成する。
そして前記スイッチ素子(Qv)のエミッタを前記DC電源(Mh)のグランド端子に接続するとともに、前記スイッチ素子(Qv)のベースには、ベース抵抗(Rv)を介して前記したDC電源(Mh)のプラス端子からの電流供給経路を形成しておき、前記トランス(Tf)に設けた帰還巻線(Lxy)の巻線両端のノード(Nx,Ny)の一方をグランドに、他方を位相シフト回路(Ep)を介して前記スイッチ素子(Qv)のベースに接続してある。
このように回路を構成したことにより前記スイッチ素子(Qv)がオン状態とオフ状態とを交互に相補的に繰り返して、前記1次側巻線(Lp)に流れる電流を交互に反転させる自励発振の動作を行うため、前記トランス(Tf)の前記2次側巻線(Ls)には、前記1次側巻線(Lp)の巻数に対する前記2次側巻線(Ls)の巻数の比、すなわち巻数比に基づく、昇圧された交流の高電圧が発生し、前記2次側巻線(Ls)の巻線両端のノード(Na,Nb)に接続されたエキシマランプ(Y)を点灯することができる。
The node (Nv) of the winding of the primary side winding (Lp) is connected to the collector of a switch element (Qv) using a bipolar transistor (or FET or the like), and a parallel resonant circuit and switch element are used. The resonant circuit switch series part is configured.
The emitter of the switch element (Qv) is connected to the ground terminal of the DC power source (Mh), and the base of the switch element (Qv) is connected to the DC power source (Mh) described above via a base resistor (Rv). Forming a current supply path from the plus terminal of one of the nodes (Nx, Ny) at both ends of the winding of the feedback winding (Lxy) provided in the transformer (Tf) to the ground and the other to the phase shift circuit It is connected to the base of the switch element (Qv) via (Ep).
By configuring the circuit in this manner, the switch element (Qv) alternately repeats the on state and the off state complementarily, and self-excitation which alternately reverses the current flowing in the primary side winding (Lp) The ratio of the number of turns of the secondary winding (Ls) to the number of turns of the primary winding (Lp) in the secondary winding (Ls) of the transformer (Tf) to perform oscillation operation That is, based on the turns ratio, a boosted high voltage of alternating current is generated to light the excimer lamp (Y) connected to the node (Na, Nb) at both ends of the winding of the secondary winding (Ls). be able to.
そして、図2に記載したエキシマランプ光源装置と同様に、1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs との間の前記した関係と、1次2次結合係数 k についての前記した関係とを成立させるように設計すればよい。
なお、図3のエキシマランプ光源装置における1次2次結合係数 k の測定、および前記した箇所(X)の切断時の2次側静電容量 Cs' の測定と試験器(Ut)の準備、さらに1次側共振周波数 frp と2次側共振周波数 frs の測定については、先述の図2のエキシマランプ光源装置に関して行った説明をそのまま適用できる。
Then, as in the excimer lamp light source device described in FIG. 2, the above-described relationship between the primary side resonance frequency frp and the secondary side resonance frequency frs, and the above-described relationship with respect to the first-order second-order coupling coefficient k Should be designed to hold
The measurement of the primary-secondary coupling coefficient k in the excimer lamp light source device of FIG. 3 and the measurement of the secondary-side electrostatic capacitance Cs ′ at the time of cutting of the above-mentioned location (X) and the preparation of the tester (Ut) Further, for the measurement of the primary side resonance frequency frp and the secondary side resonance frequency frs, the explanation given for the excimer lamp light source apparatus of FIG. 2 can be applied as it is.
次に本発明のエキシマランプ光源装置の実施例の一部の一形態を簡略化して示す模式図である図4を用いて、本発明において好適に使用可能なエキシマランプの具体的な一例について説明する。
同図の(a)は、エキシマランプ(Y)の外観を表す。
グランド側の電極(Ye2)は金網によって構成され、誘電体(Yb)のバルブの大部分を覆っており、これは胴部ワイヤ(W)と先端部ワイヤ(W’)とによって固定されるとともに、電極リード(Te2)に繋げられている。
誘電体(Yb)のバルブの内部で発生したUV光などの放射光は、前記グランド側の電極(Ye2)の網目から外部に取り出される。
Next, a specific example of an excimer lamp which can be suitably used in the present invention will be described with reference to FIG. 4 which is a schematic view schematically showing a part of an embodiment of the excimer lamp light source apparatus of the present invention. Do.
(A) of the same figure represents the external appearance of an excimer lamp (Y).
The ground side electrode (Ye2) is constituted by a wire mesh and covers most of the bulb of the dielectric (Yb), which is fixed by the body wire (W) and the tip wire (W ') , And the electrode lead (Te2).
The emitted light such as UV light generated inside the bulb of the dielectric (Yb) is extracted to the outside from the mesh of the electrode (Ye2) on the ground side.
一方、同図の(b)は、前記エキシマランプ(Y)の断面を表す。
高電圧側の電極(Ye1)は、前記した誘電体(Yb)のバルブの内部に設けられて放電空間(Yg)に接するように配置されており、シール用金属箔(Yf)を介して電極リード(Te1)に繋げられている。
そして図から直ちに理解できるように、前記した誘電体(Yb)のバルブは、先端部に近づくに従って径が細くなっているため、前記した、全体的な放電ギャップ長よりも短い放電ギャップ長を有する誘電体部分が設けられることにより、放電が生じ易い易放電領域(Yx)が形成された構造が作り込まれている。
On the other hand, (b) of the same figure represents the cross section of the said excimer lamp (Y).
The high voltage side electrode (Ye1) is provided inside the bulb of the dielectric (Yb) described above and disposed in contact with the discharge space (Yg), and the electrode via the sealing metal foil (Yf) It is connected to the lead (Te1).
And as can be immediately understood from the figure, the valve of the dielectric (Yb) described above has a discharge gap length shorter than the above-mentioned overall discharge gap length because the diameter becomes smaller toward the tip end. By providing the dielectric portion, a structure is formed in which an easily discharged region (Yx) which is easily generated is formed.
前記放電空間(Yg)に充填するガスとして、例えばキセノンを封入した場合は、波長172nmのエキシマ発光によるUV光を発生することができる。
このUV光を外部に取り出して使用する場合は、前記したバルブの材料として合成石英ガラスを用いることが好適である。
あるいは、例えばUV殺菌の用途のための光を取り出したい場合は、前記した波長172nmのエキシマ発光によって励起され、その用途に好適な波長(殺菌線)、例えば250〜255nmの蛍光を発する蛍光体層を、前記したバルブの内面に形成すればよく、この場合、バルブの材料としては、安価な溶融石英ガラス等を用いればよい。
When, for example, xenon is sealed as a gas for filling the discharge space (Yg), UV light can be generated by excimer emission with a wavelength of 172 nm.
When this UV light is taken out and used, it is preferable to use synthetic quartz glass as a material of the above-mentioned bulb.
Alternatively, for example, when it is desired to take out light for UV sterilization application, a phosphor layer which is excited by the above-mentioned excimer emission of wavelength 172 nm and emits a wavelength (sterilization line) suitable for the application (for example 250-255 nm) May be formed on the inner surface of the above-described valve, and in this case, inexpensive fused silica glass may be used as the material of the valve.
本発明は、UVオゾン洗浄、UV表面改質、UV硬化、UV殺菌、UV治療などの分野において利用可能なUV光を発生して、もしくは発生したUV光を他の波長に変換して、それを照射する装置を構成する際に好適な光源であるエキシマランプと、それを点灯するインバータからなるエキシマランプ光源装置を設計・製造する産業において利用可能である。 The present invention generates available UV light in the field of UV ozone cleaning, UV surface modification, UV curing, UV sterilization, UV treatment etc. or converts the generated UV light to other wavelength The present invention can be used in the industry which designs and manufactures an excimer lamp light source device comprising an excimer lamp which is a light source suitable for forming an apparatus for emitting light and an inverter for lighting the same.
Ch 平滑コンデンサ
Crp 共振コンデンサ
Da 直列ダイオードアレイ
Dr ゲートドライバ
Ds ゲートドライバ
Ep 位相シフト回路
Fp パルス発生器
Gr インバータ
Gs バッファ
Jg パターン
Lh チョークコイル
Lp 1次側巻線
Ls 2次側巻線
Lxy 帰還巻線
Mh DC電源
Mr DC電源
Mt 試験用DC電源
Na ノード
Nb ノード
Ng ノード
Nm 中点タップ
Nt ノード
Nu ノード
Nv ノード
Nx ノード
Ny ノード
Nz1 ノード
Nz2 ノード
Qr スイッチ素子
Qs スイッチ素子
Qu スイッチ素子
Qv スイッチ素子
Rc 電流制限抵抗
Ru ベース抵抗
Rv ベース抵抗
Sp 励振信号
Te1 電極リード
Te2 電極リード
Tf トランス
Ui インバータ
Ut 試験器
W 胴部ワイヤ
W’ 先端部ワイヤ
X 箇所
Y エキシマランプ
Yb 誘電体
Ybs 誘電体部分
Ye1 電極
Ye2 電極
Yf シール用金属箔
Yg 放電空間
Yo 易放電物質層
Yt バルブ
Yx 易放電領域
Z 放電ギャップ長
Zs 放電ギャップ長
Ch smoothing capacitor Crp resonant capacitor Da series diode array Dr gate driver Ds gate driver Ep phase shift circuit Fp pulse generator Gr inverter Gs buffer Jg pattern Lh choke coil Lp primary side winding Ls secondary side winding Lxy feedback winding Mh DC power supply Mr DC power supply Mt Test DC power supply Na node Nb node Ng node Nm middle point tap Nt node Nu node Nv node Nx node Ny node Nz node
Claims (3)
トランス(Tf)と、該トランス(Tf)の1次側巻線(Lp)を駆動するための、少なくとも1個のスイッチ素子(Qu,Qv)を有し、前記トランス(Tf)の2次側巻線(Ls)に交流の高電圧を発生して、該2次側巻線(Ls)に接続された前記エキシマランプ(Y)の前記電極(Ye1,Ye2)に、高電圧を印加するためのインバータ(Ui)と、
を具備するエキシマランプ光源装置であって、
前記エキシマランプ(Y)は、放電が生じ易い易放電領域(Yx)が、前記放電空間(Yg)の一部に存在するように構成されており、
前記インバータ(Ui)は、前記1次側巻線(Lp)に接続されて、該1次側巻線(Lp)を含んで1次側共振回路を構成する共振コンデンサ(Crp)をさらに有しており、
前記1次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち1次側共振周波数 frp と、
前記2次側巻線(Ls)に接続された前記エキシマランプ(Y)と前記2次側巻線(Ls)とから構成される2次側共振回路における自由振動に基づく共振周波数、すなわち2次側共振周波数 frs との間に、
frp / frs ≦ 1.3
なる関係が成立し、かつ
前記トランス(Tf)の1次2次結合係数 k について、
k ≦ 0.85
なる関係が成立することを特徴とするエキシマランプ光源装置。 A discharge space (Yg) filled with a discharge gas for generating excimer molecules, and a pair of electrodes (Ye1 and Ye2) for inducing a discharge in the discharge gas, and the electrodes (Ye1 and Ye2) An excimer lamp (Y) configured to interpose a dielectric (Yb) between at least one of them and the discharge space (Yg), and generating ultraviolet light in the discharge space (Yg);
A transformer (Tf) and at least one switch element (Qu, Qv) for driving a primary winding (Lp) of the transformer (Tf), the secondary side of the transformer (Tf) In order to apply a high voltage to the electrodes (Ye1, Ye2) of the excimer lamp (Y) connected to the secondary winding (Ls) by generating a high voltage of alternating current in the winding (Ls) The inverter (Ui),
An excimer lamp light source device comprising
The excimer lamp (Y) is configured such that an easily discharged region (Yx) in which a discharge is easily generated is present in a part of the discharge space (Yg),
The inverter (Ui) further includes a resonance capacitor (Crp) connected to the primary side winding (Lp) to form a primary side resonance circuit including the primary side winding (Lp). Yes,
A resonant frequency based on free vibration in the primary side resonant circuit, that is, a primary side resonant frequency frp;
Resonant frequency based on free vibration in the secondary side resonant circuit composed of the excimer lamp (Y) connected to the secondary side winding (Ls) and the secondary side winding (Ls), ie secondary Between the side resonance frequency frs,
frp / frs ≦ 1.3
And the first-order to second-order coupling coefficient k of the transformer (Tf),
k ≦ 0.85
An excimer lamp light source device characterized in that the following relationship is established.
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