JP2021125437A

JP2021125437A - バリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置

Info

Publication number: JP2021125437A
Application number: JP2020020356A
Authority: JP
Inventors: 棟興聶; Toshin Nie; 弘喜日野; Hiroyoshi Hino; 純藤岡; Jun Fujioka
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2021-08-30

Abstract

【課題】発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができるバリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することである。
【解決手段】実施形態に係るバリア放電ランプモジュールは、筒状を呈し、内部空間にガスが封入された発光管と；前記内部空間に設けられたコイルを有する内部電極と；を具備し、前記発光管は、紫外線を透過しＳｉＯ_２を含む材料を含み、前記材料の、ＯＨ基の含有量が８００ｐｐｍ以上、２０００ｐｐｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、バリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置に関する。

波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射するバリア放電ランプがある。バリア放電ランプは、例えば、対象物の表面に付着した有機物の除去（光洗浄処理）、表面改質、酸化膜の形成などの表面処理に用いられている。バリア放電ランプは、例えば、一対の電極と、電極と電極との間に設けられ、誘電体から形成された発光管と、を有している。一対の電極に交流電圧を印加すると、誘電体バリア放電が生じ、発光管の内部に封入されたガスの種類に応じて特定の波長を有する紫外線が照射される。

ここで、紫外線は発光管の内部で発生し、発光管を介して外部に照射される。そのため、紫外線を長時間照射すると、発光管の材料の化学的な構造が変わって、発光管における紫外線の透過率が著しく低下する場合がある。
そこで、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができる技術の開発が望まれていた。

特開２００２−０９３３７７号公報

本発明が解決しようとする課題は、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができるバリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することである。

実施形態に係るバリア放電ランプモジュールは、筒状を呈し、内部空間にガスが封入された発光管と；前記内部空間に設けられたコイルを有する内部電極と；を具備し、前記発光管は、紫外線を透過しＳｉＯ_２を含む材料を含み、前記材料の、ＯＨ基の含有量が８００ｐｐｍ以上、２０００ｐｐｍ以下である。

本発明の実施形態によれば、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができるバリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することができる。

本実施形態に係るバリア放電ランプを例示するための模式図である。図１におけるバリア放電ランプのＡ−Ａ線方向の模式断面図である。ＯＨ基の含有量と照度維持率との関係を例示するためのグラフである。ＯＨ基の含有量と初期照度との関係を例示するためのグラフである。紫外線照射装置の構成を例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、各図面中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する三方向を表している。例えば、照射方向をＺ方向としている。

（バリア放電ランプモジュール１０およびバリア放電ランプ１）
図１は、本実施形態に係るバリア放電ランプ１を例示するための模式図である。
図２は、図１におけるバリア放電ランプ１のＡ−Ａ線方向の模式断面図である。

図１および図２に示すように、バリア放電ランプ１には、バリア放電ランプモジュール１０および外部電極２０を設けることができる。
バリア放電ランプモジュール１０は、発光管１１、内部電極１２、反射膜１３，ホルダ１４、およびリード線１５を有することができる。

発光管１１は、筒状を呈し、管径に比べて全長（管軸方向の長さ）が長い形態を有する。発光管１１は、例えば、円筒管とすることができる。発光管１１の、管軸方向における両側の端部のそれぞれには、封止部１１ａが設けられている。封止部１１ａを設けることで、発光管１１の内部空間を気密に封止することができる。封止部１１ａは、例えば、ピンチシール法やシュリンクシール法を用いて形成することができる。

また、それぞれの封止部１１ａの内部には、導電部１１ｂとアウターリード１１ｃを設けることができる。導電部１１ｂは、１つの封止部１１ａに対して１つ設けることができる。導電部１１ｂの平面形状は四角形とすることができる。導電部１１ｂは、薄膜状を呈している。導電部１１ｂは、例えば、モリブデン箔から形成することができる。

アウターリード１１ｃは、線状を呈し、少なくともリード線１５が設けられる側の封止部１１ａに設けることができる。アウターリード１１ｃの一方の端部は、導電部１１ｂと電気的に接続されている。アウターリード１１ｃの端部の近傍は、導電部１１ｂと、レーザ溶接または抵抗溶接することができる。アウターリード１１ｃの他方の端部は、封止部１１ａから露出させることができる。アウターリード１１ｃは、例えば、モリブデンなどを含むものとすることができる。

発光管１１の内部空間には、ガスが封入されている。バリア放電ランプ１においては、内部電極１２と外部電極２０との間でバリア放電を行って、封入されているガスに高いエネルギー電子を与えてエキシマ励起分子を生成する。エキシマ励起分子が元に戻る際に、ガスの種類に応じて特定のピーク波長を有する光が発生する。そのため、発光管１１の内部空間に封入するガスは、バリア放電ランプ１の用途に応じて適宜変更することができる。発光管１１の内部空間に封入するガスは、例えば、クリプトン、キセノン、アルゴン、ネオンなどの希ガス、あるいは、複数種類の希ガスを混合させた混合ガスとすることができる。ガスには、必要に応じて、ハロゲンガスなどをさらに含めることもできる。

発光管１１の内部空間の２５℃におけるガスの圧力（封入圧力）は、例えば、８０ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度とすることができる。発光管１１の内部空間の２５℃におけるガスの圧力（封入圧力）は、気体の標準状態（ＳＡＴＰ（Standard Ambient Temperature and Pressure）：温度２５℃、１ｂａｒ）により求めることができる。

例えば、フラットパネルディスプレイ用のガラス板の表面を光洗浄する場合には、封入するガスをキセノンとすることが好ましい。キセノンの封入圧力は、例えば、９３ｋＰａ程度とすることができる。封入するガスをキセノンとすれば、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を発生させることができるので洗浄効果を高めることができる。

内部電極１２は、コイル１２ａおよびレグ１２ｂを有することができる。コイル１２ａおよびレグ１２ｂは、一体に形成することができる。コイル１２ａおよびレグ１２ｂは、線材を塑性加工することで形成することができる。線材の線径（直径）は、例えば、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることができる。

コイル１２ａおよびレグ１２ｂは、例えば、タングステンを主成分として含むことができる。タングステンの含有量は、例えば、５０ｗｔ％以上とすることができる。この場合、タングステンにカリウムなどを添加したドープタングステンを用いれば、コイル１２ａの寸法安定性を高めることができる。

コイル１２ａは螺旋状を呈し、発光管１１の内部空間に設けられている。コイル１２ａは、発光管１１の内部空間の中央領域を発光管１１の管軸に沿って延びている。コイル１２ａのピッチ寸法Ｐは、例えば、１０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度とすることができる。

図２に示すように、発光管１１の管軸方向に直交する方向において、コイル１２ａと発光管１１の内壁との間の隙間Ｓは、例えば、１０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、隙間Ｓが設けられず、コイル１２ａと反射膜１３が接触する様にしてもよい。また、反射膜１３が設けられない場合には、コイル１２ａと発光管１１の内壁が接触する様にしてもよい。隙間Ｓが所定の寸法以下であれば、低い電圧で安定したバリア放電を生じさせることができる。そのため、例えば、発光管１１の内径寸法に応じて、所定の隙間Ｓが設けられるように、コイル１２ａの外径寸法を設定することができる。

レグ１２ｂは、コイル１２ａの両側の端部のそれぞれに設けられている。レグ１２ｂは、線状を呈し、コイル１２ａの端部から発光管１１の管軸に沿って延びている。

レグ１２ｂの端部は、封止部１１ａの内部において導電部１１ｂと電気的に接続されている。レグ１２ｂの端部の近傍は、導電部１１ｂと、レーザ溶接または抵抗溶接することができる。

反射膜１３は，膜状を呈し、発光管１１の内壁に設けることができる。反射膜１３は，外部電極２０と内部電極１２（コイル１２ａ）との間に設けることができる。反射膜１３は，発光管１１の内部空間で発生し、照射方向に向かわない紫外線を照射方向に向けて反射させる。反射膜１３が設けられていれば、紫外線の取り出し効率を向上させることができる。また、反射膜１３が設けられていれば、発光管１１の、紫外線が直接入射する領域を小さくすることができるので、後述する発光管１１の化学的な構造変化を抑制することができる。

図２に示すように、発光管１１の管軸に沿った方向から見た場合に、反射膜１３は，中心角θ１が１８０°〜３００°程度となる範囲に設けることができる。反射膜１３の管軸方向の長さＬ１は、コイル１２ａの長さＬ２以上とすることができる。この様にすれば、紫外線の取り出し効率を効果的に向上させることができる。

反射膜１３の厚みは、例えば１００μｍ〜３００μｍ程度とすることができる。この様にすれば、紫外線に対する良好な反射率を維持するのが容易となる。
反射膜１３は、例えば、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）を含むことができる。また、反射膜１３は、酸化アルミニウムなどの紫外線散乱性粒子を含む材料を用いて形成することもできる。

なお、反射膜１３は、必ずしも必要ではなく省くこともできる。ただし、前述したように、反射膜１３が設けられていれば、紫外線の取り出し効率を向上させることができ、且つ、後述する発光管１１の化学的な構造変化を抑制することができる。

ホルダ１４は、発光管１１の、管軸方向における両側の端部のそれぞれに設けられている。ホルダ１４は、発光管１１の端部を覆っている。ホルダ１４は、例えば、樹脂、セラミックスなどの無機材料から形成することができる。ホルダ１４は、例えば、ステアタイト（steatite）、酸化アルミニウムなどを含むことができる。ホルダ１４は、外部電極２０と接触させてもよいし、外部電極２０と離間させて設けられていてもよい。

リード線１５は、封止部１１ａから露出するアウターリード１１ｃの端部に電気的に接続することができる。リード線１５は、アウターリード１１ｃおよび導電部１１ｂを介して、内部電極１２と電気的に接続されている。リード線１５には、紫外線照射装置１００に設けられた点灯回路３を電気的に接続することができる（図５を参照）。なお、リード線１５は、図１に示すように、発光管１１の一方の端部側のみに設けることもできるし、発光管１１の両側の端部にそれぞれ設けることもできる。

外部電極２０は、発光管１１の外側に設けることができる。外部電極２０は、発光管１１の管軸に沿って延びている。反射膜１３が設けられる場合には、外部電極２０は、反射膜１３と対峙する位置に設けることができる。

外部電極２０の発光管１１側の面と、発光管１１との間の隙間を大きくし過ぎると、紫外線の取り出し効率が低下する場合がある。例えば、内部電極１２と外部電極２０との間でバリア放電が生じた際に、内部電極１２と外部電極２０との間の隙間に環境中の空気があると、硝化水素ガスが発生する。また、外部電極２０の表面において、環境中の水分が結露する場合がある。結露した水分に硝化水素ガスが溶け込むと、硝酸が生成される。硝酸が発光管１１の外面に接触すると、紫外線の透過性が低下する。バリア放電ランプ１を点灯させる度に、このような化学反応が繰り返し生じると、紫外線の取り出し効率が経時的に低下するおそれがある。

一方、外部電極２０の発光管１１側の面と、発光管１１との間の隙間を小さくし過ぎると、寸法公差やねじれなどにより、バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）を、外部電極２０に取り付けるのが困難となる。この場合、外部電極２０を無理やり広げて発光管１１を取り付けると、発光管１１に対して力が加えられることになり、発光管１１の寿命が短くなるおそれがある。

本発明者の得た知見によれば、発光管１１の半径をＲ１（ｍｍ）とし、外部電極２０の発光管１１側の面の曲率半径をＲ２（ｍｍ）とした場合に、「０．９３≦Ｒ１／Ｒ２≦０．９９」とすることが好ましい。この様にすれば、紫外線の取り出し効率が低下するのを抑制することができ、且つ、バリア放電ランプモジュール１０の取り付けを容易とすることができる。

また、図２に示すように、発光管１１の管軸に沿った方向から見た場合に、外部電極２０の発光管１１側の面の中心角θ２が３０°よりも小さくなると、外部電極２０と内部電極１２とが対峙する領域が小さくなり過ぎて、紫外線の発生量が少なくなるおそれがある。一方、中心角θ２が１９０°よりも大きくなると、発光管１１の内部空間において発生した紫外線が外部電極２０に吸収されやすくなるので、紫外線の取り出し効率が低下するおそれがある。

本発明者の得た知見によれば、中心角θ２が３０°〜１９０°程度となるようにすることが好ましい。この様にすれば、必要となる紫外線の発生量を確保することができ、且つ、紫外線の取り出し効率が低下するのを抑制することができる。

外部電極２０は、金属などの導電性材料を含むことができる。外部電極２０は、例えば、ステンレス、アルミニウムなどを用いて形成することができる。ここで、バリア放電ランプ１を点灯させると、紫外線とともに熱が発生する。そのため、外部電極２０が金属などの熱伝導率の高い材料から生成されていれば、外部電極２０を放熱部として用いることもできる。

バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）を、外部電極２０に取り付ける方向は、中心角θ２に応じて変えることができる。例えば、中心角θ２が１８０°以下の場合には、バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）を、Ｚ方向またはＹ方向から取り付けることができる。中心角θ２が１８０°を越える場合には、バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）を、Ｙ方向から取り付けることができる。

なお、バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）が、外部電極２０から取り外せる場合を例示したが、外部電極２０が発光管１１の外面に固定されて入れもよい。この場合、外部電極２０に比べて、発光管１１、内部電極１２、および反射膜１３などの方が消耗し易い。そのため、バリア放電ランプモジュール１０（発光管１１）が、外部電極２０から取り外せるようにすることが好ましい。この様にすれば、メンテナンス性の向上やランニングコストの低減を図ることができる。

ここで、バリア放電ランプ１を点灯させると、発光管１１の内部空間において紫外線が発生する。発生した紫外線は、発光管１１を介して外部に照射される。そのため、発光管１１は、例えば、ピーク波長が２００ｎｍ以下の紫外線の透過率が高い材料から形成される。発光管１１は、紫外線を透過しＳｉＯ_２を含む材料から形成することができる。発光管１１は、例えば、合成石英ガラスから形成することができる。ところが、ピーク波長が２００ｎｍ以下（例えば、ピーク波長が１７２ｎｍ）の紫外線がＳｉＯ_２を含む材料に入射すると、経時的に、材料の化学的な構造が変化する場合がある。例えば、ＳｉＯ_２に紫外線が入射すると、ＳｉとＯの結合が切れる場合がある。そのため、バリア放電ランプ１を長時間点灯させると、発光管１１の材料の化学的な構造に欠陥が生じて、紫外線の透過率の急激な低下、ひいては、照射される紫外線の量が急激に低下するおそれがある。

本発明者の得た知見によれば、ＳｉＯ_２を含む材料に含まれるＯＨ基の量を多くすれば、紫外線の入射により、ＳｉとＯの結合が切れたとしても、化学的な構造の欠陥を修復できる。

図３は、ＯＨ基の含有量と照度維持率との関係を例示するためのグラフである。
図３から分かるように、ＯＨ基の含有量を８００ｐｐｍ以上とすれば、初期照度を長時間維持することが可能となる。このことは、ＯＨ基の含有量を８００ｐｐｍ以上とすれば、発光管１１における紫外線の透過率の低下を抑制できることを意味する。

また、本発明者の得た他の知見によれば、ＯＨ基の含有量を多くし過ぎると、初期照度が低下することが判明した。
図４は、ＯＨ基の含有量と初期照度との関係を例示するためのグラフである。
図４から分かるように、ＯＨ基の含有量が２０００ｐｐｍを越えると初期照度が著しく減少する。このことは、ＯＨ基の含有量を多くし過ぎると、発光管１１の当初の紫外線の透過率が低下することを意味する。
そのため、ＯＨ基の含有量を２０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

以上に説明した様に、発光管１１がＳｉＯ_２を含む材料（例えば、合成石英ガラス）を含む場合には、材料に含まれるＯＨ基の量を、８００ｐｐｍ以上、２０００ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。この様にすれば、発光管１１における紫外線の透過率を長期間維持することができ、且つ、発光管１１の当初の紫外線の透過率を大きくすることができる。

（紫外線照射装置１００）
次に、本実施の形態に係る紫外線照射装置１００について例示する。
なお、以下においては、前述したバリア放電ランプ１が２つ設けられる場合を例示するが、バリア放電ランプ１の数は、用途や照射対象物の大きさなどに応じて適宜変更することができる。すなわち、バリア放電ランプ１は、少なくとも１つ設けられていればよい。

図５は、紫外線照射装置１００の構成を例示するための模式図である。
図５に示すように、紫外線照射装置１００には、バリア放電ランプ１、冷却部２、点灯回路３、およびケース４を設けることができる。

冷却部２は、外部電極２０を挟んで、発光管１１と対峙させることができる（図２を参照）。冷却部２の外部電極２０側の面は、外部電極２０に密着させることができる。冷却部２は、熱伝導率の高い材料から形成することができる。冷却部２は、例えば、アルミニウムやステンレスなどの金属から形成することができる。また、冷却部２の内部に冷媒を流す流路を設け、放熱性をさらに高めてもよい。冷却部２は、外部電極２０と一体化してもよい。また、必要に応じて、冷却部２と外部電極２０との間を絶縁してもよい。また、冷却部２は、ホルダ１４を保持することもできる。

点灯回路３は、内部電極１２と外部電極２０とに電気的に接続することができる。点灯回路３は、交流電源からの電力を、高電圧かつ高周波（例えば、周波数が３７ｋＨｚの正弦波）の電力に変換するインバータを有することができる。例えば、点灯回路３は、２．４ｋＷ程度のランプ電力で、バリア放電ランプ１を点灯させることができる。

ケース４は、箱状を呈し、内部に、バリア放電ランプ１、冷却部２、および点灯回路３を収納することができる。ケース４の一方の面には開口４ａが設けられ、バリア放電ランプ１から出射した紫外線が外部に照射されるようになっている。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１バリア放電ランプ、３点灯回路、１０バリア放電ランプモジュール、１１発光管、１２内部電極、１２ａコイル、１３反射膜、２０外部電極、１００紫外線照射装置

Claims

筒状を呈し、内部空間にガスが封入された発光管と；
前記内部空間に設けられたコイルを有する内部電極と；
を具備し、
前記発光管は、紫外線を透過しＳｉＯ_２を含む材料を含み、前記材料の、ＯＨ基の含有量が８００ｐｐｍ以上、２０００ｐｐｍ以下であるバリア放電ランプモジュール。
前記材料は合成石英ガラスであり、前記ガスはキセノンを含んでいる請求項１記載のバリア放電ランプモジュール。
前記発光管の内壁に設けられ、前記紫外線を反射する反射膜をさらに備えた請求項１または２に記載のバリア放電ランプモジュール。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のバリア放電ランプモジュールと；
前記バリア放電ランプモジュールに設けられた発光管の外側に設けられた外部電極と；
を具備したバリア放電ランプ。
請求項４記載のバリア放電ランプと；
前記バリア放電ランプに設けたれた内部電極と、外部電極と、に電気的に接続された点灯回路と；
を具備した紫外線照射装置。