JP2022114093A - 低圧紫外線ランプユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、最冷部が形成される位置がばらつくのを抑制することができる低圧紫外線ランプユニットを提供することである。【解決手段】実施形態に係る低圧紫外線ランプユニットは、希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有する発光管と；前記発光管の両側の端部のそれぞれに設けられた電極と；前記発光管の外面に設けられ、前記電極の、前記発光管の端部側とは反対側に位置する帯状の接続部と；前記接続部を介して、前記発光管と接触するブロックと；を具備している。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、低圧紫外線ランプユニットに関する。

紫外線を照射するランプの一種に低圧紫外線ランプがある。例えば、半導体デバイスの製造に用いられる超純水の生成、有機材料の表面改質や洗浄などには、いわゆる低圧水銀ランプが用いられている。
低圧水銀ランプを点灯すると、発光管の内部に封入されている水銀の一部が点灯による熱で蒸気化する。蒸気化した水銀に電子が衝突すると、波長が２５４ｎｍの紫外線が発生する。この場合、水銀の蒸気圧が低すぎると紫外線の照度が不足し、水銀の蒸気圧が高すぎると発生した紫外線が水銀に吸収されて紫外線の照度が減衰する。

水銀の蒸気圧は、発光管の温度の影響を受ける。また、発光管の点灯中に最も温度が低くなる箇所（最冷部）には、水銀が凝集する。そのため、発光管の最冷部の温度を制御すれば、水銀の蒸気圧、ひいては紫外線の照度が適切な範囲となるようにすることができる。

例えば、発光管の端部に金属ブロックを取り付けて最冷部を形成し、金属ブロックを冷却することで最冷部の温度を制御することができる。ところが、発光管と金属ブロックの接触位置や、発光管を金属ブロックに固定する固定具の締め付け具合などによって、最冷部が形成される位置が、金属ブロックの取付範囲内でばらつく場合がある。最冷部が形成される位置がばらつくと、最冷部と、熱源である電極や陽光柱との間の距離がばらついて、適切な最冷部の温度、ひいては適切な紫外線の照度が得られなくなるおそれがある。
そこで、最冷部が形成される位置がばらつくのを抑制することができる低圧紫外線ランプユニットの開発が望まれていた。

特開平７－２４０１７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、最冷部が形成される位置がばらつくのを抑制することができる低圧紫外線ランプユニットを提供することである。

実施形態に係る低圧紫外線ランプユニットは、希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有する発光管と；前記発光管の両側の端部のそれぞれに設けられた電極と；前記発光管の外面に設けられ、前記電極の、前記発光管の端部側とは反対側に位置する帯状の接続部と；前記接続部を介して、前記発光管と接触するブロックと；を具備している。

本発明の実施形態によれば、最冷部が形成される位置がばらつくのを抑制することができる低圧紫外線ランプユニットを提供することができる。

本実施の形態に係る低圧紫外線ランプユニットを例示するための模式図である。 図１における低圧紫外線ランプユニットのＡ－Ａ線方向の模式断面拡大図である。 ランプの模式断面図である。 主電極を例示するための模式図である。 ブロックと、主電極との位置関係、および、接続部と、主電極との位置関係を例示するための模式図である。 接続部の幅Ｗ（ｍｍ）と紫外線の照度との関係を例示するための表である。

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。
図１は、本実施の形態に係る低圧紫外線ランプユニット１を例示するための模式図である。
図２は、図１における低圧紫外線ランプユニット１のＡ－Ａ線方向の模式断面拡大図である。
図３は、ランプ２の模式断面図である。

図１および図２に示すように、低圧紫外線ランプユニット１は、例えば、ランプ２、ブロック３、温度制御部４、固定部５、および接続部６を有する。
図３に示すように、ランプ２は、例えば、発光管２０、および電極２１を有する。
発光管２０は、例えば、略Ｕ字状を呈する円筒管とすることができる。発光管２０は、紫外線を透過する材料から形成することができる。発光管２０は、例えば、石英ガラスから形成することができる。発光管２０の大きさは、ランプ２の用途などに応じて適宜変更することができる。例えば、発光管２０の外径（管径）は３０ｍｍ程度、内径は２８ｍｍ程度、発光長（発光管２０の一方の端部から、他方の端部までの距離）は５００ｍｍ程度とすることができる。

発光管２０の内部空間は、放電空間となる。放電空間には、ガスと、水銀とを封入することができる。
ガスは、希ガスとすることができる。希ガスは、例えば、アルゴン、クリプトン、キセノンなどとすることができる。この場合、ガスは、１種類の希ガスとすることもできるし、２種類以上の希ガスの混合ガスとすることもできる。また、ガスは、ヨウ化水銀などのハロゲンをさらに含むこともできる。放電空間における２５℃のガスの圧力（封入圧力）は、例えば、１０Ｐａ～５ｋＰａ程度とすることができる。すなわち、ランプ２は、低圧紫外線ランプである。なお、放電空間における２５℃のガスの圧力（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。

ランプ２を点灯させると、電極２１において熱が発生するので、放電空間に封入された水銀の一部が、水銀蒸気となる。水銀の封入量は、例えば、１ｍｇ～１０００ｍｇ程度とすることができる。
また、放電空間には、紫外線を発生させたり、寿命を延ばしたりすための金属（例えば、鉄、スズ、インジウム、ビスマス、タリウム、マンガンなど）をさらに含めることもできる。すなわち、ランプ２は、水銀、金属、ハロゲンを含むメタルハライドランプなどとしてもよい。

電極２１は、一対設けることができる。電極２１は、発光管２０の両側の端部のそれぞれに設けられている。
一対の電極２１のそれぞれは、例えば、主電極２１ａ、補助電極２１ｂ、ステム２１ｃ、３つのアウターリード２１ｄを有する。

図４は、主電極２１ａを例示するための模式図である。
図４に示すように、主電極２１ａは、例えば、フィラメントコイル２１ａ１、２つのリード２１ａ２、および絶縁部２１ａ３を有する。

フィラメントコイル２１ａ１は、発光管２０の内部（放電空間）に設けられている。フィラメントコイル２１ａ１は、例えば、線状部材を螺旋状に巻いたものとすることができる。線状部材は、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含むことができる。なお、フィラメントコイル２１ａ１は、線状部材を巻回したコイルを二重巻にした、いわゆるダブルフィラメントコイルとすることもできるし、三重巻にした、いわゆるトリプルフィラメントコイルとすることもできる。

一方のリード２１ａ２は、フィラメントコイル２１ａ１の一方の端部と、１つのアウターリード２１ｄとを電気的に接続する。他方のリード２１ａ２は、フィラメントコイル２１ａ１の他方の端部と、他のアウターリード２１ｄとを電気的に接続する。リード２１ａ２は、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含む線状部材とすることができる。

絶縁部２１ａ３は、筒状を呈し、絶縁性材料から形成されている。絶縁部２１ａ３は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。絶縁部２１ａ３は、フィラメントコイル２１ａ１の内部を挿通している。リード２１ａ２は、絶縁部２１ａ３の内部を挿通している。そのため、フィラメントコイル２１ａ１の内部を挿通するリード２１ａ２と、フィラメントコイル２１ａ１とが短絡するのを抑制することができる。

補助電極２１ｂは、発光管２０の内部（放電空間）に設けられている。補助電極２１ｂは、フィラメントコイル２１ａ１の、アウターリード２１ｄ側とは反対側に設けられている。補助電極２１ｂは、主電極２１ａと離隔させて設けることができる。補助電極２１ｂには、主電極２１ａに接続されていないアウターリード２１ｄが電気的に接続されている。補助電極２１ｂは、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含むことができる。

本実施の形態に係るランプ２においては、発光管２０の一方の端部側に設けられた補助電極２１ｂと、発光管２０の他方の端部側に設けられた主電極２１ａとの間に放電が発生する。また、発光管２０の他方の端部側に設けられた補助電極２１ｂと、発光管２０の一方の端部側に設けられた主電極２１ａとの間に放電が発生する。この場合、ランプ２においては、補助電極２１ｂと主電極２１ａとの間に、交互に放電が発生する。例えば、ある時点においては、発光管２０の一方の端部側に設けられた補助電極２１ｂと、発光管２０の他方の端部側に設けられた主電極２１ａとの間に放電が発生し、他の時点においては、発光管２０の他方の端部側に設けられた補助電極２１ｂと、発光管２０の一方の端部側に設けられた主電極２１ａとの間に放電が発生する。
この様な放電により発生した電子が、水銀原子と衝突すると、水銀原子が電子のエネルギーを受けて、ピーク波長が２５４ｎｍ程度の紫外線が発生する。発生した紫外線は、発光管２０の外部に照射される。

ステム２１ｃは、発光管２０の両側の端部のそれぞれに設けられている。ステム２１ｃは、発光管２０の内部（放電空間）に設けられ、一方の端部が発光管２０に溶着されている。ステム２１ｃの内部には、３つのアウターリード２１ｄが封止されている。ステム２１ｃは、主電極２１ａおよび補助電極２１ｂを保持するとともに、発光管２０の内部（放電空間）を気密となるように封止する。ステム２１ｃは、例えば、石英ガラスを含むことができる。

アウターリード２１ｄの、主電極２１ａ側とは反対側の端部、および補助電極２１ｂ側とは反対側の端部は、発光管２０の外部に露出している。アウターリード２１ｄの、発光管２０の外部に露出している端部には、例えば、ランプ２の外部に設けられた電源などが電気的に接続される。また、アウターリード２１ｄの、発光管２０の外部に露出している端部には、端子、コネクタ、口金などをさらに設けることもできる。アウターリード２１ｄは、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含む線状部材とすることができる。

図１に示すように、ブロック３は、発光管２０の端部の近傍に設けられている。図２に示すように、ブロック３は、例えば、板状を呈し、一方の面に開口する凹部３ａを有する。凹部３ａに内部には、発光管２０の端部の近傍が設けられている。ブロック３は、接続部６を介して、発光管２０と接触している。例えば、発光管２０の外面の一部は、接続部６を介して、凹部３ａの側面および底面に接触している。

ブロック３は、ランプ２（発光管２０の端部）を保持するとともに、ランプ２において発生した熱を温度制御部４に伝える。そのため、ブロック３は、金属などの熱伝導率の高い材料から形成することができる。ブロック３は、例えば、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金などから形成することができる。

温度制御部４は、ブロック３の、ランプ２が設けられる側とは反対側に設けられている。温度制御部４は、ブロック３の温度、ひいては後述する最冷部の温度を制御する。温度制御部４は、金属などの熱伝導率の高い材料から形成することができる。温度制御部４は、例えば、ステンレス、アルミニウム合金、銅合金などから形成することができる。

また、図２に示すように、温度制御部４の内部には、冷媒を流すための孔４ａを設けることができる。温度制御部４の内部に冷媒を流せば、ブロック３の温度、ひいては後述する最冷部の温度を制御するのが容易となる。例えば、冷媒の流量、流速、温度などを制御することで、ブロック３の温度、ひいては後述する最冷部の温度を制御することができる。冷媒の種類には特に限定がない。例えば、冷媒は、水などとすることができる。
なお、ブロック３と温度制御部４が別々に設けられる場合を例示したが、ブロック３と温度制御部４を一体に設けることもできる。

固定部５は、ブロック３と協働して、ランプ２（発光管２０の端部）を保持する。例えば、固定部５とブロック３との間に、ランプ２（発光管２０の端部）を挟み込むことができる。固定部５は、例えば、金属バンドなどとすることができる。固定部５は、例えば、ネジなどの締結部材を用いて、ブロック３に固定することができる。

ここで、一般的に、低圧紫外線ランプには最冷部が設けられている。最冷部は、ランプ２の点灯中に最も温度が低くなる発光管２０の部分である。最冷部が設けられていれば、水銀の蒸気の一部を凝縮して水銀にすることができる。
低圧紫外線ランプユニット１には、ブロック３が設けられているので、発光管２０の、ブロック３に設けられる部分が最冷部となる。

ここで、水銀の蒸気圧が低すぎると紫外線の照度が不足し、水銀の蒸気圧が高すぎると発生した紫外線が水銀に吸収されて紫外線の照度が減衰する。前述したように、温度制御部４により、ブロック３の温度、ひいては最冷部の温度を制御することができる。最冷部の温度を制御することができれば、水銀の蒸気圧、ひいては紫外線の照度が適切な範囲となるようにすることができる。

図５は、ブロック３と、主電極２１ａ（フィラメントコイル２１ａ１）との位置関係、および、後述する接続部６（最冷部）と、主電極２１ａ（フィラメントコイル２１ａ１）との位置関係を例示するための模式図である。
図５に示すように、発光管２０が延びる方向に直交する方向から見て、ブロック３のフィラメントコイル２１ａ１側の辺は、例えば、フィラメントコイル２１ａ１の、発光管２０の端部側とは反対側の端面に重なる様にすることができる。

前述したように、温度制御部４により、ブロック３の温度、ひいては最冷部の温度を制御することすることができる。
そのため、フィラメントコイル２１ａ１の近傍に、温度制御が可能なブロック３が設けられていれば、フィラメントコイル２１ａ１の近傍において、ブロック３（温度制御部４）による温度制御により、水銀蒸気を凝縮することができる。

また、フィラメントコイル２１ａ１の近傍に凝縮された水銀が有れば、フィラメントコイル２１ａ１において発生した熱が水銀に伝わり易くなる。そのため、フィラメントコイル２１ａ１の近傍において、ブロック３（温度制御部４）による温度制御により、水銀を再度水銀蒸気にするのが容易となる。

ここで、発光管２０とブロック３の接触位置や、発光管２０をブロック３に固定する固定部５の締め付け具合などによって、最冷部の位置が、ブロック３の取付範囲内でばらつく場合がある。最冷部の位置がばらつくと、最冷部と、熱源であるフィラメントコイル２１ａ１との間の距離がばらついて、適切な最冷部の温度、ひいては適切な紫外線の照度が得られなくなるおそれがある。

そこで、低圧紫外線ランプユニット１には、接続部６が設けられている。
図１、図２、および図５に示すように、接続部６は、帯状を呈し、発光管２０の外面に設けられている。接続部６は、電極２１の、発光管２０の端部側とは反対側に位置している。
接続部６は、発光管２０とブロック３を密着させ、発光管２０とブロック３の間の熱伝導をより確実にするために設けられている。そのため、接続部６は、例えば、厚みの薄い金属箔などから形成することができる。

接続部６の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下とすることができる。この様な厚みを有する接続部６であれば、接続部６を介して、発光管２０とブロック３を密着させることができる。そのため、発光管２０において発生した熱をブロック３に伝えるのが容易となる。
接続部６の材料は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、金などの熱伝導率の高い金属とすることができる。接続部６が、熱伝導率の高い金属から形成されていれば、発光管２０において発生した熱をブロック３に伝えるのが容易となる。
以上に説明した様に、接続部６が設けられていれば、発光管２０の、接続部６が設けられた部分が最冷部となる。

この場合、接続部６は、例えば、発光管２０の外面に巻き付けることができるので、所望の位置に最冷部を設けたり、最冷部が形成される位置がばらつくのを抑制したりすることができる。

また、図５に示すように、最冷部となる接続部６と、発熱部となる主電極２１ａ（フィラメントコイル２１ａ１）との間の距離が小さすぎると、水銀蒸気が凝縮し難くなる。最冷部となる接続部６と、発熱部となる主電極２１ａ（フィラメントコイル２１ａ１）との間の距離が大きすぎると、水銀を再度水銀蒸気し難くなる。

本発明者の得た知見によれば、発光管２０が延びる方向に直交する方向から見て、ブロック３のフィラメントコイル２１ａ１側の辺を、フィラメントコイル２１ａ１の、発光管２０の端部側とは反対側の端面と重なる様にした場合に、接続部６と、ブロック３のフィラメントコイル２１ａ１側の辺と、の間の距離Ｌ（ｍｍ）は、２０ｍｍ≦Ｌ（ｍｍ）≦４０ｍｍとすることが好ましい。この様にすれば、水銀蒸気の凝縮と、水銀の蒸気化とを効率的に行うことができる。

ここで、最冷部となる接続部６の幅Ｗ（ｍｍ）を大きくし過ぎると、水銀蒸気の凝縮量が多くなり過ぎて水銀の蒸気圧が低くなり、発生する紫外線の照度のばらつきが大きくなる。最冷部となる接続部６の幅Ｗ（ｍｍ）を小さくし過ぎると、水銀の蒸発量が多くなり過ぎて水銀の蒸気圧が高くなり、発生した紫外線が水銀に吸収され易くなる。
なお、接続部６の幅Ｗ（ｍｍ）は、巻き付け方向に直交する方向における接続部６の長さである。

図６は、接続部６の幅Ｗ（ｍｍ）と紫外線の照度との関係を例示するための表である。 この場合、発光管２０は、略Ｕ字状を呈し、外径を３０ｍｍ、発光長を５００ｍｍ、材料を合成石英ガラスとした。また、ランプ電圧は１２０Ｖ、ランプ電流は４．５Ａ、ランプ電力は５００Ｗとした。放電空間には、キセノンなどの希ガスと水銀を封入し、封入圧力は１００Ｐａとした。

ブロック３の幅Ｗ１（ｍｍ）は、５０ｍｍとした。ブロック３の材料はステンレスとした。発光管２０が延びる方向に直交する方向から見て、ブロック３のフィラメントコイル２１ａ１側の辺は、フィラメントコイル２１ａ１の、発光管２０の端部側とは反対側の端面に重なる様にした。

温度制御部４の孔４ａには、２０℃の水を流した。
接続部６と、ブロック３の、フィラメントコイル２１ａ１側の辺との間の距離Ｌ（ｍｍ）は、３０ｍｍとした。接続部６の厚みは、０．０５ｍｍとした。接続部６の材料はアルミニウムとした。

図６から分かるように、接続部６の幅Ｗ（ｍｍ）が、「１０ｍｍ≦Ｗ（ｍｍ）≦３０ｍｍ」となるようにすれば、紫外線の照度のばらつきを抑制することができる。また、「１０ｍｍ≦Ｗ（ｍｍ）≦２０ｍｍ」となるようにすれば、紫外線の照度のばらつきをさらに抑制することができる。

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 低圧紫外線ランプユニット、２ ランプ、３ ブロック、４ 温度制御部、５ 固定部、６ 接続部、２０ 発光管、２１ 電極、２１ａ 主電極、２１ａ１ フィラメントコイル

Claims (3)

1. 希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有する発光管と；
   前記発光管の両側の端部のそれぞれに設けられた電極と；
   前記発光管の外面に設けられ、前記電極の、前記発光管の端部側とは反対側に位置する帯状の接続部と；
   前記接続部を介して、前記発光管と接触するブロックと；
   を具備した低圧紫外線ランプユニット。
2. 前記接続部は、前記発光管の外面に巻き付けられている請求項１記載の低圧紫外線ランプユニット。
3. 前記接続部の幅をＷ（ｍｍ）とした場合に、以下の式を満足する請求項１または２に記載の低圧紫外線ランプユニット。
   １０ｍｍ≦Ｗ（ｍｍ）≦３０ｍｍ

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