JP4305298B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

この発明は、誘電体材料を介在させて放電してエキシマ発光するエキシマランプに関するものであり、特に、放電空間内に内部電極を有するエキシマランプに係わるものである。

この発明に関連した技術としては、例えば、特開平２−７３５３号があり、そこには、放電容器にエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填し、誘電体を介して放電することにより放電容器内の放電用ガスにエキシマ分子を生成せしめ、このエキシマ分子から放射される紫外光を取り出すエキシマランプが開示されている。

このエキシマランプは、従来の低圧水銀放電ランプや高圧放電ランプにはない、単一波長の紫外光を強く放射するなどの特徴を有することも知られている。エキシマランプを使った発光装置としては、上記公報以外にも、例えば、特許第２８５４２５５号、特開２００２−１６８９９９号等に開示されている。

上記特許第２８５４２５５号、特開２００２−１６８９９９号に開示されたエキシマランプ（誘電体バリア放電ランプ）は、円筒状内側管の外側に同じく円筒状外側管が同軸的に配置された二重円筒型の構造をしており、外側管の外面に外側電極が配置され、内側管の内部に内部電極が配置されて、外側管と内側管の間に形成される空間を放電空間とするものである。

図７に上記従来のエキシマランプの概略構成を示す。（ａ）は全体の横断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。
エキシマランプ６０は全体形状が円筒状であり合成石英ガラスから構成される。放電ランプ６０は外側管６１と内側管６２が同軸に配置して二重円筒管を構成するとともに、両端を閉じたことから外側管６１と内側管６２の間に放電空間Ｓが形成される。放電空間Ｓには誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成するとともに、このエキシマ分子から真空紫外光を放射する放電用ガス、例えばキセノンガスが封入される。
外側管６１の外面には一方の電極である網状外側電極６３が設けられ、内側管６２の内部に他方の電極である内部電極６４が設けられる。
外側電極６３と内部電極６４の間には、図示略の交流電源が接続され、これにより放電空間にエキシマ分子が形成されて紫外光を発光する。放電用ガスは、発光波長に応じて選択されるが、例えば、キセノンガスを使った場合は波長１７２ｎｍの光を放射する。

ところで、この構造のエキシマランプには、（１）内側管、外側管という２つの石英ガラス管を二重円筒型とするので放電容器全体が大きくなり、また、内側管は端部で溶着支持されているため重力の影響を受けて破損しやすい、（２）２つの石英ガラス管を両端部で接合させるための製造工程が必要となり、この製造工程は複雑かつ煩雑である、（３）内側管は冷却可能な外側管に比べて高温となり、熱膨張による大きな負荷がかかり、特に、外側管との接合部に応力が集中して破損しやすく、ランプが長尺化するほどその影響は深刻である、という問題がある。

また、二重円筒型ではなく、例えば、特許３５０６０５５号に示されるように、内部電極が放電空間内に延在する構造を有したエキシマランプも存在する。この構造は放電容器が１つの円筒体からなり、二重円筒型のものにおける内側管に相当するものが存在しないため、上記問題点のいくつかは解決できる。
しかしながら、該構造のエキシマランプにおいては、内部電極が放電空間内に露出しており電極が放電空間に直接作用するため、（１）電極から生成される放電の空間分布が不均一になりやすい、（２）電極への給電極性に留意しないとアーク状の放電が生成されてしまいエキシマ光が効率良く生成されない、（３）アーク状の放電が形成されると、その部分が赤熱して電極が焼き切れる、（４）内電極金属がスパッタして、放電容器の光取り出し部を汚染する、等の別の問題がある。
特開平２−７３５３号 特許第２８５４２５５号 特開２００２−１６８９９９号 特許第３５０６０５５号

この発明が解決しようとする課題は、ニ重円筒型エキシマランプのもつ構造の複雑さをなくし、放電空間内に内部電極が直接露出した構造のエキシマランプのもつ放電の不具合などをなくした、放電空間内の内部電極を端部が開放された誘電体によって覆った新規の構造を有するエキシマランプを提供することにある。

この発明は、放電用ガスが封入された放電容器と、該放電容器の内部に長手方向に延在し放電容器の端部において気密に封止された内部電極と、放電容器の外面に配置された外側電極とからなるエキシマランプにおいて、前記内部電極は、少なくとも外側電極との間で放電を行う部位の外表面が、少なくとも一端が放電空間内で開放された誘電体材料からなる内側管によって覆われるとともに、該内側管は対応する外側電極の端部を長手方向に超えて延在し、その端部には、前記内側管から突出した内部電極と外側電極との間での不所望の沿面放電を防止する沿面放電防止手段を有することを特徴とする。

また、前記沿面放電防止手段が、沿面距離延長手段であることを特徴とする。
更には、前記沿面放電防止手段が、内側管の端部近傍の外表面に蓄積される電荷を減少させる電荷減少手段であることを特徴とする。

本発明のエキシマランプは、内部電極の外周に誘電体材料からなる内側管が設けられているので、内部電極と外側電極との間に２つの誘電体が介在していることになるため、放電空間に放電が均一に形成されやすい。また、給電極性に関わらずアーク状放電が生成されることがないので、エキシマ光の生成効率が高い上に、電極が焼き切れるという不具合を生じることがない。
加えて、内側管の端部に沿面放電防止手段が設けられているので、前記内側管から突出した内部電極と外側電極との間での不所望の沿面放電が防止され、内側管内の内部電極と外側電極との間での安定した放電が得られる。

以下、図１〜６を用いて本発明のエキシマランプの実施例について説明する。

図１（ａ）は、本発明のエキシマランプを長手方向に切断して得た側断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の横断面、図２はその要部Ａの拡大図である。
エキシマランプ１は、誘電体材料、例えば、合成石英ガラスからなる放電容器２を有し、該放電容器２は全体が管状の発光部２１と、その両端の発光部２１を気密に封止する封止部２２とを備え、その発光部２１内には発光空間Ｓが形成されており、放電ガスが充填されている。
放電容器２の内部には、コイル状の内部電極３が放電容器２の管軸Ｘに沿うように配置され、放電容器２の外表面には外側電極４が配設されている。内部電極３の両端の内部リード６は、ピンチシールされた封止部２２に埋設された金属箔７の一端にそれぞれ接続されており、該金属箔７の他端には封止部２２から外方に延在するように外部リード８が接続されている。

内部電極３の外周には、これを覆うように誘電体材料からなる内側管５が設けられている。該内側管５は放電空間Ｓ内でその両端が開放されており、少なくとも、内部電極３の前記外側電極４との間で放電を行う部位に覆われており、軸方向で外側電極４を超えて延在している。
該内側管５は、図示しない支持体により発光部２１に支持されるものでもよいし、または、同様に図示しない支持体により内部電極３に支持されるものであってもよい。
そして、発光部２１の内部に形成される放電空間Ｓには、誘電体材料を介在する放電によってエキシマ分子を形成するための放電用ガスとして、例えばキセノンガスが封入されている。

なお、内部電極３はコイル状のものを示したが、これに限られず、ロッド状、棒状のものであってもよい。ただ、内部電極３としてコイル状電極を採用すると、軸方向での膨張に対してバッファ機能があり、石英ガラスからなる放電容器２との熱膨張差を吸収して、封止部２２におけるクラックの発生を防止できるという利点がある。
また、外側電極４についても、図示の例では、半円筒体形状で例示されているが、これに限られず、円筒状の透光性電極、例えば、網状電極などであってもよいことは勿論である。
また、封止部２２の構造は、ピンチシールに限定されるものではなく、その他の箔シール、即ち、シュリンクシール構造でもよいし、いわゆる段継ぎシールを採用することもできる。段継ぎシールの利点は、ガラスと電極の接合性が良くなることであり、封止部におけるガス漏れやクラックの発生をより確実に防止できる。

図２に詳細が示されているように、内側管５の端部近傍には、ラッパ上に漸次その径が拡大する拡径部５１が形成されている。該拡径部５１は沿面放電防止手段として機能するものであり、外側電極４の端部から内部電極３に至る沿面距離を大きくするためのものである。それ故、その拡径部５１は外側電極４を超えて延在して封止部２２側に設けられるが、その設ける位置や大きさは、外側電極４と、内部電極３の内側管５に覆われない部位３１との間で不所望の沿面放電が発生しないように選択される。
図示の例では、沿面距離Ｌは、発光部２１の内周面において外側電極４の端部Ｅに相当する位置Ａから内側管５のＥに相当する位置Ｂに至るまでの距離Ｌ１と、Ｂから拡径部５１の端部Ｃに至るまでの拡径部５１の外表面に沿った距離Ｌ２と、Ｃから内部電極３への最短距離の位置Ｄに至るまでの距離Ｌ３の合計（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）になる。従って、全長が同じであり拡径部を有しない構造のものに比して、ＣからＤに至るまでの距離Ｌ３分が加算されていることにより沿面距離を伸ばすことができる。
なお、前記拡径部５１は、図示のラッパ状に限られず、テーパー状や階段状の拡径部であっても良く、要は、直管状のものに比して距離が加算される構造であればその他の構造であっても良い。

内部電極３と外側電極４には図示略の高周波電源が接続され、両電極間で誘電体材料である放電容器２及び内側管５を介在させて誘電体バリア放電が発生し、エキシマ発光が生じる。

本発明のエキシマランプにおいては、内側管５が封止部２２まで伸びて、封止部２２に埋設されることは好ましくない。内側管５が封止部２２に埋設されていると、背景技術で説明した二重円筒型構造のエキシマランプと同様の問題を生じるからである。

以上のように、図１、２に示す構造のエキシマランプによると、内側管の端部に拡径部が形成されていることが最大の特徴であり、その利点を以下に説明する。
本発明のエキシマランプは、内側管が上記のような理由により封止部には埋設されておらず、内部電極の端部付近が内側管に覆われることなく放電用ガスに直接曝される構造である。このため、外側電極の端部と内部電極の内側管に覆われていない部位との間に距離（沿面距離という）を十分に確保しないと、両者の間で不所望な沿面放電が生じてしまい、これにより、内外電極間での放電の安定性が失われる、という不具合が生じる。このような沿面放電は、詳細には、内側管から突出した内部電極に向かって内側管の外側電極の端部に対応する箇所から発生するものと考えられる。
これを防止すべく沿面距離を十分にとるために、単に内側管の長さを外側電極に対して大きくしようとすると、内側管に覆われた内部電極と外側電極との間の有効な放電形成部分の長さに比べて放電容器の全長が長くなってしまい、換言すれば、ランプ全長に対して放電形成部分の占める割合が少なくなるため好ましくない。
これに対し、内側管５の端部に拡径部５１を形成した本発明のエキシマランプの構造によると、拡径部５１の存在により沿面距離が伸びることになるため、放電形成部分を過剰に短くすることなく十分な沿面距離を確保することができ、不所望な沿面放電の発生を確実に防止することができる。

図１に示すエキシマランプ１の数値例を以下に示す。
放電容器２は、全長（封止部２２を含む）が２２０ｍｍ〜２８２０ｍｍであって、例えば１６２０ｍｍであり、発光部２１の全長が１００ｍｍ〜２７００ｍｍであって、例えば１５００ｍｍであり、外径が１０ｍｍ〜５０ｍｍであって、例えば１６ｍｍであり、内径が８ｍｍ〜４８ｍｍであって、例えば１４ｍｍである。
内部電極３は、全長が１９０ｍｍ〜２７９０ｍｍであって、例えば１５９０ｍｍであり、外径が１ｍｍ〜４０ｍｍであって、例えば３ｍｍであり、ピッチが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであって、例えば２ｍｍである。
内側管５は、全長が１７０ｍｍ〜２７７０ｍｍであって、例えば１５７０ｍｍであり、外径が２ｍｍ〜４２ｍｍであって、例えば４ｍｍであり、内径が１ｍｍ〜４０ｍｍであって、例えば３ｍｍである。拡径部５１の最大外径は、４ｍｍ〜４６ｍｍであって、例えば１２ｍｍである。その他、外側電極４の全長が１００ｍｍ〜２７００ｍｍであって、例えば１５００ｍｍである。
沿面距離Ｌは、３ｍｍ〜１５０ｍｍであって、例えば８０ｍｍである。

図３は、他の沿面距離延長手段を示すものであり、図において、外側電極４端よりも外方に位置する内側管５の端部近傍に、非導電性材料からなる仕切板１０を設けたものである。該仕切板１０は、石英ガラスやセラミックスなどの非導電性材料からなる別部材を内側管５に溶着してもいし、内側管５自体を膨出させて形成してもよい。

図３に示すエキシマランプ１によると、沿面距離Ｌには各仕切部材１０の高さＨに相当する距離が仕切部材１０の個数に対応して加算されることになる。従って、ランプ全長に対する放電形成部分の占める割合を減らすことなく沿面距離Ｌが伸びるので、外側電極４から内側管５に覆われない内部電極３への沿面放電の発生を良好に防止することができる。

図３に示す実施例２に関して、図１、２の実施例１と異なる部分の数値例を示す。仕切部材１０は、外径が７ｍｍ〜４７ｍｍであって、例えば１３ｍｍである。内径が２ｍｍ〜４２ｍｍであって、例えば４ｍｍである。厚み（管軸Ｘ方向）が１ｍｍ〜１０ｍｍであって、例えば３ｍｍである。沿面距離Ｌは、仕切部材１０が２つ設けられている場合において３ｍｍ〜１５０ｍｍであって、例えば８０ｍｍである。

図４〜図６に示す実施例は、沿面放電防止手段として、内側管５の端部外表面に生じる電荷量を減少させる電荷減少手段を採用した場合である。
図４における実施例３においては、内側管５の端部外表面に、誘電体１１を溶着等により付加的に取り付けてある。この付加誘電体１１としては、内側管５と同材料のものが好ましく、内側管５が石英ガラスの場合、付加誘電体１１も石英ガラスである。この場合、内側管５が、端部近傍で他の部分に比べてその肉厚が厚くなっているという見方もできる。

こうすることによって、内側管５の端部肉厚部１１での外表面に蓄積される電荷は、内側管５の他の部分における電荷と比べて少なくなり、そのため、外側電極４の端部から、内側管５外の内部電極３への放電が伝わりにくくなり、沿面放電の防止ができるものである。

図５において、この実施例４は、上記実施例３と基本的な考え方は一緒であり、この実施例の場合、内部電極３に連結された内部リード６が内側管５の内部にまで延びているケースである。この実施例では、内側管５の端部に設ける付加誘電体１２は内側管５の内表面に設けられている。
この実施例４における沿面放電防止に関する作用は上記実施例３と同様であるが、内部管５の外表面が平滑化する点でのみ相違する。

図６に実施例５を示し、図６（ａ）は側断面図で、（ｂ）は横断面図である。
図６において、内側管５の端部近傍には、金属リングや金属ワイヤなどの導電部材１３が巻き付けられており、その他端部１３ａは放電容器２の内壁方向に向かって伸びているものであり、放電容器２に当接していてもよい。
この実施例においては、内側管５の端部外表面に蓄積した電荷が、導電部材１３を介して他端部１３ａから放電容器２側に逃げるため、結果として、端部外表面に蓄積される電荷が減少する。そのため、外側電極４の端部から内側管５外の内部電極３への沿面放電が防止される。

この発明の実施例１を示す。 図１の部分拡大図。 実施例２を示す。 実施例３を示す。 実施例４を示す。 実施例５を示す。 従来例を示す。

符号の説明

１ エキシマランプ
２ 放電容器
２１ 発光部
２２ 封止部
３ 内部電極
４ 外側電極
５ 内側管
５１ 拡径部
６ 内部リード
７ 金属箔
８ 外部リード
１０ 仕切板
１１、１２ 付加誘電体（端部肉厚部）
１３ 導電部材

Claims (8)

1. 放電用ガスが封入された放電容器と、該放電容器の内部を長手方向に延在するとともに放電容器の端部において気密に封止された内部電極と、放電容器の外面に配置された外側電極からなるエキシマランプにおいて、
   前記内部電極は、少なくとも外側電極との間で放電を行う部位の外表面が、少なくとも一端が放電空間内で開放された誘電体材料からなる内側管によって覆われるとともに、
   該内側管は対応する外側電極の端部を長手方向に超えて延在し、その端部には、前記内側管から突出した内部電極と外側電極との間での不所望の沿面放電を防止する沿面放電防止手段を有することを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記沿面放電防止手段が、沿面距離延長手段であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記沿面距離延長手段が、前記内側管の端部に形成された拡径部であることを特徴とする請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 前記沿面距離延長手段が、前記内側管の端部近傍の外周に設けられた非導電性の仕切板であることを特徴とする請求項２に記載のエキシマランプ。
5. 前記沿面放電防止手段が、内側管の端部近傍の外表面に蓄積される電荷を減少させる電荷減少手段であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
6. 前記電荷減少手段が、内側管端部近傍での肉厚が他に比べて厚く形成された端部肉厚部であることを特徴とする請求項５に記載のエキシマランプ。
7. 前記電荷減少手段が、内側管の端部近傍の外表面に取り付けられ、他端が放電容器の内壁方向に向けられた導電性部材であることを特徴とする請求項５に記載のエキシマランプ。
8. 前記放電容器の端部は箔シールにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のエキシマランプ。
   
   
   

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