JP5891804B2

JP5891804B2 - エキシマランプ

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Publication number: JP5891804B2
Application number: JP2012010700A
Authority: JP
Inventors: 笠木　邦雄; 邦雄笠木
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013149546A

Description

この発明は放電容器内に始動補助電極を備えたエキシマランプに関し、特に、放電ガスとして希ガスとハロゲンガスを封入したエキシマランプに係るものである。

放電ガスとして希ガスおよびハロゲンを封入したエキシマランプが知られている。例えば、特開２０１０−１２３３２３号公報（特許文献１）には、矩形箱状の放電容器の内部に希ガスおよびハロゲン（ハロゲン化物）のガスを封入したエキシマランプが開示されている。
放電ガスとして希ガスとともにハロゲンガスが封入されたエキシマランプは、その組み合わせにより特有の発光波長が得られ、光洗浄，表面改質及び化学物質の感光といった光化学反応の用途等に使用される。処理に最適な波長（帯）の放射光を、放電ガスを適宜に組み合わせ、選択することで、高い効率で処理を達成することができるようになる。
なお、放電ガスの組み合わせとして一例をあげると、例えば以下のような組み合わせおよび発光波長が知られている。
Ｋｒ＋Ｃｌ（中心波長２２２ｎｍ）
Ｋｒ＋Ｆ（中心波長２４８ｎｍ）
Ｘｅ＋Ｃｌ（中心波長３０８ｎｍ）
Ｘｅ＋Ｉ（中心波長２５４ｎｍ）
Ｘｅ＋Ｆ（中心波長３５１ｎｍ）

このような希ガスとハロゲンの組み合わせにより得られる発光は、エキシマ発光の過程に由来するものである。
放電容器を構成する誘電体（例えばガラス）に付設された電極に電圧が印加されることにより誘電体に電荷が蓄積され、これが放電開始電圧に到達することにより放電空間内部に放電が開始される。
放電容器の内部に封入された希ガスとハロゲン、ここでは一例として、希ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）、ハロゲンガスとして塩素（Ｃｌ_２）で説明すると、放電で放出された電子によって、放電容器内に存在するクリプトン（Ｋｒ）が励起あるいはイオン化され、放電容器内に存在する塩素（Ｃｌ_２）と衝突することによって、ＫｒＣｌ^＊を生成する。このＫｒＣｌ^＊は極めて不安定な化合物であり、約１００ｎｓ以内の短時間で単体のクリプトン（Ｋｒ）と塩素（Ｃｌ）に離れる。このＫｒＣｌ^＊が分離する際に発光が生じる。放射される光（エキシマ光）は、希ガスおよびハロゲンの組み合わせによって固有であり、ＫｒとＣｌの組み合わせによる場合は波長２２２ｎｍの光が放出される。

一方で、例えば、特開２０１０−２２５３４３号公報（引用文献２）などで、放電容器の内面に導電性物質を設けて始動補助電極として、低い始動電圧でもエキシマランプを確実に点灯できるようにしたものが知られている。
図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）にこの従来技術が示されている。図５（Ａ）はエキシマランプの部分上面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ断面図、（Ｃ）はＹ−Ｙ断面図である。
図において、エキシマランプ２０は、石英ガラスなどよりなる放電容器２１を有しており、その外表面には、金ペーストなどでメッシュ状に形成された一対の光透過性外部電極２２、２３が対向して形成されている。また、放電容器２１の内表面には、光出射面を除いて反射膜２４が形成されている。
なお、この従来技術においては、非光出射面側の反射膜２４には、紫外光をモニターするために採光口２５が形成されている。

そして、前記外部電極２２、２３の一方の端部にはベタ状電極２７が設けられており、また、放電容器２１の内面には導電性物質を塗布・乾燥・焼成することにより始動補助電極２８が形成されている。この始動補助電極２８は、放電容器２１の外表面のベタ状電極２７の端部近傍に位置するように前記放電容器２１の内面に設けられている。
この構成によって、エキシマランプ２０の放電容器２１内面で、始動補助電極２８とベタ状電極２７との間で沿面放電を発生させることにより、外部電極２２、２３間で発生される放電容器２１内での主放電の放電開始電圧を低下させることができる。その結果、低い始動電圧でもエキシマランプを確実に点灯できることが期待されているものである。
なお、前記従来技術においては、外部電極２２、２３に設けたベタ状電極２７に対応して始動補助電極２８を設けたものが示されているが、該始動補助電極２８は、ベタ状電極を設けないものにおいても同様の構成を採用することができ、その場合には、外部電極の端部に対応する位置に設けることはいうまでもない。

しかしながら、ハロゲンガスを封入したエキシマランプにおいて上記始動補助電極を設けた構成とすると、希ガス元素とハロゲン元素とのエキシマから放出されるエキシマ光の照度が早期に低下してしまい、長い使用寿命が得られないという問題が生じた。
この原因を分析すると、放電容器内のハロゲンガスが、始動補助電極を構成する導電性物質と反応し、該導電性物質に吸収されてしまい、放電容器内のハロゲンガスの量が著しく減少したことにより、希ガス元素とハロゲン元素との化合物の生成が十分になされなくなったためであることが判明した。
しかして、このような点灯中のハロゲンガスの消費を見込み、予め放電容器内に過剰にハロゲンガスを封入することも一案であるが、放電用ガスとして希ガスおよびハロゲンガスの混合ガスを用いる場合においては、放電用ガス中におけるハロゲンガスの割合によって、希ガス元素とハロゲン元素とのエキシマによるエキシマ光の発光効率が変化するため、ハロゲンガスの割合を必要以上に高く設定することができない。すなわち、希ガスとの適正な割合が崩れると、ランプの発光効率が低下してしまうので、処理に必要な照度が得られないことになり、十分な対策とはならない。

その理由を更に詳しく述べると以下の通りである。
まず放電容器内部の圧力を一定とした状態でいずれか一方の元素を過剰にした場合を検討する。
塩素（Ｃｌ_２）の封入量を変えて塩素濃度を増大すると、塩素分子の数が増えるが、励起されるＫｒ原子の数が減少する。励起されるクリプトン原子（Ｋｒ）が少なくなると、塩素分子に衝突するクリプトン（Ｋｒ）の数が少なくなり、結果的にＫｒＣｌ^＊の生成数が減少して、発光効率が低下する。これと逆に、塩素濃度が小さいにも、励起されるクリプトン原子（Ｋｒ）が塩素分子に衝突できる機会が減り、ＫｒＣｌ^＊の生成数が減少して、発光効率が低下する。つまり、励起されたクリプトン（Ｋｒ）が、塩素（Ｃｌ）と衝突する確率と両者の混合比が深く関係している。
一方、濃度を一定として封入圧力を上げようとすると、励起されたクリプトン（Ｋｒ）原子がハロゲン分子に衝突する前に励起されていないクリプトン（Ｋｒ）原子と衝突する確率が増してＫｒＣｌ^＊の生成数が減少し、結果、エキシマ発光の効率が低下する。無論、放電ガスの圧力を高めた場合には、放電開始の絶縁破壊電圧が上昇し、ランプの始動性が悪くなるという別の問題が生じ、点灯電源を大型化しなければ対応できなくなる上、ランプ点灯中におけるランプ自身の発熱量が大きくなり、実用的でなくなってしまう。
このようにエキシマランプにおいては、放電ガスの封入圧および希ガスとハロゲン（ハロゲン化物）においては、高い効率を得るために必要な適正な範囲が存在する。
それ故、放電容器内での消費量を見込んで、予めハロゲンを過剰に封入することは適切な対策とはなりえないものである。

特開２０１０−１２３３２３号公報特開２０１０−２２５３４３号公報

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、内部に、希ガスと共にハロゲン又はハロゲン化物が封入された放電容器と、該放電容器の外面に対向配置された一対の外部電極と、前記放電容器内部に形成された始動補助電極とを備えたエキシマランプにおいて、放電容器内に封入したハロゲンが点灯時間経過によって減ずることなく、所定のエキシマ光照度が維持されるようにした構造を提供せんとするものである。

上記従来技術の問題点に鑑みて、本発明では、放電容器内に設けた始動補助電極が、不活性層により覆われていることを特徴とする。
また、前記不活性層が、酸化アルミニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末、酸化チタン粉末、シリカ粉末のうち、１以上の粉末により構成されていることを特徴とする。
また、放電容器内面には、酸化アルミニウム粉末およびシリカ粉末のいずれかを含む反射膜が形成されてなり、該反射膜上に前記不活性層が形成されていることを特徴とする。

このような構成を採ることにより、放電容器内のハロゲンガスが始動補助電極を構成する導電性物質と反応して吸収されることがなく、ランプ点灯時にハロゲンガスが消費されることがないので、所定のエキシマ光の照度が維持されるものである。

本発明のエキシマランプの構成を示す斜視図。図１のＡ−Ａ断面図。本発明のエキシマランプの製造工程を示す図。本発明効果を表すグラフ。従来技術を表す図。

図１は、本発明におけるエキシマランプを示す斜視図であり、図２はその断面図であって、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
図１において、エキシマランプ１は、石英ガラスなどからなる放電容器２を有し、その内部には放電ガスとして、希ガスおよびハロゲンガスが封入されている。この希ガスおよびハロゲンは、前記したように、求める光の波長に応じて適宜に選択される。
そして、該放電容器２の外表面には、例えば、金ペーストを格子状に塗布した、メッシュ状の光透過性外部電極３、３が設けられている。そして、図２（Ａ）に示すように、該放電容器２の内表面には、光照射面２ａを除いて反射膜４が形成されている。該反射膜４は、酸化アルミニウム粉末およびシリカ粉末のいずれか、もしくはその両者を含む材料から構成される。
前記外部電極３、３の軸方向の一端部にはベタ状電極５、５が設けられていて、図２（Ｂ）に示すように、該ベタ状電極５、５の放電容器２の幅方向での端部近傍に位置して、該放電容器２の内面に、前記ベタ状電極５、５を跨ぐように誘電体材料からなる始動補助電極６、６が設けられている。該始動補助電極６、６は、例えば、Ｐｔペーストを所定の形状で塗布、乾燥し、焼成したものである。

そして、同じく図２（Ｂ）に示すように、前記始動補助電極６、６を覆うように、不活性層７、７が形成されている。
該不活性層７、７は、放電容器２内部に封入されたハロゲンガスが、始動補助電極６、６と反応することを抑制するために、始動電極全体を覆う遮断膜であり、材質としてはセラミックスよりなり、シリカ、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化チタン（チタニア）、酸化亜鉛等の、セラミックスの粉末により構成される層よりなる。前記したセラミックスについては、単体で用いても良いし混合して用いてもよい。
この不活性層７、７は、セラミック粉末と有機溶剤を混合して攪拌したのち、セラミック粉末の混合液を放電容器２内部に流し込み等の手段によって塗布し、乾燥、焼成することによって得られる。この不活性層７、７の厚みは、紫外線の透過特性を損なわないように制御されるものであって、好ましくは１０〜５０μｍであり、より好ましくは２０〜４０μｍである。

前記不活性層７、７は、少なくとも始動補助電極６、６を被覆すればよく、その他の放電容器２内面は実用上で不要であるが、製造上の観点から放電容器２の全内面に形成してもよい。また、始動補助電極６、６部分にも反射膜４が形成されている場合には、その反射膜４の上から始動補助電極６、６を覆うように形成してもよい。

本発明のエキシマランプの製造方法の一例を図３に基づいて説明する。
（Ａ）放電容器２を構成する断面が扁平矩形状の筒状ガラス管を用意し、その内部を線状した後、その内面の光出射面２ａ側を除く部分に反射膜４を形成する。反射膜はシリカ粉末、アルミナ粉末の単体または混合粉末により構成される。
（Ｂ）ガラス管２の非給電側端部側に、始動補助電極６、６を形成する。この始動補助電極６、６は例えば白金ペーストよりなり、これを塗布・形成した後に、例えば、１，０８０℃で０．５時間焼成して形成する。
（Ｃ）ガラス管２の両方の端部に封止部材１０、１０を溶着する。該封止部材１０は、排気管１２を設けたシール用のガラス体１１からなり、該ガラス体１１をガラス管２端部に挿入し、加熱して封着する。
（Ｄ）不活性層形成用のセラミック粉末液を調製し、上記のように概略密閉状態としたガラス管２の内部にこの粉末液を流し込み、充填、排出して不活性層７を塗布形成する。
ここで、セラミック粉末液は、例えば粒径０．３μｍのシリカ粉末（型式ＳＯ−Ｅ１、信越石英株式会社製）６０ｇと、粒径０．３μｍのアルミナ粉末（型式ＡＡ−０３、住化アルケム株式会社製）６．６ｇの混合粉末を、有機溶剤（商品名エバーブライト、型式ＨＩ−２０００ＢＡ（エバー化学研究所株式会社製））で混合して製作したものである。
（Ｅ）ガラス管２内部を温排気して不活性層７を乾燥させた後、アルゴンガスを封入して一時的に密閉封止する。
（Ｆ）外部電極３用の金ペーストをスクリーン印刷により放電容器２の外表面に塗布形成し、７５℃で１時間乾燥させた後、６００℃で１時間焼成する。
ベタ状電極は、例えば金ペーストなどの導電性ペーストよりなり、所定の箇所に塗布、乾燥した後、焼成して形成される。
しかる後、一時封止した排気管１２を再び開けて、ガラス管２の内部を排気し、ガラス管（放電容器）２内に放電ガスとして希ガスとハロゲンガス（ハロゲン化物）を封入して、最終的に再度排気管１２を密閉封止してエキシマランプ１が完成する。

なお、上記製造方法においては、反射膜４は始動補助電極６を除いてガラス管内面の非光出射側に形成するものを示したが、反射膜４は、始動補助電極６を含んで形成してもよく、その場合には、図３の（Ａ）工程と（Ｂ）工程が逆になり、初めにガラス管２内部に始動補助電極６が形成され、その後に反射膜４が該始動補助電極６を含んでガラス管内面に形成される。
また、不活性層７が放電容器２を構成するガラス管の全内面に形成されるものを説明したが、始動補助電極６部分のみを覆うようにしてもよい。その場合は、図３（Ｂ）に示す始動補助電極６の形成後に、該始動補助電極６部分に、筆などで不活性層用のセラミック粉末液を塗布して、これを乾燥焼結して不活性層７を形成するものである。

本発明の効果を実証するための実験を行った。
＜本発明ランプ＞
封入ガス：Ｋｒ−Ｃｌ−Ｎｅ混合ガス
始動補助電極：Ｐｔペースト
不活性層：シリカ（粒径０．３μｍ）とアルミナ（粒径０．３μｍ）の混合
膜厚３０μｍ
＜比較例ランプ＞
上記本発明ランプの不活性層が形成されていないランプ
＜点灯条件＞
電圧波形：矩形波
Ｐ−Ｐ電圧：８．０ｋＶ
周波数：７０ｋＨｚ
点灯状態：連続点灯

その結果が図５に示されている。
図からも明らかなように、不活性層を設けていない比較例ランプにおいては、点灯直後から照度が急激に低下し、１５０時間経過後には、照度維持率が２０％を下回っている。これに対して、本発明ランプは、８００時間経過後にも照度維持率が殆ど低下せず、９５％以上を維持していて、本発明の効果が明らかである。

以上のように、本発明においては、放電容器内に設けられた始動補助電極を不活性層によって覆う構成としたことにより、放電容器内のハロゲンガスが該始動補助電極と反応して吸収されることがなく、点灯によるハロゲンガスの消費がなく、高い照度維持率が保たれるものである。

なお、上記実施例の説明においては、透光性外部電極の端部にベタ状電極を設ける構成としたが、ベタ状電極を設けないものであってもよく、その場合には、外部電極の端部近傍に始動補助電極を設ければよい。更には、非光出射側の外部電極は透光性電極でないものであってもよい。
また、放電容器は矩形管形状として説明したが、これに限られるものではなく、丸型管形状等の種々の形状を採用しうることは勿論である。

１エキシマランプ
２放電容器
２ａ光出射面
３外部電極
４反射膜
６始動補助電極
７不活性層

Claims

内部に、希ガスと共にハロゲン又はハロゲン化物が封入された誘電体からなる放電容器と、
該放電容器の外面に対向配置された一対の外部電極と、
前記放電容器内部に形成された始動補助電極と、
を備えたエキシマランプにおいて、
前記始動補助電極の全体が、不活性層により覆われていることを特徴とするエキシマランプ。
前記不活性層は、酸化アルミニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末、酸化チタン粉末、シリカ粉末のうち、１以上の粉末により構成されていることを特徴とする請求項１記載のエキシマランプ。
放電容器内面には、酸化アルミニウム粉末およびシリカ粉末のいずれかを含む反射膜が形成されてなり、
該反射膜上に前記不活性層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエキシマランプ。