JP6948606B1 - エキシマランプ及び光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照度の向上を図ったエキシマランプを提供する。【解決手段】エキシマランプは、放電容器内に、クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上の全ガス分圧Ｐｂを呈する第三ガスと、を封入している。【選択図】図２Ｂ

Description

この発明は、エキシマランプ及び光照射装置に関する。

従来、発光管内に封入された発光ガスに対して石英ガラス等の誘電体を介して電圧を印加することで発光させる、誘電体バリア放電を利用した光源体（以下、「エキシマランプ」と称する。）が知られている。

エキシマランプは、発光ガスの種類や組み合わせによって、特有の発光波長を示す短波長の光を放射する。例えば、希ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、又はキセノン（Ｘｅ）を発光ガスとして利用したエキシマランプや、前記希ガスと、ハロゲンガスとしてのフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、ヨウ素（Ｉ）又は臭素（Ｂｒ）との混合ガスを発光ガスとして利用したエキシマランプが知られている。

特開平７−１４５５６号公報 特開２００９−１６３９６５号公報

近年、エキシマランプを搭載した光照射装置の需要が高まりつつあり、エキシマランプが使用される場面も広がりを見せている。それに伴い、エキシマランプの照度の向上が市場より要請されている。本発明の目的は、照度を向上させたエキシマランプ、および当該エキシマランプを備える光照射装置を提供することにある。

詳細は後述するが、本発明者は、鋭意研究の結果、放電容器内に発光ガス以外の第三ガスを、発光ガスを構成する希ガス以上に封入すると、照度が向上することを見出した。本発明者は、この見出した知見に基づき、以下に示すエキシマランプを案出した。

本発明のエキシマランプは、放電容器内に、
クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、
塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、
アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇ以上の全ガス分圧Ｐ_ｂを呈する第三ガスと、を封入している。

本発明のエキシマランプにおいて、放電容器内に第三ガスを封入した量は、放電容器内に第一ガスを封入した量と同じか、それよりも多いことを表す。これは、発光に寄与しない第三ガスを第一ガス以上となるよう多量に封入させることで、発光ガスである第一ガスと第二ガスの発光に良い影響を与えるという、特徴的な知見を得たことに基づいている。特に、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）、第二ガスとして塩素（Ｃｌ）又は臭素（Ｂｒ）が含まれた発光ガスの放電現象において、優れた効果を与える知見を得た。詳細は後述するが、多量に封入された第三ガスが、発光ガスの励起又はイオン化を促進し、その結果、発光ガスによる励起二量体を増やし、照度が向上したと考察される。

また、Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ≦ １８．０
を満たしても構わない。始動性の観点から、第三ガスの封入量に上限を設けても構わない。つまり、第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂを、前記第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇの１８．０倍以下にすることで、過剰な第三ガスの封入に伴う、エキシマランプの始動性の悪化又は始動性の悪化に伴う不点灯を防ぐ。

また、Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ≦ １０．０
を満たしても構わない。これにより、エキシマランプの始動性を向上させることができる。

前記第一ガスはクリプトン（Ｋｒ）から構成され、前記第二ガスは、塩素原子を含むガスから構成されても構わない。この構成を備えるエキシマランプは、ＫｒＣｌ^＊を生成し、中心波長が２２２ｎｍの光を放射する。

本発明の光照射装置は、上述したエキシマランプを備える。

これにより、照度を向上させたエキシマランプ、および当該エキシマランプを備える光照射装置を提供できる。

光照射装置の外観を模式的に示す斜視図である。 エキシマランプを＋Ｚ側から−Ｚ方向に向かって見たときの図である。 エキシマランプを−Ｙ側から＋Ｙ方向に向かって見たときの図である。 照度計測に使用したエキシマランプの模式図である。 第三ガスの全ガス分圧の、第一ガスのガス分圧に対する分圧比と、照度との関係をプロットした散布図である。

［光照射装置］
図１を参照しながら、本発明の光照射装置の一実施形態を説明する。以下に示す光照射装置は、あくまでも一例にすぎず、多様な形態を採り得る。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下の図では、光Ｌ１の取り出し方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とした、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系を参照して説明される。より詳細には、エキシマランプ３の管軸方向をＸ方向としている。方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｚ方向」、「−Ｚ方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｚ方向」と記載される。

図１は、光照射装置の外観を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、光照射装置１０は、ひとつの面に光取り出し面４（図１において、斜線でハッチングされた領域）が形成された筐体２を備える。筐体２に囲われた内部には、エキシマランプ３が光取り出し面４に沿って配置されている。筐体２の内部において、エキシマランプ３を挟んで、光取り出し面４に対向する位置（図１における、エキシマランプ３の−Ｚ側）には、エキシマランプ３より放射された光を反射する反射板（不図示）が設けられている。エキシマランプ３は、電源５より給電される。

［エキシマランプ］
図２Ａは、エキシマランプ３を＋Ｚ側から−Ｚ方向に向かって見たときの図であり、図２Ｂは、エキシマランプ３を−Ｙ側から＋Ｙ方向に向かって見たときの図である。図２Ｂに示すように、エキシマランプ３は、長尺状の放電容器１の内部に、後述するガス３Ｇが封入されている。放電容器１は、Ｘ方向両端部の封止された中空の扁平管で構成され、好ましくはガラス管（例えば、石英ガラス）で構成される。ここで示したエキシマランプは、上述した光照射装置と同様に、あくまでも一例にすぎず、多様な形態を採り得る。

エキシマランプ３は、放電容器１の外表面（１ａ，１ｂ）に、放電容器１を挟んで互いに対向するように設けられた一対の電極（６ａ，６ｂ）を備える。一対の電極（６ａ，６ｂ）には、それぞれ、給電線（７ａ，７ｂ）より電力が供給される。電極６ａには、電極６ｂよりも低電圧が印加されてもよく、電極６ａは電気的に接地又はアースされていてもよい。

電源５から給電線（７ａ，７ｂ）を通じて電力を電極（６ａ，６ｂ）に供給すると、放電容器１を挟む両電極（６ａ，６ｂ）間で誘電体バリア放電によるプラズマが生じる。プラズマは、ガス３Ｇを構成する原子を励起してエキシマ状態となり、この原子が基底状態に移行する際にエキシマ発光する。このエキシマ発光が、特有の発光波長を示す光である。

図２Ａに示すように、電極（６ａ，６ｂ）は、いずれも網状を呈する。よって、生成された光は、網状の電極６ａの網目を通り、放電容器１から＋Ｚ方向に放射される。電極６ｂ側には上述した反射板があり、当該反射板で光を反射して、放電容器１から＋Ｚ方向に放射される。＋Ｚ方向に放射された光は、光取り出し面４から光Ｌ１として取り出される（図１参照）。

［エキシマ発光］
エキシマ発光の仕組みの詳細を説明する。エキシマ（Ｅｘｃｉｍｅｒ）とは、一般に励起状態（エネルギーの高い準安定状態）にある多原子分子のことを指し、斯かる多原子分子として、励起二量体が知られている。励起二量体は、誘電体バリア放電により生じたプラズマで、二つの原子を構成する一方の原子が励起又はイオン化され、他方の原子と融合し比較的安定な結合性ポテンシャル（準安定状態）を形成することによって生成される。

励起二量体には、例えば、Ｘｅ_２ ^＊（キセノンエキシマ。ここで、^＊は励起状態にあることを表す）、Ｋｒ_２ ^＊（クリプトンエキシマ）、Ａｒ_２ ^＊（アルゴンエキシマ）などの希ガス二量体や、ＫｒＦ^＊（フッ化クリプトンエキシプレックス）、ＡｒＦ^＊（フッ化アルゴンエキシプレックス）、ＫｒＣｌ^＊（塩化クリプトンエキシプレックス）、ＸｅＣｌ^＊（塩化キセノンエキシプレックス）などの、希ガスハロゲン化物のエキシプレックスが、知られている。

これらの励起二量体は、きわめて不安定な化合物であるため、短時間でエネルギーの低い状態に戻り、解離して、最終的に安定な状態（基底状態）の原子に戻る。このとき、開放されるエネルギー（Ｅ）が、固有の波長（ν）を有する光（エキシマ光；ν＝Ｅ／ｈ）として、放射される（ｈ：プランク定数）。

励起二量体が希ガスハロゲン化物のエキシプレックスである場合、放電容器には、希ガスである第一ガスとハロゲンガスである第二ガスとが、発光ガスとして封入されている。

本発明において、第一ガスは、クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなり、第二ガスは、塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む。よって、本発明のエキシマランプは、ＫｒＣｌ^＊（主たるピーク波長：２２２ｎｍ）、ＫｒＢｒ^＊（主たるピーク波長：２０７ｎｍ）、ＸｅＣｌ^＊（主たるピーク波長：３０８ｎｍ）、またはＸｅＢｒ^＊（主たるピーク波長：２８２ｎｍ）を形成し、特有の発光波長にピークを有する紫外線が放射される。

本発明のエキシマランプの照度を向上させるには、放電空間内の励起二量体、すなわち、希ガスハロゲン化物のエキシプレックスを増やすことが有効である。本発明者は、当初、励起二量体を増やすために、励起二量体を構成する発光ガス（第一ガス及び第二ガス）の量を増やすこと、すなわち、発光ガスのガス圧を高めることを考えた。

しかしながら、発光ガスのガス圧を高めると、始動性が悪化しやすいことが判明した。始動性とは、始動動作の開始（電極への印加開始）から、一定照度の光を放射するまでの時間のずれ量のことである。この時間のずれ量が小さいと始動性に優れていることを表し、この時間のずれ量が大きいと始動性が悪化することを表す。また、発光ガスのガス圧をさらに高めると、始動動作を開始しても点灯しないこともある。これは、パッシェンの法則に基づくものと考察される。

［緩衝ガス］
上記事情を踏まえて、本発明者がさらに鋭意研究を重ねた結果、放電容器に、発光ガスではない第三ガスを多量に封入することに到った。第三ガスとは、放電空間において励起二量体を形成しにくい緩衝ガスである。この緩衝ガスとして、発光ガスを構成する希ガス（第一ガス）の原子質量及び原子の大きさよりも、軽く小さい希ガスを使用する。

具体的には、第三ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つから選択される、単独又は混合のガスである。第三ガスは、第一ガスと同じ希ガスであるが、原子質量の違いから、第三ガスが発光作用をもたらすことは、僅かであるか、または実質的にない。

第三ガスを多量に封入させることによる作用をもたらす原理は、定かではないが、次のように考察する。緩衝ガスを封入することにより、発光ガスを構成する第一ガスと第二ガスの分圧比を変えることなく、放電容器全体のガス圧を高める。そして、第三ガスは、第一ガスに比べて高い励起エネルギーを有し、励起によって準安定状態を長時間維持するという特徴を有する。そのため、第三ガスを封入して放電容器全体のガス圧を高めることにより、発光ガスが、励起された第三ガスを構成する原子に衝突し、発光ガスの励起又はイオン化を促進させ、その結果、発光ガスによる励起二量体を増やし、照度が向上したと考察する。

つまり、第三ガスを封入することにより、励起又はイオン化された原子が他の原子と融合する機会が増加し、励起二量体が増加する。励起二量体の増加により照度が向上する。また、第三ガスは、発光ガスに比べて、電極への印加初期段階においても励起二量体の形成効果が高いことから、第三ガスを封入したエキシマランプは、第三ガスを封入しないエキシマランプに比べて、始動性に優れている。

［照度］
緩衝ガスの好適な分圧、つまり、緩衝ガスの封入量は、発光ガス（特に、第一ガス）の分圧によって変わる。そこで、図３に示す中空の円筒管１１の内部に発光ガスを封入可能なエキシマランプ９を複数用意し、試料ごとに第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂを異ならせて封入し、固有の分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）としたエキシマランプ（試料番号１〜９）を準備した。そして、各試料番号のエキシマランプを点灯させて、それぞれの試料の照度を計測した。表１は、固有の第三ガスの全ガス分圧、または、第一ガスに対する分圧比を有する各試料（エキシマランプ）の照度計測結果を示す。

図３に示すエキシマランプ９の電極について説明する。円筒管１１の外表面には、二つの電極ブロック（１６ａ，１６ｂ）が接触して配置されている。二つの電極ブロック（１６ａ，１６ｂ）は、不図示の給電線と電気的に接続されており、エキシマランプ９に対して給電するための電極を構成する。この二つの電極に印加すると、誘電体バリア放電が発生し、エキシマ光が放射される。

エキシマランプ９の円筒管１１の外表面から６８ｍｍ離れた位置に照度センサ（ウシオ電機株式会社製のＶＵＶ−Ｓ１７２）を取り付けて、照度計（ウシオ電機株式会社製のＵＴＩ−２５０）を用いて、エキシマランプ９から放射された光を計測することにより、照度を得た。

全ての試料のエキシマランプは、第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇを８．０ｋＰａ、第二ガスの分圧を０．０６７ｋＰａに設定されている。そして、全ての試料のエキシマランプには、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）が、第二ガスとして塩素ガス（Ｃｌ_２）が、第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）が封入されている。

図４は、表１の各試料について、分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）と照度（単位：ｍＷ／ｃｍ^２）との関係をプロットした散布図である。この散布図には、プロットした点に基づく近似線を記載した。この散布図中のプロット近傍の数字は、表１中の試料番号を示す。試料番号１〜３により、分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）の増加に伴い、照度が向上している様子が分かる。試料番号４〜９では、分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）を増加させても、あまり照度が向上しない様子が分かる。

図４に基づいて、第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂの第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇに対する分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）について、
１．０ ≦ Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ・・・（１）
（１）式を満たすように設定する。言い換えると、第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂを、第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇ以上となるように設定する。

つまり、第三ガスを、発光ガスを構成する希ガス以上に封入する。これにより、４．０ｍＷ／ｃｍ^２以上の照度水準が維持された。言い換えれば、放電容器内に封入される発光ガス（希ガスとハロゲン）の励起二量体が形成されやすい、最適な状態を形成できたといえる。ここで、第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇ以上の第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂ（すなわち、分圧比Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇが１．０であるときのＰ_ｂの値）は、分圧比を変化させた場合における最大照度に近い照度を得ることのできる、臨界的意義を有する値であるといえる。

また、照度の向上に付随して、光源の寿命（規定以上の照度で発光できる時間）も向上することが判明した。例えば、発光ガスの成分にもよるが、第三ガスの含まれていないエキシマランプに対して、寿命が２〜３倍程度に向上するエキシマランプも確認された。これは、第三ガスを多量に封入することによって、塩素の消費が防止されたものと推察される。第三ガスの封入量を多くすることにより、励起された塩素が第三ガスと衝突する確率が増え、励起された塩素が放電容器に打ち込まれる確率を減らすためと考えられる。この傾向から、第三ガスの封入量が増加するにつれて、エキシマランプの寿命が改善されやすい。

［始動性］
第三ガスは、発光ガスである第一ガスに比べて、始動性を良好に保ちやすいものの、第三ガスの封入量にも限界がある。表２は、試料ごとに第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂを異ならせて、固有の分圧比（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ）としたエキシマランプ（試料番号１１〜２３）を準備し、点灯させて、それぞれの試料の始動性を計測した結果を示している。表２における始動性について、始動遅れ時間が５秒以内である場合は「Ａ」と表記し、始動遅れ時間が５秒を超えて１０秒以内である場合は、「Ｂ」と表記し、始動遅れ時間が１０秒を超える場合は、「Ｃ」と表記している。

全ての試料のエキシマランプは、第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇを８．０ｋＰａ、第二ガスの分圧を０．０６７ｋＰａに設定されている。そして、全ての試料のエキシマランプには、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）を、第二ガスとして塩素ガス（Ｃｌ_２）を、第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）を封入されている。なお、始動性の計測実験にあたり、始動遅れを解消する始動補助光源等を使用していない。

表２より、光照射装置の始動性がＡ又はＢであると、好ましい。つまり、
Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ≦ １８．０ ・・・（２）
を満たすようにするとよい。（２）式を満たすことにより、エキシマランプの始動性の悪化又は始動性の悪化に伴う不点灯を防ぐことができる。

Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇが１８．０より大きい場合には、第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇが第三ガスの全ガス分圧Ｐ_ｂに比べて過少となり、第一ガスの励起又はイオン化のためのエネルギーが、緩衝ガス（第三ガス）に過剰に奪われて、始動性が悪化すると考察される。

光照射装置の始動性がＡであると、さらに好ましい。つまり、
Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ≦ １０．０ ・・・（３）
を満たすようにするとよい。（３）式を満たすことにより、始動性を向上させることができる。

なお、始動性がＣ又はＢであったとしても、電極の印加電圧を高めたり、始動遅れを解消する始動補助光源等を使用したりすることで、当該エキシマランプを使用できる場合や始動性を高められる場合がある。

上述のエキシマランプ３は、発光ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）からなる第一ガスと、塩素ガス（Ｃｌ_２）からなる第二ガスを使用したため、ＫｒＣｌ^＊を生成し、中心波長が２２２ｎｍの光を放射する。この波長の光は、人体に無害である一方で殺菌作用を有するなどの特長を有する。

第一ガスには、クリプトンガス（Ｋｒガス）に代えて、キセノンガス（Ｘｅガス）を使用しても構わない。第二ガスには、例えば、臭素ガス（Ｂｒ_２ガス）でも、塩化水素ガス（ＨＣｌガス）でも構わない。第一ガス、第二ガスを構成するガス種が上記と異なったとしても、上記と同様の傾向を示す。

第三ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）のいずれを使用しても構わない。いずれのガスにしても、その原子質量及び原子の大きさは、発光ガスを構成する希ガスである第一ガスの原子質量及び原子の大きさよりも、軽く小さい。

第三ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いる場合は、ネオン（Ｎｅ）やヘリウム（Ｈｅ）と比較して原子サイズが大きいため、励起された塩素との衝突確率が高くなりやすい。そのため、第三ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いると、寿命特性がより改善されやすい。

第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）を用いる場合は、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）を用いる場合に比べて、ペニング効果がより働きやすい。これは、ネオン（Ｎｅ）の準安定励起エネルギーが、クリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）の電離エネルギーより高く、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）よりも、クリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）に近いためである。

第三ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）を用いる場合は、アルゴン（Ａｒ）やネオン（Ｎｅ）と比べて、発光ガスを構成する希ガスとハロゲンの励起状態を阻害させにくい。これは、ヘリウム（Ｈｅ）の励起エネルギーが、アルゴン（Ａｒ）やネオン（Ｎｅ）と比べて高いためである。

以上のように、状況に応じて第三ガスの種類を選択する。また、上記に基づき、第三ガスは、複数のガスを混合する混合ガスである場合としてもよい。

以上で、エキシマランプと光照射装置の実施形態の一例を説明したが、本発明は上記した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記の実施形態に種々の変更又は改良を加えることができる。

例えば、エキシマランプは、上述した形状以外の形状や大きさでも構わないし、光照射装置において、ランプハウスや電極の構造が、上述した光照射装置１０のものと異なっていても構わない。また、エキシマランプに、上述した第一ガス、第二ガス及び第三ガスの以外のガスを、エキシマ発光を大きく妨げない程度に含んでいても構わない。

１ ：放電容器
２ ：筐体
３，９： エキシマランプ
４ ：光取り出し面
５ ：電源
６ａ，６ｂ： 電極
７ａ，７ｂ：給電線
１０ ：光照射装置
１１ ：円筒管
１６ａ，１６ｂ：電極ブロック
Ｌ１ ：光
Ｐ_ｌｇ ：第一ガスのガス分圧
Ｐ_ｂ ：第三ガスの全ガス分圧

Claims (4)

1. 放電容器内に、
   クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、
   塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、が発光ガスとして封入され、
   アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐ_ｌｇ以上の全ガス分圧Ｐ_ｂを呈する第三ガスが緩衝ガスとして封入されており、
   Ｐ _ｂ ／Ｐ _ｌｇ ≦ １８．０
   を満たすことを特徴とする、エキシマランプ。
2. Ｐ_ｂ／Ｐ_ｌｇ ≦ １０．０
   を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記第一ガスはクリプトン（Ｋｒ）から構成され、前記第二ガスは塩素原子を含むガスから構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエキシマランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のエキシマランプを備える、光照射装置。

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