JP2001023577A

JP2001023577A - 誘電体バリア放電ランプ

Info

Publication number: JP2001023577A
Application number: JP11189725A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hirose; 賢一廣瀬; Masashi Okamoto; 昌士岡本; Masaki Yoshioka; 正樹吉岡
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】長時間にわたり高い光出力維持特性を有する
誘電体バリア放電ランプを提供することであり、さらに
は、放電容器内部でエキシマ分子から放射されるインコ
ヒーレント光を十分に放電容器外部に取り出す誘電体バ
リア放電ランプを提供する。【解決手段】放電容器に誘電体バリア放電によってエ
キシマ分子を形成する放電用ガスが充填され、放電容器
の少なくとも一部は誘電体バリア放電の誘電体を兼ねて
おり、誘電体の少なくとも一部はエキシマ分子から放射
される光に対して光透過性であり、誘電体の少なくとも
一部に網状電極が設けられた誘電体バリア放電ランプに
おいて、網状電極が、導電性物質とガラスとを混合した
複合体の印刷電極であって、ガラスが誘電体と接合し
て、網状電極が誘電体に保持されている誘電体バリア放
電ランプとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光化学反応
用の紫外線光源として使用される放電ランプの一種であ
って、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成
し、該エキシマ分子から放射される光を利用する、いわ
ゆる誘電体バリア放電ランプの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連した従来技術としては、例
えば、特開平２−７３５３号がある。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
体バリア放電（別名オゾナイザ放電あるいは無声放電；
電気学会発行改定新版「放電ハンドブック」平成１年６
月再版７刷発行第２６３頁参照）によってエキシマ分子
を形成せしめ、該エキシマ分子から放射される光を取り
出す放射器、すなわち誘電体バリア放電ランプについて
記載されている。

【０００３】そして、当該ランプの放電容器が円筒状で
あり、該放電容器の少なくとも一部は該誘電体バリア放
電の誘電体を兼ねており、該誘電体の少なくとも一部は
該エキシマ分子から放射されるインコヒーレント光に対
して光透過性であり、該光透過性の誘電体の少なくとも
一部に網状電極が設けられた、誘電体バリア放電ランプ
の構造が記載されている。

【０００４】上記のような誘電体バリア放電ランプは、
従来の低圧水銀放電ランプや高圧アーク放電ランプには
無い種々の特長、特定波長域の光を高効率で出力す
る、瞬時点灯が可能である、周囲温度による光量変
動が少ない、といった特長を有している。そのため、液
晶ディスプレイの基板ガラスの洗浄工程や、半導体製造
におけるシリコンウエハーのレジストのアッシング等、
また光硬化反応や有機物等の光合成や分解反応等に有用
である。

【０００５】図３は、従来の誘電体バリア放電ランプの
概略断面図を示すものである。放電容器１は石英ガラス
製であり、内側管２、外側管３を同軸に配置して中空円
筒状にしたものである。外側管３および内側管２は、誘
電体バリア放電の誘電体バリア（障壁）と光取り出し窓
部材とを兼用しており、外面には光が透過できるよう
に、複数本の金属線で編んだ網状電極４が使用されてい
る。金属線は直径０．１ｍｍのモネルである。網状電極
の金属線で囲まれた網目の面積は、それぞれ約１平方ミ
リメートルである。

【０００６】図７は、電極の開口率を説明するための模
式図である。この図で交差する金属線の開口部は等しい
とする。この電極の開口率は、図７で示す、電極を放電
容器に正射影したときの影でない部分の面積「S」を、
前記網目を成形する金属線の中心線で囲まれた内側の面
積「P」で除したものとして定義した。その具体的な数
値としては、８３％である。

【０００７】図４は、従来技術の金属網状電極を説明す
る放電容器管軸に垂直な面での断面図である。この網状
電極４を放電容器に巻き付けた場合、図４に示すよう
に、網状電極４が重なった部分で空隙６が生じる。従来
技術においては、この空隙６の部分で不所望な放電が発
生し、この放電は、電力を浪費させ発光効率を低下させ
る要因であった。また、網状電極４を構成する金属材料
がこの放電により飛散し、飛散物質が光透過性を有する
放電容器１に被着し、光量維持率を著しく低下させる要
因であった。なお、内側管２の内径部には、アルミニウ
ム板の成形品を挿入して他方の電極５が設けられてい
る。

【０００８】そして、この不所望な放電が発生すること
による不具合を改善するものとして、特開平５−１７４
７９２号に開示された技術がある。そこには、格子状ま
たは網状の金属電極に保護層等を設けることによって、
電極材料が誘電体の透明箇所へ沈着することによる放電
容器の透明度の低減を防止すること、あるいは不所望な
放電を防止すること等が記載されており、電極保護層と
してＵＶ硬化性ラッカー等の使用が具体例として挙げら
れている。しかしながら、このような保護層を金属電極
に施すことや、保護層内に金属電極を埋め込むことは、
非常に煩雑な作業であり、かつ経済的に高価であり、製
造工程において当該保護層の品質を維持することも容易
なことではない。

【０００９】この網状電極４が重なった部分で生じた空
隙６の発生を解決する手段として、保護層を金属電極に
施すという上記の技術は、必ずしも十分とは言えず、不
所望な放電を完全に断ち切ることはできなかった。

【００１０】その理由は、明確ではないが、図５によっ
て推察できる。図５は、従来技術の不具合を示す放電容
器管軸に垂直な面での断面図である。図５において、網
状電極４の周りに保護層８であるところの誘電体が形成
されても、この保護層８と放電容器１の間に空隙が生じ
る場合は、この空隙６で不所望な放電が発生する恐れが
ある。網状電極４を保護層８に埋め込むことにより、こ
のような恐れは避けることができるものの、前述したと
おり、煩雑な作業であり経済的に高価なものとなってし
まう。

【００１１】そして、さらに加えて従来技術では以下の
問題もあった。誘電体バリア放電ランプは、エキシマ分
子から放射されるインコヒーレント光の一部が、光透過
性を有する放電容器１を透過後に、網状電極４によって
その一部が反射あるいは吸収されるために、エキシマ分
子から放射されるインコヒーレント光は、十分に放電容
器１の外部に取り出され利用されていないという問題が
あった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、係か
る課題を解決し、発光効率を改善するとともに長時間に
わたり高い光出力維持特性を有する誘電体バリア放電ラ
ンプを提供することであり、さらには、放電容器内部で
エキシマ分子から放射されるインコヒーレント光を十分
に放電容器外部に取り出す誘電体バリア放電ランプを提
供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１に記載の発明は、放電容器に誘電体バリア放
電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填さ
れ、該放電容器の少なくとも一部は該誘電体バリア放電
の誘電体を兼ねており、該誘電体の少なくとも一部は該
エキシマ分子から放射される光に対して光透過性であ
り、該誘電体の少なくとも一部に網状電極が設けられた
誘電体バリア放電ランプにおいて、該網状電極が、導電
性物質とガラスとを混合した複合体の印刷網状電極であ
って、該ガラスが該誘電体と接合して、該印刷網状電極
が該誘電体に保持されている誘電体バリア放電ランプと
する。

【００１４】さらに上記課題を解決するために、請求項
２に記載の発明においては、前記印刷網状電極の開口率
が８０％以上であって、前記印刷網状電極の最細線幅Ｗ
と該印刷網状電極の断面の厚みＤの比がＷ／Ｄ≧５であ
ることを特徴とする誘電体バリア放電ランプとするもの
である。

【００１５】

【作用】導電性物質とガラスの複合体の焼結体からなる
印刷網状電極を放電容器外壁に配設することにより、電
極と放電容器の間の隙間がなくなり、不所望な放電がな
くなる。このことにより、放電容器内により効率よく電
気エネルギーが注入され、同じ電力でより多くの光を得
ることが可能となる。

【００１６】また導電性物質とガラスとの複合体の印刷
網状電極であることで、当該ガラスが紫外域の波長のエ
キシマ光による印刷網状電極の劣化を防ぎ、さらに、開
口率と印刷網状電極の最細線幅Wと印刷網状電極の断面
の厚みDを選択することにより、放電容器内部で発生す
る真空紫外光の取り出し効率を向上するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の第１の実施例で
ある同軸円筒形の誘電体バリア放電ランプの概略図を示
す。放電容器１は全長約３００ｍｍの石英ガラス製で、
外径１４ｍｍの内側管２、外径約２５ｍｍの外側管３を
同軸に配置して中空円筒状にしたものであり、内側管
２、外側管３のいずれも構成する石英ガラスの肉厚は１
ｍｍである。外側管３は誘電体バリア（障壁）と光取り
出し窓部材とを兼用しており、外側管３外面にはエキシ
マ分子から放射される光を透過するように、印刷網状電
極７が設けられている。

【００１８】印刷網状電極７は厚みの薄いものである
が、図ではわかりやすくするために厚めに示している。
当該内側管２の同心円中心側に配置された電極５は真空
紫外光に対する反射板を兼ねており、通常この電極５に
高電圧が印加される。また、放電容器１の一端にバリウ
ムゲッター９が設けられている。なお、バリウムゲッタ
ー９は、外側管３に設けられた突起部１０によって放電
空間内に移動するのを阻止されているだけで、放電容器
１には固定されていない。

【００１９】印刷網状電極７は、導電性物質としてのＮ
ｉ粉末に、ＰｂＯ，Ｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ ₂の3種類の酸化物か
ら形成されたソルダーガラスとバインダーを、有機溶剤
としてターピネオールとともに混練し混合した複合体の
ペーストを、スクリーン印刷により放電容器１に印刷
し、乾燥後、６００℃、１０分間で焼結して形成したも
のである。焼結の際、ソルダーガラスが誘電体である放
電容器１との接合性を発現することにより、該印刷網状
電極７が該誘電体に空隙を形成することなく保持され
る。

【００２０】なお、前述のソルダーガラスは主要材用酸
化物は前記の3種類だが、これ以外で、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂａ
Ｏ、ＺｎO、アルカリ（Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ）、Ｚ
ｒＯ ₂、ＴｉＯ₂などが添加される場合がある。

【００２１】この印刷網状電極７の厚みは、約７μｍと
したが、これは、線膨張係数の著しく異なる材料と堅牢
な接合を発現し、かつ導電性物質としての機能を維持す
るためであり、通常は５〜２０μｍで設計される。ま
た、印刷網状電極７の開口率は、先に図７を用いて説明
した通りであるが、発光効率、照度維持率、あるいは光
取り出し効率を従来技術と比較するために、本実施例に
おいては、従来技術において利用した複数本の金属線で
編んだ金属網状電極のときの開口率と同じ値である８３
％に固定した。

【００２２】図２は、本発明の印刷網状電極を説明する
放電容器の管軸に垂直な面での断面図であり、印刷パタ
ーンを拡大したものであるが、印刷網状電極７の印刷線
幅は、最細線幅で１００μｍとなるように設計した。こ
こで列記したソルダーガラスは、選択した導電性物質と
放電容器の性質に合わせて適宜選ばれるものである。

【００２３】次に、ここで定義している開口率は、極力
１００％に近いことが望ましいことは言うまでもない。
従来技術においては、この点について、極力開口率の高
い材料が選定されてきた。しかし、後ほど図６により説
明するが、電極厚みについても、極力薄いことがランプ
からの光取り出し効率の点から望ましい。

【００２４】したがって、開口率が同じであっても印刷
網状電極７の最細線幅の幅（Ｗ）と断面の厚み（Ｄ）と
の比、Ｗ／Ｄの値がある一定以上の値であることが重要
であることを実験により見出した。従来技術から開口率
８０％程度を達成することはできるが、それ以上は金属
線が細くなり、また隣り合う金属線との間隔が広くなる
ため、金属線が切れやすくなったり、外部からの力で網
目が変形しやすくなり、放電容器上に均一な網目の製作
が容易ではない。不均一な網状電極は、放電を不安定に
する。

【００２５】本発明の印刷網状電極によれば、開口率８
０％以上は昨今のスクリーン印刷技術等により達成が可
能であり、印刷可能な最細線幅は年々細くはなってい
る。現状の量産工程では最細線幅（Ｗ）は１００μｍま
でが可能である。その場合、１回の印刷で可能な薄さ
は、５μｍより薄いと塗布することができず、また、２
０μｍより厚いと外側管３と堅牢な接合を得ることが困
難になるので、印刷電極の厚み（Ｄ）は５〜２０μｍが
適切である。最細線幅（Ｗ）１００μｍのとき、印刷電
極の断面の厚み（Ｄ）２０μｍの場合、Ｗ／Ｄ＝５とな
る。従来技術において実現が困難な、開口率が８０％以
上の誘電体バリア放電ランプにおいて、上記の説明から
明らかなように、Ｗ／Ｄ≧５であることにより、放電容
器からのインコヒーレント光の取り出し効率を従来技術
より向上させることが可能となる。

【００２６】放電用ガスとしては、キセノンガスを放電
容器１内に３９．９ｋPa封入した。周波数１５キロヘル
ツの電源で、ランプ長１ｃｍ当たり２ワットの電力で放
電させたところ、キセノンの分子発光である波長１７２
ｎｍのブロードなインコヒーレント光が高効率で放射さ
れ、光出力が、図３や図４に示した金属線で編んだ金属
網状電極の従来技術と比較して改善された。その比較結
果を図８に示す。

【００２７】金属線で編んだ金属網状電極の従来型ラン
プと本発明の印刷網状電極のランプとをそれぞれ３本づ
つ用意した。光出力はセンサーをランプから距離３０ｍ
ｍに離したところに置き、そのセンサーの指示値(任意
単位)とした。ランプへの投入電力は一定（ランプ長１
ｃｍ当たり２ワット）とした。図８は、発光効率（任意
単位／ワット）＝光出力（任意単位）÷投入電力（ワッ
ト）として算出した結果を示した表である。この表か
ら、３本の平均で金属網状電極ランプでは発光効率の値
が７８であったのに対し、本発明の印刷網状電極ランプ
では発光効率の値が８１．９であり、約５％改善されて
いる。

【００２８】そして、図９は、放射照度維持率に関し
て、従来技術と本発明の比較を示す図である。図９に示
すように、１０００時間後の照度維持率をみると、従来
の金属線を編んだ金属網状電極のランプでは７０％であ
り、本発明の印刷網状電極のランプでは７５％であり、
約５パーセント改善されたことが分かる。

【００２９】電極を導電性物質とガラスを混合した複合
体の印刷網状電極７とすることで、放電容器１表面に空
隙がなくなり、不所望な放電がなくなり、電力の無駄が
なくなる。したがって、本発明の誘電体バリア放電ラン
プにおいては、不所望な放電がないので発光効率は改善
されるものである。

【００３０】また、従来技術においては、網状電極とし
て、複数本の金属線で編んだ網を用いることにより、放
電容器内部で発生したエキシマー分子からのインコヒー
レント光を外部に取り出すが、網状電極の厚みが開口部
に比較して厚いため、特に、開口部に対して斜めに出射
するインコヒーレント光を有効に外部に取り出せない問
題点があった。

【００３１】しかし、本発明においては、十分薄い網状
の電極を、導電性物質とガラスとを混合した複合体から
なる印刷電極により実現できる。図６は、従来技術と本
願発明の比較のための説明図である。図６の（ａ）は本
発明の印刷網状電極７を配設した誘電体バリア放電ラン
プの放電容器から所定の角度を有する出射光の進み方を
示しており、図６の（ｂ）は従来の金属線の網状電極４
を配設した誘電体バリア放電ランプの放電容器から、前
記と同じ所定の角度を有する出射光の進み方を示してい
る。図６（ａ）、（ｂ）とも対応する電極の幅及び電極
間距離を同じにして示してあるが、同図を比較して分か
るように、本発明のランプでは従来技術のランプより、
多くの斜めに出射するインコヒーレント光を有効にラン
プ外部に取り出すことができる。

【００３２】また、図４や図５に示した空隙６の存在に
起因する不所望な放電がなくなると、電極の材料の飛散
がなくなり、放電容器１の光透過率は低下せず、照度維
持率も改善されるようになる。

【００３３】本発明の第２の実施例として、網状の電極
の導電性物質として金（Ａｕ）を利用した以外は、第１
の実施例と同じ仕様で誘電体バリア放電ランプを作製し
た場合を説明する。

【００３４】金粉末に、ＰｂＯ、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂から
なるソルダーガラスとバインダーを有機溶剤としてブチ
ルカルビトールアセテートを使用し、混練し混合したペ
ーストをスクリーン印刷により、放電容器に印刷し、乾
燥後、６００℃、２０分間で焼結して形成したものであ
る。この印刷網状電極の厚みは、約７μｍであった。ま
た、開口率は従来技術との比較のため、８３％に固定し
た。最細線幅で第１の実施例と同様の１００μｍとなる
ように設計した。

【００３５】次に、放電容器内に放電用ガスとしてキセ
ノンガスを３９．９ｋPa封入した。周波数１５キロヘル
ツの電源でランプ長１ｃｍあたり２ワットの電力で放電
させたところ、キセノンの分子発光である波長１７２ｎ
ｍのブロードなインコヒーレント光が高効率で放射され
た。そして、発光効率が図４に示した金属線で編んだ金
属網状電極の従来技術と比較して約５パーセント改善さ
れ、１０００時間後の照度維持率が約５パーセント改善
された。

【００３６】本実施例に使用した材料以外でも、網状電
極用の導電性物質として、例えば、Ｎｉ−Ｃｕ合金であ
るモネル、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金であるハステロイなど
も本発明に好適である。ニッケル酸化物は導電性である
ことで知られ、ニッケル同様に耐食性に優れる。また貴
金属である金、白金も本発明に好適である。これらの導
電性物質は、種々の方法で粉末化したものが市販されて
いる。

【００３７】なお、本発明に係る網状の電極である、導
電性物質とガラスとを混合した複合体の印刷網状電極
は、スキャナーや複写機といった、情報機器の原稿読取
用に使用される、誘電体バリア放電を利用した蛍光ラン
プにも適用できるものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明がもたらす効果について述べる。
本発明における導電性物質とガラスとを混合した複合体
からなる印刷網状電極は、種々の導電性材料とガラスを
選択することによって、スクリーン印刷という簡便な方
法により実現でき、ランプの発光効率を改善するととも
に寿命も改善することができるものである。

【００３９】また、本発明においては、導電性物質とガ
ラスとを混合した複合体からなる印刷電極により十分薄
い網状電極を実現でき、より多くの斜めに出射するイン
コヒーレント光を有効に外部に取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略図である。

【図２】本発明の印刷網状電極を説明する放電容器の管
軸に垂直な面での拡大断面図である。

【図３】従来技術を示す概略図である。

【図４】従来技術の網状電極を説明する放電容器管軸に
垂直な面での断面図である。

【図５】従来技術の不具合を示す放電容器管軸に垂直な
面での断面図である。

【図６】従来技術と本願発明の比較のための説明図であ
る。

【図７】電極の開口率を説明するための模式図である。

【図８】発光効率に関して、従来技術と本発明の比較を
示す表である。

【図９】放射照度維持率に関して、従来技術と本発明の
比較を示す図である。

【符号の説明】

１放電容器２内側管３外側管４網状電極５電極６空隙７印刷網状電極８保護層９バリウムゲッター１０突起部１１電源Ｗ印刷電極の幅Ｄ印刷電極の厚み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電容器に誘電体バリア放電によってエ
キシマ分子を形成する放電用ガスが充填され、該放電容
器の少なくとも一部は該誘電体バリア放電の誘電体を兼
ねており、該誘電体の少なくとも一部は該エキシマ分子
から放射される光に対して光透過性であり、該誘電体の
少なくとも一部に網状電極が設けられた誘電体バリア放
電ランプにおいて、該網状電極が、導電性物質とガラスとを混合した複合体
の印刷網状電極であって、該ガラスが該誘電体と接合し
て、該印刷網状電極が該誘電体に保持されていることを
特徴とする誘電体バリア放電ランプ。
【請求項２】前記印刷網状電極の開口率が８０％以上
であって、前記印刷網状電極の最細線幅Ｗと該印刷網状
電極の断面の厚みＤの比がＷ／Ｄ≧５であることを特徴
とする、請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプ。