JP2001155680A

JP2001155680A - 低圧水銀蒸気放電灯

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Publication number: JP2001155680A
Application number: JP33935999A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Endo; 真一遠藤; Daisuke Horii; 大祐堀井; Fumio Suzuki; 史生鈴木; Takashi Ito; 孝志伊藤
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-06-08
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP4228378B2

Abstract

(57)【要約】【課題】前記合成石英ガラス製の発光管を長時間点灯
した後に発生する発光管リーク等に起因する不点現象の
原因を究明し解決したものであり、紫外線透過率特性が
優れた合成石英ガラスを発光管材料として使用し、発光
管リークの問題がない長寿命の低圧水銀蒸気放電灯を提
供することを目的とする。【解決手段】本発明は、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）を
原料とする合成石英ガラス製の発光管の両端に電極を封
着し、内部に水銀及び希ガスを封入し、同発光管の内面
に無塩素合成ガラス層を被着し前記石英ガラス中の水酸
基（ＯＨ基）性分子の含有量（ｐｐｍ）が塩化物基（Ｃ
ｌ基）の含有量（ｐｐｍ）よりも多いことを特徴する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低圧水銀蒸気放電灯
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の表面洗浄やレジストのア
ッシング、超純水製造用の被処理水中の有機物の酸化分
解あるいは樹脂などの表面改質用の光源として、低圧水
銀蒸気放電灯が使用されている。これは、低圧水銀蒸気
放電灯は大きいエネルギーの紫外線を放射し、その波長
が短いほど大きいエネルギーを有しており、紫外線によ
る殺菌のみならず、物質の表面に付着する有機物を分解
し、洗浄・浄化することが可能であるからである。この
種の低圧水銀蒸気放電灯は発光管内に水銀及び希ガスを
封入し、両端に封着した電極に電位を加えて放電させ、
水銀の発光スペクトル、主として１８５ｎｍ及び２５４
ｎｍの波長を放射するようにしている。

【０００３】前記の低圧水銀蒸気放電灯のうち、波長２
００ｎｍ以下の紫外線を利用する放電灯は、発光管材料
として石英ガラスを使用している。一般に石英ガラスは
天然に産出される水晶を原料として製造され、紫外線の
透過率特性が良好であるという特性を有するが、さらに
低圧水銀蒸気放電灯の発光効率を高めるために、天然の
石英ガラスとは区別して金属不純物の少ない合成石英ガ
ラスが使用されている。

【０００４】合成石英ガラスの製造方法はいくつかの種
類があり、原料として四塩化珪素を使用している。直接
法とよばれる製造方法は、四塩化珪素ガスを酸水素火炎
中に送り込み、四塩化珪素を加水分解してガラス状の純
粋な二酸化珪素の塊を得る手法である。また、スート法
とよばれる製造方法は、四塩化珪素ガスを酸素とともに
加熱し、酸化させ、ガラス状の二酸化珪素の塊を得る手
法である。この他にも様々な合成方法が知られている
が、いずれも四塩化珪素を原料とし、加水分解あるいは
酸化分解して酸化珪素のガラス状の塊を得ることができ
る。放電灯用発光管材料にするにはこれを加熱して管状
に成形することにり、合成石英ガラス管をつくることが
できる。

【０００５】前記合成石英ガラスは、原料として化学的
に精製された四塩化珪素を使用するため、金属等の不純
物の混入が極めて少なく、発光管材料として使用する場
合、２００ｎｍ以下の波長域での紫外線透過率特性が、
天然水晶を原料とする一般の石英ガラスと比較して優れ
ている。そこで、低圧水銀蒸気放電灯の波長２００ｎｍ
以下の発光効率を高めるために、少なくとも発光部を形
成する発光管中央部の石英ガラスとして合成石英ガラス
を用いることが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、合成石
英ガラスを使用した低圧水銀蒸気放電灯は、ランプ寿命
末期に発光管にクラックが入り、リークして不点になる
ことがある。一般の天然水晶を原料とする石英ガラスと
比較して、合成石英ガラスを用いたランプは、長時間点
灯すると発光部の石英ガラスに歪みが発生し、わずかな
機械的負荷がかかることにより発光管にクラックが入り
リークし、不点に至る問題がある。

【０００７】本発明者等は、前記合成石英ガラス製の発
光管を長時間点灯した後に発生する発光管リーク等に起
因する不点現象の原因を究明し解決したものであり、紫
外線透過率特性が優れた合成石英ガラスを発光管材料と
して使用し、発光管リークの問題がない長寿命の低圧水
銀蒸気放電灯を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに本発明は、主として四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）を
原料とする合成石英ガラス製の発光管の両端に電極を封
着し、内部に水銀及び希ガスを封入し、同発光管の内面
に無塩素合成ガラス層を被着してなり、前記石英ガラス
中の水酸基（ＯＨ基）性分子の含有量（ｐｐｍ）が塩化
物基（Ｃｌ基）の含有量（ｐｐｍ）よりも多いことを特
徴する。また、前記石英ガラス中の水酸基性分子の含有
量は１００ｐｐｍ以上であり、前記塩化物基の含有量は
１００ｐｐｍ以下であることを特徴する。さらに、前記
無塩素合成ガラス層は、酸化アルミニウム、酸化イット
リウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムの少なくとも一
種以上の成分を有する。

【０００９】前記構成により、放電灯から放射される短
波長紫外線の発光効率が高く、かつ発光管リークによる
不点の問題がない。特に、合成石英ガラス中の水酸基と
塩化物基との含有量を規定することにより、発光管材料
が短波長紫外線の放射を受けることによって、合成石英
ガラス内部での塩化物基の放出に伴い、ガラス中に発生
する結合欠陥の増加を、水酸基が置き換わることによっ
て抑制するので、歪みの発生が緩和されて、そのため寿
命末期の発光管リークが防止される。また、酸化アルミ
ニウム等の無塩素合成ガラス層の被着により発光管の黒
化による紫外線出力の低下を防止することができる

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
に基づいて説明する。図１中、１は合成石英ガラスで構
成した発光管であって、内径１７ｍｍのものを３は陰極
として作用するタングステンフィラメントであって、バ
リウム、カルシウム、ストロンチウムの酸化物からなる
エミッタが塗付されている。４はタングステンフィラメ
ント３を支持してなる一対の支柱であり、該支柱の一端
にニッケル等の耐熱性金属からなる陽極５が接続され、
電極２を構成している。６ａ，６ｂは一対の支柱４の外
端に接続してなるモリブデン箔、７ａ，７ｂは該モリブ
デン箔６ａ，６ｂの外端に接続してなる外部リード線で
ある。また、発光管１の内面には酸化アルミニウムの無
塩素合成ガラス層８が約１００μｍの厚さで被着されて
いる。

【００１１】前記発光管１の内部には、数ｍｇから数十
ｍｇ、好ましくは５０ｍｇの水銀と、数十から数百パス
カル、好ましくは４００パスカルのアルゴンガスを封入
してある。そして、電極間に電圧を印加することによ
り、両端のタングステンフィラメントから熱電子を放出
させ、水銀原子に電子を衝突させることにより水銀を励
起させ、両電極間に放電が発生するようになっている。
前記した発光管を有する低圧水銀蒸気放電灯は、例えば
ランプ電力１２０Ｗ、ランプ電流２Ａで点灯して使用す
るが、定格寿命は約１２０００時間である。

【００１２】次に、本発明に係る合成石英ガラス製発光
管の水酸基と塩化物基との含有量について実証した結果
を以下に説明する。まず、発光管に無塩素合成ガラス層
を被着しない従来の天然石英ガラスよりなる発光管とＯ
Ｈ基濃度（ｐｐｍ）およびＣｌ基濃度（ｐｐｍ）の異な
るいくつかの合成石英ガラスからなる発光管とを使用し
て製作された放電灯について、第一の比較実験結果を表
１に示す。なお、本実験において、水酸基の性質を有す
る分子の含有量は赤外線分光法で、塩化物基の含有量は
放射化分析法で測定した。

【００１３】

【表１】＊寿命特性：○印は、１２０００時間点灯で、不点の発
生なし

【００１４】表１中、No.１及びNo.２は従来の天然石英
ガラス材料による実験結果である。このランプは短波長
紫外線である１８５ｎｍの光の放射効率が悪く、実用化
されていないが、比較のために実験した。この寿命特性
に異常はなかった。No.３〜No.７は、種々のＯＨ基濃度
とＣｌ基濃度を有する合成石英ガラスで製作した放電灯
である。合成石英はＳｉＣｌ₄ を原料とするためその組
成中に塩素を含有する点が天然石英ガラスと異なる。
又、製造方法や製造ロットによってそれぞれの含有量が
異なるものが得られる。このうちNo.７は他の元素を添
加し、脱塩素工程が加えられＯＨ基濃度とＣｌ基濃度を
いずれも１ｐｐｍ程度まで除去した材料である。このた
めに、Ｃｌ基濃度の安定なものが得られないことや、製
造工程が複雑で歩留まりが悪くコストが高い欠点があり
放電灯材料として適切でない。一般的に入手が容易な合
成石英ガラスはＣｌ基濃度が約２０〜千数百ｐｐｍのも
のである。

【００１５】表１に示す試料は寿命特性に異常がなく、
１２０００時間の点灯には問題がない。しかしながら、
これらのサンプルはいずれも水銀イオンの石英ガラス内
への侵入拡散により、１０００時間の点灯で紫外線出力
が初期の４０％にまで低下してしまう。これは、石英ガ
ラス中に侵入した水銀原子が発光管内のプラズマから放
射される短波長紫外線を吸収して熱エネルギーに変換し
てしまい、発光管の透過率が低下するためである。この
ため、半導体や液晶基板の洗浄工程で使用される場合、
洗浄効果が低下してしまい、洗浄の信頼性が低下する問
題になる。又、高い洗浄速度を維持するためには紫外線
出力管理と頻繁なランプの交換が必要でありランニング
コストが高くなってしまう。

【００１６】前記した問題を解決するため発光管の内面
に酸化アルミニウムからなる無塩素合成ガラス層を被着
し、前記と同様の実験を行った。その結果を表２に表
す。

【００１７】

【表２】＊寿命特性：○印は、１２０００時間点灯で、不点の発
生なし。×印は、１２０００時間経過前に、発光管クラ
ックによるリークで不点が発生。

【００１８】No.８とNo.９は天然石英ガラスに無塩素合
成ガラス層を被着して製作した放電灯である。この放電
灯は短波長紫外線である１８５ｎｍの光の放射効率が悪
く、実用化されていないが比較のために実験した。この
寿命特性に異常はなかった。No.１０〜No.１４は、種々
のＯＨ基濃度とＣｌ基濃度を有する合成石英ガラスに無
塩素合成ガラス層を被着して製作した放電灯である。表
１と同様にこれら放電灯に用いられる合成石英ガラスは
ＳｉＣｌ₄ を原料とするためその組成中に塩素を含有す
る点が天然石英ガラスと異なる。

【００１９】表２に示すように、これらの試料のうちい
くつかは寿命特性に異常がなく１２０００時間の点灯に
は問題がない。しかしながら、No.１０，No.１１はテス
ト中にガラスにクラックが入りリークして不点となっ
た。このように、無塩素合成ガラス層を被着したガラス
を使用した放電灯はは、前記した被着しない試料と比較
して紫外線出力の低下が少ないが、表２に示すように合
成石英を使用した放電灯の中で異常が生じる放電灯があ
る。そこで、本発明者はさらに検討を行ない、種々の実
験を行なった。

【００２０】表２に示すNo.９とNo.１０，１１とを比較
することにより１００ｐｐｍ以上の高濃度のＣｌ基の含
有量とクラック発生との因果関係が判明した。この石英
ガラスのクラックの原因を究明するために分析したとこ
ろ、クラックが生じたガラスには大きな歪みが観測され
た。この歪みを観察すると、石英ガラスの外側に引張り
応力の存在が確認され、クラックはガラス表面に存在す
る傷を起点に生じると考えられ、そのメカニズムは以下
のようなものであると推察される。

【００２１】合成石英ガラスに短波長紫外線が照射され
ると、その一部はガラス中に分散するＳｉ−Ｃｌ結合に
吸収される。波長１８５ｎｍの光はＳｉ−Ｃｌ結合より
高いエネルギーを持っているので、この結合を切断して
Ｃｌは自由となってガラス中を拡散しランプの外部に放
出され、消失する。Ｃｌ基が切断されたＳｉ原子は結合
性が強く近傍の酸素原子と結合してＳｉＯ₂構造をとる
が、この結合力によって原子間距離が短くなる。そし
て、この反応が多くなると次第にガラスは収縮する。ガ
ラスの内面付近と外表面付近では、照射される紫外線の
量に差があり、収縮率が異なることから、発光管の外表
面に歪み（引張り応力）が観察されるようになる。

【００２２】試料No.１０，１１の結果と、試料No.３，
４の結果とを比較すると、同じ合成石英を使用したにも
かかわらず寿命特性の差異がみられる。これは、無塩素
合成ガラスの被着層がない場合は、ガラスに短波長紫外
線が照射されてＳｉ−Ｃｌ結合が切断された箇所に水銀
の放電プラズマ中で発生するＨｇイオンが侵入すること
により、Ｓｉ−Ｈｇ結合が発生し、ガラス中の結合構造
に変化がなくそのために収縮が起こらないからである。
しかし、前述したように、ガラス中に侵入したＨｇは短
波長紫外線をよく吸収するので透過率は悪化する。無塩
素合成ガラス層がある場合、水銀イオンの侵入を抑制す
るので、石英ガラスの透過率低下は抑制されるが、ガラ
ス中に発生した非結合性Ｓｉによる収縮を抑制できない
場合があり、ガラスに歪みが発生して、クラックに至
る。

【００２３】しかしながら、試料No.１２はＣｌが存在
するにもかかわらずクラックの発生がない結果であっ
た。No.１２，１３はＯＨ基が１００ｐｐｍ以上含有す
る材料であり、寿命末期にリークの異常がなかっただけ
でなく、発光管に歪みが確認されなかった。試料No.１
４は、高濃度のＯＨ基、Ｃｌ基をほとんど含有しない試
料であるが、この試料はNo.１０，１１と比較して早期
に大きな歪みが確認され、クラックが発生するまでの時
間が短かった。これは、ＯＨ基、Ｃｌ基のいずれも少な
い合成石英ガラスは製造時のさまざまな処理でガラス中
から不純物が取り除かれるため、Ｓｉの結合欠陥を初め
から多く含んでおり、これに無塩素合成ガラス層を被着
することにより、外部からの元素の供給がないため早期
に歪みが発生しクラックに至ると考えられる。

【００２４】発明者等は様々なＯＨ基及びＣｌ基の含有
量の合成石英を使用して無塩素合成ガラスを被着した低
圧水銀蒸気放電灯のクラックの発生と、ガラス中に含有
するＯＨ基とＣｌ基の濃度による相関関係を確認するた
めに実験を行なった。その結果を表３に示す。

【００２５】

【表３】＊寿命特性：○印は、１２０００時間点灯で、不点の発
生なし。△印は、１２０００時間点灯で、不点は発生し
ないが発光管に歪みが観測される。×印は、１２０００
時間経過前に、発光管クラックによるリークで不点が発
生。

【００２６】合成石英ガラス中に含まれるＯＨ含有量
は、製造方法や製造ロット間において様々で１ｐｐｍ未
満から１５００ｐｐｍの間のものを得ることができる。
又、Ｃｌ基含有量も１ｐｐｍ未満から１８００ｐｐｍの
間のものが得られるが、ＯＨ基が多いほど少ない傾向に
ある。直接法で製造された合成石英は、通常数十から数
百ｐｐｍのＯＨ基と２０から２００ｐｐｍのＣｌ基を含
有する。これらの含有量は前述したとおり、製造する前
に機器分析によって定量化することが可能である。

【００２７】試料No.１５〜No.１７はＣｌ基含有量がＯ
Ｈ基含有量より多いグループである。これらは、いずれ
も寿命試験でクラックが発生している。試料No.１８〜N
o.２１はＣｌ基含有量とＯＨ基含有量とがほぼ同一のグ
ループである。この場合、クラックの発生にばらつきか
生じている。試料No.２２〜No.２８はＯＨ基含有量が１
００ｐｐｍ以上で、Ｃｌ基含有量が１００ｐｐｍ以下の
グループである。このグループはクラックが発生せず、
歪みも観察されなかった。

【００２８】以上の結果から合成石英ガラス中に含まれ
るＯＨ基含有量とＣｌ基含有量とをあらかじめ規定した
ものを使用することにより、ランプ寿命特性の安定した
低圧水銀蒸気放電灯を得ることができる。特に、点灯後
１２０００時間経過後においても歪みが観察されないこ
とは、さらなる長時間の点灯においても寿命特性の安定
性が期待され、ランプの寿命特性の信頼性を向上させる
ことにつながる。

【００２９】本発明の実施の形態において、無塩素合成
ガラス層の成分に酸化アルミニウムを用いた例を説明し
たが、無塩素合成ガラス層を形成する成分は、酸化アル
ミニウム、酸化イットリウム、酸化チタン、酸化ジルコ
ニウムのうちの少なくとも一種またはこれらの複合物で
も同様の効果が得られることが確認された。

【００３０】本発明において、ＯＨ基１００ｐｐｍ以上
とＣｌ基１００ｐｐｍ以下との規定は実験的に確認され
たものであり、本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の発光
管材料としての合成石英ガラス中に含有されるＯＨ基及
びＣｌ基については、それらの含有量をｐｐｍで表記
し、これは含有される重量比から算出されるものであ
る。本明細書中で説明するＯＨ基とは、水酸基（ＯＨ
基）の性質を有し、合成石英ガラス中に含有される分子
の全てを示すものである。

【００３１】本明細書の中で説明する合成石英ガラスの
原料は、主として四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）である
が、合成石英ガラスの原料としてトリクロロシラン（Ｓ
ｉＨＣｌ₃ ）が用いられることもある。この場合も合成
石英ガラスには塩素が含有されるので、本発明に係る作
用、効果は同じである。また、本実施の形態では直管状
の放電灯について説明したが、発光管の形状はＵ字形等
の曲管状の発光管でも適用可能である。

【００３２】本発明の実施の形態において、図１に示す
ように発光管を形成するガラス材料のすべてを合成石英
ガラスで構成する場合について説明したが、短波長紫外
線を効率よく放射するために必要な合成石英ガラス管
は、両電極間の発光部だけでもよい。そのため、図２に
示すように、発光部のみを合成石英ガラス管１１で構成
してもよい。図中１２は発光管の両端部であり、一般の
天然石英ガラス１２よりなる。また、図１と同一符号は
同一部品を示す。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
寿命特性の安定した紫外放射効率の高い低圧水銀蒸気放
電灯を得ることができる。また、前記石英ガラス中の水
酸基性分子の含有量と塩化物基の含有量とを所定の範囲
に規定することにより、発光管に歪みの発生がなく寿命
特性が優れた信頼性の高い低圧水銀蒸気放電灯を得るこ
とができる。さらに前記無塩素合成ガラス層を、酸化ア
ルミニウム等で形成することにより、紫外放射効率が高
く、寿命特性が安定し、かつ長時間にわたって紫外線出
力低下が小さい低圧水銀蒸気放電灯を得ることができ
る。そして、このような低圧水銀蒸気放電灯を提供する
ことにより半導体や液晶の洗浄工程の信頼性向上、洗浄
速度の維持、ランニングコストの低減という特有の効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の発光管を示
す側面図である。

【図２】本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の他の実施例
を示す側面図である。

【符号の説明】

１発光管２電極３フィラメント４フィラメント支柱５陽極６モリブデン箔７外部リード線８無塩素合成ガラス層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤孝志埼玉県行田市壱里山町１−１岩崎電気株式会社埼玉製作所内Ｆターム(参考） 5C043 AA14 AA20 BB01 CC09 CD01 DD03 DD36 EA16 EB15 EC20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主として四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）を原
料とする合成石英ガラス製の発光管の両端に電極を封着
し、内部に水銀及び希ガスを封入し、同発光管の内面に
無塩素合成ガラス層を被着してなる低圧水銀蒸気放電灯
において、同石英ガラス中の水酸基（ＯＨ基）性分子の
含有量（ｐｐｍ）が塩化物基（Ｃｌ基）の含有量（ｐｐ
ｍ）よりも多いことを特徴する低圧水銀蒸気放電灯。
【請求項２】前記石英ガラス中の水酸基性分子の含有量
は１００ｐｐｍ以上であり、前記塩化物基の含有量は１
００ｐｐｍ以下であることを特徴する請求項１記載の低
圧水銀蒸気放電灯。
【請求項３】前記無塩素合成ガラス層は、酸化アルミニ
ウム、酸化イットリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウ
ムの少なくとも一種以上の成分を有する請求項１又は２
記載の低圧水銀蒸気放電灯。