JP2004186068A

JP2004186068A - エキシマランプ発光装置

Info

Publication number: JP2004186068A
Application number: JP2002353667A
Authority: JP
Inventors: Taku Sumitomo; 卓住友
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP3858813B2

Abstract

【課題】内側電極が放電用ガス内に接触配置する構造のエキシマランプにおいて、安定な放電ができるとともに、低い電圧で確実に点灯始動できる構造を提供すること。
【解決手段】誘電体材料からなる放電容器２の内部に放電用ガスを接触して配置する内部電極４と、放電容器２の外面に配置された外側電極３からなるエキシマランプ１と、このエキシマランプに急峻な立ち上がりを有するパルス波形の電圧を供給する給電装置１０から構成されるエキシマランプ発光装置において、前記給電装置は、前記エキシマランプの点灯始動時には前記内側電極に対して少なくとも正の高圧パルスを印加させるとともに、その後、前記内側電極に対して負の高圧パルスを印加することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエキシマランプ発光装置に関し、特に、誘電体材料を介在させて放電するエキシマランプであって内側電極が放電ガス内に配置するタイプのエキシマランプ発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマランプは、例えば、特開平２−７３５３号（特許第２０５７２１１号）に開示されており、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ページ参照）によってエキシマ分子を形成せしめ、この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。また、ドイツ特許公開公報ＤＥ４０２２２７９Ａ１にはＭＨｚという単位で点灯させるエキシマランプが開示されている。
【０００３】
エキシマランプは放電容器内部に放電用ガスが充填されているが、一方の電極は放電容器の外面（外側）に配置する。他方の電極は一方の電極と同様に放電容器の外面に配置する場合と放電容器の内部であって放電用ガスと接触して配置する場合がある。この場合、一方の電極を外側電極ともいい、他方の電極を内側電極ともいう。
【０００４】
図４は内側電極が放電容器の内部に配置するタイプのエキシマランプの概略構成を表す。エキシマランプ１は放電容器２の外面に外側電極３と有し、放電容器２の内部に形成される放電空間内に内側電極４を有する。放電容器２は石英ガラスなどの誘電体材料からなり、外側電極３と内側電極４が誘電体を介在させて放電することで放電容器２内にエキシマ放電５を生じる。この放電によって真空紫外光（波長２００ｎｍ以下の光）が放射される。
このようなエキシマランプは、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ない種々の特長、例えば、単一の波長の真空紫外光を強く放射するなどを有している。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２９８８８６号
【特許文献２】
特開平７−２２０６９０号
【特許文献３】
特許第３１８０５４８号
【特許文献４】
特許第３１７８２３７号
【０００６】
しかしながら、上記構造のエキシマランプは、放電容器内の放電が必ずしも安定しておらず不安定に揺らいでいたり、あるいは、比較的高い電圧を印加しなければ良好に点灯始動できないという問題を有していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、内側電極が放電用ガス内に接触配置する構造のエキシマランプにおいて、安定な放電ができるとともに、低い電圧で確実に点灯始動できる構造を提供することである。
【０００８】
【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に係る発明は、誘電体材料からなる放電容器の内部に放電用ガスを接触して配置する内部電極と、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と、このエキシマランプに急峻な立ち上がりを有するパルス波形の電圧を供給する給電装置から構成されるエキシマランプ発光装置において、前記給電装置は、前記エキシマランプの点灯始動時には前記内側電極に対して少なくとも正の高圧パルスを印加させるとともに、その後、前記内側電極に対して負の高圧パルスを印加することを特徴とする。
【０００９】
これは、一方の電極（内側電極）が放電用ガスと接触するタイプのエキシマランプにあっては、この内側電極に対して正の高圧パルスを印加するか、あるいは負の高圧パルスを印加するかにより、放電安定性が変化すること及び点灯始動性が変化することを見出し、点灯始動時には内側電極に正の高圧パルスを印加することで低い電圧による点灯始動を可能とするとともに、その後の安定点灯状態では内側電極に負の高圧パルスを印加することで均一な安定点灯を提供するものである。
さらに、請求項２に係る発明は、前記内側電極はコイル形状であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るエキシマランプ発光装置のきわめて簡略化した概略構成を示す。
エキシマランプ１は給電装置１０に接続されている。エキシマランプ１の構成は図４に説明したものと同じであり、放電容器２の外面に外側電極３を有し、放電容器２の内側、すなわち放電用ガスに接触した形で内側電極４が配置している。放電用ガスはキセノンガスやアルゴンガスなどから構成される。
【００１１】
図２は給電装置１０の概略回路構成を表す。
交流電源ＡＣに接続される給電装置１０は、ブリッジ型整流回路とコンデンサによって直流電流に変換されて、４つのスイッチング素子がフルブリッジ型に接続されたスイッチング回路により、所定の周波数のパルスを発生させて、これが昇圧トランスにより高圧パルスとなって一端Ｅ１はエキシマランプ１の外側電極に他端Ｅ２は内側電極に印加される。また、このとき一般的には外側電極に接続される一端Ｅ１は設置される。高圧パルスについて一例をあげると、周波数が１０ｋ〜１００ｋＨｚの範囲から選択されて３３ｋＨｚであり、ピーク電圧値は１ｋ〜１０ｋＶの範囲から選択されて６ｋＶである。
【００１２】
次に、スイッチング回路の動作を説明する。スイッチング回路は図示略の駆動回路に接続され、駆動回路からの指令信号により、各スイッチング素子がオンーオフ駆動する。
まず、点灯始動時には、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をオンーオフ駆動するとともに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３はオフのままとすることでオンーオフ駆動のタイミングに対応した正の高圧パルスをランプ１の内側電極に発生させる。
次に、光センサーや光量測定器などからなる安定点灯確認手段が、ランプ１の発光量を十分に検知すると、給電装置１０はランプが点灯始動時を既に経過したものと認識する。この認識により、駆動回路はスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオフするとともに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンーオフ駆動させ、このオンーオフ駆動のタイミングに対応した負の高圧パルスをランプ１の内側電極に発生させる。
なお、高圧パルスの極性の切替について数値例をあげると、点灯始動後０．５〜２．０秒の範囲から選択され、例えば１．０秒である。
【００１３】
図３は給電装置から内側電極に印加する高圧パルスの簡略波形を表す。なお、現実には高圧パルスの後に振動波形を伴うものであるが、図においては、最初のパルスのみに着目しているため振動波形は省略している。
図より、内側電極に対して印加する高圧パルスは、点灯始動時は正の高圧パルスであり、その後、負の高圧パルスに変わることが示される。
【００１４】
ここで、給電装置からエキシマランプに対する高圧パルスは間隔（休止期間）を設けて印加することが発光効率の点で好ましく、また、高圧パルスは急峻な立ちあがり波形で印加することが望ましい。これは急峻な立ち上がり波形の電圧を印加すると、正弦波電圧のような緩やかな電圧を印加する場合に比べて、放電容器内のガスそのものに直接電圧を印加するような状態に近づくためであり、また、休止期間を設けることは一度生成したエキシマ分子を破壊させないためである。なお、立ちあがりの数値例をあげると、０．０３μ秒〜９μ秒の範囲から選択され、例えば０．５秒であり、パルス幅は０．５μ秒〜５μ秒の範囲から選択され、例えば１μ秒であり、休止期間は２５μ秒〜２９．５μ秒の範囲から選択され、例えば２９μ秒である。
【００１５】
本発明のエキシマランプは図１及び図４に示すように内側電極がコイル状、あるいは螺旋状であることが好ましい。これは内側電極と外側電極の最短距離という点でみると、コイル状あるいは螺旋状にすることで所定間隔ごとに最短距離が最小になるポイントが形成されるからであり、このポイントにおいて、内側電極と外側電極との間に放電が発生しやすくなるからである。なお、外側電極は放電容器の長手方向に均等間隔で平行に複数本を線状電極としてスクリーン印刷などで形成される。この外側電極の形状は、例えば、特表平８−５０８３６３号（特許第３２９８８８６号）に開示されている。外側電極の１つは幅２ｍｍ程度のものであって、放電容器の周囲に例えば８本配置されている。
【００１６】
エキシマランプ１について、数値例をあげると、放電容器の外径はφ２０〜６０ｍｍの範囲から選択されて、例えばφ４０ｍｍであり、放電容器の発光長（電極が伸びる方向の長さ）は８０〜１２００ｍｍの範囲から選択されて、例えば１００ｍｍである。
内側電極のコイルは半径が６〜１０ｍｍの範囲から選択されて、例えば８ｍｍであり、ピッチは１０〜２０ｍｍの範囲から選択されて、例えば１５ｍｍである。
放電用ガスはキセノンガスが１５ｋＰａ封入されている。
【００１７】
ここで、内側電極に対する印加パルスの極性と放電開始電圧の関係について実験結果を示す。
上記エキシマランプに対して、内側電極に対して負の高圧パルスを周波数３０ｋＨｚ、パルス幅１．５μ秒を印加させながら、給電装置からの出力電圧を徐々に増大させると、ピーク電圧５．５ｋＶにおいて放電が開始した。
一方、同一周波数、同一パルスの正の高圧パルスを内側電極に印加して、同様に給電装置の出力電圧を徐々に増大させると、ピーク電圧４．２ｋＶにおいて放電が開始した。
この実験から内側電極に対して正の高圧パルスを印加させて点灯始動させると、負の高圧パルスを印加させる場合に比べて、約１ｋＶ低い電圧で点灯始動できることがわかる。
【００１８】
次に、内側電極に対する印加パルスの極性と放電安定性について説明する。
上記の実験に続いて内側電極に対して正の高圧パルスをそのまま印加させた場合と、内側電極に対して負の高圧パルスをそのまま印加させた場合の定常点灯時における放電の状態を観察した。
この場合、内側電極に対して正の高圧パルスを印加させたランプは、図５に示すように内側電極の特定の箇所から外側電極の全域に広がるような不均一で好ましくない放電をなった。一方の内側電極に対して負の高圧パルスを印加させたランプは、図４に示すように複数の放電が略均一に形成されるという良好な放電を発生させることができた。
【００１９】
以上の現象は下記のように理解される。放電を発生させる主要な役割を果たす電子は負極側から放電空間に放射されるが、内側電極に対して正の高圧パルスを印加させると、外側電極の内側に配置される放電容器から電子は放射されなければならない。しかも放電容器は石英ガラスなどの誘電体内によりなり、誘電体に誘起された電子は誘電体内を自由に移動することが困難であるため、誘電体表面にほぼ均一に分布する薄い放電が生成される。
逆に内側電極に対して負の高圧パルスを印加させると、電子は内側電極から放電空間へ放射されることになるが、電極から放電空間へは電子が多量に放射され、かつ電子は電極内を自由に移動できる。その結果、どこか一箇所で両電極間での放電破壊が生じると、内側電極内の電子は一箇所の放電破壊路を通過することになり、不均一で濃い放電が生成される。なおこのとき、放電破壊路への電子供給がスムーズに行われるため、点灯始動する電圧が低くて済むことは明らかである。
【００２０】
ここで、本発明は高圧パルスの印加電圧を内側電極に着目して印加させており、外側電極には高圧パルスを印加していない。この理由は、エキシマランプは通常ケーシングなどに内蔵させて照射装置として活用するが、外側電極に高圧パルスを印加すると外側電極とケーシングの間、あるいはケーシング内の他の構成部材との間で不所望な放電を起こすことがあるからである。このため、他の部位と異常放電を起こす可能性のない内側電極を高圧パルスの印加電圧として、外側電極をアースすることが安全だからである。
【００２１】
なお、点灯始動時の正の高圧パルスは、少なくとも正の高圧パルスを有していればよく、例えば、正負の繰り返し高圧パルスを印加してもよい。この場合は正の高圧パルスのときに点灯始動できるからである。
【００２２】
以上、この発明に係るエキシマランプ発光装置は、点灯始動時には内側電極に対して正の高圧パルスを印加させて、その後、内側電極に対して負の高圧パルスを印加することで、低い印加電圧で確実に点灯始動できるとともに、その後は均一性のある安定した放電を持続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエキシマランプ発光装置を示す。
【図２】本発明の係るエキシマランプ発光装置の給電装置の回路図を示す。
【図３】本発明に係るエキシマランプ発光装置による高圧パルスの発生状態を示す。
【図４】本発明に係るエキシマランプを示す。
【図５】本発明と対比するためのエキシマランプの発光状態を示す。
【符号の説明】
１エキシマランプ
２放電容器
３内側電極
４外側電極
１０給電装置

Claims

誘電体材料からなる放電容器の内部に放電用ガスを接触して配置する内部電極と、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と、このエキシマランプに急峻な立ち上がりを有するパルス波形の電圧を供給する給電装置から構成されるエキシマランプ発光装置において、
前記給電装置は、前記エキシマランプの点灯始動時には前記内側電極に対して少なくとも正の高圧パルスを印加させるとともに、
その後、前記内側電極に対して負の高圧パルスを印加することを特徴とするエキシマランプ発光装置。
前記内側電極はコイル形状であることを特徴とする請求項１のエキシマランプ発光装置。