JP2005222905A

JP2005222905A - エキシマランプ

Info

Publication number: JP2005222905A
Application number: JP2004032362A
Authority: JP
Inventors: Shingo Ezaki; 真伍江崎; Kazuya Hatase; 和也畑瀬
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】断面形状が略長方形状で長尺のエキシマランプにおいて、自重による撓みのため、ランプ長軸方向の中央部と端部ではランプ照射面と被照射体との距離が異なり、紫外線照射強度の違いで処理効果にバラツキが発生する問題があった。
【解決手段】本発明に係るエキシマランプは、内部に希ガスを封入した断面形状が略長方形状の放電容器の対向する壁面表面に電極を形成し、該電極間に高周波電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、真空紫外光を放射させるエキシマランプにおいて、該放電容器の長手方向の撓み量を低減するための反撓み構造を有することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は光洗浄、光灰化等の分野で紫外線光源として用いる真空紫外域に発光を有するエキシマランプの改良に関する。

エキシマランプはキセノンやクリプトン等の放電用ガスが充填された放電容器の外表面に取り付けられた一対の対向する電極間に高周波電圧を印加して放電させることで、ガス特有の紫外線を高効率で放射する光源である。
従来は２重円管で仕切られた放電空間に放電用ガスを充填して外側円管の外表面と内側円管の表面に密着して形成された電極間に高周波電圧を印加する2重管形のエキシマランプが実用化されていた。

このランプから放射される波長が２００ｎｍ以下の真空紫外域の紫外線は、大気中では酸素の吸収により到達距離が短いため、該２重管ランプではランプを収納した照射装置の前面に石英ガラス板を設置し、内部に不活性ガスを封入して照射物表面の紫外線強度を維持するような方策が用いられていた。このようなランプおよび照射器具の従来例としては、特許第２８５４２５５号公報（特許文献１）に記載されているものがある。

これに対して、例えば、特開２０００−２６０３９６号公報（特許文献２）には、光透過性に優れる誘電体からなって大面積のエキシマ照射面を有する薄箱形の放電容器と、当該放電容器内に充填された放電用の封入ガスと、前記エキシマ照射面の反対側の前記放電容器表面上に配置された据付電極とを少なくとも備え、１〜２０ＭＨｚの高周波電圧が前記据付電極と前記エキシマ照射面上に設けられる外部電極との間に印加されることによって、前記エキシマ照射面からエキシマ光が照射されることを特徴とするフラット形のエキシマランプが記載されている。このエキシマランプは、エキシマ照射面が平面状であるので、被照射体と充分に近づけることができる。そのため、円管形ランプのように不活性ガス雰囲気を必要とせず、故に、前面ガラスも必要としない。しかしながら、このランプは被照射体とランプとの間に厚い空気層があると、その空気層で紫外線が吸収されるので、これを避けるため、ランプと被照射体とはできる限り近づける必要がある。

特許第２８５４２５５号公報特開２０００−２６０３９６号公報

ところが、従来の２重円管形のランプでは、ランプを収納した照射装置の前面に石英ガラス板を設置し、内部に不活性ガスを封入して被照射物表面の紫外線強度を維持するような構造となっていたので、装置が大掛かりなものとなり、コストが高価であった。

また、薄箱形の石英製の放電容器とすることで、照射器具の前面ガラス板および照射器具内に充填する不活性ガスを不要にしたエキシマランプを実現できるが、長尺になるとランプの自重による撓みのため、ランプ中央部と端部では被照射物との距離が異なり、紫外線照射強度の違いで処理効果にバラツキが発生するという問題があった。

特に、波長が２００ｎｍ以下の真空紫外線を使用する場合には、大気中の酸素による吸収のためランプと被照射物との距離を数ｍｍと小さく設定する必要があり、ランプ中央部の撓みにより被照射体とランプとの接触の危険性が大きくなる問題があった。

ところで、従来の二重円管形のランプでは、前述のようにランプを収納した照射装置の前面に石英ガラス板を設置し、内部に不活性ガスを封入して被照射物表面の紫外線強度を維持するような構造となっていたので、たとえランプが撓んだとしても照射器具の前面ガラス窓に到達する紫外線強度に差が生じることは無かった。

これに対して、薄箱形の石英製の放電容器を用いたエキシマランプにおいては、照射器具の前面ガラス板および照射器具内に充填する不活性ガスは不要にできるが、ランプと被照射体との距離はできるだけ近づける必要があるので、ランプの撓みに対しては前述のような問題があった。

すなわち、ランプの撓みにより発生する前述の諸問題は、薄箱形の石英製の放電容器を用いたエキシマランプ特有のものであると言える。

本発明は長尺の薄箱形エキシマランプにおいて、ランプ長軸方向の撓みを低減して、均一な照射強度と処理効果が得られるとともに、被処理物とランプとの接触の危険性を少なくしたエキシマランプを提供することを目的とする。

本発明のエキシマランプは、内部に希ガスを封入し、最大長軸に直角な面における断面形状の少なくとも紫外線照射面側が直線状である放電容器の、前記紫外線照射面および該紫外線照射面と対向する壁面表面に電極を形成し、該電極間に高周波電圧を印加して放電を発生させ、真空紫外光を放射させるエキシマランプにおいて、前記放電容器の前記紫外線照射面における最大長軸方向のたわみに対して反撓み構造を有することを特徴としている。

本発明のエキシマランプは、ランプの撓みによって生じるランプ最大長軸方向での紫外線強度の不均一性を低減し、より均一な照射強度と処理効果が得られるとともに、被処理物とランプとの接触の危険性を少なくしたエキシマランプを提供することができる。

図１は本発明に係るエキシマランプの最大長軸方向に直角な面における断面図を示す。図１において２は放電容器を示し、略長方形状の断面を有している。ここで、放電容器の断面形状は紫外線取り出し面ができるだけ平坦な面であることが望ましいが、他の面は必ずしも平坦な面である必要はない。１は放電容器の上側表面のほぼ全面を覆うように設けられたベタ電極である。放電容器２を合成石英で構成した場合には、安定した電極被膜を形成するには、先ずクロムを蒸着し、次いで白金、金またはニッケル等の金属被膜を蒸着する。また、その反対側の紫外線照射面側（被処理物に対向する面側）表面には、前述の方法で形成した電極薄膜を例えば酸によるエッチングにより、メッシュパターンを形成して下側の光取り出し窓としてのメッシュ電極３を形成する。

これにより、ランプから放出される真空紫外光で発生するオゾンおよび活性酸素の雰囲気中でも、安定性のある電極が形成できる。このように構成したエキシマランプを、照射器具に取り付けて被照射体に紫外線を照射する。

図３はランプを照射器具に取り付けた状態を示し、ランプの最大長軸方向に直角な面における概略断面図である。図３において、１はエキシマランプ、４はランプを照射器具５に固定するための固定金具、６は被照射体である。

ところで、ランプの最大長軸方向の長さが長い場合には、ランプの重力による撓みでエキシマ照射面と被照射体との間隔が変わるため、被照射体に対する処理効果にバラツキを生じる。

その理由は、図７に示すようにランプの重力による撓みでメッシュ電極２を配設したエキシマ光照射面と被照射体６との間隔が、ランプの中央部と端部とでは変わることにより、エキシマ光の通過する空気層の厚みが変化し、そのためエキシマ光の酸素による吸収の度合いが変わり、前記被照射体に照射されるエキシマ光の強度にバラツキを生じるからである。

図７において、エキシマランプの両端を支点で支えた場合のランプ最大長軸方向における中央部の最大撓み寸法Ｂ（ｍｍ）は、エキシマランプの最大長軸方向に直角な面の断面形状が図８に示すような四角形である場合には次式で計算できる。

[数１] Ｂ＝（５ｗｌ^４）／（３２Ｅ（ｂ２ｈ２^３−ｂ１ｈ１^３））
ここで、ｌは支点間距離（ｍｍ）、ｗはランプ単位長あたり重量（ｇ／ｍｍ）、ｂ１、ｂ２、ｈ１およびｈ２は図４に示すエキシマランプの断面寸法で単位はｍｍ、Ｅはエキシマランプ材質のＹｏｕｎｇ率（ｇ／ｍｍ^２）とする。

ところで、本発明に係るエキシマランプは空気中で使用することを前提としているので、ランプの紫外線照射面と被照射体との間隔は均一でなければならない。
ここで、１７２ｎｍの波長の紫外線を大気中に照射すると、このような短波長の紫外線は酸素に吸収され易いために、０．５ｍｍ離れた位置では、その強度が７３%に減少する。１ｍｍ離れた位置と、１．５ｍｍ離れた位置と、２ｍｍ離れた位置と２．５ｍｍ離れた位置での紫外線の強度は、それぞれ約５８%、約４９%、約４３%、約３７％に滅少する。また、１７２ｎｍの波長の紫外線を被処理物３に照射した場合のドライ洗浄等に要する処理時間は、この紫外線強度が８５%に低下してもほとんど影響ないが、７０%に低下すると処理時間が３０%ほど長くなることが実験により確かめられた。

一般に、エキシマランプと被照射体との距離は前述したような理由から２〜３ｍｍに設定される。これよりも接近しすぎると被照射体が搬送される時、ランプと被照射体とが接触しやすくなり、ランプや被照射体に傷がつく恐れがある。逆にこれよりも離れすぎると、紫外線が通過する空気層が厚くなり、紫外線の吸収が大きくなる。

そこで、エキシマランプの紫外線照射面と被照射体との距離を最適値の２ｍｍに設定した場合には、その距離が０．５ｍｍ長くなると紫外線強度は前述の値から約８６％に低下することが分かる。ゆえに、被照射体に対する紫外線処理効果にバラツキを生じなくするためには、ランプと被照射体との距離のバラツキは０．５ｍｍ以内にする必要がある。

そこで、本発明に係るエキシマランプは、予めランプの重力による撓み量に対応して、少なくとも紫外線照射面側をある程度の変形量（加工時変形量）を持たせて形成する。そして、ランプを図２に示すように上に凸の方向にして照射器具に取り付ける。そうすれば、重力による撓み量と、ランプ加工時に変形させておいた加工時変形量とが相殺して、ランプのエキシマ光照射面はほぼまっすぐな面で照射器具に装着できる。その結果、ランプの最大長軸方向に対して、ランプ中央部とランプ端部の紫外線照射面と被照射体との距離は０．５ｍｍよりも小さくすることができる。

本発明においては、このように予めランプの紫外線照射面の重力による撓み量に対応して、少なくともランプを照射器具に取り付けた状態でランプ中央部における最大撓み量が低減されるように、ランプに加工時変形量を持たせて形成することを反撓み構造と定義している。加工時変形量としては、ランプを照射器具に取り付けた状態でランプ中央部における最大撓み量が０．５ｍｍ以内となるようにするのが好ましい。

図２は説明のために無重力状態で本発明に係るエキシマランプ放電容器２の両端を支点で支えた場合の様子を表している。実際には、ランプを横に寝かせて、紫外線照射面側が横にくる姿勢で水平に置いて紫外線照射面の曲がりの程度を測定できる。本発明のエキシマランプは、重力による撓み量が０．５ｍｍ以下になるように予め加工時変形量を持たせて形成しているので、重力状態に置くと撓み量は０．５ｍｍ以下となる。

加工時変形量を持たせたランプの製造は次の手順で行う。まず、曲がりのない放電容器を製作する。次に、前記曲がりのない放電容器の両端を支点で支え、重力による撓み量を測定する。次に、前記重力による撓み量に相当する曲面を有する凹面、凸面からなる対のグラファイト製の型の間に放電容器を挟み、前記放電容器が変形して前記型の曲面に沿う形になるまで全体の温度を上げる。次に放電容器の対の面に放電用電極を形成し、ランプを完成させる。

エキシマランプの長軸方向に直角な面における断面形状が略長方形状である図１のエキシマランプにおいて、縦寸法１２ｍｍ、横寸法３５ｍｍおよび石英の肉厚を２ｍｍ一定として、長軸方向の長さが異なる合成石英製の放電容器を試作した。なお、縦寸法、横寸法およびランプ長さはいずれも外側寸法であらわしている。放電容器内には放電ガスとしてキセノンを約３３ＫＰａ封入し、放電容器の上側外表面にはベタ電極を、また下側外表面にはメッシュ状電極を形成した。そして、このランプの両端を支えて照射器具にセットした場合の撓み量を測定したところ表１のようになった。

表１から分かるように、放電容器の最大長軸方向の長さが１．３ｍ以上では撓み量は０．５ｍｍを超えるようになり、実用上問題が生じることが判明した。封入ガスとしてキセノンを用いたエキシマランプは１７２ｎｍの真空紫外線を放射し、有機物の光洗浄に利用されているが酸素の吸収のため到達距離が短く、大気中では約２ｍｍ程度に近づけて照射される。例えば表１の比較例２のランプをランプ端部と被照射体との距離を２ｍｍにセットした場合は、ランプの長さ方向の中央部では０．５ｍｍの撓み量の影響で照射強度は約２０％変化し、洗浄効果に影響を及ぼす。

その様子が図４と図５に示してある。図４は本発明に係る実施例２のランプと、比較のためにランプの寸法は同じで重力による撓み量を考慮せずにほぼ真っ直ぐに形成した比較例２のランプとの、長軸方向におけるランプ中心部からの測定距離と、エキシマ照射面と被照射体との距離を表す照射距離との関係を示すグラフである。

このグラフから分かるように、重力による撓み量を考慮せず、加工時変形量を０としてほぼ真っ直ぐに形成した比較例２のランプでは、重力による撓みにより照射距離が約０．５ｍｍ変化しているが、予め重力による撓み量を考慮して加工時変形量を施した実施例２のランプでは照射距離はほぼ一定となっている。

図５は図４と同様に本発明に係る実施例２のランプと比較のための比較例２のランプとの最大長軸方向におけるランプ中心部からの測定距離と、被照射体面における波長１７２ｎｍの紫外線の相対照度との関係を示すグラフである。図５から分かるように、比較例２のランプではランプ中央部において約２０％の紫外線強度の増加が見られる。これに対して、本発明による実施例２のランプではランプ全長に亘って紫外線強度の変化は見られない。

表１にはランプの長さが１０２０ｍｍおよび１６２０ｍｍの場合におけるデータも記載してある。いずれの場合も本発明のランプにおいて撓み量は０．１ｍｍ以下となり、被照射体表面における紫外線照度のバラツキは実用上問題にならない程度に抑えることができるとともに、被処理物とランプとの接触の危険性も少なくなることが分かる。これに対して、重力による撓み量を考慮せずに加工時変形量を０としてほぼ真っ直ぐに形成した比較例ランプでは、ランプ長が長くなるほど撓みによる変形量が大きくなり、被照射体表面に
おける紫外線照度のバラツキは実用できないほどに大きくなるとともに、被処理物とランプとの接触の危険性が増すことが分かる。

さらに、表２はランプの長さを１３２０ｍｍ一定として、ランプの幅と高さおよび肉厚を変えたときの加工時変形量と撓み量を示す。ここで、加工時変形量は重力による撓み量にほぼ見合う値にしてある。

表２から分かるようにランプ幅およびランプ高さが変わったとしても、重力による撓み量に相当する加工時変形量を予めランプに加えて形成しておけば、照射器具に取り付けた時、変形量と撓み量とが相殺してほぼ真っ直ぐな面で装着できる。

以上説明したように、本発明のエキシマランプは重力による撓み量を低減するように、予め加工時変形量を持たせて形成してあるので、照射器具に取り付けた時、変形量と撓み量とが相殺してほぼ真っ直ぐな面で装着できる。

したがって、本発明のエキシマランプによれば、被照射体とランプの紫外線照射面との距離が均一になり、被照射体に対する処理効果のバラツキが低減されるとともに、被処理物とランプとの接触の危険性を少なくできる。
表２

本発明に係るエキシマランプの最大長軸方向に直角な面における断面図である。本発明に係るエキシマランプの最大長軸方向における紫外線照射面の無重力状態での反撓み構造を示す図である。本発明に係るエキシマランプを照射器具にセットした状態を示す概略断面図である。本発明に係る実施例２のランプの最大長軸方向におけるランプ中心部からの測定距離と、ランプ照射面と被照射体との距離を表す照射距離との関係を示すグラフである。本発明に係る実施例２のランプの最大長軸方向におけるランプ中心部からの測定距離と、被照射体面における波長が１７２ｎｍの放射照度との関係を示すグラフである。従来の円管形ランプを使用した照射器具を示す断面図である。従来ランプの撓み状態を示す断面図である。本発明に係るエキシマランプのランプ断面形状を示す模式図である。

符号の説明

１ベタ電極
２放電容器
３メッシュ電極
４ランプホルダー
５照射器具

Claims

内部に希ガスを封入し、最大長軸に直角な面における断面形状の少なくとも紫外線照射面側が直線状である放電容器の、前記紫外線照射面および該紫外線照射面と対向する壁面表面に電極を形成し、該電極間に高周波電圧を印加して放電を発生させ、真空紫外光を放射させるエキシマランプにおいて、前記放電容器の前記紫外線照射面における最大長軸方向の撓みに対して反撓み構造を有することを特徴とするエキシマランプ。