JP2006012680A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】外表面に外部電極を設けた放電容器内に内部電極を設けたエキシマランプにおいて、前記放電容器内で内部電極を覆うように設けた端部開放の内側管が、内部電極に対して長手方向に移動することのないエキシマランプを提供すること。
【解決手段】放電容器内で内側電極を覆うように設けた端部開放の内側管が、長手方向への移動を規制する移動規制手段により内部電極に対して移動を形成されていることを特徴とし、更には、該規制手段が内部電極に設けられた拡径部であり、または、内側管両端に形成された縮径部であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、誘電体材料を介在させて放電してエキシマ発光するエキシマランプに関するものであり、特に、放電空間内に内部電極を有するエキシマランプに係わるものである。

この発明に関連した技術としては、例えば、特開平２−７３５３号があり、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、誘電体を介して放電することにより放電容器内の放電用ガスにエキシマ分子を生成せしめ、このエキシマ分子から放射される紫外光を取り出すエキシマランプが開示されている。

このエキシマランプは、従来の低圧水銀放電ランプや高圧放電ランプにはない、単一波長の紫外光を強く放射するなどの特徴を有することも知られている。エキシマランプを使った発光装置としては、上記公報以外にも、例えば、特許第２８５４２５５号、特開２００２−１６８９９９等に開示されている。

上記特許第２８５４２５５号、特開２００２−１６８９９９号に開示されたエキシマランプは、円筒状内側管の外側に同じく円筒状外側管が同軸的に配置された二重円筒型の構造をしており、外側管の外面に外側電極が配置され、内側管の内部に内側電極が配置されて、外側管と内側管の間に形成される空間を放電空間とするものである。

図７に上記従来のエキシマランプの概略構成を示す。（ａ）は全体の横断面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。
エキシマランプ５０は全体形状が円筒状であり合成石英ガラスから構成される。放電ランプ５０は外側管５１と内側管５２が同軸に配置して二重円筒管を構成するとともに、両端を閉じたことから外側管５１と内側管５２の間に放電空間Ｓが形成される。放電空間Ｓには誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成するとともに、このエキシマ分子から真空紫外光を放射する放電用ガス、例えばキセノンガスが封入される。
外側管５１の外面には一方の電極である網状外側電極５３が設けられ、内側管５２の内部に他方の電極である内側電極５４が設けられる。
外側電極５３と内側電極５４の間には、図示略の交流電源が接続され、これにより放電空間にエキシマ分子が形成されて紫外光を発光する。放電用ガスは、発光波長に応じて選択されるが、例えば、キセノンガスを使った場合は波長１７２ｎｍの光を放射する。

ところで、この構造のエキシマランプには、（１）内側管、外側管という２つの石英ガラス管を二重円筒型とするので放電容器全体が大きくなり、また、内側管は端部で溶着支持されているため重力の影響を受けて破損しやすい。（２）２つの石英ガラス管を両端部で接合させるための製造工程が必要となり、この製造工程は複雑かつ煩雑である、（３）内側管は冷却可能な外側管に比べて高温となり、熱膨張による大きな負荷がかかり、特に、外側管との接合部に応力が集中して破損しやすく、ランプが長尺化するほどその影響は深刻である、という問題がある。

また、二重円筒型ではなく、例えば、特許３５０６０５５号に示されるように、内側電極が放電空間内に延在する構造を有したエキシマランプも存在する。この構造は放電容器が１つの円筒体からなり、二重円筒型のものにおける内側管に相当するものが存在しないため、上記問題点のいくつかは解決できる。
しかしながら、該構造のエキシマランプにおいては、内部電極が放電空間内に露出しており電極が放電空間に直接作用するため、（１）電極から生成される放電の空間分布が不均一になりやすい、（２）電極への給電極性に留意しないとアーク状の放電が生成されてしまいエキシマ光が効率良く生成されない、（３）アーク状の放電が形成されると、その部分が赤熱して電極が焼き切れる、（４）内電極金属がスパッタして、放電容器の光取り出し部を汚染する、等の別の問題がある。
特開平２−７３５３号 特許第２８５４２５５号 特開２００２−１６８９９９号 特許第３５０６０５５号

この発明が解決しようとする課題は、ニ重円筒型エキシマランプのもつ構造の複雑さをなくし、放電空間内に内部電極が直接露出した構造のエキシマランプのもつ放電の不具合などをなくした、放電空間内の内部電極を誘電体によって覆った新規の構造を有するエキシマランプを提供することにある。

この発明は、放電用ガスが封入された放電容器と、該放電容器の内部に長手方向に延在し放電容器の端部において気密に封止された内部電極と、放電容器の外面に配置された外部電極とからなるエキシマランプにおいて、前記内部電極は、少なくとも外側電極との間で放電を行う部位の外表面が、少なくとも一端が放電空間内で開放された誘電体材料からなる内側管によって覆われるとともに、該内側管を、移動規制部材により内部電極の長手方向において所定の位置に固定していることを特徴とする。

本発明のエキシマランプは、以下のような利点を有する。（１）放電空間内に配設された内部電極を覆うように、誘電体材料からなる端部開放の内側管が設けられているので、内部電極と外部電極との間に２枚の誘電体が介在していることになるため、放電空間内の放電が均一に形成される。（２）給電極性に関わらずアーク状放電が生成されることがないので、エキシマ光の生成効率が高い上に、電極が焼き切れるという不具合を生じることがない。（３）内部電極を覆う内側管は放電空間内で両端が開放されていて、放電容器とは接合されていないので、両者が接合されていることによる不具合、例えば、全体構造の複雑さ、製造工程の煩雑さ、接合部での応力発生などの問題がない。（４）両端開放の内側管が、移動規制部材により内部電極の長手方向に移動することが規制されるので、ランプ作製時、輸送時並びに使用時において、内部電極に対して内側管の位置がずれることがないから、所望の放電を良好に形成・維持することができる。

次に、本発明の実施例を、図１〜図６を用いて説明する。各実施例において、同一の符号は同一の内容を表す。

図１において、エキシマランプ１は、放電容器２と、内部電極３と、内側管４と、外部電極５と、金属箔６と、外部リード７とを備えている。
放電容器２は、全体が管状であり、内部に放電ガスが充填された発光部２１と、その両端に該発光部２１を気密に封止する封止部２２とからなる。放電容器２は、誘電体バリア放電における誘電体としても機能するものであり、真空紫外光を透過する材料、例えば合成石英ガラスから構成される。
放電容器２の内部には、棒状の内部電極３が放電容器２の長手方向軸Ｘに沿うように配置され、その両端は、封止部２２に埋設された金属箔６の一端にそれぞれ接続されている。この金属箔６の他端には封止部２２から外部に伸びる外部リード７が接続されている。一方、放電容器２の外表面には、例えば、網状の外部電極５が配置されている。
発光部２１の内部に形成される放電空間Ｓには、誘電体材料を介在する放電によってエキシマ分子を生成するための放電用ガスとして、例えばキセノンガスが封入されている。

内部電極３は、例えばタングステンからなる棒状電極であり、少なくとも外部電極５との間で放電を起こす部位を覆うように内側管４が設けられている。該内側管４は、その両端部が放電空間Ｓ内で開放されている。この内側管４と内部電極３間には若干の隙間が形成されるようになされている。
内側管４は、内部電極３に設けた保持部材により支持されるか、もしくは、放電容器２に設けた支持体により支持されている（ともに、図示なし）。
そして、前記内部電極３には、内側管４の開放両端部の外側に位置して、該内側管４の内径よりも大径の拡径部３１が形成されており、該拡径部３１は内側管４が長手方向に移動することを規制するための移動規制部材として機能する。この拡径部３１と内側管４の両端部は当接していてもよいし、若干の隙間が形成されていてもよく、内側管３１の不所望の長手方向への動きを規制出来ればよい。

この拡径部３１は、内側管４の内部に内部電極３を挿入した後、内側管４の内径よりも外径の大きいリング部材を内部電極３に取り付けることにより形成することができる。なお、拡径部３１はリング部材に限られず、例えばタングステン製等の複数の棒状部材を内部電極３にスポット溶接することによって形成しても良い。
上記において、内側管４は、少なくとも内部電極３が外部電極５との間で有効に放電をする部位に覆われているものであるが、上記したように両端部が放電空間Ｓ内で開放されていて、前記内部電極３の両端部には誘電体からなる内側管４に覆われない部分が存在する。
従って、内側管４の長手方向長さは、該内側管４に覆われない部位の内部電極３と、外部電極５との間で放電が起こらないように設定される。
また、拡径部３１についても、外部電極５との間で不所望な放電が生じることのないように適切な位置に設けられるものである。

内側管４の材質としては、例えば合成石英ガラスが用いられるが、誘電体材料であれば合成石英ガラス以外にも、溶融石英ガラス、アルミナ、チタン酸バリウム等を用いることもできる。

外部電極５は、例えば、金属線が網状に形成された電極であって、放電容器２の外周に配置されている。このため、放電容器２からの放射光は外部電極５の網目を透過して放射することになる。尚、該外部電極５については、金属網に限られず、放電容器２の外周に導電体を印刷すること等により形成してもよい。更には、紫外線を透過する透明電極であってもよい。概略半円筒の電極でも良い。

内部電極３と外部電極５には図示略の高周波電源が接続され、誘電体材料である放電容器２及び内側管４を介在させて誘電体バリア放電をさせることにより、放電空間Ｓ内でエキシマ発光させるものである。

本発明のエキシマランプにおいては、内側管４は放電空間Ｓ内で両端が開放されているものであり、該封止部２２まで伸びて該封止部２２に埋設されることがない。内側管４が封止部２２に埋設されていると、上記背景技術で説明した二重円筒型構造のエキシマランプと同様の問題を生じるからである。

図１に示すエキシマランプの具体例を示すと、放電容器２の全長（封止部２２を含む）は、２２０ｍｍ〜２１２０ｍｍであって、例えば１６２０ｍｍである。放電容器２の外径はΦ１０ｍｍ〜４０ｍｍであって、例えば１６ｍｍであり、内径は８ｍｍ〜３０ｍｍであって、例えば１４ｍｍである。内部電極３は、全長が１９０ｍｍ〜２０９０ｍｍであって、例えば１５９０ｍｍであり、外径が１ｍｍ〜３０ｍｍであって、例えば３ｍｍである。拡径部３１は、外径が２ｍｍ〜３１ｍｍであって、例えば５ｍｍであり、封止部２２から１ｍｍ〜３０ｍｍであって、例えば２０ｍｍ離れた箇所に形成されている。内側管４は、全長が１７０ｍｍ〜２０７０ｍｍであって、例えば１５７０ｍｍであり、外径が２ｍｍ〜３２ｍｍであって、例えば４ｍｍであり、内径が１ｍｍ〜３０ｍｍであって、例えば３ｍｍである。

エキシマ発光のために、給電装置からエキシマランプに供給する電圧波形は、例えば、矩形波であり、この場合の数値例を挙げると、ピーク電圧が１ｋＶ〜８ｋＶであって、例えば５ｋＶであり、周波数が５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚであって、例えば５０ｋＨｚである。
ただし、供給電圧波形は矩形波に限らず、正弦波やパルスであってもよい。その場合の周波数は５０Ｈｚ程度の商用周波数から数十ＭＨｚでもよい。

図２において、棒状の内部電極３に設ける拡径部をコイル３２によって形成したものである。該コイル状拡径部３２は、内側管４よりもコイル外径が大きく、内部電極３に対して、溶接等の適宜手段によって固定されている。

この実施例の場合、拡径部３２がコイル状であるため、内側管４に対して弾性的な当接をするので、石英ガラスからなる内側管４に過度の応力を掛けることがない。また、熱膨張によって両者間に生じる延びの差を吸収するので、熱的な応力を緩和できる。

図３において、内部電極３がコイル３３からなり、拡径部３４は該コイル状内部電極３３よりも大径のコイルからなるものである。
これらのコイル径がそれぞれ異なる小径のコイル状内部電極３３と大径のコイル状拡径部３４とは、長手方向にて互いに撚り合わせることにより結合することができる。具体的には、内側管４の内部にコイル状内部電極３３を挿入した後、内側管４の両側にコイル状拡径部３４を隣接して配置し、これらのコイル３３とコイル３４とを互いに撚り合わせることによって繋ぎ合わせて一体化している。
勿論、両コイル３３、３４の繋ぎ合わせはこれに限られず、両者の端部を溶接により連結してもよい。
そして、大径コイル３４は内部リード３５に連結され、該内部リード３５が封止部２２内の金属箔６に接続されている。
上記のように、該実施例においては、内部電極３３がコイル形状であるので、（１）内部電極３３が熱的影響により素材が膨張、収縮を起こしても、コイル状形状であるため、長手方向での延びに対してバッファ機能としての役割を担うので、石英ガラスからなる放電容器２との間での熱膨張率の差に基づく長手方向の延び量の差を吸収し、放電容器２に不所望の応力を生じさせることがなく、クラックなどを発生させることがない。
（２）細い径の金属ワイヤで構成されるため、棒状電極に比べ、重量を軽減できることである。重量が軽くなると、耐振動性、耐衝撃性の面で有利になる。また、電極自体が弾性体であるため、棒状電極のように弾性部を別に設ける必要がなく、安価に製造できる。

図４において、内部電極３は、上記実施例３と同様に、コイル３３からなり、その両端の内部リード３５が封止部２２内の金属箔６に接続されている。
前記コイル状内部電極３３を覆うように内側管４が設けられており、該内側管４はその両端部４１で縮径されて、コイル状内部電極３３を包み込むようになされている。該縮径部４１は、コイル状内部電極３３よりも小径に、且つ両端の内部リード３５に接することがない程度に縮径されている。
上記構造により、内側管４は、その両端の縮径部４１によって内部電極３３に対して長手方向の移動が規制される。

図５における実施例５では、放電容器２に縮径部２３が形成されている。この縮径部２３は内側管４の両端部の近傍で、その外径よりも小さくなる程度に絞られていて、該内側管４の長手方向への移動を規制する。

図６における実施例６では、放電容器２に形成する縮径部は、石英ガラスからなるリング状の部材２４を放電容器２内に溶着することにより形成したものである。勿論、このリング状部材２４の中心開口２４ａは、内側管４の外径よりも小径で、これにより、該内側管４の長手方向への移動を規制する。

この発明の第１の実施例を示す。 この発明の第２の実施例を示す。 この発明の第３の実施例を示す。 この発明の第４の実施例を示す。 この発明の第５の実施例を示す。 この発明の第６の実施例を示す。 従来例を示す。

符号の説明

１ エキシマランプ
２ 放電容器
２１ 発光部
２２ 封止部
２３ 縮径部
２４ リング状部材（縮径部）
３ 内部電極
３１ 拡径部
３２ コイル状拡径部
３３ コイル状内部電極
３４ コイル状拡径部
３５ 内部リード
４ 内側管
４１ 縮径部
５ 外部電極
６ 金属箔
７ 外部リード
Ｓ 放電空間

Claims (7)

1. 放電用ガスが封入された放電容器と、該放電容器の内部に長手方向に延在し放電容器の端部において気密に封止された内部電極と、放電容器の外面に配置された外部電極とからなるエキシマランプにおいて、
   前記内部電極は、少なくとも外側電極との間で放電を行う部位の外表面が、少なくとも一端が放電空間内で開放された誘電体材料からなる内側管によって覆われるとともに、
   該内側管は、移動規制部材により内部電極の長手方向において所定の位置に固定されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記移動規制部材は、前記内部電極に設けられた、前記内側管の内径よりも大きい外径を有する拡径部であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記拡径部は、前記内部電極に固定されたコイルであることを特徴とする請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 前記内部電極がコイルからなり、前記コイル状拡径部が該コイル状内部電極に繋ぎ合わせられていることを特徴とする請求項３に記載のエキシマランプ。
5. 前記内部電極がコイルからなり、前記移動規制部材は、該コイル状内部電極の両端部を覆うように前記内側管の両端に形成された縮径部であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
6. 前記移動規制部材は、前記放電容器に形成された縮径部であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
7. 前記放電容器の端部は箔シールにより形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のエキシマランプ。
   
   

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