JP2006024382A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 エキシマランプの放電空間内で、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、紫外線出力のムラがなく、出力が大きいエキシマランプを提供することにある。
【解決手段】 本発明のエキシマランプは、一方の電極２が放電容器１の内部に配設されると共に、外部に他方の電極４が配設されたエキシマランプにおいて、内部の電極２には複数の電極支持部材５が離間して配置されており、隣り合う電極支持部材５の離間距離をａ（ｍ）、内部の電極２から放電容器１内面までの距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）とした時、ａ、ｄ、ｐの関係が、２ｄ≦ａ≦１４ｄ、かつ、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であるとともに、放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はエキシマランプに関するものであり、特に放電容器内に内電極を有するエキシマランプに係わるものである。

例えば液晶表示パネルのガラス基板の紫外線照射による洗浄工程などにおいては、波長２００ｎｍ以下の紫外線を放射するエキシマランプが利用されている。

図６は従来のエキシマランプであって、紫外線を透過する電気絶縁体である石英ガラス製の放電容器内１にキセノン（Ｘｅ）などの紫外線を発する放電用ガスを封入すると共に、この放電容器１内に内部電極２を配置し、放電容器１の外部にメッシュ状の外部電極４を配設し、放電容器１自体を誘電体として、電極に高電圧を印加して放電させ紫外線を放射するものである。

このようなエキシマランプは、主にキセノン（Ｘｅ）など放電ガス原子の三体衝突によってエキシマ分子を作り、それが脱離するときにエキシマ光を発光する。放電ガスの圧力は高いほうが三体衝突の確立は高くなり、発光効率は高くなる。また、エキシマ発光は、従来の水銀ランプなどの原子の共鳴放射光と違い、自己吸収がないことが知られており、ガス圧を上げても発光効率は下がることはない。
したがって、放電容器１内に封入される放電用ガスは、例えば２０ｋＰａ以上の圧力で封入されている。

また、内部電極２が放電容器１内で垂れ下がらないように、内部電極２に複数の電極支持部材５が設けられ、これらの電極支持部材５の一部が放電容器１の内面に当接もしくは近接する構造になっている。

特開平１１−１１１２３５号 特開２００１−０８４９６６号 特開２００２−３１９３７１号

しかしながら、このようなエキシマランプでは、放電容器１内のガス圧を高くすると、放電容器内で発生したプラズマが広がりにくく、図７に示すような放電容器１内で高輝度の針金状の放電が発生することがあった。
そして、高輝度の針金状の放電は、内部電極が放電空間に曝されているため、放電しやすいところを探すように、例えば、放電容器１内面の電荷の高いところや、内部電極２の表面形状で放電しやすいところに、放電が移動して不安定な放電になり、エキシマランプが正常に点灯しなくなる問題があった。

このような問題を解決するために、電圧や周波数を上げて高輝度な針金状の放電をなくし、放電空間で均一な放電が起こるようにすることも考えられるが、エキシマランプに必要以上の電力を入力することになり、放電容器の温度、放電ガスの温度が上がりすぎて発光効率が低下し、紫外線出力が低下する問題があった。

一方、このようなエキシマランプは、図８に示すように、電極支持部材５の一部が、その表面に外部電極４が配置された放電容器１の内面に当接もしくは近接した状態になっているので、放電容器１内面で沿面放電が発生する場合がある。

沿面放電は、上述した高輝度の針金状の放電が発生しない程度に、ガス圧を低くした場合に起こるものである。

この沿面放電は、電極支持部材間で起こり、電極支持部材の離間距離を大きくした場合、電極支持部材の近傍では沿面放電は発生するが、隣り合う電極支持部材の中間部分では、それぞれの電極支持部材から離れすぎて、沿面放電が起こらず、放電容器全体から放射される紫外線出力にムラが発生するという問題があった。

また、電極支持部材の離間距離が小さい場合にも、沿面放電だけでは放電容器内表面近傍しかエキシマ発光せず、放電体積が小さくなるために、紫外線出力が低いという問題があった。

つまり、図６に示すような放電容器１内に内部電極２が配置されたエキシマランプでは、放電容器１内のガス圧の影響や、隣接する電極支持部材４の離間距離等、さまざまの要因によって、放電空間１内で針金状の放電が発生したり、沿面放電のみ発生したりして、エキシマランプが確実に点灯しなくなったり、或いは、紫外線出力がムラになったり、低くなったりする問題があった。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、エキシマランプの放電空間内で、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、紫外線出力のムラがなく、出力が大きいエキシマランプを提供することにある。

本発明の請求項１に記載のエキシマランプは、放電用ガスが内部に充填された放電容器を具え、一方の電極が放電容器の内部に配設されると共に、放電容器の外部において他方の電極が配設され、一方の電極および他方の電極の間に形成される放電によって真空紫外光が放射されるエキシマランプにおいて、前記内部の電極は放電容器の長手方向に沿って設けられており、かつ複数の導電性を持つ電極支持部材が複数離間して配置されており、
前記隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）、前記内部の電極から放電容器内面までの距離をｄ（ｍ）、前記放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）とした時、
ａ、ｄ、ｐの関係が、２ｄ≦ａ≦１４ｄ、かつ、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であるとともに、前記放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であることを特徴とする。
さらには、前記放電容器の形状は、円筒状であることを特徴とする。

本発明のエキシマランプによれば、エキシマランプの放電空間内で、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力のムラがなく、出力が大きいエキシマランプとなる。

以下、本発明の実施形態を実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示すエキシマランプの図である。
放電容器１は、紫外線を透過する電気絶縁体である石英ガラスからなり、外径１６ｍｍ、内径１４ｍｍの細長い円筒状の放電部１ａと、この放電部１ａの両端に形成された封止部１ｂを有するものであり、放電部１ａ内にはエキシマ生成ガスとしてキセノンが２０ｋＰａから２００ｋＰａ封入されている。
なお、放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積は、１．５４×１０^−４ｍ^２である。

そして、放電容器１の放電部１ａの内部に一方の電極である内部電極２が配置されている。この内部電極２は、外径０．５ｍｍのタングステン製の直線状の線状体である。そして、内部電極２の両端は封止部１ｂに埋設されたモリブデン箔に接続され、モリブデン箔の他端にはタングステン製の外部リード３が接続され、外部リード３が封止部１ｂから外部に突出している。

放電容器１の放電部１ａの外部に他方の電極であるメッシュ状の外部電極４が配置されている。
また、内部電極２が放電容器１内で垂れ下がらないように、内部電極２に複数の電極支持部材５が設けられ、これらの電極支持部材５が放電容器１の放電部１ａの内面に当接している。
電極支持部材５は、導電性の部材であって内部電極２と同じモリブデン製である。この電極支持部材５は、外径１ｍｍの線状体であって、一部が内部電極２に巻きつけられて固定され、他の部分が円環状のリング部になっており、このリング部が放電部１ａの内面に当接しているものである。

なお、外部電極４は、放電部１ａの外周面に沿う形で概略半円筒状の板状電極であってもよい。実質的には、放電空間においては概略半分の体積しか放電しないが、板状電極の内表面に反射機能を持たせることで、放電部１ａの外周面をメッシュ状の外部電極４で覆った場合の紫外線出力と同程度にすることができる。
外部電極４が放電部１ａの外周面に沿う形で概略半円筒状の板状電極の場合、内部電極２を外部電極４とは反対方向に偏芯させることにより、放電体積が増すために紫外線出力を増すことができる。

内部電極２は導電性の金属であればよい。線状だけでなくコイル状でもよい。
また中実のロッド状，中空のパイプ状であってもよい。ロッド状、パイプ状の場合、エキシマランプの点灯時の内部電極２自体が膨張するので、この熱膨張を吸収するために、内部電極２の適宜の箇所に、コイル状等の弾性部を設ける方がよい。
放電空間が長尺となるエキシマランプにおいては、内部電極２の熱膨張で放電容器が破損する可能性があるため、積極的に内部電極２に弾性部材を設けることが望ましい。

電極支持部材５は、支持部材を誘電体で作り表面に導電性部材で覆ってもよい。具体的には、例えば、石英ガラス製の板状支持部材の表面に金や白金やニッケルやアルミなどの導電材を蒸着したり、表面に導電性ペーストを印刷した構造であってもよい。

放電容器１は、円筒状だけでなく、内部に放電空間を有する外形四角柱状や外形三角柱状であってもよく、円筒の一部を取り除き平面板を取り付けたような形状であってもよく、要は、放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であればよい。
また、放電空間の形状によっては、内部電極と接近している部分と離れている部分ができるが、下記に説明する内部電極から放電容器内面までの距離とは、内部電極から放電容器内面までの最短距離のことをいうものである。
なお、放電容器が円筒状の場合、放電容器内に内部電極をその中心軸に配置しやすく、内部電極と放電容器内面との距離が、どの位置においても略均一になり、低い印加電圧でも安定に点灯できるようになる。
この結果、電圧が低い分だけ、内部電極がスパッタしにくく、管内壁の汚染が起こりにくいので、放射照度維持率の低下が起こりにくいものである。
さらには、放電容器が円筒状の場合、一般的に利用されているピンチシールを採用することができ、簡単な方法でエキシマランプを製造できるものである。

さらに、放電容器の端部の封止構造は、ピンチシールやシュリンクシールなどの箔シール構造に限定されるものではなく、いわゆる段継ぎシールを採用することもできる。段継ぎシールの利点はガラスと電極の接合性が良くなることであり、封止部におけるガス漏れやクラックの発生をより確実に防止できることである。又給電部は必ず両端にある必要はない。片端でもよい。

次に、図１に示すエキシマランプと同様の内部電極と外部電極を有するエキシマランプにおいて、空間放電及び沿面放電の発生状況を調べる実験を行った。実験は３パターン行った。どの実験においても、放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上である。放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２未満では、放電体積や表面積が小さくなるため紫外線出力が弱く、実使用上問題があるからである。
なお、図１では、放電空間内に空間放電と沿面放電の両方が確実に起こっている状態を示すものである。
空間放電及び沿面放電は、下記の要因がそれぞれ様々に絡みあって関連付けられて発生するものであり、それぞれの要因の条件範囲を変更して、空間放電及び沿面放電の両方が放電空間内で起こる条件を調べたものである。

空間放電及び沿面放電が起こる要因とは以下の要因であり、図２を参照しながらそれぞれの要因を説明する。
（１）
隣り合う電極支持部材の離間距離。
隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）と規定した。
（２）
内部電極から放電容器内面までの距離。
内部電極の表面から放電容器内面までの最短距離をｄ（ｍ）と規定した。
（３）
放電空間に封入される放電用ガスのガス圧。
放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）と規定した。

そして、ａ、ｄ、ｐの３つの要因が関係して、空間放電及び沿面放電の両放電が確実に起こる範囲を調査し、さらに、ａ、ｄの関係によって沿面放電が支配的になる範囲を調査した。その実験結果を図３、図４、図５に示す。

＜実験１＞
実験結果は図３に示す。
この実験では、内部電極から放電容器内面までの距離ｄを０．００３ｍに固定し、電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）と、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）を変動させて実験を行った。
図中、数値は、ａ／（ｐ×ｄ）の値を示し、「○」は放電空間内で空間放電及び沿面放電の両放電が起こっている状態を示し、「△」は放電空間内で沿面放電のみ起こっている状態を示し、「×」は放電空間内で空間放電が不安定な状態になっている状態を、それぞれ示すものである。

図３に示すように、今回の実験では内部電極から放電容器内面までの距離ｄが０．００３ｍであるので、隣り合う電極支持部材の離間距離ａが０．００５ｍでは、２ｄの値である０．００６ｍ以下となり、この範囲では、図３中「△」で示すとおり放電空間内で沿面放電のみ起こっている。また、隣り合う電極支持部材の離間距離ａが０．０５ｍ以上では、１４ｄの値である０．０４２ｍ以上となり、この範囲では、図３中「×」で示すとおり放電空間内で空間放電が不安定な状態になっている。

さらに、隣り合う電極支持部材の離間距離ａが、２ｄ（０．００６ｍ）≦ａ≦１４ｄ（０．０４２ｍ）の範囲内である０．０１〜０．０４ｍの範囲において、ａ／（ｐ×ｄ）の値の変化における放電状態を検討すると、ａ／（ｐ×ｄ）の値が４×１０^−５以下であると図３中「△」で示すとおり放電空間内で沿面放電のみ起こっている。

つまり、隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）、内部電極から放電容器内面までの距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）と規定した場合、２ｄ≦ａ≦１４ｄであるとともに、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であれば、放電空間内において、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力が大きいエキシマランプとなっていることがわかる。

＜実験２＞
実験結果は図４に示す。
この実験では、内部電極から放電容器内面までの距離ｄを０．００５ｍに固定し、電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）と、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）を変動させて実験を行った。
図中、数値は、ａ／（ｐ×ｄ）の値を示し、「○」、「△」、「×」の符号の意味は、実験１と同様である。

この実験２からもわかるように、隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）、内部電極から放電容器内面までの距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）と規定した場合、２ｄ≦ａ≦１４ｄであるとともに、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であれば、放電空間内において、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力が大きいエキシマランプとなっていることがわかる。

＜実験３＞
実験結果は図５に示す。
この実験では、内部電極から放電容器内面までの距離ｄを０．０１ｍに固定し、電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）と、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）を変動させて実験を行った。
図中、数値は、ａ／（ｐ×ｄ）の値を示し、「○」、「△」、「×」の符号の意味は、実験１と同様である。

この実験３からもわかるように、隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）、内部電極から放電容器内面までの距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）と規定した場合、２ｄ≦ａ≦１４ｄであるとともに、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であれば、放電空間内において、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力が大きいエキシマランプとなっていることがわかる。

図９は、他のエキシマランプの説明図である。
図９では、放電容器１は石英ガラスよりなる管型の両端封止型構造であって、略コの字になっており、放電容器１の内部に内部電極２が配置されており、放電容器１の直管状の放電部１ａの外面に円周の半分を覆うように反射鏡を兼ねた外部電極４が配置されており、ガラス製の放電容器１の壁を介して内部電極２と外部電極４との間で放電が起こることにより放電空間内でエキシマ放電が発生するものである。
そして、このエキシマランプにおいても、放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積は、１．５４×１０^−４ｍ^２である。

内部電極２は、外径０．５ｍｍのタングステン製の線状体であり、放電部１ａ内ではコイル状に巻回されている。
内部電極２の両端は封止部１ｂに埋設されたモリブデン箔に接続され、モリブデン箔の他端にはモリブデン製の外部リード３が接続され、外部リード３が封止部１ｂから外部に突出している。

内部電極２が放電容器１内で垂れ下がらないように、内部電極２に複数の電極支持部材５が設けられ、これらの電極支持部材５が放電容器１の放電部１ａの内面に当接している。
電極支持部材５は、導電性の部材であって内部電極２と同じタングステン製である。この電極支持部材５は、外径１ｍｍの線状体であって、一部が内部電極２に巻きつけられて固定され、他の部分が円環状のリング部になっており、このリング部が放電部１ａの内面に当接しているものである。

このようなエキシマランプにおいても、図９中に示すように、隣り合う電極支持部材５の離間距離をａ（ｍ）、内部電極２の表面から放電容器１内面までの最短距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）とした場合、ａ、ｄ、ｐの関係が、２ｄ≦ａ≦１４ｄ、かつ、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であるとともに、放電容器の放電部１ａの長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であれば、放電空間内で、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力のムラがなく、出力が大きいエキシマランプとなる。
なお、隣り合う電極支持部材５の離間距離をａ（ｍ）は、隣り合う電極支持部材間で、最も離間距離が小さく距離のことを言うものである。

図１０は、他のエキシマランプの説明図である。
図１０では、放電容器１は石英ガラスよりなる管型の一端封止型構造であって、渦巻き状になっており、放電容器１の内部に内部電極２が配置されており、放電容器１の外面に金網状の外部電極４が配置されており、ガラス製の放電容器１の壁を介して内部電極２と外部電極４との間で放電が起こることにより放電空間内でエキシマ放電が発生するものである。
そして、このエキシマランプにおいても、放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積は、１．５４×１０^−４ｍ^２である。

内部電極２は、外径０．５ｍｍのタングステン製の線状体であり放電部１ａ内でコイル状に巻回されている。
内部電極２の一端は封止部１ｂに埋設されたモリブデン箔に接続され、モリブデン箔の他端にはモリブデン製の外部リード３が接続され、外部リード３が封止部１ｂから外部に突出している。

内部電極２が放電容器１内で垂れ下がらないように、内部電極２に複数の電極支持部材５が設けられ、これらの電極支持部材５が放電容器１の放電部１ａの内面に当接している。
電極支持部材５は、導電性の部材であって内部電極２と同じタングステン製である。この電極支持部材５は、外径１ｍｍの線状体であって、一部が内部電極２に巻きつけられて固定され、他の部分が円環状のリング部になっており、このリング部が放電部１ａの内面に当接しているものである。

このようなエキシマランプにおいても、図１０中に示すように、隣り合う電極支持部材５の離間距離をａ（ｍ）、内部電極２の表面から放電容器１内面までの最短距離をｄ（ｍ）、放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）とした場合、ａ、ｄ、ｐの関係が、２ｄ≦ａ≦１４ｄ、かつ、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であるとともに、放電容器の放電部１ａの長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であれば、放電空間内で、空間放電と沿面放電の両方の放電を発生させながら確実にエキシマランプを点灯させるとともに、空間放電と沿面放電の両方の放電によって放電用ガスが効率よく利用され紫外線出力のムラがなく、出力が大きいエキシマランプとなる。
なお、隣り合う電極支持部材５の離間距離をａ（ｍ）は、隣り合う電極支持部材間で、最も離間距離が小さく距離のことを言うものである。

本発明のエキシマランプの説明図である。 本発明のエキシマランプの電極支持部材の離間距離ａ（ｍ）と、電極支持部材から放電容器内面までの距離ｄ（ｍ）を示す説明図である。 空間放電及び沿面放電の両放電が確実に起こる範囲を調査した実験データ説明図である。 空間放電及び沿面放電の両放電が確実に起こる範囲を調査した実験データ説明図である。 空間放電及び沿面放電の両放電が確実に起こる範囲を調査した実験データ説明図である。 従来のエキシマランプの説明である。 従来のエキシマランプにおいて、針状の放電が起こった時の説明図である。 従来のエキシマランプにおいて、沿面放電のみが起こった時の説明図である。 本発明のエキシマランプの説明図である。 本発明のエキシマランプの説明図である。

符号の説明

１ 放電容器
１ａ 放電部
１ｂ 封止部
２ 内部電極
３ 外部リード
４ 外部電極
５ 電極支持部材

Claims (2)

1. 放電用ガスが内部に充填された放電容器を具え、一方の電極が放電容器の内部に配設されると共に、放電容器の外部において他方の電極が配設され、一方の電極および他方の電極の間に形成される放電によって真空紫外光が放射されるエキシマランプにおいて、
   前記内部の電極は放電容器の長手方向に沿って設けられており、かつ複数の導電性を持つ電極支持部材が複数離間して配置されており、
   前記隣り合う電極支持部材の離間距離をａ（ｍ）
   前記内部の電極から放電容器内面までの距離をｄ（ｍ）
   前記放電空間に封入される放電用ガスのガス圧をｐ（ｐａ）とした時、
   ａ、ｄ、ｐの関係が、
   ２ｄ≦ａ≦１４ｄ、かつ、４×１０^−５≦ａ／（ｐ・ｄ）であるとともに、
   前記放電容器の長手方向と直交する放電空間の断面積が１．５４×１０^−４ｍ^２以上であることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記放電容器の形状は、円筒状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。
   

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