JP2011009238A

JP2011009238A - 無声放電ランプおよび照射装置

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Publication number: JP2011009238A
Application number: JP2010212209A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Sakamoto; 弘実坂元; Shingo Ezaki; 江崎　　真伍
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】
洗浄物の大形化や搬送の高速化に対応でき、効率を改善した、無声放電ランプおよびこれを用いた照射装置を提供する。
【解決手段】
放電管軸と直交する断面が非円形状であるエキシマ光を放射する無声放電ランプにおいて、少なくともエキシマ光を透過する１面が円弧状に膨らんだ形状とし、外圧に対する強度を増すことによって、誘電体の厚みを薄くし、ランプの効率を改善する。このランプと反射筒とを並列に配置し、ランプから横向けに放射される無駄な光の進行方向を被照射体方向に変更し、被放射体への照射効率を改善するように、照射装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機物の洗浄またはアッシング等に用いられる紫外線の１種であるエキシマ光を放射する無声放電ランプおよびこれを用いた照射装置の改良に関する。

本発明に関連した技術としては、外形が概略円筒状の放電ランプを、光取り出し窓を設けたランプハウス内に窒素ガスを充満させて収納させるものがある（例えば、日本国登録特許第２８５４２５５号公報参照）。また、細い外径を持つ円筒状の放電ランプが互いに近接して配置され、ランプと被照射体との間には光取り出し窓を設けずに、ランプからの光を被照射体に直接照射するようにしたものがある（例えば、特開２００２−１１０１０３号公報参照）。以下、図７および図８により、従来の無声放電ランプとそれを用いた照射装置について説明する。

図７は特許文献１に示された構成を示す図で、円筒状の誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃはランプハウス２１内に収容されている。前記ランプハウス２１には光取り出し窓２０が設けられ、前記誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃと光取り出し窓２０との間の空間２６は窒素ガスで満たされている。このような構成にすると、前記誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃから放出される真空紫外線のうち、隣接する誘電体バリア放電ランプに向かう部分は、Ｖ字形の光反射板１１、１３に反射されて、光取り出し窓２０に方向転換され、光取り出し窓２０から放出される。この場合、誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃから放出された真空紫外線は誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃと光取り出し窓２０との間の空間２６を通過するが、この空間２６は窒素ガスで満たされているので、真空紫外線は吸収されない。したがって、光取り出し窓からは誘電体バリア放電ランプ４１ａ、４１ｂ、４１ｃから放出された真空紫外線のうち、横方向の反射筒に向かう部分と直接被照射体に向かう部分の合計が放出され、光取り出し窓２０は実質的に面状の真空紫外線光源となる。

図８は、特許文献２に示された構成を示す図で、紫外線洗浄装置６１は、複数本の誘電体バリア放電ランプ５１をそれぞれの中心軸が平行になる向きに近接させて保持するための保持筐体６２と、誘電体バリア放電ランプをその保護容器５２の外観形状に沿うように保持するための複数のランプ保持部６３とを備えている。そして、ランプ保持部６３が誘電体バリア放電ランプ５１と接する部分は反射板６４となっている。このような構成において、誘電体バリア放電ランプ５１から放射される真空紫外線の内、被照射体６６側とは反対の方向に向かう真空紫外線は反射板６４で反射され、方向を変えて被照射体へ向かう。すなわち、誘電体バリア放電ランプ５１から放射される真空紫外線は、被照射体６６とは反対の方向に向かうものと、直接被照射体の方向に向かうものとが合計されて照射される。

なお、特許文献１および特許文献２において誘電体バリア放電ランプと記載されているものは、本発明で無声放電ランプと記載しているものと同じである。

日本国登録特許第２８５４２５５号公報（第５頁、図１）特開２００２−１１０１０３号公報（第１２頁、図７）

ところで、特許文献１の構成では、近年の洗浄物の大形化や搬送の高速化に伴うランプの長尺化や数量の増加で、光取り出し窓が長大化と強度確保のための厚肉化でコストアップとなり、製造自体が困難になるという問題があった。さらに、このような構成ではランプの放射光量の約半分しか光取り出し窓方向に放射できないため、効率が悪いという問題があった。また、特許文献２のものは、ランプと被照射体との間には光取り出し窓を設けずに、ランプからの光を被照射体に直接照射する構成になっている。この場合、ランプが平面状でないため、ランプと被照射体との間隔が部分的に大きくなり、この空間に存在する酸素によって放射光が吸収され、被照射体に効率よく放射光を照射できないという問題があった。

本発明は上記の課題に対処するためになされたもので、洗浄物の大形化や搬送の高速化に対応でき、効率を改善した、無声放電ランプおよびこれを用いた照射装置を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の無声放電ランプは、放電管軸と直交する断面が長辺と短辺とを有する非円形状で、かつ前記長辺側にて相対向するよう放電用電極を備えた１組の電極面が構成されてなるエキシマ光を放射する無声放電ランプにおいて、前記長辺側の電極面の少なくとも１つがエキシマ光透過面であり、かつ円弧状に膨らんでいることを特徴とする。

請求項１記載の無声放電ランプは、放電管軸と直交する断面が長辺と短辺とを有する非円形状で、かつ前記長辺側にて相対向するよう放電用電極を備えた１組の電極面が構成されてなるエキシマ光を放射する無声放電ランプにおいて、前記長辺側の電極面の少なくとも１つがエキシマ光透過面であり、かつ円弧状に膨らんだ形状に構成している。これにより、誘電体の外圧に対する強度が増すので、光を取り出す側の誘電体厚みを小さくでき、その結果透過率が高くなり、効率の高い無声放電ランプを提供できる。この無声放電ランプを用いれば照射装置の構成が簡素で搭載するランプの数量を減少できるので、点灯装置を含めた安価な照射装置が実現できる。同時に使用ランプ数を減らせるので、消耗品であるランプの補修費用を低減することができる。

本発明に係る無声放電ランプの第１の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る無声放電ランプの第２の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る無声放電ランプの第３の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る無声放電ランプの第４の実施の形態を示す断面図である。本発明に係る反射筒を示す断面図である。本発明に係る照射装置の概略構成図である。従来の照射装置の一例を示す概略構成図である。従来の照射装置の別の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図１〜図６にもとづき説明する。図１は本発明に係る無声放電ランプの第１の実施の形態を示す断面図、図２は本発明に係る無声放電ランプの第２の実施の形態を示す断面図、図３は本発明に係る無声放電ランプの第３の実施の形態を示す断面図、図４は本発明に係る無声放電ランプの第４の実施の形態を示す断面図、図５は本発明に係る反射筒を示す概略構成図、図６は本発明に係る照射装置を示す概略構成図である。

図１において、１は誘電体で構成された放電管、２は電圧印加側電極、２’はアース側電極、３は放電ガスを封入した放電空間である。放電管１を構成する誘電体はエキシマ光を透過する材料で構成され、放射光の波長が１７２ｎｍであるこの例では、ＯＨ基を含有した合成石英である。他には波長に応じて石英のほかにフッ化カルシウムなどが使用できる。

この長尺の放電管１は管軸に直交する断面が四角形状であることが特徴的である。電圧印加側電極２は金属薄膜からなり、放電管１の一つの面のほぼ全面に形成されている。アース側電極２’は金属薄膜であるが、放射光を透過させるために格子状に形成されている。電圧印加側電極２も格子状にして放射光を透過させるようにすることも可能である。いずれの金属薄膜もニッケルやクロムのような金属材料が蒸着やスパッタで膜付けされる。このような金属薄膜は、格子状に加工するためのマスキングやエッチングも比較的容易におこなうことができる。

放電空間３には、所望するエキシマ光に応じて、キセノン、クリプトンまたはアルゴンなどの希ガス単体、または希ガスとフッ素、塩素、臭素またはよう素などのハロゲンとの混合ガスなどが選択的に封入されている。そして、金属薄膜からなる電極を付設した誘電体面は管の全長に亘って円弧状に膨らんでおり、この実施例ではその膨らみは両電極面とも約１ｍｍであるが、放電管１の寸法に応じて円弧状の膨らみ量を適正化することで、四角形の断面を持つ放電管１の外圧による破損の問題を解決することができる。

その理由は下記のとおりである。放電管１の内圧は、動作中において減圧になっている。そのため、光取り出し面が平坦面の場合は、面に対して垂直方向の外圧が加わるが、円弧状の膨らんだ形にしてあれば、外圧を一部水平方向に分散できる。すなわち、外圧を水平方向に分散できる分、機械的強度が改善される。四角形状の断面を持つ放電管１の場合には、このように、誘電体に円弧状の膨らみを持たせることで、外圧に対する機械的強度が改善されるので、その分、誘電体の厚さを薄くして、無声放電ランプの効率を高めることが可能となる。この場合において、電圧印加側電極２を付設した側の誘電体は、紫外線を取り出さないので、厚さをアース側よりも厚くし、図２に示すように円弧状に形成しなくてもよい。さらに、図３に示すように短辺側を含めた複数の面を円弧状に形成して、断面形状が楕円形に近似した形状にして、外圧に対する耐圧性能を改善することも可能である。また、図４に示すように、断面の角を落とした形にすることも可能である。要するに、放電管の断面形状は、少なくとも光を取り出す側の面の形状が、円弧状に膨らんだ形にしてあれば、その他の面は誘電体の厚みを厚くするなど強度が考慮されていれば、どのような形状であっても良い。

図５は本発明に使用可能な反射筒を示し、４は導光管、５は反射板、６は導光空間である。導光管４は、エキシマ光を透過する材料、たとえば波長が１７２ｎｍの光を放射するランプの場合はＯＨ基を含有した合成石英で構成される。前記導光管４は、管軸に直交する断面が四角形の形状を有している。反射板５はアルミニウムの鏡面体で構成されている。導光管４に隣接して無声放電ランプが配置される場合には、反射板５はＶ字形に形成される。そうすることで、隣接する無声放電ランプの側面から横方向に放射される放射光を被照射体の方向に導光することができる。これにより、無駄になっていた放射光を有効に利用できるので器具の効率が改善される。導光空間６はエキシマ光の透過を阻害しないようなガスを封入するか、または、真空にする。放射光の波長が１７２ｎｍの場合はオゾンを生成する酸素が阻害ガスになるので窒素を封入している。

図６は本発明に係る照射装置の概略構成図で、無声放電ランプ７と反射筒８は、夫々９と１０のホルダによりランプ点灯回路の電気部品が収納された電装部品収納部１２に保持されている。

被照射体１１は、波長が１７２ｎｍのエキシマ光の場合、照射距離Ｃが５ｍｍ以内で処理されないと有効な洗浄効果が得られない。通常は２〜３ｍｍに近接可能なように装置化されるのが好ましい。その理由は、エキシマ光が照射距離Ｃに相当する空間に存在する酸素により吸収され、減衰するために、光洗浄に有効な有機物の低分子化と励起酸素による酸化および揮発の効果が阻害されるためである。このことから、エキシマ光の放射面は被照射面に近接して平面であることが重要である。

本発明に係る照射装置は無声放電ランプ７と反射筒８の前面が連続した平面に構成できるため、被照射体を２〜３ｍｍに容易に近接して処理することが可能である。なお、反射筒８は無声放電ランプ７に設置間隔Ｂをおいて配置されるが、設置間隔Ｂは２ｍｍ以下が好適である。設置間隔Ｂが２ｍｍ以上に大きくなると、上述したように、その部分で光吸収が生じエキシマ光を有効に被照射体に当てることができない。

このように長尺の無声放電ランプ７と反射筒８を交互に設けることで、広い平面のエキシマ光の放射面を形成することができる。また、ランプの設置数量を減少させることができる。さらに、放電管１の材料である誘電体の厚さを増やさずに、放電管１を円弧状に膨らませて外圧に耐える形状にすることで、ランプの幅を広げることも可能である。

つぎに、実施例について説明する。図１において、放電管１は石英ガラスからなる誘電体で構成され、誘電体の厚さは約１、１．５および２ｍｍ、四角形状の長辺は約４０ｍｍ、短辺は約１２ｍｍおよび長さは約１３２０ｍｍである。さらに、放電管１の長辺と長さ方向の辺を含む相対向する一組の面は、断面が外側に向かって円弧状に膨らみを持たせてある。膨らみ寸法Ａは約１、２および３ｍｍの３種類とし、誘電体の厚さとの組み合わせは表１のとおりでランプを製作した。

放電管１の中には、ランプ点灯中にエキシマ分子を生成するキセノンガスが約４×１０４Ｐａの圧力で封入されている。放電管１の長辺と長さ方向の辺を含む相対向する１組の面には、約０．０５μの厚さのクロム膜と、さらにその上に配した約０．３５μの厚さのニッケル膜とよりなる金属薄膜２を、誘電体バリア放電用の電極として、真空蒸着により形成し、その他方の面には、アース側電極２’になる金属薄膜を、紫外線を取り出すために線幅が約０．３ｍｍ、目の大きさが約２ｍｍ平方の網目状に形成した。ただし、長さ方向の両端は、電気導入用リード線を取り付けるために、端部から約３５ｍｍの領域は金属薄膜を残してある。このように構成したランプの発光長は約１２５０ｍｍである。比較のため、誘電体の厚みと膨らみ寸法Ａ以外の寸法を同じにして、断面が平坦な従来形ランプを試作し比較点灯試験を行った。その結果は表１のとおりであった。なお、放射線強度は、誘電体厚み１ｍｍおよび膨らみ寸法１ｍｍとした本発明実施例ランプを１００として、％で表示し、点灯試験判定の欄は、放電管が変質または破損するなど異常が発生し、ランプ寿命と判断されるまでの時間で表している。

以上の点灯試験結果から分かるように、放電管に円弧状の膨らみを形成した本発明に係る無声放電ランプは、いずれの仕様とも５０００時間経過後も目立った異常は発生しなかった。これに対して、断面を平坦にした比較例ランプでは、異常なく点灯できる誘電体の厚さは約２ｍｍ以上が必要であることが分かった。

このように、本発明に係る断面が円弧状の膨らみを持たせたランプは、放電管に加わる外圧を横方向に分散できるので、誘電体の厚みを約半分にすることができる。そして、誘電体の厚みが半分にできることによって、エキシマ光が誘電体内を通過する距離は半分になり、その間での減衰が抑えられるので、ランプの放射効率は約１０％改善された。
また、誘電体の厚さを１ｍｍに固定した場合には、本発明に係る円弧状ランプの長辺は約４０ｍｍにできたが、従来の平坦ランプは約３０ｍｍが限界であった。発光長で比較すると、本発明に係る円弧状ランプが３本設置されている本発明に係る照射装置に対して、従来の平坦ランプを用いた場合は４本が必要である。すなわち、本発明の構成とすることにより、コスト的にはほぼ３／４に低減できる。

図５において、導光管４は厚さ約２ｍｍの石英からなり、断面形状は４角形で、縦および横寸法は内寸でそれぞれ約２０ｍｍと約４６ｍｍである。反射板５は厚さ約１ｍｍのアルミ板をＶ字形に加工したもので、反射面は鏡面にしている。Ｖ字形の一辺の寸法は約２８ｍｍで、導光管４の底面とは角度約４５°で接している。導光空間６には、入射するエキシマ光が減衰しないように、約１気圧の窒素ガスを封入している。

図６にしめすように、無声放電ランプ７に前述の実施例ランプと反射筒８に同じく前述の実施例反射筒とを使用し、それぞれの間隔Ｂを約２ｍｍ、被照射体１１との距離Ｃを約２ｍｍに配置し、有機物の洗浄試験を行ったところ、良好な結果が得られた。

１放電管
２電圧印加側電極
２’ アース側電極
３放電空間
４導光管
５反射板
６導光空間
７無声放電ランプ
８反射筒
９ランプホルダ
１０反射筒ホルダ
１２電装部品収納部
１１被照射体

Claims

放電管軸と直交する断面が長辺と短辺とを有する非円形状で、かつ前記長辺側にて相対向するよう放電用電極を備えた１組の電極面が構成されてなるエキシマ光を放射する無声放電ランプにおいて、
前記長辺側の電極面の少なくとも１つがエキシマ光透過面であり、かつ円弧状に膨らんでいることを特徴とする無声放電ランプ。