JP2011154862A - 放電ランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対向する一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプの近傍に配置されて紫外線を放射し、前記放電ランプの始動性を改善するＵＶセルとを有する放電ランプ装置において、前記ＵＶセルに給電手段を設けることなく、装置での高圧配線構造の煩雑さを取り除いて、有効な始動性の改善を達成できる構造を提供することにある。
【解決手段】前記ＵＶセルが、前記放電ランプの一対の電極間の放電方向に沿うように配置されているとともに、該ＵＶセルは、給電手段を備えていないことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、対向する一対の電極を有する放電ランプの近傍にＵＶセルを配置した放電ランプ装置に関するものであり、特に、発光管内に希ガスとフッ素を封入してエキシマ光を放射する放電ランプ装置に係わるものである。

従来から、誘電体材料よりなる発光管の外周面に電極を設けるとともに、その内部に希ガスとフッ素を封入し、該発光管内に発生させた誘電体バリア放電によって前記放電ガスのエキシマ分子を生成して、該エキシマ分子からエキシマ光を放射させる放電ランプが知られている。
このようなランプは、例えば、光化学反応用の紫外線光源として利用されている。

上記のような放電ランプは、放電ガスを選択することによって所望の波長のエキシマ光を得るものであり、そのために希ガス（アルゴン、クリプトン、キセノン等）とフッ素が封入されており、フッ素は、フッ素単体、或いは、フッ化物（六フッ化硫黄：ＳＦ６、四フッ化炭素：ＣＦ４、三フッ化窒素：ＮＦ３）として封入されている。
以下の表に、希ガスとフッ化物の組み合わせに応じた放射波長を例示する。

これらの紫外光は、露光、表面改質、殺菌等の種々の用途に利用されている。特に、１９３ｎｍ、２４８ｎｍの紫外線放射が得られるアルゴン−フッ素、クリプトン−フッ素の放電ランプは、レジストの特性試験、周辺露光、マスク検査等の幅広い用途に利用されている。

ところで、放電容器が石英ガラスからなるランプでは、放電ガスとしてフッ素を用いた場合に、石英ガラス中にフッ素が取り込まれてしまい、放電空間内に本来必要とされるフッ素量が減少し、希ガスとフッ素のエキシマ分子の生成量が減少してしまい、エキシマランプから放射される光出力が低下するという問題があった。

上記において、フッ素が石英ガラスに取り込まれていくメカニズムは必ずしも明確ではないが、以下のように考えられている。
放電容器を構成する石英ガラスは、エキシマ分子から放射される多量の紫外線の照射を受け、表面の（＝Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＝）の結合の一部が切断され、＝Ｓｉ・（・は不対電子、＝は酸素との結合を表す）などの欠陥が生じ、これとフッ素が反応して、石英ガラス中にフッ素が取り込まれていくものと考えられている。
その結果、放電空間中のフッ素量が減少し、フッ素と希ガスのエキシマ分子の生成量が減少して光出力が減少するものである。

このような問題を解決するために、特許文献１（特開２００９−５９６０６号公報）に示されているように、発光管材料として、石英ガラス以外のフッ素と反応し難い材料、例えば、透光性セラミックスであるサファイアを用いた放電ランプが知られている。
図６に、この透光性セラミックスを用いた従来の放電ランプが示されている。
同図において、（Ａ）は発光管の管軸方向に沿った断面図であり、（Ｂ）は発光管の管軸方向に対して垂直方向の断面図、即ち、（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

放電ランプ１の発光管２は、短波長紫外光を透過し、かつフッ素との反応が少ない材料として、透光性セラミックスのサファイアからなるものである。
前記発光管２の長手方向における両端は開放されており、その両端には封止用の平坦状の金属キャップ３１、３２が取り付けられる。該キャップ３１、３２は、例えば鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。このコバールは、発光管材料であるサファイアと熱膨張係数が近いことから採用される。
前記発光管２と金属キャップ３１、３２とは、例えば、銀と銅との合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）であるロウ材からなる封止材４１、４２により密閉状に封止される。

一方のキャップ３１には排気管５が設けられており、該排気管５を介して発光管２の内部の放電空間２１が排気・減圧された後に、希ガスとフッ化物が封入される。これらの発光物質が封入された後、排気管５は圧接などで封止部５１が形成されることにより、発光管２は密閉構造となる。
発光管２内の放電空間２１に封入される発光物質として、前記した、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる希ガスと、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）又は三フッ化窒素（ＮＦ３）などのフッ化物などが封入されている。

また、発光管２の外周面には、図６（Ｂ）に示すように、一対の外部電極６１、６２が互いに電気的に離れるように対向配置され、該電極６１、６２は図６（Ａ）に示すように、発光管２の管軸方向に沿って延びるように設けられている。
この外部電極６１、６２は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管２の外周面に塗布し、乾燥させて形成することができる。

ランプ点灯時には、一対の外部電極６１、６２間に高電圧が印加されることにより、発光管２を介して該外部電極６１、６２間に放電が発生する。
発光管２内に、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化硫黄（ＳＦ６）が封入されている場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９３ｎｍの波長近傍の光が発光され、発光管２から放射される。

ところで、各種の処理技術に用いられるこのような放電ランプには、処理効率や処理速度の向上のために、光出力の一層の向上が求められてきており、そのためには、発光管内に封入するフッ化物の封入量を増加させることが必要であり、近時その傾向が顕著である。
しかしながら、該フッ化物は絶縁性物質であって、その封入量が増えると放電が起こり難くなり、放電ランプの始動性が低下するという問題が生じてきている。
換言すると、所定の印加電圧では放電ランプが点灯しないという不具合が発生してきている。

しかして、放電ランプの始動性の改善のために、その始動時に、発光管の外部から発光管内に紫外線を照射し、該発光管内の物質の光電効果を利用して、所定の印加電圧でも確実に放電ランプを点灯させることができる技術が知られている。

このような状況は、発光管内に一対の電極を有し、水銀が封入されているショートアーク水銀放電ランプにおいても同様であって、その始動性の改善が要求されており、その解決方法のひとつとして、ランプの発光管近傍に紫外線を放射するＵＶセルを配置した技術が提案されている。このような技術は先行特許文献２（特開２００４−１３９９５５号公報）に記載されている。
上記特許文献２においては、ＵＶセルを点灯させるための該ＵＶセルへの電力供給は、ショートアーク水銀放電ランプの電極と電気的に接続された給電線を、ＵＶセルに接続することによって行われるものであり、具体的には、ＵＶセルの発光管の外面に外部電極が形成され、この外部電極にランプへの給電線を接続する構造となっている。

そして、前記した図６に示す構造の外部電極放電ランプの始動性改善のために、かかる特許文献２のようなＵＶセルを使用することが考えられる。
この場合、そのＵＶセルを点灯させるための電力供給は、外部電極放電ランプの外部電極に電気的に接続された給電線を、前記ＵＶセルに接続する構造となる。
ところで、外部電極放電ランプの外部電極への給電線のうちのどちらか一方は、高電圧側の電気特性となる高電圧線であり、上記ＵＶセルへの接続構造においては、この高電圧線を装置内で取り回すことになり、装置内での絶縁性を確保するために装置構造が複雑化するという問題がある。
かかる問題があるために、外部電極放電ランプにおいて、ＵＶセルを使用する場合に、ＵＶセルへの給電手段を固有に検討しなければならなくなってきた。

特開２００９−０５９６０６号公報 特開２００４−１３９９５５号公報

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り、放電ランプの発光管近傍にＵＶセルを配置して始動性を改善せんとする放電ランプ装置において、ＵＶセルの点灯のための配線構造による装置構造の複雑化を避けて、簡単な構造で放電ランプの始動性の改善を図ることができる構造を提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係る放電ランプ装置は、紫外線を放射するＵＶセルが前記放電ランプの電極間の放電方向に沿うように配置されており、該ＵＶセルは給電手段を備えていないことを特徴とする。
また、前記放電ランプは、発光管の外面に一対の外部電極が設けられていることを特徴とする。
また、前記放電ランプは、透光性セラミックスよりなる発光管の内部に希ガスとフッ素が封入されていることを特徴とする。
また、前記ＵＶセルは、その発光管の内部に導電性部材が配置されていることを特徴とする。
また、前記ＵＶセルは、その発光管の外面の両端部に電極として機能する一対の導電性部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、放電ランプの始動性改善のためのＵＶセルを電極間の放電方向に沿うように配置することにより、特別な給電手段を備えていなくても、前記ランプの電極と電極の間で発生する電界の中にＵＶセルが配置され、該ＵＶセルの発光管内でも電界が生じて、これを点灯させることができ、該ＵＶセル内に発生する紫外線を放電ランプに照射して、その始動性に寄与することができるものである。

本発明に係る放電ランプ装置の断面図。 本発明のＵＶセルの実施例の断面図。 本発明のＵＶセルの発光説明図。 本発明の他の実施例のＵＶセルの発光説明図。 本発明の更に他の実施例のＵＶセルの発光説明図。 従来の放電ランプの断面図。

図１は本発明の放電ランプ装置を示し、（Ａ）は管軸方向の断面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
放電ランプ１は、図６に示した放電ランプと同様な構造であり、その発光管２の近傍に、紫外線を放射する略円筒形状のＵＶセル８が配置されている。該ＵＶセル８は石英ガラス製の発光管８１からなり、その放電空間８２内には、放電により紫外線を生成する放電媒体、例えば、Ｘｅガスなどが封入されている。そして、前記発光管８１の管軸８３が放電ランプ１の一対の外部電極６１、６２間での放電方向に沿う方向に配置されている。即ち、当該構成の放電ランプ１においては、ＵＶセル８は、その管軸８３が発光管２に直交する方向に配置されるものである。

なお、放電ランプ１は、サファイアの発光管２（内径φ８ｍｍ×外径φ８ｍｍ×長さ２００ｍｍ）からなり、その外周面には一対の外部電極６１、６２が設けられている。
外部電極６１、６２は、金をペースト状にしたものを発光管２の外面に塗布して形成することができる。該外部電極６１、６２の形状は幅２ｍｍ×長さ８０ｍｍである。
発光管２内には、封入ガスとして、Ｈｅ、Ｆ２、Ａｒが封入されており、全圧で２３．３ｋＰａである。
外部電極６１、６２間には、周波数が７０ｋＨｚであって、印加電圧が８ｋＶ（ｐ−ｐ）となるパルス高電圧が印加される。

図２はＵＶセル８の断面図であり、（Ａ）はＵＶセル８が石英ガラス製の発光管８１（内径φ１．４ｍｍ×外径φ３ｍｍ×長さ１５ｍｍ）からのみなるものであって、該発光管８１内にはＸｅが４．０ｋＰａ程度封入されている。
（Ｂ）は、発光管８１の内部に棒状の導電性部材８４が配置されている例である。該導電性部材８４は、例えば、ＳＵＳ製の金属線であり、線径φ０．２ｍｍ×長さ８ｍｍである。
（Ｃ）は、発光管８１の両端に外部電極として機能する導電性部材８５、８６を設けた例である。該導電性部材（外部電極）８５、８６は、例えば、金の蒸着膜からなり、電極間距離は８ｍｍである。

上記実施例に従うＵＶセルの発光動作を説明すれば以下のとおりである。
図３において、石英ガラス製の発光管８１からなるＵＶセル８が、放電ランプ１の発光管２の近傍に外部電極６１、６２間の放電方向に沿うように設けられている。放電ランプ１の一方の外部電極６１は接地電極であり、他方の電極６２は駆動電源６から正負交番パルス高圧が印加されている。
１０ａ〜１０ｅは、放電ランプ１の外部電極６１、６２の電位により形成される等電位面を模式的に示したものであり、電界（電位の傾き）は放電ランプ１の放電空間２１内のみならず、放電空間の外の周囲にも及ぶ。今、略円筒形状のＵＶセ８を放電ランプ１に近接させ、かつ該ＵＶセル８の管軸８３を放電ランプ１の放電方向、即ち電極間軸にほぼ平行に設置した場合を考える。その時のＵＶセル８の管軸８３上の電位分布が下方のグラフに示されている。

図で分かるように、放電ランプ１による電界は、ＵＶセル８の放電空間８２内にも及び、その内部にも電界が形成されている。いま、放電ランプ１の高圧側電極６２の電位がＶ０（＞０）である瞬間を考える。放電ランプ１の高圧側電極６２に近い側のＵＶセル８の放電空間８２の端部８２ｂの電位をＶ１、放電ランプ１の接地電極６１に近い側のＵＶセル８の放電空間８２の端部８２ａの電位をＶ２とすると、Ｖ０＞Ｖ１＞Ｖ２＞０の関係にある。
ＵＶセル放電空間８２には発光ガスであるキセノンが、比較的小さな電界でも放電が開始する圧力、例えば、４．０ｋＰａ程度で封入されており、ＵＶセル８内に誘起された電界により放電が生じ、これにより紫外線が発光される。
一方で、放電ランプ高圧側電極６２に負電位Ｖ０（＜０）が印加された瞬間には、Ｖ０＜Ｖ１＜Ｖ２＜０の関係となり、やはり同じくＵＶセル８内に誘起された電界により放電、発光する。

図４に示す、ＵＶセル８の発光空間８２内に導電性部材８４を配置した例についての発光動作は以下のとおりである。
図３と同様に、１０ａ〜１０ｇは、放電ランプ１の外部電極６１、６２へのパルス高電圧印加に伴う等電位面を模式的に示している。ここでは簡単のために、導電性部材８４はＵＶセル８の発光管８１の管軸上にあるものとして考える。
このとき、導電性部材８４内は同電位となり、導電性部材８４の両端８４ａ、８４ｂの近傍の等電位面１０ｂ〜１０ｃ、１０ｅ〜１０ｆは導電性部材８４がない場合に比較して、該導電性部材８４から遠ざかるように変形を受ける。
その結果得られるＵＶセル８の管軸上の電位分布が下方のグラフに実線で示されている。比較のために導電性部材がない場合（図３）の電位分布を破線で示す。
前記導電性部材８４のために、その端部近傍で等電位面が変形を受けた結果、導電性部材端８４ａ、８４ｂと放電空間端８２ａ、８２ｂの区間１１ａ、１１ｂで、グラフの傾き、即ち、電界の傾きが大きくなる。このため、導電性部材がない場合に比較して、放電空間８２内の発光ガスの放電、発光が容易になる。

図５に示す、ＵＶセル８の発光管８１の両端に導電性部材（外部電極）８５、８６を設けた例についての発光動作は以下のとおりである。
図において、導体である外部電極８５、８６内は同電位となり、放電空間８２内の外部電極８５、８６の近傍の等電位面１０ｃ〜１０ｄ、１０ｆ〜１０ｇは、外部電極がない場合に比較して、外部電極８５、８６から遠ざかるように変形を受ける。
その結果得られるＵＶセル８の管軸上の電位分布が下方のグラフに実線で示されている。比較のために外部電極がない場合（図３）の電位分布を破線で示す。
前記外部電極８５、８６の近傍で等電位面が変形を受けた結果、放電空間８２内の外部電極間１１において、グラフの傾き、即ち、電界の傾きが大きくなる。このため、外部電極がない場合に比較して、放電空間８２内の発光ガスの放電、発光がより容易になる。

以上のように、本発明の放電ランプ装置では、該放電ランプの近傍に、その電極間の放電方向に沿うようにＵＶセルを配置し、該ＵＶセルには給電手段を設けない構成としたことにより、ランプ周辺の装置内にＵＶセル発光のための煩雑な配線・給電手段を設けることなく放電ランプの始動性を改善することができる。
また、ＵＶセル内に導電性部材を配置することにより、一層の始動性の改善効果が得られる。
更には、ＵＶセルの発光管端部に導電性部材を設けたことにより、一層の始動性の改善効果が得られる。
特に、放電空間内に希ガスとフッ化物を封入して短波長紫外線を得る外部電極型放電ランプにおいても、装置内で高圧配線を取り回すという煩わしさもなく、良好な始動性が得られるので、光出力の向上のためにフッ化物を多量に封入した放電ランプ装置を実現できるものである。

１ 放電ランプ
２ 発光管
２１ 放電空間
６ 駆動電源
６１、６２ 外部電極
８ ＵＶセル
８１ （ＵＶセルの）発光管
８２ 放電空間
８３ 管軸
８４ （棒状の）導電性部材
８５、８６ 導電性部材（外部電極）
１０ 等電位面

Claims (5)

1. 対向する一対の電極を有する放電ランプと、該放電ランプの近傍に配置されて紫外線を放射し、前記放電ランプの始動性を改善するＵＶセルとを有する放電ランプ装置において、
   前記ＵＶセルは、前記放電ランプの電極間の放電方向に沿うように配置されており、
   前記ＵＶセルは、給電手段を備えていないことを特徴とする放電ランプ装置。
2. 前記放電ランプは、発光管の外面に一対の外部電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ装置。
3. 前記放電ランプは、透光性セラミックスよりなる発光管の内部に希ガスとフッ素が封入されていることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ装置。
4. 前記ＵＶセルは、その発光管の内部に導電性部材が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の放電ランプ装置。
5. 前記ＵＶセルは、その発光管の外面の両端部に一対の導電性部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の放電ランプ装置。

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