JP2014049280A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】一対の平行に延びる矩形状の平面部と、該一対の平面部の長手方向の側縁部に沿って形成された一対の側面部とからなる石英ガラス製の放電容器と、前記一対の平面部に設けられた一対の外部電極とを備えてなり、前記放電容器の内部に希ガスと塩素ガスを封入してなるエキシマランプにおいて、塩素ガスが放電容器を構成する石英ガラスに取り込まれる現象を抑制して、照度維持率の良好なランプ構造を提供することである。
【解決手段】前記放電容器の平面部における長手方向の側縁部が放電ギャップ方向において外方に膨出していることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、扁平な矩形断面形状を有する放電容器を備えたエキシマランプに関し、特に、放電容器内部に希ガスと塩素とが封入されたエキシマランプに係わるものである。

放電容器の断面形状が扁平な矩形形状をなすエキシマランプは、例えば、特開２０１０−２１２０４５号公報（特許文献１）に開示されている。
図６（Ａ）（Ｂ）にかかるエキシマランプ１が示されており、図において、ガラス製の放電容器２は、互いに対向して平行に伸びる矩形状の一対の平面部３、３と、この平面部３の長手方向の側縁部に沿って形成された一対の側面部４、４を備えて構成されており、該放電容器２の平面部３、３の外表面上にはそれぞれ外部電極５、５が設けられている。

そして、前記放電容器２の内部には、希ガス、ハロゲンガス、またはこれらの混合ガスが充填されており、外部電極５、５間に交流電圧又はパルス電圧が印加されると、放電容器２の平面部３及び放電空間Ｓを挟んで放電が生起され、内部の放電ガスが励起されて紫外線が放射される。
この種のランプは、投入電力に比して放射される紫外線の出力が高く、エネルギー効率に優れている。
中でも、放電ガスとして塩素を封入したエキシマランプは、クリプトンとの組み合わせでは波長２２２ｎｍの紫外線が得られ、キセノンとの組み合わせで波長３０８ｎｍの紫外線が得られる。これらの波長の紫外線を放射する他の紫外線放射ランプと比較すると、エキシマランプは投入電力に対する発光効率が高く、さまざま用途に用いられている。

ところで、このようなエキシマランプにおいて、放電ガスとして塩素と希ガスを封入したものにおいては、例えば、放電ガスとして希ガスのみを封入したエキシマランプと比較したとき、短時間で照度低下が生じてしまうという不具合がある。その理由は、放電ガスである塩素が減少するためである。
具体的には、放電で励起された塩素が、放電容器を構成する石英ガラスと反応し、塩素がこのガラス内に入り込むことで、放電空間に存在する塩素が減少・欠乏して、発光量が低下するためである。この結果、塩素が封入されたエキシマランプでは、照度維持率が悪く、使用寿命が短いという問題がある。

この現象について、図面を参照して説明する。
図７は、エキシマランプ１の外部電極５、５間に電圧が印加された状態を示している。
（１）
放電容器２内で放電が生起されて放電プラズマＰが生成され、放電ガスの組成に基づいて所定の波長の紫外線が放射されると、放電容器２の内表面で、紫外線が石英ガラスに照射されることで、石英ガラス表面の結合の一部が切断されて欠陥（≡Ｓｉ・，≡Ｓｉ−Ｏ・）が生成される。
式（１） ≡Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ≡→（≡Ｓｉ・）＋（≡Ｓｉ−Ｏ・）

（２）
放電プラズマＰ中で生成されたエネルギーを持った塩素原子（Ｃｌ^＊）が、石英ガラス中の欠陥（≡Ｓｉ・）付近に存在すると反応が生じ、塩素原子（Ｃｌ）が石英ガラスに取り込まれる、と推測されている。
式（２） （≡Ｓｉ・）＋（Ｃｌ^＊）→≡Ｓｉ−Ｃｌ
このような反応が放電中、連続的に生じると、発光に寄与する塩素が減少して、早期に照度維持率が低下してしまう。

特開２０１０−２１２０４５号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ガラス製の放電容器内に放電ガスとして塩素が封入されたエキシマランプにおいて、点灯時間の経過によって塩素が放電容器を構成する石英ガラスに取り込まれることを少しでも抑制して、放電空間内の塩素の減少を抑制し、照度維持率が低下することを防止して、使用寿命を延ばすことができる構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明では、放電容器を構成する平面部の長手方向の側縁部が放電ギャップ方向において外方に膨出していることを特徴とする。
また、前記放電容器の側面部が、短手方向において外方に膨出していることを特徴とする。

本発明によれば、放電容器の平面部の長手方向の側縁部が膨出しているので、該膨出した側縁部間の距離が放電ギャップよりも大きくなり、外部電極間での放電によって放電空間内で生成される放電プラズマにより励起されてエネルギーをもった塩素が、この膨出側縁部に到達する確率が低下し、石英ガラスに取り込まれる塩素量が減少する。そのため、放電空間に存在する塩素の減少が抑制されて、早期の照度低下を防止することができるものである。
また、前記側面部も膨出していることで、該膨出側面部の内表面が放電プラズマから遠ざかり、塩素と石英ガラスとが反応する確率が低下し、塩素の減少の一層の抑制に寄与する。

本発明のエキシマランプの全体斜視図。 図１のＡ−Ａ横断面図。 図１の部分拡大断面図。 他の実施例の横断面図。 図４の部分拡大断面図。 従来のエキシマランプの斜視図（Ａ）および横断面図（Ｂ）。 従来技術の不具合を説明する部分拡大断面図。

図１、図２に示すように、エキシマランプ１は、扁平な矩形断面形状の放電容器２と、この放電容器２の外表面上に形成された一対の外部電極５、５とを備える。放電容器２の内部には、放電ガスとして希ガスと塩素ガスが封入されている。希ガスは、クリプトン、キセノンなどから選択される。
放電容器２は、紙面上で、上面および下面に、互いに平行に伸びる一対の矩形状の平面部３、３を備えており、その長手方向の側縁部に沿って一対の側面部４、４が形成されている。
前記外部電極５、５は、放電容器２の平面部３、３の各外表面上に設けられており、例えば金などの金属ペーストによる塗布または転写紙を貼り付けることで形成したものである。かかる外部電極５は、少なくとも一方の電極が光透過部を具備するよう、例えば網状に形成されており、光透過部を介して放電空間Ｓで生成された紫外線が放出されることになる。なお、この実施例では、両方の外部電極５、５ともに網状に形成されたものが示されている。

図２に詳細が示されるように、前記放電容器２の平面部３における長手方向の側縁部３ａが放電ギャップＧ方向において外方に膨出している。これにより、当該膨出側縁部３ａの内面は、一対の平面部３、３の内面から所定量Ａだけ放電ギャップＧ方向において外方に膨出して形成されている。
そのため、膨出側縁部３ａの内面は、膨出していない従来例よりも、電極５、５間の放電容器２内で生成される放電プラズマＰからの距離が大きくなり、エネルギーを持った塩素原子は、石英ガラス表面に直ちに到達することができなくなる。

以下、図３を用いてこの現象を説明する。
上述したように、放電空間Ｓにおいては、生成された紫外線が放電容器２を照射するので、石英ガラスの内表面は紫外線により結合が切断され、欠陥が形成される。この現象は平面部３の電極５が設けられた領域（電極形成部）３ｂはもとより、電極５が設けられていない側縁部３ａにおいても生じる。
放電プラズマＰにより生成されたエネルギーを持った塩素（Ｃｌ^＊）が放電容器２の内面近傍に到達すると、該エネルギーを持った塩素は反応性が高いので、欠陥を有する石英ガラスと反応して放電容器２に取り込まれる。

しかしながら、本発明によれば、平面部３の側縁部３ａが膨出していることにより、この塩素（Ｃｌ^＊）は、放電プラズマＰから、放電が形成されていない放電非形成部をより長い距離だけ通過しなければ、石英ガラスの表面にまで近づくことができない。エネルギーを持った塩素（Ｃｌ^＊）は、この放電非形成部を通過する間に、エネルギーを消失して、通常の塩素原子（Ｃｌ）となり、石英ガラスと反応し難くなる。この結果、塩素が石英ガラスに取り込まれる反応（前記式２）が生じ難くなるものである。
勿論、平面部３の膨出部３ａが形成されていない電極形成部３ｂにおいては、塩素と石英ガラスとの反応を抑制することはできないが、少なくとも当該平面部３の長手方向の膨出した側縁部３ａにおいては、塩素の反応を抑えることで、従来技術にかかるエキシマランプと比較して塩素の損失を抑制することができるため、発光をより持続させることができて、早期の照度維持率の低下を防止できる。

図４、５は、他の実施例を説明する図であり、図４はエキシマランプの横断面図、図５は放電形成中の塩素原子と石英ガラスの様子を模式的に説明する部分拡大断面図である。
この実施例では、前記実施例における平面部３の長手方向の側縁部３ａが膨出した形状に加えて、放電容器２の側面部４が、当該放電容器２の短手方向において外方に、即ち、発光空間Ｓから遠ざかる方向に膨出しているものである。
このように、側面部４が短手方向にも膨出していることで、側面部４の内表面が放電プラズマから遠ざかるため、前述したと同じように、当該内表面の石英ガラスと塩素とが反応する確率が低くなり、塩素の減少を一層抑制することができる。

以上の本発明の実施形態において、膨出部を備えた放電容器２は、例えば次のようにして作製される。
円筒管を用意し、この円筒管全体を加熱した状態で、管の内部に、放電容器の断面形状を模ったカーボン型を挿入し、展延して加工することができる。
また、別の方法として、円筒管の長手方向に対して直交方向から火炎で熱して、円筒管の一部を軟化させる。火炎を長手方向に移動させることで円筒管に平面部を一面形成する。この際、火炎の火力や火炎を当てる領域や移動速度を調整することで、平面部の長手方向の両側縁部が膨出した形状が得られる。そして、この平面部とは反対側にも同様の加工を行うことで、膨出部を備えた２つの平面部を有する放電容器が作製される。
しかる後、管の端部を封止し、排気管を通じて希ガス及び塩素ガスを封入して気密に封止する。
このようにして形成した放電容器２は、平面部３の長手方向の側縁部３ａが、従来技術にかかる断面矩形の放電容器に対して、上下方向に広がり、すなわち、放電ギャップＧ方向において膨出した状態となるとともに、側面部４が外方に膨出した形状となる。
なお、膨出量の好ましい一具体例をあげると、図２において、平面部２の側縁部２ａの膨出量Ａは、０．５〜２ｍｍであり、また、図４において、側面部４の膨出量を表す、電極５端部から側面部４の最外端部の内表面までの距離Ｂが、２〜１０ｍｍである。

以下、本発明の効果を実証するための実験を行った。実験に用いたエキシマランプは以下のとおりである。
＜実施例１＞
図２、３に示される構成、即ち、放電容器２の平面部３における長手方向の側縁部３ａが膨出している構成のエキシマランプであって、以下の仕様。
放電容器の材質：石英ガラス
放電容器の断面上下幅：５ｍｍ
放電ギャップ：３ｍｍ
放電容器の平面部の肉厚：１ｍｍ
放電容器の長さ：２６０ｍｍ
放電容器の幅：２４ｍｍ
平面部における側縁部の膨出量（Ａ）：１ｍｍ
電極端部と側面部内面の距離（Ｂ）：３ｍｍ
格子状外部電極の材質：金
電極長：２４０ｍｍ
電極幅：１６ｍｍ
ガス圧力：２０ｋＰａ
塩素量：１２×１０^−７ｍｏｌ

＜実施例２＞
図４、５に示される構成、即ち、放電容器２の平面部３における長手方向の側縁部３ａが膨出するとともに、側面部４も膨出している構成のエキシマランプであって、以下の仕様。
平面部の側縁部の膨出量（Ａ）：１ｍｍ
電極端部と側面部内面の距離（Ｂ）：４．５ｍｍ
なお、その他の仕様は実施例１と同様。

＜比較例＞
比較例として、図６、７に示される構成、即ち、放電容器２における平面部３と側面部４が膨出していない構成の従来エキシマランプであって、その仕様は、平面部の膨出量（Ａ）＝０ｍｍであり、電極端部と側面部内面の距離（Ｂ）＝３ｍｍである。それ以外の仕様は、上記実施例１、２のランプと同様。

各ランプに封入する塩素量を一定（１２×１０^−７ｍｏｌ）にし、それぞれのランプにおいて、初期照度に対する維持率が５０％となるまでの点灯時間を比較した。
＜点灯実験の条件＞
電圧波形：矩形波
印加電圧：５ｋＶｐｐ １００ｋＨｚ
ランプ入力：２５Ｗ
＜結果＞
各ランプの照度維持率が５０％となるまでの点灯時間を測定した結果を以下に示す。
実施例１： １１１０時間
実施例２： １１４０時間
比較例 ： １０１０時間

以上のように、本発明の実施例１および実施例２のランプのいずれも従来技術に基づく比較例ランプよりも照度維持率が向上していて、なかでも、実施例２のランプの照度維持率が最も良好であることが判明した。

以上説明したように、本発明のエキシマランプでは、放電容器の平面部における長手方向の側縁部を放電ギャップ方向で外方に膨出させることにより、放電空間の外部電極間の放電プラズマから、膨出した側縁部の内面までの距離が大きくなり、前記放電プラズマによって生成されたエネルギーを有する塩素（Ｃｌ^＊）が、膨出側縁部の内面に到達するまでにそのエネルギーが消失して塩素原子（Ｃｌ）となることで、前記膨出側縁部内面に塩素が取り込まれることがなくなり、放電空間内の塩素の減少が抑制される。
また更には、側面部も外方に膨出させることにより、石英ガラスへの塩素の取込みをより一層抑制できる。
これにより、塩素を封入したエキシマランプにおいても、高い照度維持率を実現できるという効果を奏するものである。

１ エキシマランプ
２ 放電容器
３ 平面部
３ａ 膨出側縁部
３ｂ 電極形成部
４ 側面部
５ 外部電極
Ａ 側縁部の膨出量
Ｂ 電極端部と側面部の距離（側面部の膨出量）
Ｓ 放電空間
Ｇ 放電ギャップ
Ｐ 放電プラズマ

Claims (2)

1. 一対の平行に延びる矩形状の平面部と、該一対の平面部の長手方向の側縁部に沿って形成された一対の側面部とからなる石英ガラス製の放電容器と、
   前記一対の平面部に設けられた一対の外部電極と、を備えてなり、
   前記放電容器の内部に希ガスと塩素ガスを封入してなるエキシマランプにおいて、
   前記平面部の長手方向の側縁部が放電ギャップ方向において外方に膨出していることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記放電容器の側面部が、短手方向において外方に膨出してい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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