JP2016139463A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】外側管と内側管の間に密閉空間を有し、放電によって生じた紫外線をエキシマランプ軸方向に近接した被照射面に放射する小型のエキシマランプにおいて、被照射面に紫外線を好適な分布かつ効率良く照射することができるエキシマランプを提供する。
【解決手段】エキシマランプの外側電極と内側電極がランプ径方向に対向する密閉空間のランプ軸方向長さを、内側電極の内側管底部端部から被照射面までのランプ軸方向長さに応じた長さとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体バリア放電あるいは容量結合型高周波放電によって放電発光するエキシマランプに関する。

エキシマランプは、石英ガラス等の紫外線を透過する誘電体による密閉された空間を有する発光管を形成し、密閉された空間内にキセノンなどの希ガスや、希ガスとハロゲンガスを混合させた混合ガスを放電ガスとして封入している。密閉された空間の内外に配置した内部電極と外部電極との間に数ｋＶの高電圧を印加すると、放電空間で誘電体バリア放電あるいは容量結合型高周波放電が生じ、紫外線が発光管外部に放射される（例えば、特許文献１参照）。

大型のエキシマランプは、発光管や電極の形状や構造に大きい自由度があった。一方、本出願人が開発中の小型のエキシマランプは、発光管の外径すなわち外側管の外径が５（ｍｍ）以上かつ２０（ｍｍ）以下の範囲であり、有底筒状の内側管と、開口側端部が縮径して内側管と一体的に繋がり、内側管との間に密閉空間を形成した有底筒状の外側管とによって発光管を構成し、密閉空間内に放電ガスを封入している。そして、発光管の外側管の外周面側に配置された外側電極と内側管内周面側に挿入配置された内側電極との間に高電圧（以下、印加電圧）を印加することにより、密閉空間のうち外側電極と内側電極とがエキシマランプ径方向に対向している範囲で誘電体バリア放電を生じさせる。放電によって生じた紫外線は、外側管の底部から外部に放射され、外側管底部からエキシマランプ軸方向に７（ｍｍ）以上かつ１５（ｍｍ）以下の範囲で離れて配置される被照射面に照射される。

この様な小型のエキシマランプは、従来の大型エキシマランプに対して非常に小さい空間に配置することができるという利点があるが、エキシマランプが小型であることに加えて、エキシマランプと被照射面との距離が近いことから、外側管底部に凸レンズ等のレンズを設けることは相応しくなく、被照射面の紫外線照度分布が好適にならない欠点があった。

特許文献２に記載のエキシマランプでは、発光輝度を高めるために窓部材（すなわち外側管底部）に集光レンズを設けているが、エキシマランプと被照射面との距離が近いことに起因する被照射面の紫外線照度分布については全く考慮していない。

特開平６−２７５２４２号公報 特開平６−３３８３０１号公報

本発明は、被照射面に近接して配置される小型のエキシマランプにおいて、被照射面に紫外線を好適な分布で効率良く照射すること実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のエキシマランプは、直径が５（ｍｍ）以上かつ２０（ｍｍ）以下の有底筒状の外側管と、外側管の内側に配置された有底筒状の内側管と、外側管と内側管との間放電に放電ガスを封入した密閉空間と、外側管の外表面に配置された外側電極と、内側管の内側に封着された箔状の内側電極と、を備えた外側管の底部と対向する被照射面に紫外線を照射するエキシマランプにおいて、ランプ径方向に沿った平面であって、被照射面に紫外線を照射する光放出面を外側管の底部外表面に有し、光放出面以外の外表面の少なくとも一部に外側電極を有し、外側管の外径Ｒは、５（ｍｍ）以上かつ２０（ｍｍ）以下とし、外側管底部と被照射面のランプ軸方向距離Ｌは、７（ｍｍ）以上かつ１５（ｍｍ）以下としたとき、外側電極と内側電極がランプ径方向に対向する密閉空間のランプ軸方向長さＡ（ｍｍ）は、内側電極の内側管底部側端部から被照射面までのランプ軸方向長さＢ（ｍｍ）に対して、下記の条件式の範囲にしたことを特徴とする。
Ｂ/１．０７≦Ａ≦Ｂ/０．１１

請求項２に記載のエキシマランプは、請求項１に記載のエキシマランプであって、被照射面はエキシマランプの軸線上に中心を有する円形状であり、被照射面の直径ＲＷ（ｍｍ）に対して外側管外径Ｒ（ｍｍ）が下記の条件式の範囲にあることを特徴とする。
０．２５×ＲＷ≦Ｒ≦ＲＷ

請求項３に記載のエキシマランプは、請求項１または請求項２に記載のエキシマランプであって、被照射面に照射される紫外線は１７２（ｎｍ）を含む紫外線であり、外側電極はアルミニウム膜であることを特徴とする。

請求項４に記載のエキシマランプは、有底筒状の外側管と、外側管の内側に配置された有底筒状の内側管と、外側管の外表面に配置された外側電極と、内側管の内側に封着された箔状の内側電極と、を備えたエキシマランプにおいて、外側管の底部外表面にはランプ径方向に沿った平面である光放出面を有し、光放出面以外の外表面に外側電極を有し、光放出面に対向した被照射面に紫外線を照射することを特徴とする。

本発明によれば、被照射面に紫外線を好適な分布で効率良く照射することができる被照射面に近接して配置される小型のエキシマランプを提供することができる。

本発明によるエキシマランプの軸線を通る断面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図１のエキシマランプと被照射面の断面図である。 紫外線照度分布の実験結果を示す図である。 紫外線照度の実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１および図２は、本発明によるエキシマランプの実施形態を示しており、図１はエキシマランプの軸線を通る断面図であり、図２は図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

エキシマランプ（以下ランプ）は、それぞれ石英ガラスなどの誘電材料から成る有底筒状（ランプ軸方向断面略Ｕ字形状）の外側管１と内側管２とからなる発光管３と、内側管２の先端の内側管底部２０１、外側管１の先端の外側管底部１０１と、外側管底部１０１外側の平面である光放出面４と、外側管１の光放出面４を除く外表面に配設した外側電極５と、内側管２の内部に配設した内側電極６と、外側電極５と電気的に接続された外側給電線５０１と、内側電極６と電気的に接続された内側給電線６０１と、発光管３の後端側には外側管１が縮径して内側管２と溶着した封止部７により構成される。

発光管２は、外側管１と、内側管２の間にランプ径方向断面ドーナツ状の密閉空間８を構成し、この密閉空間８には、Ｘｅなどの希ガス、もしくは希ガスとハロゲンガスとの混合ガスが放電ガスとして封入され、発光管３の直径は５（ｍｍ）以上かつ２０（ｍｍ）以下である。

内側管２は内側管底部２０１が外側管１に接触しないように外側管１の内部に配置される。内側管２の内部には幅が１．５（ｍｍ）以上３．０（ｍｍ）の箔状の内側電極６を有し、内側電極６は内側管１を溶着させることにより、密閉空間８に露出せずに内側管２内に埋設されている。内側電極６は内側給電線６０１に溶接され、その溶接部は封止部７付近で内側管２に埋設されている。

外側電極５の内表面は密閉空間８内で生じた紫外線を密閉空間８側に反射させるような性質をなす導電性反射膜もしくはシートであり、さまざまな金属膜であってもよい。外側電極５は例えば１７２（ｎｍ）の紫外線を反射する場合はアルミニウム膜が好ましい。

電源部（図示せず）より外側給電線５０１および内側給電線６０１を介して、外側電極５と内側電極６の間に３〜１２（ｋＶ）の高周波高電圧が印加されると、密閉空間８のうち、外側電極５と内側電極６がランプ径方向に対向している範囲において、誘電体である外側管１と内側管２の間で誘電体バリア放電（容量結合型高周波放電）が生じる。密閉空間８には放電ガスとして希ガスまたは希ガスとハロゲンの混合ガスが封入されているため、誘電体バリア放電によって紫外線、つまり希ガス及びハロゲンに応じた波長の光が密閉空間８内で生じる。紫外線は外側電極５の内表面の反射や、外側管１および内側管２のファイバー効果等によってランプ軸方向に誘導され、光放射面４からランプ軸方向側に放射される。特に、外側管１が縮径している部分まで外側電極５を配置することによって、ランプ軸方向封止部側に放射された紫外線を外側管の縮径部外表面の外側電極５が反射し、光放射面側に誘導することから、より効率よく紫外線を光放射面４からランプ軸方向側に放射することができる。

図３は図１のランプと被照射面９のランプ軸線を通る断面図である。

紫外線が照射される被照射面９は、ランプ軸線上に中心を有する円形状であり、被照射面９の外径ＲＷは、外側管１（外側管底部１０１）の外径Ｒに対して１倍以上かつ４倍以下である。被照射面９と光放出面４（外側管底部１０１の平坦面）とのランプ軸方向距離Ｌは７（ｍｍ）以上かつ１５（ｍｍ）以下であり、光放出面４からランプ軸方向側に放出された紫外線は、被照射面９に照射される。

この様なランプでは、被照射面９の中心部の紫外線照度がそれ以外の領域の紫外線照度より小さく、好適な紫外線照射分布を得られない傾向がある。本発明者は本実施形態において、密閉空間８内の放電が生じる空間、すなわち外側電極５と内側電極６がランプ径方向に対向している空間のランプ軸方向長さＡと、内側電極６の内側管側端部と被照射面９とのランプ軸方向距離Ｂの関係から、被照射面９の紫外線照度最大値に対する紫外線照度最小値の減少を抑制し、紫外線照度分布が好適とする関係式（１）を定めることが出来ることを見出した。
Ｂ/Ａ≧０．１１ ・・・（１）

一方、ランプ軸方向距離Ｂが大きくなると、放電によって生じた紫外線が減衰し、被照射面９に必要な紫外線を照射出来なくなる。ランプ軸方向に放射される紫外線の量はランプ軸方向長さＡの影響が大きいことから、紫外線の減衰を抑制することができる関係式（２）を定めることが出来ることを見出した。
Ｂ/Ａ≦１．０７ ・・・（２）

関係式（１）および関係式（２）より、ランプ軸方向長さＡは、ランプ軸方向距離Ｂに対して関係式（３）を満たすように設定することで、被照射面に紫外線を好適な分布かつ、効率良く照射することができる。
Ｂ/１．０７≦Ａ≦Ｂ/０．１１ ・・・（３）

以下では、実施例１として、上記（１）式を満たすランプについて説明する。

外側管１の外径Ｌを１０．５（ｍｍ）、肉厚１（ｍｍ）とし、光放射面４を除く外表面に外側電極５としてアルミニウム膜を設ける。内側電極６は幅２（ｍｍ）のモリブデン箔とし、肉厚１ｍｍの内側管２が溶融変形することで内側管２の内部に埋設され、封止部７付近で内側給電線６０１に溶接される。被照射面９の外径ＲＷは２０（ｍｍ）である。光放出面４と被照射面９のランプ軸方向距離Ｌが７（ｍｍ）以上かつ１５（ｍｍ）以下の範囲において、外側電極５と内側電極６がランプ径方向に対向している空間のランプ軸方向長さＡと、内側電極６の内側管底部側端部と被照射面９とのランプ軸方向距離Ｂについて、Ｂ/Ａの値を０．０５から１．００の範囲で変動させた試作ランプを作製し、印加電圧を５（ｋＶ）として点灯させ、被照射面９内の紫外線照度分布を測定した。図４は各試作ランプの紫外線照度分布において、各試作ランプの紫外線照度最大値を１００（％）とした場合の被照射面９内での紫外線照度最小値を表した図である。

図４より、Ｂ/Ａの値が０．１１以上であれば、照度最大値対して照度最小値が極端に小さい値となる、すなわち被照射面９内での照度分布の悪化は認められなかった。その結果、被照射面９内の紫外線照度分布が好適になるのは、Ｂ/Ａの値が０．１１以上であることが明らかである。

次に、実施例２として、上記（２）式を満たすランプについて説明する。

ランプ軸方向距離Ｂについて、Ｂ/Ａの値を０．１から２．０のまで変動させた試作ランプを作製した。これ以外の条件は実施例１と同様であるので省略する。印加電圧を５（ｋＶ）として点灯させ、被照射面９内の全面の紫外線照度を測定した。図５はＢ/Ａの値が０．１である試作ランプの紫外線照度を１００（％）とした場合の各試作ランプの紫外線照度をまとめたものである。

図６より、Ｂ/Ａの値が１．０７以下の場合は被照射面の紫外線照度の極端な減少は認められなかった。すなわち、被照射面内での紫外線照度の減少を抑制できるのは、Ｂ/Ａの値が１．０７以下であることが明らかである。

１ 外側管
２ 内側管
３ 発光管
４ 光放出面
５ 外側電極
６ 内側電極
７ 封止部
８ 密閉空間
９ 被照射面
１０１ 外側管底部
２０１ 内側管底部
５０１ 外側給電線
６０１ 内側給電線

Claims (4)

1. 有底筒状の外側管と、
   前記外側管の内側に配置された有底筒状の内側管と、
   前記外側管と前記内側管との間の密閉空間と、
   前記外側管の外表面に配置された外側電極と、
   前記内側管の内側に封着された箔状の内側電極と、
   を備えた前記外側管の底部と対向する被照射面に紫外線を照射するエキシマランプにおいて、
   ランプ径方向に沿った平面であって、
   被照射面に紫外線を照射する光放出面を前記外側管の底部外表面に有し、
   前記光放出面以外の外表面の少なくとも一部に前記外側電極を有し、
   前記外側管の外径Ｒは、５（ｍｍ）以上かつ２０（ｍｍ）以下とし、
   前記外側管底部と前記被照射面のランプ軸方向距離Ｌは、７（ｍｍ）以上かつ１５（ｍｍ）以下としたとき、
   前記外側電極と前記内側電極がランプ径方向に対向する密閉空間のランプ軸方向長さＡ（ｍｍ）は、
   前記内側電極の内側管底部側端部から前記被照射面までのランプ軸方向長さＢ（ｍｍ）に対して、
   下記の条件式の範囲にあることを特徴とするエキシマランプ。
   Ｂ/１．０７≦Ａ≦Ｂ/０．１１
2. 請求項１に記載のエキシマランプにおいて、
   前記被照射面は前記エキシマランプの軸線上に中心を有する円形状であり、
   前記被照射面の直径ＲＷ（ｍｍ）に対して前記外側管外径Ｒ（ｍｍ）が
   下記の条件式の範囲にあることを特徴とするエキシマランプ。
   ０．２５×ＲＷ≦Ｒ≦ＲＷ
3. 請求項１乃至２に記載のエキシマランプにおいて、
   前記紫外線は１７２（ｎｍ）を含む紫外線であり、
   前記外側電極はアルミニウム膜であることを特徴とするエキシマランプ。
4. 有底筒状の外側管と、
   前記外側管の内側に配置された有底筒状の内側管と、
   前記外側管の外表面に配置された外側電極と、
   前記内側管の内側に封着された箔状の内側電極と、
   を備えたエキシマランプにおいて、
   前記外側管の底部外表面にはランプ径方向に沿った平面である光放出面を有し、
   前記光放出面以外の外表面に前記外側電極を有し、
   前記光放出面に対向した被照射面に紫外線を照射する
   ことを特徴とするエキシマランプ。

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