JP2021125437A - Barrier discharge lamp module, barrier discharge lamp, and ultraviolet radiation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、バリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a barrier discharge lamp module, a barrier discharge lamp, and an ultraviolet irradiation device.
波長が200nm以下の紫外線を照射するバリア放電ランプがある。バリア放電ランプは、例えば、対象物の表面に付着した有機物の除去(光洗浄処理)、表面改質、酸化膜の形成などの表面処理に用いられている。バリア放電ランプは、例えば、一対の電極と、電極と電極との間に設けられ、誘電体から形成された発光管と、を有している。一対の電極に交流電圧を印加すると、誘電体バリア放電が生じ、発光管の内部に封入されたガスの種類に応じて特定の波長を有する紫外線が照射される。 There is a barrier discharge lamp that irradiates ultraviolet rays having a wavelength of 200 nm or less. Barrier discharge lamps are used for surface treatments such as removal of organic substances adhering to the surface of an object (light cleaning treatment), surface modification, and formation of an oxide film. The barrier discharge lamp has, for example, a pair of electrodes and a light emitting tube provided between the electrodes and formed of a dielectric material. When an AC voltage is applied to the pair of electrodes, a dielectric barrier discharge occurs, and ultraviolet rays having a specific wavelength are irradiated depending on the type of gas enclosed inside the arc tube.
ここで、紫外線は発光管の内部で発生し、発光管を介して外部に照射される。そのため、紫外線を長時間照射すると、発光管の材料の化学的な構造が変わって、発光管における紫外線の透過率が著しく低下する場合がある。
そこで、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができる技術の開発が望まれていた。
Here, the ultraviolet rays are generated inside the arc tube and are irradiated to the outside through the arc tube. Therefore, when ultraviolet rays are irradiated for a long time, the chemical structure of the material of the arc tube may change, and the transmittance of the ultraviolet rays in the arc tube may be significantly lowered.
Therefore, it has been desired to develop a technique capable of suppressing a decrease in the transmittance of ultraviolet rays in the arc tube.
本発明が解決しようとする課題は、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができるバリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a barrier discharge lamp module, a barrier discharge lamp, and an ultraviolet irradiation device capable of suppressing a decrease in the transmittance of ultraviolet rays in an arc tube.
実施形態に係るバリア放電ランプモジュールは、筒状を呈し、内部空間にガスが封入された発光管と;前記内部空間に設けられたコイルを有する内部電極と;を具備し、前記発光管は、紫外線を透過しSiO2を含む材料を含み、前記材料の、OH基の含有量が800ppm以上、2000ppm以下である。 The barrier discharge lamp module according to the embodiment has a tubular shape and includes an arc tube in which a gas is sealed in an internal space; an internal electrode having a coil provided in the internal space; It contains a material that transmits ultraviolet rays and contains SiO 2, and the content of OH groups in the material is 800 ppm or more and 2000 ppm or less.
本発明の実施形態によれば、発光管における紫外線の透過率の低下を抑制することができるバリア放電ランプモジュール、バリア放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a barrier discharge lamp module, a barrier discharge lamp, and an ultraviolet irradiation device capable of suppressing a decrease in the transmittance of ultraviolet rays in the arc tube.
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、各図面中の矢印X、Y、Zは互いに直交する三方向を表している。例えば、照射方向をZ方向としている。 Hereinafter, embodiments will be illustrated with reference to the drawings. In each drawing, similar components are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Further, the arrows X, Y, and Z in each drawing represent three directions orthogonal to each other. For example, the irradiation direction is the Z direction.
(バリア放電ランプモジュール10およびバリア放電ランプ1)
図1は、本実施形態に係るバリア放電ランプ1を例示するための模式図である。
図2は、図1におけるバリア放電ランプ1のA−A線方向の模式断面図である。
(Barrier
FIG. 1 is a schematic diagram for exemplifying the
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図1および図2に示すように、バリア放電ランプ1には、バリア放電ランプモジュール10および外部電極20を設けることができる。
バリア放電ランプモジュール10は、発光管11、内部電極12、反射膜13,ホルダ14、およびリード線15を有することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The barrier
発光管11は、筒状を呈し、管径に比べて全長(管軸方向の長さ)が長い形態を有する。発光管11は、例えば、円筒管とすることができる。発光管11の、管軸方向における両側の端部のそれぞれには、封止部11aが設けられている。封止部11aを設けることで、発光管11の内部空間を気密に封止することができる。封止部11aは、例えば、ピンチシール法やシュリンクシール法を用いて形成することができる。
The
また、それぞれの封止部11aの内部には、導電部11bとアウターリード11cを設けることができる。導電部11bは、1つの封止部11aに対して1つ設けることができる。導電部11bの平面形状は四角形とすることができる。導電部11bは、薄膜状を呈している。導電部11bは、例えば、モリブデン箔から形成することができる。
Further, a
アウターリード11cは、線状を呈し、少なくともリード線15が設けられる側の封止部11aに設けることができる。アウターリード11cの一方の端部は、導電部11bと電気的に接続されている。アウターリード11cの端部の近傍は、導電部11bと、レーザ溶接または抵抗溶接することができる。アウターリード11cの他方の端部は、封止部11aから露出させることができる。アウターリード11cは、例えば、モリブデンなどを含むものとすることができる。
The
発光管11の内部空間には、ガスが封入されている。バリア放電ランプ1においては、内部電極12と外部電極20との間でバリア放電を行って、封入されているガスに高いエネルギー電子を与えてエキシマ励起分子を生成する。エキシマ励起分子が元に戻る際に、ガスの種類に応じて特定のピーク波長を有する光が発生する。そのため、発光管11の内部空間に封入するガスは、バリア放電ランプ1の用途に応じて適宜変更することができる。発光管11の内部空間に封入するガスは、例えば、クリプトン、キセノン、アルゴン、ネオンなどの希ガス、あるいは、複数種類の希ガスを混合させた混合ガスとすることができる。ガスには、必要に応じて、ハロゲンガスなどをさらに含めることもできる。
Gas is sealed in the internal space of the
発光管11の内部空間の25℃におけるガスの圧力(封入圧力)は、例えば、80kPa〜200kPa程度とすることができる。発光管11の内部空間の25℃におけるガスの圧力(封入圧力)は、気体の標準状態(SATP(Standard Ambient Temperature and Pressure):温度25℃、1bar)により求めることができる。
The gas pressure (filling pressure) at 25 ° C. in the internal space of the
例えば、フラットパネルディスプレイ用のガラス板の表面を光洗浄する場合には、封入するガスをキセノンとすることが好ましい。キセノンの封入圧力は、例えば、93kPa程度とすることができる。封入するガスをキセノンとすれば、ピーク波長が172nmの紫外線を発生させることができるので洗浄効果を高めることができる。 For example, when the surface of a glass plate for a flat panel display is light-cleaned, it is preferable that the gas to be sealed is xenon. The encapsulation pressure of xenon can be, for example, about 93 kPa. If the gas to be sealed is xenon, ultraviolet rays having a peak wavelength of 172 nm can be generated, so that the cleaning effect can be enhanced.
内部電極12は、コイル12aおよびレグ12bを有することができる。コイル12aおよびレグ12bは、一体に形成することができる。コイル12aおよびレグ12bは、線材を塑性加工することで形成することができる。線材の線径(直径)は、例えば、0.2mm〜1.0mm程度とすることができる。
The
コイル12aおよびレグ12bは、例えば、タングステンを主成分として含むことができる。タングステンの含有量は、例えば、50wt%以上とすることができる。この場合、タングステンにカリウムなどを添加したドープタングステンを用いれば、コイル12aの寸法安定性を高めることができる。
The
コイル12aは螺旋状を呈し、発光管11の内部空間に設けられている。コイル12aは、発光管11の内部空間の中央領域を発光管11の管軸に沿って延びている。コイル12aのピッチ寸法Pは、例えば、10mm〜120mm程度とすることができる。
The
図2に示すように、発光管11の管軸方向に直交する方向において、コイル12aと発光管11の内壁との間の隙間Sは、例えば、10mm以下とすることが好ましい。なお、隙間Sが設けられず、コイル12aと反射膜13が接触する様にしてもよい。また、反射膜13が設けられない場合には、コイル12aと発光管11の内壁が接触する様にしてもよい。隙間Sが所定の寸法以下であれば、低い電圧で安定したバリア放電を生じさせることができる。そのため、例えば、発光管11の内径寸法に応じて、所定の隙間Sが設けられるように、コイル12aの外径寸法を設定することができる。
As shown in FIG. 2, the gap S between the
レグ12bは、コイル12aの両側の端部のそれぞれに設けられている。レグ12bは、線状を呈し、コイル12aの端部から発光管11の管軸に沿って延びている。
レグ12bの端部は、封止部11aの内部において導電部11bと電気的に接続されている。レグ12bの端部の近傍は、導電部11bと、レーザ溶接または抵抗溶接することができる。
The end of the
反射膜13は,膜状を呈し、発光管11の内壁に設けることができる。反射膜13は,外部電極20と内部電極12(コイル12a)との間に設けることができる。反射膜13は,発光管11の内部空間で発生し、照射方向に向かわない紫外線を照射方向に向けて反射させる。反射膜13が設けられていれば、紫外線の取り出し効率を向上させることができる。また、反射膜13が設けられていれば、発光管11の、紫外線が直接入射する領域を小さくすることができるので、後述する発光管11の化学的な構造変化を抑制することができる。
The
図2に示すように、発光管11の管軸に沿った方向から見た場合に、反射膜13は,中心角θ1が180°〜300°程度となる範囲に設けることができる。反射膜13の管軸方向の長さL1は、コイル12aの長さL2以上とすることができる。この様にすれば、紫外線の取り出し効率を効果的に向上させることができる。
As shown in FIG. 2, the
反射膜13の厚みは、例えば100μm〜300μm程度とすることができる。この様にすれば、紫外線に対する良好な反射率を維持するのが容易となる。
反射膜13は、例えば、SiO2(二酸化珪素)を含むことができる。また、反射膜13は、酸化アルミニウムなどの紫外線散乱性粒子を含む材料を用いて形成することもできる。
The thickness of the
The
なお、反射膜13は、必ずしも必要ではなく省くこともできる。ただし、前述したように、反射膜13が設けられていれば、紫外線の取り出し効率を向上させることができ、且つ、後述する発光管11の化学的な構造変化を抑制することができる。
The
ホルダ14は、発光管11の、管軸方向における両側の端部のそれぞれに設けられている。ホルダ14は、発光管11の端部を覆っている。ホルダ14は、例えば、樹脂、セラミックスなどの無機材料から形成することができる。ホルダ14は、例えば、ステアタイト(steatite)、酸化アルミニウムなどを含むことができる。ホルダ14は、外部電極20と接触させてもよいし、外部電極20と離間させて設けられていてもよい。
リード線15は、封止部11aから露出するアウターリード11cの端部に電気的に接続することができる。リード線15は、アウターリード11cおよび導電部11bを介して、内部電極12と電気的に接続されている。リード線15には、紫外線照射装置100に設けられた点灯回路3を電気的に接続することができる(図5を参照)。なお、リード線15は、図1に示すように、発光管11の一方の端部側のみに設けることもできるし、発光管11の両側の端部にそれぞれ設けることもできる。
The
外部電極20は、発光管11の外側に設けることができる。外部電極20は、発光管11の管軸に沿って延びている。反射膜13が設けられる場合には、外部電極20は、反射膜13と対峙する位置に設けることができる。
The
外部電極20の発光管11側の面と、発光管11との間の隙間を大きくし過ぎると、紫外線の取り出し効率が低下する場合がある。例えば、内部電極12と外部電極20との間でバリア放電が生じた際に、内部電極12と外部電極20との間の隙間に環境中の空気があると、硝化水素ガスが発生する。また、外部電極20の表面において、環境中の水分が結露する場合がある。結露した水分に硝化水素ガスが溶け込むと、硝酸が生成される。硝酸が発光管11の外面に接触すると、紫外線の透過性が低下する。バリア放電ランプ1を点灯させる度に、このような化学反応が繰り返し生じると、紫外線の取り出し効率が経時的に低下するおそれがある。
If the gap between the surface of the
一方、外部電極20の発光管11側の面と、発光管11との間の隙間を小さくし過ぎると、寸法公差やねじれなどにより、バリア放電ランプモジュール10(発光管11)を、外部電極20に取り付けるのが困難となる。この場合、外部電極20を無理やり広げて発光管11を取り付けると、発光管11に対して力が加えられることになり、発光管11の寿命が短くなるおそれがある。
On the other hand, if the gap between the surface of the
本発明者の得た知見によれば、発光管11の半径をR1(mm)とし、外部電極20の発光管11側の面の曲率半径をR2(mm)とした場合に、「0.93≦R1/R2≦0.99」とすることが好ましい。この様にすれば、紫外線の取り出し効率が低下するのを抑制することができ、且つ、バリア放電ランプモジュール10の取り付けを容易とすることができる。
According to the findings obtained by the present inventor, when the radius of the
また、図2に示すように、発光管11の管軸に沿った方向から見た場合に、外部電極20の発光管11側の面の中心角θ2が30°よりも小さくなると、外部電極20と内部電極12とが対峙する領域が小さくなり過ぎて、紫外線の発生量が少なくなるおそれがある。一方、中心角θ2が190°よりも大きくなると、発光管11の内部空間において発生した紫外線が外部電極20に吸収されやすくなるので、紫外線の取り出し効率が低下するおそれがある。
Further, as shown in FIG. 2, when the central angle θ2 of the surface of the
本発明者の得た知見によれば、中心角θ2が30°〜190°程度となるようにすることが好ましい。この様にすれば、必要となる紫外線の発生量を確保することができ、且つ、紫外線の取り出し効率が低下するのを抑制することができる。 According to the knowledge obtained by the present inventor, it is preferable that the central angle θ2 is about 30 ° to 190 °. By doing so, it is possible to secure the required amount of ultraviolet rays generated, and it is possible to suppress a decrease in the efficiency of extracting ultraviolet rays.
外部電極20は、金属などの導電性材料を含むことができる。外部電極20は、例えば、ステンレス、アルミニウムなどを用いて形成することができる。ここで、バリア放電ランプ1を点灯させると、紫外線とともに熱が発生する。そのため、外部電極20が金属などの熱伝導率の高い材料から生成されていれば、外部電極20を放熱部として用いることもできる。
The
バリア放電ランプモジュール10(発光管11)を、外部電極20に取り付ける方向は、中心角θ2に応じて変えることができる。例えば、中心角θ2が180°以下の場合には、バリア放電ランプモジュール10(発光管11)を、Z方向またはY方向から取り付けることができる。中心角θ2が180°を越える場合には、バリア放電ランプモジュール10(発光管11)を、Y方向から取り付けることができる。
The direction in which the barrier discharge lamp module 10 (light emitting tube 11) is attached to the
なお、バリア放電ランプモジュール10(発光管11)が、外部電極20から取り外せる場合を例示したが、外部電極20が発光管11の外面に固定されて入れもよい。この場合、外部電極20に比べて、発光管11、内部電極12、および反射膜13などの方が消耗し易い。そのため、バリア放電ランプモジュール10(発光管11)が、外部電極20から取り外せるようにすることが好ましい。この様にすれば、メンテナンス性の向上やランニングコストの低減を図ることができる。
Although the case where the barrier discharge lamp module 10 (light emitting tube 11) can be removed from the
ここで、バリア放電ランプ1を点灯させると、発光管11の内部空間において紫外線が発生する。発生した紫外線は、発光管11を介して外部に照射される。そのため、発光管11は、例えば、ピーク波長が200nm以下の紫外線の透過率が高い材料から形成される。発光管11は、紫外線を透過しSiO2を含む材料から形成することができる。発光管11は、例えば、合成石英ガラスから形成することができる。ところが、ピーク波長が200nm以下(例えば、ピーク波長が172nm)の紫外線がSiO2を含む材料に入射すると、経時的に、材料の化学的な構造が変化する場合がある。例えば、SiO2に紫外線が入射すると、SiとOの結合が切れる場合がある。そのため、バリア放電ランプ1を長時間点灯させると、発光管11の材料の化学的な構造に欠陥が生じて、紫外線の透過率の急激な低下、ひいては、照射される紫外線の量が急激に低下するおそれがある。
Here, when the
本発明者の得た知見によれば、SiO2を含む材料に含まれるOH基の量を多くすれば、紫外線の入射により、SiとOの結合が切れたとしても、化学的な構造の欠陥を修復できる。 According to the knowledge obtained by the present inventor, if the amount of OH groups contained in the material containing SiO 2 is increased, even if the bond between Si and O is broken due to the incident of ultraviolet rays, the chemical structure is defective. Can be repaired.
図3は、OH基の含有量と照度維持率との関係を例示するためのグラフである。
図3から分かるように、OH基の含有量を800ppm以上とすれば、初期照度を長時間維持することが可能となる。このことは、OH基の含有量を800ppm以上とすれば、発光管11における紫外線の透過率の低下を抑制できることを意味する。
FIG. 3 is a graph for exemplifying the relationship between the content of OH groups and the illuminance maintenance rate.
As can be seen from FIG. 3, if the content of the OH group is 800 ppm or more, the initial illuminance can be maintained for a long time. This means that if the content of the OH group is 800 ppm or more, the decrease in the transmittance of ultraviolet rays in the
また、本発明者の得た他の知見によれば、OH基の含有量を多くし過ぎると、初期照度が低下することが判明した。
図4は、OH基の含有量と初期照度との関係を例示するためのグラフである。
図4から分かるように、OH基の含有量が2000ppmを越えると初期照度が著しく減少する。このことは、OH基の含有量を多くし過ぎると、発光管11の当初の紫外線の透過率が低下することを意味する。
そのため、OH基の含有量を2000ppm以下とすることが好ましい。
Further, according to other findings obtained by the present inventor, it has been found that if the content of OH groups is too large, the initial illuminance decreases.
FIG. 4 is a graph for exemplifying the relationship between the content of OH groups and the initial illuminance.
As can be seen from FIG. 4, when the content of OH groups exceeds 2000 ppm, the initial illuminance is significantly reduced. This means that if the content of OH groups is too high, the initial ultraviolet transmittance of the
Therefore, the content of OH groups is preferably 2000 ppm or less.
以上に説明した様に、発光管11がSiO2を含む材料(例えば、合成石英ガラス)を含む場合には、材料に含まれるOH基の量を、800ppm以上、2000ppm以下とすることがより好ましい。この様にすれば、発光管11における紫外線の透過率を長期間維持することができ、且つ、発光管11の当初の紫外線の透過率を大きくすることができる。
As described above, when the arc tube 11 contains a material containing SiO 2 (for example, synthetic quartz glass), the amount of OH groups contained in the material is more preferably 800 ppm or more and 2000 ppm or less. .. By doing so, the transmittance of ultraviolet rays in the
(紫外線照射装置100)
次に、本実施の形態に係る紫外線照射装置100について例示する。
なお、以下においては、前述したバリア放電ランプ1が2つ設けられる場合を例示するが、バリア放電ランプ1の数は、用途や照射対象物の大きさなどに応じて適宜変更することができる。すなわち、バリア放電ランプ1は、少なくとも1つ設けられていればよい。
(Ultraviolet irradiation device 100)
Next, the
In the following, the case where two of the above-mentioned
図5は、紫外線照射装置100の構成を例示するための模式図である。
図5に示すように、紫外線照射装置100には、バリア放電ランプ1、冷却部2、点灯回路3、およびケース4を設けることができる。
FIG. 5 is a schematic diagram for exemplifying the configuration of the
As shown in FIG. 5, the
冷却部2は、外部電極20を挟んで、発光管11と対峙させることができる(図2を参照)。冷却部2の外部電極20側の面は、外部電極20に密着させることができる。冷却部2は、熱伝導率の高い材料から形成することができる。冷却部2は、例えば、アルミニウムやステンレスなどの金属から形成することができる。また、冷却部2の内部に冷媒を流す流路を設け、放熱性をさらに高めてもよい。冷却部2は、外部電極20と一体化してもよい。また、必要に応じて、冷却部2と外部電極20との間を絶縁してもよい。また、冷却部2は、ホルダ14を保持することもできる。
The
点灯回路3は、内部電極12と外部電極20とに電気的に接続することができる。点灯回路3は、交流電源からの電力を、高電圧かつ高周波(例えば、周波数が37kHzの正弦波)の電力に変換するインバータを有することができる。例えば、点灯回路3は、2.4kW程度のランプ電力で、バリア放電ランプ1を点灯させることができる。
The lighting circuit 3 can be electrically connected to the
ケース4は、箱状を呈し、内部に、バリア放電ランプ1、冷却部2、および点灯回路3を収納することができる。ケース4の一方の面には開口4aが設けられ、バリア放電ランプ1から出射した紫外線が外部に照射されるようになっている。
The
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been illustrated above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. Moreover, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1 バリア放電ランプ、3 点灯回路、10 バリア放電ランプモジュール、11 発光管、12 内部電極、12a コイル、13 反射膜、20 外部電極、100 紫外線照射装置 1 Barrier discharge lamp, 3 Lighting circuit, 10 Barrier discharge lamp module, 11 arc tube, 12 internal electrode, 12a coil, 13 reflective film, 20 external electrode, 100 UV irradiation device
Claims (5)
前記内部空間に設けられたコイルを有する内部電極と;
を具備し、
前記発光管は、紫外線を透過しSiO2を含む材料を含み、前記材料の、OH基の含有量が800ppm以上、2000ppm以下であるバリア放電ランプモジュール。 An arc tube that has a tubular shape and is filled with gas in the internal space;
With an internal electrode having a coil provided in the internal space;
Equipped with
The arc tube contains a material that transmits ultraviolet rays and contains SiO 2, and the material has an OH group content of 800 ppm or more and 2000 ppm or less.
前記バリア放電ランプモジュールに設けられた発光管の外側に設けられた外部電極と;
を具備したバリア放電ランプ。 With the barrier discharge lamp module according to any one of claims 1 to 3.
With an external electrode provided on the outside of the arc tube provided in the barrier discharge lamp module;
Barrier discharge lamp equipped with.
前記バリア放電ランプに設けたれた内部電極と、外部電極と、に電気的に接続された点灯回路と;
を具備した紫外線照射装置。 With the barrier discharge lamp according to claim 4;
An internal electrode provided in the barrier discharge lamp, an external electrode, and a lighting circuit electrically connected to the external electrode;
An ultraviolet irradiation device equipped with.
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