JP2022137996A - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】被照射物に対して紫外線を有効に照射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１０’は、外側管２０内に同軸配置された内側電極４０を備え、外側管２０の径一定の発光部２４の両端付近に膜状の外側電極５０を設け、外側電極５０は、肩部２８、小径部２１に渡って周方向全体を覆う。一方、外側管２０の発光部２４には、ランプ軸Ｅに沿って延びる３本の帯状部分５２、５４、５６が外側電極５０の一部として設けられ、周方向に所定間隔（ここでは等間隔）離れて配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、エキシマランプに関し、特に、ランプ電極の構成に関する。

エキシマランプでは、発光管内に希ガスを封入し、発光管の外表面に設けられた外側電極と、発光管内に設けられた内側電極との間に電圧を印加することによって放電し、エキシマ光が放射される。エキシマ光として紫外線を照射可能であり、紫外線照射によるオゾン発生などを行う光源として利用することができる。

例えば、エキシマランプの周囲をジャケット管や保護管などの光透過性のある容器で囲み、紫外線照射の対象となる流体（洗浄水など）の流れる流路にジャケット管を配置し、あるいは、流体の流れる容器に対してエキシマランプを容器外表面に近接配置する構成が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６－３９０２８号公報

エキシマ光として照射される紫外線（特に、波長１７２ｎｍ）はその到達距離が他の波長域の光と比べて短い。したがって、ジャケット管や照射窓などの容器内表面とエキシマランプ外表面との間の隙間が大きくなると、紫外線照射対象物（被照射物）に紫外線が十分到達せず、紫外線照射による効果が低減する。一方で、エキシマランプは発光管の外表面に外側電極を配設する構成であり、ランプ外表面の周囲にスペースが要求される。

したがって、被照射物に対して紫外線を有効に照射できるエキシマランプを提供することが求められる。

本発明のエキシマランプは、放電ガスが封入され、発光部が設けられた外側管と、少なくとも発光部の端部の外表面に設けられる外側電極とを備え、被照射物が周囲に流れるジャケット管の内部に設置可能である。例えば、外側電極の一部が、前記発光部において、ランプ軸方向又はランプ周方向に所定間隔で離間する複数の帯状部分として形成することが可能である。また、内側電極は、例えば、少なくとも一部が誘電体に被覆されるように構成可能である。エキシマランプは、所定のピーク波長の紫外線を放射するように構成することが可能であり、例えば、波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するように構成することができる。

本発明の外側電極は、膜状に形成され、少なくとも発光部において、その厚さが０．１μｍ～０．５μｍの範囲内に定められている。この厚さは、紫外線のピーク波長や減衰特性、あるいは、ジャケット管内へ設置したときのジャケット管との距離間隔などを考慮して、その厚さを定めることが可能である。波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射する場合、ジャケット管内に設置したときの前記外側電極の外表面から前記ジャケット管の内表面までの離間距離を、前記発光部の外表面から放射される紫外線の紫外線強度比が５０％に減衰する透過距離以下となるようにすることができる。この場合、例えば、離間距離を３ｍｍ以下とし、外側電極を、ランプ軸方向に沿って均一な厚さを有する膜状に形成することが可能である。外側電極の一部は、発光部において、ランプ軸方向又はランプ周方向に所定間隔で離間する複数の帯状部分として形成可能である。例えば、外側電極の一部は、発光部において、ランプ軸方向に延び、ランプ周方向に所定間隔で離間する３つの帯状部分として形成される。

外側電極は、発光部と発光部の先端に設けた小径部との間に設けられた縮径する曲面形状の肩部において、少なくとも一部に設けることができる。例えば、外側電極は、発光部の少なくとも一方の端部から肩部を介して小径部にまで渡って、設けることができる。ここで、小径部は、外側管の径一定部分より径が小さい部分を示し、例えば管軸（ランプ軸）に沿って形成可能である。外側電極は、被照射物と同電位となるように、アース側へ電気的に接続することができる。外側電極は、発光部内で生じた放電から放射された紫外線を含む光に対する光反射性を有し、乾式メッキ法により成膜されたアルミニウム膜により形成することができる。

小径部がチップ管として構成される場合、誘電体の先端部が、チップ管内に入り込み、内側電極のランプ軸に沿った先端位置が、チップ管よりも後端側にあるように構成することが可能である。

本発明によれば、被照射物に対して紫外線を有効に照射できるエキシマランプを提供することができる。

本実施形態であるエキシマランプの概略的平面図である。 エキシマランプの概略的内部構成を示した断面図である。 図１のラインIII－IIIに沿った概略的断面図である。

以下では、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は、本実施形態であるエキシマランプの平面図である。図２は、エキシマランプの概略的内部構成を示した断面図である。図３は、図１のラインIII－IIIに沿ったエキシマランプの概略的断面図である。

エキシマランプ１０は、ここでは紫外線を放射し、例えば、波長１７２ｎｍの紫外線を放射する。エキシマランプ１０は、光透過性のあるジャケット管１１の内部に設置された状態で、紫外線照射対象となる流体の流れる管路に配置される。

エキシマランプ１０の放電容器（発光管）は、石英ガラスなどの誘電材料から成る断面略円筒状の外側管２０と断面略円柱状の内側管３０を備え、外側管２０内の放電空間Ｓには、キセノンガスなどの希ガスや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ている。

外側管２０内には、管軸すなわちランプ軸Ｅに沿って延びる内側電極４０が配置されている。ここでは、内側電極４０は、外側管２０に対して同軸的に配置された箔状の電極であって、誘電材料から成る内側管３０によって埋設（被覆）されている。内側電極４０は、内側管３０と外側管２０との間に形成される放電空間Ｓに露出せず、内側管３０内に埋設されている。内側電極４０の一端４０Ｅは、外部から延びる給電線６０に接続されている。

外側管２０は、ランプ中央部を含む径一定の発光部２４と、発光部２４の両端に径が縮小していく縮径部（以下、肩部という）２８を備え、肩部２８と繋がる小径部（チップ管、封止管）２１、２２を設けている。小径部２１、２２は、ランプ製造の過程で形成されるものであり、その外径Ｒ２、Ｒ３は、肩部２８と両端で繋がる発光部２４の外径Ｒ０より小さい。小径部２１は、径が略一定で先端封止して有底円筒状に構成される円筒部２９を有する。小径部２２は、内側管３０の後端側の一部が外側管２０に覆われずにランプ後端に向けてランプ軸Ｅに沿って突出した部分であり、内部を給電線６０が貫通している。

小径部２１、２２を設けたエキシマランプ１０の製造工程としては、例えば、まず内側給電線に接続する内側電極（箔電極）を内側管（円筒状誘電体）内に挿入し、外部から加熱して内側管と箔電極とを溶着させる。そして、内側管の挿入入口付近の内側電極端部において、他の軸方向範囲よりも外径が大きい部分である、いわゆるそろばん形状の封止部を形成する。

一方、一端に排気管（チップ管）を形成し、他端に挿入口を設けた外側管を形成し、内部電極を内部に埋設した内側管（柱状誘電体）を外側管内に挿入する。そして、挿入口で外側管をそろばん形状封止部（内側管の大径部）と溶着させ、外側管と内側管とからなる放電容器を形成する。発光管内を加熱しながら排気管を通じて真空引きをして、排気管から放電用ガスを封入した後、排気管を封止し、外側管の外表面に外側電極を設ける。

このようなランプ製造工程を経て製造された外側管２０の小径部２１は、排気管に基づいて形成された部分であり、小径部２２は、内側電極挿入口側（後端側）に対応している。そのため、小径部２１、２２には、その端部（封止部）まで略径一定である円筒部が形成される。

外側管２０の外表面２０Ｓには、外側電極５０が設けられている。ここでは、外側電極５０は、外側管２０の外表面２０Ｓにおいて、離間する３つの帯状部分の隙間となる領域をマスキングして、外側電極５０を設ける領域を紫外線照射して表面処理した後に、スパッタリングにより外側管２０の外表面２０Ｓに直接形成する。外側電極５０の厚さは、スパッタ処理する成膜時間の長さによって調整可能である。例えば、耐オゾン性のあるアルミニウム膜などの金属膜によって構成される。その他、白金や、これらの合金など、変質や劣化なく使用できる金属であれば適用できる。外側電極５０は、外側管２０の両端付近で周方向に沿った外表面全体を覆う一方、その間の径一定の発光部２４では、紫外線放射の障害とならないように一部表面のみ覆っていることで、外側管２０の外表面２０Ｓを透過する紫外線が、外側電極５０に遮られる面積を抑えることができる。さらに金属膜が、放電空間Ｓで生じた放電から放射された紫外線を含む光や、放電容器の内表面に塗布された蛍光体膜から放射された光に対する光反射性を兼ねるとよい。このように外側電極５０への光吸収を軽減して、離間する３つの帯状部分の隙間から外部へ放射されることで、被照射物に対して紫外線を有効に照射できる。

さらに外側電極５０は、小径部２１側の外側管２０の端部から肩部２８、そして小径部２１に渡って周方向全体を覆うように、外側管２０および小径部２１の外表面に設けられている。外側電極５０は、被照射物と同電位となるように、小径部２１を介して外部の給電線（図示せず）によりアース側へ電気的に接続されている。なお、図２、３では、外側電極５０の厚みを誇張して描いている。また、肩部２８、円筒部２９の一部のみ外側電極５０が覆うように構成してもよい。

図３に示すように、外側管２０の発光部２４表面には、ランプ軸Ｅに沿って延びる３本の帯状部分５２、５４、５６が外側電極５０の一部として設けられ、周方向に所定間隔（ここでは等間隔）離れて配置されている。

本実施形態の外側電極５０の一部は、ランプ軸方向又はランプ周方向に所定間隔で離間して外側管２０の外表面２０Ｓにおいて膜状に形成しているため、外側電極５０の縁部（エッジ）が発光部２４や肩部２８の範囲に形成される。しかし、スパッタリングにより外側管２０の外表面２０Ｓに直接形成することで、外側電極５０の内表面と外側管２０の外表面２０Ｓとが一体として馴染んでいるため、外側管２０の外表面２０Ｓから剥離することを防止できる。このような外側電極５０は、ジャケット管の軸方向に沿って均一な厚さを有する膜状に形成され、その厚さｒが０．１μｍ～０．５μｍの範囲に定められている。表面に外側電極が形成された外側管の切断面を走査型電子顕微鏡によって観察することができるが、スパッタリングにより外側管の外表面に直接形成された外側電極５０を設けることにより、外側電極５０の厚さを実質的に考慮する必要がないので、外側電極の外表面からジャケット管の内表面までの離間距離は、外側管の外表面からジャケット管の内表面までの離間距離と実質的に同一となる。その結果、エキシマランプ１０の最大径部分である発光部２４の外径Ｒ０を、ジャケット管１１の内径Ｒ１に出来る限り近づけることが可能となり、ジャケット管１１の内表面と外側管２０（発光部２４）の外表面２０Ｓとの離間距離が狭まる。ここで、外側管２０内の放電空間Ｓで生じた放電から放射された紫外線が、ジャケット管１１周囲を通る流体などの被照射物に十分到達させるために、エキシマランプの外表面から放射する紫外線の紫外線強度比が、好ましくは５０％、より好ましくは８０％に減衰する透過距離以下の離間距離とする。好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍの離間距離とすることができる。なお、外側電極５０は、肩部２８、小径部２１において、その厚さｒが０．５μｍ以上あってもよい。一方で外側電極５０の厚さを薄くすると、耐電流、電気抵抗による不均一な放電、耐オゾンの観点から望ましくない。そして、単なる導電線の巻き付けや、導電性フィルムやシールの貼り付け等よりも、付着力の強いスパッタリングによって外側電極を形成することにより、外側電極と外側管との間に隙間が生じるのを防ぎ、不要な放電発生（異常放電）や放電に伴うオゾン等の化合物の発生を防止することができる。このような外側電極５０に対して、内側電極４０は、誘電材料から成る内側管３０によって埋設（被覆）されずに、放電空間Ｓに露出してもよい。また、ランプ軸に沿って径一定の円柱状の内側電極としてもよい。

箔状の内側電極４０は幅方向の中心から縁部に向けて先鋭化し、その厚さは幅方向の中心部の厚さに比べて薄くなり、縁部は尖ってナイフエッジ形状になっている。一方、外側電極５０の一部として、３本の帯状部分５２、５４、５６が、発光部２４の両端付近に設けられた外側電極５０と繋がるとともに、周方向に等間隔離れて設けられている。３つの帯状部分５２、５４、５６は互いに径方向で対向する位置に配置されてないため、内側電極４０の２つの縁部との周方向の位置関係により、電界集中が生じて電解強度の強い領域が形成される。このような外側電極５０に対して、円柱状の内側電極としたときにも、帯状部分５２、５４、５６の縁部との位置関係により、電界集中が生じて電界強度の強い領域が形成される。

図３に示す位置関係においては、Ｙ方向に沿った幅方向となるように配置された内側電極４０の上側の縁部と外側電極の帯状部分５４との間に電界強度の高い領域が形成される。これに対して、内側電極４０の幅方向がＹ方向に対して斜めとなるように配置された位置関係のときでも、内側電極４０の下側の縁部と外側電極の帯状部分５２または５６との間に電界強度が高い領域を形成される。

このように、外側電極の帯状部分と箔状の内側電極４０の縁部との周方向の位置関係に製造誤差があったときでも、比較的低い入力電圧によっても安定した放電が生じやすくなり、点灯性や放電状態などのランプ性能のバラツキが少なくなる。また、外力や電流による断線のおそれのない幅の３つの帯状部分５２、５４、５６だけを設けることにより、外側管の外表面２０Ｓを透過する紫外線が遮られる面積を抑えることができる。なお、ランプ周方向に３つの帯状部分を外側電極５０の一部として形成してもよい。また、３つ以外の複数の帯状部分を形成してもよい。

厚さｒを抑えた膜状外側電極５０の外側管の外表面２０Ｓへの配置、および３本の帯状部分５２、５４、５６の発光部２４への形成に加え、本実施形態では、内側電極４０の少なくとも一部（例えば、先端部３１や後端側の一部）は、誘電材料から成る内側管３０によって埋設（被覆）され、内側管３０の先端部３１が小径部２１に入り込む一方、内側電極４０の先端部４１は小径部より後端側に配置され、小径部２１内にまで入り込んでいない。

内側管３０の先端部３１は先細く、ここでは砲弾型形状になっている。一方、小径部２１と外側管２０との内面は、ここでは繋ぎ目が分からないように連続的で滑らかな曲面形状になっている。内側管３０は、その先端部３１の外表面３１Ｓの一部で接触部２３と接することで位置決めされ、外側管２０によって支持されている。

内側管３０の先端部頂点３１Ｔと内側電極４０の先端部４１とのランプ軸Ｅに沿った距離間隔Ｌは、箔状の内側電極４０のランプ径方向端の縁部４０Ｌと内側管３０の外周面３０Ｓとの最短距離間隔Ｔよりも長い。すなわち、内側管３０に埋設された内側電極４０のランプ軸Ｅ方向に沿った絶縁距離が、径方向に沿った絶縁距離よりも長い。

上述したように、エキシマランプ１０は、その小径部２１の外表面に外側電極５０が設けられている。また、箔状の内側電極４０の縁部４０Ｌは、ここでは幅方向の中心から縁に向けて先鋭化したナイフエッジ形状となっている。このような電極形状の内側電極４０に対して高電圧が印加されると、縁部４０Ｌにおいて（特に先端部４１）電界集中が生じる。

しかしながら、絶縁距離として距離間隔Ｌ（内側管３０のランプ軸方向の厚さ）を確保しているため、小径部２１の外表面に設けた外側電極５０との間での絶縁破壊を防ぐことができる。その結果、比較的低い入力電圧によっても内側電極４０と外側電極５０の帯状部分との間で偏りの少ない均一な放電が良好に生じ、紫外線が発光部２４全体から放射される。

また、内側電極４０の先端部４１のランプ軸Ｅに沿った位置が、小径部２１よりもランプ中央側にあり、小径部２１に入り込まないことにより、肩部２８、小径部２１に設けられた外側電極５０、あるいは外側電極５０と同電位で肩部２８、小径部２１付近に設置された導電体との間で絶縁破壊が生じるのを抑制することができる。なお、小径部２１は、放電空間側に延びる構成にしてもよい。

また、放電容器の内表面に蛍光体膜を塗布した構成にしてもよく。このときには、内側管３０の先端部３１は先細の形状とし、小径部２１と放電容器Ｓとの内面は繋ぎ目が分からないように連続的で滑らかな曲面の形状の肩部２８として、内側管３０は、その先端部３１の外表面３１Ｓの一部で接触部２３と接することにより、塗料を放電容器内に流入流出させた時に、接触部２３付近に澱みや気泡が発生せず、先端部３１や肩部２８のみが膜厚が著しく大きくなる状態や、塗布されていない状態を防ぐことができる。

小径部２１の内表面において、少なくとも円筒部２９の底部付近の内表面には、蛍光体膜を塗布されていない構成にしてもよい。円筒部２９の底部付近の内表面を放電空間Ｓに露出させることにより、放電用ガスを封入して気密封止する工程において、封止を確実に行うことができ、円筒部２９の底部付近を起点としたクラックの発生を防ぐことができる。

蛍光体膜以外に紫外線反射膜などの膜を形成することも可能である。さらに、箔状の内側電極に限定されず、外側管と内側管とからなる二重管構造の放電容器以外のエキシマランプに対しても適用することが可能である。また、外側電極を形成する方法としては、スパッタリングに限定されず、蒸着やＣＶＤなど他の乾式めっき法によって形成することも可能である。外側管の表面に対し隙間がないように、外側電極の全体に渡って形成していればよい。

１０ エキシマランプ
２０ 外側管
２４ 発光部
３０ 内側管
４０ 内側電極
５０ 外側電極

Claims (11)

1. 放電ガスが封入され、発光部が設けられた外側管と、
   少なくとも前記発光部の端部の外表面に設けられる外側電極と、
   前記外側管内に同軸配置された内側電極とを備え、
   被照射物が周囲に流れるジャケット管の内部に設置可能であり、
   前記外側電極が、膜状に形成され、少なくとも前記発光部において、その厚さが０．１μｍ～０．５μｍの範囲内であることを特徴とするエキシマランプ。
2. 波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射し、
   前記ジャケット管内に設置したときの前記外側電極の外表面から前記ジャケット管の内表面までの離間距離は、前記発光部の外表面から放射される紫外線の紫外線強度比が５０％に減衰する透過距離以下であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記離間距離は、３ｍｍ以下であって、
   前記外側電極は、ランプ軸方向に沿って均一な厚さを有する膜状に形成されることを特徴とする請求項２に記載のエキシマランプ。
4. 前記外側電極の一部が、前記発光部において、ランプ軸方向又はランプ周方向に所定間隔で離間する複数の帯状部分として形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
5. 前記外側電極の一部が、前記発光部において、ランプ軸方向に延び、ランプ周方向に所定間隔で離間する３つの帯状部分として形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエキシマランプ。
6. 前記外側電極が、前記発光部と前記発光部の先端に設けた小径部との間に設けられた縮径する曲面形状の肩部において、少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエキシマランプ。
7. 前記外側電極が、前記発光部の少なくとも一方の端部から前記肩部を介して前記小径部にまで渡って、設けられていることを特徴とする請求項６に記載のエキシマランプ。
8. 前記外側電極は、前記被照射物と同電位となるように、アース側へ電気的に接続され、前記発光部内で生じた放電から放射された紫外線を含む光に対する光反射性を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のエキシマランプ。
9. 前記外側電極は、乾式メッキ法により成膜されたアルミニウム膜により形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のエキシマランプ。
10. 前記内側電極は、少なくとも一部が誘電体に被覆されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のエキシマランプ。
11. 前記小径部がチップ管であり、
    前記誘電体の先端部が、前記チップ管内に入り込み、
    前記内側電極のランプ軸に沿った先端位置が、前記チップ管よりも後端側にあることを特徴とする請求項１０に記載のエキシマランプ。

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