JP4164716B2 - 無電極電界放電エキシマランプおよび無電極電界放電エキシマランプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塗料の硬化、表面洗浄、殺菌、及び光化学反応用の紫外線光源に使用され、無電極電界放電によってエキシマ分子を形成し、同エキシマ分子から放射される光を利用する無電極電界放電エキシマランプおよび無電極電界放電エキシマランプ装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のランプに関連した技術としては、特開平８−９６７７０号と特許第２８５４２５５号に開示された誘電体バリアー放電（別名オゾナイザー放電あるいは無声放電）によりエキシマ分子を生成し、エキシマ分子から放射される紫外線を利用する誘電体バリアー放電ランプや誘電体バリアー放電ランプ装置がある。
【０００３】
特開平８−９６７７０号では、放電容器の内側管に電極を密着させて放電空間への電力の供給を効率よく行ない、均一かつ安定な放電が得られる誘電体バリアー放電ランプが記載されている。また、特許第２８５４２５５号では、誘電体バリアーにより、エキシマ分子を生成し該エキシマ分子から放射される紫外線を利用する誘電体バリアー放電ランプを装置に組み込んだとき、反射板の形状を工夫することによって紫外線の均斉度を上げた誘電体バリアー放電ランプ装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報の誘電体バリア放電ランプは、点灯周波数が１０ＫＨｚ〜２０ＫＨｚであり、発光効率を高くするには、外部電極と内部電極とを誘電体であるガラスの放電容器に密着させて、電極とガラスの放電容器との間に空気等の他の誘電体が入り込まないようにしなければならない。また、紫外線出力の高出力化を狙った場合、誘電体バリア放電ランプの内部電極は、放電容器の内側管に密着しているので、高出力化によって内部電極の温度が上昇し、同内部電極の腐食が加速されるために、高出力化には限界がでてくる。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、点灯周波数として内部電極に高周波を１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で印加して、静電誘導によって電界放電させる無電極電界放電エキシマランプで、前記内部電極を誘電体であるガラスの放電容器に密着させることをせずに発光効率が高められ、放電空間への電力の供給を効率よく行ない、均一かつ安定な放電が得られる無電極電界放電エキシマランプと、内部電極の腐食を加速させることなく、紫外線出力の高出力化を図ることができ、複雑な反射板を必要とせずに紫外線出力の均斉度を上げ、発光出力が高く、放電も安定している長寿命の無電極電界放電エキシマランプ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、放電ガスが充填された内側管と外側管からなる中空の放電容器と、同放電容器の外側に巻回された外部電極と、前記放電容器の前記内側管の略中心部に挿入される中空の電気絶縁性が高い管と、前記放電容器に密着させることなく前記電気絶縁性が高い管の外側に巻回された内部電極と、同内部電極に高周波を印加して電界放電させる無電極電界放電エキシマランプであって、前記電気絶縁性が高い管にはトリガー電極と管軸の全長方向に２つのスリット部が入った前記内部電極とを有し、前記高周波を１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で印加し、電界放電させる無電極電界放電エキシマランプである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記放電容器に密着させることなく前記電気絶縁性が高い管の外側に巻回された前記内部電極の全長方向の２つのスリット部の角度をθ１、θ２としたとき、６０°≦θ１≦９０°、９０°≦θ２≦１２０°と規定し、かつ前記電気絶縁性が高い管の中空内部に冷媒を流すように構成した請求項１記載の無電極電界放電エキシマランプと、同無電極電界放電エキシマランプによって発生するエキシマ分子から放射される光を反射する反射板と、同無電極電界放電エキシマランプによって発生するエキシマ分子から放射される光を取り出す窓部材とを有する無電極電界放電エキシマランプ装置である。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、従来例の誘電体バリア放電ランプの点灯周波数よりも２桁以上高い周波数で点灯させるので、内部電極とガラスの放電容器との間に他の誘電体として空気が入り込んでも、誘電率の差はほとんど問題にならないため、内部電極を放電容器に密着させなくても発光効率には影響が出ない。そして、電気絶縁性が高い管に管軸の全長方向に放電容器に密着させることなく２つのスリット部を有する内部電極を巻回することで、放電容器内部に形成されるプラズマの位置を制御することができる。また、トリガー電極を設けることで、速やかな点灯始動が行なえる。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、前記内部電極の２つのスリット部の角度θ１、θ２を調整することで左右対称な放電が得られる。また、電気絶縁性が高い管の中空内部に冷媒を流すことにより、内部電極を間接的に冷却することができ、内部電極の腐食を加速させない。その上、電気絶縁性が高い管に冷媒を流しているので冷媒の変質も防止できる。そして前記構造の無電極電界放電エキシマランプと、容易な形状の反射板と、窓部材とを組み合わせることによって紫外線出力の均斉度が高く、紫外線出力の高出力化が図れ、放電も安定した長寿命の無電極電界放電エキシマランプ装置が得られる。
【００１０】
【実施の形態】
次に実施の形態について説明する。図１は本発明に係る無電極電界放電エキシマランプの一実施例を示す概略断面図である。内側管と外側管からなる中空の放電容器１は、全長約３００ｍｍの石英ガラスで、外側管の外径は約３５ｍｍで内径が約３２ｍｍ、内側管の外径は約１１ｍｍで内径が約９ｍｍになっている。放電容器１の外側管の外側には外部電極２が巻回され、放電容器１内には、２．０×１０⁴Ｐａのキセノンガスが充填されている。
【００１１】
そして放電容器１の内側管の略中心部には、中空の電気絶縁性が高い管としての石英ガラス管３が挿入されていて、同電気絶縁性が高い管３の外側にはトリガー電極４と放電容器に密着させることなく２つのスリット部が入った内部電極５が巻回されている。ランプ点灯始動時にはトリガー電源６からトリガー電極４へ通電され、内部電極５には高周波電源７から２．６５ＭＨｚの高周波が印加されて放電容器１内を電界放電させる。
【００１２】
図２は図１の無電極電界放電エキシマランプのＡ−Ａ断面図であり、図３は電気絶縁性が高い管３とトリガー電極４と２つのスリット部が入った内部電極５との構成を示した斜視図であり、図４は２つのスリット部の角度θ１、θ２の説明図であり、図５は反射板８とエキシマ光取り出し窓９を有する装置内に無電極電界放電エキシマランプを具備した無電極電界放電エキシマランプ装置の概略構成図である。
【００１３】
始動用のトリガー電極４の配置位置としては、図１、図３に示すような外部電極２の近傍で、外部電極２に対して放電が発生しない程度の距離をおいた位置にする必要がある。外部電極２とトリガー電極４との間で形成される放電と、外部電極２と内部電極５との間で形成される放電とが一部重なるため、速やかな点灯始動が可能になる。
【００１４】
図４において、前記２つのスリット部の角度θ１、θ２を９０°にしたとき、最も左右対称な放電が得られる。そしてθ１、θ２の角度を変化させることにより、放電容器１内のプラズマの位置を制御することができる。そして図５に示す放電容器１と反射板８との間隔、放電容器１と放電容器１との間隔、放電容器１とエキシマ光取り出し窓９との間隔によって、６０°≦θ１≦９０°、９０°≦θ２≦１２０°の範囲内で角度を調整することで、紫外線出力の均斉度が高くなる。θ１とθ２を前記範囲外にすると、紫外線出力の均斉度がうまく取れなくなってしまう。このようにθ１、θ２の角度を変化させることで、紫外線出力の均斉度を高くできるので、反射板８の形状は簡単な形状で済む。
【００１５】
そして、前記エキシマランプを装置に組み込み使用する場合、前記電気絶縁性が高い管３の中空部には冷媒１０が流されている。冷媒１０を流す理由は、高周波（無線周波数，１〜１００ＭＨｚ）の電圧を放電容器１に印加すると、放電容器１内のすべての空間に高密度のプラズマが形成され、一様な放電（霧状の放電）となり、誘電体バリア放電のマイクロブラズマのような、位置的、時間的なプラズマの変動がないために、単位面積あたりの紫外線出力を誘電体バリア放電の数十倍にすることが可能となり、放電容器１の温度上昇が過大となるので、放電容器１を効果的に冷却を行うためである。
【００１６】
放電容器１の温度上昇により、無電極電界放電エキシマランプの発光効率が著しく低下するため、放電容器１を十分に冷却する必要がある。そのため、ランプ中心部にある内部電極５を直接冷媒で冷却すればよいのであるが、内部電極５には高電圧が印加されているため、電気絶縁性の高い冷媒を必要とする。一般に、電気絶縁性の高い冷媒は有機物であるが、有機物の冷媒ではランプから発生する紫外線により変質してしまう。したがって、電気絶縁性の高い蒸留水などを使用すればいいが、蒸留水の場合、電気絶縁性の維持と管理が難しい。
【００１７】
そこで、本発明では電気絶縁性が高い管３を放電容器１の内側管の略中心部に挿入し、電気絶縁性が高い管３の内部に冷媒１０を流す方法を採っている。すなわち、内部電極５を直接冷媒で冷却せずに、電気絶縁性が高い管３に冷媒１０を流して間接的に内部電極５を冷却している。これにより、電気絶縁性の高い蒸留水等の冷媒を必要としない。電気絶縁性が高い管３の部材としては、紫外線により変質することがなく、熱伝導性の良い、アルミナやガラスなどのセラミックスが適している。また冷媒１０としては、電気絶縁性は必要としないので、比熱の大きい冷媒として水を使用してもよい。
【００１８】
一般に、エキシマランプでは、励起された希ガス原子と、他の原子とが出会う確率が高いほど、紫外線の出力効率は上がる。したがつて、放電ガス圧を増加させると紫外線の出力効率は上がるが、放電ガス圧を高くし過ぎると放電開始電圧が上昇して、ランプを点灯させることが困難になる。本発明のように、ランプの点灯周波数が高ければ（無線周波数，１〜１００ＭＨｚ）、放電ガス圧が低くても励起された希ガス原子と、他の原子とが出会う確率は高くなる。その上、ランプ中心部より放電容器が十分に冷却されるので、放電ガスも冷却され紫外線の発光効率は更に向上する。また、ランプの放電ガス圧が低いので、放電開始電圧は低くくなり、ランプの始動性も向上する。
【００１９】
図５の無電極電界放電エキシマランプ装置において、無電極電界放電エキシマランプの入力電力を１５０Ｗとし、反射板８から放電容器１の外側管までを５ｍｍ、エキシマ光取り出し窓９から放電容器１の外側管までを２５ｍｍ、放電容器１の中心間を６０ｍｍの位置で装置を構成し、装置内を充填する不活性ガスとして窒素を使用し、θ１、θ２をともに９０°としたとき、無電極電界放電エキシマランプ装置から放射されるキセノン・エキシマ分子の１７２ｎｍに最大値を有する１６０ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲の真空紫外線は８％の高効率で照射され、点灯時間１０００時間後でも９０％以上の維持率で、均斉度も９０％以上を得ることができた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、点灯周波数として内部電極に高周波を１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で印加して、電界放電させる無電極電界放電エキシマランプであって、前記内部電極を放電容器に密着させることなく発光効率が高められ、放電空間への電力の供給を効率よく行ない、均一かつ安定な放電の無電極電界放電エキシマランプが得られる。そして、前記内部電極の腐食を加速させることなく、紫外線出力の高出力化を図ることができ、複雑な反射板を必要とせずに紫外線出力の均斉度がとれ、発光出力が高く、放電も安定した長寿命の無電極電界放電エキシマランプ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無電極電界放電エキシマランプの概略断面図である。
【図２】図１の無電極電界放電エキシマランプのＡ−Ａ断面図である。
【図３】内部電極の構成図である。
【図４】２つのスリット部の角度θ１，θ２の説明図である。
【図５】無電極電界放電エキシマランプ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 放電容器
２ 外部電極
３ 電気絶縁性が高い管
４ トリガー電極
５ 内部電極
６ トリガー電源
７ 高周波電源
８ 反射板
９ エキシマ光取り出し窓
１０ 冷媒

Claims (2)

1. 放電ガスが充填された内側管と外側管からなる中空の放電容器と、同放電容器の外側に巻回された外部電極と、前記放電容器の前記内側管の略中心部に挿入される中空の電気絶縁性が高い管と、前記放電容器に密着させることなく前記電気絶縁性が高い管の外側に巻回された内部電極と、同内部電極に高周波を印加して電界放電させる無電極電界放電エキシマランプであって、前記電気絶縁性が高い管にはトリガー電極と管軸の全長方向に２つのスリット部が入った前記内部電極とを有し、前記高周波を１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で印加し、電界放電させる無電極電界放電エキシマランプ。
2. 前記放電容器に密着させることなく前記電気絶縁性が高い管の外側に巻回された前記内部電極の全長方向の２つのスリット部の角度をθ１、θ２としたとき、６０°≦θ１≦９０°、９０°≦θ２≦１２０°と規定し、かつ前記電気絶縁性が高い管の中空内部に冷媒を流すように構成した請求項１記載の無電極電界放電エキシマランプと、同無電極電界放電エキシマランプによって発生するエキシマ分子から放射される光を反射する反射板と、同無電極電界放電エキシマランプによって発生するエキシマ分子から放射される光を取り出す窓部材とを有する無電極電界放電エキシマランプ装置。

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