JP4424394B2 - エキシマランプ - Google Patents

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Description

本発明は、エキシマランプに関するものであり、特に、発光管の外面に電極を設けたエキシマランプに関するものである。
従来、光化学反応用の紫外線光源としてエキシマランプが使用されている。エキシマランプとしては、特許文献1に記載されたものがある。
図11及び図12は特許文献1に記載される従来のエキシマランプ1を説明するためのものである。図11はエキシマランプ1の斜視図である。図12(a)は図11のエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に沿った断面図であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のF−F断面図)である。図12には、図11に示したものと同じものに同一の符号が付されている。
エキシマランプ1は、直管状の発光管21の開放された両端に蓋をするように蓋部材221,222が配置される。発光管21と蓋部材221,222との間に封止材231,232を充填し、発光管21と蓋部材221,222とを接続する。これにより、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、ガス管2221によって放電容器2の内部24が減圧されたのち、発光ガスとして例えばクリプトン(Kr)とフッ素(F)ガスが封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接されることで封止部2222が形成される。
発光管21の外面には一対の外部電極31,32が電気的に離れて設けられる。外部電極31,32の長手方向における端部には、リード41,42が例えば半田51,52によって電気的に接続される。
リード41,42は、図示しない電源に接続される。ランプ1点灯時、リード41,42から給電された一対の外部電極31,32間は、発光管21を介して放電が発生する。放電容器2の内部24に封入された発光ガスは電離されて、放電容器2の内部24で例えばクリプトンイオンとフッ素イオンとを形成し、クリプトン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、例えば248nmの波長近傍の光が発生する。
特許3178162号公報
ランプ1点灯時、放電容器2の内部24の全域には、電離されたフッ素イオンが拡散され、フッ素イオンが充填された状態になる。封止材231,232にフッ素を吸収し難い、例えばフッ素樹脂で形成しても、ランプ1点灯時間の経過に伴い、封止材231,232にフッ素が吸収されていく。電離されたフッ素イオンは発光に寄与するため、従来のエキシマランプ1はランプ1点灯時間の経過に伴い、電離されたフッ素イオンが減少して、照度が低下する。すなわち、従来のエキシマランプ1には、長時間照度を維持することのできない寿命問題があった。
そこで、本発明の目的は、ランプ点灯時、フッ素イオンが封止材に吸収されることを抑制したエキシマランプを提供することにある。
第1の発明に係るエキシマランプは、シリカを含まない発光管に封止材を設けてなる放電容器と、該発光管の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極と、からなるエキシマランプにおいて、前記放電容器に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなり、前記外部電極をシリカの焼結体からなる絶縁体で被覆したことを特徴とする。
第1の発明に係るエキシマランプは、放電容器に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ点灯時であっても、放電容器の内部における外部電極が対向する範囲の端部からその近傍の封止材までの範囲で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、第1の発明に係るエキシマランプは、上記特徴により、封止材によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
さらに、第1の発明に係るエキシマランプは、放電容器の外面における電極間の沿面放電を抑制することができる。
その上、第1の発明に係るエキシマランプは、外部電極の外面を電気的に絶縁することができるので、発光管の外面における電極間の沿面放電を防止することができる。
さらに、外部電極の外方へも電気的に絶縁することができる。
本発明に係るエキシマランプ1は、シリカ(Si)を含まない発光管21を封止材231,232で密閉した放電容器2と、発光管21の外面に設けた少なくとも一対の外部電極31,32と、放電容器2に封入される発光ガスと、からなるものであり、発光ガスが希ガスと化学的安定性の高いフッ化物からなり、ランプ1点灯時に発光ガスが希ガスイオン及びフッ素イオンを形成するものである。
本発明に係るエキシマランプ1の第1の実施例を、図1及び図2を用いて説明する。
図1及び図2は、本発明に係るエキシマランプ1の説明図である。図1はエキシマランプ1の斜視図である。図2(a)はエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に沿った断面図であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のA−A断面図)である。図1及び図2は、図12に示したものと同じものには同一の符号が付されている。
本実施例に係るエキシマランプ1の発光管21は、直管状からなり、150〜400nmに対して光透過性を有すると共にフッ素イオンの吸収の少ない材料により形成される。発光管21の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)やアルミナ(多結晶アルミナ)のような金属酸化物が挙げられる。この他には、二フッ化マグネシウム(MgF),フッ化リチウム(LiF),二フッ化カルシウム(CaF),二フッ化バリウム(BaF),YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のようなフッ化物を発光管21の材料として用いることができる。
なお、光透過性を有する材料として石英ガラス(SiO)が挙げられるが、石英ガラス(SiO)に含まれるシリカ(Si)がフッ素イオンとの反応性が高いため、ランプ1点灯中に、フッ素イオンに接することになる発光管21の材料としては、石英ガラス(SiO)を用いることができない。このため、フッ素イオンの吸収の少ない材料からなる発光管21としては、シリカ(Si)を含まない材料が好適に用いられる。
発光管21の長手方向における両端は開放されており、その両端にカップ状の蓋部材221,222が配置される。蓋部材221,222は、例えば鉄(Fe)にニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。蓋部材221,222は金属に限定されるものではなく、耐紫外線性を有していれば良いので、発光管21と同一の材料である例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)などで形成することもできる。
発光管21と蓋部材221,222との間には、封止材231,232が充填されることにより、発光管21と蓋部材221,222とが接続され、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。封止材231,232の材料としては、例えば銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材で封止することができる。ランプ1点灯時、封止材231,232は紫外線が照射されると共にランプ1の点灯熱により加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものあれば用いることができる。特に、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)のようなフッ素イオンの吸収の少ないものであれば、好適に用いることができる。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、放電容器2の内部24がガス管2221により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接などで封止部2222が形成されることにより、放電容器2は密閉構造となる。
放電容器2の内部24に封入される発光ガスとして、アルゴン(Ar),クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)からなる希ガスと、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなるフッ化物とが挙げられる。
発光管21の外面には、図2(b)に示すように、一対の外部電極31,32が互いに電気的に離れるように配置されると共に、図2(a)に示すように、発光管21の管軸方向に沿って延びるように設けられる。さらに、外部電極31,32は封止材231,232及び蓋部材221,222とも離れて設けられる。外部電極31,32は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管21の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管21の外面に接着することもできる。
外部電極31,32の長手方向に一端にはリード41,42が半田51,52などにより電気的に接続される
リード41,42には図示しない電源が接続され、ランプ1点灯時に給電される。
ランプ1点灯時、一対の外部電極31,32間に電圧が印加されることにより、発光管21を介して外部電極31,32間で放電が発生する。
発光ガスの希ガスが例えばアルゴン(Ar)とフッ化物が例えば六フッ化硫黄(SF)の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、193nmの波長近傍の光が発光され、発光管21から放射される。
ランプ1点灯時の外部電極31,32間の放電は、図2(b)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32の対向する範囲L1で、発光管21を介在して発生する。発光管21がフッ素イオンの吸収の少ない材料としてシリカ(Si)を含まない材料で形成されることにより、電離されたフッ素イオンを発光管21が吸収することを防止することができる。
発光管21の管軸方向において、外部電極31,32が封止材231,232と蓋部材221,222から離れた位置に設けられることにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では放電が発生しない。このため、放電容器2の内部24に発光ガスとして例えば、六フッ化硫黄(SF)のような化学的安定性の高いものを封入すると、放電の発生していない、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の例えば六フッ化硫黄に戻ることになる。これにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1に比べて、フッ素イオンが極端に減少することになる。すなわち、封止材231,232がフッ素イオンに接することを抑制することができるので、ランプ1点灯時における放電容器2の内部24におけるフッ素イオンの減少を防止でき、フッ素イオン減少に伴うランプ1の照度低下を防止することができる。
本実施例に係るエキシマランプ1は、シリカを含まない発光管21に封止材231,232を設けてなる放電容器2と、該発光管21の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極31,32と、からなるエキシマランプ1において、前記放電容器2に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなることを特徴とする。
放電容器2に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ1点灯時であっても、放電容器2の内部24における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材までの範囲L2で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材231,232がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、本実施例に係るエキシマランプ1は、上記特徴により、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
本発明に係るエキシマランプ1の第2の実施例を、図3及び図4を用いて説明する。
図3及び図4は、本発明に係るエキシマランプ1の説明図である。図3はエキシマランプ1の斜視図である。図4(a)はエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に沿った断面図であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のB−B断面図)である。図3及び図4は、図2に示したものと同じものには同一の符号が付されている。
図3及び図4に示すエキシマランプ1は、外部電極31,32を絶縁体6で被覆した点で、図1及び図2に示すエキシマランプ1と相違する。図3及び図4の説明として、図1及び図2との相違点について述べる。
本実施例に係るエキシマランプ1の発光管21は、直管状からなり、150〜400nmに対して光透過性を有すると共にフッ素イオンの吸収の少ない材料により形成される。発光管21の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)やアルミナ(多結晶アルミナ)のような金属酸化物が挙げられる。この他には、二フッ化マグネシウム(MgF),フッ化リチウム(LiF),二フッ化カルシウム(CaF),二フッ化バリウム(BaF),YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のようなフッ化物を発光管21の材料として用いることができる。
なお、光透過性を有する材料として石英ガラス(SiO)が挙げられるが、石英ガラス(SiO)に含まれるシリカ(Si)がフッ素イオンとの反応性が高いため、ランプ1点灯中に、フッ素イオンに接することになる発光管21の材料としては、石英ガラス(SiO)を用いることができない。このため、フッ素イオンの吸収の少ない材料からなる発光管21としては、シリカ(Si)を含まない材料が好適に用いられる。
発光管21の長手方向における両端は開放されており、その両端にカップ状の蓋部材221,222が配置される。蓋部材221,222は、例えば鉄(Fe)にニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。蓋部材221,222は金属に限定されるものではなく、耐紫外線性を有していれば良いので、発光管21と同一の材料である例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)などで形成することもできる。
発光管21と蓋部材221,222との間には、封止材231,232が充填されることにより、発光管21と蓋部材221,222とが接続され、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。封止材231,232の材料としては、例えば銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材で封止することができる。ランプ1点灯時、封止材231,232は紫外線が照射されると共にランプ1の点灯熱により加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものあれば用いることができる。特に、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)のようなフッ素イオンの吸収の少ないものであれば、好適に用いることができる。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、放電容器2の内部24がガス管2221により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接などで封止部2222が形成されることにより、放電容器2は密閉構造となる。
放電容器2の内部24に封入される発光ガスとして、アルゴン(Ar),クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)からなる希ガスと、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなるフッ化物とが挙げられる。
発光管21の外面には、図4(b)に示すように、一対の外部電極31,32が互いに電気的に離れるように配置されると共に、図4(a)に示すように、発光管21の管軸方向に沿って延びるように設けられる。さらに、外部電極31,32は封止材231,232及び蓋部材221,222とも離れて設けられる。
一対の外部電極31,32は、その長手方向のおける端部で、互いに対向しない部分L6及びL7が設けられる。図4(a)に示すように、第1の外部電極31には、その長手方向における第1の蓋部材221側に第2の外部電極32と対向しない部分L6が形成される。また、第2の外部電極32には、その長手方向における第2の蓋部材222側に第1の外部電極31と対向しない部分L7が形成される。
外部電極31,32は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管21の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管21の外面に接着することもできる。
発光管21の外面に設けられた外部電極31,32は、その外方を被覆するように絶縁体6が設けられる。絶縁体6は、発光管21の管軸方向においては、図4(a)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32の対向する範囲L1に延びるように設けられる。また、絶縁体6は、発光管21の周方向においては、図4(b)に示すように、発光管21の外周面における対向する外部電極31,32の間L3であって、発光管21の外周面の周方向における外部電極31,32の外方L4と、発光管21の径方向における外部電極31,32の外方L5とを被覆するように設けられる。
絶縁体6は、例えばシリカ粒子を有機溶剤に分散させたペーストを、外部電極31,32の外方を被覆するように塗布し、焼結することで形成される。また、絶縁体6の材料としては、外部電極31,32より誘電率の低いものが用いられる。特に、絶縁体6の材料が、発光管21の材料より誘電率の低いものであれば、ランプ1点灯時の電極31,32間の絶縁機能として好適に用いられる。
第1の外部電極31において、第2の外部電極32に対向しないで、絶縁体6で被覆していない外方に露出した第1の外部電極31の部分L61には、第1のリード41が第1の半田51などにより電気的に接続される。また、第2の外部電極32において、第1の外部電極31に対向しないで、絶縁体6で被覆していない外方に露出した第2の外部電極32の部分L71には、第2のリード42が第2の半田52などにより電気的に接続される。
リード41,42には図示しない電源が接続され、ランプ1点灯時に給電される。
ランプ1点灯時、一対の外部電極31,32間に電圧が印加されることにより、発光管21を介して外部電極31,32間で放電が発生する。
発光ガスの希ガスが例えばアルゴン(Ar)とフッ化物が例えば六フッ化硫黄(SF)の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、193nmの波長近傍の光が発光され、発光管21から放射される。
ランプ1点灯時の外部電極31,32間の放電は、図4(b)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32の対向する範囲L1で、発光管21を介在して発生する。発光管21がフッ素イオンの吸収の少ない材料としてシリカ(Si)を含まない材料で形成されることにより、電離されたフッ素イオンを発光管21が吸収することを防止することができる。
発光管21の管軸方向において、外部電極31,32が封止材231,232と蓋部材221,222から離れた位置に設けられることにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では放電が発生しない。このため、放電容器2の内部24に発光ガスとして例えば、六フッ化硫黄(SF)のような化学的安定性の高いものを封入すると、放電の発生していない、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の例えば六フッ化硫黄に戻ることになる。これにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1に比べて、フッ素イオンが極端に減少することになる。すなわち、封止材231,232がフッ素イオンに接することを抑制することができるので、ランプ1点灯時における放電容器2の内部24におけるフッ素イオンの減少を防止でき、フッ素イオン減少に伴うランプ1の照度低下を防止することができる。
本発明に係るエキシマランプ1を光化学反応用の紫外線光源として使用するためには、放電を安定に開始する必要がある。さらに、エキシマランプ1には、エキシマ分子を生成するのに必要な高エネルギーを持った電子の生成が求められる。
ところが、放電容器2の内部24に封入されるフッ化物が化学的安定性の高いものである。すなわち、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなる化学的安定性の高いフッ化物は、電子付着性の高い(換言すれば、電子を捕獲する性質の強い)ガスである。
このため、電離により生じた電子を高い確率で捕獲するので、従来のフッ素(F)ガスを封入したランプ1よりも、放電開始電圧が高くなる。さらに、高エネルギーを持った電子を生成するために、印加電圧を高くしなければならない。
その上、本発明に係るエキシマランプ1の場合、充分な照度を得るためには放電容器2に発光ガスを100Torr以上封入しなければならない。
図1及び図2に示す第1の実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の外面に外部電極31,32を設けた構成であるとき、外部電極31,32に高電圧が印加されることにより、外部電極31,32間で発光管21の沿面に沿って放電する、いわゆる沿面放電が発生することがあった。
そこで、本実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の周方向において、少なくとも発光管21の外周面における対向する外部電極31,32の間L3であって、発光管21の外周面の周方向における外部電極31,32の外方L4に、絶縁体6が外部電極31,32に沿って設けられることにより、沿面放電を抑制することができる。
さらに、例えばエキシマランプ1の近傍に図示しない導電体(例えば、紫外線が照射される被処理体など)が配置されたとき、外部電極31,32に高周波・高電圧が入力されると、外部電極31(又は/及び32)から図示しない導電体に向かって放電が発生して、外部電極31,32間の放電を妨げることがある。このため、発光管21の径方向における外部電極31,32の外方L5に、絶縁体6を設けたことにより、外部電極31,32の外方L4,L5を電気的に絶縁することができる。
本実施例に係るエキシマランプ1は、シリカを含まない発光管21に封止材231,232を設けてなる放電容器2と、該発光管21の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極31,32と、からなるエキシマランプ1において、前記放電容器2に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなることを特徴とする。
放電容器2に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ1点灯時であっても、放電容器2の内部24における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材までの範囲L2で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材231,232がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、本実施例に係るエキシマランプ1は、上記特徴により、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
さらに、前記外部電極31,32を絶縁体6で被覆したことにより、前記発光管21の外面の対向する前記外部電極31,32の間L3に絶縁体6が設けられる。このため、放電容器2の外面における電極31,32間L3の沿面放電を抑制することができる。
その上、前記外部電極31,32を絶縁体6で被覆したことにより、発光管21の径方向における外部電極31,32の外方L5に、絶縁体6が設けられる。このため、本実施例に係るエキシマランプ1は、外部電極31,32の外方L4,L5への電気的に絶縁することができる。
本発明に係るエキシマランプ1の第2の実施例の別の実施例を、図5を用いて説明する。
図5は、本発明に係るエキシマランプ1の説明図である。図5(a)はエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に対して垂直方向から見た側面図(第2の外部電極32側から見た側面図)であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のC−C断面図)である。図5は、図4に示したものと同じものには同一の符号が付されている。
図5に示すエキシマランプ1は、外部電極を3つ設けた点で、図3及び図4に示すエキシマランプ1と相違する。図5の説明として、図3及び図4との相違点について述べる。
本実施例に係るエキシマランプ1の発光管21は、直管状からなり、150〜400nmに対して光透過性を有すると共にフッ素イオンの吸収の少ない材料により形成される。発光管21の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)やアルミナ(多結晶アルミナ)のような金属酸化物が挙げられる。この他には、二フッ化マグネシウム(MgF),フッ化リチウム(LiF),二フッ化カルシウム(CaF),二フッ化バリウム(BaF),YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のようなフッ化物を発光管21の材料として用いることができる。
なお、光透過性を有する材料として石英ガラス(SiO)が挙げられるが、石英ガラス(SiO)に含まれるシリカ(Si)がフッ素イオンとの反応性が高いため、ランプ1点灯中に、フッ素イオンに接することになる発光管21の材料としては、石英ガラス(SiO)を用いることができない。このため、フッ素イオンの吸収の少ない材料からなる発光管21としては、シリカ(Si)を含まない材料が好適に用いられる。
発光管21の長手方向における両端は開放されており、その両端にカップ状の蓋部材221,222が配置される。蓋部材221,222は、例えば鉄(Fe)にニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。蓋部材221,222は金属に限定されるものではなく、耐紫外線性を有していれば良いので、発光管21と同一の材料である例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)などで形成することもできる。
発光管21と蓋部材221,222との間には、封止材231,232が充填されることにより、発光管21と蓋部材221,222とが接続され、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。封止材231,232の材料としては、例えば銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材で封止することができる。ランプ1点灯時、封止材231,232は紫外線が照射されると共にランプ1の点灯熱により加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものあれば用いることができる。特に、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)のようなフッ素イオンの吸収の少ないものであれば、好適に用いることができる。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、放電容器2の内部24がガス管2221により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接などで封止部2222が形成されることにより、放電容器2は密閉構造となる。
放電容器2の内部24に封入される発光ガスとして、アルゴン(Ar),クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)からなる希ガスと、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなるフッ化物とが挙げられる。
発光管21の外面には、図5(b)に示すように、3つの外部電極31,32,33が互いに電気的に離れるように配置されると共に、図5(a)に示すように、発光管21の管軸方向に沿って延びるように設けられる。さらに、外部電極31,32,33は封止材231,232及び蓋部材221,222とも離れて設けられる。
図5(a)に示すように、第1の外部電極31には、その長手方向における第1の蓋部材221側に第2の外部電極32と対向しない部分L6が形成される。また、第2の外部電極32には、その長手方向における第2の蓋部材222側に第1の外部電極31と対向しない部分L7が形成される。
第3の外部電極33には、後述するように、第1の外部電極31とリード41,43を電気的に接続するため、第3の長手方向における第1の蓋部材221側に第2の外部電極32と対向しない部分L6が形成される。すなわち、第3の外部電極33は、その長手方向において、第1の外部電極31と対向して形成される。
外部電極31,32,33は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管21の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管21の外面に接着することもできる。
発光管21の外面に設けられた外部電極31,32,33は、その外方を被覆するように絶縁体6が設けられる。絶縁体6は、発光管21の管軸方向においては、図5(a)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33の対向する範囲L1に延びるように設けられる。また、絶縁体6は、発光管21の周方向においては、図5(b)に示すように、発光管21の外周面における対向する外部電極31,32,33の間L3であって、発光管21の外周面の周方向における外部電極31,32,33の外方L4と、発光管21の径方向における外部電極31,32,33の外方L5とを被覆するように設けられる。
絶縁体6は、例えばシリカ粒子を有機溶剤に分散させたペーストを、外部電極31,32,33の外方を被覆するように塗布し、焼結することで形成される。また、絶縁体6の材料としては、外部電極31,32,33より誘電率の低いものが用いられる。特に、絶縁体6の材料が、発光管21の材料より誘電率の低いものであれば、ランプ1点灯時の電極31,32,33間の絶縁機能として好適に用いられる。
第1の外部電極31において、第2の外部電極32に対向しないで、絶縁体6で被覆していない外方に露出した第1の外部電極31の部分L61には、第1のリード41が第1の半田51などにより電気的に接続される。また、第2の外部電極32において、第1の外部電極31に対向しないで、絶縁体6で被覆していない外方に露出した第2の外部電極32の部分L71には、第2のリード42が第2の半田52などにより電気的に接続される。
第3の外部電極33において、第2の外部電極32に対向しないで、絶縁体6で被覆していない外方に露出した第3の外部電極33の部分L61には、第3のリード43が第3の半田53などにより電気的に接続される。
ランプ1点灯時、第1及び第3のリード41,43が電気的に接続された第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間に電圧が印加されることにより、発光管21を介して第1及び第3のリード41,43が電気的に接続された第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間で放電が発生する。
発光ガスの希ガスが例えばアルゴン(Ar)とフッ化物が例えば六フッ化硫黄(SF)の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、193nmの波長近傍の光が発光され、発光管21から放射される。
図示しないが、第1のリード41と第3のリード43は電気的に接続される。電気的に接続された第1及び第3のリード41,43と第2のリード42には図示しない電源が接続され、ランプ1点灯時に給電される。
ランプ1点灯時の第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間の放電は、図5(b)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33の対向する範囲L1で、発光管21を介在して発生する。発光管21がフッ素イオンの吸収の少ない材料としてシリカ(Si)を含まない材料で形成されることにより、電離されたフッ素イオンを発光管21が吸収することを防止することができる。
発光管21の管軸方向において、外部電極31,32,33が封止材231,232と蓋部材221,222から離れた位置に設けられることにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では放電が発生しない。このため、放電容器2の内部24に発光ガスとして例えば、六フッ化硫黄(SF)のような化学的安定性の高いものを封入すると、放電の発生していない、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の例えば六フッ化硫黄に戻ることになる。これにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1に比べて、フッ素イオンが極端に減少することになる。すなわち、封止材231,232がフッ素イオンに接することを抑制することができるので、ランプ1点灯時における放電容器2の内部24におけるフッ素イオンの減少を防止でき、フッ素イオン減少に伴うランプ1の照度低下を防止することができる。
本発明に係るエキシマランプ1を光化学反応用の紫外線光源として使用するためには、放電を安定に開始する必要がある。さらに、エキシマランプ1には、エキシマ分子を生成するのに必要な高エネルギーを持った電子の生成が求められる。
ところが、放電容器2の内部24に封入されるフッ化物が化学的安定性の高いものである。すなわち、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなる化学的安定性の高いフッ化物は、電子付着性の高い(換言すれば、電子を捕獲する性質の強い)ガスである。
このため、電離により生じた電子を高い確率で捕獲するので、従来のフッ素(F)ガスを封入したランプ1よりも、放電開始電圧が高くなる。さらに、高エネルギーを持った電子を生成するために、印加電圧を高くしなければならない。
その上、本発明に係るエキシマランプ1の場合、充分な照度を得るためには放電容器2に発光ガスを100Torr以上封入しなければならない。
図1及び図2に示す第1の実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の外面に外部電極31,32を設けた構成であるとき、外部電極31,32に高電圧が印加されることにより、外部電極31,32間で発光管21の外面に沿って放電する、いわゆる沿面放電が発生することがあった。
そこで、本実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の周方向において、少なくとも発光管21の外周面における発光管21の外周面における第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間L31であって、発光管21の外周面の周方向におけるランプ1点灯時に電位差が生じる外部電極31,32,33の外方L41に、絶縁体6が外部電極31,32,33に沿って設けられることにより、沿面放電を抑制することができる。
例えばエキシマランプ1の近傍に図示しない導電体(例えば、紫外線が照射される被処理体など)が配置されたとき、外部電極31,32,33に高周波・高電圧が入力されると、外部電極31(,32又は/及び33)から図示しない導電体に向かって放電が発生して、第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極との間で発光管21を介して放電を妨げることがある。
このため、発光管21の径方向における外部電極31,32,33の外方L5に、絶縁体6を設けた。さらに、発光管21の外周面における第1の外部電極31と第3の外部電極33との間L32であって、発光管21の外周面の周方向におけるランプ1点灯時に電位差が生じない第1及び第3の外部電極31,33の外方L42に、絶縁体6を設けた。すなわち、外部電極31,32,33を絶縁体6で被覆したことにより、外部電極31,32,33の外方L41,L42,L5を電気的に絶縁することができる。
本実施例に係るエキシマランプ1は、シリカを含まない発光管21に封止材231,232を設けてなる放電容器2と、該発光管21の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極31,32,33と、からなるエキシマランプ1において、前記放電容器2に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなることを特徴とする。
放電容器2に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ1点灯時であっても、放電容器2の内部24における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材までの範囲L2で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材231,232がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、本実施例に係るエキシマランプ1は、上記特徴により、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
さらに、前記外部電極31,32,33を絶縁体6で被覆したことにより、発光管21の外周面における第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間L31であって、発光管21の外周面の周方向におけるランプ1点灯時に電位差が生じる外部電極31,32,33の外方L41に絶縁体6が設けられる。このため、本実施例に係るエキシマランプ1は、放電容器2の外面において、第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間の沿面放電を抑制することができる。
その上、前記外部電極31,32,33を絶縁体6で被覆したことにより、発光管21の径方向における外部電極31,32,33の外方L5に、絶縁体6が設けられる。また、発光管21の外周面における第1の外部電極31と第3の外部電極33との間L32であって、発光管21の外周面の周方向におけるランプ1点灯時に電位差が生じない外部電極31,33の外方L42に、絶縁体6が設けられる。このため、本実施例に係るエキシマランプ1は、外部電極31,32,33の外方L41,L42,L5への電気的に絶縁することができる。
本発明に係るエキシマランプ1の第3の実施例を、図6及び図7を用いて説明する。
図6及び図7は、本発明に係るエキシマランプ1の説明図である。図6はエキシマランプ1の斜視図である。図7(a)はエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に対して垂直方向から見た側面図(第1の外部電極31と第2の外部電極32との間L3を見た側面図)であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のD−D断面図)である。図6及び図7は、図2に示したものと同じものには同一の符号が付されている。
図6及び図7に示すエキシマランプ1は、外部電極31,32間L3に溝7を設けた点で、図1及び図2に示すエキシマランプ1と相違する。図6及び図7の説明として、図1及び図2との相違点について述べる。
本実施例に係るエキシマランプ1の発光管21は、直管状からなり、150〜400nmに対して光透過性を有すると共にフッ素イオンの吸収の少ない材料により形成される。発光管21の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)やアルミナ(多結晶アルミナ)のような金属酸化物が挙げられる。この他には、二フッ化マグネシウム(MgF),フッ化リチウム(LiF),二フッ化カルシウム(CaF),二フッ化バリウム(BaF),YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のようなフッ化物を発光管21の材料として用いることができる。
なお、光透過性を有する材料として石英ガラス(SiO)が挙げられるが、石英ガラス(SiO)に含まれるシリカ(Si)がフッ素イオンとの反応性が高いため、ランプ1点灯中に、フッ素イオンに接することになる発光管21の材料としては、石英ガラス(SiO)を用いることができない。このため、フッ素イオンの吸収の少ない材料からなる発光管21としては、シリカ(Si)を含まない材料が好適に用いられる。
発光管21の長手方向における両端は開放されており、その両端にカップ状の蓋部材221,222が配置される。蓋部材221,222は、例えば鉄(Fe)にニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。蓋部材221,222は金属に限定されるものではなく、耐紫外線性を有していれば良いので、発光管21と同一の材料である例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)などで形成することもできる。
発光管21と蓋部材221,222との間には、封止材231,232が充填されることにより、発光管21と蓋部材221,222とが接続され、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。封止材231,232の材料としては、例えば銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材で封止することができる。ランプ1点灯時、封止材231,232は紫外線が照射されると共にランプ1の点灯熱により加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものあれば用いることができる。特に、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)のようなフッ素イオンの吸収の少ないものであれば、好適に用いることができる。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、放電容器2の内部24がガス管2221により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接などで封止部2222が形成されることにより、放電容器2は密閉構造となる。
放電容器2の内部24に封入される発光ガスとして、アルゴン(Ar),クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)からなる希ガスと、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなるフッ化物とが挙げられる。
発光管21の外面には、図7(b)に示すように、一対の外部電極31,32が互いに電気的に離れるように配置されると共に、図7(a)に示すように、発光管21の管軸方向に沿って延びるように設けられる。さらに、外部電極31,32は封止材231,232及び蓋部材221,222とも離れて設けられる。
外部電極31,32は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管21の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管21の外面に接着することもできる。
外部電極31,32の長手方向に一端にはリード41,42が半田51,52などにより電気的に接続される
リード41,42には図示しない電源が接続され、ランプ1点灯時に給電される。
発光管21の外面において、外部電極31,32との間には溝7が設けられる。溝7は、発光管21の管軸方向においては、図7(a)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32の対向する範囲L1に延びるように設けられる。また、溝7は、発光管21の周方向においては、図7(b)に示すように、発光管21の外周面における対向する外部電極31,32の間L3に設けられる。
溝7は、例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)からなる発光管21の外面に、例えばレーザーを照射することにより形成することができる。
ランプ1点灯時、一対の外部電極31,32間に電圧が印加されることにより、発光管21を介して外部電極31,32間で放電が発生する。
発光ガスの希ガスが例えばアルゴン(Ar)とフッ化物が例えば六フッ化硫黄(SF)の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、193nmの波長近傍の光が発光され、発光管21から放射される。
ランプ1点灯時の外部電極31,32間の放電は、図7(b)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32の対向する範囲L1で、発光管21を介在して発生する。発光管21がフッ素イオンの吸収の少ない材料としてシリカ(Si)を含まない材料で形成されることにより、電離されたフッ素イオンを発光管21が吸収することを防止することができる。
発光管21の管軸方向において、外部電極31,32が封止材231,232と蓋部材221,222から離れた位置に設けられることにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では放電が発生しない。このため、放電容器2の内部24に発光ガスとして例えば、六フッ化硫黄(SF)のような化学的安定性の高いものを封入すると、放電の発生していない、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の例えば六フッ化硫黄に戻ることになる。これにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、発光管21の管軸方向における外部電極31,32が対向する範囲L1に比べて、フッ素イオンが極端に減少することになる。すなわち、封止材231,232がフッ素イオンに接することを抑制することができるので、ランプ1点灯時における放電容器2の内部24におけるフッ素イオンの減少を防止でき、フッ素イオン減少に伴うランプ1の照度低下を防止することができる。
本発明に係るエキシマランプ1を光化学反応用の紫外線光源として使用するためには、放電を安定に開始する必要がある。さらに、エキシマランプ1には、エキシマ分子を生成するのに必要な高エネルギーを持った電子の生成が求められる。
ところが、放電容器2の内部24に封入されるフッ化物が化学的安定性の高いものである。すなわち、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなる化学的安定性の高いフッ化物は、電子付着性の高い(換言すれば、電子を捕獲する性質の強い)ガスである。
このため、電離により生じた電子を高い確率で捕獲するので、従来のフッ素(F)ガスを封入したランプ1よりも、放電開始電圧が高くなる。さらに、高エネルギーを持った電子を生成するために、印加電圧を高くしなければならない。
その上、本発明に係るエキシマランプ1の場合、充分な照度を得るためには放電容器2に発光ガスを100Torr以上封入しなければならない。
図1及び図2に示す第1の実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の外面に外部電極31,32を設けた構成であるとき、外部電極31,32に高電圧が印加されることにより、外部電極31,32間で発光管21の沿面に沿って放電する、いわゆる沿面放電が発生することがあった。
そこで、本実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の周方向において、少なくとも発光管21の外周面における対向する外部電極31,32の間L3に、溝7が外部電極31,32の長手方向に沿って設けられることにより、沿面放電を抑制することができる。すなわち、溝7が形成されることにより、発光管21の外周面における対向する外部電極31,32の間の沿面距離が伸びるので、沿面放電を抑制することができる。
本実施例に係るエキシマランプ1は、シリカを含まない発光管21に封止材231,232を設けてなる放電容器2と、該発光管21の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極31,32と、からなるエキシマランプ1において、前記放電容器2に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなることを特徴とする。
放電容器2に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ1点灯時であっても、放電容器2の内部24における外部電極31,32が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材までの範囲L2で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材231,232がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、本実施例に係るエキシマランプ1は、上記特徴により、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
さらに、前記発光管21の外面の対向する前記外部電極31,32の間に溝7を設けたことにより、発光管21の外面の対向する外部電極31,32の間の沿面距離を伸ばすことができる。このため、放電容器2の外面における電極31,32間の沿面放電を抑制することができる。
本発明に係るエキシマランプ1の第3の実施例の別の実施例を、図8を用いて説明する。
図8は、本発明に係るエキシマランプ1の説明図である。図8(a)はエキシマランプ1の発光管21の管軸方向に対して垂直方向から見た側面図(第2の外部電極32側から見た側面図)であり、(b)は(a)の発光管21の管軸方向に対して垂直方向の断面図((a)のE−E断面図)である。図8は、図7に示したものと同じものには同一の符号が付されている。
図8に示すエキシマランプ1は、外部電極31,32,33を3つ設けた点で、図6及び図7に示すエキシマランプ1と相違する。図8の説明として、図6及び図7との相違点について述べる。
本実施例に係るエキシマランプ1の発光管21は、直管状からなり、150〜400nmに対して光透過性を有すると共にフッ素イオンの吸収の少ない材料により形成される。発光管21の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)やアルミナ(多結晶アルミナ)のような金属酸化物が挙げられる。この他には、二フッ化マグネシウム(MgF),フッ化リチウム(LiF),二フッ化カルシウム(CaF),二フッ化バリウム(BaF),YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のようなフッ化物を発光管21の材料として用いることができる。
なお、光透過性を有する材料として石英ガラス(SiO)が挙げられるが、石英ガラス(SiO)に含まれるシリカ(Si)がフッ素イオンとの反応性が高いため、ランプ1点灯中に、フッ素イオンに接することになる発光管21の材料としては、石英ガラス(SiO)を用いることができない。このため、フッ素イオンの吸収の少ない材料からなる発光管21としては、シリカ(Si)を含まない材料が好適に用いられる。
発光管21の長手方向における両端は開放されており、その両端にカップ状の蓋部材221,222が配置される。蓋部材221,222は、例えば鉄(Fe)にニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。蓋部材221,222は金属に限定されるものではなく、耐紫外線性を有していれば良いので、発光管21と同一の材料である例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)などで形成することもできる。
発光管21と蓋部材221,222との間には、封止材231,232が充填されることにより、発光管21と蓋部材221,222とが接続され、発光管21と蓋部材221,222と封止材231,232とからなる放電容器2が形成される。封止材231,232の材料としては、例えば銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材で封止することができる。ランプ1点灯時、封止材231,232は紫外線が照射されると共にランプ1の点灯熱により加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものあれば用いることができる。特に、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)のようなフッ素イオンの吸収の少ないものであれば、好適に用いることができる。
第2の蓋部材222にはガス管2221が設けられており、放電容器2の内部24がガス管2221により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、ガス管2221は圧接などで封止部2222が形成されることにより、放電容器2は密閉構造となる。
放電容器2の内部24に封入される発光ガスとして、アルゴン(Ar),クリプトン(Kr)又はキセノン(Xe)からなる希ガスと、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなるフッ化物とが挙げられる。
発光管21の外面には、図8(b)に示すように、3つの外部電極31,32,33が互いに電気的に離れるように配置されると共に、図7(a)に示すように、発光管21の管軸方向に沿って延びるように設けられる。さらに、外部電極31,32,33は封止材231,232及び蓋部材221,222とも離れて設けられる。
外部電極31,32,33は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管21の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管21の外面に接着することもできる。
外部電極31,32,33の長手方向に一端にはリード41,42,43が半田51,52,53などにより電気的に接続される
図示しないが、第1の外部電極31に接続された第1のリード41と第3の外部電極33に接続された第3のリード43は電気的に接続される。電気的に接続された第1及び第3のリード41,43と第2のリード42には図示しない電源が接続され、ランプ1点灯時に給電される。
発光管21の外面において、第1の外部電極31と第2の外部電極32との間、並びに、第1の外部電極31と第3の外部電極33との間には、溝7が設けられる。溝7は、発光管21の管軸方向においては、図7(a)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33の対向する範囲L1に延びるように設けられる。また、溝7は、発光管21の周方向においては、図7(b)に示すように、発光管21の外周面における第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間L31に設けられる。
溝7は、例えば酸化アルミニウム(Al)を主成分とするサファイア(単結晶アルミナ)からなる発光管21の外面に、例えばレーザーを照射することにより形成することができる。
ランプ1点灯時、第1及び第3のリード41,43が電気的に接続された第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間に電圧が印加されることにより、発光管21を介して第1及び第3のリード41,43が電気的に接続された第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間で放電が発生する。
発光ガスの希ガスが例えばアルゴン(Ar)とフッ化物が例えば六フッ化硫黄(SF)の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンやフッ素イオンを形成し、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、193nmの波長近傍の光が発光され、発光管21から放射される。
ランプ1点灯時の第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間の放電は、図8(b)に示すように、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33の対向する範囲L1で、発光管21を介在して発生する。発光管21がフッ素イオンの吸収の少ない材料としてシリカ(Si)を含まない材料で形成されることにより、電離されたフッ素イオンを発光管21が吸収することを防止することができる。
発光管21の管軸方向において、外部電極31,32,33が封止材231,232と蓋部材221,222から離れた位置に設けられることにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では放電が発生しない。このため、放電容器2の内部24に発光ガスとして例えば、六フッ化硫黄(SF)のような化学的安定性の高いものを封入すると、放電の発生していない、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の例えば六フッ化硫黄に戻ることになる。これにより、放電容器2の内部24において、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材231,232までの範囲L2では、発光管21の管軸方向における外部電極31,32,33が対向する範囲L1に比べて、フッ素イオンが極端に減少することになる。すなわち、封止材231,232がフッ素イオンに接することを抑制することができるので、ランプ1点灯時における放電容器2の内部24におけるフッ素イオンの減少を防止でき、フッ素イオン減少に伴うランプ1の照度低下を防止することができる。
本発明に係るエキシマランプ1を光化学反応用の紫外線光源として使用するためには、放電を安定に開始する必要がある。さらに、エキシマランプ1には、エキシマ分子を生成するのに必要な高エネルギーを持った電子の生成が求められる。
ところが、放電容器2の内部24に封入されるフッ化物が化学的安定性の高いものである。すなわち、六フッ化硫黄(SF),四フッ化炭素(CF)又は三フッ化窒素(NF)からなる化学的安定性の高いフッ化物は、電子付着性の高い(換言すれば、電子を捕獲する性質の強い)ガスである。
このため、電離により生じた電子を高い確率で捕獲するので、従来のフッ素(F)ガスを封入したランプ1よりも、放電開始電圧が高くなる。さらに、高エネルギーを持った電子を生成するために、印加電圧を高くしなければならない。
その上、本発明に係るエキシマランプ1の場合、充分な照度を得るためには放電容器2に発光ガスを100Torr以上封入しなければならない。
図1及び図2に示す第1の実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の外面に外部電極31,32を設けた構成であるとき、外部電極31,32に高電圧が印加されることにより、外部電極31,32間で発光管21の沿面に沿って放電する、いわゆる沿面放電が発生することがあった。
そこで、本実施例に係るエキシマランプ1のように、発光管21の周方向において、少なくとも発光管21の外周面における発光管21の外周面における第1及び第3の外部電極31,33と第2の外部電極32との間L31に、溝7が外部電極31,32,33の長手方向に沿って設けられることにより、沿面放電を抑制することができる。すなわち、ランプ1点灯時に電位差が生じる第1の外部電極31と第2の外部電極32との間、並びに、第1の外部電極31と第3の外部電極33との間に溝7が形成されることにより、第1の外部電極31と第2の外部電極32との間、並びに、第1の外部電極31と第3の外部電極33との間の沿面距離が伸びるので、沿面放電を抑制することができる。
なお、発光管21の外周面における第1の外部電極31と第3の外部電極33との間L32には、ランプ1点灯時に電位差が生じないので溝を設けなくてもかまわない。
本実施例に係るエキシマランプ1は、シリカを含まない発光管21に封止材231,232を設けてなる放電容器2と、該発光管21の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極31,32,33と、からなるエキシマランプ1において、前記放電容器2に希ガスとフッ化物とを封入し、前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなることを特徴とする。
放電容器2に封入されるフッ化物の化学的安定性が高いので、ランプ1点灯時であっても、放電容器2の内部24における外部電極31,32,33が対向する範囲L1の端部からその近傍の封止材までの範囲L2で、電離したフッ素イオンがフッ化物に戻ることができる。これにより、封止材231,232がフッ素イオンと接することを抑制することができるので、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収を抑制できる。すなわち、本実施例に係るエキシマランプ1は、上記特徴により、封止材231,232によるフッ素イオンの吸収に伴う照度低下を抑制することができ、長時間照度を維持することができる。
さらに、前記発光管21の外面の対向する前記外部電極31,32,33の間に溝7を設けたことにより、ランプ1点灯時に電位差が生じる第1の外部電極31と第2の外部電極32との間、並びに、第1の外部電極31と第3の外部電極33との間の沿面距離を伸ばすことができる。このため、放電容器2の外面における電極31,32間の沿面放電を抑制することができる。
本発明に係るエキシマランプ1の効果を確認するため、以下の実験1及び実験2を行なった。
<実験1>
実験1では、第1の実施例に係るエキシマランプ1の効果を確認する。
比較例1として、図11及び図12に示す従来のエキシマランプ1を準備し、放電容器2の内部24にアルゴン(Ar)とフッ素(F)を100Torr封入した。それぞれの封入量は、アルゴン(Ar)が99.9%であり、フッ素(F)が0.1%である。封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。
本発明として、図1及び図2に示す第1の実施例のエキシマランプ1を準備し、放電容器2の内部24にアルゴン(Ar)と六フッ化硫黄(SF)を100Torr封入した。それぞれの封入量は、アルゴン(Ar)が99.9%であり、六フッ化硫黄(SF)が0.1%である。封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。
比較例1及び第1の実施例に係るエキシマランプ1の外部電極31,32に、3KVの電圧を印加し、それぞれの照度を測定すると共に、照度を維持できる時間(寿命時間)を測定した。
実験結果をまとめた表を図9に示す。
図9に示す光強度は、比較例1の照度を基準値としたときの相対値を示している。
図9に示すように、比較例1は、10時間で照度を維持できなくなった。これは、封止材231,232が電離したフッ素イオンを吸収したためであると考えられる。
一方、第1の実施例に係るエキシマランプ1は、六フッ化硫黄(SF)を電離させるのにエネルギーが必要なので、照度は低下した。しかしながら、照度は1000時間以上維持できた。これは、六フッ化硫黄(SF)は化学的安定性が高いので、電離したフッ素イオンが六フッ化硫黄(SF)に戻り、封止材231,232に吸収されることを抑制できたためだと考えられる。
よって、第1の実施例に係るエキシマランプ1は、発光ガスを化学的安定性の高いフッ化物にすることにより、従来のエキシマランプ1よりも、封止材231,232へのフッ素イオンの吸収を抑制でき、長時間照度を維持することができる。
<実験2>
実験2では、第2及び第3の実施例に係るエキシマランプ1を、従来のエキシマランプ1の照度にしても沿面放電を防止できると共に、照度を維持できることを確認する。
比較例1として、図11及び図12に示す従来のエキシマランプ1を準備し、放電容器2の内部24にアルゴン(Ar)とフッ素(F)を100Torr封入した。それぞれの封入量は、アルゴン(Ar)が99.9%であり、フッ素(F)が0.1%である。封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。このランプ1は、実験1に用いた比較例1と同一である。
発光管21の外径は10mmであり、ランプ1点灯時に外部電極31,32に印加される電圧は5KVである。
また、比較例2として、図1及び図2に示す第1の実施例のエキシマランプ1を準備し、放電容器2の内部24にアルゴン(Ar)と六フッ化硫黄(SF)を100Torr封入した。それぞれの封入量は、アルゴン(Ar)が99.9%であり、フッ化硫黄(SF)が0.1%である。封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。
発光管21の外径は10mmであり、ランプ1点灯時に外部電極31,32に印加される電圧は3KVである。
本発明として、図3及び図4に示す第2の実施例のエキシマランプ1を準備した。この放電容器2の内部24には、アルゴン(Ar)と六フッ化硫黄(SF)を100Torr封入したランプAと、アルゴン(Ar)と四フッ化炭素(CF)を100Torr封入したランプBと、アルゴン(Ar)と三フッ化硫黄(NF)を100Torr封入したランプCとの3種類のエキシマランプ1を準備した。
それぞれの封入量は、ランプAのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、六フッ化硫黄(SF)が0.1%である。ランプBのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、四フッ化炭素(CF)が0.1%である。ランプCのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、三フッ化窒素(NF)が0.1%である。
ランプA,B及びCの封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。
ランプA,B及びCの絶縁体6は、シリカ粒子を有機溶剤に分散させたペーストを、外部電極31,32の外方を被覆するように塗布し、焼結することで形成した。
発光管21の外径は10mmであり、ランプ1点灯時に外部電極31,32に印加される電圧は7KVである。
また、本発明として、図6及び図7に示す第3の実施例のエキシマランプ1を準備した。この放電容器2の内部24には、アルゴン(Ar)と六フッ化硫黄(SF)を100Torr封入したランプDと、アルゴン(Ar)と四フッ化炭素(CF)を100Torr封入したランプEと、アルゴン(Ar)と三フッ化硫黄(NF)を100Torr封入したランプFとの3種類のエキシマランプ1を準備した。
それぞれの封入量は、ランプDのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、六フッ化硫黄(SF)が0.1%である。ランプEのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、四フッ化炭素(CF)が0.1%である。ランプFのとき、アルゴン(Ar)が99.9%であり、三フッ化窒素(NF)が0.1%である。
ランプD,E及びFの封止材231,232には、銀と銅との合金(Ag−Cu合金)からなるロウ材を用いた。
発光管21の外径は10mmであり、ランプ1点灯時に外部電極31,32に印加される電圧は8KVである。
ランプD,E及びFの溝7は、その深さが0.3mmであり、発光管21の周方向における幅が0.3mmである。この溝7を発光管21の外周面に計12本形成した。これにより、第3の実施例に係るランプA,B及びCは、電極31,32間の沿面距離が、7mmから10.6mmにとなった。
それぞれのランプ1に電圧を印加したとき、各ランプ1の照度を測定すると共に、照度を維持できる時間(寿命時間)を測定した。
実験結果をまとめた表を図10に示す。
図10に示す光強度は、比較例1の照度を基準値としたときの相対値を示している。
比較例2は、印加電圧が5KVのとき、光強度が0.7得られた。しかしながら、沿面放電が発生して、5KV以上の電圧印加ができなかった。これは、化学的安定性の高い六フッ化硫黄(SF)が電離され難いため、放電管2の内部24で放電が起きずに沿面で放電が発生したものと考えられる。
第2の実施例に係るランプA,B及びCは、印加電圧7KVのとき、光強度1.1となり、従来のランプ1より高照度が得られた。さらに、沿面放電を発生することなく、1000時間以上の寿命時間が得られた。これは、外部電極31,32に絶縁体6を設けたことにより、沿面放電を防止することができたものと考えられる。これに伴い、外部電極に印加できる電圧も7KVまで上げることができ、従来のものよりも高照度にすることができた。また、第2の実施例に係るエキシマランプ1は、発光ガスを化学的安定性の高いフッ化物にすることにより、従来のエキシマランプ1よりも、封止材231,232へのフッ素イオンの吸収を抑制でき、長時間照度を維持することができる。
第3の実施例に係るランプA,B及びCは、印加電圧8KVのとき、光強度1.2となり、従来のランプ1より高照度が得られた。さらに、沿面放電を発生することなく、1000時間以上の寿命時間が得られた。これは、外部電極31,32に溝7を設けたことにより、沿面放電を防止することができたものと考えられる。これに伴い、外部電極に印加できる電圧も8KVまで上げることができ、従来のものよりも高照度にすることができた。また、第3の実施例に係るエキシマランプ1は、発光ガスを化学的安定性の高いフッ化物にすることにより、従来のエキシマランプ1よりも、封止材231,232へのフッ素イオンの吸収を抑制でき、長時間照度を維持することができる。
よって、第2及び第3の実施例に係るエキシマランプ1は、発光管21の周方向において、外部電極31,32を絶縁体6で被覆すること、又は外部電極31,32間に溝7を設けたことにより、沿面放電を防止できたと共に、印加電圧を上げることができた。これに伴い、第2及び第3の実施例に係るエキシマランプは、従来のエキシマランプ1に比して、長寿命かつ高照度にすることができた。
本発明に係る第1の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第1の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第2の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第2の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第2の実施例の別の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第3の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第3の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係る第3の実施例の別の実施例のエキシマランプの説明図である。 本発明に係るエキシマランプの実験結果を示す図である。 本発明に係るエキシマランプの実験結果を示す図である。 従来に係るエキシマランプの説明図である。 従来に係るエキシマランプの説明図である。
符号の説明
1 エキシマランプ
2 放電容器
21 発光管
221 第1の蓋部材
222 第2の蓋部材
2221 ガス管
2222 封止部
231 一方の封止材
232 他方の封止材
24 放電容器の内部
31 第1の外部電極
32 第2の外部電極
33 第3の外部電極
41 第1のリード
42 第2のリード
43 第3のリード
51 第1の半田
52 第2の半田
53 第3の半田
6 絶縁体
7 溝

L1 発光管の管軸方向における外部電極の対向する範囲
L2 放電容器の内部において、発光管の管軸方向における外部電極が対向する範囲の端部からその近傍の封止材まで範囲
L3 発光管の外周面における対向する外部電極の間
L31 発光管の外周面における第1及び第3の外部電極と第2の外部電極との間
L32 発光管の外周面における第1の外部電極と第3の外部電極との間
L4 発光管の外周面における対向する外部電極の間であって、発光管の外周面の周方向における外部電極の外方
L41 発光管の外周面における第1及び第3の外部電極と第2の外部電極との間であって、発光管の外周面の周方向におけるランプ点灯時に電位差が生じる外部電極の外方
L42 発光管の外周面における第1の外部電極と第3の外部電極との間であって、発光管の外周面の周方向におけるランプ点灯時に電位差が生じない外部電極の外方
L5 発光管の径方向における外部電極の外方
L6 第1の外部電極の長手方向における第1の蓋部材側に第2の外部電極と対向しない部分
L61 第1の外部電極において、第2の外部電極に対向しないで、絶縁体で被覆していない外方に露出した第1の外部電極の部分
L7 第2の外部電極の長手方向における第2の蓋部材側に第1の外部電極と対向しない部分
L71 第2の外部電極において、第1の外部電極に対向しないで、絶縁体で被覆していない外方に露出した第2の外部電極の部分

Claims (1)

  1. シリカを含まない発光管に封止材を設けてなる放電容器と、
    該発光管の外面に離れて設けられる少なくとも一対の外部電極と、
    からなるエキシマランプにおいて、

    前記放電容器に希ガスとフッ化物とを封入し、
    前記フッ化物が六フッ化硫黄,四フッ化炭素又は三フッ化窒素からなり、
    前記外部電極をシリカの焼結体からなる絶縁体で被覆した
    ことを特徴とするエキシマランプ。
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