JP4622998B2 - Excimer discharge lamp light source device - Google Patents
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Description
この発明は、誘電体バリア放電を行うエキシマ放電ランプの光源装置の構造に関する。 The present invention relates to the structure of a light source device for an excimer discharge lamp that performs dielectric barrier discharge.
近年、誘電体からなる気密容器内部にキセノンなどの希ガスを封入し、誘電体をはさんで配置される一対の電極間に、高周波電圧を印加して封入空間内で誘電体バリア放電を行うことによりキセノンを一時的にエキシマ状態にし、基底状態にエネルギー準位が下がるときに紫外線を放出するエキシマ放電ランプが半導体・電子部品の表面洗浄・表面改質などの光源として使用されている。 In recent years, a rare gas such as xenon is sealed inside a hermetic container made of a dielectric material, and a dielectric barrier discharge is performed in the sealed space by applying a high-frequency voltage between a pair of electrodes disposed between the dielectric materials. Thus, an excimer discharge lamp that temporarily changes xenon to an excimer state and emits ultraviolet rays when the energy level falls to the ground state is used as a light source for surface cleaning and surface modification of semiconductors and electronic components.
特許文献1(特許第3757790号公報)には、図7に示すような、誘電体バリア放電ランプ(=エキシマ放電ランプ)を使った光源装置100´が開示されている。
放電容器11´の誘電体として合成石英ガラスを使用したエキシマ放電ランプ10´は、液晶ガラス基板の光洗浄やプラスチック材料の表面改質等に利用されている。ランプは専用のランプハウス20´に搭載され、このランプハウス20´内にはエキシマ放電ランプ10´、ランプ冷却用の金属ブロック30´が収納され、被照射物側に光取り出し窓40´が備わっている。
金属ブロック30´には、冷却手段として、水冷パイプ31´が埋設されており、冷却水が流通し、金属ブロック30´を冷却している。ランプの冷却が必要な理由は、放電容器11´の紫外線透過率が昇温により低下するのを抑制するためであり、放電容器11´内のエキシマ生成ガスの温度が上がり、エキシマ発光効率が低下するのを抑制するためである。
この金属ブロック30´には、平板状もしくはランプ形状に合わせた溝部32´が切ってあり、ランプ10´は放電容器11´外壁上の網状電極12´を金属ブロック30´に接する形で固定され、冷却された金属ブロック30´によりランプ10´は冷却されていた。16´は内側電極である。
Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3757790) discloses a
An
A
The metal block 30 'has a flat or lamp-shaped groove 32', and the lamp 10 'is fixed so that the mesh electrode 12' on the outer wall of the discharge vessel 11 'is in contact with the metal block 30'. The lamp 10 'was cooled by the cooled metal block 30'. Reference numeral 16 'denotes an inner electrode.
ところが、このような金属ブロックを使用してランプを冷却するタイプのエキシマ放電ランプ光源装置において、1000時間を越える長時間の点灯によって、エキシマ放電ランプの放電容器にクラックを生じるものがあることが分かった。
特に、放電容器の長さが800mmを超える長さのエキシマ放電ランプにおいて、クラックの発生が起き易いことが分かった。
In particular, it has been found that cracks are likely to occur in an excimer discharge lamp having a discharge vessel length exceeding 800 mm.
発明者は、金属ブロックによるランプの冷却状態について鋭意検討を行った。
金属ブロックに電極を介してランプを接触させた場合でも、金属ブロックに接している部分の温度は、電極およびその下面の放電容器外壁も金属ブロックの温度にほぼ等しくなるまで冷却される。具体的には100℃程度に冷却されることがわかった。
The inventors diligently studied the cooling state of the lamp by the metal block.
Even when the lamp is brought into contact with the metal block via the electrode, the temperature of the portion in contact with the metal block is cooled until the electrode and the outer wall of the discharge vessel on the lower surface thereof are substantially equal to the temperature of the metal block. Specifically, it was found that it was cooled to about 100 ° C.
一方、金属ブロックに接していない部分である、金属ブロック側とは反対側の放電容器外壁の温度は、投入電力にもよるが、300〜350℃程度の高温度に達することが分かった。つまり、ランプの「表」と「裏」で200deg以上の温度差が生じていたことになる。 On the other hand, it was found that the temperature of the outer wall of the discharge vessel on the side opposite to the metal block, which is not in contact with the metal block, reached a high temperature of about 300 to 350 ° C., depending on the input power. That is, a temperature difference of 200 deg or more has occurred between the “front” and “back” of the lamp.
この温度差が以下のごとくランプ寿命を短くする要因となると推測される。図6は金属ブロックとの位置関係においてランプにどのような力が掛かっているかを模式的に示した図である。図6(a)は熱膨張による応力を示し、図6(b)は紫外線歪の蓄積による応力を示す。
まず、図6(a)にあるように、第一に、ランプの金属ブロック側と、金属ブロック側とは反対側のランプの、いわば「表」と「裏」で温度差による熱膨張差を生じることになる。具体的には、例えば全長が1mのランプでは0.2mm〜0.3mmの膨張差を生じる。このため、金属ブロック側とは反対側において、ランプを曲げる方向(図6(a)の矢印の方向)の引っ張り応力が加わり、金属ブロック側とは反対側の放電容器部分にクラックが生じ破損しやすくなる。1mを超える長尺のランプでは、この影響がいっそう大きくなる。
This temperature difference is assumed to be a factor for shortening the lamp life as follows. FIG. 6 is a diagram schematically showing what force is applied to the lamp in the positional relationship with the metal block. FIG. 6A shows stress due to thermal expansion, and FIG. 6B shows stress due to accumulation of ultraviolet strain.
First, as shown in FIG. 6 (a), first, the difference in thermal expansion due to the temperature difference between the metal block side of the lamp and the lamp on the opposite side of the metal block side is the so-called “front” and “back”. Will occur. Specifically, for example, a lamp having a total length of 1 m causes an expansion difference of 0.2 mm to 0.3 mm. For this reason, on the side opposite to the metal block side, a tensile stress in the direction of bending the lamp (the direction of the arrow in FIG. 6A) is applied, and the discharge vessel portion on the side opposite to the metal block side cracks and breaks. It becomes easy. For long lamps longer than 1 m, this effect is even greater.
次に、エキシマ放電ランプを点灯すると放射された紫外線が放電容器に照射されるため、放電容器には図6(b)の矢印で示すように、大きさの異なる紫外線歪が蓄えられる。一般に石英ガラスに蓄積される紫外線歪は、温度が低いほど多く蓄積されるため、ランプの「表」と「裏」では、温度の相違によって紫外線歪(残留応力)の蓄積量が異なる。よって、金属ブロック側の放電容器部分に多く紫外線歪が蓄積され、放電容器全体の応力バランスが崩れ、ランプが破損しやすくなる。 Next, when the excimer discharge lamp is turned on, the emitted ultraviolet rays are irradiated to the discharge vessel, and therefore, ultraviolet distortions having different sizes are stored in the discharge vessel as indicated by arrows in FIG. In general, ultraviolet strain accumulated in quartz glass is accumulated more as the temperature is lower. Therefore, the accumulated amount of ultraviolet strain (residual stress) differs between the “front” and “back” of the lamp depending on the temperature. Accordingly, a large amount of ultraviolet distortion is accumulated in the discharge vessel portion on the metal block side, the stress balance of the entire discharge vessel is lost, and the lamp is easily damaged.
冷却ブロックを使用しなければ上記の問題は解消されるが、ランプが過熱状態(約450℃以上)になり、放電容器内のガスの温度が上昇し、エキシマ発光効率が低下し、また、放電容器の紫外線透過率が低下するので、光出力が低下してしまう。また、高温により電極等のランプ構成部品が劣化し、ランプの寿命を早める結果となってしまう。
そこで、本発明の目的は、効率よくランプを冷却することで光出力の低下を防ぎ、かつ、放電容器にクラックを生じることなく、ランプ構成部品の劣化も抑え、長時間にわたりランプが使用できるエキシマ放電ランプ光源装置を提供することにある。
If the cooling block is not used, the above problem will be solved, but the lamp will be overheated (about 450 ° C or higher), the temperature of the gas in the discharge vessel will rise, the excimer luminous efficiency will decrease, and the discharge will Since the ultraviolet transmittance of the container is lowered, the light output is lowered. In addition, lamp components such as electrodes deteriorate due to high temperatures, resulting in a shortened lamp life.
Accordingly, an object of the present invention is to prevent the light output from being lowered by efficiently cooling the lamp, to suppress the deterioration of the lamp components without causing cracks in the discharge vessel, and to use the lamp for a long time. An object of the present invention is to provide a discharge lamp light source device.
以上のことから、金属ブロックを用いるが、ランプにクラックの発生や発光効率の低下といった不具合を生じない光源装置を提供するには、次の手段が必要であるとの結論に至った。 From the above, it has been concluded that the following means are necessary to provide a light source device that uses a metal block but does not cause defects such as cracks and reduced luminous efficiency in the lamp.
第一の手段は、誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外壁に電極を備えたエキシマ放電ランプと、このエキシマ放電ランプを冷却する金属ブロックとが収納されたランプハウスを備え、該エキシマ放電ランプからの光を該金属ブロックとは反対側に位置する被照射物に照射するエキシマ放電ランプ光源装置において、該エキシマ放電ランプの放電容器の略全長に亘り、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構を備えたことを特徴とするエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。 A first means is a lamp in which an excimer generating gas is sealed in a discharge vessel made of a dielectric, an excimer discharge lamp having an electrode on the outer wall of the discharge vessel, and a metal block for cooling the excimer discharge lamp. An excimer discharge lamp light source device comprising a house and irradiating an object to be irradiated located on the side opposite to the metal block with light from the excimer discharge lamp. The excimer discharge lamp light source device is provided with a lamp support mechanism for supporting the outer wall and the electrode on the outer wall of the discharge vessel at a distance from the metal block.
第二の手段は、該支持機構が、該放電容器端部でランプを保持するランプベースと該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなることを特徴とする請求項1に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
2. The second means according to
第三の手段は、該ランプベースには、該ランプベースの中心から偏倚させてランプ保持孔が形成されており、該孔に該エキシマ放電ランプを挿入し固定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項2に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
The third means is that the lamp base is formed with a lamp holding hole that is deviated from the center of the lamp base, and the excimer discharge lamp is inserted and fixed in the hole to thereby fix the outer wall of the discharge vessel and the lamp base. 3. The excimer discharge lamp light source device according to
第四の手段は、該ランプホルダは、該ランプベースを挟む挟持部分と、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分とからなり、該支持部分の長さを適宜設定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項2に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
According to a fourth means, the lamp holder includes a clamping part that sandwiches the lamp base, and a support part that leads to the lamp house and reaches the lamp house, and by appropriately setting the length of the support part. 3. The excimer discharge lamp light source device according to
第五の手段は、前記放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極が前記金属ブロックと離間する距離が0.5〜1.5mmであ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放電ランプ光源装置とするものである。 The fifth means is characterized in that the distance between the outer wall of the discharge vessel and the electrode on the outer wall of the discharge vessel is 0.5 to 1.5 mm away from the metal block. The excimer discharge lamp light source device described is used.
本発明によれば、ランプの放電容器の、金属ブロック側とその反対側におけるランプ点灯時の温度差の緩和することができ、ランプ過熱の問題もなく、放電容器にクラックを生じることなく、しかもランプの発光効率を高めるために効率よくランプを冷却することができるエキシマ放電ランプ光源装置を提供することができる。 According to the present invention, the temperature difference when the lamp is lit on the metal block side and the opposite side of the discharge vessel of the lamp can be alleviated, there is no problem of lamp overheating, and there is no crack in the discharge vessel. It is possible to provide an excimer discharge lamp light source device that can cool the lamp efficiently in order to increase the luminous efficiency of the lamp.
図1は本発明の実施の形態を示す光源装置の構成図であり、図1(a)はランプの管軸方向での光源装置の断面図で示したものである。
エキシマ放電ランプ10はその両端でランプベース13が取り付けられ、ランプベース13はランプホルダ14に支持され、ランプホルダ14はランプハウス50に固定されている。
なお、この図1では放電容器外壁上の電極を省略してある。
図1(b)は、図1(a)のC−C断面図を示すが、金属ブロック30には水冷管31が配設され、その中を冷却水が流れている。金属ブロック30には溝部32が形成されており、この金属ブロック30に対して、エキシマ放電ランプ10は、全長に亘り離間して配設される。金属ブロック30はアルミニウムまたは銅からなる。なお、金属ブロック30の溝部32は必須のものではなく、ランプ形状によってはランプ側の面は溝のない平面状であってもよい。
FIG. 1 is a configuration diagram of a light source device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a cross-sectional view of the light source device in the tube axis direction of the lamp.
The
In FIG. 1, electrodes on the outer wall of the discharge vessel are omitted.
FIG. 1B shows a cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 1A, and a
放電容器外壁および放電容器外壁上の電極を、金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構は、放電容器端部でランプを保持するランプベースと該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなる。
図1(c)は、図1(a)のD−D断面図を示すが、このランプベース13には、ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔13aが形成されており、該孔に該エキシマ放電ランプ10を挿入し固定することにより、放電容器11外壁および放電容器外壁上の電極を、金属ブロック30から離間して保持することとなる。
A lamp support mechanism for supporting the discharge vessel outer wall and the electrode on the discharge vessel outer wall away from the metal block, a lamp base for holding the lamp at the end of the discharge vessel, and a lamp holder for fixing the lamp base to the lamp house; Consists of.
FIG. 1 (c) shows a DD cross-sectional view of FIG. 1 (a). The
ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔13aが形成されているとは、以下のことをいう。図9は、ランプベースのランプ保持孔について説明する図であり、ランプベースをランプ管軸に垂直な面でみた図である。図9(a)、(b)、(c)はランプベースの形状の例を示す。図中、外郭の内側の破線の丸が従来の、ランプベースの中心に開けられたランプ保持孔の位置を示し、外郭の内側の実線の丸が、ランプベースの中心から偏倚させたランプ保持孔13aの位置を示している。図9(a)にはAの位置からBの位置へランプ保持孔の中心をずらし、偏倚させた状態を示した。
The fact that the
また、図1(c)で示したが、ランプホルダ14は、ランプベース13を挟む挟持部分14aと、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分14bとからなっており、該支持部分14bの長さを適宜設定することにより、放電容器11外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロック30から離間して保持することもできる。
Further, as shown in FIG. 1C, the
なお、ランプベースとランプホルダは別々とせず、ランプ端部を挿入保持するランプベース部分とランプベース部分をランプハウスに固定するランプホルダ部分が一体となっていてもよい。 The lamp base and the lamp holder may not be separated, and the lamp base portion for inserting and holding the lamp end portion and the lamp holder portion for fixing the lamp base portion to the lamp house may be integrated.
図2は本発明に適用されるエキシマ放電ランプの具体的な構成を示す第一の実施例であるが、外形が概略円筒状である外側管11aと内側管11bとを同軸に配置して、該両管の間に両端が閉じられた中空円筒状の放電空間を形成した放電容器11を備え、該放電容器内にエキシマ生成ガスが充填され、内側管11bの内側に、少なくとも一部が金属からなる内側電極16が設けられ、外側管11aの外壁に外側電極である導電性の網状電極12が設けられている。図2(a)は管軸に沿った断面図であり、図2(b)はA-A断面図である。
この例においては、このランプベース13には、ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔13aが形成されており、該孔13aに該エキシマ放電ランプを挿入し固定することにより、この金属ブロック(不図示)に対して、ランプは全長に亘り電極及び放電容器ともに離間して配設される。図2において、ランプベース13の断面は、図中、紙面の管軸に垂直な方向で見た上方が下方よりも厚くなっている様子を示している。
FIG. 2 is a first embodiment showing a specific configuration of an excimer discharge lamp applied to the present invention, and an
In this example, the
図3は第二の実施例であるが、一対の電極のうちの内側電極16が放電容器11の中心に内管17中に配置され、他方の外側電極22が放電容器の外壁にコイル状に巻きまわして配置される。図中18は内管を支える支持体である。
FIG. 3 shows a second embodiment in which the
図4は第三の実施例であるが、角型の放電容器11を備えたエキシマ放電ランプ10であり、放電容器外壁には一対の電極22,22が配置されている。図4(a)は管軸に沿った断面図であり、図4(b)は図4(a)のB−B断面図である。
FIG. 4 shows a third embodiment, which is an
次に、金属ブロックとランプの離間距離を変化させて、ランプ温度の変化を調べた結果を図5の表に示す。温度測定をしたランプは図2に示した内側管と外側管を同軸に配置し、両端を封止した二重管構造のエキシマ放電ランプであり、全長は1400mm、外側管の外径42mm、肉厚2.5mm、内側管の外径14mm、肉厚1mmであり、エキシマ生成ガスとしてキセノンガスを封入している。また投入電力は1kWである。金属ブロックとランプの離間距離は、ランプの径方向中心の直上の外部電極とその直上の金属ブロックとの距離を測った。 Next, the table of FIG. 5 shows the results of examining the change in lamp temperature by changing the distance between the metal block and the lamp. The temperature-measured lamp is an excimer discharge lamp having a double tube structure in which the inner tube and the outer tube shown in FIG. 2 are arranged coaxially and sealed at both ends. The overall length is 1400 mm, the outer diameter of the outer tube is 42 mm, It has a thickness of 2.5 mm, an outer diameter of the inner tube of 14 mm, and a wall thickness of 1 mm, and encloses xenon gas as an excimer generating gas. The input power is 1 kW. The distance between the metal block and the lamp was measured by measuring the distance between the external electrode immediately above the radial center of the lamp and the metal block immediately above the external electrode.
ランプを50秒点灯し、10秒消灯するというサイクルを30回繰り返して放電容器の表面温度を熱電対にて測定した。温度測定部位は、ランプ長手方向の真中の部位である。
この結果をみると、放電容器外部の電極が金属ブロックと離間する距離が0.5〜1.5mmである場合、金属ブロック側の放電容器の温度と金属ブロックとは反対側の放電容器の温度差(放電容器温度差)は11deg以下となって殆ど温度差がない。
放電容器温度差がなければ、放電容器の熱膨張差や紫外線歪の蓄積量の相違に起因するクラックを生じることがないエキシマ放電ランプ光源装置を提供することができる。
The lamp was turned on for 50 seconds and turned off for 10
According to this result, when the distance between the electrode outside the discharge vessel and the metal block is 0.5 to 1.5 mm, the temperature of the discharge vessel on the metal block side and the temperature of the discharge vessel on the opposite side of the metal block The difference (discharge vessel temperature difference) is 11 deg or less, and there is almost no temperature difference.
If there is no discharge vessel temperature difference, an excimer discharge lamp light source device can be provided that does not cause cracks due to differences in the thermal expansion difference of the discharge vessel and the difference in the accumulated amount of ultraviolet distortion.
なお、放電容器外部の電極が金属ブロックと離間する距離が5mmを超えると、金属ブロック側の放電容器の温度は400℃に達し、冷却効果が弱く、エキシマ発光効率の低下、ランプ構成部品の劣化 等の不具合を生じ、放電容器温度差も60degになり、冷却用の金属ブロックは全くランプの冷却に寄与しなくなる。 If the distance between the electrode outside the discharge vessel and the metal block exceeds 5 mm, the temperature of the discharge vessel on the metal block side reaches 400 ° C., the cooling effect is weak, the excimer luminous efficiency is lowered, and the lamp components are deteriorated. The discharge vessel temperature difference becomes 60 deg, and the metal block for cooling does not contribute to the cooling of the lamp at all.
放電容器温度差は、ランプ投入電力によっても、冷却水の流量によっても、放電容器形状によっても違ってくる。しかしながら、金属ブロックと放電容器をその外部電極部分も含めて離間させるという考え方は共通の技術思想である。そして、工業用途において、当該エキシマ放電ランプの使用されるランプの投入電力は1kW程度であり、冷却水の流量も5L/min程度であり、本発明の温度測定結果と同等の結果となることが推測されるものである。 The discharge vessel temperature difference varies depending on the lamp input power, the cooling water flow rate, and the discharge vessel shape. However, the idea of separating the metal block and the discharge vessel including the external electrode portion is a common technical idea. And in industrial applications, the input power of the lamp used in the excimer discharge lamp is about 1 kW, the flow rate of cooling water is about 5 L / min, and the result is equivalent to the temperature measurement result of the present invention. It is guessed.
図8は、本発明の他の光源装置の実施形態を示す図である。ランプベースとベースホルダを使用せず、ランプの支持機構としては、放電容器を複数箇所で挟み保持する保持金具60であり、該保持金具が、該ランプの外周形状に合わせて該ランプを挟む挟持部分60aと、該挟持部分60aにつながり、金属ブロックに設けられた開口に挿通されて開口出口で固定されるまでの支持部分60bとからなる。図8(a)は管軸に沿った断面図であり、図8(b)はE−E断面図である。図8(b)をみてわかるように、金属ブロック30と保持金具60は支持部分60bでのみ接触している。
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the light source device of the present invention. The lamp base and base holder are not used, and the lamp support mechanism is a holding metal fitting 60 that holds the discharge vessel at a plurality of locations, and the holding metal fitting holds the lamp in accordance with the outer peripheral shape of the lamp. It consists of a
10、10´ エキシマ放電ランプ
11、11´ 放電容器
12、12´ 網状電極
13 ランプベース
13a ランプ保持孔
14 ランプホルダ
14a 挟持部分
14b 支持部分
16、16´ 内側電極
17 内管
18 内管を支える支持体
20´ ランプハウス
22 外側電極
30、30´ 金属ブロック
31、31´ 水冷パイプ
32 、32´ 溝
40 光取り出し窓
50 ランプハウス
60 保持金具
60a 挟持部分
60b 支持部分
100、100´ 光源装置
10, 10 '
Claims (1)
前記エキシマ放電ランプの放電容器の略全長に亘り、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構を備え、
該支持機構が、前記放電容器端部でランプを保持するランプベースと、該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなり、
該ランプホルダが、前記ランプベースを挟む挟持部分と、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分とからなる
ことを特徴とするエキシマ放電ランプ光源装置。
An excimer-generating gas is sealed in a discharge vessel made of a dielectric, and an excimer discharge lamp having an electrode on the outer wall of the discharge vessel and a metal block for cooling the excimer discharge lamp are provided. In an excimer discharge lamp light source device for irradiating an object to be irradiated located on the side opposite to the metal block with light from the discharge lamp,
A lamp support mechanism for supporting a discharge vessel outer wall and an electrode on the discharge vessel outer wall spaced apart from the metal block over substantially the entire length of the discharge vessel of the excimer discharge lamp;
The support mechanism comprises a lamp base that holds a lamp at the end of the discharge vessel, and a lamp holder that fixes the lamp base to the lamp house,
The excimer discharge lamp light source device characterized in that the lamp holder includes a sandwiching part that sandwiches the lamp base and a support part that leads to the sandwiching part and reaches the lamp house .
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