JP4749797B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、エキシマランプに関し、特に、石英ガラスに紫外線吸収物質を拡散して紫外線による劣化を防止したエキシマランプに関する。

従来のエキシマランプでは、ランプから出る短波長の紫外線が、石英ガラス製の放電容器を劣化させる。そのため、ランプの長寿命化が困難である。エキシマランプの寿命は、電極等の部品の消耗とはあまり関係がなく、ランプの放電による紫外線が、石英ガラス製の放電容器を劣化させることに深い関係がある。すなわち、放電容器に短波長の紫外線が照射されるために、石英ガラスの脆化が進んで、放電容器に早期にクラックが発生して、不点灯となってランプの寿命が尽きる。

放電容器が紫外線で劣化することを防ぐ方法が種々提案されている。全体にほぼ均一に紫外線吸収物質を配合した石英ガラスで、放電容器の一部を作ることにより、短波長の紫外線による劣化を防ぐ方法がある。また、石英ガラスの表面に単純にコーティングを施して、紫外線を遮断する方法もある。エキシマランプの接合部に第３の材料を用いて、ガラス中での反射光をブロックする方法もある。ＣeO₂やＴiO₂をドープして紫外線を吸収する方法や、オゾンレス石英の作り方や、円管オゾンレスバルブは、よく知られたものである。以下、これに関連する従来技術の例を、いくつかあげる。

特許文献１に開示された「誘電体バリア放電ランプ」は、発光効率が高く、点灯時間の経過にしたがって光出力が低下しない、寿命特性が十分である誘電体バリア放電ランプである。図５（ａ）に示すように、放電容器に誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填する。誘電体バリア放電によって発生したエキシマ分子から放射される光を取り出す窓を有する。放電容器または誘電体バリアの放電空間に接した表面の少なくとも一部に、誘電体薄膜を設ける。誘電体薄膜は、厚さが50nmから1000nmのものである。さらに、誘電体薄膜をZnS、TiO₂、CeO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、SiO₂、Y₂O₃、PbF₂、MgO、Al₂O₃、CeF₃、LaF₃、BaF₂、CaF₂、MgF₂、LiFおよびNaFの中から選ばれた少なくとも一種とする。

特許文献２に開示された「誘電体バリア放電ランプ」は、内側管と外側管の接合部分からクラックが発生して不点灯になることを防止でき、長寿命の誘電体バリア放電ランプである。図５（ｂ）に示すように、外側管と内側管が同軸的に配置された二重管構造をなしている。この外側管の外表面に、一方の電極が設けられている。内側管の内表面に、他方の電極が設けられている。これら外側管と内側管の間に、放電空間に誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されている。内側管と外側管の接合部分に対する放電空間で発生した真空紫外光の直射防止手段を有する。この直射防止手段は、例えば、酸化チタン膜、バリウムなどの金属薄膜、外側管および内側管の襞によって達成できる。

特許文献３に開示された「誘電体バリア放電ランプ」は、紫外線歪みが蓄積して、放電容器に形成されたチップ部から放電ガスがリークすることや、放電容器自体が割れることがないようにした誘電体バリア放電ランプである。図５（ｃ）に示すように、石英ガラスからなる放電容器の内部に、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されている。この放電容器の少なくとも一部に、光透過性部分が形成されている。この放電容器の端部における容器外表面が、フロスト加工または高屈折コートされている。

特許文献４に開示された「誘電体バリア放電ランプ装置」は、ランプの放電容器にクラックが発生することを防止して、ランプを長寿命化した誘電体バリア放電ランプ装置である。図５（ｄ）に示すように、誘電体バリア放電ランプに、冷却手段が備えられている。石英ガラスからなる放電容器の内部に、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填されて放電空間が形成されている。この放電容器の少なくとも一部に光出射窓が形成されている。光出射窓を除く放電容器外表面上に、ランプを冷却するための冷却手段がある。放電容器には、冷却手段により冷却される部位に対応して、放電空間側表面上に、紫外線反射膜や紫外線吸収膜が形成されている。

特許文献５に開示された「エキシマランプ」は、エキシマランプの２重管バルブ接合部が、紫外線により脆くなることを防止するものである。図５（ｅ）に示すように、エキシマランプの有効発光部と接合部との間の内管と外管の管体に、紫外線を阻止する遮光部を設ける。遮光部は、紫外線を吸収または散乱する遮光材を分散させた不透明石英ガラスまたはバイコールガラスである。ファイバー効果による接合部への紫外線の集中を抑制して、接合部におけるマイクロクラックの発生を防止する。また、２重管バルブの有効発光部以外の外面に、接着材などの硬化剤を塗布して、機械的強度を向上させて、マイクロクラックの広がりを抑制する。

特許文献６に開示された「細長い放電容器」は、誘電体バリア放電ランプのための、溶融石英から成る細長い放電容器である。耐紫外線性に優れた、低コストで寿命の長い誘電体バリア放電ランプのための放電容器である。図５（ｆ）に示すように、保護装置を、少なくとも紫外線の一部を吸収する材料から成る少なくとも１つの自己支持部材から構成する。自己支持部材を、内側管の外側表面に接合する。外側管の内側表面から間隔をおいて配置する。または、外側管の内側表面に接合し、かつ内側管の外側表面から間隔をおいて配置する。
特許3189481号公報 特許3252676号公報 特許3630042号公報 特許3580233号公報 特開2002-352774号公報 特開2003-297296号公報

しかし、エキシマランプにおける従来の紫外線対策技術では、次のような問題がある。紫外線吸収物質を配合した石英ガラスは、放電容器の主要部分の石英ガラスと膨張係数や軟化温度が違い、放電容器の加工が困難となる。また、石英ガラスの表面にコーティングを施す方法では、不純物を巻き込む可能性があり、ランプ点灯中にコーティング膜が剥がれて、不純物や剥がれたコーティング膜が放電に悪影響を及ぼしてしまう。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、エキシマランプの石英ガラス製放電容器にクラックが発生することを、簡単な方法で効果的に防止して、エキシマランプの寿命を延ばすことである。

上記の課題を解決するために、本発明では、石英ガラスの外管に石英ガラスの内管を同軸状に挿入して構成され、光出射窓を有する放電容器を備え、内管と外管の間を、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された放電空間とするエキシマランプの内管の放電空間側に、紫外線吸収物質が高い濃度で拡散された紫外線吸収部を形成し、紫外線吸収物質を、ＴiとＣeとＺrのうちのいずれか１種以上の物質とした。

上記のように構成したことにより、エキシマランプの放電容器へ紫外線が侵入することを防いで、放電容器にクラックが生じないようにして、エキシマランプを長寿命化できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、Ｔiなどの紫外線吸収物質を拡散した紫外線吸収部を形成した石英ガラス製内管を、石英ガラス製外管に同軸状に挿入して、内管と外管の間の放電空間に、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスを充填したエキシマランプである。

図１は、本発明の実施例におけるエキシマランプの軸に垂直な断面図と、内側管の紫外線吸収物質の濃度分布を示す図である。図２は、紫外線吸収物質の拡散手順を示す図である。図３は、エキシマランプの透過率を示すグラフである。図４は、エキシマランプの寿命を示す図である。図１と図２において、内管１は、石英ガラス製の小半径の円筒である。外管２は、石英ガラス製の大半径の円筒である。放電空間３は、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された内管と外管の間の空間である。内管内側４は、内管の内側である。紫外線吸収物質５は、ＴiとＣeとＺrのうちのいずれか１種以上の物質である。溶剤６は、紫外線吸収物質を分散させて懸濁液とする溶剤である。

上記のように構成された本発明の実施例におけるエキシマランプの製造方法と機能を説明する。最初に、図１を参照しながら、エキシマランプの機能の概要を説明する。図１（ａ）に示すように、石英ガラスの外管２に石英ガラスの内管１を同軸状に挿入して、放電容器を構成する。放電容器には、光出射窓が設けられている。内管１と外管２の間に、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスを充填して、放電空間とする。図１（ｂ）に示すように、内管１の放電空間側に、紫外線吸収物質を高い濃度で拡散した紫外線吸収部を形成する。紫外線吸収物質は、ＴiとＣeとＺrのうちのいずれか１種以上の物質からなる。これらの物質は、熱拡散などで容易に石英ガラス中に拡散させることができるので、石英ガラスの内管１の放電空間側に、紫外線吸収物質が高濃度で分布した状態を形成することができる。このようにして、内管１に紫外線が入射することを防いで、紫外線歪が生じないようにして、クラックの発生を防止できる。

次に、図２を参照しながら、内管への紫外線吸収物質の拡散手順を説明する。図２（ａ）に示す内管１に電極を形成する前に、図２（ｂ）に示すように、内管１の外側円筒面に、紫外線吸収物質を含ませた溶剤６を塗布する。図２（ｃ）に示すように、溶剤６を乾燥させて、紫外線吸収物質の層を形成する。その後、図２（ｄ）に示すように、・・・℃以上でかつ内管１の軟化点以下の温度で熱処理を行って、紫外線吸収物質を内管１の外側円筒面から石英ガラス内に拡散させる。図２（ｅ）に示すように、フッ酸洗浄を行って、紫外線吸収物質の膜を除去する。このようにして、内管１の放電空間側に、紫外線吸収物質が高い濃度で拡散された紫外線吸収部を形成する。

次に、図３を参照しながら、紫外線吸収物質の拡散後の石英ガラスの透過率を、従来のエキシマランプの透過率と比較して説明する。紫外線吸収物質の拡散後では、波長200nmの紫外線の透過率は、約半分になる。波長300nmの紫外線の透過率は、約80％になる。このように、短い波長の紫外線ほど吸収されやすいので、紫外線による石英ガラスの劣化を効果的に防止できる。

次に、図４を参照しながら、紫外線吸収物質の拡散後のエキシマランプの寿命を、従来のエキシマランプの寿命と比較して説明する。従来のエキシマランプの寿命が約1000時間であるのに対して、紫外線吸収物質の拡散後のエキシマランプの寿命は、約3500時間となっている。紫外線吸収物質を拡散して、紫外線による内管の劣化を防いだことにより、エキシマランプの寿命が格段に延びている。

上記のように、本発明の実施例では、エキシマランプを、Ｔiなどの紫外線吸収物質を拡散した紫外線吸収部を形成した石英ガラス製内管を、石英ガラス製外管に同軸状に挿入して、内管と外管の間の放電空間に、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスを充填した構成としたので、放電容器にクラックが生じなくなり、エキシマランプの寿命が延びる。

本発明のエキシマランプは、紫外線露光装置や、光化学反応装置や、オゾン発生装置用の長寿命紫外線光源として最適である。

本発明の実施例におけるエキシマランプの軸に垂直な断面図と、内側管の紫外線吸収物質の濃度分布を示す図である。 本発明の実施例におけるエキシマランプの内側管に紫外線吸収物質を拡散する手順を示す図である。 本発明の実施例におけるエキシマランプの透過率を示すグラフである。 本発明の実施例におけるエキシマランプの寿命を示す図である。 従来のエキシマランプの構成を示す概念図である。

符号の説明

１ 内管
２ 外管
３ 放電空間
４ 内管内側
５ 紫外線吸収物質
６ 溶剤

Claims (4)

1. 石英ガラスの外管に石英ガラスの内管を同軸状に挿入して構成され、光出射窓を有する放電容器を備え、前記内管と前記外管の間を、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスが充填された放電空間とするエキシマランプにおいて、前記内管の放電空間側表面上は紫外線吸収物質が除去され、前記内管の放電空間側表面より内部には、紫外線吸収物質が高い濃度で拡散された紫外線吸収部が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記紫外線吸収物質は、ＴiとＣeとＺrのうちのいずれか１種以上の物質からな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. 電極を形成した石英ガラスの内管を石英ガラスの外管に同軸状に挿入して放電容器を構成し、前記放電容器の一部に光出射窓を形成し、前記内管と前記外管の間に、高周波グロー放電によってエキシマ分子を生成する放電用ガスを充填して封じて放電空間を形成するエキシマランプの製造方法において、前記内管に電極を形成する前に、前記内管の外側円筒面に、紫外線吸収物質を分散させた懸濁液を塗布し、前記懸濁液を乾燥させた後、900℃以上でかつ前記内管の軟化点以下の温度で熱処理を行って、前記紫外線吸収物質を前記内管の外側円筒面から石英ガラス内に拡散させ、フッ酸洗浄を行って前記内管の放電空間側表面上は前記紫外線吸収物質の膜を除去することにより、前記内管の放電空間側表面より内部に、前記紫外線吸収物質が高い濃度で拡散された紫外線吸収部を形成することを特徴とするエキシマランプの製法。
4. 前記紫外線吸収物質は、ＴiとＣeとＺrのうちのいずれか１種以上の物質からなることを特徴とする請求項３に記載のエキシマランプの製法。

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