JP5144475B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア放電、容量結合型高周波放電によってエキシマ光を放射するエキシマランプに関し、特に、放電容器の構造、製造方法に関する。

二重円筒管型のエキシマランプでは、軸方向に長い２つの同軸円筒管によって発光部が構成されており、高圧ガスが発光管内に封入され、軸方向に沿って内側管内面と外側管外面に一対の電極が対向配置される。そして、電極間に数ｋＷの高周波電圧を印加することによって誘電体バリア放電が生じる（例えば、特許文献１参照）。

エキシマランプでは高電圧を放電容器に沿って延びる電極間に印加するため、沿面放電が生じやすい。沿面放電を防止する方法としては、絶縁層を塗布、被覆する構成が一般的に知られていて、例えば、放電容器外面に配置される帯状の外部電極にガラスバルブの被覆層を重ねる（特許文献２参照）。あるいは、帯状電極が配置されているバルブに対し、補助バルブを外装する（特許文献３参照）。
特許第３１７０９５２号公報 実開平５−９０８０３号公報 特開平７−２７２６９１号公報

２重管方式のエキシマランプでは、ランプサイズが大型、複雑化し、設置スペースに制限がある。一方、従来の蛍光ランプのように単管式の構造を採用する場合、印加電圧、封入ガスの圧力が高いため、単に絶縁性物質で電極を被覆するだけでは放電を十分防止できず、電極と絶縁層との間の隙間を通じて絶縁破壊が生じてしまう。

本発明は、沿面放電を十分防止でき、かつ、出力の高い光を確実に放射できる単管式のエキシマランプであって、放電ガスが封入される内管と、内管の外周面に沿って配置される電極と、内管を覆う外管とを備える。そして、内管と外管との溶着によって、一体的な単管状放電容器が形成されている。

例えば、高電圧印加によって放電プラズマを発生させる誘電体バリア放電エキシマランプ、あるいは、比較的低電圧である一方、高周波で放電を発生させる容量結合型高周波放電ランプなどがエキシマランプとして適用される。放電ガスとしては、例えば、キセノンなどの希ガス、または希ガスとハロゲンガスとの混合ガスなどが適用される。あるいは、水銀とアルゴンなどを封入し、紫外光を放射させてもよい。電極としては、例えばランプ軸方向に沿って帯状に延びる一対の金属箔が対向配置される。

本発明のエキシマランプは、単管の放電容器の管壁内部に電極が埋設される構造であり、内管と外管との溶着によって、スペース制限なく小型化しやすい単管状放電容器が実現される。溶着によって電極が容器管壁内部に配置されるため、絶縁破壊が生じず、沿面放電を十分防止することができる。

このようなエキシマランプを製造する場合、電極を内管の外表面に配置した後、外管によって内管を被覆する。そして、内管、外管を回転させながらバーナーなどで加熱することで、外管を縮径させて一体化させる。

本発明では、溶着工程のときに、電極と係合して電極の移動を制限する係合部が設けられている。回転を伴って外管を加熱する間、内管の外周面に配置された電極は係合部によって仮固定される。その結果、溶着工程において電極の位置ずれを防止することができ、電極間での放電が部分的な不具合なく実現され、所望する光の出力が得られる。なお、電極と当接させるように係合部を設けてもよく、あるいは光出力の影響ない範囲でわずかな移動を許容するように構成してもよい。

溶着時に電極が回転方向にずれやすいことを考慮すれば、係合部が、溶着時に内管の周方向に沿った電極の移動を少なくとも防止するように構成するのが望ましい。また、係合部によって放電容器の管壁内に隙間が生じるのを防ぐため、例えば内管、外管と同様のガラス部材によって係合部を構成し、内管および外管と溶着させるのがよい。

係合部については、ランプ製造工程を容易にするため、外管と内管の溶着部分に形成するのがよい。例えば、回転方向の電極位置ずれを防止するため、外管と内管の溶着部分に形成するのがよい。この場合、内管の外周面から突出する凸部によって電極を仮固定すればよい。

電極がランプ軸方向に動くのを溶着時に防止するため、内管のランプ軸方向端部に給電線を固定する止め部材をさらに有するのが望ましい。

本発明のエキシマランプの製造方法は、外管と内管とを溶着させて一体的な単管状の放電容器を成形するエキシマランプの製造方法であって、内管の外周面に、電極と係合するように係合部を形成し、係合部と係合させた状態で電極を内管の外周面に設置し、内管を外管内部に挿入した後、内管を回転させながら外管を加熱縮径させることを特徴とする。

本発明によれば、沿面放電を確実に防止しながら、光出力の大きい信頼性あるエキシマランプを実現できる。

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、第１の実施形態であるエキシマランプの概略的平面図である。図２は、図１のII−IIに沿った径方向の概略的断面図である。図３は、図２のIII−IIIに沿った軸方向の概略的断面図である。

エキシマランプ１０は、石英製の単管状放電容器１２を備え、放電容器１２は筒状の内管１４を覆う外管１６によって構成されている（図２参照）。内管１４の外周面１４Ｓには、電極１８Ａ、１８Ｂがランプ軸方向に沿って対向配置されている（図３参照）。電極１８Ａ、１８Ｂはモリブデンなどによる帯状金属箔であり、内管１４の曲率に合わせて弧状に形成されている。外管１６は内管１４に溶着しており、電極１８Ａ、１８Ｂは放電容器１２の管壁内に埋設されている。

電極１８Ａ、１８Ｂの端部には、外部に延びる給電線１９Ａ、１９Ｂが、互いに軸方向反対側に接続されている。給電線１９Ａ、１９Ｂは、エキシマランプ１０の外部に設置された交流高電圧電源（図示せず）に接続されており、給電線１９Ａ、１９Ｂを介してエキシマランプ１０に電力が供給される。

内管１４内部に形成される放電空間１５には、キセノンガスなど、放電中にエキシマ分子を生じさせる放電ガスが封入されている（図２参照）。あるいは、水銀特有の紫外線を放射させるため、水銀とアルゴンガスなどを封入してもよい。電極１８Ａ、１８Ｂの間に高電圧を印加すると、放電空間１５内で誘電体バリア放電が発生する。誘電体バリア放電によって発生するエキシマ光（紫外光）は放電容器１２を透過して、外部に放射される。

電極１８Ａ、１８Ｂ、は密閉状態で放電容器１２内に埋設されている。そのため、数ｋＶの高電圧を電極１８Ａ、１８Ｂに印加しても、電極１８Ａ、１８Ｂがランプ外部と確実に絶縁しているため、沿面放電の発生を防ぐことができる。

内管１４の外周面１４Ｓには、電極１８Ａ、１８Ｂの軸方向端部付近に係合部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが形成されている（図２参照）。石英製の係合部２２Ａ〜２２Ｄは、内側発光管１４の外周面１４Ｓに溶着させたものであり、内管１４の外周面１４Ｓから突出する凸部が外管１６と溶着している。

係合部２２Ａ、２２Ｂは、電極１８Ａのランプ軸方向に沿った側面と当接する位置に形成（溶着）されている。係合部２２Ａ、２２Ｂは、後述するように、ランプ製造時において電極１８Ａを仮固定する。同様に、係合部２２Ｃ、２２Ｄは電極１８Ｂの軸方向側面と係合する位置に形成されている。さらに、電極１８Ａ、１８Ｂの反対側端部にも、４つの係合部（図示せず）が設けられている。なお、図１〜図３では、溶着後の内管、外管、係合部をハッチングにおいて区別して図示しているが、溶着後は放電容器として一体化している 。

図４〜図１０は、エキシマランプの製造工程を示した図である。図４〜図１０を用いて、ランプ製造方法について説明する。

図４は、ランプ製造前の内管および外管の平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖに沿った内管の径方向概略的断面図である。以下では、図１〜図３で使用した参照符号を用いて説明する。

まず、石英製の中空状内管１４および外管１６があらかじめ用意する。外管１６は、その両端に入口部１６Ａ、排気部１６Ｂを設けている。入口部１６Ａ、排気部１６Ｂは縮径によって成形すればよく、あるいは、別々に用意した管状部材を外管１６に溶着させてもよい。

内管１４の一端は閉じられた半球状態であり、支持棒１４Ａが連設する。その反対側端部には、管状排気部１４Ｂが接続されている。内管１４の外周面１４Ｓに形成される４つの凸状係合部２２Ａ〜２２Ｄは、石英棒を内管１４に溶着させることによって形成されている（図５参照）。

係合部２２Ａ〜２２Ｄは、電極１８Ａ、１８Ｂの軸方向端部付近に形成され、係合部２２Ａ、２２Ｂおよび係合部２２Ｃ、２２Ｄの周方向距離間隔は、電極１８Ａ、１８Ｂの周方向幅に合わせている。また、係合部２２Ａ〜２２Ｄの高さは、後で外管１６内に内管１４を挿入できる高さに定められている。

電極１８Ａ、１８Ｂの反対側端部にも４つの係合部が形成され、ここでは２つの係合部２２’Ａ、２２’Ｃのみ図示されている。なお、電極１８Ａ、１８Ｂの軸方向両端付近だけでなく、複数の凸部を電極１８Ａ、１８Ｂの軸方向側面に沿って形成してもよい。

図６は、電極を配置した内管を示した図である。図７は、図６のVII−VIIに沿った径方向概略的断面図である。図８は、外管に内管を挿入した状態を示した図である。

係合部が形成されると、用意された極薄の帯状電極１８Ａ、１８Ｂが、ランプ軸方向に沿って内管１４の外周面１４Ｓに対向配置される。電極１８Ａ、１８Ｂは、両端部の側面にそれぞれ形成された４つの係合部と当接する。電極１８Ａ、１８Ｂは係合部に挟まれる状態で係止し、後述する封止、溶着工程によって 電極１８Ａ、１８Ｂは弧状となり、係止した位置で固定される。

電極１８Ａ、１８Ｂの端部には、給電線１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ接続されており、止め部材２３、２５は、内管１４の支持棒１４Ａ、および排気部１４Ｂに対して給電線１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ固定する。これにより、電極１８Ａ、１８Ｂがランプ軸方向に移動するのを防止する。

止め部材２３、２５は、モリブデンなどの金属箔、細線によって形成され、あるいは不純ガスを吸着するゲッタ部材を止め部材として適用してもよい。なお、係合部のみで十分に電極固定が可能であれば、止め部材を省いてもよい。

電極配置の後、外管１６の入口部１６Ａから内管１４を挿入する。外管１４、内管１６の径は、できるだけ外管１６の内面と内管１４の外周面との距離間隔が小さくなるように、また、係合部との距離間隔もできるだけ小さくなるように定められており、図８では径方向距離間隔を誇張して図示している。

そして、外管１６の入口部１６Ａを封止切りし、排気部１６Ｂに真空装置を接続させて内管１４、外管１６を真空引きする。十分な真空状態に達すると、外管１６の排気部１６Ｂを封止切りし、内管１４の排気部１４Ｂに仮溶着させる。そして、溶着していない排気部１６Ｂの端部を切断する。

図９は、内管と外管を溶着させた状態を示した図である。図１０は、外管、内管の一端を封止切りした図である。

内管１４、外管１６を旋盤などによって回転させながら、バーナーにより外管１６を徐々に加熱させる。内管１４と外管１６との間の空間は真空状態であり、加熱溶融させることによって外管１６が縮径し、内管１４と溶着する（図９参照）。これにより、内管１４と外管１６、および係合部が溶着して一体化し、単管の放電容器１２が形成される。

電極１８Ａ、１８Ｂは放電容器１２の管壁内に埋設するため、沿面放電が防止される。また、溶着工程のときに内管１４、外管１６を回転させている間、電極１８Ａ、１８Ｂが係合部、および止め部材によって仮固定されているため、電極１８Ａ、１８Ｂの周方向、軸方向に沿った位置ずれが生じない。その結果、電極１８Ａ、１８Ｂはランプ軸に対して対称的に対向配置される。

溶着後、内管を真空引きし、放電ガス（例えばキセノン）を封入して内管１４の排気部１４Ｂを封止切りした後、給電線１９Ａ、１９Ｂを剥き出し状態にする（図１０参照 ）。なお、上述したランプ製造工程において、不純物除去などの処理（加熱、真空引きなど）を適宜加えてもよい。

以上のように本実施形態によれば、内管１４と外管１６を溶着させて一体化することによって放電容器１２を形成し、電極１８Ａ、１８Ｂは放電容器１２の管壁内に埋設される。その結果、沿面放電を防止することができ、印加電圧を十分高くして放射出力を上げることが可能になる。また、単管状の放電容器のため、小型で安価なエキシマランプを実現することができる。

さらに、電極１８Ａ，１８Ｂの軸方向側面と当接する凸状係合部２２Ａ〜２２Ｄが内管１４の外周面１４Ｓに形成されている。そのため、溶着時に内管１４を回転させている間も電極１８Ａ、１８Ｂの位置が固定される。その結果、電極１８Ａ、１８Ｂが正確に位置決めされ、安定した放電が軸方向全体に渡って生じ、所望する光出力が得られる。

係合部の数、形状は任意であり、電極のランプ軸に垂直な両端面と係合する位置に形成してもよい。これにより、電極の軸方向の位置ずれを防止することができる。あるいは、内管に凹部を設け、電極端部にあらかじめ形成した凸状の係合部を凹部に嵌める構成にしてもよい。さらには、外管に係合部を設けて電極を係止する構成にしてもよい。あるいは、回転に依らない溶着においても位置決めのために係合部を設けるように構成してもよい。

電極の配置に関しては、軸に対して対称的に対向配置させるだけでなく、中心線に対して線対称になるように配置してもよい（例えば断面ハの字形状）。また、内管の両側面をあらかじめ平らに削り、平板状の電極を配置するようにしてもよい。あるいは、一方の電極を放電容器の管壁内に埋設する一方、他方の帯状電極（あるいは網状電極）を外管の外周面に設けるように構成してもよい。

また、放電容器１２の両端部分に、外管で内管を覆う真空状態の内部空間を形成し、絶縁破壊をより確実に抑えるように構成してもよい。さらに、軸方向に光を放出するように、放電容器１２の端部に射出窓を設けてもよい。

放電方式としては、上記誘電体バリア放電エキシマランプの代わりに、例えばスキャナ光源などで用いられるようなランプであって比較的低電圧の容量結合型（静電容量型）高周波放電方式のランプとして適用してもよい。誘電体バリア放電エキシマランプでは、放電空間の距離が長くても均一な放電が安定して発生し、軸方向の照度分布の優れたランプが実現される。一方、容量結合型高周波放電方式の場合、電源部の最終部分をＬＣ共振回路とすることによって、容易に高電圧を印加することができる。

放電空間に封入するガスは任意であり、例えばアルゴンとフッ素の混合ガスを封入して、波長１９３ｎｍの光を放射させてもよい。また、放電容器のガラスの脆化保護、ガラスと封入ガスの反応を防止するため、放電容器の内面にアルミナ膜、チタニア膜、マグネシア膜などの保護膜を形成してもよい。封入ガスにハロゲンを含める場合、フッ化マグネシウム膜を形成するのがよい。

放電容器、外管の材質、形状は任意に構成することができ、楕円形状、四角形状など円筒形状以外の形状に構成してもよく、また、所定のエキシマ光を外部へ透過させるような材質で構成すればよい。また、複数のランプを用いて広範囲に照射するように構成してもよい。

第１の実施形態であるエキシマランプの概略的平面図である。 図１のII−IIに沿った径方向の概略的断面図である。 図２のIII−IIIに沿った軸方向の概略的断面図である。 ランプ製造前の内管および外管の平面図である。 図４のＶ−Ｖに沿った内管の径方向概略的断面図である。 電極を配置した内管を示した図である。 図６のVII−VIIに沿った径方向概略的断面図である。 図８は、外管に内管を挿入した状態を示した図である。 内管と外管を溶着させた状態を示した図である。 外管、内管の一端を封止切りした図である。

符号の説明

１０ エキシマランプ
１２ 放電容器
１４ 内管
１４Ｓ 内管の外周面
１５ 放電空間
１６ 外管
１８Ａ、１８Ｂ 電極
２２Ａ〜２２Ｄ 係合部

Claims (12)

1. 放電ガスが封入される内管と、
   前記内管の外周面に沿って配置される電極と、
   前記内管の外周面と溶着する外管と、
   前記外管を前記内管に溶着させるときに前記電極と係合して前記電極の移動を制限する係合部とを備え、
   前記内管と前記外管との溶着によって一体的な単管状放電容器が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記係合部が、溶着時に前記内管の周方向に沿った前記電極の移動を少なくとも防止す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. 前記係合部が、前記外管と前記内管の溶着部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
4. 前記係合部が、ランプ軸方向に沿った電極側面と係合することを特徴とする請求項３に記載のエキシマランプ。
5. 前記係合部が、前記内管の外周面から突出する凸部を有することを特徴とする請求項３に記載のエキシマランプ。
6. 前記係合部が、前記内管および前記外管と溶着することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のエキシマランプ。
7. 前記内管のランプ軸方向端部に給電線を固定する止め部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のエキシマランプ。
8. 前記電極が、軸方向に沿って対向配置される一対の帯状金属箔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. 前記放電容器内で、誘電体バリア放電もしくは容量結合型高周波放電によってエキシマ分子が形成され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. 外管と内管とを溶着させて一体的な単管状の放電容器を成形するエキシマランプの製造方法であって、
    前記内管の外周面に、電極と係合するように係合部を形成し、
    前記係合部と係合させた状態で電極を前記内管の外周面に設置し、
    前記内管を前記外管内部に挿入した後、前記内管および前記外管を回転させながら前記外管を加熱縮径させることを特徴とするエキシマランプの製造方法。
11. 内管の外周面に沿って配置される電極と、
    前記内管の外周面と溶着する外管と、
    前記外管を前記内管に溶着させるときに前記電極と係合して前記電極の移動を制限する係合部とを備え、
    前記内管と前記外管との溶着によって一体的な放電容器が形成されていることを特徴とするエキシマランプ用放電容器。
12. 外管と内管とを溶着させて一体的な放電容器を成形するエキシマランプの製造方法であって、
    前記内管の外周面に、電極と係合するように係合部を形成し、
    前記係合部と係合させた状態で電極を前記内管の外周面に設置し、
    前記内管を前記外管内部に挿入した後、前記内管および前記外管を回転させながら前記外管を加熱縮径させることを特徴とするエキシマランプ用放電容器の製造方法。

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