JP5504095B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電によって放電発光するエキシマランプ、外部電極型蛍光ランプなどの無電極型放電ランプに関し、特に、ランプの電極構成に関する。

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ｋＶの高周波電圧を印加することにより放電発光する（例えば、特許文献１参照）。

また、外部電極型蛍光ランプのように単管式構造を採用する放電ランプでは、誘電体によって被覆された帯状電極を放電管内部の軸方向に沿って配置し、放電管の外表面に配設した外部電極との間で放電発光する（特許文献２参照）。

特開平６−２７５２４２号公報 特開平１１−２８３５７９号公報

従来の放電ランプでは、放電管内部の電極が円柱状あるいは薄板状であり、その断面形状は円形あるいは矩形状になっている。このような断面形状では、誘電体内の電極と放電管外にある電極との間で放電させるためには、非常に大きな電力が必要となり、ランプの点灯始動が遅い。

ランプへ大電力が供給されると、電極を覆う誘電体と電極との間の熱膨張差によって電極が誘電体から剥離しやすくなり、電極材料の放電空間に対する露出によって電極酸化が生じる恐れがある。

本発明の放電ランプは、誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電などによって発光する放電ランプであり、放電ガスが封入される放電管と、前記放電容器内に配設される少なくとも１つの帯状電極と、前記電極を被覆する少なくとも１つの誘電体とを備える。箔電極などの帯状電極は、誘電体に埋設されて放電空間に露出しない。放電空間に封入するガスは任意であり、希ガス単体、または、塩素などのハロゲン単体、あるいはハロゲンと希ガスの混合ガスを封入すればよい。

本発明では、電極の長手方向に沿った両縁の少なくとも一方の厚さが、電極中央部よりも薄い。これによって、その薄い電極縁部分において電界集中が生じ、電界強度が強くなる。その結果、比較的低い入力電圧によっても電極間で放電が生じる。

幾つかの電極をまとめて１つの誘電体で被覆してもよく、また、それぞれ異なる誘電体によって被覆してもよい。帯状電極の両縁の厚さを電極中央部の厚さよりも薄くし、電極両端で点灯始動性を改善させるのが望ましい。

電極形状としては、縁に向けて先鋭化する様々な形状が適用可能であるが、縁部に向けて滑らかに尖っている形状としてナイフエッジ形状にするのが望ましい。これによって、縁部分断面が軸方向に線状となって放電開始電圧レベルをより低く抑えることができ、また、ナイフエッジ形状によって被覆される誘電体との境界部分に隙間が生じにくくなり、剥離などが生じにくくなる。

電極配置については、放電管外部に一方の電極を配設してもよく、あるいは放電管内部だけで電極を構成することも可能である。例えば、極性の同じ複数の帯状電極を放電管内に配置し、放電管外部に電極が配置される。この場合、放電管全体から均一に光を放射させることを考慮し、複数の帯状電極を、その幅方向を互いに平行にした状態で配置するのがよい。あるいは、複数の帯状電極を、放電管軸に関して対称的な位置に配置してもよい。

一方、極性の異なる複数の帯状電極を放電管内に配置してもよい。この場合、放電管全体からできるだけ均一に放射させることを考慮し、複数の帯状電極を、放電管軸に関して対称的な位置に配置するのがよい。また、複数の帯状電極の幅方向を同一方向にする、すなわち互いに平行にすることによっても全体的な放射が実現される。

例えば放電管外部に電極を配置するランプ構成の場合、電極縁部との電界強度を高めるためには、帯状電極を前記放電管内で同軸的に配置し、電極の幅方向を放電管内部の径方向と一致させるのがよい。これによって、電極縁部の延長方向が電界強度最大となり、点灯始動電圧を抑えることができる。

電極の材質は、導電性の高い金属あるいは合金によって成形すればよい。電極の厚さは、電流容量や膨張係数を考慮して定めるのが望ましく、例えば、２０μｍ〜５０μｍのいずれかの範囲に定められる。また、電極の幅は、電流容量を考慮して定めるのが望ましく、例えば、１．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に定めるのが望ましい。

放電管の肉厚は、エキシマ光による放電管劣化を防ぐ厚さを有し、その一方、放電開始電圧や点灯維持電圧を上げる厚さ以下に定めるのがよい。例えば、放電管の肉厚は、０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲に定められる。放電管の内径は、放電距離が短くなって照度不足が起きず、一方で放電距離が長くなって放電不安定とならないようにするのが望ましく、例えば、８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に定められる。

誘電体は、例えば断面円形の柱状誘電体で構成すればよい。使用温度での電極熱膨張率と近似している絶縁材料によって構成するのが望ましい。また、誘電体の厚さは、絶縁性を維持する一方で放電開始電圧が高くなるのを防ぐことを考慮し、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であるのが望ましい。

電極と極性の異なる他の電極との放電距離は、放電ガスの種類や印加電圧などによって定められる。放電区間が狭くなって照度不足になるのを防ぐ一方、放電距離が長くなって放電不安定になるのを防ぐため、放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に定めるのがよい。

帯状電極の幅をｗ、前記放電管の内径をｄとしたとき、その比が「１．６≦ｄ／ｗ≦１３．４」を満たすようにするのが望ましい。ｄ／ｗの値が１．６より小さいと、放電容器に占める箔の面積が大きくなり、放電距離が短くなり、帯状電極により放電光が遮られ照度不足となる。ｄ／ｗの値が１３．４より大きいと、帯状電極の幅が小さいことで過電流による過熱や、放電距離が長くなることで放電不安定となるおそれがある。

本発明によれば、点灯始動性を向上させ、照度を長時間維持することが可能な放電ランプを提供することができる。

第１の実施形態である放電ランプの概略的平面図である。 図１のII−IIに沿った断面図である。 図２の電極縁部付近を拡大した断面図である。 放電ランプの製造工程を示した図である。 第２の実施形態における放電ランプの概略的断面図である。 第３の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。 第４の実施形態である放電ランプについて説明する。

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の実施形態である放電ランプの概略的平面図である。図２は、図１のII−IIに沿った断面図である。

エキシマランプである放電ランプ１０は、石英ガラスなどの誘電材料から成る断面円形状の放電管２０を備え、放電管２０内には、キセノンガスなどの希ガス、あるいはこれらの混合ガスが放電ガスとして封入されている。放電ガスの封入圧は、例えば５ｋＰａ〜１５０ｋＰａに定められる。

放電管２０内部には、管軸Ｃに沿って帯状に延びる１枚の箔電極３０が配置されている。箔電極３０は、断面が略円形状である柱状誘電体５０によって被覆されており、放電空間に露出せずに誘電体５０内に埋設されている。

箔電極３０は、誘電体５０の中心位置にその幅方向中心位置を合わせた状態で同軸的に配置されている。また、誘電体５０は、放電管２０に対して同軸的に配置されている。したがって、箔電極３０は、放電管２０に対し同軸的な位置に配置されており、管軸Ｃに関して対称的な位置に配置されている。

後述するように、箔電極３０の管軸方向に沿った両縁になる縁部３０Ｋ１、３０Ｋ２は、ナイフエッジ形状に構成されている。したがって、箔電極３０を厚さは、幅方向の中心から縁に向けて薄くなり、電極断面形状は、先細く尖っている。図２では、箔電極３０の幅方向をＹ方向、それに直交する方向（厚さ方向）をＸ方向として定めている。

放電管２０の外面に配設された外部電極４０は、複数の電極部を網状に配設した構成であり、管軸Ｃに沿って螺旋状に所定間隔で並んで配置されている。箔電極３０の端部に接続される給電線７０は、外部に設置された電源部（図示せず）と接続しており、給電線７０を介して放電ランプ１０に電力が供給される。

箔電極３０、外部電極４０の極性は、それぞれ陽極、陰極に定められている。放電ランプ１０に数ｋＶの電圧が供給されると、箔電極３０と外部電極４０との間で誘電体バリア放電が生じ、所定スペクトル（例えば、１７２ｎｍ）のエキシマ光が放射される。

放電管２０の軸方向長さは、１００ｍｍ〜２５０ｍｍに定められている。一方、放電管２０の肉厚は、エキシマ光による放電管劣化の防止、および放電開始電圧の上昇を抑えるため、０．８ｍｍ〜１．５ｍｍに定められている。また、放電管２０の内径は、長い放電距離による放電不安定、短い放電距離による照度不足の両方を防ぐように、８ｍｍ〜２０ｍｍに定められている。

箔電極３０の厚さは、電流容量や製造容易さ、および熱膨張による剥離防止などを考慮し、２０μｍ〜５０μｍに定められる。また、箔の幅は、電流容量や製造容易さ、さらには、電極面積肥大化による放電光の遮断防止を考慮し、１．２ｍｍ〜１０ｍｍに定められる。電極材料は、モリブデン、あるいはそれを含む合金などが使用される。

誘電体５０は、電極の熱膨張率とできるだけ近似する誘電材料（ＳｉＯ２など）によって構成される。誘電体５０の厚さは、絶縁性を維持させる限界、放電開始電圧の上昇防止を考慮し、０．１ｍｍ〜２ｍｍに定められる。

放電距離、すなわち誘電体５０と放電管２０の内径との距離間隔は、照度不足の防止、および放電の安定性を考慮して、３ｍｍ〜１０ｍｍに定められる。また、箔電極３０の幅をｗ、放電管内径をｄとすると、以下の条件式を満たすように電極幅、放電管内径が定められる。

１．６≦ｄ／ｗ≦１３．４ ・・・・（１）

図３は、図２の電極縁部付近を拡大した断面図である。ただし、電極、誘電体、放電管のサイズ、相対的位置関係は図１と一部相違している。

上述したように、箔電極３０の縁部３０Ｋ１、３０Ｋ２は、ナイフエッジ形状になっている。箔電極３０は幅方向の中心から縁に向けて先鋭化し、その厚さは幅方向の中心部の厚さＴに比べて薄くなり、縁３０Ｔ１は尖っている。図示しない縁部３０Ｋ２も同様の形状である。

このような電極形状により、縁３０Ｔ１において電界集中が生じる。すなわち、電界強度が縁３０Ｔ１付近の領域（破線Ｅ参照）において最大となり、その領域は縁３０Ｔ１の尖った形状によって狭い。これは、縁部が尖ってない従来の断面矩形状では、その縁の平面部分全体に渡って電界集中が生じる、すなわち電位傾度が大きくなるが、本実施形態では縁３０Ｔ１が実質的に軸方向に沿って線であり、縁だけに電界集中が生じるためである。

また、箔電極３０は誘電体５０および放電管２０に対して同軸的に配置され、その幅方向は径方向に沿っている。したがって、箔電極３０の縁部３０Ｋ１、３０Ｋ２と放電管２０の内面までの距離（放電距離）は等しい。そのため、放電管２０から全体的にバランス良く光が放射される。

図４は、放電ランプの製造工程を示した図である。

箔電極７０に給電線８０を抵抗溶接などによって接続し、誘電体被膜材となるガラス管６０に挿入する。電極７０を挿入後に管内を真空にし、その後、誘電体被膜材６０を外側から加熱し、箔電極７０と溶着させる（工程（１））。なお、誘電体をコーティングする工程を代わりに行っても良い。

電極縁部に相当するガラス管の位置に、鍔状のいわゆるそろばん珠形状封止部８５を形成する（工程（２））。そして、一端に排気管、他方の端に挿入口を設けた石英ガラスなどの放電管９０を形成し（工程(３)）、電極７０を放電管９０内に挿入し、放電管７０の挿入口をそろばん珠形状封止部８５と溶着させる（工程（４））。

全体を加熱しながら、放電管９０の排気管を通じた真空引きを行い、不純物を除去する。そして、放電ガスを封入した後に排気管を封止し、放電管９０の外面に外部電極９５を配設する（工程（５））。

このように本実施形態によれば、放電管２０内部に誘電体５０で被覆された箔電極３０が管軸Ｃに沿って配置されている。また、極性の異なる外部電極４０が放電管２０の外面に配設されている。そして、箔電極３０の縁部３０Ｋ１、３０Ｋ２はナイフエッジ状に形成されている。

電極縁部が尖っているため、電解強度が局所的に電極縁部で高くなり、点灯開始時の放電が低電圧で生じる。電極縁部が放電開始のトリガーの役割を果たし、ランプ長時間点灯でも照度が維持される。

また、電極縁部が滑らかに先鋭化しているため、電極と誘電体との間に隙間が生じにくく、点灯時の熱膨張差によっても電極が放電空間に露出せず、酸化を免れる。

次に、図５を用いて第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、互いに極性の異なる２つの箔電極が放電管内部に配置されている。

図５は、第２の実施形態における放電ランプの概略的断面図である。

放電ランプ１００は、放電管１２０内部に２つの箔電極１３０Ａ、１３０Ｂを備え、それぞれ柱状誘電体１５０Ａ、１５０Ｂによって被覆されている。箔電極１３０Ａ、１３０Ｂは互いに極性が異なり、ここでは箔電極１３０Ａが陽極、箔電極１３０Ｂが陰極に定められている。

また、箔電極１３０Ａ、１３０Ｂは、管軸Ｃに関して対称的な位置に配置され、幅方向はともにＹ軸に平行である。箔電極１３０Ａ、１３０Ｂの両縁部は、第１の実施形態同様、ナイフエッジ形状になっている。このような電極配置により、放電管２０に対して対称的な放電発光が生じ、放電管２０全体から光が放射される。

図６は、第３の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。第３の実施形態では、箔電極が放電管内に複数配列している。

放電ランプ２００は、放電管２１０内に９つの箔電極埋設誘電体２２０Ａ〜２２０ＣがＸ、Ｙ軸に沿って２次元配列されている。各箔電極は、その幅方向をＹ軸方向に向けている。放電管２１０の外面には、極性の異なる外部電極２５０が配設されている。このような電極の対称配置により、放電管全体から光が均一に放射される。

図７は、第４の実施形態である放電ランプについて説明する。放電ランプ３００は、放電管３１０内に３つの箔電極埋設誘電体３２０を備え、列になって配置されている。断面が矩形状の放電管３００の両側には、極性の異なる外部電極３５０が配置されている。このような電極配置構成により、放電管下方から光が照射される。

誘電体は断面円形以外の形状でも可能であり、例えば、箔電極を同軸的な配置関係とするように被覆すればよい。電極縁部はナイフエッジ形状に限定されず、幅方向の中央部よりも厚さの薄い形状となるように電界集中を生じさせる形状であればよい。また、一方の電極縁部だけ先鋭化させてもよい。更に、電極の形状は、幅が不均一であるノコギリ状としたり、誘電体の中心位置と箔電極の中心位置を合わせないことにより配置したりすることで、電界集中を生じさせる位置を設定しても良い。また、放電管の軸方向に対して電極箔の幅方向を捻ることでスパイラル状の箔電極とすることで、電極箔と誘電体とを剥離させる厚さ方向の応力を分散しても良い。

放電方式としては、放電空間の軸に沿って均一な放電が安定して発生させることができる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外部電極型蛍光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。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。

第１の実施形態に相当する実施例の放電ランプについて説明する。放電管の軸方向長さは３００ｍｍ、肉厚は１ｍｍ、内径が１２．８ｍｍ、断面円形状の誘電体の厚さは、箔電極の幅と平行な方向においては１ｍｍ、箔電極の厚さと平行な方向においては１．５ｍｍ、放電距離が約５ｍｍに定められている。箔電極の厚さは、２０μｍ、幅は１．５ｍｍに定められている。放電管の内径をｄ、箔電極の幅をｗとすると、その比ｄ／ｗは、８．５である。

Ｘｅガスを放電ガスとして封入し、印加電圧６．５ｋＶ、ガス圧力４７ｋＰａで点灯実験を行った。１７２ｎｍのスペクトル光を放射するランプ点灯動作を２５００時間続けたところ、照度については９０％の維持率を得ることができた。

１０ 放電ランプ
２０ 放電管
３０ 箔電極（帯状電極）
４０ 外部電極
５０ 誘電体

Claims (11)

1. 放電ガスが封入される放電管と、
   前記放電容器内に配設される少なくとも１つの帯状電極と、
   前記電極を被覆する少なくとも１つの誘電体とを備え、
   前記電極の長手方向に沿った両縁の少なくとも一方の厚さが、電極中央部よりも薄いことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記帯状電極の縁が、ナイフエッジ形状であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記帯状電極が、前記放電管内で同軸的に配置されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ。
4. 前記帯状電極の両縁の厚さが、電極中央部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 極性の異なる複数の帯状電極が、前記放電管内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
6. 極性の同じ複数の帯状電極が、前記放電管内に配置され、
   前記放電管外に、前記帯状電極と異なる極性の外部電極が配置されることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
7. 前記複数の帯状電極が、放電管軸に関して対称的な位置に配置されることを特徴とする請求項５乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 複数の帯状電極が、その幅方向を互いに平行にした状態で配置されることを特徴とする請求項５乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
9. 前記帯状電極の厚さが２０μｍ〜５０μｍ、前記帯状電極の幅が１．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に定められることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
10. 前記放電管の肉厚が０．８ｍｍ〜１．５ｍｍ、前記放電管の内径が８ｍｍ〜２０ｍｍ、前記誘電体の厚さが０．１ｍｍ〜２ｍｍ、放電距離が３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に定められることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
11. 前記帯状電極の幅をｗ、前記放電管の内径をｄとしたとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項９乃至１０のいずれかに記載の放電ランプ。
    １．６≦ｄ／ｗ≦１３．４

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