JP5593158B2 - 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、電極を放電空間内に露出しない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空間にエキシマが生じ、放電発光する（例えば、特許文献１参照）。

一方、外部電極型蛍光ランプのように単管式構造を採用するランプとして、沿面放電による絶縁破壊を防止しながら高電圧を印加可能な単管式エキシマランプが知られている（特許文献２参照）。そこでは、一対の箔電極が放電容器の管壁内部に埋設される構成であって、管軸方向に延びる一対の箔電極は、管内部の放電空間を挟んで対向している。

特許第３１７０９５２号公報 国際公開第２００９／０７８２４９号パンフレット

単管式放電ランプでは、電極位置がランプ最外周部となる放電容器表面付近にある。放電容器自体の形状、構成は、ランプ使用条件等によって制限があるため、管壁内部の限られたスペースに電極を配置することになり、電極の数、配置場所を自由に設計して発光強度、発光強度分布などを自在に調整することができない。すなわち、使用状況に合わせて電極間での放電態様を自在にデザインすることが難しい。

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によって発光する放電ランプであり、放電ガスが含まれる放電空間に配設される少なくとも１つの断面円状絶縁体（あるいは誘電体とも定義される）と、前記絶縁体の絶縁材料充填部において、軸対称に対向して埋設される箔状電極対とを備える。絶縁体としては、軸方向に延び、断面形状を軸対称に（例えば円形状、環状）に構成できる。絶縁材料として、例えば石英ガラスが用いられる。放電空間には、希ガス、ハロゲンガス、あるいは希ガスとハロゲンガスの混合ガスなどを放電ガスとして封入することが可能である。

本発明では、放電空間内に電極が露出しないランプ構造において、絶縁体外表面側で誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電が生じる。電極対を埋設させた絶縁体が放電空間内に配置された状態で絶縁体外部側に放電を生じさせる構成であり、ランプ最外周部側に電極を配置しないため、電極と絶縁層との隙間を通じた絶縁破壊が生じない。

また、電極埋設絶縁体を配置する構成により、電極の配置設定が自在となり、各電極の極性について、絶縁体の数、他の絶縁体との相対的位置関係に合わせて様々な設定が可能となり、電極間放電の発生を自在に調整できる。

また、埋設された電極対が絶縁体の軸に関して対称的な位置に対向配置されることによって、絶縁体外周面に沿って偏りのない広範囲な放電を可能にし、最終的にランプから放射される光についても、一様な光強度で発光させることができる。

絶縁体の構成としては、軸方向に延びて断面形状が軸に関し対称的な構造であればよく、例えば、中空部分のない内部が充填している柱状絶縁体、あるいは中空状の管状絶縁体が構成される。放電ランプとしては、内部空間を放電空間として形成し、絶縁体が収容される外管をあらかじめ設けるように構成してもよく、あるいは、真空チャンバーなど別途設置されている状況において、絶縁体をチャンバー内に挿入して放電ランプを組み立てるように構成してもよい。

絶縁体を柱状絶縁体として構成する場合、絶縁体内部による放電を防止して絶縁体外側での放電を確実にするため、電極対を同電位に定めることが望ましい。例えば、複数の絶縁体を放電空間に配置し、絶縁体間で異電位の電極同士が放電するように構成することができる。

ランプ中心部から全方向へ光を放射させることを考えれば、電位の異なる絶縁体同士が周方向に沿って隣り合うように、前記複数の絶縁体を配置するのが望ましい。例えば、外管などの絶縁体収納容器の断面軸に関し、対称的な配置（菱形状など）にするのがよい。

一方、外管など絶縁収納容器外表面などの放電空間外に設けられた異電位の外部電極と絶縁体内の電極との間で放電するように構成することも可能である。この場合、複数の絶縁体を一列に配置させることによって、外部電極全体を使った放電が確実に生じ、効果的に発光させることができる。外部電極としては、例えば網状電極として容器全体を覆うようにしてもよい。

絶縁体を管状に構成する場合、管内の空間を挟んで電極対が軸対称に対向配置される。絶縁体外周方向に沿って放電させるため、前記電極対を互いに異電位に設定するのが望ましい。放電が外周表面で全体的に発生することにより、光をランプ中心から放射状に発光させることが可能になる。また、絶縁体を管状にすることで、絶縁体の中空空間に窒素ガスなどの冷却媒体を送ってランプ加熱を防ぐことができる。

絶縁体外表面に沿った放電発生を数多く分散させることを考慮し、電極対各々を、外周方向に沿って対向する同電位の一対の電極として構成するのが望ましい。周方向に沿って対向する（近距離にある）電極同士が同電位であるため、他の電極対との組み合わせによる外周面放電が生じる。例えば、絶縁体断面に関して線対称な位置に複数の電極対を配置することが可能である。

本発明の放電ランプの製造方法は、絶縁材料充填部において軸対称に対向して埋設された箔状電極対を有する少なくとも１つの絶縁体を中空状容器に挿入し、その容器に放電ガスを封入することを特徴とする。

本発明によれば、電極埋設構造の放電ランプにおいて、仕様に合わせて様々な電極配置および放電態様を可能にすることができる。

第１の実施形態であるエキシマランプの概略的断面図である。 放電ランプの電極の極性を示した図である。 第２の実施形態である放電ランプの模式的断面図である。 第３の実施形態である放電ランプの模式的断面図である。 第２の実施形態である放電ランプの製造方法を示した工程図である。 第４の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。 第５の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。 第６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の製造工程を示した図である。

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断面図である。

エキシマランプ１０は、石英ガラスなどの絶縁体から成る筒状外管２０内部に４つの柱状絶縁体４０Ａ〜４０Ｄを配設した無電極型ランプであり、外管２０内部には、アルゴンガス、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１気圧未満（例えば、５０ｋＰａ以下）で封入されている。

絶縁体４０Ａ〜４０Ｄは、内部に充填する石英によって絶縁体を構成し、各絶縁体には、各絶縁体の軸方向に沿って延びている帯状の電極対５０Ａ〜５０Ｄが、放電空間Ｓに露出せずに埋設されている。２つの電極５０Ａ１、５０Ａ２から成る電極対５０Ａは、絶縁体４０Ａの軸Ｋに関して対称的な位置に配置されており、互いに対向する。他の絶縁体４０Ｂ〜４０Ｄに設けられる電極対５０Ｂ〜５０Ｄも、同様に軸対称となって対向配置されている。

ガラスなどの絶縁体４０Ａ〜４０Ｄは、外管２０の軸Ｃに関して対称的な配置に配置されており、断面において互いに垂直なＸ、Ｙ軸に沿って２つの絶縁体４０Ａ、４０Ｂおよび絶縁体４０Ｃ、４０Ｄがそれぞれ対面する位置に設置されている。絶縁体４０Ａ〜４０Ｄは、外管２０の端部において溶着して保持されている。

絶縁体４０Ａ〜４０Ｄの埋設された電極対は、Ｘ、Ｙ軸に沿って幅方向の向きが揃っている。電極対５０Ａ、５０ＢはＸ方向、電極対５０Ｃ、５０ＤはＹ方向に平行であって、絶縁体４０Ａ〜４０Ｄは、この電極の幅方向向きに従って回転位置（角度）が調整されている。

電極対５０Ａの端部には、外部に延びる給電線（ここでは、図示せず）が接続されている。給電線は、外部に設置された電源部（図示せず）に接続されており、給電線を介して放電ランプ１０に電力が供給される。

図２は、放電ランプの電極の極性を示した図である。

電極対５０Ａ〜５０Ｄは、いずれも対向する電極が同電位となるように電極極性が定められている。ここでは、電極対５０Ａ、５０Ｂが、陽極（＋）、電極対５０Ｃ、５０Ｄが陰極（−）に定められる。ランプ点灯時、４つの電極対５０Ａ〜５０Ｄに対し、数ｋＶ（例えば、６ｋＶ〜１０ｋＶ程度）の高電圧が同時に印加される。

電圧印加により、絶縁体４０Ａの電極５０Ａ１と、隣接する絶縁体４０Ｄの電極５０Ｄ２との間で放電が生じる。同様に、電極５０Ａ２と電極５０Ｃ２、電極５０Ｃ１と電極５０Ｂ２、電極５０Ｂ１と電極５０Ｄ１との間で放電が生じる。このような周方向に隣り合う絶縁体間で放電が生じることによって、放電空間Ｓにおいて誘電体バリア放電が連続的に発生する。

特に、４つの絶縁体４０Ａ〜４０Ｄが十字状に対称的位置に配置され、電極対５０Ａ〜５０Ｄの幅方向がＸ、Ｙ軸に沿うように絶縁体４０Ａ〜４０Ｄの回転位置が定められていため、エキシマ光が外管２０全体から外部へ放射される。

このように本実施形態によれば、柱状絶縁体４０Ａ〜４０Ｄが放電空間を形成する外管２０内部に設置されており、電極対５０Ａ〜５０Ｄが軸対称な位置で絶縁体４０Ａ〜４０Ｄにそれぞれ埋設されている。そして、陽極（＋）の極性をもつ電極対５０Ａ、５０Ｂ、陰極（−）の極性をもつ電極対５０Ｃ、５０Ｄが、それぞれ幅方向の向きを揃えた状態でＸ軸、Ｙ軸に沿って向かい合っている。

４つの絶縁体４０を外管２０の軸Ｃに関して対称的な位置に配置することにより、外管２０から全方向に向けて光が放射可能となる。また、外管２０に光を遮断する電極を設けない構成であるため、発光効率が高く、ランプ点灯中に外管を冷却する必要がない。

同電位の電極対を絶縁体内部に軸対称配置することにより、絶縁体外部での誘電体バリア放電が確実となり、放電方向も電極対の対称性から偏りのない分布になる傾向にある。なお、絶縁体の数、絶縁体の設置位置、および回転位置（角度）は本実施形態に限定されるものではなく、これらを変えることによって、放電させる電極対の組み合わせを自在に調整することが可能である。

本実施形態では外管を含めた放電ランプを構成しているが、別途用意されている外管に絶縁体を挿入する放電ランプを構成することも可能であり、例えば、電極対が埋設された絶縁体のみの放電ランプアッセンブリーを、別途用意された真空チャンバー内に挿入して放電ランプを組み立てて点灯させることも可能である。

図３は、第２の実施形態である放電ランプの模式的断面図である。第２の実施形態では、３つの絶縁体が一列に並んで配置され、外管周りに電極が配置される。

放電ランプ１００は、筒状外管１２０の内部に３つの柱状絶縁体１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃを配列させた構造であり、絶縁体１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ内部には、それぞれ電極対１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃが埋設されている。電極対１５０Ａ〜１５０Ｃの幅方向がＹ軸方向と平行になるように、絶縁体１４０Ａ〜１４０Ｃの回転位置が定められている。

外管１２０の外表面には、網状電極１３０が配設されている。絶縁体１４０Ａ〜１４０Ｃ内の電極対１５０Ａ〜１５０Ｃはいずれも陽極（＋）であって、網状電極１３０の電位が陰極（−）となっている。電極間に電圧が印加されると、外管２０内の放電ガスによって電極対１５０Ａ〜１５０Ｃと網状電極１３０との間で誘電バリア放電が生じる。

第２の実施形態では、同電位の電極対が埋設された柱状絶縁体を３つ並べて配置し、外管外表面に異電位の電極を設けている。これにより、第1の実施形態と比較して、筒状外管の内部に柱状絶縁体を保持する構造の製造が容易となり、ランプ破損を防止することができる。また、より大きな強度で光を放射することができ、外管全体から放射状に光を照射させることができる。

図４は、第３の実施形態である放電ランプの模式的断面図である。第３の実施形態では、外管断面が矩形状に形成されている。

放電ランプ１００’は、外管１２０’内に３つの柱状絶縁体１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃを配列させている。絶縁体１４０’Ａ、１４０’Ｂ、１４０’Ｃ内部には、電極対１５０’Ａ、１５０’Ｂ、１５０’Ｃが同じ向きに並んで埋設されている。外管１２０’の両外側面には、薄板状の電極対１３０が配設されている。

第３の実施形態においても、陽極（＋）の電極対１５０’Ａ〜１５０’Ｃと陰極（−）の電極１３０Ｃとの間に電圧が印加され、外管１２０’内の放電空間内で誘電体バリア放電が生じる。そしてエキシマ光は、外管１２０’下方から抽出される。第３の実施形態では、同電位の電極対が埋設された柱状絶縁体を３つ並べて配置し、外管の平坦面上に異電位の電極を設けている。これにより、第２の実施形態と比較して、電極間距離が均一となり、より大きな強度で光を放射することができ、外管全体から均一に光を照射させることができる。なお、第３の実施形態においては、柱状絶縁体の軸方向が照射方向（下方）に対して垂直となるように配設しているが、柱状絶縁体の軸方向が照射方向と同一方向となるように配設しても良い。

図５は、第２の実施形態である放電ランプの製造方法を示した工程図である。図５を用いて、絶縁材料の充填した柱状絶縁体を備えた放電ランプの製造方法について説明する。

まず、工程（１）に示すように、箔状電極対と給電線とを抵抗溶接などによって電気的に接続し、対向する電極対の間にガラス板を挟み込む。両側に帯状電極対５００を配置したガラス板５２０をガラス管６００内に挿入し、内部を真空状態にする（工程（２））。

その後、ガラス管６００を加熱して縮径させ、電極対５００およびガラス板５２０とガラス管６００とを溶着させる（工程（３））。これにより、図２に示した絶縁体１５０Ａに相当する柱状電極埋設ガラス６５０が形成される。絶縁体６５０端部には、大径となって周りに突起する部分、いわゆるそろばん珠部分７００が設けられており、これによって電極対５００が封止される。

外管となるガラス管８００内に３つの電極埋設ガラス６５０、６６０、６７０を挿入し、各ガラスのそろばん珠形状部分とガラス管８００とを溶着させる。その後、ガラス管８００内を排気し、放電ガスを封入する（工程（４））。最後に、ガラス管８００の外表面に網状電極９００を配設する（工程（５））。このような工程によって、放電ランプが生成される。

次に、図６を用いて、第４の実施形態である放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、第１から第３の実施形態とは異なり、管状（中空状）絶縁体の管壁内に電極対が埋設されている。

図６は、第４の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。

放電ランプ２００は、石英ガラスから成る筒状外管２２０内に管状絶縁体２４０が外管２２０に対して同軸的に配設されている。絶縁体２４０の管壁内部には一対の電極２５０Ｘ、２５０Ｙが密閉状態で露出することなく埋設され、管軸Ｃに関して対称的な位置に対向配置されている。外管２２０内には放電ガスが封入されている。

一対の電極２５０Ｘ、２５０Ｙは互いに異電位の極性に定められており、電極２５０Ｘが陽極（＋）、電極２５０Ｙが陰極（−）となっている。電圧印加によって、電極２５０Ｘ、２５０Ｙとの間で誘電体バリア放電が生じ、絶縁体２４０の外周面に沿って放電が生じる。

このように第４の実施形態によれば、絶縁体２４０の中空内部で放電するのではなく、管状絶縁体２４０の外側に形成された放電空間において誘電体バリア放電が生じる。これによって、絶縁体２４０の管内空間に窒素などを供給して絶縁体２４０を冷却させることができるので、発光効率を向上させ、高入力電力のランプにおいても過熱を防ぐことができる。また、絶縁体外周面に沿って放電が生じるため、光が外管全体から放射状に照射される。

図７は、第５の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。第５の実施形態では、各電極において複数の電極を備えた電極対を配置する。

放電ランプ３００では、第４の実施形態と同様、外管３２０内に管状絶縁体３４０が同軸配置されている。絶縁体３４０の管壁内部には、電極対３５０Ｘ、３５０Ｙが軸Ｃを挟んで対向する位置で埋設されている。さらに電極対３５０Ｘは、周方向に沿って互いに対向する２つの電極３５０Ｘ１、３５０Ｘ２から構成されている。電極３５０Ｘ１、３５０Ｘ２は、Ｙ軸に関して線対称な位置に配置される。電極対３５０Ｙも、相対する２つの電極３５０Ｙ１、３５０Ｙ２から構成される。電極対３５０Ｘ、３５０Ｙの極性は互いに異電位となるように定められており、電極３５０Ｘ１、３５０Ｘ２が陽極（＋）、電極３５０Ｙ１、３５０Ｙ２が陰極（−）に定められている。

電極３５０Ｘ１、３５０Ｘ２および電極３５０Ｙ１、３５０Ｙ２との間は、絶縁体材料が充填された状態で、かつ同電位であることから、絶縁体２４０の中空部分を挟んで対向位置にある電極３５０Ｘ１、電極３５０Ｙ１との間で外周面に沿った放電が生じる。電極３５０Ｘ２、電極３５０Ｙ２との間でも、同様の外周面放電が生じる。

第５の実施形態によれば、より多くの電極間で放電させることができ、外管全体から光をランプから放射させることができる。

図８は、第６の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。第６の実施形態では、２組の電極対を配置する。

放電ランプ４００では、外管４２０内に管状絶縁体４４０が配置されている。絶縁体４４０には、二組の電極対４５０Ｘ、４５０Ｙおよび電極対４５０Ｗ、４５０Ｚがそれぞれ対向する位置で埋設されている。電極対４５０Ｘ、４５０ＹはＹ軸、電極対４５０Ｗ、４５０ＺはＸ軸に沿ってそれぞれ対向する。

電極４５０Ｘ、４５０Ｙ、４５０Ｗ、４５０Ｚ各々は、それぞれ周方向に沿って対向する同電位の２つの電極から構成されており、Ｘ軸、もしくはＹ軸に関して線対称な位置に配置されている。そして、電極４５０Ｘ、４５０Ｗの極性は陽極（＋）、電極４５０Ｙ、４５０Ｚの極性は陰極（−）の極性に定められている。このように８つの電極を絶縁体２４０内で埋設配置することにより、絶縁体２４０の外表面全体からエキシマ光が放射される。

図９は、第４の実施形態である放電ランプの製造工程を示した図である。図９を用いて、管状絶縁体を備えた放電ランプの製造方法について説明する。

箔状電極対１８２０と給電線とを抵抗溶接などによって電気的に接続し、筒状ガラス管１８００に電極対１８２０を配設する（工程（１））。さらに、内径が相対的にガラス管１８００よりも大きく、一端がコップ状に封止された外側ガラス管１９００内に、電極対１８２０を配置させた電極付きガラス管１８５０を挿入する。そして、外管１９００内部を真空引きして、外側ガラス管のもう一方の端部を封止する（工程（２））。

外側ガラス管１９００を外部から加熱することによって外側ガラス管１９００を電極付きガラス管１８５０に溶着させ、電極対１８２０を封止させる（工程（３））。これにより、管壁に電極対が対向位置で埋設されたガラス管１９００が生成される。このガラス管１９００は、第４の実施形態における管状絶縁体２４０に相当する。

その後、ガラス管１９００の管内を大気開放させ、給電線端子を外部に出す（工程（４））。そして、外管１９７０内部にガラス管１９００を挿入し、外管１９００の挿入口部分とガラス管１９００とを溶着させ、封止する。このとき、ガラス管１９７０内に放電を防止する絶縁性ガスを封入し、外管１９７０内に放電ガスを封入する（工程（５））。このような工程よって、放電ランプが生成される。

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。

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。絶縁体、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い。さらに、絶縁体の配置数、配置場所、回転位置、さらには電極対の埋設位置、極性等も、仕様等に応じて任意に設定可能である。第１〜第６の実施形態である放電ランプの絶縁体の電極対の構成を、適宜置換、組み合わせて放電ランプを構成することも可能である。

１０ エキシマランプ（放電ランプ）
２０ 外管
４０Ａ〜４０Ｄ 絶縁体
５０Ａ〜５０Ｄ 電極対

Claims (11)

1. 放電ガスが含まれる放電空間に配設される少なくとも１つの絶縁体と、
   前記絶縁体の絶縁材料充填部において、軸対称に対向して埋設される箔状電極対とを備え、
   前記絶縁体が管状であって、前記絶縁体の外周面側で誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電することを特徴とする放電ランプ。
2. 放電ガスが含まれる放電空間に配設される少なくとも１つの絶縁体と、
   前記絶縁体の絶縁材料充填部において、軸対称に対向して埋設される箔状電極対とを備え、
   前記絶縁体外表面側で誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電し、
   前記絶縁体が柱状であって、
   前記電極対が、同電位であることを特徴とする放電ランプ。
3. 複数の絶縁体が放電空間に配置され、
   各絶縁体の電極各々が、他の絶縁体に埋設された異電位の電極との間で放電することを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
4. 埋設された電極対の電位が互いに異なる絶縁体が周方向に沿って隣り合うように、前記複数の絶縁体が配置されることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 絶縁体の電極各々が、放電空間外に設けられた異電位の外部電極との間で放電することを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
6. 前記複数の絶縁体が、一列に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
7. 前記電極対が互いに異電位であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
8. 前記電極対各々が、絶縁体外周方向に沿って対向する同電位の一対の電極から構成されることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
9. 放電空間を形成し、前記絶縁体が収容される外管をさらに有す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放電ランプ。
10. 絶縁材料充填部において軸対称に対向して埋設された箔状電極対を有する少なくとも１つの柱状絶縁体を、前記絶縁体外表面側で誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電するように、中空状容器に挿入し、
    前記容器に放電ガスを封入することを特徴とする放電ランプの製造方法。
11. 絶縁材料充填部において軸対称に対向して埋設された箔状電極対を有する少なくとも１つの管状絶縁体を、前記絶縁体の外周面側で誘電体バリア放電、あるいは容量結合型高周波放電するように、中空状容器に挿入し、
    前記容器に放電ガスを封入することを特徴とする放電ランプの製造方法。

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