JP5846826B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体バリア放電によって発光するエキシマランプに関し、特に、エキシマランプの電極構造に関する。

エキシマランプでは、石英ガラスから成る発光管の内側に内側電極を配置し、発光管の外周面外側電極を設置する。そして、内側電極と外側電極との間に形成された放電空間にＸｅなどの希ガスを封入する。高周波パルス電圧を供給することによって誘電体バリア放電が放電空間に生じ、エキシマ光が管壁を通じてランプ外部へ放射される（例えば、特許文献１参照）。

また、光出力の空間的均一性および時間的な安定性を得るため、外側電極は発光管の外側に密着している。例えば、ランプ軸方向に伸縮性のある円筒状電極網を放電管に装着し、電極と発光管との空隙をなくして放電を安定化させる（特許文献２参照）。

特開２００４−２６５７１７号公報 特開平０７−０１４５５４号公報

エキシマランプの設置環境によっては、大きな電力の確保が困難な場合もある。そこでは小電力の電源装置しか使用できないため、十分な光強度で発光することができない。

したがって、供給電力を抑えつつ、発光効率の高いエキシマランプが必要とされる。

本発明のエキシマランプは、発光管と、発光管の外側に配置される外側電極と、発光管の内側に配置される内側電極とを備える。外側電極は、発光管を囲み込む、すなわち発光管を覆うように構成されている。

エキシマランプとしては、単管式、二重管式等、いずれの発光管配置構造も適用可能である。例えば単管式の場合、内側電極は、発光管の内側に同軸配置することができる。外側電極は、発光管の外表面に設置することが可能であり、紫外光が管壁を通じてランプ外へ放射されるように構成すればよい。例えば、外側電極は、軸方向に沿って延在する網状の電極構造によって発光管全体を覆うことができる。

本発明では、内側電極と外側電極との間の径方向静電容量が、周方向に沿って不均一であり、相対的に静電容量の大きい電極間部分において、誘電体バリア放電が生じる。ここで、「径方向静電容量」とは、ランプ軸中心から径方向に沿った電極間での静電容量であって、その電極間部分において、電圧印加によって静電結合が生じ、放電空間に電流が流れるまでの蓄積可能な電荷量を表す。

外側電極は周方向に沿って静電容量が相違し、相対的に静電容量の大きい電極部分では、通常電界が相対的に強くなるため、誘電体バリア放電が生じる。そのため、相対的に静電容量が小さい他の電極部分で蓄積された電荷は、その誘電体バリア放電の生じている電極間部分へ移動する。

その結果、放電空間内の特定の空間領域に誘電体バリア放電が生じる。紫外線放射はその放電発生箇所を中心に発光し、電圧印加によって電極間全体に渡って蓄積される電荷は誘電体バリア放電にそのまま有効利用されるため、光強度のあるエキシマ光を得ることができる。

このようなエキシマランプは、供給電力が小さい場合にも、その放射方向を定めることによって十分な強度で発光することが可能である。例えば、所定の周波数をもつ交流電圧を内側電極と外側電極との間に印加させることが点灯方法として可能であり、極性が切り替わる度に誘電体バリア放電が部分的に生じる。

誘電体バリア放電を安定的に一定箇所で生じさせることを考慮すると、例えば、内側電極と外側電極との間の静電容量が、誘電体バリア放電の生じる電極部分から離れるにつれて小さくなるように、電極配置を構成することが可能である。そのときの静電容量の変化としては、連続的あるいは段階的どちらでもよい。連続的あるいは段階的に静電容量が単調減少させると、電界の集中は、放電空間内の同じ空間領域で生じやすい。

静電容量の相違、あるいは径方向に生じる電界の強さの相違を外側電極周方向に沿って生じさせる構成としては、電極間に存在する誘電体の誘電率一定で電極間の距離の違いを持たせることにより、周方向に沿って電界を変化させる構成が可能である。

例えば、円筒状発光管を介して、内側電極と外側電極との間の径方向距離が不均一となる電極配置を構成することが可能である。径方向距離間隔の相対的に短い電極間部において、電界の集中する箇所に誘電体バリア放電が集中して生じる。

電極間の距離が不均一な構成としては、一方の電極に対して他方の電極位置を周方向に沿って変化させる構成が可能である。例えば、内側電極からの径方向距離間隔が相対的に短い部分と長い部分が生じるように、外側電極の断面形状を構成すればよい。これによって、非放電領域となる絶縁空間領域を、発光管と外側電極との間で部分的に形成することができる。

電界の集中による放電の安定化を図るため、例えば、誘電体バリア放電の生じる電極部分から離れるにつれて径方向距離間隔が長くなるように、外側電極を配置することが可能である。

外側電極を発光管外部に装着させる構成では、外側電極と発光管との接触部を、静電容量が最も大きい電極部分として構成することが可能である。この場合、発光管と外側電極の非接触部との間に絶縁空間領域を形成することで、非放電領域を構成することができる。

特に、外側電極が、接触部において発光管に支持されている構成を採用すれば、外側電極の支持部を別途設ける必要がない。一方、外側電極が、発光管と接触しない構成を採用する場合、外側電極の支持部を別途設ければよい。この場合、発光管に接触せずに近接する近接部と、近接部よりも相対的に静電容量の小さい非近接部とを電極部分として構成することが可能である。近接部となる部分に誘電体バリア放電が生じ、非近接部となる部分に非放電領域が形成される。

外側電極の形状としては、軸に対し対称的な断面形状を有する外側電極を構成することが可能である。これにより、エキシマ光を互いに逆向きの方向へ放射することが可能となり、光の放射方向に広がりを持たせることができる。ここでの「対称形状」には、回転対称、線対称、点対称いずれも含まれる。

例えば、外側電極は、円状、楕円などの扁平形状、三角形状、矩形状を含む多角形状の断面を有するように構成することが可能である。このとき、外側電極を、放電管の断面形状に合わせて、発光管外周面と全体的に接触、あるいは部分的に接触、近接させればよい。

本発明のエキシマランプの製造方法は、発光管の外側表面に、軸方向および径方向に伸縮可能な円筒状網状電極を装着し、網状電極の断面形状が、発光管との非接触部分を作る扁平形状もしくは多角形状となるように、網状電極を形成することを特徴とする。

本発明によれば、エキシマランプにおいて、発光効率を高めることができる。

第１の実施形態である側面から見たエキシマランプの概略的断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩに沿った軸方向から見たエキシマランプの概略的断面図である。 点灯時の放電状態を示したエキシマランプの概略的断面図である。 点灯時の電荷蓄積状態を示した図である。 第２の実施形態におけるエキシマランプの概略的断面図である。 第３の実施形態におけるエキシマランプの概略的断面図である。

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の実施形態である側面から見たエキシマランプの概略的断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩに沿った軸方向から見た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、石英ガラスから成る発光管２０と、外側電極３０と、内側電極４０とを備えた単管式エキシマランプである。発光管２０内の密閉された放電空間５０には、希ガス、あるいは希ガスとハロゲンガスの混合ガスが封入されている。

円柱状の内側電極４０は、円筒状の発光管２０内で同軸的に設置されている。よって、内側電極４０と発光管２０との間の径方向距離は、発光管２０の内周面２０Ｉおよび外周面２０Ｈいずれにおいても、周方向に沿って均一である。

外側電極３０は、金属製の網状電極であり、金属線のループを周方向に繰り返した筒状のメリヤス編組構造になっている。図２に示すように、外側電極３０の断面は楕円形状であり、発光管２０の接触部Ｓ１、Ｓ２でのみ発光管２０と接触し、支持されている。それ以外の電極部分は、発光管２０と接触していない。

外側電極３０は、軸方向、径方向、そして周方向にそれぞれ伸縮性をもつ円筒状の網構造電極を変形することによって形成される。具体的には、網状電極を発光管２０に装着させた後、外側電極３０を軸方向に伸ばす。これにより、発光管２０は、外側電極３０によって軸方向全体に渡って覆われる。そして、外側電極３０の相対する２つの部分を径方向に引っ張ることによって、楕円状の外側電極３０が形成される。

外側電極３０が網状であるため、外側電極３０と発光管２０との間には、密閉されていない絶縁空間６０Ａ、６０Ｂが相対する位置に存在する。軸方向から見ると、絶縁空間６０Ａ、６０Ｂの断面領域、すなわち外側電極３０の断面形状は、接触部Ｓ１、Ｓ２を通る直線Ｌに関して対称的である。

したがって、外側電極３０を周方向に沿って辿ると、発光管２０と外側電極３０との間の径方向距離は、接触部Ｓ１、Ｓ２から離れるほど大きくなっていく。直線Ｌと垂直な長軸線上にのる電極部分Ｋ１、Ｋ２が、発光管２０と最大径方向距離をもつ位置となる。

外側電極３０と内側電極４０は、給電装置７０に接続されている。給電装置７０は、商用電源などの交流電源を所定の電圧値に変換し、エキシマランプ１０に交流電圧を供給する。ここでは、所定の周波数をもつ１０Ｗ以下の交流電力が供給される。電圧印加によって誘電体バリア放電が放電空間５０に生じ、エキシマ分子が生成される。そして、紫外光であるエキシマ光が、発光管２０の壁中および外側電極３０の網目を通り、ランプ外部へ放射される。点灯時、ランプ周辺温度を３５℃程度に維持するのがよい。

図３は、点灯時の放電状態を示したエキシマランプの概略的断面図である。図４は、点灯時の電荷蓄積状態を示した図である。図３、４を用いて、エキシマランプの放電について説明する。

外側電極３０と内側電極４０との間に電圧が印加されると、発光管２０内の放電空間において誘電体バリア放電が生じる。このとき、内側電極４０と外側電極３０との間の径方向距離がもっとも短い外側電極３０の接触部Ｓ１、Ｓ２およびその付近において、誘電体バリア放電が生じる。図４は、外側電極３０が陰極フェーズのときの電荷蓄積状態を図示している。

一方、外側電極３０の接触部Ｓ１、Ｓ２およびその付近以外の部分では、誘電体バリア放電が生じない。この非接触電極部分に蓄積された正電荷が、外側電極３０の接触部Ｓ１、Ｓ２に移動する。これにより、電界が集中する接触部Ｓ１、Ｓ２付近で生じる誘電体バリア放電に電荷が利用される。その結果、紫外光（エキシマ光）が接触部Ｓ１、Ｓ２を中心とする径方向から集中的に放射される。

図４では、電圧印加された内側電極と外側電極との間の蓄積電荷状態を、アナロジー的にコンデンサで表現している。供給電圧は交流電圧であり、周波数に応じて極性が交互に切り替わる。

外側電極３０の接触部Ｓ１、Ｓ２は、他の非接触部分とは異なり、間に絶縁空間を設けていないため、径方向静電容量が相対的に大きい。ただし、径方向静電容量は、軸Ｃから径方向に沿った電極間における静電容量を示す。図４では、接触部Ｓ１、Ｓ２における静電容量をＡ、ある非接触部分となる電極部分の静電容量をＢで表している。

接触部Ｓ１、Ｓ２において相対的に静電容量が大きいことから、電界も接触部Ｓ１、Ｓ２において相対的に強くなる。その結果、電圧印加によって接触部Ｓ１、Ｓ２およびその付近のみ絶縁破壊が生じて誘電バリア放電が生じる。すると、絶縁破壊が生じていない、すなわち放電が生じていない非接触部分に蓄積された電荷が、接触部Ｓ１、Ｓ２に移動していく。

したがって、電圧印加によって外側電極３０全体に蓄積される電荷は、放電時に接触部Ｓ１、Ｓ２に集中し、非接触部分における電極間には誘電体バリア放電が生じない。極性が切り替わっても、誘電体バリア放電の生じる箇所は、接触部Ｓ１、Ｓ２に集中する。

このように、発光管２０と外側電極３０との間に空気の絶縁空間６０Ａ、６０Ｂが対称的に形成されることによって、絶縁空間６０Ａ、６０Ｂが非放電領域として作用し、紫外光は軸Ｃから接触部Ｓ１、Ｓ２に向く方向だけでなく、絶縁空間６０Ａ、６０Ｂにも放射される。意図的に発光管２０と接触しない電極部分を設け、接触部Ｓ１、Ｓ２およびその付近以外で余分な放電を発生させないことにより、供給電力は小さいながら、十分な光強度をもつ紫外光を特定の方向へ放射することができる。

このように本実施形態のエキシマランプ１０では、発光管２０の内部に内側電極４０を配置させ、発光管２０の外部に網状構造の外側電極３０が配置されている。外側電極３０は接触部Ｓ１、Ｓ２において発光管２０と接触し、発光管２０と外側電極３０との間に絶縁空間（非放電領域）６０Ａ、６０Ｂが形成されるように、その断面形状が楕円状に形成されている。

次に、図５を用いて、第２の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第２の実施形態では、外側電極が角柱状に形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図５は、第２の実施形態におけ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１００は、発光管１２０、外側電極１３０、そして内側電極１４０とを備える。円柱状の内側電極１４０は、円筒状の発光管１２０内に同軸配置されている。そして、内側電極１４０と発光管１２０との間には放電空間１５０が形成されている。

外側電極１３０は、断面矩形の網状電極であり、発光管１２０と接触部Ｓ１〜Ｓ４において接触し、支持されている。その結果、外側電極１３０と発光管１２０との間には、絶縁空間１６０が形成される。外側電極１３０の接触部Ｓ１〜Ｓ４は、他の非接触部分と比べて内側電極までの距離間隔が相対的に短い。

したがって、点灯時、外側電極１３０の接触部Ｓ１〜Ｓ４およびその近傍と内側電極１４０との間で、集中的に誘電体バリア放電が生じる。絶縁空間１６０を間に挟む外側電極１３０の非接触部分に蓄積された電荷は、接触部Ｓ１〜Ｓ４に移動して放電に利用される。

次に、図６を用いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、発光管の断面が外側電極に合わせて楕円状に形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図６は、第３の実施形態におけ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２００は、発光管２２０、外側電極２３０、そして内側電極２４０とを備える。発光管２２０の内面２２０Ｉは、内側電極２４０に合わせて円断面形状を有する。一方、発光管２２０の外面２２０Ｈは、外側電極２３０に合わせて楕円断面形状を有する。したがって、外側電極２３０は発光管２２０全体と密着し、その間に絶縁空間は形成されていない。

外側電極２３０において内側電極２４０との距離間隔が最も短い電極部分Ｔ１、Ｔ２は、他の電極部分と比べて静電容量が大きい。したがって、内側電極２４０と外側電極２３０の電極部分Ｔ１、Ｔ２との間で誘電体バリア放電が集中的に生じる。放電空間２５０から外側電極２３０までの空間領域はすべて発光管２２０で満たされており、誘電体バリア放電は安定する。

外側電極の断面形状は、円、矩形、楕円以外の形状も可能であり、扁平形状、多角形状にすることが可能である。ただし、内側電極と外側電極との間の距離、あるいは静電容量を周方向に沿って変化させるように断面形状が定められる。また、メリヤス編組構造に代表される伸縮可能な網状構造以外の電極構造であってもよい。さらに、変形以外の方法によって外側電極形状を形成してもよい。

さらに、外側電極を発光管と直接接触させて固定する構成に限定されず、別途支持部材によって外側電極を配置してもよい。例えば、発光管と所定距離離れて外側電極を配置させることも可能である。

内側電極は、放電空間に露出する構造以外の電極構造であってもよい。例えば、単管式エキシマランプの場合、内側電極の全部あるいは一部が石英ガラスなどの誘電体に覆われた構造にすることも可能である。また、外管と内管との間に放電空間を形成する二重管式エキシマランプのように、内管の内側面に沿って内側電極を配設してもよい。一方、発光管の形状についても、内面と外面、および断面形状をそれぞれ任意の形状にすることが可能である。

１０ エキシマランプ
２０ 発光管
３０ 外側電極
４０ 内側電極
５０ 放電空間
６０Ａ、６０Ｂ 絶縁空間

Claims (13)

1. 発光管と、
   前記発光管の外側に軸方向に沿って配置され、前記発光管を囲む外側電極と、
   前記発光管の内側に配置される内側電極とを備え、
   前記内側電極と前記外側電極との間の径方向静電容量が、周方向に沿って不均一であり、
   相対的に静電容量の大きい電極間部分において、誘電体バリア放電が生じ、
   前記内側電極と前記外側電極との間の径方向距離が、周方向に沿って不均一であり、
   相対的に距離の短い電極間部分において、誘電体バリア放電が生じ、
   前記外側電極が、前記発光管に接触する接触部と、前記発光管に接触しない非接触部とを有し、
   前記発光管と前記外側電極の非接触部との間に非放電領域が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記内側電極と前記外側電極との間の径方向静電容量が、誘電体バリア放電の生じる電極部分から離れるにつれて小さく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. 前記内側電極と前記外側電極との間に生じる電界が、周方向に沿って不均一であり、
   相対的に電界の強い電極間部分において、誘電体バリア放電が生じ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. 前記内側電極と前記発光管の内周面との径方向距離が、周方向に沿って均一であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
5. 前記内側電極と前記外側電極との間の距離が、誘電体バリア放電の生じる電極部分から離れるにつれて長くなることを特徴とする請求項４に記載のエキシマランプ。
6. 前記内側電極と前記発光管の外周面との径方向距離が、周方向に沿って均一であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
7. 前記外側電極が、前記接触部において前記発光管に支持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。
8. 発光管と、
   前記発光管の外側に軸方向に沿って配置され、前記発光管を囲む外側電極と、
   前記発光管の内側に配置される内側電極とを備え、
   前記内側電極と前記外側電極との間の径方向静電容量が、周方向に沿って不均一であり、
   相対的に静電容量の大きい電極間部分において、誘電体バリア放電が生じ、
   前記内側電極と前記外側電極との間の径方向距離が、周方向に沿って不均一であり、
   相対的に距離の短い電極間部分において、誘電体バリア放電が生じ、
   前記外側電極が、前記発光管に接触せずに近接する近接部と、前記近接部よりも相対的に静電容量の小さい非近接部とを有し、
   前記発光管と前記外側電極の非近接部との間に非放電領域が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
9. 前記外側電極が、軸に対して対称的な断面形状を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エキシマランプ。
10. 前記外側電極が、円状、扁平形状、もしくは多角形状の断面を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のエキシマランプ。
11. 前記外側電極が、前記発光管を囲う網状電極であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のエキシマランプ。
12. 請求項１に記載されたエキシマランプを点灯させる点灯方法であって、
    所定の周波数をもつ交流電圧を、前記内側電極と前記外側電極との間に印加させる
    ことを特徴とするエキシマランプの点灯方法。
13. 発光管の外側表面に、軸方向および径方向に伸縮可能な円筒状網状電極を装着し、
    前記網状電極の断面形状が、前記発光管との非接触部を有する扁平形状もしくは多角形状となるように、前記網状電極を形成することを特徴とするエキシマランプの製造方法。

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