JP6201925B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、例えばエキシマランプといった紫外線ランプ等の放電ランプに関するものである。

例えばエキシマランプとしては、特許文献１に示すように、断面矩形状の直管状をなす放電管と、この放電管の外面に設けられた一対の電極とを備え、当該一対の電極間にエキシマ放電を生じさせて、例えば波長１７０ｎｍ付近の真空紫外線を照射するものがある。

そして、前記放電管の内面には、例えばシリカ粒子からなる紫外線反射膜が形成されている。このように紫外線反射膜を形成することによって、放電管の内部で発生した紫外線を該反射膜で散乱反射させて、光射出部から外部に射出させる光量を増やすことができる。

特開２０１０−５５９７１号公報

しかしながら、紫外線反射膜の長手方向端部において、散乱反射による光量が低下するため、光射出部の長手方向端部から射出される光量も低下してしまう。このため、図８に示すように、被照射面における長手方向の光量分布（光量均斉度）が悪くなってしまう問題がある。つまり、上記のエキシマランプでは、長手方向の端部における光量が中央部に比べて小さくなってしまうという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる放電ランプを提供することにある。

すなわち本発明に係る放電ランプは、放電管と、前記放電管の長手方向に沿って前記放電管に設けられた一対の電極と、前記放電管の長手方向に沿って前記放電管に開口部を有して設けられた反射膜と、前記放電管の少なくとも一方の端部において、前記反射膜の長手方向端部よりも外側の領域を挟むように前記一対の電極が配置されることで前記反射膜の長手方向端部よりも外側に形成された端部発光領域と、を備え、前記放電管の長手方向における前記端部発光領域が存在する領域の少なくとも一部におけるワーク方向の光透過領域が、前記放電管の長手方向中央部における前記ワーク方向の光透過領域よりも広い。

このような放電ランプであれば、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

前記一対の電極が、前記放電管の外面において前記光透過領域を含む長手方向に沿って対向して設けられていることが望ましい。
これならば、前記光透過領域内で放電を生じさせることができ、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を更に増加させることができる。

前記一対の電極は、一方が開口部側に設けられた網状電極であり、他方が板状電極であることが望ましい。
こうすることで、前記光透過領域内で放電を生じさせて発生した光を前記板状電極によって前記開口部方向に反射させることができるため、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を更に増加させることができる。

前記反射膜の長手方向端部よりも外側の領域を挟むように配置された前記一対の電極の一部が、光モニタ用の窓として使用することが好ましい。
これならば、放電ランプから照射される光量をコントロールすることができるし、光モニタ用窓を形成するための専用スペースを新たに設ける必要もないので、設計が容易になる。

このように構成した放電ランプによれば、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

本実施形態の放電ランプを示す斜視図。 同実施形態の放電ランプを示す下面図。 同実施形態の放電ランプを示すＡ−Ａ’線断面図。 同実施形態の放電ランプを示すＢ−Ｂ’線拡大断面図。 他の実施形態の放電ランプを示す下面図。 他の実施形態の放電ランプを示すＢ−Ｂ’線拡大断面図。 同実施形態の放電ランプにおける長手方向の光量分布を模式的に示す図。 従来の放電ランプにおける長手方向の光量分布を模式的に示す図。

以下、本発明に係る放電ランプの一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る放電ランプ１００は、図１〜図４に示すように、直管状の放電管２及びこの放電管２の外面において長手方向に沿って対向して設けられた一対の外部電極３１、３２を有する誘電体バリア放電ランプである。なお、以下の説明において、放電管２の長手方向を左右方向とし、前記放電管２の長手方向に直交する２方向を前後方向及び上下方向（以下、併せて、短手方向ともいう。）とする。

放電管２は、合成石英ガラス製のものであり、上下に対向する一対の平坦な上壁部２１及び下壁部２２を有する長尺状をなすものである。本実施形態の放電管２は、特に図３に示すように、上壁部２１及び下壁部２２とともに、上壁部２１及び下壁部２２の前端部に連続する湾曲状の前壁部２３と、上壁部２１及び下壁部２２の後端部に連続する湾曲状の後壁部２４とからなる断面概略トラック状をなすものである。また、放電管２の長手方向の両端部は、左壁部２５及び右壁部２６により閉塞されている。なお、左壁部２５及び右壁部２６は、放電管２を構成する合成石英ガラス管に合成石英ブロックを溶着することにより形成されている。

また、放電管２の内部に形成された放電空間には誘電体バリア放電用ガスが充填されている。なお、誘電体バリア放電用ガスとしては、キセノン（Ｘｅ）、アルゴン（Ａｒ）又はクリプトン（Ｋｒ）等の希ガス、或いは、フッ素（Ｆ_２）又は塩素（Ｃｌ_２）等のハロゲンガス等を用いることができる。放電ランプ２は、ガスの種類に応じて異なる波長（１７２ｎｍ、２２２ｎｍ、３０８ｎｍ等）のエキシマ光を発光する。例えば有機化合物を分解するためには、放電用ガスとしてキセノン（Ｘｅ）を用いて、１７２ｎｍを中心波長とするエキシマ光を発光する誘電体バリア放電ランプとする。

一対の外部電極３１、３２は、放電管２の放電空間と略同等の長さを有する膜状をなすものであり、放電管２の放電空間を上下方向から挟んだ位置、つまり、上壁部２１及び下壁部２２に設けられている。この外部電極３１、３２は、アルミニウム、アルミ合金、ステンレス等の導電性材料から形成されており、例えばメッキ、溶射、蒸着又はスパッタにより放電管２の側周面上に形成した薄膜電極である。上壁部２１に設けられた外部電極３１は、板状をなす電極である（以下、板状電極という。）。また、下壁部２２に設けられた外部電極３２は、網状をなす電極である（以下、網状電極という。）。そして、この下壁部２２に設けられた外部電極３２からエキシマ光が射出される。

本実施形態の放電管２の内面には、放電管２の内部で生じたエキシマ光を反射する反射膜４が形成されている。

この反射膜４は、放電管２の長手方向に平行な内周面（以下、単に、内周面という。）に長手方向に沿って設けられている。具体的には、放電管２の上壁部２１と、前壁部２３と、後壁部２４とに亘って設けられている（図３参照）。なお、反射膜４の一部が下壁部２２に亘って形成されていても良い。また、反射膜４は、長手方向に沿って開口部を有して設けられている。具体的には、内周面において内周面方向に反射膜４の両端部４ａ、４ｂを有し、その間の開口部５がワーク方向の光透過領域となっている。

本実施形態では、開口部５が、放電管２の下壁部２２の全部又は一部に設定されるように、反射膜４の両端部４ａ、４ｂの位置が設定されている。

また、本実施形態の前記一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎより放電管２の長手方向端部２ａ、２ｂ側に放電管を挟むように配置され、外部電極３１の長手方向端部３１ａ（外部電極３２の長手方向端部３２ａ）と反射膜４の長手方向端部４ｍとの間及び外部電極３１の長手方向端部３１ｂ（外部電極３２の長手方向端部３２ｂ）と反射膜４の長手方向端部４ｎとの間に反射膜４が形成されていない端部発光領域を有し、かつ、一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂの内周面に開口部５からなるワーク方向の光透過領域よりも広いワーク方向の光透過領域Ｒｘ（以下、単にワーク方向の光透過領域Ｒｘという。）を有している（図４参照）。
このような放電ランプであれば、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

尚、ワーク方向の光透過領域とは、放電管を長手方向と平行な面ＨＳ（図３参照）で二分割した時の放電管のワーク側外周部（以下、単に、放電管のワーク側外周部という。）の領域内に形成される光透過領域をいう。

すなわち、反射膜４が形成されていない端部発光領域で放電を生じさせて発生した光を開口部５からなるワーク方向の光透過領域よりも広いワーク方向の光透過領域Ｒｘから射出できるので放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

また、一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂの一部が反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎより放電管２の長手方向端部２ａ、２ｂ側に放電管を挟むように配置されていてもよい。

なお、反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎが一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂと放電管２の長手方向において同一位置にある場合は、同様に、図８に示すように、被照射面における長手方向の光量分布（光量均斉度）が悪くなってしまう問題がある。

反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎが一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂより放電管２の長手方向端部２ａ、２ｂ側に配置されている場合は、一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂより放電管２の長手方向端部２ａ、２ｂ側に配置された反射膜４により、一対の外部電極３１、３２の長手方向端部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂで発生し、散乱反射された光を、従来の光射出部の長手方向端部に戻すことができるため、該放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。しかしながら、放電管２の長手方向端部２ａ、２ｂ側に一対の電極が存在しない分、放電管２の長手方向の寸法が同一である放電ランプ同士で比較すると、どうしても、放電ランプの長手方向端部から照射される光量の増加は少ないものとなってしまう。

また、本実施形態のような放電ランプとすると、反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎが放電空間となるため、該端部４ｍ、４ｎでの反射膜４の剥離が懸念されるが、仮に、このような剥離が起こる場合は、該端部４ｍ、４ｎでの反射膜４の接着力を高める、反射膜４の長手方向端部４ｍ、４ｎにおける内周面の寸法を放電管２の長手方向中央部２ｃの内周面の寸法より短くする、又は、膜厚を薄くすることにより、剥離を抑制することができる。

尚、図８に示すような放電管の長手方向両端部を、石英ブロックで溶着してなる放電ランプにおいては、石英ブロック溶着時の熱により、放電管の長手方向両端部に形成された反射膜が剥がれてしまう問題がある。
また、石英ブロックを溶着してなる放電ランプにおいては、放電ランプの使用に伴って当該溶着部分に紫外線が当たることにより、当該溶着部分の劣化又はクラックが発生しやすいため、放電管の長手方向両端部に遮光膜（光吸収膜）が形成されている（図８）。
しかしながら、放電管の長手方向両端部に設けられた遮光膜は反射機能を殆ど有さないので、光射出部の長手方向端部から射出される光量が一層低下してしまい、被照射面における長手方向の光量分布（光量均斉度）が悪くなってしまう問題がある（図８）。
本発明は、このように、放電管の長手方向両端部を石英ブロックで溶着してなる放電ランプであっても、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

すなわち、本実施形態の放電ランプ１００は、放電管２の短手方向に平行な内端面（左壁部２５及び右壁部２６の放電管２の内面）及び前記放電管２の長手方向端部であって前記内周面に設けられた紫外線を吸収して遮光する遮光膜（光吸収膜）６が形成されている。この遮光膜６は、放電管２における石英ブロック（左壁部２５及び右壁部２６）の溶着部分を紫外線から保護するものである。具体的には、遮光膜６は、長手方向両端部２ａ、２ｂにおける前記内周面を構成する上壁部２１の内面、下壁部２２の内面、前壁部２３の内面及び後壁部２４の内面だけでなく、左壁部２５の内面及び右壁部２６の内面にも形成されている。

この遮光膜６によって、石英ブロックの溶着部分に紫外線が当たることにより生じる劣化やクラックを生じ難くすることができる。なお、遮光膜６では無く反射膜を設けて遮光しても同様の効果を得られるが、反射膜を用いる場合、確実に反射させるためには膜厚を厚くする必要があり、成膜が困難となる。また、均一に塗工することが難しく、反射率の斑が発生する。一方、光吸収膜であれば、光が透過しない程度の膜厚で良く、成膜工程を簡易にすることができる。また、光吸収膜を用いた場合には、反射の影響が少なく、光量分布（光量均斉度）の斑を軽減できる。

そして、本実施形態の放電ランプ１００においては、特に図２及び図４に示すように、反射膜４及び遮光膜６の間の内周面に反射膜４及び遮光膜６が設けられていない開口部５からなるワーク方向の光透過領域よりも広いワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成されている。すなわち、反射膜４は、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂの間の長手方向中央部２ｃに設けられている。

このような放電ランプであれば、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂを石英ブロックで溶着してなる放電ランプであっても、遮光膜６の影響（光吸収）を受けにくくなるため、放電ランプの長手方向端部から照射される光量を増加させることができる。

なお、本願で言うワーク方向の光透過領域Ｒｘは、反射膜４及び遮光膜６が設けられていない場合の他に、反射膜４及び遮光膜６が形成されているが、それぞれの膜の機能が低い場合（反射膜４であればほとんど反射せずに透過してしまう、遮光膜６であればほとんど光を吸収せずに透過してしまう等）も含まれるものとする。

また、本実施形態では、反射膜４及び遮光膜６の間の内周面に反射膜４及び遮光膜６が設けられない場合を示したが、ワーク方向の光透過領域以外の領域に反射膜４及び遮光膜６を設けてもよいし、ワーク方向の光透過領域の一部の領域に反射膜４及び遮光膜６を設けてもよい。

反射膜４及び遮光膜６の間のワーク方向の光透過領域Ｒｘが放電管のワーク側外周部の全領域に形成されていることが好ましい。このような放電ランプであれば、遮光膜６の影響（光吸収）を受けにくく、更に、放電管のワーク側外周部の全領域から光を射出させることができ、光量を最大限に増加させることができる。

以上のワーク方向の光透過領域Ｒｘに関し、具体的には、反射膜４の長手方向一端部（左端部）４ｍと放電管２の左側壁２５の内面２５１（放電管２の短手方向に平行な内端面）及び放電管２の長手方向一端部２ａであって内周面に設けられた遮光膜６とが長手方向において離間しており、反射膜４の長手方向一端部４ｍと遮光膜６の長手方向端部６ｍとの間にワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成されている。また、反射膜４の長手方向他端部（右端部）４ｎと放電管２の右側壁２６の内面２６１（放電管２の短手方向に平行な内端面）及び放電管２の長手方向他端部２ｂであって内周面に設けられた遮光膜６とが長手方向において離間しており、反射膜４の長手方向他端部４ｎと遮光膜６の長手方向端部６ｎとの間にワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成されている。

なお、本実施形態においては、放電管２の長手方向一端部２ａに形成されたワーク方向の光透過領域Ｒｘと、長手方向他端部２ｂに形成されたワーク方向の光透過領域Ｒｘとは、長手方向に沿った寸法が同一としてある。

このように構成された反射膜４は、シリカ粒子を含むものである。また、反射膜４の形成方法は、シリカ粉末を所定の溶媒と混合、攪拌してスラリーを作製する。このスラリーを放電管２を構成する合成石英ガラス管の所定部分（放電管２の長手方向中央部２ｃの前記内周面）に塗布して乾燥する。なお、前記スラリーをガラス管の所定部位に塗布する場合には、反射膜４を形成しない部分には、マスキングテープ等のマスクによりマスキングしておく。そして、スラリーを乾燥させた後に、マスクを剥がして、ガラス管を例えば１０００℃で所定時間焼成することで、反射膜４が形成される。なお、この反射膜４が形成されたガラス管の両端開口部に石英ブロックを溶着することにより、放電管２が作製される。また、ワーク方向の光透過領域Ｒｘに該当する部分も他の部分と同様に反射膜を形成したのちに、ワーク方向の光透過領域Ｒｘに該当する部分の反射膜を溶融させることで反射機能を失わせてワーク方向の光透過領域Ｒｘを形成しても良い。

遮光膜６は、酸化イットリウム微粒子を含むものである。また、遮光膜６の形成方法は、酸化イットリウム微粒子を所定の溶媒と混合、攪拌してスラリーを作製する。このスラリーを、放電管２を構成するガラス管において、ワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成される所定部分より更に両端部の内周面及び溶着する石英ブロックにおいて溶着した際に放電管２の短手方向に平行な内端面となる表面に塗布して乾燥する。なお、スラリーをガラス管や石英ブロックの所定部分に塗布する場合には、スラリーをガラス管や石英ブロックの表面に所定量投入し、ガラス管及び石英ブロックを溶接後、ガラス管内を減圧して所定範囲まで吸上げた後、たとえば５００℃で所定時間焼成することで、遮光膜６が形成される。

また、本実施形態の放電ランプ１００において、一対の外部電極３１、３２が、放電管２の外面においてワーク方向の光透過領域Ｒｘを含む長手方向に沿って対向して設けられている。
つまり、一対の外部電極３１、３２がワーク方向の光透過領域Ｒｘの一部又は全部を覆って対向して設けられている（図２及び図４参照：図中では全部）。これにより、反射膜４を設けていない部分（端部発光領域）においても放電させることができる。また、これにより、ワーク方向の光透過領域Ｒｘから照射される紫外線の光量を増加させることができる。

一対の外部電極３１、３２は、一方が光射出部側に設けられた網状電極３２であり、他方が板状電極３１であることが望ましい。
こうすることで、端部発光領域で放電を生じさせて発生した光を板状電極３１によって光射出部方向に反射させることができるため、ワーク方向の光透過領域Ｒｘから照射される光量を更に増加させることができる。

この放電ランプ１００の長手方向における光量分布を図７に示す。この図７に示すように、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂの内周面にワーク方向の光透過領域Ｒｘを形成することにより、放電ランプ１００の長手方向における光量が均一となる領域が広くなり、放電ランプ１００から照射される光量を長手方向において均一化できることが分かる。
また、ワーク方向の光透過領域Ｒｘを放電管を長手方向と平行な面ＨＳ（図３参照）で二分割した時の放電管のワーク側外周部の領域内全域とすることでこの効果を更に高めることができる。

反射膜４の長手方向端部４ｎよりも放電管２の長手方向端部２ｂ側の外部電極３１の一部の領域には紫外線を光量モニタ（不図示）に射出するための例えばメッシュ状のモニタ用窓２Ｗが形成されている（図１及び図４参照）ことが好ましい。
これならば、放電ランプから照射される光量をコントロールすることができるし、光モニタ用窓を形成するための専用スペースを新たに設ける必要もないので、設計が容易になる。

また、モニタ用窓は、反射膜４の長手方向端部４ｎよりも放電管２の長手方向端部２ｂ側の外部電極３２の一部の領域に紫外線を光量モニタに射出するための例えばメッシュ状のモニタ用窓２Ｗが形成してもよい。

このように構成した本実施形態に係る放電ランプ１００によれば、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂにワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成されているので、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂから照射される光量を増加させることができる。したがって、放電ランプ１００から照射される光量を長手方向において均一化することができる。また、反射膜４の長手方向端部４ｎよりも放電管２の長手方向端部２ｂ側の外部電極３１の一部の領域には紫外線を光量モニタ（不図示）に射出するための例えばメッシュ状のモニタ用窓２Ｗが形成されているので放電ランプ１００から照射される光量をコントロールすることができる。

一対の外部電極３１、３２は、放電管の外面においてワーク方向の光透過領域Ｒｘを含む長手方向に沿って対向して設けられており、遮光膜が形成された領域には設けられていないことが好ましい。

具体的には、図５、図６に示すように、遮光膜６の長手方向端部６ｍ、６ｎは、電極の長手方向に沿って対向して設けられた対向領域内には含まれていないことが好ましい。
このようにすることにより、遮光膜６近傍での光の発生を少なくすることができるため、遮光膜６の劣化、ひいては、溶着部分の劣化又はクラックの発生を抑制することができる。

なお、この場合、放電ランプの長手方向端部から照射される光量が低下する可能性はあるが、そもそも、電極の対向領域内に遮光膜６がある場合、対向領域内で発生した光は、遮光膜６で吸収されてしまうため、上記のような構成としたとしても、光量の低下は最小限に抑えられると考えられる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂにワーク方向の光透過領域Ｒｘを形成しているが、放電管２の長手方向両端部２ａ、２ｂの何れか一方にワーク方向の光透過領域Ｒｘを形成したものであっても良い。

また、放電管２の長手方向一端部２ａのワーク方向の光透過領域Ｒｘと、放電管２の長手方向他端部２ｂのワーク方向の光透過領域Ｒｘとは、長手方向に沿った寸法が異なるように構成しても良い。

その上、前記実施形態では、一対の外部電極３１、３２が、放電管２の長手方向端部のワーク方向の光透過領域Ｒｘの全部を覆うように設けられているが、一部のみを覆うように設けてもよい。

加えて、前記実施形態の反射膜４は、シリカ粒子からなるものであったが、シリカ微粒子に加えてアルミナ粒子を含むものであっても良い。

放電ランプは誘電体バリア放電ランプの他、波長１８５ｎｍ、２５４ｎｍ等の低圧水銀ランプ等の紫外線ランプであっても良い。また、ランプ形状は、断面トラック状をなす扁平管の他、断面円形状をなす丸管又は断面矩形状をなす角管であっても良いし、二重管構造のものであっても良い。

特に、本実施形態の図２に示すような、長手方向両端部に反射膜が設けられないワーク方向の光透過領域Ｒｘが形成されている場合は、断面矩形状をなす角管の角部において劣化やクラックが発生し易いため、断面円形状をなす丸管や断面トラック状をなす扁平管を用いることが好ましい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・放電ランプ
２・・・放電管
２ａ・・・長手方向一端部
２ｂ・・・長手方向他端部
２ｃ・・・長手方向中央部
３１、３２・・・一対の電極
４・・・反射膜
５・・・開口部
６・・・遮光膜
Ｒｘ・・・光透過領域

Claims (4)

1. 放電管と、
   前記放電管の長手方向に沿って前記放電管に設けられた一対の電極と、
   前記放電管の長手方向に沿って前記放電管に開口部を有して設けられた反射膜と、
   前記放電管の少なくとも一方の端部において、前記反射膜の長手方向端部よりも外側の領域を挟むように前記一対の電極が配置されることで前記反射膜の長手方向端部よりも外側に形成された端部発光領域と、を備え、
   前記放電管の長手方向における前記端部発光領域が存在する領域の少なくとも一部におけるワーク方向の光透過領域が、前記放電管の長手方向中央部における前記ワーク方向の光透過領域よりも広く、
   前記反射膜が形成されていない端部発光領域で放電を生じさせて発光した光を、前記開口部からなる前記ワーク方向の光透過領域よりも広い前記ワーク方向の光透過領域から射出する、
   前記放電管の長手方向両端部を石英ブロックで溶着してなる放電ランプ。
2. 前記一対の電極が、前記放電管の外面において前記光透過領域を含む長手方向に沿って対向して設けられている請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記一対の電極は、一方が開口部側に設けられた網状電極であり、他方が板状電極である請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記反射膜の長手方向端部よりも外側の領域を挟むように配置された前記一対の電極の一部が、光モニタ用の窓として使用する請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。