JP6423642B2 - 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、紫外線照射容器に沿って近接した状態で点灯させる放電ランプに関する。

このようなエキシマランプの放電容器を囲むように外管を設け、外管と放電容器との間に形成された絶縁空間に、消弧性ガスを封入することで、ランプに高電圧を印加しても電極間の沿面放電や、リード線間の異常放電を防止する。（特許文献１参照）。

また、外形が概略円筒状である外側管と内側管とを同軸に配置することによって形成した中空円筒状の放電空間を有する放電容器と概略同軸に設けられた光透過性の保護管からなる誘電体バリア放電ランプ装置がある。（特許文献２参照）。

特開２００９−２２４０８９号公報 特開平０７−１６９４４３号公報

このように周囲を内側容器（外管や保護管やジャケット管に相当）に囲まれた従来の放電ランプでは、発光管が内側容器に沿って近接した状態で点灯させるので、発光管の外側管や外側電極の外周面が内側容器の内表面と面接触するおそれがある。特に、発光管の外径が小さく、軸方向に長いランプを、内側容器との距離が短い（例えば、内側容器の内径も小さい）状態で点灯した場合に、発光管の形状誤差や変形や、被照射体の流れや装置の動きによる振動により、発光管や外側電極の外周面が内側容器の内周面と面接触するおそれがある。

このように、発光管や外側電極の外周面が内側容器の内表面と面接触をすると、発光管からの放熱が十分に行われず、放電ランプが過熱状態となって、所望なランプ性能が得られないという問題があった。更に、内側容器の外部（流路管内部）に配設された被照射体が、放電ランプによる熱で変質してしまうおそれがあった。

また、放電ランプが最適な点灯状態となる温度に対して、被照射体が低温状態・高温状態である場合や、その流量が多い場合には、発光管の外周面が内側容器の内表面と面接触をすると、エキシマランプが過冷状態・過熱状態となって、所望なランプ性能が得られないという問題があった。そのため、被照射体が十分に紫外線照射処理を行えないおそれがあった。

本発明による放電ランプは、紫外線が照射される被照射体を内部に配設した紫外線照射容器に沿った状態で点灯する放電ランプであって、放電ガスを封入した発光管と、発光管の外表面上に配設した外側電極を備え、外側電極の外周面よりも径方向外側に突出した径方向突出部を紫外線照射容器と対向する位置に設けた。

このように、発光管の外表面上に配設した外側電極の外周面よりも径方向外側に突出した径方向突出部を、紫外線照射容器と対向する位置に設けたことで、発光管や外側電極の外周面と紫外線照射容器とが接触することにより、所望なランプ性能が得られないことや、被照射体が変質したり十分な紫外線照射処理が行えないことを防止することができる。

更に本発明による放電ランプは、紫外線照射容器に対して係止されるように、径方向突出部を放電ランプの軸方向における有効発光範囲外となる位置に設けた。

ここで、有効発光範囲は、内側電極と外側電極とが対向する軸方向位置関係と、これら電極間に介在する誘電体の誘電率（内側管や外側管の径方向厚さ）により定められる。一般に、電極間の誘電率が軸方向に均一の場合には、内側電極と外側電極とが対向する軸方向範囲である。このような有効発光範囲外となる位置に径方向突出部を設けることにより、放電ランプから放射される紫外線が径方向突出部に遮られることを最低限にすることができる。

更に本発明による放電ランプは、紫外線照射容器に対して係止されるように、発光管の端部に対して軸方向に突出した軸方向突出部を端部に設けた。

例えば、発光管が外側管と内側管とから形成される場合には、外側管の先端部に設けた排気管や、外側管の後端部から突出するように形成した内側管により、軸方向突出部を形成することができる。いずれの場合にも軸方向突出部は、石英ガラス製の円柱体であって、外側管の他の部分より厚いので、発光管や外側電極の外周面と紫外線照射容器とが面接触することにより、放電ランプが所望なランプ性能が得られないことや、被照射体が変質したり十分な紫外線照射処理が行えないことを防止することができる。

本発明による放電ランプの発光管は、外側電極を外周面上に配設した有底筒状の外側管と、内側電極を内部に配設した内側管とからなり、外側管の少なくとも一端で内側管と同軸的に溶着して放電空間を形成し、内側管の外表面と外側管の内表面との間の放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍとした。

このように、放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍとした放電ランプは、一般に外側管や内側管の外径や肉厚も小さくなるので、発光管の形状誤差や変形が生じやすい。また、被照射体の流れや装置の動きによる振動の影響を受けやすく、発光管や外側電極の外周面が内側容器の内周面と面接触するおそれがある。

また、本発明による紫外線照射装置は、放電ガスを封入した発光管と、発光管の外表面上に配設した外側電極を有する放電ランプと、放電ランプの外表面に沿って配設した紫外線照射容器とを備え、放電ランプから紫外線が照射される被照射体を紫外線照射容器の内部に配設した紫外線照射装置において、放電ランプには、外側電極の外周面よりも径方向外側に突出した径方向突出部を紫外線照射容器に対向する位置に設けた。

このように、発光管の外表面上に配設した外側電極の外周面よりも径方向外側に突出した径方向突出部を、紫外線照射容器と対向する位置に設けたことで、発光管や外側電極の外周面と紫外線照射容器とが接触することにより、放電ランプが所望なランプ性能が得られないことや、被照射体が変質したり十分な紫外線照射処理が行えないことを防止することができる。

本発明によれば、エキシマランプが過熱状態・過冷状態での点灯することを防止し、被照射体が変質したり十分な紫外線照射処理が行えないことを防止することができるエキシマランプを提供することができる。

第１の実施形態である照射装置の概略的断面図である。 第２の実施形態である照射装置の概略的断面図である。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態である放電ランプを用いた照射装置の概略的断面図である。

図１に記載の照射装置は、被照射体Ｍを内部に配設した照射容器５０と、照射容器に沿った状態で点灯させる放電ランプ１とにより構成される。

照射容器５０は、内部に放電ランプ１を配設する内側容器５２と、内側容器５２との間で被照射体Ｍを配設する外側容器５３とにより構成される。

エキシマランプである放電ランプ１は、それぞれ石英ガラスなどの誘電材料から成る有底筒状の外側管３と内側管２とからなる発光管と、外側管３の外周面上に配設した外側電極５と、内側管２の内部に配設した内側電極４と、外側電極５と電気的に接続された外側給電線７と、内側電極４と電気的に接続された内側給電線６と、発光管の先端側には先端側径方向突出部２１と、発光管の後端側には後端側径方向突出部２２と、外側管３の先端部１１には先端側軸方向突出部３１と、内側管２の後端部１２には後端側軸方向突出部３２とにより構成される。

外側管３は、少なくとも一端で内側管２と溶着することにより、放電空間Ｓを形成する。また、外側管３の肉厚は、エキシマ光による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、外側管３の肉厚は、０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲に定められる。また、外側管３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ことが望ましく、例えば、８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に定められる。外側管３の軸方向長さは、１００ｍｍ〜２５０ｍｍに定められている。

外側管３の先端部１１おいては、軸方向先端側に突出した先端側軸方向突出部３１が形成される。先端側軸方向突出部３１は、石英ガラス製の円柱体であって、外側管３の他の部分よりも厚く、発光管に対して軸方向先端側に突出している。先端側軸方向突出部３１は、チップ管（排気管・ガス導入管）であって、放電空間Ｓの不純物を除去した後に、キセノンガスなどの希ガス単体、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が放電ガスとして導入して溶着封止されている。放電ガスの封入圧は、例えば５ｋＰａ〜１５０ｋＰａに定められる。なお、先端側軸方向突出部３１は外側管３を溶融して縮径させることで形成しても良い。

内側管２は、例えば断面円形の柱状誘電体で構成すればよい。使用温度で内側電極４の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、内側管２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。

更に、内側管２の後端側は、後端部１２よりも軸方向後端側に突出して、後端側軸方向突出部３２を形成している。なお、後端側軸方向突出部３２は、外側管３を溶融して縮径させることで内側管２や内側給電線６と一体となるように形成しても良い。

先端側軸方向突出部３１と後端側軸方向突出部３２（以下、軸方向突出部３１、３２と称す）は、発光管と同軸状に設ける。軸方向突出部３１、３２は石英ガラス製の円柱体であって、外側管３の他の部分より厚く形成されている。

内側電極４は、箔状の電極であって、内側管２を溶着させることにより、放電空間に露出せずに内側管２内に埋設されている。内側電極４には内側給電線６と電気的に接続されており、内側給電線６は、内側管２の後端側で露出しており、電源（図示せず）より電力が供給される。

内側電極４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。

外側電極５は導電線であって、外側管３の外表面に螺旋状に巻き付けられた状態で配設されている。外側電極５は、外側管３の外表面に対して一体となるように、放電ランプ１の先端側は先端側径方向突出部２１により、後端側は後端側径方向突出部２２により、それぞれ保持されている。本実施形態においては、１本の導電線を螺旋状に巻き付けているが、複数本の導電線を網目状に巻き付けても良い。

先端側径方向突出部２１と後端側径方向突出部２２（以下、「径方向突出部２１，２２」と称す）は、それぞれ導電性板を円筒状に巻き付けることで構成される。円周長さを短くすることで、径方向に絞り込むように外側電極５を把持している。また、径方向突出部２１，２２を円筒状から変形させることで、径方向に挟み込むように外側電極５を支持しても良い。このような構成とした結果、外側電極５を把持する径方向突出部２１，２２の外径Ｄ２は、螺旋状に巻き付けられた外側電極５の外周径Ｄ１より大きい。即ち、径方向突出部２１，２２は外側電極５の外周面よりも外側に突出している。

径方向突出部は、周方向における少なくとも１部が外側電極５の外周面より外側に突出していればよい。好ましくは、放電ランプの周方向に均等となる複数の位置において突出していると良い。例えば、周方向で対向する２つの位置や、周方向で均等に３つの位置おいて突出させる。

後端側径方向突出部２２は外側給電線７と電気的に接続されている。径方向突出部２１，２２と外側電極５と外側給電線７とはそれぞれで溶接することで、電気的接続を確実にしている。

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。放電空間Ｓ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。

内側容器５２は放電ランプ１が放射する紫外線に対して透過性を有する。更に、内側容器５２の外側には、同軸上に外側容器が配置する。内側容器５２と外側容器５３との間には、放電ランプ１が放射する紫外線を照射する被照射体Ｍで満たされている。内側容器５２と外側容器５３との間には、被照射体Ｍが流出しないように蓋（図示せず）を設ける。被照射体Ｍには、必要に応じて撹拌やバブリングを行う。

このような放電ランプ１の軸方向を鉛直とした状態で、有底筒状の内側容器５２に沿って同軸上に入り込ませて配置する。即ち、内側容器５２の内表面に沿って外側管３の外表面が径方向に近い状態となる。内側容器５２の開口部には放電ランプ１を収納したのちに蓋（図示せず）を設ける。内側容器５２内には冷却ガスを流して、放電ランプ１を冷却する。

上記蓋が後端側軸方向突出部３２と嵌合することにより、放電ランプ１を径方向に対して係止しても良い。また、内側容器５２の底部において、先端側軸方向突出部３１と嵌合さる系止部材（図示せず）を設けることで、放電ランプを径方向に対して係止しても良い。このように、軸方向突出部は軸方向に限らず、径方向に対しても係止する構成としても良い。

内側電極４、外側電極５の極性は、それぞれ陽極、陰極に定められている。外側電極５を被照射体Ｍと同電位となるようにする。放電ランプ１に、内側給電線６と外側給電線７を介して数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。このような構成で放電ランプ１を点灯させると、被照射体Ｍに紫外線が照射される。

このように放電ランプ１が照射容器５０に沿って近接した状態で点灯しても、径方向突出部２１，２２や軸方向突出部３１，３２を設けることにより、放電ランプ１の径方向に対しては主に径方向突出部２１，２２が、軸方向に対しては軸方向突出部３１，３２が、それぞれ内側容器５２の内表面と当接させることで、外側管３や外側電極５が内側容器５２の内面と接触することを防ぐことができる。

その結果、放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍとした細径の発光管の形状誤差や変形や、撹拌やバブリングによる振動によって、外側管３や外側電極５が内側容器の内面と接触して、放電による熱が内側容器５２を介して被照射体Ｍに伝わって加熱して、被照射体Ｍを変質させることを防止することができる。また、被照射体Ｍの温度状態により、放電ランプ１が最適な点灯温度から外れる（過熱、過冷却の両方が考えられる）ことを防止することができる。

径方向突出部２１，２２は、放電の均一性に影響を与えないことが望ましく、放電ランプ１の軸方向における有効発光範囲外に設けることが良い。放電ランプの軸方向における有効発光範囲は、所望な照度を得られる軸方向範囲であって、内側電極４と外側電極５とが対向する軸方向の相対的な位置関係や、内側管２と外側管３の径方向の厚さ等に応じた誘電体の誘電率により定めることができる。本実施形態においては、内側電極４の先端付近から後端付近までの範囲に相当する。しかしながら、先端部１１付近の外側管３は先端に向かって縮径しているので、先端側径方向突出部２１を安定した状態で設けることができない。この結果、先端側径方向突出部２１は、有効発光範囲内に配設され、後端側径方向突出部２２は有効発光範囲外に配設されている。

（実施形態２）
図２は、第２の実施形態である放電ランプを用いた照射装置の概略的断面図である。

図２に記載の照射装置は、被照射体Ｍを内部に配設した照射容器１５０と、照射容器に沿った状態で点灯させる放電ランプ１０１とにより構成される。

照射容器１５０は、内部に放電ランプ１０１を配設する内側容器１５２と、内側容器１５２との間で被照射体Ｍを配設する外側容器１５３と、流入口１５４と、流出口１５５とにより被照射体Ｍを流す流路を形成する。被照射体Ｍは、流入口１５４より照射容器１５０内に入り、流出口１５４から照射容器１５０外へ出る。

エキシマランプである放電ランプ１０１の発光管は、それぞれ石英ガラスなどの誘電材料から成る内側管１０２と外側管１０３とにより構成され、先端部１１１を底面とした有底筒状の外側管１０３が、後端部１１２において内側管１０２と溶着することにより放電空間Ｓを形成している。第１の実施形態と同様に、先端側軸方向突出部１３１、後端側軸方向突出部１３２を設ける。

円柱状の内側電極１０４は、有底筒状の内側管１０２に挿入することにより、放電空間Ｓに露出せずに内側管１０２内に入り込んでいる。内側電極１０４は、内側管１０２の後端側で露出しており、電源（図示せず）より電力が供給される。内側電極１０４の直径は１ｍｍ〜１０ｍｍに定められる。

外側電極１０５は導電性膜であって、外側管１０３の外表面に網目状に設けられている。第１の実施形態と同様に、外側電極１０５には、先端側径方向突出部１２１と、後端側径方向突出部１２２とが設けられている。このような構成として結果、外側電極１０５を把持する径方向突出部１２１，１２２の外径は、螺旋状に巻き付けられた外側電極１０５の外径より大きい。即ち、径方向突出部１２１，１２２は外側電極１０５の外周面よりも外側に突出している。本実施形態においては、網目状の導電性膜を設けたが、放電ランプ１０１の軸方向に沿った直線状や螺旋状の導電性膜としても良い。その他の主要な構成については、第１の実施形態と同様であるので、記載を省略する。

このような放電ランプ１０１の軸方向を水平とした状態で、照射容器１５０内に同軸上に配設させる。即ち、内側容器１５２の内表面に沿って外側管１０３の外表面が径方向に近い状態となる。内側容器１５２は放電ランプ１０１が放射する紫外線に対して透過性を有する。

先端側軸方向突出部１３１や後端側軸方向突出部１３２と嵌合する系止部材（図示せず）を設けることで、放電ランプを径方向に対して係止しても良い。このように、軸方向突出部は軸方向に限らず、径方向に対しても係止する構成としても良い。

このような構成で放電ランプ１０１を点灯させると、被照射体Ｍに紫外線が照射される。

このように、放電ランプ１０１が照射容器１５０に沿って近接した状態で点灯しても、径方向突出部１２１，１２２や軸方向突出部１３１，１３２を設けることにより、放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍとした細径の発光管の形状誤差や変形や、被照射体Ｍの流れや装置の動きによる振動によって、外側管１０３や外側電極１０５が内側容器１５２の内面と接触することで、放電による熱が内側容器を介して被照射体Ｍに伝わって加熱して、被照射体Ｍを変質させたり、紫外線照射処理の効率が低下することを防ぐことができる。また、被照射体Ｍの温度状態により、エキシマランプが最適な点灯温度から外れる（過熱、過冷却の両方が考えられる）ことを防止することができる。

放電ランプ１の径方向に対しては径方向突出部１２１，１２２が、軸方向に対しては軸方向突出部１３１，１３２が、それぞれ内側容器１５２の内表面と当接させることで、外側管１０３や外側電極１０５が内側容器１５２の内面と接触することを防ぐことができる。

エキシマランプが過熱状態・過冷却状態での点灯を防止し、ランプにより被照射体が加熱せれることを防止することができるエキシマランプを用いた紫外線照射装置を提供することができる。

１ 放電ランプ
２１ 先端側径方向突出部
２２ 後端側径方向突出部
３１ 先端側軸方向突出部
３２ 後端側軸方向突出部
５０ 照射容器
Ｍ 被照射物

Claims (5)

1. 紫外線が照射される被照射体を内部に配設した紫外線照射容器に沿った状態で点灯する放電ランプであって、
   放電ガスを封入した発光管と、前記発光管の外表面上に配設した外側電極と、
   前記外側電極の外周面よりも径方向外側に突出し、
   前記放電ランプの周方向に均等となる複数の位置に配置された径方向突出部とを備え、
   前記径方向突出部を前記紫外線照射容器と対向する位置に設けたことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記放電ランプが前記紫外線照射容器に対して係止されるように、
   前記径方向突出部を前記放電ランプの軸方向における有効発光範囲外となる位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記発光管は、
   前記外側電極を外周面上に配設した有底筒状の外側管と、
   内側電極を内部に配設した内側管とからなり、
   前記紫外線照射容器は有底筒状の紫外線照射容器であって、
   前記放電ランプが前記有底筒状の紫外線照射容器の底部に対して係止されるように、
   前記外側管の底部に対して軸方向に突出した円柱体の軸方向突出部を
   前記外側管の底部に前記発光管と同軸状となるように設けたことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の放電ランプ。
4. 前記発光管は、
   前記外側管の少なくとも一端で前記内側管と同軸的に溶着して放電空間を形成し、
   前記内側管の外表面と前記外側管の内表面との間の放電距離を３ｍｍ〜１０ｍｍとしたことを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 放電ガスを封入した発光管と
   前記発光管の外表面上に配設した外側電極を有する放電ランプと、
   前記放電ランプの外表面に沿って配設した紫外線照射容器とを備え、
   前記放電ランプから紫外線が照射される被照射体を前記紫外線照射容器の内部に配設した
   紫外線照射装置において、
   前記放電ランプには、
   前記放電ランプが前記紫外線照射容器に対してに係止されるように、
   前記外側電極の外周面よりも径方向外側に突出した径方向突出部を、
   前記紫外線照射容器に対向する位置であって、
   前記放電ランプの周方向に均等となる複数の位置に設けたことを特徴とする紫外線照射装置。

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