JP6950799B1 - エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電容器内に希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプとして、より改良されたエキシマランプを提供する。【解決手段】エキシマランプ１２は、発光ガスとして希ガスとハロゲンとが封入された放電容器１３と、放電容器１３の内部に誘電体バリア放電を発生させる一対の第一電極１４および第二電極１５と、を備える。希ガスは、キセノンまたはクリプトンである。放電容器１３は、その内部に、第一電極１４と第二電極１５との間に位置し、放電が形成される放電形成領域と、放電形成領域に連通し、放電が形成されない非放電領域と、を備える。放電容器１３の内部の空間体積をＶｂ［ｍｍ３］、放電形成領域における放電容器の内表面積をＳｄ［ｍｍ２］、放電容器１３内に封入されるハロゲン原子分圧をＰｈ［Ｔｏｒｒ］としたとき、（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ≧４．５０を満たす。【選択図】 図２

Description

本発明は、放電容器内に希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプに関する。

従来、発光ガスとして希ガスとハロゲンとを封入したエキシマランプが知られている。
希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプは、その組み合わせにより特有の発光波長を有する。例えば、希ガスであるキセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）と、ハロゲンである塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）の組み合わせにより、中心波長が２００ｎｍ〜３００ｎｍあたりまでの多様な発光を示す。

このような希ガスとハロゲンとの組み合わせにより得られる特有の発光波長は、希ガス原子とハロゲン原子によって形成される励起二量体（エキシプレックス）の発光に由来するものであり、多様な用途への応用が期待されている。
一例として、希ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）、ハロゲンとして塩素（Ｃｌ）を用いた場合について、図１８を参照しながら説明する。図１８に示すように、放電形成領域Ａ内に形成される放電により放出された電子によって、放電形成領域Ａ内に存在するクリプトン（Ｋｒ）が励起あるいはイオン化され、放電形成領域Ａ内に存在する塩素（Ｃｌ）と衝突することでＫｒＣｌ^＊（塩化クリプトンエキシプレックス）が生成される。このＫｒＣｌ^＊は極めて不安定な化合物であり、短時間でクリプトン（Ｋｒ）と塩素（Ｃｌ）とに分離し、その際に固有の発光（エキシマ発光）Ｌが生じる。

ところで、発光ガスにハロゲンとして塩素を用いたエキシマランプは、短時間で照度が低下しやすく、発光寿命が短いという問題がある。これは、発光ガスに用いられる塩素が、イオン化や励起により高エネルギー化することで、放電容器を構成するバルブα内（石英ガラス部材内）に打ち込まれ、放電形成領域Ａから消失してしまうためである。
例えば特許文献１には、ガラス製の放電容器内に放電ガスとして塩素が封入されたエキシマランプにおいて、点灯時間の経過によって塩素が放電容器を構成する石英ガラスに取り込まれることを少しでも抑制するために、放電容器を構成する平面部の長手方向側縁部を放電ギャップ方向において外方に膨出させる点が開示されている。

特開２０１４−０４９２８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、塩素の消失を抑える効果は限定的であり、また多様な形態の放電容器に適用できる手段ではないため、対策としては不十分である。
そこで、本発明は、放電容器内に希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプとして、より改良されたエキシマランプを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るエキシマランプの一態様は、発光ガスとして希ガスとハロゲンとが封入された放電容器と、前記放電容器の内部に誘電体バリア放電を生じさせる一対の第一電極および第二電極と、を備えるエキシマランプであって、前記希ガスは、キセノンまたはクリプトンであり、前記放電容器は、その内部に、前記第一電極と前記第二電極との間に位置し、放電が形成される放電形成領域と、前記放電形成領域に連通し、放電が形成されない非放電領域と、を備え、前記放電容器の内部の空間体積をＶｂ［ｍｍ^３］、前記放電形成領域における前記放電容器の内表面積をＳｄ［ｍｍ^２］、前記放電容器内に封入されるハロゲン原子分圧をＰｈ［Ｔｏｒｒ］としたとき、下記の式を満たす。
（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ≧４．５０
Ｐｈ≦５．０

これは、次の考察に基づくものである。（１）まずハロゲンの消失は、放電形成領域となる空間の表面積（放電が形成される領域における容器の内表面積）の大小に影響される。（２）また非放電領域の空間体積が増えるにつれて、ハロゲンが励起されない空間が広がり、ハロゲンを励起させずに放電容器内に留めておくことができる。これは言い換えれば、放電容器内に、一定量のハロゲンが消失されずに保持されていると捉えることができる。（３）ハロゲンの消失が起こる放電形成領域に対して、十分なハロゲン量を封入することで発光寿命を改善する。
以上の考察から導き出した上記の算定式を用いることで、（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ≧４．５０ときに良好な寿命特性が得られることを突き止めた。

また、放電容器内のハロゲン原子分圧が高くなると始動性が悪化し、場合によっては点灯できない場合が考えられる。特に発光ガスとして塩素を用いる場合には、始動性の問題が顕著となる。しかし、非放電領域にハロゲンが励起されずに保持されることで、放電容器内のハロゲン原子分圧を過度に高くせずとも、所定の放電形成領域に対して十分なハロゲン量を放電容器内に留めさせ易くなる。これにより、上記の算定式に基づき、放電空間の内表面積Ｓd［ｍｍ^２］、非放電領域［ｍｍ^３］、ハロゲン原子分圧［Ｔｏｒｒ］を決定することで良好な寿命特性を定めることができる。
なお、ここでのハロゲン原子分圧とは、気相のハロゲン化合物又はハロゲンガスに含まれるハロゲン量を原子換算で補整した分圧である。例えば、ハロゲン原子（Ｈ）を含む気相分子（Ｈ_Ｘ、又はＡ・Ｈ_Ｘ）のハロゲン原子数（Ｘ）が１の場合は、当該気相分子の封入ガス分圧がハロゲン原子分圧となる。また、気相分子中に含まれるハロゲン原子数（Ｘ）が２の場合は、当該気相分子の封入ガス分圧を二倍に補整した値がハロゲン原子分圧となる。
塩素原子を例にすれば、気相分子が塩化水素（ＨＣｌ）であれば封入ガス分圧がハロゲン原子分圧に相当し、塩素ガス（Ｃｌ_２）であれば、封入ガス分圧を二倍に補整した値がハロゲン原子分圧に相当する。

また、上記のエキシマランプにおいて、前記放電形成領域の空間体積は、前記放電形成領域および前記非放電領域を含む放電容器の内部の空間体積の７３％以下としてもよい。
これは非放電領域の割合が大きくなることで、ハロゲン原子分圧を抑えつつ、放電容器内に封入されるハロゲン量を増やすことができるためである。また非放電領域の割合が大きくなることで、次のような利点もある。
放電形成領域において励起されたハロゲンが放電容器内に打ち込まれて放電容器内から減少したとしても、ハロゲンが励起されない非放電領域が十分に確保されることで、放電容器内のハロゲン原子分圧が変動し難くなる。これは、ハロゲン原子分圧が変動することによって点灯特性が変化することを抑制し、また希ガス分圧とハロゲン原子分圧の分圧比が変動することによって、照度低下の影響を抑制することにつながる。

さらに、上記のエキシマランプにおいて、前記放電形成領域の空間体積は、前記放電形成領域および前記非放電領域を含む放電容器の内部の空間体積の６０％以下であってもよい。これにより、上記効果をより際立たせることができる。

また、上記のエキシマランプにおいて、前記第一電極および第二電極は、前記放電容器の外表面に接触して配置されていることが好ましい。
電極が放電容器（発光管）内部に設けられていると、発光ガス中のハロゲンが吸収されやすくなってしまう。電極が放電容器の外部に配置された構成とすることで、上記吸収を抑制することができる。

さらにまた、上記のエキシマランプにおいて、前記放電容器と前記第一電極および前記第二電極との接触面積は、前記放電容器の外表面積に対して５０％以下であってもよい。
放電容器の外表面に電極を設けた場合であっても、励起されたハロゲンは、放電容器において電極と接触している領域に集まり打ち込まれやすい。放電容器と電極との接触面積を小さくすることで、放電容器へのハロゲンの打ち込みを抑制し、ハロゲンの消費を抑えることができる。

また、上記のエキシマランプにおいて、前記ハロゲンは、塩素ガスであってもよい。この場合、希ガスとしてキセノンを用いれば中心波長３０８ｎｍのエキシマ光、希ガスとしてクリプトンを用いれば中心波長２２２ｎｍのエキシマ光を発光することができる。
さらに、上記のエキシマランプにおいて、前記放電容器は、石英ガラスにより構成されていてもよい。このように、放電容器を石英ガラスにより構成した場合であっても、励起されたハロゲンの打ち込みに対処でき、発光寿命を適切に延ばすことができる。

本発明の一つの態様によれば、放電容器内に希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプにおいて、より改良されたエキシマランプを提供することができる。

本実施形態のエキシマランプを備える光源装置の外観イメージ図である。 本実施形態におけるエキシマランプを模式的に示す図である。 本実施形態におけるエキシマランプを管軸方向に見た模式図である。 本実施形態におけるエキシマランプの放電容器内部の状態を示す図である。 検証実験結果である。 塩素濃度の測定場所を示す図である。 塩素濃度の測定結果である。 エキシマランプの別の例を模式的に示す図である。 エキシマランプの別の例を管軸方向に見た模式図である。 エキシマランプの別の例の長手方向における断面の模式図である。 図１０のエキシマランプの幅方向における断面の模式図である。 エキシマランプの別の例の管軸方向における断面の模式図である。 図１２のエキシマランプの軸直方向における断面の模式図である。 エキシマランプの別の例の長手方向における断面の模式図である。 図１４のエキシマランプの幅方向における断面の模式図である。 エキシマランプの別の例を軸直方向から見た模式図である。 図１６のエキシマランプの管軸方向から見た模式図である。 ＫｒＣｌエキシマランプの放電形成領域内部の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態のエキシマランプを備える光源装置（紫外線放射装置）１００の外観イメージ図である。また、図２は、本実施形態におけるエキシマランプを模式的に示す図であり、図３は、本実施形態におけるエキシマランプを管軸方向に見た模式図である。

図１に示すように、光源装置１００は、筐体１１と、筐体１１内に配置されたエキシマランプ１２と、を備える。
筐体１１には、光出射窓となる開口部１１ａが設けられている。この開口部１１ａには、例えば石英ガラスからなる窓部材や、不要な光を遮断する光学フィルタ等を設けることができる。エキシマランプ１２の光取出し面は、この光出射窓に対向して配置されている。
なお、図１では、光源装置１００が複数のエキシマランプ１２を備えているが、エキシマランプ１２の数は特に限定されない。

エキシマランプ１２は、両端が気密に封止された直管状の放電容器１３を備える。放電容器１３は、石英ガラスにより構成されている。また、放電容器１３の内部には、発光ガスとして希ガスとハロゲンガスとが封入されている。本実施形態では、希ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）、ハロゲンガスとして塩素ガス（Ｃｌ₂）を用いる。
なお、希ガスとしては、キセノン（Ｘｅ）を用いることもできる。また、ハロゲンとしては、臭素（Ｂｒ）を用いることもできる。

放電容器１３の外表面には、一対の電極（第一電極１４、第二電極１５）が接触して配置されている。図２に示すように、第一電極１４および第二電極１５は、放電容器１３における光取出し面と対向する側面（図２の下側の面）に、放電容器１３の管軸方向（図２の左右方向）に互いに離間して配置されている。
そして、放電容器１３は、これら２つの電極１４、１５に接触しながら跨るように配置されている。具体的には、２つの電極１４、１５には、図３に示すように凹溝が形成されており、放電容器１３は、電極１４、１５の凹溝に嵌め込まれる。これにより、放電容器１３は、図３に示すように電極１４、１５との接触面１３ａを有する。

この一対の電極のうち、一方の電極（例えば第一電極１４）が高圧側電極であり、他方の電極（例えば第二電極１５）が低圧側電極（接地電極）である。第一電極１４および第二電極１５の間に高周波電圧を印加することで、放電容器１３の内部空間において励起二量体が生成され、中心波長２２２ｎｍのエキシマ光がエキシマランプ１２の光取出し面から放射される。

図２に示すように、放電容器１３内部において、一対の電極１４、１５間の領域が、放電が形成される放電形成領域Ａとなる。また、放電容器１３内部における放電形成領域Ａの管軸方向外方には、放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。
なお、放電形成領域Ａとは、放電容器１３の内部空間のうち、放電が形成されて点灯時に発光する領域であり、放電容器１３の内部空間を挟んで一対の電極（第一電極および第二電極）が対向して配置されている場合は、対向配置された電極間で挟まれた内部空間領域が放電形成領域Ａとして決定できる。
また一対の電極（第一電極および第二電極）が内部空間を挟んで対向配置されておらず、内部空間が広がる方向において異なる位置に配置されている場合は、第一電極が配置された位置から第二電極が配置された位置までの間の内部空間領域が放電形成領域Ａとして決定できる。
なお、一対の電極（第一電極および第二電極）が対向配置されるとともに、当該対向する方向に垂直な方向において、第一電極および第二電極が異なる位置に配置される場合は、対向配置された電極間で挟まれた内部空間領域が放電形成領域Ａとして決定できる。

ところで、放電容器の内部に希ガスとハロゲンとを封入してなるエキシマランプにおいては、ハロゲンが放電容器を構成する石英ガラスに打ち込まれる現象が生じる。この現象は、放電により励起されたハロゲンが、放電容器を構成する石英ガラスと反応し、石英ガラス内に入り込む現象である。この現象によって放電容器内部の放電形成領域Ａからハロゲンが減少、消失すると、エキシマランプから放射される光の照度が低下してしまう。特に、励起された塩素原子は石英ガラス内に入り込みやすく、発光ガスとして塩素原子が用いられる場合は、照度が低下しやすい。

上記のハロゲンの消失を見越してハロゲンの封入量を大きくすることも考えられるが、この場合、希ガスとハロゲンとの割合が適正割合から変化し、点灯特性（始動性）や寿命特性を大きく変動させてしまうおそれがある。
具体的には、ハロゲンの封入量を増やそうとするとハロゲンの封入圧が高くなり、始動電圧が高くなり、ランプが始動しにくくなったり、最悪の場合点灯できなくなったりする。また、希ガスに対してハロゲンの割合が大きくなりすぎると、ハロゲンに電子が奪われやすくなることで励起二量体の生成が阻害され、照度が低下してしまう。このように、希ガスとハロゲンとの割合が適正割合から変化すると、安定した光源が得られにくいという課題がある。

本発明者は鋭意検討し、放電容器内に放電が形成されない領域（非放電領域Ｂ）を形成し、その際に、非放電領域を含む放電容器の内部の空間体積をＶｂ［ｍｍ^３］、放電形成領域における放電容器の内表面積をＳｄ［ｍｍ^２］、放電容器内に封入されるハロゲン原子分圧をＰｈ［Ｔｏｒｒ］としたとき、（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ≧４．５０となるように、放電形成領域と、非放電領域と、ハロゲンの封入ガス圧とを決定することで、寿命特性が改善できることを見出した。
以下、非放電領域を含む放電容器の空間体積を考慮する点について詳述する。

図４に示すように、放電形成領域Ａにおいて放電が形成されると放電形成領域Ａ内に存在する塩素は励起されるが、放電が形成されない非放電領域Ｂ内に存在する塩素は励起されない。そのため、放電形成領域Ａにおいて励起された塩素（Ｃｌ^＊）が、放電容器１３に打ち込まれて放電容器１３内から消失されたとしても、発光に寄与する塩素（Ｃｌ）が非放電領域Ｂに十分に保持されていることで、非放電領域Ｂから放電形成領域Ａに塩素（Ｃｌ）が供給され、照度の低下を防止することができる。また、希ガスのガス分圧とハロゲンのガス分圧の比率（分圧比）は、エキシマ光の発光効率にも影響するため、所定の分圧比が維持されていることが望ましい。例えば、クリプトンの分圧（Ｐ_Kr）に対する塩素ガス（Ｃｌ₂）の分圧（Ｐ_Cl）の分圧比（Ｐ_Cl／Ｐ_Kr）は、０．５〜５％に設定される。このとき、励起された塩素原子（Ｃｌ^＊）が放電容器１３に打ち込まれて放電容器１３内から消失されたとしても、非放電領域Ｂを大きく形成することで希ガスとハロゲンとの分圧比が大幅に変動することを防ぎ、安定した光源を維持することができる。

このように、非放電領域Ｂを塩素原子（Ｃｌ）の貯蔵庫として機能させることができる。したがって、所定の封入ガス圧（ハロゲン原子分圧）を維持しつつも、放電容器内のハロゲン封入量を大きくすることができ、発光寿命を改善することができる。
具体的には、放電容器の内部（放電形成領域Ａおよび非放電領域Ｂを含む）の全空間体積（Ｖｂ）に対して、放電形成領域Ａの空間表面積Ｓｄ［ｍｍ^２］と、放電容器内に封入されるハロゲン原子分圧Ｐｈ［Ｔｏｒｒ］とを決定することで、算定式（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄに基づき発光寿命を改善することができる。

なお、放電容器内にハロゲンを供給する手段としては、ハロゲンガス又はハロゲン化合物を用いることができる。ここで、放電に寄与するハロゲンは気体であり、放電容器内のハロゲン原子分圧［Ｔｏｒｒ］の値を基準としてハロゲンを封入する。塩素原子を例にすれば、塩素ガス（Ｃｌ_２）、塩化水素（ＨＣｌ）等が挙げられる。
また、本発明におけるハロゲン原子分圧とは、ハロゲン原子の分圧値であり、塩化水素（ＨＣｌ）であれば封入ガス分圧に相当し、塩素ガス（Ｃｌ_２）であれば、封入ガス分圧の二倍に相当する。

また、放電容器の内部空間体積（Ｖｂ）に対して非放電領域Ｂの割合が増えてゆくと、励起されず非放電領域Ｂに貯蔵できるハロゲン量を多くすることができる。言い換えれば、放電容器の内部空間体積（Ｖｂ）に対して、放電形成領域Ａの空間体積（Ｖｄ）を小さくしてゆくことで、算定式（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄによって導き出される数値［Ｔｏｒｒ・ｍｍ］を高く設定することができる。これは、ハロゲン原子分圧［Ｔｏｒｒ］を過度に高くしなくとも、良好な発光寿命を得ることに貢献する。
そのため、放電形成領域Ａの空間体積（Ｖｄ）は、放電形成領域Ａおよび非放電領域Ｂを含む放電容器の内部の空間体積（Ｖｂ）に対して、例えば８０％以下に、又は７５％以下に、更には７０％以下に設定することがより望ましい。また、後述する検証実験によれば、放電容器の空間体積（Ｖｂ）に対する放電形成領域Ａの空間体積（Ｖｄ）の比（Ｖｄ／Ｖｂ）が７３％の場合で良好な寿命特性が得られ、体積比（Ｖｄ／Ｖｂ）が小さくなるにつれ、寿命特性が改善させやすいことを確認した。
以上のとおり、非放電領域Ｂの割合が大きくなることで、ハロゲン原子分圧を抑えつつ、放電容器内に封入されるハロゲン量を増やすことができる。

また、非放電領域Ｂの割合を大きくすることで、放電形成領域Ａにおいて励起されたハロゲン原子が放電容器内に打ち込まれて放電容器内からハロゲン原子が減少したとしても、放電容器内のハロゲン原子分圧が変動し難くなる。これは、ハロゲン原子が励起されず非放電領域Ｂに保持されるためであり、ハロゲン原子分圧が変動することによって点灯特性が変化することを抑制し、また希ガス分圧とハロゲン分圧の分圧比が変動し難くなり、励起二量体の生成が阻害されることを防ぎ、照度低下の影響を抑制することになる。

検証実験として、発光ガスとしてクリプトンガス（Ｋｒ）と塩素ガス（Ｃｌ₂）とが封入されたエキシマランプについて、非放電領域Ｂの割合の変化に伴うランプの寿命特性の変化を検証した。その結果を図５に示す。
なお、ここでの寿命は、照度維持率が５０％を下回る点灯時間とし、２５００時間を上限とした。照度の測定には、ウシオ電機株式会社製の照度センサー（ＶＵＶ−Ｓ１７２）を取り付けたウシオ電機株式会社製の照度計（ＵＴＩ−２５０）を用い、放電容器から５０ｍｍ離間した位置で照度を測定した。
また、希ガスとハロゲンとを用いたエキシマランプにおいては、放電容器内のガス封入圧に対するハロゲンの分圧比が寿命特性に影響を与える余地を考慮し、ハロゲンである塩素ガス（Ｃｌ₂）の分圧比を一定値に揃えた。ここでは、放電容器内の発光ガスとなる希ガスとハロゲンガス、バッファガス等を含む全圧を６０〜３００［Ｔｏｒｒ］とし、この全圧に対してＣｌ₂のガス分圧［Ｔｏｒｒ］を１％程度に揃えた。

図５に示す検証結果（Ｎｏ．５、８、１１〜１５）からも分かるように、放電形成領域Ａおよび非放電領域Ｂを含む放電容器の内部の空間体積（バルブ容積）Ｖｂ［ｍｍ^３］と、Ｃｌ原子分圧Ｐｈ［Ｔｏｒｒ］を乗算した値Ｍが、放電容器内の塩素封入量を表し、放電形成領域Ａにおけるバルブ内表面積Ｓｄ［ｍｍ^２］で除算して導き出されるＭ／Ｓｄの値［Ｔｏｒｒ・ｍｍ］が、４．５０以上である場合に、良好な寿命特性が得られることを確認した。
（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ ≧ ４．５０ ・・・（１）
ここで、Ｃｌ原子分圧Ｐｈ［Ｔｏｒｒ］は、塩素ガス（Ｃｌ_２）のガス分圧［Ｔｏｒｒ］を二倍した値である。

さらに、放電形成領域Ａの空間体積（放電空間体積）Ｖｄ［ｍｍ^３］に対する、放電容器の内部の空間体積（バルブ容積）Ｖｂ［ｍｍ^３］の体積比（Ｖｄ／Ｖｂ）が小さくなるにつれ、Ｍ／Ｓｄの数値［Ｔｏｒｒ・ｍｍ］を高くしやすいことが確認できる。そして、体積比（Ｖｄ／Ｖｂ）が０．７３以下で、良好な寿命特性のものが確認できた。
Ｖｄ／Ｖｂ ≦ ０．７３ ・・・（２）

さらに、（Ｖｄ／Ｖｂ）が０．６０以下の場合では、Ｍ／Ｓｄの数値［Ｔｏｒｒ・ｍｍ］が高く設定でき、より良好な寿命特性が得られている。さらに（Ｖｄ／Ｖｂ）が０．５７以下の場合において、より良好な寿命特性が得られ、寿命試験の上限である２５００時間を超える結果となった（Ｎｏ．１２〜１４）。

一般に、放電を利用したエキシマランプにおいては、放電が形成されない非放電領域Ｂをできるだけ小さくして、放電が形成される放電形成領域Ａを大きく確保するように設計される。
これに対して、本実施形態では、上記のように、非放電領域Ｂを大きく形成することで、良好な寿命特性を得ることができた。非放電領域Ｂを大きく形成することにより、放電形成領域Ａで塩素が消費された際にも、放電容器内の塩素原子の分圧が変動しにくい、換言すると、非放電領域Ｂに塩素が保持されているため、放電形成領域Ａでの塩素消費の影響を減らす効果があるためと推察される。

また、非放電領域Ｂを大きく形成したとしても、封入される塩素原子の分圧が低い場合は、良好な寿命特性が得られにくい。これは、そもそも放電容器内に封入される塩素量が放電体積Ｖｄに対して少なすぎることが影響していると考えられる。
本発明者は、放電体積Ｖｄとバルブ容積Ｖｂとに加え、塩素原子の分圧Ｐｈの値を考慮した算定式（上記（１）式）が、光源の寿命特性と相関性が高いことを見出し、当該算定式により算出される値が４．５０以上である場合に、良好な寿命特性が得られることを確認した。

［ハロゲン原子分圧の測定手段］
本発明におけるハロゲン原子分圧とは、ハロゲン原子の分圧値であり、放電容器の内容積と、放電容器内に存在するハロゲン量とから算出される。
ハロゲン量の測定方法としては、ガス成分に合わせて、イオンクロマトグラフ法や滴定法の何れか、又は両方を併用して用いることができる。具体的には、放電容器内の発光ガス成分を純水に溶け込ませた液体試料から、適量の液体試料片を抽出し、液体試料片に含まれるイオン成分を検出する。また、イオンクロマトグラフ法と滴定法とを併用させる場合は、上記液体試料から複数の液体試料片を抽出し、それぞれの液体試料片に含まれるイオン成分を、イオンクロマトグラフ法と滴定法でそれぞれ検出する。

さらに、放電容器と電極との接触面積を確認したところ、電極の接触面積が小さくなるほど、発光寿命が改善されることが確認できた。これは、電極と接触している領域では、励起された塩素（Ｃｌ^＊）がバルブ内に打ち込まれやすいためであると考えられる。
検証実験として、図６に示すように、非放電領域Ｂに面する位置ａと、放電形成領域Ａに面する位置ｂ〜ｉとについて、点灯後に放電容器１３のバルブ内に含まれる塩素量の割合をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）で測定した。その結果を図７に示す。
なお、ここでは第一電極１４のみを高圧（片側高圧）にして６００時間点灯し、第一電極１４側の各位置ａ〜ｉにおいて塩素濃度を測定した。

図７に示すように、放電形成領域Ａに面する位置ｂ〜ｉでは、非放電領域Ｂに面する位置ａに比べて、塩素濃度が高くなることが確認できた。
そして、放電形成領域Ａに面する位置ｂ〜ｉのうち、第一電極１４と接触していない位置ｅ〜ｉでは、第一電極１４と接触される位置ｂ〜ｄに比べて、概ね塩素濃度が低くなることが確認できた。
エキシマランプにおいては、電極に高電圧が加わることで放電が集中しやすい。電子は電極間で飛び交うため、電子が衝突して励起された塩素（Ｃｌ^＊）も電極に向かって多く移動していると推察される。そのため、電極と接触している領域では、励起された塩素（Ｃｌ^＊）がバルブ内に打ち込まれやすいと考えられる。

なお、上記の検証実験では、第一電極１４のみを高圧（片側高圧）にして点灯したが、第二電極１５を高圧側とした場合には、第二電極１５側の各位置についても同様の測定結果が得られる。

上記の検証結果より、放電容器と電極との接触面積を抑えることで、放電容器内部のハロゲンの消費が抑えられると理解できる。そのため、放電容器の外表面に電極を配置させる場合は、電極幅を小さくすることが肝要である。
例えば、放電容器と第一電極および第二電極との接触面積を、放電容器の外表面積に対して５０％以下にすることで、放電容器内のハロゲンの消費を良好に抑えることができる。ただし、電極幅を小さくするほど放電形成が難しくなるため、発光特性とのバランスを取る必要がある。

図２および図３に示す本実施形態のように、放電容器１３の一方の側面に一対の電極１４、１５を配置させる構成である場合、放電容器１３と電極１４、１５との接触面積１３ａを抑えつつ、放電形成領域Ａを広く形成することができる。

以上説明したように、本実施形態におけるエキシマランプ１２は、発光ガスとして希ガスとハロゲンとが封入された放電容器１３と、誘電体バリア放電を生じさせる一対の第一電極１４および第二電極１５と、を備える。ここで、本実施形態におけるエキシマランプ１２は、希ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）、ハロゲンガスとして塩素ガス（Ｃｌ₂）を用いたＫｒＣｌエキシマランプであり、中心波長２２２ｎｍの光を放射する。

放電容器１３は、その内部空間に、第一電極１４と第二電極１５との間に位置し、放電が形成される放電形成領域Ａと、放電形成領域Ａに連通し、放電が形成されない非放電領域Ｂと、を備える。そして、放電形成領域Ａの空間体積は、放電形成領域Ａおよび非放電領域Ｂを含む放電容器１３の内部の空間体積の８０％以下に設定されている。
さらに、放電容器１３の内部の空間体積をＶｂ、放電形成領域Ａにおけるバルブ内表面積をＳｄ、放電容器１３内に封入されるＣｌ原子分圧をＰｈとした場合、（Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｖｄが４．５０以上に設定されている。

このように、放電容器１３内部において放電が形成されない領域を意図的に大きく形成し、かつ、放電容器１３内に過不足のない塩素原子を封入する。これにより、塩素を励起させずに放電容器１３内に留めておくことができ、塩素の消費を抑えることができる。また、放電形成領域Ａにおいて励起された塩素原子が放電容器１３に打ち込まれて放電容器１３内から消失したとしても、放電容器１３内に十分な塩素原子が保持されていることで、希ガスとハロゲンとの分圧比が大幅に変動することを防ぐことができる。したがって、照度低下を適切に抑制し、発光寿命を改善することができる。
なお、放電形成領域Ａの空間体積は、放電容器１３の内部の空間体積の６０％以下であることが好ましい。この場合、より良好な寿命特性が得られる。

さらにまた、放電容器１３と第一電極１４および第二電極１５との接触面積は、放電容器１３の外表面積に対して５０％以下とすることができる。この場合、放電容器１３への塩素の打ち込みを抑制し、塩素の消費を抑えることができる。
以上のように、本実施形態では、放電容器内に発光ガスとして希ガスとハロゲンとが封入されたエキシマランプにおいて、より発光寿命を延ばすことが可能な光源とすることができる。

（変形例）
上記実施形態においては、図２および図３に示すように、放電容器１３の一方の側面に一対の電極（第一電極１４、第二電極１５）を配置したエキシマランプ１２について説明した。しかしながら、エキシマランプの構成は上記に限定されるものではない。例えば、図８および図９に示すエキシマランプ１２Ａのように、長尺な放電容器１３Ａの両端部に、一対の環状の電極（第一電極１４Ａ、第二電極１５Ａ）が配置された構成であってもよい。この場合にも、図８に示すように、一対の電極１４Ａ、１５Ａ間に放電形成領域Ａが形成され、放電形成領域Ａの外方に放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。

また、エキシマランプは、図１０および図１１に示すエキシマランプ１２Ｂのように、扁平状の放電容器１３Ｂの第一主面１３ｂおよび第二主面１３ｃに、それぞれ第一電極１４Ｂおよび第二電極１５Ｂが配置された構成であってもよい。この場合にも、一対の電極１４Ｂ、１５Ｂによって挟まれた領域が放電形成領域Ａとなり、放電形成領域Ａの外方に放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。なお、非放電領域Ｂは、図１０に示すように放電容器１３Ｂの管軸方向における両端部と、図１１に示すように放電容器１３Ｂの幅方向における両端部とに形成される。

さらに、エキシマランプは、図１２および図１３に示すエキシマランプ１２Ｃのように、二重管構造の放電容器１３Ｃを備える構成であってもよい。ここで、放電容器１３Ｃは、円筒状の外側管と、外側管の内側において外側管と同軸上に配置され、当該外側管よりも内径が小さい円筒状の内側管と、を有する。外側管と内側管とは、図１２の左右方向において封止されており、両者の間には円環状の内部空間が形成されている。そして、外側管の外側面１３ｄおよび内側管の内側面１３ｅには、それぞれ網状の第一電極（外部電極）１４Ｃおよび膜状の第二電極（内部電極）１５Ｃが配置されている。この場合にも、一対の電極１４Ｃ、１５Ｃによって挟まれた領域が放電形成領域Ａとなり、放電形成領域Ａの外方に放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。

また、エキシマランプは、図１４および図１５に示すエキシマランプ１２Ｄのように、扁平状の放電容器１３Ｃの第一主面１３ｂおよび第二主面１３ｃに、それぞれ第一電極１４Ｄおよび第二電極１５Ｄが配置された構成であってもよい。ここで、第一電極１４Ｄは、印刷電極によってパターン状に形成された電極部材であり、第二電極１５Ｄは、第一電極１４Ｄよりも広域に形成された板状の電極部材である。この場合にも、一対の電極１４Ｄ、１５Ｄによって挟まれた領域が放電形成領域Ａとなり、放電形成領域Ａの外方に放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。

また、エキシマランプは、図１６および図１７に示すエキシマランプ１２Ｅのように、長尺な放電容器１３Ｅの側面に複数の電極が配置された構成であってもよい。ここでは、同極性となる第一電極１４Ｅが、放電容器１３Ｅの一方の側面の複数個所に分散配置されており、第二電極１５Ｅは、放電容器１３Ｅの他方の側面において、第一電極１４Ｅに対向しない位置に配置されている。この場合、第一電極１４Ｅが配置された位置から第二電極１５Ｅが配置された位置までの間の内部空間領域が放電形成領域Ａとなり、放電形成領域Ａの外方に放電形成領域Ａに連通する非放電領域Ｂが形成される。

また、上記実施形態においては、エキシマランプ１２がＫｒＣｌエキシマランプである場合について説明したが、上記以外の希ガスハロゲンエキシマランプにも適用可能である。例えば、エキシマランプ１２は、ＸｅＣｌエキシマランプやＸｅＢｒエキシマランプ、ＫｒＢｒエキシマランプ等であってもよい。これらの場合にも、放電容器内における非放電領域Ｂの割合を意図的に大きくし、所定量のハロゲンを封入させることで、上記実施形態と同様に発光寿命を改善させることができる。

１００…光源装置、１１…筐体、１２…エキシマランプ、１３…放電容器、１４…第一電極、１５…第二電極、Ａ…放電形成領域、Ｂ…非放電領域

Claims (7)

1. 発光ガスとして希ガスとハロゲンとが封入された放電容器と、
   前記放電容器の内部に誘電体バリア放電を生じさせる一対の第一電極および第二電極と、を備えるエキシマランプであって、
   前記希ガスは、キセノンまたはクリプトンであり、
   前記放電容器は、その内部に、前記第一電極と前記第二電極との間に位置し、放電が形成される放電形成領域と、前記放電形成領域に連通し、放電が形成されない非放電領域と、を備え、
   前記放電容器の内部の空間体積をＶｂ［ｍｍ^３］、前記放電形成領域における前記放電容器の内表面積をＳｄ［ｍｍ^２］、前記放電容器内に封入されるハロゲン原子分圧をＰｈ［Ｔｏｒｒ］としたとき、下記の式を満たすことを特徴とするエキシマランプ。
   （Ｖｂ×Ｐｈ）／Ｓｄ≧４．５０
   Ｐｈ≦５．０
2. 前記放電形成領域の空間体積は、前記放電形成領域および前記非放電領域を含む放電容器の内部の空間体積の７３％以下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。
3. 前記放電形成領域の空間体積は、前記放電形成領域および前記非放電領域を含む放電容器の内部の空間体積の６０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のエキシマランプ。
4. 前記第一電極および第二電極は、前記放電容器の外表面に接触して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエキシマランプ。
5. 前記放電容器と前記第一電極および前記第二電極との接触面積は、前記放電容器の外表面積に対して５０％以下であ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. 前記ハロゲンは、塩素ガスであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエキシマランプ。
7. 前記放電容器は、石英ガラスにより構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエキシマランプ。

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