JP7107108B2 - 紫外線照射ユニット、紫外線照射装置およびバリア放電ランプ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、紫外線照射ユニット、紫外線照射装置およびバリア放電ランプに関する。

従来、基板の洗浄や改質を目的として使用される紫外線照射装置が知られている。紫外線照射装置には、誘電体である発光管の内部に配置された内部電極と発光管の外部に配置された外部電極とを交流電源に接続することで発生する誘電体バリア放電により、発光管の内部に収容されたガスに応じた特定の波長を有する紫外光を放射するバリア放電ランプを備えるものがある。

特開２０１３－２１１１６４号公報

上記のようなバリア放電ランプにおいては、例えば照度または積算光量といった用途に適した照射特性が要求される。

本発明が解決しようとする課題は、要求に応じた照射特性を得ることができる紫外線照射ユニット、紫外線照射装置およびバリア放電ランプを提供することである。

実施形態の紫外線照射ユニットは、バリア放電ランプと、外部電極とを具備する。バリア放電ランプは、発光管および内部電極を有する。発光管は、ガスが封入され、紫外光を透過する。発光管は、円筒状である。内部電極は、発光管の内部に配置され、発光管の管軸方向に延在する。外部電極は、内部電極と対向するように発光管の外面側に設けられ、発光管の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で発光管を覆う。外部電極は、周方向に発光管を覆う第１部材と、発光管を挟んで互いに向かい合うように配置される一対の第２部材とを有する。

本発明によれば、要求に応じた照射特性を得ることができる。

実施形態に係る紫外線照射ユニットを示す平面図である。 図１のＡ－Ａ’断面図である。 実施形態の変形例に係る紫外線照射ユニットを示す断面図である。 外部電極の角度と長手方向１ｃｍ当たりの放電面積との関係を示す図である。 外部電極の長手方向１ｃｍ当たりの放電面積と照度および積算光量との関係を示す図である。 実施形態に係る紫外線照射ユニットを有する紫外線照射装置を示す図である。

以下に説明する実施形態に係る紫外線照射ユニット１、１Ａは、バリア放電ランプと、外部電極６とを具備する。バリア放電ランプは、発光管２および内部電極３を有する。発光管２は、ガスが封入され、紫外光を透過する。発光管２は、円筒状である。内部電極３は、発光管２の内部に配置され、発光管２の管軸方向に延在する。外部電極６は、内部電極３と対向するように発光管２の外面２ｂ側に設けられ、発光管２の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で発光管２を覆う。外部電極６は、第１部材７と一対の第２部材８とを有する。第１部材７は、周方向に発光管２を覆う。第２部材８は、発光管２を挟んで互いに向かい合うように配置される。

また、以下に説明する実施形態に係る紫外線照射ユニット１、１Ａは、反射膜４を具備する。反射膜４は、外部電極６と向かい合う発光管２の内面２ａに設けられ、紫外光を発光管２の内部へ反射する。反射膜４の周方向の角度θ４は、外部電極６で覆われる発光管２の周方向の角度θ６以上である。

また、以下に説明する実施形態に係る紫外線照射装置１００は、紫外線照射ユニット１、１Ａと、紫外線照射ユニット１、１Ａを収容する収容部５０とを具備する。

また、以下に説明する実施形態に係るバリア放電ランプ１、１Ａは、発光管２と、内部電極３と、外部電極６とを具備する。発光管２は、ガスが封入され、紫外光を透過する。発光管２は、円筒状である。内部電極３は、発光管２の内部に配置され、発光管２の管軸方向に延在する。外部電極６は、内部電極３と対向するように発光管２の外面２ｂ側に設けられ、発光管２の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で発光管２を覆う。外部電極６は、第１部材７と一対の第２部材８とを有する。第１部材７は、周方向に発光管２を覆う。第２部材８は、発光管２を挟んで互いに向かい合うように配置される。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明が開示する技術を限定するものではない。

［実施形態］
図１は、実施形態に係る紫外線照射ユニットを示す平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ’断面図である。図１および図２に示すように、実施形態に係る紫外線照射ユニット１は、バリア放電ランプとしての発光管２、外部電極６を有する。発光管２は、内部電極３、反射膜４、リード線５、口金９を有する。なお、以降の説明では、バリア放電ランプを単に発光管２として説明する。また、本実施形態では紫外線照射ユニット１として、バリア放電ランプとしての発光管２の外部に外部電極６を有する構成としているが、紫外線照射ユニット１、より具体的にはバリア放電ランプとしての発光管２の外部に外部電極６が組み合わされた形態を「バリア放電ランプ」と称してもよい。

なお、説明を分かりやすくするために、図１および図２には、照射面側を正方向とし、背面側を負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後出の説明に用いる他の図面でも示している。

発光管２は、紫外光を透過する円筒状の部材である。発光管２の材料としては、例えば波長２００ｎｍ以下の真空紫外線透過率が高い合成石英が例示される。また、発光管２は、管軸方向（Ｘ軸方向）の両端がステム構造を有する封着部材で保持され、気密に封着されている。発光管２は、紫外線照射に伴う応力割れを抑制する観点から、例えば外径Ｄを３０ｍｍ以上とすることができる。また、発光管２は、例えば管軸方向の長さＬ_Ｙを７５０ｍｍとすることができる。

また、発光管２の内部にはガスが封入されている。ガスは、例えば８０～２００ｋＰａのキセノンガスである。なお、ガスは、例えば、クリプトン、キセノン、アルゴン、ネオン等のうち１種類、または複数種組み合わせたガスを含んで構成することができる。さらに、ガスは、必要に応じて、例えばハロゲンガスを含んでもよい。発光管２は、封入されたガスの種類に応じた特定のピーク波長を有する紫外光（エキシマ光）を発することができる。

内部電極３は、発光管２の内部に配置される。内部電極３は、螺旋状の導体が発光管２の管軸方向に延在している。内部電極３は、例えばタングステンを含む材料で形成される。具体的には、内部電極３は、全成分のうち５０％以上の成分がタングステンである。特に、タングステンにカリウムなどを添加したドープタングステンを内部電極３として適用すると、高温時でもより高い寸法安定性を保持することができる。内部電極３は、例えば、管軸方向のピッチＰを１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。

反射膜４は、発光管２の内面２ａに設けられ、紫外光を発光管２の内部へ反射する。反射膜４の材料としては、例えば、シリカが例示される。また、反射膜４は、シリカに限らず、例えばアルミナなどの紫外線散乱粒子を含む材料で構成されてもよい。反射膜４は、良好な反射率を保持する観点から、例えば厚さが１００μｍ以上３００μｍ以下となるように形成される。

また、反射膜４は、発光管２の周方向の角度θ４（以下、反射膜４の角度θ４と称する）が、外部電極６で覆われる発光管２の周方向の角度θ６（以下、外部電極６の角度θ６と称する）以上となるように配置される。これにより、発光管２で発生する紫外光を効率よく被照射体に向けて照射することができる。ただし、実施形態の変形例に係るバリア放電ランプとして、反射膜４を有しない態様も許容される。

外部電極６は、発光管２の背面側、すなわち反射膜４が設けられた発光管２の内面２ａに対応する発光管２の外面２ｂ側に、内部電極３と対向するように設けられる。外部電極６は、発熱した発光管２を放熱させる放熱ブロックとしての機能を兼ねており、例えば、アルミニウム製またはステンレス製とすることができる。

外部電極６は、第１部材７と一対の第２部材８とを有する。第１部材７は、発光管２の周方向に１８０°以下の角度θ７で発光管２を覆う。第１部材７と発光管２とは、互いに接していてもよく、離れていてもよいが、第１部材７と発光管２とを接触させると、放熱性を高めることができる。また、第１部材７の内部には、液体または気体の冷媒を流通させる流路１０を有する。流路１０内に冷媒を流通させることにより、放熱性がさらに高まる。なお、図２では２つの流路１０を有する例について図示したが、流路１０は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

一対の第２部材８は、Ｘ軸方向に沿って発光管２を挟んで互いに向かい合うように配置された第２部材片８ａ、８ｂを有する。第２部材片８ａ、８ｂは、固定化部材１１、１２を用いて第１部材７にそれぞれ固定されており、第１部材７および第２部材８が協働して外部電極６として挙動する。固定化部材１１、１２は、例えばねじである。このように、外部電極６が第２部材８を有することにより、第１部材７を単独で外部電極６として使用する場合と比較して紫外線照射ユニット１の設計上または性能上の自由度が増大する。なお、第１部材７および第２部材８は、接触により導通させることができるが、例えば導線など、図示しない導体を介して電気的に接続させてもよい。

ここで、外部電極６の角度θ６は、要求される積算光量または照度に応じて設定することができる。例えば、積算光量を高めるためには、１８０°＜θ６≦３００°とすることができる。一方、照度を高めるためには、３００°＜θ６≦３３０°とすることができる。

リード線５は、内部電極３と電気的に接続されている。また、リード線５は、交流電源に接続されたここでは図示しない点灯装置に接続されており、発光管２の内部に設けられる内部電極３と外部電極６との電極間に所定の電圧を印加させて発光させることができる。なお、リード線５は、図１のように発光管２の両端に設けられている構成に限定されず、例えば、発光管２の一端側のみに設けられる構成であってもよい。

口金９は、リード線５の一端側を覆うように配置され、発光管２の管軸方向の両端を支持する。なお、口金９は、図１のように外部電極６と口金９とが接触して設けられる構成に限定されず、例えば外部電極６と口金９とが間隙を有して設けられていてもよい。

［変形例］
図１、図２に示した外部電極６は、第１部材７と一対の第２部材８で構成されていたが、これに限られない。図３は、実施形態の変形例に係る紫外線照射ユニットを示す断面図である。図３に示す紫外線照射ユニット１Ａは、外部電極６が第１部材７と一対の第２部材８、さらに一対の第３部材１３で構成されている。

一対の第３部材１３は、Ｘ軸方向に沿って発光管２を挟んで互いに向かい合うように配置された第３部材片１３ａ、１３ｂを有する。第３部材片１３ａ、１３ｂは、固定化部材２１、２２を用いて第２部材片８ａ、８ｂおよび第１部材７にそれぞれ固定されており、第１部材７、第２部材８および第３部材１３が協働して外部電極６として挙動する。固定化部材２１、２２は、例えばねじである。このように、外部電極６が一対の第３部材１３をさらに有することにより、第１部材７および一対の第２部材８を外部電極６として使用する場合と比較して外部電極６の角度θ６を大きくすることができる。なお、図３に示した例では、固定化部材２１、２２が、一対の第２部材８および一対の第３部材１３をそれぞれ貫通することにより一体化されたが、これに限らず、例えば、第１部材７および一対の第２部材８、一対の第２部材８および一対の第３部材１３をそれぞれ固定化することで一体化させてもよい。

上述したように、外部電極６は、外部電極６で覆われる発光管２の周方向の角度θ６に応じて照度および積算光量を変化させることができる。図４は、外部電極の角度と長手方向１ｃｍ当たりの放電面積との関係を示す図である。図５は、外部電極の長手方向１ｃｍ当たりの放電面積と照度および積算光量との関係を示す図である。なお、「外部電極の長手方向１ｃｍ当たりの放電面積」とは、外部電極６の角度から算出される円弧の長さに発光管２の長手方向の長さ、具体的には１ｃｍ、を掛けた数値である。図５は、発光管２にキセノンを封入した場合を例示したものである。また、積算光量は、被照射体を１０ｍｍ／ｓの速度で管軸方向に搬送させた場合を例示したものである。

図５に示すように、外部電極６の角度θ６が大きい、すなわち外部電極６の長手方向１ｃｍ当たりの放電面積が大きいほど照度のピーク値は増大する。このため、照度を高めるためには、３００°＜θ６≦３３０°とすることができる。一方、角度θ６が大きいほど出射面積が減少するため、積算光量は極大値まで増大し、その後減少する。このため、積算光量を高めるためには、１８０°＜θ６≦３００°とすることができる。

ここで、図４に示す外部電極６の角度、すなわち角度θ６＝１８０°、２３８°、３２７°は、外部電極６として第１部材７のみを使用した場合、第１部材７および一対の第２部材８を使用した場合、第１部材７、一対の第２部材８および一対の第３部材１３を使用した場合、にそれぞれ対応している。ただし、外部電極６の角度θ６は図示したものに限らず、例えば一対の第２部材８および一対の第３部材１３の形状を変更し、所望の角度θ６とすることができることはいうまでもない。

［紫外線照射装置］
図６は、実施形態に係る紫外線照射ユニットを有する紫外線照射装置を示す図である。（ａ）は、管軸方向（Ｙ軸方向）、（ｂ）はＸ軸方向からそれぞれ見た図である。図６に示すように、実施形態に係る紫外線照射装置１００は、収容部５０と、点灯装置６０とを有する。収容部５０には、１または複数の紫外線照射ユニット１が収容されている。なお、紫外線照射ユニット１に代えて、紫外線照射ユニット１Ａを収容部５０に収容してもよい。

点灯装置６０は、収容部５０の背面側に配置されており、紫外線照射ユニット１の発光管２の内部に設けられる内部電極３および外部電極６と電気的に接続されている。このように収容部５０の背面側に点灯装置６０を配置させることにより、点灯装置６０とバリア放電ランプ１との間の配線長を短くすることができる。なお、点灯装置６０の配置については図９の様式に限定されず、例えば、点灯装置６０が、紫外線照射装置１００の外部に設けられてもよい。

また、点灯装置６０は、高電圧および高周波を出力可能なインバータを含み、図示しない交流電源からの電力を紫外線照射ユニット１の発光管２および外部電極６に供給可能に構成されている。点灯装置６０は、例えば周波数１２０ｋＨｚの正弦波を印加し、１ｋＷ程度のランプ電力で紫外線照射ユニット１の発光管２を点灯させることができる。

上述したように、実施形態に係る紫外線照射ユニット１、１Ａは、バリア放電ランプと、外部電極６とを具備する。バリア放電ランプは、発光管２および内部電極３を有する。発光管２は、ガスが封入され、紫外光を透過する。発光管２は、円筒状である。内部電極３は、発光管２の内部に配置され、発光管２の管軸方向に延在する。外部電極６は、内部電極３と対向するように発光管２の外面２ｂ側に設けられ、発光管２の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で発光管２を覆う。外部電極６は、第１部材７と一対の第２部材８とを有する。第１部材７は、周方向に発光管２を覆う。第２部材８は、発光管２を挟んで互いに向かい合うように配置される。これにより、実施形態に係る紫外線照射ユニット１、１Ａによれば、積算光量または照度を高めることができる。また、設計上または性能上の自由度が増大する。

また、実施形態に係る紫外線照射ユニット１、１Ａの発光管２は、反射膜４を具備する。反射膜４は、外部電極６と向かい合う発光管２の内面２ａに設けられ、紫外光を発光管２の内部へ反射する。反射膜４の周方向の角度θ４は、外部電極６で覆われる発光管２の周方向の角度θ６以上である。これにより、紫外光を効率よく被照射体に向けて照射することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１Ａ 紫外線照射ユニット
２ 発光管
３ 内部電極
４ 反射膜
５ リード線
６ 外部電極
７ 第１部材
８ 第２部材
９ 口金
１０ 流路
５０ 収容部
６０ 点灯装置
１００ 紫外線照射装置

Claims (4)

1. ガスが封入され紫外光を透過する円筒状の発光管および前記発光管の内部に配置され前記発光管の管軸方向に延在する内部電極を有するバリア放電ランプと；
   前記内部電極と対向するように前記発光管の外面側に設けられ、前記発光管の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で前記発光管を覆う外部電極と；
   を具備 し、
   前記外部電極は、前記周方向に前記発光管を覆う第１部材と、前記発光管を挟んで互いに向かい合うように配置される一対の第２部材とを有 する、紫外線照射ユニット。
2. 前記外部電極と向かい合う前記発光管の内面に設けられ、前記紫外光を前記発光管の内部へ反射する反射膜；
   を具備し、
   前記反射膜の前記周方向の角度は、前記外部電極で覆われる前記発光管の前記周方向の角度以上である、請求項１に記載の紫外線照射ユニット。
3. 請求項１または２に記載の紫外線照射ユニットと；
   前記紫外線照射ユニットを収容する収容部と；
   を具備する、紫外線照射装置。
4. ガスが封入され、紫外光を透過する円筒状の発光管と；
   前記発光管の内部に配置され、前記発光管の管軸方向に延在する内部電極と；
   前記内部電極と対向するように前記発光管の外面側に設けられ、前記発光管の周方向に１８０°超３００°以下または３００°超３３０°以下の範囲で前記発光管を覆う外部電極と；
   を具備 し、
   前記外部電極は、前記周方向に前記発光管を覆う第１部材と、前記発光管を挟んで互いに向かい合うように配置される一対の第２部材とを有 する、バリア放電ランプ。

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