TWI622082B - Excimer lamp and manufacturing method thereof - Google Patents

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Izumi Serizawa
Tomohiko Honda
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Abstract

獲致小型準分子燈及其製造方法，該準分子燈包括：發光管，其具備有底筒狀的內管、及在與該內管之間形成密閉的放電空間之外管，其由將放電氣體封入上述放電空間內的介電質構成；外側電極，其配置於該發光管的外管的外周面側；以及內側電極，其插入配置於該內管內；在該準分子燈中，不會因為內側電極和內管的熱膨脹係數的差而造成內管破損，且能夠有效率地放射紫外線。
一種準分子燈，其在該內管的內周面和內側電極的外周面之間，當該介電質屏障放電造成該內側電極熱膨脹時，抑制該內側電極對內管施以應力，並參酌該放電空間的大小及該放電電壓的大小，形成確保在該放電空間中的介電質屏障放電或容量結合型高頻放電的剖面積之緩衝空間。

Description

準分子燈及其製造方法
本發明係有關於一種利用介電質屏障放電或容量結合型高頻放電來放電發光的準分子燈及其製造方法。
準分子燈為，由石英、陶瓷等的讓準分子光穿透的介電質形成具有密閉放電空間的發光管，並將氙(xenon)等的稀有氣體、或將稀有氣體和鹵素氣體混合而成的混合氣體封入該放電空間內作為放電氣體。將數kV之高電壓施加於配置在放電空間內外的內部電極和外部電極之間時，在放電空間中產生介電質屏障放電或容量結合型高頻放電(以下稱之為介電質屏障放電)，使得準分子光被放射到發光管外部(例如參照專利文獻1)。
大型準分子燈，在其發光管或電極的形狀或構造上有相當大的自由度。另一方面，本案申請人所開發的小型準分子燈，其發光管之徑為8~20(mm)之譜，由有底筒狀的內管、及與該內管之間形成密閉放電空間的外管而構成發光管，並將放電氣體封入放電空間內。再藉由將高電壓(以下稱之為施加電壓)施加於配置在發光管外管的外周面側的外側電極和插入配置於內管內的內側電極之間，藉此在放電空間中產生介電質屏障放電。此種構造的準分子燈，其發光管由外管和有底筒狀 的內管所構成，因此具有發光管製造容易的優點，且由於內側電極為插入內管內的棒狀(柱狀)，因此具有電極製作及電極和燈的固定均容易的優點。
[先行技術文獻]
專利文獻1：日本特開平6-275242號公報
專利文獻2：日本特開2013-69533號公報
但是，在準分子燈中，將施加電壓施加於電極間，在放電空間中產生介電質屏障放電(準分子燈亮燈)時，電極被加熱(或者過熱)。尤其是，在如上述般內側電極為棒狀(例如圓柱狀)的情況下，由於被加熱的內側電極之熱膨脹而對內管施加徑方向的應力，有可能會因為此應力的影響而使內管發生畸變進而造成內管破損的情況。關於本申請人的申請之專利文獻2，係教示確保在該內側電極和內管之間有空間，以使得在內側電極和內管之間產生電暈放電，但完全沒有意識到兩者之接觸所造成的問題點。
本發明係基於上述的準分子燈(尤其是小型的準分子燈)的問題意識，其目的在於提供小型準分子燈及其製造方法，其不會因為內側電極和內管的熱膨脹係數的差而造成內管破損，且能夠有效率地放射紫外線。
本發明的準分子燈之特徵在於包括：發光管，其具備有底筒狀的內管、及在與該內管之間形成密閉的放電空間 之外管，其由將放電氣體封入上述放電空間內的介電質構成；外側電極，其配置於該發光管的外管的外周面側；以及內側電極，其插入配置於該內管內；藉由將放電電壓施加於該外側電極和內側電極之間，以使得在該放電空間中產生介電質屏障放電或容量結合型高頻放電的準分子燈，其中，在該內管的內周面和內側電極的外周面之間，當該介電質屏障放電或容量結合型高頻放電造成該內側電極熱膨脹時，抑制該內側電極對內管施以應力，並參酌該放電空間的大小及該放電電壓的大小，形成確保在該放電空間中的介電質屏障放電或容量結合型高頻放電的剖面積之緩衝空間。
在本發明的準分子燈之較佳實施形態中，由固持部封住該內管之底部的相反側的端部和插入於該內管的該內側電極之間的縫隙，並在該內管的底部內面和該內側電極的先端部之間，形成與該緩衝空間連通的軸端空間。
該緩衝空間之與發光管軸線垂直方向的剖面積為下記公式的範圍：0.05×G≦H≦0.1932×V×J；上述H表示緩衝空間的剖面積(mm2)，G表示內側電極的剖面積(mm2)，V表示施加電壓(kV)，J表示放電空間的剖面積(mm2)。
可以使該內管的底部和外管互相接觸。
具體言之，本發明的準分子燈，適用於該外管的外徑為8~20mm，且該外側電極和內側電極間的施加電壓為2~8kV的準分子燈。
本發明之準分子燈的製造方法的態樣之特徵在於包括：準備至少有一端部是開放的介電質構成的筒狀的外管素 材的步驟；準備介電質構成的有底筒狀的內管素材的步驟；以該內管素材之底部為前方，將該內管素材從該外管素材的該一端開放部插入的步驟；在該外管素材和內管素材之間形成放電空間，將放電氣體封入該放電空間內，並將該放電空間密閉的步驟；以及將具有與該內管素材的內周面之間形成緩衝空間之外徑的內側電極插入配置於該內管素材內，並將外側電極配置於該外管素材的外周面的步驟。
製造方法的較佳態樣中，更包括：將該內管素材的底部相反側的端部和內側電極之間的縫隙封住的步驟。
依據本發明，在小型準分子燈中，不會因為內側電極的熱膨脹而使發光管破損，而且能夠保證在放電空間中之介電質屏障放電的產生，並能夠有效率地放射紫外線。
10‧‧‧小型準分子燈
20‧‧‧發光管
30‧‧‧外側電極
31‧‧‧內側電極
32‧‧‧內側電極外周面
40‧‧‧外管
40X‧‧‧外管素材
42‧‧‧外管底部
43‧‧‧排氣管
44‧‧‧外管端部
50‧‧‧內管
50X‧‧‧內管素材
51‧‧‧內管內周面
52‧‧‧內管底部
53‧‧‧內管內周面和內側電極外周面的接觸部分
60‧‧‧放電空間
70‧‧‧緩衝空間
71‧‧‧軸端空間(緩衝空間)
80‧‧‧固持部
81‧‧‧交流電源部
第1圖顯示本發明準分子燈的第1實施形態，為通過準分子燈之軸線的剖面圖。
第2圖為沿著第1圖的II-II線的剖面圖。
第3圖為第1圖的III部放大剖面圖。
第4圖顯示本發明之準分子燈的第2實施形態，為對應於第1圖的剖面圖。
第5圖為沿著第4圖的V-V線的剖面圖。
第6圖(A)至(D)為顯示本發明的準分子燈之製造方法的一實施形態的剖面圖。
第7圖為顯示本發明之準分子燈的緩衝空間之剖面積、放電空間的剖面積、施加電壓及紫外線放射量之關係的實驗結果的圖。
以下，參照圖式說明本發明的實施形態。專利文獻2中記載的準分子燈為臭氧生成用的燈，其係為將大氣導入內側電極的周圍，並在該內側電極和發光管之間產生電暈放電，但本實施形態為抑制紫外線放射用的燈之破損的裝置，其不產生臭氧，而僅有効活用介電質屏障放電之紫外線。
第1圖至第3圖顯示本發明之小型準分子燈10的第1實施形態。
小型準分子燈10為一放電燈，其包括：石英玻璃、陶瓷等的透光性之介電質構成的發光管20、外側電極30、及柱狀的內側電極31，其係設置於進行紫外線照射等的裝置。本實施形態的發光管20(外管40)之直徑為8~20(mm)。
發光管20，在外管40、以及配置於外管40內的內管50之間有密閉空間(以下稱之為放電空間)60。在此實施形態中，外管40及內管50均為有底筒狀管形狀(剖面略U字形狀)，其一端(第1圖的右端)具有封閉的底部42及底部52，該底部42和底部52彼此接觸。外管40的另一端部41和內管50的外周部連結為一體(被熔融接著為一體)，在外管40和內管50之間構成剖面為甜甜圈狀(doughnut-shaped)的放電空間60。Xe等的稀有氣體、或稀有氣體和鹵素氣體的混合氣體被封入此放電空間60中以作為放電氣體。另外，內管50的底部52和外管40的底部42 也可以彼此不接觸。
在圖示例中，外管40及內管50係如第2圖所示般為剖面同心圓形狀，但也可以為楕圓形狀等非圓形剖面，只要是能夠在兩者之間形成密閉的放電空間60的形狀即可。
外側電極30係沿著外管40的外周面配置，其為例如帶狀、膜狀、或線狀等，以使得將從放電空間放出的準分子光向外部透出或反射。此外側電極30可以和外管40的外周面密接，也可以隔著既定的距離。另外，外側電極30設置於外管40的外周面之至少一部份即可。
內側電極31為例如直徑在0.7~4.0(mm)的範圍之圓柱狀。
另一方面，如第3圖所示，內側電極31於內管50內以同軸狀的方式配置在內管50的底部52之內側。在圖示實施形態中，在內管50中形成直徑向先端方向逐漸縮小的錐面50T，圓柱狀之內側電極31的先端外周緣31R抵接於此錐面50T，藉此使得內側電極31同軸狀地配置於內管50內。內管50之底部52相反側的端部和內側電極31，藉由插入兩者之間的環狀空間之固持部80而被固持為一體，在內側電極31的外周面32和內管50的內周面51之間形成和內管50同心狀的緩衝空間70。另外，在內側電極31的先端部和內管50的底部52之間，形成和此緩衝空間70連通的軸端空間71。固持部80可以由接著劑或收縮管構成。另外，也可以不藉由內側電極31的先端外周緣31R和錐面50T的抵接關係，而藉由固持部80使內側電極31和內管50配置為同軸。
外側電極30和內側電極31與交流電源部81連接。 透過交流電源部81將數kV的高頻高電壓作為施加電壓以施加於外側電極30和內側電極31之間時，在作為介電質的外管40和內管50之間產生介電質屏障放電。由於稀有氣體或稀有氣體和鹵素的混合氣體已封入放電空間60中作為放電氣體，因此藉由介電質屏障放電而在放電空間60內產生紫外光，亦即對應於稀有氣體及鹵素之波長的光。其結果為，從發光管放射出紫外光。另外，本實施形態並不需要有臭氧的產生、以及伴隨而來的臭氧的放出。因此，可以藉由例如固持部80將緩衝空間70密閉以防止在緩衝空間70中產生的臭氧放出。另外，也可以將例如惰性氣體等封入以使得密閉的緩衝空間70內沒有氧氣，來防止臭氧的發生。
緩衝空間70的尺寸(剖面積)係依後述方式決定。
首先，當此緩衝空間70的尺寸為0(亦即內側電極31和內管50的內周面51密接)時，則內管50(亦即發光管20)有破損之虞。準分子燈亮燈時，內側電極31的溫度有時會上升到數百度，當內側電極31的外徑和內管50的內徑幾乎相同，且內側電極31的外周面32和內管50的內周面51密接時，由於內側電極31的熱膨脹而對內管50施以徑方向的應力。此應力集中於例如內管50的底部52，其結果可能為造成準分子燈破損的要因之一。例如，當內側電極31由柱狀的金屬構成，而發光管20由石英玻璃構成時，兩者的線膨脹係數係以內側電極31較大。
在本實施形態中，係將緩衝空間70的最小剖面積(緩衝空間剖面積下限值Hmin)設定為，使得在內管50上不會產生像上述那樣的由內側電極31的熱膨脹而造成的應力集中。本 案發明者依經驗得知，在施加電壓為2~8(kV)的範圍內，可以由燈徑方向剖面中緩衝空間70的剖面積H、及內側電極31的剖面積G的關係，決定不會產生內管50破損的緩衝空間的剖面積之下限。具體言之，可以得知：當施加電壓為2~8(kV)時，可以用以下的公式(1)求出緩衝空間剖面積下限值(Hmin)。
(1)Hmin=0.05×G
其中，Hmin表示緩衝空間剖面積下限值(mm2)，G表示內側電極的剖面積(mm2)。
另一方面，緩衝空間70的最大剖面積(緩衝空間剖面積上限值Hmax)為，按照內側電極31的剖面積、放電空間60的剖面積、及施加於外側電極30和內側電極31之間的施加電壓，確保在放電空間60中的介電質屏障放電之發生的剖面積。換言之，此最大剖面積是抑制緩衝空間70之存在所造成的在放電空間60中的介電質屏障放電之減少(所伴隨的紫外線放射量的減少)的剖面積。準分子燈，依據其發光原理，若內側電極31的外周面32未接觸內管50的內周面51，則其徑方向静電容量變小、電場也變弱。當電場變弱時介電質屏障放電就會減少，且紫外線的放射量也減少。另外，當施以施加電壓時，有時在內側電極31和內管50之間會產生明顯的不平等電場，在緩衝空間70中產生流光電暈放電。當流光電暈放電發生時，會妨礙放電空間60中的介電質屏障放電，使得紫外線的放射量減少。
本案發明者由經驗得知：紫外線之放射量的減少量係隨著發生介電質屏障放電的放電空間的大小、妨礙介電質屏障放電要因之緩衝空間的大小、及施加電壓的大小而改變； 以及，當施加電壓V為2~8(kV)時，刻意不讓放電空間60中的介電質屏障放電減少的緩衝空間70之剖面積的最大值(緩衝空間剖面積上限值Hmax)係依以下的公式(2)求出。
(2)Hmax=0.1932×V×J
其中，Hmax表示緩衝空間剖面積上限值(mm2)，J表示放電空間的剖面積(mm2)，V表示施加電壓(kV)。
此外，在第1圖至第3圖的實施形態中，在內側電極31的先端部和內管50的底部52之間形成端部空間71。若像這樣形成端部空間71，則能夠抑制內管底部52所承受的內側電極31之熱膨脹造成的軸方向的應力。另外，藉由將容易集中燈徑方向之應力的內管底部52設置端部空間71，而能夠使其對於燈徑方向的應力有耐受性，再加上緩衝空間70，就能夠更進一步防止內管的破損。而且，也可以為省略端部空間71(使內側電極31和內管底部52密接)的態様、或者相反地，使內側電極31的先端部和內管50的底部52完全分離的態様。
第4圖及第5圖顯示本發明的小型準分子燈10的第2實施形態。
在此實施形態中，內管50的軸線和柱狀之內側電極31的軸線不一致，內側電極31配置為偏向內管50之內徑內的一方。亦即，內側電極31的外周面32和內管50的內周面51的一部53接觸，內管50的內周面51和內側電極31的外周面32之間之緩衝空間70並非與內管50(內側電極31)同軸。另外，內側電極31的先端部和內管50的底部52未接觸。
使該第2實施形態的小型準分子燈10亮燈時，與內 側電極31接觸的內表面53受到內側電極31之熱膨脹的應力之影響，但內側電極31由於熱膨脹而向具有緩衝空間70的方向移動。具有緩衝性(彈性)的固持部80使該內側電極31的移動成為可能。因此，即使內側電極31和內表面53接觸，只要有既定剖面積的緩衝空間就沒問題。另外，在第4圖及第5圖的實施形態中，內側電極31的軸線和內管50的軸線平行，不過也可以不平行，只要在兩者之間形成緩衝空間70即可。
如上述，即使內側電極31的軸線和內管50的軸線不一致，也不會對放電發光造成實質的不良影響。亦即，當內側電極31的軸線和內管50的軸線不一致時，內側電極31和外側電極30的距離在燈周方向上是不均一的，徑方向静電容量也沿著周方向有不均一的情況。在静電容量相對較大的部分，通常電場也相對較強，因而產生介電質屏障放電。因此，静電容量相對較小的另一電極部分所蓄積的電荷，朝向產生該介電質屏障放電的電極間部分移動。其結果為，在放電空間60內的特定空間領域中產生介電質屏障放電。紫外線放射係以該放電發生位置為中心發光，藉由施加電壓之施加而在整個電極間蓄積的電荷直接有效利用於介電質屏障放電，因此能夠得到具有光強度的紫外光。此種準分子燈，在供給電力小的情況下，藉由界定其放射方向而能夠以足夠強度發光。
第6圖顯示本發明的準分子燈之製造方法的一實施形態。
如第6圖(A)所示，由介電質構成的內管素材50X，係為先端底部52封閉的有底筒狀材，同樣由介電質構成的外管 素材40X則為一端開放部44為開放、另一端部具有小徑的排氣部43的筒狀材。上述的內管素材50X，係以其先端底部52為前方，從一端開放部44插入外管素材40X內，並使其底部52位於排氣部43的附近。
在此狀態下，將外管素材40X的一端開放部44加熱熔融，以使其和內管素材50X的外周熔接，構成和外管40的一端連接部41(同圖(B))。然後，從排氣部43將作為放電空間60的空間之空氣(氣體)排氣，並將放電氣體封入該放電空間60內之後(將放電空間60內的空氣置換為放電氣體後)，使該排氣部43軟化熔融(熔接)以形成底部52。該底部52與內管素材50X(內管50)的底部42接觸(同圖(C))。
繼之，將棒狀內側電極31插入內管素材50X內，並使其先端部與底部42接觸，用密封材(固持材)80固持底部42之相反側的端部之內管素材50X和內側電極31之間的環狀縫隙。另外，也可以將緩衝空間70密封(同圖(D))。內側電極31的外徑為，在其與內管素材50X的內周面51之間形成上述大小(剖面積)的緩衝空間70之外徑。另外，在外管40的外側配置外側電極30(同圖(D))。
外管素材40X的排氣部43也可以形成為孔，而不形成為同軸筒狀。
在本準分子燈10中能夠藉由選擇封入放電空間60的氣體，而改變發光波長。例如可以封入氬和氟的混合氣體，以使其放射波長193nm的光。另外，為了外管素材40X及內管素材50X之玻璃的脆化保護、以及防止玻璃和封入氣體的反 應，可以在外管及內管形成氧化鋁膜、二氧化鈦膜、氧化鎂膜等的保護膜。封入氣體中含有鹵素時，可以形成氟化鎂膜。
【實施例】
下文中使用實施例說明滿足上述(1)式的放電準分子燈10。
進行實驗，將準分子燈10之軸直交剖面中的緩衝空間70的剖面積相對於內側電極31的剖面積變動，再藉由亮燈以測定內管50有無破損。說明實驗的具體例。
使內側電極31的剖面積為3.14(mm2)(半徑1mm、一定)，並以具有緩衝空間70的剖面積在0.04~0.21(mm2)變動的發光管20的準分子燈為樣本群1~6，施加電壓為2~8(kV)以使其亮燈，並觀察內管50有無破損。後述表1為其結果。
依據表1，緩衝空間70的剖面積(mm2)為內側電極31的剖面積(mm2)之約4%的樣本1，發現內管50有破損，相對於此，同剖面積比超過5%的樣本2至6的內管50則沒有破損。亦 即，可以得知：內管50不發生破損的緩衝空間70之剖面積(mm2)和內側電極31的剖面積(mm2)之相關性，係為緩衝空間70的剖面積(mm2)為內側電極31的剖面積(mm2)之5%以上。另外，內側電極70的剖面積為0.38~12.5(mm2)之間的情況下，緩衝空間70的剖面積(mm2)和內側電極31的剖面積(mm2)的相關性亦導出相同的結果。
繼之，使用實施例說明滿足上述(2)式的放電準分子燈。
當放電空間60變大時，確保在放電空間60中紫外線之放射的緩衝空間70的剖面積H的大小也相對地變大。另外，因為施加電壓變高時紫外線放射量也變大，所以能推知緩衝空間70的剖面積H也相對地變大。在此，執行分別改變施加電壓V(kV)、緩衝空間70的剖面積H(mm2)、及放電空間60的剖面積J(mm2)的情況下之紫外線放射量的減少量測定實驗。
製作準分子燈以作為實驗樣本(實驗準分子燈)，其係使內側電極31的剖面積G為一定、並分別改變緩衝空間70的剖面積H(mm2)、施加電壓V(kV)、及放電空間60的剖面積J(mm2)，再測定各準分子燈的紫外線放射量。另外，製作比較準分子燈以作為上述各實驗準分子燈的紫外線放射量之比較対象，其係使施加電壓V及放電空間60的剖面積J和各實驗準分子燈相同，僅使緩衝空間70的剖面積H為緩衝空間剖面積下限值，並測定紫外線放射量，分別將各實驗準分子燈的紫外線放射量和比較用準分子燈的紫外線放射量進行比較。內側電極31的剖面積G為12.57(mm2)時的實驗結果作為具體例顯示於第7 圖中。
由第7圖可知，可依式(2)求出能夠抑制紫外線放射量之減少的緩衝空間60的剖面積H之最大值(緩衝空間剖面積上限值；Hmax)。而且，當內側電極31的剖面積G為0.3~13(mm2)、施加電壓V為2~8(kV)、放電空間60的剖面積J為8.5~300.5(mm2)的範圍中時，緩衝空間剖面積上限值Hmax和內側電極31的剖面積G、施加電壓V、及放電空間60的剖面積J的相關性也是導出幾乎相同的結果。

Claims (5)

  1. 一種準分子燈，其包括：一發光管，其具備有底筒狀的一內管、及在與該內管之間形成密閉的一放電空間之一外管，其由將放電氣體封入該放電空間內的一介電質構成；一外側電極，其配置於該發光管的該外管的外周面側；以及一內側電極，其插入配置於該內管內；藉由將一放電電壓施加於該外側電極與該內側電極之間，使得在該放電空間中產生一介電質屏障放電或容量結合型高頻放電的該準分子燈，其中，在該內管的內周面與該內側電極的外周面之間，形成一剖面積的緩衝空間，當該介電質屏障放電或容量結合型高頻放電造成該內側電極熱膨脹時，該剖面積的緩衝空間抑制該內側電極對該內管施以應力，並參酌該放電空間的大小及該放電電壓的大小，以確保在該放電空間中的該介電質屏障放電或容量結合型高頻放電；其中在該內管的底部內面與該內側電極的先端部之間，形成與該緩衝空間連通的軸端空間，且該內管的底部與該外管互相接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之準分子燈，其中：該緩衝空間之與該發光管軸線垂直方向的剖面積為下記公式的範圍：0.05×G≦H≦0.1932×V×J； 上述H表示該緩衝空間的剖面積(mm2)，G表示該內側電極的剖面積(mm2)，V表示施加電壓(kV)，J表示該放電空間的剖面積(mm2)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之準分子燈，其中該外管的外徑為8~20mm，該外側電極與該內側電極間的施加電壓為2~8kV。
  4. 一種準分子燈的製造方法，其包括：準備至少有一端部是開放的一介電質所構成之筒狀的一外管素材的步驟；準備該介電質所構成之有底筒狀的一內管素材的步驟；以該內管素材之底部為前方，將該內管素材從該外管素材的該一端開放部插入的步驟；在該外管素材與該內管素材之間形成一放電空間，將放電氣體封入該放電空間內，並將該放電空間密閉的步驟；其中該內管素材的底部與該外管素材互相接觸；以及將具有與該內管素材的內周面及底部內面之間形成緩衝空間之外徑的一內側電極插入配置於該內管素材內，並將一外側電極配置於該外管素材的外周面的步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之準分子燈的製造方法，更包括：將該內管素材的底部相反側的端部與該內側電極之間的縫隙封住的步驟。
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