JP4230862B2 - 誘電体バリア放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプの一種である誘電体バリア放電ランプに関する。

誘電体バリア放電ランプは、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成し、このエキシマ分子から放射される光を利用した放電ランプであり、例えば光化学反応用の紫外線光源等に使用される。このような放電ランプとしては、以下に示す特許文献１に開示されているようなものが知られている。

特許文献１に記載の誘電体バリア放電ランプは、誘電体としての細長い直管状の放電容器を有している。放電容器の側面部の外周面には、光透過性の外部電極が設けられており、放電容器の内部には、当該放電容器の長手方向に沿って延びる内部電極が設けられている。放電容器の両端部はピンチシールにより封止されており、このピンチシール部にて内部電極の端部が保持されている。内部電極は、放電ランプの周囲温度の上昇時や放電時における放電容器の材料と内部電極の材料との間の熱膨張差を吸収する等の目的で、コイル状となっている。また、放電容器の内部には、内部電極と接する状態で、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されている。
特開２００１−８４９６６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の誘電体バリア放電ランプは、製造時、内部電極に欠陥が生じやすく、歩留まりが悪いという問題点がある。

本発明の目的はかかる問題点を解決することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討した結果、一般的に行われているランプ製造工程に一因があることを見出した。すなわち、誘電バルア放電ランプを製造する場合、放電容器にエキシマ放電用の希ガスを封入した直後、排気管を閉じる前に、適正に希ガスが封入されたか否かを実際に放電させてチェックするのであるが、この試験放電によって内部電極のコイル状部分が伸びてしまう場合があることを見出した。特許文献１に記載の放電ランプでは、内部電極のほぼ全長がコイル状とされているが、本発明者らは更に、コイル状部分を内部電極の一部に限り、その他の部分を直線状部分とした場合であっても、コイル状部分と排気管とが近接している場合には、コイル状部分にやはり伸びが生じることを確認した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、封止された排気管を側面部に有する管状の放電容器と、この放電容器の内部に配置されると共に該放電容器の軸線方向に沿って延び、各端部が放電容器の対応の封止端部にて固定され、且つ、直線状部分とコイル状部分とを有している内部電極と、放電容器の側面部の外周面に設けられた外部電極とを備える誘電体バリア放電ランプにおいて、コイル状部分が排気管から所定の距離以上離れて配置されていることを特徴としている。なお、前記所定の距離とは、以下で詳細に述べるが、ランプ製造工程における試験放電における不具合を防止できる最短の距離である。

また、この所定の距離を最大限に取るために、コイル状部分を一方の封止端部の近傍に配置し、排気管を他方の封止端部の近傍に配置することが好適である。更に、外部電極は、排気管とコイル状部分との間に配置され、かつ、排気管とコイル状部分とから軸線方向において離間されているとよい。

なお、放電容器の端部はピンチシールにより封止されることが、内部電極の端部を封じ込める作業を容易に行うことができる等の理由から、有効である。

本発明による誘電体バリア放電ランプでは、排気管と内部電極のコイル状部分との間が十分に開けられることから、ランプ製造時の試験放電での不具合を解消することができ、ランプ特性は安定したものとなる。また、欠陥の発生率も少ないため、歩留まりが向上するという効果もある。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。

図１は、本発明の第１実施形態に係る誘電体バリア放電ランプを示す側面図であり、図２は図１のII−II線に沿っての断面図である。図示の誘電体バリア放電ランプ１０は、細長い直管状ないしは円筒状の放電容器１２を備えている。この放電容器１２は密閉されており、その内部にはエキシマ放電用の希ガスが封入されている。放電容器１２は、誘電体バリア放電における誘電体を構成すると共に、放電容器１２の内部からの放電による発光を外部に放射することができるよう、電気的絶縁性であり且つ光透過性である材料から作られており、好ましくは石英ガラスから作られている。また、放電容器１２の寸法については適宜定められるが、本実施形態では、外径約１０ｍｍ、内径約８ｍｍ、長さ約４００ｍｍとする。

放電容器１２の内部には、内部電極１４が配置されている。内部電極１４は長尺の導電体であり、放電容器１２とほぼ同軸に配置され、その各端部１６ａ，１６ｂが放電容器１２の対応の封止端部１８ａ，１８ｂにて支持されている。図示実施形態では、内部電極１４は、外径が０．１８ｍｍのタングステン製線材から作られている。また、図示実施形態の内部電極１４は、そのほぼ全長にわたり直線状となっているが、その一部にコイル状部分１４ａが形成されている。このコイル状部分１４ａは、内部電極１４が放電容器１２内にて支持された状態において、直線状部分１４ｂ，１４ｃに張力を与え、弛みを防止するために設けられている。また、放電ランプ１０の周囲温度の上昇時や放電時における放電容器１２の材料と内部電極１４の材料との間の熱膨張差を吸収するためでもある。コイル状部分１４ａは、その他の直線状部分１４ｂ，１４ｃとほぼ同軸とされており、その外径は、放電容器が上で例示した寸法で、内部電極１４が外径０．１８ｍｍのタングステン製線材から形成されている場合、例えば約０．８ｍｍとすることが好ましい。

内部電極１４の両端１６ａ，１６ｂにはそれぞれ、モリブデン箔のような金属箔２０ａ，２０ｂが接続されている。図示実施形態において、金属箔２０ａ，２０ｂは矩形であり、その短辺側の一端の中央部に内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂが溶接等によって接続されている。また、金属箔２０ａ，２０ｂの他端の中央部にはモリブデン線のようなリード線２２が溶接等によって接続されており、このリード線２が外部の点灯電源２４に接続されるようになっている。

内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂ、及び、これに接続された金属箔２０ａ，２０ｂ、更にリード線２２の金属箔側端部２６ａ，２６ｂは、放電容器１２の対応の封止端部１８ａ，１８ｂに封じられ、これによって内部電極１４は放電容器１２の両端部１８ａ，１８ｂ間で張設される。

なお、図示実施形態では、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂはピンチシールにより封止されている。すなわち、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂは、放電ランプ１０の製造初期は開放状態にあるが、そこに内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂ、金属箔２０ａ，２０ｂ及びリード線２２の端部２６ａ，２６ｂを配置した後、加熱溶融して両側から機械的に押え密着させることで、内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂ、金属箔２０ａ，２０ｂ及びリード線２２の端部２６ａ，２６ｂを挟み込んだ形で封止される。

以下で詳細に説明するが、ピンチシールによる封止を行う場合、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂから排気を行うことは困難となることから、放電容器１２の側面部２８に排気管３０が形成される。この排気管３０を通して排気が行われ、その後、エキシマ放電用の希ガスが封入される。排気管３０は、希ガスの封入後、バーナーにより高熱で切断され封止される。図１及び図２に示す排気管３０は、封止された状態を示している。

本実施形態では、排気管３０は、放電容器１２の一方の端部１８ａの近傍に形成されている。また、放電容器１２の他方の端部１８ｂの近傍には、内部電極１４のコイル状部分１４ａが配置されている。従って、長さ約４００ｍｍの放電容器１２にあって、排気管３０とコイル状部分１４ａの内側端部（排気管３０側の端部）との間の距離は３００ｍｍ以上としている。

放電容器１２の側面部２８の外周面には外部電極３２（図１において二点鎖線で示す部分）が設けられている。図示の第１実施形態において、外部電極３２は、展開した状態ではその外形が矩形となっており、図２から理解される通り、放電容器１２の中心軸線を通る面Ｐを基準にして、時計回りと反時計回りにそれぞれ約１２０度の角度範囲で、面対称に形成されている。外部電極３２の側縁（放電容器１２の中心軸線と平行な縁）３４ａ，３４ｂ間は開放され、この部分が光放射部３６となっている。外部電極３２は導電性膜、好ましくは金属膜で、具体的にはアルミニウムを約３００ｎｍの厚さで放電容器１２に蒸着させたものであり、電極としての機能のみならず、反射鏡としての機能も備えている。従って、放電容器１２の内部にて放電によって生じた光は、外部電極３２の内側の面で反射され、外部電極３２の側縁３４ａ，３４ｂ間の光放射部３６を通って外部に放射されることになる。

なお、外部電極３２の端縁３８ａ，３８ｂは、それぞれ、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂから軸線方向に所定の距離だけ離れた位置に設定されている。この所定の距離は約１５〜２０ｍｍ程度であるが、内部電極１４のコイル状部分１４ａ側の端縁３８ｂは、コイル状部分１４ａの内側端部から更に約５〜２０ｍｍ程度離して配置することが好ましい。また、外部電極３２の端縁３８ａは、排気管３０よりも内側に配置されており、端縁３８ａと排気管３０との間の距離は６ｍｍ以上とすることが好適である。

以上のような構成の誘電体バリア放電ランプ１０は次のようにして製造される。この製造方法は一般的なものである。

まず、両端が開放された放電容器１２を用意し、その放電容器１２の開放端部（１８ａ，１８ｂ）に、内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂ、金属箔２０ａ，２０ｂ及びリード線２２の端部２６ａ，２６ｂを配置した後、加熱溶融して両側から機械的に押え密着させる。すなわち、ピンチシールによって、内部電極１４の端部１６ａ，１６ｂ、金属箔２０ａ，２０ｂ及びリード線２２の端部２６ａ，２６ｂを挟み込んだ形で、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂを封止する。このような手順で放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂを封止する場合、放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂに排気流路を形成することは困難となり、そのため、放電容器１２の側面部２８に予め排気管（図３においては符号１３０で示す）を形成しておくこととなる。なお、放電容器１２の寸法が上述したように外径約１０ｍｍ、内径約８ｍｍ、長さ約４００ｍｍである場合、排気管１３０の寸法は、例えば外径約４ｍｍ、内径約２ｍｍ、長さ約９０ｍｍ程度とされる。

この排気管３０は、図３に示すような排気・ガス封入装置１００の枝排気管１０２，１０４，１０６の一つに接続される。図３の排気・ガス封入装置１００において、枝排気管は３本あり、それぞれ主排気管１０８に連通されているが、これは種々の放電容器における排気管の位置に応じて接続すべき枝排気管を選択できるようにしたものであり、図示の例では、２本の枝排気管１０４，１０６は用いられないため、その端部は適当な封止栓１１０によって閉じられる。これらの枝排気管１０２，１０４，１０６及び主排気管１０８は金属製（導電性）である。

放電容器１２の排気管１３０と枝排気管１０２との接続後、バルブ１１２を開け、ターボポンプ等の真空ポンプによって主排気管１０８及び枝排気管１０２を介して放電容器１２内を排気する。真空度が１０^-5〜１０^-7Ｐａ程度になったことを確認した後、バルブ１１２を閉じ、バルブ１１４を開けて希ガス導入源よりエキシマ放電用の希ガスを導入する。

一般に、希ガス導入後であって排気管１３０を閉じる前に、それまでの工程に不具合がなかったかを試験するために、図４及び図５に示すような電極板１１６，１１８を放電容器１２の側面部２８に取り付け、高圧電源１２０の低電圧側をこれらの電極板１１６，１１８に接続すると共に、高電圧側を内部電極１４につながるリード線２２に接続して放電を起こさせる。このときの放電容器１２内のガス圧は、２６ｋＰａ〜５５ｋＰａ、高圧電源１２０から電極板１１６，１１８と内部電極１４との間に印加する電圧は、周波数約６０ｋＨｚで電圧１ｋｖ〜２ｋｖの高周波電圧とする。

かかる試験放電においては、正常であれば、放電色は白若しくは紫色となる。一方、放電容器１２内に空気等の不純ガスが混入している場合、若しくは、放電容器１２のガラス内面から不純ガスが放出された場合、放電色が緑色になることがある。この場合には、再度、真空ポンプで排気した後、エキシマ放電用の希ガスを導入する。

試験放電により正常であると確認されたならば、高圧電源１２０及び電極板１１６，１１８を取り外し、排気管１３０をバーナーにより切断、封止する。この後、外部電極３２を放電容器１２の側面部２８の外面に蒸着させることで、製品としての誘電体バリア放電ランプ１０が完成する。

上述したような製造工程において、試験放電を行う際、内部電極１４から排気管３０を通して金属製の枝排気管１０２に放電が起きて内部電極１４が加熱することがある。これは、希ガスが放電容器１２の内部に大気圧よりも低い圧力で封入されている場合、高周波電圧が封入希ガスを通して金属部と放電しやすいという性質によるものである。特に、仮に図４の二点鎖線で示すように内部電極１４のコイル状部分１４ａが排気管１３０の近傍に配置されている場合、コイル状部分１４ａと枝排気管１０２との間で放電しやすいことを本発明者らは見出した。この場合、コイル状部分１４ａが放電による過度の加熱によって伸びてしまい、放電ランプとしての特性を維持できなくなることが多い。

また、本発明者らは、コイル状部分１４ａと排気管１３０とが互いに近い位置にあっても、排気管１３０の長さが約９０ｍｍ以上であれば、内部電極１４と枝排気管１０２との間での放電が起こりにくくなり、３００ｍｍ程度にすれば、放電は殆ど生じないことを確認した。

しかしながら、排気管１３０を長くすることは、排気管１３０が弱い衝撃によっても割れやすくなるため取扱いが困難となり、実用的ではない。

そこで、本発明者らは、排気管１３０と内部電極１４のコイル状部分１４ａとの間の距離やコイル状部分１４ａの長さ等を変えた種々のサンプルを用意し、実験を繰り返した。その結果、排気管１３０の長さが９０ｍｍ以下であっても、排気管１３０からコイル状部分１４ａまでの距離が大きくなればなるほど、内部電極１４と枝排気管１０２との間の放電によって、コイル状部分１４ａが放電による過度の加熱によって伸びることが起こりにくくなることを見出した。

以上から理解されるように、排気管１３０からコイル状部分１４ａまでの距離は、試験放電においてコイル状部分１４ａと枝排気管１０２との間の放電が生じない距離とすればよく、試験放電でのコイル状部分１４ａの伸びという問題は解消される。特に、一定の長さの放電容器１２においては、図１に示すように、排気管３０（１３０）を放電容器１２の一端側、コイル状部分１４ａを他端側に配置することが、排気管３０（１３０）とコイル状部分１４ａとの間の距離を最大とすることができるので好適である。

上述したように製造された図１及び図２に示す誘電体バリア放電ランプ１０において、点灯電源２４を外部電極３２とリード線２２に接続し、外部電極３２と内部電極１４との間に周波数約６０ｋＨｚの交流電圧を印加すると、放電容器１２内の希ガスが誘電体バリア放電を起こし、紫外線が照射される。内部電極１４は希ガスに曝されているため、外部電極３２と内部電極１４との間に印加される交流電圧は約１ｋＶ〜２ｋＶ程度の低い値でよい。紫外線の一部は、外部電極３２が形成されていない光放射部３６から直接放射され、残りの紫外線は外部電極３２の内面により反射された後、光放射部３６から外部に放射される。前述したように、ランプ製造時における内部電極１４のコイル状部分１４ａの伸びは防止されているので、放電は安定して生じる。また、複数の放電ランプ１０の放電特性も一定のものとなる。

なお、排気管３０と外部電極３２との間に間隙が形成されているため、排気管３０の根本部（排気管３０と放電容器１２の側面部２８との間の境界部４０）では放電は発生しない。排気管３０と放電容器１２の側面部２８との間の境界部４０には、排気管３０の形成時及び切断・封止時に加えられる熱により歪みが生じているが、当該部位で放電が発生しないことから、熱歪み部に放電による負荷がかからず、クラックの発生を抑制ないしは防止することができる。

また、排気管３０と放電容器１２の側面部２８との間の境界部４０は、放電容器１２のその他の部分に比して曲率変化が大きい。このため、当該部位で放電を発生させても、その放電は不安定なものとなる。これに対して、本実施形態では、当該部位で放電は生じないため、放電ランプ１０全体として放電が安定することとなる。

更に、本実施形態では、外部電極３２は放電容器１２のピンチシールされた端部１８ａ，１８ｂから離れているため、ピンチシールによる影響が回避されている。すなわち、ピンチシールにより放電容器１２の端部１８ａ，１８ｂ近傍にはシリカが付着し光透過量が低下し、また熱歪みも生じるが、その影響を受けない。

更にまた、内部電極１４にはコイル状部分１４ａが形成されており、且つ、外部電極３２は内部電極１４の直線状部分１４ｂのみを囲むように配置されているため、放電プラズマからの発光強度の変動も防止される。内部電極１４は放電時の電極周囲温度の上昇や放電ランプの周囲温度の変化により内部電極１４は熱膨張・熱収縮するが、その膨張・収縮をコイル状部分１４ａで吸収するため、直線状部分１４ｂと外部電極３２との間の距離は略一定に保たれる。従って、放電プラズマからの発光強度も略一定となるのである。

以上、本発明の最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態では、コイル状部分は比較的短いものが内部電極の一カ所にのみ形成され、その他の部分は直線状部分となっているが、複数箇所に比較的長い内部電極を形成してもよい。但し、その場合においても、排気管と最短のコイル状部分との間の距離は所定距離以上、すなわちランプ製造時の試験放電において内部電極と排気・ガス封入装置における枝排気管との間の放電が生じない距離とする必要がある。

本発明による誘電体バリア放電ランプの一実施形態を示す側面図である。 図１のII−II線に沿っての概略断面図である。 図１の誘電体バリア放電ランプを製造する工程を示す説明図である。 図１の誘電体バリア放電ランプを製造する工程であって、試験放電時の状態を示す説明図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿っての端面図である。

符号の説明

１０…誘電体バリア放電ランプ
１２…放電容器
１４…内部電極
１４ａ…コイル状部分
１８ａ，１８ｂ…封止端部
２８…側面部
３０，１３０…排気管
３２…外部電極
１００…排気・ガス封入装置
１０２，１０４，１０６…枝排気管
１１６，１１８…電極板
１２０…高圧電源

Claims (3)

1. 封止された排気管を側面部に有する管状の放電容器と、
   前記放電容器の内部に配置されると共に該放電容器の軸線方向に沿って延び、各端部が前記放電容器の対応の封止端部にて固定され、且つ、直線状部分とコイル状部分とを有している内部電極と、
   前記放電容器の前記側面部の外周面に設けられた外部電極と
   を備える誘電体バリア放電ランプであって、
   前記コイル状部分が一方の前記封止端部の近傍に配置され、前記排気管が他方の前記封止端部の近傍に配置されていることを特徴とする誘電体バリア放電ランプ。
2. 前記外部電極が、前記排気管と前記コイル状部分との間に配置され、かつ、前記排気管と前記コイル状部分とから前記軸線方向において離間されていることを特徴とする請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプ。
3. 前記放電容器の前記封止端部がピンチシールにより封止されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体バリア放電ランプ。
   

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