(57)【要約】【課題】  放電容器にクラックを生じることなく、ランプの発光効率を高めるために効率よくランプを冷却することができるエキシマ放電ランプ光源装置を提供すること。【解決手段】  誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外壁に電極を備えたエキシマ放電ランプと、このエキシマ放電ランプを冷却する金属ブロックとが収納されたランプハウスを備え、該エキシマ放電ランプからの光を該金属ブロックとは反対側に位置する被照射物に照射するエキシマ放電ランプ光源装置において、エキシマ放電ランプの放電容器の略全長に亘り、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構を備えたことを特徴とするエキシマ放電ランプ光源装置とする。【選択図】  図１
2008147058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外壁に電極を備えたエキシマ放電ランプと、このエキシマ放電ランプを冷却する金属ブロックとが収納されたランプハウスを備え、該エキシマ放電ランプからの光を該金属ブロックとは反対側に位置する被照射物に照射するエキシマ放電ランプ光源装置において、
該エキシマ放電ランプの放電容器の略全長に亘り、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構を備えたことを特徴とするエキシマ放電ランプ光源装置。
【請求項２】
該支持機構が、該放電容器端部でランプを保持するランプベースと該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ光源装置。
【請求項３】
該ランプベースには、該ランプベースの中心から偏倚させてランプ保持孔が形成されており、該孔に該エキシマ放電ランプを挿入し固定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ光源装置。
【請求項４】
該ランプホルダは、該ランプベースを挟む挟持部分と、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分とからなり、該支持部分の長さを適宜設定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ光源装置。
【請求項５】
前記放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極が前記金属ブロックと離間する距離が０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエキシマ放電ランプ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘電体バリア放電を行うエキシマ放電ランプの光源装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、誘電体からなる気密容器内部にキセノンなどの希ガスを封入し、誘電体をはさんで配置される一対の電極間に、高周波電圧を印加して封入空間内で誘電体バリア放電を行うことによりキセノンを一時的にエキシマ状態にし、基底状態にエネルギー準位が下がるときに紫外線を放出するエキシマ放電ランプが半導体・電子部品の表面洗浄・表面改質などの光源として使用されている。
【０００３】
特許文献１（特許第3757790号公報）には、図７に示すような、誘電体バリア放電ランプ（＝エキシマ放電ランプ）を使った光源装置100´が開示されている。
放電容器11´の誘電体として合成石英ガラスを使用したエキシマ放電ランプ10´は、液晶ガラス基板の光洗浄やプラスチック材料の表面改質等に利用されている。ランプは専用のランプハウス20´に搭載され、このランプハウス20´内にはエキシマ放電ランプ10´、ランプ冷却用の金属ブロック30´が収納され、被照射物側に光取り出し窓40´が備わっている。
金属ブロック30´には、冷却手段として、水冷パイプ31´が埋設されており、冷却水が流通し、金属ブロック30´を冷却している。ランプの冷却が必要な理由は、放電容器11´の紫外線透過率が昇温により低下するのを抑制するためであり、放電容器11´内のエキシマ生成ガスの温度が上がり、エキシマ発光効率が低下するのを抑制するためである。
この金属ブロック30´には、平板状もしくはランプ形状に合わせた溝部32´が切ってあり、ランプ10´は放電容器11´外壁上の網状電極１２´を金属ブロック30´に接する形で固定され、冷却された金属ブロック30´によりランプ10´は冷却されていた。１６´は内側電極である。
【０００４】
ところが、このような金属ブロックを使用してランプを冷却するタイプのエキシマ放電ランプ光源装置において、1000時間を越える長時間の点灯によって、エキシマ放電ランプの放電容器にクラックを生じるものがあることが分かった。
特に、放電容器の長さが８００ｍｍを超える長さのエキシマ放電ランプにおいて、クラックの発生が起き易いことが分かった。
【特許文献１】特許第3757790号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は、金属ブロックによるランプの冷却状態について鋭意検討を行った。
金属ブロックに電極を介してランプを接触させた場合でも、金属ブロックに接している部分の温度は、電極およびその下面の放電容器外壁も金属ブロックの温度にほぼ等しくなるまで冷却される。具体的には１００℃程度に冷却されることがわかった。
【０００６】
一方、金属ブロックに接していない部分である、金属ブロック側とは反対側の放電容器外壁の温度は、投入電力にもよるが、３００〜３５０℃程度の高温度に達することが分かった。つまり、ランプの「表」と「裏」で２００ｄｅｇ以上の温度差が生じていたことになる。
【０００７】
この温度差が以下のごとくランプ寿命を短くする要因となると推測される。図６は金属ブロックとの位置関係においてランプにどのような力が掛かっているかを模式的に示した図である。図６（ａ）は熱膨張による応力を示し、図６（ｂ）は紫外線歪の蓄積による応力を示す。
まず、図６（ａ）にあるように、第一に、ランプの金属ブロック側と、金属ブロック側とは反対側のランプの、いわば「表」と「裏」で温度差による熱膨張差を生じることになる。具体的には、例えば全長が１ｍのランプでは０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの膨張差を生じる。このため、金属ブロック側とは反対側において、ランプを曲げる方向（図６（ａ）の矢印の方向）の引っ張り応力が加わり、金属ブロック側とは反対側の放電容器部分にクラックが生じ破損しやすくなる。１ｍを超える長尺のランプでは、この影響がいっそう大きくなる。
【０００８】
次に、エキシマ放電ランプを点灯すると放射された紫外線が放電容器に照射されるため、放電容器には図６（ｂ）の矢印で示すように、大きさの異なる紫外線歪が蓄えられる。一般に石英ガラスに蓄積される紫外線歪は、温度が低いほど多く蓄積されるため、ランプの「表」と「裏」では、温度の相違によって紫外線歪（残留応力）の蓄積量が異なる。よって、金属ブロック側の放電容器部分に多く紫外線歪が蓄積され、放電容器全体の応力バランスが崩れ、ランプが破損しやすくなる。
【０００９】
冷却ブロックを使用しなければ上記の問題は解消されるが、ランプが過熱状態（約４５０℃以上）になり、放電容器内のガスの温度が上昇し、エキシマ発光効率が低下し、また、放電容器の紫外線透過率が低下するので、光出力が低下してしまう。また、高温により電極等のランプ構成部品が劣化し、ランプの寿命を早める結果となってしまう。
そこで、本発明の目的は、効率よくランプを冷却することで光出力の低下を防ぎ、かつ、放電容器にクラックを生じることなく、ランプ構成部品の劣化も抑え、長時間にわたりランプが使用できるエキシマ放電ランプ光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上のことから、金属ブロックを用いるが、ランプにクラックの発生や発光効率の低下といった不具合を生じない光源装置を提供するには、次の手段が必要であるとの結論に至った。
【００１１】
第一の手段は、誘電体からなる放電容器にエキシマ生成ガスが封入され、該放電容器の外壁に電極を備えたエキシマ放電ランプと、このエキシマ放電ランプを冷却する金属ブロックとが収納されたランプハウスを備え、該エキシマ放電ランプからの光を該金属ブロックとは反対側に位置する被照射物に照射するエキシマ放電ランプ光源装置において、該エキシマ放電ランプの放電容器の略全長に亘り、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構を備えたことを特徴とするエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
【００１２】
第二の手段は、該支持機構が、該放電容器端部でランプを保持するランプベースと該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
【００１３】
第三の手段は、該ランプベースには、該ランプベースの中心から偏倚させてランプ保持孔が形成されており、該孔に該エキシマ放電ランプを挿入し固定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
【００１４】
第四の手段は、該ランプホルダは、該ランプベースを挟む挟持部分と、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分とからなり、該支持部分の長さを適宜設定することにより、放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロックから離間して保持することを特徴とする請求項２に記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
【００１５】
第五の手段は、前記放電容器外壁および該放電容器外壁上の電極が前記金属ブロックと離間する距離が０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエキシマ放電ランプ光源装置とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ランプの放電容器の、金属ブロック側とその反対側におけるランプ点灯時の温度差の緩和することができ、ランプ過熱の問題もなく、放電容器にクラックを生じることなく、しかもランプの発光効率を高めるために効率よくランプを冷却することができるエキシマ放電ランプ光源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の実施の形態を示す光源装置の構成図であり、図１（ａ）はランプの管軸方向での光源装置の断面図で示したものである。
エキシマ放電ランプ１０はその両端でランプベース１３が取り付けられ、ランプベース１３はランプホルダ１４に支持され、ランプホルダ１４はランプハウス５０に固定されている。
なお、この図１では放電容器外壁上の電極を省略してある。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図を示すが、金属ブロック３０には水冷管３１が配設され、その中を冷却水が流れている。金属ブロック３０には溝部３２が形成されており、この金属ブロック３０に対して、エキシマ放電ランプ１０は、全長に亘り離間して配設される。金属ブロック３０はアルミニウムまたは銅からなる。なお、金属ブロック３０の溝部３２は必須のものではなく、ランプ形状によってはランプ側の面は溝のない平面状であってもよい。
【００１８】
放電容器外壁および放電容器外壁上の電極を、金属ブロックから離間して支持するランプ支持機構は、放電容器端部でランプを保持するランプベースと該ランプベースを前記ランプハウスに固定するランプホルダとからなる。
図１（ｃ）は、図１（ａ）のＤ−Ｄ断面図を示すが、このランプベース13には、ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔１３ａが形成されており、該孔に該エキシマ放電ランプ10を挿入し固定することにより、放電容器１１外壁および放電容器外壁上の電極を、金属ブロック30から離間して保持することとなる。
【００１９】
ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔１３ａが形成されているとは、以下のことをいう。図９は、ランプベースのランプ保持孔について説明する図であり、ランプベースをランプ管軸に垂直な面でみた図である。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はランプベースの形状の例を示す。図中、外郭の内側の破線の丸が従来の、ランプベースの中心に開けられたランプ保持孔の位置を示し、外郭の内側の実線の丸が、ランプベースの中心から偏倚させたランプ保持孔１３ａの位置を示している。図９（ａ）にはＡの位置からＢの位置へランプ保持孔の中心をずらし、偏倚させた状態を示した。
【００２０】
また、図１（ｃ）で示したが、ランプホルダ１４は、ランプベース１３を挟む挟持部分１４ａと、該挟持部分につながりランプハウスへ到るまでの支持部分１４ｂとからなっており、該支持部分１４ｂの長さを適宜設定することにより、放電容器１１外壁および該放電容器外壁上の電極を、該金属ブロック３０から離間して保持することもできる。
【００２１】
なお、ランプベースとランプホルダは別々とせず、ランプ端部を挿入保持するランプベース部分とランプベース部分をランプハウスに固定するランプホルダ部分が一体となっていてもよい。
【００２２】
図２は本発明に適用されるエキシマ放電ランプの具体的な構成を示す第一の実施例であるが、外形が概略円筒状である外側管１１ａと内側管１１ｂとを同軸に配置して、該両管の間に両端が閉じられた中空円筒状の放電空間を形成した放電容器１１を備え、該放電容器内にエキシマ生成ガスが充填され、内側管１１ｂの内側に、少なくとも一部が金属からなる内側電極16が設けられ、外側管11aの外壁に外側電極である導電性の網状電極１２が設けられている。図２（ａ）は管軸に沿った断面図であり、図２（ｂ）はA-A断面図である。
この例においては、このランプベース13には、ランプベース13の中心から偏倚させてランプ保持孔１３ａが形成されており、該孔１３ａに該エキシマ放電ランプを挿入し固定することにより、この金属ブロック（不図示）に対して、ランプは全長に亘り電極及び放電容器ともに離間して配設される。図２において、ランプベース１３の断面は、図中、紙面の管軸に垂直な方向で見た上方が下方よりも厚くなっている様子を示している。
【００２３】
図３は第二の実施例であるが、一対の電極のうちの内側電極１６が放電容器11の中心に内管１７中に配置され、他方の外側電極２２が放電容器の外壁にコイル状に巻きまわして配置される。図中１８は内管を支える支持体である。
【００２４】
図４は第三の実施例であるが、角型の放電容器１１を備えたエキシマ放電ランプ１０であり、放電容器外壁には一対の電極２２，２２が配置されている。図４（ａ）は管軸に沿った断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２５】
次に、金属ブロックとランプの離間距離を変化させて、ランプ温度の変化を調べた結果を図５の表に示す。温度測定をしたランプは図２に示した内側管と外側管を同軸に配置し、両端を封止した二重管構造のエキシマ放電ランプであり、全長は１４００ｍｍ、外側管の外径４２ｍｍ、肉厚２．５ｍｍ、内側管の外径１４ｍｍ、肉厚１ｍｍであり、エキシマ生成ガスとしてキセノンガスを封入している。また投入電力は１ｋＷである。金属ブロックとランプの離間距離は、ランプの径方向中心の直上の外部電極とその直上の金属ブロックとの距離を測った。
【００２６】
ランプを５０秒点灯し、１０秒消灯するというサイクルを30回繰り返して放電容器の表面温度を熱電対にて測定した。温度測定部位は、ランプ長手方向の真中の部位である。
この結果をみると、放電容器外部の電極が金属ブロックと離間する距離が０．５〜１．５ｍｍである場合、金属ブロック側の放電容器の温度と金属ブロックとは反対側の放電容器の温度差（放電容器温度差）は１１ｄｅｇ以下となって殆ど温度差がない。
放電容器温度差がなければ、放電容器の熱膨張差や紫外線歪の蓄積量の相違に起因するクラックを生じることがないエキシマ放電ランプ光源装置を提供することができる。
【００２７】
なお、放電容器外部の電極が金属ブロックと離間する距離が５ｍｍを超えると、金属ブロック側の放電容器の温度は４００℃に達し、冷却効果が弱く、エキシマ発光効率の低下、ランプ構成部品の劣化 等の不具合を生じ、放電容器温度差も６０ｄｅｇになり、冷却用の金属ブロックは全くランプの冷却に寄与しなくなる。
【００２８】
放電容器温度差は、ランプ投入電力によっても、冷却水の流量によっても、放電容器形状によっても違ってくる。しかしながら、金属ブロックと放電容器をその外部電極部分も含めて離間させるという考え方は共通の技術思想である。そして、工業用途において、当該エキシマ放電ランプの使用されるランプの投入電力は1kW程度であり、冷却水の流量も5L/min程度であり、本発明の温度測定結果と同等の結果となることが推測されるものである。
【００２９】
図８は、本発明の他の光源装置の実施形態を示す図である。ランプベースとベースホルダを使用せず、ランプの支持機構としては、放電容器を複数箇所で挟み保持する保持金具６０であり、該保持金具が、該ランプの外周形状に合わせて該ランプを挟む挟持部分６０ａと、該挟持部分６０ａにつながり、金属ブロックに設けられた開口に挿通されて開口出口で固定されるまでの支持部分６０ｂとからなる。図８（ａ）は管軸に沿った断面図であり、図８（ｂ）はＥ−Ｅ断面図である。図８（ｂ）をみてわかるように、金属ブロック３０と保持金具６０は支持部分６０ｂでのみ接触している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態を示す光源装置の構成図である。
【図２】本発明に適用されるエキシマ放電ランプの第一の実施例の図である。
【図３】本発明に適用されるエキシマ放電ランプの第二の実施例の図である。
【図４】本発明に適用されるエキシマ放電ランプの第三の実施例の図である。
【図５】金属ブロックとランプの離間距離に関して、ランプ温度の変化の関係を示す表である。
【図６】金属ブロックとの位置関係においてランプにどのような力が掛かっているかを模式的に示した図である。
【図７】従来の光源装置の図である。
【図８】本発明の光源装置の他の実施形態を示す図である。
【図９】本発明に適用されるランプベースのランプ保持孔について説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０、１０´  エキシマ放電ランプ
１１、１１´  放電容器
１２、１２´  網状電極
１３  ランプベース
１３ａ  ランプ保持孔
１４  ランプホルダ
１４a  挟持部分
１４b  支持部分
１６、１６´  内側電極
１７  内管
１８  内管を支える支持体
２０´  ランプハウス
２２  外側電極
３０、３０´  金属ブロック
３１、３１´  水冷パイプ
３２  、３２´  溝
４０  光取り出し窓
５０  ランプハウス
６０  保持金具
６０ａ  挟持部分
６０ｂ  支持部分
１００、１００´  光源装置    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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