(57)【要約】【課題】内部に放電ガスが封入されたガラス容器の外側に電極を配設し、この電極に高周波電圧を印加して高い放射照度を得る電解結合型高周波放電ランプ（いわゆるエキシマランプ）において、始動電圧を低くするとともにその始動を安定化する。また、この放電ランプを組み込んだ照射器内の絶縁性を高め安全性を確保する。【解決手段】前記放電ランプにおいて、放電ガスを封入したガラス容器の一部または全周にへこみ若しくはくびれを配設して放電空間距離の短い部分を設け、このへこみ若しくはくびれの外面、及びこれと対向する位置の前記ガラス容器外面とにそれぞれ配設した一対の電極を具備する構成とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ガスを封入したガラス容器と、前記ガラス容器の一部または全周に配設したへこみ若しくはくびれと、前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と、前記電極に対向する位置の前記ガラス容器外面に接触させて配設した電極とを具備する事を特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記ガラス容器の外面の互いに対向する位置に一対の高周波電力供給用電極を配設した事を特徴とする前記請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項３】
前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と、前記電極に対向する位置の前記ガラス容器外面に接触させて配設した電極との間に高電圧パルスを印加する事を特徴とする前記請求項１または請求項２に記載の放電ランプ。
【請求項４】
前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と前記ガラス容器の外面に接触させて配設した前記高周波電力供給用電極の一方とを結線した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項３に記載の放電ランプ。
【請求項５】
前記ガラス容器内に封入する放電ガスは、キセノン、ネオン、ヘリウム、アルゴン、クリプトンから選ばれる１種のガスもしくは複数種の混合ガスである事を特徴とする前記請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項６】
前記ガラス容器内に封入する物質は、前記放電ガスと、塩素、臭素、フッ素、沃素から選ばれる１種もしくは複数種である事を特徴とする前記請求項１または請求項５に記載の放電ランプ。
【請求項７】
前記ガラス容器内に金属ハロゲン化物を添加した事を特徴とする前記請求項１または請求項５に記載の放電ランプ。
【請求項８】
前記へこみ若しくはくびれに接触させて配設した電極と対向する位置の前記ガラス容器の外面に、へこみ若しくはくびれを配設するとともに、もう一方の電極をそこに接触させて配設した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項７に記載の放電ランプ。
【請求項９】
前記ガラス容器は石英からなる事を特徴とする前記請求項１または請求項２または請求項７に記載の放電ランプ。
【請求項１０】
前記ガラス容器は、一対の同軸円筒面と前記円筒の中心軸に直交する一対の平行面に囲まれた部分の領域に相当する、筒殻の厚い中空円筒に近似した立体的形状を具備し、前記高周波電力供給用電極は、前記中空円筒の外側円筒外面と内側円筒内面とにそれぞれを配設し、前記へこみ若しくはくびれは、中空円筒の外面に配設した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項９に記載の放電ランプ。
【請求項１１】
前記中空円筒状ガラス容器の外側円筒外面にネット状の電極を配設した事を特徴とする前記請求項１ないし請求項１０に記載の放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に、内部に放電ガスが封入されたガラス容器の外側に電極を配設し、この電極に高周波電圧を印加する電界結合型放電ランプ、即ちＥ放電ランプ（いわゆるエキシマランプ）の始動電圧を下げるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にこのような放電はネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスを封入したガラス容器で一般には合成石英管に電界結合型無電極放電を構成し、一般に参考文献１及び２に開示されている無電極放電を作用させてエキシマ光を放射させるエキシマランプの構成に利用されている。特にキセノンガスを封入したエキシマランプは中心波長１７２ｎｍ、半値幅１４ｎｍの放射スペクトル分布を持つ。この紫外光は特に真空紫外光と呼ばれ、波長がさらに短いためエネルギーが一般の低圧水銀ランプが放射する波長の１８５ｎｍや２５４ｎｍの紫外光に比べて格段に大きいエネルギーを持つ。そこで、活性酸素やオゾンの発生が多く、特に近年液晶素子やＰＤＰ素子のガラス洗浄に多く利用され、また半導体基板のシリコンウエハーの表面加工に利用されてきた。
【０００３】
【参考文献１】
「無電極放電ランプの技術動向／電界結合放電Ｅ放電の解説」照明学会誌、第７７巻第５号、２１ページ（１９９３年）
【０００４】
【参考文献２】
Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８，１０２２〜１０２４ページ（２０００年）
【０００５】
図７及び図８に従来の一般的なエキシマランプを示す。このランプは、合成石英からなる中空を持つ円筒状の灯体１と中空を貫通するガラス製水冷管２からなり、その灯体１の外面に放射光を出来る限り遮らない程度の金属ネット状の外側主電極３を、ガラス製水冷管２の表面上の灯体１の端面に近い側の表面に長さの短い電極、即ち始動電極５及び口出９を、灯体１の中空内面の中央全体を軸方向に覆ってなる、長さの長い内側主電極４を配設して構成されている。
【０００６】
前述のように用途拡大と洗浄効率が求められるに従って、このようなエキシマ光の高出力化が求められるようになり、キセノンエキシマランプを利用した照射器の照度は、放射窓面において８ｍＷ／ｃｍ２から４０ｍＷ／ｃｍ２以上（ＮＩＳＴ標準による照度計による計測）の照度が求められるようになってきた。
【０００７】
そこで、このような高照度を達成する方法としては従来より、エキシマ光が発光するエネルギー範囲、即ち可視光発光が増えない範囲で高周波入力電力を増やす事、あるいは図７に示すような中空円筒構造の灯体１の外管１ａの寸法と内管１ｂの寸法の適正化、更には封入される希ガスの圧力（この場合はキセノンガス圧）の適正化が実施されている。
【０００８】
即ち、図７のランプにおいて放電空間距離ｄ１が１１ｍｍ、全長２８０ｍｍ、外面ネット主電極長２４０ｍｍでキセノンガス圧を変化させ、図８に示す照射器にこのランプを装着し、その内部を窒素ガスで充分に置換する。図９に示す回路構成においてランプへの高周波入力電力１０ａを高周波電源１０の電力増幅への入力で規定し１７０Ｗで一定にしてキセノンガス圧を変化させた時の照射器窓面６の照度を図１０に示す。ここでガス圧を５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）から６６，７００Ｐａ（５００ｔｏｒｒ）にすると照度が急激に高くなる。即ち、１７２ｎｍのエキシマ光の放射強度が高くなる。
【０００９】
次に、図７に示すランプ構造でキセノンガス圧を５３，３００Ｐａで一定にして外管１ａの内径を固定して内管１ｂの外径を変化させ、高周波入力電力１７０Ｗで図８に示す照射器の窓面６の照度を図１１に示す。このように、放電空間距離ｄ１を長くする事によって照度が高くなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ここでキセノンガス圧を高め、例えば５３，３００Ｐａにして放電空間を広げると、ここに示す電界結合型無電極放電を開始させるための始動電圧が高くなる欠点がある。図７に示す構造のランプのように外部始動電極を用いた場合の放電破壊電圧に対しては、一般に開示されている参考文献３に記載のパッシェンの法則が成立し、放電破壊電圧はガス圧と放電距離の積と反比例の関係にある。
【００１１】
【参考文献３】
「東北大学基礎電子工学入門講座  気体放電」（近代科学社）１５７ページ（１９８９年）
【００１２】
ここで、図７に示す構造のランプで図８に示す照射器窓面６の照度を４０ｍＷ／ｃｍ２以上得るためにキセノンガス圧を５３，３００Ｐａとし、外管１ａの内面と内管１ｂの外面との距離、即ち放電空間距離ｄ１を１１ｍｍに設定し、図９に示すような始動器１１を含む回路構成により放電を行なう場合、放電破壊電圧は２５ｋＶ以上のパルス電圧を必要とする。このような高電圧を図７に示すようなエキシマランプを始動させるために印加させる事は、始動電極面５及び口出９からのコロナ放電や縁面放電を誘発し、始動を不安定にさせるし、また照射器内の安全性、即ち絶縁性が確保できないという問題を生じる。
【００１３】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、電界結合型高周波エキシマランプにおいてこのような高い始動電圧を必要とする事によりもたらされる問題を解決するとともに、低始動電圧化を図ることにより始動電極面からのコロナ放電や縁面放電の誘発をなくして照射器内の安全性、即ち絶縁性を確保し、かつ始動性を安定させたエキシマランプを提供する事を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために次の構成を有する。即ち、請求項１記載の放電ランプは、放電ガスを封入したガラス容器と、前記ガラス容器の一部または全周に配設したへこみ若しくはくびれと、前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と、前記電極に対向する位置の前記ガラス容器外面に接触させて配設した電極とを具備する事を特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の放電ランプは、請求項１記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器の外面の互いに対向する位置に一対の高周波電力供給用電極を配設した事を特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の放電ランプは、請求項１または請求項２記載の放電ランプにおいて前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と、前記電極に対向する位置の前記ガラス容器外面に接触させて配設した電極との間に高電圧パルスを印加する事を特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項３記載の放電ランプにおいて前記へこみ若しくはくびれの外面に接触させて配設した電極と前記ガラス容器の外面に接触させて配設した前記高周波電力供給用電極の一方とを結線した事を特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の放電ランプは、請求項１記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に封入する放電ガスが、キセノン、ネオン、ヘリウム、アルゴン、クリプトンから選ばれる１種のガスもしくは複数種の混合ガスである事を特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の放電ランプは、請求項１または請求項５記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に封入する物質が、前記放電ガスと、塩素、臭素、フッ素、沃素から選ばれる１種もしくは複数種である事を特徴とする。前記ガラス容器内に金属ハロゲン化物を添加した事を特徴とする。
【００２０】
請求項７記載の放電ランプは、請求項１または請求項５記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器内に金属ハロゲン化物を添加した事を特徴とする。
【００２１】
請求項８記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項７記載の放電ランプにおいて前記へこみもしくはくびれに接触させて配設した電極と対向する位置の前記ガラス容器の外面に、へこみ若しくはくびれを配設するとともに、もう一方の電極をそこに接触させて配設した事を特徴とする。
【００２２】
請求項９記載の放電ランプは、請求項１または請求項２または請求項７記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器は石英からなる事を特徴とする。
【００２３】
請求項１０記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項９記載の放電ランプにおいて前記ガラス容器は、一対の同軸円筒面と前記円筒の中心軸に直交する一対の平行面に囲まれた部分の領域に相当する、筒殻の厚い中空円筒に近似した立体的形状を具備し、前記高周波電力供給用電極は、前記中空円筒の外側円筒外面と内側円筒内面とにそれぞれを配設し、前記へこみ若しくはくびれは、中空円筒の外面に配設した事を特徴とする。
【００２４】
請求項１１記載の放電ランプは、請求項１ないし請求項１０記載の放電ランプにおいて前記中空円筒状ガラス容器の外側円筒外面にネット状の電極を配設した事を特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を参照して以下に説明する。図１は本発明を構成する電界結合型高周波エキシマランプの中心軸を含む概略断面図であり、図２はその外観図である。ランプを構成するガラス容器は全て合成石英からなる。外径３５ｍｍ、内径３３ｍｍ、長さ２８０ｍｍの石英管に端部近傍に予めくびれ加工を施してなる外管１ａと、外径１１ｍｍ、内径９ｍｍ、長さ２８０ｍｍの内管１ｂの両端面がそれぞれ接合されて全体として閉じた一つの放電容器、即ち灯体１が構成される。主放電空間距離ｄ１は１１ｍｍである。くびれ８の開口部は幅１０ｍｍ、くびれ８加工部の石英肉厚は１ｍｍに加工し、そのくびれ８の先端と内管１ｂで構成される最短放電空間距離ｄ２を２ｍｍとする。放電空間１３には５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）の圧力のキセノンガスが封入される。内管１ｂの内側の中空を貫通するガラス製水冷管２の外面には、外管１ａのくびれ８と対向する位置を含む端部近傍の外面を覆う金属箔状の、始動電極及びその口出９と、それ以外の外面のほぼ全体を覆う内側主電極４とが配設される。外管１ａの外面に放射光を遮らない程度のネット状の外側主電極３が配設される。また、ネット状の外側主電極３は外管１ａのくびれ８のへこみ部分の外面に十分に接触させるように配設される。ガラス製水冷管２の中には冷却水が流れる。図６の回路構成に示すように外側主電極３と内側主電極４の間に周波数２．４ＭＨｚ、パルスピーク電圧４ｋＶの高周波電源１０が接続される。外側主電極３と始動電極５との間に高電圧パルスを発生する始動器１２が接続される。
【００２６】
次に、始動電圧とキセノンガス圧の関係を調べるため、図１と同様の構造でキセノンガス圧が１３，３００Ｐａ（１００ｔｏｒｒ）、２６，６００Ｐａ（２００ｔｏｒｒ）、６６，５００Ｐａ（５００ｔｏｒｒ）の電界結合型高周波エキシマランプを製作し、図６に示す回路構成に従って周波数２．４ＭＨｚ、パルスピーク電圧４ｋＶの高周波電源１０とパルス幅５０μｓｅｃの始動器１２を接続し、くびれ８部分の最短放電空間距離ｄ２を２ｍｍにして、各ランプの始動電圧を測定した所、図１２に示すような関係を得た。
【００２７】
図１３は、照射器３の窓面照度４０ｍＷ／ｃｍ２を確保するようにキセノンガス圧を  ５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）で一定にした場合の、くびれ８部分の最短放電空間距離ｄ２と当該エキシマランプの始動電圧の関係を示したものである。くびれ８部分の最短放電空間距離ｄ２は短くすればするほど、当該エキシマランプの始動電圧を低下させるのに効果があるが、くびれ８の先端部分に始動パルスエネルギーが集中し過ぎてその部分の石英ガラスに損傷が発生し、そこから放電ガラス容器がリークする恐れがあり、当該エキシマランプの寿命２，０００時間を保証するには、最短放電空間距離ｄ２は２ｍｍが最適である。
【００２８】
このように、本発明の構成を有する電界結合型高周波エキシマランプにおいては、図８に示す照射器に装着した場合に窓面６の照度４０ｍＷ／ｃｍ２を得ることができるようにキセノンガス圧を５３，３００Ｐａ（４００ｔｏｒｒ）とし、始動器１２から発生するパルスピーク電圧が６ｋＶ、パルス幅が５０μｓｅｃという条件で安定に放電させる事ができた。従って、従来の始動電圧（２５ｋＶ）の約１／４のパルスピーク電圧で始動させる事ができたことになる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の放電ランプにおいては、放電ガスを封入したガラス容器の一部または全周にへこみ若しくはくびれを配設したので、始動電圧を従来よりも大幅に低減させることができる。特に、灯体部の形状が中空円筒状である電界結合型高周波エキシマランプにおいて大きな効果を奏する。
【００３０】
また、本発明の放電ランプにおいては、始動のためのパルスピーク電圧が小さいので、始動電極５及びその口出９よりコロナ放電や縁面放電を誘発することがなく、かつ始動が安定し、さらに照射器内の安全性、即ち絶縁性が十分に確保されるという効果も発揮する。
【００３１】
なお、本発明の放電ランプにおいては、図８に示す照射器の窓面から放射されるスペクトル分布は従来型の放電ランプ（エキシマランプ）を装着した同照射器の窓面から放射されるスペクトル分布と全く同じであって、本発明の構成による影響は生じなかった。
【００３２】
上記の説明ではキセノンガスの作用について開示したが、同様のエキシマ光を発生するヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンの希ガス類を封入した放電ランプの場合にも同様の作用があり、また、これらのガスに若干の塩素のようなハロゲンガスを添加した放電ランプにも同様の作用があり、同じ効果が得られる。
【００３３】
さらに、放電ガラス容器が円筒状でない一般の電界結合型高周波放電ランプとしての蛍光ランプや金属ハロゲン化物等を封入したメタルハライドランプ等の場合にも同様に作用し、始動電圧に関して同じ効果が得られる。
【００３４】
図３に示すエキシマランプは、外管１ａの端部の一部にへこみ１４を配設して始動のための放電空間距離を縮めた構造を具備し、同様に当該エキシマランプの始動電圧を低下させる効果があり、本発明の一部に含まれる。図４に示すエキシマランプは内管１ｂの内側にくびれ１５を配設し、始動電極５をそのくびれ１５に接触させた構造を有し、図５に示すエキシマランプは、外管１ａと内管１ｂの両方にくびれ１５、１６を配設し、前記のようにくびれ１５、１６にそれぞれ接触させて電極を配設した構造を有し、それぞれ同様の効果があり、本発明の一部に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わるエキシマランプの概略断面図。
【図２】本発明に関わるエキシマランプの外観図。
【図３】本発明の他の実施例のエキシマランプの概略断面図。（変形例１）
【図４】本発明の他の実施例のエキシマランプの概略断面図。（変形例２）
【図５】本発明の他の実施例のエキシマランプの概略断面図。（変形例３）
【図６】本発明に関わるエキシマランプの動作回路構成。
【図７】従来のエキシマランプの概略断面図。
【図８】公知の照射器の外観図。
【図９】従来の始動方式の動作回路構成。
【図１０】従来技術における、入力電力１７０Ｗの時のキセノンガス圧と窓面照度の関係を示すグラフ。
【図１１】従来技術における、入力電力１７０Ｗ、キセノンガス圧５３，３００Ｐａの時の放電空間距離と窓面照度の関係を示すグラフ。
【図１２】従来技術における、最短放電空間距離が２ｍｍの時のキセノンガス圧と始動電圧の関係を示すグラフ。
【図１３】従来技術における、キセノンガス圧５３，３００Ｐａの時の最短放電空間距離と始動電圧の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…  灯体（ガラス容器）
１ａ…  外管
１ｂ…  内管
２…  ガラス製水冷管
３…  外側主電極
４…  内側主電極
５…  始動電極
６…  窓面
７…  エキシマランプ
８…  くびれ
９…  始動電極口出
１０…  高周波電源
１０ａ…  高周波入力電力
１１、１２…  始動器
１３…  放電空間
１４…  へこみ
１５…  くびれ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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