(57)【要約】【課題】本発明は低圧水銀蒸気放電灯の立ち上がり時間を短くし、ランプの寿命中に安定時間が変化しないようにすることを目的とする。【解決手段】本発明は、内面に金属酸化物層を設けた合成石英ガラス製の発光部１１と石英ガラス製水銀蒸気圧制御部１２と石英ガラス製電極収容部１３で構成される発光管を有してなる低圧水銀蒸気放電灯において、該電極収容部１３を構成する石英ガラス管は水銀蒸気圧制御部１２を構成する石英ガラス管より径が細く、内径は１５〜２１ｍｍ、電極収容部１３端はダイレクトピンチシールで構成したことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面に金属酸化物層を設けた合成石英ガラス製の発光部と石英ガラス製水銀蒸気圧制御部と石英ガラス製電極収容部で構成される発光管を有してなる低圧水銀蒸気放電灯において、該電極収容部を構成する石英ガラス管は水銀蒸気圧制御部を構成する石英ガラス管より径が細いことを特徴とした低圧水銀蒸気放電灯。
【請求項２】
前記電極収容部を構成する石英ガラス管の内径は１５〜２１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の低圧水銀蒸気放電灯。
【請求項３】
前記電極収容部端はダイレクトピンチシールで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の低圧水銀蒸気放電灯。
【請求項４】
前記発光部内面積あたりの水銀封入量が０．０２〜０．２ｍｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の低圧水銀蒸気放電灯。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体や液晶用ガラス基盤の表面洗浄に利用される低圧水銀蒸気放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や液晶用ガラス基盤の表面洗浄に紫外線を利用したＵＶオゾン洗浄技術が利用されている。ＵＶオゾン洗浄とは低圧水銀蒸気放電灯が発する１８５ｎｍの短波長紫外線によりオゾンを発生させ、次に２５４ｎｍの紫外線でオゾンを分解するときに発生する活性酸素が物質の表面の有機物（汚れ）に作用し、これを気化して洗浄する技術である。
【０００３】
ＵＶオゾン洗浄には光源として低圧水銀蒸気放電灯が使用されるが、洗浄速度の向上のため、光源は一般の蛍光ランプに代表される低圧水銀蒸気放電灯に比較して紫外線出力の高出力化が講じられている。具体的には、発光管に短波長紫外線の透過特性のよい合成石英ガラスを使用したり、フィラメントおよびアノードを大型化し大電流での点灯を可能にしたり、紫外線の放射効率アップと安定化のため水銀蒸気圧を制御する機能が備わっている。電極部材が大型化したことと水銀蒸気圧制御機能のため放電灯端部は発光部より太く設計されており、封止部にはステムが利用されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図５は、従来の低圧水銀蒸気放電灯の構成を示す図である。発光管は発光部１１と水銀蒸気圧制御部１２と電極収容部１３が同一の管で構成されている（例えば、特許文献１または２参照）。冷却用の金属ブロック３が接しているが、水銀蒸気圧制御部１２と電極収容部１３の境界は明確ではない。さらにフィラメント２１から管内壁までの距離があるので温度勾配はなだらかであり、管内壁の温度は低くなる。発光管端部はステム６が用いられ、ステム６と石英管の封着部はフィラメントからも遠いため、さらに温度は低くなる。
【０００５】
こうした構造のため、点灯時は水銀蒸気が充満しており、消灯後には水銀蒸気が温度の低い電極収容部１３、特にステム６と石英管の封着部付近で凝集して水銀粒となる。再点灯後は、フィラメント２１の熱で電極収容部１３に凝集した水銀は蒸発するが、温度が上がりにくいため完全に蒸発するまで時間がかかる。放電灯の安定時には水銀蒸気圧制御部１２で水銀蒸気圧が制御されるのであるが、発光管の端部構造が最冷部機能に近いので金属ブロック３を備えている部位とそうでない部位の温度分布が明確に分かれていないため、水銀の蒸発・凝集が緩慢なので、立ち上がり時間が長くかかっていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−５３８５３号公報（４頁、図１）
【特許文献２】
特開昭６０−３８４７号公報（３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
産業用としては、効率のため、立ち上がり時間が短いことが必要である。しかし、このような構成の低圧水銀蒸気放電灯では電極収容部に凝縮した水銀が完全に蒸発するまでに時間がかかるため、点灯直後から紫外線出力が安定するまで数十分必要であり、立ち上がり時間が長くかかり、紫外線処理装置の待機時間が長い欠点があった。
さらに封入した水銀量の変化によって、寿命中に安定時間が変化するので紫外線処理装置の操作性が悪い欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、内面に金属酸化物層を設けた合成石英ガラス製の発光部と石英ガラス製水銀蒸気圧制御部と石英ガラス製電極収容部で構成される発光管を有してなる低圧水銀蒸気放電灯において、該電極収容部を構成する石英ガラス管の径は水銀蒸気圧制御部を構成する石英ガラス管の径より細く構成する。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の低圧水銀蒸気放電灯において、前記電極収容部を構成する石英ガラス管の内径は１５〜２１ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１及び請求項２に記載の低圧水銀蒸気放電灯において、電極収容部端はダイレクトピンチシールで構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３記載の低圧水銀蒸気放電灯において、発光部内面積あたりの水銀封入量は０．０２〜０．２ｍｇ／ｃｍ２である事を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の実施の形態を図１乃至図４に基づき説明する。図１は、本発明の低圧水銀蒸気放電灯の構成を示す図である。発光管は略Ｕ字形状を成しており、発光部１１と外側に熱交換のための金属ブロック３をそなえた水銀蒸気圧制御部１２、そして、フィラメント２１、アノード２２および支柱２５からなる電極マウントを収容する電極収容部１３とで構成されている。
【００１３】
具体的に、発光部１１を形成する合成石英ガラスはＯＨ基を約８００ｐｐｍ含有するもので内径１７．５ｍｍ、肉厚１．５ｍｍで内面には約２００ｎｍの酸化アルミニウム層が形成されている。略Ｕ字型の発光部は全長５００ｍｍであり、内面積は５５０ｃｍ２である。発光部１１の端部には内径２７ｍｍ、肉厚１．４ｍｍの石英ガラス管で構成された水銀蒸気圧制御部１２が接続されており、その外部にはアルミニウム製の金属ブロック３が設けられている。金属ブロック３は２０℃の冷却水が通じている水冷ベースブロックに密着して使用され、発光管の一部を冷却して水銀の蒸気圧を制御し、かつ発光管を保持する役割がある。冷却ブロックがないと、低圧水銀蒸気放電灯は発光管の温度が上昇してしまい、水銀の蒸気圧が高くなり１８５ｎｍや２５４ｎｍの短波長紫外線の放射効率が低下してしまう。
【００１４】
さらに水銀蒸気圧制御部１２の端部には内径１７．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ８５ｍｍの電極収容部１３を形成する石英ガラス管が接続されており、その端部には幅５ｍｍ、厚さ３５μｍ、長さ１５ｍｍのモリブデン製の２枚の金属箔導体２６ａ，２６ｂが構成されている。そして、この金属箔導体２６ａ，２６ｂを介し、導電性を有しながら外気との気密シールがとられている。この実施例の場合、電極収容部全長は、大型のアノードとフィラメントを電気的・機械的に保持できる最短に構成され８５ｍｍとなっている。
【００１５】
上記のように構成された発光管は、真空ポンプに接続され内部のガスを排気した後、発光管１ｃｍ２あたり０．０２〜０．２ｍｇの水銀、望ましくは０．１０ｍｇの水銀（本実施例の場合、発光管内面積は５５０ｃｍ２であるので総量で５５ｍｇを封入する）と、始動補助として５０〜１００Ｐａ（望ましくは７０Ｐａ）のアルゴンガスが封入される。
【００１６】
上記気密シールをとるには、不活性ガスを流しながら大気圧下でシール部位を火炎バーナーで加熱し、モールドを用いて瞬間的に圧潰するダイレクトピンチシール法によってシールされる。また、従来の低圧水銀蒸気放電灯にみられるステムは使用しない。ダイレクトピンチシール法では石英ガラス管の管径を電極マウントが通過できる最小限にすることができるので、電極収容部をコンパクトに設計することができる。また、ダイレクトピンチシール法は圧潰部の発光管端側が電極収容部の端部になるので、フィラメントからの距離が短く、熱放射を受けやすい。そのため水銀蒸気制御部との温度差が大きくなり、消灯後に水銀粒が凝集することがない。
【００１７】
放電灯の点灯に当たっては、略Ｕ字管の両端に備えられた各２本のリード線間に数ボルトの電圧が印可されてフィラメントを熱し、熱電子を発生させた後、両フィラメント間に４００Ｖの交流電圧を印可することによって、ランプ電圧１６０Ｖ、ランプ電流５Ａ、ランプ電力３８０Ｗで放電が開始される。放電開始と同時に発光管の温度があがり水銀蒸気圧は上昇するが、水銀蒸気圧制御部１２が最冷部となって紫外線出力を効率よく安定に保つ。この時、電極収容部１３付近は約８００℃になるフィラメントの影響により動作時の温度が高温になり、水銀蒸気は部分的に希薄になっている。放電灯の消灯時には水銀蒸気は水銀蒸気圧制御部１２に凝集し、電極収容部１３にほとんど残らないため、次回の点灯直後も水銀は電極収容部１３付近から放出されることはない。
【００１８】
そのため、図２に示すように、本発明と従来技術とでは低圧水銀蒸気放電灯の紫外線出力の時間的変化に違いが現れる。図中曲線Ａは本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の立ち上がり曲線であり、始動後紫外線出力の安定まで２分以内と立ち上がり時間が短い。曲線Ｂは従来の低圧水銀蒸気放電灯の立ち上がり曲線であり、紫外線出力の安定まで約３０分かかる。
【００１９】
図３は、本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の電極収容部内径と点灯２分後の紫外線出力の関係を示す図である。電極収容部内径が２１ｍｍを超える場合は、立ち上がり２分後の紫外線出力は安定時の８０％未満であり実用的でない。また、１５ｍｍの場合は、紫外線出力は安定時のほぼ１００％に達するが、１５ｍｍ未満の内径では大型のアノードやフィラメントを収容できなくなる。しかし、電極を小さくすると、点灯中の荷電粒子の衝撃により、損耗が激しくなり寿命特性を損なってしまう。また、電極マウントの長尺化は、紫外線照射装置の大型化を伴うので現実的でない。
【００２０】
よって、電極収容部内径を１５〜２１ｍｍにすれば、点灯２分後の紫外線出力が安定時の８０％以上になり、立ち上がり時間が短くなり効率が良くなる。
【００２１】
図４は、本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の寿命における立ち上がり時間の変化を示す図である。図中で曲線Ｃは本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の特性曲線で、曲線Ｄは従来の低圧水銀蒸気放電灯の特性曲線である。従来の低圧水銀蒸気放電灯は水銀が点灯中に合成石英ガラス内に分散固着して、封入された水銀が少なくなり、不活性になってしまうので、ランプ製造時に多くの水銀を封入する必要があった。
【００２２】
発明者らの実験によると、内面に金属酸化物層を設けていない従来の低圧水銀蒸気放電灯の水銀の消費量は１０００時間で１ｍｇ／ｃｍ２に達するので、従来の低圧水銀蒸気放電灯は数百ｍｇの水銀を封入する必要があった。これは、一般的な石英ガラスとは異なる合成石英ガラスの特性によるものであることが発明者らの実験により明らかになった。すなわち、合成石英ガラスは、ＯＨ基やＣｌ基といった電気的に陰性な成分を多く含有しており、ランプの点灯中に紫外線により活性化してイオン化（ＯＨ−、Ｃｌ−）し、放電プラズマ中で生成した水銀イオン（Ｈｇ＋）を石英ガラス内部に引き寄せる作用がある。ガラス内部に取り込まれた水銀原子は陰性基と結合するため不活性となってしまう。そのため、金属酸化物層を設けていない低圧水銀蒸気放電灯では寿命中の水銀消費量が多いので水銀封入量を多くする必要があった。
【００２３】
一方、本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯は、合成石英ガラス製発光部の内面に酸化アルミニウムによる金属酸化物層が形成されているので、水銀イオンが合成石英ガラス内へ侵入するのを抑制することが出来るので、水銀の消費量は極めて小さくなる。
【００２４】
実験によると、酸化物層１０ｎｍの場合、１０００時間では水銀消費量は０．２ｍｇ／ｃｍ２で、酸化物層１０００ｎｍ以上の場合は０．０２ｍｇ／ｃｍ２であることが発明者らの実験で明らかになった。また、酸化物層１０００ｎｍ以上の厚さの金属酸化物層は形成するのが困難になるので低圧水銀蒸気放電灯を製作するにはコストアップにつながり、１０ｎｍ以下の場合は水銀イオンの侵入を抑制する効果がほとんどなくなるため、寿命期間における立ち上がり特性の変化を安定化する作用が無くなってしまう。
【００２５】
本発明の実施の形態では、水銀蒸気圧制御部を形成するガラスは一般の石英ガラスで説明したが、この部位を内面に金属酸化物層を形成した合成石英ガラスで構成してもよい。また、電極収容部は水銀蒸気がほとんど存在していないので金属酸化物層は必要ない。いずれの部位も、低圧水銀蒸気放電灯の紫外線放射を得る部分ではないので、高価な合成石英ガラスを使用するのはコストアップにつながる。
【００２６】
本発明の実施の形態では、金属酸化物層の材質に酸化アルミニウムの事例で説明したが、金属酸化物層は酸化イットリウム、酸化チタンでも同様な効果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、始動後紫外線出力の安定までの時間が２分以内と立ち上がりが短くなり効率が良くなる。
【００２８】
請求項２記載の発明によると、点灯２分後の紫外線出力が安定時の８０％以上になり、紫外線処理装置の待機時間を短くすることができる。また、電極が小さくなると、点灯中の荷電粒子の衝撃により、損耗が激しくなり、寿命特性を損なってしまうが、本発明では、電極を小さくすることなく、電極収容部をコンパクトに構成する事が出来る。
【００２９】
請求項３記載の発明によると、電極収容部をコンパクトに構成する事が出来る。
【００３０】
請求項４記載の発明によると、発光部内面積あたりの水銀封入量が０．０２〜０．２ｍｇ／ｃｍ２と少なく、寿命中に安定時間が変化しないので紫外線処理装置の操作性を向上させ、ランニングコストを下げることができる。また封入する水銀量が少ないため、環境にも配慮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の立ち上がり特性を示す図である。
【図３】電極収容部の径と点灯２分後の紫外線出力を示す図である。
【図４】本発明に係る低圧水銀蒸気放電灯の寿命における安定時間の変化を表す図である。
【図５】従来の低圧水銀蒸気放電灯の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１    発光部（合成石英ガラス製）
１２    水銀蒸気圧制御部（石英ガラス製）
１３    電極収容部（石英ガラス製）
２１    フィラメント
２２    アノード
３    金属ブロック
４    金属酸化物層
５    ピンチシール部
６    ステム
【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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