JPH06338301A - 誘電体バリヤ放電ランプとそれを使用した処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放射輝度の高い誘電体バリヤ放電ランプを提
供することであり、さらに、該誘電体バリヤ放電ランプ
を使用した処理方法を提供することである。 【構成】 放電容器に誘電体バリヤ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、該放電容器の
一部は該誘電体バリヤ放電の誘電体を兼ねており、該誘
電体バリヤ放電の放電路に平行して設けられた光取りだ
し窓部材を有する誘電体バリヤ放電ランプにおいて、該
光取りだし窓部材に直近して集光レンズを設ける。もし
くは、該集光レンズの一部が該光取りだし窓部材を兼ね
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光化学反応用
の紫外線光源として使用される放電ランプの一種で、誘
電体バリヤ放電によってエキシマ分子を形成し、該エキ
シマ分子から放射される光を利用するいわゆる誘電体バ
リヤ放電ランプの改良と、該誘電体バリヤ放電ランプを
使用した処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連した技術としては、例え
ば、日本国公開特許公報平２─７３５３号があり、そこ
には、放電容器にエキシマ分子を形成する放電用ガスを
充填し、誘電体バリヤ放電（別名オゾナイザ放電あるい
は無声放電。電気学会発行改定新版「放電ハンドブッ
ク」平成１年６月再版７刷発行第２６３ページ参照）に
よってエキシマ分子を形成せしめ、該エキシマ分子から
放射される光を取り出す放射器、すなわち誘電体バリヤ
放電ランプについて記載されている。また、該誘電体バ
リヤ放電の放電路に平行して設けられた光取りだし窓部
材を有する誘電体バリヤ放電ランプ装置について、米国
特許第２９４３２２５号に記載されている。上記のよう
な誘電体バリヤ放電ランプは、従来の低圧水銀ランプや
高圧アーク放電ランプには無い種々の特長を有している
ため有用である。特に、放電路に平行して光取りだし窓
部材を設けた誘電体バリヤ放電ランプは、光取りだし窓
部材に垂直な方向の放電空間寸法を大きくすることによ
って、放射輝度を増大させることが出来るという特長も
有している。しかし、上記のような誘電体バリヤ放電ラ
ンプであっても、放射輝度が必ずしも十分ではないとい
う問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、放射
輝度の高い誘電体バリヤ放電ランプを提供することであ
り、さらに、該誘電体バリヤ放電ランプを使用した処理
方法を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的は、放
電容器に誘電体バリヤ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、該放電容器の一部は該誘電
体バリヤ放電の誘電体を兼ねており、該誘電体バリヤ放
電の放電路に平行して設けられた光取りだし窓部材を有
する誘電体バリヤ放電ランプにおいて、該光取りだし窓
部材に直近して集光レンズを設ける事によって達成でき
る。もしくは、該集光レンズの一部が該光取りだし窓部
材を兼ねるように構成することにより、上記本発明の目
的はより一層達成出来る。また、該光取りだし窓部材に
直近し、該放電路に平行な放電容器の管壁に光反射膜を
設けた構成にすることによって、上記本発明の目的はよ
り一層達成できる。さらに、該光取りだし窓部材の放電
路に平行な長さＨが該誘電体バリヤ放電の放電路長Ｌを
越えるように構成することによって上記本発明の目的は
より一層達成出来る。

【０００５】

【作用】誘電体バリヤ放電は、該「放電ハンドブック」
に記載されているように、プラズマの直径が非常に小さ
く、かつ、放電の持続時間が非常に短い微小な放電プラ
ズマ（以後これをマイクロプラズマと記す）の多数の集
まりである。我々は、少なくとも放電容器に誘電体バリ
ヤ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、該放電容器の一部は該誘電体バリヤ放電の誘電
体を兼ねている誘電体バリヤ放電ランプにおいては、マ
イクロプラズマが非常に細いこと、および該エキシマ光
の放電空間における吸収が小さいことから、放電空間で
発生したエキシマ光は長い放電空間を吸収されること無
く進行することが出来、従って、該誘電体バリヤ放電の
放電路に平行して光取りだし窓部材を設け、さらに、該
光取りだし窓部材に直近して集光レンズを設けることに
より、光学的に深い範囲のエキシマ光を効率よく集光す
ることが出来、高い放射輝度が得られることを実験的に
発見した。なお、上記した集光レンズによる高輝度化
は、誘電体バリヤ放電によってエキシマ分子を生成し、
エキシマ光を利用する誘電体バリヤ放電ランプにおいて
のみ可能であり、均一な放電プラズマを利用し、原子の
スペクトル線を利用する従来のグロー放電ランプ、例え
ば低圧水銀ランプ、の場合には、放射光の吸収のために
集光レンズによる高輝度化の効果は著しく少ない。

【０００６】以下、本発明の概略を示す側面断面図であ
る図１、正面図である図２および部分側面断面図である
図３を使用して作用を説明する。すなわち、平板状の誘
電体２，３、側板６、８ａ，８ｂ、放電路に平行して設
けられた光取りだし窓部材１からなる放電容器に、誘電
体バリヤ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガ
スを充填し、交流電源２２によって電極４，５に電圧を
印加すると、マイクロプラズマ２０ａ，２０ｂ，２０
ｃ，２０ｄが安定に発生し、エキシマ分子が生成され、
エキシマ光が放射される。マイクロプラズマが非常に細
いこと、および該エキシマ光の放電空間における吸収が
小さいことから、該エキシマ光は放電空間の長い距離を
吸収されること無く進行することが出来るので、放電路
に平行して集光用の円柱レンズ１０を設ける事により、
光取りだし窓部材１に比較的近いマイクロプラズマ２１
ａからの放射光はもちろん、光取り出し窓部材１から離
れた位置にあるマイクロプラズマ２１ｄからの放射光を
も集光する事が出来、従って高輝度の誘電体バリヤ放電
ランプが得られる。さらに、光取り出し窓部材１を取り
外し、集光用の円柱レンズ１０を取り付け、光取り出し
窓部材と集光レンズを兼用させると、光取りだし窓部材
１による光の吸収が無くなるのでさらに高輝度が得られ
る。

【０００７】該エキシマ光の放電空間における吸収が小
さいことから、放電空間で発生したエキシマ光は、側板
８ａ，８ｂまで到達しやすく、従って、側板８ａ，８ｂ
に吸収されたり、外部に漏洩することによって損失とな
り、発光効率を低下させる。この結果、誘電体バリヤ放
電ランプが光取り出し窓部材に沿って長い場合には光取
り出し窓部材１の側板８ａ，８ｂに近接した部分から放
射される光は、中央部からの放射光よりもかなり小さく
なる。即ち、光取り出し窓部材１から放出される光の放
電路に直角な方向の空間分布は、不均一になる。なお、
側板６は発光効率には影響するが、放射光の空間分布に
対してはほとんど影響しない。該光取りだし窓部材に直
近し、該放電路に平行な放電容器の管壁に光反射膜を設
け、さらに、該光取りだし窓部材に直近して集光レンズ
を設けると、該管壁における光の損失が減少し、光取り
出し窓部材１の側板８ａ，８ｂに近接した部分における
放射輝度の減少が少なくなり、その結果、放射輝度の空
間的な均一性が良好で、光の取り出し効率が高い、すな
わち発光効率が十分である誘電体バリヤ放電ランプが得
られる。

【０００８】図１に示したように、交流電源２２によっ
て電極４，５に電圧を印加すると、安定に発生するマイ
クロプラズマ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの他に、
光取り出し窓部材１の表面に沿って沿面放電プラズマ７
が不規則に発生する。このために、光出力が不安定にな
る。さらに、光取り出し窓部材１から得られる放射輝度
に対しては、マイクロプラズマ２０ａ，２０ｂ，２０
ｃ，２０ｄの陽光柱の他に、誘電体２，３の表面に発生
している沿面放電状プラズマ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，
２１ｄからの放射光が大きく寄与しており、従って、該
光取りだし窓部材の放電路に平行な長さが該誘電体バリ
ヤ放電の放電路長よりも小さくなると、発光効率が極端
に低下する事が判明した。特に、光取り出し窓部材１に
直近して集光レンズを設けて集光する場合には、該光取
りだし窓部材の放電路に平行な長さが該誘電体バリヤ放
電の放電路長よりも小さくなることによる発光効率の低
下は、より大きい。

【０００９】図３に示したように、該誘電体バリヤ放電
の放電路に平行して設けられた光取りだし窓部材１を有
する誘電体バリヤ放電ランプにおいて、該光取りだし窓
部材１の放電路に平行な長さＨが該誘電体バリヤ放電の
放電路長Ｌを越えるように構成すると、窪み２３が形成
され、その結果、沿面放電の放電路長が長くなり、か
つ、窪み２３を形成する管壁部分には誘電体バリヤ放電
ランプからの放射光が照射されにくいので、沿面放電７
が発生しにくくなり、その結果、時間的な安定性の良好
な光出力を得ることが出来る。さらに、該光取りだし窓
部材１の放電路に平行な長さＨが該誘電体バリヤ放電の
放電路長Ｌを越えるように構成することにより、誘電体
２，３の表面に発生している沿面放電状プラズマ２１
ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄからの放射光が効率よく集
光レンズに入射するため、高輝度、高効率が得られる。
ＨをＬで割った値を１．２以上にすると、光放射の安定
化および輝度、効率改善の効果はよりいっそう発揮され
る。

【００１０】本発明の該誘電体バリヤ放電ランプを使用
すると、本発明の該誘電体バリヤ放電ランプは高輝度の
線状の照射面を形成できるので、線状の被処理物を該線
状の照射面に一致させて配置することにより、線状物の
処理を高速で、高効率で行うことが出来る。ここで言う
処理は、光を利用した洗浄、エッチング、表面改質、塗
料の硬化および消毒殺菌などである。

【００１１】光を利用して処理を行う場合、光の利用効
率などから、被処理物と光源を出来るだけ接近させるこ
とが望ましい。平板状の被処理物の表面を処理する場
合、平板状の発光面を有するような大きな発光面の光源
を使用すると、被処理物の表面と光源との距離を光源の
発光表面全体に渡って一定に保つことは一般的に困難で
あり、すなわち、平面と平面間の距離を一定にすること
は一般に困難であり、従って、被処理物の表面における
照射量が不均一になり、均一な処理が不可能である。本
発明の該誘電体バリヤ放電ランプの光取り出し窓部材あ
るいは集光レンズは幅の狭い帯状をしており、高輝度の
線状の照射面を形成できるので、本発明の該誘電体バリ
ヤ放電ランプを使用した場合には、平面と直線間の距離
を一定に保てばよく、被処理物の表面の線状の部分を均
一に照射することが出来る。本発明の該誘電体バリヤ放
電ランプを使用し、平板状の被処理物あるいは該誘電体
バリヤ放電ランプを窓部材の巾方向に相対的に移動させ
ることにより、平板状の被処理物の表面を均一に処理で
きる。特に、被処理物がフィルム状で広い面積に渡って
平らな平面を保つのが困難な場合には、本発明の誘電体
バリヤ放電ランプの使用が一層有利になる。

【００１２】

【実施例】本発明の第１の実施例である平板型誘電体バ
リヤ放電ランプの概略図を、図１の側面断面図と図２の
正面図に示す。長辺３００ｍｍ、短辺８０ｍｍの長方形
合成石英ガラス板２枚を誘電体２，３とし、該誘電体
２，３の内側の表面間の距離を８ｍｍにして対向させ、
周辺部に光取り出し窓部材１と側板８ａ，８ｂ，６をも
うけて放電容器を形成した。光取り出し窓部材１は、誘
電体２，３の一つの長辺部に設けられ、放電路に平行な
長さＨを、該誘電体バリヤ放電の放電路長Ｌ、すなわ
ち、誘電体２，３の内表面間の距離８ｍｍと同一の８ｍ
ｍとした。側板８ａ，８ｂおよび６の外側に、アルミニ
ウムからなる光反射膜９ａ，９ｂ，９ｃを蒸着によって
設けた。シリコン樹脂系の接着剤を使用して、集光用円
筒レンズ１０を光取りだし窓部材１に直近して設置し
た。なお、接着は、光取りだし窓部材の端部においての
み行った。放電用ガスとして放電空間１１にキセノンを
３００Ｔｏｒｒ封入し、電源２２によって光反射板を兼
ねたアルミニウムからなる電極４，５に電圧を印加した
結果、誘電体バリヤ放電が発生し、キセノンのエキシマ
分子から放射された１７２ｎｍとその付近の紫外線が集
光用円筒レンズ１０によって集光され、線状の光放射面
を有する高輝度の誘電体バリヤ放電ランプが得られた。
また、側板８ａ，８ｂに反射膜９ａ，９ｂを設けること
により、光出力の空間的な均一性と、発光効率が改善さ
れた誘電体バリヤ放電ランプが得られた。

【００１３】本発明の第２の実施例は、第１の実施例で
ある平板状誘電体バリヤ放電ランプにおいて、光取り出
し窓部材１の放電路に平行な長さＨを、該誘電体バリヤ
放電の放電路長Ｌの８ｍｍよりも大きな１０ｍｍとした
ものである。この実施例においては、光出力の空間的な
均一性に加えて、窓部材の近傍の沿面放電の抑制によっ
て光出力の安定化が達成でき、かつ、光の取り出し効率
が改善された結果により、より高輝度化が達成できた。

【００１４】本発明の第３の実施例は、第１の実施例で
ある平板状誘電体バリヤ放電ランプにおいて、光取り出
し窓部材１を取り除き、代わりに合成石英ガラスから成
る集光用円筒レンズ１０を放電容器に溶着によって取り
付け、光取り出し窓部材と集光用レンズを兼用させた構
成を特徴とする。上記構成により、より高輝度で、か
つ、小型の誘電体バリヤ放電ランプを得ることが出来
た。

【００１５】本発明の第４の実施例である円弧状誘電体
バリヤ放電ランプの正面図を図４に示す。外径７０ｍｍ
および外径４０ｍｍの石英ガラス管を縦割りにした誘電
体４１，４２と、光取り出し窓部材４３、側板４４ａ，
４４ｂおよび図示していないが側板６をもうけて放電容
器を形成した。図示していないが、光取り出し窓部材４
３に直近して沿って、円弧状の円柱状集光レンズが設け
られている。また、側板４４ａ，４４ｂの内表面には、
ＭｇＦ₂ とＬａＦ₃ を交互に２５層積層して１７２ｎｍ
の紫外線を反射する多層誘電体反射膜４５ａ，４５ｂが
設けられている。さらに、誘電体４１，４２の内表面に
も、図示していないが同様の多層誘電体反射膜が設けら
れている。放電用ガスとして放電空間１１にキセノンを
４００Ｔｏｒｒ封入し、誘電体４１，４２の外表面に設
けられた電極４，５に交流電圧を印加すると、安定な誘
電体バリヤ放電が発生し、キセノンのエキシマ分子から
放射された１７２ｎｍとその付近の紫外線が円弧状の円
柱状集光レンズで集光され、高輝度で、空間的な均一性
が良好で、高効率の円弧状の線状をした光放射面を有す
る誘電体バリヤ放電ランプが得られた。側板４４ａ，４
４ｂに設けた光反射膜４５ａ，４５ｂを電気絶縁物とす
ることにより、側板上で沿面放電が発生しにくくなると
いう利点が生じた。

【００１６】本発明の第５の実施例は本発明の誘電体バ
リヤ放電ランプを使用した洗浄方法で、概略図を図５に
示す。実施例２に示した平板状の誘電体バリヤ放電ラン
プと同一の誘電体バリヤ放電ランプ５１の集光レンズ１
０と平行して、被洗浄物である光ファイバー５０が酸素
を含む雰囲気中に設置されている。５２は光反射板であ
る。誘電体バリヤ放電ランプ５１の集光レンズ１０によ
って、光ファイバー５０の表面に波長１７２ｎｍとその
付近の紫外線が集中して照射される。その結果、光ファ
イバー５０の表面付近で活性な酸素原子が生成され、通
常の機構によって光ファイバー５０の表面が洗浄され
る。本発明の誘電体バリヤ放電ランプの放射面が直線状
であること、高輝度の紫外線が得られることから、高い
光利用率で、高速で洗浄を行うことが出来る。

【００１７】本発明の第６の実施例は、第５の実施例に
おける誘電体バリヤ放電の放電用ガスをキセノンと塩素
の混合ガスにし、光ファイバー５０の表面に光硬化性の
樹脂をコーティングし、該光硬化性の樹脂の硬化を行う
ものである。キセノンと塩素からなるエキシマ分子から
放射された３０２ｎｍとその付近の紫外線が、光ファイ
バー５０の表面の光硬化性樹脂に高輝度で照射され、光
硬化性樹脂は効率よく硬化される。第５，６の実施例に
おいては一個の誘電体バリヤ放電ランプを使用したが、
複数個の誘電体バリヤ放電ランプを使用して異なった方
向から紫外線を照射することにより、円周方向の均一性
が改善され、かつ、高速で処理することが出来る。

【００１８】本発明の第７の実施例である表面改質方法
の概略図を図６に示す。実施例３に示した平板状の誘電
体バリヤ放電ランプと同一の誘電体バリヤ放電ランプ６
１の集光レンズ１０と平行して、ローラ６２が設けられ
ており、被表面改質物であるポリエチレンフィルム６３
が酸素を含む雰囲気中に設置されている。誘電体バリヤ
放電ランプ６１の集光レンズ１０によって、ローラ６２
に密着しているポリエチレンフィルム６３の表面に波長
１７２ｎｍとその付近の紫外線が集中して照射される。
その結果、ポリエチレンフィルムの表面が通常の機構に
よって改質される。本発明の誘電体バリヤ放電ランプの
放射面が直線状であることからポリエチレンフィルムの
表面と誘電体バリヤ放電ランプとの距離を一定にしやす
いこと、高輝度の紫外線が得られることから、均一に、
かつ、高速で表面改質を行うことが出来る。

【００１９】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、高輝
度で、光出力の空間的分布が均一で、高効率で、かつ、
光出力が安定である誘電体バリヤ放電ランプを提供でき
る。さらに、本発明の誘電体バリヤ放電ランプを使用す
ることにより、平板状、フィルム状および線状の被処理
物を、均一で高速に処理することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘電体バリヤ放電ランプの実施例の説
明図であって、側面から示す。

【図２】図１のランプを正面から示した説明図である。

【図３】窓部材の説明図である。

【図４】本発明の誘電体バリヤ放電ランプの他の実施例
の説明図である。

【図５】本発明の誘電体バリヤ放電ランプを使用した洗
浄方法の説明図である。

【図６】本発明の誘電体バリヤ放電ランプを使用した表
面改質方法の説明図である。

【符号の説明】

１ 窓部材 ２，３ 誘電体 ４，５ 電極 ６，８ａ，８ｂ 側板 ９ａ，９ｂ，９ｃ 反射膜 １０ 集光レンズ １１ 放電空間 ２２ 電源 ５０ 光ファイバー ６３ ポリエチレンフィルム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電容器に誘電体バリヤ放電によってエ
   キシマ分子を形成する放電用ガスが充填され、該放電容
   器の一部は該誘電体バリヤ放電の誘電体を兼ねており、
   該誘電体バリヤ放電の放電路に平行して設けられた光取
   りだし窓部材を有する誘電体バリヤ放電ランプにおい
   て、該光取りだし窓部材に直近して集光レンズを設けた
   事を特徴とする誘電体バリヤ放電ランプ。
2. 【請求項２】 放電容器に誘電体バリヤ放電によってエ
   キシマ分子を形成する放電用ガスが充填され、該放電容
   器の一部は該誘電体バリヤ放電の誘電体を兼ねており、
   該誘電体バリヤ放電の放電路に平行して設けられた光取
   りだし窓部材を有する誘電体バリヤ放電ランプにおい
   て、該光取りだし窓部材が集光レンズを兼任してなるこ
   とを特徴とする誘電体バリヤ放電ランプ。
3. 【請求項３】 該光取りだし窓部材に直近し、該放電路
   に平行な放電容器の管壁に光反射膜を設けた事を特徴と
   する請求項１もしくは２に記載の誘電体バリヤ放電ラン
   プ。
4. 【請求項４】 該光取りだし窓部材の放電路に平行な長
   さＨが誘電体バリヤ放電の放電路長Ｌを越えるように構
   成したことを特長とする請求項１から３に記載の誘電体
   バリヤ放電ランプ。
5. 【請求項５】 請求項１から４に記載の誘電体バリヤ放
   電ランプを使用したことを特徴とする線状物の処理方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１から４に記載の誘電体バリヤ放
   電ランプを使用したことを特徴とする平板状物の処理方
   法。
7. 【請求項７】 請求項１から４に記載の誘電体バリヤ放
   電ランプを使用したことを特徴とするフィルム状物の処
   理方法。