エキシマランプ
【課題】 放電容器にフッ素が取り込まれることを防止し、エキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができるエキシマランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】 ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エキシマランプに関するものであり、特に、放電容器の内部にフッ素またはフッ化物が封入されているエキシマランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から光化学反応用の紫外線光源としてエキシマランプが使用されており、放電空間を形成する放電容器内に適宜の発光ガスが充填され、エキシマ放電によりエキシマ分子を生成し、エキシマ分子から放射されるエキシマ光を放出するエキシマランプが知られている。
【０００３】
このようなエキシマランプは、放電用ガスとしてアルゴン、クリプトンを使用するものであり、必要に応じてフッ素や塩素のハロゲンが封入されている。
例えば、アルゴン−フッ素の放電ガスでは波長１９３ｎｍの光が放射され、クリプトン−フッ素の放電ガスでは波長２４８ｎｍの光が放射され、キセノン−フッ素の放電ガスでは波長３５１ｎｍの光が放射され、キセノン−塩素の放電ガスでは波長３０８ｎｍの光が放射される。
【０００４】
放電ガスとしてハロゲンを用いる場合、放電空間を形成する放電容器やその他の部材にハロゲンが取り込まれ、放電空間内に存在するハロゲン量が減少してエキシマ分子の生成量が減少し、エキシマランプから放射される光出力が低下する問題がある。
【０００５】
図６は、特許３１７８１６２号公報に記載される従来のエキシマランプの構成を示す説明用一部断面図である。
放電容器は、筒状のサファイアガラスよりなる発光管１０１の両端を覆うようにチタン製キャップ１０２を配置し、フッ素樹脂系のＯリング１０３で発光管１０１とキャップ１０２とを封止して構成されている。放電容器がＯリング１０３によって気密封止されているので、外部と遮蔽された放電空間１００が形成される。
発光管１０１の外表面に一対の外部電極１０４が離間して設けられている。放電空間１００には発光ガスとしてキセノンと塩素が封入されており、外部電極１０４に高周波高電圧を印加することにより、放電空間１００内に誘電体エキシマ放電によりエキシマが生成され、波長１９３ｎｍのエキシマ光が放出される。
【０００６】
発光管１０１を構成するサファイアガラスは塩素との反応性が低く、また、キャップ１０２を構成するチタンも塩素との反応性が低い。特許文献１には、放電容器１００を塩素との反応性が低い部材により構成することによって、放電容器１００にハロゲンが取り込まれることを防止し、ハロゲン量の減少によるエキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができることが記載されている。
【特許文献１】特許３１７８１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、放電容器１００に封入される発光ガスとして、ハロゲンを塩素からフッ素に変更すると、フッ素は塩素に比べてさらに反応性が強いので、放電容器にフッ素が取り込まれる可能性が高まる。Ｏリング１０３を構成するフッ素樹脂には微量の不純物がふくまれているため、反応性の強いフッ素はこれら不純物がフッ素と反応し、Ｏリング１０３にフッ素が取り込まれてしまう。したがって、放電空間１００内に存在するフッ素量の減少を完全に抑えることができない。特許文献１に記載のエキシマランプに封入される発光ガスとしてフッ素を選択すると、フッ素量の減少を原因とする、エキシマランプから放射される光出力の低下が発生する。
【０００８】
フッ素樹脂系のＯリングを用いて封止する以外にも、エポキシ樹脂や銀ロウ、ニッケル−銅−チタンの合金、さらには、ビスフェノールなどによって封止することも可能ではあるが、フッ素との反応を完全になくすことはできない。フッ素量が減少してしまうという問題はＯリング以外を用いて封止する場合にも発生し、フッ素量の減少を原因としたエキシマランプから放射される光出力の低下が避けられない。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、放電容器にフッ素が取り込まれることを防止し、エキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができるエキシマランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願第１の発明は、ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
また、本願第２の発明は、本願第１の発明において、前記金属部材はコバールよりなり、当該金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
また、本願第３の発明は、本願第１の発明において、前記金属部材はニッケルよりなることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１乃至３のいずれかの発明において、前記光取出し部材は両端が開口した直管状の発光管よりなり、前記発光管の両端を覆うように、前記発光管の外径より大きい開口部径を有する底部と側面部からなる蓋部材よりなる金属部材が配置され、前記発光管の外表面と前記蓋部材の側面部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする。
また、本願第５の発明は、本願第１乃至３のいずれかの発明において、前記光取出し部材は板状の窓部材よりなり、前記窓部材より大きい開口部を有する底面部と側部からなる基体部材よりなる金属部材を有し、前記窓部材は前記金属部材の開口部に配置され、前記基体部材の側部と前記窓部材の外端部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願第１の発明に係るエキシマランプによれば、溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されることにより、ニッケル層の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層を形成することによって溶加材によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
【００１２】
また、本願第２の発明に係るエキシマランプによれば、金属部材をケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しいコバールにより形成することにより、透光性セラミックスより形成される発光管との膨張係数の差異を小さくすることができる。そのため、エキシマランプの点灯・消灯に伴って放電容器が加熱・冷却されても、発光管と蓋部材とが膨張収縮する長さが略等しくなるので放電容器が割れにくくすることができる。コバールはフッ素を取り込みやすい性質を有するが、金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層を形成することによって、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００１３】
また、本願第３の発明に係るエキシマランプによれば、金属部材をフッ素に腐食されにくいニッケルにより形成することにより、金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層を形成しなくても、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００１４】
また、本願第４の発明に係るエキシマランプによれば、光取出し部材である発光管と金属部材である蓋部材が溶加材を介して封止されるので、発光管と蓋部材とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
また、本願第５の発明に係るエキシマランプによれば、光取出し部材である窓部材と金属部材である基体部材が溶加材を介して封止されるので、窓部材と基体部材とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図である。
エキシマランプの発光管１は、光取出し部材として機能し、平均厚みが０．３〜３ｍｍの両端が開口した直管状で、ケイ素を含まない透光性セラミックスにより構成される。ケイ素を含まない透光性セラミックスとは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするサファイア（単結晶アルミナ）やアルミナ（多結晶アルミナ）、または、チタニア（ＴｉＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）などであり、厚さ１ｍｍの基板において波長１９３ｎｍの光を３０％以上透過する部材である。
【００１６】
発光管１の長手方向における両端にカップ状の蓋部材２が配置される。蓋部材２の開口部径は発光管１の外径より大きくなっており、蓋部材２が発光管１の端部１２を覆うようにして配置される。蓋部材２は、金属部材として機能し、例えば鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。コバールはケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属であり、サファイアやアルミナなどのケイ素を含まない透光性セラミックスより形成される発光管１との膨張係数の差異を小さくすることができる。ケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属としては、コバールのほかにニオブ（Ｎｂ）などがある。蓋部材２をケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属により形成することによって、エキシマランプの点灯・消灯に伴って放電容器が加熱・冷却されても、発光管１と蓋部材２とが膨張収縮する長さが略等しくなるので放電容器を割れにくくすることができる。
【００１７】
発光管１と蓋部材２との間に、発光管１や蓋部材２よりも低い融点を持った金属の溶加材４が充填されて溶融することにより、光取出し部材として機能する発光管１と、金属部材である蓋部材２とが、封止されて放電容器が形成される。溶加材４の材料としては、例えば、銀と銅との合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）、銀と金と銅との合金（Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ合金）、チタンと銅と銀との合金（Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇ合金）、インジウムと銅と銀との合金（Ｉｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金）、インジウムと金との合金（Ｉｎ−Ａｕ合金）などの金属合金が挙げられる。エキシマランプの点灯時、溶加材４は紫外線が照射されると共に加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものでることが要求される。
【００１８】
金属部材である蓋部材２には排気管３が設けられており、放電容器の内部が排気管３により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。放電容器の放電空間１０内に封入される発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ），クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる希ガスと、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）又は三フッ化窒素（ＮＦ３）からなるフッ化物とが挙げられる。発光ガスの封入後、排気管３を蓋部材２との付け根から３〜１００ｍｍ突き出たところを終端として圧接切断されることにより、放電容器を密閉構造とする。
【００１９】
発光管１の外面には、管軸方向に沿って延びるように一対の外部電極７１が互いに離間して配置され、光取出し部材である発光管１が介在する状態で一対の外部電極７１が設けられる。外部電極７１は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管１の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管１の外面に接着することもできる。一対の外部電極７１間に電圧が印加されることにより、発光管１を介して外部電極７１間で放電が発生する。
【００２０】
希ガスがアルゴン（Ａｒ）でフッ化物が六フッ化硫黄（ＳＦ６）として発光ガスが放電空間１０内に封入されている場合、アルゴンとフッ素の混合ガスが全圧で４０ｋＰａ、このうちフッ素の割合は０．１％として封入する。フッ素をあまり多くすると、電子がフッ素に吸引されて負のイオンとなり放電が安定しないため、フッ素濃度を少なくしている。また、フッ素濃度を少なくしたことを補い、なるべく大量のエキシマ分子を作るために一定以上の圧力を必要とする。
【００２１】
一対の外部電極７１間に電圧が印加されると、アルゴンがエネルギーを得て電離されてアルゴンイオンとなり、六フッ化硫黄が解離してフッ素イオンとなり、アルゴンとフッ素が励起状態となる。励起状態に至ったアルゴンとフッ素が結合してアルゴン−フッ素からなるエキシマ分子に変化する。このように生成されたＡｒＦエキシマは脱励起することにより、波長１９３ｎｍの真空紫外光を放射する。発光管１が光取出し部材として機能し、波長１９３ｎｍの真空紫外光が発光管１から放電容器の外部に放出される。
【００２２】
図２は、本発明のエキシマランプの発光管１と蓋部材２との接合部を示す拡大断面図である。
蓋部材２は、例えば平均厚みが２ｍｍのコバールよりなる部材であり、直径φ１０ｍｍの円形の底部２１の端部に高さ２〜１０ｍｍの筒状の側面部２２の一端が接続されている。放電容器の放電空間１０側の底部２１と側面部２２との接続部は滑らかなＲ形状となっている。底部２１の中央部に直径φ１〜２ｍｍの排気穴２３が設けられ、排気穴２３に続いて直径φ３ｍｍのニッケルよりなる排気管３が取り付けられている。排気穴２３の中間に段差２４が設けられており、発光管側の排気穴開口径２５が排気管側の排気穴開口径２６より小さくなっている。排気管３の内径は蓋部材２の発光管側の排気穴開口径２５に比べてわずかに大きいが略同程度の大きさであり、排気管３の外径は蓋部材２の排気管側の排気穴開口径２６より大きくなっている。排気管３の蓋部材２に嵌合される先端３１は薄肉になっており、排気穴２３の段差２４に当接できるようになっている。蓋部材２と排気管３の継ぎ目に放電容器の外側から、ロウ材６を注入して、蓋部材２に排気管３を固定している。
【００２３】
蓋部材２の開口部径Ｒは、発光管１の外径ｒより０．１〜１ｍｍ大きくなっているので、発光管１を蓋部材２の開口部に余裕をもって挿入することができる。溶加材４がセラミックスに溶着しない性質を有するので、発光管１と溶加材４とのなじみを良くするために、発光管１の外表面において端部１２から５ｍｍまでの範囲にモリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１が形成されている。発光管１のメタライズ層１１と蓋部材２の側面部２２との間に隙間が埋まるように溶加材４が充填される。発光管１と蓋部材２との間に隙間が残るとフッ素などの発光ガスが漏れ出して減少してしまうので、溶加材４は蓋部材２の開口部を埋める程度にまで十分に充填される。溶加材４が発光管１と蓋部材２との緩衝材となり、発光管１と蓋部材２の膨張伸縮によって生じるズレを許容し、ズレによって生じる隙間も塞いで放電容器の気密性を保つことができる。
【００２４】
蓋部材２の底部２１と発光管１の端部１２とは、０．１〜１ｍｍ離間して配置されている。また、上記するように蓋部材２の側面部２２と発光管１の外表面に形成されたメタライズ層１１との間も０．１〜１ｍｍ離間して配置され、溶加材４を介して封止されている。このように発光管１と蓋部材２とが離間しているので、発光管１と蓋部材２とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
蓋部材２の底部２１と発光管１の端部１２とが離間する箇所において、溶加材４が放電容器の放電空間１０に露出する。溶加材４の露出面４１は一方がメタライズ層１１の端部につながり、他方が蓋部材２の底部２１につながり、溶加材４自体の表面張力により露出面４１が弓状に湾曲している。溶加材４の充填量が増えると、露出面４１の一方がメタライズ層１１の端部につながる位置は変わらないが、露出面４１の他方がつながる蓋部材２の底部２１の位置は排気穴２３側に移動する。
【００２５】
エキシマランプの放電によって放電容器の放電空間１０に発生するフッ素イオンは酸化力が強く、ほとんど全ての元素と反応する。したがって、フッ素が取り込まれないように放電容器の放電空間１０を形成することが必要である。ケイ素はフッ素イオンによって酸化されやすいため、ケイ素を含むセラミックスはフッ素との反応性が高い。そのため、発光管１を、波長１９３ｎｍの真空紫外光を透過しつつ、フッ素との反応性が低い性質を有するケイ素を含まない透光性セラミックスにより構成することによって、発光管１によるフッ素の取り込みを防止するとともに、発光管１から波長１９３ｎｍの真空紫外光を外部に放射することができる。
【００２６】
また、ニッケルは、表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）など、不動態の皮膜を形成するので比較的フッ素に腐食され難い。そのため、ニッケルより構成される排気管３はフッ素を取り込まれにくい。しかし、蓋部材２を構成するコバールや、溶加材４を構成する銀と銅との合金は、フッ素を取り込んでしまう。そこで、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。
【００２７】
コバールよりなる蓋部材２や、銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
なお、図２に示すように、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面だけでなく、ニッケルが付着しにくいセラミックスよりなる発光管１以外の部分の放電容器の全表面にニッケル層５を被覆すれば、後述するように容易にニッケル層５を形成することができる。
【００２８】
次に、ニッケル層５の具体的な形成方法の一例を説明する。
発光管１と蓋部材２を溶加材４で密着封止して放電容器を形成した後で、放電容器の放電空間１０に発光ガスが封入される前に、片方ずつ放電容器の端部にニッケル層５を形成する。まず、溶加材４の表面をアルカリ脱脂、水洗後、さらに酸洗、水洗を行って清浄化し、封止部の表面に欠陥なくニッケル層５が形成されるように準備する。一方の放電容器の端部を硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸が混合されたメッキ液に浸漬して、無電解ニッケルメッキ処理を施す。無電解ニッケルメッキ処理は化学的還元作用によりニッケルを析出させる方法であり、複雑な形状に対しても均一なニッケル皮膜が得られるという特徴を有する。
【００２９】
放電容器の端部をメッキ液に浸漬すると、排気管３から放電容器の放電空間１０にもメッキ液が侵入するので、放電容器の外表面だけでなく、放電容器の内表面もメッキ液に覆われることになる。９０℃のメッキ液に２０分浸漬すると、発光管１以外の部材、すなわち、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５が形成される。ニッケルは発光管１を構成するセラミックスには析出しない性質を有するので、発光管１にはニッケル層５が形成されない。発光管１がニッケルによって遮光されることはなく、光取出し部材としての機能は妨げられない。
他方の放電容器の端部も同様にしてニッケル層５が形成される。
【００３０】
放電容器の内部に残留するメッキ液の残渣を洗浄除去した後、一方の排気管３を圧接切断する。他方の排気管３から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、他方の排気管３を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【００３１】
続いて、本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。図３は、本発明のエキシマランプの発光管１と蓋部材２との接合部を示す拡大断面図である。
上記するように、放電容器の内部を排気して発光ガスを封入するために排気管３が必要となるが、一方の排気管３は排気前に圧接切断されており、他方の蓋部材２にさえ排気管３が設けられればその機能を果たす。したがって、一方の蓋部材２には排気管３がなく、他方の蓋部材２にだけ排気管３を設けて放電容器を形成することもできる。図３は、排気管３が設けられていない一方の蓋部材２を示す拡大断面図である。
【００３２】
蓋部材２は平均厚みが１ｍｍのフッ素に腐食されにくいニッケルよりなる部材であり、円形の底部２１の端部に筒状の側面部２２の一端が接続されている。放電容器の放電空間１０側の底部２１と側面部２２との接続部は滑らかなＲ形状となっている。フッ素に腐食されにくい金属としては、ニッケルのほかにニッケルと銅との合金（Ｎｉ−Ｃｕ合金）などがある。
発光管１はケイ素を含まない透光性セラミックスよりなり、発光管１の外表面において端部から１０ｍｍまでの範囲にモリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１が形成されている。発光管１の端部が蓋部材２の開口部に余裕をもって挿入され、蓋部材２の底部２１と発光管１の端部とが離間するように配置されている。発光管１のメタライズ層１１と蓋部材２の側面部２２との間の隙間が埋まるように溶加材４が充填されている。
【００３３】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる発光管１だけでなく、蓋部材２をニッケルより構成することによって、蓋部材２にもフッ素が取り込まれない。蓋部材２をフッ素に腐食されにくいニッケルにより形成することにより、蓋部材２の放電容器の放電空間１０にさらされる表面にニッケル層５を形成しなくても、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００３４】
しかしながら、溶加材４を構成する金属合金は、依然としてフッ素を取り込む恐れがある。そこで、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって溶加材４およびメタライズ層１１によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができる。
【００３５】
蓋部材２の底部２１には排気穴が設けられておらず、排気管３も取り付けられていないため、放電容器の端部をメッキ液に浸漬しても、放電容器の放電空間１０にメッキ液が入っていかない。そのため、無電解ニッケルメッキ処理によっては、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面にニッケル層５を形成することができない。そこで、以下に示す電気ニッケルメッキ処理を行う。
【００３６】
排気管３が取り付けられていない一方の蓋部材２だけが発光管１に取り付けられていて、排気管３が取り付けられている他方の蓋部材２が取り付けられていない状態で、放電容器をニッケルイオンを含む水溶液中に浸す。放電容器の放電空間１０にニッケル板を挿入し、溶加材４を陰極として、ニッケル板を陽極として直流電流を流す。ニッケル板の陽極側では酸化反応が起こり、ニッケルは電子を放出してニッケルイオンとなる。一方、溶加材４の陰極側では還元反応が起こり、溶液中のニッケルイオンが電子を受け取り金属ニッケルとなる。還元反応は陰極である溶加材４の放電空間１０にさらされる表面の周りで起こるので、生じた金属ニッケルが溶加材４の表面に析出してニッケル層５となる。
【００３７】
排気管３が取り付けられていない一方の蓋部材２を発光管１に取り付け、電気ニッケルメッキ処理を行った後に、排気管が形成されている他方の蓋部材を発光管１にとりつけ、無電解ニッケルメッキ処理をすることになる。他方の蓋部材から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、排気管を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【００３８】
本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図である。
第２の実施形態に係るエキシマランプは、円形の板状のケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる窓部材８よりなる光取出し部材と、円形の底面部９１の端部に側部９２が形成されたキャップ状のコバールよりなる基体部材９よりなる金属部材とを有する放電容器を備える。開口部Ｐは窓部材８より大きくなっているので、窓部材８を基体部材９の開口部Ｐの内側に配置して、基体部材９の側部９２と窓部材８の外端部８３を溶加材４により封止して中空円盤状の放電容器が構成される。
【００３９】
基体部材９は、開口部Ｐを有するキャップ状の部材であり、例えば直径φ５０ｍｍで平均厚みが５ｍｍの円形の底面部９１の端部に、高さ１０〜２０ｍｍの筒状の側部９２の一端が接続されている。側部９２の放電空間１０側の側面は、中間に段差が設けられており、基体部材９の側部９２の開口部Ｐ側が薄肉になっている。基体部材９の開口面積は、開口部Ｐの表面積であり、つまり、薄肉部９４の内側面を直径とする円の面積である。側部９２は、厚みが１ｍｍの薄肉部９４と、厚みが３ｍｍの厚肉部９５から構成され、薄肉部９４と厚肉部９５をつなぐ厚肉部９５の上面が平面部９６となっている。平面部９６は、底面部９１に平行でリング状の表面となっている。
【００４０】
光取出し部材として機能する窓部材８は、例えば直径φ４０ｍｍで平均厚みが１ｍｍの円形の板状部材であり、開口部Ｐの表面積が窓部材の表面積より大きくなるように構成される。このように、窓部材８が基体部材の開口部Ｐより小さくなっているので、窓部材８は基体部材９の開口部Ｐの内側に配置されことになる。光取出し部材である窓部材８の外端部８３と、金属部材である基体部材９の側部９２との間に、窓部材８や基体部材９よりも低い融点を持った金属の溶加材４が充填されて溶融することにより封止されて放電容器が形成される。
【００４１】
金属部材である基体部材９の側部９２には直径φ１〜２ｍｍの排気穴９７が１つ設けられ、ニッケルよりなり直径φ３ｍｍの排気管３が排気穴９７に接続されている。放電容器の放電空間１０内が排気管３により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、排気管３を基体部材９との付け根から１５ｍｍ突き出たところを終端として圧接切断されることにより、放電容器を密閉構造とする。
【００４２】
窓部材８の外面には光を透過するためのメッシュ状の一方の電極７２が配置されており、基体部材９が他方の電極７３を兼ねており、光取出し部材である窓部材８が介在する状態で一対の電極７２、７３が設けられる。一方の電極７２と他方の電極７３である基体部材９とに高周波高電圧を印加することにより、放電容器の放電空間１０に希ガスとフッ素からなるエキシマ分子が生成され、波長１９３ｎｍの真空紫外光が放射される。
【００４３】
図５は、本発明のエキシマランプの基体部材９と排気管３との接続部を示す拡大断面図である。
放電容器の中央部を中心とすると、基体部材９の側部９２の薄肉部９４の内側面の直径はφ４０．２ｍｍであり、窓部材８の外端部８３の直径はφ４０ｍｍである。薄肉部９４の内側面の直径が窓部材８の外端部８３の直径より０．２ｍｍ大きくなっており、開口部Ｐは窓部材８より大きいので、窓部材８は蓋部材２の側部９２の薄肉部９４との間に余裕をもって配置されている。窓部材８の外端部８３に、幅１ｍｍの円周帯状にメタライズ層８２が形成されている。基体部材９の側部９２と窓部材８の外端部８３との隙間に溶加材４が充填されて密着封止されている。
【００４４】
基体部材９の側部９２の平面部９６と、窓部材８の下表面８１とは離間するように形成されている。基体部材９の平面部９６を研磨された滑らかな面とせず、適度な粗さの表面仕上げにすることにより、平面部９６に窓部材８を載置しても密接しない。そのため、窓部材８と薄肉部９４との間に溶加材４を充填すると、窓部材８のメタライズ層８２に溶着する溶加材４が下面側８１に回り込む。溶加材４が下表面８１と平面部９６とのスペーサーとして機能し、基体部材９の平面部９６と窓部材８の下表面８１とが離間するように保つ。
【００４５】
窓部材８は、外端部８３において基体部材９の側部９２との間に溶加材４が充填されて封止されているので、溶加材４が窓部材８と基体部材９との緩衝材となり、窓部材８と基体部材９の膨張伸縮によって生じるズレを許容し、ズレによって生じる隙間も塞いで放電容器の気密性を保つことができる。また、基体部材９の平面部９６と離間するように配置されているので、基体部材９と間に密接する箇所がない。このように、窓部材８と基体部材９が離間して配置され、溶加材４を介して封止されるので、窓部材８と基体部材９とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
【００４６】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる窓部材８はフッ素を取り込まないが、基体部材９を構成するコバールや溶加材４を構成する金属合金はフッ素を取り込む恐れがある。そこで、基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。コバールよりなる基体部材９や、銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層８２を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
【００４７】
次に、ニッケル層５の具体的な形成方法の一例を説明する。
基体部材９と窓部材８とを溶加材４で密着封止して放電容器を形成した後で、放電容器の内部に発光ガスが封入される前にニッケル層５を形成する。放電容器の放電空間１０をメッキ液で満たして、無電解ニッケルメッキ処理を施す。無電解ニッケルメッキ処理は化学的還元作用によりニッケルを析出させる方法であり、複雑な形状に対しても均一なニッケル皮膜が得られるという特徴を有する。
【００４８】
９０℃のメッキ液に２０分浸漬すると、窓部材８を構成するセラミックスにはニッケルを析出しない性質を有するので、窓部材８以外の部材、すなわち、基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２の表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５が形成される。
放電容器の内部に残留するメッキ液の残渣を洗浄除去した後、排気管３から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、他方の排気管３を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図
【図２】本発明のエキシマランプの発光管と蓋部材との接合部を示す拡大断面図
【図３】本発明のエキシマランプの発光管と蓋部材との接合部を示す拡大断面図
【図４】本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図
【図５】本発明のエキシマランプの基体部材と排気管との接続部を示す拡大断面図
【図６】従来のエキシマランプの構成を示す説明断面図
【符号の説明】
【００５０】
１ 発光管
２ 蓋部材
３ 排気管
４ 溶加材
５ ニッケル層
８ 窓部材
９ 基体部材
１０ 放電空間
１１ メタライズ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エキシマランプに関するものであり、特に、放電容器の内部にフッ素またはフッ化物が封入されているエキシマランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から光化学反応用の紫外線光源としてエキシマランプが使用されており、放電空間を形成する放電容器内に適宜の発光ガスが充填され、エキシマ放電によりエキシマ分子を生成し、エキシマ分子から放射されるエキシマ光を放出するエキシマランプが知られている。
【０００３】
このようなエキシマランプは、放電用ガスとしてアルゴン、クリプトンを使用するものであり、必要に応じてフッ素や塩素のハロゲンが封入されている。
例えば、アルゴン−フッ素の放電ガスでは波長１９３ｎｍの光が放射され、クリプトン−フッ素の放電ガスでは波長２４８ｎｍの光が放射され、キセノン−フッ素の放電ガスでは波長３５１ｎｍの光が放射され、キセノン−塩素の放電ガスでは波長３０８ｎｍの光が放射される。
【０００４】
放電ガスとしてハロゲンを用いる場合、放電空間を形成する放電容器やその他の部材にハロゲンが取り込まれ、放電空間内に存在するハロゲン量が減少してエキシマ分子の生成量が減少し、エキシマランプから放射される光出力が低下する問題がある。
【０００５】
図６は、特許３１７８１６２号公報に記載される従来のエキシマランプの構成を示す説明用一部断面図である。
放電容器は、筒状のサファイアガラスよりなる発光管１０１の両端を覆うようにチタン製キャップ１０２を配置し、フッ素樹脂系のＯリング１０３で発光管１０１とキャップ１０２とを封止して構成されている。放電容器がＯリング１０３によって気密封止されているので、外部と遮蔽された放電空間１００が形成される。
発光管１０１の外表面に一対の外部電極１０４が離間して設けられている。放電空間１００には発光ガスとしてキセノンと塩素が封入されており、外部電極１０４に高周波高電圧を印加することにより、放電空間１００内に誘電体エキシマ放電によりエキシマが生成され、波長１９３ｎｍのエキシマ光が放出される。
【０００６】
発光管１０１を構成するサファイアガラスは塩素との反応性が低く、また、キャップ１０２を構成するチタンも塩素との反応性が低い。特許文献１には、放電容器１００を塩素との反応性が低い部材により構成することによって、放電容器１００にハロゲンが取り込まれることを防止し、ハロゲン量の減少によるエキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができることが記載されている。
【特許文献１】特許３１７８１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、放電容器１００に封入される発光ガスとして、ハロゲンを塩素からフッ素に変更すると、フッ素は塩素に比べてさらに反応性が強いので、放電容器にフッ素が取り込まれる可能性が高まる。Ｏリング１０３を構成するフッ素樹脂には微量の不純物がふくまれているため、反応性の強いフッ素はこれら不純物がフッ素と反応し、Ｏリング１０３にフッ素が取り込まれてしまう。したがって、放電空間１００内に存在するフッ素量の減少を完全に抑えることができない。特許文献１に記載のエキシマランプに封入される発光ガスとしてフッ素を選択すると、フッ素量の減少を原因とする、エキシマランプから放射される光出力の低下が発生する。
【０００８】
フッ素樹脂系のＯリングを用いて封止する以外にも、エポキシ樹脂や銀ロウ、ニッケル−銅−チタンの合金、さらには、ビスフェノールなどによって封止することも可能ではあるが、フッ素との反応を完全になくすことはできない。フッ素量が減少してしまうという問題はＯリング以外を用いて封止する場合にも発生し、フッ素量の減少を原因としたエキシマランプから放射される光出力の低下が避けられない。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、放電容器にフッ素が取り込まれることを防止し、エキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができるエキシマランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願第１の発明は、ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
また、本願第２の発明は、本願第１の発明において、前記金属部材はコバールよりなり、当該金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする。
また、本願第３の発明は、本願第１の発明において、前記金属部材はニッケルよりなることを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第１乃至３のいずれかの発明において、前記光取出し部材は両端が開口した直管状の発光管よりなり、前記発光管の両端を覆うように、前記発光管の外径より大きい開口部径を有する底部と側面部からなる蓋部材よりなる金属部材が配置され、前記発光管の外表面と前記蓋部材の側面部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする。
また、本願第５の発明は、本願第１乃至３のいずれかの発明において、前記光取出し部材は板状の窓部材よりなり、前記窓部材より大きい開口部を有する底面部と側部からなる基体部材よりなる金属部材を有し、前記窓部材は前記金属部材の開口部に配置され、前記基体部材の側部と前記窓部材の外端部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願第１の発明に係るエキシマランプによれば、溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されることにより、ニッケル層の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層を形成することによって溶加材によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
【００１２】
また、本願第２の発明に係るエキシマランプによれば、金属部材をケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しいコバールにより形成することにより、透光性セラミックスより形成される発光管との膨張係数の差異を小さくすることができる。そのため、エキシマランプの点灯・消灯に伴って放電容器が加熱・冷却されても、発光管と蓋部材とが膨張収縮する長さが略等しくなるので放電容器が割れにくくすることができる。コバールはフッ素を取り込みやすい性質を有するが、金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層を形成することによって、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００１３】
また、本願第３の発明に係るエキシマランプによれば、金属部材をフッ素に腐食されにくいニッケルにより形成することにより、金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層を形成しなくても、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００１４】
また、本願第４の発明に係るエキシマランプによれば、光取出し部材である発光管と金属部材である蓋部材が溶加材を介して封止されるので、発光管と蓋部材とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
また、本願第５の発明に係るエキシマランプによれば、光取出し部材である窓部材と金属部材である基体部材が溶加材を介して封止されるので、窓部材と基体部材とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図である。
エキシマランプの発光管１は、光取出し部材として機能し、平均厚みが０．３〜３ｍｍの両端が開口した直管状で、ケイ素を含まない透光性セラミックスにより構成される。ケイ素を含まない透光性セラミックスとは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするサファイア（単結晶アルミナ）やアルミナ（多結晶アルミナ）、または、チタニア（ＴｉＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）などであり、厚さ１ｍｍの基板において波長１９３ｎｍの光を３０％以上透過する部材である。
【００１６】
発光管１の長手方向における両端にカップ状の蓋部材２が配置される。蓋部材２の開口部径は発光管１の外径より大きくなっており、蓋部材２が発光管１の端部１２を覆うようにして配置される。蓋部材２は、金属部材として機能し、例えば鉄（Ｆｅ）にニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を配合した合金のいわゆるコバールにより形成される。コバールはケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属であり、サファイアやアルミナなどのケイ素を含まない透光性セラミックスより形成される発光管１との膨張係数の差異を小さくすることができる。ケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属としては、コバールのほかにニオブ（Ｎｂ）などがある。蓋部材２をケイ素を含まない透光性セラミックスと膨張係数がほぼ等しい金属により形成することによって、エキシマランプの点灯・消灯に伴って放電容器が加熱・冷却されても、発光管１と蓋部材２とが膨張収縮する長さが略等しくなるので放電容器を割れにくくすることができる。
【００１７】
発光管１と蓋部材２との間に、発光管１や蓋部材２よりも低い融点を持った金属の溶加材４が充填されて溶融することにより、光取出し部材として機能する発光管１と、金属部材である蓋部材２とが、封止されて放電容器が形成される。溶加材４の材料としては、例えば、銀と銅との合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）、銀と金と銅との合金（Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ合金）、チタンと銅と銀との合金（Ｔｉ−Ｃｕ−Ａｇ合金）、インジウムと銅と銀との合金（Ｉｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金）、インジウムと金との合金（Ｉｎ−Ａｕ合金）などの金属合金が挙げられる。エキシマランプの点灯時、溶加材４は紫外線が照射されると共に加熱されるため、耐紫外線性及び耐熱性を有するものでることが要求される。
【００１８】
金属部材である蓋部材２には排気管３が設けられており、放電容器の内部が排気管３により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。放電容器の放電空間１０内に封入される発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ），クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる希ガスと、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）又は三フッ化窒素（ＮＦ３）からなるフッ化物とが挙げられる。発光ガスの封入後、排気管３を蓋部材２との付け根から３〜１００ｍｍ突き出たところを終端として圧接切断されることにより、放電容器を密閉構造とする。
【００１９】
発光管１の外面には、管軸方向に沿って延びるように一対の外部電極７１が互いに離間して配置され、光取出し部材である発光管１が介在する状態で一対の外部電極７１が設けられる。外部電極７１は、例えば銅をペースト状にしたものを発光管１の外面に塗布して形成することができ、又、板状の例えばアルミニウムを接着剤などによって発光管１の外面に接着することもできる。一対の外部電極７１間に電圧が印加されることにより、発光管１を介して外部電極７１間で放電が発生する。
【００２０】
希ガスがアルゴン（Ａｒ）でフッ化物が六フッ化硫黄（ＳＦ６）として発光ガスが放電空間１０内に封入されている場合、アルゴンとフッ素の混合ガスが全圧で４０ｋＰａ、このうちフッ素の割合は０．１％として封入する。フッ素をあまり多くすると、電子がフッ素に吸引されて負のイオンとなり放電が安定しないため、フッ素濃度を少なくしている。また、フッ素濃度を少なくしたことを補い、なるべく大量のエキシマ分子を作るために一定以上の圧力を必要とする。
【００２１】
一対の外部電極７１間に電圧が印加されると、アルゴンがエネルギーを得て電離されてアルゴンイオンとなり、六フッ化硫黄が解離してフッ素イオンとなり、アルゴンとフッ素が励起状態となる。励起状態に至ったアルゴンとフッ素が結合してアルゴン−フッ素からなるエキシマ分子に変化する。このように生成されたＡｒＦエキシマは脱励起することにより、波長１９３ｎｍの真空紫外光を放射する。発光管１が光取出し部材として機能し、波長１９３ｎｍの真空紫外光が発光管１から放電容器の外部に放出される。
【００２２】
図２は、本発明のエキシマランプの発光管１と蓋部材２との接合部を示す拡大断面図である。
蓋部材２は、例えば平均厚みが２ｍｍのコバールよりなる部材であり、直径φ１０ｍｍの円形の底部２１の端部に高さ２〜１０ｍｍの筒状の側面部２２の一端が接続されている。放電容器の放電空間１０側の底部２１と側面部２２との接続部は滑らかなＲ形状となっている。底部２１の中央部に直径φ１〜２ｍｍの排気穴２３が設けられ、排気穴２３に続いて直径φ３ｍｍのニッケルよりなる排気管３が取り付けられている。排気穴２３の中間に段差２４が設けられており、発光管側の排気穴開口径２５が排気管側の排気穴開口径２６より小さくなっている。排気管３の内径は蓋部材２の発光管側の排気穴開口径２５に比べてわずかに大きいが略同程度の大きさであり、排気管３の外径は蓋部材２の排気管側の排気穴開口径２６より大きくなっている。排気管３の蓋部材２に嵌合される先端３１は薄肉になっており、排気穴２３の段差２４に当接できるようになっている。蓋部材２と排気管３の継ぎ目に放電容器の外側から、ロウ材６を注入して、蓋部材２に排気管３を固定している。
【００２３】
蓋部材２の開口部径Ｒは、発光管１の外径ｒより０．１〜１ｍｍ大きくなっているので、発光管１を蓋部材２の開口部に余裕をもって挿入することができる。溶加材４がセラミックスに溶着しない性質を有するので、発光管１と溶加材４とのなじみを良くするために、発光管１の外表面において端部１２から５ｍｍまでの範囲にモリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１が形成されている。発光管１のメタライズ層１１と蓋部材２の側面部２２との間に隙間が埋まるように溶加材４が充填される。発光管１と蓋部材２との間に隙間が残るとフッ素などの発光ガスが漏れ出して減少してしまうので、溶加材４は蓋部材２の開口部を埋める程度にまで十分に充填される。溶加材４が発光管１と蓋部材２との緩衝材となり、発光管１と蓋部材２の膨張伸縮によって生じるズレを許容し、ズレによって生じる隙間も塞いで放電容器の気密性を保つことができる。
【００２４】
蓋部材２の底部２１と発光管１の端部１２とは、０．１〜１ｍｍ離間して配置されている。また、上記するように蓋部材２の側面部２２と発光管１の外表面に形成されたメタライズ層１１との間も０．１〜１ｍｍ離間して配置され、溶加材４を介して封止されている。このように発光管１と蓋部材２とが離間しているので、発光管１と蓋部材２とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を隙間によって許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
蓋部材２の底部２１と発光管１の端部１２とが離間する箇所において、溶加材４が放電容器の放電空間１０に露出する。溶加材４の露出面４１は一方がメタライズ層１１の端部につながり、他方が蓋部材２の底部２１につながり、溶加材４自体の表面張力により露出面４１が弓状に湾曲している。溶加材４の充填量が増えると、露出面４１の一方がメタライズ層１１の端部につながる位置は変わらないが、露出面４１の他方がつながる蓋部材２の底部２１の位置は排気穴２３側に移動する。
【００２５】
エキシマランプの放電によって放電容器の放電空間１０に発生するフッ素イオンは酸化力が強く、ほとんど全ての元素と反応する。したがって、フッ素が取り込まれないように放電容器の放電空間１０を形成することが必要である。ケイ素はフッ素イオンによって酸化されやすいため、ケイ素を含むセラミックスはフッ素との反応性が高い。そのため、発光管１を、波長１９３ｎｍの真空紫外光を透過しつつ、フッ素との反応性が低い性質を有するケイ素を含まない透光性セラミックスにより構成することによって、発光管１によるフッ素の取り込みを防止するとともに、発光管１から波長１９３ｎｍの真空紫外光を外部に放射することができる。
【００２６】
また、ニッケルは、表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）など、不動態の皮膜を形成するので比較的フッ素に腐食され難い。そのため、ニッケルより構成される排気管３はフッ素を取り込まれにくい。しかし、蓋部材２を構成するコバールや、溶加材４を構成する銀と銅との合金は、フッ素を取り込んでしまう。そこで、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。
【００２７】
コバールよりなる蓋部材２や、銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
なお、図２に示すように、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面だけでなく、ニッケルが付着しにくいセラミックスよりなる発光管１以外の部分の放電容器の全表面にニッケル層５を被覆すれば、後述するように容易にニッケル層５を形成することができる。
【００２８】
次に、ニッケル層５の具体的な形成方法の一例を説明する。
発光管１と蓋部材２を溶加材４で密着封止して放電容器を形成した後で、放電容器の放電空間１０に発光ガスが封入される前に、片方ずつ放電容器の端部にニッケル層５を形成する。まず、溶加材４の表面をアルカリ脱脂、水洗後、さらに酸洗、水洗を行って清浄化し、封止部の表面に欠陥なくニッケル層５が形成されるように準備する。一方の放電容器の端部を硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸が混合されたメッキ液に浸漬して、無電解ニッケルメッキ処理を施す。無電解ニッケルメッキ処理は化学的還元作用によりニッケルを析出させる方法であり、複雑な形状に対しても均一なニッケル皮膜が得られるという特徴を有する。
【００２９】
放電容器の端部をメッキ液に浸漬すると、排気管３から放電容器の放電空間１０にもメッキ液が侵入するので、放電容器の外表面だけでなく、放電容器の内表面もメッキ液に覆われることになる。９０℃のメッキ液に２０分浸漬すると、発光管１以外の部材、すなわち、蓋部材２、溶加材４およびメタライズ層１１の表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５が形成される。ニッケルは発光管１を構成するセラミックスには析出しない性質を有するので、発光管１にはニッケル層５が形成されない。発光管１がニッケルによって遮光されることはなく、光取出し部材としての機能は妨げられない。
他方の放電容器の端部も同様にしてニッケル層５が形成される。
【００３０】
放電容器の内部に残留するメッキ液の残渣を洗浄除去した後、一方の排気管３を圧接切断する。他方の排気管３から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、他方の排気管３を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【００３１】
続いて、本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。図３は、本発明のエキシマランプの発光管１と蓋部材２との接合部を示す拡大断面図である。
上記するように、放電容器の内部を排気して発光ガスを封入するために排気管３が必要となるが、一方の排気管３は排気前に圧接切断されており、他方の蓋部材２にさえ排気管３が設けられればその機能を果たす。したがって、一方の蓋部材２には排気管３がなく、他方の蓋部材２にだけ排気管３を設けて放電容器を形成することもできる。図３は、排気管３が設けられていない一方の蓋部材２を示す拡大断面図である。
【００３２】
蓋部材２は平均厚みが１ｍｍのフッ素に腐食されにくいニッケルよりなる部材であり、円形の底部２１の端部に筒状の側面部２２の一端が接続されている。放電容器の放電空間１０側の底部２１と側面部２２との接続部は滑らかなＲ形状となっている。フッ素に腐食されにくい金属としては、ニッケルのほかにニッケルと銅との合金（Ｎｉ−Ｃｕ合金）などがある。
発光管１はケイ素を含まない透光性セラミックスよりなり、発光管１の外表面において端部から１０ｍｍまでの範囲にモリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１が形成されている。発光管１の端部が蓋部材２の開口部に余裕をもって挿入され、蓋部材２の底部２１と発光管１の端部とが離間するように配置されている。発光管１のメタライズ層１１と蓋部材２の側面部２２との間の隙間が埋まるように溶加材４が充填されている。
【００３３】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる発光管１だけでなく、蓋部材２をニッケルより構成することによって、蓋部材２にもフッ素が取り込まれない。蓋部材２をフッ素に腐食されにくいニッケルにより形成することにより、蓋部材２の放電容器の放電空間１０にさらされる表面にニッケル層５を形成しなくても、フッ素が取り込まれることを防止することができる。
【００３４】
しかしながら、溶加材４を構成する金属合金は、依然としてフッ素を取り込む恐れがある。そこで、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層１１を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって溶加材４およびメタライズ層１１によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力の低下を抑えることができる。
【００３５】
蓋部材２の底部２１には排気穴が設けられておらず、排気管３も取り付けられていないため、放電容器の端部をメッキ液に浸漬しても、放電容器の放電空間１０にメッキ液が入っていかない。そのため、無電解ニッケルメッキ処理によっては、溶加材４およびメタライズ層１１の放電容器の放電空間１０にさらされる表面にニッケル層５を形成することができない。そこで、以下に示す電気ニッケルメッキ処理を行う。
【００３６】
排気管３が取り付けられていない一方の蓋部材２だけが発光管１に取り付けられていて、排気管３が取り付けられている他方の蓋部材２が取り付けられていない状態で、放電容器をニッケルイオンを含む水溶液中に浸す。放電容器の放電空間１０にニッケル板を挿入し、溶加材４を陰極として、ニッケル板を陽極として直流電流を流す。ニッケル板の陽極側では酸化反応が起こり、ニッケルは電子を放出してニッケルイオンとなる。一方、溶加材４の陰極側では還元反応が起こり、溶液中のニッケルイオンが電子を受け取り金属ニッケルとなる。還元反応は陰極である溶加材４の放電空間１０にさらされる表面の周りで起こるので、生じた金属ニッケルが溶加材４の表面に析出してニッケル層５となる。
【００３７】
排気管３が取り付けられていない一方の蓋部材２を発光管１に取り付け、電気ニッケルメッキ処理を行った後に、排気管が形成されている他方の蓋部材を発光管１にとりつけ、無電解ニッケルメッキ処理をすることになる。他方の蓋部材から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、排気管を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【００３８】
本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図である。
第２の実施形態に係るエキシマランプは、円形の板状のケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる窓部材８よりなる光取出し部材と、円形の底面部９１の端部に側部９２が形成されたキャップ状のコバールよりなる基体部材９よりなる金属部材とを有する放電容器を備える。開口部Ｐは窓部材８より大きくなっているので、窓部材８を基体部材９の開口部Ｐの内側に配置して、基体部材９の側部９２と窓部材８の外端部８３を溶加材４により封止して中空円盤状の放電容器が構成される。
【００３９】
基体部材９は、開口部Ｐを有するキャップ状の部材であり、例えば直径φ５０ｍｍで平均厚みが５ｍｍの円形の底面部９１の端部に、高さ１０〜２０ｍｍの筒状の側部９２の一端が接続されている。側部９２の放電空間１０側の側面は、中間に段差が設けられており、基体部材９の側部９２の開口部Ｐ側が薄肉になっている。基体部材９の開口面積は、開口部Ｐの表面積であり、つまり、薄肉部９４の内側面を直径とする円の面積である。側部９２は、厚みが１ｍｍの薄肉部９４と、厚みが３ｍｍの厚肉部９５から構成され、薄肉部９４と厚肉部９５をつなぐ厚肉部９５の上面が平面部９６となっている。平面部９６は、底面部９１に平行でリング状の表面となっている。
【００４０】
光取出し部材として機能する窓部材８は、例えば直径φ４０ｍｍで平均厚みが１ｍｍの円形の板状部材であり、開口部Ｐの表面積が窓部材の表面積より大きくなるように構成される。このように、窓部材８が基体部材の開口部Ｐより小さくなっているので、窓部材８は基体部材９の開口部Ｐの内側に配置されことになる。光取出し部材である窓部材８の外端部８３と、金属部材である基体部材９の側部９２との間に、窓部材８や基体部材９よりも低い融点を持った金属の溶加材４が充填されて溶融することにより封止されて放電容器が形成される。
【００４１】
金属部材である基体部材９の側部９２には直径φ１〜２ｍｍの排気穴９７が１つ設けられ、ニッケルよりなり直径φ３ｍｍの排気管３が排気穴９７に接続されている。放電容器の放電空間１０内が排気管３により排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。発光ガスの封入後、排気管３を基体部材９との付け根から１５ｍｍ突き出たところを終端として圧接切断されることにより、放電容器を密閉構造とする。
【００４２】
窓部材８の外面には光を透過するためのメッシュ状の一方の電極７２が配置されており、基体部材９が他方の電極７３を兼ねており、光取出し部材である窓部材８が介在する状態で一対の電極７２、７３が設けられる。一方の電極７２と他方の電極７３である基体部材９とに高周波高電圧を印加することにより、放電容器の放電空間１０に希ガスとフッ素からなるエキシマ分子が生成され、波長１９３ｎｍの真空紫外光が放射される。
【００４３】
図５は、本発明のエキシマランプの基体部材９と排気管３との接続部を示す拡大断面図である。
放電容器の中央部を中心とすると、基体部材９の側部９２の薄肉部９４の内側面の直径はφ４０．２ｍｍであり、窓部材８の外端部８３の直径はφ４０ｍｍである。薄肉部９４の内側面の直径が窓部材８の外端部８３の直径より０．２ｍｍ大きくなっており、開口部Ｐは窓部材８より大きいので、窓部材８は蓋部材２の側部９２の薄肉部９４との間に余裕をもって配置されている。窓部材８の外端部８３に、幅１ｍｍの円周帯状にメタライズ層８２が形成されている。基体部材９の側部９２と窓部材８の外端部８３との隙間に溶加材４が充填されて密着封止されている。
【００４４】
基体部材９の側部９２の平面部９６と、窓部材８の下表面８１とは離間するように形成されている。基体部材９の平面部９６を研磨された滑らかな面とせず、適度な粗さの表面仕上げにすることにより、平面部９６に窓部材８を載置しても密接しない。そのため、窓部材８と薄肉部９４との間に溶加材４を充填すると、窓部材８のメタライズ層８２に溶着する溶加材４が下面側８１に回り込む。溶加材４が下表面８１と平面部９６とのスペーサーとして機能し、基体部材９の平面部９６と窓部材８の下表面８１とが離間するように保つ。
【００４５】
窓部材８は、外端部８３において基体部材９の側部９２との間に溶加材４が充填されて封止されているので、溶加材４が窓部材８と基体部材９との緩衝材となり、窓部材８と基体部材９の膨張伸縮によって生じるズレを許容し、ズレによって生じる隙間も塞いで放電容器の気密性を保つことができる。また、基体部材９の平面部９６と離間するように配置されているので、基体部材９と間に密接する箇所がない。このように、窓部材８と基体部材９が離間して配置され、溶加材４を介して封止されるので、窓部材８と基体部材９とで熱膨張率が異なっていても膨張収縮を許容できるので、放電容器が破裂しにくい。
【００４６】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる窓部材８はフッ素を取り込まないが、基体部材９を構成するコバールや溶加材４を構成する金属合金はフッ素を取り込む恐れがある。そこで、基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２の放電容器の放電空間１０にさらされる表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５を形成している。コバールよりなる基体部材９や、銀と銅との合金からなる溶加材４や、モリブデンおよびニッケルよりなるメタライズ層８２を、ニッケル層５によって表面を被覆することにより、ニッケル層５の表面にフッ化ニッケル（ＮｉＦ２）よりなる不動態の皮膜が形成されてフッ素が取り込まれることを防止することができる。ニッケル層５を形成することによって基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２によるフッ素の取り込みを抑え、放電容器内に存在するフッ素量を保ち、エキシマランプから放射される光出力がフッ素量に減少によって低下することを抑制することができる。
【００４７】
次に、ニッケル層５の具体的な形成方法の一例を説明する。
基体部材９と窓部材８とを溶加材４で密着封止して放電容器を形成した後で、放電容器の内部に発光ガスが封入される前にニッケル層５を形成する。放電容器の放電空間１０をメッキ液で満たして、無電解ニッケルメッキ処理を施す。無電解ニッケルメッキ処理は化学的還元作用によりニッケルを析出させる方法であり、複雑な形状に対しても均一なニッケル皮膜が得られるという特徴を有する。
【００４８】
９０℃のメッキ液に２０分浸漬すると、窓部材８を構成するセラミックスにはニッケルを析出しない性質を有するので、窓部材８以外の部材、すなわち、基体部材９、溶加材４およびメタライズ層８２の表面に、約５μｍの均一な膜厚のニッケル層５が形成される。
放電容器の内部に残留するメッキ液の残渣を洗浄除去した後、排気管３から放電容器の内部が排気されて減圧された後、発光ガスとして希ガスと化学的安定性の高いフッ化物が封入される。その後、他方の排気管３を圧接切断してエキシマランプが完成する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図
【図２】本発明のエキシマランプの発光管と蓋部材との接合部を示す拡大断面図
【図３】本発明のエキシマランプの発光管と蓋部材との接合部を示す拡大断面図
【図４】本発明のエキシマランプの構成を示す説明用断面図
【図５】本発明のエキシマランプの基体部材と排気管との接続部を示す拡大断面図
【図６】従来のエキシマランプの構成を示す説明断面図
【符号の説明】
【００５０】
１ 発光管
２ 蓋部材
３ 排気管
４ 溶加材
５ ニッケル層
８ 窓部材
９ 基体部材
１０ 放電空間
１１ メタライズ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、
前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
【請求項２】
前記金属部材はコバールよりなり、当該金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
【請求項３】
前記金属部材はニッケルよりなることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
【請求項４】
前記光取出し部材は両端が開口した直管状の発光管よりなり、
前記発光管の両端を覆うように、前記発光管の外径より大きい開口部径を有する底部と側面部からなる蓋部材よりなる金属部材が配置され、
前記発光管の外表面と前記蓋部材の側面部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
【請求項５】
前記光取出し部材は板状の窓部材よりなり、
前記窓部材より大きい開口部を有する底面部と側部からなる基体部材よりなる金属部材を有し、
前記窓部材は前記金属部材の開口部に配置され、
前記基体部材の側部と前記窓部材の外端部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
【請求項１】
ケイ素を含まない透光性セラミックスよりなる光取出し部材と、金属部材とを有し、当該光取出し部材と金属部材との間に溶加材が充填されて封止された放電容器を備え、前記光取出し部材が介在する状態で一対の電極が設けられると共に、放電空間内に希ガスおよびフッ化物が封入されてなり、前記放電容器の放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、
前記溶加材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とするエキシマランプ。
【請求項２】
前記金属部材はコバールよりなり、当該金属部材の放電容器の放電空間にさらされる表面にニッケル層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
【請求項３】
前記金属部材はニッケルよりなることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
【請求項４】
前記光取出し部材は両端が開口した直管状の発光管よりなり、
前記発光管の両端を覆うように、前記発光管の外径より大きい開口部径を有する底部と側面部からなる蓋部材よりなる金属部材が配置され、
前記発光管の外表面と前記蓋部材の側面部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
【請求項５】
前記光取出し部材は板状の窓部材よりなり、
前記窓部材より大きい開口部を有する底面部と側部からなる基体部材よりなる金属部材を有し、
前記窓部材は前記金属部材の開口部に配置され、
前記基体部材の側部と前記窓部材の外端部との間に前記溶加材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエキシマランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１５２０２０（Ｐ２００９−１５２０２０Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２８２０４（Ｐ２００７−３２８２０４）
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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