JP2008052916A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水銀を使用しないために廃棄時において環境汚染を引き起こすおそれがなく、殺菌用の光源並びに紫外線硬化樹脂の硬化用の光源として好適に利用することが可能な紫外線照射装置を提供すること。
【解決手段】紫外線透過性材料からなる管状の気密容器（１）と、該気密容器の管軸方向に沿って外面の互いに対向する位置に設けられた外部電極（２）と、該外部電極に電圧を印加して気密容器内で放電を生じさせる電源装置（３）と、気密容器内に封入された希ガス及びハロゲンガスからなり、希ガスがキセノンであり、ハロゲンガスがヨウ素の蒸気であって、気密容器内におけるキセノンの圧力が１ｋＰａ以上である紫外線照射装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は紫外線照射装置に関し、より詳しくは、水銀の代わりにキセノンとヨウ素の混合ガスを利用する無水銀の紫外線照射装置に関するものである。

近年、紫外光源は、殺菌用の光源としてだけでなく、半導体製造工程における洗浄や紫外線硬化樹脂等のための光源としても使用されている。
従来の紫外光源としては、例えば、電極を設けた放電管内に水銀と希ガスを封入し、電極間に放電を発生させて、放電管内で水銀原子を電離・励起させることにより、水銀の共鳴波長である１８５ｎｍ及び２５４ｎｍを主体とする紫外線を放射する紫外光源ランプが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

このような水銀を利用した紫外光源ランプは、殺菌のために効果的な紫外線波長である約２５０ｎｍ付近に強いスペクトルを有するため、殺菌用の光源として特に有効性が高いものである。また、紫外線に対する耐性菌は少ないため、紫外線を利用した殺菌は殆どの細菌に対して有効であるという大きな利点がある。
更に、波長２５４ｎｍの紫外線は、紫外線硬化樹脂の硬化にも利用することができるため、紫外線硬化樹脂の硬化用の光源として利用することも可能である。

しかしながら、水銀は人体等にとって有害であるため、水銀を使用した紫外光源ランプは、廃棄時等に環境汚染を引き起こすおそれがあるという大きな問題があった。
また、波長２５４ｎｍの紫外線は紫外線硬化樹脂の硬化のために利用することができるものの、紫外線硬化樹脂の膜厚が厚くなると、樹脂自体の紫外線吸収作用により内部まで充分に硬化できなくなるという問題があった。

水銀を使用した紫外光源ランプに代わるものとしては、例えば、水銀の代わりにキセノンを使用し、キセノンに誘電体バリア放電（無声放電）を行わせるように構成したものが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。
このようなキセノンの誘電体バリア放電を利用したランプは、キセノンのエキシマーが波長１７２ｎｍの紫外線を発生する。波長１７２ｎｍの紫外線は、そのエネルギーが低圧水銀ランプから得られる波長１８５ｎｍ及び２５４ｎｍの紫外線よりも大きく、例えば、有機化合物の除去等に利用される紫外光源ランプとしては有効である。

しかしながら、上述したように、殺菌のために効果的な紫外線の波長は約２５０ｎｍであるため、このような従来の水銀の代わりにキセノンを使用した紫外光源ランプは、殺菌用の光源として使用するには適していないものであった。
また、紫外線硬化樹脂を硬化させるためには波長３２０〜４００ｎｍの近紫外光が最適であることから、このような従来のキセノンを使用した紫外光源ランプは、紫外線硬化樹脂の硬化用の光源として使用するにも適していないものであった。

特開平５−８９８３５号公報 特開平１１−２０４０８７号公報

本発明は、上記したような従来技術が有する問題点を解決すべくなされたものであって、水銀を使用しないために廃棄時において環境汚染を引き起こすおそれがなく、しかも殺菌用の光源として好適に利用することができるとともに、紫外線硬化樹脂の硬化用の光源としての利用にも供することが可能な紫外線照射装置を提供するものである。

請求項１に係る発明は、紫外線透過性材料からなる管状の気密容器と、該気密容器の管軸方向に沿って外面の互いに対向する位置に設けられた外部電極と、該外部電極に電圧を印加して気密容器内で放電を生じさせる電源装置と、前記気密容器内に封入された希ガス及びハロゲンガスとからなり、前記希ガスがキセノンであり、前記ハロゲンガスがヨウ素の蒸気であって、前記気密容器内におけるキセノンの圧力が１ｋＰａ以上であることを特徴とする紫外線照射装置に関する。

請求項２に係る発明は、前記電源装置により印加される電圧がパルス電圧であることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射装置に関する。

請求項３に係る発明は、前記電源装置により印加される電圧が正弦波電圧であることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射装置に関する。

請求項１に係る発明によれば、人体等に有害な水銀を使用しないため、廃棄時において環境汚染を引き起こすおそれがない。また、気密容器内にキセノンとヨウ素の混合ガスを封入し、気密容器内におけるキセノンの圧力を１ｋＰａ以上としたことによって、ヨウ化キセノンに起因する２５３ｎｍ付近の放射強度を高くすることができ、殺菌用の光源として非常に有効性が高いものとなる。また、ヨウ素分子から波長３４１ｎｍ付近の近紫外光を放射することができるため、紫外線硬化樹脂の硬化用の光源としても利用することができる。

請求項２に係る発明によれば、電源装置により印加される電圧がパルス電圧であることにより、気密容器内で電流密度が高いフィラメント状のプラズマを発生させることができ、発光強度が高い紫外線を得ることが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、電源装置により印加される電圧が正弦波電圧であることにより、気密容器内において均一性の高いプラズマを発生させることができる。

以下、本発明に係る紫外線照射装置の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る紫外線照射装置の一実施形態を示す概要図である。
本発明に係る紫外線照射装置は、紫外線透過性材料からなる管状の気密容器（１）と、この気密容器（１）の外面に配置された一対の外部電極（２）と、この外部電極（２）に電圧を印加する電源装置（３）と、気密容器（１）内に封入された希ガス及びハロゲンガスとを主要構成として備えている。

図２は本発明に係る紫外線照射装置において用いられる気密容器（１）及び外部電極（２）の構成の一例を示す図である。
気密容器（１）は耐熱性を有する紫外線透過性材料から形成されている。具体的には、紫外線透過特性に優れた石英ガラスが最も好適に用いられるが、ソーダ石灰ガラス等の他の紫外線透過性材料を用いてもよい。

気密容器（１）は、細長い略円管状に形成された放電部（１１）を有している。
放電部（１１）は、管軸方向における一端部が封止されており、他端部には希ガス及びハロゲンガスを放電部（１１）へと導くガス通路（１２）が連通形成されている。
ガス通路（１２）はＴ字状に分岐されており、管軸方向に延びる分岐の一方側（１３）は希ガスの導入部となっており、管軸直角方向に延びる分岐の他方側（１４）はハロゲンガスの導入部となっている。

本発明においては、希ガスとしてキセノンが用いられ、ハロゲンガスとしてヨウ素の蒸気が用いられる。
従って、気密容器（１）に形成されたガス通路（１２）の分岐の一方側（１３）からはキセノンガスが導入され、分岐の他方側（１４）からはヨウ素の蒸気が導入される。
分岐の一方側（１３）は、図示しないポンプ等と接続されており、キセノンガスが所定の圧力でガス通路（１２）内へと導入されて放電部（１１）へと導かれる。また、分岐の他方側（１４）は封止されており、ヨウ素が固体の状態で封入されている。封入された固体のヨウ素は、室温で昇華してヨウ素蒸気となり、ガス通路（１２）を通って放電部（１１）へと導かれる。

本発明においては、気密容器（１）内におけるキセノンガスの圧力はヨウ素の蒸気圧よりも高くなるように設定され、具体的には１ｋＰａ以上となるように設定される。
その理由は、後述する実験例に示すように、キセノンガスの圧力を１ｋＰａ以上に設定することによって、気密容器（１）内で放電を生じさせた時に、ヨウ化キセノン（ＸｅＩ）の発光波長である２５３ｎｍの放射強度を強く発現させることが可能となるためである。
尚、気密容器（１）内におけるヨウ素の蒸気圧は、気密容器（１）の温度によって定まり、例えば約２５℃の場合には約４０Ｐａ、約４０℃の場合には約１３０Ｐａ、約５０℃の場合には約３００Ｐａとなり、いずれの場合にもキセノンガスの圧力（１ｋＰａ以上）よりも低くなる。

外部電極（２）は、気密容器（１）の管軸方向に沿って放電部（１１）の外面に密接して設けられた一対（２つ）の電極からなり、これら一対の電極は互いに対向する位置に設けられている。
外部電極（２）は、放電部（１１）の外面に導電性の帯状片を接着する或いは導電性の塗料を塗布する等の方法により形成される。具体的には、例えばアルミニウム製のテープを接着することにより形成することができる。
図示例では、一対の外部電極（２）のうち、一方の外部電極はバラスト抵抗（Ｒ１）を介して電源装置（３）と接続され、他方の外部電極は電流測定用の抵抗（Ｒ２）を介して接地されている。

電源装置（３）は、外部電極（２）にパルス電圧を印加して電極間に電位差を生じさせることによって、気密容器（１）内で放電を発生させる。
印加されるパルス電圧は、負極性パルス電圧、正極性パルス電圧、両極性パルス電圧のいずれであってもよい。
パルスの繰り返し周波数、デューティ比、電圧値については適宜設定することができるが、例えば、繰り返し周波数は１０ｋＨｚ、デューティ比は５０％、電圧値は振幅２５００Ｖ（負極性パルスの場合：−２５００Ｖ、正極性パルスの場合：２５００Ｖ、両極性パルスの場合：±２５００Ｖをそれぞれ印加）に設定することができる。

本発明においては、電源装置（３）からパルス電圧を印加する代わりに正弦波電圧を印加してもよい。
図３は、本発明に係る紫外線照射装置において、電源装置（３）から正弦波電圧を印加するように構成した実施形態（以下、この実施形態を第二実施形態と称し、前述した実施形態を第一実施形態と称す）を示す概要図である。尚、第二実施形態は、電源装置（３）から印加される電圧波形とバラスト抵抗が無い点が第一実施形態と異なるのみであり、他の構成は同じである。

第二実施形態においては、電源装置（３）から外部電極（２）に正弦波電圧を印加して電極間に電位差を生じさせることによって、気密容器（１）内で放電を発生させる。
正弦波の周波数及び電圧値については適宜設定することができるが、例えば、周波数は３０ｋＨｚ、電圧値は実効値２５００Ｖに設定することができる。

尚、本発明において、電源装置（３）により印加される電圧の波形は、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の高周波電圧であればよく、上述したパルス電圧と正弦波電圧に限定されるものではない。

以下、本発明に係る紫外線照射装置に関して行った実験結果を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。但し、本発明は、以下の実験の態様に限定されるものではない。

＜１．実験準備＞
実験においては、気密容器（１）及び外部電極（２）として、図２に示す構造を有するものを使用した。
気密容器（１）としては、外径φ３０ｍｍ、内径φ２６ｍｍの石英ガラス製のものを用いた。気密容器（１）内に封入されるキセノンのガス圧は、３９．９Ｐａ，１３３Ｐａ，１．３３ｋＰａの３種類に設定し、ガス圧３９．９Ｐａのキセノンを封入した気密容器を「容器Ａ」、１３３Ｐａのキセノンを封入した気密容器を「容器Ｂ」、１．３３ｋＰａのキセノンを封入した気密容器を「容器Ｃ」とした。また、ヨウ素はＪＩＳＫ８９２０に規定された純度９９．８％のものを使用した。
外部電極（２）は、２枚のアルミニウムテープ（長さ６０ｍｍ×幅２０ｍｍ）を気密容器（１）の外面の対向する位置に接着することにより形成した。

電源装置（３）から外部電極（２）に印加される電圧は、負極性パルス電圧（繰り返し周波数１０ｋＨｚ、パルス幅５０μｓ、デューティ比５０％、負極パルス電圧−２５００Ｖ）と、正弦波電圧（周波数３０ｋＨｚ、電圧実効値２５００Ｖ）の２種類とした。前者の場合の回路構成は図４に示す通りであり（Ｒ１＝１ｋΩ、Ｒ２＝１００Ω）、後者の場合の回路構成は図５に示す通りである（Ｒ＝１００Ω）。

気密容器（１）内における放電により発生した放射光は、気密容器（１）の管軸方向中心から垂直に１５ｍｍ離れた位置に配置した光ファイバー（４）（Ocean Optics、P400-2-UV/VIS）により集光し、分光計（５）（Ocean Optics、USB2000）及びパソコン（６）に導いてスペクトル分布を測定した。
また、気密容器（１）の放電により発生した放射光をデジタルカメラ（Canon EOS Kiss Digital）により撮影した。撮影条件は、容器Ａ（ｆ値２５、露光時間２秒）、容器Ｂ（ｆ値２５、露光時間２秒）、容器Ｃ（ｆ値２５、露光時間０．５秒）とした。

＜２．実験結果及び考察＞
負極性パルス電圧を印加した場合の気密容器の写真及びスペクトル分布を図６乃至図８に示し、正弦波電圧を印加した場合の気密容器の写真及びスペクトル分布を図９乃至図１１に示す。図６及び図９は容器Ａ、図７及び図１０は容器Ｂ、図８及び図１１は容器Ｃについて示しており、各図において（ａ）は気密容器の放電部の写真、（ｂ）は矢印で引き出した部分の放射光のスペクトル分布である。

負極性パルス電圧を印加した場合、気密容器内のヨウ素の蒸気圧は、容器Ａ〜Ｃともに容器壁温度（約２５℃）から約４０Ｐａと推測された。また、入力電力は、容器Ａが０．２５Ｗ、容器Ｂが０．５２Ｗ、容器Ｃが０．５９Ｗであった。
図６乃至図８に示すように、キセノンのガス圧が３９．９Ｐａの場合（容器Ａ）及び１３３Ｐａの場合（容器Ｂ）にはヨウ化キセノン（ＸｅＩ）の放射（波長２５３ｎｍ）は弱く、紫外光／可視光の強度比が小さかった。
これに対して、キセノンのガス圧が１．３３ｋＰａの場合（容器Ｃ）には、フィラメント状の放電が生じ、ＸｅＩの放射が強くなり、紫外光／可視光の強度比が大きくなった。また、ヨウ素分子からの近紫外光（３４１ｎｍ付近）の放射強度も強くなった。

正弦波電圧を印加した場合、気密容器内のヨウ素の蒸気圧は、容器Ａについては容器壁温度（約４３℃）から約１５０Ｐａ、容器Ｂについては容器壁温度（約４０℃）から約１２０Ｐａ、容器Ｃについては容器壁温度（約４１℃）から約１３０Ｐａと推測された。また、入力電力は、容器Ａが１．８５Ｗ、容器Ｂが１．０４Ｗ、容器Ｃが１．６３Ｗであった。
図９乃至図１１に示すように、キセノンのガス圧が３９．９Ｐａの場合（容器Ａ）及び１３３Ｐａの場合（容器Ｂ）にはヨウ化キセノン（ＸｅＩ）の放射（波長２５３ｎｍ）は弱く、紫外光／可視光の強度比が小さかった。
これに対して、キセノンのガス圧が１．３３ｋＰａの場合（容器Ｃ）には均一な放電が生じ、ＸｅＩの放射が強くなり、紫外光／可視光の強度比が大きくなった。また、ヨウ素分子からの近紫外光（３４１ｎｍ付近）の放射強度も強くなった。

以上の実験結果から、気密容器内にキセノンとヨウ素の混合ガスを封入し、気密容器内におけるキセノンの圧力を１ｋＰａ以上とすることによって、ＸｅＩに起因する２５３ｎｍ付近の放射と、ヨウ素分子に起因する波長３４１ｎｍ付近の近紫外光の放射が、共に高い強度で得られることが確認された。
また、パルス電圧を印加した場合には気密容器内で電流密度が高いフィラメント状のプラズマを発生させることができ、正弦波電圧を印加した場合には気密容器内において均一性の高いプラズマを発生させることができることが分かった。

本発明は、殺菌、紫外線硬化樹脂の硬化、光触媒反応等に利用される紫外線を放射するための光源装置として好適に利用することができる。

本発明に係る紫外線照射装置の一実施形態（第一実施形態）を示す概要図である。 本発明に係る紫外線照射装置において用いられる気密容器及び外部電極の構成の一例を示す図である。 本発明に係る紫外線照射装置の別の実施形態（第二実施形態）を示す概要図である。 本発明に係る紫外線照射装置の実験に用いた回路構成（負極性パルス電圧印加）を示す図である。 本発明に係る紫外線照射装置の実験に用いた回路構成（正弦波電圧印加）を示す図である。 負極性パルス電圧を印加した場合の気密容器（容器Ａ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。 負極性パルス電圧を印加した場合の気密容器（容器Ｂ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。 負極性パルス電圧を印加した場合の気密容器（容器Ｃ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。 正弦波電圧を印加した場合の気密容器（容器Ａ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。 正弦波電圧を印加した場合の気密容器（容器Ｂ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。 正弦波電圧を印加した場合の気密容器（容器Ｃ）の写真及びスペクトル分布を示す図である。

符号の説明

１ 気密容器
２ 外部電極
３ 電源装置

Claims (3)

1. 紫外線透過性材料からなる管状の気密容器と、
   該気密容器の管軸方向に沿って外面の互いに対向する位置に設けられた外部電極と、
   該外部電極に電圧を印加して気密容器内で放電を生じさせる電源装置と、
   前記気密容器内に封入された希ガス及びハロゲンガスとからなり、
   前記希ガスがキセノンであり、前記ハロゲンガスがヨウ素の蒸気であって、
   前記気密容器内におけるキセノンの圧力が１ｋＰａ以上であることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記電源装置により印加される電圧がパルス電圧であることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射装置。
3. 前記電源装置により印加される電圧が正弦波電圧であることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射装置。

Images