JP2022111552A - 低圧放電ランプ、および紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化と長寿命化を図ることができる低圧放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る低圧放電ランプは、希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有するバルブと；前記バルブの両側の端部のそれぞれに設けられた電極部と；を具備している。前記希ガスは、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスである。前記電極部は、フィラメントコイルを有している。前記バルブの内壁の、前記フィラメントコイルに対峙する位置には、電子放出物質を含む膜が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、低圧放電ランプ、および紫外線照射装置に関する。

紫外線を照射する低圧放電ランプがある。この様な低圧放電ランプは、例えば、半導体デバイスの製造に用いられる超純水の生成、有機材料の表面改質や洗浄などに用いられている。

一般的に、低圧放電ランプの内部（放電空間）には、水銀と、アルゴンとネオンの混合ガスと、が封入される。この様な低圧放電ランプは、低圧水銀ランプとも称される。アルゴンとネオンの混合ガスを用いれば、ペニング効果によって、始動電圧の低減を図ることができる。そのため、比較的低い電流領域においても、好適な水銀の蒸気圧となるようにするのが容易となる。また、始動電圧の低減を図ることができれば、点灯用インバータのコストの低減や、小型化を図ることもできる。

しかしながら、近年においては、処理能力の向上や、紫外線照射装置のコストダウンの要求により、低圧放電ランプの高出力化や、低圧放電ランプの数の削減が求められている。この場合、低圧放電ランプの数を減らせば、必然的に得られる光量が低下する。ランプ電流を増加させれば、光量を増やすことができるが、例えば、１Ａ（アンペア）を超える高電流範囲で点灯させると、陽光柱部分の温度が上昇して放電空間における水銀の蒸気圧が高くなる。水銀の蒸気圧が高くなり過ぎると、発生した紫外線が水銀に吸収され（水銀の自己吸収作用）、発光効率が低下するという問題がある。

この場合、アルゴンとネオンの混合ガスに、アルゴンとネオンよりも熱損失の小さいクリプトンを添加すれば、低圧放電ランプのインピーダンスを低下させることができる。しかしながら、クリプトンを添加すれば、ランプ電流が増加するので、フィラメントの蒸発による短寿命化などの新たな問題が発生する場合がある。また、クリプトンの添加により始動電圧が上昇してしまう問題もある。また、ランプ電流が増加することで発光管の劣化が促進されて、ランプ寿命が短くなるという問題もある。
そこで、高出力化と長寿命化を図ることができる低圧放電ランプ、および紫外線照射装置の開発が望まれていた。

特開昭６０－３８４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、高出力化と長寿命化を図ることができる低圧放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することである。

実施形態に係る低圧放電ランプは、希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有するバルブと；前記バルブの両側の端部のそれぞれに設けられた電極部と；を具備している。前記希ガスは、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスである。前記電極部は、フィラメントコイルを有している。前記バルブの内壁の、前記フィラメントコイルに対峙する位置には、電子放出物質を含む膜が設けられている。

本発明の実施形態によれば、高出力化と長寿命化を図ることができる低圧放電ランプ、および紫外線照射装置を提供することができる。

本実施形態に係る低圧放電ランプを例示するための模式図である。 電極部を例示するための模式図である。 希ガスの成分、ランプ電流、および発光効率との関係を例示するためのグラフである。 希ガスの分圧比と、紫外線の強度との関係を例示するためのグラフである。 希ガスの成分と始動電圧との関係を例示するためのグラフである。 電子放出物質を含む膜の効果を例示するためのグラフである。 電子放出物質を含む膜の効果を例示するためのグラフである。 本実施の形態に係る紫外線照射装置の模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（低圧放電ランプ１）
図１は、本実施形態に係る低圧放電ランプ１を例示するための模式図である。
図１に示すように、低圧放電ランプ１は、例えば、バルブ２、および電極部３を有する。

バルブ２は、例えば、発光管２０、および封止管２１を有する。
発光管２０は、例えば、略Ｍ字状を呈する円筒管とすることができる。なお、発光管２０の形状は、低圧放電ランプ１の用途などに応じて適宜変更することができる。例えば、発光管２０は、略Ｕ字状や略直線状を呈するものであってもよい。発光管２０は、紫外線を透過する材料から形成することができる。発光管２０の材料は、例えば、石英ガラス、ソーダライムガラスなどとすることができる。石英ガラスを用いれば紫外線の透過率を向上させることができる。ソーダライムガラスを用いれば、低コスト化を図ることができる。

また、発光管２０には最冷部２０ａを設けることができる。最冷部は、低圧放電ランプ１の点灯中に最も温度が低くなる発光管２０の部分である。最冷部は、例えば、発光管２０の屈曲部分に設けることができる。

封止管２１は、発光管２０の両側の端部のそれぞれに設けられている。封止管２１は、例えば、略直線状を呈する円筒管とすることができる。封止管２１の材料は、発光管２０の材料と同じとすることができる。発光管２０と封止管２１は、一体に形成することができる。

バルブ２の寸法には特に限定はない。例えば、バルブ２の外径は、１４ｍｍ～３８ｍｍ程度とすることができる。例えば、バルブ２の肉厚は、０．５ｍｍ～２．０ｍｍ程度とすることができる。例えば、バルブ２の発光長（バルブ２の一方の端部から、他方の端部までの距離）は、１８００ｍｍ程度とすることができる。

この場合、図１に示すように、発光管２０の内径Ｂは、封止管２１の内径Ａよりも小さくすることができる。例えば、封止管２１の内径Ａを２６ｍｍとし、発光管２０の内径Ｂ２０ｍｍとすることができる。発光管２０の内径Ｂが、封止管２１の内径Ａよりも小さければ、ランプ電流の上昇を抑制することができるので、発光効率の向上を図ることができる。

バルブ２（発光管２０）の内部空間は、放電空間となる。放電空間には、希ガスと、水銀とを封入することができる。水銀の封入量は、例えば、１ｍｇ～３００ｍｇ程度とすることができる。
希ガスは、例えば、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスとすることができる。放電空間における２５℃の希ガスの圧力（封入圧力）は、例えば、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）以上、１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）以下とすることができる。すなわち、低圧放電ランプ１は、低圧水銀ランプである。なお、放電空間における２５℃の希ガスの圧力（封入圧力）は、気体の標準状態（ＳＡＴＰ（Standard Ambient Temperature and Pressure）：温度２５℃、１ｂａｒ）により求めることができる。

アルゴンとクリプトンの混合ガスとする場合は、混合ガスにおけるクリプトンの分圧比を、１０％以上、９０％以下とすることが好ましい。クリプトンの分圧比が、１０％未満になると、アルゴンが枯渇した際に特性変動が大きくなるおそれがある。クリプトンの分圧比が、９０％より大きくなるとフィラメントコイル３０ａの消耗（スパッタリング）が進み、フィラメントコイル３０ａの寿命が短くなるおそれがある。
なお、放電空間に封入される希ガスに関する詳細は後述する。

電極部３は、一対設けることができる。電極部３は、バルブ２の両側の端部のそれぞれに設けられている。電極部３は、例えば、封止管２１の、発光管２０側とは反対側の端部に設けられている。

図２は、電極部３を例示するための模式図である。
図２に示すように、電極部３は、例えば、主電極３０、補助電極３１、ステム３２、および、３つのアウタリード３３を有する。

主電極３０は、例えば、フィラメントコイル３０ａ、および２つのリード３０ｂを有する。
フィラメントコイル３０ａは、封止管２１の内部に設けられている。フィラメントコイル３０ａは、例えば、線状部材を螺旋状に巻いたものとすることができる。線状部材は、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含む。なお、フィラメントコイル３０ａは、例えば、線状部材を巻回したコイルを二重巻にした、いわゆるダブルフィラメントコイルとすることもできるし、三重巻にした、いわゆるトリプルフィラメントコイルとすることもできる。

一方のリード３０ｂは、フィラメントコイル３０ａの一方の端部と、１つのアウタリード３３とを電気的に接続する。他方のリード３０ｂは、フィラメントコイル３０ａの他方の端部と、他のアウタリード３３とを電気的に接続する。リード３０ｂは、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含む線状部材とすることができる。

補助電極３１は、封止管２１の内部に設けられている。補助電極３１は、フィラメントコイル３０ａの、アウタリード３３側とは反対側に設けられている。補助電極３１は、フィラメントコイル３０ａと離隔させて設けることができる。補助電極３１は、例えば、略円筒状を呈している。補助電極３１は、例えば、線状部材を巻回して形成された密着コイルとすることができる。線状部材は、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含むことができる。

補助電極３１は、リード３１ａを介して、主電極３０に接続されていないアウターリード３３と電気的に接続されている。リード３１ａは、例えば、タングステンや、レニューム・タングステン合金などを含む線状部材とすることができる。

また、補助電極３１と、封止管２１の内壁との間には、ホルダ３１ｂを設けることができる。ホルダ３１ｂは、封止管２１の内部において、補助電極３１を保持する機能と、補助電極３１において発生した熱を封止管２１に逃がす機能とを有する。例えば、ホルダ３１ｂは、金属から形成された板バネ材とすることができる。ホルダ３１ｂは、例えば、モリブデン、タングステン、ステンレスなどの金属から形成することができる。ホルダ３１ｂにより保持された補助電極３１の中心線は、封止管２１の管軸とほぼ重なるようになっている。

ステム３２は、封止管２１の端部に設けられている。ステム３２は、封止管２１の内部に設けられ、一方の端部が封止管２１に溶着されている。ステム３２の内部には、３つのアウターリード３３が封止されている。ステム３２は、主電極３０および補助電極３１を保持するとともに、バルブ２の内部（放電空間）を気密となるように封止する。ステム３２の材料は、例えば、封止管２１の材料と同じとすることができる。

本実施の形態に係る低圧放電ランプ１においては、バルブ２の一方の端部側に設けられた補助電極３１と、バルブ２の他方の端部側に設けられた主電極３０との間に放電が発生する。また、バルブ２の他方の端部側に設けられた補助電極３１と、バルブ２の一方の端部側に設けられた主電極３０との間に放電が発生する。この場合、低圧放電ランプ１においては、一方の補助電極３１と他方の主電極３０との間、および、他方の補助電極３１と一方の主電極３０との間において交互に放電を発生させる。例えば、ある時点においては、バルブ２の一方の端部側に設けられた補助電極３１と、バルブ２の他方の端部側に設けられた主電極３０との間に放電が発生し、他の時点においては、バルブ２の他方の端部側に設けられた補助電極３１と、バルブ２の一方の端部側に設けられた主電極３０との間に放電が発生する。

この様な放電により発生した電子が、水銀原子と衝突すると、水銀原子が電子のエネルギーを受けて、ピーク波長が２５４ｎｍ程度の紫外線が発生する。発生した紫外線は、バルブ２の外部に照射される。

この場合、水銀の蒸気圧が低すぎると紫外線の照度が不足し、水銀の蒸気圧が高すぎると発生した紫外線が水銀に吸収されて紫外線の照度が減衰する。前述したように、発光管２０には最冷部２０ａが設けられているので、余剰な水銀の蒸気を凝縮して水銀にすることができる。そのため、水銀の蒸気圧、ひいては紫外線の照度が適切な範囲となるようにすることができる。

ここで、一般的な低圧放電ランプの内部（放電空間）には、水銀と、アルゴンとネオンの混合ガスと、が封入されている。アルゴンとネオンの混合ガスを用いれば、ペニング効果によって、始動電圧の低減を図ることができるので、比較的低い電流領域においても、好適な水銀の蒸気圧となるようにすることができる。

一方、近年においては、処理能力の向上や、紫外線照射装置のコストダウン要求により、低圧放電ランプの高出力化や、低圧放電ランプの数の削減が求められている。この場合、低圧放電ランプの数を減らせば、必然的に得られる紫外線の光量が少なくなる。ランプ電流を増加させれば、紫外線の光量を増やすことができるが、アルゴンとネオンの混合ガスを用いる場合に、ランプ電流を１Ａ（アンペア）以上にすると、水銀の蒸気圧が高くなり過ぎて、水銀の自己吸収作用により、発光効率が低下するという問題がある。

そこで、本実施の形態に係る低圧放電ランプ１においては、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いるようにしている。
図３は、希ガスの成分、ランプ電流、および発光効率との関係を例示するためのグラフである。
この場合、発光管２０は、略Ｍ字状を呈し、発光管２０の内径は２０ｍｍとした。封止管２１の内径は、２６ｍｍとした。バルブ２の発光長は、１７７０ｍｍとした。バルブ２の材料は、ソーダライムガラスとした。ランプ電流は４．５Ａ（アンペア）、ランプ電力は１９７０Ｗとした。
比較例に係る希ガスは、ネオンが９０％、アルゴンが１０％の混合ガスとした。
本実施の形態に係る希ガスは、アルゴンが１００％の単ガス、アルゴンが９０％、クリプトンが１０％の混合ガス、アルゴンが５０％、クリプトンが５０％の混合ガス、および、アルゴンが１０％、クリプトンが９０％の混合ガスとした。
封入圧力は、いずれの希ガスの場合にも、０．５Ｔｏｒｒ（６６．７Ｐａ）とした。

図３から分かるように、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、ネオンとアルゴンの混合ガスを用いる場合に比べて、ランプ電流が１Ａ（アンペア）以上の領域における発光効率を向上させることができる。このことは、ランプ電流が大きくなるほど顕著となる。

また、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、アルゴンのみを用いる場合に比べて、ランプ電流が１Ａ（アンペア）以上の領域における発光効率をさらに向上させることができる。そのため、希ガスは、アルゴンとクリプトンの混合ガスとすることがより好ましい。

図３から分かるように、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、低圧放電ランプ１の高出力化を図ることができる。

図４は、希ガスの分圧比と、紫外線の強度との関係を例示するためのグラフである。
発光管２０の寸法と材料、ランプ電流、およびランプ電力は、図３の場合と同じである。
比較例に係る希ガスは、ネオンが９０％、アルゴンが１０％の混合ガスとした。
本実施の形態に係る希ガスは、アルゴンが９０％、クリプトンが１０％の混合ガスとした。
図４中の数値は、各ピーク波長における「（本実施の形態に係る希ガスの場合の発光強度／比較例に係る希ガスの場合の発光強度）×１００」である。

図４から分かるように、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、ネオンとアルゴンの混合ガスを用いる場合に比べて、各ピーク波長における発光強度を大きくすることができる。このことは、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、スペクトル強度を向上させることができることを意味する。

また、紫外線領域の短い波長において、ピーク波長における発光強度をさらに大きくすることができる。この場合、紫外線の波長が短くなれば、処理能力を向上させることができる。そのため、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、低圧放電ランプ１の処理能力を向上させることができる。

図５は、希ガスの成分と始動電圧との関係を例示するためのグラフである。
発光管２０の寸法と材料、ランプ電流、およびランプ電力は、図３の場合と同じである。
比較例に係る希ガスと、本実施の形態に係る希ガスは、図３の場合と同じである。

図５から分かるように、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスを用いれば、ネオンとアルゴンの混合ガスを用いる場合に比べて、始動電圧（始動時におけるランプ電圧）が高くなる。始動電圧が高くなると、点灯用インバータのコストが高くなったり、紫外線照射装置が大型化したりするおそれがある。また、ランプ電流が増加して、フィラメントコイル３０ａの蒸発や発光管２０の劣化が促進されて、ランプ寿命が短くなるおそれがある。

そのため、本実施の形態に係る低圧放電ランプ１においては、バルブ２の内壁の、フィラメントコイル３０ａに対峙する位置に、電子放出物質を含む膜２２を設けている。電子放出物質を含む膜２２が設けられていれば、膜２２が、ランプ始動に必要な初期電子の供給源となる。そのため、始動電圧の上昇を抑制することができる。また、バルブ２の内壁に、膜２２が設けられていれば、点灯中にバルブ２の内壁に水銀が打ち込まれるのを抑制することができる。
すなわち、バルブ２の内壁に、電子放出物質を含む膜２２が設けられていれば、ランプ寿命を長くすることができる。

電子放出物質は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの希土類金属の酸化物、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属、アルカリ土類金属の酸化物などとすることができる。

図２に示すように、膜２２は、バルブ２（封止管２１）の内壁の、フィラメントコイル３０ａに対峙する位置に設けられていればよい。この場合、膜２２は、フィラメントコイル３０ａの先端位置から、少なくとも±１０ｍｍの範囲に設けられていればよい。

また、前述したように、発光管２０の内径Ｂを、封止管２１の内径Ａよりも小さくすれば、ランプ電流の上昇を抑制することができるので、発光効率の向上を図ることができる。

図６は、電子放出物質を含む膜２２の効果を例示するためのグラフである。
図６中の「内壁に塗布」は、バルブ２（封止管２１）の内壁に、アルミナを含む膜２２を形成した場合である。「２０％含有」は、バルブ２（封止管２１）の内壁にアルミナを２０％含ませた場合である。

図６から分かるように、バルブ２（封止管２１）の内壁に電子放出物質を含む膜２２が設けられていたり、バルブ２（封止管２１）の内壁に電子放出物質が含まれていれば、始動電圧の上昇を抑制することができる。この場合、バルブ２（封止管２１）の内壁に電子放出物質を含む膜２２が設けられていれば、始動電圧の上昇をより抑制することができる。

図７は、電子放出物質を含む膜２２の効果を例示するためのグラフである。
なお、比較例に係る希ガス（ネオンが９０％、アルゴンが１０％）の場合は、膜２２が設けられていない。
本実施の形態に係る希ガス（アルゴンが９０％、クリプトンが１０％）の場合は、アルミナを含む膜２２が設けられてる。

図７から分かるように、バルブ２（封止管２１）の内壁に電子放出物質を含む膜２２が設けられていれば、希ガスにクリプトンが含まれていたとしても、紫外線の照度を長時間維持することができる。例えば、比較例に係る希ガス（ネオンが９０％、アルゴンが１０％）を用い、且つ、膜２２が設けられていなければ、４０００時間経過後の紫外線の照度は５０％低下する。これに対し、希ガスにクリプトンが含まれていたとしても、膜２２が設けられていれば、４０００時間経過後の紫外線の照度の低下は３０％に抑制することができる。
すなわち、電子放出物質を含む膜２２が設けられていれば、低圧放電ランプ１の長寿命化を図ることができる。

（紫外線照射装置１００）
図８は、本実施の形態に係る紫外線照射装置１００の模式図である。
図８に示すように、紫外線照射装置１００は、例えば、低圧放電ランプ１、およびコントローラ１０１を有する。
低圧放電ランプ１に設けられた主電極３０と補助電極３１は、アウターリード３３を介してコントローラ１０１と電気的に接続されている。

コントローラ１０１は、例えば、商用電源２００などに電気的に接続されている。コントローラ１０１は、例えば、点灯回路を有する。前述したように、低圧放電ランプ１においては、一方の補助電極３１と他方の主電極３０との間、および、他方の補助電極３１と一方の主電極３０との間において交互に放電を発生させる。そのため、点灯回路は、交互に放電が繰り返されるように、例えば、商用電源２００から供給される交流電流の半サイクル毎に、電流経路を切り換える。

紫外線照射装置１００は、紫外線の照射が必要な処理に用いることができる。例えば、紫外線照射装置１００は、液体や気体の浄化、部材の表面の改質や浄化、ウィルスや細菌の殺菌や不活性化、有害物質を含む微粒子の分解など幅広い分野において用いることができる。
そのため、用途などに応じて、紫外線照射装置１００は、低圧放電ランプ１を収納する容器や筐体などを適宜備えることができる。

バルブ２の発光長が長くなれば、発生する紫外線の光量が多くなる。しかしながら、単に発光長を長くすれば、紫外線照射装置１００の小型化が困難となる。低圧放電ランプ１に略Ｍ字状のバルブ２（発光管２０）が設けられていれば、紫外線の光量を増加させることができ、且つ、紫外線照射装置１００の小型化を図ることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 低圧放電ランプ、２ バルブ、３ 電極部、２０ 発光管、２１ 封止管、２２ 膜、３０ 主電極、３０ａ フィラメントコイル、３１ 補助電極、１００ 紫外線照射装置

Claims (5)

1. 希ガスと、水銀と、が封入された放電空間を有するバルブと；
   前記バルブの両側の端部のそれぞれに設けられた電極部と；
   を具備し、
   前記希ガスは、アルゴン、または、アルゴンとクリプトンの混合ガスであり、
   前記電極部は、フィラメントコイルを有し、
   前記バルブの内壁の、前記フィラメントコイルに対峙する位置には、電子放出物質を含む膜が設けられている低圧放電ランプ。
2. 前記混合ガスの封入圧は、０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）以上、１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）以下であり、
   前記混合ガスにおけるクリプトンの分圧比は、１０％以上、９０％以下である請求項１記載の低圧放電ランプ。
3. 前記バルブは、発光管と、前記発光管の両側の端部のそれぞれに設けられた封止管と、を有し、
   前記封止管には前記電極部が設けられ、
   前記発光管の内径は、前記封止管の内径よりも小さい請求項１または２に記載の低圧放電ランプ。
4. 前記膜は、前記フィラメントコイルの先端位置から、少なくとも±１０ｍｍの範囲に設けられている請求項１～３のいずれか１つに記載の低圧放電ランプ。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の低圧放電ランプを具備した紫外線照射装置。

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