JP5708857B2 - 紫外線ランプ及び紫外線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外線ランプ及び紫外線照射装置に関する。

紫外線ランプの用途の１つに、ＦＰＤ(Flat Panel Display)の製造工程における使用がある。例えば、ＦＰＤのカラー液晶基板は、ガラス基板の上に、カラーフィルタ膜、ＩＴＯ膜(Indium Tin Oxide 酸化インジウムスズ)等が積層されて製造される。これらの成膜工程における紫外線洗浄に紫外線ランプが使用されている。

紫外線ランプは、製造工程のラインスピードを上げるため、ランプ負荷を上げランプの照度を高める技術開発が行われてきた。また、図１に示すように、従来の直管型（Ｉ字形状）のランプ１０（図１（Ａ））に加えて、ランプ１本当りの照射効率を向上させるため、Ｕ字形状のランプ１２（図１（Ｂ））、Ｎ字形状のランプ、（図示せず。）、Ｍ字形状のランプ１４（図１（Ｃ））が開発されている。図１は、（Ａ）〜（Ｃ）共に、上段はランプの正面図、中段はランプ管の軸線に垂直方向の断面図、下段はこのランプ管の照射方向（白抜き矢印）を示す。説明を容易にするため、座標軸を定め、複数のランプの並列方向をＸ方向、ランプ照射方向を−Ｙ方向、ランプ軸線方向を図の上方から紙面に向けてＺ方向とする。

更に、図２に示すように、照射装置では、これらのランプのいずれか又は任意の組み合わせを複数個並べて面照射が可能な形で使用される。このとき、紫外線照度を高めるため、複数個のランプは、発光管の間隔を狭めて、高密度化して並列配置されている。図２は、上段は、複数のＩ字形状のランプを並列配置された照射装置１６−１を被照射面から見た平面図、中段はこの照射装置のランプ管軸線に垂直方向の断面図、下段はＦＰＤ等の製造工程における搬送コロ１８に載せられ運ばれる被照射物（例えば、カラー液晶基板）２４及び照射方向（白抜き矢印）をそれぞれ模式的に示している。

従来、ランプ寿命は、ランプが切れたり（不点故障）、ランプ照度が所定の値より低下したり（黒化現象）することが主な寿命原因となっていた。しかし、その後の長寿命化に関する種々の技術開発（例えば、発光管内面に保護皮膜の形成、電極に対する十分な量のエミッタの塗布等。）によって、点灯維持、照度維持の寿命性能は飛躍的に向上している。

特開平03-93144号公報「原稿照明装置」（1991年04月18日公開） 特開2002-131841号公報「光源装置」（2002年05月09日公開） 特許文献１は、各蛍光ランプの各開口部を除く外周面に、遮光膜を被着している。遮光膜被着の目的は、原稿照明装置では、隣り合うランプの各アパーチャから出力された光の一部が互いの外周面に反射して、迷光が発生し、光センサの読み取り精度を低下させる課題を解決するためである。そこで、各蛍光ランプの各開口部を除く外周面に遮光膜を被着して、反射光の発生を防止している。しかし特許文献１には、本発明で開示するランプ石英管の破損の課題、この課題解決のための遮光膜の形成範囲等に関しての記載・示唆等は無い。特許文献２は、各隣接するランプ間に遮光壁を設け、リフレクタを透過した光が他方のランプに入射するのを遮る。特許文献２の遮光壁は、各隣接するランプ間を完全に遮っており、本発明の遮蔽物とは異なる。

しかし、最近、上述の寿命性能の向上したことにより、長時間の紫外線暴露によるランプ発光管である石英管の破損という新たな問題が発生するようになった。

ランプの照度向上のためランプ管の配列密度を一層高くしたため、ランプ管相互は一層接近し、ランプ石英管は隣接ランプ管から強い紫外線照射を受けるようになっている。更に、Ｕ、Ｎ及びＭ字形状のランプでは、１本の紫外線ランプ内でも、ランプ管の部分が並列配置された状態になる。従って、ランプ石英管は、そのランプ自体の内部からの紫外線照射に加えて、隣接ランプからの紫外線照射を重畳的に受けている。内部からの紫外線照射を回避することはできないので、隣接ランプからの紫外線照射を可能な限り減少する必要がある。

従って、紫外線ランプに対して、隣接ランプ管から放射される紫外線の影響を減少させる技術の開発が望まれる。

本発明は、紫外線ランプの並列配置されたランプ管部分から放射される紫外線及び反射体により反射される紫外線の影響を減少させる紫外線照射装置を提供することを目的とする。

更に、本発明は、並列配置されたランプ管部分から放射される紫外線及び反射体により反射される紫外線の影響を減少させた紫外線ランプを提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係る紫外線照射装置は、紫外線ランプの発光管部分が複数並列配置された紫外線照射装置であって、座標軸を、複数の発光管部分の並列方向をＸ方向、紫外線ランプの照射方向を−Ｙ方向、紫外線ランプの発光管部分の軸線方向をＺ方向と規定したとき、隣接する紫外線ランプの発光管相互間にＺ方向に延在する遮蔽物を備え、前記遮蔽物の−Ｙ方向高さは、隣接する紫外線ランプの光源をランプ中心にある点光源と見なして、紫外線ランプの発光管のいずれの箇所からも隣接する紫外線ランプの点光源を視認できない高さとする。

更に、上記紫外線照射装置では、前記複数並列配置とは、前記発光管が直管型の紫外線ランプの場合はランプが複数本並列配置された状態であり、前記発光管がＵ、Ｎ又はＭ字型形状の紫外線ランプの場合はランプが１本以上並列配置された状態であってよい。

更に、上記紫外線照射装置では、更に、前記複数本の紫外線ランプのＹ方向に反射体を備え、前記遮蔽物は、前記反射体から、隣接する２個のランプの中心の間を結ぶ線より、式(1)によって決定されるＹ方向高さＨｓ以上に形成することができる。

更に、上記紫外線照射装置では、前記遮蔽物は、少なくとも波長500ｎｍ以下の可視光及び紫外線を吸収する物質で形成することができる。

更に、上記紫外線照射装置では、前記遮蔽物は、ステンレス等の金属板又は主にＭｇＯから成るステアタイトのセラミックで形成してもよい。

更に、上記紫外線照射装置では、前記遮蔽物は、該遮蔽物の表面に、紫外線を遮蔽し且つ反射しない物質を形成してもよい。

更に、本発明に係る発光管部分が複数並列配置された紫外線ランプは、座標軸を、前記複数本の紫外線ランプの並列方向をＸ方向、各紫外線ランプの照射方向を−Ｙ方向、各紫外線ランプ軸線方向をＺ方向と規定したとき、各紫外線ランプは、隣接する紫外線ランプに対向するランプ管の部分に、外表面に沿って形成された一対の遮光膜を備え、前記遮光膜を形成する範囲は、隣接する紫外線ランプの光源をランプ中心にある点光源と見なして、各紫外線ランプ管のいずれの箇所からも隣接する紫外線ランプの点光源を視認できない範囲とする。

更に、上記紫外線ランプでは、前記複数並列配置とは、前記発光管が直管型の紫外線ランプの場合はランプが複数本並列配置された状態であり、前記発光管がＵ、Ｎ又はＭ字型形状の紫外線ランプの場合はランプが１本以上並列配置された状態であってよい。

更に、上記紫外線ランプでは、前記遮光膜は、隣接する２個のランプの中心の間を結ぶ線より、次式(2)によって決定されるｈｙの２倍の２ｈｙ以上の範囲に形成してもよい。

更に、上記紫外線ランプでは、前記遮光膜は、隣接する２個のランプの中心の間を結ぶ線より、次式(3)によって決定されるｈｃの２倍の２ｈｃ以上の範囲に形成してもよい。

更に、上記紫外線ランプでは、前記遮光膜は、金属酸化物から成ってよい。

更に、上記紫外線ランプでは、前記遮光膜は、酸化チタニウムＴｉＯ₂、酸化亜鉛ＺｎＯ又は酸化セリウムＣｅＯ₂から成ってよい。

更に、上記紫外線ランプでは、前記一対の遮光膜間の内、ランプ背面の反射体側であるＹ方向の遮光膜未形成部分にも遮光膜を形成してもよい。

本発明によれば、紫外線ランプの並列配置されたランプ管部分から放射される紫外線及び反射体により反射される紫外線の影響を減少させる紫外線照射装置を提供することができる。

更に、本発明によれば、並列配置されたランプ管部分から放射される紫外線及び反射体により反射される紫外線の影響を減少させた紫外線ランプを提供することができる。

図１は、種々のランプ形状を説明する図である。ここで、図１（Ａ）は直管型（Ｉ字形状）のランプを示し、図１（Ｂ）はＵ字形状のランプを示し、図１（Ｃ）はＭ字形状のランプを示している。 図２は、上段は、複数のＩ字形状のランプを並列配置された照射装置を被照射面から見た平面図、中段は照射装置のランプ管軸線方向断面図、下段はＦＰＤ等の製造工程におけるコロ搬送装置に載せられ運ばれる被照射物及び照射方向（白抜き矢印）を示している。 図３は、第１実施形態を説明する図である。ここで、図３（Ａ）は、複数本の並列配置された紫外線ランプの内の隣接する２本のランプ、筺体及び隣接する２個のランプ間に設けた遮蔽板を、ランプ管の軸線方向に垂直な断面で示した図であり、図３（Ｂ）は位置関係を説明するための部分拡大図である。 図４は、第２実施形態を説明する図である。ここで、図４（Ａ）は、複数本の並列配置された紫外線ランプの内、隣接する２本のランプ管の軸線方向に垂直な断面図であり、図４（Ｂ）は位置関係を説明するための部分拡大図である。 図５は、第３実施形態を説明する図である。

以下、本発明に係る紫外線ランプ及び紫外線照射装置の実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

本発明者等は、並列配置された紫外線ランプから放射される紫外線の影響を減少させる技術の開発を、次の２つのテーマに分けて実現している。

(1) 隣接ランプ及び反射体からの紫外線放射（輻射）を受けない「紫外線照射装置」の開発
(2) 隣接ランプ及び／又は反射体からの紫外線放射（輻射）を受けない「紫外線ランプ」の開発
以下、(1)に関する第１実施形態、並びに(2)に関する第２及び第３実施形態を、順に説明する。

［第１実施形態：隣接ランプ及び隣接反射体からの紫外線放射（輻射）を受けない紫外線照射装置」
第１実施形態に係る紫外線照射装置は、隣接する発光管間に遮蔽板を形成し、隣接ランプからの紫外線の放射（輻射）の影響を防止する。

更に、この紫外線照射装置は、ランプ後方の筺体とランプとは近接しているので、筺体を非反射物により形成する。

以下、具体的に説明する。図３（Ａ）は、複数本の並列配置された紫外線ランプの内の隣接する２本のランプＬ１，Ｌ２、筺体２２−２及び隣接する２個のランプ間に設けた遮蔽板２６を、ランプ管の軸線方向（Ｚ方向）に垂直な断面で示した図である。

ランプＬ１，Ｌ２は、紫外線ランプである。Ｉ，Ｕ，Ｎ又はＭ字形状のいずれであってもよい。Ｕ、Ｎ及びＭ字形状のランプの場合には、１本の紫外線ランプ内でも、ランプ管の部分が並列配置された状態になるからである。紫外線ランプＬ１，Ｌ２は、紫外線の発光効率が比較的高くなるように設計されたランプを総称する。紫外線ランプとして主に使用されているのは、低圧及び高圧水銀ランプ、エキシマランプ等である。

筺体２２−２とランプＬ１，Ｌ２とは近接しているため（即ち、ｄが小さい。）、筺体２２−２を非反射物により形成し、反射光の影響を減少させる。従って、筺体２２−２は、例えば、波長500ｎｍ以下の光の反射率が低いステンレス等で形成される必要がある。なお、筺体２２−２からの反射光を利用する場合は、反射板を兼用する筺体２２−２を、前記波長領域の光の反射率が高いアルミニウム等で形成し、第３実施形態で説明するように、隣接ランプ発光管からの紫外線放射を受けない紫外線ランプとの組合せとする必要がある。

遮蔽板２６は、光線を遮蔽する部材であり、例えば板状に形成され、筺体２２−２により支持されている。上述したように、複数個のランプ管は高密度に配置されているため、隣接するランプ発光管間の距離は、非常に短い。従って、遮蔽板２６が、光線（紫外線を含む。）を反射するものであれば、光線を発したランプ自体に反射光が戻り、ランプ管の寿命を縮める結果となる。そこで、遮蔽板２６は、光線を遮蔽すると共に、光線を反射しない物（少なくとも波長500ｎｍ以下の可視光及び紫外線を吸収する物質）で形成する必要がある。遮蔽板２６は、例えば、ステンレス等の金属板、主にＭｇＯから成るステアタイト等のセラミック等で形成される。

なお、遮蔽板２６の全体をこのような物質で構成するのでなく、遮蔽板表面に、このような光線を遮蔽し且つ反射しない物質を皮膜又は層として形成してもよく、薄板にして固着してもよい。

ここで、遮蔽板２６の高さが問題となる。ランプの機能は、照射方向前方に在る被照射物（図示せず。）を効率良く照射することにあり、過度に長い遮蔽板２６は、照射効率を低下させる。即ち、遮蔽板２６の高さは、所望のランプ寿命が確保できる範囲で、比較的低くする必要がある。

そこで、図３（Ａ）のように断面図で見て（即ち、２次元で検討して）、隣接発光管Ｌ１から発せられる光線を、ランプ中心Ｃ１からの点光源Ｓ１と仮定する。そして、隣接ランプＬ１の点光源Ｓ１からの光線が、ランプ石英管Ｌ２に直接入射しない範囲に遮蔽板２６を形成することとする。

実際には、ランプ発光管内で発生しているアーク（発光源）は、中心Ｃ１から半径方向に一定の太さを有している。しかし、隣接ランプ管Ｌ１のアーク外周部分からの発光は、ランプ管Ｌ２に入射するとき入射角が相対的に大きくなり、大部分が反射されるものと考えられる。従って、隣接ランプ管Ｌ１のアーク外周部分からの発光は、隣接するランプ発光管間の距離によるが、ランプＬ２の石英管の劣化に及ぼす影響はランプ中心部からの発光に比べ少ないものと思われる。

更に、隣接ランプ管Ｌ１から発せられる光線をランプ中心Ｃ１からの点光源Ｓ１と仮定し、アーク外周部分からの発光を無視して遮蔽板２６を形成した紫外線照射装置１６−２において、ランプ石英管Ｌ２の破損が発生せず、所望のランプ寿命が確保できるならば、実用上、この仮定は妥当なものといえる。試作により確認されたランプ寿命に関しては、後述する。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の位置関係を説明する部分拡大図である。図３（Ｂ）に示すように、遮蔽板２６の高さは、次式(4)によって決定される。

従って、遮蔽板２６は、隣接する２個のランプＬ１，Ｌ２の中心Ｃ１，Ｃ２の間を結ぶ線より、Ｙ方向高さＨｓ以上に形成すればよい。ランプＬ１以外の他のランプ管相互の間の遮蔽板に関しても同様である。

即ち、遮蔽板２６の−Ｙ方向高さは、隣接する紫外線ランプＬ１の光源をランプ中心Ｃ１にある点光源Ｓ１と見なして、紫外線ランプ管Ｌ２のいずれの箇所からも隣接する紫外線ランプＬ１の点光源Ｓ１を視認できない高さとする。

上述の遮蔽板２６は、遮蔽機能が得られれば形状を問わない。例えば、遮蔽板２６は、板状でなく、土手のような部材で形成してもよい。

［第２実施形態：隣接ランプからの紫外線放射を受けない紫外線ランプ］
第２実施形態に係る紫外線ランプは、石英管の外側表面に遮光膜を形成して、隣接ランプからの紫外線入射を遮光し、石英管の劣化を防止している。第２実施形態は、ランプ自体を工夫する点で、図３に示す照射装置１６−２の内部構造を工夫する第１実施形態と相違する。

以下、具体的に説明する。図４（Ａ）は、複数本の並列配置された紫外線ランプの内、隣接する２本のランプ管Ｌ１，Ｌ２の軸線方向（Ｚ方向）に垂直な断面図である。ここでは、本来、ランプ後方にある支持体（図示せず。）の影響は無視している。

ランプＬ１，Ｌ２は、第１実施形態と同じ紫外線ランプである。

ランプの石英管外表面の遮光膜２８Ｌ，２８Ｒは、酸化物からなり、例えば、酸化チタニウムＴｉＯ₂，酸化亜鉛ＺｎＯ，酸化セリウムＣｅＯ₂等から選択される。遮光膜の形成は、典型的には、ゾルゲル法によって行われる。

同様に、隣接発光管Ｌ１から発せられる光線は、ランプ中心Ｃ１からの点光源Ｓ１と仮定する。図４（Ａ）のように断面図で見て（即ち、２次元で検討して）、隣接ランプＬ１の点光源Ｓ１からの光線がランプＬ２に対して直接入射しない範囲に、ランプ石英管Ｌ１の外周に遮光膜２８Ｌ、２８Ｒを形成する。

ここで、遮光膜２８Ｌ，２８Ｒの形成する範囲が問題となる。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の位置関係を説明する部分拡大図である。ランプ管の外表面に形成する遮光膜２８Ｒの範囲に関して、Ｙ方向長さｈｙは、次式(5)によって決定される。

同様に、ランプ管Ｌ１に形成する遮光膜２８Ｒの範囲は、膜面の長さ（円周方向長さ）ｈｃでは次式(6)によって決定される。

従って、ランプ管Ｌ１の外表面に形成する遮光膜２８Ｒは、隣接ランプに対面する部分に、Ｙ方向長さ2ｈｙ又は円周方向長さ２ｈｃの範囲で形成すればよい。ランプＬ１以外の他のランプ管の遮光膜に関しても同様である。

即ち、遮光膜２８を形成する範囲は、隣接する紫外線ランプＬ１の光源をランプ中心Ｃ１にある点光源Ｓ１と見なして、紫外線ランプ管Ｌ２のいずれの箇所からも隣接する紫外線ランプＬ１の点光源Ｓ１を視認できない範囲とする、
［第３実施形態：照射器の反射体からの反射光を受けない紫外線ランプ］
第３実施形態は、隣接ランプからの紫外線放射（輻射）だけでなく、隣接及び自己のランプの後方にある反射体からの反射光も受けないようにした点で、第２実施形態と相違する。

通常、照射強度を向上させるため、複数本のランプを並列配置し、これらの後方には筺体を兼ねる反射体２２−３が配置される。この後方からの反射光を遮蔽するため、反射器２２−３に対向するランプ管外表面の部分に遮光膜を形成する。

図４に示したように、第２実施形態で説明したランプ管表面に形成された１対の遮光膜２８Ｒ，２８Ｌ間には、非遮光部分ｎ１がある。第３実施形態では、図５に示すように、この非遮光部分ｎ１にも遮光膜を形成した遮光膜２８Ｍとする。これにより、ランプＬ１，Ｌ２は、自己及び隣接のランプ管Ｌ２，Ｌ１の光線による反射体２２−３からの反射光を遮蔽することが出来る。

なお、遮光膜端部Ｐ７，Ｐ１０の位置の決定は、第２実施形態と同じである。ランプＬ１以外の他のランプ管の遮光膜に関しても同様である。

[試作により確認されたランプ寿命]
第１〜３実施形態では、隣接ランプ管から発せられる光線をランプ中心からの点光源と仮定している。この仮定を検証するため、第１〜３実施形態に関して、試作してランプ寿命を確認した。

従来の高負荷（通電電流1アンペア以上）では、連続点灯3,000〜6,000時間（4.2〜8.3ヶ月）でランプ管の破損が発生していた。第１〜３実施形態に係るランプに関しては、いずれのランプも、18,000時間（25ヶ月）以上のランプ寿命を確認した。

従って、隣接ランプ管から発せられる光線をランプ中心からの点光源と見なした仮定は、第１〜３実施形態に関しては、実用上、妥当であったと言える。

［その他］
以上、本発明に係る紫外線ランプ及び紫外線照射装置の実施形態に関して説明したが、これらは例示であって、本発明を限定するものではない。当業者が容易になしえる、本実施形態に対する追加・削除・変更・改良は、本発明の範囲である。

本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

１０：Ｉ字形状ランプ， １２：Ｕ字形状ランプ、 １４：Ｍ字形状ランプ、 １６−１，１６−２：照射装置，紫外線照射装置、 １８：搬送コロ、 ２２−１，２２−２：筺体，反射体、 ２４：被照射物、 ２６：遮蔽物，遮蔽板、
Ｌ１，Ｌ２：ランプ，ランプ管、 Ｃ１，Ｃ２：ランプ管の中心、 Ｓ１，Ｓ２：点光源、

Claims (6)

1. 発光管が直管型の紫外線ランプでは紫外線ランプが２本以上並列配置された状態にあり、発光管がＵ、Ｎ又はＭ字型形状の紫外線ランプでは紫外線ランプが１本又は２本以上並列配置された状態にあるため、発光管部分が相互に並列配置された状態にある紫外線ランプにおいて、
   座標軸を、前記発光管部分の並列方向をＸ方向、各紫外線ランプの照射方向を−Ｙ方向、該発光管部分の軸線方向をＺ方向と規定したとき、
   各発光管部分は、隣接する発光管部分に対面する外表面に沿って形成された一対の遮光膜を備え、
   前記遮光膜を形成する範囲は、Ｘ−Ｙ平面で見て、各紫外線ランプの光源をランプ中心にある点光源と見なして、隣接する紫外線ランプのいずれの箇所からも該点光源を視認できない範囲とする、紫外線ランプ。
2. 請求項１に記載する紫外線ランプにおいて、
   前記遮光膜は、Ｘ−Ｙ平面で見て、前記隣接する紫外線ランプの中心の間を結ぶ線より、次式(2)によって決定されるｈｙの２倍の２ｈｙ以上の範囲に形成される、紫外線ランプ。
   

   
3. 請求項１に記載する紫外線ランプにおいて、
   前記遮光膜は、Ｘ−Ｙ平面で見て、前記隣接する紫外線ランプの中心の間を結ぶ線より、次式(3)によって決定されるｈｃの２倍の２ｈｃ以上の範囲に形成される、紫外線ランプ。
   

   
4. 請求項１に記載する紫外線ランプにおいて、
   前記遮光膜は、金属酸化物から成る、紫外線ランプ。
5. 請求項１に記載する紫外線ランプにおいて、
   前記遮光膜は、酸化チタニウムＴｉＯ₂、酸化亜鉛ＺｎＯ又は酸化セリウムＣｅＯ₂から成る、紫外線ランプ。
6. 請求項１に記載する紫外線ランプにおいて、
   前記一対の遮光膜の間の内、ランプ背面の反射体側であるＹ方向の遮光膜未形成部分も遮光膜を形成する、紫外線ランプ。

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