JP7349188B2

JP7349188B2 - 紫外線照射装置

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Publication number: JP7349188B2
Application number: JP2022136018A
Authority: JP
Inventors: 傳篠田; 仁平川; 健司粟本; 武文日▲高▼; 純一郎 ▲高▼橋; 哲也牧野; 雅行脇谷; 洋子篠田
Original assignee: SHIKOH TECH CO., LTD.
Current assignee: SHIKOH TECH CO., LTD.
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2022-08-29
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2041-11-22
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Description

本発明は、紫外線照射装置に関し、特にウイルスや各種細菌の除菌（殺菌・滅菌を含む）や消臭のための深紫外線照射装置に関するものである。なお、本発明において、深紫外線とは波長２００ｎｍ～３００ｎｍの範囲の紫外域の放射線を意味し、この内、２２８ｎｍ付近にピーク波長を持つ深紫外線をＵＶＣ１と呼び、また２６０ｎｍ付近にピーク波長を持つ深紫外線をＵＶＣ２と称するものとする。また真空紫外線（ＶＵＶ）は、希ガス放電で発生する波長２００ｎｍ以下の紫外線を意味するものとする。

従来から紫外線による除菌や消臭効果はよく知られており、紫外線照射による各種の除菌あるいは殺菌装置が知られている（例えば、特許文献１～４参照）。また、下記特許文献１においては、ウイルス不活化に有益でかつ人体細胞に影響を及ぼさない紫外線として波長２００～２３０ｎｍが最適であることが提案されている。そして特許文献１に開示された装置では、上記波長範囲の深紫外光を放射する光源として波長２２２ｎｍに幅の狭いピーク波長を有するエキシマランプが代表例として挙げられている。

特表２０１４－５８６１２号公報国際公開第２０１６／１２５７０８号特開２０１５－１９３５２１号公報国際公開第２０１８／２３５７２３号

しかしながら波長２２２ｎｍの深紫外線を放射するエキシマランプは放電ガスとして毒性の強い塩化クリプトン（ＫｒＣｌ）を使用するものであり、破損時において環境上の問題が避けられない。またＫｒＣｌエキシマでは発光波長幅が狭く、不活化できる細菌やウイルスが限られるという課題もある。即ち、このエキシマランプの発光は波長がほぼ２２２ｎｍに集中するため、これより短い波長領域においてより効率的な不活化能力が期待できるにも係わらず、これが利用できないわけである。

更に、特許文献２に開示された従来の殺菌用面発光紫外光源デバイスでは、ガス放電チューブを構成するガラス材料（旧材料）の制約や蛍光体材料の制約から専ら２６０ｎｍ近辺にピーク波長を有するＵＶＣ２光源デバイスが製品化の限界となっていた。ＵＶＣ２の光源デバイスに用いたガラス材料では２４０ｎｍの付近から短い波長がチューブ外囲器を構成するガラス材料によって吸収されるために、ウイルスや細菌に対して高い殺菌効果の期待できるより短波長の深紫外線を透過する新規なガラス材料の開発が望まれていた。また新規な蛍光体から適切な発光効率でより短い波長の深紫外光を出すための新しいプロセスの開発も必要であった
従って本発明は、上記のような課題を解決して多くのウイルスや細菌に対する幅広い除菌効果を有し、しかも人体に対する影響の少ない安全な深紫外線照射装置を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明による紫外線照射装置は、細菌不活化に有益とされる２２２ｎｍ近辺の波長をエキシマランプから放射する従来の方式と異なり、深紫外蛍光体を利用するガス放電チューブアレイ型の面発光光源デバイスを深紫外光源として用いることを基本とする。従来のガス放電チューブアレイ型の面発光深紫外光源デバイス自体は、上記特許文献２等において既に知られている。しかしながら本発明においては、キセノンガス（Ｘe）の放電で励起されて２２８ｎｍ近辺の波長をピークとして少なくとも２１０～２５０ｎｍの波長範囲の幅広い発光スペクトル（ＵＶＣ１）を有する深紫外蛍光体層を利用すると共に、必要に応じて発光面（配列された各ガス放電チューブの発光面からなる配列面）に対向して前記蛍光体発光スペクトルの内２４０ｎｍ以上の波長域の紫外線の透過を実質的に阻止する光学フィルタを配置することを特徴とする。

本発明で組み合わせる光学フィルタは、紫外線透過基板の表面に形成した誘電体多層膜フィルタの構成を有し、前記紫外線透過基板が前記面発光紫外光源デバイスの発光面と対向する向きに配置される。当該紫外線透過基板は、前記発光面から前記誘電体多層膜フィルタへの放射光の入射角度を調節するように機能する。

本発明の他の側面として、ガス放電チューブの外囲器を構成するガラス材料として真空紫外線を外部に取り出せる新しい紫外線透過ガラスを選ぶことにより、積極的に１７２ｎｍのＸｅから発する真空紫外線ＶＵＶを放射する共に、同時にＵＶＣ１も効率的に放出できるガス放電チューブアレイから成る面発光紫外光源デバイスを利用することを特徴とする。かくして、本発明の他の側面では、ＶＵＶとＵＶＣ１を同時に放射する面発光光源デバイスの発光面と上記光学フィルタとの間にオゾン発生空間を形成し、この空間で発生したオゾンを環境空間に放出するようにした紫外線照射装置の構成を特徴とする。

本発明の更に別の側面として、ガス放電チューブの外囲器を構成するガラス管の厚みを調整することで、内部で発生する紫外線の短波長側の放射を制限する一方、発光面に対向して配置する光学フィルタにより長波長側の放射を制限した紫外線照射装置を提供する。かかる構成により、殺菌・除菌に最も効果の期待できる２００ｎｍから２５０ｎｍの波長範囲を広くカバーし、かつ人体に有害な真空紫外域の紫外線や波長２４０ｎｍ以上の深紫外域の紫外線の放射を防止するデバイス設計が可能となる。

ここで、本発明の基礎となるガス放電チューブ用ガラス外囲器の設計思想について説明する。従来、本発明者等は、２６０ｎｍ付近にピークを持つＵＶＣ２の面発光光源デバイスを実用化していたが、２２８ｎｍ付近にピークを持つ新しい深紫外蛍光体を、ＵＶＣ２発光用チューブの外囲器に用いていた旧硼珪酸系ガラス（ＢＳ１）の細管に適用して紫外光源デバイスを試作すると、図９を参照して後述するように、旧ガラスＢＳ１の透過率は２５０ｎｍ以下の波長域において急激に小さくなるために、弱い発光強度しか得られなかった。

一方、種々の実験結果に基づいて試作した新硼珪酸系ガラス（ＢＳ２）を使用すると、短波長域における紫外線透過率が大幅に改善され、図９の曲線Ｇで示すように２５０ｎｍ以下の紫外線も充分な強度で透過する発光スペクトルを得ることができた。しかし、しかし紫外線の透過率が過度に向上すると、チューブ内部でガス放電によって発生した真空紫外線がガラス外囲器を透過し、１８０ｎｍ付近の波長を持つ紫外線も同時に放射される。ガスの放電により発生する真空紫外域の放射は、環境空気を分解してオゾンの発生に寄与し、発生したオゾンによる空気清浄化の効果が期待できる反面、使用環境によっては毒性のあるオゾンの発生は必ずしも好ましいものではない。

したがって、最適な除菌効果を得る上においては、２５０ｎｍ以下の紫外線は十分に通すが、オゾンの発生を伴う真空紫外線の放射を阻止するガラス外囲器を実現することが必要である。そこで、本発明者等は、ガス放電チューブの外囲器を構成する紫外線透過ガラスの材料と厚みと透過率との関係について種々実験の結果、旧ガラスよりもさらに紫外線の通りやすい硼珪酸系紫外線透過ガラスとして市場で入手可能な肉厚０．６ｍｍのガラス管を入手してその透過率を分析した。図９に点線Ｆで示す新硼珪酸系ガラス（ＢＳ２）の元管の透過率は、未だ２２８ｎｍ付近の透過率が７０％程度と低く、さらに波長が短くなると共に急速に透過率が悪くなり２１０ｎｍではその透過率が５０％以下であった。これに対して細管を作る条件を調整して、元管と同じガラスを用いて肉厚を９０μｍ程度に薄くしたガラス外囲器のガス放電チューブを作成した。その結果、真空紫外線の管外への放射は極めて制限されたものしか観測できず、かつ２２８ｎｍでは９０％以上の紫外線の透過を実現することができた。つまり、新しいガラス外囲器素材として新規の硼珪酸ガラスを使用しチューブの厚みをコントロールすることで、放射する紫外線の短波長側の透過率を選択できることを確認した。

本発明によれば、ウイルス不活化に有益な波長(２２２ｎｍ)の深紫外線の発生光源として、毒性の強いＫｒＣｌガスや環境問題のある水銀を使用しないことを特徴としたガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイスを利用するので、全体として取り扱いの安全な紫外線照射装置を得ることができる。また使用する深紫外蛍光体の発光は単一のウイルスのみならず多種の細菌に対しても高い感受性を有する２４０ｎｍ以下の波長域においても広い発光スペクトルを有するので、より効率的でかつ幅広い除菌・殺菌効果を得ることが可能となる。

更に本発明で利用する面発光紫外光源デバイスによれば、深紫外線１(ＵＶＣ１)の放射と同時に真空紫外線(ＶＵＶ)を放射することができる。よって、発光面と光学フィルタとの間にオゾン発生空間を構成してその間を流通する空気を真空紫外線ＶＵＶで分解してオゾンを発生させ、当該オゾンによる除菌や消臭効果を併せて利用することが可能となる。

ガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイスの構成を示す概略図である。ガス放電チューブに形成する蛍光体の発光スペクトルを示す線図である。ウイルスや細菌の紫外線波長感受性を示す線図である。本発明による紫外線照射装置の第１の実施形態を示す断面構成図である。光学フィルタの透過特性と入射角依存性を示す線図である。第１の実施形態による紫外線照射装置の組み立て構成を示す概略図である。本発明による紫外線照射装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。第２の実施形態の面発光紫外光源デバイスのＶＵＶとＵＶＣを含んだ発光スペクトルを示す線図である。ガス放電チューブの発光特性とガラス管の紫外線透過特性の関係を示す線図である。本発明による紫外光源デバイスの発光波長特性と、紫外線の細菌に対する不活化曲線及び相対有害作用特性との関係を示す線図である。

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
《面発光紫外光源デバイスの基本的構成と駆動原理》
本発明において面発光紫外光源デバイスとして用いるガス放電チューブアレイは、使用する蛍光体とガラス管の素材を除いて上記特許文献２に開示された構成と基本的に変わらない。

（ガス放電チューブ）
図１（ａ）は、深紫外線発光素子となるガス放電チューブの横断面図である。ガス放電チューブ１は、一例として長径寸法２ｍｍ、短径寸法１ｍｍ程度の扁平楕円断面を有するガラス細管２を主体とし、その背面側内面に深紫外の蛍光体層３を備える。それと共に、内部に真空紫外線を発光するネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスまたはＨｅとＸｅ、或いはＡｒとＸｅなどの希ガスを含んだ放電ガス４を封入して両端を封止した構成を有する。

ガラス細管２の材料としては、ＵＶＣのみを発生させるときには安価な硼珪酸系のガラスを用い、ＶＵＶとＵＶＣを同時に発生させるときは微量のフッ素等を添加して紫外線透過率を改良した硼珪酸系のガラスが用いられる。具体的には特許文献３に開示されたような硼珪酸系の組成を有する紫外線透過ガラスが好適である。勿論高価ではあるが紫外線透過性に優れた石英硝子を用いてもよい。前記硼珪酸系のガラス管を肉厚２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ程度まで線引き（リドロー）して肉厚を薄くすることにより、波長１４０ｎｍ程度の真空紫外域から波長２８０nm程度の深紫外域まで８０％以上の透過率で透過するガラス細管２が得られる。但し肉厚が５０μｍ以下になると強度が不足して破損の危険があるので好ましくない。

また本発明において新たに採用する深紫外の蛍光体層３としては、例えば上記特許文献４に開示されたような波長２２８ｎｍ近辺に発光スペクトルのピークを有するルテチュームとスカンジュームのリン酸塩から成る蛍光体を用いる。本発明で使用する蛍光体の発光スペクトルは、その一例を図２に示すように２２８ｎｍをピークとして２００ｎｍ～２６０ｎｍに及ぶ連続した広い波長幅を有し、少なくとも２１０ｎｍ～２５０ｎｍの範囲で有効な深紫外光を放射する。

〔面発光紫外光源デバイス〕
紫外線発光素子としてのガス放電チューブ１が、図１（ｂ）に示すように電極対１２（電極１２Ｘと電極１２Ｙの対）を備えた電極基板１１の上に複数本平行に並べられてガス放電アレイ型の面発光紫外光源デバイス１０が作られる。電極基板１１は、例えばポリイミド系の絶縁基板１３を基体とし、その上面に粘着層でガス放電チューブ１の配列を支持し、対向する下面に電極対１２を備える。別の構成として絶縁基板１３の上面に電極対１２を形成し、その上に絶縁層を兼ねた粘着層でガス放電チューブの配列を支持するようにしてもよい。電極対１２は、各ガス放電チューブ１の底部背面に対向して、共通の電極スリット（電極間隙Ｇ）を挟んで両側に広がるパターンの電極１２Ｘと電極１２Ｙとから成る。

電極基板１１の基体となる絶縁基板１３をポリイミド系樹脂の絶縁フィルムで構成し、各ガス放電チューブ相互間に隙間を空けて配列した構成とすれば、全体としてチューブ配列方向に湾曲可能なフレキシブルな面発光紫外光源デバイス１０を構成することができる。また電極基板１１に表裏を貫通する通気孔または通気スリットを形成して各ガス放電チューブ１の底面が部分的に露出する構成とすれば、各ガス放電チューブ１の放熱に都合がよい。

〔駆動原理〕
図１（ｃ）は、駆動原理を説明するための模式図である。電極対１２を構成する電極Ｘと電極１２Ｙに対し、インバータ回路１５は、ピーク間電圧（Ｐ－Ｐ電圧）が１０００～２０００Ｖで周波数が３０～４０ＫＨｚの交番駆動電圧を印加する。インバータ回路１５により印加される交番駆動電圧の上昇過程において電極１２Ｘと電極１２Ｙとの間の電極間隙Ｇに対応するガス放電チューブ１内の放電間隙で初期放電が発生する。それに引き続いて交番駆動波電圧の上昇に伴ってガス放電チューブ１の長手方向に放電が拡張する。

交番駆動電圧の印加によって、このような放電が電極１２Ｘ、１２Ｙに対応するガス放電チューブ１内の領域で、蓄積電荷の極性を交代しながら交互に繰り返して発生する。ガス放電チューブに封入するガスをネオン（Ｎｅ）とキセノン（Ｘｅ）の混合ガスとした場合、他のガスに比べて低い放電電圧で１４３ｎｍと１７２ｎｍの真空紫外線（ＶＵＶ）の放射を伴う放電が発生する。このＶＵＶの励起により蛍光体層３より２２８ｎｍを中心波長とした深紫外線（ＵＶＣ１）の放射が行われる。この駆動原理と具体的な駆動回路は上記特許文献２に詳細に述べられている。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図２は、上記ガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイス１０の深紫外の蛍光体層３からの発光スペクトルを示す線図である。縦軸は発光強度としての発光光子数（フォトカウント）であり、横軸は波長を示す。この発光スペクトルから明らかなように２１５～２４５ｎｍの連続した波長範囲においてピーク波長２２８ｎｍの７０％以上の発光強度が得られることが判る。

他方、図３は、２０１１年１月に日本紫外線水処理技術協会から発行されたニュースレター第４号（No.4）に掲載の各種ウイルス及び大腸菌の波長感受性を示す線図である。この線図から波長２３０ｎｍ以下の短波長側において各種ウイルスや細菌の紫外線感受性の高まることが判る。即ち、上述の紫外の蛍光体層３からのブロードな深紫外線を照射することで、ＫｒＣｌエキシマランプからの２２２ｎｍの単一波長の照射に比べて多くの細菌・ウイルスに対するより高い殺菌効果を得ることができる。

図４は、上記図２のような発光スペクトルを有する面発光紫外光源デバイス１０に光学フィルタ２０を組み合わせた本発明による紫外線照射装置の基本的断面構成を示す図である。光学フィルタ２０は、紫外線透過基板、好ましくは厚さ１ｍｍ程の合成石英基板２１上に形成されたＨｆＯ_２／ＳｉＯ_２からなる誘電体多層膜フィルタ２２の構成を有し、図５に示す実線Ａの透過特性を持つ。即ち、蛍光体層３のピーク波長２２８ｎｍを含む２３０ｎｍ以下の深紫外線は透過し、人体組織に悪影響を及ぼす可能性の高い２４０ｎｍ以上の紫外線の透過は阻止する特性となっている。

ところで本発明において光源として使用するガス放電チューブアレイ１０からの深紫外光は広い放射角度を持つ。他方、面発光紫外光源デバイス１０に組み合わせる誘電体多層膜フィルタ２２は図５に示すような入射角依存性を有する。図５において、誘電体多層膜フィルタ２２の表面に垂直な方向からの入射が角度の基準である。実線Ａで示す入射角０（ゼロ）度の透過特性に比べ、入射角１０度の放射線に対しては点線Ｂのような透過特性となる。更に、入射角度２０度の放射光に対しては破線Ｃのように、入射角が大きくなるほど透過曲線が短波長側にシフトする傾向がある。つまり、面発光紫外光源デバイス１０からの放射光を誘電体多層膜フィルタ２２に直接入射させる構成では、広角に放射される紫外光の周辺部分の光はフィルタを充分に透過できない結果となる。

本発明においては、面発光紫外光源デバイス１０からの深紫外放射光ができるだけ効率良く誘電体多層膜フィルタ２２を透過するよう、当該フィルタの入射面側に石英基板２１が位置する関係で両者を組合せて配置する。即ち、かかる配置構成において石英基板２１が誘電体多層膜フィルタ２２の前において各ガス放電チューブ１から広角に放射される深紫外光の内、放射角度の大きな部分の光の光学フィルタ２０への入射角光を変換する光学素子として機能する。図４において、ガス放電チューブ１の放射面から誘電体多層膜フィルタ２２に至る放射光の屈折の様子を矢印線２３で示している。面発光紫外光源デバイス１０を構成するガス放電チューブ１の発光面からの放射光は、石英基板２１との間の空間の屈折率（空気ｎ≒１）と当該石英基板の屈折率（ｎ＝１．５）との差により入射角度が狭まる方向に放射角が修正されて誘電体多層膜フィルタ２２に入射することになる。この結果、光学フィルタを透過して放射される２２８ｎｍを中心とした深紫外光の放射強度の減衰を抑えることができる。

なお、更に面発光紫外光源デバイス１０から広角に放射される深紫外の放射光２３の誘電体多層膜フィルタ２２への入射損失を減らすために、光学フィルタ２０を構成する石英基板２１の入射面側に回折格子として機能するストライプまたは格子パターンのリブを設けてもよい。ガス放電チューブ１の配列ピッチに対応したストライプリブにより面発光紫外光源デバイス１０の各ガス放電チューブから広角に放射された深紫外線の誘電体多層膜フィルタ２２への入射角度を狭めることができる。

図６（ａ）は、実施形態１としての紫外線照射装置の組み立て構成を示す斜視概略図である。図示しない空気導入孔を有するベース基板３０の上に駆動回路基板４０が配置され、更にその上方に送風ファン５０と面発光紫外光源デバイス６０並びに光学フィルタ２０が４本の支柱３１で組み立て支持されている。また全体は、上方に紫外線照射窓（開口）を有する点線図示のような筐体に中に納められる。図６においては便宜上、面発光紫外光源デバイス６０の発光面が略水平となり、紫外線の照射方向は上向きとなるよう配置してあるが、照射方向は任意に定めることができる。

ここで上記面発光紫外光源デバイス６０としては、図６（ｂ）に示すようなスリット付きの電極基板６１を用いる。即ち、上記図１（ｂ）を参照して先に説明した電極基板１１と異なり、図６（ｂ）に示す電極基板６１は、放電間隙用の隙間Ｇとほぼ平行に電極基板６１を貫通する複数の貫通スリット６４が形成されている。このようなスリット付き電極基板６１においては、配列されたガス放電チューブ１の底面（背面）が部分的に下方に向けて露出すると共に、隣接するガス放電チューブ相互間の隙間と貫通スリット６４との交差部に通気孔が形成された形となる。従って、送風ファン５０から前記通気孔を通る冷却空気の流れによって面発光紫外光源デバイス６０を効果的に冷却することができる。なお電極基板に設ける通気孔は、上記のようなスリット形状に限らず、放電チューブの背面が部分的に露出するよう多数の小穴を分散配置した形でもよい。

（実施形態２）
図７は、本発明の第２の実施形態として、オゾンの発生を伴う紫外線照射装置の構成を示す概略図である。図示省略した通気孔を有するベース基板３０の上に、ガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイス１０を左右両側から挟むように光学フィルタ２０と駆動回路基板４０とが配置された組み立て構体が支持されている。面発光紫外光源デバイス１０と光学フィルタ２０との間に、オゾン発生空間５１として作用する空間が形成されている。また、面発光紫外光源デバイス１０と駆動回路基板４０との間に、放熱路５２として機能する空間が形成されている。オゾン発生空間５１および放熱路５２の端面に対向して送風ファン５０が設けられており、該送風ファン５０の送風により、オゾン発生空間５１からオゾンの排出が行われ、同時に放熱路５２からガス放電チューブアレイ１０と駆動回路基板４０の発熱が放出される。

かかる構成において、面発光紫外光源デバイス１０を構成する各ガス放電チューブ１は、先に図１を参照して説明したように、ガラス細管２が紫外線透過性の高い石英ガラスまたは薄い硼珪酸系ガラスである場合、蛍光体層３の２２８ｎｍ近辺をピーク波長とした少なくとも２１０ｎｍ～２５０ｎｍの波長幅を有する深紫外発光スペクトル（ＵＶＣ１）と同時に１７２ｎｍの真空紫外線（ＶＵＶ）を放射する。図８に、上記実施形態で使用したガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイスからのＵＶＣとＶＵＶとの放射スペクトルを示している。

駆動回路基板４０には面発光紫外光源デバイスに交番駆動電圧を供給するインバータ回路１５を含んだ駆動回路の他、照射時間を制御するタイマーや、全体を制御する制御回路が搭載されている。駆動回路によって面発光紫外光源デバイス１０が駆動されると、波長２２８ｎｍ近辺をピーク波長とした２４０ｎｍ以下の深紫外線が光学フィルタ２０を透過して照射され、照射空間の空気や対象物の除菌・殺菌が行われる。

他方、ガス放電チューブ１の中で発生した真空紫外線の内、紫外線反射機能も有する蛍光体層３で反射されて発光面から放射されるキセノンガスからの波長１７２ｎｍの真空紫外線は、面発光紫外光源デバイス１０を構成する各ガス放電チューブ１の発光面と光学フィルタ２０との間のオゾン発生空間５１に存在する空気を分解してオゾンを発生させる。発生したオゾンは、送風ファン５０からの空気と共に上方に排気されて環境空気に対する除菌作用を果たす。勿論オゾン自体は強い酸化作用と毒性を有するので、無人の閉じた空間では濃度に係わらず除菌・殺菌に極めて有効であるが、その反面有人環境空間への過剰な放出は制限しなければならない。即ち、低濃度のオゾンは人体に無害であり、空間除菌には極めて有益である。

従って、有人空間へ放出するオゾンはオゾン濃度が定められた基準値０．１ｐｐｍを超えないように制御する必要がある。因みに、長さ８Ｃｍのガス放電チューブを１２本配列した発光面積８×３ｃｍの面発光紫外光源デバイス１０において１時間当り２０ｍｇのオゾンを発生することができる。このような面発光紫外光源デバイスを利用したオゾンの発生量は、駆動交番電圧の印可を間欠的に行い、そのデューティ比を変えることで適切に制御することができる他、環境空間のオゾン濃度のモニター値をフィードバックして駆動をオン／オフして制御することもできる。

（実施形態３）
上記実施形態２においては、深紫外域の放射と同時に真空紫外線を放射してオゾンを生成し、オゾンとＵＶＣ１の双方を利用する装置構成について説明したが、使用環境によってはオゾンの生成が望ましくない場合もある。本発明者等は、キセノン（Ｘe）ガスの放電による真空紫外線の外部への放射をチューブ外囲器のガラスの厚みでコントロールできることを確認した。即ち合成石英から成るガラスチューブの場合は、ガラスの厚みによる紫外線透過率の調整はできないが、硼珪酸系の紫外線透過ガラスを使用したチューブにおいては厚さを薄くすると同一波長に対しては紫外線の透過率が上がると同時に、短い波長側にシフトする。

図９は、市場で入手可能な硼珪酸系の紫外線透過ガラス管の紫外線透過率と、紫外線放射スペクトルとの関係を示す線図である。曲線Ｄは、従来２６０ｎｍの紫外線を出す旧の硼珪酸ガラス（ＢＳ１）チューブの紫外線透過率の特性である。このガラスで２２８ｎｍの蛍光体を採用してデバイスを作成した場合曲線Ｅの発光波形となる。このように、２１０～２５０ｎｍの範囲で十分な紫外線発光が得られない。一方、曲線Ｆは硼珪酸系紫外線透過ガラス管（ＢＳ２）として市場で入手した直径１５．７ｍｍ、厚み０．６ｍｍのガラス母材管の透過率曲線であり、２２０ｎｍの波長では約７０％の透過率で短波長側に向けて紫外線の透過率が下がっており、かつカットオフ波長が約２０５ｎｍである。この母材管を長径２．５ｍｍ、短径１ｍｍで厚み９０μｍの扁平楕円断面のチューブに線引き（リドロー）した場合、曲線Ｇの透過率特性が得られた。

図９において、曲線Ｈは、先に図８に示した真空紫外線と蛍光体層からの深紫外線との放射スペクトルであり、この特性は石英ガラスチューブまたは先に述べたような真空紫外線を通しやすい硼珪酸系ガラス管（ＢＳ２）の厚みを７０μｍ以下まで薄くしたチューブで構成したガス放電デバイスで得ることができる。他方、曲線Ｉは、上記曲線Ｇの透過率特性を持った厚み９０μｍの硼珪酸ガラスチューブ（ＢＳ２）で構成した同じ深紫外蛍光体層を有するガス放電チューブからの発光特性を示している。かかる構成の光源デバイスでは、１７８ｎｍ付近にピークの現れる真空紫外領域の放射がカットされ、２００～２６０ｎｍに及ぶブロードバンドの紫外発光の得られることが分かる。

図１０は、２２８ｎｍをピーク波長とする深紫外蛍光体層からの図２に示したブロードバンド発光特性曲線と同じ特性（図９の曲線Ｉと同等）に、細菌に対する不活化曲線Ｊと、相対分光有害特性曲線Ｋを重ねて示す線図である。細菌に対する不活化曲線Ｊは、図３に示した大腸菌などの波長感受性を示す線図と同じ出典であり、相対分光有害特性Ｋは、日本工業規格ＪＩＳ（Ｚ８８１２－１９８７）で定められた周知の特性である。この線図から明らかなように、細菌に対する不活化作用は、略２４０ｎｍの波長から短波長側においてより高まり、他方、人体に対する有害作用は２７０ｎｍの波長から短波長側に向けて減少する傾向にある。この関係から波長２００ｎｍ～２４０ｎｍの範囲の広い波長幅の深紫外線が有害作用を低く抑えて、幅広く殺菌作用を果たすことがよく理解できる。因みに、曲線Ｌは、比較のために特許文献１に開示されたＫrＣlガスのエキシマランプの２２２ｎｍ単一波長特性を示しており、細菌不活化作用が限られたものとなる。

（その他の変形例）
以上は本発明の代表的構成例であるが、他に種々の変形が可能である。例えば、ガス放電チューブアレイ型の面発光紫外光源デバイスは水銀フリーであることの他、電極基板をフレキシブルな構成とすることにより、チューブの配列方向に湾曲可能な構成を特徴としている。従って面発光紫外光源デバイス１０の発光面を凹面状に湾曲した構成とし、合わせて光学フィルタ２０も入射面側が凹面となる構成にすることにより、照射対象に対する照射光を収束して照射強度を高めることができる。或いは凹面状に湾曲させた光源デバイスの前に先の光学フィルタに代えて紫外線透過材料から成るレンチキュラーレンズのような光学素子を配置し、照射光を更に収束させるようにしてもよい。

また実施形態２のように深紫外線の照射と同時にオゾンを発生させてオゾンによる空気の除菌を併せて行う場合、面発光紫外光源デバイス１０を構成する複数本のガス放電チューブを必ずしも同じ発光スペクトルのものにする必要はない。蛍光体層３の代わりに、酸化マグネシューム（ＭｇＯ）や酸化アルミニューム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の紫外線反射層を形成した真空紫外線放射専用のガス放電チューブを深紫外線放射用のガス放電チューブの間に混在配列したハイブリッドアレイ構成としてもよい。或いは、深紫外蛍光体層３の材料として上記２２８ｎｍにピーク波長を有するブロードバンド発光の蛍光体を使用したガス放電チューブ加えて、例えば特許文献４に開示された１９１ｎｍや２０９ｎｍにピーク波長を有する蛍光体を使用したガス放電チューブを規則的に混在配列すれば、超ブロードバンドで発光強度フラットなガス放電チューブアレイ型の光源デバイスを構成することができ、このデバイスを２４０ｎｍ以上の波長をカットする光学フィルタと組み合わせることにより、有害作用が低く、ウイルスや細菌に対する幅広い不活化効果を発揮する紫外線照射装置を得ることができる。

蛍光体層３として実質的に２４０ｎｍ以上の発光スペクトル成分を持たない２２８ｎｍに中心波長を有するブロードバンドの深紫外蛍光体材料を用いる場合、又は発光波長スペクトルが２４０ｎｍを超えても無人環境で使用する照射装置を構成する場合には、光学フィルタ２０は省略しても構わない。或いは誘電体多層膜フィルタ２２に代えて単なる紫外線透過材料の保護板を配置し、面発光紫外光源デバイス１０との間にオゾン発生空間を形成するようにしてもよい。

本発明の更なる発展系として、先に説明したようなＶＵＶの光と、蛍光体によるＵＶＣの光とを同時に発生する面発光紫外光源デバイスを利用して空気除菌装置を構成することもできる。即ち、周囲環境からの除菌すべき空気の導入開口と、除菌済空気の排出開口を備えた除菌ボックスの中に図６（ａ）或いは図７の構成と同様に、駆動回路基板４０、送風ファン５０、ＶＵＶ＋ＵＶＣ面発光光源デバイス６０を配置することで空気除菌装置を得ることができる。この場合、蛍光体からの深紫外光は外部に放出せず、除菌ボックスの中においてＶＵＶで発生したオゾン、及びオゾンとＵＶＣとの反応で生じる発生期の活性酸素と共に導入された空気の除菌・消臭作用を果たし、除菌ボックスからは清浄な空気と残余のオゾンを環境に放出する。蛍光体層は、コーティング面が紫外線反射機能を有する深紫外域発光のものを適宜使用できるが、２６０ｎｍにピークを有するＵＶＣ２発光蛍光体が好適である。光学フィルタ２０は不要として省略するか、代わりに空気排出孔を備えた蓋を配置する。

更に、長尺のガス放電チューブをその長手方向と交差する方向の放電用電極ギャップを挟んだ複数の電極対を配置した電極基板上に多数本配列することで、大型の放射面を有する紫外線照射装置を構成することができる。放射面のサイズは、ガス放電チューブの長さと配列本数並びに分割した電極対の配置パターンで決めることができる。また小規模サイズの面発光紫外光源デバイスを複数個タイリングして大型放射面の照射装置を構成してもよい。

また面発光紫外光源デバイスは、紫外線透過性の扁平なガラス外囲器の中に、深紫外蛍光体層と、該蛍光体層を励起して深紫外線を発生させる紫外線または電子線励起源を封入した構成とすることもできる。電子線励起源としてはフィールドエミッション原理で電子を放出する構成を用いることができる。

（まとめ）
何れにしても本発明によれば、人体に対する紫外線の悪影響を最小限とした形でウイルスや細菌に対する除菌・殺菌効果を有する安全な紫外線照射装置を得ることができる。

この発明の態様には、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含まれる。
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

１：ガス放電チューブ、２：ガラス細管、３：蛍光体層、４：放電ガス、Ｇ：電極間隙、１０，６０：面発光紫外光源デバイス、ガス放電チューブアレイ、１１，６１：電極基板、１２：電極対、１２Ｘ，１２Ｙ：電極、１３：絶縁基板、１５：インバータ回路、２０：光学フィルタ、２１：石英基板，合成石英基板、２２：誘電体多層膜フィルタ、２３：放射光、矢印線、３０：ベース基板、３１：支柱、４０：駆動回路基板、５０：送風ファン、５１：オゾン発生空間、５２：放熱路、６４：貫通スリット

Claims

紫外発光用のガス放電チューブが共通の電極対上に複数本平行に配列され、少なくとも２１０～２５０ｎｍの波長範囲に及ぶ深紫外域の紫外線を発生する光源デバイスの発光面の前に、前記紫外線の内２４０ｎｍ以上の紫外線の透過を実質的に阻止する光学フィルタが配置され、前記ガス放電チューブを構成するガラス外囲器の前面側は、前記紫外線の短波長側の放射が制限されるように選択された厚みを有することを特徴とする紫外線照射装置。
紫外発光用のガス放電チューブが共通の電極対上に複数本平行に配列され、少なくとも２１０～２５０ｎｍの波長範囲に及ぶ深紫外域の紫外線を発生する光源デバイスの発光面の前に、前記紫外線の内、長波長側である２４０ｎｍ以上の紫外線の透過を実質的に阻止する光学フィルタを配置し、更に前記光源デバイス内で発生した真空紫外線を含む紫外線の短波長側の放射を、前記ガス放電チューブを構成するガラス外囲器の前面側の厚みで選択的に制御する構成を特徴とする紫外線照射装置。
発光面となる前面側と、対向する背面側とを有し、紫外線透過ガラスから成るガラス外囲器を主体とし、前記ガラス外囲器の背面側の内面に少なくとも２１０～２５０ｎｍの波長範囲に及ぶ深紫外域の紫外線を発する蛍光体層が設けられ、内部に真空紫外線を発する放電ガスが封入されたガス放電チューブと、該ガス放電チューブの背面側に対向して放電間隙を構成する隙間を挟んで両側に広がるように配置された電極対とを備えて成る紫外光源デバイスを含み、該紫外光源デバイスを構成するガス放電チューブの前記発光面の前に前記蛍光体層の発光スペクトルの内２４０ｎｍ以上の紫外線の透過を実質的に阻止する光学フィルタを配置すると共に、前記ガス放電チューブ内で発生した真空紫外線を含む短波長側の放射を前記ガラス外囲器の前面側の厚みで選択的に制御した構成を特徴とする紫外線照射装置。
発光面となる前面側と、対向する背面側を有し、紫外線透過ガラスから成るガラス外囲器を主体とし、前記ガラス外囲器の背面側の内面に深紫外域の紫外線を発する蛍光体層が設けられ、内部に真空紫外線を発する放電ガスが封入されたガス放電チューブと、絶縁支持体上に放電間隙を構成する隙間を挟んで両側に広がる電極対を備えて前記ガス放電チューブの背面側を支持する電極基板とから成る紫外光源デバイスを含み、該紫外光源デバイスを構成するガス放電チューブの前記前面側に、前記蛍光体層の発光スペクトルの内の長波長側の放射を制限するための入射面側に回折格子を備えた光学フィルタを配置し、更に前記ガス放電チューブ内で発生した真空紫外線のオゾンの発生を伴う放射を前記ガラス外囲器の前面側の厚みで選択的に制御する構成を特徴とする紫外線照射装置。
前記ガラス外囲器は、前面側の厚みが７０μｍ以上の硼珪酸系紫外線透過ガラスで構成されることを特徴とする請求項４に記載の紫外線照射装置。
発光面となる前面側と、対向する背面側とを有するガラス細管を主体とし、前記ガラス細管の背面側の内面に深紫外の蛍光体層が設けられると共に、内部に放電ガスが封入されて成るガス放電チューブを複数本並行に配列して構成したガス放電チューブアレイと、前記ガス放電チューブアレイの背面側に対向して各ガス放電チューブに共通の放電間隙を構成する電極スリットを挟んで両側に広がるパターンの電極対を備え、各ガス放電チューブの前面側配列面の前に前記蛍光体層の発光スペクトルの内２４０ｎｍ以上の紫外線の透過を実質的に阻止するため入射面側に回折格子を備えた光学フィルタが配置されると共に、前記ガラス細管を７０μｍ以上の肉厚を有するガラスで構成したことを特徴とする紫外線照射装置。
前記蛍光体層が、２２８ｎｍ近辺をピーク波長とするブロードバンドの発光スペクトルを有することを特徴とする請求項３～４、６の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に設けられた回折格子とを備えることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に前記ガス放電チューブからの放射光の該誘電体多層膜フィルタへの入射角度を狭めるように設けられたストライプパターンのリブとを備えることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に前記ガス放電チューブからの放射光の該誘電体多層膜フィルタへの入射角度を狭めるように設けられた格子パターンのリブとを備えることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に前記ガス放電チューブからの放射光の該誘電体多層膜フィルタへの入射角度を狭めるよう前記ガス放電チューブの配列に対応して設けられたストライプパターンまたは格子パターンの複数のリブとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の紫外線照射装置。
前記回折格子を備えた光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に設けられた回折格子とから成り、該回折格子はストライプパターンのリブであることを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記回折格子を備えた光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に設けられた回折格子とから成り、該回折格子は格子パターンのリブであることを特徴とする請求項４または６の何れか１項に記載の紫外線照射装置。
前記回折格子を備えた光学フィルタは、石英基板の紫外線出射面側に形成された誘電体多層膜構造のフィルタと、前記石英基板の紫外線入射面側に設けられた回折格子とから成り、該回折格子は前記ガス放電チューブの配列ピッチに対応したストライプパターンまたは格子パターンの複数のリブであることを特徴とする請求項６に記載の紫外線照射装置。