JP7470994B2 - 紫外線照射装置とその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、集光ミラーや集光レンズを用いることなく照射対象に対して光源からの強力な紫外光束を集中照射できるようにした自己集光機能を有する紫外光源装置に関し、更に詳細には紫外発光ガス放電チューブのアレイをからなるフレキシブルな面光源を利用した自己集光機能を有する紫外線照射装置とその駆動方法に関するものである。

従来、産業用や医療用、殺菌・滅菌用などの分野で紫外線が広く応用されているが、光源デバイスとしては高圧水銀ランプやエキシマ放電ランプのほかには実用的なものが無いのが実情である。水銀レス構造として注目される紫外発光ＬＥＤは、未だ開発途上にあって十分な発光強度のものが得られていないが、例えば、特許文献１に開示のように複数のＬＥＤ発光素子からの光束を湾曲した反射ミラーで集光して照射強度を高める技術が知られている。また、特許文献２には外部電極構成のガス放電チューブを利用した紫外発光用平面光源デバイスも提案されているが、同じく発光強度の向上が望まれている。

特開２０１２－１９９０５５号公開特許公報 特開２０１１－０４０２７１号公開特許公報

上記のように、LEDを利用した従来の光源デバイスでは湾曲した反射ミラーによって装置全体が大型となって利用範囲が制限され、また、ガス放電チューブを利用した従来の平面光源は、電極構成が複雑であるほか、発光効率や発光出力の点で未だ実用の域に達していない。

従って、本発明は、高強度の照射光が得られる水銀レスの光源デバイスを提供しようとするものであり、特に、反射ミラーや集光レンズを用いることなく自己集光機能を有する光源デバイスの提供を目的とするものである。

本発明は、細長いガラス管の長手方向に沿って設けた一対の長電極間で放電を発生させるようにした外部電極型の新しい紫外発光ガス放電チューブをベースとするものである。この新しい紫外発光ガス放電チューブは、従来の平面光源に用いられた発光チューブとは電極構造並びに放電形式が異なり、発光効率の大幅な改善が図られている。また、複数本の発光チューブを共通の電極対上に配列して面光源を構成した場合、アルミニウム箔のような反射性の電極材料で発光チューブの背面側の８０％以上をカバーすることが可能となるので、一層高い集光機能を得ることができる。

かくして本発明は、上記のような新しい構成の紫外発光ガス放電チューブを複数本それぞれの照射光束が照射対象に向けて収束するよう湾曲面又は屈曲面上に配列し、照射対象位置において最大の照射強度が得られるようにしたことを骨子とするものである。発光面の彎曲を可能とするよう隣接チューブ間には等間隔又は部分的に異なる間隔の隙間が設けられる。紫外発光ガス放電チューブは、紫外領域で発光する蛍光体層を備えたものに限らず、照射用途に応じて可視域の発光チューブを混在させた構成とすることもできる。

更に具体的に述べると、本発明による自己集光機能を有する紫外線照射装置は、絶縁基板上に少なくとも１対の帯状電極対を平行に配置した電極構造体と、内部底面に紫外蛍光体層を有し、内部に放電ガスを封入してなる複数の紫外発光ガス放電チューブを隣接チューブ間に微小間隔を隔てて１つの面上に平行に配列したチューブアレイ構造体とを備え、前記電極構造体の上に複数の前記放電チューブの底面側が位置して前記帯状電極対を横切る方向となるよう前記チューブアレイ構造体を組み合わせてフレキシブルな紫外線発光構造体を構成し、各放電チューブの照射光束が照射対象に向けて収束するよう前記チューブアレイ構造体の放電チューブの配列面の少なくとも一部を湾曲又は屈曲させたことを特徴とするものである。

前記紫外発光ガス放電チューブの配列面は、照射対象を挟むように形成された複合平面でもよいし、円筒又は角筒などの筒状面であってもよい。紫外発光ガス放電チューブの配列面を筒状に構成する場合、前記配列面を紫外線透過性のガラス筒やメッシュ構造体で構成してもよい。

本発明の紫外線照射装置によれば、水銀レスの達成は勿論、集光ミラーや集光レンズのような光学素子を組み合わせることなくシンプルな構造で自己集光機能を実現することができる。その結果、安全で且つ安価な構成で高強度の紫外線を対象面に照射することが可能となり、医療用途や殺菌・滅菌用途など産業上の実用範囲が大幅に拡大する。

本発明による紫外線照射装置に用いる紫外発光ガス放電チューブを利用した面光源デバイスの基本構成を説明する説明図である。 本発明の紫外線照射装置の実施形態１における発光面の構成と照射プロファイルを示す説明図である。 本発明による紫外線照射装置の使用例を示す模式的斜視図である。 本発明の実施形態２の紫外線照射装置の発光面の構成を示す斜視図である。

以下、図面に示す実施形態を用いて、本発明を詳述する。これによって、この発明が限定されるものではない。

（実施形態１）
図1（ａ）は、本発明の実施形態1における紫外線照射装置に用いる紫外発光ガス放電チューブの基本構成を示す断面図、図１（ｂ）は該紫外発光ガス放電チューブを複数本配列して構成した面光源の基本構成を示す斜視図、図１（ｃ）はその駆動原理を説明する説明図である。

〔紫外発光ガス放電チューブ〕
図１(a)に示すように、新しい紫外発光ガス放電チューブ（以下、発光チューブという）１は、扁平楕円形状の横断面を有する細長いガラス管２を主体とし、その内部底面に紫外蛍光体層３を備えると共に、内部にネオンとキセノンを混合した放電ガスが封入され、両端が封止されている。ガラス管２は、酸化珪素(SiO2)と酸化硼素(B2O3)を主成分とする硼珪酸系ガラスを材料とした、例えば長径２ｍｍ、短径１ｍｍ程度の扁平楕円断面を持つ細管で、肉厚を３００μm以下に制限して紫外線に対する十分な透過率を実現している。

紫外蛍光体層３に、ガドリリュウム賦活蛍光体(LaMgAl11O19 : Gd) を用いた場合、産業用や医療用に有効なUV-Bバンドの波長レンジである３１１ｎｍの紫外発光を得ることができる。また、プラセオジム賦活の蛍光体(YBO3 : PrまたはY2SiO5 : Pr)を用いれば殺菌・滅菌効果のあるUV-Cバンドの波長レンジの２６１nｍまたは２７０nｍの紫外発光を得ることができる。

〔フレキシブル面光源デバイス〕
ガラス管２を主体とした発光チューブ１が、図１(b)に示すようにチューブの長手方向と交差する方向に複数本平行に並べられてアレイ構成の面光源デバイス（発光チューブアレイ構造体）１０が作られる。図１(a)の断面図との関連において一層明らかなように、発光チューブアレイ構造体１０を構成する各発光チューブ１は、耐熱性の薄い絶縁フィルム１１の上にシリコーン樹脂のような熱伝導性の良好な粘着剤１２により離脱可能な粘着状態で配置されている。隣接する発光チューブ１の相互間には発光面の彎曲を可能とするため同じ幅又は部分的に異なる幅の隙間が設けられている。

他方、発光チューブアレイ構造体１０の下には、例えば、ポリイミド系樹脂製のフレキシブルな絶縁基板１３と、その上に形成された電極対１４とからなる電極構造体１５が非接着状態で配置されている。電極対１４は、発光チューブアレイ構造体１０を構成する各発光チューブ１の底部背面に対向して、共通の電極スリットＧを挟んで両側に広がる帯状のＸ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙとからなる。

即ち、Ｘ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙは、全体としては各発光チューブ１の長手方向と交差する方向に延びる共通の電極パターンを有するが、個々の発光チューブ１に対しては、そのチューブ内に初期放電を発生させる０．１～１０ｍｍ程度の電極スリットＧを挟んで長手方向の両側に対称的に延びる長電極対の構成をもつ。Ｘ電極１４Ｘ、Ｙ電極１４Ｙのチューブ長手方向における長さは電極スリットＧの幅の５～１０倍またはそれ以上となる。

因に、発光チューブ１を長径２ｍｍ、短径１ｍｍの扁平楕円断面を持つ長さ５cmのガラス細管で構成し、これを１ｍｍ間隔で２０本平行配列して図１(b)に示すような発光チューブアレイ構造体１０を構成した場合、Ｘ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙは、３ｍｍ幅の放電スリットＧの両側にそれぞれ２３．５ｍｍの幅を持って各発光チューブ１と交差する方向に延びるパターンで設けられる。この結果、５×６＝３０cm²の発光面の背面側は、電極スリットＧの幅に対応した０．３×６＝１．８cm²の隙間を除いて全て電極面でカバーされた形となる。発光面積に対する電極のカバー率は９４％に相当する。

Ｘ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙは、絶縁基板１３の上に銀ペースト等の導電性インクを印刷して直接形成してもよいし、あらかじめ整形した銅やアルミニウム等の金属導体箔を粘着または接着して構成してもよい。

発光チューブ１をアレイ状に支持する絶縁フィルム１１としてテフロン(登録商標)などのフッ素系透明樹脂で構成した場合、Ｘ、Ｙ電極１４Ｘ、１４Ｙには高い光反射率の材料を用いることが好ましく、その意味では特にアルミニウム箔を用いるのが効果的である。この場合、電極スリットＧが下方に開いた窓となって紫外発光が裏へ抜けるおそれがあるので、電極スリットＧの対応部を電極材料と同等の光反率を持った絶縁材料、例えば光反射テープで塞ぐことが好ましい。

また、電極対１４を形成した絶縁基板13上に直接シリコーン樹脂等の粘着性絶縁層を設けて発光チューブ１を配置するようにしてもよい。それによって、発光チューブ１と電極対１４との間が非接着状態で滑り可能になるので、フレキシブルな面光源デバイスを湾曲させる場合に絶縁基板１３に加わる引っ張り力を吸収することができる。

〔駆動原理〕
本発明による紫外線照射装置の基本単位となる新しい形式の発光チューブ１は、外部電極型であり、正弦波電圧で駆動する。即ち図１（ｃ）に示すように電極対１４の一方のＸ電極１４Ｘを接地した状態で他方のＹ電極１４Ｙに正弦波電圧を印加するようにインバータ電源１７を接続する。正弦波電圧の上昇過程において電極スリットＧで電極近接端間の電圧が対応ガス空間の放電開始電圧を超えた時点でトリガ放電が発生する。

このトリガ放電からの空間電荷の供給による種火効果で近傍の放電開始電圧が低下するので、印加正弦波電圧の上昇と相俟って新たな放電がＸ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙの両端方向に拡張していく。

一方、外部電極型放電デバイスの特徴として放電した電極対応部分の内壁には印加電圧の極性と反対極性の電荷（電子と陽イオン）が壁電荷として蓄積し、この内部電界が当該対応部分に印加された外部電圧の電界を打ち消す結果、一旦発生した放電は順次停止していくことになる。この動作原理は本発明者等が先に出願した特願2015-148622号（特許第6,103,730号）に更に詳しく述べられている。

印加される正弦波駆動電圧の極性が反転すると、壁電荷による内部電界が外部印加電圧の電界に加算される結果、再度、電極スリットＧの対応部で放電が始まった後、上記と同様に印加正弦波電圧の逆方向への上昇に伴う放電の拡張と停止が、電極対１４の両端方向に進行する。この動作の繰り返しでガス放電とそれに伴う発光が行われる。

因に、正弦波駆動電圧の周波数は、負荷となるガス空間の容量や電極間容量の関係から１０KHz乃至４０KHz、例えば２５KHzに設定される。また、ピーク電圧は電極スリットＧに対応したガス空間の放電開始電圧よりも高い１０００Ｖ乃至はそれ以上となるが、長電極対上での放電の広がり長さと、電極スリット部１６の耐圧を超えた損傷防止との両方のバランスを考慮して決めるのが望ましい。

因に、先に例示した５cm長、２０本の発光チューブからなる面光源デバイスを駆動するには、１２Ｖの直流電圧(電池)を２０KHzの正弦波に変換するインバータ回路と、この正弦波をピーク電圧２０００Ｖまで昇圧する小型トランスを含む小型のインバータ電源で十分である。

〔自己集光機能〕
ところで、図１に示した発光面が平面の面光源デバイス１０では、照射対象物を発光面に接近させて配置しても個々の発光チューブ１の発光強度以上の照射強度は得られない。本発明は発光面を曲げることによって複数本の発光チューブ１の光束を照射対象に向けて収束させるようにした自己集光機能を有する構成を特徴とする。これは発光チューブアレイ構造体である面光源デバイス１０がフレキシブルである利点を最大限利用するものである。

図２は実施形態１による紫外線照射装置の発光面構成と照射強度プロファイルを示す説明図である。先に説明したような複数本の発光チューブ１のアレイからなる面光源２０は、湾曲した発光面を持つよう全体が図２のように湾曲している。この湾曲面を実現するには、前述したように隣接チューブ間に絶縁フィルム１１や電極基板１３の湾曲を吸収する隙間が必須となる。

即ち、隣接する発光チューブ１同志が当接するまでフレキシブルの光源デバイスを湾曲させて圧縮力を吸収することができるので、半円状の発光面を得る場合には等間隔配列とし、両サイドの曲率を小さくした湾曲面を得る場合には中間部に比べて両サイドでの配列間隔を広くすることになる。また湾曲時における絶縁基板１３と発光チューブ配列を支持する絶縁フィルム１１との間は単に重ねた状態でコンタクトしているだけであり機械的な固着手段で固着されていないので湾曲時の張力は両者間の滑りによって吸収されることになる。

発光面を湾曲させたことにより、各発光チューブの発光中心軸（以下、光軸という）２２は湾曲面の内側に向けて収束する。その結果、平坦な受光面２３に対しては、図２（ａ）に示すように、湾曲した発光面に対応して、ほぼ均等且つ強度の高い照射強度プロファイル２４を得ることができる。従って、受光面２３の代わりに立体的な照射対象物２５を置けば、図２（ｂ）に示すように、照射強度プロファイル２６で対象物２５の表面全体にほぼ均等に紫外線照射を行うことが可能となる。

（実施形態２）
図３は、本発明による自己集光機能を有する紫外線照射装置の実施形態２を示す概略説明図である。

図３(ａ) において、トンネル形状に湾曲した紫外線照射装置３０が、自動搬送機（ベルトコンベア）３５の走行路の一部を覆う形で配置されている。紫外線照射装置３０は、フレキシブルな電極支持体とその上(図では下面側)に配列した複数の発光チューブ１からなる紫外光源デバイスの発光面を内側に向けて湾曲させた構成を持ち、各発光チューブ１の光軸は、搬送機３５に載せられた立体形状の照射対象物３６に向けて収束した形となる。

この実施形態によれば、自動搬送機３５に載置した立体形状の照射対象物３６に対して殺菌効果のある紫外線を強い強度で直接照射可能な照射装置を提供することができる。特に、紫外線照射装置３０は、主体となる光源デバイスが発光チューブ１の長手方向と交差する方向にフレキシブルであり、また発光面の幅を発光チューブの配列本数で決定することができる点から、自動搬送機で搬送する照射対象物３６の大きさに見合った設計対応が可能である。

図３(ｂ)は、図３（ａ）に示す実施形態の変形例である。自動搬送機３５の走行路に沿って２つの紫外線照射装置３０が走行路をトンネル状に直列にカバーする形で設けられている。かくして搬送機３５に載せられて移動する照射対象物３６は２つの照射装置３０からの紫外線照射に連続して２回曝される。連続照射の構成は、自動搬送機３５の速度を速めて処理速度を向上させる点と、低速でトータル照射線量を増やす点で効果的である。

なお、２つの紫外線照射装置３０とは同じ構成でもよいが、互いに発光波長や発光波長幅の異なる構成とすることも可能である。発光波長は、単位発光源となる各発光チューブ１の蛍光体層３（図1（ａ）参照）の材料を調整することで実現する。

図３(ｃ)は、図３（ａ）に示す実施形態の別の変形例であり、自動搬送機３５の走行路に沿って、２つの紫外線照射装置３０が搬送路を上下から包むように配置されている。搬送機３５に載せられて移動する立体的な照射対象物３６は、湾曲した発光面を下に向けた照射装置３０と、湾曲した発光面を上に向けた照射装置３０のそれぞれから収束して照射される紫外線に両面を曝され、全表面の照射処理が行われる。この場合、搬送機３７は、少なくとも照射対象物を載置する部分において下側の照射装置３０からの照射紫外線を透過させることが必要である。

従って、搬送機３５の搬送ベルトをメッシュ構成のものとするほか、載置部分を紫外線透過性のフッ素系樹脂膜で構成するなどの対策が採られる。また図３(ｂ)の場合と同様、上下の紫外線照射装置３０を搬送機の走行路に沿って更に増設することにより照射処理効率を上げることも可能であるし、それぞれの発光スペクトルを異ならせておくことも可能である。

（実施形態３）
図４(ａ)及び(ｂ)は、それぞれ本発明による実施形態３の紫外線照射装置の２種類の構成を示す概略斜視図である。この実施形態は、２つ以上の平坦発光面を角度を持って組み合わせて自己集光機能を得るようにした複合発光面を特徴とするものである。

即ち図４(ａ)には、発光チューブアレイ構造体の平面光源デバイスをそのほぼ中央の発光チューブの長手方向に沿うライン４１で発光面側に２つに折り曲げた紫外線照射装置４０が示されている。折り曲げられて形成された２つの発光面１０Aと１０Bを構成する各発光チューブ１の光軸２２は、折り曲げライン４１の垂直面に向けて互いに収束する方向となり、中央垂直面の延長位置に置いた照射対象物に効果的な紫外線照射を行うことができる。

図４(ｂ)の紫外線照射装置７０は、矩形状に折り曲げた３つの複合発光面１０A、１０B、及び１０Cからなり、各発光面を構成する発光チューブ１の光軸は発光面で囲まれた照射空間に集まる形となる。

折り曲げられた複合発光面１０A、１０B及び１０Cは、それぞれ独立した面光源デバイスとして構成してもよいし、電極配置基板１３を各発光面に共通とした構成にしてもよい。複合発光面で囲まれた照射空間に図示しない搬送ベルトを通すことにより、移動する搬送ベルト上の被照射物に効果的に紫外線照射を行うことが可能となる。

（その他の変形例）
本発明の自己収光機能を有する紫外線照射装置は、最初に述べたようにガス放電を利用した発光チューブを複数本並べて構成したアレイ状のフレキシブルな面光源デバイスを基本構成とし、その発光面を湾曲面状、又は角度をつけた複合平面状に曲げて各発光チューブの発光軸を照射対象に向けて収束させたことを特徴とするものである。

図１に例示した光源デバイスの基本構成では、細長いガラス管２に対してその長手方向を２分して１対のＸ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙを直列配置しているが、更に電極を複数対直列配置して発光チューブの長尺化に対応することができる。因に、ガラス管２の長さを２０ｃｍ余りとした場合、ガラス管の長手方向にそれぞれ電極スリットＧを挟んだ長さ５cmのＸＹ電極対を所定間隔で２対直列配置することにより、有効発光長が２０ｃｍの紫外発光チューブを構成することができる。

図１に示す電極支持用の絶縁基板１３については、フレキシブルな樹脂フィルムが好適であるが、予め発光面の曲がり具合に沿った曲面又は複合平面のそれぞれに対応した面を持つリジッドなガラス又はセラミック基板で代替してもよい。また、発光チューブ１の配列方向に延びる帯状の共通Ｘ電極１４ＸとＹ電極１４Ｙの背面パターンに対応してそれぞれ独立した形状の金属放熱フィンのような放熱エレメントを電極基板の裏側に密着するよう設けることにより光源デバイスの放熱を促進して発光効率を安定に保つことができる。

紫外線照射強度は複数の発光チューブの光軸が照射対象に向けて収束させることで強められるが、その強度調整は、図１（ｃ）に示すインバータ電源１７から駆動正弦波電圧をバースト形式で間欠的に印加する際のデューティ比を変えることで行うことができる。また、図３の実施形態に示したような自動搬送機３５に載置されて移動する照射対象物に紫外線を照射する構成では、駆動正弦波電圧の印加を照射対象物の搬送速度に同期した通過時間幅で間欠的に行うことにより光源デバイスの発熱を抑制することができる。

いずれにしても本発明の紫外線照射装置によれば、反射ミラーや集光レンズ等の光学素子を用いることなく発光面自体の形状で集光機能を制御できるメリットが得られ、紫外線応用面の拡大に極めて有益である。

１：紫外発光ガス放電チューブ（発光チューブ）
２：ガラス管
３：紫外蛍光体層
１０：発光チューブアレイ構造体（面光源デバイス）
１１：絶縁層
１２：粘着剤
１３：絶縁基板
１４：電極対
１４Ｘ：Ｘ電極
１４Ｙ：Ｙ電極
１５：電極構造体
１７：交番電源
Ｇ：電極スリット
２０：面光源

Claims (10)

1. 湾曲または屈曲した発光面を構成する面光源デバイスを備えた紫外線照射装置において、
   前記面光源デバイスは、絶縁基板と、該絶縁基板上に離脱可能な非接着状態で平行に配列されて前記発光面を構成する複数本の紫外発光ガス放電チューブから成るガス放電チューブアレイの構成を有し、前記絶縁基板には、前記複数本の紫外発光ガス放電チューブを共通に横切る電極スリットを挟んで両側に対称的に広がるパターンの１対の金属電極が設けられ、前記ガス放電チューブアレイの発光面の背面側において発光面積の８０％以上が前記電極スリットを除いて１対の金属電極面でカバーされていることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記１対の金属電極を構成するそれぞれの金属電極は、前記電極スリットの幅の５倍以上の長さを持って当該電極スリットの両側に対称的に広がる電極パターンを有することを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記絶縁基板が予め発光面の曲がり具合に沿った面を持つリジッドなガラス又はセラミック基板であ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。
4. 前記絶縁基板の裏側に前記１対の金属電極の背面パターンに対応してそれぞれ独立した形状の放熱エレメントを設けた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。
5. 前記面光源デバイスの湾曲または屈曲した発光面が、搬送機に載置された照射対象物の搬送路の一部を覆うように配置された構成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。
6. 前記面光源デバイスの電極対間にインバータ電源を接続し、該インバータ電源からの駆動電圧の印加を、前記搬送機に載置された照射対象物の搬送速度に同期した通過時間幅で前記電極対間に間欠的に行うことを特徴とする請求項５に記載の紫外線照射装置の駆動方法。
7. 前記面光源デバイスの電極対間にインバータ電源を接続し、該インバータ電源から前記電極対間に駆動電圧を間欠的に印加し、そのデューティ比を変えることで紫外線照射強度を調整することを特徴とする請求項１－５の何れか１項に記載の紫外線照射装置の駆動方法。
8. 複数本のガス放電チューブを平行に配列して構成した発光面を有する紫外線照射装置において、
   前記複数本の各ガス放電チューブは、当該各ガス放電チューブを共通に横切る電極スリットを挟んで両側に広がる前記複数本のガス放電チューブに共通の１対の金属電極を備えた電極構造体の上に非接着状態で離脱可能に支持されており、かつ前記１対の金属電極が前記複数本のガス放電チューブを平行に配列して構成した前記発光面の背面側において発光面積の８０％以上をカバーして成ることを特徴とする紫外線照射装置。
9. 前記電極構造体が前記金属電極を支持する絶縁基板を備え、該絶縁基板の裏側に放熱エレメントを設けたことを特徴とする請求項８に記載の紫外線照射装置。
10. 絶縁基板と、該絶縁基板上に平行に配列されて発光面を構成する複数本の紫外発光ガス放電チューブから成るガス放電チューブアレイの構成とを有する面光源デバイスであって、前記絶縁基板には、前記複数本の紫外発光ガス放電チューブを共通に横切る電極スリットを挟んで両側に対称的に広がる１対の金属電極が設けられた面光源デバイスを備えた紫外線照射装置の駆動方法において、前記面光源デバイスの電極対間にインバータ電源を接続し、該インバータ電源からの駆動電圧の印加を、搬送機に載置された照射対象物の搬送速度に同期した通過時間幅で前記電極対間に間欠的に行うことを特徴とする紫外線照射装置の駆動方法。