JPH04109952A - 紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ・（産業上の利用分野） 本発明は、紫外線光化学反応用の光源等に使用される紫
外線照射装置に関する。

（従来の技術） 紫外線光源を用いた光化学反応装置は種々の分野に採用
されており、 例えば光ＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるＳｔ薄膜の合成、レジ
ストの光硬化および光アッシングあるいは光洗浄等を始
めとする半導体製造関連などにおいて広く普及し、かつ
その応用分野の伸びも著しい。

また、水の浄化、滅菌処理や食肉の殺菌処理などにおい
ても短波長の紫外線を照射する技術の研究および開発が
急速に進みつつある。

これらの分野においては、短波長紫外線を効率よく照射
する光源の開発が望まれており、このため、低圧水銀紫
外線放電灯が用いられている。

低圧水銀放電灯は、紫外線を透過する石英ガラス等から
なる発光管の両端に電極を封装するとともに、この発光
管内に水銀および希ガスを封入し、この水銀主体の蒸気
を低圧状態で放電させて水銀の共鳴線１８５ｎ■のおよ
び２５４ｎ厘を主体とする短波長紫外線領域の光を効率
よく放射するようになっている。

ところが、最近において益々紫外線照射強度の向上によ
る処理能力、処理速度が求められるようになっている。

照射強度を向上させる手段として、従来から低圧水銀放
電灯を反射鏡で覆ってワークに対する照射率を高める構
造が採用されているが、このような反射鏡で覆う構造で
は照射率の向上に限度がある。

このため、最近では放電灯そのものを改善し、ランプの
単位長さあるいは単位面積当りの出力を増す、いわゆる
高出力あるいは超高出力タイプのランプの開発に期待が
かけられている。

超高出力タイプのラップとして、特公昭６３−４９３４
０号公報に記載されているように、石英ガラス製の発光
管の４端部にそれぞれ陽極と陰極を別個に設けた低圧水
銀放電灯が提案されている。このようなランプは点灯回
路装置を介して交流電源に接続され、一端側の陽極と他
端側の陰極との間、および一端側の陰極と他端側の陽極
との間で、交互に放電させるようにしている。

このようにそれぞれ陽極と陰極を互いに別個に設けるよ
うにすると、陰極を小形にして放熱を小さくすることが
でき、逆に陽極を大形にして放熱を大きくすることがで
きるため電極の設計の自由度か増すという利点がある。

（発明が解決しようとする課題） また、紫外線出力を高めるためランプの単位長さ当りの
入力を増す手段も検討されている。しかしなから、単位
長さ当りの入力を増したランプでも、実用化されている
ランプは最大電流をＩ　　（Ａ）　、放電路の断面積を
Ｓ　（ｃｍ２）とした場合、０．０６Ａ／ｃｍ２〜１．
ＯＡ／ｃｍ２が限界である。

この理由は定かではないが、以下のことが考えられる。

すなわち、放電路に流れる電流を増加した場合、蒸発し
ている水銀原子が電離される割合が増加し、これに対し
て励起される水銀原子の量が少なくなってしまい、紫外
線放射効率が低下すると推測される。励起される水銀原
子量を補うためには水銀蒸気圧を増加する必要があるが
、低圧水銀放電灯では水銀蒸気圧の最適な領域があり、
水銀蒸気圧を増加した場合はこの最適範囲を越えてしま
うので水銀蒸気圧を増加する手段を採用するのは困難で
ある。

一方、従来の点灯回路装置は、チョークコイル安定器な
どのようなりアクドル素子を用いて商用電源を適当に昇
降圧するようになっており、ランプには正弦波の電流が
供給されていた。しかし、このような正弦波電流の場合
は放電路に実効値の約Ｊ２倍のピーク電流が流れるよう
になり、このピーク電流が上記したように蒸発している
水銀原子を電離させ、よって励起される水銀原子量を少
なくする原因と考えられる。

本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、高電流
密度で低圧水銀放電灯を点灯させるようにして紫外線放
射効率の向上を可能とした紫外線照射装置を提供しよう
とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、点灯回路装置は放電灯に対して半サイクル毎
に平坦な、矩形または台形等の電流波形を供給する手段
を有し、上記半サイクルに流れる最大電流をＩ（Ａ）、
上記発光管の放電路の断面積をＳ（ｃｍ２）とした場合
、１．５≦Ｉ／Ｓ（Ａ／ｃｍ２）≦６．０としたことを
特徴とする。

（作　用） 本発明者等は、発光管の放電路に流れる電流の電流波形
を半サイクルにおいて極力平坦な波形にすることにより
、電流を増加しても紫外線放射効率がさほど低下しない
効果があることを尽き止めた。

この理由は定かではないが、先に述べたような理由か推
測される。

すなわち、放電路に流れる電流を増加した場合、蒸発し
ている水銀原子の電離される割合が増加し、これに反し
て励起される水銀原子の量が少なくなってしまい、紫外
線放射効率が低下すると考えられる。励起される水銀原
子量を補うため水銀蒸気圧を増加する必要があるが、水
銀蒸気圧は低圧水銀放電灯で最適な領域があり、この最
適範囲を越えてしまうので水銀蒸気圧を増加するのには
限界がある。また、従来の点灯回路装置は、チョークコ
イル安定器などのようなりアクドル素子を用いて商用電
源を適当に昇降圧制御するようにしており、ランプには
正弦波の電流が供給されていたから、実効値の約７２倍
のピーク電流が流れるようになり、このピーク電流が上
記したように蒸発している水銀原子を電離させ、これに
反して励起される水銀原子量を少なくする原因と考えら
れる。

したがって、本発明においては、点灯回路装置から放電
灯に供給される電流を半サイクル毎に平坦な矩形または
台形の電流波形とし、これによって上記不具合を解消で
きたものと考えた。

さらにこのような効果は、本発明者等の実験、研究の結
果、半サイクルに流れる最大電流をＩ（Ａ）、上記発光
管の放電路の断面積をＳ（ｃｍ２）とした場合、 １、　５　≦　Ｉ　　／　Ｓ　　（Ａ／ｃｍ２　）　　
≦６．０の範囲で有効であることが判明した。

つまり、Ｉ／Ｓが１．　５　（Ａ／ｃｍ２）未満である
と、従来の低出力タイプのランプと同等レベルの紫外線
放射効率となってしまい、またＩ／Ｓが６、　０　（Ａ
／ｃｍ２）を越えると、紫外線放射効率は最大レベルで
飽和状態となり、高電流を流す意味がなくなり、むしろ
損失電流が発生する。

（実施例） 以下本発明について、図面に示す一実施例にもとづき説
明する。

図において１は低圧水銀放電灯であり、この放電灯１は
内径２４ＩＩＩＩＩｌのＵ字形に屈曲された石英ガラス
からなる発光管２を備えている。

発光管２の端部にはそれぞれ陽極３と陰極４が封装され
ており、各陽極３は陰極４よりも放電空間の前方に配置
されている。なお、陽極３は円形コイルまたは円筒ある
いは環状板により形成されている。

この発光管２には、例えば２０Ｂの水銀と、０．０５〜
０　、８　ｔｏｒｒのアルゴンガスが封入されている。

なお、５はＵ字形をなす発光管１の直線部間に介挿され
た補強部材である。

この低圧水銀放電灯１は、点灯回路装置１０を介して交
流電源１１に接続されている。点灯回路装置１０は整流
平滑回路１２、パワーＦＥＴ　（電界効果トランジスタ
）を含む矩形波インバータ回路１３を備えている。なお
、矩形波インバータ回路１３には、周波数調整用および
電流調整用の可変抵抗器１４．１５が設けられている。

このような点灯回路装置１０は、第２図に示す矩形波の
電流を放電灯１に供給する。

交流電源１１は、たとえば２００Ｖの商用電源であり、
この電源１１には上記整流平滑回路１２、矩形波インバ
ータ回路１３の外に、ヒータトランス１６．１６が接続
されている。

ヒータトランス１６．１６はそれぞれ陰極４．４に接続
され、したがってこれら陰極４．４は常に発熱して熱電
子を放出する熱陰極となっている なお、図示を省略したが、上記矩形波インバータ回路手
段には始動回路が組込まれており、この始動回路は始動
時に電源電圧に３００ｖ波高値の全波整流電圧を重畳し
て電極に印加するようになっている。そして、この始動
回路はランプ始動後にはランプの両極間の電圧低下を検
出して図示しないリレーを働かせることにより、矩形波
インバータ回路から電気的に切離されるようになってい
る。。

このような実施例における低圧水銀放電灯は定格人力５
００Ｗ、出力を高めるために放電電流が１５アンペアと
なるようにして点灯されるようになっており、半サイク
ルに流れる最大電流をＩ　（Ａ）　　上記発光管の放電
路の断面積を５（ｃａｂ２）とした場合、 １．５≦Ｉ　／　Ｓ　（Ａ／ｃｍ２）≦６．０の範囲、
本実施例では３．　３　（Ａ／ｃｍ２）となっている。

このような紫外線照射装置の作用および数値的限定の理
由について説明する。

ランプ１を点灯回路装置１０を通じて電源１１に接続し
て点灯させた場合、陰極４．４はヒータトランス１６．
１６を介して交流電源１１に接続されているので、これ
ら陰極４．４が常に発熱して熱電子を放出し、熱陰極と
なっている。

そして、整流平滑回路１２および矩形波インバータ回路
１３の作用により、電源の正弦波は、第２図に示される
矩形波に変換され、この矩形波は周波数調整用および電
流調整用の可変抵抗器１４．１５により調整されて各陽
極３および陰極４間に与えられる。

このため、低圧水銀放電灯１は、一端側の陽極３と他端
側の陰極４との間に矩形波の半波整流電流が流され、こ
れらの間で放電が生じ、次に一端側の陰極４と他端側の
陽極３との間に逆の矩形波の半波整流電流が流され、こ
れらの間で放電が発生する。このように極性の反転毎に
各陽極３と陰極４が交互に放電を繰り返して点灯を継続
する。

このような放電により水銀主体の蒸気が低圧状態で励起
され、このため水銀の共鳴線１８５ｎｍおよび２５４　
ｒ＋ｍを始めとする短波長紫外線領域の光を放射するも
のである。

このような紫外線照射装置においては、電流波形を第２
図に示すように、平坦な矩形波形としであるから、従来
のようなりアクドル素子を備えた点灯装置でランプを点
灯させる場合のような正弦波の電流が供給されなくなり
、よって正弦波による実効値の約７２倍のピーク電流か
流れるのが防止される。このため蒸発水銀原子の電離を
低減させ、励起水銀原子量を多く確保すると考えられる
。

また、紫外線放射効率を増すため電流密度を増した場合
、半サイクルに流れる最大電流をＩ　　（Ａ）　　上記
発光管の放電路の断面積をＳ（ｃｍ２）とすると、 １．５≦ｌ／Ｓ（Ａ／ｃＩＩ１２）≦６．　０の範囲で
有効であることが判明した。

つまり、上記数値的限定の値は本発明者らの実験により
得られたものである。

すなわち、第３図には、電流密度（Ａ／ａｍ２）と波長
２５４　ｎｌ１１の紫外線放射強度との関係を調べた特
性図を示しである。

同図においてＡはリアクトル素子を有する従来の点灯回
路装置を用いた場合で、Ｂ、ＣおよびＤは上記実施例の
矩形波インバータ回路を用いた場合の特性である。なお
、Ｂ、ＣおよびＤは矩形波の周波数を変えた場合の特性
であり、周波数の変化には影響されないことを示してい
る。

上記第３図から、Ｉ／Ｓは１．５〜６，０（Ａ／ｃ■２
）であれば良い結果を得ることが確認される。

Ｉ／Ｓが１．　５　（Ａ／ｃｍ２）未満であれば、従来
の低出力タイプのランプの紫外線放射強度と差が無く、
またＩ／Ｓが６．０　（Ａ／ｃｍ２）を越えると紫外線
放射強度はピークに達して飽和状態に達し、いくらＩ／
Ｓを大きくしても電流の無駄となり、紫外線放射効率の
低下を生じるものである。

なお、他の定格入力のランプでも、同様な電流密度に設
定すれば初期の目的を達成できることを確認している。

また、本発明は上記実施例に制約されるものではない。

すなわち、上記実施例では、発光管の両端部にそれぞれ
陽極と陰極を封装し、一端側の陽極と他端側の陰極との
間、および一端側の陰極と他端側の陽極との間で交互に
放電させるようにした低圧放電灯について説明したが、
本発明はこれに限らず、例えば通常の放電灯のように一
端に陰極、他端に陽極を配置した放電灯であっても適用
可能である。

また。発光管２の形状をＵ字形にしたが、直管形やＷ字
形などの屈曲形状にしてもよい。

さらに、電流波形は台形波形であってもよい。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によると、電流波形を平坦な
波形としたので、不所望なピーク値が供給されず、この
ため蒸発水銀原子の電離を低減させ、励起水銀原子量を
多く確保することができ、また電流密度を高くすること
ができ紫外線照射効率が上昇する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は低圧水銀放電
灯および点灯回路装置を示す構成図、第２図はランプに
付与する電流を示す矩形波の波形図、第３図は特性図で
ある。 １・・・低圧水銀放電灯、２・・・発光管、３・・・陽
極、４・・・陰極、１０・・点灯回路装置、１１・・・
電源、１２・・・整流平滑回路、１３・・・矩形波イン
バータ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水銀および希ガスを封入した発光管の両端部にそれぞれ
   電極を封装した低圧放電灯と、この放電灯を点灯させる
   点灯回路装置とを備えた紫外線照射装置において、 上記点灯回路装置は放電灯に対して半サイクル毎に平坦
   な電流波形を供給する手段を有し、上記半サイクルに流
   れる最大電流をＩ（Ａ）、上記発光管の放電路の断面積
   をＳ（ｃｍ＾２）とした場合、１．５≦Ｉ／Ｓ（Ａ／ｃ
   ｍ＾２）≦６．０ としたことを特徴とする紫外線照射装置。