JPH0589836A - 紫外線放射光源、点灯装置および紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高出力化高密度化を図っても紫外線出力特性寿
命特性の優れた大出力紫外線放射光源並びに照射装置を
提供すること 【構成】放電空間を形成し、放電方向に対して垂直な放
電空間断面の大部分が偏平状の発光部と、前記放電空間
の両端にそれぞれ設けられ、放電用の電極を収容し、前
記電極から前記放電空間に放電が至る途中に形成される
壁部ないしは発光部に対して８０度以上の角度にて傾斜
する屈曲部を有した電極収容部と、を有したことを特徴
とする紫外線放射光源および照射装置。 【効果】高電流密度にもかかわらず、電極の飛散を抑制
し、かつ、飛散物の発光管放電空間への付着を抑えるこ
とができ、寿命中の紫外線維持率の高い光源並びに照射
装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば光化学反応用
の紫外線光源及び照射装置に関する。

【０００２】

【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ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition）法によるＳｉ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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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を含む希ガスを封入し、この水
銀主体の上記希ガスを低圧状態で放電させて水銀の共鳴
線２５４nmのおよび１８５nmを始め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。

【０００６】ところが、最近において益々低圧水銀放電
灯の光出力向上が求められるようになり、超高出力タイ
プのランプの実用化が試みられつつある。

【０００７】超高出力タイプのランプとして、図７に示
すように、円筒状の石英ガラス製の発光管の両端部にそ
れぞれ陽極と陰極を別個に設け、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ランプ１を本発明者
らは開発した。このようにそれぞれ陽極と陰極を互いに
別個に設けると、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し、これ
ら電極の損失を低減でき、つまり電極効率を高めること
ができるので、発光効率を向上させることができる利点
がある。

【０００８】図において２は、紫外線透過率の高い石英
ガラスからなる発光管であり、この発光管２の両端部は
ステム３，３（一方のみ図示する）が封止させている。
これらステム３，３にはそれぞれ陽極４と陰極５が封装
されている。陽極４は、タングステンＷなどからなる円
板形をなし、この陽極４の背部にタングステンのコイル
フィラメントからなる陰極５を配置してある。陰極５の
放電空間側前方に円板形の陽極４を配置するのは、陽極
４に突入する高速電子から陰極５を保護しようとするた
めである。

【０００９】なお、６はリ―ド線である。

【００１０】この発光管２には、所定量の水銀またはア
マルガムと、始動用のアルゴンガスが封入されている。

【００１１】このような低圧水銀紫外線放電灯は交流電
源に接続され、一端側の陽極４と他端側の陰極５との間
に半波電流成分を流してこれらの間で放電させ、次に一
端側の陰極５と他端側の陽極４との間に逆半波電流成分
を流してこれらの間で放電させ、このように交互に放電
を繰り返して点灯を継続する。

【００１２】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、この結果水銀の共鳴線２５４nmや１
８５nmを始めとする短波長紫外線領域の光を放射する。

【００１３】このような構造とすることにより例えばア
―ク入力５Ｗ／cm，発光部内径２４mm（断面積約４．５
cm2 ）放電電流７Ａ（電流密度約１．６Ａ／cm2 ）の５
００Ｗの紫外線放射光源が可能となった。

【００１４】しかしながら、産業界では更に高い高出力
化高密度化が望まれており、発明者らはこれに対し種々
検討を行った結果、従来の図７に示す円筒状の発光管構
造では入力を上げていくにつれ水銀ラインの自己吸収が
顕著になり、過度に入力を増すとかえって紫外線出力が
低下することが判明し、入力密度に限界があることがわ
かった。更に、電極の蒸発が促進され、発光管黒化によ
る寿命中における紫外線維持率の悪化を招き、寿命時間
も大幅に短くなることがわかった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
背景を鑑みて成されたもので、その目的は、より高出力
化高密度化を図っても寿命特性の優れた大出力紫外線放
射光源並びに照射装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１、２の発明は、
放電空間を形成し、放電方向に対して垂直な放電空間断
面の大部分が偏平状の発光部と、前記放電空間の両端に
それぞれ設けられ、放電用の電極を収容し、前記電極か
ら前記放電空間に放電が至る途中に形成される壁部ない
し発光部に対して８０度以上の角度で傾斜する屈曲部を
有した電極収容部と、で構成されることを特徴とする紫
外線放射光源である。

【００１７】請求項３の発明は、上記発光部の偏平面が
同一平面上となる位置関係に上記発光部をＵ字状に形成
し、上記電極収納部に収容した電極を放電方向に対して
垂直な放電空間断面の中心よりも他の電極収容部側に配
置したことを特徴とする紫外線放射光源である。

【００１８】請求項４の発明は、放電空間を形成する発
光部と、前記放電空間の両端にそれぞれ設けられ上記放
電空間に放電を形成する電極と、 前記放電空間の両端
にそれぞれ設けられ、前記各電極を収容する電極収容部
と、を具備し、上記電極収容部には、発光部に対して８
０度以上の角度で傾斜した屈曲部を有したことを特徴と
する紫外線放射光源、この光源を０．５A/cm2以上の出
力で点灯させる点灯回路からなる点灯装置である。

【００１９】請求項５の発明は、上記請求項１および２
の紫外線放射光源を放電空間の偏平部の長軸を含む面に
ほぼ平行に載置台を設定し、光源からの紫外線を載置台
上の被照射面に照射することを特徴とする照射装置であ
る。

【００２０】請求項６の発明は、上記請求項３の紫外線
放射光源の発光部に対向させて載置台を設定し、光源か
らの紫外線を載置台上の被照射面に照射することを特徴
とする照射装置である。

【００２１】

【作用】請求項１、２、３および５の発明の構成によれ
ば、従来の円筒形発光管において１．６〜３Ａ／cm2 の
高密度化が限界であったものが、それ以上の８Ａ／cm2
程度までの高密度化に対し紫外線出力がアップする。ま
た、請求項１ないし５の発明の構成によれば、壁部ある
いは屈曲部によって電極の飛散すなわち例えばタングス
テン飛散が上記放電空間に至るのを抑制し、その結果、
飛散物の発光管放電空間への付着を抑えることができ、
高出力でありながら寿命中の紫外線維持率の高い光源お
よび照射装置を提供できる。

【００２２】さらに、請求項３および５の本発明の構成
によれば、上記作用に加え、発光部をＵ字状に形成した
ために必ず生じる発光部間の隙間によせて、放電が形成
されるので、発光部全体の配光を見た場合、上記隙間に
対応する部分の落ち込みが少なくでき、均一な配光の光
源および照射装置を提供できる。

【００２３】

【実施例】以下、請求項１、２、３、５の本発明につい
て、図１ないし図６に示す一実施例にもとづき説明す
る。

【００２４】図１において１は光源となる低圧水銀放電
灯であり、本実施例の放電灯１は、石英ガラスよりなる
Ｕ字形に屈曲された発光部となる発光管２を備えてお
り、この発光管２は本例では、放電空間は長軸長さ３０
mm，短軸長さ１５mmのほぼ長方形状に偏平化され、一
方、陽極及び陰極の収納部は内径２４mmの円筒状とした
合成石英ガラス管からなる。

【００２５】長方形状に偏平化された部分の長さはア―
ク長の８０％以上で、中央で屈曲されており、陽極，陰
極が収納される円筒部の長さは両端夫々１００〜３００
mm程度の空間を設定してある。

【００２６】発光管２の端部は図１に示す円筒状構造を
なしており、３はステム，４，５は電極でありそれぞれ
陽極，陰極である。６はリ―ド線である。

【００２７】陽極４は円形の２層コイルにより形成され
ており、たとえば線径１．２mmのタングステンワイヤを
外径２０mm，巻数８タ―ンの密着巻した１層目コイルに
形成し、この外に巻数３タ―ンの２層目コイルを巻戻し
形成してある。

【００２８】また、陰極５はフィラメント軸がほぼバル
ブ軸上より中央よりに配置されており、この陰極５は陽
極４の前端部よりも放電空間側に突出することがないよ
うに配置されている。

【００２９】このような陽極及び陰極は、本例では直径
２４mmの円筒状の電極収容部29に収納され、陽極の先端
より１０mm離れた所より先の放電空間部分が偏平状に成
形されている。 そして、上記コイル形陽極４は、陰
極５に接続された一方のリ―ド線６に接続されているも
のである。

【００３０】この発光管２には、例えば５０mgの水銀
と、１３〜２６７（Ｐａ）のアルゴンガスが封入されて
いる。なお、７はＵ字形をなす発光管１の直線部分に介
挿された補強部材である。

【００３１】この低圧水銀放電灯１は、図３に示すよう
に、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―ＦＥＴ
（電界効果トランジスタ）を含む矩形波インバ―タ回路
13を備えている。なお、パワ―ＦＥＴ13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。

【００３２】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―タ回路の外に、ヒ―タトランス16，16が接続さ
れている。

【００３３】ヒ―タトランス16，16はそれぞれ陰極５，
５にに接続され、したがってこれら陰極５，５は常に発
熱して熱電子を放出する熱陰極となっている。

【００３４】図６は、上記放電灯１を装置として組込ん
だ図を示し、図において、21は、放電灯１を収容する下
面開放の筐体で、筐体21の内部上面には、図示しない
が、反射板と放電灯１を固定する保持具22を配設してい
る。23は、筐体21を配置する基台であり、放電灯１の発
光部２の偏平面に平行に被照射物25が配設できるよう
に、載置台24を形成しており、内部には、図示しない
が、上記リ―ド線６に電源を供給するための上述した回
路が収納されている。

【００３５】なお、図３では図示を省略したが、上記矩
形波インバ―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―を働か
せて矩形波インバ―タ回路から電気的に切離されるよう
になっている。

【００３６】このような実施例における低圧水銀放電灯
１は、定格入力８００Ｗ，放電電流９．４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、図４にラン
プに付与する矩形波電流の波形図を示す。

【００３７】このように構成された本例による光源と、
従来構造の図７に代表される紫外線放射光源の高出力化
の際の違いを説明する。

【００３８】図５に放電電流の電流密度を両者アップし
ていった時の紫外線（２５４nm）の出力を従来光源の７
Ａ時の紫外線出力を１００とした時の相対強度で表わし
ている。

【００３９】本発明による光源は放電空間部の偏平部の
長軸を含む面を水平にし、その沿道線上で、従来光源と
同一距離離れた灯の２５４nmの強度を測定している。

【００４０】図５から明らかなように従来技術では約
２．０Ａ／cm2 以上の電流密度を超えると紫外線出力は
低下するのに対し、本発明によるランプは８Ａ／cm2 ま
で低下をみないで上昇する。

【００４１】具体的には、従来構造光源の７Ａ時の値に
対し、２０Ａまでアップさせた場合、従来光源は約６０
％に低下してしまうのに対し、本発明では約２００％の
紫外線出力を得ることができた。

【００４２】この違いについては、推定ではあるが、以
下のことが考えられる。円筒状の発光管では放電の形状
は円柱状であり電流密度が上昇するにつれ、Ｈｇライン
の自己吸収が増加し、電流密度をアップさせると、逆に
紫外線特に短波長の出力が低下していくのに対し、本例
のように放電の形状を偏平形状にすることにより、短軸
側の水銀蒸気層が薄くなるので、水銀による紫外線の自
己吸収が抑えられ、電流密度を上昇させても紫外線低下
が抑えられ、入力増に伴って紫外線出力は増加するので
はないかと考えられる。

【００４３】次に、紫外線（２５４nm）の寿命中の維持
率について述べる。

【００４４】本発明では前述したように陽極及び陰極の
電極収納部の内径又は短軸長さを偏平形状の放電空間の
短軸より大きく設定して、壁部30を形成している。従っ
て、電流密度を上昇させても、電極の飛散物例えばタン
グステンは、ほとんど電力収納部内の壁部30に付着し、
放電空間内の黒化が進行しにくく、実施例で示した８０
０Ｗのランプ２５４nmの維持率は３０００Ｈ経過後も７
５％以上と良好で、従来構造の電流密度が本ランプに比
し低い７Ａ，５００Ｗと比べても遜色なかった。この理
由として、電極から放電空間に至る経路中、電力収納部
内のうち壁部30が一番温度が低いので飛散物が付着しや
すいことが考えられる。また、電極から放電空間に放電
が至る経路中、電力収納部内のうち壁部30が障害となる
ので飛散物が付着しやすいことが考えられる。

【００４５】さらに、電極が発光部２の形成する隙間部
側に配置しているので、放電方向に垂直な放電断面の中
心が隙間部側よりとなり、隙間部に対応する被照射物に
照射される紫外線量は従来よりも増加し、被照射物全体
に対して均一な照射が可能となった。

【００４６】一方、従来構造で電流値を８００Ｗと同一
にしたランプは１０００Ｈで５０％以下の光束の低下し
ない率維持率であった。又、本発明に依らず、放電空間
も電極吸収部も同じ様に偏平形としたランプは陽極構造
も小形化又は偏平状に加工せざるを得ず、電極飛散の放
電空間部への付着もあり、維持率は１０００Ｈで５０％
を下廻った。

【００４７】本ランプを用いた紫外線照射装置は、図５
の測定でも述べたように、偏平部の長軸を含む面にほぼ
平行にワ―ク面を設定し、被照射物を置くか被照射物を
移動させた方が、最も紫外線出力が高く効果的であり、
加工幅も偏平状に加工された放電空間の長さ程度に設定
するのが最も紫外線出力も高く、かつ、寿命中の紫外線
変化が少ない領域である。

【００４８】以上述べたように本発明の光源及び照射装
置は高密度化に対しても紫外線出力を大幅にアップさせ
ることができると共に、寿命特性も優れており、紫外線
応用産業分野に望まれているコンパクトで高出力な紫外
線応用装置を可能にするものである。

【００４９】尚、本実施例においては、放電空間部のみ
偏平状に形成した場合について述べたが、電極収納部
は、放電空間部に比し短径の大きい偏平形状であっても
さしつかえなく、実施例で述べた形状のみに限定される
ものでない。

【００５０】次に、請求項４、６の発明について、図８
ないし図１０を用いて説明する。

【００５１】図８は、請求項４、６の発明に係る低圧水
銀蒸気放電灯の第１実施例の要部を示す概略図であり、
請求項１の実施例と同様の構成要素には同じ符号を付与
している。さて、図８に図示するように屈曲された断面
円形の発光管２の両端部には、ステム３が封着されてお
り、このステム３には、それぞれ陽極４，熱陰極５が支
持されている。各陽極４は熱陰極５よりも放電空間の前
方に配置されており、この陽極４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とともに、熱陰
極５はフィラメントコイルにより形成されている。

【００５２】この発光管２内部には、０．５〜１３Ｐａ
の水銀と１３〜２６７Ｐａのアルゴン等の希ガスを封入
してある。

【００５３】ここで、上記のように発光管２の両端部に
陽極４および陰極５を各々封装すれば、放電電流を増大
させた場合に、陰極５は小形にして放熱による損失を低
減でき、また一方、陽極４は大形にして放熱を促進する
ことができる。

【００５４】また上記発光管２は電極収容部と有効発光
部の間において９０°曲げて屈曲部300を形成してい
る。

【００５５】以上のように構成された低圧水銀蒸気放電
灯は、図示しないが、請求項１の実施例と出力が異なる
が同様の構成からなる点灯回路装置を介して交流電源に
接続され点灯し、請求項１の実施例と同様の構成の筐体
内に収容され紫外線照射装置を構成している。

【００５６】前記点灯回路装置は、たとえば商用電源を
低圧水銀蒸気放電灯に対して入力電力が５００Ｗを供給
するようになっており、これにより、低圧水銀蒸気放電
灯は放電中７Ａの放電電流が流れ、単位内表面積当りの
入力が０．５A/cm2以上となるように設定してあり、こ
の場合の発光管の管壁温度は、１００〜１５０℃に達す
るものである。

【００５７】ここで発明者らは上記屈曲部300を様々な
角度にして点灯時間に対する紫外線維持率を測定したと
ころ、上記屈曲部300が０°ないし４５°の発光管は紫
外線維持率が顕著に低下していくのに対し、８０°以
上、好ましくは９０°ないし１８０°の発光管は維持率
の低下がほとんどなかった。これらのことから、蒸発飛
散した電極のタングステンは発光管が８０°以上屈曲し
ていると、屈曲部300に付着し、それより先に進まない
ことがわかった。なお、屈曲部としては、図８のような
構成以外に、図９に示す発光部直管で管端部を屈曲した
もの（第２実施例）、図１０に示す図８と同様に発光部
を中央にてＵ字状に曲げ水平面内に放電灯が位置するよ
うに屈曲部を形成したもの（第３実施例）でもよいもの
である。

【００５８】さて、請求項２の発明の実施例としては、
特に述べなかったが、図８ないし１０の放電灯の発光部
を図１のように偏平形状とすれば容易に実施できるもの
である。

【００５９】

【効果】請求項１、２、３および５の構成によれば、従
来の円筒形発光管において１．６〜３Ａ／cm2 の高密度
化が限界であったものが、それ以上の８Ａ／cm2 程度ま
での高密度化に対し紫外線出力がアップし、また、請求
項１ないし６の構成によれば、電極の飛散を抑制し、か
つ、飛散物の発光管放電空間への付着を抑えることがで
き、寿命中の紫外線維持率の高い光源並びに照射装置を
提供できる。さらに、請求項３および５の構成によれ
ば、上記効果に加え、発光部をＵ字状に形成したために
必ず生じる発光部間の隙間によせて、放電が形成される
ので、発光部全体の配光を見た場合、上記隙間に対応す
る部分の落ち込みが少なくでき、均一な配光の光源およ
び照射装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１、３の発明の一実施例を示し、低
圧水銀放電灯を示す側面図

【図２】 請求項１、３の発明の一実施例を示し、低
圧水銀放電灯を示す平面図

【図３】 請求項１、３の発明の一実施例を示し、低
圧水銀放電灯およびその点灯回路を示す構成図

【図４】 ランプに付与する電流を示す矩形波の波形
図

【図５】 請求項１、３の発明と従来構造ランプの高
密度化の際の紫外線出力の差の違いを示す図

【図６】 請求項１、３、５の発明の一実施例を示
し、照射装置を示す概略図

【図７】 従来の低圧水銀紫外線放電灯を示す構成図
である。

【図８】 請求項４の発明の第１実施例を示し、低圧
水銀放電灯を示す側面図

【図９】 請求項４の発明の第２実施例を示し、低圧
水銀放電灯を示す平面図

【図１０】 請求項４の発明の第３実施例を示し、低圧
水銀放電灯を示す側面図

【符号の説明】

１…低圧水銀放電灯， ２…発光管， ３…ステム，
４…コイル形陽極，５…陰極， 10…点灯回路装置，
21…筐体， 25…載置台， 29…電極収容部，30…壁
部，300…屈曲部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｚ 7353−4Ｍ // Ｆ２１Ｓ 5/00 Ｔ 7913−3Ｋ Ｈ０１Ｌ 21/205 7454−4Ｍ (72)発明者 大島 進一 東京都港区三田１丁目４番28号 東芝ライ テツク株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電空間を形成し、放電方向に対して垂直
   な放電空間断面の大部分が偏平状の発光部と；前記放電
   空間の両端にそれぞれ設けられ上記放電空間に放電を形
   成する電極と前記放電空間の両端にそれぞれ設けられ、
   前記各電極を収容し、前記電極から前記放電空間に放電
   が至る途中に形成される壁部を有した電極収容部と；を
   具備したことを特徴とする紫外線放射光源。
2. 【請求項２】放電空間を形成し、放電方向に対して垂直
   な放電空間断面の大部分が偏平状の発光部と；前記放電
   空間の両端にそれぞれ設けられ上記放電空間に放電を形
   成する電極と前記放電空間の両端にそれぞれ設けられ、
   前記各電極を収容し、前記電極から前記放電空間に放電
   が至る途中に形成され上記発光部に対して８０度以上の
   角度で傾斜してなる屈曲部を有した電極収容部と；を具
   備したことを特徴とする紫外線放射光源。
3. 【請求項３】上記発光部の偏平面が同一平面上となる位
   置関係に上記発光部をＵ字状に形成し、上記電極収納部
   に収容した電極を放電方向に対して垂直な放電空間断面
   の中心よりも他の電極収容部側に配置したことを特徴と
   する請求項１および２記載の紫外線放射光源。
4. 【請求項４】 放電空間を形成する発光部と、 前記放電空間の両端にそれぞれ設けられ上記放電空間に
   放電を形成する電極と前記放電空間の両端にそれぞれ設
   けられ、前記各電極を収容し、前記電極から前記放電空
   間に放電が至る途中に形成され、上記発光部に対して８
   ０度以上の角度で傾斜してなる屈曲部を有した電極収容
   部と、を有した紫外線放射光源と；この紫外線放射光源
   を０．５A/cm2以上で点灯させる点灯回路と；からなる
   ことを特徴とする点灯装置。
5. 【請求項５】上記光源を収納する筐体と；上記光源の偏
   平面に平行となる位置関係に被照射物を載置する載置台
   と；を具備したことを特徴とする請求項１ないし３記載
   の光源を用いた紫外線照射装置。
6. 【請求項６】光源を収納する筐体と；光源の発光部と対
   向する位置関係に被照射物を載置する載置台と；を具備
   したことを特徴とする請求項４記載の点灯装置を用いた
   紫外線照射装置。