JPH0696610A - 紫外線放射光源および紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】簡単な構成により高出力高密度化を図っても紫
外線出力特性が優れ、長寿命化が図れ、しかも、冷却に
かかわる部品の共用化が行える大出力紫外線照射装置を
提供する。 【構成】本発明の装置は、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
２と、放電空間の両端にそれぞれ設けられ放電空間に放
電を形成する電極と、放電空間の両端にそれぞれ設けら
れ、各電極を収容した発光部２とに連続した偏平状の電
極収容部２９とを備えた紫外線放射光源であり、なお、
発光部２は直管でも屈曲管でもよい。光源１の電極収容
部２９の平面に接する平面部を持つ冷却手段２６を有
し、光源１の少なくとも発光部２を箱体内に収容した装
置である。

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１０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１０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。

【００１５】一方、一般に低圧水銀放電灯はおよそ４０
度ないし５０度の温度範囲で点灯すると発光効率が良
い。しかしながら、高出力化を狙うとどうしても電極が
過度に熱してしまい、電極の寿命を短くしてしまう。ま
た、放電灯自体が高温化して、最冷部温度を上記温度範
囲に維持できない。従って、放電灯の電極収容部がたと
えば４０度の最冷部となるように冷却手段により温度制
御することが考えられるが、このような高出力の低圧水
銀放電灯で吸熱効率を上げるためには、管に対して大面
積で接する熱吸収面が必要となるが、管断面が円である
ため放電灯の外表面に沿った形状の熱吸収面を必要とす
る。放電灯の外表面に沿った形状の熱吸収面を得ようと
すると、たとえば金属からなる冷却ブロックを放電灯の
外表面に沿った形状に切り欠かなければならず、しかも
放電管径の異なる放電灯同士での共用はできず非常に不
便である。

【００１６】

【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、簡単な構成
により高出力化高密度化を図っても紫外線出力特性が優
れ、長寿命化が図れ、しかも，冷却にかかわる部品の共
用化が行える大出力紫外線照射装置を提供することであ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１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
を収容した発光部とに連続した偏平状の電極収容部と、
を備えた紫外線放射光源である。なお、発光部は直管
でもｗ字状の屈曲管でもよい。請求項２の発明は、上記
光源の電極収容部の平面に接する平面部を持つ冷却手段
を具備した装置であり、請求項３の発明は、上記光源お
よび冷却手段を有し、上記光源の少なくとも発光部を箱
体内に収容した装置である。

【００１８】

【作用】請求項１および３の発明の構成によれば、ま
ず、光出力を考えると、偏平面に垂直な方向には紫外線
出力が多く、それ以外の方向には偏平面に垂直な方向と
比較して格段に紫外線出力が少なくなる。この理由は、
偏平面に垂直な方向の管の幅は狭いので水銀による紫外
線の吸収が少なくその結果、紫外線出力が多くなるから
と考えられる。

【００１９】また、電極収容部も偏平形状となっている
ので、発光部の両端を延ばして電極収容部とすればよい
ので構成が簡単となり、電極収容部の平面に対して接す
る平面を持つ簡単な構成の冷却手段によって効率よく電
極収容部を冷却し得、最冷部を適正な温度にコントロー
ルできると共に、電極自体の温度上昇をおさえられる。

【００２０】その結果、高密度化に対応でき紫外線出力
の多いしかも長寿命の照射装置を提供できる。また、本
発明の光源を冷却する場合は平面を持つ簡単な構成の冷
却手段でよいため、本発明の光源であれば冷却手段の共
用化ができる。

【００２１】

【実施例】以下本発明について、図１ないし図７に示す
一実施例にもとづき説明する。

【００２２】図２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、陽極
及び陰極の収納部29も同じく長軸長さ３０mm，短軸長さ
１５mmのほぼ長方形状に偏平化されてた合成石英ガラス
管からなる。

【００２３】発光管中、陽極，陰極が収納される電極収
容部29の長さは両端夫々１００〜３００mm程度の空間を
設定してある。

【００２４】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。

【００２５】陽極４は偏平形の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
を長径２５mm，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。

【００２６】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。

【００２７】このような陽極及び陰極は、本例では上記
電極収容部29に収納されている。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。

【００２８】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。

【００２９】この低圧水銀放電灯１は、図７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。

【００３０】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。

【００３１】ヒ―タトランス16，16はそれぞれ陰極５，
５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。

【００３２】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は、反射体22、係止部23、放電
灯、ランプ押え24、ランプ保持具25、ヒートブロック2
6、ヒートパイプ27、フィン28、ファン40、端子台30を
収納している。

【００３３】筐体21は側面周囲にネジ穴31を形成した取
付フランジ32、下面に投光開口33を有し、投光開口33の
一端側に係止部23、他端側は段部34を形成し、段部34か
ら筐体21の他端側に下面開口カバー35を配設して収容ス
ペース36を形成している。この収容スペース36内には一
端側に例えば２個の挿通穴37を形成したヒートブロック
26が収容され、この挿通穴37に複数枚のフィン28を取り
付けたヒートパイプ27を挿通している。

【００３４】ヒートブロック26の上面には、上記放電灯
１の電極収容部29が置かれ、放電灯１は略コ字状のラン
プ保持具25によって上面が平面部となるヒートブロック
26に固着されている。またフィン28の上に例えば網板38
を配設し、この網板38には、（モータ図示せず）軸流式
のフアン40が設けられファン40上方向には排気部69を形
成している。さらに、網板38には放電灯１の給電リード
線６を接続する端子台30を設けている。上記収容スペー
ス36は冷却手段であるヒートブロック26、電極収容部29
側とファン40、フィン28側とを区画板41によって仕切ら
れ空間的に分離されている。

【００３５】上記放電灯とのヒートブロック26との接触
点の温度センサー201で検出し、温度センサー201に接続
されたファン制御部202により検出温度が例えば４５度
よりも低い場合は、ファン40の駆動を低め、検出温度が
例えば４５度よりも高い場合は、ファン40の駆動を高め
温度センサー201の位置である最冷部が４５度に常にな
るようにフィードバック制御している。本実施例では電
極収容部とヒートブロックとの接触面積が大きいのでフ
ァン40の動作に応じて即座に電極収容部温度が変化する
ので応答性が良い。

【００３６】反射体22は、アルミ板を下面開口した直方
体形状に形成したもので筐体21内部上面に取り付けら
れ、筐体21内部上面側に第１反射部を成す平反射面41を
有し、筐体21内部側部に第２反射部42を形成してなる。

【００３７】放電灯１は先端の屈曲部を係止部23によっ
て支持され、電極収容部29側をランプ押え24によって支
持されている。

【００３８】43は、箱体であり、内部を主として処理部
44、電源部45、冷却部46と垂直仕切り板47、水平仕切り
板48にて区画して基本的に各部間の気体の流通を遮断し
ている。箱体43内には、上記筐体21、筐体21を筐体21の
フランジ32のネジ穴31により固着するスプリング51を有
した昇降スタッド52、被照射物配設部53、送風機54、上
記リ―ド線６に電源を供給するための上述した回路を内
蔵した電源回路部55が収容されている。

【００３９】電源部45について述べる。電源部45前面に
は、放電灯１の点灯制御、冷却制御、被照射物配設部53
の移動制御に関する各種スイッチ、表示部が設けられた
操作パネル56が設けられ、操作パネル右横の面は、送風
機54の空気取入れフィルタ57、冷却空気取入れ口58が設
けられ、電源回路等の点検、部品交換のため取り外し可
能となっている。水平仕切り板48には処理部44への空気
吹き出し口59、冷却部46への流通部61が形成され、それ
ぞれダクト62,63により送風機54、冷却空気取入れ口58
に接続されている。

【００４０】次に、冷却部46について述べる。冷却部46
の上面には空気排出口64が設けられ、筐体21のファン40
によって冷却空気取入れ口58から取り入れた空気によっ
てフィン28を冷却したのち、箱体43外に排出される。上
記昇降スタッツド52は、高さ調整することで筐体21を所
定位置に定めることができる。

【００４１】最後に、処理部44について述べる。処理部
44内には、筐体21の放電灯１発光部２側が収納され、処
理部44前面には引出し71を出し入れするための開口72が
設けられ、引出し71には前面に取っ手73、処理部44内に
収容される部分がたとえばプレート状の被照射物配設部
53となっており、被照射物配設部53の挿入方向の両側面
にはローラ74が設けられ、処理部44内に取り付けられた
一対のアーム75の先端部のガイド76上を摺動するよう構
成されている。被照射物配設部53は、放電灯１の発光部
２の偏平面に平行にたとえば平板状の液晶パネル99等有
機物除去を目的とする被照射物が配設できるように形成
されている。なお、被照射物配設部としては、固定型の
物の他、コンベアなど搬送型のものでもよい。処理部44
上面には、オゾン排出口77が形成され、吹き出し口59か
ら処理部44に送り込まれた空気が紫外線処理後排気化し
たものが排出される。

【００４２】なお、図７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。

【００４３】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８にラン
プに付与する矩形波電流の波形図を示す。

【００４４】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。

【００４５】図９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。

【００４６】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。

【００４７】図９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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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、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。

【００５１】尚、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。

【００５２】

【効果】請求項１および３の発明の構成によれば、ま
ず、光出力を考えると、偏平面に垂直な方向には紫外線
出力が多く、それ以外の方向には偏平面に垂直な方向と
比較して格段に紫外線出力が少なくなる。この理由は、
偏平面に垂直な方向の管の幅は狭いので水銀による紫外
線の吸収が少なくその結果、紫外線出力が多くなるから
と考えられる。

【００５３】また、電極収容部も偏平形状となっている
ので、まず、発光部の両端を延ばして電極収容部とすれ
ばよいので構成が簡単となる。しかし、電極収容部も偏
平形状となっているので、電極の形状を小型化にすると
電極の温度条件が厳しく放電灯の短寿命化の傾向となる
が、電極収容部の平面に対して接する平面を持つ簡単な
構成の冷却手段によって従来に比べて容易に効率よく電
極収容部を冷却し得、最冷部を適正な温度にコントロー
ルできると共に、電極自体の温度上昇をおさえられ短寿
命化が抑えられる。

【００５４】その結果、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 以上の高密度化に対応でき紫外線
出力の多いしかも長寿命の照射装置を提供できる。ま
た、本発明の光源を冷却する場合は平面を持つ簡単な構
成の冷却手段でよいため、本発明の光源であれば冷却手
段の共用化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第４図をＡーＡに沿って示す断面図

【図２】 請求項１および２の発明の一実施例を示
し、低圧水銀放電灯を示す平面

【図３】 請求項１および２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４】 請求項１ないし２の発明の一実施例を示
し、照射装置を一部透視して示す低面図

【図５】 第１図をＢーＢに沿って示す断面図

【図６】 請求項１ないし２の発明の一実施例を示
し、箱体からなる照射装置を一部切欠いて示す一部透視
図

【図７】 請求項１および２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８】 ランプに付与する電流を示す矩形波の波形
図

【図９】 本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１０】 従来の低圧水銀紫外線放電灯を示す構成図
である。

【符号の説明】

１…光源， ２…発光部， ４…コイル形陽極，５…
陰極， 26…冷却手段，29…電極収容部，43…箱体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電空間を形成し、一対の平面を形成する
   ように放電方向に対して垂直な放電空間断面の大部分が
   偏平状となった発光部と；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；内部
   空間断面が発光部放電空間断面と同形状となるように前
   記発光部の両端から延出して形成され、上記発光部の平
   面と連続する一対の平面を有し、前記各電極を収容した
   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、一対の平面を形成する
   ように放電方向に対して垂直な放電空間断面の大部分が
   偏平状となった発光部と；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；内部
   空間断面が発光部放電空間断面と同形状となるように前
   記発光部の両端から延出して形成され、上記発光部の平
   面と連続する一対の平面を有し、前記各電極を収容した
   電極収容部と；を備えた紫外線放射光源と、 平面部を有し、この平面部が上記電極収容部の平面に接
   して設けられ上記紫外線放射光源を冷却する冷却手段
   と、 を具備したことを特徴とする紫外線照射装置。
3. 【請求項３】箱体と、 放電空間を形成し、一対の平面を形成するように放電方
   向に対して垂直な放電空間断面の大部分が偏平状となっ
   た発光部と；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；内部空間断面が発
   光部放電空間断面と同形状となるように前記発光部の両
   端から延出して形成され、上記発光部の平面と連続する
   一対の平面を有し、前記各電極を収容した電極収容部
   と；を備え、少なくとも発光部が上記箱体に収納される
   紫外線放射光源と、 平面部を有し、この平面部が上記電極収容部の平面に接
   して設けられ上記紫外線放射光源を冷却する冷却手段
   と、 を具備したことを特徴とする紫外線照射装置。