JP3198519B2 - 紫外線照射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線による光化学反
応用の光源等に使用される紫外線照射装置に関する。

【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（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ 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の製造関連分野
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、減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。

【０００３】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
紫外線放電灯は、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２５４nmおよび１８
５nm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。

【０００４】ところが、最近においてこの種放電灯の紫
外線出力の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。

【０００５】超高出力タイプのランプとして、特公昭６
３−４９３４０号公報に記載されているように、石英ガ
ラス製の発光管の両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。

【０００６】このようにそれぞれ陽極と陰極を互いに別
個に設けることにより、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、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。

【０００７】一方、出力を高めるためには放電電流を増
すことが考えられ、このため単位長さ当りの入力を増し
た場合は、例えば単位長当りの入力を０．４Ｗ／cm以上
としたランプでは、電子が管壁に衝突して管壁を負に帯
電させ、このため水銀イオンが管壁に吸引されて管壁内
に侵入し、管壁を灰色系に着色させるばかりでなく、高
出力の紫外線を長期に亘り吸収して石英ガラスが微細な
クラックを発生することがある。

【０００８】このようなマイクロクラックは、発光管材
料としての石英ガラスの引張強度を著しく低下させ、ガ
ラス肉厚にもよるが、数１０００時間で発光管が破損す
る場合がある。特に石英ガラスが黒化した場合には、紫
外線が外部に透過せずに多くの紫外線が石英ガラスに吸
収され、機械的強度の劣化が顕著になって破損し易くな
る。このように発光管が破損や破裂をすると、例えば水
処理や殺菌に使用した場合には有害な水銀が漏れ出し、
水や食料品を汚染する心配があり、またクリ−ンな雰囲
気が要求される光洗浄や光ＣＶＤ、レジストの光硬化お
よび光アッシングなどに用いている場合には洗浄系の汚
染や半導体ウエハ−などの破損を招き、甚大な被害をも
たらす虞もある。

【０００９】そこで、このようなランプ破損による被害
を未然に防止するため、ランプが寿命末期に至って破損
するよりも以前に、つまりマイクロクラックの成長が顕
著になるより前に、ランプを不点状態にすることが考え
られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような寿命末期に
おける不点制御をする技術として、一般照明用光源に供
される高圧ナトリウムランプにおいては従来より、消弧
性ガスを充填または真空雰囲気とした小容器にヒュ−ズ
を収容し、この小容器を発光管とともに外管に組み込ん
だ手段が適用されている。このものは、寿命の進行に伴
う放電電流が増大した時、上記ヒュ−ズがこの電流を検
出して点灯回路を遮断するようになっている。

【００１１】このような技術を上記紫外線照射装置の光
源として用いられる低圧水銀放電灯に適用した場合は、
この種の低圧水銀放電灯においては、寿命中に放電電流
が増大するという現象が少ないので上記ヒュ−ズの適用
は困難である。

【００１２】したがって、出力を増すために発光管の両
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
灯の場合、従来では、ランプが寿命末期に至って破損す
る以前に不点状態にすることができる最適な寿命制御手
段がなかったことである。

【００１３】本発明は上記の事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするのは、低圧水銀放電灯が寿命末期
に至って破損する以前に不点状態にすることができる紫
外線照射装置を提供しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、低圧水銀放電
灯を点灯させる点灯回路装置として、出力波形が矩形波
を上記放電灯に印加する手段を備えた点灯回路装置を用
い、上記放電灯のランプ電流をＩ（Ａ）、発光管の内径
をＤ（mm）とした場合、Ｉ／Ｄ≧０．０５であり、上記
点灯回路装置の無負荷２次電圧をＶ_A 、ランプ電圧をＶ
_Lとした場合、Ｖ_A ／Ｖ_L≦５の範囲に規制したことを特
徴とする。

【００１５】

【作用】本発明者等は、ランプの寿命末期における消灯
を制御するため鋭意、研究，検討，実験を進めた結果、
点灯時間の経過により電源電圧の低下に伴って立消えす
るランプの発生割合が次第に増加する現象に注目した。
すなわち、商用電源によりランプを点灯する場合は、極
性が反転する時ランプに電流が流れないごく短い休止期
間が発生するが、この休止期間中に電子や正イオンの相
当部分が再結合により消滅し、再び電流が流れた時には
電子のエネルギ−の大部分が電離により損失するので発
光管両端間の電圧降下が一時的に増大する現象がある。
この電圧降下が一時的に増大する分を再点弧電圧と称す
ることは知られており、この再点弧電圧が電源側から供
給される最大電圧、すなわち点灯回路装置側の無負荷２
次電圧を越えた場合、ランプは放電を維持することがで
きなくなり、いわゆる立消えを発生する。このような立
消えを生じるランプは点灯時間の経過に伴い発生割合が
次第に増加する。この原因は、石英ガラスや電極などの
ようなランプ構成部材が点灯中に緩慢なガス放出を行う
ことによりこのガスが放電空間内の電子を吸着する割合
が増し、また不純ガスの密度が漸増するためと考えられ
る。また、不純ガスの漸増は電極物質の飛散を促進さ
せ、バルブの黒化を生じる不具合もある。

【００１６】このようなことから、点灯回路装置の無負
荷２次電圧を充分低く設定しておけば、点灯時間の経過
に伴って再点弧電圧が高くなった場合にランプは放電を
維持することができなくなり、立消えを発生するため不
点状態になり、よって発光管の破損、破裂を未然に防止
することができるようになると考えられる。

【００１７】しかしながら、再点弧電圧は一般にばらつ
きが大きく、異常なレベルの再点弧電圧と、単なる偶然
現れる再点弧電圧のレベルとの判別がし難い。このた
め、従来のように単に商用電源を適当に昇降圧制御する
ようにしたチョ−クコイル安定器などのようなリアクト
ル素子を用いた点灯回路装置で、この点灯回路装置の無
負荷２次電圧を低く設定しておいて、再点弧電圧が高く
なった場合にランプを不点状態にすることは困難であ
る。

【００１８】この点についてさらに説明すると、紫外線
出力を増すためランプ電流を増して電流密度を高くした
この種のランプ、特に発光管の内径Ｄ（mm）に対しラン
プ電流Ｉ（Ａ）を大きくしてＩ／Ｄを０．０５以上とし
た低圧水銀放電灯は、従来から食品殺菌用光源などに多
用されてきた１５Ｗ程度の低出力の殺菌けい光ランプに
比べて単位長さ当りの紫外線出力が数倍以上になり、利
用範囲が極めて大きくなることが見込まれるが、このよ
うな大出力のランプは上記低出力のランプに比べて再点
弧電圧の上昇およびばらつきがきわめて大きい。

【００１９】この原因は、上記のように管径当りの電流
を増して単位長さ当りの紫外線出力を大きくした低圧水
銀放電灯は、上記殺菌けい光ランプに比べて希ガスの封
入圧力が小さく、１torr以下にしてあるから、このよう
な低圧雰囲気中においては水銀イオンや電子が速かに管
壁に拡散、再結合する。このため、供給電力の極性が反
転する時、残留荷電粒子が極端に不足し、次ぎに大電流
を流した場合は一挙に大量の水銀を電離しなければなら
ないので再点弧電圧は大幅に上昇する。

【００２０】また、ランプ構成部材や封入薬品には表面
に不純ガス成分が付着しており、これが排気工程で充分
排除できずに残留し、ランプの使用時間の増大に伴って
放電空間に次第に放出され、これが再点弧電圧を上昇さ
せる。

【００２１】上記のようにランプ電流が発光管径に対し
て大きな大出力の低圧水銀放電灯は、封入希ガスのガス
圧が低いのでこの希ガスによる不純ガスの希釈作用が弱
く、わずかな残留不純ガス量でも再点弧電圧に大きな影
響を及ぼすことになる。

【００２２】さらに、上記したように、供給電圧の極性
が反転する時、電流を荷担する残留荷電粒子が不足する
ため電圧の上昇に見合う電流の増大が阻止されることか
ら、ランプと直列に接続されているリアクタンス成分に
より逆起電圧が発生し、これが電源電圧に重畳される。
この逆起電圧は減衰振動を伴い、放電を不安定化させ、
ランプを立消えしやすくする。

【００２３】特に、高出力の紫外線放射ランプは殺菌け
い光ランプに比べて放電電流が１桁以上大きく、逆起電
圧に比例する｜ｄＩ／ｄｔ｜も１桁大きく、したがって
逆起電圧による影響も大きい。

【００２４】なお、逆起電圧のばらつきは、残留不純ガ
ス濃度とともに電源側のリアクトルの直流抵抗分、巻線
間浮遊容量、高周波損失量に大きく影響され、ランプ間
のみならず、電源間ばらつきも大きく影響する。

【００２５】このような事情により、商用電源にリアク
トル素子を接続した従来の点灯回路装置を用いた場合
は、再点弧電圧のばらつきが大きく、立消え現象を利用
した寿命制御が困難になる。

【００２６】このようなことから、本発明者等は、発光
管の内径をＤ（mm）、ランプ電流をＩ（Ａ）とし、Ｉ／
Ｄを０．０５以上とし、したがって希ガスの封入圧が低
い高出力用の水銀放電灯の場合は、矩形波電力を供給す
ることができる点灯回路装置を使用して低圧水銀放電灯
を点灯するようにし、この場合、点灯回路装置の無負荷
２次電圧Ｖ_A と、ランプ定格点灯時のランプ両極間の電
圧降下（＝ランプ電圧）Ｖ_Lとの比を設定することによ
り、寿命末期においてバルブが破損するよりも以前にラ
ンプを不点灯にさせることができると考えた。なお、矩
形波は、商用電源に比べて休止期間が短く、再点灯電圧
のばらつきを少なくすることができ、ランプ電圧Ｖ _L を
安定させることができるため使用した。

【００２７】

【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１は紫外線照射装置の概略的な構
造を示し、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２４mm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。

【００２８】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。

【００２９】この発光管２には、例えば２０mgの水銀
と、０．０５〜０．８torr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。

【００３０】この低圧水銀放電灯１は、点灯回路装置１
０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、矩形波インバ−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。

【００３１】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１３の外に、ヒ−タトランス１
６、１６が接続されている。

【００３２】ヒ−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。

【００３３】このような実施例における低圧水銀放電灯
は、定格入力５００Ｗ、放電電流７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、単位長さ当りの入
力は０．４Ｗ／cm以上となっている。

【００３４】そして、放電灯はランプ電流をＩ（Ａ）、
発光管の内径をＤ（mm）とした場合、Ｉ／Ｄ≧０．０５
とされており、本実施例の場合Ｉ／Ｄ＝０．３である。

【００３５】そして、上記点灯回路装置１０の無負荷２
次電圧をＶ_A 、ランプ電圧をＶ_L とした場合、Ｖ_A ／Ｖ
_L ≦５に規制されている。

【００３６】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。

【００３７】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４４はヒ−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。

【００３８】そして、整流平滑回路１２およびパワ−Ｆ
ＥＴを含む矩形波インバ−タ回路１３の作用により、電
源の正弦波は、図２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１
４、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。

【００３９】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との間に矩形の直流電流が流さ
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との間に逆の矩形の直流電流が流され、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。

【００４０】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２５４nm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。

【００４１】このような紫外線照射装置においては、点
灯回路装置１０の無負荷２次電圧をＶ_A 、ランプ電圧を
Ｖ_L とした場合、Ｖ_A／Ｖ_L ≦５に規制されている。

【００４２】このような数値的限定は本発明者等の実験
によるもので、以下これについて説明する。

【００４３】上記構成のランプを複数本用意し、出力端
の無負荷２次電圧がＶ_A の点灯回路装置１０を用いて各
ランプ１を定格点灯させ、寿命試験を行った。

【００４４】そして、Ｖ_A ／Ｖ_L の値と、クラックの発
生および立消えならびに平均寿命を調べた。この結果を
下記表１に示す。

【００４５】なお、リアクトル素子を有する従来の点灯
回路装置を用いて同様の実験を行った場合も同表に示
す。

【００４６】

【表１】

【００４７】上記結果から、Ｖ_A ／Ｖ_L ≦５であれば有
効であることが判る。

【００４８】すなわち、発光管の両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において、ランプ
電流をＩ（Ａ）と発光管の内径をＤ（mm）をＩ／Ｄ≧
０．０５に設定し、矩形の電力により点灯するようにし
たランプにおいては、Ｖ_A／Ｖ_L≦５に規制すれば、ラン
プが寿命末期に至って発光管が破損するよりも以前にラ
ンプを不点状態に至らしめることができるようになる。

【００４９】発光管の両端部にそれぞれ陽極と陰極を別
個に設けると、陰極を小形にして発熱を小さくすること
ができるとともに、陽極を大形にして放熱を大きくする
ことができ、電極損失を低減できるから電極効率を高め
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。また、ランプ電流をＩ（Ａ）と発光管の内径をＤ
（mm）をＩ／Ｄ≧０．０５に設定した場合は、電流密度
が増して出力が向上し、上記電極効率が向上することと
協同して紫外線出力の向上が可能になる。

【００５０】そして、このような電流密度の高いランプ
は、封入ガス圧を低くしないと光出力が低下するので、
ガス圧を低くしており、しかしこのため不純物の希釈性
能が低下するなどの理由により再点弧電圧のばらつきや
上昇が大きいが、矩形の電力により点灯するようにした
ことによりランプ電圧Ｖ_Lが安定する。このことから、
点灯回路装置の無負荷２次電圧Ｖ_Aとランプ電圧Ｖ_Lとの
比率を安定して現出させることができる。

【００５１】そして、Ｖ_A ／Ｖ_L の値を５以下にしたこ
とから、発光管に微細なクラックが発生して破損するよ
りも以前にランプを不点状態に至らしめることができ
る。よって、水銀の漏れ出しを未然に防止し、損害を防
止することができる。

【００５２】なお、本発明は上記実施例に制約されるも
のではなく、例えば発光管の形状はＵ字形に限らず、直
管形やＷ字形などの屈曲形状にしてもよい。

【００５３】さらに、上記のように構成された紫外線照
射装置は発光管の最冷部温度が、水銀の発光が最適とな
る蒸気圧を与えるように、４０±１０℃となるように制
御する温度制御機構を備えていてもよい。

【００５４】［発明の効果］以上説明したように本発明
によると、ランプが寿命末期に至って発光管が破損する
よりも以前に、つまりマイクロクラックの成長が顕著に
なる前にランプを不点状態にすることができ、ランプの
破損による被害を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す低圧水銀放電灯および
点灯回路装置を示す構成図。

【図２】ランプに付与する電流を示す矩形波の波形図。

【符号の説明】

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−タ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光行 陽一郎 東京都港区三田一丁目４番28号 東芝ラ イテック株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−51450（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−49340（ＪＰ，Ａ) 特公 昭28−544（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 41/16 - 41/232

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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出力波形が矩形波を上記放電灯に印
   加する手段を備え、 上記放電灯のランプ電流をＩ（Ａ）、発光管の内径をＤ
   （mm）とした場合、 Ｉ／Ｄ≧０．０５であり、 上記点灯回路装置の無負荷２次電圧をＶ_A 、ランプ電圧
   をＶ_L とした場合、 Ｖ_A ／Ｖ_L ≦５の範囲に規制したことを特徴とする紫外
   線照射装置。