JP3267668B2 - 紫外線発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低圧水銀蒸気放電灯を
光源とした例えば紫外線化学反応用等に使用される紫外
線発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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た低圧水銀蒸気放電灯に、
例えば商用電源を供給して、この発光管内で放電を発生
させ、水銀原子を電離および励起させることにより、こ
の水銀の共鳴線１８５ｎｍおよび２５４ｎｍを主体とす
る紫外線を放射するようにした紫外線発生装置は、光化
学反応装置等に使用されている。

【０００３】すなわち、上記紫外線発生装置は、例えば
光ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）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るとする
半導体製造関連などにおいて欠くことのできないもので
あり、また水の浄化、滅菌処理や食品の殺菌処理などに
おいても短波長の紫外線を照射するものとして広く普及
している。

【０００４】より具体的に説明すれば、今日開発されて
いる紫外線発生装置は、例えば図６に示すような低圧水
銀蒸気放電灯と、図７に示すような点灯装置を備えたも
のであり、同図中に示す低圧水銀蒸気放電灯の発光管は
円筒状の石英ガラスの両端に熱陰極と陽極を備え、内部
には、水銀と例えばアルゴン等の希ガスが封入されてい
るものである。

【０００５】また変圧器と限流インダクタンスにより構
成される点灯装置の同図中の接点ａ，ｂを商用電源に接
続し、ｃ，ｄ及びｅ，ｆをそれぞれ放電灯の熱陰極に
ｇ，ｈをそれぞれ陽極に接続することによって、熱陰極
が常時発熱して熱電子が放出し易い状態になって、この
放出電子は電界に加速されて一方側の陰極と他方側の陽
極並びに他方側の陰極と一方側の陽極との間で商用電源
の周波数に従い交互に放電を繰り返し、紫外線を放射す
る。

【０００６】尚、ここで上記の如く交流の電源で低圧水
銀蒸気放電灯を点灯させれば、水銀イオンが陰極側に偏
る所謂カタホリシス現象を抑制させることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な紫外線発生装置から放射させる紫外線出力を向上させ
るため、低圧水銀蒸気放電灯に供給するランプ電流を増
大させていくと、図８に示すように、その電流密度が低
い場合には、放電電流の増加と共に紫外線強度も増加す
るものの、電流密度をより高めると、急激に紫外線強度
が低下する現象が確認された。

【０００８】この理由については、完全に究明されてい
ないが、電流密度の増大に伴い水銀原子が過剰に電離さ
れ、発光に寄与する励起原子が不足するためと推察され
る。特に、上記のように放電電流が正弦波の場合には、
各半サイクルの中間位相角において、電流値が増大する
ため、励起原子の不足が一層助長されるものと考えられ
る。

【０００９】この励起原子の不足を補うために、水銀蒸
気圧を上昇させることも考えられるが、このようにする
と、紫外線がアーク中の水銀蒸気に自己吸収されて、紫
外線強度は増加しないという支障があった。

【００１０】また、この種の紫外線発生装置は、発光管
の最冷部温度を約４０℃程度に冷却する冷却装置と組み
合わされて使用されることが多く、したがって、実用上
は発光管の最冷部温度がこの冷却温度付近で、ランプ効
率、放射紫外線強度が最大となるように構成させること
が必要である。

【００１１】しかしながら、電流密度を増大させた場合
には、このランプ電流の増加に伴い最大紫外線出力を与
える発光管の最冷部温度が高温側に移行するため、上記
通常の冷却手段によって発光管を冷却した場合には、発
光管の効率が低下したり、必要な紫外線強度が得られ難
いという支障があった。

【００１２】本発明はこのような事情にもとづいてなさ
れたもので、その目的とするところは、電流密度を増大
させた場合に発生する紫外線強度の低下を防止できる紫
外線発生装置を提供しようとするものである。

【００１３】［発明の構成］

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本請求項１記載の紫外線発生装置は、発光部の断面
形状が非円形に形成され、水銀および希ガスが封入され
た石英ガラスより成る低圧水銀蒸気放電灯と、この低圧
水銀蒸気放電灯に対し、発光部の断面積当たりのランプ
電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2 以上であり、かつ、矩形波
電流を供給する点灯装置とを備えたことを特徴とするも
のである。

【００１５】また、本請求項２記載の紫外線発生装置
は、発光部の断面形状が非円形に形成され、水銀および
希ガスが封入された石英ガラスより成る低圧水銀蒸気放
電灯と、この低圧水銀蒸気放電灯に対し、発光部の断面
積当たりのランプ電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2 以上であ
り、かつ、１０ＫＨｚ以上の高周波電力を供給する点灯
装置とを備えたことを特徴とするものである。

【００１６】さらに、本請求項３記載の紫外線発生装置
は、水銀および希ガスが封入された石英ガラスより成る
低圧水銀蒸気放電灯と、この低圧水銀蒸気放電灯に対
し、発光部の断面積当たりのランプ電流密度が０．５Ａ
／ｃｍ2 乃至４Ａ／ｃｍ2 であり、かつ、矩形波電流を
供給する点灯装置とを備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１７】

【作用】本請求項１記載および本請求項２記載の発明に
よれば、低圧水銀蒸気放電灯の発光部の断面形状が非円
形に形成されているため、水銀蒸気層の光学的厚みが減
少して、水銀蒸気による自己吸収を抑制できると共に、
１０ＫＨｚ以上の高周波電力もしくは、矩形波電流で点
灯させることによって、正弦波の場合ほど水銀蒸気圧を
高めなくとも励起原子を満たすことができるため、電流
密度を増大させても紫外線強度の低下が発生しないもの
と考えられる。

【００１８】また、本請求項３記載の発明によれば、適
正なランプ電流密度の範囲を定めたため、低圧水銀蒸気
放電灯の最適最冷部温度を上昇させるたとがなく、した
がって、通常の冷却装置と組み合わせて使用された場合
においても、紫外線強度を向上させることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明について、図面を用いて詳細に
説明する。

【００２０】図１は、本件発明に係る紫外線発生装置の
一実施例を示す概略図であり、同図に図示するように、
低圧水銀蒸気放電灯１の略Ｕ字形に屈曲された発光管２
の両端部には、ステムが封着されており、このステムに
は、それぞれ陽極３、熱陰極４が支持されている。各陽
極３は熱陰極４よりも放電空間の前方に配置されてお
り、この陽極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とともに、熱陰極４はフィラメン
トコイルにより形成されている。

【００２１】ここで、上記のように発光管２の両端部に
陽極３および陰極４を各々封装すれば、放電電流を増大
させた場合に、陰極４は小形にして放熱による損失を低
減でき、また一方、陽極３は大形にして放熱を促進する
ことができる。

【００２２】また、上記発光管２は断面が非円形、例え
ば図２に示すように略偏平四角な形状をなしており、短
辺Ｘと長辺Ｙとの比Ｘ／Ｙは０．２〜０．８程度に形成
されている。本実施例では、短辺Ｘが１５ｍｍ、長辺Ｙ
が３０ｍｍでこの発光管の断面積は約４．５ｃｍ2 程度
とされている。

【００２３】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。

【００２４】以上のように構成された低圧水銀蒸気放電
灯は点灯装置１０を介して交流電源１１に接続されてい
る。この点灯装置１０は整流平滑回路１２、パワーＦＥ
Ｔを含む矩形波インバータ回路１３を備えているもので
ある。この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
ており、これらを調整することによって、図３に示すよ
うな放電電流が７アンペア、低圧水銀蒸気放電灯の発光
部の断面積当たりのランプ電流密度に換算して１．５６
Ａ／ｃｍ2 である矩形波の電流を低圧水銀蒸気放電灯に
供給するように構成されている。

【００２５】また、交流電源１１は、例えば２００Ｖの
商用電源であり、この電源１１には、前述の整流平滑回
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。

【００２６】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射する熱陰極となっている。

【００２７】以上のように構成された紫外線発生装置の
作用について以下に説明する。

【００２８】低圧水銀蒸気放電灯１を点灯装置１０を通
じて電源に接続した場合、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は常に発熱して熱電子を放射す
る。

【００２９】そして、整流平滑回路１２および矩形波イ
ンバータ回路１３により、電源の正弦波は前述の矩形波
に変換され、この矩形波電流は、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３，３および陰極４，４間に供給される。

【００３０】このため、低圧水銀蒸気放電灯は、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、次に他端側の陽
極３と一端側の陰極４との間に逆の半波整流電流が流れ
て、極性の反転毎に、各陽極と陰極が放電を繰り返して
点灯を維持する。

【００３１】このような放電により、水銀主体の蒸気が
低圧で励起されて、水銀の共鳴線１８５ｎｍおよび２５
４ｎｍ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。

【００３２】上記のような紫外線発生装置の紫外線強度
を電流密度を種々変化させて測定したところ、図４に示
すとおりの結果が得られ、同図から、実線Ｂで示す本実
施例の紫外線発生装置のものは、電流密度が０．５Ａ／
ｃｍ2 以上の領域において従来例の紫外線発生装置（破
線Ａ）よりも紫外線強度が増大し、特に１．６Ａ／ｃｍ
2 以上の電流密度の場合には、従来例の紫外線発生装置
は紫外線強度が著しく減少するものの、本実施例のもの
は紫外線強度の低下がなく、電流密度の増加に伴い紫外
線強度が著しく増大することが確認できた。

【００３３】この理由については、完全に究明されてい
ないものの、低圧水銀蒸気放電灯の発光部の断面形状を
非円形に形成したため、水銀蒸気層の光学的厚みが減少
して、水銀蒸気による自己吸収を抑制できたと共に、矩
形波電流で点灯させることによって、正弦波の場合ほど
水銀蒸気圧を高めなくとも励起原子を満たすことができ
るため、電流密度を増大させても紫外線強度の低下が発
生しないものと推察している。

【００３４】尚、本実施例のように低圧水銀蒸気放電灯
の発光部の断面形状を偏平状としたものにあっては、そ
の断面の短辺と長辺の比が０．２〜０．８の範囲を満足
させることが好ましい。

【００３５】つまり、０．８を越える場合には、水銀蒸
気による自己吸収を抑制する効果が低減するために、好
ましくなく、また、０．２未満の場合は、低圧水銀蒸気
放電灯の放電が不均一になり、発光むらが発生する傾向
があるため好ましくないものである。

【００３６】以上の実施例においては、矩形波電流を供
給するものについて説明しているが、前述の低圧水銀蒸
気放電灯に１０ＫＨｚ以上の高周波電力を供給した場合
にも、上記の矩形波電流を供給した実施例と同様な効果
が得られた。

【００３７】つまり、１０ＫＨｚ以上の高周波電力を供
給した場合においても、正弦波の場合ほど水銀蒸気圧を
高めなくとも励起原子を満たすことができるため、電流
密度を増大させても紫外線強度の低下が発生しないもの
と推察している。

【００３８】つまり、高周波電流は、微視的には、通常
の商用電源と同じく電流の変動が存在するものの、その
変動周期が極めて短時間であるために、水銀蒸気圧を高
めなくとも励起原子を十分に満たすことができるものと
推察している。

【００３９】以上の実施例においては、発光管の両端部
にそれぞれ陽極と陰極を封装したものについて説明して
いるが、一対の電極を発光管の両端部に封装した発光管
についても、本実施例と同様な効果があることを確認し
ている。

【００４０】さらにまた、上記実施例においては、発光
管がＵ字形状を呈するものについて詳述しているが、直
管形状の発光管の他、他の形状に発光管を形成しても良
い。また、低圧水銀蒸気放電灯の発光部の断面形状につ
いても実施例中で説明した偏平状のものに限らず、水銀
蒸気層の光学的厚みが減少するように他の非円形形状に
形成しても良い。

【００４１】次に、本発明者は、発光部の断面形状が円
形の低圧水銀蒸気放電灯を用いて、その発光管に対する
矩形波電流の電流密度と紫外線強度及び低圧水銀蒸気放
電灯の最冷部温度との関係について種々実験したところ
図５に示すような結果が得られた。

【００４２】つまり、ランプ電流密度が４Ａ／ｃｍ２を
越えるようになると、紫外線強度が最大となる最冷部温
度が高温側に移行し、通常の冷却装置と組み合わせて使
用したときには、この最適な最冷部温度領域から外れる
ため、ランプ効率や紫外線強度が低下することが判明し
た。

【００４３】また、ランプ電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2
未満になると、絶対的な紫外線強度が少なくなるため、
好ましくない。

【００４４】したがって、上記のような結果より低圧水
銀蒸気放電灯を０．５Ａ／ｃｍ2 乃至４Ａ／ｃｍ2 のラ
ンプ電流の矩形波で点灯させれば、通常の冷却装置と組
み合わせて使用した場合においても、発光管の最冷部が
ランプ効率、放射紫外線強度が最大となる温度領域に維
持されるため、実用上好ましいものである。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、低圧水銀蒸気放電灯の
発光部の断面形状を非円形に形成したため、水銀蒸気層
の光学的厚みが減少して、水銀蒸気による自己吸収を抑
制できると共に、１０ＫＨｚ以上の高周波電力もしく
は、矩形波電流で点灯させることによって、水銀蒸気圧
を高めなくとも励起原子を満たすことができるため、電
流密度を増大させても紫外線強度の低下が発生せず、紫
外線強度が向上する紫外線発生装置を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る紫外線発生装置の一実施例を示す
概略図。

【図２】図１中の低圧水銀蒸気放電灯の発光部の断面形
状を示す図面

【図３】低圧水銀蒸気放電灯に供給される矩形波電流波
形を示す図面

【図４】本発明に係る紫外線発生装置の紫外線強度の変
化を示す実験結果

【図５】本発明に係る紫外線発生装置の紫外線強度の変
化を示す実験結果

【図６】従来の紫外線発生装置に適用される低圧水銀蒸
気放電灯の一例を示す図面

【図７】従来の紫外線発生装置に適用される点灯装置の
一例を示す図面

【図８】従来の紫外線発生装置の紫外線強度の変化を示
す図面

【符号の説明】

１・・・低圧水銀蒸気放電灯 ２・・・発光管
３・・・陽極 ４・・・陰極 １０・・点灯装置
１１・・交流電源 １２・・整流平滑回路 １３・・矩形波インバー
タ回路 14,15 ・可変抵抗器 １６・・ヒータトランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 イテック株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−109952（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−71887（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−114884（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−92561（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/20 H01J 61/33 H05B 41/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光部の断面形状が非円形に形成され、水
   銀および希ガスが封入された石英ガラスより成る低圧水
   銀蒸気放電灯と、 前記低圧水銀蒸気放電灯に対し、前記発光部の断面積当
   たりのランプ電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2 以上であり、
   かつ、矩形波電流を供給する点灯装置と、を備えたこと
   を特徴とする紫外線発生装置。
2. 【請求項２】発光部の断面形状が非円形に形成され、水
   銀および希ガスが封入された石英ガラスより成る低圧水
   銀蒸気放電灯と、 前記低圧水銀蒸気放電灯に対し、前記発光部の断面積当
   たりのランプ電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2 以上であり、
   かつ、１０ＫＨｚ以上の高周波電力を供給する点灯装置
   と、を備えたことを特徴とする紫外線発生装置。
3. 【請求項３】水銀および希ガスが封入された石英ガラス
   より成る低圧水銀蒸気放電灯と、 前記低圧水銀蒸気放電灯に対し、前記発光部の断面積当
   たりのランプ電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2 乃至４Ａ／ｃ
   ｍ2 であり、かつ、矩形波電流を供給する点灯装置と、
   を備えたことを特徴とする紫外線発生装置。