JPH04112446A - 低圧放電灯 - 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】 ［発明の目的コ （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低
圧放電灯に関する。

（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ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａ
ｐｏｒ　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。

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１８５　ｔ＋ｍの
および２５４　ｎ１１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。

ところで、最近においてこの種の低圧水銀放電灯の出力
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。

紫外線出力を増強しようとする場合、ランプ入力を増し
て高出力のランプを実現することが考えられるが、この
場合室、極に大きな負担がかかり、電極の早期損耗やバ
ルブの黒化が進み、寿命が短くなる不具合がある。

これを回避するため、特公昭６３−４９３４０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、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が提案さ
れている。このように、発光管の両端部にそれぞれ陽極
と陰極を互いに別個に設けると、陰極を小形にして少な
い加熱電力で熱電子の放出を容易にし、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る
等、電極設計が容易でかつ自由度が増すという利点があ
る。

ところで、上記公報に記載されたランプの陽極および陰
極は、第４図に示す構造を採用していた。

すなわち、図において３２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１の両端部は
ステム３３．３３（−４のみ図示する）が封止されてい
る。これらステム３３．３３にはそれぞれ陽極３４と陰
極３５が封装されている。陽極３４は、タングステンＷ
などからなる円板形をなし、この陽極３４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３５を配置
しである。陰極３５の放電空間側前方に円板形の陽極３
４を配置するのは、陽極３４に突入する高速電子から陰
極３５を保護しようとするためである。

なお、３６はリード線である。

この発光管３２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。

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３４と他端側の陰極３５との間に半波電
流を流してこれらの間で放電させ、次に一端側の陰極３
５と他端側の陽極３４との間に逆半波電流を流してこれ
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。

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２５４　ｎｍや１８５ｎｍ
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。

しかしながら、このような従来の構造においては次のよ
うな問題が生じる。

すなわち、陰極３５から放出される電子はこの前方に配
置された円板形の陽極３４を迂回して他端側の陽極に向
かうものであるが、この場合前方に配置された円板形の
陽極３４が発光管３２の管壁との間に狭隘空間を形成し
ているので上記電子はこの狭隘空間を通過することにな
る。この時、単位長さ当りの入力を増したランプ、例え
ば１．５Ｗ／ｃｏ以上としたランプでは、大部分の電子
が管壁に衝突し、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
に着色させるとともに、高出力の紫外線を長期に亘り吸
収して石英ガラスに微細なりラックを発生させ、機械的
強度を低下させる不具合がある。

この結果、発光管バルブの黒化を促し紫外線出力の低下
を招くとともに、反応槽内でランプが破損し、洗浄系を
汚染するなどの不具合が心配される。

このようなことから、本発明者等は、発光管の両端部に
それぞれ設けられる陽極をコイル形に形成し、このコイ
ル形陽極の先端よりも後方に陰極を配置した構造をもつ
ランプを提案した。

このように構成すれば、陰極から放出される電子はこれ
より前のコイル形陽極の前面開口部から他端側の陽極に
向かって飛び出すので、電子がバルブ端部の管壁に衝突
するのが防止され、このため、水銀イオンが管壁に吸引
されるのが防止され、よって、管壁の早期黒化や機械的
強度の低下か防止される。

また、コイル形陽極により陰極を包囲すれば、陰極物質
が飛散したり、陰極に保持されるエミッタか飛散しても
、周囲を覆うコイル形陽極により管壁に付着するのか阻
止され、この点でも管壁の黒化が防止される。

さらに陰極は周囲を囲われた陽極により保温されるよう
になるから、加熱電流が少なくてすみ、電極効率が向上
するなどの利点がある。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このようなコイル形陽極を用いたランプにお
いて、コイル形陽極の構成を最適に設定しないと、バル
ブにクラックを発生させたり、早期黒化を生じたり、コ
イルが折損する等の不具合が発生する場合がある。

すなわち、上記コイル形陽極について、充分な検討が加
えられていなく、実用上で使用に耐えられる陽極が提供
されていない問題がある。

本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、そ
の目的とするのは、コイル形陽極を用いて交互に放電さ
せるランプにおいて、バルブのクラックや早期黒化、コ
イルの損傷などを防止して長寿命を得ることができる低
圧放電灯を提供しようとするものである。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、陽極をコイル形に形成し、このコイル形陽極
の先端よりも後方に陰極を配置した低圧放電灯において
、陽極近傍における発光管の内径をＤＶ（１１１１１１
）：Ｉイル外径をＤｃ　　（ｍｍ）コイルの線径をｄ　
（ｍｒＡ）　　コイル平均ピッチをｐ　（ｍｍ）　、コ
イルの巻層数をｎとした場合、ＤＶ−０，５≧Ｄ。

Ｄ（−２ｎｄ≧０．４Ｄｖ ｄ＋０．０１≦ｐ５ｄ＋２ としたことを特徴とする。

（作　用） 本発明の構成によれば、陽極の動作特性に影響を与える
コイルの構造が実用上で支障とならない水準まで規制さ
れるので、このためバルブのクラックや早期黒化、コイ
ルの損傷などが防止されて長寿命になる。

（実施例） 以下本発明について、第１図ないし第３図に示す一実施
例にもとづき説明する。

第２図において１は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
光管２を備えており、この発光管２は内径Ｄｖが２４１
１１％全長６７０■の合成石英ガラス管からなる。

発光管２の端部は第１図に示す構造をなしており、３は
ステム、４は陽極、５は陰極、６はリード線である。

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ｄ−１，２ｍｍのタングステンワイヤをコイル
外径ＤＣが２０ｉｖ、巻数８ターン、全長Ｌ−１２１０
１１％　シたがってコイル平均ピッチｐ−１，５ｍｍで
巻回した１層目コイルを形成し、この外側に巻数３ター
ンの２層目コイルを巻戻し形成しである。

このため、このコイルは層数ｎが２とされている。

このようなコイル形陽極４にはそれぞれ陰極５が収容さ
れている。陰極５は、フィラメント軸がバルブ軸と直交
するように配置されている。すなわち、陰極５の周囲は
上記コイル形陽極４で囲まれており、この陽極４の前面
開口部を通じて放電空間に臨んでいる。なお、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。

そして、上記コイル形陽極４は、陰極５に接続された一
方のリード線６に接続されているものである。

この発光管２には、例えば５０１ｇの水銀と、０．０５
〜０　、８　ｔｏｒｒ、具体的には０　、　５　ｔｏｒ
ｒ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、第２図に示すように、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１
３を備えている。なお、ノくワー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。

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。

なお、第２図では図示を省略したが、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３００■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て矩形波イ
ンノく夕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１は、両隅極
間の放電距離か１０４０ｍ口であり、また定格人力５０
０Ｗ、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、したかって単位長さ当りの入力は１
．５Ｗ／ｃｍ以上、つまり４．８Ｗ／ｃｍとなっている
。

このような構成のランプの作用を説明する。

ランプ１を点灯回路１０を通じて電源１１に接続して点
灯させた場合、陰極５．５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５．５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およびパワーＦＥＴを含む矩
形波インバータ回路１３の作用により、電源の正弦波は
、第３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４および陰極５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４と他端
側の陰極５との間に矩形または台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５
と他端側の陽極４との間に逆の矩形または台形波の半波
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４と陰極５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１８５　ｒｖオよび２５４
　ｎｏ＋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。

この実施例の構成によれば、陰極５から放出される電子
はこれを囲ったコイル形陽極４の前面開口部から放電空
間、つまり他端側の陽極に向かって飛び出すので、電子
が発光管バルブ２の端部の管壁に衝突するのが防止され
る。このため、水銀イオンか管壁に吸引されるのが防止
され、管壁が灰色化して早期黒化を発生することが防止
されるとともに、機械的強度の低下も防止される。

また、点灯中に陰極物質やこの陰極５に塗布されたエミ
ッタが飛散する場合があるが、上記実施例によれば、陰
極５の周囲をコイル形陽極４で囲っであるので、飛散物
質かコイル形陽極４によってバルブ壁に付着するのが阻
止される。この点ても管壁の黒化が防止される。

さらに、陰極５はコイル形陽極４で囲われているから保
温されるようになり、このため温度上昇割合が良くなり
、したがって加熱電流が少なくてすむので電極での消費
電力を少なくすることができ、電極効率が向上する。

しかして、上記ランプは、コイル形陽極４の構造を以下
のように規制しである。

すなわち、陽極４近傍における発光管２の内径をＤＶ（
ＩＩ）、コイル外径をＤｃ（１ｍ）　、コイルの線径を
ｄ（ＩＩＩＩＩ）、コイル平均ピッチをｐ　（＋ａｇ＋
）、コイルの巻層数をｎとした場合、 Ｄ　ｖ　　　Ｄ　ｃ　　≧０．　５　　（ｍｍ）　　　
　　（１）ｐｃ−２ｎｄ≧屹４ＤＶ　　　（２） ｄ＋０．　０１≦ｐ≦ｄ＋２　　　　（３）としである
。

上記（１）式は、発光管バルブ２とコイル形陽極４との
隙間Ｓを規制したもので、この隙間Ｓ（よ０、　５／２
−０．　２５　（ａｒｍ）以上が必要であることを意味
している。

すなわち、コイル外径り。が大き過ぎると、発光管バル
ブ２内面に接近し過ぎるので、振動力（与えられた場合
などに赤熱した陽極４先端が）（バルブ壁に触れてバル
ブ２にクラックを発生させる心配がある。特に高出力の
ランプの場合、水銀から放出される１８５ｒ＋ｍや２５
４　ｒ＋ｍの紫外線を吸収して石英ガラスが微細なりラ
ックを起こすので、機械的強度が低下する傾向にあり、
上記赤熱した陽極４の先端がバルブ壁に触れると、いと
も簡単１こクラックおよび破損を起こす不具合がある。

これを防止するには、発光管／くルブ２とコイル形陽極
４との隙間Ｓを０．２５　（■）以上とし、したかって
（１）式を満足していることか要求される。

一方、上記のようなコイル形陽極４の外径り。

に対し、このコイルの内径り。に注意を払う必要がある
。

コイル形陽極４の内径Ｄ０は、外径り。からコイル素線
分を差し引いたコイルの開口径のことであり、Ｄ□　ｍ
Ｄ（−２ｎｄに相当する。

このような開口径Ｄｏが小さすぎると、コイル中央部に
陰極から放出された電子および水銀の陽イオンがドリフ
トするための経路が確保されず、つまりコイル先端が閉
塞されると同様になり、これは従来の場合のように電子
がコイル形陽極の外周を回り込んで放電空間側に移動し
ようとするので陽極の外周部が発光したり、電子がバル
ブの管壁に衝突するようになって水銀イオンが管壁に吸
引され、よって管壁が灰色に着色したり、早期黒化を生
じ、かつ機械的強度の低下を招く。

このため、コイル形陽極４の開口径り。

（−ＤＣ−２ｎｄ）は、（２）式の条件を満足する必要
がある。

さらに、コイル平均ピッチｐについては以下の条件を配
慮することが大切となる。

すなわち、コイルを密着巻き、またはコイルピッチｐを
小さくし過ぎる場合は、熱歪により折損することがある
。つまり、陽極には各サイクルの半周期毎に高速の電子
が飛び込んでくるのて熱歪が相当に大きくなる。加えて
動作中の高温度状況の下では再結晶が進行し、もろくな
り、わずかな歪による粒界すベリによってコイル折れが
起こりやすくなる。このため、コイルを密着巻きまたは
コイルピッチｐが小さす過ぎる場合は、このような歪を
吸収できずに折損が発生し易くなる。このことから、コ
イル線間は、絶対値で０．０１ｍｍ以上の隙間を必要と
する。

しかしながら、これらコイル線間の隙間が大きくなり過
ぎると、この隙間から電子が漏れ、電子がバルブの管壁
に衝突したり、陽極で捕捉しなければならない電子の捕
捉率が低下してその後方の電子に直接飛び込んで陰極に
保持させているエミッタが飛散するなどの不具合が発生
する。このため、コイル線間は絶対値で２．Ｏｎ＋ｍ以
下に規制する必要がある。

このような理由から、（３）式の条件が必要となる。

したがって、上記（１）〜（３）式の条件を同時に満足
すれば、高出力でもコイルの折損が防止されるとともに
、バルブの黒化やクラックが防止され、長寿命なランプ
が得られることになる。

第１図に示した実施例の場合、発光管２の内径Ｄｖが２
４　ｍｍ、コイル形陽極４の外径ＤＣが２０１１１であ
るからＤｖ−Ｄ、−４ｍｍとなり、（１）式を満足して
おり、コイル形陽極４の開口径り。

（＝　Ｄ　ｃ　　　２　ｎ　ｄ　）は１７．６ｍｍで０
．４Ｄｖ　−９、６（ａｓ）以上であるから（２）式も
満足しており、さらにコイル平均ピッチｐ−１，５ｍｍ
であるので（３）も満足している。

このランプを点灯して２５４　ｎｍの紫外線の維持率を
調べたところ、３０００時間後で平均７６％が測定され
た。

このような維持率であれば実用には充分である。

なお、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、陰極が陽極内部に収容され
たものについて説明したか、本発明はこれに限らず、例
えば陰極を陽極の後方に配置してもよく、さらに陰極を
陽極内に配置するに際しても、例えば陰極のフィラメン
ト軸をバルブ軸上またはバルブ軸と平行な姿勢にして陽
極に収容することもでき、この場合はバルブ径を細くす
ることができる利点がある。

さらに、発光管２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。

また、コイル形陽極は１層コイルであってもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によると、陽極を構成するコ
イルの構造を規制したので、入力を増して紫外線出力を
大きくしてもバルブのクラックや早期黒化、コイルの損
傷などを防止し、実用的水準の寿命を得ることかできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の一実施例をボし、第１図
は低圧水銀放電灯の端部を示す構成図、第２図は低圧水
銀放電灯およびその点灯回路を示す構成図、第３図はラ
ンプに付与する電流を示す矩形波の波形図、第４図は従
来の低圧水銀紫外線放電灯の端部を示す構成図である。 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。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、かつ上
   記陽極をコイル形に形成し、このコイル形陽極の先端よ
   りも後方に上記陰極を配置した低圧放電灯において、 上記陽極近傍における発光管の内径をＤ＿ｖ（ｍｍ）、
   コイル外径をＤ＿ｃ（ｍｍ）、コイルの線径をｄ（ｍｍ
   ）、コイル平均ピッチをｐ（ｍｍ）、コイルの巻層数を
   ｎとした場合、 Ｄ＿ｖ−０．５≧Ｄ＿ｃ Ｄ＿ｃ−２ｎｄ≧０．４Ｄ＿ｖ ｄ＋０．０１≦ｐ≦ｄ＋２ としたことを特徴とする低圧放電灯。