JPH0451449A - 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］ （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２５４ｎｍのおよ
び１８５　ｎｍ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。

ところが、最近において益々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
用化か試みられつつある。

超高出力タイプのランプとして、特公昭６３４９３４０
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。

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（一方のみ図示する）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
流成分を流してこれらの間で放電させ、次に一端側の陰
極３５と他端側の陽極３４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。

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１８５ｎｍを
始めとする短波長紫外線領域の光を放射する。

しかしながら、出力を高めるために放電電流を増そうと
すると、電極を大形にする必要があり、従来の電極構造
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／ｃｍ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る。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、管壁の早期黒化や機械的強度の低
下が防止される。

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が飛散しても
、周囲を覆うコイル形陽極により管壁に付着するのが阻
止され、この点て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） ところか、このようなコイル形陽極を用いたランプにお
いても、バルブの早期黒化を生じたり、再点弧か不安定
になって立消えし易くなる場合があることが判明した。

すなイっぢ、上記のように一方の陽極と他方の陰極との
間、および一方の陰極と他方の陽極との間で交互に放電
を行わせるランプの場合、陰極から常に熱電子が放出さ
れるように作動させているが、交互に動作する陽極も温
度上昇する。このため、特にコイルによって形成された
陽極における放電空間側に臨む最先端のコイルの１ター
ン目の熱容量が陽極の機能に影響を及ぼすことが判った
。

この温度上昇を低減するために、コイル先端の１ターン
目のコイル径を大きくするなどの構成でワイヤの重量を
増大した場合、熱容量が大きくなることに伴い温度上昇
をて低減できるが、再点弧電圧が」１昇する不具合が発
生し、電源電圧の低下などにより立消えする。

さらに、再点弧電圧に着１］シて、コイル先端の１ター
ン「Ｉのコイル径を小さくするなとの構成でワイヤの重
量を減じた場合、この部分の熱容量か少なくなって過剰
に温度上昇し、ワイヤ物質か飛散し、バルブ壁に付着し
て早期黒化を発生させることがある。

本発明はこのような事情にもとつきなされたもので、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、ノくルブの早期黒化や再点弧電圧
の上昇による立消えなどを防止す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］ （課題を解決するための手段） 本発明は、ランプ電力をＰ　（ＫＷ＝ｅ）　、コイル形
陽極のコイル先端１ターン目の重量をＭ（ｇ）とした場
合、０．６≦Ｍ／Ｐ≦２０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
コイル先端１ターン目の熱容量が最適な領域に規制され
、バルブの早期黒化や再点弧電圧の上昇による立消えな
どを防止することができる。

（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は例えば、内径２４
　ｍｍ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す、たと
えば線径１．２ｍｍのタングステンワイヤを外径２０ｍ
ｍ、巻数８ターンの密着巻した１層目コイルに形成し、
この外に巻数３ターンの２層目コイルを巻戻し形成しで
ある。

また、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。

そして、上記コイル形陽極４は、陰極５に接続された一
方のり一ト線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５０ｍｇの水銀と、０、　０
５〜０．　８ｔｏｒｒ、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］０は整流平滑回路］２、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、パワーＦ　Ｅ　Ｔ　１３には、
周波数調整用および電流調整用の可変抵抗器］４．１５
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３００Ｖ波高値の余波整流電
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
ンバタ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、発光長
が６７０ｍｍ、定格人力５００Ｗ、放電電流］１ 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：Ｉ−、５Ｗ／ｃ
ｍ以上、つまり７．４Ｗ／ｃｍとなっている。

そして、このランプは、ランプ電力をＰ（ＫＷ−係）、
上記コイル形陽極のコイル先端の１タン目のタングステ
ンワイヤの重量をＭ　（ｇ）とした場合、 屹６≦Ｍ／Ｐ≦２０ に設定されている。

本実施例は定格入力５００Ｗであるから、０．３（ｇ）
≦Ｍ≦１０（ｇ） に設定されている。

このようなランプの作用および数値的限定の理由につい
て説明する。

ランプ１を点灯回路］Ｏを通じて電源］］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コ３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］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゛１ｔ、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］、　８５　ｎｍおよび２
５４　ｎｍ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。

上記実施例の構成によれば、放電空間側に臨むコイル形
陽極４の最先端のコイルの１ターンロの重量Ｍを、０．
３ｇ≦Ｍ≦１．　Ｏｇとし、すなわちランプ電力をＰ　
（ＫＷ）とした場合、０．６≦Ｍ／Ｐ≦２０としたので
、バルブの早期黒化を防止することができ、かつ再点弧
電圧の」１昇による立消えを防止することができる。

これらの効果は本発明者らの実験により確認したもので
、これについて説明する。　出力増大の要求に応じるべ
くランプ電流を増した場合、電極での負担が増す。特に
極性が交互に変化する陽極においては、コイルの最前端
の熱容量が特性に影響を及ぼすものと予想される。

つまり、陰極と陽極との間で交互に放電を行わせるラン
プの場合、陰極から常に熱電子が放出されるように作動
させているが、交互に動作する陽極も温度」１昇する。

この場合、コイルの放電空間側に臨む最先端の１ターン
目の熱容量が陽極作用に影響すると推測される。

さらに説明すると、コイル先端の１ターン目のコイル径
を小さくするなどの構成でワイヤの重量を減じた場合、
この部分の熱容量が少なくなって温度か過剰に」１昇し
、ワイヤ物質が飛散し、バルブ壁に何着して早期黒化を
発生させる。

また、逆にコイル先端の１ターン目のコイル径を大きく
するなどの構成でワイヤの重量を増大した場合、熱容量
が大きくなる。この場合、熱容量を大きくし過ぎると、
極性が反転する休止期間に陽極の温度が下がらず、つぎ
に極性か反転して本来の陽極作用を奏しなければならな
い時にこの陽極から熱電子が放出されており、この熱電
子が他方の熱陰極から放出される熱電子の飛び込みを阻
害する。つまり、極性の反転する休止期間に陽極の前面
側にイオンの障壁を作るようになり、この障壁が陰極か
ら出るイオンの取り込みを阻止し、陽電位を遮蔽し、陽
極本来の機能を阻害する。このため、放電電流を一時的
に遮断し、点灯回路のりアクタンス分により逆起電圧が
発生し、これが放電電圧に重畳されて再点弧電圧が高く
なる。この逆起電圧は減衰振動を伴い、放電を不安定に
する。

このようなことから、コイル先端の１ターン目のコイル
の熱容量を規制することが大切であり、このためワイヤ
の重量を選択する必要がある。

また、このようなワイヤの熱容量はランプ電力Ｐにも関
連する。

したがって、定格人力Ｐが０，５ＫＷのランプについて
実験した結果を下記の表に示す。

なお、下記の表では、点灯３０００時間後における発光
管の黒化および立消えを調べたもので、波長２５４ｎｍ
の紫外線放射強度か初期値の７５％以」二を維持してい
る場合を良好であると評価した。

上記の表から、定格人力Ｐが０．５ＫＷのランプの場合
、０．３≦Ｍ≦１０であれば良いことが判り、０，６≦
Ｍ／Ｐ≦２０に規制すれば良いことが確認される。

また、他の定格入力のランプでも、０．６≦Ｍ／Ｐ≦２
０の範囲に設定すれば初期の目的を達成することができ
ることを確認している。

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５のフィラメント軸を
バルブ軸と直交させてコイル形の陽極３に収容したが、
陰極５はそ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してもよく、この場合
はバルブ径を細くすることができる。

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、上記実施例においては、陰極５をコイル形陽極４
の後背部に配置したものについて図示しているが、例え
ば第４図に変形例として示す通り、コイル形陽極４の中
空部に陰極５を挿入するようにして配置してもよい。

この場合には、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ずので、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
、水銀イオンが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
ッタか飛散する場合があるが、陰極５の周囲をコイル形
陽極４で囲っであるので、飛散物質がコイル形陽極４に
よってバルブ壁に付着するのが阻止される。この点でも
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かでき、電極効率が向」ニする。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、陽極の動作特性に
影響を与えるコイル先端の１ターン目の重量を定めたの
で、その熱容量が最適な領域となり、バルブの早期黒化
や再点弧電圧の上昇に起因する立消えなどを防止するこ
とができる。

【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示し、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図は本
発明の他の実施例を示す低圧水銀放電灯の端部の構成図
、第５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。 ］・・・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。 ］−〇・・・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
   りも後方に陰極を配置した低圧放電灯において、 上記放電灯のランプ電力をＰ（ＫＷ＝キロワット）、上
   記陽極のコイル先端１ターン目の重量をＭ（ｇ）とした
   場合、 ０．６≦Ｍ／Ｐ≦２０ としたことを特徴とする低圧放電灯。