(57)【要約】      （修正有）【課題】空気中の酸素による光硬化阻害を抑制し、且つ塗布膜を表面から奥まで一様に硬化できる省エネルギーの紫外線発生装置と、長さ方向の放電プラズマ発光を制御して長さ方向の紫外線放射分布を一様にする紫外線発生装置を提供する。【解決手段】常温の圧力比で、窒素（Ｎ２）１００に対し酸素（Ｏ２）０〜１８を含む混合ガスを放電空間に密閉する。さらに前記混合ガス１に対し、常温の圧力比で、アルゴン（Ａｒ）を０．５〜５加える。また放電空間を筒体に形成してこの筒体の長さ方向に沿って電極を分割して配置し、これらの電極へ電極間にかかる電圧を位相設定により調整した多相交流電源を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温の圧力比で、窒素（Ｎ２）１００に対し酸素（Ｏ２）０〜１８を含む混合ガスを放電空間に密閉して成る紫外線発生装置。
【請求項２】
前記混合ガス１に対し、常温の圧力比で、アルゴン（Ａｒ）を０．５〜５加えて成る請求項１記載の紫外線発生装置。
【請求項３】
放電空間を筒体に形成して窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを密閉し、
この筒体の長さ方向に沿って電極を分割して配置し、
これらの電極へ電極間にかかる電圧を位相設定により調整した多相交流電源を接続して成る紫外線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化に適した紫外線の発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、エネルギー及び地球環境問題が国内外において大きな関心事になっている。光硬化塗布膜は、臭気が少なく秒単位で硬化するので、近年、多種多様な用途で広く使用されている。しかし、光硬化時に、大きな電力を消費し且つ大量の水銀を含む高圧水銀ランプの使用が大きな問題である。省エネルギー及び脱水銀の観点から新たなランプの開発が切望されている。
【０００３】
本発明者等は特許文献１において、窒素ガスで希釈した一酸化窒素ガスから成る分子性混合ガスを用いると、200nm〜300nmの波長域に強い紫外線放射をできることを見出した。しかし、放電プラズマ内では分子性ガスが容易に解離してしまうという問題があり、常に新しいガスを大量に流し続けるか、解離したガスから元のガスを合成するかなどの手段を講ずる必要がある。
【０００４】
光硬化分野において、広く使われているアクリレート系硬化液は液中に溶存する空気中の酸素により光硬化反応が大きく阻害され、それを克服するには、非常に強い紫外線の照射が必要であるという問題がある。この問題の解決には、窒素雰囲気などの酸素の無い或いは少ない状態で光硬化処理をしたり、塗布膜液の上に空気が透過しない薄いカバーシートを貼るなどの方法が提案されている。しかし、新たな設備が必要になる為にあまり利用されていない。
【０００５】
一方、幅広の被照射物へ紫外線を照射する為に長い直管タイプの紫外線ランプが広く用いられている。通常、放電ランプは、長さ方向の中央部分が強く端部に向かって弱くなる空間分布となる。このため、被照射物をベルトコンベア上などに広げた状態で移動しながら紫外線を照射する場合、ベルトコンベアの左右両側辺付近の照射強度が不十分になるという問題がある。そのため従来は、端部に新たな紫外線ランプを設置するなどの対策が取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、空気中の酸素による光硬化阻害を抑制し、且つ光硬化すべき塗布膜を表面から奥まで一様に硬化できる省エネルギーの紫外線発生装置と、長さ方向の放電プラズマ発光を制御して長さ方向の紫外線放射分布を一様にする紫外線発生装置を提供することを目的になされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのため本発明の紫外線発生装置は、常温の圧力比で、窒素（Ｎ２）１００に対し酸素（Ｏ２）０〜１８を含む混合ガスを放電空間に密閉して成ることを第１の特徴とする。
また、前記混合ガス１に対し、常温の圧力比で、アルゴン（Ａｒ）を０．５〜５加えて成ることを第２の特徴とする。
さらに、放電空間を筒体に形成して窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを密閉し、この筒体の長さ方向に沿って電極を分割して配置し、これらの電極へ電極間にかかる電圧を位相設定により調整した多相交流電源を接続して成ることを第３の特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の紫外線発生装置は、放電空間に窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを密閉するので、放電空間内の窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）はその一部がプラズマにより解離してＮとＯを生成し、このＮとＯから励起状態のＮＯができ、この一酸化窒素ガス（ＮＯ）から短波長成分（200〜300nm）がまた窒素ガス（Ｎ２）から中波長成分（300〜400nm）の紫外線が発生する。
そしてこの放射スペクトルが短波長域の紫外線は、塗布膜のごく浅く狭い領域に吸収され光硬化反応を起こし、これが空気中の酸素の塗布膜内部への侵入を阻止するため、塗布膜全体の光硬化が速やかに進行する。NOからの短波長域の放射強度は、N2に対するO2分圧（濃度）を調整することにより、変えることができる。
また混合ガスにAｒを加えると、放電により寿命の長い準安定状態のAｒが生成され、これがN2に作用してN2の、放射スペクトルが中波長域の紫外線の放射を抑制する。
窒素に対する酸素分圧（濃度）、及びこれら混合ガスに対するAr分圧（濃度）を調整することにより、ＮＯからの短波長域の放射とＮ２からの中波長域の放射の相対強度比を、光硬化すべき塗布膜に合うように、変えることができる。またＡｒは放電開始電圧を下げるので放電管の寿命を延ばせる。
また、直管タイプランプの長さ方向に電極を分割して配置し、それらの電極へ電極間にかかる電圧を位相設定により調整した多相交流電力を給電することにより、長さ方向の放電プラズマ発光を制御して長さ方向の紫外線放射分布を一様にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図1に、本発明を実施した光硬化用の紫外線発生装置の断面図を示す。
光硬化用の紫外線発生装置は、１２枚のシート状の分割電極１を僅かな間隙ａを空けてバリア層２の中に埋め込み、平面容器３の底面の基板３１に密着固定する。
基板３１の対向面は光取り出し窓３２で覆い、平面容器３を密閉して低圧放電室を形成する。分割電極１は、できるだけ面積を大きくして基板３１全体を覆うように配置する。
バリア層２は、例えば石英ガラスや窒化ホウ素のような電気絶縁性と熱伝導性の良好な材質のものを使用して絶縁体層を形成する。
【００１２】
基板３１の外側は、隣り合う極性を逆にして配列した１２＋１本の棒状の磁石４を間隙ａに沿って密着して固定する。磁石４の矢印は磁極の方向を示す。これにより、磁力線４aが分割電極１の表面を覆うように多極磁場を形成する。
磁石４を取り付けた基板３１の外側は磁気シールド板５で覆い、磁力線を外部に発散させないで内部に集中させる。
【００１３】
多極磁場の磁石４は、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてもよい。
あるいは、ラバー・マグネットなどのシート状の磁石４をバリア層２と基板３１の間に挟み込んだり、基板３１の外側に張り付けて多極磁場を形成してもよい。これにより、磁石４の厚みが薄くなる分、紫外線発生装置の形状を薄くコンパクトに形成できる。
【００１４】
ここで、磁石４と分割電極１との位置関係は任意であるが、図１では磁石４を分割電極１と分割電極１との間隙ａの真後ろに置く場合を示す。このとき、多極磁場は分割電極１の表面が磁力線で覆われるように形成されるので、プラズマＰが分割電極１の表面近傍に効果的に閉じ込められる。
【００１５】
１２枚の分割電極１には、図２に示すように、分割電極１の一端に取り付けた給電端子１１を介して位相が１／１２周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの１２相交流電源６を接続する。１２相交流電源６は、周波数や振幅および位相（波形を含む）が制御された低周波交流電源を星形結線して構成し、電源全体は絶縁トランスなどにより浮遊電位のままにしておき、放電を分割電極１間のみに発生させる。
電源の相数は、４相以上であれば相数が増えるにつれて電位分布の一様領域、すなわち電界の一様領域は増加するが、１２相以上になるとその増加傾向が飽和するため、１２相が実用的な範疇である。
【００１６】
本発明を実施した紫外線発生装置は以上のような構成で、平面容器３内を排気装置（不図示）によって真空排気し、放電洗浄した後、酸素を入れて酸素放電プラズマによる前処理（コンディショニング）を行う。これにより平面容器３の内壁が酸化され、微量の酸素が内壁に吸着される。次に、前処理に使用した酸素を抜いた後、常温の圧力比で、窒素１００に対し酸素０〜１８を含む混合ガスを入れて平面容器３内を密閉する。ここで酸素０（ゼロ）というのは、前処理後に窒素（Ｎ２）のみを封じ込めて窒素プラズマを起こすと内壁に吸着された酸素（Ｏ）が叩き出されるため、酸素（Ｏ２）を入れなくてもよい場合があることを意味している。
【００１７】
次に、１２枚の分割電極１に１ｋｗ以下の位相制御１２出力交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。これにより、図１に示すように、バリア層２に覆われた分割電極１の表面に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマＰが生じる。
１２枚の分割電極１に１２相の交流電圧を印加すると、放電は１周期の間に分割電極１間を１回りするので、１秒間に放電が印加周波数だけ回転する。このため、どの時刻においても何れかの分割電極１間で放電が起こり、低周波の交流放電にも拘わらず高周波点灯のような連続放電が発生する。放電の結果生じたプラズマＰは、多極磁場によって狭くて薄い領域に閉じ込められ、電気的に中性な混合ガスのプラズマによる衝突励起が盛んになり、励起混合ガスからの発光密度と発光効率が高まる。
【００１８】
このときの発光スペクトルを図３に示す。Ｎ２、Ｏ２、Ａｒの混合ガスにプラズマ放電を起こすとＮ２の一部からＮが解離し、Ｏ２の一部からＯが解離し、このＮとＯから励起状態のＮＯができ、このＮＯが短波長域２００〜３００ｎｍに光を放出して基底状態のＮＯになり、さらにプラズマにより解離されＮとＯに戻る。ＮＯからの短波長域の放射強度は、Ｎ２に対するＯ２分圧（濃度）を調整することにより、変えることができる。また、放電によって寿命の長い準安定状態のＡｒが生成され、これがＮ２に作用してＮ２の放射スペクトルが中波長域３００〜４００ｎｍの紫外線放射を抑制する。窒素に対する酸素分圧（濃度）、及びこれら混合ガスに対するＡｒ分圧（濃度）を調整することによりＮＯからの短波長域の放射の相対強度比を変える。Ａｒは放電開始電圧を下げるので放電管の寿命を延ばせる。
【００１９】
実験により、一酸化窒素からの短波長域（200〜300nm）の紫外線放射強度は、前処理後に平面容器３内に封入すべき酸素量を窒素１００に対し酸素０〜１８まで変化させれば、中波長域との紫外線放射強度比を最小値から最大値まで変えられることが分かった。このときの最適な混合ガス圧力は０．２〜２Ｔｏｒｒである。また、窒素ガスからの中波長域（300〜400nm）の紫外線放射強度は、加えるアルゴン（Ａｒ）量を増やすと小さくなり、同時に放電開始電圧も小さくなることが分かった。
【００２０】
酸素（Ｏ２）ガスと窒素（Ｎ２）ガスの分圧比が１：６で全ガス圧力が０．５Ｔｏｒｒのとき、加えるアルゴン（Ａｒ）ガスが同量の場合、中波長域（300〜400nm）の紫外線成分はアルゴン（Ａｒ）ガス無添加時に比べて凡そ半分程度まで減少した。このとき、放電開始電圧は７００〜５００V程度まで減少した。加えるアルゴン（Ａｒ）ガスが２倍の場合、中波長域（300〜400nm）の紫外線成分はさらにその半分程度まで減少し、放電開始電圧は４５０V程度まで減少した。混合すべきアルゴン（Ａｒ）ガスの分圧の最適値は、酸素（Ｏ２）窒素（Ｎ２）ガスの合計分圧の１〜３倍であることが分かった。
【００２１】
以上により、酸素（Ｏ２）窒素（Ｎ２）及びアルゴン（Ａｒ）ガスの混合比を調整し、紫外線の短波長域（200〜300nm）及び中波長域（300〜400nm）の放射強度比を制御することで、空気中の酸素による光硬化阻害を抑制し、且つ塗布膜を表面から奥まで一様に効果できる省エネルギーの光硬化が実現できる。
【００２２】
一酸化窒素（ＮＯ）からの放射スペクトルは短い波長域200〜300nm（短波長域）にある。短波長域の紫外線は塗布膜表面の極く狭い領域に吸収され、エネルギー密度が高いので、空気中の酸素による光硬化阻害があってもこの領域の光硬化反応（架橋）は進み易い。
図４に示すように、塗布膜表面での光硬化反応が進むと、空気中の酸素は、この表面を通過して塗布膜の奥まで透過（拡散）し難くなる。即ち、短波長成分の紫外線の照射により、塗布膜表面域に空気中の酸素の透過（拡散）を抑制するバリア（図４の空気−塗布膜遮断層）が生成し、主成分である中波長域の紫外線による光硬化に対する酸素阻害が抑制され、短時間（３０秒程度）で塗布膜が光硬化する。Ｎ２に対するＯ２の濃度を調整することにより、ＮＯからの短波長域の放射強さを変えることができる。この短波長域の成分が強すぎると、塗布膜の表面域と内部での硬化した膜の性状が異なりよくない（表面域のみ固化すると表面に小さなしわができ塗布膜の透明度が落ちる）。短波長域の成分が弱いとなかなか硬化しない。
【００２３】
放電プラズマにおいてＮ２から放射される紫外線波長はＮＯに比べて長く、中波長域の紫外線は塗布膜の奥まで透過するので、塗布膜全体の光硬化をもたらす。短波長と中波長の強さの比率が適切であれば、塗布膜表層に空気中の酸素が侵入しないバリアを作りながら内部まで同じような性状で光硬化させることができるため、短時間且つ少ない消費電力で性状の良い光硬化が可能となる。
なお光硬化において中波長のＬＥＤと短波長のＬＥＤを組み合わせても同効であるが、放電管のほうがＬＥＤより低コストで製造できる。
【００２４】
次に、光強度を幅方向に調整可能な紫外線発生装置について説明する。
この紫外線発生装置を概念的に説明すると、図５のaに示すように、棒状（１２０ｃｍ、太さ１ｃｍ）の石英管８を複数本並べ、コンベアＣの上方にその進行方向とは直交する方向に設置し、被照射物Ｌを照射する。あるいは、図５のbに示すように、断面がアーチ状の容器Ｄ内壁の長さ方向に石英管８を複数本並べて、容器Ｄ内の被照射物Ｌを照射する。このように並べた各石英管８の光強度を中央より両端部を強くすると、被照射面の照度を幅方向で平均化できる。図５のaの例は被照射物が面積の広い平板状のものに適し、図５のbの例は、立体形状のものに適している。
【００２５】
図６、７は、光強度を幅方向に調整可能な紫外線発生装置の正面図と断面図を示す。
この紫外線発生装置は、磁気シールド板７でランプハウスLHを形成し、ランプハウスに石英管８をはめ込んで取り付け、ランプハウスの両端を固定具９に押し込んで石英管８を固定する。
【００２６】
石英管８の外側の半周にアルミをスパッタコーティングか蒸着して電極１を形成する。
この石英管８側の電極１面は鏡面のてめ、紫外線の反射面を兼ねている。この反射面は、放電プラズマ中心部にある一酸化窒素（ＮＯ）からの放射成分に対し有効に作用する。
理由は、放電プラズマ中で窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）から合成された一酸化窒素（ＮＯ）は紫外線を放射後、直ちに、放電プラズマにより窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）に解離し、エキシマランプと同様に自己吸収が無い（ＮＯからの放射を吸収するＮＯが存在しない）と考えられる。
その結果、放電プラズマの奥深くから放射され反射面に向かう紫外線はほとんど全て光取り出し側へ反射される。実際に、鏡面状のスパッタ電極１を使用した場合とそうでない場合では、ＮＯからの短波長域の成分は2倍以上変わった。
【００２７】
次に軟鉄にメッキした板を樋状に折り曲げて磁気シールド板７を形成し、その内側の谷折れ線７aを位置決めに利用することにより、定位置に磁石４をセットする。図８に、磁気シールド板の斜視図を示す。図８（ａ）は磁気シールド板７の中央部分で、同時に磁石４の極性の並べ方も示している。図８（ｂ）は磁気シールド板７両端部で、同時に磁石４の極性の並べ方も示している。
【００２８】
このセットの内側にバリア層（絶縁体）２を配したランプハウスLHに石英管８をはめ込むようにして取り付ける。取り付けると、図７に示すように、ランプハウスの給電プローブ１０に石英管８の電極１が電気的に接続状態となる。給電プローブ１０はφ２で、バネの力で電極の方向に突き出るようになっている。そうすることにより電極が複数でもランプハウスLHに石英管８をはめこむだけで、すべての電極に給電プローブを一挙に接続できる。電極１の厚さは１〜１０μｍで、バリア層２は０．１〜０．３ｍｍ、磁気シールド板７は０．８ｍｍである。また、磁石４は鉄・ネオジウム、ボロンでできている。
【００２９】
ここで電極１に放電電気エネルギーを供給すると、図１０に示すように、プラズマＰが発生し、磁石４の磁力線によってプラズマＰが閉じ込められる。
このとき、多相交流電源の位相差を、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、最初の等しく６０°からＶ１−Ｖ２＝１０５°、Ｖ２−Ｖ３＝６０°、Ｖ３−Ｖ４＝３０°、Ｖ４−Ｖ５＝６０°、Ｖ５−Ｖ６＝１０５°に変更すると、両端部の電極１間の電位差が中央部より大きくなり、両端部の光強度を中央部より簡単に強くできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施した光硬化用の紫外線発生装置の断面図である。
【図２】図１の電源接続図である。
【図３】紫外線の発光スペクトルを示す図である。
【図４】光硬化を説明する図である。
【図５】光強度を幅方向に調整可能な紫外線発生装置の概念的な説明図である。
【図６】光強度を幅方向に調整可能な紫外線発生装置の正面図である。
【図７】図６の拡大断面図である。
【図８】（a）は図６の中央部分、（b）はその両端部の斜視図である。
【図９】図６の電源接続図である。
【図１０】図７におけるプラズマ発生の様子を示す図である。
【図１１】図６の給電ベクトル図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 電極
２ バリア層
３ 平面容器
３１ 基板
３２ 光取り出し窓
４ 磁石
５ 磁気シールド板
６ １２相交流電源
７  磁気シールド板
８  石英管
９  固定具
１０  給電プローブ
ａ 間隙
Ｃ  コンベア
Ｄ  容器
Ｌ  被照射物
Ｐ プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014175227.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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