(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に希ガス及び水銀が封入され、内部両端にそれぞれ電極を備えた直管型発光管バルブから構成されると共に、該発光管バルブは、酸素欠損型欠陥を有する二酸化ケイ素から成り、その欠陥含有率が０．１重量％以上１重量％以下であり、透過率吸収端が、常温下では波長２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であり、高温下では長波長側へシフトする性質を持ち、８００℃では波長２３０ｎｍ以下である特性を有するドープド石英ガラスを用いることを特徴とする殺菌用紫外線ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に波長２５４ｎｍの紫外線を利用した食品包装材料・容器の表面殺菌等に用いられる紫外線ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長２５４ｎｍ（殺菌線）の紫外線を利用する殺菌方法は、有害物質が発生する危険性が無く、安全性の高い殺菌手段として近年特に利用が進んでいる。
【０００３】
しかし、発光管バルブの材料として普通石英を使用した紫外線ランプは、殺菌線の他に波長１８５ｎｍの紫外線も放射される為、空気中の酸素分子を解離して酸素原子を生成し、さらにこの酸素原子が酸素分子と結合してオゾンを生成する。オゾンは殺菌作用があるため、使用条件によっては有用であるが、紫外線処理装置の近くに人がいるような場合はその毒性が問題となる。さらに、オゾン濃度が０．１ｐｐｍ以上になると、人体に有害となるので、オゾン濃度を０．１ｐｐｍ以下に抑制する必要がある。
【０００４】
オゾン生成を防止する方法として、従来は発光管バルブにオゾンレス石英を使用したランプを用いる方法、あるいは発光管は普通石英を採用し、紫外線ランプを組み込んだ紫外線照射器の前面ガラスに酸化チタンがドープされたオゾンレス石英を用いる方法が挙げられる。この種の技術に関して記載された文献としては、例えば特許文献１がある。
【０００５】
しかし、オゾンレス石英を発光管バルブに採用した場合、点灯時の高温で該石英の透過率吸収端が長波長側にシフトする為、殺菌線周辺の波長領域、すなわち、波長２５０〜２７０ｎｍの領域における光透過率が低下するという問題がある。特に高圧放電ランプの場合、発光管外表面は動作時に約８００℃の高温になることが知られている。図３中の破線は、酸化チタンがドープされた従来のオゾンレス石英ガラスの８００℃における分光透過率曲線である。
【０００６】
一方、波長２００〜３００ｎｍの領域の光透過率を調整する手法として、発光管バルブ表面に薄膜コーティングを形成する方法もある。例えば特許文献２に記載の方法によれば、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）等の金属の酸化物とケイ素（Ｓｉ）酸化物との複合酸化物から成る薄膜コーティングを、ディップ法、蒸着法、ＣＶＤ法等を用いて表面に形成した基材は、この波長領域の光透過率を高い自由度で調整できるフィルターとして用いることができるとされている。
【０００７】
また、薄膜コーティングの場合は、光透過率の温度に対する波長シフト特性が物質がドープされた石英ガラスの場合と逆で、高温下では短波長側にシフトする特性を有する。この為、薄膜コーティングを構成する物質の組成を適宜選択すれば、波長２５０〜２７０ｎｍの領域における高い光透過率を確保できる可能性がある。
【０００８】
しかしながら、薄膜コーティングは、確かに、石英ガラス平板を基材に採用して形成される場合は高い耐熱衝撃性、耐磨耗性を示すが、ランプ発光管バルブのように、基材が単純でない形状を有する場合には、耐熱衝撃性、耐磨耗性が乏しいという問題があった。発光管バルブ１１の両端の湾曲した部位や、発光管封止の痕跡であるチップオフ部２１の周辺においては（図１参照）、どのコーティング手法を用いても、薄膜コーティングのクラックや剥離が起こり易い。また、ランプ製造時に、薄膜コーティングという余分な工程が加わる不利な側面もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１１５２８１号公報
【特許文献２】特開平９−１８４９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決し、オゾン生成の抑制と、波長２５０〜２７０ｎｍの領域の高い紫外線強度、の両立が可能であり、しかも長時間使用の場合でも高い紫外線強度が維持される殺菌用紫外線ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明者らは、高圧放電ランプの動作時に発光管バルブ表面が８００℃前後の高温になることを考慮して、このような高温下でも透過率吸収端が、殺菌線のある波長２５０〜２７０ｎｍの領域に掛からない特性を有するドープド石英ガラスを、高圧放電ランプの発光管バルブに用いることを想起した。ドープ物質には、この特性条件を満足する、酸化チタン以外の物質を材料として着目した。
【００１２】
そこで、請求項１記載の本発明の殺菌用紫外線ランプは、内部に希ガス及び水銀が封入され、内部両端にそれぞれ電極を備えた直管型発光管バルブから構成されると共に、該発光管バルブは、酸素欠損型欠陥を有する二酸化ケイ素から成り、その欠陥含有率が０．１重量％以上１重量％以下であり、透過率吸収端が、常温下では波長２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であり、高温下では長波長側へシフトする性質を持ち、８００℃では波長２３０ｎｍ以下である特性を有するドープド石英ガラスを用いることを特徴とする。
【００１３】
ここで、「透過率吸収端」とは、分光透過率曲線において紫外域の吸収帯の最も長波長側の傾斜の光透過率が５０％となる波長を指す。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の本発明によれば、発光管バルブ材料のドープド石英ガラスは、透過率吸収端が常温下では２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下、８００℃の高温下で２３０ｎｍ以下であり、波長１８５ｎｍ付近の紫外線を殆ど透過しないので、オゾン発生量を規定範囲内に抑制され、かつ殺菌に必要な波長２５４ｎｍの紫外線は８００℃の高温下でも従来よりも大幅に透過率が高い為、紫外線強度を１００００時間点灯後も確保することが可能な殺菌用紫外線ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の殺菌用紫外線ランプの外観概要図である。
【図２】発光管バルブ試料の常温下における分光透過率を示す図である。
【図３】発光管バルブ試料の８００℃における分光透過率を示す図である。
【図４】各仕様の発光管バルブを用いた紫外線ランプの分光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１はこの発明の殺菌用紫外線ランプの一実施形態について説明する為の外観概要図である。図１において、１１は、外径２３．３ｍｍのドープド石英ガラス製の発光管バルブである。このバルブ１１の両端には、先端がコイル状に巻回された構造を有する電極１２１と１２２をそれぞれバルブ内側に突出させ互いに対向配置する。電極１２１，１２２は、材料としてタングステン（Ｗ）を使用する。このうち少なくとも一方の電極には、タングステンに電子放射性物質を含有させる。
【００１７】
電極１２１，１２２は、それぞれ金属箔１４１，１４２の一端に溶着される。金属箔１４１，１４２の他端は、例えばモリブデン製の引出し線１５１，１５２の一端と電気的に接続する。電極１２１，１２２の溶接部から引出し線１５１，１５２の一端まで、シール管１３を加熱して溶融封止する。金属箔１４１，１４２は、シール管１３を形成する石英ガラスの熱膨張率に近い材料であれば何でもよいが、この条件に適ったものとして、例えば、モリブデンを使用する。バルブ１１内部には、例えば、１．３μｇ／ｍｍ３の水銀と２．７ｋＰａの圧力のアルゴンガスが封入される。
【００１８】
引出し線１５１，１５２の他端は、例えば、セラミック製の口金１６１，１６２の内部で電気的に接続された耐紫外線を有する、例えば、フッ素樹脂で被覆された電線１７１，１７２を介して図示しない電源回路に接続される。
こうして高圧水銀ランプである殺菌用紫外線ランプ１００が作製される。
【００１９】
ここで、発光管バルブの材質が、酸化チタンがドープされた従来のオゾンレス石英である以外は前記殺菌用紫外線ランプ１００と同じ仕様である、比較用の殺菌用紫外線ランプを別途用意し、紫外線ランプにおける発光管バルブ材質の違いによる、殺菌線付近の紫外線の発光強度の比較評価実験を行なった。
【００２０】
バルブ１１の仕様（材質）は次の２通りである。仕様１は本発明の実施例のドープド石英ガラス、仕様２は石英ガラスに酸化チタンを数％ドープさせた従来のオゾンレス石英ガラスである。仕様１のドープド石英ガラスは、純粋な石英ガラスの構成成分である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）におけるＳｉ−Ｏネットワークの一部に、酸素原子が欠損した状態（いわゆる酸素欠損型欠陥）を生成させた材料を用いる。その欠陥の含有率は、０．１重量％以上１重量％以下が好ましい。酸素欠損型欠陥を有する石英ガラスは、真空紫外域の紫外線により誘発される、いわゆるＥプライムセンターの構造の生成により、波長２００〜２５０ｎｍの紫外線を吸収するとされている。欠陥含有率を調整することで、この波長域での光透過率を所望の値となるようにすることができる。
【００２１】
本実験における各仕様のバルブの分光透過率曲線を、２０℃前後の常温については図２に、８００℃の高温については図３にそれぞれ示す。分光透過率曲線は、各バルブ試料の光透過率を分光光度計で測定して得られたものである。ここで、バルブ試料の光透過率とは、円筒状バルブを管軸に沿って切り出した半円筒状試料片について、バルブ表面に垂直に光を入射させて測定された光透過率を指す。光透過率の測定は、バルブ表面の塵、汚れ物質等の異物が除去された状態で行なった。
【００２２】
まず、図２に示す常温下での分光透過率曲線について見ると、仕様２のバルブは、光透過率は、２５０〜２６０ｎｍの波長領域でおよそ８０〜８５％、２６０ｎｍ以上の波長領域で８５％以上であるが、２５０ｎｍ以下では短波長側へ向かうにつれて急激に透過率が低下し、波長２２０ｎｍ付近で透過率が０％となっている。透過率吸収端は２３３ｎｍである。
【００２３】
これに対して、仕様１のバルブは、２５０〜２６０ｎｍの波長領域でおよそ８７〜９０％、２６０ｎｍ以上の波長領域で９０％以上であり、室温下でも従来のオゾンレス石英ガラスよりも光透過率が高く、また、２５０ｎｍ以下では短波長側へ向かうにつれて透過率が低下するが、従来のオゾンレス石英ガラスよりも光透過率が１０〜数１０％程度高くなっている。透過率吸収端は２１５ｎｍである。
【００２４】
次に、図３に示す８００℃の高温下での分光透過率曲線について見ると、まず、仕様１、仕様２とも、室温下に比べて長波長側にシフトを起こしている。仕様２は、２５０〜２６０ｎｍの波長領域で、短波長側へ向かうにつれて光透過率がおよそ５０％からおよそ２０％へと低下していき、２６０ｎｍ以上の波長領域でも、３００ｎｍ以上にならないと光透過率が９０％以上に達しない。２５０ｎｍ以下の波長領域でも、短波長側へ向かうにつれて、２２０ｎｍにおける０％に向けて光透過率が低下していく。透過率吸収端は２６０ｎｍである。
【００２５】
これに対して、仕様１のバルブは、２５０〜２６０ｎｍの波長領域で７７〜８３％、殺菌線（２５４ｎｍ）付近で８０％、３００ｎｍ以上で８８％以上の高い光透過率を有している。また、２５０ｎｍ以下の波長領域でも、短波長側へ向けた光透過率の低下も仕様２に比べて緩やかである。透過率吸収端は２２５ｎｍである。
【００２６】
次に、これら仕様１及び２の各バルブを用いて作製した紫外線ランプの評価結果について説明する。
図４は、各仕様のバルブを用いた紫外線ランプを専用点灯容器内でランプ電力１．６ｋＷにて点灯した時の、紫外域から可視域にかけての分光スペクトルを比較したものである。なお、発光強度は、純粋石英ガラス製バルブを用いて作製した紫外線ランプの、波長３６５ｎｍにおける発光強度を１００とした相対値で示している。
【００２７】
図４からも分かる通り、仕様１と２の分光スペクトルは３００ｎｍ以下の波長領域において相違が現われ、特に殺菌線付近においては、幅２０〜３０ｎｍの広い波長範囲にわたって仕様１のランプの発光強度が仕様２より高く、波長２５４ｎｍにおいてはおよそ２０数倍も高かった。
【００２８】
分光スペクトルにおけるこうした差異は、両仕様による紫外線ランプの殺菌性能にも表われている。仕様１、２それぞれ紫外線ランプを搭載した紫外線殺菌試験装置を用いて、プラスチック容器表面に紫外線照射を行い、照射後の指標菌の生存数を測定する殺菌試験を行なったところ、菌の生存数を照射前の１０−６に減少させる殺菌効果を得るのに、仕様２のランプではおよそ２０分の紫外線照射が必要であったが、仕様１のランプの場合は、４分の照射で十分であった。なお、オゾン発生濃度について比較すると、仕様１、２の紫外線ランプをそれぞれ搭載した紫外線照射装置の筐体内でのオゾン濃度を測定したところ、いずれも０．１ｐｐｍ以下であり、問題のない濃度レベルであった。また、波長２５４ｎｍにおける照度維持率の推移を比較したが、仕様１、２の紫外線ランプのいずれも、点灯時間１００００時間において照度維持率が９０％以上であった。
【００２９】
上記説明では、ドープド石英ガラスは、石英ガラス中に酸素欠損型欠陥を生成させた材料である例を挙げたが、本発明ではこれに限定される訳ではなく、ドープド石英ガラスの材料としてこの他に、純粋な石英ガラスの成分である二酸化ケイ素の一部を、透過率吸収端が室温下では波長２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であり、８００℃の高温下でも波長２３０ｎｍより長波長側に存在しない物質、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化二オブ（Ｎｂ２Ｏ３）等から成る金属酸化物の群から選択した少なくとも１種類に置き換えて作製した材料であってもよい。この金属酸化物の含有率は、０．１重量％〜１重量％が好ましい。或いは、石英ガラス中のＯＨ基含有率やフッ素含有率を適宜調整した材料を用いてもよい。
【００３０】
なお、酸化チタンは、近紫外域に強い吸収帯を有しており、含有率の制御による透過率の調整が難しく、石英ガラスに含有させる微量成分としては用いないのが好ましい。
【００３１】
要するに、本発明では、透過率吸収端が、常温下では２１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であり、高温下では長波長側へシフトする性質を持ち、８００℃では２３０ｎｍ以下であるドープド石英ガラスを材料に用いた発光管バルブにより作製した紫外線ランプであれば同様の効果がある。
【００３２】
８００℃の高温下での透過率吸収端の好ましい範囲の下限値を示していないのは、次の理由による。すなわち、高温下での長波長シフトの幅は、多くの場合、１０ｎｍ程度であるが、高温下での透過率吸収端の挙動は独立に規定される訳ではなく、室温下でのそれに影響されており、ドープド石英ガラスの材料に含まれる物質の種類や比率によって、５〜１５ｎｍと幅が多少異なり、また分光透過率曲線の傾斜の形態も多少異なるからである。
【００３３】
透過率吸収端が、常温下で２１０ｎｍ未満の場合は、１８５ｎｍにおける光透過率が無視できない大きさとなり、オゾン生成が起こる為好ましくない。また、透過率吸収端が常温下で２２０ｎｍ超の場合は、８００℃の高温下で透過率吸収端が２３０ｎｍを超えることとなり、殺菌線（２５４ｎｍ）付近の透過率が７０％程度ないしはそれ以下に低下し、従って、殺菌線の発光強度が十分でなくなり好ましくない。
なお、本発明では、高温下でのドープド石英ガラスの分光透過率特性は、８００℃で規定したが、これは、次の理由による。すなわち、当該ドープド石英ガラスを発光管材料とする紫外線ランプには、点灯時に８００℃を超える発光管表面温度に達するものもあるが、測定に使用する分光光度計の高温側の使用限界が９００℃程度であるためである。
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、生成するオゾンの濃度を規定内に押さえながら波長２５４ｎｍの紫外線強度を従来よりも飛躍的に高めることのできる紫外線ランプを提供することができる。また、発光管バルブ自体に光透過率調整機能がある材料からランプを製造できるので、薄膜コーティングのように、ランプ製造時に別途コーティング工程を設ける必要がない利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、食品包装材料・容器の表面殺菌等に用いる紫外線ランプに利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１００…紫外線ランプ
１１…発光管バルブ
１２１、１２２…電極
１３…シール管
１４１、１４２…金属箔
１５１、１５２…引出し線
１６１、１６２…口金
１７１、１７２…電線
２１…チップオフ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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