(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の内部両端に備えた電極を、２本の熱陰極支持柱に両端を固定した熱陰極と、前記熱陰極支持柱の一方に固定され且つ熱陰極よりも放電空間に突き出して配設した陽極とで構成した低圧水銀蒸気放電灯に、同一の放電電力供給電源から矩形波交流電力並びに前記熱陰極予熱電流を供給して前記低圧水銀蒸気放電灯を点灯する放電灯点灯装置であって、前記熱陰極に予熱電流を流すための別電源を用いずに、該放電灯点灯中正極が印加される電極の陽極で受けた放電電子を熱陰極を通して該熱陰極の予熱電流として流すように構成されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
前記放電電力供給電源の出力端子間に、中間に前記低圧水銀蒸気放電灯の一端側の熱陰極を介して接続した直列接続の２個のスイッチング素子と、同様に前記電源の出力端子間に、中間に前記放電灯の他端側の熱陰極を介して接続した直列接続の２個のスイッチング素子とを有し、前記２組の２個のスイッチング素子の直列回路が並列に接続され、放電灯始動時に前記２組の直列接続の２個のスイッチング素子をそれぞれ導通させて熱陰極に予熱電流を流すように構成されていることを特徴とする請求項１に係る放電灯点灯装置。
【請求項３】
前記低圧水銀蒸気放電灯の電極は、始動時の予熱電流が、前記放電灯の陽極が接続されていない側の熱陰極支持柱から熱陰極を介して、陽極が接続されている側の熱陰極支持柱へ流れる向きに前記放電電力供給電源に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に係る放電灯点灯装置。
【請求項４】
前記低圧水銀蒸気放電灯の熱陰極は、点灯時の放電電流をＩＬ，陽極から熱陰極を介して流れる電流をＩｆ，点灯時の熱陰極の温度をＴｆ（℃）とするとき、      0.3 ≦Ｉｆ／ＩＬ＜１，及び５００≦Ｔｆ≦１２００
を満足するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る放電灯点灯装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に係る放電灯点灯装置を備えた紫外線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、 185nm及び254nm の短波長紫外線を利用して殺菌や光改質等を行う低圧水銀蒸気放電灯の放電灯点灯装置、及びそれを用いた紫外線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
254nmや185nm などの短波長紫外線を効率よく放射する光源として、低圧水銀蒸気放電灯が用いられている。この低圧水銀蒸気放電灯を用いた紫外線照射装置は、空気、水、食品等の殺菌分野、光改質の原理を応用した有機物分解、オゾン洗浄、光アッシング等の半導体製造関連において利用されてきている。
【０００３】
これらの分野では、上記紫外線作用による処理の高速化のため、低圧水銀蒸気放電灯の高出力化が求められている。この高出力タイプの放電灯は、放電電流密度を上げて出力を増加させているため、点灯中発光管内部の温度が上昇し、水銀蒸気圧が過剰になり、水銀原子の自己吸収が起こり、上記短波長の発光効率が著しく低下する。そのため、発光管の一部を冷却して、水銀蒸気圧を制御するようにしている。
【０００４】
また、発光管内に電流密度を 1.0〜5.0 Ａ／cm2 の電流が流れるため、点灯中に熱陰極に塗布された、バリウム，ストロンチウム，カルシウムの三元酸化物で構成される電子放射物質の電子衝突による損耗が激しい。このため、陽極を設け、放電電子が熱陰極に衝突するのを防ぐ手段がとられている。更に、始動時から熱陰極を常時予熱し、電子放射物質の仕事関数を低下させ、熱陰極から熱電子を多量に供給する方法が用いられている。
【０００５】
従来、熱陰極を予熱する方法としては、別個に設けた低周波トランスにより交流電源から熱陰極予熱電力を提供する方法や、放電灯点灯装置用の各種高周波トランスに熱陰極予熱用の巻線を別途設け電力を供給する方法の他、放電灯点灯装置内に付加的に低圧直流電源回路を構成するなど別電源を用いる方法が取られてきた。
【０００６】
また、陽極と熱陰極の役目を分離し、一端側の常時予熱された熱陰極と他端側の陽極との間で交互に極性を反転させて放電する方法が行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように熱陰極を常時予熱点灯する場合、放電電力供給電源の他に熱陰極を予熱するための別電源が設けられており、予熱電力供給用のトランスが増えたり、既存のトランスに予熱用巻線を増やすことによりトランスが大きくなったり、別電源回路を構成するために電子部品点数が増えるなどして、点灯装置が大型化し、その分コストも大きくなるという欠点があった。
【０００８】
また、放電灯側では、陽極と熱陰極を分離する場合、熱陰極を通電予熱するため２本、陽極用の１本の計３本のリード線をステムを介して導出する構造になり、電極及びステム加工が複雑になるという欠点があった。
【０００９】
本発明は、従来の放電灯点灯装置及びそれを用いた紫外線照射装置における上記問題点を解消するためになされたもので、別個の熱陰極の予熱電力供給電源を必要とせず、常時熱陰極を適正な温度に予熱することができる簡易な電極構造をもち且つ発光管両端の電極をそれぞれ２本のリード線とした低圧水銀蒸気放電灯の点灯装置と、それを用いた紫外線照射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、発光管の内部両端に備えた電極を、２本の熱陰極支持柱に両端を固定した熱陰極と、前記熱陰極支持柱の一方に固定され且つ熱陰極よりも放電空間に突き出して配設した陽極とで構成した低圧水銀蒸気放電灯に、同一の放電電力供給電源から矩形波交流電力並びに前記熱陰極予熱電流を供給して前記低圧水銀蒸気放電灯を点灯する放電灯点灯装置であって、前記熱陰極に予熱電流を流すための別電源を用いずに、該放電灯点灯中正極が印加される電極の陽極で受けた放電電子を熱陰極を通して該熱陰極の予熱電流として流すようにして放電灯点灯装置を構成するものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る放電灯点灯装置において、前記放電電力供給電源の出力端子間に、中間に前記低圧水銀蒸気放電灯の一端側の熱陰極を介して接続した直列接続の２個のスイッチング素子と、同様に前記電源の出力端子間に、中間に前記放電灯の他端側の熱陰極を介して接続した直列接続の２個のスイッチング素子とを有し、前記２組の２個のスイッチング素子の直列回路が並列に接続され、放電灯始動時に前記２組の直列接続の２個のスイッチング素子をそれぞれ導通させて熱陰極に予熱電流を流すように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る放電灯点灯装置において、前記低圧水銀蒸気放電灯の電極は、始動時の予熱電流が、前記放電灯の陽極が接続されていない側の熱陰極支持柱から熱陰極を介して、陽極が接続されている側の熱陰極支持柱へ流れる向きに前記放電電力供給電源に接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る放電灯点灯装置において、前記低圧水銀蒸気放電灯の熱陰極は、点灯時の放電電流をＩＬ，陽極から熱陰極を介して流れる電流をＩｆ，点灯時の熱陰極の温度をＴｆ（℃）とするとき、0.3 ≦Ｉｆ／ＩＬ＜１，及び５００≦Ｔｆ≦１２００を満足するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に係る放電灯点灯装置を備えて紫外線照射装置を構成するものである。
【００１５】
このように構成した放電灯点灯装置及び紫外線照射装置においては、低圧水銀蒸気放電灯は２本のリード線をもつ簡易な電極構造を有し、点灯時正極が印加される電極の陽極で受けた放電電子を熱陰極を通して流し、熱陰極には常時予熱電流が流れるようになっているので、別個の熱陰極の予熱電力供給電源を必要としない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る放電灯点灯装置及び紫外線照射装置の実施の形態を示す概略構成図である。図１において、１は低圧水銀蒸気放電灯で、２は外径約18mm，発光長約 640mmの合成石英製の発光管で、その両端には電極３，４を備えており、その内部には約20mgの水銀と約300 パスカルのアルゴンガスが封入されている。各電極３，４は、両端を２本の熱陰極支持柱で支持された熱陰極３−１，４−１と、前記熱陰極支持柱の一方に溶接して固定され、前記熱陰極３−１，４−１よりも放電空間に突き出して配設された外径約13mmの円筒状の陽極３−２，４−２とで、それぞれ構成されている。そして、各熱陰極支持柱には、それぞれ外接リード線５，６，７，８が接続され、外部に引き出されている。また発光管２の外側端部には、点灯時に水銀蒸気圧を制御するためのアルミニウム等からなる冷却ブロック９が設けられている。
【００１７】
このように構成されている低圧水銀蒸気放電灯１は、出力波形が矩形波の放電灯点灯装置10で点灯されるようになっている。すなわち、この放電灯点灯装置10は、放電電力供給電源15と、その出力を矩形波交流に変換する４つのスイッチング素子11，12，13，14からなるインバータ部と、該インバータ部の各スイッチング素子の制御を行うための制御部16とで構成されている。インバータ部を構成するスイッチング素子11，12は、低圧水銀蒸気放電灯１を構成する発光管２の一端側の電極３の熱陰極３−１を介して直列に接続されており、また同じくスイッチング素子13，14は、他端側の電極４の熱陰極４−１を介して直列に接続され、これらの２組の直列スイッチング素子回路が放電電力供給電源15に接続されている。ここで、各電極３，４における陽極３−２，４−２が固定されている熱陰極支持柱に接続されている外接リード線６，８に、放電電力供給電源15の負極側に接続されているスイッチング素子12，14を接続するように構成されている。また、各スイッチング素子11，12，13，14の各制御端子は制御部16からの制御信号により駆動され、所定のＯＮ，ＯＦＦ動作を行うようになっている。放電電力供給電源15は、商用交流電源17から電力を受け、前記低圧水銀蒸気放電灯１の点灯を維持するための所定の電流を出力する他に、始動時には前記放電灯が放電を開始するため必要な電圧を出力する電子制御された直流電源で構成されている。そして、上記低圧水銀蒸気放電灯１とその点灯装置10とで紫外線照射装置を構成している。
【００１８】
次に、このように構成されている放電灯点灯装置及び紫外線照射装置の動作について説明する。まず始動時においては、熱陰極予熱動作として、制御部16からの制御信号により、スイッチング素子12，14を所定時間（数秒間）を導通させ、その間にそれらとそれぞれ直列接続されているスイッチング素子11，13を 100〜400 Ｈz 程度の所定の周波数で交互に導通及び非導通の動作を繰り返させる。このようなスイッチング動作により、スイッチング素子11の導通時には、熱陰極３−１には放電電力供給電源15の短絡電流にほぼ近い値の電流が流れ、一方スイッチング素子13の導通時には、熱陰極４−１に放電電力供給電源15の短絡電流にほぼ近い値の電流が流れる。その結果、電極３，４の熱陰極３−１，４−１には、それぞれ図２で示される波形の電流Ｉf3，Ｉf4が流れ、予熱がなされる。
【００１９】
この状態を数秒間維持した後、制御部16の制御により、スイッチング素子11に同期してスイッチング素子14の導通、非導通の動作を開始させ、これらのスイッチング素子11，14の導通、非導通の動作と交互に、スイッチング素子13と同期してスイッチング素子12の導通、非導通の動作を開始させる。この動作が開始すると、低圧水銀蒸気放電灯１には矩形波形の無負荷始動電圧が印加され、放電灯の両端電極３，４間で絶縁破壊が起こり放電に至る。この時の各スイッチング素子11，12，13，14の導通、非導通の態様を図３に示す。
【００２０】
スイッチング素子11，12，13，14は、放電灯の始動点灯後も前述の如く、スイッチング素子11，14が導通でスイッチング素子12，13が非導通、次にスイッチング素子11，14が非導通でスイッチング素子12，13が導通という動作を交互に繰り返し、放電灯に矩形波交流電力を供給し続け、点灯状態が維持される。この際、予熱された熱陰極から放出された熱電子は、電界により正極側へ移動し、陽極又は陽極以外の電極を構成している金属部分に捕らえられ、電源15の正極側に接続されているスイッチング素子11又は13を介して電源15の正極へ流れる。この中、陽極で捕らえられた電子は、熱陰極３−１又は４−１を通して電源15の正極へ流れるため、この電流が熱陰極３−１，４−１の予熱電流となる。この時、熱陰極３−１，４−１に流れる電流Ｉf3′，Ｉf4′の波形を図４に示す。なお、ここでスイッチング素子11又は13の非導通時にも僅かに電流が流れているのは、負極が印加されているとき、熱陰極３−１，４−１から放出される熱電子は熱陰極全体に亘って放出され、熱陰極には僅かながら電圧降下が生じるからである。
【００２１】
ところで、本発明においては、点灯時の低圧水銀蒸気放電灯の放電電流（ランプ電流）をＩＬとし陽極から熱陰極を介して流れる電流（フィラメント電流）をＩｆとしたとき、Ｉｆ／ＩＬの値を次式（１）を満たすように設定している。
0.3 ≦Ｉｆ／ＩＬ＜１  ・・・・・・・・・・（１）
この設定理由は、次の通りである。すなわち、ランプ電流ＩＬは、陽極から熱陰極を介して流れるフィラメント電流Ｉｆと、熱陰極を支持している支持柱自体に捕らえられた熱電子による支持柱電流Ｉs とを加えたものとなるが、熱陰極の抵抗値Ｒｆを大きくするとフィラメント電流Ｉｆが小さくなり、支持柱への熱電子の流入が大きくなって支持柱電流Ｉs が大きくなる。そして、Ｉｆ／ＩＬが0.3 未満になると、支持柱への直接的なスパッタリング等の影響が大きくなり、支持柱の劣化及び発光管の黒化の原因となる。そこで、本発明においては、Ｉｆ／ＩＬを、0.3 ≦Ｉｆ／ＩＬ＜１の範囲に設定するものである。なお、ランプ電流ＩＬはフィラメント電流Ｉｆと支持柱電流Ｉs とを加えたものであるので、Ｉｆ／ＩＬの値は１未満となる。
【００２２】
一方、熱陰極の温度は、熱陰極に流れる電流値と熱陰極の抵抗値及び形状の設計によって決まるが、点灯時の熱陰極の温度Ｔｆ（℃）は、次式（２）で示す範囲内の時に安定した点灯を維持し、電子放射物質の損耗が小さく、長寿命となることが実験により判っている。
５００≦Ｔf ≦１２００  ・・・・・・・（２）
【００２３】
したがって、熱陰極の設計は、点灯時陽極から熱陰極を介して流れる電流Ｉｆと放電電流ＩＬとの比が（１）式で示される範囲の値で、且つ熱陰極の温度Ｔｆが（２）式に示される温度となるように設計することにより、熱陰極上に塗布された電子放射物質の仕事関数を低下させ、熱陰極から熱電子を多量に供給し、安定した放電を維持すると共に長寿命化を図ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、簡単な電極構造で点灯時熱陰極に予熱電流を流すことができ、したがって熱陰極の予熱電力供給回路及び予熱電源を付加する必要がなくなる。また、（１）式及び（２）式を満たすように熱陰極を設計することにより、適正な熱陰極の温度を維持することができ、安定した放電を維持すると共に長寿命の低圧水銀蒸気放電灯用の放電灯点灯装置及び、それを用いた紫外線照射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る放電灯点灯装置及びそれを用いた紫外線照射装置の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】  図１に示した実施の形態の低圧水銀蒸気放電灯の熱陰極に流れる始動時の予熱電流波形を示す図である。
【図３】  図１に示した実施の形態におけるインバータ部を構成する各スイッチング素子の導通、非導通態様を示す図である。
【図４】  図１に示した実施の形態の低圧水銀蒸気放電灯の熱陰極に流れる点灯時の予熱電流波形を示す図である。
【符号の説明】
１  低圧水銀蒸気放電灯
２  合成石英製発光管
３，４  電極
３−１，４−１  熱陰極
３−２，４−２  陽極
５，６，７，８  外接リード線
９  冷却ブロック
10  放電灯点灯装置
11，12，13，14  スイッチング素子
15  放電電力供給電源
16  制御部
17  交流電源
【図１】
0004280841.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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