JP3648917B2 - 金属蒸気放電灯 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主に製版焼付用装置などの光化学反応用光源として使用される金属蒸気放電灯の寿命特性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に光化学用光源は、種々の産業に使用されている。例えば、印刷分野では感光性インキや樹脂を印刷物に塗り、これに紫外線（短波長の可視光線も作用する）を照射することで、インキや樹脂の化学反応を起こさせ、乾燥、硬化させて印刷するのに、光化学用光源が用いられている。更に、ポジフィルムを利用して、光の照射、未照射部を作り、感光剤にパターンを形成すると版ができるので、この原理を利用した製版焼付装置（殖版機と呼ばれている）が市販されているが、この殖版機の光源には、水冷式超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなど様々な光源が使用されている。その中でも光化学反応に有効な波長の光の放射効率が優れていることから、主にメタルハライドランプが使用されている。
【０００３】
光化学反応においては、感光剤の感度にあった波長の光を照射することが、効率を向上させる点で重要である。殖版機に用いられる被照射物には、アルミニウムの薄板に感光剤が塗布されたものが用いられ、感光剤は 350nm〜450nm の波長の光を吸収して光化学反応を起こすので、殖版機用メタルハライドランプには発光物質としてガリウムが封入され、 350nm〜450nm の光を効率よく放射するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では露光時間の短縮による製版工程の高速化並びに生産性の向上をねらって、紫外線出力の高出力化の要求が強くなっている。ランプから放射される紫外線の出力を大きくするには、従来と同じ負荷でランプを長くしてランプ電力を増大させれば容易に大きな紫外線出力が得られる。しかし、製版装置の場合には、ランプの発光長が長くなると、ポジフィルムにあたる斜入射光の角度が大きくなって感光剤に形成される像の縁がぼやける問題が発生する。そのため、製版装置用のランプの発光長は制約を受け、熱的な負荷が大きくなる。ランプの熱的な負荷を軽減させるため、発光管の径を太くすると、点灯初期の添加物の蒸発が緩慢になり、ランプの光出力の立ち上がり時間が遅くなる。したがって、一回の点灯時間が数秒から数十秒の製版工程においては、高速化・生産性の向上につながらない。
【０００５】
そこで、現実的にはランプは従来の大きさのまま、ランプに大きな電力を注入して紫外線出力を増大し、発光管の熱的な負荷は空冷による強制的な冷却手段がとられた殖版機が市販されている。しかしながら、このような構成の高出力のランプには、点灯中ランプのシール部にクラックが発生し、不点になるという問題があった。
【０００６】
本発明は従来の発光物質としてガリウムを用いた空冷式の高出力ランプにおける上記問題点を解決するためになされたもので、ランプのシール部へのヨウ化ガリウムの侵入を抑制することによって、ランプの寿命特性を改善した光化学用金属蒸気放電灯を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、石英ガラス製の発光管の両端に一対の電極を備え、該電極と外部導入線とをモリブデン箔を介して接続して、該発光管の端部で封着し、該発光管の内部に水銀，希ガス，ハロゲンと共にガリウムを封入し、冷却手段を用いて使用される金属蒸気放電灯において、前記発光管の端部表面を保温膜で被覆し、且つ該保温膜の周囲に接近させて保温壁を設けることにより達成される。
【０００８】
従来の高出力ランプにおけるシール部のクラックは、本件発明者の研究の結果、次のようなプロセスで起こることが判明した。すなわち、放電灯は発光管内に封入した添加物の発光を得るため、発光管内を外気と気密に保つ構造を有する。石英ガラス製の発光管においては、石英ガラスの膨脹係数が小さいことから、発光管の形成時に石英ガラスを溶融して、外圧をかけて石英ガラスとモリブデン箔を密着させる加工を施すため、どのランプにも僅かにシール部には歪みを持っている。特に電極心棒の周り部分、モリブデン箔のエッジ周辺部分等には構造上歪みが発生しやすい。但し、これらの歪みはランプのシール部のクラックを起こすほどの内部応力は有してはいない。
【０００９】
ところが、発光物質としてガリウムを発光管内に封入したランプにおいては、ガリウムがモリブデン箔と反応することによりシール部に新たな応力を発生することが有り、この応力とシール部の歪みに内在する応力が合わさると、ランプのシール部にクラックを起こす力となりうる。そして、ランプの点灯・消灯動作に伴う熱的なストレスの変化が引き金となって、合成応力が開放されたとき、シール部にクラックが発生する。
【００１０】
ガリウムによる応力の発生作用は、次のようにして起こることが判明した。まず、ヨウ化ガリウムは放電灯の点灯時にランプの最冷部であるカップ部から、電極と発光管を構成する石英ガラスの隙間を通って、封着によって電極とモリブデン箔の接続部の周囲に生じる隙間にたまる。ヨウ化ガリウムは 346℃以下で液体になるので、上述の隙間のうち特に、石英ガラスとモリブデン箔の封着部付近にたまる性質がある。ヨウ化ガリウムはモリブデン箔と反応することによってモリブデンガリウム化合物を作り、よう素は単体のＩ₂ となって昇華し、発光管の放電空間へと戻ってゆく。このような作用が繰り返されて、こうした箇所でモリブデンガリウム化合物が生成される。
【００１１】
石英ガラスとモリブデン箔の封着部付近では、更にガリウムとモリブデンの反応が進行すると、モリブデン箔の表面にモリブデンガリウム化合物の粒状結晶が析出してくる。このようにモリブデンガリウム化合物が形成されるまでは、モリブデン箔と石英ガラスは膨脹係数が等しく内部応力は発生しないが、モリブデンガリウム化合物の体積が大きくなるにつれて、内部応力が発生し次第に大きくなってゆく。
【００１２】
このような内部応力があっても、その力を開放するきっかけがなければ、シール部のクラックは起こらない。しかしながら、製版用に使用されるこの種の金属蒸気放電灯は、数秒から数十秒の点灯後、いったん消灯し、数十秒後に再度点灯するというように、点滅させて使用するケースが多い。この場合、シール部は約 200℃から 400℃にかけて急熱・急冷され、この熱的ストレスの大きな変化が引き金となって、歪みとして内在する内部応力とモリブデンガリウム化合物が新たに作る内部応力の合成応力がいっきに開放される。そして、シール部の石英ガラスが応力に耐えられなくなって、クラックを起こし、発光管の気密が保てなくなってしまう。
【００１３】
そこで本発明では、上記のように発光管端部を保温膜で被覆し、且つ保温膜の周囲に接近させて保温壁を設けるようにしたもので、これにより点滅動作時の最冷部の温度の低下を抑え、ヨウ化ガリウムの侵入・滞留を抑制し、ガリウムとモリブデンの反応を少なくして応力の発生を少なくし、それにより点灯、消灯を繰り返す動作条件にあっても、シール部の温度変化が少なくなるので、熱的なストレスの強弱の差が小さくなり、仮に内部応力が大きくなったとしても、クラックが発生する機会が極めて少なくなる。したがって、上述したランプシール部のクラックという問題が生じなくなり、安定した長寿命の金属蒸気放電灯を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係わる金属蒸気放電灯の実施の形態を示す断面図である。この実施の形態に係る金属蒸気放電灯は、石英ガラス製の発光管１の両端に、タングステン等の高融点金属からなる一対の電極２を備えている。そして発光管１には、水銀と希ガスとハロゲンとガリウムが封入されている。電極２にはモリブデン箔３の一端が接続されており、モリブデン箔３の他端には外接リード線４が接続されていて、発光管１の外部から電力が供給されると両端の電極間で放電し、水銀及びガリウムのハロゲン化物の蒸気がプラズマとなって励起し、主に 350nm〜450nm の光を放射するようになっている。
【００１５】
次に、発光管１の具体的な構成について説明する。発光管１の寸法は、内径が19mmで電極間距離は 232mmであり、 100mgの水銀，18mgのヨウ化水銀，５mgのガリウム，40,000Ｐa のキセノンガスが封入されている。電極２は、直径２mmのトリエーテッドタングステンの心棒に、直径 0.8mmのタングステンワイヤーが巻き付けられて構成されている。モリブデン箔３は、幅５mm，長さ20mm，厚さ35μｍの両端がナイフエッジ加工されたガラス封着用箔で、発光管端部の石英ガラスで封止されシール部を形成している。モリブデン箔３の他端には、直径２mmのタングステン製の外接リード線４が接合されている。
【００１６】
発光管１の両端部のカップ状の部分の表面には、酸化珪素，酸化アルミニウム，酸化ジルコニウムなどを主成分とする保温膜５が、電極２の先端に対応する部分からシール部にかけて被覆されている。保温膜５の形成部位は、放電アークを遮蔽して紫外線放射を妨げない部位から電極２とモリブデン箔３の接続部まで被覆する点に注意して形成されればよい。
【００１７】
そして、発光管１の端部のカップ部表面に設けた保温膜５を間隔をおいて囲むように保温壁６が配設されており、該保温壁６の端部は、発光管１のシール部の端部に設けたベース７に接合保持されている。保温壁６の材質は特には規定されないが、点灯中約 800℃になる発光管１の近傍に設置されるので、本実施の形態においてはステアタイト製とし、同じくステアタイト製のベース７に無機系接着剤で接合されている。本実施の形態における保温壁６の寸法は，内径25mm，外径30mm，長さ30mmである。
【００１８】
このように構成された本実施の形態に係る金属蒸気放電灯は、両端の外接リード線４に安定器を介して電力が供給されて点灯される。ランプの安定点灯時には、ランプ電力６ｋＷ，ランプ電圧 400Ｖ，ランプ電流16Ａで点灯される。このとき、ランプの熱的負荷が大きく、冷却手段を講じないと発光管１の温度は1200℃に達する。この温度は石英ガラスの軟化温度であり、発光管１の形状を保てなくなるので、図１に示すように、送風装置の送風口８から風９を吹き付けて発光管１の温度を約 800℃に保つようにしている。
【００１９】
次に、本発明に係る金属蒸気放電灯の作用効果を確認するために行った寿命試験等について説明する。この寿命試験等には、上記実施の形態で示したものと同じ構成のものと、これと対比するために、保温膜及び保温壁を設けない従来例のランプと、従来例のランプに保温膜のみ設けた比較例１と、従来例のランプに保温壁のみ設けた比較例２を、それぞれ10本ずつ試作した。そして、これらの４種類の金属蒸気放電灯に対して、上記実施の形態で述べたと同様な点灯態様で、20秒点灯30秒消灯の繰り返しで点灯回数100000回の寿命試験を行った。その寿命試験の結果、従来例のランプには10本中３本にクラックが確認されたが、本発明によるランプにはクラックは発生しなかった。また、比較例１及び比較例２では、それぞれ10本中１本にクラックが生じた。
【００２０】
図２は、寿命試験中における本発明によるランプと従来例のランプのシール部の温度変化を示す図で、曲線ａが本発明によるランプの温度変化を、曲線ｂが従来例のランプの温度変化を示している。ランプが点灯すると、シール部の温度は上がり、消灯すると温度は下がる。このとき、従来例のランプでは保温壁が設けられていないので、冷却風が直接シール部に当たり温度は急激に変化するため、点灯時と消灯時の温度差は 200℃と大きい。一方、本発明によるランプは、シール部が保温壁で囲われているため、冷却風が直接シール部に当たらず、温度の低下は従来例に比べてなだらかである。
【００２１】
更に、寿命試験を行ったランプについて、シール部に侵入したガリウムを分析した結果を、寿命試験時のシール部温度の測定結果と共に表１に示す。このガリウムの分析は、ランプからシール部（モリブデン箔と電極の接合部）だけを切り取って、金属成分を硝酸で溶解し、その溶液濃度を発光分析法で定量し、ガリウムの存在量を調査したものである。なお、各ランプの寿命試験時のシール部温度の測定値において、Ｔmax.は最高温度を示し、Ｔmin.は最低温度を示す。またΔＴは、最高温度と最低温度の差であり、温度の単位はいずれも摂氏である。
【００２２】
【表１】

【００２３】
ガリウムの分析結果を比較検討すると、まず従来例と比較例２は保温膜がないためガリウムの侵入量は大きく、発光管に添加した量の約10％にもおよぶ。本発明によるランプではガリウムの侵入量は２μｇであり、従来例のランプに比べてきわめて小さい。これは、シール部の最低温度が高いため、ヨウ化ガリウムの侵入を抑制しているものと考えられる。同様な傾向が比較例１にも見られているが、比較例１には保温壁がないため最低温度が低く、本発明によるものに比べてガリウムの侵入量は１桁多い。
【００２４】
比較例１は、分析結果から明らかなように、従来例に対してガリウムの侵入量が少なくなっており、新たな内部応力の発生は小さいといえるが、シール部の温度差が大きいため、寿命試験で明らかなようにクラックに至ることがある。したがって、クラックの発生防止には十分ではない。また比較例２は、ガリウムの侵入量としては従来例とほぼ同等で、新たな内部応力の発生が大きいと考えられる。しかしながら、寿命試験中のシール部の温度変化が小さいため、合成された内部応力が開放される機会が少ない。但し、寿命試験で明らかなようにクラックに至ることがある。したがって、クラックの発生防止には十分ではない。
【００２５】
以上の実験結果をまとめると、次の通りである。金属蒸気放電灯を点灯させると、封入されている水銀やガリウムはハロゲン化物の蒸気となって放電プラズマ中で解離し、励起して水銀やガリウム固有のスペクトルの光を放射するが、製版の露光操作に用いる場合のように、点灯・消灯を繰り返す動作を行わせると、従来例のランプではヨウ化ガリウムの一部は発光管の最冷部にたまり、次第に電極とモリブデン箔の接合部付近の空隙にたまるが、本発明に係る金属蒸気放電灯では、発光管の最冷部温度を 350℃以上に保持することができるので、空隙部にヨウ化ガリウムがたまらない。そのためガリウムはモリブデンと反応せず、化合物を作らないのでシール部に新たな応力が発生しない。また、点灯・消灯を繰り返す操作においてシール部の温度変化が小さく、熱的なストレスの強弱の差異が小さいので、ランプのシール部のクラックといった問題が発生しなくなることが確認された。
【００２６】
【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、発光管端部を保温膜で被覆し、且つ該保温膜の周囲に近接させて保温壁を設けているので、発光管の最冷部の温度の低下を抑えヨウ化ガリウムの侵入・滞留を抑制し、ガリウムとモリブデンの反応を低減して応力の発生を少なくし、更に点灯・消灯を繰り返す動作条件によってもシール部の温度変化が少なくなり、仮に内部応力が大きくなったとしても、熱的なストレスの強弱の差が小さくクラックの発生機会が極めて少なくなる。したがって、ランプのシール部のクラックの発生という問題が回避され、安定した長寿命の金属蒸気放電灯を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属蒸気放電灯の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る金属蒸気放電灯及び従来例の寿命試験時のシール部の温度変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 電極
３ モリブデン箔
４ 外接リード線
５ 保温膜
６ 保温壁
７ ベース
８ 送風口

Claims (1)

1. 石英ガラス製の発光管の両端に一対の電極を備え、該電極と外部導入線とをモリブデン箔を介して接続して、該発光管の端部で封着し、該発光管の内部に水銀，希ガス，ハロゲンと共にガリウムを封入し、冷却手段を用いて使用される金属蒸気放電灯において、前記発光管の端部表面を保温膜で被覆し、且つ該保温膜の周囲に近接させて保温壁を備えたことを特徴とする金属蒸気放電灯。

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