JP2004335359A

JP2004335359A - 希ガス蛍光ランプおよび希ガス蛍光ランプ装置

Info

Publication number: JP2004335359A
Application number: JP2003131786A
Authority: JP
Inventors: Masaki Inoue; 正樹井上; Yoshihiro Kanehata; 祥寛金端
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】ランプ寿命における光量低下が少なく、ＣＩＳ方式に対応するコンパクトな希ガス蛍光ランプおよび希ガス蛍光ランプ装置を簡便に提供すること。
【解決手段】直管状のガラスバルブの管壁に一対の電極が管軸方向に沿って対向配置され、該ガラスバルブの内壁には蛍光体層が配設された希ガス蛍光ランプにおいて、該ガラスバルブが酸化カリウム・酸化バリウム・酸化珪素（Ｋ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２）からなる基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスからなり、封入希ガスがキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するキセノン（Ｘｅ）の封入割合は２０〜８０％であることを特徴とする希ガス蛍光ランプとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スキャナーや複写機の原稿読み取り用光源に使用される希ガス蛍光ランプおよび希ガス蛍光ランプ装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、スキャナーや複写機の読み取り方式としてＣＩＳ（密着型イメージセンサ）方式が開発され、多くのスキャナー、複写機に使用されている。この密着型イメージセンサはそれまで主に使用されてきたＣＣＤ方式と比較して、レンズやミラー等の縮小光学系を使用しないためコンパクトな構成となる。図５にその概略配置図を示す。このため、光源としてもＣＣＤ方式のときよりコンパクトなものが要求され、例えば５００ｎｍ近傍にピークを持つ窒化炭素系の発光ダイオード（ＬＥＤ）を線状に配列したＬＥＤアレイが採用されてきている。ＬＥＤの特徴は、光量立ち上がりの早さ、光量の周囲環境安定性の良さ、近赤外域に発光スペクトルのピークが無い等がある。図５において、ＬＥＤアレイ７０，７１から出た光が原稿面Ｆで反射しロッドレンズアレイ９０に入り、ロッドレンズアレイ９０から出た光を密着型イメージセンサ（ＣＩＳ）８０で受ける。しかしながら、スキャナー、複写機のカラー化、高速化にともないＬＥＤでは十分な光量を得ることはできなくなってきた。
【０００３】
ところで、スキャナー、複写機のカラー化、高速化に対応する光量を得られる光源としては、細管の希ガス蛍光ランプも開発されている。この光源はＣＩＳ方式に対応するコンパクトな光源ともなる。しかし、この希ガス蛍光ランプは近赤外域に発光スペクトルをもつ。そのため、読取り用光源として使用するに当たっては、近赤外域に感度をもつＣＩＳが赤外線に応答し、読み取り精度を低下させるので、ＣＩＳの前面に赤外カットフィルターを具備する必要がある。
【０００４】
このため、赤外光をカットすることがランプ自体で可能であれば、ＣＩＳユニット装置のコスト削減、および、構造の簡略化等のメリットが生じる。ランプ側で、赤外光をカットする工夫としては、例えば、特許文献１には蛍光ランプの外周に被覆された樹脂製絶縁部材に赤外線吸収部材又は反射部材を混入又は被着した構成が提案されている。しかし、この技術においては、ランプ点灯時のガラスバルブの昇温により、樹脂が熱劣化し、寿命における光量低下の原因となる。また、特許文献２にはスパッタリングまたはディッピングにより赤外反射膜を直接ランプのガラスバルブにコーティングする技術が開示されている。しかし、コーティングの場合はバルブ管軸方向の膜厚が不均一になることが起きる。
【０００５】
特許文献３には、封入ガスとしてキセノン（Ｘｅ）分圧６．５〜１７．３ｋＰａ、ネオン（Ｎｅ）のＸｅ分圧に対する封入割合を２０〜４５％とした外部電極式希ガス放電灯では赤外線放射量を低減させ、ＯＡ機器用読み取り光源として利用できると記載されている。しかしながら、近時のＣＩＳ方式の原稿読み取り光源としては十分に赤外線放射量を低減させることができなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１８８９０９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５６９２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１８４３６１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、累積点灯時間１０００時間で初期光量の８０％以上で規定されるランプ寿命まで光量低下が少なく、ＣＩＳ方式に対応するコンパクトな読み取り用光源および読取り用光源装置を簡便に提供することに有る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、直管状のガラスバルブの管壁に一対の電極が管軸方向に沿って対向配置されており、該ガラスバルブの内部には希ガスが封入され、該ガラスバルブの内壁には蛍光体層が配設された希ガス蛍光ランプにおいて、該ガラスバルブが酸化カリウム・酸化バリウム・酸化珪素（Ｋ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２）からなる基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスかならり、封入希ガスがキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するキセノン（Ｘｅ）の封入割合は２０〜８０％であり、交流のパルス電圧を印加されて点灯されることを特徴とする希ガス蛍光ランプとするものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、少なくとも一方の電極がガラスバルブの内壁に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の希ガス蛍光ランプとするものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の希ガス蛍光ランプと、該希ガス蛍光ランプに交流のパルス電圧を印加して該希ガス蛍光ランプを点灯する点灯装置とからなる希ガス蛍光ランプ装置とするものである。
【００１１】
【作用】
ガラスバルブ材料が酸化カリウム・酸化バリウム・酸化珪素（Ｋ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２）からなる基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスである。このカリ・バリウムガラスは波長４００ｎｍ〜６００ｎｍの可視域の光の透過率が約６０％以上有り、波長１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの近赤外域の光の透過率が３％以下という特性を有する。図６にカリ・バリウムガラスの透過率曲線を示す。
【００１２】
また、封入希ガスがキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するＸｅの封入割合は２０〜８０％であることにより放射する光の赤外強度を数十％低減する。
【００１３】
そして、交流のパルス波形の電圧を印加されることで、赤外域の発光を極めて大きく抑えることが可能となる。本願でいう交流のパルス波形の電圧とはその電圧波形が、特開平６−１６３００６号公報の図３、図４、図５に見られる電圧波形や特開２００１−１６０４９７号の図４に見られるような、電圧立ち上がり時に尖状電圧部分を有する矩形波パルス電圧波形、特許第３２７７７８８号公報の図１や図７に見られるような、一周期内の唯一の最大ピークを有する波形の電圧が０のときの幅をＷ０としたとき、該Ｗ０の幅を電圧波形の繰り返し周期ｔに対して２Ｗ０＜ｔとした繰り返し波形を有する電圧波形である電圧のことをいう。
【００１４】
また、少なくとも一方の電極がガラスバルブの内壁に配置されているとガラスバルブ外壁に一対の電極を有する希ガス蛍光ランプにくらべ、ガラスバルブを介しての誘電体障壁放電の電圧を下げることができる。
【００１５】
【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、図２、図３は本発明の希ガス蛍光ランプ１の管軸方向に垂直な面での断面図を示す。図１はＫ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラス製のガラスバルブ２の外壁に導電性ペーストからなり、透光性を有し、印刷により形成された一対の電極３、３’が配設されている。
その電極３、３’の外周に絶縁体層６が配設されている。放電空間７に面したガラスバルブ２の内壁にはアパーチャ部５を形成するように一部を除いてＬＡＰ（ＬａＰＯ_４；Ｃｅ，Ｔｂ）、ＹＥＢ（（Ｙ，Ｇｄ，Ｅｕ）ＢＯ_３）、ＢＡＭ（ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７；Ｅｕ）等の蛍光体が配設されている。なお、図４は図１に示した希ガス蛍光ランプの一部断面図を示す。
【００１６】
図２は一方の電極１０’をガラスバルブ内壁に配設し、他方の電極１０をガラスバルブ２の外壁に配設した希ガス蛍光ランプ１である。
【００１７】
図３は一対の電極１１、１１’の両方ともガラスバルブ２の内壁に配設した希ガス蛍光ランプ１である。
【００１８】
本発明にかかる希ガス蛍光ランプはガラスバルブを誘電体障壁とした誘電体障壁放電をする。図２、図３に示した構造の希ガス蛍光ランプとすると、１対の電極がガラスバルブの外壁にある希ガス蛍光ランプにくらべ、電極間に存在するガラスバルブの厚みを薄くすることができ、印加電圧を下げる（例えば２００Ｖ〜３００Ｖ下げる）ことができる。
【００１９】
封入ガスはＸｅとＮｅの混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するＸｅの封入割合は２０〜８０％である。
【００２０】
図７は希ガス蛍光ランプ１とパルス電圧を印加する点灯装置２０からなる希ガス蛍光ランプ装置の例を示す図である。ここでは電圧立ち上がり時に尖状電圧部分を有する交流パルス電圧波形である矩形波パルス電圧波形を印加する点灯装置１００を示して説明する。同図において、ＤＣ電圧源の電圧Ｖｉは外部より供給されるものとしている。ＤＣ電圧源にはコンデンサ５１が装荷された上で、チョークコイル５２を介してＦＥＴ等を利用したスイッチ素子５３に接続される。スイッチ素子５３がオン状態からオフ状態に遷移したときに、チョークコイル５２に発生する誘導電圧は、昇圧されたＤＣ電圧Ｖｊとしてダイオード１４を介して平滑コンデサ１５に蓄えられる。因みに、チョークコイル５２、スイッチ素子５３、ダイオード１４、平滑コンデンサ１５よりなるチョッパ回路は、昇圧型チョッパ回路と呼ばれる。
【００２１】
ＦＥＴ等を利用したスイッチ素子１６，１７、昇圧トランス１８より構成されるインバータ回路はプッシュプル方式で構成されており、チョッパ回路出力電圧Ｖｊは昇圧トランス１８の１次側の中点タップに接続される。ここで、昇圧トランス１８は、ランプ印加電圧の変化速度について、放電開始直前から、放電開始後の尖頭電圧値に達するまでの期間において、エキシマ生成の効率低下を来たさないような急峻さを有するものを用いる。
【００２２】
ＰＷＭ制御回路１９内で生成されたパルス幅変調された制御信号はトランジスタ２０，２１、抵抗器２２，２３等からなるインバータゲート信号発生回路に入力され、これによりインバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬが生成される。インバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬは、それぞれ抵抗器２４，２５等を介して、インバータ回路用スイッチ素子１６，１７のゲート端子に入力される。
【００２３】
一方、チョッパゲート信号発生回路は、ダイオード２６，２７、抵抗器２８よりなる信号加算器を用いて構成され、これに前記インバータ回路用ゲート信号ＧＵ，ＧＬが入力されることにより、チョッパ回路用ゲート信号Ｇｃが生成される。チョッパ回路用ゲート信号Ｇｃは、トランジスタ２９，３０よりなるバッファ回路、コンデンサ３１と抵抗器３２よりなる微分回路、抵抗器３３を介して、チョッパ回路用スイッチ素子５３のゲート端子に入力される。
この図７の回路による電圧波形の例を図８に示す。
【００２４】
次に、本発明のランプの効果を示す実験結果について説明する。本発明のランプと組み合わせて使用されるＣＩＳの読み取り精度により、ランプ側に必要な性能として赤外発光強度／可視発光強度の比、具体的には８００〜１０００ｎｍの波長域の最大ピーク強度を５４４ｎｍの波長でのピーク強度）の値は５％以下である。これは、原稿読み取りにおける赤外域の発光成分の許容限度を示すものである。
【００２５】
ランプ点灯波形、放電用ガスの全封入圧、Ｘｅ封入割合、ガラス管材質を変えた時の赤外発光強度／可視発光強度の比を図９に示す。図中、Ｘｅ：Ｎｅの数値は、ＸｅガスとＮｅガスの封入割合を示す。ここで赤外発光強度は８２８ｎｍ、または８８２ｎｍの波長でのピーク強度、可視発光強度は５４４ｎｍの波長でのピーク強度である。希ガス蛍光ランプは図１に示した構成であり、ガラス管の外径はφ５、全長は３６０ｍｍである。全封入圧は７．９８ｋＰａ〜９３ｋＰａ、Ｘｅの封入割合は２０％〜１００％で変化させた。
【００２６】
まず、近赤外域の光を透過する従来から使用されているバリウムガラスからなる従来の希ガスランプに正弦波電圧を印加して点灯させたとき（図中では正弦波点灯と表記）の赤外発光強度／可視発光強度の比について評価を行った。その結果をグラフＡに示す。Ｘｅ封入割合は３０％であり、全封入圧を１７．３ｋＰａ、２６．６ｋＰａ、３５．４ｋＰａ、５３．２ｋＰａ、６２．０ｋＰａまで変化させた。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。その結果、赤外発光強度／可視発光強度の比は１７．３ｋＰａのとき２５％、６２．０ｋＰａのとき２３％であり、赤外域の発光成分の許容限度５％を大きく超えるものであった。
【００２７】
次に、上記ランプに図７で示した回路にて図８に示した交流パルス電圧を印加して点灯させた。このときの全封入圧は１７．３ｋＰａ、２６．６ｋＰａ、３５．４ｋＰａ、５３．２ｋＰａ、６２．０ｋＰａまで変化させた。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。Ｘｅの封入割合は３０％である。その結果をグラフＢで示す。交流パルス点灯の赤外発光強度／可視発光強度の比は正弦波点灯のものより約８％程度減少し、赤外発光強度の減少に交流パルス点灯を用いることが効果的であることが分かる。
【００２８】
しかしながら、上記結果はいずれも赤外発光強度／可視発光強度の比はＣＩＳ方式における赤外域発光成分の許容限度の５％を大きく超えるものであった。上記の図９のＡ、Ｂのグラフで示した結果は特許文献３の技術を使用して、点灯波形を正弦波あるいは交流パルス点灯とした場合の結果に相当するものである。
【００２９】
次に、ガラスバルブ材料がＫ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスを用いて赤外域の発光成分の減少を調べた。グラフＣ〜グラフＧは、カリ・バリウムガラスを用いた希ガス蛍光ランプにおいて、図７で示した回路にて図８に示した交流パルス電圧を印加して点灯させた結果である。
【００３０】
グラフＣはＸｅを１００％封入した希ガス蛍光ランプの結果である。このときの全封入圧は７．９８ｋＰａ、１０．６ｋＰａ、１３．３ｋＰａ、１６．０ｋＰａ、１８．６ｋＰａまで変化させた。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。この場合は、赤外域の発光成分の減少は大きいが、全封入ガス圧を１８．６ｋＰａとしても未だ赤外発光強度／可視発光強度の比は赤外域の発光成分の許容限度５％には達しなかった。
【００３１】
グラフＤの結果はＸｅの封入比率が８０％で、全封入圧は９．９８ｋＰａ、１３．３ｋＰａ、１５ｋＰａ、１６．６ｋＰａ、２０ｋＰａ、２３．２ｋＰａまで変化させたものである。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。この結果から、全封入圧が１５ｋＰａ以上であれば、カリ・バリウムガラスを用いた希ガス蛍光ランプにおいて、図７で示した回路にて図８に示した交流パルス電圧を印加して点灯させた結果、赤外発光強度／可視発光強度の比は赤外域の発光成分の許容限度５％以下を達成したことを示している。
【００３２】
グラフＥはＸｅの封入比率が５０％で、全封入圧は１６ｋＰａ、２１．３ｋＰａ、２６．６ｋＰａ、３１．９ｋＰａ、３７．２ｋＰａまで変化させたものである。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。
【００３３】
グラフＦはＸｅの封入比率が２０％で、全封入圧は２６．６ｋＰａ、３５．４ｋＰａ、４４．３ｋＰａ、５３．２ｋＰａ、６２ｋＰａまで変化させたものである。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。
【００３４】
グラフＧはＸｅの封入比率が３０％で、全封入圧は３９．９ｋＰａ、５３．２ｋＰａ、６６．５ｋＰａ、７９．８ｋＰａ、９３．１ｋＰａまで変化させたものである。グラフ上の点が左から夫々前記圧力に対応する。
【００３５】
全封入圧が１５ｋＰａ〜９３ｋＰａで、全封入圧に対するＸｅの封入割合は２０〜５０％の範囲において、図７で示した回路にて図８に示した交流パルス電圧を印加して点灯させた結果、赤外発光強度／可視発光強度の比は赤外域の発光成分の許容限度５％以下を達成したことを示している。
【００３６】
次に、図１０にガラスバルブにＫ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスを用いた本発明の希ガス蛍光ランプの光量維持率の測定結果を示す。光量維持率は初期の光量を１００％として相対強度の変化で示した。比較例として樹脂製の赤外カットフィルターをガラスバルブ外周に被着し赤外域の波長の光を低減した希ガス蛍光ランプ、そして、赤外域の波長の光を低減する効果の無い、Ｆｅ−Ｎｉ合金を混入していないバリウムガラス製ガラスバルブの希ガス蛍光ランプの光量維持率も示した。
【００３７】
点灯時間１０００時間での各ランプの光量維持率は、それぞれ、ガラスバルブ材料がＫ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスを用いたランプの光量維持率は８６％、樹脂フィルタータイプは６５％、赤外カット効果の無いバリウムガラスのランプは８４％であった。樹脂フィルタータイプは赤外域の波長の光を低減する基材が樹脂であるため、ランプの発熱から樹脂基材が劣化し、基材が変色することによって可視域の光量低下となっている。一方、ガラスバルブ材料がＫ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスを用いた希ガス蛍光ランプは赤外域の波長の光を低減する基材をガラスとしたため、ランプの発熱による基材劣化は無く、光量維持率は赤外域の波長の光を低減する効果の無いバリウムガラスを使用した希ガス蛍光ランプの光量維持率と同等以上の性能であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１に記載の発明によれば、直管状のガラスバルブの管壁に一対の電極が管軸方向に沿って対向配置されており、ガラスバルブの内部には希ガスが封入され、ガラスバルブの内壁には蛍光体層が配設された希ガス蛍光ランプにおいて、ガラスバルブが酸化カリウム・酸化バリウム・酸化珪素（Ｋ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２）からなる基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスからなり、封入希ガスがキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するキセノン（Ｘｅ）の封入割合は２０〜８０％とした希ガス蛍光ランプとすることで、希ガス蛍光ランプから放射する光の赤外強度を数十％低減することができる。
【００３９】
そして、請求項２に記載の発明では、少なくとも一方の電極がガラスバルブの内壁に配置されているとガラスバルブ外壁に一対の電極を有する希ガス蛍光ランプにくらべ、ガラスバルブを介しての誘電体障壁放電の電圧を下げることができる。
【００４０】
さらに、請求項３に記載の発明では、請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の希ガス蛍光ランプと、該希ガス蛍光ランプに交流パルス電圧を印加して該希ガス蛍光ランプを点灯する点灯装置とを組合わせた希ガス蛍光ランプ装置とすることで、特にＣＩＳ方式の原稿読み取りに際し、赤外域の発光を極めて大きく抑えた希ガス蛍光ランプ装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の希ガス蛍光ランプの一例の管軸方向に垂直な面での断面図を示す。
【図２】本発明の希ガス蛍光ランプの一例の管軸方向に垂直な面での断面図を示す。
【図３】本発明の希ガス蛍光ランプの一例の管軸方向に垂直な面での断面図を示す。
【図４】本発明の希ガス蛍光ランプの一例の管軸方向に沿った部分断面図を示す。
【図５】ＣＩＳ方式の光学系の概略図を示す。
【図６】カリ・バリウムガラスの透過率曲線の一例を示す。
【図７】希ガス蛍光ランプと交流パルス電圧を印加する点灯装置からなる希ガス蛍光ランプ装置の例を示す図である。
【図８】図７の回路でランプに印加される交流パルス電圧の一例を示す。
【図９】本発明の希ガス蛍光ランプの効果を示す実験例を示す。
【図１０】本発明の希ガス蛍光ランプの光量維持率改善効果を示す実験例を示す。
【符号の説明】
１希ガス蛍光ランプ
２ガラスバルブ
３、３’ 電極
４蛍光体層
５アパーチャ部
６絶縁体層
７放電空間
１０、１０’ 電極
１１、１１’ 電極
１２絶縁体層
１３絶縁体層
１５平滑ダイオード
１６、１７インバータ回路用スイッチング素子
１８昇圧トランス
１９ＰＷＭ制御回路
５１コンデンサ
５２チョークコイル
５３チョッパ回路用スイッチ素子
７０、７１ＬＥＤアレイ
Ｆ原稿面
８０密着型イメージセンサ（ＣＩＳ）
９０ロッドレンズアレイ
１００点灯装置

Claims

直管状のガラスバルブの管壁に一対の電極が管軸方向に沿って対向配置されており、該ガラスバルブの内部には希ガスが封入され、該ガラスバルブの内壁には蛍光体層が配設された希ガス蛍光ランプにおいて、
該ガラスバルブが酸化カリウム・酸化バリウム・酸化珪素（Ｋ_２０・ＢａＯ・ＳｉＯ_２）からなる基材に２価の鉄イオンを混入したカリ・バリウムガラスからなり、封入希ガスがキセノン（Ｘｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスであり、全封入圧は１５ｋＰａ〜９３ｋＰａであり、全封入圧に対するキセノン（Ｘｅ）の封入割合は２０〜８０％であり、交流のパルス電圧を印加されて点灯されることを特徴とする希ガス蛍光ランプ。
少なくとも一方の電極がガラスバルブの内壁に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の希ガス蛍光ランプ。
請求項１または請求項２の何れかに記載の希ガス蛍光ランプと、該希ガス蛍光ランプに交流のパルス電圧を印加して該希ガス蛍光ランプを点灯する点灯装置とからなる希ガス蛍光ランプ装置。