JP2008311119A - 紫外線放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】遮風部材により管端部の過冷却を防ぐとともに、シール部の冷却も確実に行うことができ、またシール部の熱容量を従来に比べて大きくすることない紫外線放電ランプを提供すること。
【解決手段】遮風部材をシール部ではなくベースに固定して管端部を保温するとともに、遮光部材の、シール部に相当する位置には、冷却風が入ってくる方向と冷却風が排気される方向に貫通孔を設け、シール部を冷却するための冷却風の通風路を確保する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線を放射する放電ランプに関する。

紫外線を放射する放電ランプを用い、樹脂、接着剤、塗料、インク、フォトレジスト等に対して紫外線を照射し、硬化、乾燥、溶融あるいは軟化といったさまざまな処理を行うことが、各分野で幅広く行われている。

図５は、上記の目的に使用される、従来の棒状の紫外線放電ランプの構成の一例を示す図である。
同図に示すように、紫外線放電ランプは、大きくは、封体と呼ばれるガラス（石英）管内に一対の電極１ａが設けられた管本体部分と、管内部の電極１ａと外部の電極（リード線）5とをつなぐための金属箔（例えばモリブデン箔）１ｃが、埋設されたシール部Ｃとから構成されている。
シール部Ｃは、封体の石英を加熱し金属箔との間に空間（隙間）を残さないように封止して構成されている
そして、封体内には、水銀を始めとした一種もしくは複数種の金属が封入されている。

シール部Ｃの両端（ランプの長手方向の両外側）にはセラミックス製または金属製のベース１ｂが取付けられており、このベース１ｂから、外部の電極（リード線）5を介して電極１ａに電力が引き込まれる。
また、ランプを光照射器に取り付ける際には、光照射器に設けられたランプ保持部材が、このベース１ｂの部分を保持する。

管本体部分は、電極１ａ間である封体発光部Ａと、管径が徐々に細くなって封体発光部Ａとシール部Ｃをつなぐ管端部Ｂからなる。
本願において管端部Ｂとは、電極１ａの先端の部分から、シール部Cの、石英により金属箔１ｃが封止された部分の、電極１ａ側先端までの領域のことを言う。上記したように、シール部Ｃは金属箔が石英により封止された部分であり、内部には空間が存在しない部分である。これに対し、管端部Ｂは、封体発光部Ａとシール部Ｃとの間の、空間が存在する部分を言う。

点灯時は、一対の電極１ａ間で放電が起き、管内に封入されている水銀を始めとする金属が蒸発し、該金属特有のスペクトルを発光する。この時、封体発光部Ａは発光領域になり、管端部Ｂは非発光領域となる。

このような紫外線放電ランプは、一例をあげれば、定格１８ｋＷものであって、電極１ａ間距離は約１１００ｍｍ、内容積が約４００ｃｍ^３の封体内部に鉄、ヨウ化水銀、水銀などが封入されて、波長２２０ｎｍ〜４００ｎｍの光を放射する。このような複数種の金属を含むガスが封入された棒状の紫外線放電ランプとして例えば特許文献１がある。

図６は、上記した従来の棒状の紫外線放電ランプを用いた光照射器の構成の一例を示す図であり、同図は、ランプの長手方向に対して直交する方向からの断面図である。
１はランプ、２はランプハウスと呼ばれる灯具、２ａは断面が楕円形状である樋状のミラー、２ｂは風洞、２ｃは隔壁、２ｄは冷却風の吸い込み孔、３は吸引ファン、４はダクトである。

同図に示すように、光照射器は、ランプ１と、該ランプ１を収納するランプハウス２とを備え、ランプハウス２には、内部に冷却風を取り込むための吸引ファン３が、ダクト４を介して取り付けられている。

吸引ファン３が動作することにより、外部からランプハウス２内に冷却風が吸引され、棒状のランプ１の長手方向に直交するように冷却風が流れ、ランプ１およびミラー２ａを冷却する。ランプ１およびミラー２ａを冷却した冷却風は、隔壁２ｃに設けられたエアの吸い込み孔２ｄから風洞２ｂに引き込まれ、ダクト４から排気される。

ランプ１は、断面が楕円形状を持つ樋状のミラー２ａの第１焦点に配置されており、上記ランプ１から放射される紫外線は、上記ミラー２ａの第２焦点付近に配置された被照射体Ｗ上に集光されて照射される。

図５に戻り、紫外線放電ランプにおいては、ランプ点灯時の封体発光部Ａおよび管端部Ｂとシール部Ｃの最適温度はそれぞれ異なる。各部の最適温度は、同図に示すように、封体発光部Ａおよび管端部Ｂは５５０℃〜９００℃である。
一方、シール部Ｃは、温度はできるだけ低いことが好ましく、上限の温度が決められている。上限温度はランプの種類（封入物や電力の違い）によって異なるが、おおむね３００℃〜４００℃以下である。

ランプは処理時間短縮のため入力が大きくなる傾向があり、上記に例示した入力の大きなランプの場合、点灯時には自身の発生する熱により温度が高くなる。したがって、上記した各部がそれぞれ適切な温度になるようにランプを冷却する必要がある。
例えば、封体発光部Ａおよび管端部Ｂは、温度が９００℃以上になると、管の材料である石英が再結晶化して白濁（失透）し、封体発光部Ａからの光の透過率が悪くなり、照度の低下やランプの変形が生じる場合がある。

また、シール部Ｃは、金属（モリブデン）箔と外部の電極（リード線）5が接続される部分の温度が上限（３００℃〜４００℃）を超えると、モリブデン箔１ｃの外気に接している部分が酸化し、箔切れによるランプの不点灯といった問題が発生する。したがって、封体発光部Ａやシール部Ｃには十分な量の冷却風を与え冷却する必要がある。

一方、冷却風が多すぎて、封体発光部Ａや管端部Ｂの温度が５５０℃以下になると、管内の蒸発している水銀やその他の金属が、温度が低くなった部分に吸い寄せられるように集まり、封体発光部Ａの金属成分の割合が変化する。
そのため、発光スペクトルの分布（発光分光分布）が正常に点灯している場合と変わったり、ランプが消えてしまったりする。このような現象を過冷却と呼ぶ。
したがって、ランプ点灯時は、ランプの上記各部分の温度が適切になるように、冷却風量を調整する必要がある。

ところが、封体発光部Ａの温度を９００℃以下に、かつシール部Ｃを上限（３００℃〜４００℃）以下に保持されるように冷却風量を調整すると、両者の間にある管端部Ｂの温度が５５０℃以下になりやすく、特に電極１ａがモリブデン箔１ｃと接合される付近の温度が低くなって、電極１ａの後端とシール部Ｃの先端（石英により封止されている部分の電極側先端）との間にあるわずかな隙間に金属が入り込んで溜まり、過冷却の原因となるという問題があった。
そこで、この問題を防ぐために、特許文献２においては、紫外線ランプの管端部に遮風部材Ｄを設けることが示されている。

特許公報第２８９５３４０号 特開２００５−１１７４０公報

特許文献２の記載によれば、紫外線放電ランプに設ける遮風部材Dは、シール部Cの封体に固定されて支持されている。
しかし、シール部Cに遮風部材Dを固定すると、従来に比べてシール部Cの熱容量が大きくなり、シール部Cを適正に冷却する冷却条件が変化してしまう。
そのため、遮風部材Dをシール部Cに取付けると、適切な冷却条件、例えば冷却風の風量や風速を、再度実験等により求めて設定しなおす必要がある。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであって、本発明の目的は、遮風部材により管端部の過冷却を防ぐとともに、シール部の冷却も確実に行うことができ、またシール部の熱容量を従来に比べて大きくすることない紫外線放電ランプを提供することである。

上記課題解決するため、本発明においては、遮風部材をシール部ではなくベースに固定する。
しかし、ベースに遮光部材を固定すると、そのままではシール部に冷却風が当たらなくなるで、遮光部材のシール部に相当する位置に２ヶ所の通風口を形成し、シール部を冷却するための冷却風の通風路を確保する。

なお、シール部の金属箔の冷却を効率よく行なうためには、２ヶ所の通風口を結ぶ方向と金属箔の平面とが平行になるように構成することが望ましい。

本発明においては、遮風部材がベースに固定されているので、シール部の熱容量が従来に比べて変化しない。
したがって、ランプの冷却条件を再度求めなおす必要がなくなり、従来と同様の冷却条件でランプを冷却しつつ、管端部の過冷却を防ぐことができる。

それに加えて遮風部材のシール部に相当する位置には通風口が設けられ、通風路が形成されているので、シール部を適切に冷却することができる。
また、２ヶ所の通風口を結ぶ方向とシール部の金属箔の平面とを平行にすることにより、金属箔を効率よく冷却し、外気と接触する部分の酸化を防ぐことができる。

図１（ａ）は、本発明の紫外線放電ランプの構成を示す図である。ランプに対する冷却風は、同図において、下側から上側に向かって、ランプの長手方向に対して直交するように供給される。
紫外線ランプ１の両側には、管端部Ｂを覆う円筒上の遮風部材Ｄが設けられている。
図１（ｃ）は、遮風部材Ｄの斜視図であり、遮風部材Ｄは封体発光部Ａと同心で、ランプの長手方向に直角方向の断面は円形である。

遮風部材Ｄは厚さ約２ｍｍの、ランプ１の封体と同じ材質のガラスであり、一方がベース１ｂにセラミック系の接着剤Ｓにより固定されている。
他方、遮風部材Ｄの封体発光部Ａ側は、封体に対し１ｍｍ弱の隙間ｄを有して開放されている。遮風部材Ｄと封体との間に隙間ｄを持たせるのは、遮風部材Ｄが封体に接触すると、接触している部分の温度が低下し、発光の条件を異ならせる可能性があるためである。

また、遮風部材Dのシール部Ｃに相当する部分には、冷却風に対向する側とその反対側に貫通孔である通風口６１，６２が形成されている。
即ち、冷却風に対向する側に形成した貫通孔は冷却風取り入れ用の通風口（冷却風取り入れ口）６１となり、また、その反対側に形成した貫通孔は冷却風排気用の通風口（冷却風排気口）６２となり、シール部Ｃに対し冷却風の通風路が確保され、シール部Ｃは確実に冷却される。
なお、遮風部材Ｄの冷却風排気用の通風口６２は、図１（ｂ）に示すように、溝（スリット）形状であっても良い。

図２は、本発明の紫外線ランプの管端部Ｂ付近の拡大図であり、図２（ａ）は、冷却風取り入れ口６１側から見た断面図であり、図２（ｂ）は冷却風取り入れ口６１と冷却風排気口６２を結ぶ方向に沿った断面図である。なお、同図においては、図面が煩雑になるのを防ぐために、ベース１ｂを点線で示している。
同図に示すように、電極１ａは２枚のモリブデン箔１ｃにより挟まれて接合されている。なお、定格電力の大きなランプの場合、電極１ａは太く重くなるので、管端部Ｂにおいて、ビーズと呼ばれる部材により支持されることもあるが、本図では、このビーズ部材は省略して示している。

一方、２枚のモリブデン箔１ｃは、シール部Ｃにおいて、両箔間にガラス部材１１を挟んで両側から空間を残さないように封着され、ランプの外部に出ている。
そして、この外部に出ている２枚のモリブデン箔１ｃが外部電極（リード線）5と接合される。このモリブデン箔１ｃと外部電極（リード線）5の接合部分は、ベース１ｂにより覆われており、リード線５はベース１ｂの側面から外に出ている。
なお、本実施例では、２枚のモリブデン箔１ｃを使用する構造を示したが、モリブデン箔は１枚であっても良い。

ランプは電極１ａの先端間の放電により発光するので、放射される光を妨げないように、遮風部材Ｄは、電極１ａ先端より内側（発光部側）にかからないようにすることが望ましい。
一方、電極１ａ先端より外側（非発光部側）の管端部Ｂは、放電が生じていないので温度が低くなりやすく、遮風部材Ｄを設ける必要がある。

特に、上記したように、電極１ａがモリブデン箔１ｃと接合される付近は、棒状の電極を平面状のモリブデン箔と接合するのであるから、構造的に空間（隙間）が生じやすい。そのため、図２（ａ）に示すように、電極１ａの後端とシール部Ｃの先端（石英により封止されている部分の電極側先端）との間には小さな空間（隙間）１２が形成される。
そして、この隙間１２は、封体発光部Ａから遠いことから温度が低くなりやすく、封体内の金属が冷えて溜まりやすい。それに加えて、いったんこの隙間に入り込んだ金属は温度が上がらないので再蒸発しにくい。
したがって、遮風部材Dは、電極１ａとモリブデン箔１ｃを接合する付近、即ち、電極１ａの後端とシール部Ｃの先端（石英により封止されている部分の電極側先端）との間の隙間１２を確実に遮風し保温するように形成する。

また、シール部Ｃに冷却風を供給するために遮風部材Ｄに形成する冷却風取り入れ口６１と冷却風排気口６２は、シール部Ｃのモリブデン箔１ｃの電極１ａ側端から、遮風部材Ｄをベース１ｂと接着する部分までの間に設ける。
ただし、冷却風取り入れ口６１は、シール部Ｃの先端（石英により封止されている部分の電極側先端）のぎりぎりまで開口していると、上記した確実に保温したい電極１ａの後端とシール部Ｃの先端との間にある隙間１２に冷却風が当たることが考えられる。

そのため、冷却風取り入れ口６１は、隙間１２に冷却風が当たらないように（隙間１２の温度が下がらないように）、シール部Ｃの途中からベース１ｂ側に向かって形成する。
また、冷却風取り入れ口６１と冷却風排気口６２を結ぶ方向と、モリブデン箔の平面とは、両者が平行になるように構成する。これはモリブデン箔１ｃが１枚で構成されたランプでも同様である。このように構成することで、冷却風がモリブデン箔１ｃの平面に沿って流れるので、できるだけ温度を低くしたいモリブデン箔１ｃが効率よく冷却される。

なお、冷却風取り入れ口６１と冷却風排気口６２は、両者が同じ大きさ形状である必要はない。
上記したように、冷却風取り入れ口６１は、電極１ａとモリブデン箔１ｃの接合部付近に冷却風が当たることがないように、その大きさや形状を設計しなければならない

また、冷却風排気口６２の開口は、冷却風の流れを妨げないために、冷却風取り入れ口６１よりも大きくても良い。
また、その形状は、上記したように、貫通孔ではなく、封体発光部Ａからベース１ｂに向かって形成された溝（スリット）状の開口でも良い。

遮風部材Ｄの材質は、放電ランプの封体と同じ材質のガラスを使用することもできるが、絶縁性であることが望ましい。
遮風部材の材質が導電性である場合、遮風部材はランプ内部の電極と接近するため、ランプ点灯時に電極と遮風部材との間で放電し、電流が遮風部材からランプハウスに流れて地絡（グランドに対してショートすること）を起こす場合があるからである。
遮風部材として用いることができる絶縁性部材として、例えばセラミックスがあげられる。上記したように、管端部は非発光領域であるので、不透明な材料を用いても問題はない。

図３に、本発明の紫外線放電ランプを光照射器に取り付けた図を示す。同図は、ランプの長手方向に沿った方向からの断面図である。なお、リード線５は省略している。
図６と同様に、１は棒状の紫外線放電ランプ、２はランプハウス、２ａは樋状のミラー、２ｂは風洞、２ｃは隔壁、２ｄは冷却風の吸い込み孔、３は吸引ファン、４はダクトであり、ランプハウス２の上部には、ダクト４を介して吸引ファン３が設けられている。

吸引ファン３が動作することにより、外部からランプハウス２内に冷却風が吸引され、棒状のランプ1の長手方向に直交するように冷却風が流れ、ランプ１およびミラー２ａを冷却する。
ランプ１およびミラー２ａを冷却した冷却風は、隔壁２ｃに設けられたエアの吸い込み孔２ｄから風洞２ｂに引き込まれ、ダクト４から排気される。

封体発光部Ａには冷却風が吹き付けられて冷却されるが、管端部Ｂは、取り付けられた遮風部材Ｄにより、冷却風が直接吹きつけられることがなく、保温される。
遮風部材Ｄは冷却されて温度が低くなるが、遮風部材Ｄと管端部Ｂの封体には隙間が設けられているので、この隙間に存在する空気層の保温効果により、管端部Ｂの熱は遮風部材Ｄには伝わらず温度が下がらない。したがって管端部Ｂ過冷却が防止される。

また、遮風部材Ｄのシール部Ｃに相当する部分には冷却風の通風路が形成されているので、シール部Ｃの冷却は、遮風部材Ｄにより影響されることなく従来どおり行なうことができる。

図４に、本発明の遮風部材を取付けた場合と、取付けない従来の場合の、紫外線ランプの各部の温度を示す。
なお、このランプは上記した、定格１８ｋＷ、電極１ａ間距離は約１１００ｍｍ、内容積約４００ｃｍ^３、封体内部に鉄、ヨウ化水銀、水銀などを封入したものであって、温度測定時の入力電力は１３０Ｗ／ｃｍである。
温度の測定点は、管端部Ｂの径の太い電極先端付近（径太部）、管端部Ｂの管径が細くなった部分（径細部）、電極１ａとモリブデン箔の接合部、およびシール部Ｃの４箇所の封体の表面である。それぞれ、封体の表面に熱電対を接着して温度測定を行った。

同図に示されるとおり、遮光部材Ｄを設けない従来の場合、電極１ａとモリブデン箔１ｃの接合部の温度が４７７℃と、５５０℃以下であったものが、遮光部材Ｄを設けることによって６２９℃と温度が上昇し、この部分に金属が溜まるのを防ぐことができる。
一方、シール部Ｃの温度は、遮光部材Ｄを設けると３０２℃と、従来の２４０℃よりも高くなる。しかし、実際に酸化の可能性があるのは、この測定位置よりも、さらに発光部から離れたランプの長手方向両端の、外部のリード線と接合される部分であるので、この温度よりも数十度低くなると考えられ、この程度の温度であれば問題ない。

本発明の紫外線放電ランプの構成を示す図である。 本発明の紫外線放電ランプの管端部付近の拡大図である。 本発明の紫外線放電ランプを用いた光照射器の構成を示す図である。 紫外線放電ランプの各部の測定温度を示す図である。 従来の紫外線放電ランプの構成を示す図である。 従来の紫外線放電ランプを用いた光照射器の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 紫外線放電ランプ
１ａ 電極
１ｂ ベース
１ｃ モリブデン箔
１１ ガラス部材
１２ 空間（隙間）
２ ランプハウス
２ａ ミラー
２ｂ 風洞
２ｃ 隔壁
２ｄ 吸い込み口
３ 吸引ファン
４ ダクト
５ 外部電極（リード線）
６１ 冷却風取り入れ用の通風口（冷却風取り入れ口）
６２ 冷却風排気用の通風口（冷却風排気口）
Ａ 封体発光部
Ｂ 管端部
Ｃ シール部
Ｄ 遮風部材
Ｓ 接着剤
Ｗ 被照射体

Claims (2)

1. 封体の内部に一対の電極を有するとともに金属が封入され、
   発光領域である封体発光部と、上記電極と外部リード線とを金属箔を介して接続して封着したシール部と、上記封体発光部と上記シール部とをつなぐ管端部と、上記シールの両側に取り付けられたベースとを備え、上記電極を結ぶ方向に対して直交する方向に冷却風が供給される棒状の紫外線放電ランプであって、
   上記管端部には、一端が上記ベースに固定され、また上記シール部に相当する位置には冷却風の通風路が形成されている、封体と間隙を有する遮風部材が設けられていることを特徴とする紫外線放電ランプ。
2. 上記遮風部材は筒状であり、
   上記通風路は、上記筒状の遮風部材の軸対称の位置に形成された2ヶ所の通風口により構成され、
   上記２ヶ所の通風口を結ぶ方向と上記シール部の金属箔の平面とが、平行になるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の紫外線放電ランプ。

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