JP2010040340A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光伝達手段とショートアーク放電ランプとを用いた光照射装置において、電極の消耗により輝点が移動し光伝達手段の入射部における集光度が低下する現象を抑制し、装置の大型化を伴わずに長時間照度維持率を高い状態に保つことができる光照射装置を提供する。
【解決手段】放電ランプ１０への供給電力をシャッター羽根９２の開閉状態に応じて切り替える機能を備え、シャッター羽根９２を開いた状態では、放電ランプ１０を定格電力で点灯し、シャッター羽根９２を閉じた状態では、定格電力に対して７０％の電力で点灯する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプからの放射光を、光伝達手段を介して外部へ導き、被照射物を照射する技術に関する。

従来、放電ランプから放射した光を、回転楕円体ミラー等の集光手段を用いて集光し、この集光した光を光伝達部材により外部へ導き、被照射物に照射する光照射装置が知られている。

こうした光照射装置は、光伝達部材より出射する光を被照射物である接着剤、インキ、塗料などに照射して、硬化させたり乾燥させたりするために用いられる。

特に、光ディスク用の光ピックアップや、ハードディスクの磁気ヘッドなどの組立工程等においては、予め光硬化型接着剤が塗布された微細な部品に対し、紫外線を含む光を照射し、これらの部品を接着、固定することが行われている。

一般に、このような光照射装置は、上記した光伝達部材として光ファイバーライトガイドが用いられており、また、光源用ランプとしては、水銀キセノンランプや超高圧水銀ランプ等のショートアーク型放電ランプが用いられている。

上記のショートアーク型放電ランプへ直流電力を供給して点灯した場合、放電により発生する輝点の中心は、通常、陰極先端近傍の空間にあり、回転楕円体ミラーの第一の焦点に位置するように調整されている。

輝点から放射した光は、回転楕円体ミラーにより反射し、回転楕円体ミラーの第二の焦点に配置した光ファイバーライトガイドの入射端に集光される。集光された光は、光ファイバーライトガイド内を伝播し、出射端より出射され、被照射物に照射する。

このような構成の光照射装置は、常に安定した接着剤の硬化が必要となるため、出射する光の安定性が求められる。しかしながら、ショートアーク型放電ランプは、使用時間の経過に従って、電極が消耗し、輝点の中心位置が電極の消耗する方向に移動することになる。

この結果、ショートアーク型放電ランプの輝点の中心位置と、回転楕円体ミラーの第一の焦点との間にズレが生じ、第二の焦点に配置した光ファイバーライトガイドの入射端と集光光との間にもズレが生じるため、入射端での取り込み効率が低下し、出射端からの出射光の強度を長時間高い状態に保つことが困難であった。

通常、ショートアーク型放電ランプから放射する全光束は、放電ランプ容器内面の黒化等様々な要因により時間の経過と共に減少するが、このような輝点の移動に伴う出射光の減少は、ショートアーク型放電ランプのように輝点の小さい放電ランプと光ファイバーライトガイド等の比較的光入射部の口径が小さい光伝達部材とを組み合わせた光照射装置特有の現象であり、上記のショートアーク型放電ランプから放射する全光束の減少に重畳して発生する。

このような問題を解決するため、特許文献１では、陰極の消耗分だけ放電ランプの位置を移動させる機構を備えた光ビーム加熱装置が開示されている。
この光ビーム加熱装置では、光伝達手段である光ファイバの入射端での光強度をモニターし、その光強度が最大となるようにランプの位置を移動させ、非加熱物に照射する光量の減少を抑制している。

しかしながら、上述した光ディスク用の光ピックアップや、ハードディスクの磁気ヘッドなどの組立工程においては、一つの工程で複数の光照射装置を配置する必要があるため、光照射装置の小型化が求められるが、特許文献１に記載された装置では、放電ランプを移動させる機構、光伝達手段への入射光をモニターする機構、及びこれらを制御する機構が必要となるため、装置が大型化してしまうと言った問題があった。

特開平１１−１９７６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の従来技術の問題点を解決することを目的とし、比較的小さな入射口径を備えた光伝達手段とショートアーク放電ランプとを用いた光照射装置において、電極の消耗により輝点が移動し光伝達手段の入射部における集光度が低下する現象を抑制し、装置の大型化を伴わずに長時間照度維持率を高い状態に保つことができる光照射装置を提供することである。

このような課題を解決するために、本発明は、
（１）対向する一対の電極を備えたショートアーク型放電ランプと、前記ショートアーク型放電ランプに電力を供給する電源回路と、前記ショートアーク型放電ランプの放射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光した光を入射する光入射部を備えた光伝達手段と、前記光伝達手段からの出射光を制御する開閉可能な遮光手段とを備えた光照射装置において、前記遮光手段が閉じている期間に前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、放電を維持可能な範囲で、前記遮光手段が開いている期間よりも低い値であることを特徴とする光照射装置、
（２）前記遮光手段が閉じている期間に前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、前記ショートアーク型放電ランプの定格の７０％以上である（１）に記載の光照射装置、
（３）前記遮光手段が閉じた状態から開いた状態に移行した後に、前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、定格より高い値である（１）または（２）に記載の光照射装置、
（４）前記ショートアーク型放電ランプを冷却するための冷却手段を更に備え、前記遮光手段が閉じている期間の冷却量が、前記遮光手段を開いている期間の冷却量よりも小さい（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の光照射装置、
（５）前記光伝達手段が、光ファイバーライトガイドである（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の光照射装置、により構成される。

以下に、本発明の最良の形態を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る実施例1の光照射装置１の内部構造を示す縦断面図である。

本実施例の光照射装置１は、図１に示すように、内部に放電ランプ１０を有する光源部１００と、放電ランプ１０からの出射光を外部へ導くためのライトガイド２００とにより構成される。

光源部１００は、放電ランプ１０の他、放電ランプ１０への印加電圧を供給するための電源２０、放電ランプ１０より放射した光を集光するための回転楕円体ミラー３０、回転楕円体ミラー３０により集光した光が後述する導光ファイバ束２０１の入射端に対して最適な位置となるように放電ランプ１０の位置を調整するための光軸調整手段４０、放電ランプ１０を冷却するためのファンモータ５０、およびライトガイド２００へ入射する光を遮断するためのシャッター９０を有し、これらをランプハウス６０に収納している。

ランプハウス６０に収納される放電ランプ１０は、定格２５０Ｗの超高圧水銀ランプであり、石英ガラスからなる放電容器１１内部に封入された微量の水銀と一対の電極として陰極１２および陽極１３を有し、この一対の電極に挟まれた領域に距離２．０ｍｍの放電空間１４を形成している。

陰極１２および陽極１３は、放電ランプ１０の長手方向の両端にある口金１５、１６にそれぞれ電気的に接続されており、この口金１５、１６に、ケーブル７１、７２を経て電源２０より電力を供給することにより、放電ランプ１０は、放電空間１４より紫外線を含む光を放射する。

放電ランプ１０は、予め光軸調整手段４０によって、放電空間１４に発生した輝点の中心位置が、前記回転楕円体ミラー３０の第１の焦点位置Ｆ１となるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に調節されているため、輝点より放射した光は、回転楕円体ミラー３０の反射面３１により反射された後、回転楕円体ミラー３０の第２の焦点位置Ｆ２に集光される。

ランプハウス６０の光出射側の壁面６１には、上述のライトガイド２００を装着するためのライトガイドコネクタ８０を備えている。

一方、ライトガイド２００は有効入射口径が５ｍｍであり、外径２００μｍの石英ガラスファイバ素線を約５００本束ねた導光ファイバ束２０１と、この導光ファイバ束２０１を収納して保護するためのフレキシブルな金属管２０３と、入射端金具２０７および出射端金具２０５とを有している。

ライトガイド２００は、ライトガイドコネクタ８０に装着されると、導光ファイバ束２０１の入射端が、回転楕円体ミラー３０の第２の焦点位置Ｆ２と一致する位置に固定される。

シャッター９０は、ライトガイドコネクタ８０の近傍に設けられたシャッター駆動部９１とシャッター羽根９２により構成される。シャッター駆動部９１は、電源２０に内蔵した制御部（不図示）からの駆動信号により作動し、シャッター羽根９２を駆動する。

シャッター羽根９２は、ライトガイド２００より光を出射しないときは、閉じた状態となりライトガイド２００への入射光を遮断するよう入射光の光軸上に配置され、ライトガイド２００より光を出射する際は、開いた状態となり入射光の光軸上から退避した位置に駆動される。

本実施例の光照射装置１は、放電ランプ１０への供給電力をシャッター羽根９２の開閉状態に応じて切り替える機能を備えており、シャッター羽根９２を開いた状態では、放電ランプ１０を定格電力で点灯し、シャッター羽根９２を閉じた状態では、定格電力に対して７０％の電力で点灯する。

このように、被照射物に対して紫外線を照射する必要がない期間は定格より低い電力を放電ランプ１０へ供給するような点灯制御を行うことにより、常時定格電力で放電ランプ１０を点灯する場合と比較して、陰極１２の消耗が抑制され、輝点の中心位置の移動を少なくすることができる。

この結果、導光ファイバ束２０１の入射端への集光度合いを良好に保つことができるため、導光ファイバ束２０１の出射端からの出射光の強度を長時間高い状態に保つことができる。

図２（Ａ）は、図１に示す放電ランプ１０を２０００時間点灯し、放電ランプ１０からの全光束（以下全光束）と、ライトガイド２００から出射する光（以下ライトガイド出射光）の変化を相対的に表した図である。

図２（Ａ）において、一点鎖線と二点鎖線は、放電ランプ１０からの全光束の変化を表したグラフであり、一点鎖線は、シャッター９０を閉じている間の放電ランプ１０への供給電力を定格電力の７０％とした場合（以下ステップ点灯）、二点鎖線は比較例としてシャッター９０を開いている間の放電ランプ１０への供給電力を定格電力とした場合（以下定格点灯）を表している。
また、実線と破線は、ライトガイド出射光の変化を表したグラフであり、実線はステップ点灯の場合、破線は定格点灯の場合を表している。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のグラフにおいて放電ランプ１０の点灯時間が２０００時間に達した時点での、それぞれの点灯方法における全光束、ライトガイド出射光の減衰率、及び電極間距離を表している。

図２（Ｂ）に示すように、２０００時間の全点灯期間放電ランプ１０へ２５０Ｗの定格電力を供給する定格点灯を行った場合は、放電ランプ１０の電極間距離は、点灯前の２．０ｍｍから２．２ｍｍと１０％増大した。また放電ランプ１０から放射する全光束は点灯初期と比較して１５％減衰し、ライトガイド出射光は２２％減衰した。

一方、シャッター９０が閉じている間、放電ランプ１０への供給電力を定格電力の７０％とするステップ点灯を行った場合は、放電ランプ１０の電極間距離は点灯前の２．０ｍｍから２．０３ｍｍと１．５％の増加に留まり、また点灯初期と比較して、放電ランプ１０から放射する全光束は１３％の減衰であり、ライトガイド２００からの出射光は１４％の減衰に留まっている。

以上の結果から、定格点灯と比較してステップ点灯では電極の消耗が少なく、電極間距離の増加が少ないため、放電空間での輝点の移動が抑制され、ライトガイドからの出射光の減衰も小さいことがわかる。

このように、光ファイバーバンドル等の比較的小さな入射口径を備えた光伝達手段と、超高圧放電ランプのようなショートアーク放電ランプとを用いた光照射装置では、シャッターが閉じている間の放電ランプへの供給電力を、放電を維持可能な範囲で定格電力以下に抑えることにより、電極の消耗により輝点が移動し光伝達手段の入射端への集光度が低下する現象を抑制し、装置の大型化を伴わずに光伝達手段から出射する光の強度を長時間高い状態に保つことができる。

なお、本実施例においては、シャッター羽根９２が閉じている間の放電ランプ１０への電力供給を、定格電力に対し７０％の電力としたが、この間の電力は必ずしも７０％である必要はなく、放電ランプ１０が放電を維持可能な範囲で、設定することができる。

この放電ランプ１０の放電を維持可能な電力は、ランプの設置方向や、冷却方式により異なるが、概ね定格電力の３０％程度の電力とすることが可能である。

しかしながら、大幅に供給電力を少なくした場合は、放電ランプ１０の温度が低下し、放電容器１１内の水銀が未蒸発の状態となるため、１００％の点灯に切り替えた際に、放電ランプ１０からの放射光が所定の光量に達するまでに時間を要することがある。

図３は、定格電力に対して６０％、７０％、８０％、および９０％の電力を放電ランプ１０へ供給した後、定格電力に切り替えた際の、放電ランプ１０より放射する全光束の放射強度が安定するまでの様子を示したグラフであり、縦軸に放射強度、横軸に経過時間を示し、経過時間軸の０で放電ランプ１０への供給電力を定格に切り替えている。

図３において、切り替え前の供給電力が７０％以上である場合は、約０．５秒後には安定時の９０％の放射強度に達するが、切り替え前の供給電力を６０％とした場合には、約３秒の時間を要している。
なお、図３の各グラフに付されている値は、切り替え前に放電ランプ１０に供給する電力の定格電力との比率である。

このように、切り替え前の放電ランプ１０への供給電力を７０％より低い値とした場合は、安定時の放射強度に達するまでの時間が顕著に遅くなるため、切り替え前の放電ランプ１０への供給電力は、７０％以上に設定することが好ましい。

次に、本発明に係る実施例２の光照射装置１について説明する。
本実施例の光照射装置１を構成する各要素は実施例１に記載した光源装置１と同一であるが、シャッター羽根９２を開いた際に放電ランプ１０へ電力を供給する手順が異なる。

本実施例の光照射装置１は、シャッター羽根９２を閉じた状態での放電ランプ１０への供給電力を定格電力の７０％とし、シャッター羽根９２を開いた際の供給電力を一定期間定格電力より高く設定することで、安定時の光量に達するまでの時間を実施例１に記載した光源装置１より短縮している。

図４は、シャッター羽根９２を閉じた状態から、開いた状態に切り替えた際の放電ランプ１０への供給電力を定格電力の１００％とした場合（Ａ）と、切り替え後０．５秒間を１２０％とし以降は１００％とした場合（Ｂ）の、全光束の放射強度が安定するまでの様子を示したグラフであり、縦軸に放射強度、横軸に経過時間を示し、経過時間軸の０で放電ランプ１０への供給電力を切り替えている。

図４より、切り替え後の放電ランプ１０への供給電力を０．５秒間定格電力の１２０％とした場合は、切り替え後放射強度が急速に立ち上がり、約０．１秒で安定時の９０％の放射強度に達している。
このように、切り替え後の一定期間の供給電力を定格電力より高い値とすることで、切り替え後放射強度の立ち上がりを速めることができる。

なお、シャッター閉時とシャッター開時とを積算した放電ランプ１０への供給電力量が、常時定格電力で点灯した際の供給電力量より下回る範囲であれば、上記の定格以上の電力を供給する期間を延長することができる。
この場合、放電ランプ１０への供給電力量が、常時定格電力で点灯した際の供給電力量より下回るので、シャッター開時の出射光量を増やすとともに、電極の消耗により輝点が移動し光伝達手段の入射端への集光度が低下する現象を抑制することができる。

次に、本発明に係る実施例３の光照射装置１について説明する。
本実施例の光照射装置１を構成する各要素は実施例１に記載した光源装置１と同一であるが、図１に示す放電ランプ１０を冷却するためのファンモータ５０の制御方法が異なる。
ファンモータ５０は、電源２０に内蔵された制御部から出力される駆動信号の電圧により、風量が制御され、放電ランプ１０の冷却量をコントロールする。

本実施例の光照射装置１は、シャッター羽根９２を閉じた状態での放電ランプ１０への供給電力を定格電力の６０％とし、シャッター羽根９２を開いた状態に切り替えた後は供給電力を１００％とする。また、シャッター羽根９２を閉じている期間は、ファンモータ５０の風量を下げ、放電ランプ１０のバルブ表面温度を５００℃から７５０℃の範囲とし、放電容器１１内の水銀が未蒸発の状態とならない水準に維持する。

具体的には、ファンモータ５０への印加電圧を、シャッター羽根９２を閉じた状態では６Ｖとし、切り替え後のシャッター羽根９２を開いている状態では定格の１２Ｖとする。
この結果、シャッター羽根９２を閉じている期間、放電容器１１内の水銀が、十分に蒸発した状態となるため、放電ランプ１０への供給電力を定格に切り替えた際に、放射強度の立ち上がりを速めることができる。

図５は、シャッター羽根９２を閉じている期間ファンモータ５０への印加電圧を１２Ｖとした場合（Ａ）と、６Ｖとした場合（Ｂ）の、全光束の放射強度が安定するまでの様子を示したグラフであり、縦軸に放射強度、横軸に経過時間を示し、経過時間軸の０で放電ランプ１０への供給電力を切り替えている。
（Ａ）（Ｂ）何れの場合も、放電ランプ１０への供給電力は、切り替え前が定格電力の６０％であり、切り替え後は定格電力である。

図５より、シャッター羽根９２を閉じている期間ファンモータ５０への印加電圧を１２Ｖとした場合（Ａ）は、全光束が安定時の９０％に立ち上がるまでの時間が約３秒であるのに対して、ファンモータ５０への印加電圧を６Ｖとした場合（Ｂ）は、約０．２秒で安定時の９０％の放射強度に達している。
このように、シャッター羽根９２を閉じている期間の放電ランプ１０の冷却を抑制することで、切り替え後の放射強度の立ち上がりを速めることができる。

また、本実施例の光照射装置１では、実施例１の光照射装置１と比較して、シャッター羽根９２を閉じている期間に放電ランプ１０へ供給する電力をより抑制することが可能となるため、電極の消耗により輝点が移動し光伝達手段の入射端への集光度が低下する現象を一層抑えることができる。

なお、本実施例では、放電ランプ１０の冷却方法としてファンモータ５０による空冷方式により説明したが、水冷、或いはペルチェ素子等による電子冷却を用いたもの等他の冷却方法においても同様に、本発明を適用することができる。

本発明において、放射光を集光する集光手段としては、回転楕円ミラー等の反射鏡の他、光学レンズ或いはこれらを組み合わせて構成することができる。

また、本発明において光伝達手段としては、光ファイバーライトガイドの他、光学レンズや反射ミラーおよびこれらを組み合わせた光学装置を含む。

なお、本発明において、光伝達手段の入射口径が、集光された光の径より十分に大きい場合は、集光された光にズレが生じても光伝達手段に取り込まれる光の量に与える影響は小さくなる。
このため、光伝達手段の入射口径が、放電ランプの電極間距離の６倍以内である場合に、本発明の効果が顕著になり、４倍以内である場合にはより顕著になる。

また、光伝達手段の入射口径が、集光された光の径より十分に小さい場合にも、集光された光にズレが生じても光伝達手段に取り込まれる光の量に与える影響は小さくなる。
このため、光伝達手段の入射口径が、放電ランプの電極間距離の１．５倍以上である場合に、本発明の効果が顕著になり、２倍以内である場合にはより顕著になる。

具体的には、光伝達手段としてコア及びクラッドに合成石英を用いた光ファイバーライトガイドを用いた場合、電極間距離が２ｍｍであるとすると、入射口径は３ｍｍ以上１２ｍｍ以内である場合に、効果があり、４ｍｍ以上８ミリ以内の場合に更に効果がある。

また、本発明において遮光手段は、光伝達手段の入射部近傍以外に、光伝達手段の出射部に設けることができる。また、往復運動或いは回転運動により光路を遮断する方式の他、液晶等により透過率を切り替える方式のものを採用することができる。

本発明に係る実施例1の光照射装置１の縦断面図である。 図１の装置のライトガイド出射光と全光束の経時変化を示す図である。 図１の装置の全光束の経時変化を示す図である。 本発明に係る実施例２の光照射装置１の全光束の経時変化を示す図である。 本発明に係る実施例３の光照射装置１の全光束の経時変化を示す図である。

符号の説明

１０ 放電ランプ
１１ 放電容器
１２ 陰極
１３ 陽極
１４ 放電空間
１５、１６ 口金
２０ 電源
３０ 回転楕円体ミラー
４０ 光軸調整手段
５０ ファンモータ
６０ ランプハウス
７１、７２ ケーブル
８０ ライトガイドコネクタ
９０ シャッター
９１ シャッター駆動部
９２ シャッター羽根
１００ 光源部
２００ 光伝達部材（ライトガイド）
２０１ 導光ファイバ束
２０３ フレキシブルな金属管
２０５ 出射端金具
２０７ 入射端金具
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点

Claims (5)

1. 対向する一対の電極を備えたショートアーク型放電ランプと、
   前記ショートアーク型放電ランプに電力を供給する電源回路と、
   前記ショートアーク型放電ランプの放射光を集光する集光手段と、
   前記集光手段により集光した光を入射する光入射部を備えた光伝達手段と、
   前記光伝達手段からの出射光を制御する開閉可能な遮光手段とを備えた光照射装置において、
   前記遮光手段が閉じている期間に前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、放電を維持可能な範囲で、前記遮光手段が開いている期間よりも低い値であることを特徴とする光照射装置。
2. 前記遮光手段が閉じている期間に前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、前記ショートアーク型放電ランプの定格の７０％以上である請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記遮光手段が閉じた状態から開いた状態に移行した後に、前記ショートアーク型放電ランプに供給する電力が、定格より高い値である請求項１または２に記載の光照射装置。
4. 前記ショートアーク型放電ランプを冷却するための冷却手段を更に備え、前記遮光手段が閉じている期間の冷却量が、前記遮光手段を開いている期間の冷却量よりも小さい請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光照射装置。
5. 前記光伝達手段が、光ファイバーライトガイドである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光照射装置。

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