JP2015185261A - ロングアーク型メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、組立段階及びランプ使用段階において、発光管本体部及び発光管つなぎ部が熱的に変形すること無く、更に、所望の照度が長期間維持できるロングアーク型メタルハライドランプを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るロングアーク型メタルハライドランプは、発光管本体部と、前記発光管本体部の両端に夫々加熱溶着された封止部と、各々、前記封止部のガラス管の内部を通り、ガラスビーズを使用して気密封止状態に溶着された電極マウントと、前記発光管本体部ガラス管の内部に封入された金属発光物質及び希ガスとを有し、ランプ軸線を通る断面で、前記発光管本体部ガラス管と前記封止部のガラス管のつなぎ部から前記電極マウント先端部までの距離をＸ、該つなぎ部から前記ガラスビーズの先端までの距離をＹと規定したとき、Ｘは、5〜15ｍｍの範囲内にあり、Ｙは、0.5〜2.0ｍｍの範囲内にある。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ロングアーク型メタルハライドランプに関する。更に具体的には、本発明は、インキや塗料の乾燥工程、樹脂の硬化工程等に使用される光化学反応のための紫外線照射用のロングアーク型メタルハライドランプに関する。

近年、紫外線照射用のロングアーク型メタルハライドランプは、印刷工程、塗装工程、樹脂のシール工程等の様々な分野で利用されている。これらの工程で利用されるメタルハライドランプは、短時間で効率よく、印刷、塗装、シール等の処理を行うため、一層高い照度のランプの開発が進められている。

特開2012-084244「ロングアーク型放電ランプ」（公開日：2012年4月26日）出願人：ウシオ電機株式会社 特開昭2013-105640「ロングアーク型放電ランプ」（公開日：2013年5月30日）出願人：ウシオ電機株式会社

特許文献1は、「内部に一対の電極(3)を有する発光管(1)と、内部に金属箔(5a,5b)が埋設された封止部(2)と、該封止部内に挿入されて当該封止部に溶着され、前記電極が挿通されて当該電極を支持する保持用筒体(8,9)とからなり、前記発光管内には金属発光物質が封入されてなるロングアーク型放電ランプにおいて、発光管内の金属蒸気が、保持用筒体と電極との間の微小間隙に侵入することを防止して、長時間にわたって照度維持率が高く、かつ、金属箔が腐食されることのない構造を提供することである。」（要約に参照符号を追加）と開示する。

特許文献2は、「一対の電極(4)を有する発光管(2)と、金属箔(6)が埋設された封止部(3)と、該封止部内に挿入されて前記電極を支持する保持用筒体(7)とからなり、前記発光管内に金属発光物質が封入され、８０−１６０Ｗの間の任意の電力範囲で定常点灯モードと待機点灯モードを切り換えて点灯するロングアーク型放電ランプ()において、封止部内への金属発光物質の浸入による金属箔の反応溶断や、過熱による酸化溶断のおそれがない構造を提供するものである。」（要約に参照符号を追加）と開示する。

ロングアーク型メタルハライドランプは、気密封止された発光管内の電極に通電するため、発光管の両端に封止部が夫々形成されている。この封止部の組立は、電極芯棒部にガラスビーズを配置した電極マウントを封止部のガラス管に通し、外側からバーナーで炙って溶着させると共に封止部を収縮（シュリンク）させて、気密封止構造を実現している。

この封止部の構造において、バーナーで炙った際、隣接する発光管本体部及び発光管つなぎ部が熱的に変形する場合がある。更に、変形を防ごうとすると、ガラスビーズと封止部のガラス管に僅かな隙間ができ、その隙間に発光管内部の金属発光物質が浸入して凝集し、その結果、発光に寄与する金属発光物質が不足して所望の照度維持が出来なくなる場合がある。更に、ガラスビーズと電極芯棒の隙間も収縮、溶着せず、その隙間に金属発光物質が浸入して凝集する。
また、ガラスビーズとの隙間を防ぐため、発光管本体部及び発光管つなぎ部から遠ざけると、電極下部の空間が広くなり、その部分に金属発光物質が滞留、凝集してしまう。

従って、本発明は、組立段階及びランプ使用段階において、発光管本体部及び発光管つなぎ部が熱的に変形すること無く、更に、所望の照度が長期間維持できるロングアーク型メタルハライドランプを提供することを目的とする。

本発明に係るロングアーク型メタルハライドランプは、発光管本体部ガラス管と、前記発光管本体部の両端に夫々加熱溶着された封止部と、各々、前記封止部のガラス管の内部を通り、ガラスビーズを使用して気密封止状態に溶着された電極マウントと、前記発光管本体部ガラス管の内部に封入された金属発光物質及び希ガスとを有するロングアーク型メタルハライドランプであって、ランプ軸線を通る断面で、前記発光管本体部ガラス管と前記封止部のガラス管のつなぎ部から前記電極マウント先端部までの距離をＸ、該つなぎ部から前記ガラスビーズの先端までの距離をＹと規定したとき、Ｘは、5〜15ｍｍの範囲内にあり、Ｙは、0.5〜2.0ｍｍの範囲内にある。

本発明によれば、組立段階及びランプ使用段階において、発光管本体部及び発光管つなぎ部が熱的に変形すること無く、更に、所望の照度が長期間維持できるロングアーク型メタルハライドランプを提供することが出来る。

図１Ａは、本実施形態に係るロングアーク型メタルハライドランプの一例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すロングアーク型メタルハライドランプの発光管の両端に有る一方の封止部の拡大図である。 図２は、表３をグラフで示したものである。

以下、本発明に係るロングアーク型メタルハライドランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

（ロングアーク型メタルハライドランプ）
図１Ａは、本実施形態に係るロングアーク型メタルハライドランプの一例を示す図である。このメタルハライドランプ１０は、直管タイプの石英ガラス製発光管２の両端に、封止部４Ｌ，４Ｒが夫々形成されている。これら封止部４Ｌ，４Ｒにモリブデン箔６Ｌ，６Ｒが夫々埋設されている。これらモリブデン箔６Ｌ，６Ｒの一端には、タングステン等の高融点金属から成る電極８Ｌ，８Ｒが夫々形成され、他端に外部導入線１２Ｌ，１２Ｒが夫々形成されている。

発光管内には、鉄Ｆｅ、水銀Ｈｇ、ヨウ化鉄ＦｅＩ₂、臭化鉄ＦｅＢｒ₂、ヨウ化タリウムＴｌＩ等から成る金属発光物質が封入されている。更に、希ガスとして、アルゴンＡｒが封入されている。

発光管２の外部から、外部導入線１２Ｌ，１２Ｒを介して電力が供給されると、両電極間で放電が発生し、鉄、水銀及び金属ハロゲン化物の蒸気が電子によって励起され、インク、塗料、樹脂等の硬化に有効な波長365ｎｍ付近の光を放射する。

図１に示すランプ１０は、所謂ロングアーク型放電ランプと呼ばれ、アーク長Ｌａ（「発光長」ともいい、電極間距離に等しい。）が、100〜3,000ｍｍのランプである。

（封止部の構造）
図１Ａに示す両端の封止部４Ｒ，４Ｌは、発光管２の軸線の垂直面に対して、対称形状である。従って、図１Ｂは、発光管２の両端に有る封止部４の一方の拡大図である。発光管２は、発光管本体部２Ｒと封止部４のガラス管が発光管つなぎ部２Ｊで溶着されて形成されている。

封止部４に埋設されたモリブデン箔６の先端に、電極８が形成されている。電極８は、封止部４の内部にガラスビーズ１４により一部溶着され固定された電極芯棒８Ｓと、この電極芯棒８Ｓに巻かれた電極コイル部８Ｃとを有している。溶着されたガラスビーズ１４は、電極８の支持と、封止部４の補強を目的とし、曲りの抑制、点灯時の圧力に耐えうるものであればよく、４〜6ｍｍ、好ましくは５ｍｍ程度の長さがあればよい。

封止部４の組立工程は、発光管２の発光管本体部２Ｒの両端に封止部４のガラス管を接続し、電極マウント（電極４、ガラスビーズ１４、モリブデン箔６、外部導入線１２より形成された部品）を挿入し、封止部４をバーナーで炙ってガラスビーズ１４を溶着させると共に封止部のガラス管を収縮（シュリンク）させて組み立てている。

封止部４をバーナーで炙る際に、発光管本体部２Ｒの湾曲端部（「カップ部」ともいう。）及び発光管つなぎ部２Ｊとの距離が問題になる。なお、湾曲形状を採用した理由は、ここに最冷部が出来るので、最冷部の領域を少なくするためである。ガラスビーズ１４の発光管側のガラスビーズ先端１４Ｔと発光管本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊが近すぎると、バーナーで炙った際、変形するおそれがある。反対に、封止部４を炙るのが不足すると、封止部４のガラス管が十分に収縮、溶着せず、ガラスビーズ１４とガラス管の間に隙間が生じるおそれがある。更に、ガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓの隙間も収縮、溶着せず、その隙間に金属発光物質が浸入して凝集するため、所望の発光が得られなくなる。

ガラスビーズ１４の位置も問題になる。ガラスビーズ先端１４Ｔの位置を発光管本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊから遠ざけるため、ガラスビーズの先端１４Ｔを下げると、金属発光物質の滞留領域が拡がり、金属発光物質の適正な発光が得られなくなる。

そこで、本発明者等は、封止部４への金属発光物質の浸入を抑え、適正な発光が得られる封止部の構造を検討した。
（Ｘ値及びＹ値の性格）
ここで、発光管２をランプ軸線を通る断面図で見て、発光管つなぎ部２Ｊの位置Ｂと電極の先端部８Ｔの位置Ａとの距離をＸ、発光管つなぎ部２Ｊの位置Ｂとガラスビーズ先端１４Ｔの位置Ｃとの距離をＹと規定する。

なお、Ｂ−Ｃ間の領域（Ｙ領域）に関し、金属発光物質は、ランプ点灯中は、蒸発して気体状態にあるが、消灯後は、電極８がランプ内部のアルゴンＡｒ雰囲気より先に低温になるためＹ領域が最冷部となり、この最冷部に凝集し、その一部がガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓの隙間にも凝集する。一方、ランプ点灯時には、電極先端部８Ｔが、最も高温になる箇所であり、蓄熱と放熱を兼ね備える電極コイル部８Ｃにより、Ａ−Ｃ間の領域部分の温度が適切に保たれる。

Ｘ値及びＹ値は、発光管つなぎ部２Ｊを中心に左右に向かう距離であり、ランプ１０に対するＸ値及びＹ値の及ぼす影響は、次のように考えられる。

Ｘ値は、点灯時の電極コイル部８Ｃが、（本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの）ガラス管に与える熱的影響及び最冷部に滞留、凝集した金属発光物質に与える熱的影響に関する数値である。
即ち、Ｘ値を長くした場合、電極コイル部８Ｃの端部からのバックアークが、距離が遠いため、（本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの）ガラス管に与える熱的影響は少ない。反面、点灯時にＹ領域の温度が十分に上昇せず、Ｙ領域に滞留、凝集した金属発光物質が十分に蒸発せず、その一部がガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓの隙間へも凝集する。

反対に、Ｘ値を短くした場合、利点と欠点が逆になる。特に、電極コイル部８Ｃが、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊのガラス管及び最冷部の温度が上昇し、滞留、凝集した金属発光物質の蒸発を促進すると共にガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓの隙間への金属発光物質の凝集を防止する利点がある。反面、電極コイル部８Ｃがガラス管に近すぎるため、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊが変形し、更に、発光管つなぎ部２Ｊに熱歪みに起因するクラックが発生し発光管の気密封止漏れにつながる欠点がある。

Ｙ値は、バーナーで炙った時の本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの変形及びランプ点灯時の金属発光物質の蒸発に影響する数値である。
即ち、Ｙ値を長くした場合、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊは、バーナーで炙られる封止部４から遠くなり、これらの変形が起こり難くなる利点を有する。反面、Ｙ値が長いと、Ｙ領域に滞留、凝集した金属発光物質が十分に蒸発せず、その一部がガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓとの隙間へも凝集する欠点がある。

反対に、Ｙ値を短くした場合、利点と欠点が逆になる。封止部４の炙りが不足し、封止部４のガラス管が十分に収縮、溶着せず、ガラスビーズ１４と封止部４のガラス管内周面の隙間に、金属発光物質が浸入する欠点がある。更に電極芯棒８Ｓとガラスビーズ１４の隙間へも凝集してしまう。

ここで、本発明者等は、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊのガラス管の変形が一番問題となるので、実験により、最初にＹ値の最適範囲を決定し、次にＸ値の最適範囲を決定することとした。

(Ｙ値の検討)
表１は、Ｘ値を10ｍｍに固定し、Ｙ値を0.3〜2.5ｍｍに変化させて、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの変形の有無、封止部４の金属発光物質の凝集の有無を調べた実験データである。実験に使用したランプ及び封入物質は、次の通りである。
ランプ：アーク長Ｌａ＝500ｍｍ、 発光管外径ＯＤ＝23.0ｍｍ、 発光管ガラス肉厚ｔ＝1.5ｍｍ、 ガラスビーズL＝5ｍｍ、 入力ランプ電力Ｗ＝8ｋＷ
封入物質：鉄Ｆｅ＝6ｍｇ、 水銀Ｈｇ＝140ｍｇ、 ヨウ化鉄ＦｅＩ₂＝13ｍｇ、 臭化鉄ＦｅＢｒ₂＝2.4ｍｇ、 ヨウ化タリウムＴｌＩ＝1ｍｇ、 希ガスとしてアルゴンＡｒ＝5Ｔｏｒｒ

本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの変形に関し、Ｙ値が0.3ｍｍと0.4ｍｍで発生した。Ｙ値が短すぎて、本体部２Ｒの湾曲部及び発光管つなぎ部２Ｊがガラスビーズ１４と封止部４のガラス管が完全に溶着する前にバーナーで炙られ、変形したと解される。封止部４の金属発光物質の凝集に関し、Ｙ値が0.3ｍｍ、2.1ｍｍ、2.5ｍｍで発生した。Ｙ値が短いため、封止部４のガラス管が十分に収縮、溶着せず、ガラスビーズ１４とガラス管の間に隙間が発生し、特にガラスビーズ先端１４Ｔ側の隙間に金属発光物質が凝集見られた。また、Ｙ値が長いと、金属発光物質が十分に蒸発せず、滞留、凝集し、その一部がガラスビーズ１４と電極芯棒８Ｓとの隙間へも浸入し凝集したものと解される。
この実験により、Ｙ値が0.5〜2.0ｍｍの範囲内では、本体部２Ｒ及び発光管つなぎ部２Ｊの変形及び封止部４への金属発光物質の凝集は、発生しないことが判明した。

(Ｘ値の検討)
次に、Ｘ値の適正範囲を決定する実験を行った。表２は、Ｙ値を適正範囲のほぼ中央値の1.4ｍｍに定め、Ｘ値を3〜20ｍｍに変化させて、封止部４に対する金属発光物質の凝集の有無及び発光管つなぎ部２Ｊのクラック発生の有無を調べた実験データである。クラックに関しては、3時間45分ON−15分OFFの点滅試験で500時間までを確認した。実験に使用したランプの仕様は、表１のランプと同じである。

封止部４への金属発光物質の凝集に関し、Ｘ値が16ｍｍ，18ｍｍ，20ｍｍのランプで発生した。Ｘ値が長いと、Ｙ領域に滞留した金属発光物質が、封止部内に凝集したものと解される。発光管つなぎ部２Ｊのクラック発生に関し、Ｘ値が3ｍｍ及び4ｍｍのランプで発生した。Ｘ値が短いため、発光管つなぎ部２Ｊが電極コイル部８Ｃに近すぎ、熱歪の蓄積によりクラックが発生したものと解される。
この実験により、Ｘ値が5〜15ｍｍの範囲内では、封止部４への金属発光物質の凝集及び発光管つなぎ部２Ｊのクラックは、発生しないことが判明した。

（Ｘ値及びＹ値の適正範囲）
表１及び表２の実験により、Ｘ値及びＹ値の適正範囲を、次のように定めることができた。
Ｘ値：5〜15ｍｍ
Ｙ値：0.5〜2.0ｍｍ

（照度維持率の確認）
更に、Ｘ値及びＹ値がこの適正範囲内にある液晶滴下用のランプ（仕様１）を試作して、当初照度に対する照度維持率の確認実験を行った。その際、Ｘ値は適正範囲外であるがＹ値が適正範囲にあるランプ（仕様２）と、Ｘ値は適正範囲内であるがＹ値が適正範囲外にあるランプ（仕様３）とを作成し、比較例として実験した。

実験に使用したランプ及び封入物質は、次の通りである。
ランプ：アーク長Ｌａ＝1,400ｍｍ、 ランプ電力Ｗ＝33.6ｋＷ、 ランプ電流Ｉ＝14Ａ、
封入物質：鉄Ｆｅ＝6mg、 水銀Ｈｇ＝900ｍｇ、 ヨウ化鉄ＦｅＩ₂＝58ｍｇ、 臭化鉄ＦｅＢｒ₂＝10ｍｇ、 ヨウ化タリウムＴｌＩ＝5ｍｇ、 希ガスとしてアルゴンＡｒ＝5Ｔｏｒｒ
表３は、仕様１のランプ及び仕様２，３の比較例のランプの照度維持率を調査した実験データである。同様に、図２は、表３をグラフで示したものである。

仕様１のランプ（Ｘ値及びＹ値が適正範囲内）は、約10,000時間使用しても当初の照度を94％以上維持していた。一方、（Ｘ値が長すぎる）仕様２のランプ及び（Ｙ値が長すぎる）仕様３のランプは、いずれも金属発光物質が封止部４に凝集し、時間の経過とともに堆積して発光に寄与する金属発光物質の量が不足して、照度が急速に低下している。

（まとめ）
以上、本発明に係るロングアーク型メタルハライドランプの実施形態について説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

２：石英ガラス製発光管，発光管、 ２Ｊ：発光管つなぎ部， ２Ｒ：発光管本体部，本体部、 ４，４Ｒ，４Ｌ：封止部、 ６，６Ｒ，６Ｌ：モリブデン箔、 ８，８Ｌ，８Ｒ：電極、 ８Ｃ：電極コイル部、 ８Ｓ：電極芯棒、 ８Ｔ：電極先端部、 １０：メタルハライドランプ，ランプ、 １２，１２Ｒ，１２Ｌ：外部導入線、 １４：ガラスビーズ、 １４Ｔ：ガラスビーズ先端、
Ａ：電極先端部の位置、 Ｂ：発光管つなぎ部の位置、 Ｃ：ガラスビーズの先端の位置、

Claims (1)

1. 発光管本体部ガラス管と、
   前記発光管本体部の両端に夫々加熱溶着された封止部と、
   各々、前記封止部のガラス管の内部を通り、ガラスビーズを使用して気密封止状態に溶着された電極マウントと、
   前記発光管本体部ガラス管の内部に封入された金属発光物質及び希ガスとを有するロングアーク型メタルハライドランプにおいて、
   ランプ軸線を通る断面で、前記発光管本体部ガラス管と前記封止部のガラス管のつなぎ部から前記電極マウント先端部までの距離をＸ、該つなぎ部から前記ガラスビーズの先端までの距離をＹと規定したとき、
   Ｘは、5〜15ｍｍの範囲内にあり、
   Ｙは、0.5〜2.0ｍｍの範囲内にある、ロングアーク型メタルハライドランプ。

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