JP2017152289A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】気密容器の失透や変形が過昇温によることを検知できる放電ランプを提供する。【解決手段】実施形態によれば、ロングアーク型放電ランプは、内部が気密に封止され、両端に一対の電極が対向して係止された気密容器と、気密容器の内部に封入される金属ハロゲン化物と、金属ハロゲン化物よりも融点が高く、前記融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下である金属化合物と、を有し、紫外線を放出する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

例えば、液晶パネル製造分野や印刷分野において、被照射物に紫外線を照射して露光、硬化、乾燥などの用途に用いられる光源としての放電ランプが開示されている。

特開２００９−２５９７９０号公報

放電ランプは、外壁温度が９００（℃）以上となる条件で点灯を行った場合、気密容器の失透や変形が発生する可能性が高くなる。特に、放電ランプを組み込んで点灯させる照射装置の内部において、例えば、照射装置に設けられた冷却機構の異常や放電ランプに投入される電力が高すぎるなどの異常な使用条件で点灯された場合、気密容器の失透や変形が発生する可能性が高くなる。そのため、放電ランプの外表面の外壁温度は６５０〜８５０（℃）程度の範囲になることが望まれる。

一方、気密容器の失透や変形は過昇温以外でも発生する可能性がある。例えば、気密容器の失透は、放電ランプに封入された封入物により発生する可能性がある。また、気密容器の変形は、点灯中に生じる熱により発生する可能性がある。

本発明の実施形態は、気密容器の失透や変形が過昇温によることを検知できる放電ランプを提供する。

本発明の実施形態によれば、内部が気密に封止され、両端に一対の電極が対向して係止された気密容器と、気密容器の内部に封入される金属ハロゲン化物と、金属ハロゲン化物よりも融点が高く、前記融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下である金属化合物と、を有し、紫外線を放出する。

本発明の実施形態によれば、気密容器の失透や変形が過昇温によることを検知できる放電ランプを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る放電ランプを例示する模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る放電ランプ１の気密容器１０の外壁温度別の点灯時間と照度維持率の関係を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る放電ランプ１において、冷却風Ｗの利用率（％）と気密容器１０の外壁温度T_outer、気密容器１０の内壁温度T_innerの関係を示す図である。 図４は、第１の実施形態に係る放電ランプ１において、冷却風Ｗの利用率（％）と気密容器１０の外壁温度T_outer、金属化合物１８の関係を示す図である。

以下で説明する実施形態に係る放電ランプ１は、内部が気密に封止され、両端に一対の電極２０、２０が対向して係止された気密容器１０と、気密容器１０の内部に封入される金属ハロゲン化物１６と、金属ハロゲン化物１６よりも融点が高く、前記融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下である金属化合物１８と、を有し、紫外線を放出するロングアーク型である。

本実施形態によれば、気密容器１０の失透や変形が検知できる。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプ１において、金属化合物１８は、酸化タングステンを含む。

本実施形態によれば、気密容器１０内で化学反応を起こさず、安定して存在することができ、気密容器１０の失透や変形が検知できる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）

図１は、第１の実施形態に係る放電ランプ１について、図１を用いて説明する。図１は、放電ランプ１を例示している。

図１に示したように、本実施形態に係る放電ランプ１は、気密容器１０と、一対の放電電極２０，２０とを有する。

本実施形態では、放電ランプ１として、メタルハライドランプを用いたロングアーク型の放電ランプの実施形態を例示している。

気密容器１０は、直管状に形成され、内部に放電空間１２を有する。また、気密容器１０の両端には封止部１４，１４が形成されることで、放電空間１２を気密に保つ。気密容器１０は、紫外線を透過する材料で構成されており、例えば石英ガラスで構成される。気密容器は、外径が２３ｍｍ、発光長（放電電極２０−２０間の距離）が３７５ｍｍである。

放電空間１２は、一対の放電電極２０，２０より電力が印加されることで、放電空間１２に封入された水銀、金属ハロゲン化物１６や希ガス（図示しない）が発光する。放電空間１２は、例えば内径が２０ｍｍ、発光長が３７５ｍｍで構成される。

水銀は、放電空間１２に封入され、放電ランプ１の外部より電力が印加されることで、例えば２５４ｎｍ、３６５ｎｍの紫外線を放出する。水銀の封入量は、例えば１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。

希ガスは、放電ランプ１の始動時に放電を促進させ、放電開始後に放電維持に寄与する。希ガスの封入圧力は、例えば、０．６（ｋＰａ）〜７．０（ｋＰａ）である。また、希ガスは、キセノン、アルゴン、ネオンのいずれか一種、または二種以上の混合ガスでよい。

封止部１４，１４は、放電空間１２の両端に形成される。封止部１４，１４は、気密容器１０と同じ石英ガラスで構成される。封止部１４，１４は、電極２０，２０を所望の位置に設けた後に、減圧下で図示しないガスバーナーなどの溶融手段により溶融して封止する、いわゆるシュリンクシールにより形成される。なお、封止部１４，１４には、気密容器１０と異なる石英ガラスなどで構成されても良い。また、封止部１４，１４は、図示しないピンチャーなどの成形手段による、いわゆるピンチシールにより形成されてもよい。封止部１４，１４の長さは、例えば、３０ｍｍである。

金属ハロゲン化物１６は、気密容器１０の内部に封入される。金属ハロゲン化物１６は、主として、放電ランプ１に電力が供給されたときに発光や放電の維持に寄与する。金属ハロゲン化物１６は、放電ランプ１に電力が供給されていないときは気密容器１０内に大部分が固体や液体として存在する。一方、金属ハロゲン化物１６は、放電ランプ１に電力が供給されたとき、気密容器１０の内部で溶融して一部が気体として存在する。金属ハロゲン化物１６は、主に水銀や鉄、ヨウ化タリウムを含む。なお、金属ハロゲン化物１６は、水銀を含まない、いわゆる水銀フリーであってもよい。

金属化合物１８は、金属ハロゲン化物１６と異なり、放電ランプ１に電力が供給されても発光や放電の維持に寄与しない。すなわち、金属化合物１８は、放電ランプ１に電力が供給されても溶融せず、放電ランプ１が過昇温になったときに溶融する。つまり、金属化合物１８は、融点により金属ハロゲン化物１６と明確に区別される。金属化合物１８は、例えば、融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下であればよい。金属化合物１８の融点が１４５０（℃）未満であると、溶融した金属化合物１８の一部が放電ランプ１の放電中にアークと接触し、発光に寄与してしまい、発光特性などが変化するため、好ましくない。一方、金属化合物１８の融点が１５００（℃）を超えると、気密容器１０が変形しても金属化合物１８が溶融しないため、気密容器１０の変形を検知できず、好ましくない。よって、金属化合物１８の融点は、融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下であればよい。金属化合物１８は、融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下であり、かつ安定的に気密容器１０に封入できる物質であることが望ましい。金属化合物１８は、例えば、酸化タングステンを含むことが望まれる。金属化合物１８として酸化タングステンを含むことで、安定的に気密容器１０に封入することができ、気密容器１０の失透や変形が過昇温であることをより正確に検知できる。

一対の放電電極２０，２０は、放電ランプ１の外部より印加された電力を放電空間１２に導入し、放電空間１２にてアーク放電を生起する。一対の放電電極２０，２０は、一部が封止部１４，１４に埋設して設けられ、放電空間１２の両端部に対向して設けられる。一対の放電電極２０，２０は、軸材２２，２２、コイル２４，２４、箔２６，２６、アウターリード２８，２８を有する。

軸材２２，２２は、放電空間１２に電力を印加する。軸材２２，２２は、一端が放電空間１２に突出して構成されていて、他端が封止部１４，１４に埋設される。また、軸材２２の放電空間１２側に突出した一端にはコイル２４が設けられる。また、軸材２２，２２は、他端で箔２６，２６と溶接により接続される。軸材２２，２２は、例えばタングステンにより構成される。

コイル２４，２４は、軸材２２，２２の一端側に設けられ、放電中の軸材２２，２２の先端から温度を放射することで、軸材２２，２２の温度上昇を抑制する。コイル２４，２４は、一端が軸材２２，２２の一端側、すなわち、放電空間１２側に設けられ、他端が軸材２２，２２の他端側に設けられる。コイル２４，２４は、例えばタングステンにより構成される。

箔２６，２６は、封止部１４、１４に埋設され、封止されることにより、気密容器１０を気密に保つ。箔２６，２６は、一端が軸材２２，２２の他端と溶接され、他端がアウターリード２８，２８の一端と溶接され、封止部１４，１４に埋設して設けられる。箔２６，２６は、例えばモリブデンにより構成される。

アウターリード２８，２８は、一部が封止部１４，１４に埋設され、気密容器１０の内部とリード線４０とを電気的に接続する。アウターリード２８，２８は、一端が箔２６，２６と溶接され、他端がリード線４０，４０と接続される。アウターリード２８、２８は、例えば、モリブデンにより構成される。

ベース３０，３０は気密容器１０の封止部１４，１４、アウターリード２８，２８およびリード線４０，４０の外周に設けられ、アウターリード２８，２８およびリード線４０，４０の接続箇所が露出することを防ぐ。ベース３０，３０は、例えば、セラミックスで構成される。また、ベース３０，３０内には、気密容器１０との嵌合をより強固とするため、例えばセメントで封止部１４，１４と固着されてもよい。

リード線４０，４０は、気密容器１０の内部に、図示しない電源回路と電気的に接続する。リード線４０，４０は、一端がアウターリード２８，２８の他端と接続され、他端が電源回路などと接続される。リード線４０，４０は、例えば軟銅線により構成される。なお、リード線４０，４０の他端には、電源回路との接続を容易にするため、端子５０，５０が設けられてもよい。

このようにして設けられた放電ランプ１は、放電ランプ１に電力が供給されて点灯しているとき、図示しない送風機等により送られた冷却風Ｗにより冷却される。

ここで、気密容器１０について、更に詳しく説明する。

気密容器１０の外壁温度は、８５０（℃）以下であることが望ましい。これは、気密容器１０の外壁温度が９００（℃）以上となる条件で点灯を行った場合、気密容器１０の失透や変形が発生する可能性が高くなる。特に、放電ランプ１を組み込んで点灯させる照射装置の内部において、例えば、照射装置に設けられた冷却機構の異常や放電ランプ１に投入される電力が高すぎるなどの異常な使用条件で点灯された場合、気密容器１０の失透や変形が発生する可能性が高くなる。そのため、放電ランプ１の外表面の外壁温度は６５０〜８５０（℃）程度の範囲になることが望まれる。

このため、気密容器１０の外壁温度が８５０（℃）以下であるという条件を満たすと、気密容器１０の失透や変形などを抑制することができる。一方、気密容器１０の外壁温度が９００（℃）以上となると、気密容器１０の失透や変形などが発生する。

しかしながら、気密容器１０の失透や変形は過昇温以外でも発生する可能性がある。例えば、気密容器１０の失透は、放電ランプ１に封入された封入物により発生する可能性がある。また、気密容器１０の変形は、点灯中に生じる熱により発生する可能性がある。

そこで、気密容器１０の失透や変形が、過昇温によることを検知することを目的として、放電ランプ１は、金属化合物１８を有する。放電ランプ１が金属化合物１８を有することで、気密容器１０の失透や変形が過昇温によることを検知することができる。

ここで、放電ランプ１において、気密容器１０の外壁温度を変えて照度維持率の検討を行った。評価条件は以下のとおりである。なお、照度維持率は、点灯０時間において、主たる波長３６５ｎｍの照度値（オーク製作所社製照度計ＵＶ−３５）を１００％として任意の時間の照度を規格化した。また、照度維持率の基準として、点灯時間２０００時間後に８０％以上であることが望まれる。

放電ランプ１（共通）：内径＝２２ｍｍ、放電空間の長さ＝１１４０ｍｍ、放電ランプ１の全体長さ＝１２６０ｍｍ、ランプ電圧＝１８００Ｖ、ランプ電流＝８．３Ａ、ランプ電力＝１６．５ｋＷ。

気密容器１０の外壁温度＝７５０（℃）、８５０（℃）、９００（℃）、１０００（℃）。なお、放電ランプ１の気密容器１０の外壁温度は、熱電対を用いて測定を行った。

結果を図２に示す。図２から明らかであるとおり、気密容器１０の外壁温度が８５０（℃）以下の条件を満たすと、点灯時間が２０００時間でも照度維持率が８５％以上を確保することができた。一方、気密容器１０の外壁温度が９００（℃）以上となると、点灯時間が２０００時間で照度維持率が７５％以下となった。特に、気密容器１０の外壁温度が１０００（℃）となると、点灯時間１０００時間で照度維持率が７０％以下となった。このため、気密容器１０の外壁温度が１０００（℃）については、点灯時間１０００時間で評価を打ち切った。以上のことから、放電ランプ１は、気密容器１０の外壁温度が８５０（℃）以下になるような条件で点灯することが望ましいことがわかる。

次に、同一条件で、冷却能力を変化させた場合の放電ランプ１の気密容器１０の外壁温度および気密容器１０の内壁温度の推定値を算出した。なお、気密容器１０の内壁温度T_innerについては、温度測定が困難であるため、次式で内壁温度T_innerを算出した。

ここで、T_outerは気密容器１０の外壁温度、γは熱伝導の形で放出されるエネルギーの比（無次元量）、Ｗｓは管壁負荷（Ｗ／ｃｍ）、λは石英の熱伝導率（Ｗ／℃・ｍ）、tは石英の厚さ（ｍｍ）である。

また、冷却風Ｗの送風条件としては、冷却風Ｗの流量が６（ｍ^３／ｍｉｎ）である状態を定格である１００％として、冷却風Ｗの利用率を表す。

実測の気密容器１０の外壁温度T_outerから算出した内壁温度T_innerの結果を図３に示す。外表面の外壁温度が９０１（℃）のとき、内表面温度は１４６０（℃）に達すると推測され、酸化タングステンの融点１４７３（℃）とほぼ等しい事が分った。

以上の予備試験の結果を踏まえて、冷却風Ｗの利用率（％）と気密容器１０の外壁温度（℃）、および金属化合物１８の溶融有無について評価を行った。具体的には、上記実験条件で、冷却風Ｗの利用率を変化させ、気密容器１０の外壁温度を徐々に上昇させた。

実験結果を図４に示す。なお、図４において、金属化合物１８が溶融しなかったときを“○”、金属化合物１８が溶融したときを“×”で表す。図４から明らかであるとおり、冷却風Ｗの利用率を６７（％）まで低下させると、気密容器１０の外壁温度が９０１（℃）になる。このとき、図３の推算結果では１４６０（℃）となり、酸化タングステンの融点より１３（℃）だけ低い為、溶融しないと予測されたが、実際の内壁温度は算出値よりやや高く、溶融に至ったと考える。結果より、算出値と実際の現象の間には相関が見られ、気密容器１０の内壁温度が１４００（℃）以下の条件、すなわち、気密容器１０の外壁温度が８５０（℃）以下の条件では酸化タングステンは溶融しなかった。また、気密容器１０の内壁温度が酸化タングステンの融点と同等の１４６０（℃）に達した時点で同物質が溶融したと考えられる。

以上の実施形態に基づいて説明したように、本発明によれば、異常な使用環境で点灯された場合、特に気密容器１０の外表面温度が９００（℃）以上になる様な条件で点灯された場合であっても、気密容器の失透や変形が過昇温によることを検知できる。

また、本発明によれば、金属化合物１８として、融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下であることで、気密容器１０の外表面温度が９００（℃）以上になる様な条件で点灯された場合であっても、金属化合物１８が発光に寄与すること無く、より正確に気密容器１０の失透や変形が過昇温によることを検知できる。

また、金属化合物１８として酸化タングステンを用いることで、気密容器１０に封入しても化学反応を起こさず安定して存在することができ、気密容器１０の失透や変形が過昇温であることをより正確に検知できる。

上記実施形態では、単位長さ当たりの入力密度が１４５Ｗ／ｃｍのロングアークランプを用いたが、より高負荷のランプ、例えば単位長さ当たりの入力密度が１６０〜２８０Ｗ／ｃｍのランプであれば、より冷却条件を適正にコントロールし、温度を低減する必要がある為、本発明が有用である。逆に単位長さ当たりの入力密度が１２０Ｗ／ｃｍ以下の負荷の小さいランプであっても、冷却設備の故障などにより無冷却もしくは冷却能力が低い状態で点灯された場合を考慮すれば、十分に有用と言える。

また上記実施形態で、放電ランプ１は、いわゆるメタルハライドランプの構成であったが、金属ハロゲン化物１６を有しない、即ち、水銀と希ガス、金属化合物１８のみを封入した、いわゆる高圧水銀ランプであってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…放電ランプ、
１０…気密容器、
１２…放電空間、
１４…封止部、
１６…金属ハロゲン化物、
１８…金属化合物、
２０…電極、
２２…軸材、
２４…コイル、
２６…箔、
２８…アウターリード
３０…ベース、
４０…リード線、
５０…端子。

Claims (2)

1. 内部が気密に封止され、両端に一対の電極が対向して係止された気密容器と；
   前記気密容器の内部に封入される金属ハロゲン化物と；
   前記金属ハロゲン化物よりも融点が高く、前記融点が１４５０（℃）以上１５００（℃）以下である金属化合物と；
   を有し、紫外線を放出するロングアーク型放電ランプ。
2. 前記金属化合物は、酸化タングステンを含む請求項１記載のロングアーク型放電ランプ。
   

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