JP2018206614A - キセノンフラッシュランプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、赤外領域の発光を相対的に増加し、紫外領域の発光を減少した新規なキセノンフラッシュランプを提供することを目的とする。【解決手段】このキセノンフラッシュランプは、陽極電極及び陰極電極が内封された管状の発光管と、前記発光管の外周面に沿って配置されたトリガー線とを有するキセノンフラッシュランプであって、前記発光管と前記トリガー線との間に、前記発光管の外周面に沿って形成された高誘電体層を備えている。【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、パルス光照射するために使用されるキセノンフラッシュランプに関する。

キセノンランプは、高輝度放電灯の一種であり、発光管に封入したキセノンガスの放電による発光を利用したランプである。このランプを極めて短い時間の間欠的な点灯によりパルス発光させたものがキセノンフラッシュランプとして利用されている。

キセノンフラッシュランプは、強い光を短時間で照射することが出来るので、熱に弱い被照射物に対しても加熱によるダメージを与えずに処理が可能となる。このため、キセノンフラッシュランプの主な用途として、ＵＶ硬化性樹脂の光硬化処理等に使用されている。更に、近年、薄層基材に塗布されたインクを焼成する光焼成技術にも応用されている。

特表平11-505061「放電ランプ及びこの種の放電ランプの点灯方法」（公表日：1999.05.11）出願人：パテント−トロイハント−ゲゼルシャフト フユア エレクトリツシェ グリユーランペン ミツト ペシユレンクテル ハフツング 特開2005-71898「フラッシュランプ発光装置」（公開日：2005.03.17）出願人：株式会社オクテック

キセノンランプの光は、紫外線領域（ＵＶ波領域）から赤外線領域（ＩＲ波領域）にかけて連続スペクトルが特徴であり、太陽光と非常に似た発光分布を有している。

しかし、外部トリガー方式、ＬＣ回路方式による点灯回路を使用してランプを点灯させる場合、点灯時の発光時間が数百μsecになると、放電アークの電流密度が高まり、発光分布が変化して赤外領域の発光が減少すると共に、紫外領域の発光が増加する。このため、照射対象物が合成樹脂の場合、紫外線劣化のおそれがある。

また、光焼成分野では、通常、照射器開口部にＵＶカットフィルターが取り付けられている。光焼成分野では、インクの有機溶剤を飛ばす加熱用途で使用されるが、紫外領域の発光が増加し赤外領域の発光が減少するので、加熱に寄与する赤外領域の照度が低下することになる。

そこで、本発明は、従来のキセノンフラッシュランプに比較して、紫外領域の発光を相対的に減少させた新規なキセノンフラッシュランプを提供することを目的とする。

更に、本発明は、従来のキセノンフラッシュランプに比較して、赤外領域の発光を相対的に増加させた新規なキセノンフラッシュランプを提供することを目的とする。

本発明に係るキセノンフラッシュランプは、一面において、陽極電極及び陰極電極が内封された管状の発光管と、前記発光管の外周面に沿って配置されたトリガー線とを有するキセノンフラッシュランプであって、前記発光管と前記トリガー線との間に、前記発光管の外周面に沿って形成された高誘電体層を備えている。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記高誘電体層は、前記発光管の外周面に形成した皮膜であってよい。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記外周面に形成した皮膜は、セラミックスから成るものでよい。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記セラミックスは、チタン酸バリウムBaTiO₃、チタン酸ジルコン酸塩Pb(Zr_x, Ti_1-x)O₃、及び二酸化チタンTiO₂のいずれかであってよい。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記高誘電体層は、前記発光管の外周面を包囲する密封形水槽であってよい。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記密封形水槽は、前記発光管の外周面を包囲し内部に冷却水が流通する水冷ジャケットであってよい。

更に、上記キセノンフラッシュランプでは、前記密封形水槽は、前記発光管の胴体部を二重にして間隙に水を充填した二重管構造体であってよい。

本発明によれば、従来のキセノンフラッシュランプに比較して、紫外領域の発光を相対的に減少させた新規なキセノンフラッシュランプを提供することが出来る。

更に、本発明によれば、従来のキセノンフラッシュランプに比較して、赤外領域の発光を相対的に増加させた新規なキセノンフラッシュランプを提供することが出来る。

図１Ａは、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプの基本的な構成を説明する図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すキセノンフラッシュランプのランプ外周面に沿って配置されるトリガー線（「始動用補助電極」ともいう。）を説明する図である。 図２Ａは、図１に示す本実施形態に係るキセノンフラッシュランプに使用される点灯回路を説明する図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す点灯回路の動作を説明する図である。 図３Ａは、本実施形態に係る、ランプ外面に高誘電体膜をコーティングしたキセノンフラッシュランプを説明する図である。 図３Ｂは、本実施形態に係る、ランプ外周に水冷ジャケットを設けたキセノンフラッシュランプを説明する図である。 図３Ｃは、発光管の胴体部を二重にして間隙に水を充填した二重管構造のキセノンフラッシュランプを説明する図である。 図４Ａ（ａ）は、従来のキセノンフラッシュランプのトリガー線及びアーク放電の様子を説明するランプ軸線に沿って切断した断面の説明図であり、図４Ａ（ｂ）は、ランプ中央付近でランプ軸線に垂直に切断した断面の説明図である。 図４Ｂは、図４Ａ示すキセノンフラッシュランプ発光管内部のアーク放電の写真である。 図５Ａ（ａ）は、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプのトリガー線及びアーク放電の様子を説明するランプ軸線に沿って切断した断面の説明図であり、図５Ａ（ｂ）は、ランプ中央付近でランプ軸線に垂直に切断した断面の説明図である。 図５Ｂは、図５Ａ示す本実施形態に係るキセノンフラッシュランプ発光管内部のアーク放電の写真である。 図６は、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプの波長−照度特性を示すグラフである。ここで、比較例（水流無し）は、従来のキセノンフラッシュランプのグラフである。

以下、本発明に係るキセノンフラッシュ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。

［キセノンフラッシュランプ］
（ランプの全体構成）
図１Ａは、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプの基本的な構成を説明する図である。なお、本実施形態の特徴点は、別途、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。キセノンフラッシュランプ１０は、希ガスのキセノンを封入した発光管２の両端に、陽極電極４ａと陰極電極４ｂとが対向して配置された構造となっている。発光管２は、円筒形に成形（「直管形」ともいう。）された透光性の石英ガラスから成る。

陽極電極４ａは、電極リード棒４ａ−１の先端部を円柱状に成形加工した陽極大径部４ａ−２を備えるタングステンロッドによって形成されている。陰極側電極４ｂは、電極リード棒４ｂ−１の先端部を円柱状に成形加工して陰極大径部４ｂ−２とし、この陰極大径部の先端部上面に電子放出性物質から成る円柱状の焼結体（「エミッタ部」ともいう。）４ｂ−３が固着されたタングステンロッドによって形成されている。

図１Ｂは、図１Ａに示すキセノンフラッシュランプ１０のランプ外周面に沿って配置されるトリガー線（「始動用補助電極」ともいう。）８を説明する図である。トリガー線８は、各々が発光管２の外周面に密着しながら該発光管を円周方向に取り囲む複数個のリング部ワイヤ８−１と、発光管の軸線に沿って延在して複数個のリング部ワイヤ８−１を連結する連結部ワイヤ８−２とから成る。

リング部ワイヤ８−１は、連結部ワイヤ８−２と電気的に接続され、且つ連結部ワイヤ８−２のランプ軸線方向のズレを防止している。エミッタ部４ｂ−３の先端周囲に、１個のリング部ワイヤ８−１が位置決めされている。

（駆動回路）
図２Ａは、図１Ａに示すキセノンフラッシュランプ１０の点灯回路３０の一例を説明する図である。ここで、符号１０はランプであり、符号８はトリガー線である。点灯回路３０は、商用交流電源２２と、これを昇圧し整流する充電用高圧電源回路２４と、この出力を蓄電する充放電用コンデンサ２６と、充放電用コンデンサ２６からの電圧をランプ１０に印加する際の波形調整用コイル２８とを備えている。

更に、ランプ始動時に高電圧のトリガーパルスをランプに印加する始動用外部トリガー発生回路３２と、トリガーパルス電圧を昇圧してトリガー線８に送るパルス昇圧トランス３４とを備えている。

図２Ｂは、図２Ａに示す点灯回路の動作を説明する図である。上段は、始動用外部トリガー発生回路３２からランプ１０に対して印加されるトリガー電圧波形を示し、下段は、充電用高圧電源回路２４からランプ１０に対して印加されるトリガー電圧波形を示している。

最初は、ランプ１０の電極間は絶縁状態にあり、電源回路２４によりランプ１０は3.6kVに充電される。次に、トリガー発生回路３２により、ランプ１０に対して始動用トリガー（約±15ｋＶ）が印加され、ランプ１０の電極間の絶縁破壊が開始される。この絶縁破壊によって、ランプのアーク放電が発生し、ランプの電極間の電圧が低下し、その後消灯に至る。その後、電源回路２４により3.6kVに再充電され、始動用トリガー（約±15ｋＶ）が印加され、ランプのアーク放電が瞬時発生し、その後消灯に至る。以下、充電−トリガー印加−放電−消灯−再充電の過程を繰り返す。

［本実施形態の特徴］
(構成)
本実施形態に係るキセノンフラッシュランプ１０は、発光管２とトリガー線８の間に、ランプ外周面に沿って高誘電体層を形成したことを特徴とする。ランプ始動時に、この誘電体層がコンデンサの機能を奏して、トリガー線からのパルス電界がこの高誘電体層で蓄積・放電され、ランプ全体に印加されることになる。高誘電体層の具体的な形態は、次の通りである。

図３Ａは、本実施形態に係る、発光管２の外周面に高誘電体を薄膜状にコーティングして高誘電体層１２を形成したキセノンフラッシュランプを説明する図である。図３Ａ(a)は、ランプ軸線沿った切断面図であり、図３Ａ(b)は、ランプ中央部でランプ軸線に垂直面で切断した断面図であり、見易くするため拡大している。高誘電体としては、好ましくはセラミックスを採用する。具体的には、例えば、高い比誘電率をもつチタン酸バリウムBaTiO₃、チタン酸ジルコン酸塩Pb(Zr_x, Ti_1-x)O₃、二酸化チタンTiO₂等がある。高誘電体層の膜厚は、数百μｍ〜10ｍｍ程度が好ましい。

高誘電体層１２の形成方法は、任意所望の方法であってよい。例えば、発光管２の外周面に、粉末又は固体の材料を、溶剤に分散或いは溶解させたものをディップ、スプレー等の手法で塗布した後、焼成・固化し、又は、蒸着、スパッタリング等の手法で直接形成する。

図３Ｂは、本実施形態に係る、ランプ外周を包囲する密封形水槽１４を形成したキセノンフラッシュランプを説明する図である。水槽１４は、内部に水が流通し、放電発光時にランプを冷却する水冷ジャケットの作用も奏している。

図３Ｂ(a)は、ランプ軸線沿った切断面図であり、図３Ｂ(b)は、ランプ中央部でランプ軸線に垂直面で切断した断面図であり、見易くするため拡大している。ジャケット１４は、耐熱性及び透光性を有する、例えば石英ガラスから成る。ジャケット１４の内部に水が充填されており、水層１４ａの厚みは、数ｍｍ程度である。

図３Ｃは、発光管の胴体部を二重にして間隙に水を充填した同軸二重管構造の水槽１６を設けたキセノンフラッシュランプを説明する図である。図３Ｃ(a)は、ランプ軸線沿った切断面図であり、図３Ｃ(b)は、ランプ中央部でランプ軸線に垂直面で切断した断面図であり、見易くするため拡大している。二重管部分を形成する外管の材質は、発光管２と同じ石英ガラスが好ましい。

(作用)
本実施形態のキセノンフラッシュランプ１０の作用を、従来のランプと比較して説明する。図４Ａ(a)は、従来のキセノンフラッシュランプのトリガー線８及びアーク放電１８−１の様子を説明するランプ軸線沿った切断した断面図であり、図４Ａ(b)は、ランプ中央部でランプ軸線に垂直面で切断した断面図であり、見易くするため拡大している。

従来のランプでは、始動時にトリガー線８からのトリガーパルス電圧により、発光管外周面にトリガー線８に沿って軸線方向に電界（符号＋）が発生し、この影響により発光管内部は絶縁破壊が起こり、アーク放電時には発光管内部にトリガー線に沿って１本の放電アーク１８−１が発生する。この放電アーク１８は、１本に集中しているため比較的高電流密度である。図４Ｂは、この様子を撮影した発光管内のアーク放電の写真である。

これに対して、図５Ａ(a)は、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプ１０のトリガー線８及びアーク放電１６−２の様子を説明するランプ軸線に沿って切断した断面であり、図５Ａ(b)は、ランプ中央部でランプ軸線に垂直面で切断した断面図であり、見易くするため拡大している。

ここでは、図３Ｂに示した水冷ジャケット１４を設けたキセノンフラッシュランプの例をとって説明する。始動時にトリガー線８からのトリガーパルス電圧により、高誘電体層である水冷ジャケット１４に対して電界が発生し、水冷ジャケット１４のコンデンサの機能により発光管外周面全体に対して電界（符号＋）が発生し、この影響により発光管内部では絶縁破壊が起こり、発光管内部にランプ軸線方向に複数本の放電アーク１８−２が発生する。この放電アーク１８−２は、複数本であるため、電流が集中せず、比較的低い電流密度となる。図５Ｂは、この様子を撮影した発光管内のアーク放電の写真である。

（効果）
図３Ｂで説明したランプ外周に水冷ジャケットを設けたキセノンフラッシュランプに関して、実験によりその効果を確認した。実験に使用したランプ等の仕様は次の通りである。
(1)ランプ自体
封入ガス：キセノンXeガス 封入圧：約420 Torr
ランプ：全長L=650 mm、 アーク長AL=550 mm、 ランプ外径Dout=10 mm
ランプ電極の材質：陽極はタングステン、陰極はタングステン及びエミッタ部（Ba,Ca等の酸化物）
(2)水冷ジャケット
ランプに装填時のジャケット外径Dj=20 mm、 内部水層の厚み Dw=(20-8)/2=5 mm
水質レベル：イオン交換水
(3)点灯回路
コンデンサ：80 μF、 コイル：80μH
点灯条件：コンデンサに3.6 kVを充電し、外部トリガーに約15 kV印加して絶縁破壊させ発光させた。

図６は、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプ１０の波長λ−照度Ｓの特性を示すグラフである。横軸は、波長を示し、縦軸の照度は、波長763ｎｍの照度を1とした相対強度で示している。ここで、比較例の従来例（水流無し）は、水冷ジャケットを備えないキセノンフラッシュランプである。

本実施形態に係るランプの特性（太線）と従来のランプの特性（細線）を比較すると、紫外領域（波長λ≦400 nm）では、従来のランプに比較して、本実施形態に係るランプの照度は相対的に低くなっている。そのため、被照射物（樹脂）の紫外線劣化は相対的に少ないことが分かる。

一方、近赤外領域（波長800 nm≦λ≦1000 nm）では、従来のランプに比較して本実施形態に係るランプの照度は、ほぼ同じか若干高くなっている。そのため、薄層基材に塗布されたインクを焼成する光焼成技術において加熱に寄与する波長領域の照度が高くなる効果を有する。

ランプに対する供給電力が同じであれば、全波長にわたる照度の積分値（全ネルギー値）は同じとなる。図６では、紫外領域を含む波長350〜650ｎｍでは、従来例に比較して本実施例のランプの照度は低下している。この低下分のエネルギーは、他の波長にシフトしたと考えられ、その一部は近赤外領域にシフトしたものと考察される。

［代替手段・変形例等］
以上、本実施形態に係るキセノンフラッシュランプについて説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を何等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成し得る追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。

当業者が、本実施形態に対して容易に成し得る追加・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、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

２：発光管、 ４ａ：陽極電極、 ４ａ−1：陽極リード棒、 ４ａ−２：陽極大径部、 ４ｂ：陰極電極、 ４ｂ−１：陰極電極リード棒、 ４ｂ−２：陰極大径部、 ４ｂ−３：エミッタ部、 ８：トリガー線、 ８−１：リング部ワイヤ、 ８−２：連結部ワイヤ、 １０：キセノンフラッシュランプ、 １２：高誘電体層、 １４：水冷ジャケット（水槽）、 １４ａ：水層、 １６：二重管（水槽）、 １８−１：１本のアーク放電、 １８−２：複数本のアーク放電、 ２２：商用交流電源、 ２４：充電用高圧電源回路、 ２６：充放電用コンデンサ、 ２８：波形調整用コイル、 ３０：点灯回路、 ３２：始動用外部トリガー発生回路、 ３４：パルス電圧昇圧トランス、

Claims (7)

1. 陽極電極及び陰極電極が内封された管状の発光管と、
   前記発光管の外周面に沿って配置されたトリガー線とを有するキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記発光管と前記トリガー線との間に、前記発光管の外周面に沿って形成された高誘電体層を備える、キセノンフラッシュランプ。
2. 請求項１に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記高誘電体層は、前記発光管の外周面に形成した皮膜である、キセノンフラッシュランプ。
3. 請求項２に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記外周面に形成した皮膜は、セラミックスから成る、キセノンフラッシュランプ。
4. 請求項３に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記セラミックスは、チタン酸バリウムBaTiO₃、チタン酸ジルコン酸塩Pb(Zr_x, Ti_1-x)O₃、及び二酸化チタンTiO₂のいずれかである、キセノンフラッシュランプ。
5. 請求項１に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記高誘電体層は、前記発光管の外周面を包囲する密封形水槽である、キセノンフラッシュランプ。
6. 請求項５に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記密封形水槽は、前記発光管の外周面を包囲し内部に冷却水が流通する水冷ジャケットである、キセノンフラッシュランプ。
7. 請求項５に記載のキセノンフラッシュランプにおいて、
   前記密封形水槽は、前記発光管の胴体部を二重にして間隙に水を充填した二重管構造体である、キセノンフラッシュランプ。