JP2021150175A

JP2021150175A - 高圧放電ランプ

Info

Publication number: JP2021150175A
Application number: JP2020048872A
Authority: JP
Inventors: 圭佑中里; Keisuke Nakazato
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27

Abstract

【課題】封止部が短い高圧放電ランプでも封止部の温度上昇を抑制する高圧放電ランプを提供する。【解決手段】実施形態によれば、高圧放電ランプは、発光管と、リード線と、口金とを有する。発光管は、放電空間の両端に一対の電極が設けられる封止部と、封止部の内部に埋設され一端が電極と接合される金属箔と、金属箔の他端と接合されるアウターリードとを有する。リード線は、発光管の外部で、アウターリードと接合される。口金は、発光管の封止部の一部およびアウターリードを覆い、リード線が貫通して設けられる。高圧放電ランプの全長をＡ［ｍｍ］、一対の電極の間の距離をＢ［ｍｍ］としたとき、Ａ−Ｂ≦１００［ｍｍ］であり、口金の体積Ｘ［ｍｍ３］は、Ｘ≧２０．０［ｍｍ３］を満たす。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、高圧放電ランプに関する。

紫外線を放出する光源として、例えば、印刷工程における紫外線硬化インクの硬化、乾燥工程における塗料の乾燥、半導体製造工程の露光や、液晶製造工程での封止用接着剤の硬化等に高圧放電ランプが用いられている。紫外線を放出する高圧放電ランプには、水銀を封入した水銀ランプや、水銀の他に、例えば、鉄、スズ、タリウム、マグネシウム、ビスマス等の発光金属とハロゲン物質の混合物であるメタルハライドを封入した、メタルハライドランプが開示されている。

特開２００９−２５９７９０号公報特開２００８−３１１１１９号公報

高圧放電ランプを構成する発光管の両端である封止部からアウターリードの一部が突出して設けられる。封止部は、放電空間内に封入された発光金属や希ガス等の蒸気圧を確保するため、高圧放電ランプの点灯中に４００℃以下であることが好ましい。封止部の温度が４００℃を超えると、一端が封止部に埋設され他端が封止部から突出したアウターリードにおいて酸化が発生する。アウターリードが酸化することで、アウターリードを構成する金属の体積が膨張し、膨張した金属により封止部を構成するガラスのクラックが発生し、放電空間から発光金属の蒸気や希ガスが漏れるリークが発生したり、封止部が破損したりして不点灯に至ることがある。封止部の温度上昇を抑制するための手段として、封着部の長さを長くして、高温となる放電空間とアウターリードとを離間させる構造があげられる。

しかしながら、近年、被照射物の大型化に伴い、高圧放電ランプの全長は同じでも、発光長を長くするため、封止部の長さを短くする構成を採ることがある。封止部の長さを短くすることで、封止部の温度上昇を抑制することができず、アウターリードの金属酸化による封止部の破損が発生する問題がある。また、被照射物の大型化に伴い、高圧放電ランプに投入される電力も大きくなっており、電力の増大で高圧放電ランプに流れる電流量が増大することでジュール熱が増大し、封止部の温度上昇がより顕著となる。

本発明が解決しようとする課題は、封止部が短い高圧放電ランプでも封止部の温度上昇を抑制することができる高圧放電ランプを提供することである。

本発明の実施形態によれば、高圧放電ランプは、発光管と、リード線と、口金とを有する。発光管は、放電空間の両端に一対の電極が設けられる封止部と、封止部の内部に埋設され一端が電極と接合される金属箔と、金属箔の他端と接合されるアウターリードとを有する。リード線は、発光管の外部で、アウターリードと接合される。口金は、発光管の封止部の一部およびアウターリードを覆い、リード線が貫通して設けられる。高圧放電ランプの全長をＡ［ｍｍ］、一対の電極の間の距離をＢ［ｍｍ］としたとき、Ａ−Ｂ≦１００［ｍｍ］であり、口金の体積Ｘ［ｍｍ^３］は、Ｘ≧２０．０［ｍｍ^３］を満たす。

本発明の実施形態によれば、封止部が短い高圧放電ランプでも封止部の温度上昇を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る高圧放電ランプ１を例示する模式図である。図２は、実施形態に係る高圧放電ランプ１の寸法Ａ、Ｂ、Ｃを示す図である。図３は、実施形態に係る高圧放電ランプ１において口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］および封止部１４の端部の温度［℃］の関係を示す図である。図４は、高圧放電ランプ１のＣ［ｍｍ］を変化させたときの発光金属１６の封止部１４への侵入有無の評価結果である。

以下で説明する実施形態に係る高圧放電ランプ１は、発光管１０と、リード線４０と、口金６０とを有する。発光管１０は、放電空間１２の両端に電極２０が設けられる封止部１４と、封止部１４の内部に埋設され一端が電極２０と接合される金属箔２６と、金属箔２６の他端と接合されるアウターリード２８とを有する。リード線４０は、発光管１０の外部で、アウターリード２８と接合される。口金６０は、発光管１０の封止部１４の一部およびアウターリード２８を覆い、リード線４０が貫通して設けられる。高圧放電ランプ１の全長をＡ［ｍｍ］、一対の電極２０、２０の間の距離をＢ［ｍｍ］としたとき、Ａ−Ｂ≦１００［ｍｍ］であり、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ］は、Ｘ≧２０．０［ｍｍ^３］を満たす。

本実施形態によれば、封止部が短い高圧放電ランプでも封止部の温度上昇を抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係る高圧放電ランプ１において、電極２０の放電空間１２側の一端と口金６０の放電空間１２側の端部との間の距離をＣ［ｍｍ］としたとき、Ｃ≧１５［ｍｍ］を満たす。

また、以下で説明する実施形態に係る高圧放電ランプ１において、高圧放電ランプ１の電流値Ｉ_Ｌ［Ａ］は、８［Ａ］≦Ｉ_Ｌ≦２５［Ａ］を満たす。

また、以下で説明する実施形態に係る紫外線照射装置は、高圧放電ランプ１が搭載される。

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。

（実施形態）
実施形態に係る高圧放電ランプ１について、図１を用いて説明する。図１は、高圧放電ランプ１を例示している。

図１に示したように、本実施形態に係る高圧放電ランプ１は、発光管１０と、一対の電極、２０、２０とを有する。高圧放電ランプ１の全長Ａは、１１００［ｍｍ］である。高圧放電ランプ１は、ロングアーク型放電ランプである。

発光管１０は、直管状に形成され、内部に放電空間１２を有する。また、発光管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。発光管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。発光管１０は、外径φが２５［ｍｍ］である。なお、図１に示すように、発光管１には封止部１４、電極２０が一対あるが、両方とも構成が同一であることから、以降説明は一方のみ行い、他方について省略する。

放電空間１２には、封止部１４の外部より電力が印加されることで、放電空間１２内に対向して設けられる一対の電極２０−２０間でアーク放電が生起されて発光する。放電空間１２は、例えば内径φが２２［ｍｍ］、発光長、すなわち、一対の電極２０−２０間の距離Ｂが１０００［ｍｍ］で構成される。

封止部１４は、放電空間１２の両端に形成される。封止部１４は、発光管１０と同じ石英ガラスで構成される。封止部１４は、電極２０を所望の位置に設けた後に、不図示の減圧手段により放電空間１２を減圧したあとで不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して成形する、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には、発光管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は、不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して、不図示のピンチャーなどの成形手段によりピンチして封止する、いわゆるピンチシールにより形成されてもよい。

放電空間１２には、発光金属１６および不図示の希ガスが封入される。発光金属１６は、放電空間１２内でアーク放電が生起されることにより蒸発して発光に寄与する。発光金属１６は、水銀および金属ハロゲン化物の混合物として、一部が放電空間１２中に凝集し、残りが蒸気として放電空間１２中に存在する。高圧放電ランプ１は、発光金属１６として、水銀およびハロゲンを含む、水銀ランプである。なお、高圧放電ランプ１は、発光金属１６として、水銀に加えて、例えば鉄、ヨウ化タリウム、ヨウ化水銀、臭化水銀が封入される、メタルハライドランプであってもよい。また、発光金属１６は上記に限定されず、上記以外の金属ハロゲン化物を含んでいてもよい。また、発光金属はハロゲン化金属に限定されず、金属単体が封入されていてもよい。

希ガスは、放電空間１２内でアーク放電が生起されることにより発光に寄与する。希ガスは、例えばキセノンが封入される。なお、希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンなどのいずれか一種、または二種以上の混合ガスであればどのような形態をとってもよい。

発光管１０には、排気痕１８が設けられる。排気痕１８は、発光管１０において封止部１４が封止された後、放電空間１２と高圧放電ランプ１との間で連通するように設けられた不図示の排気管で発光金属１６や不図示の希ガス等を封入後、焼き切った痕である。排気痕１８は、発光管１０と同じ石英ガラスで構成される。なお、排気痕１８の材料は、発光管１０と異なる材料で形成されてもよい。また、排気痕１８は設けられなくてもよい。

封止部１４には、一端側が放電空間１２に突出して設けられ、他端側が封止部１４に埋設される電極軸２２を有する電極２０を有する。また、封止部１４の内部には、金属箔２６、アウターリード２８が埋設されている。

電極軸２２は、放電空間１２に電力を印加する。電極軸２２は、一端側が放電空間１２に突出して設けられ、他端側が封止部１４に埋設される。電極軸２２の放電空間１２側に突出した一端側には後述するコイル２４が設けられる。電極軸２２の放電空間１２の反対側である他端側は後述する金属箔２６と接合される。電極軸２２は、例えば、主な材料としてタングステンを含む。また、電極軸２２は、例えば、電子放射性を良くするため、例えば酸化トリウムを含むトリエーテッドタングステンで構成される。電極軸２２は、外径が２．０［ｍｍ］、全長が２０［ｍｍ］である。電極軸２２は、他端側が平坦となるように加工されている。なお、電極軸２２は、高圧放電ランプ１の点灯中に、電極軸２２の主な材料として構成されるタングステンの再結晶化による電極軸２２の強度低下を抑制するため、微量の金属を含んだ、いわゆるドープタングステンにより構成されてもよい。

コイル２４は、電極軸２２の一端側に設けられ、放電中の電極軸２２から温度を放射することで、電極先端を除く電極軸２２の温度上昇を抑制する。コイル２４は、一端が電極軸２２の一端側、すなわち、放電空間１２側に設けられ、他端が電極軸２２の他端側に設けられる。コイル２４は、例えば、電極軸２２の電極先端側に、コイル２４を構成する線材１本を二重に巻回することにより設けられる、いわゆる二重巻構造である。コイル２４は、例えば、線径が０．７［ｍｍ］であり、電極軸２２の電極先端２２ａ側に、外径φ３．２［ｍｍ］となるように巻き付けている。コイル２４は、例えばドープタングステンにより構成される。

金属箔２６は、封止部１４に埋設されて封止されることにより、発光管１０を気密に保つ。金属箔２６は、一端が電極軸２２の他端と接合され、他端が後述するアウターリード２８の一端と接合される。金属箔２６は、例えばモリブデンにより構成される。なお、金属箔２６が複数枚設けられる場合は、複数の金属箔２６の間に、絶縁部材として不図示のセパレータガラスが設けられてもよい。

アウターリード２８は、一部が封止部１４に埋設され、他端が後述するリード線４０と接合され、発光管１０の内部と外部とが電気的に接続される。アウターリード２８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は、直径が２［ｍｍ］の棒状体である。

保温膜３０は、発光管１０の電極２０が設けられる外表面から封止部１４に亘って設けられる。保温膜３０は、発光管１０の電極２０が設けられる近傍や封止部１４の温度低下を抑制して発光金属１６の封止部１４への移動を抑制することで、発光金属１６が発光に寄与することを補助する。保温膜３０は、例えば、白金で構成される。なお、高圧放電ランプ１は、保温膜３０を設けない構成としてもよい。

リード線４０は、一端がアウターリード２８と接合され、他端に端子５０が設けられる。リード線４０は、芯線４２を被覆４４で覆うことで形成される。芯線４２は、一端がアウターリード２８と、他端が端子６０と接続される。芯線４２は、スズめっき軟銅線を撚って形成した、撚り線である。

端子５０は、リード線４０の他端に設けられ、不図示の紫外線照射装置に設けられた端子台を介して、不図示の点灯回路と接続される。端子５０は、銅により構成される。

口金６０は、封止部１４の放電空間１２と対向する側に設けられる。口金６０は、アウターリード２８とリード線４０との接続部分が外部に露出しないように、アウターリード２８とリード線４０とを覆う。口金６０の一端は、封止部１４の放電空間１２と対向する側の一部分を収納できるように、封止部１４側が開口する、有底開口状の円筒である。口金６０の他端は、リード線４０が貫通して設けられる。口金６０は、例えば、ステアタイトにより構成される。なお、口金６０の封止部１４側には、フランジ６２を有していてもよい。

このようにして設けられた高圧放電ランプ１は、不図示の紫外線照射装置に取り付けられ、不図示の点灯回路から、高圧放電ランプ１に電力が供給されることで、紫外線が放出される。

ここで、高圧放電ランプ１の寸法について、図２を用いて更に詳しく説明する。

図２に示すように、高圧放電ランプ１の全長をＡ［ｍｍ］、一対の電極２０、２０間の距離をＢ［ｍｍ］としたとき、Ａ−Ｂ≦１００、すなわち、一対の電極２０、２０において、電極２０の先端から口金６０のリード線４０が貫通する側までの距離の合計が１００［ｍｍ］以下である。このような条件の下で、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］は、Ｘ≧２０．０を満たす。口金６０の体積Ｘが２０．０［ｍｍ^３］未満となると、封止部１４の端部の温度が４００℃を超え、アウターリード２８が酸化してしまい、アウターリード２８を構成する金属の体積が膨張し、膨張した金属により封止部１４が破損したりして不点灯に至ることから、好ましくない。よって、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］はＸ≧２０．０を満たすのがよい。特に、Ｘ≧２５．０の範囲とすることで、封止部１４の温度が３００℃以下となることから、より確実にアウターリード２８の酸化を抑制できるため、好適である。なお、図２では、一対の電極２０、２０で、先端から口金６０のリード線４０が貫通する側までの距離Ｃ、および先端から口金６０のリード線４０が貫通する側までの距離が同じように描画されているが、図２の左右で距離Ｃが異なっていてもよい。

また、電極２０の放電空間１２側の一端と口金６０の前記放電空間側の端部との間の距離をＣ［ｍｍ］としたとき、Ｃ≧１５［ｍｍ］を満たす。Ｃが１５未満となると、封止部１４に発光金属１６が侵入する。発光金属１６が封止部１４へ侵入することで、放電空間１２から発光金属１６が減少するため、好ましくない。よって、Ｃ≧１５を満たすのがよい。特に、２０≦Ｃ≦３０の範囲とすることで、封止部の薬品侵入を抑制し、かつ発光部からの温度を効果的に逃がすことができることから、好適である。

また、高圧放電ランプ１の電流値Ｉ_Ｌ［Ａ］は、８≦Ｉ_Ｌ≦２５を満たす。Ｉ_Ｌ＜８となると、高圧放電ランプ１の温度が低下し、安定した放電が得られなくなることから、好ましくない。一方、Ｉ_Ｌ＞２５となると、高圧放電ランプ１に流れる電流値Ｉ_Ｌが上昇し、特に封止部１４に流れる電流で生じるジュール熱により封止部１４の温度が上昇することから、好ましくない。よって、高圧放電ランプ１の電流値Ｉ_Ｌ［Ａ］は、８≦Ｉ_Ｌ≦２５を満たすことが望ましい。なお、高圧水銀ランプ１の電流値Ｉ_Ｌ［Ａ］は、高圧水銀ランプ１を不図示の点灯回路で点灯後１０分後に、ディジタルマルチメーターＷＴ３１０（ＹＯＫＯＧＡＷＡ制）で測定した電流値のことである。

また、高圧放電ランプ１を有する紫外線照射装置とすることで、封止部１４が短い高圧放電ランプ１でも封止部１４の温度上昇を抑制することができる紫外線照射装置を得ることができる。

（評価試験１）
高圧放電ランプ１の試作品を用いて点灯試験を行い、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］を変化させて、封止部１４のリード線が設けられる側の端部（以下、単に「封止部１４の端部」と称する）の温度を測定した。具体的には、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］が異なる高圧放電ランプ１を制作し、不図示の点灯回路から、高圧放電ランプ１に電力を供給して封止部１４の端部の温度を測定した。本実施形態の高圧放電ランプ１（実施例）の電気特性は、定電力制御にてランプに印加される電力を一定としており、ランプ電力が２０［ｋＷ］であり、ランプ電圧が２０００［Ｖ］、ランプ電流が１０［Ａ］である。口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］は、１５．０、１８．０、２０．０、２１．０、２５．０、２８．５、３０．０である。封止部１４の端部の温度は、封止部１４のリード線が設けられる側の端部にＫ熱電対を取り付けた後に口金６０を取り付けて、ランプ点灯後１０分後に、データロガーＧＬ−２２０（グラフテック製）で測定した。封止部１４の端部の温度は４００℃以下であればよい。

図３に示すように、口金６０の体積Ｘ［ｍｍ^３］について、Ｘ≧２０．０とすることで封止部１４の端部の温度が４００［℃］以下となることが判明した。特に、Ｘ≧２５．０とすることで、封止部１４の端部の温度が３００［℃］以下となり、より確実にアウターリード２８の酸化を抑制できることが判明した。

（評価試験２）
高圧放電ランプ１の試作品を用いて点灯試験を行い、電極２０の放電空間１２側の一端と口金の放電空間１２側の端部との間の距離Ｃ［ｍｍ］を変化させて、不図示の点灯回路で１０００時間点灯後、発光金属１６が封止部１４へ侵入したか否か確認した。電極２０の放電空間１２側の一端と口金の放電空間１２側の端部との間の距離Ｃ［ｍｍ］は、５、１０、１２、１５、１８、２０、３０である。発光金属１６の封止部１４への侵入の有無は口金６０および封止部１４を破壊して、顕微鏡で拡大して目視にて確認した。発光金属１６は、封止部１４への侵入がなければよい。

図４に示すように、Ｃ≧１５とすることで、発光金属１６の封止部１４への侵入を抑制することが判明した。

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…高圧放電ランプ、
１０…発光管、
１２…放電空間、
１４…封止部、
１６…発光金属、
１８…排気痕、
２０…電極、
２２…電極軸、
２４…コイル、
２６…金属箔、
２８…アウターリード、
３０…保温膜、
４０…リード線、
４２…芯線、
４４…被覆、
５０…端子、
６０…口金。

Claims

放電空間の両端に一対の電極が設けられる封止部と、前記封止部の内部に埋設され一端が前記電極と接合される金属箔と、前記金属箔の他端と接合されるアウターリードとを有する発光管と；
前記発光管の外部で、前記アウターリードと接合されるリード線と；
前記発光管の前記封止部の一部および前記アウターリードを覆い、前記リード線が貫通して設けられる口金と；
を有する高圧放電ランプであって、
前記高圧放電ランプの全長をＡ［ｍｍ］、前記一対の電極の間の距離をＢ［ｍｍ］としたとき、Ａ−Ｂ≦１００［ｍｍ］であり、前記口金の体積Ｘ［ｍｍ^３］は、Ｘ≧２０．０［ｍｍ^３］を満たす、高圧放電ランプ。
前記電極の放電空間側の一端と前記口金の前記放電空間側の端部との間の距離をＣ［ｍｍ］としたとき、Ｃ≧１５［ｍｍ］を満たす、請求項１に記載の高圧放電ランプ。
前記高圧放電ランプの電流値Ｉ_Ｌ［Ａ］は、８［Ａ］≦Ｉ_Ｌ≦２５［Ａ］を満たす、請求項１または２に記載の高圧放電ランプ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の高圧放電ランプを有する紫外線照射装置。