JP5521522B2 - キセノン水銀放電ランプおよび光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電容器にキセノンおよび水銀を封入したキセノン水銀放電ランプおよびそれを光源に使用した光照射装置に関する。

従来から、光ピックアップレンズに例示される光学部品の精密接着や電子部品の基板への接着には光硬化型樹脂、特には紫外線硬化型樹脂を使用した硬化処理が行われている。その硬化処理には、光照射の対象物が狭い場所にある場合などを考慮して、光ファイバを備えた光学ユニットを具備した光照射装置が使用される。

光照射装置の光出射部に光ファイバを取り付け、光源の光を光ファイバで導いて微小領域に照射する。そのような光照射装置が例えば特許文献１（特開平０３−２００１０２号公報）に開示され、図４に概略構成図を示す。この光照射装置１０は、ランプ１１からの光が凹面反射ミラー１２で集光反射し、平面反射ミラー１３で折り返し、光ファイバ１８に導入している。そして、レンズ２０、２２、反射ミラー２１、などを組み合わせて照射面Ｓに光照射している。光ファイバは長く伸ばした形態のものや光ファイバの直径を例えばφ１mm〜φ5mmと変化させたもの或いは複数本の光ファイバを束ねて分岐して使用するものなど、種々用途に応じた形状へ交換可能になっている。

そして、その光源にはキセノン水銀放電ランプが主として使用され、特許文献２（特開２０００−１４９８６８号公報）にその構成例が開示され、図３にその一例としてランプの概略図を示す。放電容器の発光部１´内に陰極２´と陽極３´が対向配置され、容器内に所定のキセノンと水銀が封入されている。光ピックアップレンズの接着や電子部品の基板への接着を行う製造ラインにおいて使用される光照射装置は、光強度を一定に維持するために定格点灯を継続して行いつつ、例えば光照射装置に備えられたシャッター(不図示)を開閉して必要なときに照射していた。

近時、省エネルギーおよびエコロジーの観点から、できるだけエネルギー消費の少ない光照射装置が産業界では必要とされている。すなわち、光照射時のみ定格点灯を行い、非照射時には定格点灯より入力を抑えて点灯させる、いわゆるフル-スタンバイ点灯が要求されている。このフル-スタンバイ点灯は半導体露光などにおいては従前より行われており、例えば、特許文献３（特開２０００−１８１０７５号公報）にその技術が開示される。

光照射装置は、工場内での省スペース化の流れの中でキセノン水銀放電ランプを垂直に配置した構成のものが使用されることが多い。キセノン水銀放電ランプはキセノン（Ｘｅ）が静圧で例えば数ＭＰａ程度封入されており、点灯時にはアルゴンをバッファガスとして例えば数十ｋＰa封入した通常の水銀放電ランプと比べると、ガス圧が非常に高いために発光部内にガスの流れが強く発生しやすいランプであって、発光部上部への熱対流が生じる。そのため、陰極を下側に位置させる特徴がある。これはランプからの光を集光させる凹面反射鏡の首部開口にランプを配置させるに際して、その凹面反射鏡の集光方向が上下いずれの方向であっても陰極を下側に位置させることは変わらない。それは陰極が上側であると、対流に逆らって放電することになり、つまり電子の流れが阻害されることになり、その結果、アークの揺らぎが発生するからである。

発明者は、図４に示した光照射装置において、図３に示したのと同じようなその中央部が膨出形状の発光部を備えたキセノン水銀放電ランプをセットし、１２５Ｗで４分５０秒点灯し、定常点灯２５０Ｗに切り替え１０秒点灯する駆動を行った。そうしたところ、常時点灯の場合と比較してフル-スタンバイ点灯を繰り返した場合、放電容器の内壁の黒化が著しく早く、所定の紫外線照度を長く維持できないことがわかった。この放電容器の内壁の黒化は電極材料の蒸発が原因で生じることが知られている。

特開平０３−２００１０２号公報 特開２０００−１４９８６８号公報 特開２０００−１８１０７５号公報

そこで本発明の目的は、キセノン水銀放電ランプを用いた光照射装置をフル−スタンバイ点灯にて使用する際に、従来のランプに比べて放電容器の内壁の黒化による照度劣化を遅らせ長寿命となるキセノン水銀放電ランプおよびそれを用いた光照射装置を提供することにある。

フル−スタンバイ点灯においてはアークの放電状態が電力切り替え時に変わることで電極、特に陰極に温度差に起因する高い熱負荷が短時間にかかる状態が生じることが発明者の研究により分かった。その短時間に集中する高い熱負荷はフル−スタンバイ点灯においては避けられない。そこで発明者は要求される従来装置の発光スペクトルを維持しつつ、放電容器の内壁の黒化による照度劣化を遅らせ長寿命となるキセノン水銀放電ランプの放電容器形状および放電容器と電極との位置関係を鋭意検討の結果、本発明を完成した。

そこで、請求項１に記載の発明は、放電容器内に陰極と陽極からなる一対の電極を対向配置させ、該放電容器内に静圧でキセノンを０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲で封入し、水銀を所定量封入し、陽極を上側に配置して使用するキセノン水銀放電ランプにおいて、該放電容器は、膨出形状の発光部と該発光部に連設された互いに反対方向に伸びる２つの封止部とからなり、前記発光部の発光部空間の全長をＡとし該発光部空間下端から陰極の先端までの距離をＢとしたときにＢ／Ａ＜０．４であり、前記発光部は陽極側の封止部寄りにその最大径部が位置するように該発光部の陰極側の封止部から該最大径部に向かうにつれ徐々に拡径してなり、前記発光部はその外郭形状が前記陽極側を構成する第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と前記陰極側を構成する第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分とからなり、１１≦Ｒ２／Ｒ１＜１３であることを特徴とするキセノン水銀放電ランプとするものである。。

請求項２に記載の発明は、前記陰極は第一の電極軸と該第一の電極軸より大径の陰極本体部とからなり、前記陽極は第二の電極軸と該第二の電極軸よりも大径の陽極本体部とからなり、前記発光部は該陽極本体部よりも陽極側の封止部寄りにその最大径部が位置しており、前記陽極本体部が略全て該発光部空間に露出していることを特徴とする請求項１に記載のキセノン水銀放電ランプとするものである。

請求項３に記載の発明は、前記第二の電極軸にはゲッター材が付設され、前記陽極本体部および該ゲッター材が略全て前記発光部空間に露出していることを特徴とする請求項２に記載のキセノン水銀放電ランプとするものである。

請求項４に記載の発明は、前記陽極本体部は円柱状の胴部と徐々に拡径するテーパー部を備え、前記第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と前記第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分の境界は陽極本体のテーパー部の面を仮想的に延ばした面と前記発光部外壁との交線上またはその近傍にあることを特徴とする請求項３に記載のキセノン水銀放電ランプとするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載のキセノン水銀放電ランプを陰極を下側にし、陽極を上側にして搭載したことを特徴とする光照射装置。

本発明によるキセノン水銀放電ランプは、光照射装置に陰極を下側にし、陽極を上側にして装着され、フルースタンバイ点灯にて使用する際に、従来のキセノン水銀放電ランプを使用した時に比べて照度維持率を大幅に延ばすことができる。

また、本発明のキセノン水銀放電ランプ用いた光照射装置では、フルースタンバイ点灯にて使用する際に、従来の製造工程においても、ランプ交換の頻度を少なくできる。

本発明の一実施例のキセノン水銀放電ランプの概略断面図である。 発光部の外郭における２つの曲率半径Ｒ１、Ｒ２と陽極テーパー部との位置関係を示す部分拡大図である。 従来のキセノン水銀放電ランプの概略断面図である。 光照射装置の一例の概略図である。 本発明の効果を説明する照度維持率の測定結果の図である。

本発明の実施形態について、以下に図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態にかかるキセノン水銀放電ランプの概略構成を示す断面図である。

陰極、陽極とも電極軸と電極軸より大径の電極本体部から構成されている。
陰極２は第一の電極軸２ａと第一の電極軸２ａより大径の陰極本体部とからなり、陽極３は第２の電極軸３ａと第二の電極軸３ａより大径の陽極本体部３ｂとからなる。なお、電極はこの形状に限らず、陰極、陽極の両方または一方が、小径の電極軸とそれより大径の電極本体という明確な区別がされず同一の太さの径の電極から構成される場合がある。
陰極を構成する材料はエミッタ物質として主にバリウム（Ｂａ）を備えたタングステンであり、陽極を構成する材料はタングステンである。なお、陰極のエミッタ物質としてはそのほかに、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）などがある。記号６はタンタル（Ｔａ）からなるゲッターである。
放電容器４は石英ガラス製で膨出形状の発光部４ａと発光部４ａに連設された互いに反対方向に伸びる２つの封止部４ｂ、４ｂとからなり、発光部の最大径部Ｌは発光部４ａの中央より陽極側に位置している。
発光部４ａは、その最大径部より徐々に２つの封止部４ｂ、４ｂに向かうにつれてその径を漸減している。

キセノン水銀放電ランプは、放電容器４の発光部４ａ内にキセノンを静圧で０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲で封入しており、水銀を３〜３０ｍｇ／ｃｍ^３封入している。図４に例示した光照射装置に陰極を下側、陽極を上側に配置されて使用される。一対の電極はタングステンからなり、陰極は第一の電極軸とその第一の電極軸より大径の陰極本体部とからなり、陽極は第二の電極軸とその第二の電極軸よりも大径の陽極本体部とからなる。陰極にはエミッタ物質としてバリウムが含有されている。この例では、陽極本体部が全て、そして、ゲッター部材が全て発光部空間に露出している。

発光部の発光部空間の全長をＡとし、発光部空間の陰極側端から陰極の先端までの距離をＢとしたときにＢ／Ａ＜０．４であり、発光部は陽極本体部より陽極側の封止部寄りにその最大径部が位置するように発光部の陰極側の封止部から最大径部に向かうにつれ徐々に拡径して形成されている。ここで発光部空間の全長Ａとは、図１で示したように、管軸を含む断面でみて、発光部の膨出形状の内面と封止部との境界点間の管軸に平行な距離である。発光部空間の陰極側端というのは陰極側の発光部の膨出形状の内面と封止部との境界点をいう。

また、放電容器の発光部はその外郭形状が陽極側を構成する第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と陰極側を構成する第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分とからなり、Ｒ２＞Ｒ１であり、好ましくはＲ２／Ｒ１≧１１である。Ｒ２／Ｒ１は１１より大きい方が好ましいが、Ｒ１を小さくするためのガラス加工が難しく、封止部と発光部の境界の形状の再現性が困難になってしまうため、Ｒ２／Ｒ１は１３を超えると製造面で問題がある。

図２に示すように、陽極本体部は円筒状の胴部と徐々に縮径するテーパー部を備え、第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分の境界は陽極本体のテーパー部３１の面を仮想的に延ばした面と放電容器との交線またはその近傍にあるのが好ましい。図中の破線はテーパー部の面を仮想的に延ばした面の一部を線で示したものである。

それは次の理由による。電極間で発生するプラズマから得られる光の利用率を決める要因の一つに電極先端のテーパー部の角度がある。角度が大きいと電極自身がランプの放射光を遮る物体となり影を形成し、光の利用率が低下する。そこで影になる度合いを「陽極本体のテーパー部の面を仮想的に延ばした面と放電容器との交線」を指標に境目として考えた。発光部の最大径を陽極側の封止部側に配置し、電極間に形成されるアークの中心位置を下げ、電極の影になる部分、つまり曲率半径がＲ１の発光部の部分を、光を取り出す曲率半径Ｒ２の発光部の部分より小さくすることにより、発光部内の熱対流によって輸送されるタングステンの発光部空間を増やすことができ、配光に影響しにくい曲率半径Ｒ１の発光部内壁部分にタングステンが堆積して、長寿命化を実現することができるからである。

次に本発明の具体的実施例について説明する。発光部の外郭の曲率半径Ｒ１、Ｒ２を変えた３種類の試作ランプを準備した。共通する仕様は次の通りである。
封入ガスはキセノン（Ｘｅ）静圧で０．８ＭＰａであり、封入水銀量は１１．６ｍｇ／ｃｍ^３であり、放電容器の材質は石英ガラスからなり、その肉厚は２．５ｍｍである。そして、発光部の最大外径はφ２０ｍｍ、最大内径はφ１５ｍｍである。定格電力は２５０Ｗである。

本発明のランプは、発光部は陽極側封止部寄りにその最大径部が位置するように発光部の端部から最大径部に向かうにつれ徐々に拡径して形成されている。
発光部の外郭の曲率半径Ｒ１、Ｒ２を次の３種類とした。すなわち、Ｒ１が２１ｍｍ、Ｒ２が２１ｍｍである、Ｒ２／Ｒ１＝１の従来型ランプのランプ（イ）、
Ｒ１が６ｍｍ、Ｒ２が５４ｍｍである、Ｒ２／Ｒ１＝９の本発明の第一の実施例のランプのランプ（ロ）、さらに、Ｒ１が７ｍｍ、Ｒ２が８０ｍｍである、Ｒ２／Ｒ１＝１１の本発明の第二の実施例のランプのランプ（ハ）である。

それぞれの、ランプ（イ）、ランプ（ロ）、ランプ（ハ）の発光部空間の全長Ａはランプ（イ）は２４．３ｍｍ、ランプ（ロ）は２３．０ｍｍ、ランプ（ハ）は２９．２ｍｍであり、発光部空間下端から陰極の先端までの距離Ｂはランプ（イ）で１０．１ｍｍ、ランプ（ロ）で８．４ｍｍ、ランプ（ハ）で１１．０ｍｍである。Ｂ／Ａの値は、ランプ（イ）で０．４２、ランプ（ロ）で０．３６、ランプ（ハ）で０．３８である。

本発明の効果を確認するため、これらのランプ（イ）、ランプ（ロ）、ランプ（ハ）について、初期照度をどれくらいの時間維持するかを測定により調べた。測定方法は次の通りである。
試験ランプをφ５ｍｍのファイバに光を集光して装置外に取り出す光照射装置に陰極を下側にし、陽極を上側に配して組み込み、フル点灯の定格電力およびその半分の電力でフルースタンバイ点灯を行い、スタンバイ点灯からフル点灯に切り替え１秒後に被照射物における３６５ｎｍの紫外光の照度を調べた。

フル−スタンバイ点灯の方法は、定格２５０Ｗ１０秒、１２５Ｗ５０秒を交互に連続繰返し点灯するものである。照度の測定方法は集光ミラーにて集光させた位置にφ５ｍｍ径のファイバを置き、ファイバ端に配置されたレンズを通ってレンズから出射された光をレンズから１５ｍｍ離れた位置に置いた紫外線照度計の受光部に照射し測定を行った。

照度維持率について測定結果を図５に示す。紫外線硬化の分野では、硬化させる樹脂に必要な照度(光量)が初期照度から２０％減少するまで許容されると言われている。そこで、照度が初期照度の８０％に達するまでの時間で評価した。
従来ランプに相当する試験ランプ（イ）では、２５０時間しか初期照度の８０％以上を維持できなかったが、本発明の一実施例の相当するランプ（ロ）では従来のランプに比べて４倍の１０００時間の間初期照度の８０％以上を維持し、特にＲ２／Ｒ１＝１１の本発明の典型的な実施例に相当するランプ（ハ）においては、従来ランプに比べて１０倍近い２１５０時間もの間初期照度の８０％以上を維持することが確認された。

なお、本実施例においては２５０Ｗのランプで効果検証を行ったが、２００Ｗ、あるいは３００Ｗというように、本発明のランプでは複数の定格電力のランプが存在する。本発明は、発光部の形状、発光部における電極の配置に関して見出された技術思想であり、２００Ｗ、あるいは３００Ｗといった他の定格電力のランプにも適用されるものである。

そして、本発明のキセノン水銀放電ランプを陰極を下側にし、陽極を上側にして搭載したのが本発明の光照射装置である。装置の構成としては種々の変形はあるが基本的には図４に示した光照射装置と同様である。この光照射装置では、フル−スタンバイ点灯にて使用する際に、本発明のキセノン水銀放電ランプの照度維持率が従来のランプより格段に優れているので、従来の製造工程においてフル−スタンバイ点灯した場合には、ランプ交換の頻度を少なくできる。

１ キセノン水銀放電ランプ
１´ キセノン水銀放電ランプ
２ 陰極
２ａ 第一の電極軸
２ｂ 陰極本体部
２´陰極
３ 陽極
３ａ 第二の電極軸
３ｂ 陽極本体部
３１ テーパー部
３´ 陽極
４ 放電容器
４ａ 発光部
４ａ´ 発光部
４ｂ 封止部
４ｂ´ 封止部
６ ゲッター
６´ ゲッター
１０ 光照射装置
１１ ランプ
１２ 凹面反射ミラー
１３ 、平面反射ミラー
２０ レンズ
２１ 反射ミラー
２２ レンズ
Ｓ 照射面
Ｌ 発光部の最大径部

Claims (5)

1. 放電容器内に陰極と陽極からなる一対の電極を対向配置させ、該放電容器内に静圧でキセノンを０．１ＭＰａ〜２ＭＰａの範囲で封入し、水銀を所定量封入し、陽極を上側に配置して使用するキセノン水銀放電ランプにおいて、
   該放電容器は、膨出形状の発光部と該発光部に連設された互いに反対方向に伸びる２つの封止部とからなり、
   前記発光部の発光部空間の全長をＡとし該発光部空間下端から陰極の先端までの距離をＢとしたときにＢ／Ａ＜０．４であり、
   前記発光部は陽極側の封止部寄りにその最大径部が位置するように該発光部の陰極側の封止部から該最大径部に向かうにつれ徐々に拡径してなり、
   前記発光部はその外郭形状が前記陽極側を構成する第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と前記陰極側を構成する第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分とからなり、１１≦Ｒ２／Ｒ１＜１３であることを特徴とするキセノン水銀放電ランプ。
2. 前記陰極は第一の電極軸と該第一の電極軸より大径の陰極本体部とからなり、前記陽極は第二の電極軸と該第二の電極軸よりも大径の陽極本体部とからなり、前記発光部は該陽極本体部よりも陽極側の封止部寄りにその最大径部が位置しており、前記陽極本体部が略全て該発光部空間に露出していることを特徴とする請求項１に記載のキセノン水銀放電ランプ。
3. 前記第二の電極軸にはゲッター材が付設され、前記陽極本体部および該ゲッター材が略全て前記発光部空間に露出していることを特徴とする請求項２に記載のキセノン水銀放電ランプ。
4. 前記陽極本体部は円筒状の胴部と徐々に拡径するテーパー部を備え、前記第一の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）の部分と前記第二の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）の部分の境界は陽極本体のテーパー部の面を仮想的に延ばした面と前記発光部外壁との交線上またはその近傍にあることを特徴とする請求項３に記載のキセノン水銀放電ランプ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載のキセノン水銀放電ランプを陰極を下側にし、陽極を上側にして搭載したことを特徴とする光照射装置。

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