JP6086253B2 - ロングアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明はロングアーク型放電ランプに関するものであり、特に、電極の電子放射性物質として希土類酸化物を用いたロングアーク型放電ランプに係わるものである。

従来から、プラスチックの表面改質や光ＣＶＤ、光アッシング、ＵＶキュアリング等の産業界では紫外線を広く利用しているが、このような用途にはロングアーク型メタルハライドランプ等のロングアーク型放電ランプが使用されている。
この種のロングアーク型放電ランプに使用される電極は、電子を放出する特性と、高温下でも消耗・変形し難い特性とを同時に備える必要がある。これらの特性を満たす電極材料として、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有したタングステン（トリエーテッドタングステン：ＴｈＷ）が多用されていた。
これは、トリエーテッドタングステン（ＴｈＷ）は、仕事関数が、２．６ｅＶと低く、低電圧で電子を放出することができるため、酸化トリウムが電子放射性物質（エミッタ）として効果的に機能するとともに、ランプを放電させた時に長時間安定して動作させることが可能であるという特性を有していることによる。

しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。
そのトリウムに代わる代替物質として、希土類元素及びその化合物を用いるものが提案されている。希土類元素は、仕事関数が低く電子放射に優れた物質であり、トリウムの代替物質として期待されている。
特開２００９−２５９７９０号公報（特許文献１）には、電極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）や酸化セリウム（ＣｅＯ_２）などを含有させたロングアーク型放電ランプが開示されている。

しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい。そのため、陰極に含有させるエミッタとして酸化トリウムに代えて希土類酸化物を用いた場合、当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまい、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。このエミッタの枯渇により、陰極における電子放射機能が失われてしまい、発光管端部の黒化が早期に進み、有効発光長が減少する。そして、電極の変形が早期に発生し、フリッカーが生じてしまってランプ寿命が短くなるという問題がある。
また、エミッタの蒸発が増加することにより、電極先端周囲の管壁が白濁し失透するという不具合もある。
このためトリウム以外の希土類酸化物をエミッタ物質として使用した放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。

特開２００９−２５９７９０号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、長尺な紫外線透過性の発光管内に一対の電極が対向配置されるとともに、希ガスと発光物質として金属とが封入され、前記電極には希土類酸化物を含有してなり、交流点灯されるロングアーク型放電ランプにおいて、エミッタ（電子放射性物質）の早期の枯渇を抑制し、発光管の黒化や白濁を防止して、長時間にわたって安定した点灯が得られるようにしたロングアーク型放電ランプを提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明に係るロングアーク型放電ランプは、ランプ電流の平均値をＩ（アンペア：Ａ）とし、電極先端から３ｍｍまでの体積をＶ（ｍｍ^３）としたとき、０．４≦（Ｉ／Ｖ）≦１．０ であることを特徴とする。
また、前記ロングアーク型放電ランプは、定常点灯モードと待機点灯モードを切り替えて点灯されることを特徴とする。
また、前記発光管に封入される金属が水銀以外の金属であることを特徴とする。
また、前記発光管に封入される希ガスの点灯前の圧力が、６．６ｋ〜５３．２ｋＰａ（５０〜４００Ｔｏｒｒ）であることを特徴とする。

この発明のロングアーク型放電ランプによれば、ランプ電流の平均値（Ｉ）において、電極の先端付近の体積（Ｖ）あたりの電流値（Ｉ／Ｖ）を適正化することで、実用的なランプ寿命を確保することができた。
即ち、Ｉ／Ｖの値が０．４未満だと、電極全体の温度が下がりすぎて、電極からの一様な熱電子放出が困難となり、電極の一部からのみアークが発生するようになる。このためアークの発生した箇所のみ局所的に温度が上昇し、その部分でエミッタが枯渇し、後にタングステンの蒸発による黒化が進行する。また、ランプの立ち消えが発生する場合もある。
一方、Ｉ／Ｖの値が１．０超だと、電極全体の温度が上がりすぎて、電極からエミッタが蒸発し、発光管の白濁の原因となる。

本発明のロングアーク型放電ランプの断面図。 図１の要部の拡大断面図。 電極の軸方向の温度分布 通常点灯モードと待機点灯モードのランプ電流を表わすグラフ。 電極先端から発光管中央側への距離に対する相対照度を表すグラフ。

この発明における交流点灯方式のロングアーク型放電ランプの全体構造は、図１に示すものであって、ロングアーク型放電ランプ１は、石英ガラスなどの紫外線透過性の発光管２の両端に封止部３を備えており、該発光管２内には一対の電極４、４が所定の距離、例えば５００ｍｍを隔てて対向配置される。
そして、前記発光管２内には、希ガスと発光物質として金属が封入されている。封入される金属は、例えば、水銀（Ｈｇ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）等の金属であり、その一種または二種以上混合してもよい。

図２に詳細が示されるように、この実施例においては、上記電極４の非発光空間側の後端４ｃは、扁平形状に形成されており、その後方端には、該電極後端４ｃの形状に合わせて扁平形状とされた石英ガラス部材がスペーサガラス６として配設されている。
封止部３内において、前記電極４の扁平後端４ｃの上下面に溶接等により接合された２枚の金属箔５、５は、スペーサガラス６の上下面に沿って延在し、その後方端で外部リード７に接続されている。該外部リード７は発光管２の外部に突出し、図１の給電線８に接続される。

前記電極４は、タングステンを母材とし、希土類酸化物を含有している。希土類酸化物としては、例えば、ランタンの酸化物である酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、セリウムの酸化物である酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、イットリウムの酸化物である酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などがある。これらの希土類酸化物は電子放射性物質（エミッタ）として機能する。
希土類酸化物の重量比は、０．０５重量パーセント〜１重量パーセントの範囲が好適である。０．０５重量パーセント以下では重量比を安定させて製造することが困難であり、１重量パーセント以上では、エミッタの飛散が多く、早期に白濁が進むため、使用できない。
また、電極４には、チタン族元素（チタン・ジルコニウム・ハフニウム）の酸化物を添加してもよい。チタン属酸化物は希土類酸化物と固溶体を形成するため、融点をあげることができ、エミッタの早期の蒸発を防ぐことができる。
なお、この実施例では、電極４は電極芯線４ａとその先端に巻かれた電極コイル４ｂとからなるもので示されている。

こうして形成された本発明の希土類電極と、従来の酸化トリウムを含有するトリエーテッドタングステン（トリタン）（ＴｈＷ）電極について、電極先端から軸方向にみた温度分布が図３に示されている。
図３中、希土類電極を実線（●）で表し、トリタン電極を一点鎖線（▲）で表している。また、１ｍｍ以下の点線に関しては、各温度分布曲線を外挿して求めたものである。
図３で分かるように、この種の交流点灯型のロングアーク型放電ランプでは、電極の先端から３ｍｍ付近に温度分布の変曲点が見られ、３ｍｍ以降の温度は電極材料によってあまり変わらない。このことから、先端から３ｍｍまでの部分が電子放射、エミッタの蒸発等の特性に実質的な影響を与えていることがわかる。

そこで、本発明者達は、電極先端から３ｍｍまでの部分の体積Ｖ（ｍｍ^３）と、ランプ電流の平均値（平均電流）Ｉ（アンペアＡ）との関係を検証した。
この平均電流Ｉを電極先端部の体積Ｖで除した値（Ｉ／Ｖ）は、電極先端の電流容量を概略表している。つまり、Ｉ／Ｖ（Ａ／ｍｍ^３）は、電極先端に放電プラズマから流入する単位体積当たりの熱量に対応する値を示している。
なお、ランプは交流点灯されるので、ランプ電流の平均値として、ＲＭＳ値（実効値）を使用する。また、電極先端から３ｍｍまでの部分の体積Ｖは、電極芯線と電極コイルの合計の体積である。

ところで、上記ロングアーク型放電ランプを定常点灯モードと待機点灯モードを切り替えて点灯するものがある。
この種の処理装置におけるロングアーク型放電ランプは、電力消費の低減のために、被照射物（ワーク）に紫外線照射する定常点灯モードと、被照射物の交換時等における非照射時に入力電流を下げる待機点灯モードとを繰り返し切り替えて点灯させる場合とがある。
その場合は、定常点灯モード時のランプ電流と待機点灯モード時のランプ電流の時間平均をとり、その値をＩとすればよい。

図４にその平均電流の求め方が示されている。
図４において、定常点灯モード時のランプ電流をＩｒ（ＲＭＳ値）、照射時間をＴｒとし、待機点灯モード時のランプ電流をＩｓ（ＲＭＳ値）、照射時間をＴｓとする。
このとき、平均電流Ｉは、
Ｉ=（Ｉｒ×Ｔｒ＋Ｉｓ×Ｔｓ）／（Ｔｒ＋Ｔｓ）
で表わされる。

本発明のロングアーク型放電ランプは、こうして求められるＩ／Ｖ（Ａ／ｍｍ^３）を、０．４以上で１．０以下としたものである。
照射時のＩ／Ｖが０．４未満だと、電極全体の温度が下がりすぎて、電極からの一様な熱電子放出が困難となり、電極の一部からのみアークが発生してしまう。このためアークの発生した箇所のみ局所的に温度が上昇し、その部分でエミッタが枯渇し、後にタングステンの蒸発による黒化が進行する。また、ランプの立ち消えが発生する場合もある。
一方、照射時のＩ／Ｖが１．０超だと、電極全体の温度が上がりすぎて、電極からエミッタが過度に蒸発し、発光管の白濁の原因となる。

本発明の効果を実証するための実験を行った。
（ランプの仕様）
発光長：１１００ｍｍ、発光管内径：２２ｍｍ
封入物：水銀０．５ｍｇ／ｃｃ、微量のヨウ素、アルゴン（Ａｒ）５ｋＰａ
電極： 直径φ３．０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、電極先端部（３ｍｍまで）の体積（Ｖ）２１．２ｍｍ^３
＜本発明＞
電極にはエミッタとして酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を含有する、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）−酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）−タングステン（Ｗ）（ＹＺＷ）を使用した。酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の重量パーセントは、電極重量に対し０．３重量パーセントである。
チタン族酸化物の量は、電極加工後の濃度で、０．０１〜０．９重量パーセントの範囲である。

以下、実験を行った３種類のランプの仕様は以下の通りである。
＜実験例１＞
エミッタとして上記の希土類酸化物を含有した電極を使用。
点灯モード：
定常点灯モード時：電流２６．３Ａ、照射時間３０秒
待機点灯モード時：電流１４．４Ａ，待機時間３０秒
点灯周波数：５０ｋＨｚ
この条件から、平均電流ＩおよびＩ／Ｖの値を算出すると、以下のようになる。
Ｉ＝（２６．３×３０＋１４．４×３０）／６０＝２０．４Ａ
Ｉ／Ｖ＝２０．４／２１．２＝０．９６Ａ／ｍｍ^３

＜実験例２＞
実験例１のランプと同様に希土類酸化物を含有した電極を使用。
点灯モード：
定常点灯モード時：電流３６．４Ａ、照射時間３０秒
待機点灯モード時：電流１４．４Ａ，待機時間３０秒
点灯周波数：５０ｋＨｚ
この条件から、Ｉ＝２５．４Ａ、Ｉ／Ｖ＝１．２Ａ／ｍｍ^３となる。

＜実験例３＞
電極材料としてトリエーテッドタングステン（ＴｈＷ）を使用。すなわち、エミッタが酸化トリウムである。
点灯モード：
定常点灯モード時：電流３２．３Ａ、照射時間３０秒
待機点灯モード時：電流１４．４Ａ，待機時間３０秒
点灯周波数：５０ｋＨｚ
この条件から、Ｉ＝２３．３５Ａ、Ｉ／Ｖ＝１．１Ａ／ｍｍ^３となる。

ここで、各実験例１〜３の性能の比較は、電極先端から放電空間側に３０ｍｍの位置における照度を比較することにより行う。電極先端から放電空間側に３０ｍｍ程度のところで、放電アークが放電容器の内径程度にまで広がる。そこで、電極先端から放電空間側に３０ｍｍの位置における、点灯から２０００時間経過後の相対強度の値を比較することにより判断することとした。
希土類電極を使用したランプ（実験例１，２）の値が、ＴｈＷ電極を使用したランプ（実験例３）の値に近ければ、ＴｈＷ電極と同等の性能を有すると判断することができる。

その結果が図５に示されている。
実験例３（ＴｈＷ電極）の２０００時間後の発光長の中心における照度を１とし、実験例１と実験例２の、各測定位置における照度を相対値で比較したものである。電極先端から６０ｍｍ程度放電空間側の範囲で相対照度を比較した。
図５に示されるように、実験例１（Ｉ／Ｖ＝１．０）では、２０００ｈ経過後にも電極先端から３０ｍｍ発光部側の照度は、９０％程度維持できる。これは、従来のＴｈＷ電極を使用した実験例３のランプとほぼ同等の性能であるといえる。
一方、実験例２（Ｉ／Ｖ＝１．２）では、８０％程度であり、従来のＴｈＷ電極より劣る。これは、電極全体の温度が上がりすぎて、電極からエミッタが過度に蒸発し、発光管の白濁が生じたためと推察される。
このように、希土類電極を使用する場合に、Ｉ／Ｖ＝１．０以下とすれば、従来のＴｈＷ電極を使用したランプと同等の性能とすることができる。

以上から分かるように、エミッタとして希土類酸化物を含有した電極を使用する場合、電極先端付近（先端から３ｍｍ）の電極体積当たりの平均電流値を適正な範囲（Ｉ／Ｖが１．０以下）で使用することで、従来の酸化トリウムをエミッタとした電極と比肩しうるだけの実用的な寿命性能を確保することができたものである。
ところで、この値（Ｉ／Ｖ）が１．０以下で小さくなるほど従来のＴｈＷを電極材としたランプの性能に近づくが、０．４未満になると、電極全体の温度が下がりすぎて、電極からの一様な熱電子放出が困難となり、電極の一部からのみアークが発生するようになるので、これを下限値とした。

なお、以上の説明において、発光物質としての封入物を水銀（Ｈｇ）として説明したが、これに限られない。
水銀を封入しないランプ、例えば水銀の代わりに亜鉛（Ｚｎ）を封入したランプでは、亜鉛の電離電圧が水銀よりも低く電離しやすいという作用を有するため、アークが電極先端全面に広がりやすい。そのため、電極の損耗を一様にすることができ、単位面積当たりの電極に対する負荷を減少させることができる。

水銀を封入しないランプでは、点灯後、水銀の代わりに封入した金属（例えば亜鉛）が蒸発するのに時間がかかり、ランプの放電容器の内圧の上昇が遅い。そのため、始動初期のタングステンの蒸発により黒化が多くなる傾向にある。
このように、始動初期に、タングステンが蒸発し飛散してくるが、電極周囲には、封入ガスの希ガスが存在し、電極から飛散したタングステンは希ガスと衝突する。
そのために、希ガスの封入圧を、例えば、６．６ｋ〜５３．２ｋＰａ（５０〜４００Ｔｏｒｒ）と上げておくことが好ましく、こうすることで電極周囲に存在する希ガスの密度も高くなり、タングステンと希ガスの衝突の頻度も上がるため、タングステンを再び電極に戻すことができ、結果として、タングステンの蒸発による黒化を防ぐことができる。

以上説明したように、本発明に係るロングアーク型放電ランプは、ランプ電流の平均値をＩ（アンペア：Ａ）とし、電極先端から３ｍｍまでの体積をＶ（ｍｍ^３）としたとき、０．４≦（Ｉ／Ｖ）≦１．０という適正範囲で使用することにより、従来多用されていた酸化トリウムをエミッタ材としたランプと同等の性能を得ることができ、希土類酸化物をエミッタ材としたランプの実現化を図ることができるものである。

１ ロングアーク型放電ランプ
２ 発光管
３ 封止部
４ 電極
５ 金属箔
６ スペーサガラス
７ 外部リード
８ 給電線

Claims (4)

1. 長尺な紫外線透過性の発光管内に一対の電極が対向配置されるとともに、希ガスと発光物質として金属とが封入され、前記電極には希土類酸化物を含有してなり、交流点灯されるロングアーク型放電ランプにおいて、
   ランプ電流の平均値をＩ（アンペア：Ａ）とし、電極先端から３ｍｍまでの体積をＶ（ｍｍ^３）としたとき、
   ０．４≦（Ｉ／Ｖ）≦１．０
   であることを特徴とするロングアーク型放電ランプ。
2. 前記ロングアーク型放電ランプは、定常点灯モードと待機点灯モードを切り替えて点灯されることを特徴とする請求項１に記載のロングアーク型放電ランプ。
3. 前記発光管に封入される金属が水銀以外の金属であることを特徴とする請求項１に記載のロングアーク型放電ランプ。
4. 前記発光管に封入される希ガスの点灯前の圧力が、６．６ｋ〜５３．２ｋＰａ（５０〜４００Ｔｏｒｒ）であることを特徴とする請求項３に記載のロングアーク型放電ランプ。
   
   
   

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