JP6112360B2 - Microwave electrodeless lamp and light irradiation device using the same - Google Patents

Microwave electrodeless lamp and light irradiation device using the same Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ波給電方式のマイクロ波無電極ランプ、及び、これを使用する光照射装置に関する。   The present invention relates to a microwave electrodeless microwave electrodeless lamp and a light irradiation apparatus using the same.

近年、可視光線又は紫外線を放射する放電ランプとして、マイクロ波無電極ランプが開発されている。マイクロ波無電極ランプを搭載する光照射装置は、典型的には、マイクロ波発振器と、マイクロ波空洞と、放電管(発光管)である無電極ランプを有する。無電極ランプはマイクロ波空洞に着脱可能に支持される。マイクロ波空洞には、無電極ランプからの可視光線又は紫外線を光出射口に導くための反射鏡が設けられている。光出射口には、マイクロ波に対しては不透過性であるが可視光線又は紫外線に対しては透過性の導電性メッシュが設けられている。   In recent years, a microwave electrodeless lamp has been developed as a discharge lamp that emits visible light or ultraviolet light. A light irradiation apparatus equipped with a microwave electrodeless lamp typically includes a microwave oscillator, a microwave cavity, and an electrodeless lamp that is a discharge tube (light emitting tube). The electrodeless lamp is detachably supported in the microwave cavity. The microwave cavity is provided with a reflecting mirror for guiding visible light or ultraviolet light from the electrodeless lamp to the light exit. The light exit is provided with a conductive mesh that is impermeable to microwaves but transmissive to visible light or ultraviolet light.

放電管には、始動用の希ガス又は不活性ガスと発光物質が封入されている。発光物質を適宜選択することによって、所望の波長の可視光線又は紫外線を得ることができる。波長254nmの紫外線は殺菌用に用いられ、波長315〜400nm(UV−A領域)の紫外線は塗料、樹脂等の硬化処理に用いられる。発光物質として、水銀、鉄、金属ハロゲン化物等が用いられる。   In the discharge tube, a starting rare gas or an inert gas and a luminescent material are enclosed. By appropriately selecting the luminescent substance, visible light or ultraviolet light having a desired wavelength can be obtained. Ultraviolet rays with a wavelength of 254 nm are used for sterilization, and ultraviolet rays with a wavelength of 315 to 400 nm (UV-A region) are used for curing treatment of paints, resins, and the like. As the luminescent material, mercury, iron, metal halide, or the like is used.

特許文献1には、マイクロ波発振器としてマグネトロンを用いる例が開示されている。特許文献2には、波長350〜450nmの紫外線強度を高め、且つ、ランプ寿命を改善するために発光物質として水銀、鉄、ハロゲン等の封入量を適宜選択することが記載されている。特許文献3には、ランプ寿命と放電安定性を確保するために、発光物質として水銀及び鉄の封入量を適宜選択することが記載されている。特許文献4には、始動時間を短縮化するために、発光物質として臭素と沃素の比を適宜選択することが記載されている。   Patent Document 1 discloses an example in which a magnetron is used as a microwave oscillator. Patent Document 2 describes that the amount of mercury, iron, halogen, or the like enclosed as a luminescent material is appropriately selected in order to increase the intensity of ultraviolet light having a wavelength of 350 to 450 nm and improve the lamp life. Patent Document 3 describes that the amount of mercury and iron enclosed as a luminescent material is appropriately selected in order to ensure lamp life and discharge stability. Patent Document 4 describes that the ratio of bromine and iodine is appropriately selected as the luminescent material in order to shorten the starting time.

特公平3−37277号公報Japanese Patent Publication No. 3-37277 特公平2−31459号公報Japanese Patent Publication No. 2-331459 特開平6−13052号公報(特許第3496033号)JP-A-6-13052 (Patent No. 3496033) 特公平1−45179号公報JP-B-1-45179

近年、高い発光強度の紫外線を安定的に放射する光照射装置の要望が高くなっている。特に、塗料、樹脂等の硬化処理に用いられる波長315〜400nm(UV−A領域)の紫外線の需要が高くなっている。更に、発光物質として、水銀が一般的に用いられるが、水銀の使用量を低減させたいとの要望がある。   In recent years, there has been a growing demand for a light irradiation apparatus that stably emits ultraviolet rays having high emission intensity. In particular, the demand for ultraviolet rays having a wavelength of 315 to 400 nm (UV-A region) used for curing treatment of paints, resins and the like is increasing. Furthermore, mercury is generally used as the luminescent material, but there is a demand for reducing the amount of mercury used.

本発明の目的は、高い発光強度の紫外線を安定的に放射すると同時に、水銀の使用量を低減させることができるマイクロ波無電極ランプ及びこれを使用した光照射装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a microwave electrodeless lamp capable of stably radiating ultraviolet rays having a high emission intensity and at the same time reducing the amount of mercury used, and a light irradiation apparatus using the same.

本発明によると、マイクロ波エネルギーを受けて発光するマイクロ波無電極ランプにおいて、石英ガラス製の管状の放電容器と、該放電容器内に封入された希ガス及び発光物質と、を有し、前記発光物質は、0.3×10-5mol/cc〜1.4×10-5mol/ccの水銀を含み、更に、ヨウ化鉄、臭化鉄、及び、ヨウ化タリウムを含む。 According to the present invention, in a microwave electrodeless lamp that emits light upon receiving microwave energy, a tubular discharge vessel made of quartz glass, and a rare gas and a luminescent substance enclosed in the discharge vessel, The luminescent material contains 0.3 × 10 −5 mol / cc to 1.4 × 10 −5 mol / cc of mercury, and further contains iron iodide, iron bromide, and thallium iodide.

本実施形態によると前記マイクロ波無電極ランプにおいて、前記放電容器は、縮径中央部と、該縮径中央部の両側に接続されたテーパ部と、該テーパ部の外端にそれぞれ接続された円筒部と、を有し、前記縮径中央部の外径は前記円筒部の外径より小さく、前記縮径中央部は、マイクロ波エネルギーによって生成されるプラズマ領域の定在波の節に対応して形成される低温領域に対応する位置に形成されてよい。   According to the present embodiment, in the microwave electrodeless lamp, the discharge vessel is connected to a reduced diameter central portion, a tapered portion connected to both sides of the reduced diameter central portion, and an outer end of the tapered portion. A cylindrical portion, and an outer diameter of the reduced diameter central portion is smaller than an outer diameter of the cylindrical portion, and the reduced diameter central portion corresponds to a node of a standing wave in a plasma region generated by microwave energy. It may be formed at a position corresponding to the low temperature region formed in this way.

本発明によると、マイクロ波発振器と、該マイクロ波発振器に付属するアンテナと、該アンテナからのマイクロ波エネルギーを受けて発光する無電極ランプと、を有する光照射装置において、前記無電極ランプは不活性ガスと発光物質が封入された放電容器を有し、前記発光物質は、0.7×10-5mol/cc〜1.4×10-5mol/ccの水銀を含み、更に、ヨウ化鉄、臭化鉄、及び、ヨウ化タリウムを含んでよい。 According to the present invention, in a light irradiation apparatus including a microwave oscillator, an antenna attached to the microwave oscillator, and an electrodeless lamp that emits light by receiving microwave energy from the antenna, the electrodeless lamp is ineffective. having a discharge vessel active gas emitting substance is enclosed, the luminescent material comprises mercury 0.7 × 10 -5 mol / cc~1.4 × 10 -5 mol / cc, further, iodide Iron, iron bromide, and thallium iodide may be included.

本発明によれば、高い発光強度の紫外線を安定的に放射すると同時に、水銀の使用量を低減させることができるマイクロ波無電極ランプ及びこれを使用した光照射装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the microwave electrodeless lamp which can reduce the usage-amount of mercury simultaneously while radiating | emitting the ultraviolet-ray of high luminescence intensity stably, and a light irradiation apparatus using the same can be provided.

図1Aは、本実施形態に係るマイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の一例を示す概略斜視図である。FIG. 1A is a schematic perspective view showing an example of a light irradiation apparatus using the microwave electrodeless lamp according to the present embodiment. 図1Bは、図1Aの光照射装置を正面から見た概略正面図である。FIG. 1B is a schematic front view of the light irradiation device of FIG. 1A as viewed from the front. 図2は、本実施形態に係る光照射装置の筐体の前側内部の断面構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of the front side inside of the housing of the light irradiation apparatus according to the present embodiment. 図3は、本実施形態に係る無電極ランプの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an electrodeless lamp according to the present embodiment. 図4は、本実施形態に係る無電極ランプの例の寸法を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating dimensions of an example of the electrodeless lamp according to the present embodiment. 図5Aは、本実施形態に係る無電極ランプにおいて水銀封入量と紫外線(UV−A)発光強度の関係を説明する図である。FIG. 5A is a diagram illustrating the relationship between the amount of enclosed mercury and the ultraviolet (UV-A) emission intensity in the electrodeless lamp according to the present embodiment. 図5Bは、本実施形態に係る無電極ランプにおいて紫外線(UV−A)の分光スペクトルを説明する図である。FIG. 5B is a diagram for explaining a spectrum of ultraviolet rays (UV-A) in the electrodeless lamp according to the present embodiment. 図6Aは、本願発明者が行った実験による無電極ランプの放電安定状態を説明する図である。FIG. 6A is a diagram for explaining a stable discharge state of an electrodeless lamp by an experiment conducted by the inventor of the present application. 図6Bは、本願発明者が行った実験による無電極ランプの放電不安定状態を説明する図である。FIG. 6B is a diagram for explaining an unstable discharge state of the electrodeless lamp according to an experiment conducted by the inventor of the present application.

以下、本発明に係る無電極ランプ及びこれを使用した光照射装置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、この実施形態は、例示であって、本発明を何等限定するものではないことを承知されたい。   Hereinafter, an electrodeless lamp according to the present invention and a light irradiation apparatus using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that this embodiment is an exemplification and does not limit the present invention in any way.

図1A及び図1Bは、本実施形態に係るマイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の一例を説明する図である。図1Aは、光照射装置10の斜視図である。図1Bは、図1Aの光照射装置10を正面から見た概略正面図である。図示のように、光照射装置10のランプ軸線方向に沿ってX軸、光照射装置10からの発光方向(矢印方向)に沿ってZ軸、X−Z面に垂直方向にY軸を設定する。   1A and 1B are diagrams illustrating an example of a light irradiation apparatus using a microwave electrodeless lamp according to the present embodiment. FIG. 1A is a perspective view of the light irradiation device 10. FIG. 1B is a schematic front view of the light irradiation device 10 of FIG. 1A as viewed from the front. As shown in the figure, the X axis is set along the lamp axis direction of the light irradiation device 10, the Z axis is set along the light emission direction (arrow direction) from the light irradiation device 10, and the Y axis is set in the direction perpendicular to the XZ plane. .

光照射装置10は、矩形の筐体4を有し、筐体4の後側内部にマイクロ波発振器3(図示なし)が設けられている。光照射装置10は、更に、マイクロ波発振器3に付属するアンテナ8と、アンテナ8からのマイクロ波エネルギーを受けて発光する無電極ランプ12と、無電極ランプ12の軸線に沿って配置された反射鏡14を有する。反射鏡14によって囲まれた空間は、マイクロ波空洞5を形成している。無電極ランプ12は、マイクロ波空洞5に配置されている。   The light irradiation device 10 has a rectangular housing 4, and a microwave oscillator 3 (not shown) is provided inside the rear side of the housing 4. The light irradiation device 10 further includes an antenna 8 attached to the microwave oscillator 3, an electrodeless lamp 12 that emits light upon receiving microwave energy from the antenna 8, and a reflection disposed along the axis of the electrodeless lamp 12. It has a mirror 14. A space surrounded by the reflecting mirror 14 forms a microwave cavity 5. The electrodeless lamp 12 is disposed in the microwave cavity 5.

光照射装置10は、更に、無電極ランプ12を冷却する冷却空気供給機構を有する。冷却空気供給機構は、図示しない冷却空気源と、筐体4の上側には装着された冷却用送風ダクト6(図1Bでは省略)を有する。   The light irradiation device 10 further includes a cooling air supply mechanism that cools the electrodeless lamp 12. The cooling air supply mechanism has a cooling air source (not shown) and a cooling air duct 6 (not shown in FIG. 1B) mounted on the upper side of the housing 4.

マイクロ波は、波長1m〜100μm、周波数300MHz〜3THzの電磁波を指し、電波の中で最も短い波長域である。マイクロ波発振器3として、マグネトロン、クライストロン、進行波管(TWT)、ジャイロトロン、ガンダイオードを用いた回路等がある。本実施形態では、マイクロ波発振器としてマグネトロンを使用する。マグネトロンは、発振用真空管の一種であり、強力なノンコヒーレントマイクロ波を発生する。身近なところでは、マグネトロンは、レーダーや電子レンジに使われている。本実施形態では、電子レンジ、好ましくは業務用電子レンジに使用されているマグネトロンを使用する。なお、電子レンジでは周波数2,450MHzが使用されているが、これは技術的な制限によるものではなく、法的規制によるものである。   A microwave indicates an electromagnetic wave having a wavelength of 1 m to 100 μm and a frequency of 300 MHz to 3 THz, and is the shortest wavelength region among radio waves. Examples of the microwave oscillator 3 include a circuit using a magnetron, a klystron, a traveling wave tube (TWT), a gyrotron, and a Gunn diode. In this embodiment, a magnetron is used as the microwave oscillator. A magnetron is a type of oscillation vacuum tube that generates powerful non-coherent microwaves. In familiar places, magnetrons are used in radar and microwave ovens. In this embodiment, a magnetron used in a microwave oven, preferably a commercial microwave oven, is used. Note that the microwave oven uses a frequency of 2,450 MHz, but this is not due to technical limitations but due to legal restrictions.

図2は、本実施形態に係る光照射装置10の筐体4の前側内部の断面構成を示す。反射鏡14は、代表的には、被照射面に集光させる楕円面反射鏡、被照射面に平行光を当てる放物面反射鏡等が有る。楕円面も放物面も少なくとも1つの焦点を有する。図2の実施例では、反射鏡14は樋型楕円面反射鏡であり、無電極ランプ12は直管型で、その中心軸が楕円面反射鏡の焦点に位置するように配置されている。なお、無電極ランプの中心(中心軸)が反射鏡の焦点位置に必ずしも一致している必要は無く、ランプ設置の位置的誤差等も考慮して、ランプ本体の中央部分が焦点を含む位置に配置されていればよい。   FIG. 2 shows a cross-sectional configuration inside the front side of the housing 4 of the light irradiation apparatus 10 according to the present embodiment. Typically, the reflecting mirror 14 includes an ellipsoidal reflecting mirror for condensing on the irradiated surface, a parabolic reflecting mirror that applies parallel light to the irradiated surface, and the like. Both the ellipsoid and the paraboloid have at least one focal point. In the embodiment of FIG. 2, the reflecting mirror 14 is a saddle-type ellipsoidal reflecting mirror, the electrodeless lamp 12 is a straight tube type, and is arranged so that its central axis is located at the focal point of the ellipsoidal reflecting mirror. Note that the center (center axis) of the electrodeless lamp does not necessarily coincide with the focal position of the reflector, and the central portion of the lamp body is located at the position including the focal point in consideration of the positional error of the lamp. It only has to be arranged.

反射鏡14の筐体4の前面には光出射口2が形成され、光出射口は導電性メッシュ16によって覆われている。導電性メッシュ16は、マイクロ波に対しては不透過性であるが、マイクロ波空洞からの照射光18、即ち、可視光線及び紫外線に対しては透過性である。   A light exit 2 is formed on the front surface of the housing 4 of the reflecting mirror 14, and the light exit is covered with a conductive mesh 16. The conductive mesh 16 is impermeable to microwaves but is transmissive to irradiation light 18 from the microwave cavity, that is, visible light and ultraviolet rays.

マイクロ波発振器3から発生したマイクロ波は、アンテナ8を介して放射され、マイクロ波空洞5に供給され、そこで定在波を形成する。マイクロ波空洞5に配置された無電極ランプ12の内部にプラズマを励起する。プラズマが放射する可視光線或いは紫外線は、照射光18として反射鏡14を反射し、又は、直接、光出射口2に向かって放射され、導電性メッシュ16を通過して、被照射面に照射される。   Microwaves generated from the microwave oscillator 3 are radiated through the antenna 8 and supplied to the microwave cavity 5 where a standing wave is formed. Plasma is excited inside the electrodeless lamp 12 disposed in the microwave cavity 5. Visible rays or ultraviolet rays radiated from the plasma are reflected from the reflecting mirror 14 as the irradiation light 18 or directly emitted toward the light exit 2 and pass through the conductive mesh 16 to be irradiated on the irradiated surface. The

図示しない冷却空気源からの冷却用空気17は、冷却用送風ダクト6(図1A)を経由し、反射鏡14の孔14Aを介してマイクロ波空洞5に供給される。冷却用空気17は無電極ランプ12の外周面に衝突し、無電極ランプ12を冷却する。   Cooling air 17 from a cooling air source (not shown) is supplied to the microwave cavity 5 through the cooling air duct 6 (FIG. 1A) and through the hole 14 </ b> A of the reflecting mirror 14. The cooling air 17 collides with the outer peripheral surface of the electrodeless lamp 12 and cools the electrodeless lamp 12.

図3を参照して本実施形態に係る直管型の無電極ランプの例を説明する。無電極ランプ12は、円筒状の放電容器12Aを有する直管型であり、その両端に突起部12Bを有する。放電容器の両端の突起部12Bを筐体の両側の内壁の係合部に係合させることによって、無電極ランプ12はマイクロ波空洞内に保持される。   An example of a straight tube type electrodeless lamp according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The electrodeless lamp 12 is a straight tube type having a cylindrical discharge vessel 12A, and has protrusions 12B at both ends thereof. The electrodeless lamp 12 is held in the microwave cavity by engaging the protrusions 12B on both ends of the discharge vessel with the engaging portions on the inner walls on both sides of the casing.

マグネトロンを発振させると、2,450MHzのマイクロ波エネルギーがマイクロ波空洞5に供給され定在波が形成される。マイクロ波が無電極ランプ12の放電容器12Aと結合されて内部にプラズマが励起される。発光物質から可視光線或いは紫外線が放射される。   When the magnetron is oscillated, microwave energy of 2,450 MHz is supplied to the microwave cavity 5 to form a standing wave. The microwave is combined with the discharge vessel 12A of the electrodeless lamp 12 to excite plasma inside. Visible light or ultraviolet light is emitted from the luminescent material.

無電極ランプ12を点灯すると、放電容器12Aの内部に、破線で示すように、2つのプラズマ領域13が形成される。プラズマ領域13は、腹131とその両側の節132を有する定在波を形成する。この定在波の波長は、λ=伝播速度/周波数=2.99×108(m/s)/2.45GHz≒123mmとなる。無電極ランプの放電容器12Aの軸線方向長さは、一波長の長さに略等しく形成されている。 When the electrodeless lamp 12 is turned on, two plasma regions 13 are formed inside the discharge vessel 12A as indicated by broken lines. The plasma region 13 forms a standing wave having an antinode 131 and nodes 132 on both sides thereof. The wavelength of this standing wave is λ = propagation speed / frequency = 2.99 × 10 8 (m / s) /2.45 GHz≈123 mm. The length in the axial direction of the discharge vessel 12A of the electrodeless lamp is formed substantially equal to the length of one wavelength.

定在波の腹131の部分は比較的温度が高く、比較的強い発光をする。ここは高温領域(ホットゾーン)12a、12bと呼ばれる。定在波の節132の部分は比較的温度が低く、比較的弱い発光をする。ここは低温領域(コールドゾーン)12c、12d、12eと呼ばれる。放電容器12Aにて定在波は左右対称的に形成される。従って、中央の最低温位置は、放電容器12Aの軸線方向の中央の位置にある。低温領域12c、12d、12eでは、封入物質の蒸発が阻害され、又は、再凝縮が起こることがある。従って、無電極ランプ12の放電容器12Aの温度分布は軸線方向に沿って不均一となる。   The portion of the antinode 131 of the standing wave has a relatively high temperature and emits relatively strong light. This is called the high temperature region (hot zone) 12a, 12b. The portion of the standing wave node 132 is relatively cool and emits relatively weak light. This is called a low temperature region (cold zone) 12c, 12d, 12e. In the discharge vessel 12A, the standing wave is formed symmetrically. Therefore, the lowest temperature position in the center is at the center position in the axial direction of the discharge vessel 12A. In the low temperature regions 12c, 12d, and 12e, the evaporation of the encapsulated material may be inhibited or recondensation may occur. Therefore, the temperature distribution in the discharge vessel 12A of the electrodeless lamp 12 becomes non-uniform along the axial direction.

図4を参照して本実施形態に係る直管型の無電極ランプの他の例を説明する。本実施形態に係る無電極ランプ12は円筒状の放電容器12Aと両側の突起部12B、12Bを有する。図示のように、放電容器12Aは、円筒状の縮径中央部122、その両側のテーパ部124、及び、更にその外側の円筒部121、121を有する。円筒部の外側に端部123、123が形成されている。縮径中央部122は、放電容器の中央の低温領域12c(図3)に形成され、テーパ部124は、縮径中央部122と円筒部121、121を接続するように両者の間に形成されている。端部123、123は、放電容器の両側の低温領域12d、12eに形成され、従来の直管型の無電極ランプの放電容器12Aの両端部と同様に、球面形状、楕円球面状等の回転曲面状に形成されてよい。   With reference to FIG. 4, another example of the straight tube type electrodeless lamp according to the present embodiment will be described. The electrodeless lamp 12 according to this embodiment includes a cylindrical discharge vessel 12A and protrusions 12B and 12B on both sides. As shown in the figure, the discharge vessel 12A has a cylindrical reduced diameter central portion 122, tapered portions 124 on both sides thereof, and cylindrical portions 121 and 121 on the outer sides thereof. End portions 123 and 123 are formed outside the cylindrical portion. The reduced diameter central portion 122 is formed in the low temperature region 12c (FIG. 3) in the center of the discharge vessel, and the tapered portion 124 is formed between the reduced diameter central portion 122 and the cylindrical portions 121 and 121 so as to connect them. ing. The end portions 123 and 123 are formed in the low temperature regions 12d and 12e on both sides of the discharge vessel. Similar to both ends of the discharge vessel 12A of the conventional straight tube type electrodeless lamp, the end portions 123 and 123 are rotated in a spherical shape, an elliptical spherical shape, or the like. It may be formed in a curved surface shape.

本実施形態では、放電容器の中央の低温領域12cに縮径中央部122が形成されているから、中央の低温領域12cにおいて内部空間が小さくなり、封入物質の再凝縮が回避される。   In the present embodiment, since the reduced diameter central portion 122 is formed in the low temperature region 12c at the center of the discharge vessel, the internal space becomes small in the central low temperature region 12c, and recondensation of the encapsulated material is avoided.

無電極ランプの軸線方向の寸法をL1、放電容器12Aの軸線方向の寸法をL、突起部12B、12Bの軸線方向の寸法をそれぞれLtとする。縮径中央部122の軸線方向の寸法をLa、テーパ部124の軸線方向の寸法をLb、円筒部121、121の軸線方向の寸法をLc、とする。L1=L+2Lt=150〜160mm、L=130〜140mm、Lt=8.0〜9.0mmである。La=15〜25mm、Lb=15〜25mm、Lc=30〜40mmである。   The dimension in the axial direction of the electrodeless lamp is L1, the dimension in the axial direction of the discharge vessel 12A is L, and the dimension in the axial direction of the protrusions 12B and 12B is Lt. The dimension in the axial direction of the reduced diameter central portion 122 is La, the dimension in the axial direction of the tapered portion 124 is Lb, and the dimension in the axial direction of the cylindrical portions 121 and 121 is Lc. L1 = L + 2Lt = 150 to 160 mm, L = 130 to 140 mm, and Lt = 8.0 to 9.0 mm. La = 15-25 mm, Lb = 15-25 mm, Lc = 30-40 mm.

縮径中央部122の外径をDa、円筒部121、121の外径をDc、突起部12B、12Bの外径をDt、とする。縮径中央部122の外径Daは、従来の直管型の無電極ランプの放電容器12Aの外径Dnより小さい。即ち、Dn>Daである。円筒部121、121の外径Dcは、従来の直管型の無電極ランプの放電容器12Aの外径Dnに等しい。即ち、Dn=Daである。テーパ部124の内端の外径は、縮径中央部122の外径Daに等しく、テーパ部124の外端の外径は、円筒部121、121の外径Dcに等しい。   The outer diameter of the reduced diameter central portion 122 is Da, the outer diameter of the cylindrical portions 121 and 121 is Dc, and the outer diameter of the projecting portions 12B and 12B is Dt. The outer diameter Da of the reduced diameter central portion 122 is smaller than the outer diameter Dn of the discharge vessel 12A of the conventional straight tube type electrodeless lamp. That is, Dn> Da. The outer diameter Dc of the cylindrical portions 121 and 121 is equal to the outer diameter Dn of the discharge vessel 12A of the conventional straight tube type electrodeless lamp. That is, Dn = Da. The outer diameter of the inner end of the tapered portion 124 is equal to the outer diameter Da of the reduced diameter central portion 122, and the outer diameter of the outer end of the tapered portion 124 is equal to the outer diameter Dc of the cylindrical portions 121 and 121.

無電極ランプ12は石英ガラス製である。放電容器12Aは石英ガラス製の密閉容器によって形成されている。突起部12B、12Bは石英ガラス製の棒材である。   The electrodeless lamp 12 is made of quartz glass. The discharge vessel 12A is formed of a sealed vessel made of quartz glass. The protrusions 12B and 12B are quartz glass rods.

放電容器12Aには、始動用の希ガス又は不活性ガスと発光物質が封入されている。発光物質として水銀、鉄、金属ハロゲン化物等が用いられる。本実施形態では、発光物質として、分光特性を改善するために、鉄(Fe)及びタリウム(Tl)のハロゲン化物を用いる。1種類のハロゲン化物より2種類のハロゲン化物を封入したほうが、始動時間が短縮できることが知られている。これは、両ハロゲン化物の蒸気圧の和が始動時間の短縮に寄与するからである。そこで、本実施形態では、発光物質として、臭化鉄(FeBr2)及びヨウ化鉄(FeI2)を封入し、更に、ヨウ化タリウム(TlI)を封入した。ここでは、発光物質として水銀、臭化鉄及びヨウ化鉄、ヨウ化タリウムを選択したが、本実施形態では、発光物質として他の物質、例えば、水銀、鉄単体、及び、他の金属ハロゲン化物を用いてもよい。 The discharge vessel 12A is filled with a starting rare gas or inert gas and a luminescent material. Mercury, iron, metal halide, etc. are used as the luminescent material. In the present embodiment, iron (Fe) and thallium (Tl) halides are used as the luminescent material in order to improve spectral characteristics. It is known that starting time can be shortened by enclosing two types of halides rather than one type of halide. This is because the sum of the vapor pressures of both halides contributes to shortening the starting time. Therefore, in this embodiment, iron bromide (FeBr 2 ) and iron iodide (FeI 2 ) are encapsulated as the luminescent material, and further thallium iodide (TlI) is encapsulated. Here, mercury, iron bromide, iron iodide, and thallium iodide are selected as the luminescent material, but in this embodiment, other materials such as mercury, iron alone, and other metal halides are used as the luminescent material. May be used.

発光物質中のヨウ素量が過多になるとプラズマ温度が下がることが知られている。また、発光物質中の臭素量が過多になると、電気的陰性度が高い臭素によってプラズマ中の電子が捕捉され、発光に寄与する電子数が減少することが知られている。そこで、2種類のハロゲン化物を封入する場合には、両者の比を適正な値に設定する必要がある。ここで、臭化鉄(FeBr2)の含有比Rを次の式(1)によって定義する。 It is known that when the amount of iodine in the luminescent material becomes excessive, the plasma temperature decreases. In addition, it is known that when the amount of bromine in the luminescent material is excessive, electrons in the plasma are captured by bromine having a high electronegativity and the number of electrons contributing to light emission is reduced. Therefore, when enclosing two types of halides, it is necessary to set the ratio between the two to an appropriate value. Here, the content ratio R of iron bromide (FeBr 2 ) is defined by the following formula (1).

式(1) R=M[FeBr2]/(M[FeBr2]+M[FeI2])
ここに、M[FeBr2]は臭化鉄(FeBr2)のモル濃度(単位:mol/cc)、M[FeI2]はヨウ化鉄(FeI2)のモル濃度(単位:mol/cc)である。
Formula (1) R = M [FeBr 2 ] / (M [FeBr 2 ] + M [FeI 2 ])
Here, M [FeBr 2 ] is the molar concentration of iron bromide (FeBr 2 ) (unit: mol / cc), and M [FeI 2 ] is the molar concentration of iron iodide (FeI 2 ) (unit: mol / cc). It is.

本実施形態によると、式(1)の臭化鉄の含有比Rは0.38とし、ヨウ化タリウム(TlI)の封入量は1.2×10-7mol/ccとした。 According to this embodiment, the content ratio R of iron bromide of formula (1) was 0.38, and the amount of thallium iodide (TlI) sealed was 1.2 × 10 −7 mol / cc.

次に、本願発明者が行った実験に用いた無電極ランプの例を詳細に説明する。本願発明者が行った実験では、図4に示す無電極ランプを用いた。本願発明者が行った実験に用いた無電極ランプでは、L1=L+2Lt=155mm、L=138mm、Lt=8.5mmであった。La=20mm、Lb=19.5mm、Lc=39.5mmであった。Dc=11mm、Da=5mm、Dt=3mmであった。放電容器12Aの肉厚は1mmであった。放電容器12Aの内容積は6.3ccであった。   Next, an example of the electrodeless lamp used in the experiment conducted by the inventor will be described in detail. In an experiment conducted by the present inventor, an electrodeless lamp shown in FIG. 4 was used. In the electrodeless lamp used in the experiment conducted by the inventors of the present application, L1 = L + 2Lt = 155 mm, L = 138 mm, and Lt = 8.5 mm. La = 20 mm, Lb = 19.5 mm, and Lc = 39.5 mm. Dc = 11 mm, Da = 5 mm, Dt = 3 mm. The thickness of the discharge vessel 12A was 1 mm. The internal volume of the discharge vessel 12A was 6.3 cc.

放電容器には、始動用の希ガス又は不活性ガスとして15±5Torrのアルゴンガスを封入した。   The discharge vessel was filled with argon gas of 15 ± 5 Torr as a starting rare gas or inert gas.

式(1)の臭化鉄の含有比Rは0.38であった。また、ヨウ化タリウム(TlI)の封入量は、1.2×10-7mol/ccであった。 The content ratio R of iron bromide of the formula (1) was 0.38. The amount of thallium iodide (TlI) enclosed was 1.2 × 10 −7 mol / cc.

図5A及び図5Bを参照して本願発明者が行った実験結果を説明する。本願の発明者は、図4に示した本実施形態による無電極ランプを用いて投入電力を1.6kW一定として水銀封入量と発光強度の関係を測定した。また、発光強度の分光スペクトルを測定した。   The results of experiments conducted by the present inventor will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. The inventor of the present application measured the relationship between the amount of enclosed mercury and the emission intensity using the electrodeless lamp according to this embodiment shown in FIG. In addition, a spectrum of emission intensity was measured.

図5Aは水銀封入量と波長315〜400nm(UV−A域)の発光強度の関係を測定した結果を示す。横軸は水銀封入量(単位:×10-5mol/cc)、縦軸は波長315〜400nm(UV−A域)の発光強度(単位:mW/cm2)である。図5Aのグラフから、水銀封入量が0.7×10-5mol/ccの時に発光強度が最大(356mW/cm2)となる。水銀封入量を0.7×10-5mol/ccより増加させても減少させても発光強度は低下する。ここでは、無電極ランプの発光強度(UV−A域)が250mW/cm2以上のものを合格とする。図5Aのグラフから、発光強度が250mW/cm2以上となるのは、水銀封入量が0.3×10-5〜3.0×10-5mol/ccの範囲の場合である。 FIG. 5A shows the result of measuring the relationship between the amount of mercury enclosed and the emission intensity at a wavelength of 315 to 400 nm (UV-A region). The horizontal axis represents the amount of mercury enclosed (unit: × 10 −5 mol / cc), and the vertical axis represents the emission intensity (unit: mW / cm 2 ) at a wavelength of 315 to 400 nm (UV-A region). From the graph of FIG. 5A, the emission intensity becomes maximum (356 mW / cm 2 ) when the mercury filling amount is 0.7 × 10 −5 mol / cc. The emission intensity decreases even if the mercury content is increased or decreased from 0.7 × 10 −5 mol / cc. Here, an electrodeless lamp having an emission intensity (UV-A range) of 250 mW / cm 2 or more is regarded as acceptable. From the graph of FIG. 5A, the emission intensity is 250 mW / cm 2 or more when the mercury encapsulation amount is in the range of 0.3 × 10 −5 to 3.0 × 10 −5 mol / cc.

本願発明者が行った実験では、水銀封入量が多くなると放電が不安定となることが判った。そこで、放電安定性を確保するには、水銀封入量を1.4×10-5mol/cc以下とすればよいことが判った。これについては、後に、図6A及び図6Bを参照して詳細に説明する。以上より、発光強度を250mW/cm2以上とし、且つ、放電安定性を確保するには、水銀封入量を0.3×10-5〜1.4×10-5mol/ccの範囲とすればよい。 In experiments conducted by the present inventor, it has been found that discharge becomes unstable as the amount of mercury enclosed increases. Thus, it has been found that the mercury filling amount should be 1.4 × 10 −5 mol / cc or less in order to ensure the discharge stability. This will be described in detail later with reference to FIGS. 6A and 6B. From the above, in order to set the emission intensity to 250 mW / cm 2 or more and ensure the discharge stability, the mercury filling amount should be in the range of 0.3 × 10 −5 to 1.4 × 10 −5 mol / cc. That's fine.

本願発明者が行った実験では、水銀封入量を変化させるとUV−A域の発光強度が変化するが、分光スペクトルも変化する。そこで、本願発明者は分光スペクトルを測定した。   In the experiment conducted by the present inventor, the emission intensity in the UV-A region changes when the amount of mercury enclosed changes, but the spectral spectrum also changes. Therefore, the inventor of the present application measured the spectrum.

図5Bは、水銀封入量が0.3×10-5mol/cc、0.7×10-5mol/cc及び1.4×10-5mol/ccの場合について、分光スペクトルを測定した結果を示す。横軸は波長(単位:nm)、縦軸は分光放射強度(単位:mW/cm2/nm)である。 FIG. 5B shows the result of measuring the spectral spectrum when the amount of mercury enclosed is 0.3 × 10 −5 mol / cc, 0.7 × 10 −5 mol / cc and 1.4 × 10 −5 mol / cc. Indicates. The horizontal axis represents wavelength (unit: nm), and the vertical axis represents spectral radiation intensity (unit: mW / cm 2 / nm).

水銀の発光は、波長365nm付近に現れ、鉄の発光は、波長358nm、373nm、382nm等に現れ、タリウムの発光は波長352nm付近に現れることが知られている。   It is known that mercury emission appears at a wavelength of 365 nm, iron emission appears at a wavelength of 358 nm, 373 nm, 382 nm, and thallium emission appears at a wavelength of 352 nm.

先ず、実線のグラフについて解析する。実線のグラフは水銀封入量が0.7×10-5mol/ccの場合の分光スペクトルを示す。上述のように、水銀封入量が0.7×10-5mol/ccの場合には発光強度が最大となる。図示のように、波長365nm付近の水銀の発光、波長358nm、373nm、382nm等の鉄の発光、波長352nm付近のタリウムの発光が明確に現れる。これらの5つの発光の大きさは略同程度である。従って、本実施形態の無電極ランプは、波長352nm、365nm、358nm、373nm、382nm付近の紫外線を選択的に又は同時に用いる用途には好適である。特に、本実施形態の無電極ランプは、樹脂硬化用の紫外線光源として用いて好適である。更に、本実施形態では、水銀の使用量が比較的少ない。従って、本実施形態は、水銀の使用量を低減する必要がある場合に好適である。 First, the solid line graph is analyzed. The solid line graph shows the spectrum when the mercury content is 0.7 × 10 −5 mol / cc. As described above, the emission intensity becomes maximum when the mercury filling amount is 0.7 × 10 −5 mol / cc. As shown in the figure, mercury emission near a wavelength of 365 nm, iron emission such as wavelengths of 358 nm, 373 nm, and 382 nm, and thallium emission near a wavelength of 352 nm appear clearly. The magnitudes of these five emissions are approximately the same. Therefore, the electrodeless lamp of the present embodiment is suitable for applications that selectively or simultaneously use ultraviolet rays having wavelengths of 352 nm, 365 nm, 358 nm, 373 nm, and 382 nm. In particular, the electrodeless lamp of this embodiment is suitable for use as an ultraviolet light source for resin curing. Furthermore, in this embodiment, the amount of mercury used is relatively small. Therefore, this embodiment is suitable when it is necessary to reduce the amount of mercury used.

次に、破線のグラフについて解析する。破線のグラフは水銀封入量が0.3×10-5mol/ccの場合の分光スペクトルを示す。このように水銀封入量が比較的少ない場合には、波長365nm付近の水銀の発光が現れない。その代わりに、波長352nm付近のタリウムの発光、及び、波長358nm、373nm、382nm等の鉄の発光が比較的明確に現れる。従って、本実施形態の無電極ランプは、波長365nm付近の紫外線を用いる用途には不適であるが、波長352nm、365nm、358nm、373nm、382nm付近の紫外線を選択的に又は同時に用いる用途には好適である。更に、本実施形態は、水銀の使用量を低減する必要がある場合に好適である。 Next, the broken line graph is analyzed. The broken line graph shows a spectral spectrum when the mercury content is 0.3 × 10 −5 mol / cc. In this way, when the amount of mercury enclosed is relatively small, light emission of mercury near the wavelength of 365 nm does not appear. Instead, thallium emission near a wavelength of 352 nm and iron emission such as wavelengths of 358 nm, 373 nm, and 382 nm appear relatively clearly. Therefore, the electrodeless lamp of the present embodiment is unsuitable for applications using ultraviolet light having a wavelength of around 365 nm, but is suitable for applications using ultraviolet light having wavelengths of 352 nm, 365 nm, 358 nm, 373 nm, and 382 nm selectively or simultaneously. It is. Furthermore, this embodiment is suitable when it is necessary to reduce the amount of mercury used.

点線のグラフについて解析する。点線のグラフは水銀封入量が4.2×10-5mol/ccの場合の分光スペクトルを示す。上述のように、本例では放電が不安定となり好ましくない。このように水銀封入量が比較的多い場合には、波長365nm付近の水銀の発光が顕著に現れる。その代わりに、波長352nm付近のタリウムの発光、及び、波長358nm、373nm、382nm等の鉄の発光は明瞭には現れない。 Analyze the dotted line graph. The dotted line graph shows the spectrum when the mercury content is 4.2 × 10 −5 mol / cc. As described above, this example is not preferable because the discharge becomes unstable. Thus, when the amount of mercury enclosed is relatively large, light emission of mercury near a wavelength of 365 nm appears remarkably. Instead, thallium emission near a wavelength of 352 nm and iron emission such as wavelengths 358 nm, 373 nm, and 382 nm do not appear clearly.

図6A及び図6Bを参照して説明する。上述のように、本願の発明者が行った実験より、水銀封入量が多くなると放電が不安定となることが判った。その理由は、水銀封入量が多くなると、容易に水銀蒸気圧が飽和蒸気圧に達し、水銀が放電容器の管壁に凝結するためである。そこで、放電安定性を確保するために必要な水銀封入量の上限値を検討した。その結果、水銀封入量を1.4×10-5mol/cc以下とすればよいことが判った。 This will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. As described above, from experiments conducted by the inventors of the present application, it has been found that discharge becomes unstable when the amount of mercury enclosed increases. The reason is that as the amount of mercury enclosed increases, the mercury vapor pressure easily reaches the saturated vapor pressure, and mercury condenses on the tube wall of the discharge vessel. Therefore, the upper limit of the amount of mercury enclosed to ensure discharge stability was examined. As a result, it was found that the amount of mercury enclosed should be 1.4 × 10 −5 mol / cc or less.

図6Aは、水銀封入量を1.4×10-5mol/cc以下とした場合に、放電が安定した状態を示す。一方、図6Bは、水銀封入量が過多のため、放電が不安定な態を示す。 FIG. 6A shows a state in which the discharge is stable when the amount of mercury enclosed is 1.4 × 10 −5 mol / cc or less. On the other hand, FIG. 6B shows a state in which the discharge is unstable due to an excessive amount of mercury enclosed.

本願発明者は、比較例として、特許文献3に開示されている直管型無電極放電ランプを試作し、投入電力を1.6kW一定として紫外線強度を測定した。放電管には、発光物質として、1.6×10-6mol/ccのヨウ化水銀、0.13mg/ccの鉄、2.6×10-5mol/ccの水銀を封入した。また、放電管に50Torrのアルゴンガスを封入した。この比較例では、UV−A領域の紫外線強度の最大値は221mW/cm2であった。一方、図5Aに示した本実施形態における発光強度の最大値は356mW/cm2であった。従って、UV−A領域の紫外線強度の最大値に関して、比較例は本実施形態より低く、更に、本願発明者が設定した発光強度250mW/cm2に達しなかった。以上より、本実施形態に係る無電極ランプは、従来技術と比して高い紫外線強度を得ることが可能であると言える。 As a comparative example, the inventor of the present application prototyped a straight tube-type electrodeless discharge lamp disclosed in Patent Document 3, and measured the ultraviolet intensity with a constant input power of 1.6 kW. The discharge tube was filled with 1.6 × 10 −6 mol / cc of mercury iodide, 0.13 mg / cc of iron, and 2.6 × 10 −5 mol / cc of mercury as a luminescent substance. Further, argon gas of 50 Torr was sealed in the discharge tube. In this comparative example, the maximum value of the ultraviolet intensity in the UV-A region was 221 mW / cm 2 . On the other hand, the maximum value of the emission intensity in this embodiment shown in FIG. 5A was 356 mW / cm 2 . Therefore, with respect to the maximum value of the UV intensity in the UV-A region, the comparative example is lower than the present embodiment, and further, the emission intensity 250 mW / cm 2 set by the present inventor has not been reached. From the above, it can be said that the electrodeless lamp according to the present embodiment can obtain a higher ultraviolet intensity than the conventional technique.

本願の発明者が行った実験から得られた知見を纏める。   The findings obtained from experiments conducted by the inventors of the present application will be summarized.

(1)発光強度を250mW/cm2以上とし、且つ、放電安定性を確保するには、放電容器の水銀封入量を0.3×10-5〜1.4×10-5mol/ccの範囲とすればよい。 (1) In order to set the emission intensity to 250 mW / cm 2 or more and to ensure discharge stability, the mercury enclosed amount in the discharge vessel is 0.3 × 10 −5 to 1.4 × 10 −5 mol / cc. A range may be used.

(2)放電容器として通常の直管型を用いてもよいが、好ましくは、中央の低温領域(コールドゾーン)に縮径中央部を備えた形状のものを用いるとよい。   (2) Although a normal straight tube type may be used as the discharge vessel, it is preferable to use a discharge vessel having a shape having a reduced diameter central portion in a central low temperature region (cold zone).

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の範囲はこれらの実施の形態によって制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者であれば容易に理解されよう。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited by these embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims. This will be readily appreciated by those skilled in the art.

本発明は、マイクロ波無電極ランプを搭載した光照射装置は、例えば、インク、塗装等が塗布された面の表面硬化処理などに好適に用いることができる。   In the present invention, a light irradiation apparatus equipped with a microwave electrodeless lamp can be suitably used for, for example, surface hardening treatment of a surface coated with ink, coating, or the like.

2…光出射口、3…マイクロ波発振器、4…筐体、5…マイクロ波空洞、6…冷却用送風ダクト、8…アンテナ、10…光照射装置、12…無電極ランプ、12A…放電容器、12B…突起部、12a、12b…高温領域(ホットゾーン)、12c、12d、12e…低温領域(コールドゾーン)、13…プラズマ領域、14…反射鏡、14A…孔、16…導電性メッシュ、17…冷却用空気、18…照射光、121…円筒部、122…縮径中央部、123…端部、124…テーパ部、131…腹、132…節 DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Light emission port, 3 ... Microwave oscillator, 4 ... Housing | casing, 5 ... Microwave cavity, 6 ... Cooling air duct, 8 ... Antenna, 10 ... Light irradiation apparatus, 12 ... Electrodeless lamp, 12A ... Discharge vessel , 12B ... projections, 12a, 12b ... high temperature region (hot zone), 12c, 12d, 12e ... low temperature region (cold zone), 13 ... plasma region, 14 ... reflector, 14A ... hole, 16 ... conductive mesh, 17 ... cooling air, 18 ... irradiation light, 121 ... cylindrical portion, 122 ... center of reduced diameter, 123 ... end portion, 124 ... tapered portion, 131 ... belly, 132 ... node

Claims (3)

マイクロ波エネルギーを受けて発光するマイクロ波無電極ランプにおいて、
石英ガラス製の管状の放電容器と、
該放電容器内に封入された希ガス及び発光物質と、を有し、
前記発光物質は、0.3×10-5mol/cc〜1.4×10-5mol/ccの水銀を含み、更に、ヨウ化鉄、臭化鉄、及び、ヨウ化タリウムを含む、マイクロ波無電極ランプ。
In microwave electrodeless lamps that emit light upon receiving microwave energy,
A tubular discharge vessel made of quartz glass;
A rare gas and a luminescent material enclosed in the discharge vessel,
The light-emitting substance contains 0.3 × 10 −5 mol / cc to 1.4 × 10 −5 mol / cc of mercury, and further contains iron iodide, iron bromide, and thallium iodide. Wave electrodeless lamp.
請求項1記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記放電容器は、縮径中央部と、該縮径中央部の両側に接続されたテーパ部と、該テーパ部の外端にそれぞれ接続された円筒部と、を有し、前記縮径中央部の外径は前記円筒部の外径より小さく、前記縮径中央部は、マイクロ波エネルギーによって生成されるプラズマ領域の定在波の節に対応して形成される低温領域に対応する位置に形成されていることを特徴とするマイクロ波無電極ランプ。
The microwave electrodeless lamp according to claim 1, wherein
The discharge vessel has a reduced diameter central portion, a tapered portion connected to both sides of the reduced diameter central portion, and a cylindrical portion connected to each outer end of the tapered portion, and the reduced diameter central portion The outer diameter of the cylindrical portion is smaller than the outer diameter of the cylindrical portion, and the central portion of the reduced diameter is formed at a position corresponding to a low temperature region formed corresponding to a standing wave node of a plasma region generated by microwave energy. Microwave electrodeless lamp characterized by being made.
マイクロ波発振器と、該マイクロ波発振器に付属するアンテナと、該アンテナからのマイクロ波エネルギーを受けて発光する無電極ランプと、を有する光照射装置において、
前記無電極ランプは不活性ガスと発光物質が封入された放電容器を有し、
前記発光物質は、0.7×10-5mol/cc〜1.4×10-5mol/ccの水銀を含み、更に、ヨウ化鉄、臭化鉄、及び、ヨウ化タリウムを含む、光照射装置。
In a light irradiation apparatus having a microwave oscillator, an antenna attached to the microwave oscillator, and an electrodeless lamp that emits light by receiving microwave energy from the antenna,
The electrodeless lamp has a discharge vessel filled with an inert gas and a luminescent material,
The light emitting material contains 0.7 × 10 −5 mol / cc to 1.4 × 10 −5 mol / cc of mercury, and further contains iron iodide, iron bromide, and thallium iodide. Irradiation device.
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