JP6206703B2 - 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 - Google Patents

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。

インク、塗料、樹脂等の硬化処理及び紫外線殺菌に、マイクロ波無電極ランプを搭載する光照射装置が使用される。この光照射装置は、マイクロ波発振器とマイクロ波空洞を備え、マイクロ波空洞には放電管（発光管）として無電極ランプが設けられている。マイクロ波空洞には、更に、無電極ランプからの放射光を方向付けする反射鏡が設けられている。

マイクロ波発振器からのマイクロ波によってマイクロ波空洞に定在波が生成される。無電極ランプ内に、定在波の腹とその両側の節が生じる。定在波の腹の部分の温度は比較的高く、節の部分の温度は比較的低い。無電極ランプの軸線方向の温度は不均一となる。

従来、マイクロ波無電極ランプでは、軸線方向の温度の不均一化の課題を解決するために様々な工夫がなされている。特許文献１及び２に記載されたマイクロ波無電極光源装置では、中央に直径が減少した小径部分が形成されたランプを備える。特許文献３に記載された無電極ランプでは、発光管を定在波の形状に適するように、中央に直径が減少した小径部分を設け、その両側で肉厚を大きくしている。

特公平３−３７２７７号公報 特表２００３−５１０７７３号公報 特開２０１１−９１００７号公報

マイクロ波無電極ランプは、通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させると、使用中に変形または破裂することがある。本願の発明者は、マイクロ波無電極ランプの破裂の課題に鋭意取り組んだ。

そこで本発明の目的は、通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させても、変形または破裂することがない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。

本願の発明者は、通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させると、無電極ランプが破裂するメカニズムを究明した。そこで、次のような知見が得られた。無電極ランプが破裂する瞬間を注意深く観察すると、破裂の直前に、ランプが局部的に膨らむことが判った。そこで本願の発明者は、予め、当該箇所で局部的に膨らんだ形状のランプを試作した。その結果、ランプの変形と破裂を回避することができた。

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、該無電極ランプから放射される光を制御する反射鏡と、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、前記放電容器は、仮想の直管状の円筒の外径と比較して拡大した外径を有する部位を拡径部と定義するとき、中央部と、該中央部の両側の拡径部と、前記２つの拡径部の外側の端部からなり、前記放電容器は、マイクロ波エネルギーによって生成される定在波の腹に対応して形成される２つの高温領域と、該定在波の節に対応して形成される３つの低温領域とを有し、前記放電容器の中央部は前記３つの低温領域のうちの中央の低温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの拡径部は前記２つの高温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの端部は前記３つの低温領域のうちの両側の低温領域に対応して配置され、前記拡径部は、前記高温領域の最高温位置にて最大外径を有し、該最高温位置から両側に遠ざかるにしたがって外径が減少するように構成されている。

本実施形態では、前記光照射装置において、前記放電容器の軸線方向の寸法Ｌに対する前記拡径部の軸線方向の寸法Ｌ１の比は、Ｌ１／Ｌ＝０．２５〜０．３５であってよい。

本実施形態では、前記光照射装置において、前記拡径部の最高温位置における外径をＤ１とし、前記拡径部の両端における外径をＤとするとき、前記最高温位置における拡径率はΔＤ／Ｄ＝（Ｄ１−Ｄ）／Ｄ＝０．１６〜０．２０であってよい。

本実施形態では、前記光照射装置において、前記放電容器の端部は、前記２つの定在波の両端の節の形状に対応して、外端に向かって外径が徐々に小さくなる縮径端部として構成されてよい。

本実施形態では、前記光照射装置において、前記放電容器の中央部は、前記２つの定在波の間の節の形状に対応して、中央に向かって外径が徐々に小さくなる縮径中央部として構成されてよい。

本実施形態では、前記光照射装置において、前記放電容器の肉厚は１ｍｍ、軸線方向の寸法Ｌは１３８ｍｍ、前記拡径部の両端における外径Ｄは１１ｍｍであってよい。

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、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、前記放電容器は、仮想の直管状の円筒の外径と比較して拡大した外径を有する部位を拡径部と定義するとき、中央部と、該中央部の両側の拡径部と、前記２つの拡径部の外側の端部からなり、前記放電容器は、マイクロ波エネルギーによって生成される定在波の腹に対応して形成される２つの高温領域と、該定在波の節に対応して形成される３つの低温領域とを有し、前記放電容器の中央部は前記３つの低温領域のうちの中央の低温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの拡径部は前記２つの高温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの端部は前記３つの低温領域のうちの両側の低温領域に対応して配置され、前記拡径部は、前記高温領域の最高温位置にて最大外径を有し、該最高温位置から両側に遠ざかるにしたがって外径が減少するように構成されている。

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、前記放電容器の軸線方向の寸法Ｌに対する前記拡径部の軸線方向の寸法Ｌ１の比は、Ｌ１／Ｌ＝０．２５〜０．３５であってよい。

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、前記拡径部の最高温位置における外径をＤ１とし、前記拡径部の両端における外径をＤとするとき、前記最高温位置における拡径率はΔＤ／Ｄ＝（Ｄ１−Ｄ）／Ｄ＝０．１６〜０．２０であってよい。

本発明によれば、通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させても、変形または破裂することがない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。

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。 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。 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。 図３は、従来の直管型無電極ランプの一例を示す図である。 図４Ａは、従来の直管型無電極ランプの例の寸法を説明する図である。 図４Ｂは、本実施形態による無電極ランプの第１の例の形状を説明する図である。 図４Ｃは、本実施形態による無電極ランプの第２の例の形状を説明する図である。 図４Ｄは、本実施形態による無電極ランプの第３の例の形状を説明する図である。 図５Ａは、従来の直管型無電極ランプの例の寸法を説明する図である。 図５Ｂは、本実施形態による無電極ランプの第１の例の形状を説明する図である。 図５Ｃは、本実施形態による無電極ランプの第２の例の形状を説明する図である。 図５Ｄは、本実施形態による無電極ランプの第３の例の形状を説明する図である。 図６Ａは、従来の放電容器にて局所的な膨らみが発生する状態を模式的に示す図である。 図６Ｂは、本実施形態の放電容器にて局所的な膨らみが発生しない状態を模式的に示す図である。 図７Ａは、薄肉円筒に働く応力を説明する図である。 図７Ｂは、薄肉円筒を小さなセグメントに分解したときに、１つのセグメントに働く応力を説明する図である。

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。

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。

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、筐体４の上側には冷却用送風ダクト６（図１Ｂでは省略）が取り付けられている。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。

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。

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、その中心軸が前記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、無電極ランプと反射鏡との位置関係に関しては、必ずしも無電極ランプの中心（中心軸）が焦点位置に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さえいればよい。

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。

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。

冷却用送風ダクト６からの冷却用空気１７は、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。

図３を参照して直管型の無電極ランプの例を説明する。直管型の無電極ランプ１２は、円筒状の放電容器１２Ａとその両端の突起部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。

無電極ランプ１２は石英ガラス製である。放電容器の内部には、不活性ガスと発光物質が封入されている。本例の無電極ランプ１２では、不活性ガスとして２．７ｋＰａのアルゴン（Ａｒ）が封入されてよい。発光物質として４５ｍｇの水銀が封入されてよい。この場合、無電極ランプ１２は、出力１，８００Ｗの紫外線照射ランプ（ＵＶランプ）として使用される。尚、発光物質は水銀に限定されない。例えば、水銀とハロゲン化金属等を封入してもよい。この場合には、無電極ランプはメタルハライドランプとなる。

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。

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。

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（コールドゾーン又はクールゾーン）１２ｃ、１２ｄ、１２ｅと呼ばれる。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。

図４Ａを参照して、従来の直管型の無電極ランプの例の寸法を説明する。無電極ランプ１２は放電容器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。各高温領域１２ａ、１２ｂ（図３）において、定在波の腹の振幅が最大の位置にて、最も温度が高くなる。ランプが水平姿勢で点灯している場合には、最高温度位置Ｈは、各高温領域１２ａ、１２ｂにて、放電容器１２Ａの上側面に生じる。中央の低温領域１２ｃ（図３）において、定在波の節の振幅が最小の位置にて、最も温度が低くなる。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Ｃは、放電容器１２Ａの軸線方向の中央の位置にある。

放電容器１２Ａの中央の最低温位置Ｃから、両側の最高温位置Ｈまでの距離を、それぞれＬｂとし、両端までの距離を、それぞれＬａとする。この放電容器１２Ａでは、Ｌ＝１３８ｍｍ、Ｌｔ＝８．５ｍｍ、Ｌａ＝６９ｍｍ、Ｌｂ＝３４．５ｍｍである。無電極ランプ１２の全長、即ち、両側の突起部１２Ｂ、１２Ｂの外端の間の寸法は１５５ｍｍである。

放電容器１２Ａの外径をＤとする。Ｄ＝１１ｍｍである。放電容器１２Ａの肉厚は１ｍｍである。

図４Ｂを参照して、本実施形態による無電極ランプの第１の例の外径の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、直管中央部１２２、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の直管端部１２３、１２３を有する。

直管中央部１２２は、放電容器の中央の低温領域１２ｃに形成され、その外径は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器１２Ａの外径Ｄに等しい。直管端部１２３、１２３は、放電容器の両側の低温領域１２ｄ、１２ｅに形成され、その外径は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器１２Ａの外径Ｄに等しい。尚、直管端部１２３、１２３は、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。

拡径部１２１、１２１は、放電容器の２つの高温領域１２ａ、１２ｂにそれぞれ形成される。拡径部１２１、１２１は、最高温位置Ｈにて最大径を有し、その両側では徐々に外径が小さくなっている。即ち、拡径部１２１、１２１は、最高温位置Ｈから両側に遠ざかるにしたがって外径が減少するように構成されている。ここで、拡径部１２１、１２１の最高温位置Ｈにおける外径をＤ１とし、それ以外の位置における外径をＤｈとする。拡径部１２１、１２１の外径Ｄ１及びＤｈは、直管中央部１２２の外径Ｄより大きく、直管端部１２３、１２３の外径Ｄより大きい。即ち、拡径部１２１、１２１の外径Ｄ１及びＤｈは、従来の直管型の無電極ランプの放電容器１２Ａの外径Ｄより大きい。即ち、Ｄ１＞Ｄｈ＞Ｄである。

本実施形態では、外径Ｄ１はＤ１＝１３ｍｍである。拡径部１２１、１２１の両端における外径ＤはＤ＝１１ｍｍである。従って、拡径部１２１、１２１の最高温位置Ｈにおける拡径量ΔＤは、ΔＤ＝Ｄ１−Ｄ＝１３−１１＝２ｍｍ、拡径率はΔＤ／Ｄ＝０．１８（１８％）である。

図４Ｃを参照して、本実施形態による無電極ランプの第２の例の外径の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、直管中央部１２２、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の縮径端部１２４、１２４を有する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、図４Ｂの放電容器と比較して、直管端部１２３、１２３の代わりに、縮径端部１２４、１２４が形成されている点が異なる。縮径端部１２４、１２４の外形は、プラズマ領域１３の形状に対応して形成されている。即ち、縮径端部１２４、１２４の外径は、定在波の腹１３１から節１３２の外形に対応して減少している。拡径部１２１、１２１と縮径端部１２４、１２４の接続部（境界）における外径は、直管端部１２３、１２３の外径Ｄに等しいが、縮径端部１２４、１２４の外径は両側の端部に向かって徐々に小さくなっている。

図４Ｄを参照して、本実施形態による無電極ランプの第３の例の外径の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、縮径中央部１２５、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の縮径端部１２４、１２４を有する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、図４Ｃの放電容器と比較して、直管中央部１２２の代わりに、縮径中央部１２５が形成されている点が異なる。縮径中央部１２５の外形は、プラズマ領域１３の形状に対応して形成されている。即ち、縮径中央部１２５の外径は、定在波の腹１３１からその間の節１３２に対応して減少しており、節１３２の部分では縮径されている。拡径部１２１、１２１と縮径中央部１２５の接続部（境界）における外径は、直管中央部１２２の外径Ｄに等しいが、縮径中央部１２５の外径は中心に向かって徐々に小さくなっており、中央では縮径されている。

本実施形態では、縮径中央部１２５の中央の最小外径をＤ２とすると、Ｄ２＝４．３ｍｍである。従って、縮径中央部１２５における最大縮径量ΔＤは、ΔＤ＝Ｄ−Ｄ２＝１１−４．３＝６．７ｍｍである。

これらの実施形態では、放電容器１２Ａの軸線方向の寸法はＬ＝１３８ｍｍであり、放電容器の拡径部１２１、１２１における拡径率はΔＤ／Ｄ＝０．１８（１８％）である。しかしながら、これは単なる例示であって、拡径率はΔＤ／Ｄ＝０．１６〜０．２０（１６〜２０％）であってよい。

図４Ｄの実施態様では、直管端部１２３、１２３の代わりに縮径端部１２４、１２４が形成され、直管中央部１２２の代わりに縮径中央部１２５が形成されているが、直管端部１２３、１２３はそのままで、直管中央部１２２の代わりに縮径中央部１２５が形成されてもよい。

図５Ａは従来の直管型の無電極ランプの例を示す。無電極ランプ１２は放電容器１２Ａと両側の突起部１２Ｂ、１２Ｂを有する。無電極ランプ１２の各部の寸法は図４Ａを参照して説明した。

図５Ｂを参照して、本実施形態による無電極ランプの第１の例の軸線方向の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、直管中央部１２２、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の直管端部１２３、１２３を有する。一点鎖線は、仮想の直管状の円筒の外形であるが、ここでは、従来の直管型の無電極ランプの放電容器の外形を示す。本実施形態の放電容器の外形は、従来の放電容器の外形と比較して、拡径部１２１、１２１が形成されている点が異なる。

拡径部１２１、１２１は、放電容器の高温領域１２ａ、１２ｂ（図３）に形成されている。拡径部１２１、１２１は、外側に膨らんだ形状を有する。直管中央部１２２は、放電容器の中央の低温領域１２ｃ（図３）に形成されている。直管中央部１２２は、直管状に形成されている。直管中央部１２２の外径は一定であり、従来の放電容器１２Ａの外径に等しい。

直管端部１２３、１２３は、放電容器の両側の低温領域１２ｄ、１２ｅ（図３）に形成され、その外径は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器１２Ａの外径に等しい。尚、直管端部１２３、１２３の端面は、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。

本実施形態では、直管中央部１２２の軸線方向の寸法は、Ｌ２＝２７ｍｍ、拡径部１２１、１２１の軸線方向の寸法は、Ｌ１＝４２ｍｍ、直管端部１２３、１２３の軸線方向の寸法は、Ｌ３＝１４ｍｍである。

図５Ｃを参照して、本実施形態による無電極ランプの第２の例の軸線方向の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、直管中央部１２２、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の縮径端部１２４、１２４を有する。一点鎖線は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器の外形を示す。本実施形態の放電容器は、従来の放電容器の外形と比較して、拡径部１２１、１２１と縮径端部１２４、１２４が形成されている点が異なる。縮径端部１２４、１２４の外形は、プラズマ領域１３の形状に対応して形成されている。即ち、縮径端部１２４、１２４の外径は、端部に向かって縮小している。

本実施形態では、直管中央部１２２の軸線方向の寸法は、Ｌ２＝２７ｍｍ、拡径部１２１、１２１の軸線方向の寸法は、Ｌ１＝４２ｍｍ、縮径端部１２４、１２４の軸線方向の寸法は、Ｌ３＝１４ｍｍである。

図５Ｄを参照して、本実施形態による無電極ランプの第３の例の軸線方向の寸法を説明する。本実施形態の無電極ランプの放電容器は、縮径中央部１２５、その両側の拡径部１２１、１２１、更にその外側の縮径端部１２４、１２４を有する。一点鎖線は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器の外形を示す。本実施形態の放電容器は、従来の放電容器の外形と比較して、直管形状ではなく、外径が軸線方向に沿って緩やかに変化している点が異なる。本実施形態では、２つの拡径部１２１、１２１の間に縮径中央部１２５が形成されている。縮径中央部１２５の外形は、プラズマ領域１３の形状に対応して形成されている。即ち、縮径中央部１２５の外径は、拡径部１２１、１２１から中央に向かって減少している。従って、縮径中央部１２５の中央の最低温位置Ｃにて、外径が最小となる。

本実施形態では、縮径中央部１２５の軸線方向の寸法は、Ｌ２＝２７ｍｍ、拡径部１２１、１２１の軸線方向の寸法は、Ｌ１＝４２ｍｍ、縮径端部１２４、１２４の軸線方向の寸法は、Ｌ３＝１４ｍｍである。

これらの実施形態では、放電容器１２Ａの軸線方向の寸法はＬ＝１３８ｍｍであり、拡径部１２１の軸線方向の寸法はＬ１＝４２ｍｍである。放電容器１２Ａの軸線方向の寸法Ｌに対する拡径部１２１の軸線方向の寸法Ｌ１の比は、Ｌ１／Ｌ＝４２／１３８＝０．３０（３０％）である。しかしながら、これは単なる例示であって、本実施形態では、放電容器１２Ａの軸線方向の寸法に対する拡径部１２１の軸線方向の寸法の比は０．２５〜０．３５（２５〜３５％）であってよい。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本願の発明者が実験から得た知見を説明する。本願の発明者は、従来の直管型の無電極ランプを水平姿勢にて保持し、通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させ、その放電容器が破裂する瞬間を注意深く観察し、その撮影に成功した。

図６Ａは、従来の放電容器の高温領域１２ａにて局所的な膨らみが発生する状態を模式的に示したものである。点灯前の放電容器１２Ａ（１）は直管状である。ランプは水平姿勢で点灯しているものとする。通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させた。点灯によって放電容器１２Ａ（２）の温度が上昇すると熱膨張により、放電容器１２Ａ（２）の高温領域１２ａでは、軸線方向の寸法及び径は全体的に増加する。石英ガラスの熱膨張係数は、通常の金属の熱膨張係数より十分に小さい。従ってこの熱膨張量は小さい。図６Ａでは、この熱膨張量は誇張して描かれている。破裂の直前に、放電容器１２Ａ（２）の上側面にて、局所的な膨らみが生成されることが観測された。放電容器１２Ａ（１）の下側面では、局所的な膨らみは観測されなかった。高温領域１２ａ以外の部分でも、局所的な膨らみは観測されなかった。

高温領域１２ａでは、熱膨張により熱応力が生じ、放電容器１２Ａ（２）の上側面における熱応力σが所定の値より大きくなると破裂するものと思われる。尚、応力σは軸線方向のσｚと円周方向のσθと径方向のσｒの３つを含むが、これについては後に説明する。 また、高温領域１２ａにて局所的な膨らみが発生した要因は、壁面負荷（単位内表面積当たりのランプ電力）が高くなることで、円周方向の応力σθにより放電容器を構成する石英ガラスが変形した可能性がある。

図６Ｂは、本実施形態の放電容器の高温領域１２ａにて局所的な膨らみが発生しない状態を模式的に示したものである。尚、ランプは水平姿勢で点灯しているものとする。本実施形態による放電容器１２Ａ（１）では高温領域１２ａにて予め拡径部１２１が形成されている。

通常よりも高いエネルギーを供給して点灯させた。高温領域１２ａにおいて、放電容器１２Ａ（２）の上側面において局所的な膨らみは観測されなかった。高温領域１２ａ以外の部分でも、局所的な膨らみは観測されなかった。放電容器１２Ａ（２）の破裂は起きなかった。

本実施形態では、高温領域１２ａにおける円周方向の応力σθが所定の大きさを超えないため、結果的に周方向の歪が緩和され変形せず破裂が起きないものと思われる。

また、高温領域１２ａに拡径部１２１を設けることにより壁面負荷が下がるため局所的な膨らみは起こらないと考えられる。

図７Ａ、図７Ｂを参照して、本願発明者が行った放電容器の熱膨張による破裂の解析を説明する。従来の無電極ランプの放電容器は、外径が１１ｍｍ、肉厚は１ｍｍであり、材料力学における「薄肉円筒」と見なすことができる。

図７Ａは薄肉円筒に働く応力を示す。図示のように軸線方向の応力σｚと、円周方向の応力σθを考察する。薄肉円筒の内部の圧力をＰとする。両端が閉じた薄肉円筒の円筒状側壁の軸線方向の応力σｚと円周方向の応力σθは次の式によって求められる。

尚、径方向の応力σｒについては、内面で内部の圧力Ｐに等しく外面で０になるため、σｚとσθに比べきわめて小さいことから、実用上無視できるためここでは考慮しない。

σθ＝（Ｅ×εθ）（２／（２−ν）） 式１
σｚ＝（Ｅ×εｚ）（１／（１−２ν）） 式２
εθは円周方向の歪、εｚは軸線方向の歪である。Ｅはヤング率、νはポアソン比である。石英ガラスのヤング率は７．２ＧＰａ、ポアソン比は０．１４〜０．１７である。薄肉円筒の半径をｒ、熱膨張により膨らんだ状態の薄肉円筒の半径をｒ＋Δｒとする。円周方向の歪εθは次の式によって与えられる。

εθ＝[２π（ｒ＋Δｒ）−２πｒ]／２πｒ＝Δｒ／ｒ 式３
従って、円周方向の歪εθは半径方向の歪εｒ＝Δｒ／ｒに等しい。薄肉円筒の軸線方向の寸法をＬ、歪をΔＬとすると、薄肉円筒の軸線方向の歪εｚはεｚ＝ΔＬ／Ｌである。

図７Ｂは、従来の放電容器及び本実施形態による放電容器を、仮想的に、軸線方向に直交する面で切断して、複数の小さなリング状セグメントに分割して得られたリング状セグメントの１つを示す。リング状セグメントの軸線方向の寸法をＬ０とする。寸法Ｌ０は充分に小さいものとする。リング状セグメントに、軸線方向の応力σｚと円周方向の応力σθが生じるが、円周方向の応力σθが所定の値より大きくなると変形または破裂するものと思われる。

次に、本実施形態による放電容器のリング状セグメントについて考察する。軸線方向の応力σｚと円周方向の応力σθが生じるが、外径を大きくすることで円周方向の応力σθが所定の大きさを超えることがなく、周方向の歪が緩和されるため変形せず破裂が起きないものと思われる。

また、ランプ点灯において放電容器を構成する石英ガラスに歪が蓄積され、特に高温領域の歪が顕著となり、そこが起点となりランプ点灯中に破裂する場合があるが、外径を大きくすることで壁面負荷を下げることができる。結果として、高温領域の歪の蓄積を遅らせることにより破裂を抑制できる。

本実施形態によると、放電容器の高温領域の拡径部の外形は、従来の放電容器の高温領域にて生じる膨らみの形状に対応して形成される。本実施形態によると、放電容器の高温領域の拡径部の外形は、従来の直管型の無電極ランプの放電容器が破裂する瞬間を注意深く観察し、その撮影した像に基づいて決める。従って本実施形態によると、放電容器の高温領域に、拡径部が設けられるが、それ以外の部分は、従来の直管型の放電ランプの形状と同一であってよい。即ち、放電容器の高温領域の拡径部以外の部分は、図４Ｂの例のように直管状であってもよく、又は、図４Ｃ又は図４Ｄの例のように定在波の外形に対応した形状であってよい。

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。

１…マイクロ波、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…低温領域（クールゾーン）、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…拡径部、１２２…直管中央部、１２３…直管端部、１２４…縮径端部、１２５…縮径中央部、１３１…腹、１３２…節

Claims (5)

1. 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、該無電極ランプから放射される光を制御する反射鏡と、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、
   前記放電容器は、直管状の中央部と、該中央部の両側の拡径部と、前記２つの拡径部の外側の端部からなり、
   前記放電容器は、マイクロ波エネルギーによって生成される定在波の腹に対応して形成される２つの高温領域と、該定在波の節に対応して形成される３つの低温領域とを有し、
   前記放電容器の中央部は前記３つの低温領域のうちの中央の低温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの拡径部は前記２つの高温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの端部は前記３つの低温領域のうちの両側の低温領域に対応して配置され、
   前記拡径部は、前記高温領域の最高温位置にて最大外径を有し、該最高温位置から両側に遠ざかるにしたがって外径が減少するように構成されており、
   前記拡径部の最高温位置における外径をＤ１とし、前記拡径部の内端における外径をＤとするとき、前記最高温位置における拡径率はΔＤ／Ｄ＝（Ｄ１−Ｄ）／Ｄ＝０．１６〜０．２０であることを特徴とする光照射装置。
2. 請求項１に記載の光照射装置において、
   前記放電容器の軸線方向の寸法Ｌに対する前記拡径部の軸線方向の寸法Ｌ１の比は、Ｌ１／Ｌ＝０．２５〜０．３５であることを特徴とする光照射装置。
3. 請求項１又は２記載の光照射装置において、
   前記放電容器の端部は、前記２つの定在波の両端の節の形状に対応して、外端に向かって外径が徐々に小さくなる縮径端部として構成されていることを特徴とする光照射装置。
4. 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、
   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、
   前記放電容器は、直管状の中央部と、該中央部の両側の拡径部と、前記２つの拡径部の外側の端部からなり、
   前記放電容器は、マイクロ波エネルギーによって生成される定在波の腹に対応して形成される２つの高温領域と、該定在波の節に対応して形成される３つの低温領域とを有し、
   前記放電容器の中央部は前記３つの低温領域のうちの中央の低温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの拡径部は前記２つの高温領域に対応して配置され、前記放電容器の２つの端部は前記３つの低温領域のうちの両側の低温領域に対応して配置され、
   前記拡径部は、前記高温領域の最高温位置にて最大外径を有し、該最高温位置から両側に遠ざかるにしたがって外径が減少するように構成されており、
   前記拡径部の最高温位置における外径をＤ１とし、前記拡径部の内端における外径をＤとするとき、前記最高温位置における拡径率はΔＤ／Ｄ＝（Ｄ１−Ｄ）／Ｄ＝０．１６〜０．２０であることを特徴とするマイクロ波無電極ランプ。
5. 請求項４に記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
   前記放電容器の軸線方向の寸法Ｌに対する前記拡径部の軸線方向の寸法Ｌ１の比は、Ｌ１／Ｌ＝０．２５〜０．３５であることを特徴とするマイクロ波無電極ランプ。

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