JP6590296B2 - 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。

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。

放電管には、始動用の希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。紫外線は、波長３１５〜４００ｎｍのＵＶ−Ａ領域、波長２８０〜３１５ｎｍのＵＶ−Ｂ領域、波長２００〜２８０ｎｍのＵＶ−Ｃ領域に分けられる。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。ＵＶ−Ｃ領域の紫外線は殺菌用に用いられる。

特許文献１（特公平３−３７２７７号公報）には、両側の円筒形部分とテーパによって漸次縮径された中央の小径部分とからなる放電容器を備えた有水銀型のマイクロ波無電極光源装置が記載されている。特許文献２（特開平６−１３０５２号公報）には、発光物質として、ヨウ化水銀、水銀及び鉄を用いた無電極放電ランプ発光装置が記載されている。特許文献２の図４及び図５には、ヨウ化水銀の封入量とランプの寿命の関係を示すグラフが記載されている。特許文献３（特開昭５７−１７２６５０号公報）には、発光物質として、水銀、ハロゲン、鉄、ニッケル、コバルト、パラジウム等を用いた紫外線照射用無電極放電ランプが記載されている。特許文献３の図３にはヨウ化鉄の封入量と光出力の関係を示すグラフが記載され、図４には水銀の封入量と光出力の関係を示すグラフが記載されている。

特許文献４には、縮径中央部を備えた形状の放電容器を用いた有水銀タイプの無電極ランプの例が記載されている。図５Ａには、水銀封入密度とＵＶ−Ａ領域の紫外線発光強度の関係が記載されている。特許文献５には、直管型の放電容器を用いた無水銀タイプの無電極ランプの例が記載されている。図８には、ヨウ化コバルト封入密度とＵＶ−Ａ領域の紫外線発光強度の関係が記載されている。

特公平３−３７２７７号公報 特開平６−１３０５２号公報（特許第３４９６０３３号） 特開昭５７−１７２６５０号公報（特許第１６１６２４１号） 特開２０１５−８２３６９号公報（岩崎電気株式会社） 特開２０１５−１９１７４３号公報（岩崎電気株式会社）

近年、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。ＵＶ−Ａ領域の紫外線を発生する無電極放電ランプでは、発光物質として一般に水銀が用いられているが、近年、水銀の使用量を低減させたいとの要望がある。一方、ＵＶ−Ａ領域の紫外線を安定的に放射させ、ランプの維持率を改善させた光照射装置の要望が高くなっている。

本発明の目的は、水銀の使用量を低減させると同時に、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の発光強度を安定的に放射させ、ランプの維持率を改善す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。

本発明の実施形態によると、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、
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、水銀、ヨウ化鉄、ヨウ化コバルト、及び、ニッケルを含み、
前記水銀の封入密度は３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、
前記ヨウ化鉄の封入密度と前記ヨウ化コバルトの封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

本発明の実施形態によると、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それぞれ配置され該縮径中央部の外径より大きい外径を有する円筒部と、前記縮径中央部の両側と前記円筒部をそれぞれ接続するテーパ部と、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記マイクロ波無電極ランプにおいて、
前記水銀の封入密度は５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

本発明の実施形態によると、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希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、水銀、ヨウ化鉄、ヨウ化コバルト、及び、ニッケルを含み、
前記水銀の封入密度は３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、
前記ヨウ化鉄の封入密度と前記ヨウ化コバルトの封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記光照射装置において、
前記放電容器は、縮径中央部と、該縮径中央部の両側にそれぞれ配置され該縮径中央部の外径より大きい外径を有する円筒部と、前記縮径中央部の両側と前記円筒部をそれぞれ接続するテーパ部と、を有する、としてよい。

本発明の実施形態によると、前記光照射装置において、
前記水銀の封入密度は５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

本発明によれば、水銀の使用量を低減させると同時に、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の発光強度を安定的に放射させ、ランプの維持率を改善す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。

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、本実施形態に係る無電極ランプの一例を示す図である。 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。 図５は、本願発明者が行った無電極ランプの実験１の結果の一例を示し、水銀の封入密度に対する紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の関係を説明する図である。 図６は、本願発明者が行った無電極ランプの実験２の結果の一例を示し、水銀の封入密度に対する紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の関係を説明する図である。 図７は、本願発明者が行った無電極ランプの実験３の結果の一例を示し、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和に対する紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の関係を説明する図である。 図８は、本願発明者が行った無電極ランプの実験の結果の一例を示し、点灯時間に対する紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率の関係を説明する図である。 図９は、本願発明者が行った無電極ランプの実験の結果の一例を示し、波長に対する紫外線（ＵＶ−Ａ）分光スペクトル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。

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。

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。

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。

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。

図３を参照して本実施形態に係わ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。

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）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、再凝集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４を参照して本実施形態に係る無電極ランプの例を説明する。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。

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。

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。

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、Ｄｃ＝Ｄｎ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。

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。放電容器１２Ａには、始動用の希ガスと発光物質が封入される。

以下に、本願発明者が行った実験について説明する。実験では、図４に示す無電極ランプを用いた。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、外径は９ｍｍ、内容積は６．３ｃｃであった。

実験では、発光物質として、水銀（Ｈｇ）、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）を用いた。始動用の希ガスとして２０Ｔｏｒｒのアルゴンガスを封入した。無電極ランプの投入電力を１．５ｋＷ一定とし、波長３１５〜４００ｎｍ（ＵＶ−Ａ領域）の発光強度を測定した。

表１は、本願発明者が行った実験に用い無電極ランプの発光物質の封入密度を示す。実験１、２では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を一定とし、水銀（Ｈｇ）の封入密度を変化させた。ニッケル（Ｎｉ）は金属ニッケル単体である。実験１の結果は図５に示し、実験２の結果は図６に示す。実験３では、ニッケル（Ｎｉ）及び水銀（Ｈｇ）の封入密度を一定とし、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、及び、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、の封入密度を変化させた。実験３の結果は図７に示す。

表２は、実験１及び実験２の結果を示す。実験１では、６個のサンプルを用意した。６個のサンプルにおいて、水銀封入密度は、それぞれ、２．８７μｍｏｌ／ｃｃ、４．３１μｍｏｌ／ｃｃ、５．７４μｍｏｌ／ｃｃ、１１．１６μｍｏｌ／ｃｃ、１６．７５μｍｏｌ／ｃｃ、２２．３３μｍｏｌ／ｃｃである。実験２では、４個のサンプルを用意した。４個のサンプルにおいて、水銀封入密度は、それぞれ、２．８７μｍｏｌ／ｃｃ、４．３１μｍｏｌ／ｃｃ、５．７４μｍｏｌ／ｃｃ、１１．１６μｍｏｌ／ｃｃである。これは実験１の６個のサンプルのうちの４個のサンプルの水銀封入密度と同一である。

水銀封入密度について説明する。本発明の目的は、水銀の使用量を低減させると同時に、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の発光強度を安定的に放射させ、ランプの維持率を改善することができるマイクロ波無電極ランプを実現することである。特許文献４（特開２０１５−８２３６９号公報）に記載された発明の目的は、本発明の目的と同様に、水銀の使用量を低減させることである。そこで、本願の発明者が行った実験で用いた水銀の封入密度は、特許文献４に記載された水銀封入密度を参考とした。但し、特許文献４に記載された実験では、発光物質としてヨウ化鉄、臭化鉄、及び、ヨウ化タリウムを用いる。

図５を参照して、実験１を説明する。実験１では、水銀封入密度をパラメータとして変化させた。図５において、横軸は、水銀封入密度（単位：μｍｏｌ／ｃｃ）、左縦軸は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（単位：ｍＷ／ｃｍ^２）、右縦軸は、ＵＶ−Ａ領域積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ^２）である。実線のグラフは、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（左縦軸）を表し、破線のグラフは、ＵＶ−Ａ領域積算光量（右縦軸）を表す。本願の発明者は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値として２５００ｍＷ／ｃｍ^２を設定し、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値として５００ｍＪ／ｃｍ^２を設定した。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度、及び、ＵＶ−Ａ領域積算光量が、共に、それぞれの基準値以上となる場合を合格とした。図５のグラフの横軸に平行な２本の直線は各基準値を示す。上側の直線（実線）は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値を示し、下側の直線（破線）は、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値を示す。

実験１では、表１に示すように、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度を３．５８μｍｏｌ／ｃｃ、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度を１．１４μｍｏｌ／ｃｃとした。これについて説明する。特許文献５（特開２０１５−１９１７４３号公報）には、ヨウ化コバルトの封入密度は４〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃが好ましいと記載されている。更に、実験３の結果では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度とヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度の和が３．０〜２０μｍｏｌ／ｃｃであることが好ましいことが判っている。尚、実験３については後に詳細に説明する。そこで、実験１では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度とヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度を表１に示す値に設定した。実験１では、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度８．１８μｍｏｌ／ｃｃとした。

図５及び表１に示す実験１の結果から次のことが判る。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度が基準値（２５００ｍＷ／ｃｍ^２）以上となり、且つ、ＵＶ−Ａ領域積算光量が基準値（５００ｍＪ／ｃｍ^２）以上となるのは、水銀封入密度が３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃである。

図６を参照して、実験２を説明する。実験２では、実験１と同様に、水銀封入密度をパラメータとして変化させた。図６において、横軸は、水銀封入密度（単位：μｍｏｌ／ｃｃ）、左縦軸は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（単位：ｍＷ／ｃｍ^２）、右縦軸は、ＵＶ−Ａ領域積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ^２）である。実線のグラフは、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（左縦軸）を表し、破線のグラフは、ＵＶ−Ａ領域積算光量（右縦軸）を表す。本願の発明者は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値として２５００ｍＷ／ｃｍ^２を設定し、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値として５００ｍＪ／ｃｍ^２を設定した。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度、及び、ＵＶ−Ａ領域積算光量が、共に、それぞれの基準値以上となる場合を合格とした。図６のグラフの横軸に平行な２本の直線は各基準値を示す。上側の直線（実線）は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値を示し、下側の直線（破線）は、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値を示す。

実験２では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度を６．６５μｍｏｌ／ｃｃ、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度を２．３３μｍｏｌ／ｃｃとした。その理由は、実験３の場合と同様である。実験２では、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度１６．３５μｍｏｌ／ｃｃとした。尚、実験２の発光物質を実験１の発光物質と比較すると、実験２では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度が略２倍になっている。

図６及び表２に示す実験２の結果から次のことが判る。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度が基準値（２５００ｍＷ／ｃｍ^２）以上となり、且つ、ＵＶ−Ａ領域積算光量が基準値（５００ｍＪ／ｃｍ^２）以上となるのは、水銀封入密度が５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである。

ここで実験１と実験２を比較して検討する。上述のように、実験２では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度が、実験１の場合と比較して略２倍になっている。一方、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量が共に基準値以上となる場合の水銀封入密度を比較すると、実験２の水銀封入密度の範囲は、実験１の場合よりも狭い。上述のように実験１の場合、水銀封入密度が３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃであるが、実験２の場合、水銀封入密度が５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである。

しかしながら、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値を比較すると、実験２の紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値は、実験１の場合よりも大きい。例えば、表２を参照して、水銀封入密度が５．７４μｍｏｌ／ｃｃの場合、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度とＵＶ−Ａ領域積算光量を比較する。先ず、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度について比較する。実験１では２６２３ｍＷ／ｃｍ^２であるが、実験２では２９０１ｍＷ／ｃｍ^２である。次に、ＵＶ−Ａ領域積算光量について比較する。実験１では６４２ｍＪ／ｃｍ^２であるが、実験２では６６６ｍＪ／ｃｍ^２である。

以上より次のことが判る。上述の実験の条件下において、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を増加させると、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量が共に基準値以上となる場合の水銀封入密度の範囲が狭くなるが、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値が高くなる。従って、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量が共に基準値以上となる場合の水銀封入密度の範囲を広くしたい場合には、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を増加させる必要はない。一方、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値を高くしたい場合には、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を増加させればよい。

図７を参照して、実験３を説明する。実験３では、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度とヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度の和をパラメータとして変化させた。図７において、横軸は、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）の封入密度とヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度の和（単位：μｍｏｌ／ｃｃ）、左縦軸は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（単位：ｍＷ／ｃｍ^２）、右縦軸は、ＵＶ−Ａ領域積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ^２）である。実線のグラフは、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度（左縦軸）を表し、破線のグラフは、ＵＶ−Ａ領域積算光量（右縦軸）を表す。本願の発明者は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値として２５００ｍＷ／ｃｍ^２を設定し、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値として５００ｍＪ／ｃｍ^２を設定した。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度、及び、ＵＶ−Ａ領域積算光量が、共に、それぞれの基準値以上となる場合を合格とした。図７のグラフの横軸に平行な２本の直線は各基準値を示す。上側の直線は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度の基準値を示し、下側の直線は、ＵＶ−Ａ領域積算光量の基準値を示す。

実験３では、８個のサンプルを用意した。８個のサンプルにおいて、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和は、それぞれ、１．３３μｍｏｌ／ｃｃ、２．１６μｍｏｌ／ｃｃ、４．７２μｍｏｌ／ｃｃ、８．９９μｍｏｌ／ｃｃ、１１．６μｍｏｌ／ｃｃ、１５．８μｍｏｌ／ｃｃ、２０．１１μｍｏｌ／ｃｃ、２４．１１μｍｏｌ／ｃｃ、である。これについて説明する。特許文献５（特開２０１５−１９１７４３号公報）には、ヨウ化コバルトの封入密度は４〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃが好ましいと記載されている。但し、特許文献５に記載された実験では、直管型（図３）の放電管を用い、発光物質として亜鉛、ヨウ化コバルト、及び、コバルト単体を用いるが水銀を用いない。本願の発明者が行った予備的実験（特願２０１５−１３４９５６号）によると、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和を９．００〜１０．００μｍｏｌ／ｃｃとすると、ヨウ化鉄の封入密度に対するヨウ化コバルトの封入密度の比は、０．９７〜９３．６０が好ましいことが判っている。そこで実験３では、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和を上述の値に設定した。

実験３では、実験２と同様に、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を１６．３５μｍｏｌ／ｃｃとし、水銀（Ｈｇ）の封入密度を５．７４μｍｏｌ／ｃｃとした。これは、実験１（図４）及び実験２（図５）の結果に基づくものである。

図７の実験３の結果から次のことが判る。ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和が３．０μｍｏｌ／ｃｃ以下のとき、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度とＵＶ−Ａ領域積算光量は共に小さな値となる。一方、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和が２０．０μｍｏｌ／ｃｃ以上では、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度とＵＶ−Ａ領域積算光量は共に減少する。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度が、基準値（２５００ｍＷ／ｃｍ^２）以上となり、且つ、ＵＶ−Ａ領域積算光量が、基準値（５００ｍＪ／ｃｍ^２）以上となるのは、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和が３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである。従って、本実施形態によると、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである。

本願の発明者が行った予備的実験（特願２０１５−１３４９５６号）によると、ニッケルの封入密度は、１２．０〜６８．０μｍｏｌ／ｃｃが好ましいことが判っている。但し、この予備的実験では、直管型（図３）の放電管を用い、発光物質としてヨウ化鉄、ヨウ化コバルト、亜鉛、及び、ニッケルを用いるが水銀を用いない。そこで、ニッケルの封入密度を上述の値とした。

また、ニッケルの封入密度が６８．０μｍｏｌ／ｃｃを超えて増加すると、ＵＶ−Ａ領域積算光量は減少する傾向がある。これは、蒸発しないニッケルが、ランプの内壁に積層し、それによって遮光されるため、ＵＶ−Ａ領域積算光量が減少すると考えられる。

実験１〜３の結果に基づいて、本願の発明者は、実施例１〜４を試作した。実施例１〜４の発光物質を表３に示す。実施例１、２、４では図４に示した無電極ランプを用いたが、実施例３では、図３に示した直管型の無電極ランプを用いた。実施例３の放電容器１２Ａの外径はＤｎ＝１１ｍｍ、肉厚は１ｍｍ、内径は９ｍｍ、内容積は８．５４ｃｃであった。表４は従来例の発光物質を示す。

図８を参照して、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率を説明する。表３の実施例１と表４の従来例を用いてランプの紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度を計測した。図８において、横軸は、点灯時間（単位：時間）、縦軸は、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率（単位：％）である。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率は点灯直後における紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度を１００％とし、所定の時間経過後の紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度を百分率で表したものである。実線のグラフは、実施例１の紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率を表し、破線のグラフは、従来例の紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率を表す。図示のように、実施例１では、点灯時間が３０００時間となった時点で、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率は８２％であった。従来例では、点灯時間が５０９時間となった時点で、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率は７９％であった。従って、実施例１の場合、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度維持率が改善されている。

図９は、表３の実施例１〜４と表４の従来例を用いた点灯試験の結果であるＵＶ−Ａ領域の紫外線の分光スペクトルを示す。横軸は波長（単位：ｎｍ）、縦軸はＵＶ−Ａ領域の分光放射強度（単位：μＷ／ｃｍ^２／ｎｍ）である。点線のグラフは従来例、実線のグラフは実施例１、短破線のグラフは実施例２、長破線のグラフは実施例３、一点鎖線のグラフは実施例４をそれぞれ表す。特許文献４（特開２０１５−８２３６９号公報）に記載されているように、波長３６５〜３６６ｎｍ付近の発光は水銀（Ｈｇ）に起因し、波長３５８ｎｍ、３７５ｎｍ、３８３ｎｍ付近の発光は鉄（Ｆｅ）に起因する。タリウムに起因した発光は波長３５２ｎｍ付近の現れることが知られている。今回、発光物質として、ニッケル及びコバルトを封入することにより、波長３４０〜３６０ｎｍ付近の発光強度を向上させている。

先ず、水銀（Ｈｇ）について検討する。表３に示すように、実施例１〜４の水銀の封入密度は略同等である。従って、実施例１〜４のグラフにおいて、波長３６５〜３６６ｎｍ付近の水銀に起因した発光強度は略同等である。一方、従来例の水銀の封入密度は、実施例１〜４の水銀の封入密度の約３倍である。波長３６５〜３６６ｎｍ付近の水銀に起因した発光強度について、従来例と実施例１〜４を比較すると、従来例の発光強度は実施例１〜４の発光強度の約２倍である。

次に、鉄（Ｆｅ）について検討する。表３に示すように、実施例２〜４のヨウ化鉄の封入密度は略同等である。実施例１のヨウ化鉄の封入密度は、それより小さい。従って、実施例１〜４のグラフにおいて、波長３５８ｎｍ、３７５ｎｍ、３８３ｎｍ付近の鉄に起因した発光強度は略同等である。一方、従来例の鉄の封入密度は、実施例１〜４の鉄の封入密度より十分に大きい。波長３５８ｎｍ、３７５ｎｍ、３８３ｎｍ付近の鉄に起因した発光強度について、従来例と実施例１〜４を比較すると、従来例の発光強度は実施例１〜４の発光強度より大きい。実施例１〜４の発光スペクトルと従来例の発光スペクトルを比較すると、従来例の発光スペクトルのほうが変動の幅が大きい。

次に、ニッケル（Ｎｉ）について検討する。表３に示すように実施例１〜４において、ニッケルの封入密度を変化させた。ニッケルの封入密度は、０〜１６．３５μｍｏｌ／ｃｃである。実施例４では、ニッケルの封入密度はゼロである。上述のようにニッケルを添加することにより、ＵＶ−Ａ領域の発光強度が向上することが期待される。ニッケルの添加の影響を調べるには、実施例２又は３と実施例４を比較すればよい。その理由は、実施例２又は３と実施例４では、ニッケルの添加の有無が異なるが、他の発光物質の封入密度は略同一だからである。そこで、実施例３と実施例４を比較する。図９の長破線のグラフは実施例３を表し、一点鎖線のグラフは実施例４を表す。両者は、波長３３６〜３４０ｎｍの領域を除いて、略同一である。従って、本実施例のニッケルの封入密度の範囲では、ニッケルの添加が発光強度に与える影響は少ないと言える。

次に、コバルト（Ｃｏ）について検討する。表３に示すように、実施例２〜４のヨウ化コバルトの封入密度は略同等である。実施例１のヨウ化コバルトの封入密度は、それより小さい。実施例１と実施例２〜４では、ニッケルの封入密度が異なるが、この実験結果から、本実施例のコバルトの封入密度の範囲では、コバルトの添加が発光強度に与える影響は少ないと言える。

以下に本願の発明者が行った実験から得た知見及び本発明の実施の形態を纏める。
（１）本願の発明者が行った実験では、発光物質として、水銀（Ｈｇ）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）及びニッケル（Ｎｉ）単体を添加した。実験１の結果から、本発明の実施の形態によると、水銀封入密度は３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃである。実験２の結果から、より好ましくは、水銀封入密度は５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである。
（２）放電容器として実施例３のような直管型を用いてもよいが、好ましくは、実施例１、２、４のような中央の低温領域（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。
（３）実験１の結果と実験２の結果から、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を増加させると、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量が共に基準値以上となる場合の水銀封入密度の範囲が狭くなるが、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値が高くなることが判った。
（４）実験３の結果から、本実施形態によると、ヨウ化コバルトの封入密度とヨウ化鉄の封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである。
（５）実験３の結果を考慮に入れて、実験１の結果と実験２の結果を検討すると次のことが判る。紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量が共に基準値以上となる場合の水銀封入密度の範囲を広くしたい場合には、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）、ヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）、及び、ニッケル（Ｎｉ）の封入密度を増加させる必要はない。一方、紫外線（ＵＶ−Ａ）発光強度及びＵＶ−Ａ領域積算光量の最高値を高くしたい場合には、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ_２）とヨウ化鉄（ＦｅＩ_２）の封入密度の最適値を選択すればよい。

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。

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。

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、１
２Ｂ…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、１２３…端部、１３１…腹、１３２…節

Claims (6)

1. 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、
   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、水銀、ヨウ化鉄、ヨウ化コバルト、及び、ニッケルを含み、
   前記水銀の封入密度は３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、
   前記ヨウ化鉄の封入密度と前記ヨウ化コバルトの封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである、マイクロ波無電極ランプ。
2. 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それぞれ配置され該縮径中央部の外径より大きい外径を有する円筒部と、前記縮径中央部の両側と前記円筒部をそれぞれ接続するテーパ部と、を有する、マイクロ波無電極ランプ。
3. 請求項１記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
   前記水銀の封入密度は５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである、マイクロ波無電極ランプ。
4. 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希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、水銀、ヨウ化鉄、ヨウ化コバルト、及び、ニッケルを含み、
   前記水銀の封入密度は３．０〜１４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、
   前記ヨウ化鉄の封入密度と前記ヨウ化コバルトの封入密度の和は３．０〜２０．０μｍｏｌ／ｃｃである、光照射装置。
5. 請求項４記載の光照射装置において、
   前記放電容器は、縮径中央部と、該縮径中央部の両側にそれぞれ配置され該縮径中央部の外径より大きい外径を有する円筒部と、前記縮径中央部の両側と前記円筒部をそれぞれ接続するテーパ部と、を有する、光照射装置。
6. 請求項４記載の光照射装置において、
   前記水銀の封入密度は５．０〜９．０μｍｏｌ／ｃｃである、光照射装置。