JP7369352B2

JP7369352B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP7369352B2
Application number: JP2020012142A
Authority: JP
Inventors: 一輝山田; 弘喜日野; 拓也原
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: JP2021118137A

Description

本発明の実施形態は、メタルハライドランプに関する。

紫外線を放出する光源として、例えば、印刷工程における紫外線硬化インクの硬化や、液晶製造工程での封止用接着剤の硬化等に放電ランプが用いられている。紫外線を放出する放電ランプには、水銀の他に、例えば、鉄、スズ、タリウム、マグネシウム、ビスマス等の発光金属とハロゲン物質の混合物であるメタルハライドを封入した、メタルハライドランプが開示されている。

メタルハライドランプを製造しているときに、電極を支えながら石英ガラスを封止（加熱形成）すると、電極の自重により所望とする位置からずれる、いわゆる偏心が発生してしまうため、電極を支えながら封止することは難しい。特許文献１～３には、メタルハライドランプに設けられる電極の支持を目的として、電極保持材としてガラス筒体を電極の外周に設けることで、発光管の両端に、ガラス筒体を介して電極を封止することが開示されている。

特開２０１６－１２６８７３号公報特開２０１２－１６０３３０号公報特開平１０－１６２７７４号公報

メタルハライドランプは、点灯と消灯を繰り返す、いわゆる点滅点灯が行われる場合がある。メタルハライドランプが点灯することで発光管は昇温し、メタルハライドランプが消灯することで発光管は降温する。点滅点灯により、発光管に用いられている電極、ガラス筒体などのランプ構成部材の温度も昇温や降温を繰り返すこととなる。特に、メタルハライドランプの消灯時には、封止部に設けられた電極とガラス筒体の間に、線膨張係数の差により、ガラス筒体よりも電極の方が早く収縮するため、ガラス筒体と電極との間に隙間が発生する。隙間が発生すると、メタルハライドランプに封入された発光金属、具体的にはハロゲン化金属が隙間を通り、温度の低い封止部へ移動し凝固する。ハロゲン化金属が封止部へ移動した状態でメタルハライドランプを点灯すると、封止部の温度はハロゲン化金属の蒸発温度まで上昇しない。このため、放電空間内に存在するハロゲン化金属の量は点滅を繰り返す毎に放電空間から封止部へ移動するため、放電空間内のハロゲン化金属は減少する。また、隙間は、ランプ点灯時に熱膨張により電極とガラス筒体との隙間が略塞がるものの完全に密閉されておらず、発光部と封止部の温度差が大きくなると、点滅点灯時同様、温度の高い発光部から温度の低い封止部へハロゲン化金属が移動してしまう。結果、ハロゲン化金属が放電空間から減少することにより所望とする紫外線の発光強度が早期に低下してしまうことがあった。

また、発光管温度よりも封止部温度を上昇させることで、点灯・消灯時のハロゲン化金属の移動を抑制することができるが、封止部温度を上昇させすぎると、電極溶接箇所の酸化や封止管の溶融等の不具合が発生し、不点灯に至ることがあった。

本発明が解決しようとする課題は、発光金属の封止部への進入を抑制するメタルハライドランプを提供することである。

本発明の実施形態によれば、メタルハライドランプは、発光管と、電極と、ガラス筒体とを有する。発光管は、放電空間および放電空間の両端に形成され放電空間を封止する封止部を有し、放電空間に水銀、希ガス、発光金属およびハロゲンが封入される。電極は、一端側が放電空間に突出して埋設され、他端側が封止部に埋設される電極軸を有する。ガラス筒体は、電極軸の外部を包囲して設けられる。電極軸の全長をＬ［ｍｍ］、電極軸の外径をＲ［ｍｍ］としたとき、６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０、１５．０［ｍｍ］≦Ｌ［ｍｍ］≦３０．０［ｍｍ］、２．０［ｍｍ］≦Ｒ［ｍｍ］≦３．０［ｍｍ］の関係を満たす。

本発明の実施形態によれば、発光金属の封止部への進入を抑制するメタルハライドランプを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係るメタルハライドランプ１を例示する模式図である。図２は、第１の実施形態に係るメタルハライドランプ１の封止部２０の拡大図である。図３は、第１の実施形態に係るメタルハライドランプ１において、電極２０の電極軸外径Ｒと電極軸長Ｌを変化させて試験を行った結果を示す図である。図４は、実施例１と比較例１のメタルハライドランプ１の照度維持率を示す図である。

以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１は、発光管１０と、電極２０と、ガラス筒体４０とを有する。発光管１０は、放電空間１２および放電空間１２の両端に
形成され放電空間１２を封止する封止部１４を有し、放電空間１２に水銀、希ガス、発光金属１６およびハロゲンが封入される。電極２０は、一端側が放電空間１２に突出して設けられ、他端側が封止部１４に埋設される電極軸２２を有する。ガラス筒体４０は、電極軸２２の外部を包囲して設けられる。メタルハライドランプ１は、電極軸２２の全長をＬ［ｍｍ］、外径をＲ［ｍｍ］としたとき、６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０、１５．０［ｍｍ］≦Ｌ［ｍｍ］≦３０．０［ｍｍ］、２．０［ｍｍ］≦Ｒ［ｍｍ］≦３．０［ｍｍ］の関係を満たす。

本実施形態によれば、発光金属１６の封止部１４への進入を抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１において、封止部１４、１４の外表面温度をｔ_１［℃］、発光管１０の外表面温度をｔ_２［℃］とするとき、｜ｔ_２－ｔ_１｜≦２５０［℃］の関係を満たす。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１において、電極２０は放電空間１２側の電極軸２２にコイル２４を有し、ガラス筒体４０は封止部１４に埋設され、電極軸２２の他端側に設けられ、コイル２４およびガラス筒体４０は離間して設けられる。
本実施形態によれば、メタルハライドランプ１の点灯時にガラス筒体４０の溶融を抑制することができる。

また、以下で説明する実施形態に係るメタルハライドランプ１において、発光金属１６は、鉄と、少なくともスズまたはタリウムのいずれかを含む。

また、以下で説明する実施形態に係る紫外線照射装置は、メタルハライドランプ１が搭載される。

本実施形態によれば、発光金属１６の封止部１４への進入を抑制することができるメタルハライドランプ１を搭載した紫外線照射装置を得ることができる。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るメタルハライドランプについて、図１を用いて説明する。図１は、メタルハライドランプ１を例示している。

図１に示したように、本実施形態に係るメタルハライドランプ１は、発光管１０と、一対の電極、２０、２０とを有する。メタルハライドランプ１の全長は、１２２６［ｍｍ］である。

発光管１０は、直管状に形成され、内部に放電空間１２を有する。また、発光管１０の両端には封止部１４、１４が形成されることで、放電空間１２を気密に保つ。発光管１０は、紫外線を透過する材料で構成されており、例えば石英ガラスで構成される。発光管１０は、外径φが２６．１［ｍｍ］である。なお、図１に示すように、発光管１には封止部１４、電極２０が一対あるが、両方とも構成が同一であることから、以降説明は一方のみ行い、他方について省略する。

放電空間１２には、封止部１４の外部より電力が印加されることで、放電空間１２内に対向して設けられる一対の電極２０－２０間でアーク放電が生起されて発光する。放電空間１２は、例えば内径φが２２．５［ｍｍ］、発光長（一対の電極２０－２０間の距離）が１０８４［ｍｍ］で構成される。

封止部１４は、放電空間１２の両端に形成される。封止部１４は、発光管１０と同じ石英ガラスで構成される。封止部１４は、電極２０を所望の位置に設けた後に、不図示の減圧手段により放電空間１２を減圧したあとで不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して成形する、いわゆるシュリンクシールにより形成される。なお、封止部１４には、発光管１０と異なる石英ガラスなどで構成されても良い。また、封止部１４は、不図示のガスバーナーなどの溶融手段により溶融して、不図示のピンチャーなどの成形手段によりピンチして封止する、いわゆるピンチシールにより形成されてもよい。

放電空間１２には、発光金属として水銀を含むハロゲン化金属１６および不図示の希ガスが封入される。ハロゲン化金属１６は、放電空間１２内でアーク放電が生起されることにより蒸発して発光に寄与する。ハロゲン化金属１６は、水銀および金属ハロゲン化物の混合物として、一部が放電空間１２中に凝集し、残りが蒸気として放電空間１２中に存在する。ハロゲン化金属１６は、水銀および金属ハロゲン化物を含む。ハロゲン化金属１６は、水銀に加えて、例えば鉄、ヨウ化タリウム、ヨウ化水銀、臭化水銀が封入される。なお、ハロゲン化金属１６は上記に限定されず、上記以外の金属ハロゲン化物を含んでいてもよい。また、発光金属はハロゲン化金属に限定されず、金属単体が封入されていてもよい。

希ガスは、放電空間１２内でアーク放電が生起されることにより発光に寄与する。希ガスは、例えばキセノンが封入される。なお、希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンなどのいずれか一種、または二種以上の混合ガスでよい。

封止部１４には、一端側が放電空間１２に突出して設けられ、他端側が封止部１４に埋設される電極軸２２を有する電極２０を有する。電極２０の詳細については後述する。

保温膜３０は、発光管１０の電極２０が設けられる外表面から封止部１４に亘って設けられる。保温膜３０は、発光管１０の電極２０が設けられる近傍や封止部１４の温度低下を抑制してハロゲン化金属１６の封止部１４への移動を抑制することで、ハロゲン化金属１６が発光に寄与することを補助する。保温膜３０は、例えば、ボンド・エックス（登録商標）で構成される。

リード線５０は、一端が後述するアウターリード２８と接続され、他端に後述する端子６０が設けられる。リード線５０は、芯線５２を被覆５４で覆うことで形成される。芯線５２は、スズめっき軟銅線を撚って形成した、撚り線である。

端子６０は、リード線５０の他端に設けられ、不図示の紫外線照射装置に設けられた端子台を介して、不図示の点灯回路と接続される。端子６０は、銅により構成される。

口金７０は、封止部１４の放電空間１２と対向する側に設けられる。口金７０は、後述するアウターリード２８とリード線５０との接続部分が外部に露出しないように、アウターリード２８とリード線５０とを覆う。口金７０は、ステアタイトにより構成される。

このようにして設けられたメタルハライドランプ１は、不図示の紫外線照射装置に取り付けられ、不図示の点灯回路から、メタルハライドランプ１に電力が供給されることで、紫外線が放出される。

ここで、電極２０の構成について、図２を用いて更に詳しく説明する。図２は、電極２０近傍の拡大模式図である。なお、図２では、保温膜３０を省略している。

封止部１４の内部には、電極２０として電極軸２２、コイル２４、金属箔２６、アウターリード２８、ガラス筒体４０が埋設されている。

電極軸２２は、放電空間１２に電力を印加する。電極軸２２は、一端側が放電空間１２に突出して設けられ、他端側が封止部１４に埋設される。電極軸２２の放電空間１２側に突出した一端側にはコイル２４が設けられる。電極軸２２の放電空間１２の反対側である他端側は金属箔２６と接続される。電極軸２２は、例えば、主な材料としてタングステンを含む。また、電極軸２２は、メタルハライドランプ１の点灯中に、電極軸２２の主な材料として構成されるタングステンの再結晶化による電極軸２２の強度低下を抑制するため、微量の金属を含んだ、いわゆるドープタングステンにより構成される。なお、電極軸２２には、例えば、電子放射性を良くするため、例えば酸化トリウムを含むトリエーテッドタングステンで構成されても良い。電極軸２２は、他端側が平坦となるように加工されている。

コイル２４は、電極軸２２の一端側に設けられ、放電中の電極軸２２から温度を放射することで、電極先端を除く電極軸２２の温度上昇を抑制する。コイル２４は、一端が電極軸２２の一端側、すなわち、放電空間１２側に設けられ、他端が電極軸２２の他端側に設けられる。コイル２４は、電極軸２２の電極先端側に、例えばコイル２４を構成する線材１本を二重に巻回することにより設けられる、いわゆる二重巻構造である。コイル２４は、例えばドープタングステンにより構成される。

金属箔２６は、封止部１４に埋設されて封止されることにより、発光管１０を気密に保つ。金属箔２６は、一端が電極軸２２の他端と溶接され、他端が後述するアウターリード２８の一端と溶接され、封止部１４に埋設して設けられる。金属箔２６は、例えばモリブデンにより構成される。なお、金属箔２６が複数枚設けられる場合は、複数の金属箔２６の間に、絶縁部材として不図示のセパレータガラスが設けられてもよい。

アウターリード２８は、一部が封止部１４に埋設され、他端がリード線５０と接続され、発光管１０の内部と外部とが電気的に接続される。アウターリード２８は、例えば、モリブデンにより構成される。アウターリード２８は、直径φが２．０［ｍｍ］の棒状体である。

ガラス筒体４０は、電極２２の他端側の外周に、封止部１４に埋設されて設けられる。ガラス筒体４０は、メタルハライドランプ１を製作するときに、電極２０、２０を発光管１０の長手方向に直交する断面において略中央に設けるために設ける。ガラス筒体４０は、石英ガラスにより構成される。ガラス筒体４０は、放電空間１２側の端部が発光管１０の放電空間１２を構成する面と略等しい位置に設けられることが望ましいが、ガラス筒体４０の放電空間１２側の端部が放電空間１２側に突出して設けられてもよいし、ガラス筒体４０放電空間１２側の端部が放電空間１２から離間する側に埋没して設けられてもよい。

なお、ガラス筒体４０は、コイル２４と離間して設けられることが望ましい。コイル２４とガラス筒体４０とが接触して設けられると、ランプ点灯時に昇温するコイル２４の熱によりガラス筒体４０が溶融することがあり、好ましくない。このため、コイル２４とガラス筒体４０とは離間して設けられることが望ましい。

ここで、電極軸２２について、更に詳しく説明する。

本実施形態において、電極軸２２は、全長Ｌ［ｍｍ］が３０［ｍｍ］、外径Ｒ［ｍｍ］が２．５［ｍｍ］であり、Ｌ／Ｒ＝１２．０である。このような構成とすることで、ハロゲン化金属の封止部への進入を抑制することが判明した。また、発明者の種々の検討により、６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０の範囲であればハロゲン化金属の封止部への進入を抑制することが判明した。特に、６．７≦Ｌ／Ｒ≦１２．０の範囲であれば、ハロゲン化金属の封止部への進入をより抑制することが判明した。

ここで、メタルハライドランプ１において、電極軸２２の全長Ｌ［ｍｍ］との外径Ｒ［ｍｍ］とを変化させて４０００［時間］後の点灯判定、照度判定を行った。具体的には、電極軸２２の全長Ｌと外径Ｒとを変更したメタルハライドランプ１を制作し、不図示の点灯回路から、メタルハライドランプ１に電力を供給して４０００時間連続点灯を行い、４０００時間後にメタルハライドランプ１が点灯しているか否か確認した。また、連続点灯４０００時間後にメタルハライドランプ１が点灯している場合は、連続点灯開始直後（０［時間］）の３６５［ｎｍ］照度値を１００［％］として、５００［時間］、１０００［時間］、２０００［時間］、３０００［時間］、４０００［時間］点灯後の３６５［ｎｍ］照度値を、連続点灯開始直後の３６５［ｎｍ］照度値で規格化した照度維持率［％］を求めた。３６５［ｎｍ］照度は、照度計：ＵＶ－Ｍ０３Ａ（オーク製作所製）、センサ：ＵＶ－ＳＤ３５（オーク製作所製）を用いて、メタルハライドランプ１の発光管１０の表面から１［ｍ］離間した位置で測定した。評価条件は以下のとおりである。

本実施形態のメタルハライドランプ１（実施例１）：内径＝２２．５［ｍｍ］、放電空間１２の長さ＝１０８４［ｍｍ］、メタルハライドランプ１の全長＝１２２６［ｍｍ］、ランプ電圧＝６４０［Ｖ］、ランプ電流＝２６［Ａ］。電極２０：電極軸２２＝トリアを含有したタングステン（トリエーテッドタングスステン）、電極軸の全長Ｌ＝３０．０［ｍｍ］、電極軸の外径Ｒ＝φ２．５［ｍｍ］、コイル２４：ドープタングステン、線径φ０．６［ｍｍ］を電極軸２２の電極先端２２ａ側に、外径φ３．２［ｍｍ］となるように巻き付けた。
ガラス筒体４０：外径φ６．０［ｍｍ］－内径φ３．３［ｍｍ］、全長１４．５［ｍｍ］。
比較例１：電極軸２２の全長Ｌ＝４２．０［ｍｍ］、電極軸２２の外径Ｒ＝φ３．０［ｍｍ］。
評価項目：４０００時間点灯後のメタルハライドランプ１が点灯するか否か（点灯判断）、４０００時間点灯後の照度維持率［％］が７０［％］以上であるか否か（照度判定）。

評価結果を図３に示す。なお、図３で、「点灯判定」が〇のものは４０００時間連続点灯後にメタルハライドランプ１が点灯可能であること、×のものは４０００時間連続点灯後にメタルハライドランプ１が点灯不可能であることを示す。また、図３で、「照度判定」が〇のものは４０００時間連続点灯後にメタルハライドランプ１の照度維持率が７０［％］以上であること、×のものは４０００時間連続点灯後にメタルハライドランプ１の照度維持率が７０［％］以上であること、－は４０００時間連続点灯後にメタルハライドランプ１が点灯できないため評価できなかったことを示す。図３から明らかであるとおり、６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０とすることで、４０００時間連続点灯後もメタルハライドランプ１が点灯でき、照度維持率が７０［％］以上であることが判明した。

ここで、電極軸長Ｌと電極軸径Ｒとの関係が６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０の関係式を満たすことが好ましい理由について検証を行った。具体的には、メタルハライド１を点灯させて２０分後に、封止部１４の外表面温度ｔ_１［℃］と発光管１０の外表面温度ｔ_２［℃］の測定を行い、ｔ_２とｔ_１の差の絶対値、すなわち、｜ｔ_２－ｔ_１｜［℃］を求めた。なお、封止部１４の外表面温度ｔ_１は、封止部１４の電極軸２２と金属箔２４の接合箇所近傍の外表面に設けた測定箇所に、Ｋ熱電対を取り付けて、データロガーＧＬ－２２０（グラフテック製）を用いて測定した。同様に、発光管１０の外表面温度ｔ_２は、発光管１０の長手方向略中央部の外表面に、Ｋ熱電対を取り付けて、データロガーＧＬ－２２０（グラフテック製）を用いて測定した。測定したｔ_１、ｔ_２により、ｔ_２とｔ_１の差の絶対値、すなわち、｜ｔ_２－ｔ_１｜を求めた。

Ｌ、Ｒ、Ｌ／Ｒを変化させたときのｔ_１、ｔ_２、｜ｔ_２－ｔ_１｜の測定結果を図３に示す。図３から明らかであるとおり、電極軸長Ｌと電極軸径Ｒとの関係が６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０の関係式を満たすことで、｜ｔ_２－ｔ_１｜≦２５０の関係を満たすことが判明した。｜ｔ_２－ｔ_１｜≦２５０［℃］を満たすことで、発光管１０と封止部１４の温度差を抑制する、すなわち、封止部１４の温度を上げることで、ハロゲン化金属の封止部１４への進入が抑制され、放電空間１２に封入したハロゲン化金属の枯渇が抑制されることから、４０００時間連続点灯後もメタルハライドランプを点灯させることが可能となり、３６５［ｎｍ］照度の低下を抑制することができる。特に、｜ｔ_２－ｔ_１｜≦１５０［℃］とすることで、発光管１０と封止部１４の温度差をより抑制することができ、ハロゲン化金属１６の封止部１４への進入がより抑制される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…メタルハライドランプ、
１０…発光管、
１２…放電空間、
１４…封止部、
１６…発光金属、
２０…電極、
２２…電極軸、
２４…コイル、
２６…金属箔、
２８…アウターリード、
３０…保温膜、
４０…ガラス筒体、
５０…リード線、
５２…芯線、
５４…被覆、
６０…端子、
７０…口金。

Claims

放電空間および前記放電空間の両端に形成され前記放電空間を封止する封止部を有し、前記放電空間に水銀、希ガス、発光金属が封入される発光管と；
一端側が前記放電空間に突出して設けられ、他端側が前記封止部に埋設される電極軸を有する電極と；
前記電極軸の外部を包囲して設けられるガラス筒体と；
を有し、
前記電極軸の全長をＬ［ｍｍ］、外径をＲ［ｍｍ］としたとき、以下の関係を満たすメタルハライドランプ。
６．０≦Ｌ／Ｒ≦１２．０
１５．０［ｍｍ］≦Ｌ［ｍｍ］≦３０．０［ｍｍ］
２．０［ｍｍ］≦Ｒ［ｍｍ］≦３．０［ｍｍ］
前記封止部の外表面温度をｔ_１［℃］、前記発光管の外表面温度をｔ_２［℃］とするとき、｜ｔ_２－ｔ_１｜≦２５０［℃］の関係を満たす請求項１に記載のメタルハライドランプ。
前記電極は放電空間側の前記電極軸にコイルを有し、前記ガラス筒体は前記封止部に埋設され、前記電極軸の前記他端側に設けられ、前記コイルおよび前記ガラス筒体は離間して設けられる請求項１または２に記載のメタルハライドランプ。
前記発光金属は、鉄と、少なくともスズまたはタリウムのいずれかを含む請求項１～３のいずれか一項に記載のメタルハライドランプ。
請求項１～４のいずれか一項に記載のメタルハライドランプが搭載される紫外線照射装置。