(57)【要約】【課題】本発明は、ランプの放電容器の端部の損耗、更には損耗箇所からリークの発生を抑制した新規な無電極放電ランプを提供することを目的とする。【解決手段】この無電極放電ランプは、マイクロ波エネルギーを受けて発光する、水銀を含まないマイクロ波無電極ランプであって、希ガス及び発光物質を封入した直管型の放電容器を備え、前記直管型の放電容器の両端部は角形形状であり、前記直管型の放電容器の全長の側面部に排気管の溶断痕が位置している。【選択図】図３Ａ
2020140919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波エネルギーを受けて発光する、水銀を含まないマイクロ波無電極ランプにおいて、
希ガス及び発光物質を封入した直管型の放電容器を備え、
前記直管型の放電容器の両端部は角形形状であり、
前記直管型の放電容器の側面部に排気管の溶断痕が位置している、マイクロ波無電極ランプ。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記直管型の放電容器は、全長の中央部分が、他の部分と比較して縮径している、マイクロ波無電極ランプ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記放電容器は、合成石英ガラスから形成されている、マイクロ波無電極ランプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記発光物質は、少なくとも、鉄族元素又はそのハロゲン化物と、亜鉛又はヨウ化亜鉛とを含んでいる、マイクロ波無電極ランプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、塗料、樹脂等の硬化処理のために、波長315〜400 nm（以下、「ＵＶ−Ａ領域」という。）の紫外線の需要が高くなっている。ＵＶ−Ａ領域の紫外線を効果的に発生するランプとして、マイクロ波無電極ランプが好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平3−37277「マイクロ波無電極光源装置」（公告：1991.06.05）出願人：フュージョン・システムズ・コーポラーション
【特許文献２】特許第3496033号「無電極ランプおよび無電極放電ランプ発光装置」（発行日：2004.02.09）特許権者：ウシオ電機株式会社，新日本無線株式会社
【特許文献３】特許第4901041号「紫外線を生成する装置及び方法」（発行日：2012.03.21）特許権者：ノードソン  コーポレーション
【特許文献４】特開2016-173965「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」（公開日：2016.09.29）出願人：岩崎電気株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、マイクロ波無電極ランプでは、発光物質として水銀が用いられていた。しかし、近年、水銀は環境負荷物質であるため、ランプの無水銀化の要請がある。マイクロ波無電極ランプを無水銀化することによって生じる問題点として、ランプ照度の低下、ランプ始動性の悪化等が挙げられている。
【０００５】
ランプ照度低下の問題に関して、本出願人は、放電容器の照度を更に高くすることを検討した。放電容器内の添加物として、少なくとも、鉄族元素単体若しくは鉄族元素のヨウ化物と、亜鉛若しくはヨウ化亜鉛とを封入することにより、ＵＶ−Ａ領域において比較的高い照度が得られることを発見し、これに基づき完成した無電極放電ランプの発明に関して、次の特許出願を行っている。
特開2016-035880「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」
特開2016-076452「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」
特開2016-173965（前掲特許文献４）
特開2017-103192「マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置」
特開2017-16966「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」
【０００６】
引き続き、本出願人は、比較的高い照度のランプの研究・開発を行っている。この研究・開発の過程において、ランプの一部に放電容器の端部が損耗したり、更には損耗箇所からリークが発生する問題が見つかった。
【０００７】
そこで、本発明は、ランプの放電容器の端部の損耗、更には損耗箇所からリークの発生を抑制した新規な無電極放電ランプを提供することを目的とする。
更に、本発明は、ランプの放電容器端部の損耗、更には損耗箇所からリークの発生を抑制した無電極放電ランプを使用した光照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的に鑑みて、本発明に係るマイクロ波無電極ランプは、一面に於いて，マイクロ波エネルギーを受けて発光する、水銀を含まないマイクロ波無電極ランプであって、希ガス及び発光物質を封入した直管型の放電容器を備え、前記直管型の放電容器の両端部は角形形状であり、前記直管型の放電容器の側面部に排気管の溶断痕が位置している。
【０００９】
更に、上記マイクロ波無電極ランプでは、前記直管型の放電容器は、全長の中央部分が、他の部分と比較して縮径していてもよい。
【００１０】
更に、上記マイクロ波無電極ランプでは、前記放電容器は、合成石英ガラスから形成されていてもよい。
【００１１】
更に、上記マイクロ波無電極ランプでは、前記発光物質は、少なくとも、鉄族元素又はそのハロゲン化物と、亜鉛又はヨウ化亜鉛とを含んでいてもよい。
【００１２】
更に、本発明に係る光照射装置は、上記マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ランプの放電容器端部の損耗、更には損耗箇所からリークの発生を抑制した新規な無電極放電ランプを提供することができる。
更に、本発明によれば、ランプの放電容器端部の損耗、更には損耗箇所からリークの発生を抑制した無電極放電ランプを使用した光照射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】図１Ａは、マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の概略斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す光照射装置の正面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１に示す光照射装置の筐体の前側内部の断面構造を説明する図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ａに示す光照射装置に使用されるマイクロ波無電極ランプを説明する図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来のマイクロ波無電極ランプの形状を説明する図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、点灯100時間経過後の図２Ａのランプの一方の端部を撮影したＸ線写真である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態に係るマイクロ波無電極ランプの形状を説明する図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、点灯183時間経過後の図３Ａのランプの端部を撮影したＸ線写真である。
【図４】図４は、第２実施形態に係るマイクロ波無電極ランプの形状を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係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の実施形態に関し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。
【００１６】
［マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の概要］
（光照射装置）
最初に、本実施形態の理解を容易にするため、図１Ａ〜図１Ｄを参照しながら、マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の概要を説明する。図１Ａは、マイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の斜視図であり、図１Ｂは、この光照射装置の正面図である。以下の図面に於いて、相互の位置関係が明確になるように、光照射装置１０のランプ軸線方向にＸ軸、光照射装置１０からの発光方向にＺ軸、Ｘ−Ｚ面に垂直方向にＹ軸と規定して説明する。
【００１７】
光照射装置１０は、矩形の筐体４を有し、筐体４の後部にマイクロ波発振器３が内蔵されている。光照射装置１０は、無電極ランプ１２の軸線の周囲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。更に、光照射装置１０は、筐体４の上側に装着された冷却用送風ダクト６とを有する。
【００１８】
図１Ｃは、光照射装置１０の筐体４の前側内部の断面構成を示す。無電極ランプ１２は直管型で、好ましくはその中心軸が楕円面反射鏡１４の焦点に位置するように配置されている。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。
【００１９】
筐体４の後側に内蔵されたマイクロ波発振器３によって発生したマイクロ波は、マイクロ波空洞５に放射され、そこで定在波を形成する。この定在波によって、マイクロ波空洞５に配置された無電極ランプ１２の内部にプラズマが励起される。プラズマから放射される可視光線及び／又は紫外線は、照射光１８として、反射鏡１４で反射して又は直接に、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、被照射物（図示せず。）を照射する。
【００２０】
図１Ｄは、無電極ランプ１２の内部にプラズマが励起された状態を説明する図である。無電極ランプ１２が点灯されると、放電容器１２Ａの内部に、破線で示すように、３つのプラズマ領域１３が形成される。プラズマ領域１３では、腹１３１とその両側の節１３２を有するアークが形成される。アークの腹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）１２Ｆと呼ばれる。アークの節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）１２Ｅと呼ばれる。
【００２１】
無電極ランプ１２は、全体として円筒状であり、端部が湾曲形状（以下、「Ｒ形状」という。）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を夫々有する。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４ａ（図１Ｂ参照）に係合させることによって、無電極ランプ１２はマイクロ波空洞５の内部空間に保持される。
【００２２】
このランプ１２の仕様の概略は、次の通りである。
形状は、外径：12 mm、  内径：8 mm、  肉厚：2 mm、  発光長：230 mm、  石英材質：合成石英ガラス、  端部：Ｒ形状、である。
発光物質は、CoI2：2.49 μmol/cc、  FeI2：0.89 μmol/cc、  Ni：5.16 μmol/cc、  Zn：1.85 μmol/cc、である。
その他、Ar：5 Torrが充填されている。
【００２３】
（ランプ端部の損耗及び損耗箇所からのリーク）
本発明者等は、放電容器端部が損耗したり、更には損耗箇所からリークが発生したランプを解析した。図２Ａは、従来のマイクロ波無電極ランプ１２の形状を説明する図である。放電容器１２の一方の端部に排気管の溶断痕１５が残っている。この排気管の溶断痕１５は、製造時に、放電容器内を排気して真空にし、所定の発光物質を封入し、所定のガスを充填した後、排気管を溶断して封止した痕跡である。
【００２４】
図２Ｂは、点灯100時間経過後の図２Ａのランプの左端部を撮影したＸ線写真である。Ｘ線写真に示すように、排気管の溶断痕１５の付近に発光物質１６が蓄積し、一部放電容器を浸食していた。この端部には、排気管の溶断痕１５の付近に石英ガラス管内壁に侵食する損耗があり、リーク発生箇所であった。リーク現象は、排気管と放電容器の接続箇所が、狭い空間となってエネルギーが集中した為、比較的脆弱な湾曲形状の端部にあるため発生したものと思われる。
【００２５】
放電容器１２Ａの端部がＲ形状の場合、内径は直管部分の８mmから端部まで細くなっている。点灯時に放電アークが、端部の細く狭い空間１２Ｃに局所的に集中し、放電容器の損耗を早めたものと思われる。なお、本出願書類では、「端部がＲ形状」はランプ中心軸線断面図で見て、端部が、例えば、半円形、半楕円形等を含む湾曲形状であることをいう。
【００２６】
放電容器端部の損耗及びリークの発生箇所の解析結果から、次の結論を得た。
(1)Ｒ形状の放電アークが局所的に集中する為、放電容器端部の損耗が発生する。
(2)放電容器端部のリークは、排気管と放電容器の接続箇所（即ち、溶断痕の周囲）で発生する。
(3)これらの現象は、放電容器の端部がＲ形状の場合に発生すると推測される。
【００２７】
［第１実施形態］
（新規なランプ形状）
従来の光照射装置と比較して、本実施形態の光照射装置は、マイクロ波無電極ランプのみが新規なランプであると説明した。この新規なランプ１２−１の特徴は、次の通りである。
(1)放電容器の端部がＲ形状の場合には放電アークが端部に局所的に集中する。これを避けるため、端部を角形形状にした。
(2)リークは、排気管の溶断痕１５が残っている端部で発生する。これを避けるため、排気管の位置を放電容器の端部から側面部へ変更した。これに伴い、排気管と放電容器の接続箇所に狭い空間ができず、エネルギーが集中しすぎない為、リークの発生が抑制されることが期待された。
【００２８】
図３Ａは、第１実施形態に係るマイクロ波無電極ランプ１２−１の形状を説明する図である。放電容器端部の角形形状は、中央部分の外径を端部まで一定にした形状である。なお、本出願書類で、用語「角形形状」の意味する範囲は、放電容器内壁端部の曲率半径がR1.0mm以下であり、端部に局所的な狭い空間が形成されない限り、端部の丸みは含まれるものと承知されたい。
【００２９】
排気管の形成位置は、放電容器の側面部であれば、任意の箇所であってよい。側面部は、端部に比較して、局所的な狭い空間がないので、放電容器の損耗、リークの発生を抑制することができる。
【００３０】
この新規なランプの仕様の概略は、次の通りである。
形状は、外径：12 mm、  内径：8 mm、  肉厚：2 mm、  発光長：230 mm、  石英材質：合成石英ガラス、  端部：角形形状、  排気管：側面、である。
発光物質は、CoI2：2.49 μmol/cc、  FeI2：0.89 μmol/cc、  Ni：5.16 μmol/cc、  Zn：1.85 μmol/cc、である。
その他、Ar：5 Torrが充填されている。
【００３１】
（ランプの評価結果）
この新規なランプを使用して、図３Ｂは、点灯183時間経過後の図３Ａのランプの端部を撮影したＸ線写真である。図２Ｂと比較すると、図３Ｂに示す端部には、発光物質の残留・損耗の発生が無いことが分かる。
【００３２】
放電容器の端部形状を角形形状にした結果、内径は全体的に均一であり、端部の内表面が平面のため、局所的な狭い空間が無くなる。端部の内表面が平面のため、放電アークが局所的に集中する脆弱部分が無くなり、損耗・リークの発生が防止されたものと思われる。
【００３３】
このような新規なランプを使用する光照射装置は、光照射装置全体としても新規な装置と言える。
【００３４】
［第２実施形態］
本出願人は、比較的高い照度のランプの研究・開発を継続している。第１実施形態で説明した放電容器の端部の角形形状化、排気管の側面への移動に加えて、更にランプ照度を高めるための検討を行った。放電容器の形状に関し、両端部に比較して、中央部分の径を相対的に細くすることとした（以下、この形状を単に「縮径」という）。
【００３５】
図４Ａは、第２実施形態に係るマイクロ波無電極ランプ１２−２の形状を説明する図である。この新規なランプの仕様の概略は、次の通りである。
形状は、外径：12 mm、  内径：8 mm、  肉厚：2 mm、  発光長：230 mmである。素材は、石英材質：合成石英ガラスである。端部：角形形状、  排気管：側面でに形成されている。放電容器の中央部分は、縮径が有る（縮径長100mm（ランプ中心から左右50mm）/内径6mm）。
発光物質は、CoI2：2.48 μmol/cc、  FeI2：0.90 μmol/cc、  Co：1.88 μmol/cc、  Ni：6.61 μmol/cc、  Zn：1.87 μmol/cc、である。
その他、Ar：5 Torrが充填されている。
【００３６】
［第１及び第２実施形態の効果］
第１及び第２実施形態の効果に関しては、既に写真等を使用して説明した。更に、第１及び第２実施形態の放電容器の照度及びランプ寿命に関して、まとめて説明する。
【００３７】
表１は、第１及び第２実施形態のランプのＵＶ−Ａ領域の光量及び照度の測定結果を示している。ここでは、従来品を比較対象とした。
【００３８】
【表１】
2020140919.tif 000003
【００３９】
第１実施形態のサンプルは、従来品の放電容器端部を角形形状にし、更に排気管の溶断痕１５の位置を側面に移動させている。これらの変更を加えても、第１実施形態のサンプルは、従来品と比較して、ＵＶ−Ａ光量及びＵＶ−Ａ照度に関してほぼ同等レベルを維持している。
【００４０】
第２実施形態のサンプルでは、更に、放電容器の中央部分を縮径している。第２実施形態のサンプルは、第１実施形態のサンプルと比較して、ＵＶ−Ａ領域の光量及び照度が高くなっている。中央部分を縮径することにより、壁面負荷が上がり光量及び照度が上がることが実験で確認できた。
【００４１】
更に、第１及び第２実施形態のサンプルの寿命確認の実験を行った。その結果を表２に示す。ここでは、従来品を比較対象とした。
【００４２】
【表２】
2020140919.tif 000004
【００４３】
従来品であるＲ形状の放電容器の端部には排気管が付いており、接続部に局所的な放電負荷がかかり、短時間でリークに至った。しかし、第１及び第２実施形態のサンプルでは、放電容器端部を角形形状にしたため、放電負荷が点灯ごとに分散できる。更に、排気管を放電容器の側面に配置しているため、リークの発生を抑制できることが確認された。
【００４４】
その他、本実施形態の利点・効果として、次の事項が挙げられる。
(1)ＵＶ−Ａ照度のアップ
(i)放電容器に、少なくとも、鉄族元素単体若しくは鉄族元素のヨウ化物と、亜鉛若しくはヨウ化亜鉛とを封入した無水銀無電極ランプによって、鉄族元素の発光と亜鉛の発光がＵＶ−Ａ領域に存在し、ＵＶ−Ａ照度が増加する効果が得られた。
(ii)放電容器の中央部分を縮径することにより、放電容器の壁面負荷が上がり、ＵＶ−Ａ照度が増加する効果が得られた。
【００４５】
(2)長寿命化
(i)放電容器に合成石英ガラスを用いることにより、封入物が放電容器内部に侵入しにくくなり、放電容器の内表面の損耗が防止できた。
(ii)放電容器の両端部を従来のＲ形から角形形状へ変更したことにより、端部に過大な負荷がかかりにくくなり、リークが防止でき、更に排気管の位置を従来の端部から放電容器の側面に配置することにより、端部リークのリスクを回避することができる。
【００４６】
［その他］
以上、本発明に係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の実施形態について説明したが、これらは本発明を理解するための例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではない。当業者が容易に成し得る本実施形態に対する追加・削除・変更・改良は、本発明の範囲である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。
【符号の説明】
【００４７】
２：光出射口、  ３：マイクロ波発振器、  ４：筐体、  ４ａ：係合部、  ５：マイクロ波空洞、  ６：冷却用送風ダクト、  １０：光照射装置、  １２：マイクロ波無電極ランプ，ランプ，放電容器，無電極ランプ、  １２Ａ：放電容器、  １２Ｂ：突起部、  １２Ｃ：空間、  １２Ｅ：低温領域、  １２Ｆ：高温領域、  １３：プラズマ領域、  １４：楕円面反射鏡，反射鏡、  １５：溶断痕、  １６：導電性メッシュ，発光物質、  １８：照射光、  １３１：腹、  １３２：節、
【図１Ａ】
2020140919.tif 000005
【図１Ｂ】
2020140919.tif 000006
【図１Ｃ】
2020140919.tif 000007
【図１Ｄ】
2020140919.tif 000008
【図２Ａ】
2020140919.tif 000009
【図２Ｂ】
2020140919.tif 000010
【図３Ａ】
2020140919.tif 000011
【図３Ｂ】
2020140919.tif 000012
【図４】
2020140919.tif 000013