(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内に一対の電極が対向配置された紫外線を放射するロングアーク型放電ランプにおいて、
水銀（Ｈｇ）の封入量は０〜０．５ｍｇ／ｃｍ３であり、
少なくとも鉄（Ｆｅ）、タリウム（Ｔｌ）、ビスマス（Ｂｉ）のいずれか一種の金属が封入され、
ハロゲンが封入され、
水銀以外の封入金属の物質量をＭ（ｍｏｌ）、封入ハロゲンの物質量をＨ（ｍｏｌ）とするとき、Ｈ／Ｍが２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０の範囲であり、
照射用点灯モードと、待機用点灯モードの２つの点灯モードで点灯され、
該待機用点灯モードは、該照射用点灯モードよりも低い電力により点灯される点灯モードであり、
いずれかの点灯モードが交互に切り替えられて点灯されることを特徴とするロングアーク型放電ランプ。
【請求項２】
請求項１に記載のロングアーク型放電ランプと、
前記ロングアーク型放電ランプに電力を供給する点灯装置と、
該点灯装置に設けられた投入電力量を切り替える電力切替手段とを備えることを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロングアーク型放電ランプ及び光照射装置に関するものであり、特に、発光管内に水銀、および鉄などの金属と、ハロゲンとが封入されたロングアーク型放電ランプ、及びこれを備える光照射装置に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属と、ハロゲンとが発光管内に封入されたロングアーク型放電ランプ、いわゆるロングアークメタルハライドランプは、紫外線を放射するランプとして、例えば、樹脂、接着剤、インク、フォトレジストの硬化や、乾燥、溶融、あるいは軟化といった様々な処理の用途に幅広く用いられている。具体的には、接着剤等が塗布された被照射物（ワーク）に対して紫外線を照射し、化学反応を生じさせることにより処理がされる。
【０００３】
特開平０３−２５０５５１号公報には、この種の放電ランプについて記載されている。
図１を用いてロングアーク型放電ランプについて説明する。
ロングアーク型放電ランプ１は、石英ガラス製の長尺な発光管２の両端において、一対の電極４、４が互いに管軸方向に対向するように配置され、発光管２の両端のシール部３、３に封止され、電極４と外部リード５とが金属箔６により電気的に接続されている。
発光管２の内部には、水銀１２０ｍｇ、鉄４ｍｇ、沃化水銀１２ｍｇ、沃化ビスマス５．３ｍｇ、封入されている。そして、ビスマスの封入量が鉄に対して特定の範囲内であることにより、鉄と水銀の発光スペクトルに悪影響を与えることなしに、発光管２の内壁に鉄が付着することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０３−２５０５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では、これらの放電ランプに対する環境負荷低減の要請が強く、発光管内に封入する水銀量を低減されることが望まれている。加えて、放電ランプの使用電力低減も望まれている。
従来では、水銀量が低い場合には、鉄の発光強度分布が甚だしく不均一になることが特許文献１に記載されているが、点灯装置の安定器の性能向上などにより、少ない水銀量のランプでも良好な照度分布をとる点灯が可能になった。
そのような背景から、ランプの水銀量を少なくし、使用電力低減のため、頻繁に投入電力を切り替えて使用する、ということが望まれている。
例えば、ワーク照射時には通常点灯時の電力で点灯し、待機時にはそれよりも電力を下げ、照射が必要なときにまた電力を上げる、という点灯電力の切替をする点灯方法である。このとき、実際に使用される点灯ランプの待機時間は、例えば１分以内である。
【０００６】
しかしながら、水銀量を低減したランプについて、上記のごとく頻繁に電力切替を行った点灯をしたところ、照度が短時間に著しく低下するという問題が起こった。
この問題について、本発明者が鋭意検討したところ、以下の知見を得た。
照度が短時間に低下したランプの発光管を破壊して、その破片の内壁部分について内壁の石英ガラス最表面をフッ化水素水溶液で洗浄した後に、同じくフッ化水素水溶液にて表面から１０μm程度までエッチングして調べると、発光管の内壁から一定の深さまでの領域に、封入した金属が含有されていた。
この点から、封入金属は発光管の内壁に付着することにとどまらず、発光管の内部に打ち込まれていたと考えられた。このような現象は、待機時から照射時への急激に電流が増加する際に発生すると考えられる。その理由は以下のように推測された。
【０００７】
低い電力の待機時には、発光管内壁付近のハロゲン密度が低い状態となっている。そこで、高い電力への電力切替を行うと、急激にアークの電子密度が増え、鉄やビスマスなどの封入金属の原子がアーク内で電子と衝突し、発光管内壁へ向かって飛来する。
従来であれば水銀が多く存在するために、水銀が緩衝的な役割を果たし、封入金属の発光管内への打ち込みを抑制していた。しかし、水銀量を低下させているために、緩衝の効果が薄く、鉄やビスマスなどの封入金属が打ち込まれやすくなっていると考えられた。
特に、待機時と照射時の電力差が１．５倍を超えると急激に打ち込み量が増加することがわかった。
このように封入金属が発光管内部に打ち込まれると、発光管内部の発光物質が減少し、照度が低下することにより、照度維持率が低下するものと考えられた。
【０００８】
以上により、本願発明は、発光管内に一対の電極が対向配置され、０．５ｍｇ／ｃｍ３以下の水銀と、鉄などの金属と、ハロゲンとが封入されたロングアーク型放電ランプにおいて、電力を上昇させる入力切替を頻繁に行う場合でも、封入金属が発光管内壁に打ち込まれるという現象を抑制し、短期間での照度維持率の低下を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本願発明は、発光管内に一対の電極が対向配置された紫外線を放射するロングアーク型放電ランプにおいて、水銀（Ｈｇ）の封入量は０〜０．５ｍｇ／ｃｍ３であり、少なくとも鉄（Ｆｅ）、タリウム（Ｔｌ）、ビスマス（Ｂｉ）のいずれか一種の金属が封入され、ハロゲンが封入され、水銀以外の封入金属の物質量をＭ（ｍｏｌ）、封入ハロゲンの物質量をＨ（ｍｏｌ）とするとき、Ｈ／Ｍが２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０の範囲であり、
照射用点灯モードと、待機用点灯モードの２つの点灯モードで点灯され、該待機用点灯モードは、該照射用点灯モードよりも低い電力により点灯される点灯モードであり、いずれかの点灯モードが交互に切り替えられて点灯されることを特徴とする。
また、本願発明は上記したロングアーク型放電ランプと、前記ロングアーク型放電ランプに電力を供給する点灯装置と、該点灯装置に設けられた投入電力量を切り替える電力切替手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光管内に封入された水銀の量が０．５ｍｇ／ｃｍ３以下であるロングアーク型放電ランプにおいて、水銀以外の封入金属の物質量をＭ（ｍｏｌ）、封入ハロゲンの物質量をＨ（ｍｏｌ）とし、これらの比であるＨ／Ｍが２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０の範囲内であることにより、発光物質としての封入金属の減少を防止し、照度維持率の低下を防止することができる。
特に、電力を頻繁に、かつ大幅に上昇させる点灯方法を用いる場合に、封入金属の発光管内壁への打ち込みを防止する効果を奏し、このような点灯方法を用いても照度維持率が低下しにくいため、ランプの点灯電力を省電力化することができる。
また、本発明によれば、照射用点灯モードと、待機用点灯モードの少なくとも２つの投入電力の異なる点灯モードを切り替えて点灯する場合に、待機用点灯モードから照射用点灯モードへの切替直後でも、発光管内壁付近のハロゲン密度が高く、封入金属の発光管内壁への打ち込みを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ロングアーク型放電ランプの構成を示す管軸方向断面図である。
【図２】本発明のロングアーク型放電ランプの点灯装置の一例を示す図である。
【図３】本発明にかかる実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明のロングアーク型放電ランプについての管軸方向の断面図である。
この図において、ロングアーク型放電ランプ１は、例えば石英ガラス等の透光性材料からなる発光管２の両端に、封止部３、３を備えており、この発光管２の内部にはタングステンからなる一対の対向電極４、４が所定の距離を隔てて対向配置されている。
各電極４の根元側端部は、封止部３内に埋設された、例えばモリブデンである金属箔６と接合されている。この金属箔６の他端側には外部リード５が接続されており、発光管２の外部に突出している。この外部リード５には不図示の電源および点灯回路より給電線が接続され、給電がされる。
【００１３】
ロングアーク型とは、電極間距離が所定の長さ以上であり、その距離に応じて点灯時に長いアークが形成されることが、点光源を提供するショートアーク型とは異なることにより、呼称されるものである。
具体的には、発光管内径に対して電極間距離が５倍以上のものであり、長いものでは１０倍以上になる。これは、面積が広い被照射物に対してランプ自体を走査したり、複数並べて均等に面照射を行う用途に用いられるためである。
【００１４】
発光管１の内部には、発光物質として鉄（Ｆｅ）、タリウム（Ｔｌ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）などの金属が封入される。
その他、発光物質として、またはランプ電圧を調整するために０．５ｍｇ／ｃｍ３以下の水銀が封入される。
水銀以外の封入金属では、鉄、タリウム、ビスマスが好適に発光物質として用いられる。それぞれの封入量は、例えば０．２〜６×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ３である。
これらの物質は、発光管内に発光物質として封入してランプを点灯した場合に、紫外線領域に発光スペクトルを持つ金属である。
【００１５】
封入されるハロゲンは、例えば、沃素（Ｉ）、臭素（Ｂｒ）である。これらは例えば沃化水銀、沃化ビスマスなどのハロゲン化物の状態で発光管内に封入される。
【００１６】
本発明では、発光管１内に封入される上記した水銀以外の金属（鉄、タリウム、ビスマス、錫、亜鉛等）と、ハロゲン（沃素、臭素）との物質量の関係を以下のように規定する。
水銀以外の金属の物質量Ｍ（ｍｏｌ）、ハロゲンの物質量Ｈ（ｍｏｌ）とすると、その物質量比Ｈ／Ｍの範囲を、２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０とする。この理由については後述する。
【００１７】
以下に、発光管１内に封入金属の組み合わせの例を列挙する。
水銀を発光物質とする場合は、水銀とビスマス、水銀とタリウム、水銀と錫、水銀と亜鉛のいずれかの組み合わせで封入される。
鉄を発光物質とする場合は、鉄とタリウムと水銀、鉄とビスマスと水銀、鉄と錫と水銀、鉄と亜鉛と水銀のいずれかの組み合わせで封入される。
なお、発光管内には上記の金属の組み合わせを含む３種以上もしくは４種以上の金属を封入しても良い。
また、水銀を封入しない場合（水銀封入量：０ｍｇ／ｃｍ３の場合）もある。この場合は、封入するバッファガスの圧力を高くしたり、あるいは、発光管径を小さくしてランプ電流が同程度になるように調整すればよい。
【００１８】
本発明にかかるロングアーク型放電ランプの点灯装置について、その構成の一例を図２に示す。
この図において、交流電源２１は、その出力側が昇圧整流回路２２に接続されている。
昇圧整流回路２２は、例えば、入力側が交流電源２１に接続された昇圧トランスＴ１、整流ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１により構成される整流回路であり、交流電流を直流電圧に変換して出力する。
その後、この直流電圧は、コイルＬ３、スイッチング素子Ｓ１、整流ダイオードＤ２、平滑コンデンサＣ２により構成された昇圧チョッパ回路で昇圧され、極性反転回路２３に平滑化された直流電圧を出力する。
昇圧チョッパ回路のスイッチング素子Ｓ１（例えばＩＧＢＴ、ＦＥＴ）には、制御回路２４が接続されており、このスイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数、およびＯＮ、ＯＦＦ期間を変化させることにより、所望の電圧を供給できるようになっている。
これにより、投入電力切替が可能であり、制御回路２４からの信号により、照射時点灯モードと、待機時点灯モードの、異なる点灯モードが切り替えられるようになっている。
【００１９】
昇圧整流回路２２の出力側に接続された極性反転回路２３は、例えばブリッジ回路からなるインバータ回路であり、ブリッジ状に接続された、ＩＧＢＴやＦＥＴなどのスイッチング素子Q1〜Q4から構成されている。
極性反転回路２３のスイッチング素子Q1〜Q4のＯＮ、ＯＦＦは、制御回路２５に含まれるドライバー回路によって駆動される。
極性反転は、スイッチング素子Q1およびQ4の駆動信号である極性反転回路駆動信号Ｘと、スイッチング素子Q２およびQ3の駆動信号である極性反転回路駆動信号Ｙが、交互にＯＮ、ＯＦＦを繰り返す動作により、矩形波交流電圧が放電ランプ１に供給される。
【００２０】
ランプの点灯始動は、ランプに直列に接続されたスターターコイルL2に、スターター回路２６からパルス電圧が印加されて、ランプに封入されたガスを絶縁破壊することによって行われる。
【００２１】
以上のランプおよびその点灯装置を備える光照射装置の使用方法について以下に説明する。
光照射装置の構成については図示しないが、上述のランプと、ランプ点灯装置を備えたランプハウス、ミラー等を備えており、照射対象であるワーク（被照射物）に応じて適宜の搬送装置等を備えている。
【００２２】
従来の使用方法では、ランプの点灯頻度は、１回につき少なくとも1時間程度の連続照射点灯がなされており、再点灯から照度が安定するまでに所定の時間が必要であるため、照射が不要なときに電力を落とす、といった動作はされていなかった。
本発明では、照射用点灯モードと、待機用点灯モードの少なくとも２つのモードにより点灯される。
照射用点灯モードは、例えば定格電力などの所定の投入電力で点灯される。待機用点灯モードでは照射用点灯モードよりも低い投入電力で点灯され、その間には被照射物への紫外線照射は行わず、シャッター等の遮光手段により照射光を遮光して、省電力化のために待機する。
【００２３】
投入電力の切替は、例えば図２に示したランプ点灯装置によって行われる。なお、投入電力の切替が可能であれば、このような点灯装置に限られるものではない。
切替のタイミングは、例えば、搬送装置等に設置された所定の検知手段により、ワークが搬送されてくることを検知し、検知信号がランプ点灯装置の制御回路２４に送信され、制御回路２４により投入電力を切り替える、といった動作により自動的に計ることができる。あるいは、予め決定されたタイミングをプログラムにより制御回路に入力してもよい。
【００２４】
照射用点灯モードと、待機用点灯モードは交互に切り替えられる。切替サイクルは、各々の点灯モードにおける連続点灯時間が１分以内であり、例えば、待機・点灯ともに３０〜５０秒程度である。各点灯モードの切替は０．５秒から３．０秒程度で完了する。
【００２５】
このように点灯することで、順次搬送、運搬されてくるワークに対して、照射が必要なときは所定の電力で点灯をし、不必要なときはそれよりも低い電力で点灯して、照射はせずに待機することで使用時間全体では点灯電力を省力化することができる。
【００２６】
しかし、このように電力を切り替えて点灯すると、ロングアーク型メタルハライドランプでは、前述のごとく小電力から大電力への切り替え時にランプ封入金属の発光管内壁への打ち込みが生じ、結果として封入金属量が減少するという問題がある。
【００２７】
ロングアーク型放電ランプの投入電力を変化させた場合の、電圧、電流等の変化について表１に一例を示す。
この表では、電極間距離が１５０ｃｍ程度である1本のランプについて、投入する電力と、電圧、電流、電流密度との関係を示したものである。
【００２８】
【表１】
0005768653.tif 000002
【００２９】
この表によれば、ロングアーク型放電ランプでは、電力を増加させたときに、電圧の変化に比べ、電流の変化が大きいことがわかる。
ここで、アークが形成される発光管内の電流密度について検討すると、ロングアーク型放電ランプの発光管の内径は管軸方向でほぼ一定であるので、発光管内の電流密度は電流値に依存する。すなわち、電力の増加に付随して電流密度が増加する。
アーク内での電子と金属原子の衝突回数は電流密度に依存するため、電流密度が増加すると、発光管内壁へ向かって運動する金属原子が増加する。
電力を切り替えて増加させた直後においては、それに追随する発光管内の温度上昇が十分ではない。そのため、気化したハロゲン量が少なく、発光管内壁付近のハロゲン密度が低く、金属原子はハロゲンに捕捉されずに発光管内壁へ打ち込まれやすくなると考えられる。
【００３０】
そこで本発明は、水銀以外の封入金属と、封入ハロゲンとの物質量を規定し、ハロゲンを水銀以外の金属に対して豊富に封入することで、発光管内壁付近のハロゲン密度を高めた。
発光管内壁付近のハロゲン密度が高い場合、アーク内で電子と衝突して金属原子が飛来してきたときに、ハロゲンと結合しやすく、発光管内壁に打ち込まれることが抑制されると考えられる。
なお、水銀を規定の金属から除いたのは、前述した、発光管内に打ち込まれた物質についての分析の結果、水銀については発光管内壁への打ち込みがほとんど観測されなかったためである。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明の効果を検証する実験結果について図を用いながら説明する。
図３は、複数のロングアーク型放電ランプの点灯経過時間（ｈ）と、照度維持率（％）との関係を比較するグラフである。
ここで照度維持率とは、所定の波長の光の照度について、点灯開始時の照度と、任意の時間点灯した後の照度との比を、点灯開始時の照度を基準として百分率で表すものである。本実験では３６５ｎｍの波長の光を対象とし、この波長付近に感度を持つ照度計により測定を行った。
【００３２】
実験に用いたランプは、いずれも電極間距離１４５０ｍｍのロングアーク型放電ランプであり、最大定格電力が３４．８ｋＷで交流点灯されるものである。発光管は石英ガラスであり、電極はタングステンである。各ランプの詳細な仕様の相違については後述する。
【００３３】
比較例であるランプは、内径２２ｍｍの発光管内に、水銀２６０ｍｇ、鉄１０ｍｇ、沃化水銀５５ｍｇ、沃化ビスマス４５ｍｇ、キセノン６．７ｋＰａが封入され、発光管内容積に対する水銀量が０．４８ｍｇ／ｃｍ３である。
このランプにおける水銀以外の封入金属の物質量Ｍ（ｍｏｌ）と封入ハロゲンの物質量Ｈ（ｍｏｌ）の比Ｈ／Ｍは０．９９である。
【００３４】
図３に示したのは、ランプの入力電力が各々１１．６ｋＷである待機用点灯モードと、１７．４ｋＷである照射用点灯モードの、電力の差が１．５倍である２つの点灯モードを６０秒間ごとに切り替える点灯を行ったときの、点灯経過時間（ｈ）と照度維持率（％）の関係である。
比較例のランプでは、４５０時間で照度維持率が７０％となり、点灯経過時間に対して急激に照度維持率が低下したことがわかる。
【００３５】
本発明１のランプは、内径２２ｍｍの発光管内に、水銀２５３ｍｇ、鉄１０ｍｇ、沃化水銀９０ｍｇ、沃化ビスマス４５ｍｇ、キセノン６．７ｋＰａが封入されており、発光管内容積に対する水銀量が０．５ｍｇ／ｃｍ３のランプである。
このランプにおける水銀以外の封入金属の物質量Ｍ（ｍｏｌ）と封入ハロゲンの物質量Ｈ（ｍｏｌ）の比Ｈ／Ｍは２．１である。
このランプについて上記と同様に点灯モードを切り替える点灯を行ったところ、１０００時間点灯後の照度維持率は９０％となり、２０００時間経過後にも７６％の照度維持率を示した。
すなわち、このランプでは、Ｈ／Ｍが２．１であることにより、発光管内壁付近に存在するハロゲン密度を高くすることで、内壁に飛来する水銀以外の封入金属原子とハロゲンが結合するため、石英ガラスに打ち込まれることが防止されたと考えられる。
【００３６】
本発明２のランプは、内径２２ｍｍの発光管内に、水銀２７３ｍｇ、沃化水銀２４ｍｇ、沃化タリウム３ｍｇ、キセノン６．７ｋＰａが封入されており、発光管内容積に対する水銀量が０．５ｍｇ／ｃｍ３のランプである。
このランプにおける水銀以外の封入金属の物質量Ｍ（ｍｏｌ）と封入ハロゲンの物質量Ｈ（ｍｏｌ）の比Ｈ／Ｍは４．０である。
このランプについて上記と同様に点灯モードを切り替える点灯を行ったところ、１０００時間点灯後の照度維持率は９６％となり、４０００時間経過後にも９２％の照度維持率を示した。
すなわち、封入される金属の種類が異なる場合でも、本発明１のランプと同様の効果が発揮されたものと考えられる。
【００３７】
本発明のランプにさらにハロゲン量を増やし、Ｈ／Ｍを５．０とした本発明３のランプでは、３０００時間まで９６％の照度維持率を示した。ところが、３４００時間で片側の電極が封止部付近で折れてしまい、点灯不能となった。これはハロゲンによる電極の腐食が生じたものと思われる。
しかしながら、発光物質の減少を防ぐといった効果については有効であり、３４００時間という寿命は実用上十分なものであるから、Ｈ／Ｍが５．０である場合も本願発明の効果を発揮できる範囲である。
【００３８】
すなわち、Ｈ／Ｍの範囲は２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０が好ましく、この範囲においては本願発明の効果を奏することができる。さらに好ましくは、２．１≦Ｈ／Ｍ≦４．０であり、この範囲においては、ハロゲンによる電極の腐食を生じさせないという効果がある。
【００３９】
以上から、発光管内へ封入される水銀量が０．５ｍｇ／ｃｍ３以下であるロングアーク型放電ランプにおいては、水銀以外の封入金属の物質量をＭ（ｍｏｌ）、封入ハロゲンの物質量をＨ（ｍｏｌ）とし、これらの比であるＨ／Ｍが２．１≦Ｈ／Ｍ≦５．０の範囲内であるときに、発光管内壁付近でハロゲンが封入金属と結合し、封入金属の発光管内壁への打ち込みが抑制される。
これにより、発光物質としての封入金属の減少を防止し、照度維持率の低下を防止することができる。
特に、電力を頻繁に、かつ大幅に上昇させる点灯方法を用いる場合に、封入金属の発光管内壁への打ち込みを防止する効果を奏し、このような点灯方法を用いても照度維持率が低下しにくいため、ランプの点灯電力を省電力化することができる。
【００４０】
また、照射用点灯モードと、待機用点灯モードの少なくとも２つの投入電力の異なる点灯モードを１分以内に切り替えて点灯した場合に、待機用点灯モードから照射用点灯モードへの切替直後でも、発光管内壁付近のハロゲン密度が高いので、封入金属の発光管内壁への打ち込みを防止される。
【００４１】
また、待機用点灯モードから照射用点灯モードへ切り替える際の電力上昇率が１．５倍以上であっても、長時間照度を維持することができるので、使用電力を省電力化することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１    ロングアーク型放電ランプ
２    発光管
３    封止部
４    電極
５    外部リード
６    金属箔
２１  交流電源
２２  昇圧整流回路
２３  極性反転回路
２４  制御回路
２５  制御回路
２６  スターター回路
Ｃ１  平滑コンデンサ
Ｃ２  平滑コンデンサ
Ｄ１  整流ダイオード
Ｄ２  整流ダイオード
Ｌ２  スターターコイル
Ｌ３  コイル
Ｑ１  スイッチング素子
Ｑ２  スイッチング素子
Ｑ３  スイッチング素子
Ｑ４  スイッチング素子
Ｓ１  スイッチング素子
【図１】
0005768653.tif 000003
【図２】
0005768653.tif 000004
【図３】
0005768653.tif 000005