(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス製の発光管の両端に電極を備え、該電極は陰極と陽極を備え、発光管の壁面負荷が０．４〜２Ｗ／ｃｍ２で点灯され、該石英ガラスの内表面に金属酸化物層を備えた低圧水銀蒸気放電灯において、該陽極は、材質がタンタル、ニオブ、チタンの何れかで、厚さ１〜３ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍの金属で構成された肉厚筒体を保持したことを特徴とする低圧水銀蒸気放電灯。
【請求項２】
陽極は、肉厚筒体の外周に耐熱性金属をコイル状に巻回して構成したことを特徴とする請求項１記載の低圧水銀蒸気放電灯。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、液晶用ガラス基板の洗浄などに使用される低圧水銀蒸気放電灯の寿命特性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、短波長紫外線の持つ高いエネルギーを利用した物質表面の洗浄・改質技術が知られている。酸素が紫外線を吸収するとオゾンを生成し、さらにオゾンが紫外線により分解すると活性酸素を生じる。活性酸素は物質の表面の有機物に作用し、その結果洗浄作用、表面改質作用が得られる。この反応の紫外線源として低圧水銀蒸気放電灯が使用されている。
【０００３】
この種の低圧水銀蒸気放電灯は、概略の構成は蛍光灯とほぼ同じ原理で点灯動作するが、発光管材料に短波長紫外線をよく透過する石英ガラスが使用されている点が異なる。石英ガラスは、不純物が少ないため紫外線をよく透過するが、ガラス中の結合欠陥が多い特性を持っている。そのため、点灯中発光管内に生じた水銀イオンがガラス中に入り込み分散固着して紫外線吸収因子となり透過率を下げてしまい、従来は紫外線出力低下の大きいランプであった。
【０００４】
紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯の構成例としては、ＵＳＰ３８４５３４３号公報に開示されている。この構成例ではランプの壁面負荷は一般的な蛍光灯と同等で０．０４〜０．０７Ｗ／ｃｍ2、８Ｗで点灯する設計で、発光管内面に酸化物層として酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素を用い、これを金属アルコキシドを出発物質とするゾルゲル法により形成した例を開示している。そして、前記公報では金属酸化物層に不純ガス吸着作用があり、ランプの始動性が改善される効果が記されている。紫外線ランプの内面に形成された金属酸化物層のもうひとつの作用効果として紫外線出力低下の改善作用が上げられ、事例としては特開平３−７７２５８号公報、さらには高出力型低圧水銀蒸気放電灯については特開平５−１５１９４０号公報においてその作用効果が記されている。
【０００５】
高出力型低圧水銀蒸気放電灯は、低い水銀蒸気圧のもと大電力を供給するためランプ電流が２〜１０Ａと一般の蛍光灯に比較して大きい。電流が多くなるとフィラメントへの電子衝撃が大きくなり、そのためフィラメント表面に塗布した電子放射性物質が飛散して始動性の悪化を起こすので、特公昭６３−４９３４０号公報では大型の円盤状陽極により衝撃を緩和する事例、特開平４−５１４４９号公報にはコイル状陽極とフィラメントの配置を限定した上で陽極の形状に改善を施した事例が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような背景のもと、低圧水銀蒸気放電灯の高出力化が進んできたが、ランプの寿命に関してさらに要求が高まってきている。従来この種のランプの寿命が２０００時間、残存率５０％と低いことから、具体的には寿命４０００時間で、残存率８０％以上といった要求である。
【０００７】
ゾルゲル法等によって形成された金属酸化物層は、出発物質に有機金属及び有機物を含むため、未分解の成分が残留しやすく、完全な酸化物層になりにくい。この未分解成分は、ランプ製造直後は水素ガス等の不純ガスとして放出されることはないが、長期の高出力の短波長紫外線の照射により、金属酸化物層は損傷を受け、表面に吸着したガス成分や、内部に含有する未分解成分を再び不純ガスとして放出してしまう。
【０００８】
一方、この種のランプはフィラメントから電子放射を容易にするために酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウムを塗布している。これらの物質は点灯動作中約８００度になるフィラメント上で電子衝撃をうけて分解したり飛散したりする。酸化物が分解する際には酸素が発生し、前述した水素と酸素が結合し、水分となってフィラメントに作用するようになる。水分のフィラメントへの作用はウオーターサイクルとして良く知られておりフィラメントを細らせて、最終的にはフィラメントの断線により熱電子の生成ができなくなり始動しなくなるという現象にいたる。
【０００９】
ランプ内の不純ガスを除去するためにゲッターと呼ばれる物質を発光管内に配置し、ガスを吸着させる技術が知られている。たとえば、サエスゲッター社（イタリア）のＳＴ１０１（商品名）はＺｒとＡｌの合金をニッケルのリボン上に貼り付けたものである。このリボンをリング状に加工して陽極として作用させ、かつゲッター作用を得る利用方法が一般的であるが、高出力低圧水銀蒸気放電灯の陽極として動作させる場合には電子衝撃が大きいためニッケルの基材の溶融がおこる問題がある。また、ゲッターの吸着量よりも発光管内に発生する放出ガス量のほうが多いので効果が薄いという問題があった。
【００１０】
以上説明した問題から、低圧水銀蒸気放電灯の寿命末期は不点灯になるので、液晶用ガラス基板の洗浄装置等においては、ランプ不点が洗浄効果の低下やランニングコストの低下につながる問題になる。
【００１１】
本発明は、上記の諸点に鑑み発明したもので、寿命特性の良い低圧水銀蒸気放電灯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】
請求項１に記載した本発明は上述した課題を解決するために、石英ガラス製の発光管の両端に電極を備え、該電極は陰極と陽極とを備え、発光管の壁面負荷が０．４〜２Ｗ／ｃｍ2で点灯され、該石英ガラスの内表面に金属酸化物層を備えた低圧水銀蒸気放電灯において、該陽極は、厚さ１〜３ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍの金属で構成された肉厚筒体を保持して構成してある。
【００１２】
請求項２に記載した本発明における陽極は、肉厚筒体の外周に耐熱性金属をコイル状に巻回して構成してある。
【００１３】
請求項１と請求項２に記載の本発明によると、発光管中に発生する水素ガス等の不純ガスを金属で構成した肉厚筒体が長期間にわたり吸収するので、寿命特性の良い低圧水銀蒸気放電灯を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明にかかる発明の実施の形態を図１乃至図４に基づき説明する。図中１は石英ガラスからなるＵ字状の発光管であり、内径１５．５ｍｍ外径１７．５ｍｍのものを使用する。２は発光管１の端部に設けられた電極であって、発光長は１７００ｍｍとなるように設計されている。３はベースでありランプを器具に固定すると共に水銀蒸気圧の制御がなされるための熱伝導ブロックとして機能する。４は外接リード線で安定器に接続され、両電極間を通じて発光管に電力が供給される構成になっている。
【００１５】
図２は発光管および電極の詳細を示す図である。図中１１は石英ガラス管でできている。１２は石英管の内面に形成された酸化アルミニウムを主成分とした金属酸化物層であり、発光部に形成されている。この層はアルミニウムイソプロポキシドのアルコール溶液を管内に塗布し、ゲル化、焼成を経て０．１〜０．３μｍの厚さに形成されている。２１は陰極として作用するタングステンフィラメントであり、バリウム、カルシウム、ストロンチウムの酸化物からなるエミッタが塗布されている。２２ａ、２２ｂ、２２ｃはフィラメントを支える支柱でありモリブデンでできている。２３は陽極であり、φ１．０のモリブデンなどの耐熱性金属からなる線の一端がコイル状にまかれており、他端はフィラメント支柱に接続されている。また、フィラメント支柱２２ｃと陽極２３は耐熱性金属の板を介して電気的・機械的に接続されている。２５は肉厚筒体であり、前述した陽極に保持されている。肉厚筒体は具体的には外径１２ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ１０ｍｍの金属でできており、管内に封入される前に１×１０-5Ｐａ以下の圧力で１２００℃の温度条件下で加熱処理がなされ、内部に包含されるガスをあらかじめ除去される。発光管の末端はピンチシールによって封着されている。
図５（イ）に示す肉厚筒体は金属で円筒体に構成してあり、加工が容易である。図５（ロ）に示す肉厚筒体は金属で円筒体に構成し、さらに縦方向に一部切欠溝を有してあり、加工が容易である。図５（ハ）に示す肉厚筒体は金属で中空六角筒体に構成してあり、陽極への支持が確実となる特徴がある。
２６は封着用モリブデン箔、２７はリード線であり外接リード線４に接続される。３１はアルミニウム製のベースで発光管１は接着剤３２によって固定される。
【００１６】
前記発光管の内部には、数ｍｇから数十ｍｇ好ましくは５０ｍｇの水銀と数十から数百Ｐａの希ガス、好ましくは１００Ｐａのアルゴンガスを封入してなる。ランプを点灯させるには、まず外接リード線４ａ，４ｂ間に数ボルトの電圧をかけてフィラメントを加熱し熱電子を発生させる。次に両電極間に約４００Ｖの電圧を印加することによって放電し、水銀蒸気に電子が衝突することによって励起し、水銀の共鳴線である２５４ｎｍと１８５ｎｍの放射が得られるようになっている。上述した低圧水銀蒸気放電灯はランプ電力６００Ｗ、ランプ電流５Ａ、ランプ電圧１２５Ｖ、壁面負荷は０．７Ｗ／ｃｍ2で点灯され、寿命は４０００時間である。
【００１７】
本発明にかかる肉厚筒体の長さと低圧水銀蒸気放電灯の寿命特性について実証した結果を図３に示す。図３は横軸が点灯時間、縦軸が残存率で寿命試験結果を示す図である。図中、破線は肉厚筒体が無く、外径１２ｍｍ、厚さ２００μｍ、長さ１０ｍｍの耐熱性金属の陽極を有する従来の低圧水銀蒸気放電灯の結果である。実線Ａは、本発明にかかる外径１２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、長さ５ｍｍの肉厚筒体を陽極に保持した低圧水銀蒸気放電灯の結果であり、４０００時間での残存率は５０％である。この場合、従来のランプに対して効果が見られる。実線Ｂは外径１２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ長さ１０ｍｍの肉厚筒体を陽極に保持した低圧水銀蒸気放電灯の結果である。この場合４０００時間、残存率８０％の水準であり市場の高い要求をクリアする低圧水銀蒸気放電灯を実現することができる。また、図示しないが、肉厚筒体の長さを更に長くしたランプの結果は実線Ｂ以上になるが、全長が２０ｍｍを超えると製造が困難になることと、肉厚筒体が重くなり陽極での保持が困難になったり、ランプ全長が長くなって実用的でなくなってしまう。また、肉厚筒体の長さが５ｍｍ未満になると、発光管内面に形成された金属酸化物層から放出された水素ガスが十分に吸収されず、そのためフィラメントに塗布された電子放射性物質の分解によって発生する酸素と結合して水蒸気を生成し、水蒸気がフィラメントに作用して断線し、点灯に必要な熱電子が発生できなくなるので不点となってしまう。
【００１８】
本発明にかかる肉厚筒体の厚さと低圧水銀蒸気放電灯の寿命特性について実証した結果を図４に示す。図４は横軸が点灯時間、縦軸が残存率で寿命試験結果を示す図である。図中、破線は肉厚筒体が無く、外径１２ｍｍ、厚さ２００μｍ、長さ１０ｍｍの耐熱性金属の陽極を有する従来の低圧水銀蒸気放電灯の結果である。実線Ｄは、外径１２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、長さ１０ｍｍの肉厚筒体を陽極に保持した参考例の低圧水銀蒸気放電灯の結果であり、４０００時間で残存率６０％である。この場合、従来のランプに対して効果が見られる。実線Ｅは外径１２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、長さ１０ｍｍの肉厚筒体を陽極に保持した本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の結果である。この場合、４０００時間、残存率８０％の水準であり、市場の高い要求をクリアする低圧水銀蒸気放電灯を実現することができる。また実線Ｆは外径１２ｍｍ、厚さ３．０ｍｍ、長さ１０ｍｍの肉厚筒体を陽極に保持した本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の結果である。この場合、４０００時間、残存率９０％の水準とすることができる。ところで、肉厚筒体の肉厚が３ｍｍを超えると製造が困難になるだけでなく、肉厚筒体の熱容量が大きくなりゲッタ作用が薄れ、寿命特性の改善効果が得られなくなってしまい実用に適さない。本発明の実施の形態では、壁面負荷は０．７Ｗ／ｃｍ２の例について説明したが、ランプの壁面負荷が０．４Ｗ／ｃｍ２未満の場合、金属酸化物層への紫外線照射量が小さいため損傷が少なく、ガス放出がおこらないので、フィラメント断線の問題がおこらなくなる。また壁面負荷が２．０Ｗ／ｃｍ２を超えると、低圧水銀蒸気放電灯の短波長紫外線発光効率が著しく低下し、０．４〜２．０Ｗ／ｃｍ２の場合に比べて、短波長紫外線出力は低くなってしまう。
【００１９】
これら寿命試験の結果は、タンタル製の肉厚筒体を備える事により、肉厚筒体が発光管内面に形成された金属酸化物層からの水素ガスを直ちに吸収するので、フィラメントに塗布された酸化物の分解による酸素と水素が結合できないので水蒸気が発生しない。そのためフィラメントが断線することが無いので、長寿命の低圧水銀蒸気放電灯を実現する事ができる。肉厚筒体がこうして多量のガスを長期間にわたって吸収できるのは、まず表面でガスを物理的に吸着した後、肉厚が厚いため吸着ガスを内部へ拡散させる事ができ、表面を長期間にわたって清浄に保つ作用があるためと考えられる。
また金属製の肉厚筒体の材質としてはタンタル、ニオブ、チタンの何れかで構成することができるが、肉厚筒体の加工性とコストの面からはタンタルが最適である。
【００２０】
なお、肉厚筒体断面はタンタルの金属塊を切削して製作してもよいが、所定の厚さと幅のタンタル板を丸め加工して製作してもよい。また、筒体の形状は円形でもよいが、多角形でも良い。
【００２１】
上述した本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の寿命特性の改善効果は、発明者らの実験により新たに判明した高出力の低圧水銀蒸気放電灯の内面に形成される金属酸化物層からの不純ガス放出メカニズムに基づくものである。例えば壁面負荷１Ｗ／ｃｍ2のランプの場合、初期には金属酸化物層は吸着作用の方が強いが、約５００〜１０００時間で金属酸化物層は吸収よりも放出が多くなり、２０００時間ではガス放出が支配的になる。一般的な蛍光灯と同等の壁面負荷のランプの場合は負荷が低いため、寿命末期まで、金属酸化物層の損傷が少ない。そのため吸着作用の方が支配的となり寿命末期の不純ガスに基づく上述した問題は発生しない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明による低圧水銀蒸気放電灯は、石英ガラス製の発光管の両端に電極を備え、該電極は陰極と陽極を備え、発光管の壁面負荷が０．４〜２Ｗ／ｃｍ2程度で点灯され、該石英ガラスの内表面にはゾルゲル法によって形成された金属酸化物層を備えた低圧水銀蒸気放電灯において、該陽極は厚さ１〜３ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍ、金属で構成された肉厚筒体を保持したことにより、発光管中に発生する水素ガス等の不純ガスを肉厚筒体が長期間にわたり吸収するので寿命特性の良い低圧水銀蒸気放電灯を提供することができる。
【００２３】
さらには、低圧水銀蒸気放電灯の寿命が長いので、液晶用ガラス基板の洗浄装置のランニングコストの低下に寄与する事ができる。また、紫外線出力の変化も少ないので液晶用ガラス基板の品質の安定にも寄与する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の構成図である。
【図２】本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の電極の構成図である。
【図３】本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の残存率曲線を示す図である。
【図４】本発明にかかる低圧水銀蒸気放電灯の残存率曲線を示す図である。
【図５】図５（イ）から（ハ）は本発明にかかる肉厚筒体の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１  発光管
２  電極
３  ベース
４  外接リード線
１１  石英ガラス管
１２  金属酸化物層
２１  タングステンフィラメント
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ  支柱
２３  陽極
２５  肉厚筒体
２６  封着用モリブデン箔
２７  リード線
３１  ベース
３２  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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