JP6904111B2

JP6904111B2 - 放電ランプ

Info

Publication number: JP6904111B2
Application number: JP2017127752A
Authority: JP
Inventors: 圭佑中里
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: JP2019012613A

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

従来、半導体の露光工程や、紫外線インクや紫外線塗料の乾燥工程、樹脂の硬化工程等に用いられる紫外線照射装置が知られている。紫外線照射装置は、発光管内に設けられた電極が放電することで光を発する放電ランプを備える。

特開２００９−２５９７９０号公報

しかしながら、従来の放電ランプでは、放電の安定性を向上させる点で改善の余地があった。具体的には、電流を供給する電源の特性上、電極の極性を切り替える際、電流が一時的に休止する期間があり、かかる期間が長くなると、放電を維持できず、ランプが消灯するおそれがあった。

さらに、近年、放電ランプの大出力化に伴って電極が太径化する傾向にある。電極が太径化すると、供給する電力を落とす待機モード時に放電を維持できず、ランプが消灯するおそれがあった。

本発明が解決しようとする課題は、放電の安定性を向上させることができる放電ランプを提供することを目的とする。

実施形態に係る放電ランプは、発光管と、電極とを具備する。前記電極は、前記発光管内で放電を行う。また、前記放電ランプに供給される電流の半周期における前記電極の極性の切り替えに伴う前記電流の休止期間の割合に対する前記電極の電流密度の割合が０．３以上である。

本発明によれば、放電の安定性を向上させることができる。

実施形態に係る放電ランプの断面図である。実施形態に係る放電ランプの点灯波形を示す図である。実施形態に係る電流休止期間、電流密度および放電ランプの立ち消えの関係を示す図である。実施形態に係る電極径、電流および放電ランプの黒化の関係を示す図である。実施形態に係る電極径、電流および電流密度の関係を示す図である。

以下で説明する実施形態に係る放電ランプは、発光管と、電極とを具備する。電極は、発光管内で放電を行う。また、放電ランプに供給される電流の半周期における電極の極性の切り替えに伴う電流の休止期間の割合に対する電極の電流密度の割合が０．３以上である。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプにおいて、放電ランプには、電流密度が、１．５Ａ／ｍｍ^２以上、かつ、１５Ａ／ｍｍ^２以下となる電流が供給される。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプにおいて、放電ランプは、通常点灯モードと、通常点灯モードよりも供給される電流値が低い待機モードとで点灯される。また、放電ランプは、通常点灯モードの場合、電流密度が１５Ａ／ｍｍ^２以下となる電流が供給され、待機モードの場合、電流密度が１．５Ａ／ｍｍ^２以上となる電流が供給される。

また、以下で説明する実施形態に係る放電ランプにおいて、放電ランプには、矩形波の電流が供給される。

以下、図面を参照して、実施形態に係る放電ランプについて説明する。実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。

（実施形態）
まず、図１を用いて、実施形態に係る放電ランプ１の構成例について説明する。図１は、実施形態に係る放電ランプ１の断面図である。

図１に示した放電ランプ１は、例えば、紫外線照射装置において、紫外線を発する光源として用いられる。また、紫外線照射装置は、例えば、半導体の露光工程や、紫外線硬化型インクや紫外線硬化塗料の乾燥工程、紫外線硬化型樹脂の硬化工程等の紫外線による光化学反応を必要とする工程で用いられる。

また、放電ランプ１は、例えば、水銀ランプやメタルハライドランプといった、いわゆる高輝度放電ランプ（ＨＩＤ：High Intensity Discharge lamp）である。図１に示すように、実施形態に係る放電ランプ１は、発光管２と、電極３と、口金部材４と、リード線５とを含んで構成されている。

発光管２は、透過光性を有する石英ガラスによって円筒状に形成されており、内部に放電空間２ａを有する。放電空間２ａには、アルゴンやキセノン等の希ガス、水銀が封入され、これらに加えて、鉄、錫、ヨウ素等の金属ハロゲン化物が封入されている。

また、発光管２の両端部には、例えば、円柱状の封止部２ｂが形成される。封止部２ｂは、電極３の一部、導線６の一部および金属箔７を封止している。導線６は、後述するリード線５と金属箔７とを電気的に接続する。金属箔７は、モリブデン等で構成される。

電極３は、発光管２の両端に互いに対向して設けられ、発光管２の放電空間２ａにおいて放電を行う。電極３は、電極軸３１と、コイル３２とを有する。電極軸３１は、例えばタングステンを含む金属部材であり、一端である先端部３１ａが発光管２の放電空間２ａに配置され、他端が金属箔７に接続されるとともに封止部２ｂによって封止されている。

コイル３２は、放電空間２ａに設けられるとともに、電極軸３１に巻回される。また、コイル３２は、電極軸３１のうち、先端部３１ａ以外の部分に巻回される。これにより、電極軸３１のうち、先端部３１ａのみで放電が行われる。つまり、電極軸３１のうち、コイル３２が巻回された部分は、放電しない。これにより、電極３の温度上昇を抑えることができる。

口金部材４は、例えば有底円筒状に形成されており、例えば内部に接着部材が充填されることで、発光管２の封止部２ｂに接合される。リード線５は、発光管２の外部に配置され、一端が導線６に接続されるとともに、他端が点灯回路１００に接続される。リード線５と導線６とは、例えば溶接により形成された接続部４ａを介して接続される。

点灯回路１００は、電極３に電流を供給する。具体的には、点灯回路１００は、図示しない電源部に接続され、電源部から供給される交流電流をリード線５を介して電極３へ供給する。また、点灯回路１００は、通常点灯モードと待機モードを有する。換言すると、放電ランプ１は、通常点灯モードと待機モードとで点灯される。

通常点灯モードは、例えば、図示しない被照射物に対して放電ランプ１の光が照射されるタイミングで用いられるモードであり、比較的高い電力で点灯するモードである。待機モードは、例えば、コンベア上を流れる複数の被照射物の間の区間で用いられるモードであり、比較的低い電力で点灯するモードである。つまり、待機モードは、通常点灯モードと比べて、供給される電流値が小さい。なお、通常点灯モードおよび待機モードの詳細については、後述する。

次に、図２を用いて、放電ランプ１の点灯波形について説明する。図２は、実施形態に係る点灯波形を示す図である。図２では、点灯回路１００が放電ランプ１の電極３へ供給する交流電流の波形を示している。

図２に示すように、点灯回路１００は、矩形波の電流を供給する。換言すると、放電ランプ１には、矩形波の電流が供給される。点灯回路１００により放電ランプ１に供給される電流値は、図２に示すように、時間の経過とともに「＋Ａ」、「−Ａ」と変化する。矩形波の電流は、電流値がゼロを中心に「＋Ａ」と「−Ａ」の間で変動する。つまり、電極３は、かかる電流の変動に伴って極性が切り替わる。なお、点灯回路１００が放電ランプ１に供給する電流、換言すると、放電ランプ１に供給される電流は、矩形波に限定されず、高周波であれば正弦波や、三角波、のこぎり波等であってもよい。

また、電流値がゼロを起点にして「＋Ａ」および「−Ａ」を経て再びゼロに戻る期間が点灯１周期である。具体的には、点灯１周期は、ゼロから「＋Ａ」を経てゼロに戻る点灯半周期と、ゼロから「−Ａ」を経てゼロに戻る点灯半周期Ｗ１と含む。

また、点灯半周期Ｗ１には、電流休止期間Ｗ２が含まれる。言い換えると、点灯回路１００が放電ランプ１に供給する電流には、電流の半周期（点灯半周期Ｗ１）に対して所定の割合で電流休止期間Ｗ２が存在する。電流休止期間Ｗ２とは、電極３の極性の切り替わりに伴う電流の休止区間である。電流休止期間Ｗ２中は、電流値がゼロであるため、放電も停止する。なお、電流休止期間Ｗ２は、ごく短時間のため、放電が停止したとしても肉眼では放電ランプ１の点灯が継続しているように見える。

ここで、電流休止期間Ｗ２は、図示しない電源部における回路の品質に応じて長さが異なる。一般に、電源部から点灯回路１００に電力を供給する回路が高品質であるほど、電流休止期間Ｗ２は短くなり、回路の品質が低いるほど、電流休止期間Ｗ２は長くなる。つまり、回路品質の低い電源部に接続されると、電流休止期間Ｗ２が長くなることで、放電の安定性が低くなり、ランプが消灯するおそれがある。

加えて、近年、放電ランプ１の大出力化に伴い電極３が太径化の傾向にある。そして、電極３が太径化すると、待機モード等の供給電力を落すモードでは、放電を維持できず、ランプが消灯するおそれがある。このように、放電ランプ１における放電の安定性を向上させることが望まれている。

そこで、実施形態に係る放電ランプ１は、点灯半周期Ｗ１における電流休止期間Ｗ２の割合に対する電流密度の割合が０．３以上となる電流が供給される。かかる点について、図３を用いて説明する。

図３は、実施形態に係る電流休止期間Ｗ２、電流密度および放電ランプ１の立ち消えの関係を示す図である。なお、電流密度は、電流実効値（Ａ）／電極先端表面積（ｍｍ^２）によって算出される。電極先端表面積は、電極３における先端部３１ａの半径を用いて、電極先端表面積＝半径×半径×πによって算出される。つまり、先端部３１ａの円面積を電極先端表面積として算出する。

図３に示すテーブルには、「電流密度／Ｘ」、「点灯１０００時間中立ち消え数」、「立ち消え発生率」といった項目を含む。「電流密度／Ｘ」は、点灯半周期Ｗ１における電流休止期間Ｗ２の割合（Ｘ）に対する電流密度の割合を示す。

「点灯１０００時間中立ち消え数」は、１０本の放電ランプ１のうち立ち消えした本数を示す。「立ち消え発生率」は、「点灯１０００時間中立ち消え数」の百分率である。

例えば、「電流密度／Ｘ」が「１．０」の場合、立ち消えた放電ランプ１は０本、つまり、立ち消え率は、０％であることを示す。一方、図３に示す例では、「電流密度／Ｘ」が「０．２」の場合、立ち消えた放電ランプ１は１０本、つまり、立ち消え率は、１００％であることを示す。

つまり、図３に示すように、点灯回路１００は、「電流密度／Ｘ」が０．３以上となる電流を供給することが好ましい。これにより、放電ランプ１における放電の安定性を向上させることができる。さらに、より好ましくは、点灯回路１００は、「電流密度／Ｘ」が０．４以上となる電流を供給する。これにより、放電の安定性をより高めることができる。

次に、図４および図５を用いて、電極３の半径、電流値および放電ランプ１の黒化の関係について説明する。図４は、実施形態に係る電極径、電流および放電ランプ１の黒化の関係を示す図である。図５は、実施形態に係る電極径、電流および電流密度の関係を示す図である。黒化とは、放電による負荷に伴って電極３を構成する物質が飛散して発光管２に付着して起こる現象である。

図４では、点灯１０００時間後の放電ランプ１の黒化状態を３段階で評価した結果を示している。「○」は、ほとんど黒化していない状態であり、「△」は、一部黒化した状態であり、「×」は、著しく黒化した状態を示す。また、図５では、かかる評価の際の電流密度を示す。なお、図４および図５では、「電流密度／Ｘ」（図３参照）が０．３以上であることとする。

図４および図５に示すように、電流密度が、１．５Ａ／ｍｍ^２以上、かつ、１５Ａ／ｍｍ^２以下である場合に、放電ランプ１は黒化していない良好な状態である。つまり、放電ランプ１に供給される電流密度を、１．５Ａ／ｍｍ^２以上、かつ、１５Ａ／ｍｍ^２以下にすることで、放電ランプ１の寿命を延ばすことができる。さらに、より好ましくは、放電ランプ１に供給される電流密度が、２．０Ａ／ｍｍ^２以上、かつ、８．５Ａ／ｍｍ^２以下にする。これにより、放電ランプ１の寿命をより延ばすことができる。

より具体的には、点灯回路１００は、通常点灯モードの場合、電流密度が１５Ａ／ｍｍ^２以下となる電流を供給し、待機モードの場合、電流密度が１．５Ａ／ｍｍ^２以上となる電流を供給する。換言すると、放電ランプ１には、通常点灯モードの場合、電流密度が１５Ａ／ｍｍ^２以下となる電流が供給され、待機モードの場合、電流密度が１．５Ａ／ｍｍ^２以上となる電流が供給される。

図５に示す結果を参照した場合、「電極径」が１．５ｍｍにおいて、通常点灯モードの「電流」を、１５Ａとした場合、待機モードの「電流」を４Ａまで落としたとしても放電ランプ１を黒化させることなく良好な状態を保つことができる。また、図５では、「電流密度／Ｘ」（図３参照）が０．３以上であるため、放電ランプ１が立ち消えることもない。

すなわち、放電の安定性の向上および放電ランプ１の寿命延長を両立することができる。また、待機モードでも安定した放電を行えるので、省電力化を実現できる。

上述したように、実施形態に係る放電ランプ１は、発光管２と、電極３とを具備する。電極３は、発光管２内で放電を行う。また、放電ランプ１に供給される電流の半周期（点灯半周期Ｗ１）における電極３の極性の切り替えに伴う電流の休止期間（電流休止期間Ｗ２）の割合に対する電極３の電流密度の割合が０．３以上である。これにより、放電ランプ１における放電の安定性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、紫外線照射装置に用いられる放電ランプ１について説明したが、紫外線照射装置の放電ランプ１に限定されず、電極間で放電を行う放電ランプであればいかなる放電ランプであってもよい。

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同様に、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ものである。

１放電ランプ
２発光管
２ａ放電空間
２ｂ封止部
３電極
４口金部材
５リード線
６導線
７金属箔
３１電極軸
３２コイル
１００点灯回路
Ｗ１点灯半周期
Ｗ２電流休止期間

Claims

発光管と、前記発光管内で放電を行う電極と；を具備する放電ランプであって、
前記放電ランプに供給される電流の半周期における前記電極の極性の切り替えに伴う前記電流の休止期間の割合に対する前記電極の電流密度の割合が０．３以上であり、
前記電流密度は、
前記電流の実効値を前記電極の先端の表面積で除した値であり、前記値の範囲が０．８Ａ／ｍｍ ^２以上、かつ、１９．１Ａ／ｍｍ ^２以下であり、
前記電流は、
時間の経過とともに、電流値がゼロから正の振幅を経てゼロに戻る第１の前記半周期と、前記電流値がゼロから負の振幅を経てゼロに戻る第２の前記半周期と、を有し、
前記第１の半周期と前記第２の半周期との間には、前記電流値がゼロとなる前記休止期間を有する
放電ランプ。
前記放電ランプには、
前記電流密度が、１．５Ａ／ｍｍ^２以上、かつ、１５Ａ／ｍｍ^２以下となる前記電流が供給される
請求項１に記載の放電ランプ。
前記放電ランプは、
通常点灯モードと、当該通常点灯モードよりも供給される電流値が低い待機モードとで点灯され、
前記通常点灯モードの場合、前記電流密度が１５Ａ／ｍｍ^２以下となる前記電流が供給され、前記待機モードの場合、前記電流密度が１．５Ａ／ｍｍ^２以上となる前記電流が供給される
請求項２に記載の放電ランプ。
前記放電ランプには、
矩形波の前記電流が供給される
請求項１〜３のいずれか１つに記載の放電ランプ。