特許 6379962 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6379962

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01J 65/04 20060101AFI20180820BHJP

   H01J 61/12 20060101ALI20180820BHJP

   H01J 61/30 20060101ALI20180820BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20180820BHJP

   F21Y 103/00 20160101ALN20180820BHJP

【ＦＩ】

   H01J65/04 B

   H01J61/12 Z

   H01J61/30 P

   F21S2/00 681

   F21Y103:00

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-207568(P2014-207568)

(22)【出願日】2014年10月8日

(65)【公開番号】特開2016-76452(P2016-76452A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2017年7月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000192

【氏名又は名称】岩崎電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135965

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 要泰

(74)【代理人】

【識別番号】100100169

【弁理士】

【氏名又は名称】大塩 剛

(72)【発明者】

【氏名】東藤 毅

(72)【発明者】

【氏名】小田 祐司

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 静二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和明

(72)【発明者】

【氏名】張 豪俊

【審査官】 杉田 翠

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１０６５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５０８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５８３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１０２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−１７２６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４６−０３９５５９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１１−２３３３１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｋ９／００−９／９０

Ｆ２１Ｓ２／００−４５／７０

Ｈ０１Ｊ６１／００−６５／０８

(57)【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マイクロ波無電極ランプにおいて、
石英ガラス製の管状の放電容器と、
該放電容器内に封入された希ガス及び発光物質と、を有し、
前記発光物質は、亜鉛、及び、ヨウ化コバルトを含み、
前記放電容器の内径は５．０〜７．０ｍｍである、マイクロ波無電極ランプ。

【請求項2】

請求項１記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記放電容器の希ガスの圧力が２．０〜９．０ｔｏｒｒである、マイクロ波無電極ランプ。

【請求項3】

請求項１記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記発光物質はコバルト単体を含む、マイクロ波無電極ランプ。

【請求項4】

請求項１記載のマイクロ波無電極ランプにおいて、
前記亜鉛の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、前記ヨウ化コバルトの封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃである、マイクロ波無電極ランプ。

【請求項5】

マイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器に付属するアンテナと、
請求項１記載のマイクロ波無電極ランプとを備えた光照射装置。

【請求項6】

請求項５記載の光照射装置において、
前記発光物質は、亜鉛、ヨウ化コバルト、及び、コバルト単体、を含み、
前記放電容器の希ガスの圧力が２．０〜９．０ｔｏｒｒである、光照射装置。

【請求項7】

請求項６記載の光照射装置において、
前記亜鉛の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、前記ヨウ化コバルトの封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃである、光照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロ波給電方式の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、可視光線又は紫外線を放射する放電ランプとして、マイクロ波無電極ランプが開発されている。マイクロ波無電極ランプを搭載する光照射装置は、典型的には、マイクロ波発振器と、マイクロ波空洞と、放電管（発光管）である無電極ランプを有する。無電極ランプはマイクロ波空洞に着脱可能に支持される。マイクロ波空洞には、無電極ランプからの可視光線又は紫外線を光出射口に導くための反射鏡が設けられている。光出射口には、マイクロ波に対しては不透過性であるが可視光線又は紫外線に対しては透過性の導電性メッシュが設けられている。

【0003】

放電管には、始動用の希ガス又は不活性ガスと発光物質が封入されている。発光物質を適宜選択することによって、所望の波長の可視光線又は紫外線を得ることができる。紫外線は、波長４００〜３１５ｎｍのＵＶ−Ａ領域、波長３１５〜２８０ｎｍのＵＶ−Ｂ領域、波長２８０〜２００ｎｍのＵＶ−Ｃ領域に分けられる。ＵＶ−Ａ領域の紫外線は塗料、樹脂等の硬化処理に用いられる。ＵＶ−Ｃ領域の紫外線は殺菌用に用いられる。

【0004】

従来、発光物質として一般的に、水銀が広く用いられている。近年、水銀は環境負荷物質として使用量の低減又は不使用の要望が強くなっている。即ち、従来の有水銀タイプの放電ランプの代わりに、同等の発光強度及び発光分光特性を有する無水銀タイプの放電ランプの要望が高まっている。

【0005】

特許文献１には、無水銀タイプの無電極ランプの例が記載されている。発光物質として、亜鉛、ヨウ化インジウム、ヨウ化タリウム等が用いられている。緑色を帯びた白色光を発光する照明用の光源が得られる。特許文献２には、有水銀タイプの無電極ランプの例が記載されている。発光物質として、水銀、ハロゲン、鉄、ニッケル、コバルト、パラジウム等が用いられている。特許文献３には、無水銀タイプの有電極ランプの例が記載されている。亜鉛は、ＵＶ−Ｃ領域の波長２１４ｎｍ、ＵＶ−Ｂ領域の波長３０８ｎｍ、ＵＶ−Ａ領域の波長３３０ｎｍ、３３５ｎｍ、可視領域の波長４６８ｎｍ、４７２ｎｍ、４８１ｎｍ等にて発光ピークを有することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−３１５７８２号公報

【特許文献2】特開昭５７−１７２６５０号公報

【特許文献3】特表２００８−５１６３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

近年、塗料、樹脂等の硬化処理に用いられる波長３１５〜４００ｎｍ（ＵＶ−Ａ領域）の紫外線の需要が高くなっている。ＵＶ−Ａ領域の紫外線の光源として、マイクロ波無電極ランプが好適である。そこで、本願の発明者は、有水銀タイプと同等の発光強度及び発光分光特性を有する無水銀タイプのマイクロ波無電極ランプの開発を行った。

【0008】

無水銀タイプのマイクロ波無電極ランプでは、水銀の代わりとなる発光物質の種類と封入量の選択が重要である。しかしながら、発光物質の封入量を増加させることは好ましくない。更に、始動性が低下することも好ましくない。

【0009】

本発明の目的は、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の光源として、有水銀タイプの放電ランプと同等の発光強度及び発光分光特性を有し、更に、発光物質の封入量を抑制し、始動性を向上させることができる無水銀タイプの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を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願の発明者は、先ず、発光物質について鋭意検討した。特許文献３（特表２００８−５１６３７９号公報）に記載されているように、亜鉛は、ＵＶ−Ａ領域の波長３３０ｎｍ、３３５ｎｍにて発光ピークを生成することが知られている。そこで、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の発光強度を向上させるために、発光物質として亜鉛を用いることとした。特許文献２（特開昭５７−１７２６５０号公報）に記載されているように、有水銀タイプの無電極ランプでは、発光物質として、鉄系元素（鉄、ニッケル、コバルト）とそのハロゲン化物を用いることが知られている。そこで本願の発明者は、実験を行い、無水銀タイプの無電極ランプにて、発光物質として鉄系元素（鉄、ニッケル、コバルト）とそのハロゲン化物を用いることが有効であることを確認した。

【0011】

本願の発明者は、次に、発光物質の封入量を低減させる方法を鋭意検討した。そこで、放電容器の内径を小さくし、放電容器の容積を小さくすることを考えた。本願の発明者は、従来の放電容器の内径より小さい内径を有する多数の放電容器を試作し、点灯試験を行った。その結果、所望の発光強度及び発光分光特性が得られ、且つ、発光物質の封入量を抑制することができることを確認した。

【0012】

本発明の実施形態によると、マイクロ波エネルギーを受けて発光するマイクロ波無電極ランプにおいて、
石英ガラス製の管状の放電容器と、
該放電容器内に封入された希ガス及び発光物質と、を有し、
前記発光物質は、亜鉛、及び、ヨウ化コバルトを含み、
前記放電容器の内径は５．０〜７．０ｍｍである。

【0013】

本発明の実施形態によると、前記マイクロ波無電極ランプにおいて、前記放電容器の希ガスの圧力が２．０〜９．０ｔｏｒｒである、としてよい。

【0014】

本発明の実施形態によると、前記マイクロ波無電極ランプにおいて、前記発光物質はコバルトを含む、としてよい。

【0015】

本発明の実施形態によると、前記マイクロ波無電極ランプにおいて、前記亜鉛の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、前記ヨウ化コバルトの封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

【0016】

本発明の実施形態によると、マイクロ波発振器と、該マイクロ波発振器に付属するアンテナと、該アンテナからのマイクロ波エネルギーを受けて発光する無電極ランプと、を有する光照射装置において、
前記無電極ランプは不活性ガスと発光物質が封入された放電容器を有し、
前記放電容器の内径は５．０〜７．０ｍｍである。

【0017】

本発明の実施形態によると、前記光照射装置において、前記発光物質は、亜鉛、ヨウ化コバルト、及び、コバルト単体、を含み、前記放電容器の希ガスの圧力が２．０〜９．０ｔｏｒｒである、としてよい。

【0018】

本発明の実施形態によると、前記光照射装置において、前記亜鉛の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃであり、前記ヨウ化コバルトの封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃである、としてよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の光源として、有水銀タイプの放電ランプと同等の発光強度及び発光分光特性を有し、更に、発光物質の封入量を抑制し、始動性を向上させることができる無水銀タイプの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を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1A】図１Ａは、本実施形態に係るマイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の一例を示す概略斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａの光照射装置を正面から見た概略正面図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る光照射装置の筐体の前側内部の断面構成を示す図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る無電極ランプの一例を示す図である。

【図4】図４は、本実施形態に係る無電極ランプの例の寸法を説明する図である。

【図5】図５は、本願発明者が行った無電極ランプの点灯実験により得られたランプ入力電力とＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度の関係を説明する図である。

【図6】図６は、本願発明者が行った無電極ランプの点灯実験により得られたランプ入力電力とＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量の関係を説明する図である。

【図7】図７は、本願発明者が行った無電極ランプの点灯実験により得られた波長とＵＶ−Ａ領域の紫外線の強度の関係を説明する図である。

【図8】図８は、本願発明者が行った無電極ランプの点灯実験により得られた波長と紫外線及び可視光線の相対強度の関係を説明する図である。

【図9A】図９Ａは本願の発明者が実施した紫外線の測定系の正面構成の例を説明する図である。

【図9B】図９Ｂは本願の発明者が実施した紫外線の測定系の平面構成の例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る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て、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施形態は、例示であって、本発明を何等限定するものではないことを承知されたい。

【0022】

図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係るマイクロ波無電極ランプを使用した光照射装置の一例を説明する図である。図１Ａは、光照射装置１０の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの光照射装置１０を正面から見た概略正面図である。図示のように、光照射装置１０のランプ軸線方向に沿ってＸ軸、光照射装置１０からの発光方向（矢印方向）に沿ってＺ軸、Ｘ−Ｚ面に垂直方向にＹ軸を設定する。

【0023】

光照射装置１０は、矩形の筐体４を有し、筐体４の後側内部にマイクロ波発振器３（図示なし）が設けられている。光照射装置１０は、更に、マイクロ波発振器３に付属するアンテナ８と、アンテナ８からのマイクロ波エネルギーを受けて発光する無電極ランプ１２と、無電極ランプ１２の軸線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。無電極ランプ１２は、マイクロ波空洞５に配置されている。

【0024】

光照射装置１０は、更に、無電極ランプ１２を冷却する冷却空気供給機構を有する。冷却空気供給機構は、図示しない冷却空気源と、筐体４の上側には装着された冷却用送風ダクト６（図１Ｂでは省略）を有する。

【0025】

マイクロ波は、波長１ｍ〜１００μｍ、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波を指し、電波の中で最も短い波長域である。マイクロ波発振器３として、マグネトロン、クライストロン、進行波管（ＴＷＴ）、ジャイロトロン、ガンダイオードを用いた回路等がある。本実施形態では、マイクロ波発振器としてマグネトロンを使用する。マグネトロンは、発振用真空管の一種であり、強力なノンコヒーレントマイクロ波を発生する。身近なところでは、マグネトロンは、レーダーや電子レンジに使われている。本実施形態では、電子レンジ、好ましくは業務用電子レンジに使用されているマグネトロンを使用する。なお、電子レンジでは周波数２，４５０ＭＨｚが使用されているが、これは技術的な制限によるものではなく、法的規制によるものである。

【0026】

図２は、本実施形態に係る光照射装置１０の筐体４の前側内部の断面構成を示す。反射鏡１４は、代表的には、被照射面に集光させる楕円面反射鏡、被照射面に平行光を当てる放物面反射鏡等が有る。楕円面も放物面も少なくとも１つの焦点を有する。図２の実施例では、反射鏡１４は樋型楕円面反射鏡であり、無電極ランプ１２は直管型で、その中心軸が楕円面反射鏡の焦点に位置するように配置されている。なお、無電極ランプの中心（中心軸）が反射鏡の焦点位置に必ずしも一致している必要は無く、ランプ設置の位置的誤差等も考慮して、ランプ本体の中央部分が焦点を含む位置に配置されていればよい。

【0027】

反射鏡１４の筐体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。導電性メッシュ１６は、マイクロ波に対しては不透過性であるが、マイクロ波空洞からの照射光１８、即ち、可視光線及び紫外線に対しては透過性である。

【0028】

マイクロ波発振器３から発生したマイクロ波は、アンテナ８を介して放射され、マイクロ波空洞５に供給され、そこで定在波を形成する。マイクロ波空洞５に配置された無電極ランプ１２の内部にプラズマを励起する。プラズマが放射する可視光線或いは紫外線は、照射光１８として反射鏡１４を反射し、又は、直接、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、被照射面に照射される。

【0029】

図示しない冷却空気源からの冷却用空気１７は、冷却用送風ダクト６（図１Ａ）を経由し、反射鏡１４の孔１４Ａを介してマイクロ波空洞５に供給される。冷却用空気１７は無電極ランプ１２の外周面に衝突し、無電極ランプ１２を冷却する。

【0030】

図３を参照して本実施形態に係る直管型の無電極ランプの例を説明する。無電極ランプ１２は、円筒状の放電容器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はマイクロ波空洞内に保持される。

【0031】

マグネトロンを発振させると、２，４５０ＭＨｚのマイクロ波エネルギーがマイクロ波空洞５に供給され定在波が形成される。マイクロ波が無電極ランプ１２の放電容器１２Ａと結合されて内部にプラズマが励起される。発光物質から可視光線或いは紫外線が放射される。

【0032】

無電極ランプ１２を点灯すると、放電容器１２Ａの内部に、破線で示すように、２つのプラズマ領域１３が形成される。プラズマ領域１３は、腹１３１とその両側の節１３２を有する定在波を形成する。この定在波の波長は、λ＝伝播速度／周波数＝２．９９×１０⁸（ｍ／ｓ）／２．４５ＧＨｚ≒１２３ｍｍとなる。無電極ランプの放電容器１２Ａの軸線方向長さは、一波長の長さに略等しく形成されている。

【0033】

定在波の腹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）１２ａ、１２ｂと呼ばれる。定在波の節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）１２ｃ、１２ｄ、１２ｅと呼ばれる。放電容器１２Ａにて定在波は左右対称的に形成される。従って、中央の最低温位置は、放電容器１２Ａの軸線方向の中央の位置にある。低温領域１２ｃ、１２ｄ、１２ｅでは、封入物質の蒸発が阻害され、又は、再凝集が起こることがある。従って、無電極ランプ１２の放電容器１２Ａの温度分布は軸線方向に沿って不均一となる。

【0034】

図４を参照して本実施形態に係る直管型の無電極ランプの例を説明する。本実施形態に係る無電極ランプ１２は円筒状の放電容器１２Ａと両側の突起部１２Ｂ、１２Ｂを有する。放電容器１２Ａは、円筒部１２１を有する。円筒部の両側に端部１２３、１２３が形成されている。端部１２３、１２３は、放電容器の両側の低温領域１２ｄ、１２ｅに形成され、球面形状、楕円球面状等の回転曲面状に形成されてよい。

【0035】

無電極ランプの軸線方向の寸法をＬ１、放電容器１２Ａの軸線方向の寸法をＬ、突起部１２Ｂ、１２Ｂの軸線方向の寸法をそれぞれＬｔとする。Ｌ１＝Ｌ＋２Ｌｔ＝１５０〜１６０ｍｍ、Ｌ＝１３０〜１４０ｍｍ、Ｌｔ＝８．０〜９．０ｍｍである。円筒部１２１の内径をＤ、突起部１２Ｂ、１２Ｂの外径をＤｔとする。

【0036】

無電極ランプ１２は石英ガラス製である。放電容器１２Ａは石英ガラス製の密閉容器によって形成されている。突起部１２Ｂ、１２Ｂは石英ガラス製の棒材である。放電容器１２Ａには、始動用の希ガス又は不活性ガスと発光物質が封入される。

【0037】

本発明の実施形態の無電極ランプにおける発光物質について説明する。上述のように、本発明の実施形態では、発光物質として、亜鉛、鉄系元素（鉄、ニッケル、コバルト）、及び、鉄系元素のハロゲン化物を用いることとした。尚、インジウム（Ｉｎ）、ヨウ化インジウム（ＩｎＩ）等は用いていない。

【0038】

先ず、亜鉛について説明する。上述のように、亜鉛は、ＵＶ−Ａ領域の波長３３０ｎｍ、３３５ｎｍにて発光ピークを生成することが知られている。更に、亜鉛は蒸気圧が高いため点灯中のインピーダンスが高くでき、マイクロ波のエネルギーを効率よく吸収することができる。そのため、プラズマ温度を上昇させ、コバルトの発光強度を上昇させることができる。本願の発明者が行った実験によって得られた知見（特願2014-067228号）によると、亜鉛のハロゲン化物よりも亜鉛単体のほうが好ましいことが確認されている。更に、亜鉛単体の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃとすることが好ましいことが確認されている。従って、本実施形態においても、亜鉛単体の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃとする。

【0039】

次に、鉄系元素（鉄、ニッケル、コバルト）、及び、鉄系元素のハロゲン化物について説明する。本願の発明者が行った実験によって得られた知見（特願2014-067228号）によると、鉄系元素のハロゲン化物としてヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）を用いると、ＵＶ−Ａ領域の発光強度が増加することが確認されている。更に、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）の封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃとすること好ましいことが知られている。従って、本実施形態においても、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）の封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃとする。更に、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）に対して更にコバルト単体（Ｃｏ）を付加すると、始動性が改善され、ＵＶ−Ａ領域の発光強度が増加することも確認されている。

【0040】

上述のように、本願の発明者は、所望の発光強度及び発光分光特性を有し、更に、発光物質の封入量を低減させるために、放電容器の内径を小さくし、放電容器の容積を小さくすることを考えた。本願の発明者は、放電容器の内径が異なる多数の放電容器を試作し、点灯試験を行った。その結果、放電容器の内径を小さくしても、所望の発光強度及び発光分光特性が得られることが確認された。即ち、所望の発光強度及び発光分光特性を達成すると同時に、発光物質の封入量を抑制することができることを確認した。

【0041】

以下に、本願の発明者が行った実験について説明する。表１は、本願の発明者が試作した実験例１〜９の放電容器の仕様と発光物質を示す。この実験では、図４に示す直管型の無電極ランプを用いた。先ず、実験で使用した無電極ランプの放電容器１２Ａの形状及び寸法を説明する。放電容器の寸法は以下のとおりである。Ｌ１＝Ｌ＋２Ｌｔ＝１５５ｍｍ、Ｌ＝１３８ｍｍ、Ｌｔ＝８．５ｍｍ、Ｄｔ＝３ｍｍである。表１に示すように、放電容器１２Ａの内径はＤ＝４．０〜２０．０ｍｍ、放電容器１２Ａの内容積は１．６９〜４１．０ｃｃである。尚、放電容器１２Ａの肉厚は１〜２ｍｍである。

【0042】

実験例３の放電容器の内径はＤ＝９．０ｍｍであり、容積は８．７８ｃｃであるが、これは通常使用されている放電容器の内径及び容積と同一である。そこで、実験例３を以下に比較例と称する。実験例１及び２の場合、放電容器の内径はＤ＞９．０ｍｍであり、比較例（実験例３）の放電容器の内径より大きい。実験例４〜９の場合、放電容器の内径はＤ＜９．０ｍｍであり、比較例（実験例３）の放電容器の内径より小さい。

【0043】

【表1】

【0044】

実験例１〜８の発光物質は、コバルト単体（Ｃｏ）、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）及び亜鉛（Ｚｎ）である。実験例９の発光物質は、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）及び亜鉛（Ｚｎ）である。実験例１〜８では、発光物質の総量の封入密度が約３０μｍｏｌ／ｃｃとなるように、各発光物質の封入量及び封入密度を設定した。実験例１〜８では、コバルト単体（Ｃｏ）の封入密度は１９．９〜２２．０μｍｏｌ／ｃｃ、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）の封入密度は５．７〜６．５μｍｏｌ／ｃｃ、亜鉛の封入密度は３．０〜３．８μｍｏｌ／ｃｃである。実験例９では、コバルト単体（Ｃｏ）の封入量はゼロ、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）の封入密度は５．９１μｍｏｌ／ｃｃ、亜鉛の封入密度は３．５０μｍｏｌ／ｃｃである。放電容器１２Ａに封入する始動用の希ガスとしてアルゴンを用いた。

【0045】

上述のように本願の発明者は、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の光源として、有水銀タイプの放電ランプと同等の発光強度及び発光分光特性を有する無水銀タイプの無電極ランプを実現することを目指した。有水銀タイプの無電極放電ランプでは、例えば、ランプ入力電力が１．８ｋＷの場合、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度は１３２０ｍＷ／ｃｍ²、積算光量は６２０ｍＪ／ｃｍ²である。そこで、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度が、少なくとも、１２５４ｍＷ／ｃｍ²（９５％）、好ましくは、１２８０ｍＷ／ｃｍ²（９７％）を超えることを目標とした。また、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量が６２０ｍＪ／ｃｍ²を超えることを目標とした。尚、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量は、搬送速度６ｍ／ｍｉｎで走行する紫外線測定装置によって測定した値を用いている。紫外線の積算光量の測定方法は後に説明する。

【0046】

本願の発明者が行った第１の実験を説明する。第１の実験では、アルゴンの圧力を５．０ｔｏｒｒ（一定）とし、ランプ入力電力を変化させて、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の発光強度、及び、分光特性を測定した。ランプ入力電力が１．８ｋＷのときに、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度及び積算光量が目標値を超えるものを合格とした。第１の実験によると、実験例３、４〜７、及び、９の場合、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度及び積算光量が目標値を超えることが確認された。但し、実験例３（比較例）の場合、放電容器の内径は、Ｄ＝９．０ｍｍであり、通常の放電容器の内径と同一である。従って、発光物質の封入量の低減という本発明の目標を達成することができない。従って、表１の右端の列に示すように、実験例４〜７、及び、９を合格とする。即ち、放電容器の内径Ｄを５．０〜７．０ｍｍとすることによって、ＵＶ−Ａ領域の紫外線について所望の発光強度及び発光分光特性が得られることが確認された。

【0047】

図５を参照して第１の実験の結果を更に詳細に説明する。図５は、ランプ入力電力とＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度の関係を示す。横軸はランプ入力電力（単位：Ｗ）、縦軸はＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度（単位：ｍＷ／ｃｍ²）である。図５は、実験例３（比較例）と、合格と判定された実験例４、５、及び、９の結果を示す。ランプ入力電力を増加させると、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度が略直線的に増加するのが判る。上述のようにランプ入力電力が１．８ｋＷのときに、いずれもＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度が目標値である１２５４ｍＷ／ｃｍ²（９５％）、及び、１２８０ｍＷ／ｃｍ²（９７％）を超えていることが判る。紫外線のピーク強度の測定方法は後に説明する。

【0048】

図６を参照して第１の実験の結果を更に詳細に説明する。図６は、ランプ入力電力とＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量の関係を示す。横軸はランプ入力電力（単位：Ｗ）、縦軸はＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ²）である。図６は、実験例３（比較例）と、合格と判定された実験例４、５、及び、９の結果を示す。ランプ入力電力を増加させると、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量が略直線的に増加するのが判る。アルゴンの圧力が５．０ｔｏｒｒ、ランプ入力電力が１．８ｋＷのときに、いずれもＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量が目標値である６２０ｍＪ／ｃｍ²を超えていることが判る。紫外線の積算光量の測定方法は後に説明する。

【0049】

表２は、実験例３（比較例）と、合格と判定された実験例４、５、及び、９について、ランプ入力が１．８ｋＷのときの、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度（単位：ｍＷ／ｃｍ²）と積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ²）を抜き出して表に纏めたものである。いずれもＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度及び積算光量が目標値である１２５４ｍＷ／ｃｍ²（９５％）、及び、１２８０ｍＷ／ｃｍ²（９７％）を超えている。また、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の積算光量の目標値である６２０ｍＪ／ｃｍ²を超えている。

【0050】

【表2】

【0051】

図７を参照して第１の実験の結果を更に詳細に説明する。図７は、波長とＵＶ−Ａ領域の紫外線の分光強度の関係を示す。横軸は波長（単位：ｎｍ）、縦軸はＵＶ−Ａ領域の紫外線の分光強度（単位：μＷ／ｃｍ²／ｎｍ）である。図７は、アルゴンの圧力が５．０ｔｏｒｒ、ランプ入力電力が１．８ｋＷのときの、実験例３（比較例）と、合格と判定された実験例５のＵＶ−Ａ領域（波長３１５〜４００ｎｍ）の分光特性を示す。ＵＶ−Ａ領域（波長３１５〜４００ｎｍ）において、実験例５の発光強度は実験例３（比較例）の発光強度より大きいことが判る。

【0052】

図８を参照して第１の実験の結果を更に詳細に説明する。図８は、波長と紫外線及び可視光線の相対強度の関係を示す。横軸は波長（単位：ｎｍ）、縦軸は紫外線及び可視光線の相対強度（％）である。ここで相対強度は、発光ピークの強度の値を１００％として、各波長における強度を１００分率で表したものである。図８は、アルゴンの圧力が５．０ｔｏｒｒ、ランプ入力電力が１．８ｋＷのときの、実験例３（比較例）と、合格と判定された実験例５の分光特性を示す。いずれの場合も、ＵＶ−Ａ領域（波長３１５〜４００ｎｍ）における発光強度は、可視光の領域（波長３８０〜７８０ｎｍ）の発光強度より大きい。従って、本実施形態の無電極ランプでは、ＵＶ−Ａ領域（波長３１５〜４００ｎｍ）において効率的に紫外線が発光されていることが判る。尚、波長４６５〜５００ｎｍの領域にてピークが現れているが、これは、波長４６８ｎｍ、４７２ｎｍ、４８１ｎｍにおける亜鉛の発光ピークに対応しているものと思われる。

【0053】

表３を参照して第２の実験及びその結果を説明する。第２の実験では、アルゴンの圧力を変化させて、始動性を観察した。この実験で使用した放電容器の仕様は、表１の実験例５に相当する。即ち、放電容器の内径は６．５ｍｍであり、発光物質は、コバルト単体（Ｃｏ）、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）及び亜鉛（Ｚｎ）である。また、ランプ入力電力は１．８ｋＷ（一定）とした。アルゴンの圧力が、２．０〜９．０ｔｏｒｒのとき、始動性が良好であった。

【0054】

【表3】

【0055】

表４を参照して第３の実験及びその結果を説明する。第３の実験では、放電容器の内径と始動性の関係を測定した。実験例１０以外は、表１の実験例２、３、５〜８に相当する。実験例１０の発光物質は、表１の実験例２、３、５〜８と同様に、コバルト単体（Ｃｏ）、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）及び亜鉛（Ｚｎ）であり、発光物質の総量の封入密度が約３０μｍｏｌ／ｃｃとなるように、各発光物質の封入量及び封入密度を設定した。また、アルゴンの圧力は５．０ｔｏｒｒ、ランプ入力電力は１．８ｋＷ（一定）とした。放電容器の内径が５．０〜１２．０ｍｍのとき、始動性が良好となることが判った。尚、実験例２、３の場合、放電容器の内径が９ｍｍ以上となるので、発光物質の封入量の低減という本発明の目標を達成することができない。従って、実験例２、３については、本発明の本実施の形態から除く。

【0056】

【表4】

【0057】

表５を参照して第４の実験及びその結果を説明する。第４の実験では、放電容器の内径とアークの分裂及び赤色化の関係を観察した。本願の発明者はアークの分裂及び赤色化の状態を撮像した。尚、写真の図示は省略する。無水銀タイプの無電極ランプでは、ランプ入力電力の増加、又は、冷却風量の低下に起因して、アークの分裂及び赤色化が発生し、ランプ効率が低下する。アークの分裂及び赤色化は、プラズマ温度が上昇すると、プラズマ周波数が高くなり、プラズマ内部にマイクロ波エネルギーが進入できなくなった為と考えられる。第４の実験によって得られた画像（図示なし）によると、放電容器の内径を小さくすると、アークの分裂及び赤色化が起き難いことが判った。表５の丸印はアークの分裂及び赤色化が起きなかったことを示し、×印はアークの分裂及び赤色化が起きたことを示す。上述のように、本発明の実施の形態では、放電容器の内径はＤ＝５．０〜７．０ｍｍである。従って、本発明の実施の形態ではアークの分裂及び赤色化は回避される。

【0058】

【表5】

【0059】

図９Ａ及び図９Ｂを参照して、ＵＶ−Ａ領域の紫外線のピーク強度及び積算光量の測定方法の例を説明する。図９Ａは本願の発明者が実施した測定系の正面構成の例を示し、図９Ｂはその平面構成の例を示す。コンベヤ２０１の上方に本実施形態の光照射装置１０が配置され、コンベヤ２０１の上に紫外線測定装置２０２が配置される。光照射装置１０は、図２を参照して説明したように、筐体４、反射鏡１４及び無電極ランプ１２を有し、更に、冷却用送風ダクト６を有する。

【0060】

反射鏡１４は下方に、即ち、コンベヤ２０１の上面を向いている。光照射装置１０は、無電極ランプ１２の中心軸線がコンベヤ２０１の幅方向に沿って、即ち、コンベヤ２０１の進行方向に直交するように、配置される。無電極ランプ１２からの紫外線は、直接に又は反射鏡１４を介して下方に照射される。筐体４の下端とコンベヤ２０１の間の距離Ｈａは、Ｈａ＝６３ｍｍ、無電極ランプ１２と紫外線測定装置２０２の間の距離は、Ｈｂ＝１０５ｍｍである。コンベヤ２０１は一定の搬送速度Ｖ（ｍ/ｍｉｎ）にて走行する。尚、搬送速度はＶ＝６ｍ/ｍｉｎとした。紫外線測定装置２０２は、光照射装置１０の下方を通過するとき、紫外線を検出する。

【0061】

紫外線測定装置２０２は、ＵＶ−Ａ領域の紫外線の強度のピーク値とその積算値を計測する。紫外線の強度は、横軸を時間、縦軸を紫外線強度とするグラフとして得られる。このグラフの山の頂点が紫外線のピーク強度（単位：ｍＷ／ｃｍ²）であり、このグラフの山の面積が積算光量（単位：ｍＪ／ｃｍ²）を表す。

【0062】

本願の発明者が行った実験から得られた知見を纏める。ＵＶ−Ａ領域の紫外線の光源として、有水銀タイプの放電ランプと同等の発光強度及び発光分光特性を有する無水銀タイプの無電極ランプを実現するために必要な条件は次の通りである。

【0063】

（１）有水銀タイプの放電ランプと同等の発光強度及び発光分光特性を確保し、且つ、発光物質の封入量の総量を低減するには、放電容器の内径Ｄを従来の放電容器の内径Ｄ＝９．０ｍｍより小さくすればよく、より詳細には、５．０〜７．０ｍｍとするとよい。

【0064】

（２）更に、放電容器の封入ガスの圧力を２．０〜９．０ｔｏｒｒとする。

【0065】

（３）発光物質として亜鉛（Ｚｎ）、及び、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）を用いる。更に、コバルト単体（Ｃｏ）を付加してもよい。

【0066】

（４）目標とする発光強度及び発光分光特性を実現するために、亜鉛単体の封入密度は３．０〜４．０μｍｏｌ／ｃｃとし、ヨウ化コバルト（ＣｏＩ₂）の封入密度は４．０〜１０．０μｍｏｌ／ｃｃとする。

【0067】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の範囲はこれらの実施の形態によって制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者であれば容易に理解されよう。

【0068】

本発明は、マイクロ波無電極ランプを搭載した光照射装置は、例えば、インク、塗装等が塗布された面の表面硬化処理などに好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0069】

２…光出射口、３…マイクロ波発振器、４…筐体、５…マイクロ波空洞、６…冷却用送風ダクト、８…アンテナ、１０…光照射装置、１２…無電極ランプ、１２Ａ…放電容器、１２Ｂ…突起部、１２ａ、１２ｂ…高温領域（ホットゾーン）、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ…低温領域（コールドゾーン）、１３…プラズマ領域、１４…反射鏡、１４Ａ…孔、１６…導電性メッシュ、１７…冷却用空気、１８…照射光、１２１…円筒部、１２３…端部、１３１…腹、１３２…節、２０１…コンベヤ、２０２…紫外線測定装置

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】