WO2018143300A1 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

碍子（３０）は、発光管（１０）の他方の側管部（１５）とリフレクタ（２０）の挿入孔（２３）との間に形成された空間（ｓ）と外部とを連通する開放部（３４）を有し、また、一方の側管部（１４）の長さ（Ｌ１）は、他方の側管部（１５）の長さ（Ｌ２）よりも長い。これにより、冷却効率を高めて、照度アップを図ることが可能な高圧放電ランプを提供する。

Description

高圧放電ランプ

　本発明は、高圧放電ランプに関し、より詳細には、露光装置の多灯の光源部を構成する高圧放電ランプに関する。

　近年、フラットパネルディスプレイ装置のカラーフィルタや、プリント配線基板を製造する際に使用される露光装置では、露光領域の拡大が求められていることから、光源部の出力も高めることが求められている。このため、製造コストなどで有利な、比較的低照度の高圧放電ランプを複数用いて、光源部を構成するようにしたものが種々知られている（例えば、特許文献１参照）。

　図８に示すように、従来の高圧放電ランプ１００としては、放電し光を発光する発光管１１０と、発光管１１０からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ１２０と、発光管１１０とリフレクタ１２０とを固定する碍子１３０と、発光管１１０と電気的に接続されるワイヤ１４０と、を主に備える。発光管１１０内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入された内部空間を有する発光部１１１、発光部１１１の内部空間を封止する一対の封止部１１２、１１３、及び、発光部１１１内に互いに対向して配置された一対の電極１１４、１１５が設けられている。

　また、特許文献１に記載の光源装置では、放電ランプ１００が純正品か否かを高精度、短時間かつ低コストに検査できるように、碍子１３０の内部に、白熱灯１３１が設けられている。

　さらに、特許文献２に記載の光照射装置では、複数のランプをカセットに位置決めして使用する構成において、各ランプのベース部材に、各ランプを冷却するための冷却路を形成することが記載されている。

日本国特開２０１６－２００７５１号公報 日本国特開２０１２－１１３２６９号公報

　ところで、高圧放電ランプでは、ランプ毎の照度アップも求められている。このため、発光部内の輝点でのエネルギー量が増大することから、冷却効率のさらなる改善が求められる。

　本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却効率を高めて、照度アップを図ることが可能な高圧放電ランプを提供することにある。

　本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）　一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
　前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
　前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
を備え、
　前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
　前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長いことを特徴とする高圧放電ランプ。
（２）　前記一方の側管部は、前記ランプの不感領域内に配置されていることを特徴とする（１）に記載の高圧放電ランプ。
（３）　前記リフレクタには、前記開口部に隣接し、前記長手軸線方向に垂直な平坦面が設けられ、
　前記長手軸線方向において、前記リフレクタの平坦面から前記一方の側管部までの距離Ｌ３は、前記発光管部の中心から前記リフレクタの平坦面までの距離をＬ４としたとき、０．２×Ｌ４≦Ｌ３≦１．０×Ｌ４であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の高圧放電ランプ。

　本発明の高圧放電ランプによれば、碍子は、発光管の他方の側管部とリフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、また、一方の側管部の長さは、他方の側管部の長さよりも長い。これにより、発光管の両側管部での冷却効率を高めることができ、ランプ自体の照度アップを図ることができる。

本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプの斜視図である。 図１に示す高圧放電ランプの側面図である。 図１に示す高圧放電ランプの断面図である。 図１に示す高圧放電ランプを、図３と直交する位置で切断した断面図である。 （ａ）は、輝点から発光された光の配向分布を示す図であり、（ｂ）は、リフレクタの反射面で反射された光の配向分布及び不感領域を示す図である。 本実施形態の高圧放電ランプがランプホルダに取り付けられた状態を示す斜視図である。 ランプの寿命時間を管理するための回路を示す図である。 従来の高圧放電ランプを示す断面図である。

　以下、本発明の一実施形態に係る高圧放電ランプについて、図１～図６を参照して詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の高圧放電ランプ１は、放電し光を発光するガラス製の発光管１０と、発光管１０からの光に指向性を持たせて出射するリフレクタ２０と、発光管１０とリフレクタ２０とをそれぞれ固定する碍子３０と、発光管１０と電気的に接続されるワイヤ１６、１７（図４参照）と、を主に備える。

　図３に示すように、発光管１０は、一対の電極１１、１２が対向して配置される楕円体状の発光管部１３と、該発光管部１３の両端部に連接され、一対の電極１１、１２の長手軸線Ｘに沿って延びる一対の側管部１４、１５と、を有する。また、発光管部１３の内部空間内には、ハロゲンガス、水銀、始動用アルゴン等が封入されており、一対の側管部１４、１５は、発光管部１３の内部空間を封止する。なお、発光管部１３の形状は、球面状であってもよい。

　リフレクタ２０は、長手軸線Ｘ方向の一方側に設けられ、一方の側管部１４が突出する開口部２１と、長手軸線Ｘ周りに形成される放物面状の反射面２２と、長手軸線Ｘ方向の他方側に形成され、他方の側管部１５が隙間ｇを持って挿入可能な挿入孔２３と、を有する。

　発光管１０は、一方の側管部１４内に延びる一方の電極１１をアノード（陽極）とし、他方の側管部１５内に延びる他方の電極１２をカソード（陰極）としている。これは、一般的に、直流放電灯では電極の先端形状のサイズが（陰極）＜（陽極）であるため、放電により発光する光は陽極側で遮られる角度が陰極側で遮られる角度よりも大きい。一方、リフレクタ２０は、開口部２１側で受けられる光の角度を大きくするためにはリフレクタ２０を深くする必要がある。そのため、光を遮る角度の大きい陽極をリフレクタ２０の開口部２１側にすることで、陰極を開口部２１側にするよりも、リフレクタ２０を小型化することができる。

　一方の側管部１４の先端部、及び他方の側管部１５の基端部から延びる電線は、給電に用いられる一対のワイヤ１６、１７にそれぞれ接続されている。なお、一方の側管部１４と接続されたワイヤ１６は、リフレクタ２０に取り付けられた受け台２４を介して外部に導出される。

　リフレクタ２０は、椀状の底部の外側に碍子３０のベース部３１を被せ、その接合部を接着剤で固着している（図４参照）。また、碍子３０のベース部３１の筒状の中央部分は、リフレクタ２０の挿入孔２３内に挿入される他方の側管部１５の基端側部分を保持する保持部３２を備える。他方の側管部１５は、この保持部３２で碍子３０と接着剤で固定される。
　したがって、リフレクタ２０及び発光管１０の他方の側管部１５は、碍子３０にそれぞれ固定され、リフレクタ２０と発光管１０とは接着されておらず、他方の側管部１５とリフレクタ２０の挿入孔２３との間の隙間は、空間ｓを形成する。

　碍子３０は、上述したベース部３１と、保持部３２を含んで該ベース部３１の後方を覆うカバー部３３と、を有する。カバー部３３の底部３３ａは平坦に形成されている。
　このため、この平坦な底部３３ａに図示しないランプ押さえカバーを当接させ、このランプ押さえカバーと図６に示すランプホルダ４０とを結合することで、ランプ１をランプホルダ４０に固定してもよい。

　図３に戻って、碍子３０のベース部３１は、他方の側管部１５とリフレクタ２０の挿入孔２３との間の空間ｓと外部とを連通すると共に、他方の側管部１５を外部に開放した２つの開放部３４を有する。そして、図６に示すように、ランプ１がランプホルダ４０に取り付けられた状態において、ランプホルダ４０の後方でエアを引いて排気することで、ランプ１の前面から取り入れたエアが、空間ｓと開放部３４とを通過して、発光管１０を冷却する。したがって、空間ｓと開放部３４は、冷却路を形成する。

　なお、図４に示すように、碍子３０のベース部３１とカバー部３３との間の収容空間には、抵抗体としての白熱灯３５が配置されており、外部の給電ワイヤ３６と接続されている。この白熱灯３５のフィラメント３５ａは抵抗体であるため、周囲の温度に影響されて抵抗値が変化する。尚、給電ワイヤ３６は、ワイヤ１６，１７とは別系統の電源に接続される。また、この白熱灯３５は、冷却路を通過するエアにより冷やされないように、該収容空間に配置されている。例えば、白熱灯３５に電流を供給し、白熱灯３５のフィラメント３５ａの両端の電圧を測定し、該電圧を、前もって調べておいた電圧と温度のデータベースと照らし合わせて、ランプの温度や冷却状態を管理することができる。或いは、白熱灯３５に十分に大きな電流を供給し、白熱灯３５のフィラメント３５ａの溶断を行う。溶断の有無を判定回路にて確認し、使用履歴管理を行うようにしてもよい。
　なお、抵抗体としては、白熱灯３５の他、金属皮膜抵抗、炭素抵抗、金属ワイヤ、熱電対、バイメタル等を用いて、寿命管理や、温度管理を行うようにしてもよい。
　また、白熱灯３５は、ランプ１の碍子３０の内部にあっても良いし、碍子３０の外側に配置されて給電ワイヤ３６と接続されていても良い。

　また、リフレクタ２０の開口部２１の外縁は、隅部が面取りされた略正方形状に形成されているが、４つの隅部の１つは、アライメント用の切り欠き２６とされ、３つの隅部と異なる形状とされている。これにより、ランプ１がランプホルダ４０に取り付けられると、ランプ１は、すべて同じ向きにアライメントされる。

　発光管１０は、上側に位置する部分の温度が高くなるため、上側を通る空気の量を多くすると、冷却効率が上がる。
　このため、ランプホルダ４０が組み込まれる照明装置において、碍子３０に形成された２つの開放部３４が上下方向に位置するように、ランプ１がアライメントされてランプホルダ４０に取り付けられることが好ましい。

　また、上側に位置する開放部３４の開口面積を、下側に位置する開放部３４の開口面積よりも大きくなるように、碍子３０の形状を非対称にして、冷却効率をさらに高めてもよい。例えば、本実施形態では、図１に示すように、開放部３４の開口隙間ｇは、長手軸線Ｘを通る２つの平面によって規定されており、該２つの平面によって形成される角度を変えることで、該開口隙間ｇ、ひいては、開口面積を変更することができる。

　ここで、本実施形態のランプ１では、照度アップを図るため、発光管部１３でのエネルギー量を増大させており、それに伴って、発光管部１３での温度が、従来のものよりも高温となる。一方、一方の側管部１４及び他方の側管部１５から延びる電線とワイヤ１６、１７との接続部分は、耐熱性の観点から比較的温度を下げる必要がある。

　このため、本実施形態では、一方の側管部１４の長さＬ１を、他方の側管部１５の長さＬ２よりも長く設計している。即ち、他方の側管部１５は、冷却路内を通過するエアに晒されることで、一方の側管部１４に比べて放熱作用が高い。これに対して、一方の側管部１４は、他方の側管部１５よりも長くすることで、発光管部１３と、一方の側管部１４からの電線とワイヤ１６との接続部分までの距離を離して、該接続部分での温度の低減をさらに図る。したがって、発光管１０の両側管部１４、１５で冷却効率を高めることができる。
　具体的に、本実施形態では、一方の側管部１４の長さＬ１は、他方の側管部１５の長さＬ２に対して、１．１～１．４倍に設定されている。

　また、図４に示すように、一方の側管部１４は、ランプ１からの光を阻害しないように、ランプ１の不感領域Ａ内に配置される。
　図５（ａ）に示すように、発光管部１３では、一対の電極１１、１２間での放電により、輝点Ｐで生じた光は放射状に広がるが、電極１１、１２が存在することにより、光の配向分布は、斜線部Ｂのようになり、電極１１、１２が延在する方向では、影ができる。
　また、図５（ｂ）に示すように、リフレクタ２０は、放物面であり、発光管１０の輝点Ｐは、放物面の焦点に配置されている。このため、輝点Ｐから発した光線は、一点鎖線で示すように、リフレクタ２０の反射面２２で反射して平行光となる。しかしながら、輝点Ｐの焦点からのずれと、輝点Ｐが有限のサイズを持っているため、実際は、点線で示すような光線を含むため、すべてが平行光とはならない。この平行光を含むすべての光線の方向を考慮すると、リフレクタ２０で反射した光は、さらに、図５（ｂ）に示す斜線部Ｃを全て通過する。そして、これに対して、全ての反射した光が通過しない位置を不感領域Ａとすると、一方の側管部１４は、図４に示すように、ランプ１の不感領域Ａ内に配置されているので、リフレクタ２０で反射した光を阻害することはない。この不感領域Ａは、リフレクタ２０の放物面の形状を設計することで与えられる。

　このため、リフレクタ２０には、開口部２１に隣接し、リフレクタ２０の軸方向一端を規定する、長手軸線Ｘ方向に垂直な平坦面２５が設けられているが、一方の側管部１４は、この平坦面２５からの突出長さが長くなる。即ち、図３に示すように、長手軸線Ｘ方向において、リフレクタ２０のこの平坦面２５から一方の側管部１４の先端までの距離Ｌ３は、発光管部１３の中心からリフレクタ２０の平坦面２５までの距離をＬ４としたとき、０．２×Ｌ４≦Ｌ３≦１．０×Ｌ４に設定される。

　各側管部１４、１５の管径は、各側管部１４、１５の長さＬ１、Ｌ２に対して強度を確保できる太さで、且つ、一方の側管部１４がランプ１の不感領域Ａからはみ出さないように設定される。
　ここで、図３に示すように、各側管部１４、１５の管径をＤ１とすると、一方の側管部１４の長さＬ１に対して、Ｄ１≦０．４×Ｌ１に設定されている。

　また、一方の側管部１４及び他方の側管部１５は、それぞれ円筒状とし、互いの管径をＤ１と同一としている。各側管部１４、１５は発光管部１３と接続されており、発光管部１３は各側管部１４、１５を介してワイヤ１６、１７と接続される。発光管部１３は、非常に高温であるが、ワイヤ１６、１７は酸化防止のため温度を低くする必要があり、各側管部１４、１５で温度勾配を作ることでワイヤ１６、１７の温度低下を実現している。
　各側管部１４、１５の管径Ｄ１を同じにすることで発光管部１３と接続する近傍の温度勾配を両極で同じに設定しやすくなる。一方、発光管部１３の両極で温度勾配差が大きくなるとガラス内部に歪が蓄積し、破裂を誘発する要因となる。

　また、リフレクタ２０は、開口径をＤ２、仮想的な放物面ＰＡにおける焦点位置をｆ１とすると、Ｄ２／ｆ１＝７～１０に設定されることが好ましい。この範囲に設定することで、集光位置が略１ｍ以上となり、効率よくフライアイレンズに光を集めることができる。

　このように構成された高圧放電ランプ１は、図６に示すように、縦方向及び横方向に複数ずつ、ランプホルダ４０に装着されることで、露光装置用の光源部として適用される。また、図示しない排気装置により、ランプホルダ４０の背面側のエアを排気することで、ランプホルダ４０の前面側からのエアを、各高圧放電ランプ１の空間ｓを冷却路としてランプ１に取り込むことで、各ランプ１を冷却することができる。なお、ランプホルダ４０の背面側は、ランプ押さえカバーと協働して密閉空間を構成し、該密閉空間からエアを排気するようにしてもよい。

　以上説明したように、本実施形態の高圧放電ランプによれば、碍子３０は、発光管１０の他方の側管部１５とリフレクタ２０の挿入孔２３との間に形成された空間ｓと外部とを連通する開放部３４を有し、また、一方の側管部１４の長さＬ１は、他方の側管部１５の長さＬ２よりも長い。これにより、発光管１０の両側管部１４、１５での冷却効率を高めることができ、ランプ自体の照度アップを図ることができる。

　尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
　例えば、本発明では、発光管とワイヤとの接続の仕方や、発光管内部の構成は、本実施形態のものに限定されず、従来の任意のものを適用することができる。

　また、本発明では、図７に示すような回路を用いて、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。即ち、直列に配置された抵抗体ＲｉとヒューズＦｉ（それぞれ、ｉ＝１，２，・・・，ｎ；ｎは１、好ましくは２以上の整数）とが、並列にｎ列配置される。抵抗体Ｒｉは、それぞれ抵抗値が異なり、ヒューズＦｉが切れる電流値はそれぞれ異なる。寿命時間を管理する際には、電源部５０から異なる電流を流すことで、各ヒューズＦｉを所定時間経過するごとに切断する。なお、電源部５０のｒは、電源の内部抵抗を表している。
　また、電源部５０の電圧を制御して、各ヒューズＦｉを順に切断することで、寿命時間の管理を行うようにしてもよい。
　さらに、すべての抵抗体ＲｉとヒューズＦｉの合成抵抗値を判定回路にて判定することにより、ランプ１の仕様を判別することが可能である。この場合、仕様の異なるランプ１を点灯させた状態においても、寿命管理が可能となり、正常、且つ安全に点灯することができる。

　尚、上記回路は、ヒューズＦｉを設けずに、抵抗値がそれぞれ異なる複数の抵抗体Ｒｉを並列に配置するようにし、電源部５０から異なる電流を流すことで、各抵抗体Ｒｉが所定時間経過するごとに順に溶断するようにしてもよい。
　また、抵抗体は、ランプ１の碍子内部にあっても良いし、給電ワイヤ３６と外部との電気的接触を図る図示していないコネクタ部に接続されていても良い。この場合も、抵抗体は、ランプ電極に電力を供給するワイヤ１６，１７とは別系統の電源に接続されている必要がある。

　本発明は、２０１７年２月２日出願の日本特許出願（特願２０１７－０１７８５６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１    　高圧放電ランプ
１０  　発光管
１１、１２  　電極
１３  　発光管部
１４、１５  　側管部
２０  　リフレクタ
２１  　開口部
２２  　反射面
２３  　挿入孔
２５  　平坦面
３０  　碍子
３４  　開放部
Ａ    　不感領域
ｓ    　空間
Ｌ１  　一方の側管部の長さ
Ｌ２  　他方の側管部の長さ

Claims (3)

1. 　一対の電極が対向して配置される楕円体状又は球面状の発光管部と、該発光管部の両端部に連接され、前記一対の電極の長手軸線に沿って延びる一対の側管部と、を有するガラス製の発光管と、
   　前記長手軸線方向の一方側に設けられ、一方の前記側管部が突出する開口部と、前記長手軸線周りに形成される放物面状の反射面と、前記長手軸線方向の他方側に形成され、他方の前記側管部が隙間を持って挿入可能な挿入孔と、を有するリフレクタと、
   　前記発光管と、前記リフレクタとがそれぞれ固定される碍子と、
   を備え、
   　前記碍子は、前記他方の側管部と前記リフレクタの挿入孔との間に形成された空間と外部とを連通する開放部を有し、
   　前記一方の側管部の長さは、前記他方の側管部の長さよりも長いことを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 　前記一方の側管部は、前記ランプの不感領域内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 　前記リフレクタには、前記開口部に隣接し、前記長手軸線方向に垂直な平坦面が設けられ、
   　前記長手軸線方向において、前記リフレクタの平坦面から前記一方の側管部までの距離Ｌ３は、前記発光管部の中心から前記リフレクタの平坦面までの距離をＬ４としたとき、０．２×Ｌ４≦Ｌ３≦１．０×Ｌ４であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧放電ランプ。
    

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