CN1794412A - 短弧光型放电灯 - Google Patents

Abstract

短弧光型放电灯。在点亮时的内压为2.0MPa～3.0MPa的短弧光型放电灯中，良好地满足灯的上升特性、发射照度特性、寿命特性，防止点亮时的破裂。在短弧光型放电灯的发光管(1)内的放电空间(2)配置阴极电极(3)和阳极电极(4)。在放电空间(2)内封入稀有气体和水银。把从发光管球面部的端部到密封用玻璃构件(7)前端的尺寸设为L1(mm)。把密封用玻璃构件(7)的直径设为D(mm)。把灯工作时的内压设为P(MPa)。此时，确定灯的形状，使之满足关系D＜(－0.38×P+1.79)×L1+(－3.32×P+24.3)。另外，在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2中，把密封玻璃(6)的厚度t设为3.0mm≤t≤5.0mm。并且，把灯接通功率设为5～25kW的范围。

Description

短弧光型放电灯

技术领域

本发明涉及一种短弧光型放电灯，特别涉及在半导体和液晶制造的曝光工序中被用作光源的、接通功率大于等于1kW的短弧光型放电灯。

背景技术

在制造工艺等的曝光工序中，被用作光源的短弧光型放电灯要求形成高照度。据知，这种短弧光型放电灯(以下简称为灯)一般接通功率为大于等于1kW，点亮时的温度、内压相当高。作为用于实现所述高照度的一种方法，可以举出较多地封入水银、稀有气体等来提高紫外波段的灯发光效率的方法。在该情况下，可举出由于点亮时的灯内压因封入物的量的增加而增大，从而破裂的危险性较大的问题。

以下，说明短弧光灯中的对破裂采取措施的现有技术示例。在现有的大于等于1kW的大型放电管中，在以将灯输入功率除以灯泡内表面积的值即管壁负荷值为基础设计灯泡部时，在灯点亮时容易产生较大的应力，最坏时应力值往往超过玻璃材料的破坏应力值，直至灯泡损坏。作为其措施，有在专利文献1中公开了的“短弧光型放电灯”的方案。把发光管的球面部最大内径a与发光管球面部总长c之比设定在0.42＜(a/c)＜1.02的范围内。把发光管的球面部最大内径a与球面部终端面外径b之比设定在1.82＜(a/c)＜3.44的范围内。把灯功率W(W)与发光部球面部内表面积S(mm²)之比设定在W/S＜0.3的范围内。这样，可以使内压等作用时的应力分布更加均匀，即使长时间点亮也不至于破裂。

并且，随着市场需求，短弧光型放电灯的大型化正在取得进展。因此，点亮时的工作压力需要为2.0(MPa)或大于2.0(MPa)，箔密封部的直径和长度变大。其结果是，在金属箔和与金属箔内切的密封用石英构件之间，新产生了出现箔的浮起现象这一问题。为了解决该问题，有在专利文献2中公开了的“短弧光型放电灯”的方案。即，这是灯接通功率大于等于4kW，点亮时的工作压力大于等于2.0(MPa)的直流短弧光型放电灯。使插入密封石英构件的金属构件的插入部分的长度约大于等于密封石英构件的总长的40％。由此，防止了在与配置在箔密封部的金属箔内切的密封用石英构件之间产生的箔的浮起现象。另外，也可以防止在箔密封部产生的裂纹和灯封入气体向外部大气的泄漏以及灯的早期破裂。

有在与发光管连续设置的密封管内，利用具有插通孔的保持构件(壁厚的空心石英玻璃制管状构件)保持电极支撑棒的结构的放电灯。在这种结构中，在保持构件与密封玻璃的封接部即保持构件的两端部，在热熔融后的冷却时产生热变形。因此，在灯长时间在高压力下工作时，有可能产生龟裂。为了解决该问题，有在专利文献3中公开了的“放电灯”的方案。保持构件是石英玻璃制品。使管状构件的发光管侧端部区域的外径大于另一端侧的端部区域的外径。在发光管侧端部区域的外周配置钼制箔构件。由此，即使长时间在高压力下工作，在电极支撑棒的保持构件与密封管的熔接部分也不会产生龟裂。能够得到没有破裂的安全的高可靠性的放电灯。

有阴极和阳极的电极芯棒被插通并保持在保持用筒体内，在从发光管延续的侧管的缩颈部中支撑保持用筒体的短弧光灯。在这种结构中，在进行电极芯棒的保持用筒体与密封玻璃的熔接时，在保持用筒体端部的角部往往形成小间隙的楔部。在点亮时的发光管内的气体压力极高时，以楔部为起点产生裂纹。通过反复施加应力，产生裂纹大幅度向倾斜方向生长，最终导致灯破裂的问题。为了解决该问题，有在专利文献4中公开了的“短弧光灯”的方案。在保持用筒体与缩颈部之间插入由金属层或陶瓷层构成的中间层。并且，使中间层形成为钼箔，形成钼箔被卷绕在保持用筒体的外周面上的结构。即使提高点亮时的气体压力，在侧管的缩颈部和电极芯棒的保持用筒体的端部角部也不会产生裂纹。

这样，在从灯泡端部到密封部的部分中，针对以非常高的频度产生龟裂的问题，作为防止龟裂的措施，把发光管的尺寸设定为合适的值，或把金属构件向密封用石英构件中的插入比率设定为合适的值，或把发光管侧端部区域的尺寸设定为合适的值，或使用钼箔作为电极芯棒的保持用筒体等。

专利文献1日本专利特开2003-151501号公报

专利文献2日本专利特开2002-100321号公报

专利文献3日本专利第3458756号公报

专利文献4日本专利第3430887号公报

但是，在上述现有的防止龟裂措施技术中存在以下问题。虽然做到了可以定性地避免灯破裂，但对于灯的内压，做不到直至破裂时的机械强度具有何种程度富余量的定量判断。这暗示在灯的设计规格频繁变化的环境中，未必能够保证防止灯破裂。

例如，在采取凭经验规则被推测为无问题，包括灯的上升特性等也无问题的尺寸来设计据认为与破裂直接相关的破裂区域的形状(玻璃构件的直径、从灯泡端部到密封部前端的长度、密封玻璃的厚度)，并试图点亮时发现，因为封入灯中的水银量和灯的尺寸，常常产生未预料到的破裂。因此，在这些现有技术中看到的避免破裂的方法中，由于直至破裂的耐压性是定性的，所以相对灯的规格依然存在不能灵活地防止破裂的问题。由此，需要针对灯的内压定量地判断如何形成灯的形状其耐压性才足够的手段。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有的问题，在短弧光型放电灯中，将确定从据认为与破裂直接相关的灯泡端部到密封部的形状的玻璃构件的直径、从灯泡端部到密封部前端之间的尺寸以及密封玻璃的厚度与内压联系起来，通过优化这些关系，可良好地满足灯的上升特性、放射照度、寿命等诸特性，并且在灯点亮时的高压力工作中能够进行不会产生破裂的安全的点亮。

为了解决上述课题，在本发明中，将点亮时的内压为2.0～3.0MPa的短弧光型放电灯构成为，把从发光管球面的端部到密封部前端的尺寸设为L1(mm)，把密封用玻璃构件的直径设为D(mm)，把灯工作内压设为P(MPa)时，满足关系D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)。并且，在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2内，把密封玻璃的厚度t设为3.0mm≤t≤5.0mm。

通过如此构成，可以使短弧光型放电灯良好地满足上升特性、照度特性和寿命特性，并且长时间不破裂地安全点亮。

附图说明

图1是本发明的实施例中的短弧光型放电灯的概念图。

图2是从本发明的实施例中的短弧光型放电灯的发光管球面端部到密封部前端的局部放大概略图。

图3是静水压试验的实验系统的概略图。

图4是试验用的样品灯的规格表。

图5是样品灯中的颈部长度L1与密封部内径D的尺寸及样品数量的表。

图6是表示颈部长度L1、破裂压力和密封部内径D的关系的曲线图。

图7是破裂压力为2.0～3.0MPa的颈部长度L1与密封部内径D的关系曲线图中的截距和斜率的实验结果的表。

图8是表示输入功率为16kW的灯中对应于破裂压力2.0～3.0MPa的颈部长度L1与密封部内径D的关系的曲线图。

图9是表示L2范围中的密封玻璃的厚度与破裂压力的关系的曲线图。其中：

1发光管；2放电空间；3阴极电极；4阳极电极；5电极支撑棒；6密封玻璃；7第1密封用玻璃部构件；8第2密封用玻璃构件；9金属箔；10基座；11导线；12水槽；13水；14灯；15尖嘴部；16加压泵

具体实施方式

以下，参照图1～图9详细说明实施本发明的最佳方式。

(实施例)

本发明的实施例是一种点亮时的内压为2.0～3.0MPa的短弧光型放电灯，其在把从发光管球面的端部到密封部前端的尺寸设为L1(mm)，把密封用玻璃构件的直径设为D(mm)，把灯工作时的内压设为P(MPa)时，满足关系式D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)，在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2中，使密封玻璃的厚度t为3.0mm≤t≤5.0mm。

图1是本发明的实施例中的短弧光型放电灯的概念图。图2是短弧光型放电灯的阴极电极侧的局部放大概略图。在图1和图2中，发光管1是短弧光型放电灯的玻璃灯泡。放电空间2是封入了水银的放电用密闭空间。阴极电极3是负极侧的放电电极。阳极电极4是正极侧的放电电极。电极支撑棒5a是支撑阳极电极4的导体。电极支撑棒5b是支撑阴极电极3的导体。密封玻璃6是将发光管1气密密封的玻璃。密封用玻璃构件7是密封电极支撑棒与密封玻璃之间并且保持电极支撑棒的玻璃。密封用玻璃构件8是密封电极支撑棒与基座之间的部分的玻璃。金属箔9是将电极支撑棒与基座进行电连接的导体。基座10是通过金属箔将导线与电极支撑棒进行电连接，并且保持短弧光型放电灯用的导体。导线11是使电流流过短弧光型放电灯的导体。

在发光管1内配置一对由钨等高熔点金属构成的阴极电极3和阳极电极4。阴极电极3和阳极电极4分别由电极支撑棒5a和电极支撑棒5b支撑。配置有进而保持该电极支撑棒5a和电极支撑棒5b的第1密封用玻璃部件7和第2密封用玻璃部件8。金属箔9从电极支撑棒5b伸出。金属箔9配置在密封用玻璃构件8与密封玻璃6之间。利用这些构件密封发光管1。由此，在放电空间2和外部大气完全隔离的状态下，可以从外部向灯通电。

在实施例1中，除特别需要外，单单把第1密封用玻璃构件7作为密封用玻璃构件进行说明。并且，在图1中，阳极电极4侧的金属箔9仅表示其剖面形状。在放电空间2中封入有稀有气体和从可见波段到紫外波段具有高强度的发光光谱的水银等。在向各个极性的导线11施加直流电流时，在阳极电极4与阴极电极3之间产生弧光放电。在放电空间2中产生的光透过透光性发光管1的发光管球面部，发射所期望的紫外线。已知点亮时的内压由于内部温度和封入物的蒸气压等原因，是几Mpa量级的压力，所以作为发光管的材料多使用厚度约3mm的石英玻璃。

把与具有跟发光管1的表面球面部的曲率N1不同的曲率M2(在阳极侧为图1中记述的M1)的密封玻璃6的交点定义为发光管球面部的端部X1。此时，把从发光管球面部的端部X1到密封玻璃6和密封用玻璃构件7所致的密封部前端的长度设为L1(颈部长度L1)，把密封用玻璃构件7的直径设为D(密封部内径D)。在密封时，从发光管球面部的端部X1到密封玻璃6与密封用玻璃构件7的密封部，随着从灯泡端部接近于密封部侧，管径变小。此时，关于灯内部的形状，在把发光管1的内表面球面部的曲率设为N2、把L1的区域内的与发光管1内表面接近的面的曲率设为M4(在阳极侧为图1中记述的M3)、把L1的区域内的与密封用玻璃构件7接近的面的曲率设为M6(在阳极侧为图1中记述的M5)时，把M4与M6的交点定义为X2，把X1到X2的尺寸定义为L2。

说明如上所述构成的本发明的实施例中的短弧光型放电灯的详细的结构。对于从发光管球面的端部X到密封玻璃6和密封用玻璃构件7所致的密封部前端(接近于灯中心部的一侧)的距离L1、密封用玻璃构件7的直径D和灯内压力P，通过实验求出直至破裂时的定量关系。

在实验中，准备把从发光管球面的端部X到密封部前端的距离L1与密封用玻璃构件7的直径D的值设定为几种组合的样品灯，测定了破裂时的内压。并且，记录了这些尺寸与破裂压力的关系。改变灯内的内压的方法是通过在灯内浸水，借助于静水压向灯内施加压力来进行的。图3表示试验使用的实验装置系统。把装满水13的灯14浸泡在加入了水13的水槽12中，把灯的尖嘴(Tip)部作为入口，从加压用泵16施加水压。加压用泵16的压力是可变的，以6.0MPa/5min的升压速度进行了试验。

图4表示所使用的试验样品灯一览。使用接通功率为5～25kW的A型(5kW)～E型(25kW)的灯。发光管的最大球径(O.D.)是82～205mm。发光管球面的长轴方向的从端部到端部的总长(T.L.)为95.7～165mm。发光管的玻璃厚度(Thickness)为2.5～3.5mm。密封部的密封玻璃6的厚度(Thickness)为3.5～5.0mm。另外，在各个样品中，从发光管球面部的端部X1到密封部前端的距离L1、密封用玻璃构件7的直径D和试验个数如图5所示。就测试例的组而言，使用了两个样品。

把密封用玻璃构件7的直径D的值设定为20、25、30mm，把从发光管球面部的端部X1到密封部前端的距离L1设定为0、10、20、30、40mm，对接通功率为12kW的C型灯，求出颈部长度L1、密封部内径D和破裂压力的关系。图6是对密封用玻璃构件7的三种直径D，示出颈部长度L1(mm)与破裂压力(MPa)的关系的曲线图。从曲线图的曲线可知，密封部内径D的值越小，而且截至到一定长度的颈部长度L1的值越大，则灯破裂压力的值就越大。该曲线图仅是C型样品灯的一例，而对其他类型的灯，该定性评价结果也是相同的。

对于2.0MPa和3.0MPa的内部压力，在图4的A～E型灯样品中，当汇总发生破裂时的颈部长度L1与密封部内径D的关系并作成曲线图时，得到直线(一次函数)。根据该关系，把直线的斜率(D的增加量/L1的增加量)设为a，把直线图的截距设为b。把该曲线图称为临界L1-D关系曲线图。如果把A～E型灯样品的a和b汇总成表，则如图7所示。该表是破裂压力为2.0MPa～3.0MPa时的颈部长度L1与密封部内径D的关系曲线图(临界L1-D关系曲线图)中的截距和斜率的结果表。从该表可知，在各个破裂压力下，与灯的大小无关，临界L1-D关系曲线图具有大致相同的斜率和截距。

对于灯内压力为2.0MPa～3.0MPa，相对于压力的变化，临界L1-D关系曲线图的斜率和截距近似于呈线性变化。把临界L1-D关系曲线图的斜率设为a，把其截距设为b，把灯内压设为P。认为斜率a的平均值和截距b的平均值相对于内压具有线性关系(用线性近似所作的内插)。

斜率a的方程式为：

(2.0MPa时a的平均值)＝X×2.0(MPa)+Y

(3.0MPa时a的平均值)＝X×3.0(MPa)+Y

截距b的方程式为：

(2.0MPa时b的平均值)＝X’×2.0(MPa)+Y’

(3.0MPa时b的平均值)＝X’×3.0(MPa)+Y’

通过求解这些方程式，可以求出X、Y、X’、Y’。

其结果是，利用内压P可以把通用的斜率a和截距b表示如下：

a＝-0.38×P+1.79

b＝-3.32×P+24.3

因此，斜率a、截距b、内压P、密封用玻璃构件的直径D和从发光管球面的端部到密封部前端的距离L1的关系式可以表示如下：

D＝a×L1+b

＝(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)

图8是在2.0MPa和3.0MPa时绘制图7中的D型样品灯的颈部长度L1与密封部内径D的关系得到的代表性曲线图。由此，可以解释为位于直线上的点都是表示破裂的颈部长度L1和密封部内径D的值的点。实际上根据实验，在颈部长度L1和密封部内径D的值位于这些直线下部的区域的灯中，达不到破裂。因此，可以说如果在

D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)

的范围内，灯不会破裂。这一点在灯接通功率为5～25kW的灯中得到了确认，由此可知该结果适用于进入该范围的所有灯。

另外，为了调查从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2中的密封玻璃6的厚度与破裂之间存在何种关系，求出了从发光管球面端部X1到密封部前端的距离L1、使密封用玻璃构件7的直径D为恒定时的密封玻璃6的厚度和破裂压力的关系。把从发光管球面端部X1到密封部前端的距离L1设为30mm，把密封用玻璃构件7的直径D设为25mm时，对灯接通功率为5～25kW的样品灯(A～E型)，利用与上述静水压试验相同的原理，进行了使密封玻璃6的厚度在2.0～6.0mm之间变化时的破裂趋势试验。

图9表示破裂压力对应于从X1到X2的范围L2中的密封玻璃6的厚度的关系。根据该曲线图，在密封玻璃6的厚度小于3.0mm及超过5.0mm的范围中，破裂压力急剧下降的趋势变得明显。这可以说明如果处于L2范围中的密封玻璃6的厚度小于3.0mm，由于比与密封用玻璃构件熔接的密封玻璃6的厚度薄，所以密封部前端部中的机械强度降低，破裂时的灯内压降低。并且，在厚度超过5.0mm时，破裂时的灯内压降低被认为是因为通过增大密封玻璃6的厚度，相反通过使之厚于与密封用玻璃构件熔接的密封玻璃6的厚度，在密封部前端部或与发光管的连接根部，机械强度降低。因此，可以认为在从发光管球面端部X1到X2的范围L2中，把密封玻璃6的厚度设为t时，在3.0mm≤t≤5.0mm的定量范围中，抗破裂性最强。这一点在5～25kW级的灯尺寸中得到了确认，从而得知可以适用于进入该范围的所有灯。

另外，把从发光管球面端部X1到密封部前端的尺寸设为L1(mm)、把密封用玻璃构件的直径设为D(mm)、把灯工作内压设为P(MPa)时，假设D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)，在该范围内，在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2中，把密封玻璃6的厚度t设为3.0mm≤t≤5.0mm，设计点亮时的内压为2.0～3.0MPa的5～25kW的短弧光型放电灯，进行了实际点亮试验。并且，评价了灯的上升特性、照度特性和寿命等诸性能。其结果是，在长时间的点亮中，也能够确认稳定的灯特性，能够获得这些特性项目的满意结果。

如上所述，在本发明的实施例中，使点亮时的内压为2.0～3.0MPa的短弧光型放电灯的形状为，把从发光管球面端部到密封部前端的尺寸设为L1(mm)、把密封用玻璃构件的直径设为D(mm)、把灯工作内压设为P(MPa)时，使之满足关系D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)，在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的范围L2中，把密封玻璃的厚度t设为3.0mm≤t≤5.0mm，所以只要是5～25kW的短弧光型放电灯，灯的上升特性、照度特性和寿命特性就是良好的，就不会破裂。

本发明的短弧光型放电灯最适合作为半导体或液晶制造的曝光工序中的1kW以上的光源。

Claims (3)

1.一种短弧光型放电灯，在发光管内的放电空间配置阴极和阳极，

在所述放电空间内封入稀有气体和水银，使点亮时的灯内压力达到2.0MPa～3.0MPa，其特征在于，

把从所述发光管球面的端部到用密封用玻璃构件密封所述发光管的密封部前端的长轴方向上的间隔设为L1(m)，把所述密封用玻璃部构件的直径设为D(mm)，把点亮时的灯内压力设为P(MPa)，在构成所述密封部附近时使之满足关系D＜(-0.38×P+1.79)×L1+(-3.32×P+24.3)。

2.根据权利要求1所述的短弧光型放电灯，其特征在于，

在从发光管球面端部X1到灯内部表面的两个不同曲率的交点X2的

范围L2中，把封接所述密封用玻璃构件的密封玻璃的厚度t设为3.0mm≤t≤5.0mm。

3.根据权利要求2所述的短弧光型放电灯，其特征在于，

灯接通功率为5～25kW。

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