DE69501615T3

DE69501615T3 - Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp

Info

Publication number: DE69501615T3
Application number: DE69501615T
Authority: DE
Inventors: Osamu Himeji-shi Inoue; Toshiyuki Himeji-shi Shima
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2015-11-30
Also published as: JP3077538B2; EP0715339A3; US5712530A; DE69501615T2; EP0715339B2; EP0715339A2; KR100374234B1; JPH08153488A; TW317977U; DE69501615D1; EP0715339B1; KR960019473A

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche als Lichtquelle einer Halbleiter-Belichtungsvorrichtung oder einer Flüssigkristall-Anzeige-Herstellungsvorrichtung verwendet wird.
Bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp sind im allgemeinen in der Leuchtröhre zwei Elektroden mit einem kleinen Abstand dazwischen zueinander gegenüberliegend angeordnet. Eine derartige Lampe wird in Kombination mit einem optischen System als Lichtquelle für eine Belichtungsvorrichtung verwendet, weil ihre Emission sehr ähnlich jener einer Punktlichtquelle ist.
Die Elektroden weisen jedoch während des Leuchtbetriebs eine hohe Temperatur auf. Wenn in der Leuchtröhre Verunreinigungsgase, wie Sauerstoff, Kohlendioxidgas und dergleichen, beigemengt sind, werden daher an den Spitzenteilen der Elektroden, welche die höchste Temperatur erreichen, Oxyd- und Karbid-Stoffe erzeugt, welche innerhalb der Leuchtröhre verdampft werden. Die verdampften Stoffe haften an der Innenseite der Leuchtröhre. Die bewirkt eine Schwärzung und somit bei der Belichtungsvorrichtung oder dgl. eine Absenkung der Beleuchtungsintensität auf der bestrahlten Fläche. Ferner tritt infolge der Verdampfung und Verformung der Spitzenteile der Elektroden eine Abweichung der Lichtbogen-Leuchtflecke auf.
Es wird daher zum Absorbieren der Verunreinigungsgase innerhalb der Leuchtröhre an einem Anschlußstift, welcher die Elektrode abstützt, ein Getter angeordnet. Es gibt bestimmte Metalle, welche für dieses Getter verwendet werden. Typische Metalle, welche gegenwärtig für eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp verwendet werden, sind Zirkonium und Tantal. Insbesondere weist Tantal eine relativ hohe Betriebstemperatur von 700°C bis 1200°C auf, bei welcher es als Getter funktioniert. Es weist ferner einen niedrigen Dampfdruck auf und war daher optimal für eine Lampe dieses Typs, bei welcher die Temperatur innerhalb der Leuchtröhre hoch wird.
US-A-3,621,322 offenbart eine Hochdruck-Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp mit einer Leuchtröhre mit einem Paar Elektroden, die zueinander gegenüberliegend angeordnet sind. Beide Elektroden weisen gesinterte Körper auf, die aus 20 bis 90% Gewichtsteilen Tantalkarbid und aus 80 bis 10% Gewichtsteilen zumindest eines Metalls aus der Gruppe von Tungsten, Rhenium, Molybdän und Tantal bestehen, und der Stützstab einer von ihnen ist mit einer Gettering-Wicklung aus Ta-Draht von 0,5 mm Durchmesser versehen, welche auf den Stab geschoben ist.
Entsprechend der Verkleinerung der Größe der Belichtungsvorrichtung wurde in letzter Zeit die Forderung nach einer Verkleinerung der Quecksilberlampengröße immer häufiger. Beim Erfüllen dieser Forderung kann ein Ansteigen der Temperatur innerhalb der Leuchtröhre nicht vermieden werden. Folglich konnte der Temperaturbereich, in welchem das Tantal als Getter wirkt, d. h., 700° bis 1200°C, innerhalb der Leuchtröhre nicht vorgesehen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gut geeignete Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp zu schaffen, bei welcher Tantal Vereinreinigungsgase in ausreichendem Maß absorbieren kann, auch wenn die Innenseite der Leuchtröhre eine sehr hohe Temperatur erreicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp wie in Anspruch 1 beansprucht gelöst.
Die erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Tantal linienförmig oder schichtartig (6, Bezugszeichen 90) ist, und dadurch, daß es durch Schweißen, Ofenlöten oder Kleben angebracht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem dadurch gelöst, daß der jeweilige Anschlußstift mit der von ihm abgestützten Elektrode einteilig ausgeführt ist.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß Tantal unter bestimmten Bedingungen noch die Getter-Wirkung aufweist, auch wenn seine Temperatur größer als oder gleich der Obergrenze der Temperatur ist, bei welcher Tantal normalerweise als Getter verwendet wird (konkret Temperaturen größer als oder gleich 1300°C).
Dies wurde bestätigt. Infolge der Tatsache, daß die Lampe selbst auf eine vorher nie dagewesene Größe verkleinert wurde, und die Temperatur innerhalb der Leuchtröhre erhöht wurde, wurde nämlich der Temperaturbereich des Tantals, welcher bis dahin nie in Frage gestellt wurde, erneut überprüft.
Die Erfinder haben als Ergebnis herausgefunden, daß im Fall einer Tantal-Temperatur von mindestens 1300°C die Anbringungsstelle an dem Anschlußstift und das Verhältnis zwischen der Elektrode und dem Anschlußstift eine wichtige Rolle spielen, und daß die Getter-Wirkung ohne besondere Festlegung der Anbringungsstelle des Tantals an dem Anschlußstift, wie bei einer herkömmlichen Lampe, nicht erzielt werden kann.
Das bedeutet, sie haben herausgefunden, daß das Tantal in einer neuen, erstmals konzipierten Verwendungsform Verunreinigungsgase absorbieren kann, auch wenn seine Temperatur größer als oder gleich 1300°C ist (konkret im Temperaturbereich von 1300°C bis 1700°C liegt), wobei 1300°C herkömmlicherweise als die höchste Temperatur betrachtet wurde, bei welcher die Getter-Wirkung erzielt werden kann.
Das Konzept der neuen Verwendungsform bedeutet hier vor allem ein Festlegen des Verhältnisses zwischen dem Außendurchmesser der Elektrode und dem Außendurchmesser des Anschlußstiftes. In diesem Fall, geht es darum, zu verhindern, daß die in den Elektroden erzeugte Hitze auf einfache Weise zu den Anschlußstiften übertragen wird, und einen plötzlichen Temperaturanstieg der Anschlußstifte zu unterdrücken. Konkret ist es erforderlich, daß das Verhältnis des Außendurchmessers der Elektrode zu dem Außendurchmesser des Anschlußstiftes größer als oder gleich 1,3 ist.
Ferner wird zusätzlich zu dieser Bedingung die Anbaustelle des Tantals an dem Anschlußstift festgelegt, wobei konkret die Bedingung 0,2 ≤ (D2/D1)²/L < 0,5 erfüllt ist, wo L der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und einem Ende des Tantals an der Lichtbogenseite ist, D1 der Außendurchmesser des Anschlußstiftes ist und D2 der Außendurchmesser der Elektrode ist.
Durch Anbringen des Tantals an dem Anschlußstift unter Erfüllung dieser zwei Bedingungen kann seine Temperatur innerhalb des Bereichs von 1300°C bis 1700°C stabilisiert werden.
Bei einer Ausführungsform wird die Herstellung der Lampe, d. h. die Montage der Elektroden auf einfache Weise durchgeführt und die Handhabung vereinfacht, weil das Tantal linienförmig oder schichtartig ist. Durch eine derartige Form des Tantals kann ferner bei einer Befestigung an dem Anschlußstift der Anschlußstift mit Tantal umwickelt und ein relativ einfacher Aufbau durchgeführt werden. Zusätzlich wird das Tantal an dem Anschlußstift fest angebracht, wobei so keine Positionsabweichung auftritt, weil die Befestigung durch Schweißen oder Kleben hergestellt wird.
Bei einer weiteren Anordnung wird durch die Maßnahme, durch welche der Anschlußstift mit der jeweiligen Elektrode, welche von ihm abgestützt wird, einteilig ausgeführt wird, der Nachteil der verbleibenden Verunreinigungsgase beseitigt, weil nämlich im Unterschied zum Einstecken des Anschlußstiftes in die Elektrode zwischen der Elektrode und dem Anschlußstift kein Hohlraum mehr vorhanden ist.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbin dung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, welche nur beispielhaft einige erfindungsgemäße Ausführungsformen zeigen.
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp;
2 zeigt schematisch eine Elektrode der erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp mit Tantal, welches an dem Anschlußstift angebracht ist.
3 veranschaulicht graphisch das Verhältnis zwischen der Temperatur des Tantals und seiner Getter-Wirkung;
4 ist eine graphische Darstellung von Kurven, welche das Verhältnis zwischen der Temperatur des Tantals und der Verdampfung des Elektrodenmaterials veranschaulicht;
5 zeigt graphische Kurven, welche das Verhältnis zwischen der Tantal-Temperatur und der Bestrahlungsdichte darstellt; und
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Elektrode der erfindungsgemäßen Quecksilberlampe, bei welcher das Tantal schichtartig auf dem Anschlußstift angebracht ist.
1 veranschaulicht schematisch eine erfindungsgemäße Quecksilberlampe A vom Kurzbogentyp, welche als Lichtquellenvorrichtung, beispielsweise für eine Halbleiter-Belichtungsvorrichtung oder dgl. verwendet wird.
In der Zeichnung weist die Lampe A einen ungefähr ovalen Kolben 1 auf. Innerhalb des Kolbens 1 befinden sich eine Anode 2 und eine Kathode 3, die von einem jeweiligen Anschlußstift 4, 5 abgestützt werden. Diese Anschlußstifte 4, 5 werden an jeweilige Metallfolien 6, 7 angeschlossen. Der Kolben 1 weist ferner einen Rest eines Auslaßrohres 8 auf.
Der anodenseitige Anschlußstift 4 ist mit Tantaldraht 9 umwickelt. Nachdem der Anschlußstift 4 mit diesem Tantaldraht 9 umwickelt wurde, wird der Tantaldraht 9 durch örtliche Schweißung befestigt. Das Tantal muß nicht nur drahtförmig sein, sondern ein Innenanschluß kann mit folienförmigem Tantal umwickelt werden.
Bei dieser Lampe A wird ein sogenannter Blitz-Leuchtbetrieb durchgeführt, bei welchem, beispielsweise ein Betrieb mit einem Leistungsverbrauch von 700 W wiederholt abwechselnd mit einem Betrieb mit einem Leistungsverbrauch von 1000 W durchgeführt wird. Im Leerlauf mit dem 700 W-Leistungsverbrauch betragen die Leuchtspannung 44 V und der Leuchtstrom 16A, während im Blitzzustand mit einem 1000 W-Leistungsverbrauch die Leuchtspannung 45 V beträgt und der Leuchtstrom 25A beträgt.
Der Abstand zwischen den Elektroden der Lampe A beträgt beispielsweise 2,9 mm und das Innenvolumen des Kolbens beträgt beispielsweise 13,4 cc. Innerhalb des Kolbens werden beispielsweise 45,5 mg/cc Quecksilber und 26,7 kPa (200 Torr) Argon als Edelgas eingekapselt.
Nachfolgend werden die Elektrode, der Anschlußstift und das an dem Anschlußstift angebrachte Tantal beschrieben.
2 zeigt schematisch eine Anode der Lampe A in 1, den Anschlußstift, welcher sie abstützt, und den Tantal draht 9, welcher an dem Anschlußstift 4 angebracht ist. Die Anode 2 weist einen Außendurchmesser D2 von 8 mm, einen Durchmesser von 3 mm des flachen Endes der Anodenspitze 2a und einen Winkel von ca. 85° einer Kegelstumpfform auf, die sich zwischen dem Außendurchmesser D2 und der Spitze 2a erstreckt. Die Länge der Anode 2 beträgt in ihrer Längsrichtung 15 mm. Diese Anode 2 besteht aus Wolfram.
Der Anschlußstift 4 weist einen Außendurchmesser 1 von 4 mm auf, ist aus Wolfram und einstückig mit der Anode 2 hergestellt. Das heißt, der Anschlußstift 4 bildet einen einteiligen Aufbau mit der Anode 2. Wie vorangehend beschrieben wurde, wird der Tantaldraht 9 an dem Anschlußstift 4 an einer Stelle befestigt, welche in einem Abstand L von der Spitze 2a der Anode 2 liegt, wobei der Abstand L von dem Lichtbogenseitenende 9a des Tantals 9 (dem Ende am Anfang der Wicklung) gemessen wird und 15 mm beträgt.
Das heißt, die Konstruktion wurde ausgeführt, so daß die folgenden Verhältnisse zwischen D1, D2 und L erfüllt sind: (1) D2/Dl ≥ 1,3
und zugleich (2) 0,2 ≤ (D2/D1)2/L ≤ 0,5
(Versuch 1)
Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei welchem das Verhältnis zwischen der Temperatur des Tantaldrahtes und seinem Getter-Wirkung untersucht wurde.
3 zeigt Versuchsdaten des Aufrechterhaltungsgrades der Bestrahlungsdichte (d. h. der Prozentsatz der ursprüngli chen verbleibenden Strahlungsdichte) nach 1000 Stunden Leuchtbetrieb, wobei die Befestigungsstelle und die Temperatur des Tantaldrahtes geändert wurden. Bei diesem Versuch wurde die gleiche Lampe wie die Lampe A in 1 verwendet. Die Temperatur des Tantaldrahtes wurde dadurch festgelegt, daß der Abstand zwischen der Anodenspitze und dem Ende des Tantaldrahtes auf der Lichtbogenseite verändert wurde und die Temperatur des Lichtbogenseitenendes (9a) als Temperatur des Tantaldrahtes bezeichnet wurde.
Aus 3 wird ersichtlich, daß innerhalb eines Temperaturbereichs des Tantaldrahtes von 1300° bis 1700°C auch nach 1000 Stunden Leuchtbetrieb mindestens 95% Aufrechterhaltungsgrad der Bestrahlungsdichte erhalten wurde und die Verunreinigungsgase innerhalb des Kolbens vorteilhafterweise gefangen wurden. Wenn jedoch die Temperatur des Tantaldrahtes höher als 1700°C ist, nimmt der Aufrechterhaltungsgrad der Bestrahlungsdichte akut ab. Dies zeigt, daß durch Festlegen der Temperatur des Tantaldrahtes in dem Bereich von 1300°C bis 1700°C die Getter-Wirkung auf vorteilhafte Weise erhalten wird.
(Versuch 2)
Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei welchem das Verhältnis zwischen der Temperatur des Tantaldrahtes und der Verdampfung des Elektrodenmaterials untersucht wurde. 4 zeigt die Ergebnisse. Bei diesem Versuch wurde die Verdampfung des Elektrodenmaterials durch eine resultierende Erweiterung des Abstandes zwischen den Elektroden gemessen.
Für diesen Versuch wurden zwei Lampen verwendet, bei welchen bei der einen die Temperatur des Tantaldrahtes 1500°C betrug und bei der anderen die Temperatur des Tantaldrahtes 2000°C betrug.
Die Ergebnisse dieses, Versuchs zeigen, daß bei einer Lampe mit einer Temperatur des Tantaldrahtes von 1500°C (Kurve a) auch nach 2000 Stunden Leuchtbetrieb die Erweiterung des Abstandes zwischen den Elektroden kleiner als oder gleich 0,2 mm ist, und daß eine Verdampfung des Elektrodenmaterials unterdrückt wird.
Andererseits wird es bei einer Lampe mit einer Temperatur des Tantaldrahtes von 2000°C (Kurve b) deutlich, daß nach 2000 Stunden Leuchtbetrieb die Erweiterung des Abstandes zwischen den Elektroden größer als oder gleich 0,3 mm ist, und daß das Elektrodenmaterial heftig verdampft wurde.
Das heißt, daß aus diesem Versuch ersichtlich wird, daß das Tantal die Verunreinigungsgase innerhalb des Kolbens auf vorteilhafte Weise fängt und eine Verdampfung des Elektrodenmaterials unterdrückt, wenn die Temperatur des Tantaldrahts 1500°C beträgt.
(Versuch 3)
Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei welchem das Verhältnis zwischen der Temperatur des Tantaldrahtes und dem Aufrechterhaltungsdraht (%) der Bestrahlungsdichte im Verlauf der Zeit untersucht wurde. 5 zeigt die Ergebnisse.
Für diesen Versuch wurden dieselben zwei Lampen wie bei dem Versuch 2 verwendet, bei welchem bei der einen der Lampen die Temperatur des Tantaldrahtes 1500°C und die Temperatur des Tantaldrahtes bei der anderen 2000°C betrug.
Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, daß bei einer Lampe mit einer Temperatur des Tantaldrahtes von 1500°C (Kurve a1) auch nach 2000 Stunden Leuchtbetrieb noch immer mindestens 90% des Aufrechterhaltungsgrades der Bestrah lungsdichte erhalten (wobei die Bestrahlungsdichte am Anfang des Leuchtbetriebs mit 100% bezeichnet wird), und somit eine gute Bestrahlungsdichte aufrechterhalten wird.
Andererseits wird bei einer Lampe mit einer Temperatur des Tantaldrahts von 2000°C (Kurve b1) ersichtlich, daß nach 2000 Stunden Leuchtbetrieb der Aufrechterhaltungsgrad der Bestrahlungsdichte bei kleiner als oder gleich 90% liegt, was anzeigt, daß das Ende der Lebensdauer vorzeitig erreicht wurde.
Das heißt, es wird auch aus diesem Versuch deutlich, daß die Verunreinigungsgase innerhalb des Kolbens von diesem Tantaldraht gefangen werden und somit die Verdampfung des Elektrodenmaterials unterdrückt wird, weil die Temperatur des Tantaldrahts 1500°C beträgt und somit im Bereich von 1300° bis 1700°C liegt. Wenn daher diese Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp in eine Belichtungsvorrichtung eingebaut wird, erhöht sich der Aufrechterhaltungsgrd der Beleuchtungsintensität des Bestrahlungslichtes.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann bei der erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp durch Festlegen des Verhältnisses zwischen dem Außendurchmesser der Elektrode und dem Außendurchmesser des Anschlußstiftes und durch Festlegen der Stelle, an welcher der Innenanschluß mit Tantal umwickelt wird, die Temperatur des Tantals innerhalb des Bereichs von 1300° bis 1700°C aufrechterhalten und eine gute Getter-Wirkung erhalten werden.
Die Wirkung der Erfindung kann ferner ungeachtet der Tatsache, ob es die Anode oder die Kathode ist, die unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen mit dem Tantal umwickelt ist, erhalten werden.
Die Erfindung kann für eine Quecksilberlampe mit einem Leistungsverbrauch von 500 W bis 5 kW weit verbreitet angewendet werden. Sie wird jedoch unter anderem insbesondere für eine Lampe mit einem Leistungsverbrauch von 1 kW bis 2 kW verwendet.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht nur auf die anhand des Ausführungsbeispiels in 1 beschriebene Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp beschränkt, welche eine in etwa ovale Leuchtröhre aufweist, sondern kann für eine herkömmliche Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp mit einer in etwa kugelförmigen Leuchtröhre oder einer Leuchtröhre in Form eines Rugbyballs verwendet werden.

Claims

Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Leuchtröhre mit einem innerhalb der Leuchtröhre gegenüberliegend angeordneten Elektrodenpaar (2, 3) aufweist, wobei jede der Elektroden (2, 3) eine einstückige Elektrode ist, welche von einem jeweiligen Anschlussstift (4, 5) abgestützt ist, und am Anschlussstift (4, 5) einer der Elektroden (2, 3) Tantal vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden folgenden Bedingungen zugleich erfüllt sind: D2/D1 ≥ 1,3 und 0,2 ≤ (D2/D1)2/L ≤ 0,5 wobei D1 ein Außendurchmesser des Anschlussstifts (4) ist, D2 ein Außendurchmesser der von diesem Anschlussstift (4) gestützten Elektrode (2) ist, und L ein Abstand in mm zwischen einer Spitze einer der Elektroden (2) und dem am Anschlussstift (4) einer dieser Elektroden (2) vorgesehenen Tantal ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tantal an dem Anschlussstift (4) einer der Elektroden (2) durch Schweißen oder Abdichten angebracht ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tantal drahtförmig (9) ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tantal lagenähnlich (90) geformt ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Anschlussstift (4, 5) einteilig mit der jeweiligen Elektrode (2, 3), welche von ihm abgestützt wird, ausgebildet ist.