JP2005302392A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 大電流用であっても、封止管部に早期にクラックが生じることがなくて使用寿命の長い放電ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、内部に発光空間を有する発光管部とその両端に伸びるように繋がる封止管部とからなる封体と、封止管部の内部に埋設されたガラス部材と、封止管部から発光空間内へ向けて伸びる内部リードと、内部リードの発光空間側の先端に設けられた電極と、ガラス部材の発光空間と逆側の端面に面して配置された導電部材と、導電部材に電気的に接続され、封止管部から外部に突出する外部リードと、ガラス部材の外周をその長手方向に沿って配置され、一端が導電部材に電気的に接続され、他端が内部リードに電気的に接続された複数の金属箔と、を有する放電ランプにおいて、前記金属箔が、前記導電部材に接続される側であって、前記ガラス部材の外周に当接する部分において、長手方向に伸びる切り欠きを有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、放電ランプに関するものである。特に、１００Ａ以上の大電流用の放電ランプであって、例えば半導体露光装置、液晶露光装置等の紫外線光源として使用される放電ランプに関する。

上記分野において用いられる発光管内に多量の水銀が封入された大電流用の高圧放電ランプは、点灯時の水銀蒸気圧が非常に高く、また、発熱量も大きいものであるため、封止管部の耐熱性、耐圧性が大きいことが必要とされてきた。

このような事情により、従来の高圧放電ランプにおいては、電球の封体を形成している石英ガラスに給電用のリードを直接溶着して気密封止するといういわゆるロッドシール構造は採用せず、封着用の金属箔を用いたいわゆる箔シール構造が採用されている。

図８は、従来の放電ランプの箔シール構造を説明するための長手方向における断面図である。
箔シール用マウント５０は、柱状のガラス部材１と、円板状の導電板２と、円板状の導電部材３と、棒状の内部リード４と、棒状の外部リード５と、尖頭形状を有する柱状の陰極６と、内部リードを支持するための前方側保持用筒体８と、外部リードを支持するための後方側保持用筒体９と、金属箔１０とを備える。
ガラス部材１は、円錐台状のテーパー部１１と、これに続く円柱状の胴部１２とからなる。テーパー部１１の後述する発光空間Ｓ側の端面１３には導電板２が配置され、胴部１２の後述する発光空間Ｓと逆側の端面１４には胴部１２と概ね同径の円板状の導電部材３が配置されている。内部リード４は、前方側保持用筒体８の中央に設けられた貫通穴に挿通され、一端が導電板２に固定され、他端には陰極６が設けられている。ガラス部材１の周方向に互いに離間して、軸方向に伸びるように帯状の金属箔１０が、例えば６枚配置されている。図９に示すように各々の金属箔１０は、ガラス部材１の胴部１２に当接する部分の幅が長手方向にて概ね同一であり、ガラス部材１のテーパー部１１に当接する部分が、陰極６側に向かうにつれて幅が狭くなるテーパー形状となっている。このような形状の金属箔１０を用いることにより、皺の発生を防止することが知られている（特許文献１参照）。金属箔１０は、テーパー部１１の角部１１Ａに沿うように折り曲げられ、テーパー部１１の端面１３に当接して配置された導電板２に沿って概ね９０°折り曲げられ、内部リード４の形状に沿うように凹部が形成された前端部１０１を内部リード４に当接させた状態で導電板２に接続される。金属箔１０の後端部１０２は導電部材３に、例えばスポット溶接によって接続されている。外部リード５は、後方側保持用筒体９の貫通穴に挿通され、一端が後方側保持用筒体９に隣接配置された導電部材３に当接して電気的に接続され、他端が後方側保持用筒体９から突出している。

上記マウント５０を、例えば石英ガラスからなる封体２０の封止管部２１内に、陰極６が発光管部２２内の発光空間Ｓに配置されるように挿入配置した状態で、封体２０を回転させながら封止管部２１の外周から加熱を行うことによって、封止管部２１の内周とガラス部材１の外周とを金属箔１０を介して気密に溶着させる。そして、封止管部２１における前方側保持用筒体８と対向する部分の石英ガラスを加熱押圧するか、或いは封止管部２１内を減圧状態として、封止管部２１と前方側保持用筒体８とを溶着させることにより、小径部２３を形成する。また、封止管部２１と後方側保持用筒体９と対向する部分の石英ガラスを溶着させる。以上により、箔シール構造を採用した放電ランプＲが構成される。
尚、図８においては、陰極側についてのみ説明しているが、陽極側においても、内部リード４の先端に柱状の陽極７が設けられていることを除く他の構成は陰極６側と同じである。

近年、上記分野においては、スループット向上のため、放電ランプの高出力化が要求されており、放電ランプに投入される電流量が増加する傾向にある。
ここで、放電ランプの許容電流量は金属箔の大きさで決定されるが、箔の厚さは限定されるため、箔の枚数と幅で決定される。すなわち、許容電流量を増やすには箔の枚数を増やすか、或いは箔の幅を大きくすることにより、箔１枚当たりの電流密度が許容範囲内となるよう調整する必要があるが、箔の枚数を過剰に増やすと、上記マウントを製作するための工数が増加するため好ましくない。そこで、電流密度を調整するための方法として、箔の幅を大きくすることで箔の枚数を最小限に抑えることが好ましい。
実用新案登録第２５８３３１７号公報

しかしながら、図８に示す構造によると、封止管部２１とガラス部材１とを金属箔１０を介して溶着させる際に、金属箔１０において、後端部１０２を起点として長手軸Ｘに沿って皺が生じることが判明した。さらには、金属箔１０の幅を大きくするに従って、前記皺が一層長いものになり、皺の先端部が導電板２に接近することが判明した。そして、上記のような長い皺が生じた状態でランプを点灯させると、皺が生じた部分はガラス部材１と金属箔１０とが密着していないため、放電ランプＲの外部の空気が外部リード５と後方側保持用筒体９との間及び後方側保持用筒体９と導電部材３との間を通過して皺の先端部にまで侵入することになる。その結果、ランプ点灯時に金属箔１０が高温の空気に曝されて酸化し、金属箔１０の体積が増加することによって封止管部２１に応力がかかり、点灯を開始してから早期に封止管部２１にクラックを生じる、という問題が発生した。

本発明は、以上のような背景に基いて完成されたものであって、大電流用であっても、封止管部に早期にクラックが生じることがなくて使用寿命の長い放電ランプを提供することを目的とする。

本発明は、内部に発光空間を有する発光管部とその両端に伸びるように繋がる封止管部とからなる封体と、封止管部の内部に埋設されたガラス部材と、封止管部から発光空間内へ向けて伸びる内部リードと、内部リードの発光空間側の先端に設けられた電極と、ガラス部材の発光空間と逆側の端面に面して配置された導電部材と、導電部材に電気的に接続され、封止管部から外部に突出する外部リードと、ガラス部材の外周をその長手方向に沿って配置され、一端が導電部材に電気的に接続され、他端が内部リードに電気的に接続された複数の金属箔と、を有する放電ランプにおいて、前記金属箔が、前記導電部材に接続される側であって、前記ガラス部材の外周に当接する部分において、長手方向に伸びる切り欠きを有することを特徴とする。

さらに、前記切り欠きは、前記導電部材に接続される側の先端において開口部を有することを特徴とする。

さらに、前記切り欠きは、その端縁がナイフエッジ状であることを特徴とする。

本発明によれば、金属箔の後端部に切り欠きを有するため、封体の内部にマウントを挿入配置して封止管部の内周とガラス部材の外周とを金属箔を介して溶着させる作業の際に、金属箔にかかる力を緩和させることができ、金属箔に皺が発生することをなくし又は最小限に抑制できる。その結果、ランプ点灯時に金属箔が高温の空気に曝されることにより酸化することを確実に防止又は抑制できるため、点灯を開始後早期に封止管部にクラックが生じるという問題を良好に解決でき、長寿命の放電ランプを提供することができる。

以下、図１〜図４により本発明の放電ランプの実施形態について説明する。図８と同一部分については同一符号で示し説明は省略する。図１は、本発明の金属箔を説明するための図である。図２は、本発明の放電ランプを図８に示すＡ−Ａ´線にて切断した断面図を示す。図３は、本発明の金属箔と導電部材との接合部分を示す図である。図４は、本発明の金属箔を図１に示すＢ−Ｂ´線にて切断した断面図である。

図１に示すように、本発明の金属箔１００は、凹部が形成された前端部１０１側に向かうにつれて幅が狭くなるテーパー部１０３が形成され、後端部１０２には、開口部１０４を有する略三角形状の切り欠き１０５が形成されている。
本発明の放電ランプは、図８に示す金属箔１０に替えて金属箔１００を使用するものである。前端部１０１と導電板２及び後端部１０２と導電部材３との接続は金属箔１０の場合と同じである。図２に示すように、金属箔１００は、ガラス部材１の周方向に概ね等間隔にて６枚配置されている。金属箔１００の枚数は、ランプ電流、ガラス部材１の外径、箔１００の幅等に応じて適宜決定される。図３に示すように、金属箔１００は、後端部１０２が導電部材３に例えばスポット溶接により固定され、ガラス部材１の胴部１２に当接するように配置されている。図４に示すように、切り欠き１０５の端縁１０６、１０７は、ナイフエッジ状に形成されている。

以下、本発明の放電ランプに係る数値例を説明するが、本発明の効果は以下の数値例を有するランプに限って得られるものではない。
金属箔１００は、例えばモリブデン、タンタル、もしくはモリブデンとタンタルとからなる合金等からなり、全長が３０〜１００ｍｍ、後端部１０２における幅Ｔが５ｍｍ〜２０ｍｍ、厚みが０．０１０ｍｍ〜０．１ｍｍである。切り欠き１０５の長さをＤとすると、ＤはＴ／３〜Ｔの範囲であることが好ましく、具体的には１．６ｍｍ〜２０ｍｍである。また、切り欠き１０５は、後端部１０２における幅Ｌが０．１ｍｍ〜２ｍｍ、角度θが０．６°〜１７°である。

発光管部２２内には、発光物質として水銀が、例えば１ｍｇ／ｃｃ〜１００ｍｇ／ｃｃ、より好ましくは１ｍｇ／ｃｃ〜５０ｍｇ／ｃｃ封入されるとともに、バッファガスとしてキセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、もしくはこれらの混合ガスが１３００Ｋ（ケルビン）における発光管部２２内の水銀蒸気圧を加えた内圧が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａとなるように封入される。発光管部２２内にて対向する陰極６と陽極７との距離は２ｍｍ〜４０ｍｍである。本発明の放電ランプは、不図示の外部回路によって、発光管部２２の両端に繋がる封止管部２１から突出している両方の外部リード５に給電することにより、陰極６と陽極７との間で絶縁破壊して放電を開始することによって点灯するものであり、点灯条件を挙げるとランプ電流が１０Ａ〜３００Ａ、入力電力が１kＷ〜１００kＷである。点灯方向は原則として垂直方向であるが、水平方向にて点灯させることを排除するものではない。

以上のような本発明の放電ランプによると、マウント５０を封体２０の内部に挿入し、金属箔１００を介して封止管部２１の内周とガラス部材１の外周とを溶着させる作業を行う際に、金属箔１００に皺が発生することがない。その理由を以下に図５を用いて説明する。図５は、溶着作業時においてマウントが挿入配置された封体を長手軸Ｘ方向から見た正面図である。

図８に示す従来の構造の放電ランプにおいては、前述した封止管部２１へガラス部材１を溶着させる作業は、図５に示すように内部にマウント５０を挿入配置した封体２０を回転させながら封止管部２１の外周面をバーナーで加熱することにより行っているため、金属箔１０は封体２０を回転させる方向に従って、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆの順に封止されていくことになる。そして、溶着される順番が後の方の金属箔（例えば１０Ｅ、１０Ｆ）を溶着する頃には、例えば順番が前の方の金属箔（例えば１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）を溶着させる際にバーナーの熱によって溶融した封止管部２１の内周面を構成する石英ガラスが流れ込んで金属箔１０Ｅ、１０Ｆをずらそうとする力を受ける場合がある。このような力を受けた場合には、金属箔１０の固定されている前端部１０１もしくは後端部１０２から離れた場所である中央部１０８近傍では可動自在であるため力を緩和させることができる。ところが、後端部１０２は導電部材３によって固定されて不動であり上記のような力を緩和させることができないため、後端部１０２の近傍では皺が発生するものと考えられる。

これに対し、本発明の放電ランプは、後端部１０２に切り欠き１０５を有することにより可動性が増し、上記のような溶着作業の際に金属箔１００に加わる力を緩和させることができるため、金属箔１００の後端部１０２の近傍に皺が発生することをなくし又は最小限に抑制できる。切り欠き１０５においては、封止管部２１の内周とガラス部材１の外周とが密着することにより気密が保たれている。その結果、ランプ点灯時に金属箔１００が高温の空気に曝されることにより酸化することを確実に防止又は抑制することができ、点灯を開始後早期に封止管部２１にクラックが生じるという問題を良好に解決することができる。このような効果は、金属箔１００が切り欠き１０５を有するからこそ良好に発揮されるのである。

尚、本発明の放電ランプによると、金属箔１００の前端部１０１近傍には皺が発生するおそれはある。しかし、後端部１０２近傍にさえ皺が発生しなければ、仮に前端部１０１近傍に皺が発生したとしても高温の空気が入り込む余地はないため、金属箔１００が酸化することによって封止管部にクラックが生じることはなく問題はない。

以下、図６、７を用いて本発明の他の実施形態を説明する。図６は本発明の金属箔の他の実施形態を説明するための図である。図７は封止管部において発光空間と逆側の端部近傍の拡大断面図である。

図６（ａ）に示すように金属箔１００の後端部１０２には、方形状の切り欠き１１１が形成されており、切り欠き１１１は開口部１１２を有する。図６（ｂ）に示すように金属箔１００の後端部１０２には、図６（ａ）に示す切り欠き１１１の先端に丸みを持たせた切り欠き１２１が形成されている。図６（ｃ）に示すように金属箔１００には、線状の切り欠き１３１が形成されている。このような構造の金属箔１００を用いることによっても、金属箔１００に加わる力を緩和することができ、金属箔１００の後端部１０２の近傍に皺が生じるという問題の発生を抑制することができるので、点灯を開始後早期に封止管部２１にクラックが発生することを良好に防止できるという効果が得られる。

図６（ｄ）に示すように金属箔１００の後端部１０２には、略三角形状の切り欠き１０５が３箇所に形成されている。図６（ｅ）に示すように金属箔１００の後端部１０２には、線状の切り欠き１３１が３箇所に形成されている。切り欠き１０５若しくは１３１を複数箇所に形成する場合は、箔幅及び後端部１０２における切り欠きの幅を考慮してその数を適宜選択することができる。このような構造の金属箔１００を用いた場合には、後端部１０２における見かけの幅が小さくなることにより可動性が増し、上記した溶着作業の際に金属箔１００に加わる力を緩和する効果が増すので、上記と同じ効果が得られる。

さらに、以上説明した実施形態によると金属箔には開口部を有する切り欠き形成しているが、本発明は必ずしもこの形態に限るものではなく、図６（ｆ）に示すように金属箔１００の後端部１０２の近傍に開口部のない楕円穴状の切り欠き１４１を形成しても良い。切り欠き１４１は、三角形状穴、方形状穴としても良い。このような構造の金属箔１００を用いた場合にも、従来のような切り欠きを有しない構造の金属箔１０を用いた場合と比較して金属箔１００に加わる力を緩和することができるので、上記と同じ効果が得られる。

尚、以上説明した実施形態によると、ガラス部材１の胴部１２と同径の導電部材３を用いる形態について説明されているが、図７に示すようにガラス部材１の胴部１２と異なる径を有する円板上の導電部材３０を用いることもできる。金属箔１００の後端部１０２の固定部分は、ガラス部材１の胴部１２と同径の導電部材３を用いた場合は図３、８に示すように導電部材３との溶接部がとなるが、ガラス部材１の胴部１２と異なる径の導電部材３０を用いた場合は胴部１２と導電部材３０との段差部分Ｃとなる。図７に示す形態において、金属箔１００には、段差部分Ｃからガラス部材１の胴部１２に沿って切り欠きが形成されるようにすることが望ましい。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。

〔放電ランプの作製〕
図８に示す構成に従って本発明の放電ランプを作製した。この放電ランプの構成は以下に示す通りである。
封体２０は、石英ガラスからなり、全長が９０ｍｍ、内容積が２．２×１０^５ｍｍ^３（２２０ｃｃ）であり、発光管部２１の外径が８０ｍｍ、封止管部２１の外径が３３ｍｍ、内径が２７ｍｍである。発光管部２１の内部には、水銀が２７００ｍｇ、キセノンガスが１３００Ｋにおける水銀蒸気圧を加えた内圧が０．９９ＭＰａとなるように封入されている。
陰極６は、タングステンよりなり、最大外径が１０ｍｍ、全長が１８ｍｍである。陽極７はタングステンよりなり、最大外径が２５ｍｍ、全長が４０ｍｍである。陰極６と陽極７との間隔は７．５ｍｍである。
ガラス部材１は、石英ガラスからなり、テーパー部１１の全長が１３ｍｍ、テーパー部１１の最小外径が１３ｍｍ、テーパー部１１の最大外径が２３ｍｍ、胴部１２の全長が２７ｍｍ、胴部１２の外径が２３ｍｍである。
金属箔１００は、モリブデンからなり、図１に示す略三角形状の切り欠き１０５を１箇所に有し、全長が６４ｍｍ、幅Ｔが８ｍｍ、厚みが０．０３ｍｍである。金属箔１００の枚数は陰極６側、陽極７側のいずれの側も６枚である。切り欠き１０５は、端縁１０６、１０７がナイフエッジ状になっており、長さＤが５ｍｍ、後端部１０２における幅Ｌが０．８ｍｍ、角度θが９°である。
導電部材３は、タングステンからなり、外径が２３ｍｍ、厚みが４ｍｍの円板形状を有する。

金属箔に切り欠きを有しないこと以外は本発明の放電ランプと同じ構造を有する比較用の放電ランプを作製した。

これらの放電ランプをランプ電流が１００Ａ、入力電力が４ｋＷの点灯条件で点灯させ、封止管部にクラックが発生するまでの時間（ランプ寿命ともいう）を測定した。
その結果、比較用の放電ランプは、点灯を開始してから７００時間後に封止管部２１にクラックが発生した。これに対し、本発明の放電ランプは点灯を開始してから２５００時間後に封止管部２１にクラックが発生した。本発明の放電ランプの使用寿命が大幅に延びた理由は、本発明の放電ランプは比較用の放電ランプと比較して金属箔１０の後端部１０２に生じる皺の長さが短くなり、点灯時に高温となる発光空間Ｓの付近にまで空気が侵入することが抑制されるため、金属箔１０に触れる空気の温度が低下した影響によるものと考えられる。

本発明の金属箔を説明するための図である。 本発明の放電ランプを図８に示すＡ−Ａ´線にて切断した断面図である。 本発明の導電部材と金属箔との接合部分を説明するための図である。 本発明の金属箔を図１に示すＢ−Ｂ´線にて切断した断面図である。 溶着作業時においてマウントが挿入配置された封体を長手軸Ｘ方向から見た正面図である。 本発明の金属箔の他の実施形態を説明するための図である。 封止管部において発光空間と逆側の端部近傍の拡大断面図である。 従来の放電ランプの箔シール構造を説明するための長手方向における断面図である。 従来の金属箔を説明するための図である。

符号の説明

１ ガラス部材
２ 導電板
３ 導電部材
４ 内部リード
５ 外部リード
６ 陰極
７ 陽極
８ 前方側保持用筒体
９ 後方側保持用筒体
１０ 金属箔
１１ テーパー部
１２ 胴部
２０ 封体
２１ 封止管部
２２ 発光管部
１００ 金属箔
１０５ 切り欠き

Claims (3)

1. 内部に発光空間を有する発光管部とその両端に伸びるように繋がる封止管部とからなる封体と、封止管部の内部に埋設されたガラス部材と、封止管部から発光空間内へ向けて伸びる内部リードと、内部リードの発光空間側の先端に設けられた電極と、ガラス部材の発光空間と逆側の端面に面して配置された導電部材と、導電部材に電気的に接続され、封止管部から外部に突出する外部リードと、ガラス部材の外周をその長手方向に沿って配置され、一端が導電部材に電気的に接続され、他端が内部リードに電気的に接続された複数の金属箔とを有する放電ランプにおいて、
   前記金属箔は、前記導電部材に接続される側であって、前記ガラス部材の外周に当接する部分において、長手方向に伸びる切り欠きを有することを特徴とする放電ランプ。
2. 前記切り欠きは、前記導電部材に接続される側の端部において開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記切り欠きは、ナイフエッジ状の端縁を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電ランプ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images