JP2009211879A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

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Abstract

【課題】電極を保持する芯線と該芯線に設けられた第1の金属板とを溶接する場合に、該溶接部にクラックが生じても、電気抵抗が高くなり、局所的な発熱の無いショートアーク型高圧放電ランプを提供する。
【解決手段】一方の端に該電極を保持する芯線の他方の端に溶接された第1の金属板と、該第1の金属板を挟んで筒状体に対向するように配置された柱状体と、柱状体の側面に密着し一方の端部が該第1の金属板に溶接された複数の金属箔と、を持つショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記第1の金属板は、中央部に穴部が設けられ、該穴部に該芯線の他方の端が挿入され、該第1の金属板の、一方の面の該穴部の周方向、および、他方の面の該穴部の周方向の各々に沿って、該芯線と溶接された溶接部を持ち、各々の溶接部の間であって、該穴部の内側と該芯線の外周との間に、導電性部材が配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

この発明は、ショートアーク型高圧放電ランプに関する。更に詳しくは、半導体や液晶等の製造時に用いられる紫外線光源であるショートアーク型の放電ランプや、映写機や舞台照明に用いられるキセノンランプ等、の封止部構造に特徴を持つショートアーク型高圧放電ランプに関する。
従来から半導体や液晶等の製造工程では、紫外線光源として、ショートアーク型の放電ランプが多く用いられている。該ショートアーク型の放電ランプは、放電空間内部に水銀と希ガスを封入し、水銀からの発光を利用した紫外線光源である。一方、映写機や舞台照明等に用いられるキセノンランプは、放電空間内部にキセノンガスを高圧で封入し、キセノンからの発光を利用した可視光域に強い光を放射するショートアーク型の高圧放電ランプである。該ショートアーク型の放電ランプや、キセノンランプに代表される高圧放電ランプを以下、ショートアーク型高圧放電ランプと称する。
該ショートアーク型高圧放電ランプでは、希ガス等の封入された放電空間を気密に保つために、モリブデン(Mo)等から成る金属箔を用いた箔シール構造を採用した封止部が設けられている。また、該封止部には、電極に連接する芯線の一方の端に溶接された円盤状の金属板が設けられており、該金属板に前記金属箔が溶接されている。該金属板と該金属箔との間の溶接は、一般的に抵抗溶接法を用いて溶接している。しかし、該金属板と該芯線との溶接では、この材料の持つ熱容量が大きい等のために、抵抗溶接法による溶接では無く、これらの材料間にロウ材を介して接続する手法が採られている。特に、該ショートアーク型高圧放電ランプにおいては、高温に対する耐久性の観点から材料が選択されており、具体的には、タングステン(W)から成る該芯線とMoから成る該金属板との接続に、ロウ材として白金(Pt)を用いて溶接している。
しかし、該芯線と該金属板とをロウ材にPtを用いて溶接する場合、該芯線と該金属板との双方を該Ptが溶融するまでの温度に加熱する必要がある。このため、金属板に仕様されているMoが熱により再結晶化し、機械的強度が低下し、該金属板が割れる等の不具合が発生していた。また、この傾向は、該ショートアーク型高圧放電ランプへの入力電力が高くなり、電極の形状が大型化するに伴って、顕著になってきた。
そこで、該芯線と該金属板との接続にロウ材としてPtを用いる方法に代えて、電子ビームやレーザ光照射により該芯線と該金属板とを局所的に溶融することで直接溶接する方法が開発された。このような技術としては、例えば、特開2007−115498号公報が知られている。該公報によれば、該金属板の略中央部に形成された穴部に、該芯線の一方の端を挿入し、該芯線と該金属板の一方の面とに、例えば、レーザ光を照射し、溶接している。以下、図6に、このような従来のショートアーク型高圧放電ランプの構成を表す概略断面図を示す。
図6−a)は、従来のショートアーク型高圧放電ランプ100の概略断面図であって、放電空間を形成するバルブ部101と、該バルブ部101の両端に突出する封止管部102と、該バルブ部101の内部に対向配置された一対の電極である陽極103、陰極104と、から構成されている。また、該封止管部102は、一方の端に該陽極103または該陰極104を保持した芯線105、該芯線105に溶接された金属板106、該芯線105が貫通し該金属板106に略当接するように配置された石英ガラス製の筒状体107、該筒状体107と該金属板106を挟んで対向するように配置された石英ガラス製の柱状体108、該柱状体108の側面に密着配置され該金属板106に溶接されたMo製の金属箔109、該金属箔109の他端を溶接した第2の金属板110、該第2の金属板110に接続され該封止管部102から外部に導出された外部リード棒111、該外部リード棒111が貫通する外部リード保持用筒体112、該柱状体108の側面に密着配置された該金属箔109を該柱状体108と挟み込み封着するガラス製管状体102aと、から構成されている。
また、図6−b)に示したのは、該芯線105と該金属板106との溶接部を拡大した説明用拡大図である。同図には、該芯線105の外周に配置された該金属板106が、溶接部114、115によって該芯線105に溶接された様子を示している。ここで、該金属板106は、円盤状であり、その略中央部に円形の穴部113が設けられている。該穴部113には、該芯線105の一方の端が挿入され、該金属板106の一方の面側から、例えば、レーザ光を照射し、該芯線105と該金属板106とが該穴部113の周方向に沿って溶接される。このレーザ光の照射によって、該芯線105と該金属板106の一部が溶融し接合された溶接部114、115を形成している。また、このように該金属板106の両面に該溶接部114、115を形成する場合、該金属板106の厚みによっては、該芯線105と該金属板106との間に溶融されない部分が発生し、この溶融されない部分が微小空間118を形成している。
ところで、該ショートアーク型高圧放電ランプ100に対しては、市場からは更なる高出力化が望まれている。これらの要求に応えるために、該ショートアーク型高圧放電ランプ100への入力電力は高くなり、電極形状も更に大型化してきた。これに伴い、該ショートアーク型放電ランプ100の該芯線105と該金属板106との溶接部114、115に、ランプ輸送時の振動等に伴うストレスが加わり、該溶接部114、115にクラックが生じるといった現象が発生した。該クラックの発生によって、ランプ点灯時に該溶接部114、115の電気抵抗が高くなる。このように電気抵抗が高くなった該溶接部114、115に、高い電流を流すことで、該溶接部114、115が局所的に発熱し、異常加熱された該溶接部114、115自身が再度溶融して、該金属板106から該芯線105が欠落するという問題が発生した。また、該溶接部114、115周辺も加熱され、更に電気抵抗が高くなるといった悪循環を繰り返すことで、投入電力が熱として消費されることになる。これにより、例えば、該ショートアーク型高圧放電ランプ100への入力電力を定電力制御とすれば、発光に寄与する電力が、熱として消費される電力分だけ低下し、結果として、同じ入力電力で点灯してもランプ照度が低下する、といった問題が発生する。
特開2007−115498号公報
このような問題を鑑み、この発明が解決しようとする課題は、ショートアーク型高圧放電ランプにおいて、一方の端に電極を保持する芯線と該芯線の他端に設けられた金属板とをレーザ光等により溶接する場合に、該溶接部にクラックが生じても、点灯中に該溶接部の電気抵抗が高くなり、局所的に発熱することがなく、該金属板から該芯線が欠落することが無いショートアーク型高圧放電ランプを提供することにある。
この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、放電空間を形成するバルブ部と、該バルブ部の両端に突出する封止管部と、を持ち、該バルブ部内には、一対の電極が対向配置されており、該封止管部には、該封止管部の外表面を覆うガラス製管状体と、該ガラス製管状体内に配置され一方の端に該電極を保持する芯線と、該芯線の他方の端に溶接された第1の金属板と、該芯線が貫通し、該第1の金属板と対向するように配置された筒状体と、該第1の金属板を挟んで該筒状体に対向するように配置された柱状体と、該柱状体の側面に密着するように配置し、一方の端部が該第1の金属板に溶接された複数の金属箔と、該金属箔の他端に溶接された第2の金属板と、該第2の金属板に接続され該封止管部から外部に導出した外部リード棒と、が配置されているショートアーク型高圧放電ランプにおいて、前記第1の金属板は、中央部に穴部が設けられ、該穴部に該芯線の他方の端が挿入され、該第1の金属板の、一方の面の該穴部の周方向、および、他方の面の該穴部の周方向の各々に沿って、該芯線と溶接された溶接部を持ち、各々の溶接部の間であって、該穴部の内側と該芯線の外周との間に、タンタル(Ta)、または、モリブデン(Mo)からなる導電性部材が配置されたことを特徴とする。更には、同構成に加えて前記導電性部材は、箔状、または、線状の部材であることを特徴とする。
本発明のショートアーク型高圧放電ランプは、該芯線と該第1の金属板との溶接部分に、運搬時の振動等によって、クラックが発生しても、該第1の金属板に設けられた穴部の内側と該芯線の外周との間に、Ta、または、Moからなる導電性部材が配置されているので、該第1の金属板と該芯線との双方に該導電性部材が同時に接触しているので、該溶接部分の電気抵抗が高くなること無く、一定レベルの抵抗値に保つことができる。結果として、該溶接部が局所的に発熱することによる該第1の金属板からの該芯線の脱落や、異常な発熱による電力消費にともなうランプ照度の低下といった不具合の発生が抑制される。更には、該導電性部材が箔状、または、線状の部材であるので、容易に変形でき、取り扱いが簡便であると共に、該部材自身が容易に塑性変形し、該芯線と該金属板との接触性を向上できる、といった利点がある。
本発明のショートアーク型高圧放電ランプは、放電空間を形成するバルブ部の両端に突出する封止管部に配置された芯線と第1の金属板との溶接部にクラックが発生しても、該溶接部の抵抗値が上昇すること無く、一定レベルの抵抗値に保つことが出来るように、該第1の金属板の中心部に形成された穴部の内側と、該芯線の外周面との間に、Ta、または、Moから成る導電性部材が該芯線と該第1の金属板との双方に接触するように配置したものである。このような配置とすることにより、該溶接部の抵抗値が一定レベル以上に上昇することが無く、結果として、該溶接部が局所的に加熱されず、該第1の金属板からの該芯線の脱落や、ランプ照度の劣化等の不具合が抑制できる、といった効果がある。
図1に本発明の第1の実施例を示す。図1−a)は、本発明のショートアーク型高圧放電ランプの略断面図を表したものである。該ショートアーク型高圧放電ランプ1は、放電空間を形成するバルブ部11と、該バルブ部11の両端に突出する封止管部12と、該バルブ部11の内部に対向配置された一対の電極である陽極13、陰極14、とから構成されている。また、該封止管部12は、一方の端に該陽極13または該陰極14を保持した芯線15、該芯線15に溶接された第1の金属板16、該芯線15が貫通し該第1の金属板16に略当接するように配置された石英ガラス製の筒状体17、該筒状体17と該第1の金属板16を挟んで対向するように配置された石英ガラス製の柱状体18、該柱状体18の側面に密着配置され該第1の金属板16に溶接されたMo製の金属箔19、該金属箔19の他端を溶接した第2の金属板20、該第2の金属板20に接続され該封止管部12から外部に導出された外部リード棒21、該外部リード棒21が貫通する外部リード保持用筒体22、該柱状体18の側面に密着配置された該金属箔19を該柱状体18と挟み込み封着するガラス製管状体12aと、から構成されている。
次に、図1−b)には、図1−a)に示した該ショートアーク型高圧放電ランプ1の該芯線15と該第1の金属板16との溶接部を拡大した説明用拡大図を示す。該芯線15の外周に配置された該第1の金属板16が、溶接部24、25によって該芯線15に溶接されている。ここで、該第1の金属板16は、円盤状であり、その略中央部に円形の穴部23が設けられている。該穴部23には、該芯線15の一方の端が挿入され、該第1の金属板16の一方の面側から、例えば、レーザ光を照射し、該芯線15と該第1の金属板16とが該穴部23の周方向に沿って溶接される。このレーザ光の照射によって、該芯線15と該第1の金属板16の一部が溶融し接合された溶接部24、25を形成している。また、該芯線15の外周面と該第1の金属板16の該穴部23の内面の間であって、該溶接部24、25で囲まれる部分には、金属箔26が該芯線15と該第1の金属板16の双方に接触するように配置されている。これにより、該溶接部24、25にクラック等が生じても、該金属箔26によって、該芯線15と該第1の金属板16とが電気的に接続され、一定レベルの抵抗値を保つことができるといった利点がある。結果として、該溶接部24、25が局所的に発熱することによる該第1の金属板16からの該芯線15の脱落や、異常な発熱による電力消費にともなうランプ照度の低下といった不具合の発生が抑制される。
尚、本実施例では、該芯線15を該第1の金属板16に挿入した一方の面とは反対側に位置する他方の面側に該芯線15の端部が突出する場合を示したが、その形態は、種々の形態を採ることができる。例えば、該芯線15の端部が該他方の面側から突出せず同じ面とすることもできる。また、該第1の金属板16に挿入する側の該芯線15の径が細く、該第1の金属板16の一方の面側に続く側は太くなる段形状を採ることもできる。
次に、図2は、本発明の第1の実施例に示した該芯線15と該第1の金属板16とを接合している部分の作製方法の一例を示したものである。図2のa)からf)までが、作製時の各工程を示している。a)は、該芯線15であって、その先端にはテーパー状部31が設けられている。b)は、該芯線15の外周を覆う為の金属箔32である。該金属箔32は、例えば、厚み50μm、幅10mm、長さ22mmとなるようにMo製金属箔を切断したものである。c)が示しているのは、該芯線15のテーパー状部31に該金属箔32を巻き付けた状態のものを該第1の金属板16に設けられた穴部23に挿入する前の状態である。d)は、該芯線15を該第1の金属板16に挿入した後の状態を示す図である。この段階では、該金属箔32は、該第1の金属板16の一方の面33、および、他方の面34の各々の側に、はみ出した部分35がある。e)は、該第1の金属板16に設けられた穴部23の周方向に沿って、レーザ光を照射し、溶接している状態を示している。f)は、該芯線15と該第1の金属板16とがレーザ光により溶接された完成品を示している。このような手順により、図1−b)に示した該芯線15の外周面と該第1の金属板16の該穴部23の間であって、該溶接部24、25に囲まれる領域にMoから成る金属箔26の少なくとも一部が該芯線15と該第1の金属板16の双方に接触するように接続される。尚、該はみ出した部分35は、レーザ光照射後に脱落、または、該はみ出した部分35全体が溶融し、溶接部24、25の一部になっている。
図3には、本発明の第1の実施例における効果確認実験の方法について示す。本発明の第1の実施例に示した該溶接部24、25に振動を加えるために、擬似的に図3−a)に示す試料台40を用いた。すなわち、該芯線15の先端に電極、例えば該陽極13を保持し、他端には該第1の金属板16を溶接した擬似試験サンプル41を作製する。該擬似試験サンプル41の該第1の金属板16を囲むような金属製の試料台40に該芯線15を差し込み保持し、固定する。ここで、44は、石英ガラス製の筒状体であり、該芯線15が挿通されている。この試料台40を振動試験機40aにセットして、加速度0.5G、振動周波数10〜40Hzで振動試験を1時間行なった。尚、該擬似試験サンプル41としては、芯線の長さ100mm、芯線径約φ8mm、先端に保持した電極は外径φ38mm、長さ45mmの電極(重さ約300g)を用いた。
次に、この振動試験後の該擬似試験サンプル41を図3−b)に示す抵抗測定装置42にて電気抵抗を測定し、該振動試験前の抵抗値と比較した。該抵抗測定装置42としては、該擬似試験サンプル41の芯線部15を保持部品43で保持し、石英ガラス製の筒状体44を挟んで、該第1の金属板16の外周部を第2の保持部品45で保持する。保持部品43と第2の保持部品45との間には、シャント抵抗46を挟んで最大出力100Aの定電流電源47が接続されている。また、該シャント抵抗46の間には電圧計48が並列接続されている。この回路により、定電流電源47から該芯線15に電流を流し、該第1の金属板16と該芯線15とで消費される電圧を測定する。また、別系統の回路として、該第1の金属板16の外周と該芯線15の端部との間にテスター49を入れた直列回路を組み抵抗値を測定する。
試験用には、該擬似試験サンプル41と従来の形態である比較用サンプルを準備した。両サンプル共、芯線径は約φ8mm、該第1の金属板の厚みは2mmのものを用いた。レーザ光照射により溶接した部分の溶接強度は両サンプル共5000Nであった。該擬似試験サンプル41の振動試験前の電気抵抗値は0.02ミリオーム(mΩ)であり、該振動試験後(1時間振動後)の電気抵抗には、変化が見られず、0.02mΩであった。同擬似試験サンプル41を更に振動試験(更に49時間振動後)にかけた後に同じ方法で電気抵抗を測定したが、電気抵抗値は振動試験前と変わらず、0.02mΩであった。一方、比較サンプル50として、該芯線15と該第1の金属板16との間に金属箔等の導電性部材を介在しないサンプル(従来品)で振動試験前後の電気抵抗値を測定した。同比較サンプル50でも、振動試験前の電気抵抗値は0.02mΩであった。しかし、該振動試験後(1時間振動後)の電気抵抗値は2mΩと上昇していた。また、該擬似試験サンプル41、該比較サンプル50共に、該溶接部近傍には振動試験によりクラックが発生していた。
図4は、本発明における該金属箔26が挟み込まれた該芯線15と該第1の金属板16のテーパー状部31の種々の形状をa)〜d)までに示している。各々の図は、点線の右側が溶接前の形態を示しており、点線の左側が溶接後の形態を表している。a)は、該芯線15にテーパー状部31が設けられている例である。これにより、該芯線15と該第1の金属板16との間であって、溶接部24、25に挟み込まれた該金属箔26が確実に該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触することができるという利点が発生する。b)は、該第1の金属板16側に該テーパー状部31が設けられている。これにより、該芯線15と該第1の金属板16との間であって、溶接部24、25に挟み込まれた該金属箔26が確実に該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触するといった利点に加えて、該第1の金属板16に設けられた穴部23の加工時に該テーパー状部31を形成できるので余分な工程が必要ないという利点も有る。c)は、該芯線15、および、該第1の金属板16の双方にテーパー状部31が設けられた例である。これにより、該芯線15と該第1の金属板16との間であって、溶接部24、25に挟み込まれた該金属箔26が確実に該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触するといった利点に加えて、接触面積を広く確保でき、電気抵抗をより低く保つことができるといった利点が発生する。d)は、該芯線15、該第1の金属板16の双方ともにテーパー状部31を設けていない例である。このような場合でも、挟み込む金属箔26の厚みや枚数を調整することにより、十分な電気抵抗を確保することができる。尚、a)〜c)までと同様に図d)中では、15は該芯線、16は該第1の金属箔、24、25は該溶接部、26は該金属箔を示している。
図5には、本発明におけるその他の実施例として、図1−b)に示した該芯線15と該第1の金属板16との間に挟み込む該金属箔26の形状を示す。図5−a)は、該芯線15と該第1の金属板16の該穴部23内面と該溶接部24、25とによって囲まれる部分の一部に該金属箔51が設けられ、微小空間52が残存している場合である。このような場合であっても、該金属箔51の一部が該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触していれば、一定レベルの抵抗値を確保でき、該溶接部24、25が異常発熱する等の不具合が回避できる。図5−b)は該金属箔51の代わりにMoやTaからなる金属線53を該芯線15に巻き付けた場合を示している。この場合でも、該金属線53の少なくとも一部が該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触していれば、金属箔51の場合と同様の効果を得ることができる。図5−c)に示すのは、該芯線15の軸方向に直交する面から見た断面図である。該芯線15に対して、該金属箔51が該芯線15の外周全体を覆うのでは無く、略C字形状に配置されており、該芯線15と該第1の金属板16との間に微小空間52が形成されている。このような略C字形状に該金属箔51を配置し、微小空間52が形成された場合であっても、該金属箔51が該芯線15と該第1の金属板16との双方に接触していれば、一定レベルの抵抗値を確保でき、溶接部が異常発熱する等の不具合を回避できる、といった利点がある。
この発明のショートアーク型高圧放電ランプの概略を示す断面図。 この発明の芯線と金属板との間に金属箔を挟み込む作製手順を示す説明図。 この発明の効果を確認する実験方法を説明する説明図。 この発明の芯線と金属板との溶接部の形態を示す拡大断面図。 その他の実施例における芯線と金属板との溶接部の形態を示す拡大断面図。 従来のショートアーク型高圧放電ランプの概略を示す断面図。
符号の説明
1 ショートアーク型高圧放電ランプ
11 バルブ部
12 封止管部
12a ガラス製管状体
13 陽極
14 陰極
15 芯線
16 第1の金属板
17 筒状体
18 柱状体
19 金属箔
20 第2の金属板
21 外部リード棒
22 外部リード保持用筒体
23 穴部
24 溶接部
25 溶接部
26 金属箔
31 テーパー状部
32 金属箔
33 一方の面
34 他方の面
35 はみ出した部分
40 試料台
40a 振動試験機
41 擬似試験サンプル
42 抵抗測定装置
43 保持部品
44 筒状体
45 第2の保持部品
46 シャント抵抗
47 定電流電源
48 電圧計
49 テスター
50 比較サンプル
51 金属箔
52 微小空間
53 金属線
100 ショートアーク型高圧放電ランプ
101 バルブ部
102 封止管部
102a ガラス製管状体
103 陽極
104 陰極
105 芯線
106 金属板
107 筒状体
108 柱状体
109 金属箔
110 第2の金属板
111 外部リード棒
112 外部リード保持用筒体
113 穴部
114 溶接部
115 溶接部
116 一方の面
117 他方の面
118 微小空間

Claims (2)

  1. 放電空間を形成するバルブ部と、
    該バルブ部の両端に突出する封止管部と、
    を持ち、
    該バルブ部内には、一対の電極が対向配置されており、
    該封止管部には、
    該封止管部の外表面を覆うガラス製管状体と、
    該ガラス製管状体内に配置され一方の端に該電極を保持する芯線と、
    該芯線の他方の端に溶接された第1の金属板と、
    該芯線が貫通し、該第1の金属板と対向するように配置された筒状体と、
    該第1の金属板を挟んで該筒状体に対向するように配置された柱状体と、
    該柱状体の側面に密着するように配置し、一方の端部が該第1の金属板に溶接さ
    れた複数の金属箔と、
    該金属箔の他端に溶接された第2の金属板と、該第2の金属板に接続され該封止
    管部から外部に導出した外部リード棒と、
    が配置されているショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
    前記第1の金属板は、
    中央部に穴部が設けられ、該穴部に該芯線の他方の端が挿入され、
    該第1の金属板の、一方の面の該穴部の周方向、および、他方の面の該穴部の周方向の各々に沿って、該芯線と溶接された溶接部を持ち、
    各々の溶接部の間であって、該穴部の内側と該芯線の外周との間に、タンタル
    (Ta)、または、モリブデン(Mo)からなる導電性部材が配置されたことを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
  2. 前記導電性部材は、箔状、または、線状の部材であることを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
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