JP2010067431A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】大型で点灯圧力が高い放電ランプであっても、簡便かつ安全な手段により水素を良好に除去し、チラツキのない放電ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】発光管内部に一対の電極と、水素ゲッターを有する放電ランプにおいて、
前記水素ゲッター４は、水素透過性を有する金属よりなる容器４１と、該容器の内部に封入された水素吸収能を有する金属よりなる水素吸収体４２を具備し、該水素吸収体４２は、該容器４１の内壁に溶融固着していることを特徴とする放電ランプ。
【選択図】図１

Description

本発明は放電ランプに係わり、特に半導体ウエハ、液晶ガラス基板、プリント基板、カラーフィルタなどの露光用光源、あるいは映画館などのスクリーンに対し映像を投影するための画像投影用光源として使用される放電ランプに関する。

従来から、ショートアーク型水銀放電ランプは、半導体や液晶やプリント基板など各種の露光工程における紫外線光源として用いられている。近年では、液晶基板やカラーフィルタの露光工程において、露光面積の大型化や高スループット化がなされている。
また、ショートアーク型キセノン放電ランプは、映写機などにおいて可視光の光源として用いられる。

図１０は、従来の水銀を封入した放電ランプの概略構成図である。
放電ランプ１の発光管１０は石英ガラスよりなり、略球状の発光部１１と、発光部１１内に形成された空間Ｓと、発光部１１の両端に形成された側管部１２を具備する。空間Ｓ内には、一対の電極をなす電極本体１３Ｃと、電極本体１３Ａとが対向配置され、放電ガスが封入される。電極本体１３Ｃと電極本体１３Ａとを各々支持する電極芯棒１４は、側管部１２から外部に突出する外部リード（不図示）に電気的に接続されて外部から給電される。
空間内の電極本体１３Ｃまたは電極本体１３Ａを支持する電極芯棒１４の周囲にタンタルワイヤーよりなるゲッター用金属１５が直接取り付けられる。ゲッター用金属１５の材料はタンタルであり、酸素、二酸化炭素等の不純物を吸蔵して捕捉することができる（特許文献１）。

また、従来から水素を取り除くためのゲッター用金属としては、水素吸蔵量の多いイットリウムを利用した水素ゲッターが知られている（特許文献２）。
上記文献では、放電容器内に設置された、タンタル等の水素透過性を有する金属よりなる金属外皮に被覆され、内部にイットリウム等の水素ゲッター材料を有する、水素ゲッターが取り付けられた高圧気体放電灯が開示されている。
図１１は、上記文献に係る放電ランプにおける水素ゲッターの断面図である。水素ゲッター５は、タンタル等の金属製である有底円筒５１と蓋５３とからなるよりなる金属外皮と、その内部に密封された円筒状のイットリウムよりなる水素吸収体５２から構成されるゲッター複合体である。
上記の放電ランプにおける水素ゲッターによれば、有底円筒５１の鍔部５１２と蓋５３とが溶接されることによって、金属外皮の内部が密封され、発光空間内の水素は、タンタル等の水素透過性を有する金属外皮を通じて内部に侵入し、水素吸収体５２に吸蔵される。したがって、内部に密封されたイットリウムは、金属外皮によって被覆されているので発光空間内の他の物質と反応することなく水素を吸蔵することができる。
特許３０７７５３８ 特公Ｓ５７−２１８３５

近年、ランプが大型化するにともなって露光面における時間的照度変動が大きくなるチラツキという問題が顕著になった。この問題について、本発明者らは鋭意検討した結果、空間内の水素濃度が関係しているとの知見を得た。発光空間内に水素が放出される過程は次のように推測される。

これらの放電ランプは、石英ガラスを、酸水素バーナーを用いて加熱加工することでランプの発光管を形成する。その加熱加工の際に、石英ガラス中に水や水素が溶解する。そして、ランプ点灯中、発光管の温度が５００℃以上の高温となるために、その溶解した水素や水が不純ガスとして発光管内に放出される。すなわちランプが大型化すると、発光管から放出される水や水素も増加する。しかしながら従来のタンタルゲッターでは、取り除くべき水素の量に比して、水素吸蔵量が充分ではなかったと考えられる。
例え水素吸蔵量を十分なものにするためにゲッター用金属を増量しようとしても、タンタルの水素吸蔵量は小さいので、その重量が膨大になってしまい、ランプの内部に設置することはできない。
一方、イットリウムは、その水素吸蔵量が多いものであるが、水銀と反応してしまうために、特許文献２に記載してあるように金属外皮等の保護手段が必要となる。それに加え、放出される水素量の増加に伴い、その重量もある程度増加させる必要があるため、イットリウムを覆う金属外皮も大型化する。
金属外皮が大型化して表面積が増大すると、金属容器自体が受ける圧力も増大する。さらには、点灯時の内圧が高いランプにおいては、その問題は顕著となる。しかも、水素ゲッターは速やかに水素を吸蔵しなければならないので、水素透過速度を維持するために、金属外皮の厚みを一定以上にすることは出来ない。その結果、金属外皮は圧力に耐え切れず、破損することとなるという問題があった。
以上により本発明は、大型で点灯圧力が高い放電ランプであっても、簡便かつ安全な手段により水素を良好に除去し、チラツキのない放電ランプを提供することを目的とする。

本発明は、発光管内部に一対の電極と、水素ゲッターを有する放電ランプにおいて、前記水素ゲッターは、水素透過性を有する金属よりなる容器と、該容器の内部に封入された水素吸収体を具備し、該水素吸収体は、容器の内壁に溶融固着していることを特徴とする。

また、本発明は、前記容器は、少なくとも一端に封止部を有する管状部材であり、該封止部近傍の内壁は前記水素吸収体が溶融固着していることを特徴とする。

また、本発明は、前記容器は、タンタル、モリブデンもしくはニオブ、またはこれらのいずれかを含む金属であることを特徴とする。

また、本発明は、前記水素吸収体は、イットリウムもしくはジルコニウム、またはこれらのいずれかを含む金属であることを特徴とする。

本発明によれば、発光管内部に一対の電極と、水素ゲッターを有する放電ランプにおいて、前記水素ゲッターは、水素透過性を有する金属よりなる容器と、該容器の内部に封入された水素吸収体を具備し、該水素吸収体は、容器の内壁に溶融固着している。
これらの構成により、容器内部に水銀を侵入させることなく水素が導入され、水素を吸蔵することが出来る。さらに、容器の内壁に溶融固着した水素吸収体が、容器の封止部を補強して耐圧性を高めることができる。したがって、高い圧力がかかったとしても破損の心配がなく、多量の水素を吸蔵してランプのチラツキを低減することができる。

また、本発明によれば、前記容器は、少なくとも一端に封止部を有する管状部材であり、該封止部近傍の内壁は前記水素吸収体が溶融固着しているので、簡便な製法により、耐圧性の良い、取り付けに便利な水素ゲッターをランプの発光部内に導入でき、水素による放電ランプのチラツキを低減することができる。

また、本発明によれば、前記容器は、タンタル、モリブデンもしくはニオブ、またはこれらのいずれかを含む金属であるので、ランプ点灯中の発光管内部の高温において溶融することなく、容器内部に水素を良好に透過させて導入することができる。
また、水銀を封入したランプにおいては水銀と反応することなく、容器内部に水素を透過させて導入することができる。

また、本発明によれば、前記水素吸収体は、イットリウムもしくはジルコニウム、またはこれらのいずれかを含む金属であるので、十分な水素吸蔵力を発揮して発光管内の水素を吸蔵することができる。

以下に、本発明について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る放電ランプの概略構成図である。
放電ランプ１の発光管１０は石英ガラスよりなり、内部に空間Ｓを有する略球状の発光部１１と、発光部１１の両端に連続して形成される略柱状の側管部１２を具備する。発光部１１の内部の空間Ｓには、電極本体１３Ｃを具える陰極と電極本体１３Ａを具える陽極とよりなる対向配置された電極と、水銀と、アルゴン、クリプトン、もしくはキセノンを含む希ガスが封入される。

空間内に封入される水銀量は、空間の内容積当り、１ｍｇ／ｃｍ^３から６５ｍｇ／ｃｍ^３の範囲であり、例えば３５ｍｇ／ｃｍ^３含まれる。希ガスの封入量は、２．５×１０^４Ｐａから５×１０^５Ｐａの範囲であり、例えば８×１０^４Ｐａである。

陰極本体１３Ｃおよび陽極本体１３Ａは、例えばタングステンよりなり、各々が電極芯棒１４に支持される。電極芯棒１４の周囲には水素ゲッター４が配置される。
電極芯棒１４は、管軸に沿って側管部１２より突出し、他極側の電極芯棒１４とほぼ同軸に位置する。電極芯棒１４の基端側（先端とは反対側）は側管部１２内で図示略の導電部材、外部に突出するリード棒に電気的に接続され、給電される。

陰極本体１３Ｃは電極芯棒１４よりも大径の略円柱状であり、先端は円錐台状により構成されている。陰極本体１３Ｃは、電極芯棒１４を嵌合することで支持してもよいし、これら陰極本体１３Ｃおよび電極芯棒１４を一部材により一体に形成してもよい。
陽極本体１３Ａは電極芯棒１４よりも大径の略円柱状であり、先端は円錐台状や略砲弾型により構成されている。陰極同様に、陽極本体１３Ａは、電極芯棒１４を嵌合することで支持してもよいし、これら陽極本体１３Ａおよび電極芯棒１４を一部材により一体に形成してもよい。

電極芯棒１４の外周には、直管状の水素ゲッター４が周方向に並んで複数配置されており、ワイヤー１６が巻き付けられて電極芯棒１４に固定されている。なお、水素ゲッター４を発光部内に取り付けることができれば、取り付け方法はこの方法に限られるものではない。

図２は、本発明にかかる水素ゲッターの図であり、(ａ）は水素ゲッターを真上と真横の異なる二方向から見た概略図、（ｂ）は水素ゲッター４を軸ＰＡに沿って切断し、真横から見た断面概略図である。
図２（ａ）に示すように、水素ゲッター４は、水素透過性の高い金属からなる管状の容器４１を備え、容器４１の両端は気密に封止される。管状の容器４１は、例えばその寸法は内径３ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、長さ３０ｍｍである。容器４１を構成する材料は、水素透過性が良好であるタンタル、モリブデンもしくはニオブが好ましく、あるいはこれらのいずれかを含む金属であってもよい。
容器４１の内部には水素吸収体４２が封入される。この水素吸収体４２には、水素吸蔵能の高いイットリウムもしくはジルコニウムを用いることが好ましく。あるいは、イットリウムおよびジルコニウムのいずれかを含む金属であってもよい。内部のその他の空間は、水素吸収体４２が酸化することを防ぐために真空（例えば１０^−１Ｐａ程度以下）とするか、希ガスを封入することが好ましい。
このように水素吸収体４２は、発光管１０内の水銀と反応しないように容器４１の内部空間が外部と隔離された状態になっている。
一方、容器４１を構成しているタンタル、モリブデンもしくはニオブは、発光管１０内の水銀と接触しても反応せず、かつ水素透過性を有する金属である。したがって、この容器４１は、水銀を内部に侵入させることなく、水素を内部に導入することができる。

図２（ｂ）において、容器４１の封止部４１３は、管の両端部が上下２方向より押圧されて折り合わされ、圧接により封止口４１３が封じられる。容器完成時に管の端部は、容器４１より傾斜した扁平部４１４を形成する。
容器４１に封止部４１３のような扁平な形状が存在し、その内部が空洞で水素吸収体が固着していない場合には、ランプ点灯中の発光管内部においては容器４１の外面全方位より圧力がかかり、その形状が一様でないために容器４１は変形し、封止部４１３の封止を押し開く力によって気密が破られる場合がある。
そのため封止部４１３近傍の内壁には、水素吸収体４２が溶融固着しており、容器４１の構造的に最も圧力に弱い部位である封止部４１３を内部から補強している。これによって、容器外からの圧力や、それに伴う容器の変形が生じて圧力がかかったとしても破損することはない。

容器４１の管軸方向における中央部は、管状の胴部４１２である。胴部４１２においては、封止部と同様、その内面に水素吸収体４２が溶融固着していることにより、容器４１の厚みが実質的に増したことになり、耐圧性が向上する。したがって、容器４１の肉厚を薄くし、容器内への水素透過速度を維持したまま、容器４１自体の耐圧性を高めることができる。

図３は、（ａ）容器４１内での水素吸収体の他の固着の態様を示す管軸に沿った概略断面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
図３（ａ）において、容器４１の胴部４１２の内壁に水素吸収体４２が溶融固着している。
図３（ｂ）に示すとおり、固着した水素吸収体４２は、容器４１の内壁に周方向に連続して環状に溶融固着していることにより、容器４１の厚みが実質的に増すだけではなく、骨格のような役割を果たし、連続している方向に対する耐圧性が向上するとともに、容器４１の他の領域にかかる圧力を軽減することができる。

なお、容器４１の内面のほぼ全てが被覆されるように水素吸収体４２を溶融固着させることも可能であり、これによって上記のような効果が得られて全方位における耐圧性が向上する。

すなわち、容器４１の内面には水素吸収体４２が溶融固着していることにより、単に水素吸収体４２の固体を容器４１内部に封入した場合と違い、水素吸収体４２によって封止部４１３は補強され、胴部４１２の厚みが実質的に増したことになり、耐圧性が向上する。

上記構成にかかる水素ゲッターによれば、水素透過性を有する金属よりなる容器４１を介して、内部に水銀を侵入させることなく水素が導入され、内部に封入された水素吸収体４２によって水素を吸蔵し、放電ランプのチラツキを低減することができる。
また、吸蔵すべき水素が多量であり、かつ高い圧力がかかる環境であっても、容器４１内に封入された水素吸収体４２が容器４１の内壁に溶融固着していることにより容器４１の封止部４１３および肉厚を補強し、耐圧性を高めることができるので、水素ゲッターの表面積が大きくとも破損の心配が無い。
さらに、容器４１の肉厚は水素吸収体が溶融固着して補強されているため、容器の肉厚を薄くして、水素透過速度を高めることもできる。
以上により、発光部内の水素を簡便に取り除いて、ランプのチラツキを低減することができる。

また、容器４１を他の形状により形成した場合にも同様の効果が得られる。
図４は、図３と同様の水素ゲッター４を、曲管状の容器４１によって形成し、電極芯棒１４に直接取り付けた態様を示す、電極近傍の概略構成図である。
図４において、水素ゲッター４は、前記した容器４１を円状に周回させた曲管状であり、基本的な構成およびその断面での構成も前記の直管状に形成された容器４１と同様である。
図４における水素ゲッター４の容器４１は、電極芯棒１４の外周を周回するに足る長さを備えているので、巻きつけて固定することができる。さらに、金属のワイヤー１６などの補助固定部材を設けて保持するようにすれば、より確実に固定することができる。
上記構成によれば、水素ゲッター４自体が取付け手段を有するものであり、別途取付部材を用意せずとも簡便に取り付けることができるし、図１に示す態様のように、外周をワイヤーによって覆う必要も無いので、水素と接触する機会が増加し、水素吸蔵能力が高められる。

図５は、（ａ）は他の実施例を示す水素ゲッター４の概略断面図であり、（ｂ）は水素ゲッターの取り付けの態様を示す電極近傍の概略構成図である。
図５において、水素ゲッター４は、有底管４４および蓋４３によって構成される容器４１と、内部に封入されたイットリウムよりなる水素吸収体４２を備える。有底管４１および蓋４３は、前述の図２における容器４１と同様の材料であり、その他の構成についても第一の実施形態にかかる水素ゲッターと同様である。
有底管４４は、開口側端部が外側径方向に延在された鍔部４４１を備え、この鍔部４４１と蓋４３とが圧接により接合される。内部に封入された水素吸収体４２は容器４１の内壁に溶融固着し、封止口４１５を補強している。
また、図５（ｂ）に示すように、この水素ゲッター４は、その鍔部４４１を電極芯棒１４の外周にワイヤー１６によって巻きつけることで固定することができる。
このように、一部材により構成された管でなくとも、容器４１を構成することができる。

以上説明した本発明にかかる水素ゲッターは以下のようにして作製することができる。
図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は本発明にかかる水素ゲッターの封止方法についての説明用断面図である。
図６（ａ）に、管状体４１’およびこの一端を封止するための一対のローラー５１を示す。このローラー５１を矢印の方向が示すように上下から管状体４１’へ押し当てて力を加えることにより、図６（ｂ）に示すように、管状体４１’の端部は扁平に押し潰されて圧接により封じられる。ローラー５１はそのまま管状体４１’の端部が切断されるまで押し当てられる。このようにして管状体４１’の一端は封止され切断されて、図６（ｃ）に示すように、封止部４１３が形成される。

一端が圧接により接合された、タンタル、タングステンもしくはニオブのいずれかよりなる管状体４１’の内部には、固体または粉体状のイットリウムよりなる水素ゲッター材料４２’を所定量入れる。水素ゲッター材料４２’を入れた後、同様にして他端を封止するとともに筒状体の内部を真空（１０^-1Pa程度)にし、または希ガスで満たし、容器４１を形成する。

図７は容器内部に封入した水素吸収体を溶融固着させる方法についての説明用断面図である。
図７に示すように、両端が封止された容器４１を真空中に保持して、例えばイットリウムの融点である１５２６℃以上、好ましくは１６００℃〜１，８００℃、また、封入するゲッター材料４２’がジルコニウムであれば融点である１８５１℃以上、好ましくは１，９００℃〜２，１００℃の温度で保持し、その後冷却する。これによって、水素ゲッター材料４２’が溶融し、容器４１の内面に固着して水素吸収体４２となる。
このような作製方法によれば、管状の材料を用いて、一部材により溶接等することなく本発明にかかる水素ゲッターを簡便に作製することができる。

本発明の放電ランプに関する実験例を示す。
図８は、図２に示す構成に基づいて作製した水素ゲッターを示す。この水素ゲッター４は、肉厚ｔが０．１ｍｍ、内径φが３．０ｍｍ、長さＬが５０ｍｍであるタンタル製の管の両端を封止した容器４１と、一端部のみに溶融固着させたイットリウムにより構成した。容器４１の内部は真空とした。
この水素ゲッター４の水素吸収体４２が溶融固着していない他端側の空間の、管軸に沿った最大長を空間長ｄとし、イットリウムの量を調整して種々の空間長ｄを有する試料を作製した。
これらの試料に対して、耐圧試験を行った。密閉容器（不図示）の内部に水素ゲッターを設置し、この密閉容器の内部にエタノールを流入させて圧力を加えていき、イットリウムが溶融固着していない端部が変形するときの圧力を耐圧値として観測を行った。
図９は、イットリウムが溶融固着していない端部の空間長ｄ（ｍｍ）と耐圧値（MPa）の関係を示すものである。空間長ｄが短くなるほど、耐圧値は上昇することがわかった。すなわち、イットリウムが溶融固着した領域が多いほど耐圧性が上昇することがわかる。いずれの試料においても、イットリウムが固着した端部（ｄ＝０のとき）は圧力を加えていっても変形することがなく、１０ＭＰａを超えても変形しなかった。
以上により、封止部にイットリウムを溶融固着させた場合には、耐圧性が上昇することがわかった。また容器内の胴部においても、イットリウムを溶融固着させた場合には、空間長が短いほど耐圧性が上昇することがわかった。

本発明の第一の実施形態に係る放電ランプの概略構成図である。 本発明にかかる水素ゲッターの図であり、(ａ）は水素ゲッターを真上と真横の異なる二方向から見た概略図、（ｂ）は水素ゲッターを軸ＰＡに沿って切断し真横から見た断面概略図である。 本発明にかかる水素ゲッターの図であり、（ａ）は容器内での水素吸収体の固着の様子を示す概略断面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。 本発明にかかる水素ゲッターの取り付けの態様を示す、電極近傍の概略構成図である。 本発明に係る水素ゲッターの実施例の一例を示す図であり、（ａ）は他の実施例を示す水素ゲッター４の概略断面図であり、（ｂ）は水素ゲッターの取り付けの態様を示す、電極近傍の概略構成図である。 本発明にかかる水素ゲッターの作製方法についての説明用断面図である。 本発明にかかる水素ゲッターの作製方法についての説明用断面図である。 本発明の放電ランプに関する実験例を示す図である。 本発明の放電ランプに関する実験結果を示す図である。 本発明の従来例にかかる放電ランプの概略断面図である。 本発明の従来例にかかる水素ゲッターの概略断面図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
４ 水素ゲッター
１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 側管部
１３Ａ 陽極本体
１３Ｃ 陰極本体
１４ 電極芯棒
１５ ゲッター用金属
４１ 容器
４１’ 管状体
４２ 水素吸収体
４２’ ゲッター材料
４３ 蓋
４４ 有底管
５１ ローラー
４１２ 胴部
４１３ 封止部
４１４ 扁平部
４１５ 封止口
４４１ 鍔部
Ｓ 空間
ＰＡ 管軸

Claims (4)

1. 発光管内部に一対の電極と、水素ゲッターを有する放電ランプにおいて、
   前記水素ゲッターは、水素透過性を有する金属よりなる容器と、
   該容器の内部に封入された水素吸収能を有する金属よりなる水素吸収体を具備し、
   該水素吸収体は、該容器の内壁に溶融固着していることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記容器は、少なくとも一端に封止部を有する管状部材であり、該封止部近傍の内壁は前記水素吸収体が溶融固着していることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記容器は、タンタル、モリブデンもしくはニオブ、またはこれらのいずれかを含む金属であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の放電ランプ。
4. 前記水素吸収体は、イットリウムもしくはジルコニウム、またはこれらのいずれかを含む金属であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放電ランプ。

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