JP2010080253A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、放電アークを不安定にすることなく、発光管内の不純ガスを確実に捕捉することができるショートアーク型放電ランプを提供することである。
【解決手段】 発光管の内部に互いに対向して配置される本体部と当該本体部の基端側に連続する棒状の軸部とよりなる一対の電極と、前記軸部の基端部に固定された集電板と、を備え、
前記集電板に前記軸部の基端側を挿入する貫通穴が形成され、当該貫通穴に前記軸部の基端部が挿入されて保持されたものにおいて、
前記軸部の基端部には有底穴が形成され、当該有底穴を塞ぐように水素を透過させる金属よりなる蓋部材が配置され、前記軸部に形成された有底穴と前記蓋部材とにより閉じられた空間が形成され、当該空間に発光管内の水素を吸収する水素ゲッターが配置されている、というものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体や液晶の製造分野などで使用されるショートアーク型放電ランプに関する。

ショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。
しかし、ショートアーク型放電ランプの電極は、点灯中に高温となるため、発光管内に不純ガスが混入していると、最も高温になる電極先端部に不純物化合物が生成し、電極の蒸発が激しくなる。不純ガスのうち特に酸素と炭酸ガスは、電極先端部に酸化物や炭化物といった不純物化合物を生成するため、電極の蒸発を生じさせ易いと考えられていた。
そして、電極の蒸発が激しくなると、電極から蒸発した物質が発光管内面に付着して発光管が黒化し、さらには、露光面における照度に悪影響を与え、また、電極の先端部が蒸発して変形することにより輝点のずれが生じる惧れがあった。

そこで、発光管内の不純ガスを吸収して捕捉するために、電極を支持する内部リード棒にゲッターを取り付けることが従来より行われていた。ゲッター効果を奏する金属はいくつかあるが、従来からショートアーク型放電ランプに使用されている代表的なものは、ジルコニウムとタンタルである。そのうちでもタンタルは、ゲッター効果を生じる動作温度が７００〜１２００℃と比較的高温であること、また、蒸気圧が低いことからバルブ内の温度が高温になる小型のショートアーク型放電ランプのゲッターとして最良と考えられていた。

特許文献１には、内部リード棒に不純物を捕捉するためのゲッターを取り付けた構成のショートアーク型放電ランプが開示される。図７は、特許文献１に開示される従来のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す図である。
同図に示すショートアーク型放電ランプは、略球状の発光管７１を備え、当該発光管７１内に陰極７２と陽極７３とがそれぞれ内部リード棒７４に支持されて対向している。７５は内部リード棒に接続された金属箔であり、７６は排気チップである。タンタルであるタンタルワイヤー７７は、内部リード棒７４に巻き付けた後、スポット溶接で強固に固定されており、タンタルワイヤーの温度は点灯時に１５００〜１７００℃である。

しかしながら、上記した従来のショートアーク型放電ランプにおいては、タンタルワイヤー７７が内部リード棒７４に取り付けられている構成であるため、以下のような実用的な面で問題になっていた。
すなわち、タンタルワイヤー７７が発光管７１内に露出していることによって、タンタルワイヤー７７とタンタルワイヤー７７を備えた電極に対向する電極（陰極７２）との間の不所望の位置にアークが形成され、不安定になる場合があった。
このように、タンタルワイヤー７７が発光管７１内に露出して配置されていることにより、放電アークが不安定になるので、露光面における照度に悪影響を与えるという問題があった。

特開平８−１５３４８８号

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、放電アークを不安定にすることなく、発光管内の不純ガスを確実に捕捉することができるショートアーク型放電ランプを提供することである。

本発明者らは、鋭意検討したところ、発光管内に残留する水素ガスが、ショートアーク型放電ランプの照度安定性に与える影響が特に大きいことを見出した。そして、発光管内に残留する水素ガスを捕捉する一方で、上記した不所望の位置でのアーク形成を軽減することを追及したことにより、次に説明するような解決手段を採用した。
請求項１記載のショートアーク型放電ランプは、発光管の内部に互いに対向して配置される本体部と当該本体部の基端側に連続する棒状の軸部とよりなる一対の電極と、前記軸部の基端部に固定された集電板と、を備え、
前記集電板に前記軸部の基端側を挿入する貫通穴が形成され、当該貫通穴に前記軸部の基端部が挿入されて保持されたものにおいて、
前記軸部の基端部には有底穴が形成され、当該有底穴を塞ぐように水素を透過させる金属よりなる蓋部材が配置され、前記有底穴と前記蓋部材とにより閉じられた空間が形成され、当該空間に発光管内の水素を吸収する水素ゲッターが配置されている、というものである。

請求項２記載のショートアーク型放電ランプは、請求項１記載のショートアーク型放電ランプにおいて、水素を透過させる金属よりなる蓋部材が集電板と軸部との間に介在する、というものである。

請求項３記載のショートアーク型放電ランプは、請求項２記載のショートアーク型放電ランプにおいて、軸部が、基端側に向かうにつれてその外径が次第に細くなる縮径部が形成され、集電板の貫通穴の穴径がその先端部分からその基端部分に向けて次第に小さくなっている、というものである。

請求項４記載のショートアーク型放電ランプは、請求項２または請求項３記載のショートアーク型放電ランプにおいて、前記軸部が環状の鍔部を備え、前記蓋部材が、前記環状の鍔部と前記集電板における貫通穴の内壁とに挟まれた状態で保持されている、というものである。

請求項５記載のショートアーク型放電ランプは、請求項１ないし請求項４に記載のショートアーク型放電ランプにおいて、水素ゲッターが軸部に形成された有底穴の内壁と前記蓋部材との双方に溶着されている、というものである。

請求項６記載のショートアーク型放電ランプは、請求項１ないし請求項５に記載のショートアーク型放電ランプにおいて、水素ゲッターがイットリウムまたはジルコニウムを含有する、というものである。

請求項７記載のショートアーク型放電ランプは、請求項１ないし請求項６に記載のショートアーク型放電ランプにおいて、蓋部材がタンタルまたはモリブデンまたはニオブを含有する、というものである。

請求項１記載のショートアーク型放電ランプは、電極の軸部の基端部に有底穴が形成され、当該有底穴を塞ぐように水素を透過させる金属からなる蓋部材が配置され、軸部に形成された有底穴と蓋部材とにより閉じられた空間が形成され、この空間内に発光管内の水素を吸収する水素ゲッターが配置されている。
このため、水素ゲッターが発光管内の空間に露出しないので、水素ゲッターと水素ゲッターを備えた電極に対向する電極との間の不所望の位置にアークが形成されることがない。
さらに、上記の閉じられた空間には、水素を透過する金属からなる蓋部材を通じて発光管内の水素ガスが流入することができ、この空間内に配置された水素ゲッタによって流入した水素ガスを確実に捕捉することができる。

請求項２記載のショートアーク型放電ランプは、水素を透過させる金属よりなる蓋部材が電極における軸部と集電板との間に介在している。
このため、軸部と集電板との間に介在する蓋部材が水素の通り道となるため、軸部における有底穴と蓋部材とにより形成される空間内に、水素ガスを効率良く流入させることができる。したがって、発光管内の水素ガスを水素ゲッターによって捕捉し易くなる。

請求項３記載のショートアーク型放電ランプは、軸部には、基端側に向かうにつれてその外径が次第に細くなる縮径部が形成され、集電板の貫通穴の穴径がその先端側からその基端側に向けて次第に小さくなっている。
このため、蓋部材は、軸部の縮径部の外周面と集電板の有底穴の内壁との双方から押圧されることによって両者間に確実に保持される。

請求項４記載のショートアーク型放電ランプは、軸部に環状の鍔部を備え、この鍔部と集電板における有底穴の内壁とによって強固に蓋部材を保持することができる。

請求項５記載のショートアーク型放電ランプは、水素ゲッターが軸部に形成された有底穴の内壁と前記蓋部材との双方に溶着されている。
このため、ショートアーク型放電ランプの耐圧強度を高いものとすることができる。

請求項６記載のショートアーク型放電ランプは、水素ゲッターがイットリウムまたはジルコニウムを含有するものである。
これらの物質は水素の吸蔵力に優れるため、発光管内に残留する水素ガスを効率良く捕捉することができる。

請求項７記載のショートアーク型放電ランプは、蓋部材がタンタルまたはモリブデンまたはニオブを含有するものである。
これらの物質は水素の透過性に優れているため、発光管内に残留する水素ガスを、軸部の有底穴と蓋部材とにより閉じられた空間内に確実に流入させることができる。

図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。
本発明のショートアーク型放電ランプは、略球状に形成された発光管１を備える。発光管１の内部には、陰極２の本体部２１と陽極３の本体部３１とが、互いに向き合って配置されるとともに、発光物質が封入されている。
陰極２は、その先端側が、陽極３の本体部３１に向かうにつれて次第に縮径するテーパー部を有する本体部２１と、当該本体部２１の基端側に続く棒状の軸部２２とにより構成される。軸部２２の先端部が、本体部２１の基端側に形成された有底穴２１ａに嵌入されている。
陽極３は、その先端側に丸みが形成された本体部３１と、当該本体部３１の基端側に続く棒状の軸部３２とにより構成される。軸部３２の先端部が、本体部３１の基端側に形成された有底穴３１ａに嵌入されている。
陰極２および陽極３は、例えばタングステンよりなる各本体部２１、３１および各軸部２２、３２により構成される。
陰極２および陽極３は、上記のように各本体部２１、３１と各軸部２２、３２とが互いに別部材であっても良いし、各本体部と各軸部とが一体に形成されていても良い。
発光物質は希ガス、例えばキセノンだけでもよく、また、水銀が封入されたものでもよい。例えばキセノンガスが０．５ＭＰａ（室温）以上であり、また、例えばキセノンガスまたは／およびアルゴンガスまたは／およびクリプトンガスが０．０１〜1ＭＰａ（室温）、水銀が1ｍｇ／ｃｃ以上である。

次に、図１に示すショートアーク型放電ランプの封止部構造について説明する。便宜のため、陰極側の封止部構造のみについて説明するが、陽極側の封止部構造は陰極側の封止部構造と同一である。
軸部２２の基端部には、金属製の集電板４が設けられている。集電板４は、その中央に貫通穴４１を有する円板形状を有している。軸部２２の基端部は、集電板４における貫通穴４１に挿入された状態で集電板４の開口端に例えば溶接等により固定されている。なお、図１では軸部２２の基端面と集電板４の基端面とが同一平面に位置しているが、軸部２２が集電板４の基端面から伸び出すようにしても良い。
電極保持体５は、例えば石英ガラスよりなる筒状の部材であり、軸部２２を保持するものである。電極保持体５は、集電板４に隣接して配置される。軸部２２は、電極保持体５の中央に形成された貫通孔５ａを貫通して配置される。
ガラス部材６は、例えば石英ガラスよりなる柱状の部材であり、集電板４に隣接して配置されている。ガラス部材６は、その基端側に外部リード棒７を保持するための有底穴６１が形成され、この有底穴６１に外部リード棒７の先端部が嵌入されて保持されている。
外部リード棒７は、例えばタングステンにより構成される棒状の部材であり、その先端部には、金属製の集電板８が設けられている。集電板８は、その中央に貫通孔８ａを有する円板形状を有している。外部リード棒７は、その先端部が集電板８の貫通孔８ａを貫通して、集電板８の先端面から伸び出すように配置され、例えば溶接などによって集電板８の開口端部に固定されている。
外部リード棒保持体９は、例えば石英ガラスよりなる筒状の部材であり、集電板８に隣接して配置される。外部リード棒７は、外部リード棒保持体９の貫通孔９ａを貫通して配置される。
ガラス部材６の側周面には、複数の金属箔１０が、互いに重なり合うことなく、封止管１１の管軸方向と平行に並んで配置される。各金属箔１０は、例えば、モリブデンなどの金属からなる。各金属箔１０は、例えば溶接などによって、その先端部が集電板４の側周面に電気的に接続されるとともにその基端部が集電板８の側集面に電気的に接続される。
封止管１１は、例えば石英ガラスによって直管状に形成され、その先端部が発光管１の端部に繋がっている。封止管１１とガラス部材６とは、封止管１１の外部からバーナーで加熱することにより、両者の間に金属箔１０を介在した状態で溶着されている。

図２は、本発明のショートアーク型放電ランプの第１の実施形態を説明するための部分説明図を示す。
軸部２２は、基端側に有底穴２２１が形成され、この有底穴２２１を塞ぐように蓋部材２３が取り付けられ、有底穴２２１と蓋部材２３とにより閉じられた空間２４を備える。この空間２４に水素ゲッター２５が配置されている。
軸部２２の基端側には、軸部の基端側に向かうにつれ次第に外径の小さくなる縮径部２２２が形成されている。集電板４における貫通穴４１は、縮径部２２２に対応した形状になっており、すなわち、軸部２２の基端側に向かうにつれてその穴径が次第に小さくなるように形成されている。なお、図３の断面に示すように、縮径部２２２の稜線２２２ａと軸部２２の中心軸Ｌに平行な直線Ｘとでなす角θ１と、貫通穴４１の斜面４１ａと前記直線Ｘとでなす角θ２の双方を８°以下であると共に同一にすることが好ましい。こうすることにより、軸部２２の縮径部２２２と集電板４の貫通穴４１の内壁面との間に蓋部材２３を確実に保持することができる。

水素ゲッター２５は、例えばイットリウムまたはジルコニウムなどにより構成される。イットリウムまたはジルコニウムは、単体であっても他の物質との化合物であっても良い。イットリウムやジルコニウムは、水素の吸蔵力が優れている。したがって、水素ゲッターとしてイットリウムやジルコニウムを使用することにより、発光管内に残留する水素ガスを効率良く捕捉することができる。

蓋部材２３は、水素を透過する金属からなり、全体として有底筒状に形成されている。蓋部材２３は、軸部２２の基端部に当接する底面２３ａと、この底面に連続する胴部２３ｂとを備えている。蓋部材２３における胴部２３ｂは、軸部２２の縮径部２２２の外周面を囲むように配置され、縮径部２２２と集電板４の貫通穴４１の内壁との双方によって押圧されることにより両者間に保持されている。
このようにして、水素を透過する金属よりなる蓋部材２３の一部分を軸部２２と集電板４との間に介在させることによって、軸部２２と集電板４との間に水素の流路が形成されるため、発光管１内に残留する水素ガスを上記の空間２４に効率良く流入させることができる。

蓋部材２３は、例えばタンタルまたはモリブデンまたはニオブなどにより構成される。タンタルまたはモリブデンまたはニオブは、単体であっても他の物質との化合物であっても良い。タンタルやモリブデンまたはニオブなどの物質は、水素を透過する一方で、発光管内の水銀や酸素を透過させない。
つまり、蓋部材２３は、発光管１内に残留する水素ガスを上記の空間２４内に流入させるための流路となる一方で、空間２４内に発光管１内の水銀や酸素が流入することを防ぐために必要とされる。特に、水素ゲッター２５にイットリウムを使用した場合は、イットリウムが水銀と反応して水銀化合物を形成し蒸発し易いこと、イットリウムが酸素と反応して緻密な酸化膜を形成し、水素の吸収を妨げることから、蓋部材２３を設けることが必要である。

以上のように、本発明のショートアーク型放電ランプは、水素ゲッターを備えることにより、ショートアーク型放電ランプの照度安定性を低下させる原因となる水素を捕捉することにより、照度安定性の低下を防止することができる。
しかも、水素ゲッター２５は、軸部２２の有底穴２２１と蓋部材２３とにより閉じられた空間２４に配置され、発光管１内に露出していない。このため、不所望の位置にアークが形成されることがなく、したがって、一対の電極間に形成される放電アークを安定な状態に維持することができる。

図４は、本発明のショートアーク型放電ランプの第２の実施形態を説明するための部分説明図を示す。図４では、図２と共通する箇所に同図と同一の符号を付している。図４において、２２は軸部、２２１は有底穴、２３は蓋部材、２３ａは底面、２３ｂは胴部、２４は空間、２５は水素ゲッター、２２２は縮径部、４は集電板、４１は貫通穴である。
縮径部２２２の一部には、環状の鍔部２２３が設けられている。同図に示す実施形態は、蓋部材２３が環状の鍔部２２３と貫通穴４１の内壁との双方によって押圧されて両者の間に保持されている。このような鍔部２２３を設けることにより、蓋部材２３を縮径部２２２と集電板４との間により強固に保持することができる。

図５は、本発明のショートアーク型放電ランプの第３の実施形態を説明するための部分説明図を示す。図５では、図２と共通する箇所に同図と同一の符号を付している。図５において、２２は軸部、２２１は有底穴、２３は蓋部材、２３ａは底面、２３ｂは胴部、２４は空間、２５は水素ゲッター、２２２は縮径部、４は集電板、４１は貫通穴である。
図５に示す実施形態は、水素ゲッター２５が、軸部２２の有底穴２２１の内壁と蓋部材２３の底面２３ａとに溶着した状態で、空間２４内に配置されている。水素ゲッター２５は、空間２４内に収納された後に、真空炉等の加熱手段によって水素ゲッター２５の融点以上に、例えばイットリウムであればその融点である１５２６℃以上、好ましくは１６００〜１８００℃に加熱されることにより溶融した状態になり、有底穴２２１の内壁と蓋部材２３の底面２３ａとの双方に溶着される。
図５に示す実施形態は、ショートアーク型放電ランプの点灯ガス圧に対する耐圧強度を高くすることができる。その理由は、次のとおりである。
図２の蓋部材２３の底面２３ａには、ランプ点灯時においては、そのランプ内圧がかかることになる。該底面の厚みが十分でないと空間２４側に変形し破断に至る。
例えば、蓋部材をタンタルとし、底面の厚みを０．１ｍｍとし、空間２４の開口部外径を１０ｍｍとすると、ランプ内圧が１ＭＰａ以上になると該底面が空間２４側に塑性変形する。この塑性変形が進行すると、終には該底面が破断に至る。
図５の水素ゲッター２５は有底穴２２１の内壁と蓋部材２３の底面２３ａとの双方に溶着されているので、空間２４が実質、存在しない状態となり、または、底面２３ａの厚みが実質、厚くなった状態となり、底面２３ａが空間２４側に塑性変形することがなく、点灯ガス圧に対する耐圧強度を高くすることができる。

図６は、本発明のショートアーク型放電ランプの第４の実施形態を説明するための部分説明図を示す。図６では、図２と共通する箇所に同図と同一の符号を付している。図６において、２２は軸部、２２１は有底穴、２３は蓋部材、２３ａは底面、２３ｂは胴部、２４は空間、２５は水素ゲッター、２２２は縮径部、４は集電板である。
図６に示す実施形態は、軸部２２における縮径部２２２が、集電板４を貫いて、集電板４の基端面４２から伸び出ている。ガラス部材６の先端側には有底穴６２が形成されており、この有底穴６２に集電板４から伸び出た縮径部２２２が嵌入されて保持されている。

本発明のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。 本発明のショートアーク型放電ランプの第１の実施形態を説明するための部分説明図を示す。 本発明のショートアーク型放電ランプの部分断面図を示す。 本発明のショートアーク型放電ランプの第２の実施形態を説明するための部分説明図を示す。 本発明のショートアーク型放電ランプの第３の実施形態を説明するための部分説明図を示す。 本発明のショートアーク型放電ランプの第４の実施形態を説明するための部分説明図を示す。 従来のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。

符号の説明

１ 発光管
２ 陰極
２１ 本体部
２２ 軸部
２２１ 有底穴
２２２ 縮径部
２２３ 鍔部
２３ 蓋部材
２４ 空間
２５ 水素ゲッター
３ 陽極
３１ 本体部
３２ 軸部
４ 集電板
５ 電極保持体
６ ガラス部材
７ 外部リード棒
８ 集電板
９ 外部リード棒保持体
１０ 金属箔
１１ 封止管
７１ 発光管
７２ 陰極
７３ 陽極
７４ 内部リード棒
７５ 金属箔
７６ 排気チップ
７７ タンタルワイヤー

Claims (7)

1. 発光管の内部に互いに対向して配置される本体部と当該本体部の基端側に連続する棒状の軸部とよりなる一対の電極と、前記軸部の基端部に固定された集電板と、を備え、
   前記集電板に前記軸部の基端側を挿入する貫通穴が形成され、当該貫通穴に前記軸部の基端部が挿入されて保持されたショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記軸部の基端部には有底穴が形成され、当該有底穴を塞ぐように水素を透過させる金属よりなる蓋部材が配置され、前記有底穴と前記蓋部材とにより閉じられた空間が形成され、
   当該空間に発光管内の水素を吸収する水素ゲッターが配置されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記水素を透過させる金属よりなる蓋部材が、前記集電板と前記軸部との間に介在す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放電ランプ。
3. 前記軸部は、基端側に向かうにつれてその外径が次第に細くなる縮径部が形成され、
   前記集電板は、前記貫通穴の穴径がその先端側からその基端側に向けて次第に小さくなっていることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記軸部が環状の鍔部を備え、
   前記蓋部材が、前記環状の鍔部と前記集電板における貫通穴の内壁とに挟まれた状態で保持されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記水素ゲッターが、前記軸部に形成された有底穴の内壁と前記蓋部材との双方に溶着されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記水素ゲッターが、イットリウムまたはジルコニウムを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載のショートアーク型放電ランプ。
7. 前記蓋部材が、タンタルまたはモリブデンまたはニオブを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項６に記載のショートアーク型放電ランプ。

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