JP2010165509A

JP2010165509A - 高圧水銀ランプ

Info

Publication number: JP2010165509A
Application number: JP2009005627A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Morimoto; 明久森本; Yasunori Fujina; 恭典藤名; Takehiko Iguchi; 毅彦井口
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-29
Also published as: EP2209133A3; EP2209133A2; US20100176723A1

Abstract

【課題】短波長域のＵＶ照度を向上させるとともに黒化や照度低下を防止して、長寿命であるＵＶ光源用の高圧水銀ランプを提供すること
【解決手段】発光管内部に一対の陰極と陽極を対向配置し、この発光管内に水銀を封入した直流型の高圧水銀ランプにおいて、前記発光管内部には、０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３以下封入され、前記陰極は、先端に平坦部を有する円錐台形であり、前記陰極と陽極との極間ＡＬは、１．４〜１．８ｍｍであり、この陰極の先端径Ｄは０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧水銀ランプに係わり、特に半導体ウエハの外観検査工程に使用されるＵＶ（紫外線）照射型半導体検査装置に用いられる高圧水銀ランプや、インクジェットプリンターのインク硬化用ＵＶ光源に用いられる、水銀が封入された高圧水銀ランプに関わる。

従来、水銀封入量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上である小型の高圧水銀ランプは、主に可視光を出射するプロジェクター用の光源として用いられてきた。
近年では、ＵＶ照射型半導体検査装置に用いられるＵＶ光源として、またはインクジェットプリンターのインク硬化用ＵＶ光源としてもこのような高圧水銀ランプが用いられている。図３は、従来の高圧水銀ランプの概略構成を示す図である。
図６において、高圧水銀ランプ１の発光管１０は、石英ガラスよりなる中央に位置する球状の発光部１１と、両端に柱状の封止部１２を備える。
発光空間Ｓ内には、例えばタングステンよりなる陰極１３と陽極１４が対向配置され、発光種として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と希ガスと所定量のハロゲンが封入される。
陰極１３および陽極１４は、その基端部が封止部１２内に埋設されて気密に封止されるとともに、同じく封止部１２内に埋設された金属箔１５、および、一端が封止部１２より突出する外部リード１６に電気的に接続されて、不図示の電源により直流電流を給電される。

上記した高圧水銀ランプは、小型のＵＶ光源でありながら、発光種として０．１５ｍｇ／ｍｍ^３以上封入され、陰極１３および陽極１４が、純度４Ｎ（９９．９９重量％）以上の高純度タングステンにより構成されるので、ＵＶ光量維持率を長時間高く保つことができ、長寿命化がなされている。（特許文献１）

特開２００５−１９７１９１号公報

これらの高圧水銀ランプが用いられるＵＶ照射型半導体検査装置や、インクジェットプリンターにおいて、さらなるＵＶ光源の短波長域の照度向上、長寿命化が求められている。
そこで本発明者は、ランプの封入水銀量を０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３にとなるように改良し、短波長域の発光強度向上を図った。
図３は、このＵＶ光源用水銀ランプにおいて、封入水銀量を変化させて測定した、発光分光スペクトルである。ＵＶ光源用水銀ランプから発せられる短波長光のうち、例えば波長２５４ｎｍの光は、インク硬化用に用いられ、波長３６５ｎｍの光は半導体検査用に用いられる。
図３において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は放射照度（Ｗ／ｃｍ^２）である。水銀封入量が、０．１６ｍｇ／ｍｍ^３であるランプに比して、０．０５ｍｇ／ｍｍ^３、０．１０ｍｇ／ｍｍ^３であるランプにおいては、この波長２５４ｎｍ、３６５ｎｍの発光ピーク値が大きく増加していることがわかる。こうして、ＵＶ光源用の水銀ランプの短波長域の発光強度を向上することができた。

しかしながら、封入水銀量が減少することにより、従来よりもランプ電圧は低下することとなった。すると、定電力制御をした場合にはランプ電流は上昇し、電極温度が上昇して電極材料が蒸発することによる電極損耗量は増加した。
高圧水銀ランプにおいては、その水銀封入量によって、ランプに同じ電力を投入するときのランプ電圧は変化する。そのため、封入水銀量を減少させた場合には、ランプ電圧が低下し、ランプ電流が上昇する。これによって、電極、特に先端が鋭く略円錐状に尖った陰極は、熱容量が小さく、温度が上昇しやすいために、過剰に加熱されて蒸発し、損耗しやすくなる。
電極の損耗は、様々な問題の原因となる。蒸発した電極材料は、発光管内面に付着すると、見た目にも黒くなる発光管の黒化を生じさせ、発光管の光透過率を低下させる。また、電極の損耗により電極間距離が増長すると、アークが膨張するために光を効率よく集光できなくなり、照度が低下する。
すなわち、紫外線の短波長域の初期照度は向上したが、その分ランプの寿命（照度維持率）が低下し、半導体検査装置用やインク硬化用の光源としての実用性を満たさないという問題があった。

本発明では、上記の種々の問題に鑑み、短波長域のＵＶ照度を向上させるとともに黒化や照度低下を防止して、長寿命であるＵＶ光源用の高圧水銀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陰極と陽極を対向配置し、この発光管内に水銀を封入した直流型の高圧水銀ランプにおいて、前記発光管内部には、０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３以下封入され、前記陰極は、先端に平坦部を有する円錐台形であり、前記陰極と陽極との極間ＡＬは、１．４〜１．８ｍｍであり、この陰極の先端径Ｄは０．１０〜０．３０ｍｍであることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、封入する水銀量が０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３であることにより紫外線の短波長域の照度が高く、かつ、極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍ、先端径Ｄが０．１〜０．３ｍｍであることにより、電極損耗量を低減し、照度維持率が高く長寿命とすることができる。

本発明の実施形態にかかる高圧水銀ランプの構成概略を示す全体図である。本発明の高圧水銀ランプの発光管内部の構成概略を示す拡大断面図である。水銀ランプにおける水銀封入量別の発光スペクトルを示す図である。本発明にかかる高圧水銀ランプの実験結果を示す図である。本発明にかかる高圧水銀ランプの実験結果を示す図である。本発明にかかる高圧水銀ランプの実験結果を示す図である。従来例の高圧水銀ランプの構成概略を示す全体図である。

本発明の実施形態について、以下に図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施形態にかかる高圧水銀ランプの概略構成を示す断面図である。
図１において、高圧水銀ランプ１の発光管１０は、石英ガラスよりなり、中央に略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端に連続する柱状の封止部１２を有している。この発光管１１の長手方向の長さは４５〜５５ｍｍであり、例えば５０ｍｍである。発光管１０内部には、一対の電極をなす陰極１３、陽極１４が対向配置されている。電極の材料としては、タングステンが用いられる。さらに、黒化を抑制するために、純度が４Ｎ（９９．９９重量％）以上である純タングステンが好ましい。各々の電極は、封止部１２内に埋設された金属箔１５に溶接されて接続され、この金属箔１５には封止部１２から外方に突出する外部リード１６が接続されて、不図示の電源より給電される。
このような封止部１２は、例えばシュリンクシールによって形成され、発光管内の電極と外部に突出する外部リードとは一片の金属箔によって導電がなされる。

発光管１０の内部には、発光ガスとして水銀が０．０５ｍｇ／ｍｍ^３〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３封入される。これにより、４００ｎｍ以下の短波長の発光強度が高まり、特に波長３６５ｎｍ、２５４ｎｍの発光強度が大幅に向上する。さらに、いわゆるハロゲンサイクルの作用を得るためのハロゲンである臭素が１×１０^−７〜１×１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^３、始動性を容易にする希ガスとしてアルゴンが封入されている。また、この希ガスの封入圧に対して酸素が０．０５〜０．４５（体積％）封入されることにより、電極が損耗して発生するタングステン化合物の発光管内壁部の蒸気圧を高める効果があり、黒化を抑制することができる。

このような高圧水銀ランプ１０に、両端の外部リード１６に接続された不図示の電源より直流電圧が印加されると、発光空間Ｓ内に放電が生じ、アークが形成される。このランプへの入力は、例えば定電力制御方式により行われる。入力電力は、１５０〜２５０Ｗであることが好ましく、例えば２００Ｗである。

図２は本発明の実施形態にかかる高圧水銀ランプの発光管内部の構成概略を示す要部拡大断面図である。
図２において、陰極１３は基端側が封止部１２内に埋設され、先端側が発光空間Ｓ内に突出する略円柱状体であるとともに、その先端側が円錐台状でテーパー部１６を形成し、長手方向に対して垂直な平坦部１８を先端に有する。陰極１３のテーパー部１６よりも基端側には、点灯始動を容易にするためのコイル１７が巻き回して設けられる。
この陰極１３と対向する陽極１４は円柱状体であり、陰極１３と同様に基端側が封止部１２内に埋設される。この陽極１４の先端輝点の安定性を図るために例えば球面部１９などを設けても良い。

これら陰極１３と陽極１４とは、極間ＡＬ（ｍｍ）を離間して配置される。極間ＡＬの長さは、陰極１４の先端と、陽極の先端の距離により求められる。
極間ＡＬが短すぎる場合には、ランプ電圧が低下するために電流値が上昇し、陰極の損耗が著しくなってランプ寿命が低下する。極間ＡＬが長すぎる場合には、アークが膨張しているので集光効率が悪く、初期照度は低下する。

陰極１３の先端に位置する平坦部１８は、発光管１０の長手方向に垂直である略円形状の平面であり、この平坦部の外径を先端径Ｄ（ｍｍ）とする。
このように陰極１３の先端に平坦部１８を形成することによって、鋭い先端を有する陰極のように頂点となる部位がないので、先端での電流が流れる面積が増加し、電流密度を低くすることができる。
ランプの発光強度を向上させるためには、陰極１３の先端をテーパー状にしてアークを収縮させる必要があるが、先端の平坦部１８の先端径Ｄが小さすぎる場合には、先端はほぼ針状となって放電が集中し、電流密度が高すぎるために陰極の損耗が著しくなってランプ寿命が低下する。先端径Ｄが大きすぎる場合にはアークは膨張して発光強度が低下する。

続いて本願発明の実施例について説明する。
図１の構成に従って、本発明の実施形態にかかる高圧水銀ランプを作製した。
発光管は、材質が石英ガラスであって、全長は約５０ｍｍである。封入水銀量は０．０５、０．０８、０．１０ｍｇ／ｍｍ^３とした。
この高圧水銀ランプを用いて、初期照度を測定し、その後寿命試験を行って、照度維持率について調べた。測定に用いた試料ランプは以下の仕様の通りである。
封入水銀量が０．１０ｍｇ／ｍｍ^３であるランプについて、極間ＡＬは１．３〜１．９ｍｍの範囲で０．１ｍｍずつ７種類に変化させたランプをそれぞれ作製した。
封入水銀量がそれぞれ０．０５、０．０８ｍｇ／ｍｍ^３であるランプについて、極間ＡＬは１．４〜１．８ｍｍの範囲で０．２ｍｍずつ３種類に変化させたランプをそれぞれ作製した。
先端径Ｄは、上記の各々の極間を有するランプについて、０．０５〜０．４０の範囲で５種類に変化させたランプをそれぞれ用意した。

ランプの初期照度の測定は、以下のようにして行った。
初期照度の測定には、点灯時間０時間であるランプを用いた。点灯用電源としては、直流点灯方式であり、定電力制御する電源を用いて、入力電力は２００Ｗとした。
灯具にランプを取り付け、ランプと分光光度計の受光部との高さが同じになるように水平に設置し、点灯させて照度が安定するまで数分程度待った。ランプの照度が安定したのち、分光光度計にて発光分光スペクトルを測定した。これによって得られた発光スペクトルの、波長３６５ｎｍの照度（Ｗ／ｃｍ^２）と、波長２５４ｎｍの照度の合計値を初期照度とした。波長３６５ｎｍの光は半導体検査装置用に用いられる光であり、波長２５４ｎｍの光はインク硬化用に用いられる光だからである。

照度維持率の算出は以下のようにして行った。
まず、初期照度の測定を行った同一のランプを対象として、寿命試験を行った。点灯条件は、実際のランプの使用条件に即し、３時間半点灯、３０分消灯を繰り返す点滅点灯方式とし、点灯時間（消灯時間含む）の合計は１０００時間とした。
１０００時間の寿命試験を経たランプに対し、上記した方法と同様の方法で試験後照度の測定を行った。そして、得られた試験後照度を初期照度によって除算することにより、照度維持率（％）を算出した。

図４は、封入水銀量が１００ｍｇ／ｍｍ^３であるランプにおいて、電極間距離ＡＬと、先端径Ｄを変化させたランプを、初期照度と照度維持率について評価してまとめた表である。各々の評価したランプに対し、初期照度と照度維持率に関する評価点数付けを行った。また、その評価の基準について記載した表を示す。
初期照度が４０（Ｗ／ｃｍ^２）未満であるときは０点、４０以上４５未満であるときは１点、４５以上５０未満であるときは２点、５０以上で５５未満であるときは３点、５５以上６０未満であるときは４点、６０以上であるときは５点とした。
同様に、照度維持率についても、７０（％）未満であるときは０点、７０以上７５未満であるときは１点、７５以上８０未満であるときは２点、８０以上８５未満であるときは３点、８５以上９０未満であるときは４点、９０点以上であるときは５点とした。
そして、初期照度の評価点数と照度維持率の評価点数とを合計して総合点数とした。各試料の総合点数が高い場合には、初期照度、照度維持率がともに優れ、ＵＶ光源用のランプとして実用上好ましい性能を有するランプであるといえる。
また、図５には封入水銀量が０．０８ｍｇ／ｍｍ^３のランプについて、図６には封入水銀量が０．１０ｍｇ／ｍｍ^３であるランプについての実験結果を示す。

図４に示す結果において、ランプの極間ＡＬが短くなると、初期照度が高く、照度維持率が低い傾向があった。また、ランプの極間ＡＬが長くなると、初期照度が低く、照度維持率が高いという傾向があった。極間ＡＬが同じ試料の中で比較すると、先端径Ｄが小さい試料ランプが、初期照度が高い傾向があったが、照度維持率が低い傾向があった。これは前述の通り、極間ＡＬがランプ電圧とアーク長に影響を与えるとことに起因すると考えられる。
陰極の先端径Ｄが小さくなると、初期照度が高く、照度維持率が低い傾向があった。また、陰極の先端径Ｄが大きくなると、初期照度が低く、照度維持率が高い傾向があった。これは前述のとおり、先端径Ｄが電流密度とアークの形成に影響を与えることに起因すると考えられる。
上記のように、極間ＡＬと先端径Ｄはともに、初期照度と照度維持率に影響し、各々の性能はトレードオフの関係にある。このような関係の中で、半導体検査装置用の光源や、インク硬化用の光源としては初期照度と照度維持率の両方の評価が高いことが好ましい。

初期照度と照度維持率がともに良好であるとの判断については、封入水銀量ごとに２つの評価の総合点数が高いものを◎として、図４ないし図６に記載した。水銀ランプは封入水銀量に応じて初期照度が異なるので、良好であるかどうかの判断は同じ封入水銀量である水銀ランプの中での相対評価で行った。
図４中に示した試料では、試料７〜９、１２〜１４、１７〜１９が良好であることがわかった。これらの試料は、極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍ、かつ先端径Ｄは０．１〜０．３ｍｍ、という範囲に含まれており、この範囲においては、初期照度、照度維持率がともに良好であることがわかった。
また、封入水銀量が異なるランプについても、図５に示した試料では、試料２〜５、７〜９、１２〜１５が良好であることがわかった。これらの試料は、極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍであり、先端径Ｄは０．１〜０．３ｍｍであった。
図６に示した試料では、試料２〜５、７〜９、１２〜１５が良好であることがわかった。これらの試料は、極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍであり、先端径Ｄは０．１〜０．３ｍｍであった。
以上より、封入水銀量が０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３の範囲では極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍ、
先端径Ｄが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであることが、初期照度と照度維持率の両方の点で好ましい。

上記の構成にかかる高圧水銀ランプによれば、封入する水銀量が０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３であることにより紫外線の短波長域の照度が高く、特に波長３６５ｎｍ、２５４ｎｍの発光強度に優れるので、小型のランプでありながら、半導体検査装置用の光源や、インク効果用の光源として利用するために適した波長特性を有する。
また、極間ＡＬが１．４〜１．８ｍｍ、先端径Ｄが０．１〜０．３ｍｍであることにより、高い照度を維持しながらも、電極損耗量を低減し照度維持率が高く長寿命とすることができる。

１高圧水銀ランプ
１０発光管
１１発光部
１２封止部
１３陰極
１４陽極
１５金属箔
１６外部リード
１７コイル
１８平坦部
１９球面部
ＡＬ極間
Ｄ先端径
Ｓ発光空間
２高圧水銀ランプ
２０発光管
２１発光部
２２封止部
２３陰極
２４陽極
２５金属箔
２６外部リード
２７コイル
２８平坦部
２９球面部
ＡＬ極間
Ｄ先端径
Ｓ発光空間

Claims

発光管内部に一対の陰極と陽極を対向配置し、この発光管内に水銀を封入した直流型の高圧水銀ランプにおいて、
前記発光管内部には、０．０５〜０．１０ｍｇ／ｍｍ^３以下封入され、
前記陰極は、先端に平坦部を有する円錐台形であり、
前記陰極と陽極との極間ＡＬは、１．４〜１．８ｍｍであり、
この陰極の先端径Ｄは０．１〜０．３ｍｍであることを特徴とする高圧水銀ランプ。