JP2016100292A - 両端封止型ショートアークフラッシュランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管の内部に一対の主電極と、始動補助電極を有し、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、前記第１封止管には、第１主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、第２主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなる両端封止型ショートアークフラッシュランプにおいて、ランプの始動電圧を十分に下げてその始動性を改善し、加えて封止管の小径化を図ることのできる構造を提供することである。【解決手段】前記第１封止管及び／又は第２封止管の外部に外部トリガが配置され、該外部トリガが配置された位置に対応する前記封止管の内壁に接近するように、前記主電極の芯線に電気的に接続された導電体が配置されていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

この発明は両端封止型ショートアークフラッシュランプに関するものであり、特に、発光管の外部にトリガ電極を備えた両端封止型ショートアークフラッシュランプに係わるものである。

現在、半導体製造や薄膜トランジスタ製造などにおける、光加熱によるアニール処理用の光源としては、例えばロングアーク型のフラッシュランプが用いられている。
これらの用途とは異なり、新たな用途として点光源である真空紫外光源を、光学系を介することにより平行光として利用しようとする用途の開発がされている。
そのためには、フラッシュランプを、凹面反射鏡等により集光して平行光を形成することが望ましく、集光効率を高めるためには封止部の径が小さい両端封止型ショートアークフラッシュランプが有利である。

このような両端封止型ショートアークフラッシュランプが、特許第５３６００３３号公報に開示されている。
図８にその概略構造が示されていて、両端封止型ショートアークフラッシュランプにおいて、発光管１の両端に第１封止管２と第２封止管３が連設されている。そして、前記第２封止管３には封止用ガラス管４が挿入されていて、両者は溶着されている。
発光管１内に一対の第１主電極５と第２主電極６とが対向配置されている。前記第１主電極５は、その芯線７が第１封止管２に段継ガラスなどの手段により支持・封止されてその外方に導出されており、一方、前記第２主電極６は、その芯線８が前記封止用ガラス管４に段継ガラスなどの手段により支持・封止されてその外方に導出されている。

発光管１内の主電極５、６の間には、一対の第１始動補助電極１０と第２始動補助電極１１が配設されていて、それぞれの内部リード１２、１５と外部リード１３、１６とが、前記第２封止管３と封止用ガラス管４との間の溶着領域において、金属箔１４、１７を介して電気的に接続されている。
前記一対の内部リード１２、１５間には位置固定用のサポータ２０を設けて、始動補助電極１０、１１間の位置決めをする構成となっている。
そして、発光管部１内には、発光ガスとして、例えばキセノンガスが封入されている。

このような両端封止型ショートアークフラッシュランプは、所定の電圧が印加されることにより、まず始動補助電極１０、１１間で予備放電し、主電極５、６間の放電を補助する荷電粒子を発光管１内に発生させる構成となっているが、この始動補助電極１０、１１を採用しても始動電圧を期待通りに十分に下げることができず、なお依然として始動電圧が高いという課題がある。

また、上記従来技術においては、発光管１の内部に、前記一対の始動補助電極１０、１１の他に、スパーカ電極２１を設ける構成としているが、このように始動補助用の別のスパーカ電極２１を発光管１の内部に配置すると、必然的に第２封止管３が更に太くなってしまう。その結果、光源装置を構成するに際して、凹面反射鏡のランプ挿入用開口部を大きくすることが必要となり、凹面反射鏡の集光効率が低下してしまう、という問題がある。
更には、フラッシュ点灯によって生じる振動によってスパーカ電極２１が位置ずれを起こし、かえって始動性が悪化する場合がある。このため、スパーカ電極２１を保持するためのサポート部材２２を発光管１の内部に配置することが必要となるが、これによっても、封止管３の大径化を招くことになる。
加えて、発光管の内部に配置する構成部材が増えることによって、ランプ製造工程が複雑化するという問題もある。

特許第５３６００３３号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ガラス製の発光管の内部に一対の主電極と、始動補助電極を有し、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、前記第１封止管には、第１主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、第２主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなる両端封止型ショートアークフラッシュランプにおいて、ランプの始動電圧を十分に下げてその始動性を改善し、加えて封止管の小径化を図ることのできる構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る両端封止型ショートアークフラッシュランプは、前記第１封止管及び／又は第２封止管の外部に外部トリガが配置され、該外部トリガが配置された位置に対応する前記封止管の内壁に接近するように、前記主電極の芯線に電気的に接続された導電体が配置されていることを特徴とする。
また、前記外部トリガは、前記第２封止管の外周に巻き付けられた導電性ワイヤからなることを特徴とする。
また、前記始動補助電極の内部リードが前記第２封止管内に延在するとともに、前記導電体が、前記第２封止管内において前記内部リードと非接触状態で配置されていることを特徴とする。

また、前記始動補助電極が一対の始動補助電極であり、前記導電体は、前記発光管の管軸に垂直な断面において、前記一対の始動補助電極の内部リードの間を通過する楕円形状であることを特徴とする。
また、前記導電体は、前記主電極の芯線の周囲に一周以上巻き付けられた帯状導電体であることを特徴とする。
また、前記封止用ガラス管は、前記第２封止管との重なり領域において縮径されていることを特徴とする。

この発明の両端封止型ショートアークフラッシュランプによれば、前記第１封止管及び／又は第２封止管の外部に外部トリガが配置され、該外部トリガが配置された位置に対応する前記封止管の内壁に接近するように、前記主電極の芯線に電気的に接続された導電体が配置されているので、外部トリガと導電体との間で、低い始動電圧で容易に放電が発生し、これが始動補助電極間、或いは、始動補助電極と主電極間での放電、そして主電極間での放電に移行するので、始動性が改善された両端封止型ショートアークフラッシュランプとすることができる。

そして、従来のスパーカ電極を省略できて、封止管の小径化を図ることができ、かつ、構造が簡略化される。
また、主電極に取り付けた導電体を楕円形状とすることで、長径部分が外部トリガと近接するので、始動電圧の一層の低下をもたらすことができる。
さらに、封止用ガラス管が第２封止管との重なり領域において縮径されていることで、封止管部での更なる小径化が図れる。

本発明の両端封止型ショートアークフラッシュランプの断面図 図１の要部の拡大図 図２のＡ−Ａ断面拡大図 導電体の異なる形態の断面図 他の実施例の断面図 図５のＢ−Ｂ断面拡大図であって、導電体の種々の形態の断面図 本願発明の効果を表すグラフ 従来の両端封止型ショートアークフラッシュランプの断面図

図１は本発明の両端封止型ショートアークフラッシュランプの全体の断面図であり、図２は、その要部である主電極、始動補助電極および導電体の関係を示す拡大図、図３は、図２のＡ−Ａ断面の拡大図である。
このショートアーク型フラッシュランプは、いわゆる両端封止型（両端封止型）のものであって、その基本的構成については図７に示す従来例と同様である。つまり、発光空間を形成する例えば楕円球形状の発光管１と、その発光管１の一端に連続して管軸方向に沿って外方に延びる第１封止管２と、発光管１の他端に連続して管軸方向に沿って外方に延びる第２封止管３を有していて、前記第２封止管３には封止用ガラス管４が挿入されており、その重なり領域において両者は溶着されている。

前記発光管１内には、一対の第１主電極５と第２主電極６とが対向配置されている。前記第１主電極５は、その芯線７が第１封止管２に段継ガラスなどの手段により封着されて外方に気密に導出されており、一方、前記第２主電極６は、その芯線８が前記封止用ガラス管４に段継ガラスなどの手段により封着されて外方に気密に導出されている。
ところで、本発明の説明においては、第１主電極５が陽極を構成し、第２主電極６が陰極を構成しているが、第１封止管２および第２封止管３との関係においては、逆の関係であってもよく、陰極である第２主電極６の芯線８が第１封止管２側から導出され、陽極である第１主電極５の芯線７が第２封止管３に溶着された封止用ガラス管４側から導出されるものであってもよい。

陽極（第１主電極）５は、例えばタングステンにより構成されており、陰極（第２主電極）６は、例えば、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのエミッタ物質が含浸されたタングステン焼結体により構成されている。そして、これら主電極５，６の芯線７，８は例えばタングステンにより構成されている。
そして、前記発光管１内の一対の主電極５、６の間には、一対の第１始動補助電極１０と第２始動補助電極１１が配設されていて、それぞれの内部リード１２、１５と外部リード１３、１６とが、前記第２封止管３と封止用ガラス管４との間の溶着領域において、金属箔１４、１７を介して電気的に接続されている。
なお、この実施例では、前記封止用ガラス管４は、前記第２封止管４内に挿入されて重なり溶着される領域において、その外径が縮径されていて、指導補助電極１０，１１からの外部リード１３，１６は、この縮径された領域から外部に導出されている。

また、この実施例では、第２主電極６の芯線８と、第２封止管３との間には、更に厳密に言えば、第２封止管３内に溶着された封止用ガラス管４との間には、芯線８と封止用ガラス管４との癒着を防止すると共に熱膨張による圧力を緩和するための緩衝箔１９が配置されている。この緩衝箔１９は、例えばモリブデン箔が芯線８の外周に所定回数巻き回されて取り付けられており、緩衝箔１９自体のバネ性により封止用ガラス管４の内周面を押圧した状態で当接していて、第２主電極６の芯線８はこの緩衝箔１９によって第２封止管３内において支持されている。

そして、第２封止管３の発光管１側の一端側領域の外周には外部トリガ３０が巻き付けられている。この外部トリガ３０は、例えばニクロム線、カンタル線などの金属ワイヤが第２封止管３と発光管１の境界部分近傍の外周面に、管軸に対して周方向に１周以上、例えば２〜１５周程度巻き回されて構成されている。
この実施例においては、第２封止管３は、発光管１側の領域部分３ａと、封止用ガラス管４との重なり領域部分３ｂにおいてその厚さが異なっていて、発光管側領域部分３ａの厚さは、発光管１の厚さとほぼ同等であり、重なり領域部分３ｂの厚さは発光管側領域部分３ａよりも厚くなっている。こうすることで、外部トリガ３０が設けられる第２封止管３の発光管側領域部分３ａの内部には空隙が形成される。第２封止管３の内表面と、第２主電極６の芯線８との間の距離は、例えば、５〜１５ｍｍである。また、薄肉の発光管側領域部分３ａの軸方向の長さは、例えば、５〜１５ｍｍである。

一方、図１の部分拡大図である図２、および図２のＡ−Ａ拡大断面図である図３に示すように、第２主電極６の芯線８には、前記外部トリガ３０に対応する位置に導電体３１が設けられている。この導電体３１は、ニッケル、モリブデン、タンタルなどの材質からなる厚さ０．１ｍｍ程度の箔からなり、第２主電極６の芯線８にスポット溶接、レーザ溶接などの手段により固定される。これにより、導電体３１はランプ点灯中に第２主電極６と同電位となる。
この導電体３１は、特に図３で示すように、Ａ−Ａ断面視で楕円形状であって、第２封止管３内で、始動補助電極１０，１１の内部リード１２，１５を回避して非接触状態となる位置において、長径部３１ａが第２封止管３の内周面に近接するように配置されていて、前記外部トリガ３０との距離が短くなるようにされている。

本発明においては、外部トリガ３０と、芯線８（第２主電極６）と同電位になる導電体３１を近接させて配置した構成とすることで、この両者間で、主放電のきっかけとなる誘電体バリア放電が生じやすくなり、主放電への移行が円滑に行われる。

ところで、一方で、導電体３１と始動補助電極１０，１１の内部リード１２，１５との距離が近づき過ぎてしまうと、本来、主電極６先端と始動補助電極１０，１１先端の間で発生してほしい始動補助放電が、導電体３１と内部リード１２，１５間で発生しやすくなる。
この場合、主放電が安定的に発生しないという事態が生じることがあり、また、主放電が主電極の先端間ではなく、第２主電極６の芯線８と始動補助電極１０，１１の内部リード１２，１５間や、導電体３１と内部リード１２，１５間などで発生しやすくなる。
そうなると、主放電時の電流は、始動補助放電時よりかなり大きいため、内部リード１２，１５と導電体３１間の主放電によりこれらの部品が溶断することがあり、また、主放電によって蒸発した金属によりランプ内面が異常に黒化するなどの現象が発生しやすい。

したがって、導電体３１の形状は、指導補助電極１０，１１の内部リード１２，１５からは一定以上距離がおかれ、同時に少なくとも一部分が外部トリガ３０に近い位置に配置されることが必要となる。すなわち、導電体３１の断面形状を略楕円形状とすることで、上記問題に対処しつつ、ランプ始動性を改良したものである。
図４に、導電体３１の他の形態が示されていて、図４（Ａ）は、導電体３１の長径部３１ａが、第２封止管３の内面形状に沿うように円弧状とされている例であり、図４（Ｂ）は、導電体３１の内側に剛性物質３２を埋め込んで全体をソリッド化したものである。埋め込む剛性物質３２は、ガラスやセラミックでもいいし、金属でもよい。導電体３１に剛性を与えることで、その形状や位置を安定化することができ、内部リード１２，１５との不所望な接触を防止することができる。

以上の実施例では、外部トリガ３０を第２主電極（陰極）６側に設けた構成を示したが、外部トリガ３０は第１主電極（陽極）５側に設けてもよい。
その例が図５、図６に示されている。
図５において、陽極を構成する第１主電極５が延在する第１封止管２における発光管１側の外周面に、外部トリガ３３が設けられている。そして、この外部トリガ３３に対応して、第１封止管２内に延在する第１主電極５の芯線７に、導電体３４が設けられている。

この導電体３４は、基本的には前記第２主電極６の芯線８に設けられた導電体３１と同様であるが、第１電極５側に設けた場合、始動補助電極１０，１１の内部リード１２，１５が存在しないので、その形状は制約がなくなり、断面形状は円形であってもよい。
図６は図５のＢ−Ｂ断面視で、導電体３４の形状例が示されていて、（Ａ）は円形導電体３４で、支持体３５によって芯線７に支持されている。（Ｂ）は円形導電体３４の内部に剛性物質３６が充填されている例である。（Ｃ）は導電体３４が四角形状をなす例である。

なお、以上の説明において、始動補助電極１０，１１は一対のものを説明したが、どちらか一本であっても始動補助機能は奏せられる。
また、外部トリガ３０，３３は、第１封止管２と第２封止管３のいずれかに限られず、その両方に設けるものであってもよい。その場合は、封止管２，３内部の導電体３１，３４も両方に設けることになる。

本発明の両端封止型ショートアークフラッシュランプの一仕様例を挙げると以下の通り。
＜発光管＞
材質：石英ガラス，外径：φ２０ｍｍ，肉厚：１．２ｍｍ
＜第１封止管＞
外径：φ１２ｍｍ，長さ：１２ｍｍ，肉厚：１．２ｍｍ
＜第２封止管＞
外部トリガが設けられる発光管側領域部分の肉厚：１．２ｍｍ，
その部分でのガラスの内周面と第２主電極の芯線との距離：５ｍｍ
溶着部の最大外径：１２ｍｍ，長さ：１９ｍｍ，肉厚：２．５ｍｍ
＜封止用ガラス管＞
材質：石英ガラス、（縮径）溶着部の外径：φ７．４ｍｍ，肉厚：２ｍｍ

＜第１主電極（陽極）＞
材質：タングステン，最大外径：φ４ｍｍ
＜第２主電極（陰極）＞
材質：ＢａＯ系酸化物含浸、または酸化ランタン添加等のエミッタを含有したタングステン，最大外径：φ４ｍｍ
＜芯線＞
材質：タングステン，外径：φ２ｍｍ
＜始動補助電極＞
材質：タングステン，外径：φ０．５ｍｍ
＜始動補助電極の内部リード、および外部リード＞
材質：タングステン，外径：φ０．５ｍｍ
＜緩衝箔＞
厚み２０μｍのモリブデン箔を２周巻き回したもの，軸方向長さ：１２ｍｍ
＜外部トリガ＞
外径φ０．３２ｍｍのカンタル線を約１０周巻き回して構成
＜封入ガス＞
ガス種：希ガス、例えばキセノンガス、クリプトンガス

本発明の効果を実証する実験を行った。
本発明の形態として、
○実施例１：第２主電極（陰極）側に外部トリガと導電体を配置
△実施例２：第１主電極（陽極）側に外部トリガと導電体を配置
□実施例３：第２主電極（陰極）側および第１主電極（陽極）側に外部トリガと導電体を配置
導電体は厚さ０．２ｍｍ、材質はモリブデン。第２主電極（陰極）側は略楕円形状で、楕円の短径が２ｍｍ、長径が１０．５ｍｍ。また、第１主電極（陽極）側の導電体は断面が外径１０ｍｍの円形状。

比較例として、
×比較例：外部トリガや導電体を配置しない図８に示した従来型ランプ

ランプ内は、室温下圧力が１０気圧となるようにキセノンを封入。点灯条件として、２０μＦコンデンサに電圧を印加し、１０Ｈｚでランプをフラッシュ放電させた。
このような条件において、外部トリガおよび導電体が始動特性に及ぼす影響を調べる点灯試験を行った。

その結果が、図７に示されている。
ここでは、始動特性を比較するために、コンデンサ充電電圧とランプ主放電の成功率の関係を各ランプで比較した結果を示す。充電電圧が同等の場合に、点灯確率が高い方ほど始動性が良いと判断することができる。
尚、図７中の値は、ランプの個体差を考慮し、同仕様のランプをそれぞれ５本ずつ用意して実験した平均値を示す。
結果から、前述した実施例１○、実施例２△、実施例３□、比較例×の始動特性を比較すると、両主電極に導体を配置した実施例３□の始動特性が最も良好であり、以下、陰極側にリングを配置した実施例１○、陽極側に配置した実施例２△、比較例×という順になった。
以上の結果から、封止管外部に外部トリガと、内部に導電体を配置した場合の方が、これらを持たない従来例よりも、フラッシュ点灯時の始動性に優れ、しかも、導電体の配置を両主電極側とした場合に最も始動特性が優れ、以下陰極側のみ、陽極側のみの順となることが分かった。

以上説明したように、本発明に係る両端封止型ショートアークフラッシュランプでは、発光管に連設される第１封止管及び／又は第２封止管の外部に外部トリガが配置され、該外部トリガに対応して前記封止管の内壁に接近するように、主電極の芯線に電気的に接続された導電体が配置されているので、外部トリガと導電体の距離が小さく、この間で放電が生じやすいことから、これが始動補助電極と主電極間の放電、そして主電極間の放電へと移行することで、ランプの始動性が大幅に改善される。
また、従来用いていたスパーカ電極が不要になり、封止管の小径化が図られる。更に、封止用ガラス管が、第２封止管との重なり領域で縮径されていることも、封止管の小径化に寄与する。

１ 発光管
２ 第１封止管
３ 第２封止管
３ａ 発光管側領域部分
３ｂ 重なり領域部分
４ 封止用ガラス管
５ 第１主電極
６ 第２主電極
７ 第１主電極の芯線
８ 第２主電極の芯線
１０ 第１始動補助電極
１１ 第２始動補助電極
１２ 第１始動補助電極の内部リード
１３ 第１始動補助電極の外部リード
１４ 金属箔
１５ 第２始動補助電極の内部リード
１６ 第２始動補助電極の外部リード
１７ 金属箔
３０，３３ 外部トリガ
３１，３４ 導電体
３１ａ 長径部

Claims (6)

1. ガラス製の発光管の内部に一対の主電極と、始動補助電極を有し、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、
   前記第１封止管には、第１主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、
   前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、第２主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなる両端封止型ショートアークフラッシュランプにおいて、
   前記第１封止管及び／又は第２封止管の外部に外部トリガが配置され、
   該外部トリガが配置された位置に対応する前記封止管の内壁に接近するように、前記主電極の芯線に電気的に接続された導電体が配置されていることを特徴とする両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
2. 前記外部トリガは、前記第２封止管の外周に巻き付けられた導電性ワイヤからなることを特徴とする請求項１に記載の両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
3. 前記始動補助電極の内部リードが前記第２封止管内に延在するとともに、前記導電体が、前記第２封止管内において前記内部リードと非接触状態で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
4. 前記始動補助電極が一対の始動補助電極であり、
   前記導電体は、前記発光管の管軸に垂直な断面において、前記一対の始動補助電極の内部リードの間を通過する楕円形状であることを特徴とする請求項３に記載の両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
5. 前記導電体は、前記主電極の芯線の周囲に一周以上巻き付けられた帯状導電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
6. 前記封止用ガラス管は、前記第２封止管との重なり領域において縮径されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の両端封止型ショートアークフラッシュランプ。
   
   
   

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