JP2016207482A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ内の電極が陰極上側で垂直点灯するショートアーク型放電ランプにおいて、ランプの局所的な歪み応力の増加を抑制することにより、破裂を防止して長寿命化した放電ランプを提供する。
【解決手段】発光部１Ａの内部で対向して配置された陰極３及び陽極２、陰極３及び陽極２を夫々支持する電極支持棒５、電極支持棒５に夫々接続されシール管部１Ｃから外方に突出するリード線、及びシール管部１Ｃに装填され電極支持棒５及びリード線を支持すると共に放電管の内部を気密封止する電極マウント９とを備え、陰極３側で発光部１Ａとシール管部１Ｃの境界の位置Ａからシール管部１Ｃの陰極封止部Ｂまでの間に電極側端面９ａを底面とするポケット部１ｃが形成されており、ポケット部１ｃのシール管部１Ｃの内周面の面積をＳ_２とし、ショートアーク型放電ランプの入力電力をＰとしたとき、（Ｓ_２／Ｐ）が140〜260mm²/kWの範囲内にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外線を発光する高圧水銀ランプに関し、特に、アーク長が比較的短いショートアーク型放電ランプに関する。

高圧水銀ランプのうち、アーク長が比較的短い構造のランプはショートアーク型放電ランプと称される。ショートアーク型放電ランプは、高輝度の光を放射することができるため広い分野で用いられる。特に、中心発光波長が365[nm]のｉ線ランプや436[nm]のｇ線ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源として用いられる。

製造工程で用いられる露光用ランプでは、処理能力向上の要請から、高輝度の出力ばかりでなく、ランプの立ち上がり時間（即ち、点灯始動から定常点灯への移行時間）の短縮が求められるため、水銀の蒸発を促すために陽極を下側にして使用される。

特開2006-172809「ショートアーク型放電ランプ」（公開日：2006年6月29日）出願人：ウシオ電気株式会社 特開2012-204288「ショートアーク型放電ランプ」（公開日：2012年10月22日）出願人：岩崎電気株式会社

ショートアーク型放電ランプでは、ランプ内部の陽極と陰極のどちらを上側にして使用するかは、その用途によって決められる。製造工程で用いられる露光用ランプでは、ランプの立ち上がり時間を短縮するため、ランプの発光物質である水銀が容易に蒸発し易いように陰極を上側にし、陽極を下側にして使用される。

しかし、ランプの寿命試験を実施すると、陰極上側で垂直点灯したランプは、陽極上側で垂直点灯したランプに比較して、ランプの破裂が発生する比率が高いことが判明した。

そこで、本発明は、ランプ内の電極が陰極上側で垂直点灯するショートアーク型放電ランプにおいて、ランプの局所的な歪み応力の増加を抑制することにより破裂を防止して、長寿命化を実現することを目的とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、発光部と該発光部の両側にシール管部を夫々設けた放電管と、前記発光部の内部で相互に対向して配置された陰極及び陽極、該陰極及び陽極を夫々支持する電極支持棒、該電極支持棒に夫々接続され前記シール管部から外方に突出するリード線、及び該シール管部に装填され該電極支持棒及び該リード線を支持すると共に前記放電管の内部を気密封止する電極マウントとを備え、前記陰極が上側で前記陽極が下側になるように、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるショートアーク型放電ランプであって、前記陰極側では、前記発光部と前記シール管部の境界の位置Ａから該シール管の陰極封止部Ｂまでの間に電極側端面を底面とするポケット部が形成されており、位置Ａから陰極封止部Ｂまでの距離をＬ_１とし、ポケット部の前記シール管部の内周面の面積をＳ_２とし、前記ショートアーク型放電ランプの入力電力をＰとしたとき、（Ｓ_２／Ｐ）が140〜260 mm²/kWの範囲内にある。

更に、上記ショートアーク型放電ランプでは、前記シール管部の内径Ｄ_１は、13〜23 mmの範囲内にあってよい。

更に、上記ショートアーク型放電ランプでは、前記ポケット部の長さＬ_１は、8.5〜25 mmの範囲内にあってよい。

本発明によれば、ランプ内の電極が陰極上側で垂直点灯するショートアーク型放電ランプにおいて、ランプの局所的な歪み応力の増加を抑制することにより破裂を防止して、長寿命化を実現することが出来る。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す断面図である。 図１Ｂは、図１Ａのランプの変形例であって、電極マウントの内端面側の形状を凸形状とし、シール管部の口径を部分的に絞った形態を示す図である。 図１Ｃは、図１Ａのランプの他の変形例であって、電極マウントの内端面側を凹形状とした形態を示す図である。 図２は、図１Ａに示すショートアーク型放電ランプの陰極の周囲の部分拡大図である。 図３は、ランプの入力電力Ｐ、シール管部の内径Ｄ_１、円形の凹部の長さＬ_１を変えた複数のランプを試作して、長時間点灯の寿命試験を実施して、陰極封止部に発生する歪み応力Ｆ及びランプ破壊との関係を示す図である。 図４は、円形の凹部のガラス管内周面積（Ｓ_２／Ｐ）と歪み応力Ｆ(1,500h)との関係を示し、歪み緩和効果の有無を説明する図である。 図５は、顕微鏡型歪検査器による歪みの測定方法を説明する図である。 図６は、陰極封止部Ｂを通るように、シール管部１Ｃの軸線に垂直方向に切断した断面図である。

以下、本発明に係るショートアーク型放電ランプの実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。なお、図に示された同じ要素に対しては、同じ参照符号を付して、重複した説明を省略している。

［ショートアーク型放電ランプ］
（全般）
図１Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す断面図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、球状の発光部１Ａとその両側の管状のシール管部１Ｂ，１Ｃからなる放電管１を有する。発光部１Ａの内部の空間１ａには、陽極２及び陰極３が対向して配置されている。陽極２及び陰極３は電極支持棒５の内端に夫々支持されている。シール管部１Ｂ，１Ｃの外端からリード線６が夫々突出している。本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、電極が陰極上側で垂直点灯するように設置され使用される。

（電極マウント）
シール管部１Ｂ、１Ｃには、電極マウント９が夫々装着されている。電極マウント９は、電極支持棒５及びリード線６を支持すると同時に放電管１の内部を気密封止する機能を有する。電極支持棒５には、放電管１の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材１１が装着されている。

電極マウント９の内端面９ａは、発光部１Ａとシール管部１Ｂ、１Ｃの境界位置ｐから所定の距離だけ軸線方向外方に離れた位置にある。即ち、シール管部１Ｂ、１Ｃの電極側端部には、電極マウント９の内端面９ａを底面とする円形の凹部（「ポケット部」ともいう。）１ｂ、１ｃが夫々形成されている。

放電管１の発光部１Ａにはチップオフ４が形成されている。ランプの製造時に、チップオフ４の位置に取り付けられた排気管から放電管１内に、水銀を封入するとともに、少なくともアルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスを単独又はこれらの混合ガスを封入する。

本実施形態では、放電管１は石英ガラス、陽極２，陰極３，電極支持棒５及びリード線６は、タングステンによって形成されている。電極マウント９の主要部は、石英ガラスによって形成されている。

ランプ１０のシール形態は、図１Ａに示すようなシール管部１Ｃ及び電極マウント９の内端面９ａに限定されない。例えば、図１Ｂに示すように、電極マウント９の内端面９ａ側の形状を凸形状とし、シール管部１Ｃの口径を部分的に絞った形態のものもある。或いは、図１Ｃに示すように、電極マウント９の内端面９ａ側を凹形状としたものもある。このように、シール管部１Ｃを変形したもの、電極マウント９の内端面９ａを変形したものも、本実施形態の対象であるランプ１０に含まれる。

本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、入力電力Ｐが2〜10 [kW]の範囲で中心発光波長が436 [nm]の紫外線を出力する、いわゆるｇ線ランプである。

［ランプ破裂］
（ランプ破裂の状況）
図２は、図１Ａに示すショートアーク型放電ランプの陰極３の周囲の部分拡大図である。ここで、図１Ａに示す発光部１Ａとシール管部１Ｃの境界位置ｐを「位置Ａ」とし、シール管部１Ｃの電極マウント９の内端面９ａとの接続点を「陰極封止部Ｂ」とする。シール管部１Ｃのサイズは、内径をＤ_１ [mm]とし、ポケット部１ｃの長さ（即ち、位置Ａから陰極封止部Ｂの距離）をＬ_１ [mm]とする。シール管部１Ｃのポケット部１ｃの内周面の面積をＳ_２ [mm]とする。Ｓ_２は、（Ｄ_１π×Ｌ_１）で求まる。

本発明者等は、破裂したランプを解析したところ、多くのランプに於いて陰極封止部Ｂを起点としたランプ破裂の痕跡を確認した。陰極上側で垂直点灯するランプでは、ガラス管の陰極封止部Ｂに応力が集中し、ここがガラス管の脆弱部分であると判断される。

（破裂の原因究明）
点灯中のランプでは、発光部１Ａの内部のアークが形成され、このアークから発生したフレアと呼ばれる領域が形成される。点灯中のランプを観察したところ、電極間のアーク２３から発生し立ち昇ったフレア２４は、発光部１Ａのガラス管内周面の領域Ｓ_１に届き、ここを局所的に加熱している。加熱によりこの領域Ｓ_１に生じた歪みε_１は、領域Ｓ_１を起点に周囲に拡張し、ガラス管の陰極封止部Ｂに歪みε_２として到達する。陰極封止部Ｂにおいて、この歪みε_２を主要因とする歪み応力Ｆとランプ点灯時の圧力との合計が、ガラス管の陰極封止部Ｂの耐圧強度超えると、ランプは破壊するものと思われる。
即ち、歪み応力Ｆ＋ランプ点灯時の圧力＞ガラス管の陰極封止部Ｂの耐圧強度が成立すれば、ランプは破壊される。なお、矢印２２は、封入物の対流の向きを示している。

（陰極封止部Ｂにおける歪み応力Ｆとランプの破壊の関係）
そこで、ランプの入力電力Ｐ [kW]、シール管部１Ｃの内径Ｄ_１ [mm]、ポケット部長さＬ_１ [mm]を変えた複数のランプを試作し、長時間点灯の寿命試験を実施して、陰極封止部Ｂに発生する歪み応力Ｆ [kg/cm²]及びランプ破壊の関係を確認した。ランプ破壊前は弾性域にあるので、歪みε_２と歪み応力Ｆは比例関係にある。陰極封止部Ｂにおける歪み応力Ｆは、オリンパス株式会社(Olympus Corporation)製ガラス歪検査器（顕微鏡型）ＳＶＰ−ＭＳ１を用いて測定した。この測定方法に関しては、明細書の最後に説明する。表１は、この試験結果である。更に、図４は、これを図示したものである。

表１は、ランプ入力電力Ｐ、シール管部１Ｃの内径Ｄ_１及びポケット部長さＬ_１と、ガラス管の陰極封止部Ｂに発生する歪み応力Ｆ及びランプ破壊との関係を示す表である。

表１及び図３に示すように、ランプの破壊は、2本のサンプルNo.2とNo.7で発生した。歪み応力Ｆは、夫々、20.1 [kg/cm²]、22.0 [kg/cm²]であった。この結果より、陰極封止部Ｂの応力が、20 [kg/cm²]を超えると、ランプ破壊が発生することが分かった。

［破裂を防止したランプ］
ランプが破壊されると、ガラス管の破片が飛び散り、発光管の封入物は周囲に飛散して、外部に悪影響を及ぼす。特に、環境を破壊したり、人体を傷つけたりすることは絶対に避けなければならない。そこで、安全性を十分考慮して、陰極封止部Ｂの歪み応力Ｆを、実際にランプ破壊が起こった数値の半分以下の10 [kg/cm²]以下を安全領域の応力と規定した。このタイプのランプ寿命は、1,500時間程度である。図３に示すように、1,500時間経過時に陰極封止部Ｂの歪み応力Ｆが10 [kg/cm²]を超えるランプは、サンプルNo.７，２，４，３の４種類であり、残りのサンプルはいずれも10 [kg/cm²]以下であった。

アークから立ち昇ったフレア２４が、発光管内周面の領域Ｓ_１に届き、この領域Ｓ_１に生じた歪みε_１は周囲に拡張して陰極封止部Ｂに歪みε_２として到達する。従って、断面で考えれば、ポケット部の長さＬ_１を長くすることにより、領域Ｓ_１の歪みε_１が陰極封止部Ｂへ歪みε２として到達するのを遅らせることが期待できる。実際には、シール管部１Ｃのガラス管は円筒形なので、ポケット部の長さＬ_１を長くしてガラス管内周面積Ｓ_２を広くすることで歪みε_２として到達するのを遅らせることが期待できる。また、アーク及びそのフレアは、定格入力Ｐに比例して高温になると考えられる。そこで、単位電力当たりのガラス管内周面積（Ｓ_２／Ｐ）に着目して、歪みε_２として到達するのを遅らせる、即ち、歪み緩和効果との関係を検討した。

表２は、ポケット部１ｃの単位電力当たりのガラス管内周面積（Ｓ_２／Ｐ） [mm²/kW]と歪み応力Ｆ(1,500h) [kg/cm²]との関係を示し、歪み緩和効果の有無を決定した表である。ここで、応力Ｆ(1,500h) [kg/cm²]は、図４から読み取ったランプ点灯1,500時間経過時の歪み応力Ｆの値である。図４は、表２を図示したものである。

表２は、ポケット部１ｃの単位電力当たりのガラス管内周面積（Ｓ_２／Ｐ）と歪み応力Ｆ(1,500h)との関係を示し、歪み緩和効果の有無を決定した表である。

表２により、（Ｓ_２／Ｐ）が140〜260 [mm²/kW]の範囲内であれば、点灯時間1,500時間経過時の応力Ｆ(1,500h)は10 [kg/cm²]以下に留まることが分かった。陰極封止部Ｂの応力Ｆが10 [kg/cm²]以下であるならば、ランプ破壊のおそれはないものと判断される。即ち、Ｓ_２／Ｐが140〜260 [mm²/kW]の範囲内であれば、歪み緩和効果が有ったと判断される。140≦Ｓ_２／Ｐ≦260 [mm²/kW]
このときのシール管部１Ｃの内径Ｄ_１ [mm]及びポケット部長さＬ_１ [mm]の範囲は、次の通りであった。13≦Ｄ_１≦23 [mm]。8.5≦Ｌ_１≦25 [mm]
（長さＬ_１の上限）
ここで、長さＬ_１の上限について検討する。領域Ｓ_１に生じた歪みε_１が陰極封止部Ｂに歪みε_２として到達するのを遅らせるためには、長さＬ₁は物理的に長ければ長いほどよい。しかし、長さＬ₁が長すぎると、シール管部１Ｃのシール性（機密性）が悪化するという問題が生じた。即ち、長さＬ₁が長くなると、マウント９及び電極支持棒５も長くなる。これらが長すぎると、シール工程で、マウント９を軸線の周りに旋盤で回転させながら部分的にバーナーで炙ってマウント９を溶着させたとき、マウント９の欠け、封止部の傷が発生することがある。また、回転する電極支持棒５の頭部が重くなり中心からブレが生じ、シール管部内で偏芯し、陰極封止部Ｂに偏肉が発生する。
そこで、長さＬ_１を変えたサンプルを作成し、陰極封止部Ｂの偏肉の有無を検査した。表３は、ポケット部の長さＬ_１とマウント９の偏肉の有無との関係を示す表である。

表３の結果より、Ｌ_１は25 [mm]以下であることが好ましいことが判明した。

［顕微鏡型歪検査器による歪みの測定］
ガラス管の陰極封止部Ｂに歪み応力Ｆは、ガラス歪検査器を用いて測定した。図５を参照しながら、この測定の原理を簡単に説明する。図５（Ａ）は歪みが無い場合、図５（Ｂ）は歪みが有る場合である。光源から発する光を偏光板（偏光子）によって直線偏光波Ｕに変え、ガラス体内を通過させる。

図５（Ａ）に示すように、ガラスに歪みが無い場合には、Ｕの成分波ｕ1とｕ2は同じ速度でガラス内を通過し、ｕ１とｕ２の間には光路差が無く、従ってＵは入射前と同じく直線偏光のままとなる。

図５（Ｂ）に示すように、ガラスに歪みが有って応力Ｆが働いている場合、Ｕの成分波ｕ１とｕ２とは互いに違う速度でガラス内を通過し、通過後にはＲだけの光路差を生じる。この光路差Ｒ [nm]は、応力Ｆ [kg/cm²]と偏光が通過した距離Ｌ [cm]に比例するので、Ｒ＝ＣＦＬ……(1)と表される。
比例定数Ｃは、ガラスによって決まるので、ガラスの光弾性定数と呼ばれ、その単位は[nm・cm-¹)/(kg・cm-²)]となる。ちなみに、石英ガラスはＣ＝3.5。
次に、応力Ｆは、式(1)から、Ｆ＝Ｒ／ＣＬとして求められる。

図６は、陰極封止部Ｂを通るように、シール管部１Ｃの軸線に垂直方向に切断した断面図である。直線偏光波Ｕを陰極封止部Ｂに向けて通過させる。光路に沿って歪みεが分布していて、この積分値によって光路差Ｒが生じる。ここで、歪みは他所に比べて陰極封止部Ｂに大きく集中しているため、この光路差Ｒによって求めた応力Fをシール管部１Ｃの陰極封止部Ｂ付近の歪み応力と見做すことが出来る。

［まとめ］
以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本実施形態は、本発明の範囲を何ら限定するものではない。本実施形態に対して当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものである。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

１：放電管、 １Ａ：発光部、 １Ｂ,１Ｃ：シール管部、 １ａ：空間、 １ｂ,１ｃ：凹部，ポケット部、 ２：陽極、 ３：陰極、 ４：チップオフ、 ５：電極支持棒、 ６：リード線、 ９：マウント，電極マウント、 ９ａ：内端面、 １０：ショートアーク型放電ランプ、 １１：ゲッター材、 ２２：対流の向き、 ２３：アーク、 ２４：フレア
Ａ：位置： Ｂ：陰極封止部、 Ｃ：比例定数、 Ｆ：応力、 Ｐ：ランプ入力電力、 Ｄ_１：内径、 Ｌ_１：距離、 Ｒ：光路差、 Ｕ：直線偏光波、 ｐ：境界位置、 ｕ1，ｕ２：成分波、 Ｓ_１：領域、 Ｓ_２：ガラス管内周面積

Claims (3)

1. 発光部と該発光部の両側にシール管部を夫々設けた放電管と、
   前記発光部の内部で相互に対向して配置された陰極及び陽極、該陰極及び陽極を夫々支持する電極支持棒、該電極支持棒に夫々接続され前記シール管部から外方に突出するリード線、及び該シール管部に装填され該電極支持棒及び該リード線を支持すると共に前記放電管の内部を気密封止する電極マウントとを備え、
   前記陰極が上側で前記陽極が下側になるように、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるショートアーク型放電ランプであって、
   前記陰極側では、前記発光部と前記シール管部の境界の位置Ａから該シール管の陰極封止部Ｂまでの間に電極側端面を底面とするポケット部が形成されており、
   位置Ａから陰極封止部Ｂまでの距離をＬ_１とし、ポケット部の前記シール管部の内周面の面積をＳ_２とし、前記ショートアーク型放電ランプの入力電力をＰとしたとき、（Ｓ_２／Ｐ）が140〜260 mm²/kWの範囲内にある、ショートアーク型放電ランプ。
2. 請求項１に記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記シール管部の内径Ｄ_１は、13〜23 mmの範囲内にある、ショートアーク型放電ランプ。
3. 請求項１に記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記ポケット部の長さＬ_１は、8.5〜25 mmの範囲内にある、ショートアーク型放電ランプ。

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