JP2019046562A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧性、強度のある封止構造の放電ランプを実現する。【解決手段】封止管１３Ｂ内において電極支持棒１７Ｂを軸上において保持する内側ガラス部材４２が、電極側縮径部５１、後端側縮径部５２、大径部５３、そして小径部５４から構成されている。電極側縮径部５１は、第１、第２傾斜部６１、６２から成り、平面状の第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉの傾斜角度θ１、θ２は相違し、傾斜角度θ１は傾斜角度θ２よりも大きい。そして封止管１３Ｂは、内側ガラス部材４２の外周面４２Ｉに沿うように溶着している。【選択図】図２

Description

本発明は、放電ランプに関し、特に、電極マウント部品が配置される封止管の封止構造に関する。

放電ランプでは、放電管（発光管）内に一対の電極が対向配置されるとともに、電極支持棒などを含むマウント部品が、放電管を挟んで向かい合う一対の封止管内にそれぞれ封入されている。ランプ点灯時には、アーク放電によって発光し、放電管外部へ光が照射される。

ショートアーク型放電ランプなどでは、半導体、液晶製造の生産効率を向上させるため、大電力化が進んでいる。大電力化に伴って電極が大型化するため、マウント部品を配置した封止管もそれに伴って大型化する。封止構造が大型化するとマウント部品には大きな応力がかかり、封止管やマウント部品が破損する恐れが大きくなる。

特に、放電空間に面し、電極軸に沿って配置される電極支持棒を保持するガラス部材に対して過度な応力がかかり、封止管が破裂する恐れがある。これを防ぐため、ガラス部材を円錐状に形成し、電極（放電空間）側端部の径を、その反対側のマウント部品側端部の径よりも小さくする放電ランプが知られている（特許文献１）。

特開平１１−３２９３５８号公報

ガラス部材を円錐形状にすると、大きな圧力がかかるガラス部材の肉厚が全体に渡って薄くなり、封止構造の強度低下につながる。特に、大型のショートアーク型放電ランプに適用することが難しい。また、封止管が放電管に向けて絞り込まれるため、封止管とガラス部材との放電空間に面する繋ぎ部分が急激な湾曲部分となって楔形状になりやすく、耐圧性が低下する。

ガラス部材全体の肉厚をできる限り厚くするためには、円錐面の傾斜角度をできる限り緩やかにする必要がある。しかしながら、ランプ規格上、マウント部品全体の軸方向長さを変えることができないため、代わりに封止管端部側にあるマウント部品要素の軸方向長さを短くしなければならない。この場合、封止管とガラス棒との封止面積（溶着する面積）が小さくなって耐圧性低下が生じる。また、口金が電極支持棒を通じて電極の熱を受けやすく、温度上昇によって封止構造端部にクラックが発生しやすくなる。

したがって、電極支持棒をガラス部材で保持し、ガラス部材を含めたマウント部品を封止管内に封止する放電ランプにおいて、大型放電ランプにおいても耐圧性、強度を低下させない封止構造が求められる。

本発明の放電ランプは、放電管と一体的に繋がる封止管と、放電管内の電極を支持し、封止管内で電極軸に沿って延びる電極支持棒と、封止管と溶着し、電極支持棒を保持するガラス部材とを備える。そして、電極軸に対する傾斜角度が異なる複数の傾斜面が設けられ、電極側に向けて径が小さくなる縮径部が、ガラス部材に形成されている。

縮径部は、封止管後端側の第１傾斜面と、第１傾斜面よりも傾斜角度が小さく、第１傾斜面よりも放電管に近い第２傾斜面とを設けるように構成することができる。例えば、第２傾斜面が、ガラス部材の放電管側端部まで続き、第１傾斜面が、第２傾斜面と繋がるように形成することが可能である。特に、第１傾斜面と第２傾斜面との繋がり部分を曲面状に形成することができる。

例えば、第１傾斜面の傾斜角度θ１が、３０°≦θ１≦６０°を満たし、第２傾斜面の傾斜角度θ２が、３°≦θ２≦１０°を満たすように縮径部を構成することが可能である。また、第１傾斜面の電極軸方向長さが、第２傾斜面の電極軸方向長さよりも短くすることができる。

ガラス部材は、複数の傾斜面よりも封止管後端側において、電極の径よりも大きい径をもつ大径部を設けることが可能であり、複数の傾斜面のうち最も封止管後端側に近い傾斜面が、大径部と繋がるように構成することができる。また、ガラス部材は、封止管後端側に向けて径が小さくなって、曲面状傾斜面をもつ後端側縮径部を設けてもよい。後端側縮径部の電極軸方向長さは、縮径部の電極軸方向長さよりも短くすることができる。

封止管に関しては、封止管が、放電管と一体的に繋がる外側封止管と、外側封止管よりも電極軸側に配置される内側封止管とを備えた２重封止管に構成することが可能であり、ガラス部材は、内側封止管の端面と接し、電極軸垂直方向に沿った環状平面を設けることが可能である。

本発明によれば、耐圧性、強度のある封止構造の放電ランプを実現することができる。

本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的構成図である。 陽極側の封止管断面図である。 図２の一部を拡大した断面図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である放電ランプの平面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製であって略球状の放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は、電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス部材（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても、電極２０と同様、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス部材（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。例えば露光装置に放電ランプ１０が組み込まれた場合、放射光はパターン光となって基板などに照射される。

図２は、電極３０（陽極）側の封止管断面図である。なお、陰極側の封止管内部についても、同様の封止構造にすることも可能である。

封止管１３Ｂは、放電管１２と一体的に繋がる外側封止管５０と内側封止管４０から成り、封止管１３Ｂ内部には、電極支持棒１７Ｂとともに、筒状の内側ガラス部材４２、筒状の外側ガラス部材４４、リード棒１５Ｂなどを含むマウント部品６０Ｂが封止されている。電極支持棒１７Ｂは、中心軸に沿って穴４２Ｈを形成した内側ガラス部材４２、リング状の内側金属部材４６に挿通され、さらに外側ガラス部材４４の孔４４Ｈまで延びている。電極支持棒１７Ｂは、電極軸（ランプ軸）Ｘ上において、内側ガラス部材４２、内側金属部材４６、外側ガラス部材４４により保持されている。

内側金属部材４６は、内側ガラス部材４２と外側ガラス部材４４との間に設けられており、外側ガラス部材４４と環状ガラス部材４７との間には、リング状の外側金属部材４５が設けられている。なお、内側ガラス部材４２と内側金属部材４６との間や、外側ガラス部材４４と外側金属部材４５との間など各部材間には、ディスク状の円板箔を設けてもよい。外側ガラス部材４４の外表面には、帯状の金属箔１６Ｂが軸方向Ｘに沿って延在し、その両端が外側金属部材４５および内側金属部材４６と接続されている。なお、図２では、金属箔１６Ｂの厚さは誇張して描いている。

ランプ製造時における加熱、縮径（封止）工程により、外側封止管５０は、内側封止管４０、内側ガラス部材４２と溶着し、また、内側封止管４０は、内側ガラス部材４２、外側ガラス部材４４、環状ガラス部材４７と溶着している。外側金属部材４５と面する環状ガラス部材４７は、マウント部品６０Ｂにおいて封止管１３Ｂの端部（以下、後端側という）を封止する場所に位置する。このような封止構造により、放電管１２の気密性が維持される。なお、マウント部品６０Ｂには、例えばリード棒１５Ｂを固定する固定リングが含まれてもよく、上記に限定されるものではない。

内側ガラス部材４２は、電極軸Ｘに沿って径が複雑に変化する外周面４２Ｉを有し、外側封止管５０（封止管１３Ｂ）は、外周面４２Ｉに沿って溶着している。内側ガラス部材４２を電極軸Ｘに沿って径の大きさ、傾斜の程度の違いで区画すると、電極３０の径Ｄ２よりも大きい径Ｄ１をもつ大径部５３が、内側ガラス部材４２の中央付近に形成されている。大径部５３よりも電極側には、電極側に向けて径が小さくなる縮径部（以下、電極側縮径部という）５１が形成され、封止管後端側（マウント部品６０Ｂ側）に向けて径が小さくなる縮径部（以下、後端側縮径部という）５２が構成されている。

電極側縮径部５１は、大径部５３と滑らかに繋がっている第１傾斜部６１と、第１傾斜部６１と繋がる第２傾斜部６２から構成され、第２傾斜部６２は内側ガラス部材４２の端部まで続き、放電空間ＤＳと面している。一方、後端側縮径部５２は、内側金属部材４６と略同じ径をもつ小径部５４と大径部５３との間に形成されている。傾斜部６１、６２から成る電極側縮径部５１、後端側縮径部５２、大径部５３、そして小径部５４を形成した内側ガラス部材４２によって、十分な強度をもち耐圧性の優れた封止構造が得られる。以下、これについて説明する。

図３は、図２の内側ガラス部材付近を示す拡大断面図である。

電極側縮径部５１を構成する第１傾斜部６１、第２傾斜部６２は、互いに傾斜角度の異なる第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉをそれぞれ外周面として有する。第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉは、その傾斜角度θ１、θ２がそれぞれ一定であって、いずれも電極側に向けて縮径部５１（内側ガラス部材４２）の径が小さくなる方向に傾斜している。ただし、傾斜角度θ１、θ２は、電極軸Ｘと第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉとの挟角を表す。第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との繋がり部分Ｒは、所定の曲率半径をもつ曲面で構成されており、角張った部分となっていない。

第１傾斜面６１Ｉの傾斜角度θ１は、第２傾斜面６２Ｉの傾斜角度θ２よりも大きい（θ１＞θ２）。ここでは、θ１は、３０°≦θ１≦６０°の範囲に定められる。一方、傾斜角度θ２は、３°≦θ２≦１０°の範囲に定められる。また、第１傾斜部６１の電極軸方向長さＬ１は、第２傾斜部６２の電極軸方向長さＬ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。したがって、電極側縮径部５１では、大径部５３から比較的短い区間で急な角度で縮径し、その後、比較的長い区間に渡って緩やかに縮径している。

一方、後端側縮径部５２は、所定の曲率半径をもつ曲面状の傾斜面５２Ｉを有する。後端側縮径部５２の電極軸方向長さＬ３は、電極側縮径部５１の電極軸方向長さ（Ｌ１＋Ｌ２）よりも短い。後端側縮径部５２は、径Ｄ３を有する小径部５４と間で段差を形成しており、段差部分に環状平面５５が形成されている。環状平面５５は、内側封止管４０の端面４０Ｂと接し、電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成されている。

本実施形態では、内側ガラス部材４２の電極側（放電管側）端部にかかる圧力を低下させるため、電極側端部の径を反対側端部の径と比べて小さくなるように電極側縮径部５１を形成しているが、互いに傾斜角度の異なる第１傾斜部６１と第２傾斜部６２とを形成し、段階的に縮径している。これによって、電極側縮径部５１以外の形状に合わせて傾斜角度θ１、θ２を定めることで、封止構造の十分な強度を維持することができる。

上述したように、大径部５３の径Ｄ１は、電極３０の径Ｄ２よりも大きい。これは、封止工程において、マウント部品を封止管内に挿入して放電管内の所定位置に電極を配置させるとき、マウント部品に保持される電極の重さによってマウント部品が揺らぎ、ぐらつくが、大径部５３が封止管に当たることによって傾斜角度が抑えられ、電極が放電管内周面に当たって傷つくのを防ぐことができる。

このような大径部５３を形成した場合、単に１つの傾斜面だけを形成すると、マウント部品６０Ｂ全体の封止部分長さがランプ規格によって定められている関係上、急な傾斜角度を定める必要がある。しかしながら、段階的な傾斜角度θ１、θ２を定めることにより、内側ガラス部材４２の電極側端部においても十分な強度になる肉厚をもたせることが可能となり、封止構造の強度低下を防止することができる。これは、大径部５３が形成されていなくても同様の効果が生じ、傾斜角度θ１、θ２を調整することによって、所望する径の大きさまで縮径できる一方、強度のある封止構造を維持することができる。

第２傾斜角度θ２は、第１傾斜角度θ１よりも緩やかに形成されている（θ２＜θ１）。これによって、内側ガラス部材４２の電極側端部と封止管１３Ｂとが接する付近の湾曲部分形状（図３の符号Ｐ参照）が緩やかになり、耐圧性を低下させる楔形状とならない。第１傾斜角度θ１を３０°≦θ１≦６０°、第２傾斜角度θ２を３°≦θ２≦１０°とすることにより、強度が十分維持される電極側縮径部の形状を得ることができる。

特に、第２傾斜部６２の軸方向長さＬ２の長さが第１傾斜部６１の軸方向長さＬ１よりも大きいため、内側ガラス部材４２の肉厚が電極側端部で薄くなることを防ぐ。その一方で、小径部５４のような径一定部分を電極側端部に設けず、第２傾斜部６２が内側ガラス部材４２の電極側端部まで続いて形成されるため、十分に縮径することができる。

外側封止管５０は内側ガラス部材４２の外周面４２Ｉに沿って溶着するが、第１傾斜部６１、第２傾斜部６２に沿うように溶着する。したがって、仮に、熱処理を伴う封止工程において、大径部５３と第１傾斜部、第１傾斜部と第２傾斜部との境界Ｒ付近に隙間が生じても、必要以上に応力がかからず、クラック発生を抑えることができる。

第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉが平面状であることから、封止工程において、加熱量調整がしやすく、封止が容易となる。特に、大型ショートアーク放電ランプのように内側ガラス部材４２の電極軸方向長さが長くなる場合、封止処理が容易となる。すなわち、電極側縮径部５１を、後端側縮径部５２のように曲面状の傾斜面で構成した場合、曲り具合の程度に応じて決定される溶着（封止）箇所への加熱量を調整することが難しく、封止作業が困難となる。しかしながら、平面状の第１傾斜面６１Ｉ、第２傾斜面６２Ｉを形成することによって、封止作業を容易にすることができる。

また、第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との繋ぎ目部分Ｒが曲面で形成されていることによって、封止工程のときに繋ぎ目部分Ｒに気泡が周方向に沿って生じる（いわゆるエアーライン）のを防ぐことができる。その結果、点灯中、加熱処理など高温時に気泡が膨張して封止管１３Ｂが破裂するのを防止することができる。仮に気泡が生じても、小さく抑えることができる。一方、大径部５３と第１傾斜部６１との繋ぎ目部分も滑らかに繋がっているため、気泡の形成を防ぐことができる。

後端側縮径部５２の電極軸方向長さＬ３は、電極側縮径部５１の電極軸方向長さ（Ｌ１＋Ｌ２）と比べて短い。加熱量調整が困難な曲面状傾斜面５２Ｉの区間が短いため、封止作業が困難とならない。さらに、本実施形態では、二重封止構造を採用しているが、圧力がかかると破損しやすい環状平面５５と内側封止管端面４０Ｂとの接触部分が、外側封止管５０と確実に溶着する後端側縮径部５２と繋がっているため、気泡の形成を防ぎ、その接触部分と外側封止管５０との溶着を確実にすることができる。

このように本実施形態では、封止管１３Ｂ内において電極支持棒１７Ｂを軸上において保持する内側ガラス部材４２が、電極側縮径部５１、後端側縮径部５２、大径部５３、そして小径部５４から構成されている。電極側縮径部５１は、傾斜部６１、６２から成り、平面状の傾斜面６１Ｉ、傾斜面６２Ｉの傾斜角度θ１、θ２は相違し、傾斜角度θ１は傾斜角度θ２よりも大きい。そして封止管１３Ｂは、内側ガラス部材４２の外周面４２Ｉに沿うように溶着している。

本実施形態では二重封止構造としているが、単一の封止構造を採用してもよい。また、大径部を設けない内側ガラス部材の構成にしてもよい。また、傾斜部６１、６２の間、あるいは傾斜部６２よりさらに電極側において、傾斜角度の異なる平面状傾斜部、あるいは曲面状傾斜面をもつ縮径部を設けてもよい。また、大電力を必要としない放電ランプにも適用可能である。

１０ 放電ランプ
１２ 放電管
１３Ｂ 封止管
１７Ｂ 電極支持棒
３０ 電極（陽極）
４０ 内側封止管
４２ 内側ガラス部材
５０ 外側封止管
５１ 電極側縮径部（縮径部）
５２ 後端側縮径部
５２Ｉ 曲面状傾斜面
５３ 大径部
５４ 小径部
５５ 環状平面
６１ 第１傾斜部
６１Ｉ 第１傾斜面
６２ 第２傾斜部
６２Ｉ 第２傾斜面

Claims (10)

1. 放電管と一体的に繋がる封止管と、
   前記放電管内の電極を支持し、前記封止管内で電極軸に沿って延びる電極支持棒と、
   前記封止管と溶着し、前記電極支持棒を保持するガラス部材とを備え、
   電極軸に対する傾斜角度が異なる複数の傾斜面が設けられ、電極側に向けて径が小さくなる縮径部が、前記ガラス部材に形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記縮径部が、封止管後端側の第１傾斜面と、前記第１傾斜面よりも傾斜角度が小さく、前記第１傾斜面よりも前記放電管に近い第２傾斜面とを有することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記第２傾斜面が、前記ガラス部材の放電管側端部まで続き、
   前記第１傾斜面が、前記第２傾斜面と繋がっていることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との繋がり部分が、曲面状であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 前記第１傾斜面の傾斜角度θ１が、３０°≦θ１≦６０°を満たし、
   前記第２傾斜面の傾斜角度θ２が、３°≦θ２≦１０°を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 前記第１傾斜面の電極軸方向長さが、前記第２傾斜面の電極軸方向長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記ガラス部材が、前記複数の傾斜面よりも前記封止管後端側において、前記電極の径よりも大きい径をもつ大径部を有し、
   前記複数の傾斜面のうち最も封止管後端側に近い傾斜面が、前記大径部と繋がっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 前記ガラス部材が、封止管後端側に向けて径が小さくなり、曲面状傾斜面をもつ後端側縮径部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放電ランプ。
9. 前記後端側縮径部の電極軸方向長さが、前記縮径部の電極軸方向長さよりも短いことを特徴とする請求項８に記載の放電ランプ。
10. 前記封止管が、前記放電管と一体的に繋がる外側封止管と、前記外側封止管よりも電極軸側に配置される内側封止管とを備え、
    前記ガラス部材が、前記内側封止管の端面と接し、電極軸垂直方向に沿った環状平面を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の放電ランプ。

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