JP3738880B2

JP3738880B2 - Short arc discharge lamp lighting device

Info

Publication number: JP3738880B2
Application number: JP27849299A
Authority: JP
Inventors: 康雄伴; 亮大河原; 将二山本; 教一柵木; 日出海折戸; 浩一松尾; 哲夫小久保; 誠次菊池
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001102002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はショートアーク放電ランプの点灯装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロジェクタ用光源装置の点灯光源や半導体製造に用いるステッパ用光源等は、ランプ電力に対するアーク長の比率が小さくランプ電圧が小さい。従って、電流を大きく採用したり、ランプ電圧を大きくし電流を小さくして電極負担を小さくするために、封入する水銀量を増やすことが行われている。
【０００３】
例えば、大容量ランプのステッパ用光源としてのランプは、アーク長約３ｍｍ、２０００Ｗ、内容積１６ｍl、点灯時の平均ガス温度を２０００℃として、動作圧力は２．５気圧程度であり、電極としての陰極であっても、φ１２ｍｍの心棒を用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記した条件のランプによると、ランプ製造後初めて点灯する場合、数多くのランプの中には点灯後直ぐに破裂するものがあり、そのため出荷前に５分点灯し、さらに５分消灯する動作を２０回程度繰り返す等、スクリーニングを行っていた。
【０００５】
破裂するランプを観察すると、ランプのシール部に埋設された陰極根元から放電を開始し、１０秒以上その場所から放電し、放電が安定してしまうため、ランプのシール部において、石英ガラスが長時間陰極根元による放電により、熱応力を受けて破裂することが判明した。
【０００６】
一方、比較的小形のランプであり、バラストも小さくして、モバイル系のプロジェクタ光源として用いるランプは、アーク長約１ｍｍ、１２０Ｗ、内容積０．０５ｍl、点灯時の平均ガス温度を２０００℃として、計算した場合、動作は約１８０気圧程度となるように水銀を封入し、安定時のランプ電圧が８０ボルト程度となるように構成してある。従って安定時の電流は１．５Ａ程度である。
【０００７】
この種のランプでも、ステッパ用光源と同様に、数１００本に１本は製造後の初点灯で破裂するものが発生した。原因としては、シール部に埋設された電極根元から放電を開始し、長時間持続（１０秒〜数１０秒間）するものがあり、両電極の先端へ移行しないで、陰極となる側のシール部石英へ熱応力を掛け続けるため破裂するものである。
【０００８】
ランプの電圧や電力を決める上で、大容量のランプは主として産業用であり、紫外線を利用するためステッパ用光源のような値となり、小容量のランプはプロジェクタ等において装置を軽くするためにバラストを小形軽量とすることを目的としている。
【０００９】
従って、ランプ電圧を高く電力は小さく、発光効率は変えずに光学的利用率を上げるためにアーク長は短くせざるを得ない。
【００１０】
一般照明用のランプでは、アーク長を管径の約２倍とし、全光束が最大となるように構成してある。同ランプは、放電を開始すると直ちに電極先端間同士にアークが移行し、ステッパ用光源やプロジェクタ用光源に見られるような現象は見受けられないことが確認されている。
【００１１】
それは放射性物質を電極に施したものであり、シール部根元より電子が出難いことや、放電路で初期から電力消費をするため、電極先端温度が上昇しやすいためである。
【００１２】
本発明は上記の諸点に鑑み発明したものであって、産業用光源としてのステッパ用光源や、プロジェクタ用ランプが製造直後の初点灯である程度破裂する現象を、始動時に流す電流を制御することで防止し、信頼性の高いショートアーク放電ランプの点灯装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を解決するために次の構成とする。つまり発光管の両端にエミッターとしての電子放電物質を塗布しない電極を封止し、外管を用いず発光管のみで用いるショートアーク放電ランプの点灯装置に関する。
また同放電ランプのランプ電力をＰ_L(Ｗ)、前記電極間のアーク長l（ｍｍ）、ランプの安定時電流をＩ_L(Ａ)、同初期電流Ｉ_P(Ａ)とした場合、l／Ｐ_L≦１．５×１０^-2のランプを始動させるに当たり、まず、Ｉ_P≧1.4Ｉ_Lと規定する直流電流を流し、次に、続いて流す電流をＩｓ(Ａ)とした場合、Ｉｓ<Ｉ_L、且つＩｓ≦Ｉ_P／２と規定する電流を３秒間以上流し、その後安定点灯に移行させるように構成してある。
【００１４】
請求項１に記載のショートアーク放電ランプの点灯装置によると、ランプを点灯するに際して、始動直後に始動時電流より小さな電流とした時間帯を設けることによって、初期のランプの破裂を防止し信頼性の高いランプを得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図１乃至図３について説明する。図１において、１は半導体製造に用いるステッパ用の１５００Ｗの光源（発光管）であって、中央部に膨部２があり、最大外径φ５０ｍｍ、最大内径φ４５ｍｍとして構成してある。３は光源の一端のシール部４に封止した陽極であって、タングステンからなり、中央に向かってテーパ状に細く構成してある。また同陽極３は最大径φ１８ｍｍ部分の長さは２０ｍｍであり、放電容器としての石英材に挿入するため、シール部４に埋設させる部分は、φ８ｍｍに削り加工して構成してある。また石英に埋設された際に、石英にクラックが発生しないように、陽極の埋設部に０．１ｍｍ厚のモリブデン箔５を巻いて構成し、数枚のナイフエッジを設けたモリブデンリボンを介して、モリブデンリードと外部へ電気的に接続するように構成してある。同構成においてアーク長は３ｍｍである。
【００１６】
他方光源１の他端のシール部１０には陰極１１が挿入してあり、光源の中央に向かって、約３０度となるような角度で絞り加工が施され、φ８ｍｍの部分の先端から長さ１０ｍｍ程離れた位置よりφ１．２ｍｍのタングステンワイヤを密着して５ターン巻いてある。放電容器内容積約６２ｍｌの中に始動補助ガスとしてのキセノンを約１気圧と、安定時のランプ電圧が２５Ｖとなるようにバッファガスとして水銀を封入してある。
【００１７】
同ランプを点灯する際に初期電流（一次電流）を、安定時電流の約１．５倍の直流電流を５秒間流し、その後安定時電流の約７０％の直流電流を５秒間流した後、略安定時電流に等しい直流電流を流すと、シール部に埋設された陰極部分から例え放電開始をしたとしても始動時電流は最大５秒しか流れず、その後約１．４倍の電流となり、１．４倍となった直後に電極先端同士にアークが発生し、シール部石英に熱応力が掛かり難い。そのため同様のランプと同バラストの組合わせにて３０セットを１０分間ＯＮ、１０分間ＯＦＦの点滅サイクルにて、１０００回の試験をおこなったが何ら異常は認められず良好な特性であった。
【００１８】
次に上記したランプの具体例は、例えばランプ電力Ｐ_Lは１５００Ｗ、初期電流Ｉ_Pは９０Ａ、始動後に流す電流Ｉｓは４０Ａ、安定時電流Ｉ_Lは６０Ａとして構成する。
【００１９】
次にプロジェクタ用光源装置を図２について説明する。図２に示すランプ２０（発光管）は、定格１２０Ｗのランプであって、ランプ中央部に最大外径φ９．４ｍｍ、最大内径φ５．０ｍｍの放電空間、内容積が約０．０５ｍｌとしてあり、アルゴンガス１０⁴Ｐａと、平均ガス温度を２０００℃として、安定時の内圧が２３０気圧となるように水銀を約１５ｍｇ封入し、さらに寿命中に黒化進行することを防止するため微量の臭化物を封入して構成してある。
【００２０】
また図２において、２１，２２はランプ２０のシール部２３に埋設してなる電極であって、同じ大きさに構成してある。また両電極２１，２２は対向して配置され、電極間距離は１．０ｍｍとして構成してある。また両電極はタングステンからなる芯棒径φ０．３ｍｍに、タングステンからなるφ０．２２ｍｍのコイル２４を二重巻きとし４ターン巻付けて構成してある。また電極全長は９ｍｍであり、シール部に埋設して構成してある長さは約４ｍｍであり、溶接シロを約１．５ｍｍとし、幅１．５ｍｍ、長さ１９ｍｍのナイフエッジ付のモリブデン箔２５（厚さ２０μｍ）と接続あり、さらにモリブデン箔２５の他端は、２ｍｍの溶接シロをとって、φ０．５ｍｍのモリブデンリード２６に接続し、さらに口金や金属端子へと接続して構成してある。このように構成したランプは電子安定器に接続し点灯することができる。
【００２１】
上記のように構成した超高圧水銀ランプの、定格ランプ電力は１２０Ｗ、安定時のランプ電圧は約８０Ｖに構成してある。また同ランプを始動時の初期電流３Ａの直流電流として３秒流し、その後１Ａ，５秒間矩形波４００ＨＺの電流とし、その後３Ａの同周波数の矩形波電流を流し、ランプ電圧の上昇に従って電流を減少させ、安定時に１．５アンペアになるように構成し、同装置１００セットを１５分間ＯＮ、１５分間ＯＦＦの点滅サイクルで４０００回試験したところ何等異常は見られず、良好な寿命特性を示した。また図２に示す上記した光源２０は図３に示すように、ガラスミラー２７に固着して構成してある。
【００２２】
また上記したショートアーク放電ランプは、ランプを始動させる場合の条件として、ランプ電力Ｐ_L(Ｗ)とアーク長l（ｍｍ）の関係をl／Ｐ_L≦１．５×１０^-2とする。
また直流電流を流す条件して、ランプ安定時電流をＩ_L(Ａ)、初期突入時の電流Ｉ_P(Ａ)としたとき、Ｉ_P≧1.4Ｉ_Lとする。
さらに続いて流す電流をＩｓ(Ａ)（二次電流）としたとき、Ｉｓ<Ｉ_L且つ、Ｉｓ≦Ｉ_P／２を３秒間以上流す。
【００２３】
このように始動直後に初期電流より小さな電流とした時間帯を設けると、初期のランプの破裂が発生することがない。
これが、例えば点灯初期に始動時電流を流した直後に、安定時電流と略同じ電流を流した場合は、シール部から放電するものもあり破裂の発生原因となることが確認されている。また初期電流Ｉ_Pが安定時電流Ｉ_Lの１．４倍未満の電流値であると、ランプは始動しない現象がおこり実施できない。また続いて流す電流Ｉｓが安定時電流Ｉ_Lより大きく、且つ初期電流のＩ_P／２の電流値を超えると、アークが電極先端に移行しないだけでなく、初期スパッタが発生する。さらにその電流を流す時間が３秒未満であると、その後電極の先端へアークが移行せず、陰極コイルから放電してスパッタが発生し、早期に黒化するものが発生することが確認されている。なお、この時間は３秒乃至１０秒であるのが実用的である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記したように、始動直後に初期電流より小さな電流とした時間帯を設けることによって、初期のランプの破裂を防止し信頼性の高いランプを得ることができ、産業用光源としてのステッパ用光源や、プロジェクタ用ランプとして利用価値が大きい特別な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るショートアーク放電ランプの点灯装置に用いるランプの側面図。
【図２】本発明に係るショートアーク放電ランプの点灯装置に用いる他のランプの側面図。
【図３】図２のショートアーク放電ランプをミラーに固着したときの側面図。
【符号の説明】
【発明の実施の形態】
１光源
２膨部
３陽極
４シール部
５モリブデン箔
１０シール部
１１陰極
２０ランプ
２１，２２電極
２３シール部
２４コイル
２５モリブデン箔
２６モリブデンリード
２７ガラスミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a lighting device for a short arc discharge lamp.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a lighting light source of a projector light source device, a stepper light source used for semiconductor manufacturing, and the like have a small ratio of arc length to lamp power and a low lamp voltage. Therefore, the amount of mercury to be enclosed is increased in order to employ a large current or increase the lamp voltage to reduce the current and reduce the electrode burden.
[0003]
For example, a lamp as a light source for a stepper of a large-capacity lamp has an arc length of about 3 mm, 2000 W, an internal volume of 16 ml, an average gas temperature at lighting of 2000 ° C., an operating pressure of about 2.5 atm. Even for the cathode, a mandrel of φ12 mm is used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the lamp of the above-mentioned conditions, when it is lit for the first time after the lamp is manufactured, there are some lamps that burst immediately after lighting, so that the operation of turning on for 5 minutes before shipping and turning off for another 5 minutes is performed. Screening was performed by repeating about several times.
[0005]
When a ruptured lamp is observed, discharge starts from the base of the cathode embedded in the lamp seal and discharges from that place for 10 seconds or more, which stabilizes the discharge. It was found that the discharge at the root of the time cathode bursts under thermal stress.
[0006]
On the other hand, the lamp used as a mobile projector light source with a relatively small lamp, with a small ballast, has an arc length of about 1 mm, 120 W, an internal volume of 0.05 ml, an average gas temperature during lighting of 2000 ° C., When calculated, mercury is sealed so that the operation is about 180 atm, and the lamp voltage at the time of stabilization is about 80 volts. Therefore, the stable current is about 1.5A.
[0007]
Even in this type of lamp, as in the case of the light source for steppers, one out of several hundred lamps was ruptured by the first lighting after manufacture. The cause is that the discharge starts from the electrode base embedded in the seal part and lasts for a long time (10 seconds to several tens of seconds). The seal part on the cathode side does not move to the tip of both electrodes. It bursts to continue applying thermal stress to quartz.
[0008]
In determining the voltage and power of the lamp, the large capacity lamp is mainly for industrial use, and because it uses ultraviolet light, it has the value of a light source for steppers. The small capacity lamp is used for ballasting to lighten the device in projectors and the like. The purpose is to make it compact and lightweight.
[0009]
Therefore, the arc length must be shortened in order to increase the optical utilization factor without changing the lamp voltage, the power, and the luminous efficiency.
[0010]
In general illumination lamps, the arc length is about twice the tube diameter, and the total luminous flux is maximized. In the lamp, it is confirmed that an arc is transferred between the electrode tips as soon as the discharge is started, and a phenomenon as seen in a stepper light source or a projector light source is not observed.
[0011]
This is because a radioactive substance is applied to the electrode, and it is difficult for electrons to be emitted from the base of the seal portion, and power is consumed from the beginning in the discharge path, so that the electrode tip temperature is likely to rise.
[0012]
The present invention has been invented in view of the above-described points, and controls the current that flows at the start-up to a phenomenon that a stepper light source as an industrial light source and a projector lamp rupture to some extent upon initial lighting immediately after manufacture. An object of the present invention is to provide a lighting device for a short arc discharge lamp that prevents and has high reliability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration in order to solve the above problems. That is, the present invention relates to a lighting device for a short arc discharge lamp in which an electrode not coated with an electron discharge substance as an emitter is sealed at both ends of an arc tube, and only an arc tube is used without using an outer tube.
When the lamp power of the discharge lamp is P _L (W), the arc length l (mm) between the electrodes, the stable current of the lamp is I _L (A), and the initial current I _P (A) is l When starting a lamp with / P _L ≦ 1.5 × 10 ⁻² , first, a direct current that is defined as I _P ≧ 1.4 I _L is supplied, and then the current that is subsequently supplied is Is (A). A current defined as Is <I _L and Is ≦ I _P / 2 is allowed to flow for 3 seconds or more, and then the state is shifted to stable lighting.
[0014]
According to the lighting device for a short arc discharge lamp according to claim 1, when the lamp is lit, a time zone in which the current is smaller than the current at the start is provided immediately after the start, thereby preventing the initial lamp from bursting and reliability. High lamp can be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below with reference to FIGS. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a 1500 W light source (light emitting tube) for a stepper used for manufacturing a semiconductor, which has a bulging portion 2 at the center, and has a maximum outer diameter φ50 mm and a maximum inner diameter φ45 mm. Reference numeral 3 denotes an anode sealed in a seal portion 4 at one end of the light source, which is made of tungsten and is configured to taper toward the center. The anode 3 has a maximum diameter φ18 mm of 20 mm in length, and is inserted into a quartz material as a discharge vessel, so that the portion embedded in the seal portion 4 is cut to φ8 mm. Further, in order to prevent cracks from being generated in the quartz when embedded in quartz, the anode embedded portion is wound with a 0.1 mm thick molybdenum foil 5, and a molybdenum ribbon provided with several knife edges is provided. The molybdenum lead is electrically connected to the outside. In this configuration, the arc length is 3 mm.
[0016]
On the other hand, a cathode 11 is inserted into the seal portion 10 at the other end of the light source 1 and is drawn at an angle of about 30 degrees toward the center of the light source. A tungsten wire with a diameter of φ1.2 mm is closely attached and wound for 5 turns from a position about 10 mm away. Mercury is enclosed as a buffer gas so that the starting volume of xenon is about 1 atm and the stable lamp voltage is 25 V in a discharge vessel internal volume of about 62 ml.
[0017]
When the lamp is turned on, an initial current (primary current) of about 1.5 times the steady-state current is passed for 5 seconds, and then about 70% of the steady-state current is passed for 5 seconds. When a DC current substantially equal to the stable current is passed, even if the discharge is started from the cathode portion embedded in the seal portion, the current at the start only flows for a maximum of 5 seconds, and then becomes about 1.4 times the current. Immediately after it becomes 4 times, an arc is generated between the electrode tips, and it is difficult for thermal stress to be applied to the seal quartz. For this reason, 30 sets of the same lamp and the same ballast were combined, and the test was performed 1000 times in a flashing cycle of 10 minutes ON and 10 minutes OFF.
[0018]
Next, a specific example of the lamp is configured such that, for example, the lamp power P _L is 1500 W, the initial current I _P is 90 A, the current Is flowing after starting is 40 A, and the stable current I _L is 60 A.
[0019]
Next, the projector light source device will be described with reference to FIG. The lamp 20 (arc tube) shown in FIG. 2 is a lamp having a rating of 120 W, a discharge space having a maximum outer diameter of 9.4 mm and a maximum inner diameter of 5.0 mm, and an internal volume of about 0.05 ml at the center of the lamp. Argon gas is 10 ⁴ Pa, average gas temperature is 2000 ° C., and about 15 mg of mercury is sealed so that the internal pressure at the time of stability becomes 230 atm. Further, a small amount of bromide is added to prevent the progress of blackening during the lifetime. Enclosed.
[0020]
In FIG. 2, reference numerals 21 and 22 denote electrodes embedded in the seal portion 23 of the lamp 20 and are configured to have the same size. Further, both electrodes 21 and 22 are arranged to face each other, and the distance between the electrodes is 1.0 mm. Further, both electrodes are constructed by winding a core rod diameter φ0.3 mm made of tungsten and a coil 24 of φ0.22 mm made of tungsten as a double winding and winding four turns. The total length of the electrode is 9 mm, the length embedded in the seal part is about 4 mm, the welding scale is about 1.5 mm, the width is 1.5 mm, the length is 19 mm and the molybdenum foil with a knife edge. 25 (thickness 20 μm) is connected, and the other end of the molybdenum foil 25 is connected to a φ0.5 mm molybdenum lead 26 with a 2 mm welding shell, and further connected to a base or a metal terminal. It is. The lamp constructed in this way can be connected to an electronic ballast and lit.
[0021]
The ultra high pressure mercury lamp configured as described above has a rated lamp power of 120 W and a stable lamp voltage of about 80V. Also, let the lamp flow for 3 seconds as the DC current of the initial current 3A at the start, then the current of the rectangular wave 400HZ for 1A and 5 seconds, then flow the rectangular wave current of 3A of the same frequency, and decrease the current as the lamp voltage increases It was configured to be 1.5 amperes at the time of stability, and when 100 sets of the same device were tested 4000 times with a flashing cycle of 15 minutes ON and 15 minutes OFF, no abnormality was found and good life characteristics were shown. . The light source 20 shown in FIG. 2 is fixed to a glass mirror 27 as shown in FIG.
[0022]
In the short arc discharge lamp described above, as a condition for starting the lamp, the relationship between the lamp power P _L (W) and the arc length l (mm) is 1 / P _L ≦ 1.5 × 10 ⁻² .
Further, assuming that the current when the lamp is stable is I _L (A) and the current I _P (A) at the time of initial inrush is set as a condition for flowing a direct current, I _P ≧ 1.4 I _L.
Further, when Is (A) (secondary current) is a current to be subsequently supplied, Is <I _L and Is ≦ I _P / 2 are supplied for 3 seconds or more.
[0023]
As described above, if a time zone in which the current is smaller than the initial current is provided immediately after starting, the initial lamp burst does not occur.
It has been confirmed that, for example, when a current substantially equal to the stable current is supplied immediately after the start-up current is supplied in the early stage of lighting, there is a discharge from the seal portion, which may cause a burst. If the initial current I _P is less than 1.4 times the stable current I _L , the lamp does not start and cannot be implemented. When the current Is subsequently passed is larger than the stable current I _L and exceeds the current value of I _P / 2 of the initial current, not only the arc does not move to the electrode tip but also initial sputtering occurs. Furthermore, it was confirmed that if the current flow time is less than 3 seconds, then the arc does not move to the tip of the electrode, but the cathode coil discharges and spatters, resulting in early blackening. Yes. It is practical that this time is 3 to 10 seconds.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing a time zone in which the current is smaller than the initial current immediately after starting, the initial lamp can be prevented from bursting and a highly reliable lamp can be obtained. As a light source for a projector or a lamp for a projector, there is a special effect that has great utility value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a lamp used in a lighting device for a short arc discharge lamp according to the present invention.
FIG. 2 is a side view of another lamp used in the lighting device for a short arc discharge lamp according to the present invention.
FIG. 3 is a side view when the short arc discharge lamp of FIG. 2 is fixed to a mirror.
[Explanation of symbols]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Expansion part 3 Anode 4 Seal part 5 Molybdenum foil 10 Seal part 11 Cathode 20 Lamp 21, 22 Electrode 23 Seal part 24 Coil 25 Molybdenum foil 26 Molybdenum lead 27 Glass mirror

Claims

In a lighting device for a short arc discharge lamp in which an electrode not coated with an electron discharge material as an emitter is sealed at both ends of an arc tube, and only the arc tube is used without using an outer tube, the lamp power of the discharge lamp is expressed as P _L (W ), _L / P _L ≦ 1.5 × 10 ⁻² , ^{assuming that} the arc length between the electrodes is l (mm), the lamp stable current is I _L (A), and the initial current I _P (A) is the same. In starting the lamp, first, when a direct current that prescribes I _P ≧ 1.4 I _L is passed, and then the current to be subsequently supplied is Is (A), Is <I _L and Is ≦ I _P / 2 A lighting device for a short arc discharge lamp, characterized in that a current specified by