JP3898490B2 - ショートアーク型放電灯 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショートアーク型放電灯に関し、特に、半導体デバイス（IC）や液晶表示パネル（LCD）やプリント基板（PCB）などの製造工程における露光に使用される紫外線を発生するショートアーク型放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超高圧放電灯の点灯中には、管内部の圧力が20気圧を超えることが知られている。特に、液晶表示パネル（LCD）の製造工程における露光に使用される放電管は、高照度化の要求が厳しく、照度を高めるために、発光に寄与する水銀を多量に封入している。これにより、印加電力を増加させることなく、ｇ線、ｈ線、ｉ線の放射量を増加させ、露光照射面の紫外線照度を上昇させている。これは、動作中の水銀蒸気圧を上昇させて、複数分子発光を大量に起こさせることで、水銀輝線以外に、水銀輝線近傍の発光を生じさせ、紫外線波長域において連続スペクトルで発光させるものである。
【０００３】
この連続スペクトル発光では、水銀輝線以外の波長域、特に、赤外線波長域での発光効率の向上が顕著となる。水銀蒸気圧を上昇させる方法としては、水銀ランプの発光管内に封入する水銀封入量を、発光管１cc当たり約20mg以上とする方法がある。水銀封入量の増加は、水銀ランプの発光効率をさらに増加させる。したがって、これらの放電灯の発光部を設計する際には、バルブ部の機械的強度が、20気圧以上の圧力に耐えられるような強度となるように設計することが、放電灯の破裂事故を防ぐために重要である。
【０００４】
従来、放電管を設計する際には、搭載する光学系の楕円ミラーの寸法等を加味した上で、ランプへの印加電力をランプの内表面積値で割った値（管壁負荷値）等を基にして、バルブ部の設計を行っていた。この管壁負荷値は、ランプ長寿命化の指標として使っている。ランプ電力を下げるか、ランプ発光管内表面積を大きくすることにより、管壁負荷を低くすることができ、ランプを長寿命化できる。すなわち、ランプ電力を一定とした場合、ランプ発光部形状が大きいほど、長寿命化できる。
【０００５】
ランプの強度は、ランプの形状にも依存する。図６に示すショートアーク型放電灯の電極封入方法を参照しながら、ランプの強度と形状の関係を説明する。図６（ａ）に示すように、ストレート形状の石英管をバーナーで溶融して、Ｎ₂などで内側を加圧して膨らまして、カーボン製などの型で最終成形する。成形後の発光管の両端は、加工前の石英管の部分が残る。この部分の外径が、直管部外径ｂである。直管部の内径は、図６（ｂ）に示すように、陽極を管の中に挿入するため、陽極の外径よりも太い必要がある。陽極のステム部分の管状部材９の位置に対応する直管部を溶かして、内部の管状部材９と溶着して封じる。したがって、図６（ｃ）に示すように、直管部に段差ができる。ただし、管状部材９の外径を大きくすれば、段差ができないようにすることもできる。直管部外径ｂが大きいほど、ランプステム部内部と外部の温度差が大きくなり、クラック等が生じやすく、ランプ破損の原因になる。直管部外径ｂが小さいほど、ランプステム部と外部の温度差は小さくなるが、ステム部の強度が弱くなる。
【０００６】
以下に、ショートアーク型放電灯の形状に関する技術の従来例をいくつか挙げる。特開平9-265951号公報に開示された「放電ランプ」は、ランプ電圧が200V級で、ランプ電力が２kW級の長寿命で小型軽量な放電ランプである。一対の電極の間隔Ｌ（mm）と、気密容器の電極軸と直交する方向の最大内径Ｄ（mm）が、30≦Ｌ≦38，30≦Ｄ≦34，Ｌ≧Ｄを満たす。電極が無用に近接しないので、点灯時の気密容器の内圧が許容範囲となって、破裂が発生しない。発光点が小さくなって、光学特性も改善される。気密容器が無用に小さくないので、アークの湾曲による気密容器の破損も発生しない。気密容器が無用に大きくないので、機械的強度も向上する。全体に小型軽量であり、効率も良い。
【０００７】
特開平10-188893号公報に開示された「液晶バックライト用セラミック製高圧水銀放電ランプ」は、万一破裂した場合の破裂音が小さく、発光管の強度が強く、光出力の立上り時間が早く、高い動作圧で点灯することができ、赤色を強く発色するリチウムを封入してもランプ寿命の長い液晶バックライト用高圧水銀放電ランプである。透光性セラミックスで成形された発光管内に、一対の電極が対向配置され、水銀と希ガスが封入される。発光管中央部の最大外径Ｄと発光管端部の電極導入部の外径ｄの比ｄ／Ｄの値が0.4以下である。水銀の動作圧60atm以上で点灯する。必要に応じて発光管内に適量の水素ガスを封入する。
【０００８】
特開2000-223023号公報に開示された「高圧放電ランプ」は、ランプ寿命に応じた要求性能および信頼性を簡単な構成で確保し、寿命中の破裂などを未然に防止するものである。バルブに水銀を封入する。バルブ内に、電極間距離５（ｍｍ）以下で、一対の電極を対向配置する。管壁負荷［ランプ電力（Ｗ）／バルブ内表面積（cm²）］をRWとし、ランプ寿命をＴ（時間）とし、封入水銀量をＭ（mg／cc）とするとき、0.4Ｍ≦50−[logＴ×√(RW)]を満足する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の入力電力１kW以上の大形放電管においては、管壁負荷値を基にしてバルブ部を設計すると、バルブ点灯中に大きな歪みが生じやすく、最悪の場合、歪みが進行してバルブの破壊に至り、ランプを搭載する光学系に大きなダメージを与えるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題を解決して、ランプの破裂耐性が高く、長寿命なショートアーク型放電灯を堤供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、発光管内に陰極及び陽極を対向して配置し、発光管内の空間に水銀と希ガスを封入したショートアーク型放電灯の発光管の球面部最大内径aと、発光管の球面部全長ｃとの関係を、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02の範囲とした。このように構成したことにより、ランプの破裂耐性を高くでき、長寿命にできる。
【００１２】
さらに、発光管の球面部終端面外径ｂが1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲に有るようにし、ランプ電力をＷ（W）とし、発光管の球面部内表面積をＳ（mm²）としたときに、Ｗ／Ｓ＜0.3とした。このように構成したことにより、ランプの破裂耐性を一層高くでき、長寿命にできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態）
本発明の実施の形態は、発光管の球面部最大内径aと発光管球面部全長ｃとの関係を、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02の範囲とし、発光管の球面部終端面外径ｂを、1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲とし、ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ（mm²）の比を、Ｗ／Ｓ＜0.3としたショートアーク型放電灯である。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態におけるショートアーク型放電灯の概念図である。図２は、ショートアーク型放電灯の球面部の拡大図である。図１と図２において、発光管１は、ショートアーク型放電灯の石英ガラス管である。ガラス管部分をバルブとも呼ぶ。陰極２は、負電圧を印加する電極である。陽極３は、正電圧を印加する電極である。内部リード棒４,５は、電極とステム部を結ぶ導体である。ステム部６は、電極と口金を支持する部分である。口金７,８は、電源を接続するとともに、ランプを支持する部材である。管状部材９は、発光管の直管部と溶着させる部分である。発光管内部21は、水銀などのガスを封じた発光部分である。
【００１６】
発光部球面部最大内径ａは、発光管の球面部の軸に直交する方向の最大内部直径である。直管部外径ｂは、発光管の球面部終端面の外径である。発光管球面部全長ｃは、発光管の球面部の軸方向の長さである。すなわち、球面部両端の直管部との接合部（球面部終端面）間の長さである。放電灯の発光管は、ストレート形状の石英管をバーナーで溶融して、例えばＮ₂で内側を加圧して膨らまして、例えばカーボン製の型で最終成形する。成形後の発光管の両端は、加工前の石英管の部分が残る。この部分の外径が、直管部外径ｂである。発光管の球面部の形状は、ほぼ球面またはほぼ回転楕円体であるが、これらを総称して単に球面と呼ぶ。球面部内表面積は、球面部両端の直管部との接合部を除いた内面の表面積である。
【００１７】
図３は、ショートアーク型放電灯の形状と最大歪との関係を示す表である。図４は、ショートアーク型放電灯の球面部内表面積一定の場合における形状と最大歪との関係を示す表である。図５は、ショートアーク型放電灯の球面部内表面積と破裂時間との関係を示す表である。
【００１８】
上記のように構成された本発明の実施の形態におけるショートアーク型放電灯の特性について説明する。最初に、図１と図２を参照して、ランプバルブの形状と破裂耐性との関係について説明する。ランプ破裂の原因となる歪みは、ランプバルブ形状に由来する機械的強度の変化によるものと考える。ランプバルブは、石英ガラスの直管の中央部を、球状あるいは回転楕円体状に膨らませて形成する。発光管１内に、陰極２と陽極３を対向して配置する。発光管１内の空間21に、水銀と希ガスを封入する。発光管１の大きさを、直管の直径に対して大きくすれば、機械的強度は下がる。
【００１９】
次に、図３の表を参照しながら、発光部形状の変化による最大主応力の変化について説明する。ランプに、封入ガスとしてキセノンＸeを１atmと、水銀を50mg／cc封入し、７kWの電力で500時間点灯した。図３の表は、16種類のバルブ形状のランプについて、ランプ点灯時のバルブ部の最大歪み発生量の大きさを測定し、各ランプのバルブ形状と測定結果を示したものである。図３の表に示すように、ランプ発光部の形状によって、歪み発生位置と歪みの量が異なっている。ランプバルブ部の応力分布は、バルブ形状と密接な関係がある。しがって、バルブ形状によっては、ランプの機械的強度との関係により、点灯時に破裂に至るものがでるのである。発光部球面部最大内径をａとし、直管部外径をｂとし、発光管球面部全長をｃとすると、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02かつ1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲では、最大主応力値が小さい。このことから、ランプ発光部形状は、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02と、1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44を満たすものであることが望ましいということになる。
【００２０】
第３に、図４の表を参照しながら、バルブの球面部内表面積が一定で、バルブ部の形状が異なる場合における、ランプ点灯時のバルブ部の最大歪み発生量について説明する。図４の表は、ランプに、封入ガスとしてキセノンＸeを１atmと水銀を50mg／cc封入し、７kWの電力で500時間点灯して、バルブ部の最大歪み発生量を測定した結果を、各ランプのバルブ形状とともに示したものである。図４の表に示すように、ランプ発光部の寸法と最大主応力発生量と発生位置には相関がある。この表から、バルブの発光部球面部最大内径ａと、発光管の球面部終端面外径ｂと、バルブの発光管球面部全長ｃの関係が、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02かつ1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44となることが望ましいといえる。
【００２１】
第４に、図５の表を参照しながら、ランプ内表面積と破裂時間との関係を説明する。図５の表は、同じ入力電力で内表面積が異なるランプを連続点灯し、破裂するまでの時間を計測した結果を示したものである。図５の表に示すように、バルブの発光管球面部の最大内径ａと、バルブ両サイドの直管部外径ｂと、バルブの発光管球面部全長ｃの関係が、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02かつ1.82＜(ａ／ｂ)＜3.44の範囲内であっても、入力電力を内表面積で割った値が0.3以下でないランプは、1000時間以内で破裂した。入力電力を内表面積で割った値が高いほど、ランプバルブの温度が上昇する傾向がある。バルブの高温化により、バルブ素材である石英ガラスが劣化し、破裂に到ったと考えられる。しかし、バルブの発光管球面部最大内径ａと、バルブ両サイドの直管部外径ｂと、バルブの発光管球面部全長ｃの関係が、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02かつ1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲内であり、かつ入力電力を内表面積で割った値が0.3以下であれば、ランプは1000時間の点灯でも破裂しない。
【００２２】
以上の説明では、１kW以上の放電管を対象としたが、発光管を持つ放電管全てについて上記の性質が当てはまるので、すべての放電管に応用して同様な効果を得ることができる。
【００２３】
上記のように、本発明の実施の形態はで、ショートアーク型放電灯の発光管球面部最大内径aと発光管球面部全長ｃとの関係を、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02の範囲とし、発光管の球面部終端面外径ｂを、1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲とし、ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ（mm²）の比を、Ｗ／Ｓ＜0.3としたので、ランプの破裂耐性を高くでき、長寿命にできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明から明らかなように、本発明では、発光管内に陰極及び陽極を対向して配置し、発光管内の空間に水銀と希ガスを封入したショートアーク型放電灯の発光管球面部最大内径aと、発光管球面部全長ｃとの関係を、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02の範囲としたので、ランプ発光部の機械的強度を高くでき、点灯中の破裂事故を抑制できるという効果が得られる。
【００２５】
さらに、発光管の球面部終端面外径ｂが1.82＜（ａ／ｂ）＜3.44の範囲に有り、ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ（mm²）の関係をＷ／Ｓ＜0.3としたので、ショートアーク型放電灯の破裂耐性を高くでき、長時間点灯しても破裂することがない長寿命なものにできるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるショートアーク型放電灯の概念図、
【図２】本発明の実施の形態におけるショートアーク型放電灯の拡大図、
【図３】ショートアーク型放電灯の形状と最大歪との関係を示す表、
【図４】ショートアーク型放電灯の内表面積一定の場合における形状と最大歪との関係を示す表、
【図５】ショートアーク型放電灯の内表面積と破裂時間との関係を示す表、
【図６】ショートアーク型放電灯の電極封入方法の説明図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４、５ 内部リード棒
６ ステム部
７、８ 口金
９ 管状部材
21 発光管内の空間
ａ 発光部球面部最大内径
ｂ 直管部外径
ｃ 発光管球面部全長

Claims (2)

1. 発光管内に陰極及び陽極を対向して配置し、前記発光管内の空間に水銀と希ガスを封入し、前記発光管の球面部終端面に直管部を有し、ランプの電力Ｗを１（ｋＷ）以上とするショートアーク型放電灯において、前記発光管の球面部最大内径aと、前記発光管の球面部全長ｃとの関係が、0.42＜（ａ／ｃ）＜1.02の範囲であること、および前記発光管の球面部終端面の直管部外径ｂが 1.82 ＜（ａ／ｂ）＜ 3.44 の範囲に有ることを特徴とするショートアーク型放電灯。
2. ランプ電力をＷ（ W ）とし、前記発光管の球面部内表面積をＳ（ mm ² ）としたときに、Ｗ／Ｓ＜ 0.3 であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電灯。

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