JP4182900B2

JP4182900B2 - 高圧放電ランプ

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Publication number: JP4182900B2
Application number: JP2004053073A
Authority: JP
Inventors: 正晃西川; 忠司福田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: TW200529276A; KR100822583B1; CN1661767A; CN100492585C; JP2005243484A; TWI317962B; KR20050087731A

Description

この発明はショートアーク型放電ランプに関する。特に、半導体や液晶基板の露光用等に使用される紫外線を放射する大型高入力ランプであって、放電空間と外部とを隔てる封止部の構造に特徴を持つショートアーク型放電ランプに関する。

従来から、半導体や液晶基板の露光用に用いられるショートアーク型放電ランプの点灯時には、高い点灯圧力を保持しつつ放電空間内と該ランプ外部との気密性を確保する目的で、モリブデン等の金属箔をガラスと封着させシールする方法が取られている。図５に金属箔を用いてシールした、いわゆる箔シールタイプのショートアーク型放電ランプについて示す。該ショートアーク型放電ランプ５１は、バルブ部５２と、該バルブ部５２の両端から突出する枝管部５３からなっている。また、該バルブ部５２の内部には陽極５４と陰極５５とが対向配置されている。更には、該バルブ部５２は放電空間を形成し該バルブ部５２の内部に希ガスとして例えばキセノンガスが１気圧程度封入され、発光物質として水銀が例えば１ｍｇ／ｍｍ^３乃至１０ｍｇ／ｍｍ^３程度封入されている。該陽極５４、該陰極５５は、内部リード棒５６ａ、または５６ｂの一端と接続されている。該陽極５４側の該内部リード棒５６ａの他端は石英ガラスからなる管状体５７に挿入されワッシャー状の金属体５８と電気的に接続し、マウント部６４の一部を構成している。

該マウント部６４は、該内部リード棒５６ａ、該内部リード棒５６ａを保持する管状体５７、該内部リード棒５６ａに電気的に接続された金属体５８、該金属体５８に連接した金属箔部５９、該金属箔部５９が外周面上に配置された閉塞体６０、該閉塞体６０の反放電空間側の端部に配置され該金属箔部５９に電気的に接続する第２の金属体６１、該第２の金属体６１に接続され外部から給電可能とする外部リード棒６３、該外部リード棒６３を保持する第２の管状体６２、から成っている。該マウント部６４は、該枝管部５３に挿入され、該マウント部６４中に配置された該金属箔部５９を介して該枝管部５３と封着されている。また、該マウント部６４の周方向において該金属箔部５９同士の隙間部分６０ａでは、該閉塞体６０と該枝管部５３とが各々の界面で溶融することにより封着されている。このように金属箔を用いて封止する技術は例えば特許３３７９４３８号に記載されている。尚、図５に示した該陽極５４側の該枝管部５３と、該陰極５５側の該枝管部５３とでは同一の構成であるので、ここでは該陰極５５側の説明は省略する。

ところで、図５に示したようなショートアーク型放電ランプ５１に対して市場からは、半導体処理時のスループットを上げることや、液晶基板やカラーフィルターを対象とした大面積照射時の処理能力を向上することが望まれている。これらの要望に対して、該ショートアーク型放電ランプ５１への投入電力を今まで以上に高くすることにより対応しているのが現状である。

しかし、投入電力の更なる高入力化に伴って、バルブ部５２や枝管部５３が大型化されるだけでなく、該陽極５４、該陰極５５自身の大型化により電極部の重量が非常に重くなり、製造時の取り扱いが難しいという問題が生じてきた。具体的な例としては、入力電力１２ＫＷで、該バルブ部５２の大きさは外径１２０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ程度、該陽極５４としては外径３０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、重さ約１Ｋｇ程度のものが必要となる。また、高入力化によって点灯時のランプ電流は大電流化し、前記マウント部６４の閉塞体６０の外周方向に配置された金属箔の枚数を増やし高い電流に対応する必要が出てきた。このようなマウント部６４をシールする場合、前述の重量の重い電極等のためにシール後の金属箔部５９にシワが形成されたり箔自身が破断したりするといった問題が発生した。また、該ランプの点灯中には該バルブ部５２内の圧力は非常に高くなるが、該電極の大型化も伴って、バルブ部５２と枝管部５３との間に応力が集中する。この場合に、該金属箔部５９のシワ等とも重なり、枝管部５３が折れる不具合が発生するといった問題が生じた。更には、高い電流に対応するために金属箔の枚数を増やすと該閉塞体６０の外周方向に配置される金属箔間の隙間が非常に小さくなり製造時の取り扱いが更に困難になるといった問題が生じた。
特許３３７９４３８号

この発明が解決しようとする課題は、大型のショートアーク型放電ランプ、特に入力電力が１０ＫＷ以上のショートアーク型放電ランプにおいて、箔シール部が破断等することなく、且つ、放電空間と外部との気密を充分に確保するシール部構造を提供することにある。更には、ランプ点灯時にバルブ部と枝管部との間に発生する応力を抑制し枝管部の折れ等の不具合が起こらないショートアーク型放電ランプを提供することにある。また、入力電力が１０ＫＷ以上の大型のショートアーク型放電ランプであっても製造時の取り扱いが容易であるショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明のショートアーク型放電ランプは、放電空間を形成するバルブ部と、該バルブ部の両端に突出する枝管部とを持ち、該バルブ部内には一対の電極が対向配置されており、該枝管部には、該電極に連接する内部リード棒、該内部リード棒を保持する管状体、該内部リード棒に電気的に接続された金属体、該金属体に連接した金属箔部、該金属箔部が外周面上に配置された閉塞体、該閉塞体の端部側に配置され該金属箔部に電気的に接続された第２の金属体、該第２の金属体に接続され外部から給電可能とする外部リード棒、から成るマウント部が設けられているショートアーク型放電ランプにおいて、該マウント部の外径より大きな内径を持つ封止用ガラス体で該金属箔部を封着したシール体が、該枝管部内に配置され、該枝管部と該シール体とが溶着され、該シール体の内部リード棒側に配置された該内部リード棒を保持する該管状体の端部から該シール体の外表面に設けられた該封止用ガラス体の放電空間側の端部までの距離をａ、該封止用ガラス体の径方向のガラス肉厚をｂ、該枝管部を構成するガラス管の径方向のガラス肉厚をｄ、とした場合に、ａ／ｂ＞２、且つ、ｂ／ｄ＜１、なる関係を満たすことを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプによれば、該マウント部の外径より大きな内径を持つ封止用ガラス体で該金属箔部を封着したシール体が、該枝管部内に配置され、該枝管部と該シール体とが溶着された構造を持つ。更には、前記シール体の内部リード棒側に配置された該内部リード棒を保持する該管状体の端部と該シール体の外表面に設けられた該封止用ガラス体の放電空間側の端部までの距離をａ、該封止用ガラス体の径方向のガラス肉厚をｂ、該枝管部を構成するガラス管の径方向のガラス肉厚をｄ、とした場合に、ａ／ｂ＞２、且つｂ／ｄ＜１、なる関係を満たしている。該構造によれば、製造時等に該金属箔にシワが生じたり、該金属箔部へ多大な応力が掛かり該金属箔が破断するといった不具合が解消できる。また、該金属箔を封止用ガラス体に事前に封着することにより該金属箔部の気密性が確保できる。更には、該シール体を枝管部に封着することにより電極部が大型になり、重量が非常に重くなっても容易に封着部を形成できるといった効果を有する。

また、該シール部に発生する応力を小さく抑えることが可能となり、該ショートアーク型放電ランプが入力電力１０ｋＷ以上の大型のものになっても、電極の重みのために該枝管部で折れる等の破損が抑制される。更には、点灯時にバルブ部内の圧力が高くなっても、枝管部の折れ等の不具合が起こらないといった効果を有する。

本発明のショートアーク型放電ランプは、バルブ部の両端に突出する枝管部の内部に、マウント部の外周を石英ガラスで覆ったシール体を溶着したものである。また、マウント部を封止用ガラス体でシールすることによって作製した該シール体に電極等を接合し、これを該枝管部に挿入し、石英ガラスで覆われた該シール体の外周面と、ガラス体で構成された該枝管部の管内壁とを溶着したものである。更には、該シール体の肉厚と該枝管部の肉厚、また該シール体の端部の長さによって耐応力性の高い構造としたショートアーク型放電ランプである。以下の実施例に具体的構成を示す。

本発明の第１の実施例として図１にシール部の拡大図の概略断面図を示す。本発明のショートアーク型放電ランプ１はバルブ部２から突出する枝管部３からなっている。また、内部リード棒６は管状体７を貫通して配置されており、該リード棒６の端部６ａ側には金属体８が配置され該リード棒６と溶接されている。該金属体８には金属箔９が接続されており、該金属箔９は閉塞体１０の外周に配置されている。尚、図１において金属箔９は模式的に記載しているが、実際の厚み寸法は例えば２０μｍ程度である。該金属箔９の他端側には第２の金属体１１が配置され該金属箔９と接続されている。更に、該第２の金属体１１には外部リード棒１３が接続されている。また、該外部リード棒１３は石英ガラスからなる第２の管状体１２を貫通して配置されている。更に、該内部リード棒６、該管状体７、該金属体８、該金属箔９、該閉塞体１０、第２の金属体１１、第２の管状体１２、外部リード棒１３、からマウント部１４が構成されている。該マウント部１４の外周には封止用ガラス体１５が配置され該金属箔９の部分とシールされシール体１６を形成している。該シール体１６が該枝管部３に挿入され該枝管部３の管内壁と該シール体１６の外周面とが溶着されている。尚、図１では封止用ガラス体１５の形状は略円筒形の場合を示したが、該封止用ガラス体１５の内径側端部に外径側に広がるテーパーを設ける等の形状であっても良い。

また、該枝管部３を構成するガラス体の肉厚をｄ、該封止用ガラス体１５の肉厚をｂ、該シール体１６の該バルブ２側の端部から該管状体７の該バルブ２側の端部までの距離をａとする。この場合、該シール体１６の該バルブ２側の端と該枝管部３側の端部に該ショートアーク型放電ランプ１の点灯中最も応力の集中する点ｃが存在する。該応力の集中する点ｃにおける前記ａ、ｂ、ｃ、の各値との関係を図２、及び図３に示す。

図２は、応力解析シュミレーションで求めたものであり、バルブ２の内圧として３ＭＰａの圧力条件で計算した結果である。縦軸には、点ｃで該ショートアーク型放電ランプ１の点灯中に発生する応力、横軸には該シール体１６の該バルブ２側の端部から該管状体７の該バルブ２側の端部までの距離ａを該封止用ガラス体１５の肉厚ｂで割った値ａ／ｂ、具体的には、ある肉厚ｂの時にａの長さをどの程度長くするかを示している。また、各ａ／ｂでの点ｃにおける応力は、該シール体１６の該バルブ２側の端部から該管状体７の該バルブ２側の端部までの距離ａ＝０、すなわち該シール体１６の該バルブ２側の端部と該管状体７の該バルブ２側の端部とが同一面にあるときの点ｃで発生する応力を１００とした場合の応力で規格化した。図２によれば、ｂの値を１．５、２、及び３とした場合のａ／ｂの各値で発生する応力を示している。各ｂの全てにおいて、ａ／ｂ＞２では各ｂの値でほぼ安定した応力となっており、いずれの値もａ／ｂ＝０の場合よりも小さくなっている。つまり、ａ／ｂ＞２の範囲であれば点ｃにおける応力を低下させることができる。尚、擬似的な確認実験として、シュミレーションで用いたと同形状のショートアーク型放電ランプを作製し、耐圧試験を行った。結果としては、ａ／ｂ＝０に相当するランプより、ａ／ｂ＞２に相当するランプの方が高い圧力まで破壊されず、点ｃへの応力集中がａ／ｂ＞２なる条件では少ないものと考えられる。

次に示す図３も、応力解析シュミレーションによる計算結果であり、バルブ２の内圧として３ＭＰａの圧力条件で計算したものである。該図３では、縦軸に該封止用ガラス体１５の肉厚ｂと該枝管部３を構成するガラス体の肉厚ｄを等しくした場合に点ｃで発生する応力を１００として規格化した応力を示し、横軸はｂ／ｄの値を示している。図３によれば、ｂ／ｄ＝１の場合、つまりｂとｄとの厚みが等しい場合よりも該封止用ガラス体１５の肉厚ｂが厚くなると発生する応力も高くなる傾向を示している。逆に、ｂ／ｄ＜１の場合には発生する応力はｂ／ｄ＝１の場合より低くなる傾向を示している。尚、図２の場合と同様に擬似的な確認実験として、シュミレーションで用いたと同形状のショートアーク型放電ランプを作製し、耐圧試験を行った。結果としては、ｂ／ｄ＝１に相当するランプより、ｂ／ｄ＜１に相当するランプの方が高い圧力まで破壊されず、点ｃへの応力集中がｂ／ｄ＜１なる条件では少ないものと考えられる。

前記図２、及び前記図３に示した傾向より、ａ／ｂ＞２、且つ、ｂ／ｄ＜１の場合には、特に応力の集中する点ｃに発生する応力を低減できると言った利点がある。具体的には、該シール体１６の該バルブ２側の端部から該管状体７の該バルブ２側の端部までの距離ａを８ｍｍ、封止用ガラス体１５の肉厚ｂを２ｍｍ、該枝管部３を構成するガラス体の肉厚ｄを３．５ｍｍとした。この場合、ａ／ｂの値は４、ｂ／ｄの値は０．５７となる。枝管部３の径はΦ３２ｍｍ、長さ６５ｍｍである。

前記の構成を持つ実施例としては、例えば入力電力１２ｋＷ、陽極の大きさは長さ６０ｍｍ、外径３０ｍｍ、重さ約１Ｋｇ、バルブ部の径１２０ｍｍ、バルブの長さ１６０ｍｍ、バルブ部に封入される希ガスとしてＸｅを１気圧、該バルブ部内に封入される水銀量としては８ｍｇ／ｍｍ^３のショートアーク型放電ランプを作製、点灯したが、枝管部の折れ等の問題は発生しなかった。尚、入力電力が１０ｋＷ以上のショートアーク放電ランプでは、該構成により応力の発生が抑制され枝管の折れ等の問題は解消できる。これは、点灯時のバルブ部内の圧力が、希ガスや水銀量により、大きくなる場合でも同等である。例えば、半導体露光用や液晶基板の処理用に用いられるショートアーク放電ランプでは、該バルブ部に封入される希ガスの圧力としては０．１気圧乃至５気圧、該バルブ部内に封入される水銀量としては１ｍｇ／ｍｍ^３乃至１０ｍｇ／ｍｍ^３といったものがあり、これらにおいて同様の効果が期待できる。

次に、本発明の構成を持つショートアーク放電ランプを作製するためのシール工程の一例を図４に示す。図４のａ）からｇ）までの各工程により本発明のシール部が構成されている。ａ）はマウント部の構成を示す図である。内部リード棒６には石英ガラスから成る管状体７が差し込まれている。また、該内部リード棒６に溶接されたワッシャ状の金属体８には金属箔９が接続される。該内部リード棒６の一端は石英ガラスから成る閉塞体１０の一端に挿入されている。該閉塞体１０の他端には外部リード棒１３が挿入されている。該外部リード棒１３には第２の金属体１１が溶接されており、該第２の金属体に前記金属箔９の他端が接続されている。該金属箔９は該閉塞体１０の外周面に等間隔で配置されている。また、該外部リード棒１３には第２の管状体１２が挿入されている。ｂ）においてはａ）で組み上げたマウント部１４が封止用ガラス体１５内に挿入される。ｃ）においては、該封止用ガラス体１５を加熱することにより該マウント部１４の該金属箔９が箔シールされる。これにより該内部リード棒６と外部リード棒１３とが気密を保った状態で通電可能となる。ｄ）においては、該封止用ガラス体１５の両端を切断する。この工程において該閉塞体１０と該封止用ガラス体の端部までの距離であるａの寸法が規定される。これによりシール体１６が構成される。ｅ）の工程では、該シール体１６から突出している該内部リード棒６の先端に電極として、陽極４４、または陰極４５を接続する。ｆ）においては、ｅ）で作製された電極付きのシール体１６をバルブ部２から突出している枝管部３に挿入する。ｇ）においては、該枝管部３を加熱することにより挿入した該シール体１６の外周面と該枝管部の管内壁とが溶着される。該工程により本発明のシールが構成される。

本発明のショートアーク型放電ランプのシール部の構成を示す概略断面図。本発明の効果を示す図。本発明の効果を示す図。本発明のショートアーク型放電ランプの製造工程を示す概念図従来のショートアーク型放電ランプの構造を表す概念図。

符号の説明

１ショートアーク型放電ランプ
２バルブ部
３枝管部
６内部リード棒
６ａ端部
７管状体
８金属体
９金属箔
１０閉塞体
１１第２の金属体
１２第２の管状体
１３外部リード棒
１４マウント部
１５封止用ガラス体
１６シール体
４４陽極
４５陰極
５１ショートアーク型放電ランプ
５２バルブ部
５３枝管部
５４陽極
５５陰極
５６ａ内部リード棒
５６ｂ内部リード棒
５７管状体
５８金属体
５９金属箔部
６０閉塞体
６０ａ隙間部
６１金属体
６２管状体
６３外部リード棒
６４マウント部

Claims

放電空間を形成するバルブ部と、該バルブ部の両端に突出する枝管部とを持ち、該バルブ部内には一対の電極が対向配置されており、該枝管部には、該電極に連接する内部リード棒、該内部リード棒を保持する管状体、該内部リード棒に電気的に接続された金属体、該金属体に連接した金属箔部、該金属箔部が外周面上に配置された閉塞体、該閉塞体の端部側に配置され該金属箔部に電気的に接続された第２の金属体、該第２の金属体に接続され外部から給電可能とする外部リード棒、から成るマウント部が設けられているショートアーク型放電ランプにおいて、
該マウント部の外径より大きな内径を持つ封止用ガラス体で該金属箔部を封着したシール体が、該枝管部内に配置され、該枝管部と該シール体とが溶着されており、該シール体の内部リード棒側に配置された該内部リード棒を保持する該管状体の端部から該シール体の外表面に設けられた該封止用ガラス体の放電空間側の端部までの距離をａ、該封止用ガラス体の径方向のガラス肉厚をｂ、該枝管部を構成するガラス管の径方向のガラス肉厚をｄ、とした場合に、ａ／ｂ＞２、且つ、ｂ／ｄ＜１、なる関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。