JP4358729B2 - ショートアーク型放電灯 - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク型放電灯に関し、特に、半導体や液晶の製造の露光工程において光源として用いられ、投入電力が１kW以上であるショートアーク型放電灯に関する。

製造プロセスなどにおける露光工程において、光源として使用されているショートアーク型放電灯は、高照度化が要求されている。この種のショートアーク型放電灯（以下、単にランプと称する）は、一般に投入電力が１kW以上となり、点灯時の温度、内圧がかなり高いことが知られている。前述の高照度化を行うための一方法として、水銀、希ガスなどをより多く封入し、紫外域のランプ発光効率を向上させることが挙げられる。この場合、点灯時ランプ内圧が封入物量の増加に起因して増大するため、破裂の危険性がより大きくなるという問題が挙げられる。

以下に、ショートアークランプにおける破裂対策の従来技術の例を説明する。従来の１ｋW以上の大型放電管においてはランプ入力電力をバルブ内表面積で割った値である管壁負荷値をもとにしてバルブ部を設計すると、ランプ点灯中に大きな応力が発生しやすく、最悪の場合、応力値がガラス材料の破壊応力値を超え、バルブが破壊に至ることがあった。この対策として、特許文献１に開示された「ショートアーク型放電灯」の提案がある。発光管の球面部最大内径ａと発光管球面部全長ｃとの比を、0.42＜(ａ／ｃ)＜1.02の範囲とする。発光管の球面部最大内径ａと球面部終端面外径ｂとの比を、1.82＜(ａ／ｃ)＜3.44の範囲とする。ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ(mm²)との比を、Ｗ／Ｓ＜0.3の範囲とする。このようにすることで内圧などが作用する場合の応力分布をより均等化させることができ、長時間点灯しても破裂に至らないようにできる。

また、市場からの要求により、ショートアーク放電ランプの大型化が進んでいる。そのため、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)、もしくはそれ以上必要となり、箔シール部の径や長さが大きくなっている。その結果、金属箔と、金属箔に内接するシール用石英部材との間に、箔の浮き上がり現象が起こるといった問題が新たに発生した。この問題の解決のために、特許文献２に開示された「ショートアーク放電ランプ」の提案がある。ランプ投入電力が４ｋW以上で、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)以上となる直流ショートアーク放電ランプである。シール石英部材へ挿入される金属部材の挿入部分の長さを、シール石英部材の全長の約４割以上とする。これにより、箔シール部に配置された金属箔に内接するシール用石英部材との間に発生する箔の浮き上がり現象を防止する。さらに、箔シール部に発生するクラックと、ランプ封入気体の外気へのリークと、ランプの早期破裂も防止できる。

発光管に連設された封止管内で、電極支持棒を挿通孔のある保持部材（肉厚の中空石英ガラス製管状部材）で保持する構造の放電ランプがある。この構造では、保持部材とシールガラスの封着部である保持部材の両端部に、熱溶融後の冷却時に熱ひずみが生じる。そのため、ランプが長時間、高圧力で動作すると、亀裂が生じる恐れがある。その問題を解決するため、特許文献３に開示された「放電ランプ」の提案がある。保持部材が石英ガラス製である。管状部材の発光管側端部域の外径を、他端側の端部域の外径より大きくする。発光管側端部域の外周に、Ｍo製箔部材を配置する。これにより、長時間、高圧力で動作しても、電極支持棒の保持部材と封止管との溶着部分に亀裂が生じなくなる。破裂することのない安全な信頼性の高い放電ランプとなる。

陰極と陽極の電極芯棒が保持用筒体に挿通されて保持され、保持用筒体が発光管に続く側管の絞込み部において支持されているショートアークランプがある。この構造では、電極芯棒の保持用筒体とシールガラスとの溶着の際に、保持用筒体の端部のコーナ部において、小さな間隙の楔部が形成されてしまうことがある。点灯中の発光管内のガス圧力が極めて高いと、楔部を起点としてクラックが発生する。応力が繰り返し加わることによって、クラックが斜め方向に対し大きく成長し、ついにランプが破裂してしまうという問題が生じる。この問題解決のために、特許文献４に開示された「ショートアークランプ」の提案がある。保持用筒体と絞込み部の間に、金属層もしくはセラミック層からなる中間層を介在させる。また、中間層をモリブデン箔とし、モリブデン箔が保持用筒体の外周面に巻かれる構造とする。点灯中のガス圧力を高くしても、側管の絞込み部と電極芯棒保持用筒体の端部コーナ部において、クラックが発生することがなくなる。

このように、バルブ端部から封止部にかけての部分において、非常に高い頻度で亀裂が発生する問題に対し、発光管の寸法を適切な値に設定することや、シール用石英部材への金属部材の挿入割合を適切な値に設定することや、発光管側端部域の寸法を適切な値に設定することや、電極芯棒の保持用筒体にモリブデン箔を利用することなどを、亀裂防止対策としている。
特開2003-151501号公報 特開2002-100321号公報 特許第3458756号公報 特許第3430887号公報

しかし、上記従来の亀裂防止対策技術には、以下のような問題がある。ランプ破裂に対する定性的回避は達成されても、ランプの内圧に対して、破裂に至るまでの機械的強度がどの程度余裕を有しているのかという定量的判断ができない。このことは、ランプの設計仕様がたびたび変化する環境の中で、ランプの破裂防止が必ずしも保証されるものではないことを示唆している。

例えば、破裂に直接関わっていると考えられる破裂領域の形状（ガラス部材の直径、バルブ端部から封止部の先端までの長さ、シールガラスの厚さ）を、ランプの立ち上がり特性等の問題も含め、経験則から問題がないと推測される寸法で設計し、点灯を試みたところ、ランプに封入する水銀量や、ランプのサイズによっては、予期せず破裂することがしばしば起こった。したがって、これらの従来技術に見られる破裂回避法においては、破裂に至る耐圧性が定性的であるため、ランプの仕様に対して柔軟な破裂防止ができないという問題が依然として存在する。このことより、ランプの内圧に対して、ランプ形状をどのようにすれば耐圧性が十分となるかを、定量的に判断する手段が必要とされる。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、ショートアーク型放電灯において、破裂に直接関わるとされるバルブ端部から封止部にかけての形状を決定するガラス部材の径や、バルブ端部から封止部の先端までの間の寸法や、シールガラスの厚みを、内圧と関係付け、これらの関係を最適化することにより、ランプの立ち上がり特性や、放射照度や、寿命などの諸特性が良好に満足されながら、ランプ点灯時の高圧力動作において破裂の生じない安全な点灯を行えるようにすることである。

上記の課題を解決するために、本発明では、点灯時の内圧が2.0〜3.0MPaのショートアーク型放電灯を、発光管球面の端から封止部の先端までの寸法をＬ1（mm）とし、シール用ガラス部材の径をＤ（mm）とし、ランプ動作内圧をＰ（MPa）としたとき、Ｄ＜（−0.38×Ｐ＋1.79）×Ｌ1＋（−3.32×Ｐ＋24.3）を満たすように構成した。また、発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の２つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2において、シールガラスの厚さｔを3.0mm≦ｔ≦5.0mmとした。

このように構成したことにより、ショートアーク放電灯を、立ち上がり特性や照度特性や寿命特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、発光管球面の端から封止部の先端までの寸法をＬ1（mm）とし、シール用ガラス部材の径をＤ（mm）とし、ランプ動作内圧をＰ(MPa)としたとき、Ｄ＜(−0.38×Ｐ＋1.79)×Ｌ1＋(−3.32×Ｐ＋24.3)を満足し、発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の２つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2において、シールガラスの厚さｔを3.0mm≦ｔ≦5.0mmとした、点灯時の内圧が2.0〜3.0MPaであるショートアーク型放電灯である。

図１は、本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の概略図である。図２は、ショートアーク型放電灯の陰極電極側の部分拡大概略図である。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ガラスバルブである。放電空間２は、水銀が封入された放電用の密閉空間である。陰極電極３は、負極側の放電電極である。陽極電極４は、正極側の放電電極である。電極支持棒５aは、陽極電極４を支持する導体である。電極支持棒５bは、陰極電極３を支持する導体である。シールガラス６は、発光管１を気密に封じるガラスである。シール用ガラス部材７は、電極支持棒とシールガラスとの間を封じて電極支持棒を保持するガラスである。シール用ガラス部材８は、電極支持棒とベースの間の部分を封じるガラスである。金属箔９は、電極支持棒とベースを電気的に接続する導体である。ベース10は、リード線と電極支持棒を、金属箔を介して電気的に接続するとともに、ショートアーク型放電灯を保持するための導体である。リード線11は、ショートアーク型放電灯に電流を流すための導体である。

発光管１内に、１対のタングステンなどの高融点金属からなる陰極電極３と陽極電極４が配置されている。陰極電極３と陽極電極４それぞれは、電極支持棒５aと電極支持棒５bによって支えられている。この電極支持棒５aと電極支持棒５bを、さらに保持する第１のシール用ガラス部材７と第２のシール用ガラス部材８が配置されている。電極支持棒５bからは金属箔９が伸びている。金属箔９が、シール用ガラス部材８とシールガラス６との間に配置されている。これらの部材で発光管１が封止されている。これにより、放電空間２と外気とが完全に隔離された状態で、外部からランプに通電することができる。

実施例１においては、特に必要な場合を除き、第１のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。また、図１において、陽極電極４側の金属箔９は、その断面形状のみを示してある。放電空間２には、希ガスと、可視から紫外域にかけて高い強度の発光スペクトルを有する水銀などが封入されている。それぞれの極性のリード線11に直流電流を印加すると、陽極電極４と陰極電極３との間にアーク放電が発生する。放電空間２の中で発生した光が、光透過性の発光管１の発光管球面部を透過して、所望の紫外線が放射される。点灯時の内圧は、内部温度と封入物の蒸気圧等の要因により、数MPaオーダーの圧力であると知られているため、発光管の素材として、厚さが３mm程度のシリカガラスが使用される場合が多い。

発光管１の表面球面部の曲率Ｎ1と異なる曲率Ｍ2（陽極側は図１に記載のＭ1）を有するシールガラス６との交点を発光管球面部の端Ｘ1と定義する。このとき、発光管球面部の端Ｘ１から、シールガラス６とシール用ガラス部材７とによる封止部の先端までの長さをＬ1（頚部長Ｌ1）とし、シール用ガラス部材７の径をＤ（シール部内径Ｄ）とする。封止の際、発光管球面の端Ｘ1からシールガラス６とシール用ガラス部材７の封止部までは、バルブ端部から封止部側に近づくに従って管径が小さくなるようにする。このとき、ランプ内部の形状に関して、発光管１の内面球面部の曲率をＮ２、Ｌ1の領域内の発光管１内面に近接する面の曲率をＭ4（陽極側は図１に記載のＭ3）、Ｌ1の領域内のシールガラス部材７に近接する面の曲率をＭ6（陽極側は図１に記載のＭ5）とした場合、Ｍ4とＭ6の交点をＸ2、Ｘ1とＸ2までの寸法をＬ2と定義する。

上記のように構成された本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の細部の構造について説明する。発光管球面の端Ｘから、シールガラス６とシール用ガラス部材７とによる封止部の先端（ランプ中心部に近い側）までの距離であるＬ1と、シール用ガラス部材７の径であるＤと、ランプ内圧力であるＰについて、破裂に至るまでの定量的な関係を、実験により求めた。

実験では、発光管球面の端Ｘから、封止部の先端までの距離Ｌ1と、シール用ガラス部材７の径Ｄの値を、何種類かの組合せに設定したサンプルランプを用意し、破裂時の内圧を測定した。そして、これらの寸法と破裂圧力との関係を記録した。ランプ内の内圧を変化させる方法は、ランプ内に水を浸し、静水圧によってランプ内に圧力を加えることで実行した。試験に用いた実験装置系を、図３に示す。水13の入った水槽12に、水13が完全に入ったランプ14を浸し、ランプのチップ部を入り口として、加圧用ポンプ16から水圧を加える。加圧用ポンプ16の圧力は可変であり、6.0MPa/5minの昇圧速度にて試験を行った。

用いた試験サンプルランプの一覧を、図４に示す。投入電力が、５〜25kWのTypeＡ（５kW）〜TypeＥ（25kW）のランプを用いた。発光管の最大球径(O.D.)は、82〜205mmである。発光管球面の長軸方向の端から端までの全長(T.L.)は、95.7〜165mmである。発光管のガラスの厚さ(Thickness)は、2.5〜3.5mmである。封止部のシールガラス６の厚さ(Thickness)は、3.5〜5.0mmである。なお、それぞれのサンプルにおいて、発光管球面部の端Ｘ1から封止部の先端までの距離Ｌ1と、シール用ガラス部材７の径Ｄと、試験本数は、図５に示す通りである。テストケース１組につき、２本のサンプルを用いた。

シール用ガラス部材７の径Ｄの値を、20，25，30mmに設定し、発光管球面部の端Ｘ1から封止部の先端までの距離Ｌ1を、０，10，20，30，40mmに設定し、投入電力12kWであるＣタイプランプについて、頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄと破裂圧力との関係を求めた。図６は、シール用ガラス部材７の径Ｄの３種類について、頚部長Ｌ1(mm)と破裂圧力(MPa)との関係を示したグラフである。グラフのプロットから、シール部内径Ｄの値が小さくなるほど、また、ある長さまでは頚部長Ｌ1の値が大きくなるほど、ランプ破裂圧力の値が大きくなることが分かる。このグラフは、Ｃタイプのサンプルランプによる一例であるが、他のタイプのランプにおいても、この定性的な評価結果は同じであった。

2.0MPaと3.0MPaの内部圧力において、図４におけるＡ〜Ｅタイプのランプサンプルにおいて、破裂が起きたときの頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄとの関係をまとめてグラフにしたところ、直線（一次関数）となった。この関係に基づき、直線の傾き（Ｄの増加量／Ｌ1の増加量）をａとし、直線グラフの切片をｂとする。このグラフを、限界Ｌ1-Ｄ関係グラフとよぶことにする。Ａ〜Ｅタイプのランプサンプルのａとｂを表にまとめると、図７のようになる。破裂圧力2.0〜3.0MPaにおける頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの関係グラフ（限界Ｌ1-Ｄ関係グラフ）における切片と傾きの結果表である。この表から、それぞれの破裂圧力において、ランプの大きさに関わらず、限界Ｌ1-Ｄ関係グラフは、ほぼ同じ傾きと切片を有していることが明らかになった。

ランプ内圧力2.0〜3.0MPaにおいて、圧力の変化に対して、限界Ｌ1Ｄ関係グラフの傾きと切片が線形的に変化すると近似する。限界Ｌ1Ｄ関係グラフの傾きをａとし、その切片をｂとし、ランプ内圧をＰとする。傾きａの平均値と、切片ｂの平均値が、内圧に対し線型の関係を有すると考える（線形近似による内挿）。

傾きａの方程式は、
（2.0MPaにおけるａの平均値）＝Ｘ×2.0（MPa)＋Ｙ
（3.0MPaにおけるａの平均値）＝Ｘ×3.0（MPa)＋Ｙ
となる。切片ｂの方程式は、
（2.0MPaにおけるｂの平均値）＝Ｘ'×2.0（MPa)＋Ｙ'
（3.0MPaにおけるｂの平均値）＝Ｘ'×3.0（MPa)＋Ｙ'
となる。これらの方程式を解いて、Ｘ、Ｙ、Ｘ'、Ｙ'を求めることができる。

この結果、一般的な傾きａと切片ｂを、内圧Ｐで表すと、
ａ＝−0.38×Ｐ＋1.79
ｂ＝−3.32×Ｐ＋24.3
とすることができる。したがって、傾きａと、切片ｂと、内圧Ｐと、シール用ガラス部材の径Ｄと、発光管球面の端から封止部の先端までの距離Ｌ1との関係式は、
Ｄ＝ａ×Ｌ1＋ｂ
＝(−0.38×Ｐ＋1.79)×Ｌ1＋(−3.32×Ｐ＋24.3)
と表すことができる。

図８は、図7におけるＤタイプのサンプルランプの頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの関係を、2.0MPaと3.0MPaにおいてプロットした代表的なグラフである。これによると、直線上にある点は、いずれも破裂する頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの値を示している点であると解釈できる。実際、実験によれば、頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの値が、これらの直線よりも下部にある領域に位置するランプでは、破裂に至らなかった。したがって、
Ｄ＜(−0.38×Ｐ＋1.79)×Ｌ1＋(−3.32×Ｐ＋24.3)
の範囲であれば、ランプは破裂しないといえる。ランプ投入電力が５〜25kWのランプに渡って、このことが確かめられたことにより、この範囲に入るすべてのランプに、この結果が適用できることは明らかである。

さらに、発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の２つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2におけるシールガラス６の厚さと破裂との間に、どのような関係があるかを調査するため、発光管球面の端Ｘ1から封止部の先端までの距離Ｌ1と、シール用ガラス部材７の径Ｄを一定にした際のシールガラス６の厚さと破裂圧力との関係を求めた。発光管球面の端Ｘ1から封止部の先端までの距離Ｌ1を30mmとし、シール用ガラス部材７の径Ｄを25mmとした時、シールガラス６の厚さを2.0〜6.0mmまで変化させた際の破裂傾向を、ランプ投入電力５〜25kWのサンプルランプ（Ａ〜Ｅタイプ）に対し、前述の静水圧試験と同じ原理で試験した。

図９に、Ｘ1からＸ2までの範囲L2におけるシールガラス６の厚さに対する破裂圧力の関係を示す。このグラフにより、シールガラス６の厚さが3.0mm未満と5.0mmを越す範囲においては、破裂圧力が急激に下がる傾向が明らかになった。これは、L2の範囲にあるシールガラス６の厚さが3.0mm未満であると、シール用ガラス部材に溶着しているシールガラス６の厚さより薄いため、封止部先端部における機械的強度が低下し、破裂時のランプ内圧が低下すると説明できる。また、5.0mmを越す厚さにおいて破裂時のランプ内圧が低下するのは、シールガラス６の厚さが大きくなることで、逆にシール用ガラス部材に溶着しているシールガラス６の厚さより厚くなることで、封止部先端部、あるいは発光管との付け根において機械的強度が低下するためと考えられる。したがって、発光管球面端Ｘ1からＸ2の範囲L2において、シールガラス６の厚さをｔとすると3.0mm≦ｔ≦5.0mmの定量的範囲では最も破裂耐性が強いと考えられる。これらのことは、５〜25kW級のランプサイズに渡って確かめられたことにより、この範囲に入るすべてのランプに適用できることが明らかになった。

さらに、発光管球面の端Ｘ1から封止部の先端までの寸法をＬ1(mm)とし、シール用ガラス部材の径をＤ(mm)とし、ランプ動作内圧Ｐ(MPa)とした時、Ｄ＜（−0.38×Ｐ＋1.79）×Ｌ1＋（−3.32×Ｐ＋24.3）とし、この範囲において、発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の2つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2において、シールガラス６の厚さｔを3.0mm≦ｔ≦5.0mmとし、点灯時の内圧が2.0〜3.0MPaである５〜25kWのショートアーク型放電灯を設計し、実際に点灯を試みた。そして、ランプの立ち上がり特性と、照度特性と、寿命等の諸性能を評価した。その結果、長時間の点灯においても、安定したランプ特性を確認することができ、これらの特性項目において満足できる結果を得ることができた。

上記のように、本発明の実施例では、点灯時の内圧が2.0〜3.0MPaであるショートアーク型放電灯の形状を、発光管球面の端から封止部の先端までの寸法をＬ1(mm)とし、シール用ガラス部材の径をＤ(mm)とし、ランプ動作内圧Ｐ(MPa)として、Ｄ＜（−0.38×Ｐ＋1.79）×Ｌ1＋（−3.32×Ｐ＋24.3）を満たし、発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の2つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2において、シールガラスの厚さｔを3.0mm≦ｔ≦5.0mmとしたので、５〜25kWのショートアーク型放電灯であれば、ランプの立ち上がり特性と照度特性と寿命特性が良好であり、破裂しないようにできる。

本発明のショートアーク型放電灯は、半導体や液晶の製造の露光工程における１kW以上の光源として最適である。

本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の概念図である。 本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の発光管球面の端から封止部の先端までの部分拡大概略図である。 静水圧試験の実験系の概略図である。 試験に用いたサンプルランプのスペック表である。 サンプルランプにおける頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの寸法とサンプル本数の表である。 頚部長Ｌ1と破裂圧力とシール部内径Ｄとの関係を示すグラフである。 破裂圧力2.0〜3.0MPaにおける頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの関係グラフにおける切片と傾きの実験結果の表である。 電力入力16kWランプにおける破裂圧力2.0〜3.0MPaに対応する頚部長Ｌ1とシール部内径Ｄの関係を示すグラフである。 Ｌ2の範囲におけるシールガラスの厚さと破裂圧力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 発光管
２ 放電空間
３ 陰極電極
４ 陽極電極
５ 電極支持棒
６ シールガラス
７ 第１のシール用ガラス部材
８ 第２のシール用ガラス部材
９ 金属箔
10 ベース
11 リード線
12 水槽
13 水
14 ランプ
15 チップ部
16 加圧ポンプ

Claims (3)

1. 発光管内の放電空間に陰極と陽極を配置し、前記放電空間内に希ガスと水銀を封入し、点灯時のランプ内圧力が2.0MPa〜3.0MPaとなるショートアーク型放電灯において、前記発光管球面の端から前記発光管をシール用ガラス部材で封止した封止部の先端までの長軸方向の間隔をＬ1（mm）とし、前記シール用ガラス部材の径をＤ（mm）とし、点灯時のランプ内圧力をＰ（MPa）として、Ｄ＜（−0.38×Ｐ＋1.79）×Ｌ1＋（−3.32×Ｐ＋24.3）の関係を満足するように、前記封止部付近を構成したことを特徴とするショートアーク型放電灯。
2. 発光管球面端Ｘ1からランプ内部面の２つの異なる曲率の交点Ｘ2までの範囲Ｌ2において、前記シール用ガラス部材を封着するシールガラスの厚さｔを3.0mm≦ｔ≦5.0mmとしたことを特徴とする請求項１記載のショートアーク型放電灯。
3. ランプ投入電力が５〜25kWであることを特徴とする請求項２記載のショートアーク型放電灯。
   

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