JP4470778B2 - 高圧水銀ランプ - Google Patents

Description

この発明は、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用するショートアーク型高圧水銀ランプに関するものであり、特に大電流用に適した封止構造を有する高圧水銀ランプに関する。

高圧水銀ランプは、一般にこれより放射される紫外線を利用する分野、すなわち光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野、その他の分野で広く用いられている。

上記技術分野で使用される高圧水銀ランプは、発光の主成分である水銀の封入量が多いために点灯時の発光管内部のガス圧が非常に高く、しかも発熱量が大きい。そのため、特に気密封止管部分の耐熱性、耐圧性が大きいことが必要とされてきた。このようなことから、高圧水銀ランプにおいては金属箔を用いた、いわゆる箔シール構造が採用されている。

箔シール構造に関する技術として、例えば実開平６−６０９６０号公報、および、特開平１０−２８４００１号公報に記載されたものがある。これらに係る高圧水銀ランプを、図面を用いて説明する。図６は高圧水銀ランプの概略断面図、図７は図６に示す封止管部１１ａの拡大断面図である。発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接され、発光管１内で一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。この電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、封止管部１１ａの内部に配置された芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。円板状の第一の集電板５ａは、円柱状のガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接されている。さらに、ガラス部材７ａは、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに嵌挿され、この芯棒３ａの嵌挿部分をガラス部材嵌挿部３１ａと呼ぶ。また、芯棒３ａのガラス部材嵌挿部３１ａが第一の嵌挿孔７１ａの側部で保持されることにより、電極２を確実に固定する構造となっている。そして、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。

電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面においては金属箔６の先端を折り曲げて第一の集電板５ａの片面５２ａに溶接されている。また、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが接続されている。なお、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。

ところで、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。そのためには、高圧水銀ランプの発光管内部に封入された水銀が、完全に蒸発して熱平衡に至り、速やかに定常状態に移行することが望まれる。しかし、ランプ発光管内面に温度が上昇しづらい箇所が存在すると、そこに液体状態の水銀が溜まって蒸発しないため、定常状態に至るまでの時間が長くなる。特に、保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａは、放電空間からの輻射熱が電極２によって遮られて届かず、発光管内に封入された気体からの対流熱伝達も発光管中心部に比べて小さく、さらに保持用筒体４ａ、４ｂの熱容量が大きいため、主に芯棒３ａ、３ｂと第一の集電板５ａ、５ｂからの熱伝導によってのみ加熱されるので、温度上昇が遅い。また、電極２ａが上方、保持用筒体４ａが下方、もしくは電極２ｂが上方、保持用筒体４ｂが下方になるように配置してランプを使用した場合、ランプ点灯直後では保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは他方の発光管側端面４１ｂに液体水銀が溜まっている。このような場合は、保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは４１ｂの温度上昇が遅く、そこに溜まった多量の液体水銀の蒸発が遅れることにより、定常点灯への移行に時間がかかってしまうという問題がある。
実開平６−６０９６０ 特開平１０−２８４００１

光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。このため、光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。

そこで本発明は、高圧水銀ランプの封止管部構造における上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、定常点灯への移行が早い高圧水銀ランプを提供することにある。

本発明に係る高圧水銀ランプは、発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、ガラス部材の発光管側端面に芯棒の後端を嵌挿する孔を備えた高圧水銀ランプにおいて、前記芯棒は、少なくともガラス部材嵌挿部の表面の一部を除去されていることを特徴とする。

もしくは、少なくとも前記ガラス部材嵌挿部の径が、ガラス部材に嵌挿されてない箇所の径に比して、細くなっていることを特徴とする。

本発明に係る高圧水銀ランプによれば、ガラス部材への熱伝達を低く抑えられるので、保持用筒体の発光管側端面部域への熱伝達を高めることができる。これより、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、熱平衡に至るまでの時間が短く、速やかに定常状態に移行する、立ち上がりの早い高圧水銀ランプを提供できる。

以下、本発明の高圧水銀ランプの実施形態の構成を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の高圧水銀ランプの概略断面図、図２は図１に示す封止管部１１ａの拡大断面図である。

高圧水銀ランプは、内部に発光空間を有する略球状の発光管１と、発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接されて構成される。発光管１内には一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。封止管部１１ａ内には、芯棒３ａ、保持用筒体４ａ、第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、ガラス部材７ａ、第二の集電板８ａ、外部リード棒９ａを備えて構成される。発光管１内の電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、例えばタングステンからなり、芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。保持用筒体４ａに隣接して配置された円板状の第一の集電板５ａは、例えばモリブデンからなり、円柱状のガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接されている。さらに、ガラス部材７ａは、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに挿入され、この芯棒３ａの嵌挿部分をガラス部材嵌挿部３１ａと呼び、芯棒３ａのガラス部材嵌挿部３１ａ以外の箇所をガラス部材に嵌挿されてない箇所３２ａと呼ぶ。芯棒３ａのガラス部材嵌挿部３１ａが第一の嵌挿孔７１ａの側部で保持されることにより、電極２を確実に固定する構造となっている。そして、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。

電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には軸方向に沿って伸びる金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面においては金属箔６ａの先端を折り曲げて第一の集電板５ａの片面５２ａに溶接されている。このように金属箔６ａを介して第一の集電板５ａと第二の集電板８ａは導通したものになっている。さらに、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において隣接して配置された第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが電気的に接続されている。なお、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。

図２に示すように、本実施形態に係る芯棒３ａは、ガラス部材７ａの先端から外部リード棒９側の末端に亘って、ガラス部材嵌挿部３１ａの表面に溝３１１を施して、ガラス部材嵌挿部３１ａの表面の一部を除去された構成にしたものである。溝加工には例えば旋盤を使用する。芯棒３ａの後端部側で１ｍｍ以上溝３１１を施さない領域を設ける。そうすることによって、製造工程内における芯棒３ａの取り扱い時に溝３１１を形成する残存部３１２が直接他の部品や治具または作業台に触れて折れたり曲がったりすることを防止できる。

なお、溝加工はＹＡＧレーザによる加工の他にダイヤモンドカッターのブレードによる加工や電子ビームによる加工も可能である。溝３１１は各々の溝が独立したものでも、らせん状に連続して形成された溝であってもよい。

このようにガラス部材嵌挿部３１ａの表面に溝３１１を施して、芯棒３ａがガラス部材７ａに嵌挿された部分の表面の一部を除去された構成にされることにより、芯棒３ａがガラス部材７ａと接触する表面積が小さくなり、ガラス部材７ａに伝達する熱量が従来よりも減少し、芯棒３ａから保持用筒体４ａに移行する熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡な状態に早期に移行し、定常点灯状態への移行を早く達成できるようになる。

続いて図３は、本発明の別の実施形態であり、図３（ａ）は高圧水銀ランプにおける封止管部１１ａの構造を示す断面図であり、図３（ｂ）は芯棒３ａのガラス部材嵌挿部３１ａの斜視図である。同図のように、ガラス部材嵌挿部３１ａの表面に無作為に形成した任意の大きさの突起部３２１を有するようにして、芯棒３ａはガラス部材７ａに嵌挿された部分の表面の一部を除去された構成にしてもよい。突起部３２１の芯棒３ａの径方向の高さ３２２は任意であるが、突起部３２１が形成されている部分のガラス部材嵌挿部３１ａの最大外径３２３が突起部３２１の形成されていない部分の最大外径３２３よりも小さくなるように構成している。

このようにして、芯棒３ａはガラス部材に嵌挿された部分の表面の一部を除去された構成にされることにより、芯棒３ａがガラス部材７ａと接触する表面積が小さくなり、ガラス部材７ａに伝達する熱量が従来よりも減少し、芯棒３ａから保持用筒体４ａに移行する熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡な状態に早期に移行し、定常点灯状態への移行を早く達成できるようになる。

続いて図４は、本発明の別の実施形態であり、高圧水銀ランプにおける封止管部１１ａの構造を示す断面図である。同図のように、ガラス部材嵌挿部３１ａの径がガラス部材に嵌挿されていない箇所３２ａである胴部３４ａの径よりも細くなるように芯棒３ａに縮径部３３ａが構成されている。胴部３４ａおよび縮径部３３ａを設ける場合は、胴部３４ａの径が６ｍｍのときは例えば縮径部３３ａの径を２ｍｍとし、胴部３４ａの径が１０ｍｍのときは例えば縮径部３３ａの径を６ｍｍとする。これより、胴部３４ａの径が６〜１０ｍｍであるとき、縮径部３３ａの径を２〜６ｍｍとすることが一般的である。このとき、ガラス部材７ａの芯棒３ａが嵌挿される孔７１ａの径はガラス部材嵌挿部３１ａの縮径部３３ａと嵌合するように、胴部３２ａの接触するガラス部材に嵌挿されていない箇所３２ａの径より細く形成されている。ガラス部材嵌挿部３１ａの縮径部３３ａの加工には、例えば旋盤を使用する。

このようにして、ガラス部材に嵌挿された部分の径が、ガラス部材に嵌挿されていない箇所の径に比して、細くなるように縮径部３３ａを構成しても、芯棒３ａがガラス部材７ａと接触する表面積が小さくなり、ガラス部材７ａに伝達する熱量が従来よりも減少し、芯棒３ａから保持用筒体４ａに移行する熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡な状態に早期に移行し、定常点灯状態への移行を早く達成できるようになる。ガラス部材嵌挿部３１ａの芯棒径をより小さくすることによって本発明の効果は高まるが、ガラス部材嵌挿部３１ａの縮径部３３ａの径を細くし過ぎるとガラス部材嵌挿部３１ａで電極２ａを固定できず、芯棒３ａが折れる恐れがある。よって、縮径部３３ａの径はφ１ｍｍ以上であることが好ましい。

続いて図５は、本発明の別の実施形態であり、高圧水銀ランプにおける封止管部１１ａの構造を示す断面図である。同図のように、芯棒３ａの径を、第一の集電板５ａに嵌挿される位置からガラス部材７ａに嵌挿された部分に亘って細くなるようにして縮径部３３ａを構成しても、上記と同様の効果が奏される。なおこの場合は、第一の集電板５ａの貫通孔５１ａは、その径を小さくして芯棒３ａの縮径部３３ａと嵌合するように形成される。これより、芯棒３ａを第一の集電板５ａの貫通穴５１ａに付き合わせるだけで芯棒３ａの第一の集電板５ａとの嵌挿端面５３ａの位置を決めることができるので、溶着固定が容易にできるという利点をさらに有している。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記構成に限定されることなく適宜変更可能である。例えば、封止管部１１ａ側に限定されず、封止管部１１ｂ側において本発明の芯棒構成を採用しても同様の効果があることは言うまでもない。また、本発明の芯棒構造は必ずしも両側に設ける必要はなく、片側のみに形成してもよい。また、芯棒３ａの形状は円柱に限られるものでなく、四角柱などの多角柱を含む。さらに、封止管部の構造は、ガラス部材７ａにテーパ部７３ａがなく、ガラス部材７ａの外径と保持用筒体４ａの外径が等しい大きさの形状のとしても同様の効果がある。なお、図面は各構成部材の関係をわかりやすく説明するために記載しているものであり、金属箔６ａの厚み、第一の集電板５ａ、第二の集電板８ａの厚み、各構成部材間の隙間の大きさなどはやや誇張して記載しているものである。

次に、従来の芯線構造をもつ高圧水銀ランプと本発明の芯線構造をもつ高圧水銀ランプについて、保持用筒体（４ａ）の発光管側端面（４１ａ）における温度の時間変化を温度シミュレーションにより検証した。本発明に係る高圧水銀ランプモデルは、芯棒の径を第一の集電板に嵌挿される位置からガラス部材に嵌挿された部分に亘って細くなるようにして縮径部を構成した。

実験例に使用した本発明に係る高圧水銀ランプモデルを下記条件で作成し、ランプＡとした。ランプ定格消費電力８ｋＷ、封入水銀量３０ｍｇ／ｃｃ。発光管は石英ガラス製、全長１４０ｍｍ、最大径部外径φ１１０ｍｍ。電極はタングステン製、径φ３０ｍｍ、全長４５ｍｍ。芯棒はタングステン製、電極側の胴部の外径φ８．０ｍｍ、全長９０ｍｍ、ガラス部材挿入部および第一の集電板嵌挿部の縮径部の外径φ３．０ｍｍ、縮径部長さ８．０ｍｍ。保持用筒体は石英ガラス製、外径φ１３．３ｍｍ、内径φ８．３ｍｍ、全長２５ｍｍ。第一の集電板はモリブデン製、外径φ１３．３ｍｍ、内径φ３．２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ。ガラス部材の材質は石英ガラス、最大径φ１６ｍｍ、全長４５ｍｍ。金属箔はモリブデン製、厚さ３０μｍ、４枚。ただし、両封止部側においてその構成要素は同形状とする。

また比較のため、芯棒構成において、本発明の構成を有さない、ガラス部材挿入部および第一の集電板嵌挿部が、溝や突起部のない平らな表面をした、外径φ８．０ｍｍであることを除いて、上記ランプＡと同様の構成の、従来技術に係るランプＢを作成した。

保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度の時間変化を測定した。高圧水銀ランプの発光管内に封入されている水銀が全て蒸発する温度である５２０℃に達するまでの時間を温度上昇時間として計測した。表１に本発明の高圧水銀ランプであるランプＡと従来技術の高圧水銀ランプＢの温度上昇時間の計算結果と、ランプＢにおける温度上昇時間を１として規格化した場合のランプＡにおける温度上昇時間を示す。

芯棒（３ａ、３ｂ）とガラス部材（７ａ、７ｂ）との嵌挿部の芯棒径をφ３．０ｍｍとして縮径部を構成したほうが６％程度温度上昇が速くなり、より速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行させることができた。これによりランプＡでは、高圧水銀ランプの立ち上がり時間が短縮した。

本発明の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。 本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。 本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。 本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。 本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。 従来の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。 従来の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。

符号の説明

１ 発光管
２ａ、２ｂ 電極
３ａ、３ｂ 芯棒
４ａ、４ｂ 保持用筒体
５ａ、５ｂ 第一の集電板
６ａ、６ｂ 金属箔
７ａ、７ｂ ガラス部材
８ａ、８ｂ 第二の集電板
９ａ、９ｂ 外部リード棒
１１ａ、１１ｂ 封止管部
３１ａ ガラス部材嵌挿部
３２ａ ガラス部材に嵌挿されてない箇所
３３ａ 縮径部
３４ａ 胴部
４１ａ 発光管側端面
４２ａ 発光管側端面と封止管部の当接部
５１ａ 貫通穴
５２ａ 片面
５３ａ 嵌挿端面
７１ａ、７１ｂ 第一の嵌挿孔
７２ａ、７１ｂ 第二の嵌挿孔
７３ａ テーパ部
３１１ 溝
３１２ 残存部
３２１ 突起部
３２２ 径方向の高さ
３２３ 最大外径

Claims (1)

1. 発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、ガラス部材の発光管側端面に芯棒の後端を嵌挿する孔を備えた高圧水銀ランプにおいて、
   前記芯棒は、少なくともガラス部材嵌挿部の表面の一部を除去されるか、もしくは、少なくとも該ガラス部材嵌挿部の径が、ガラス部材に嵌挿されてない箇所の径に比して、細くなっていることを特徴とする高圧水銀ランプ。
   

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