JP4974064B2

JP4974064B2 - ショートアーク型放電ランプ

Info

Publication number: JP4974064B2
Application number: JP2009165306A
Authority: JP
Inventors: 岳人千賀; 貢中嶋; 剛山田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2029-07-14
Also published as: KR20110006603A; TWI459431B; DE102010026164A1; DE102010026164B4; TW201126564A; CN101964296B; KR101373872B1; CN101964296A; JP2011023148A

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源や映写機のバックライト用光源に適用されるショートアーク型放電ランプに係る。

ショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く点光源に近いことから、光学系と組み合わせることによって露光装置用若しくは映写機のバックライト用の光源として利用されている。

特開平１０−１８８８９０号公報は、従来のショートアーク型放電ランプを開示する。
図７に該従来のショートアーク型放電ランプが示されており、ショートアーク型放電ランプ１の発光管１０は、中央に位置する略球状に形成された発光部１１と、その両端の封止部１２を備える。発光管１０の内には、タングステン等からなる陰極２１と陽極３１とが互いに向き合うように対向配置されるとともに、内部の発光空間Ｓには水銀、キセノン等の発光物質が封入されている。
上記陰極２１及び陽極３１に連設された電極軸２２、３２が図示しない金属箔を介して封止部１２で封止されている。

しかして近年においては、半導体や液晶パネルの製造工程で用いられる上記ショートアーク型放電ランプにおいては、特開２０００−１８１０７５号公報に見られるように、省電力化のために、常に一定の電力で点灯するのではなく、露光時にのみ定格電力で点灯（通常点灯）させ、基板移動などの待機時には前記定格電力よりも小さな最小限の電力で点灯（待機点灯）させるという点灯方式（以下、フル・スタンバイ点灯という）が採用されている。
例えば、露光時は定格電力で０．１〜１０秒点灯させ、待機時は定格電力よりも小さい待機電力で０．１〜１００秒点灯させるということが繰り返される。

ところで、ランプの点灯・消灯時や、上記のフル・スタンバイ点灯時における入力電力の変更時などには、アークから陽極へ流入する熱流束が変化するため、陽極温度が変化し、陽極に内部応力が発生する。
このとき、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アークに対面する陽極先端面の中央部５０は、最も温度変化の大きい部分であり、従って熱膨張も大きくなる。これに対して、該中央部５０の周辺環状部５１は、前記中央部５０よりも温度変化が少なく、その熱膨張も小さい。
そのため、中央部５０はかかる熱膨張により、その周辺環状部５１から圧縮応力を受けることになり、その結果、先端面から突出するように変形する。

このような突出は、定格点灯時に陽極先端の温度が安定した後も完全には元の形状に戻ることなく残存する。加えて、特にフル・スタンバイ点灯時には、このような変形が繰り返し生じ、突出が蓄積されることにより肥大化していく。
すると、肥大化した突出部に放電が集中することとなって、該突出部が異常過熱され、電極物質が蒸発し発光管内壁に付着して、該発光管内壁が黒化してしまい、急速な照度低下を引き起こすという問題があった。

特開平１０−１８８８９０号公報特開２０００−１８１０７５号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、特に、フル・スタンバイ点灯方式を採用するショートアーク型放電ランプにおいて、陽極先端で生じる熱応力を緩和して、陽極先端の中央部分が変形することを防ぎ、黒化を防ぐことができる陽極構造を有するショートアーク型放電ランプを提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、発光管内に一対の陽極と陰極が対向配置されてなり、フル・スタンバイ点灯されるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極の先端面に凹所が形成され、該陽極と同一材料からなる挿入体が該凹所に挿入され、該挿入体の後端部と前記凹所との間に空間が形成されるとともに、該空間は、少なくともその一部が陽極先端から熱拡散長の範囲内に存在することを特徴とする。

更には、前記空間は、陽極先端面から空間までの距離をＬ、電極軸に対する垂直断面における空間の最大断面積をＳとした時、Ｓ≦πＬ^２の範囲にあることを特徴とする。

この発明のショートアーク型放電ランプによれば、陽極の先端に形成された凹所に前記陽極と同一材料からなる挿入体が挿入され、該挿入体の後端部と前記凹所との間に空間が形成されているので、特に、フル・スタンバイ点灯時などに、陽極先端部の温度が変化しても、その熱変化は空間の存在によりそのまま直線的に後方には伝わらず、また、該空間が、挿入体が熱膨張・収縮することを許容する歪の解放領域として機能して、陽極先端、即ち、挿入体が突出するように変形することを抑止する。その結果、電極の蒸発にともなう発光管の黒化を防ぎ、照度維持率の低下を防ぐことができるものである。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの陽極の先端部の部分断面図。他の実施形態の部分断面図。更に他の実施形態の部分断面図。従来技術の全体図。図４の要部説明図。

図１は、第１の実施形態を示し、（Ａ）は組み込み部分断面図、（Ｂ）は組み込み工程の説明図である。
図において、タングステン等からなる陽極３の先端には、該先端面３Ａに開口する凹所４が形成されている。そして、該凹所４には、陽極３と同一材料からなる挿入体５が圧入等により挿入されていて、その先端面は前記陽極３の先端面３Ａと同一平面になされている。
こうして挿入された該挿入体５の後端部と凹所４との間には、空間６が形成されている。

図１（Ａ）において、前記凹所４内に形成される空間６の位置Ｌは、少なくともその一部が先端面３Ａから熱拡散長の範囲内にあるように形成される。
なお、熱拡散長とは、交流的に与えられた熱(温度)が物質中を拡散していくとき、どこまでその波長が残るかを示す指標であり、次式で与えられる。

Ｘ＝√（α／ｆ）
Ｘ：熱拡散長（ｍ）
α：熱拡散率（ｍ^２／ｓ）
ｆ：繰り返し周波数（Ｈｚ）

ここで、熱拡散率αは以下で定義される。
α＝ｋ／（ρ×Ｃｐ）
ｋ：熱伝達率１２０（Ｊ／ｓ・ｍ・Ｋ） ※タングステンＷの場合
ρ：密度１９．１×１０^３（ｋｇ／ｍ^３） ※Ｗの場合
Ｃｐ：比熱１３４．４（Ｊ／ｋｇ・Ｋ） ※Ｗの場合

ここで、一例を示せば、陽極３がタングステン（Ｗ）からなり、
繰り返し周波数ｆ＝１（Ｈｚ）の時は、Ｌ＝６．８４ｍｍ
ｆ＝１０００（Ｈｚ）の時は、Ｌ＝０．２１６ｍｍ
となる。

陽極３先端からの熱は、上記範囲を超えた領域には直流的な熱効果しか見込めず、その領域では周期的な温度変化を示さなくなる。つまり、換言すれば、フル・スタンバイ点灯によって周期的な温度変動を受ける領域内では、他の部分に比べて熱歪が蓄積しやすく、その結果、電極には不可逆的な変形が発生することになる。
ところが、陽極内に形成した空間の存在により、陽極先端から後方への熱伝導が阻害されることになり、該空間より後方の領域では温度差が生じ難くなってほぼ均一になるため、熱膨張差に基づく熱歪が小さくなる。
一方で、陽極先端には熱膨張が生じるが、上記空間そのものが電極内部で自由に膨張収縮することを許容する歪の解放領域として機能するため、結果的に電極の変形が抑制される。
つまり、電極先端には熱膨張に応じた圧縮応力が発生するが、該圧縮応力は空間側に解放されるので、電極先端に向けての変形が抑制されることになるのである。

ところで、一方では、前記空間が大きすぎると、電極先端から後端部に向かう熱伝導の断面積が小さくなり、電極先端付近の温度が上昇することになるので、電極材料の蒸発が促進されてしまい、その結果、照度維持率の低下を招いてしまう。
そこで、前記空間６の大きさは、その横断面積、即ち、電極軸に対する垂直断面での最大断面積をＳとしたとき、Ｓ≦πＬ^２の関係を満たすように形成されるのがよい。

図２は、第２の実施形態の部分断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）は組み込み工程の説明図である。
この実施形態では、凹所４は２つの開口４Ａ、４Ｂからなっている。第１開口４Ａは挿入体５と略同径であって、その奥にこれより小径の第２開口４Ｂが形成されている。
挿入体５は第１開口４Ａに圧入されていて第２開口４Ｂによって奥行きが決定されている。そして、該第２開口４Ｂが空間６を形成している。

図３は、第３の実施形態の部分断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）は組み込み説明図である。
この実施形態では、挿入体５の後端に環状のリブ５Ａが突出形成されていて、後端面には円形の凹み部５Ｂが形成されている。この挿入体５が凹所４に圧入されると、環状リブ５Ａが凹所４の底面に当接して、前記凹み部５Ｂが空間６を形成する。

上記図２および図３に示された２つの実施形態によれば、挿入体５を凹所４に挿入するすると、該凹所４の底部に当接して自動的に空所６が形成される。

本発明と従来の陽極を比較するために、実施例１に基づく照度維持率についての点灯試験を行った。
実験に用いたランプは、封入水銀量２ｍｇ／ｃｃ、Ａｒ約３．５気圧、陽極（タングステン）の寸法が、直径：２９ｍｍ、全長：５０ｍｍ、先端径：１０ｍｍのものである。陰極は、直径：１２ｍｍ、テーパ角：６０度、先端径：１ｍｍで、点灯前の極間：６．５ｍｍである。

そして、この試験のために３種類の陽極を用意し、その内、本発明陽極は、上記陽極の先端面に直径３．５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹所４を形成し、該凹所４に直径３．５ｍｍ、厚さ８ｍｍの挿入体５を圧入した。その結果、挿入体５と凹所４の底部との間には高さ２ｍｍの空間６が形成されている。
また、比較品として上記挿入体の厚さを凹所の深さと同一にして、該凹所内に圧入し、空間がないものを用意した。更に、従来品はこれらの成形をしていないものを用意した。

これらのランプをそれぞれ、点灯電流５０Ａと１４０Ａを１秒おき（０．５Ｈｚ）に切り替えるという、激しい入力変調幅の周期的熱負荷を掛け、短時間（１００時間）に照度維持率を評価する加速試験を行った。なお、照度維持率は、同様の点灯条件での点灯開始時の波長３６５ｎｍ（i線）の紫外線照度を基準として、１００時間後の照度維持率を算出した。
これらの試験結果を表１に表わす。

表１から分かるように、従来品は、陽極の先端中央部が激しく飛び出すように変形して、その先端が溶融した。破裂の危険があるため、点灯試験は途中で中断した。その時点での照度維持率は５２％であった。
比較品は、圧入した挿入体が飛び出すように変形して、その先端部が隆起し、照度維持率は６５％であった。
これらに対して、本発明品は先端中央部を形成する挿入体の変形も少なく、照度維持率も８５％と良好であった。

以上説明したように、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、陽極の先端に形成した凹所内に、陽極と同一材料からなる挿入体を挿入し、該挿入体の後端部と前記凹所の底部との間に空間を形成するようにしたので、特に、フル・スタンバイ点灯方式を採用した場合でも、陽極先端の中央部が周期的に加熱されたとき、その熱歪が前記空間に解放されることにより、先端に向かって局所的に突出するような変形がなく、陽極材料の蒸発による黒化に基づく照度低下を抑制することができるという効果を奏するものである。

３陽極
３Ａ先端面
４凹所
５挿入体
６空間
Ｌ空間６の先端面３Ａからの距離
Ｓ空間６の断面積

Claims

発光管内に一対の陽極と陰極が対向配置されてなり、フル・スタンバイ点灯されるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極の先端面に凹所が形成され、該陽極と同一材料からなる挿入体が該凹所に挿入され、該挿入体の後端部と前記凹所との間に空間が形成されるとともに、該空間は、少なくともその一部が陽極先端から熱拡散長の範囲内に存在することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
前記空間は、陽極先端面から空間までの距離をＬ、電極軸に対する垂直断面における空間の最大断面積をＳとした時、Ｓ≦πＬ^２の範囲に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ランプ。