JP5170573B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

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８（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の周辺にある環状部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、前記陽極の先端中央部とその周辺環状部の間に、タンタル、モリブデン、ニオブ、レニウムなどの該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在させたことを特徴とする。

また、前記先端中央部が陽極とは別体の挿入体からなり、該挿入体が陽極先端面に形成された開口内に前記緩衝材を介在させて挿入されていることを特徴とする。

また、前記緩衝材が金属箔からなり、前記挿入体に巻き付けられていることを特徴とする。

また、前記挿入体が、リング状の第１挿入体と、該第１挿入体に緩衝材を介在させて挿入された第２挿入体とからなることを特徴とする。

また、前記リング状の第１挿入体の内周面に、陽極先端面に半径方向に延びる亀裂があることを特徴とする。

また、前記リング状の第１挿入体が複数個に分割されていることを特徴とする。

また、前記開口が陽極の後端まで貫通する貫通孔であり、前記挿入体が電極軸からなり、該電極軸が前記貫通孔に挿入されてその先端が電極の先端面に臨んでいることを特徴とする。

また、前記陽極の先端面に環状の開口を設けて前記先端中央部と周辺環状部を形成し、前記環状開口内に焼結金属からなる緩衝材が介在す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、陽極の先端中央部とその周辺環状部の間に、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在させたので、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、先端中央部の熱変形が緩衝材によって吸収されるので、変形して突出する現象が生じることがなく、その結果、先端中央部が異常過熱されることがなく、発光管の黒化が発生することがない。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの第１実施例の陽極の先 端部の要部断面図。 第２実施例の要部断面図。 第３実施例の要部断面図。 第4実施例の要部断面図。 第５実施例の要部断面図。 第６実施例の要部断面図。 従来技術の全体図。 図７の要部説明図。

図１は、第1実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）は組み込み工程の説明図である。
図において、陽極３１の先端面３３の中央部分には、該先端面に開口する開口３４が形成されている。そして、該陽極３１とは別体で、陽極と同一素材からなる挿入体３５が前記開口３４と整合した形状に成形されていて、この挿入体３５が、緩衝材３６を間に挟むようにして、前記開口３４内に打ち込み等の手段によって圧入・嵌挿されている。

具体的には、タングステンからなる陽極３１の先端面の開口３４に、同じタングステンからなる挿入体３５が挿入されるものであり、該開口３４および挿入体３５は該挿入体３５を圧入し易くするために、若干の先細のテーパ状とされるのがよい。
緩衝材３６は、該陽極３１および挿入体３５よりも、同じ温度における降伏応力が小さな金属材料からなり、具体的には、タンタル、モリブデン、ニオブ、またはレニウムなどからなり、この実施例では金属箔であって、前記挿入体３５の外周に巻きつけられて、挿入体３５と共に開口３４内に嵌挿される。

こうすることにより、陽極３１の先端中央部を構成する挿入体３５が熱膨張するときには、該挿入体３５と、その周辺の環状部の間に挟まった緩衝材３６が高温クリープ変形を起こし、挿入体３５の熱膨張分を吸収・緩和するかたちとなり、周辺環状部による圧縮応力を受けることがない。
その結果、先端中央部を構成する挿入体３５が変形することもなく、局所的な突出部が形成されることもない。
したがって、ランプの点灯・消灯や、長時間のフル・スタンバイ点灯を行っても、陽極先端中央部の局所的な突出を防ぎ、陽極材料の蒸発と、それによって生じる照度低下を抑制することができる。

図２は、第２実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）は組み込み工程の説明図である。
この実施例では、挿入体３５は、第１挿入体３７と第２挿入体３８とからなる。第１挿入体３７は中央に貫通口４０が形成されていて全体としてリング状をなし、該貫通口４０には第２挿入体３８が、緩衝材４１を介して圧入・嵌挿されている。
こうして組み上がった挿入体３５が、外周に緩衝材４２が設けられた状態で、陽極３１の先端面３３に形成された開口３４に圧入されている。
この第２実施例における陽極３１の開口３４および第１挿入体３７の貫通口４０も、上記第1実施例と同様に、若干のテーパ状とされている。またこの実施例では、緩衝材４１、４２は金属箔からなり、それぞれ第２挿入体３８、第１挿入体３７に巻きつけられている。

この実施例によれば、陽極３１の先端中央部とその周辺環状部との間には、２つの緩衝材４１、４２が挟まれることになるので、先端中央部を構成する挿入体３５の熱膨張に対する吸収作用がより一層機能する。

図３は、第３実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）はその要部の下面図である。
図において、挿入体３５を構成する第１挿入体３７の中央貫通口側には、陽極３１先端面に露出して半径方向に放射状に走る複数の亀裂４３が形成されている。
このような亀裂４３は、模擬灯具を使って、上記陽極３１に対して陰極を対向配置し、両電極間で所定の条件で放電させることによって形成する。その放電条件は例えば、以下の通りである。
アルゴン雰囲気中（１ａｔｍ）において、放電電流２０Ａで１秒間、２００Ａで１秒間（０．５Ｈｚ）を、１０秒間放電することによって陽極に熱衝撃を与えて、亀裂（クラック）を生じさせた。
上記の放電により、内側の第２挿入体３８はより高温となるため外側に膨張する。このとき、外側の第１挿入体３７は第２挿入体３８より温度上昇が大きくないので、その熱膨張量も大きくない。そのため、外側部材である第１挿入体３７は周方向の引張応力を受けることになり、その応力が所定の大きさになると該応力に耐え切れなくなって、内周から外周に向って亀裂が発生するものである。
こうして形成された亀裂４３は例えば、その間隙は７０μｍ程度である。

この実施例によれば、陽極３１の先端中央部が急速に加熱されたとき、緩衝材４１、４２による熱応力の吸収作用に加えて、周方向への熱応力を緩和できて、該中央部の変形をより確実に回避することができる。
また、亀裂４３は半径方向に向って延びるように形成されるので、陽極３１先端での半径方向への熱伝達には支障をきたすことがない。

図４は、第４実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）はその要部の下面図である。
この実施例では、第１挿入体３７を半径方向に複数個（図の例では４個）のブロック３７Ａに分割し、これらを組み合わせて第１挿入体３７としている。ここで、各分割ブロック３７Ａの相互の隣接部分に若干の間隙４４が形成され、該間隙４４が上記第３実施例での亀裂４３に相当する。

この実施例によれば、亀裂４３を作成する煩雑な作業が省略され、確実に半径方向で放射状に走る間隙を形成できる。

図５は、第５実施例の断面図であり、陽極３１の先端中央部に形成された開口は、その陽極３１の後端まで貫通する貫通孔４５であり、先端部は略テーパ状に形成されている。そして、電極軸３２のテーパ状先端部３２Ａに金属箔からなる緩衝材３６が巻きつけられた状態で、該貫通孔４５の後方端側から挿入されて、該先端部３２Ａが陽極３１に圧入され、その先端面が電極３１の先端面３３にまで臨んでいる。

この実施例によれば、先端中央部を構成する挿入体３５が電極軸３２からなるので、前記挿入体が陽極３１から離脱する心配がなく、かつ、電極３１への電極軸３２の挿入という１工程で先端挿入体も同時に挿入されることになり、工程数の削減が図れる。

なお、上記図１〜図５の実施例においては、緩衝材３６、４１、４２は金属箔として説明したが、金属箔に限られず、タンタル粉末等をペースト状にしたものを挿入体３５（図１）、第１挿入体３７および第２挿入体３８（図２〜図４）、あるいは電極軸３２（図６）に塗布し、これを電極３２に挿入した後に、真空容器中で焼結することによって緩衝材を形成するものであってもよい。

図６は、第６実施例であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）はその下面図である。
この実施例では、陽極３２の先端面３３に環状の開口４６が形成されていて、該陽極先端面に先端中央部と周辺環状部とを形成している。そして、この環状開口４６内には、粉末の緩衝材料が充填され、これを真空中で焼結することにより前記先端中央部と周辺環状部との間に緩衝材４７が形成される。

この実施例によれば、陽極３１の先端部に挿入する別体の挿入体をわざわざ成形することがなく、したがって、その離脱の惧れもない。

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３０ｍｇ／ｃｃ、陽極の寸法が、外径：２５ｍｍ、全長：４０ｍｍ、先端面：φ１０ｍｍのものである。
このランプに形成した開口３４の直径（Ｄ）を各種変化させて実験した。
・点灯条件と評価
入力電力５ｋＷで５ｓｅｃ、３ｋＷで５０ｓｅｃの点灯サイクルを繰り返し、５００時間点灯後の陽極先端面における、突出部の高さ：先端突出量（ｍｍ）を評価した。
また、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、５００時間点灯後の照度維持率を算出した。

本発明ランプでは、上記ランプの陽極先端に形成する開口の直径を、３ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍとしたものを評価した。
これらの実験結果を表１に表す。

表１から分かるように、５００時間点灯後の陽極先端の突出量が、従来電極では０．９４ｍｍであったものが、本発明の電極では、０．４１〜０．７２ｍｍと減少し、その結果、線の照度維持率が、従来電極の８６％から８９〜９２％と大幅な改善がもたらされた。

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、陽極の先端中央部とその周辺環状部の間に、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在させたので、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加熱されて局所的に突出してしまうようなことがなく、中央部が突出することによる陽極材料の蒸発と、それによって生じる発光管の黒化による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。

２１ 陰極
３１ 陽極
３２ 電極軸
３３ 陽極先端面
３４ 開口
３５ 挿入体
３６ 緩衝材
３７ 第１挿入体
３８ 第２挿入体
４１、４２ 緩衝材
４３ 亀裂
４４ 間隙
４５ 貫通孔
４６ 環状開口
４７ 緩衝材

Claims (6)

1. 発光管内に一対の陽極と陰極が対向配置されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陽極の先端中央部に開口が形成され、該開口内に前記陽極とは別体の挿入体が挿入されており、該挿入体は、タンタル、モリブデン、ニオブ、レニウムなどの前記陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在させて挿入されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記緩衝材が金属箔からなり、前記挿入体に巻き付けられてい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。
3. 前記挿入体が、リング状の第１挿入体と、該第１挿入体に緩衝材を介在させて挿入された第２挿入体とからな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。
4. 前記リング状の第１挿入体の内周面に、陽極先端面に半径方向に延びる亀裂があることを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記リング状の第１挿入体が複数個に分割されていることを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記開口が陽極の後端まで貫通する貫通孔であり、前記挿入体が電極軸からなり、該電極軸が前記貫通孔に挿入されてその先端が電極本体の先端面に臨んでい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。
   

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