JP5194377B2 - 放電ランプおよび放電ランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば超高圧水銀ランプやキセノンランプなどの放電ランプおよび放電ランプ装置に関し、特に、金属箔と外囲器を密着させて形成される封止部を有する放電ランプおよび放電ランプ装置に関する。

一般に、放電ランプは、発光部に高い圧力のガスを封入されて点灯するので、電流導入のための金属箔と、封体を形成する外囲器を、気密に封止して電気的導通を達成する封止部を必要とする。図８は、このような封止部１０２を有する放電ランプ１００である。

放電ランプ１００は、発光部１０１の両端に封止部１０２が形成される。発光部１０１では、電極芯棒３に接続された電極１が外囲器２の中央に対向配置される。封止部１０２では、電極芯棒３と外部リード５との間に金属箔４が接続され、この金属箔４に囲繞する外囲器２を密着させて封着している。発光部１０１の内部には、水銀および希ガスが封入され、点灯時には８〜１０ＭＰａの圧力を有する。

発光部１０１には、高い圧力でガスが封入されているので、発光部１０１と封止部１０２との境まで、この内部圧力が影響する。特に、金属箔４と電極芯棒３の接合部３１を外囲器２が囲繞する箇所は、外囲器２に完全に密着しているとは限らない。このような、未密着部分を有する箇所に内部圧力がかかると、周辺の外囲器２は圧力に耐えられなくなり、クラックを生じて破裂することがある。
特開平１−３３８３５１号公報

本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであって、金属箔と外囲器を密着させて形成される封止部を有し、耐圧性に優れ、信頼性の高い放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することを目的とする。

本願第１の発明は、金属箔と外囲器を密着させて封止部が形成される放電ランプにおいて、前記外囲器および封止部を構成するガラスは石英ガラスであり、前記外囲器よりも線膨張率の大きいガラス帯を前記封止部の外周に囲繞し、前記ガラス帯と封止部とを接合したことを特徴とする。

また、本願第２の発明は、本願第１の発明において、前記ガラス帯は硬質ガラスよりなり、前記ガラス帯の線膨張率は、室温から３００℃までの平均線膨張率において、２０×１０ ^−７ Ｋ ^−１ 以下であることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプおよび放電ランプ装置によれば、金属箔と外囲器を密着させて形成される封止部において、外囲器よりも線膨張率の大きいガラス帯を封止部の外周に囲繞することによって、耐圧性に優れ、信頼性の高い放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の放電ランプ１００の一例を示した図、図２（ａ）は、図１に示す放電ランプ１００の封止部１０２を示した図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ―Ａ‘断面図である。なお、本発明の線膨張率は、室温から３００℃までの平均線膨張率を示すものである。
放電ランプ１００は、石英ガラスからなる外囲器２によって形成される発光部１０１を有し、この発光部内には、電極１が互いに対向するように配置されている。また、発光部１００の両端部から伸びるようそれぞれ封止部１０２が形成される。これらの封止部１０２では、モリブデンよりなる金属箔４の一端に電極１を先端に有する電極芯棒３が接合し、金属箔４の他端は外部リード５が接合し、金属箔４に囲繞する外囲器２を加熱軟化して、収縮させることにより、金属箔４と外囲器２を密着させて封着している。発光部１０１の内部には、水銀および希ガスが封入され、点灯時には８〜１０ＭＰａの圧力を有する。

封止部１０２の外周には、外囲器２よりも線膨張率の大きいガラス帯６が囲繞されている。このガラス帯６は、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）および酸化アルミニウム（Ａl₂Ｏ₃）、ホウ酸（Ｂ₂Ｏ₃）を原料とする硬質ガラスよりなり、封止部１０２をバーナーによって１２００℃程度に加熱し、ガラス帯６の原材料となる硬質ガラス棒を封止部１０２に接触させて加熱軟化し、封止部１０２を回転させて、所定量の硬質ガラスを封止部１０２外周に囲繞させて形成される。ガラス帯６が形成された封止部１０２をさらにバーナーでさらに１５００℃まで加熱し、硬質ガラスを石英ガラスに十分なじませて、強固に接合させる。

図２に示すように、金属箔４と電極芯棒３が外囲器２に覆われて封着されると、金属箔４と電極芯棒３の接合部３１の周辺は、未密着部分４１となり、完全に密着していない。この未密着部分４１に内部圧力がかかると周辺の外囲器２は圧力に耐えられなくなり、クラックを生じて破裂しやすい。このため、金属箔４と電極芯棒３の接合部３１にあたる封止部１０２の外周に、ガラス帯６を囲繞させて、封止部１０２の耐圧強度を向上させることが好ましい。

図３は、本発明の放電ランプの封止部１０２の耐圧強度を測定した実験装置である。
発光部１０１の開口部に、ステンレス製の管３０の一端を挿入してエポキシ系樹脂の接着剤３１を充填し、発光部１０１に気密空間Ｓを形成する。管３０の他端は接続ジョイント３６に接続され、気密空間Ｓは耐圧強度の測定装置に接続される。耐圧強度の測定方法は以下の通りである。気密空間Ｓの内部をロータリーポンプ３５で真空とした後に、加圧ポンプ３３により水タンク３２から気密空間Ｓに水を加圧し、封止部１０１に耐水圧がかかるようにした。１ＭＰａ／ｈの速度で気密空間Ｓの圧力を上昇させ、金属箔４と外囲器２の界面に剥離が生じ、外囲器２が破壊されたときの圧力（以下、「耐圧強度」という）を圧力計３４で測定した。

試験片として用いた放電ランプの仕様を以下に示す。
＜放電ランプ仕様＞
外囲器：石英ガラス製（線膨張率５×１０^−７Ｋ^−１）（発光部）外径φ６ｍｍ、内径φ２ｍｍ、（封止部）外径φ５ｍｍ
電極芯棒：タングステン製、直径φ０．６ｍｍ、長さ１５ｍｍ
金属箔：モリブデン製、厚さ２０μｍ、幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ
外部リード：モリブデン製、直径φ０．８ｍｍ、長さ１０ｍｍ
ガラス帯：硬質ガラス製（線膨張率１２．５×１０^−７Ｋ^−１、１６×１０^−７Ｋ^−１）径方向厚み 最大１ｍｍ、軸方向幅５ｍｍ
封止部１０２にガラス帯６を設けた試験片を５個、ガラス帯６のない試験片を５個製作し、耐圧試験を行った。

この実験結果を図４に示す。ガラス帯なしの封止部１０２は、平均６．８ＭＰａで外囲器２に破損が生じたが、線膨張率１２．５×１０^−７Ｋ^−１のガラス帯６を形成した封止部１０２は、平均１３．３ＭＰａまで持ち堪えることができた。ガラス帯なしの封止部１０２に比べて６．５ＭＰａ耐圧強度が向上した。また、線膨張率１６×１０^−７Ｋ^−１のガラス帯６を形成した封止部１０２は、平均１６．３ＭＰａまで持ち堪えることができた。ガラス帯なしの封止部１０２に比べて９．７ＭＰａ耐圧強度が向上した。

耐圧強度が向上した理由について、以下のように解析している。
外囲器２を形成する石英ガラスの線膨張率は５×１０^−７Ｋ^−１であるが、ガラス帯６を形成する硬質ガラスの線膨張率は１２．５×１０^−７Ｋ^−１または１６×１０^−７Ｋ^−１であり、石英ガラスに比べて大きい。ガラス帯６を形成する際の作業温度は１４００〜１５００℃であり、外囲器２も同程度の温度に達している。１４００〜１５００℃に加熱されているときは、ガラス帯６は線膨張率が大きいため、外囲器２に比べて大きく膨張している。ガラス帯６の形成終了後、封止部１０２が冷え始めると、ガラス帯６は加熱時に大きく膨張していたため、冷えるとその分だけ収縮しようとし、外囲器２よりも大きく収縮する。これにより、ガラス帯６が封止部１０２を円周方向に収縮する力を発生させ、外囲器２には圧縮応力となって作用し、封止部１０２の耐圧強度を向上させ、外囲器２にクラックを生じさせて破裂することを防止できる。
なお、本発明は、外囲器２が石英ガラス、ガラス帯６が硬質ガラスで構成される場合に限定されない。外囲器２とガラス帯６の線膨張率の関係が、上記構成と同等の関係にあれば、封止部１０２の耐圧強度を向上させる効果を有する。

以上より、金属箔４と外囲器２を密着させて形成される封止部１０２において、外囲器２よりも線膨張率の大きいガラス帯６を封止部１０２の外周に囲繞することによって、耐圧性に優れ、信頼性の高い放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することができる。

耐圧強度が向上する理由に基づくと、ガラス帯６の線膨張率は大きいほど、形成時の温度変化による膨張・収縮も大きくなるため、封止部１０２を円周方向に収縮する力も大きくなる。しかしながら、封止部１０２が冷えていくときに、ガラス帯６と外囲器２の収縮の違いによって、ガラス帯６を破損させることもある。その原因は以下のように考えられる。

ガラス帯６の形成終了後、封止部１０２は外側から冷え始め、内側の温度が高い状態になる。このため、外囲器２は、ガラス帯６よりも温度が高い状態となるので、ガラス帯６が十分冷えて収縮が終了した後も収縮を続ける。この外囲器２の収縮のために、ガラス帯６は内側に引っ張られ、外囲器２との界面に径方向内側に引っ張り応力が残留することになる。一般に、ガラスは圧縮応力には強いが、引っ張り応力には弱いため、ガラス帯６を破損させることになる。

この現象を検証するために、以下の実験を行った。
線膨張率が１２．５×１０^−７Ｋ^−１から３０×１０^−７Ｋ^−１までの５種類の硬質ガラスをガラス帯６として、石英ガラスよりなる外囲器２に囲繞させて、封止部１０２を構成した。封止部１０２が室温まで十分に冷却されるまでに外囲器２が破壊されるか否か検証した。１種の線膨張率の硬質ガラスに対し、それぞれ５回実験を行った。
この実験結果を図５に示す。ガラス帯６の線膨張率が２３．５×１０^−７Ｋ^−１、３０×１０^−７Ｋ^−１となるものでは、室温まで冷却されるまでにガラス帯６が割れるものがあった。
以上より、外囲器２は石英ガラスよりなり、ガラス帯６は硬質ガラスよりなる封止部１０２において、ガラス帯６の線膨張率は、室温から３００℃までの平均線膨張率において、２０×１０^−７Ｋ^−１以下でなければならないことがわかった。

本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、本発明の放電ランプ１００の一例を示した図である。
図６に示す放電ランプ１００は、顕微鏡光源用のキセノンランプである。石英ガラスからなる外囲器２によって形成された発光部１０１を有し、この発光部内には、電極１が互いに対向するように配置されている。また、発光部１００の両端部から伸びるようにそれぞれ封止部１０２が形成される。これらの封止部１０２では、モリブデンよりなる金属箔４の一端に電極１を先端に有する電極芯棒３が接合し、金属箔４の他端は外部リード５が接合し、金属箔４に囲繞する外囲器２を加熱軟化して、収縮させることにより、金属箔４と外囲器２を密着させて封着している。発光部１０１の内部は、希ガスが封入される。顕微鏡光源用のキセノンランプでは、従来のキセノンランプに比べて特に高輝度が求められるため、点灯時には発光部１０１の内部は８ＭＰａのとなる。

顕微鏡光源用の放電ランプ１００の耐圧試験を行った。
実験対象として用いた放電ランプ１００の仕様を以下に示す。
＜放電ランプ仕様＞
外囲器：石英ガラス製（発光部）最大外径φ１８ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、（封止部）外径φ１０ｍｍ
電極芯棒：タングステン製、直径３ｍｍ
金属箔：モリブデン製、厚さ２５μｍ、幅５ｍｍ
ガラス帯：硬質ガラス製（線膨張率１２．５×１０^−７Ｋ^−１）径方向厚み 最大１ｍｍ、軸方向幅８ｍｍ
発光長：１．２ｍｍ
入力電力：２００Ｗ
封止部１０２にガラス帯６を設けた放電ランプ１００と、ガラス帯６のない放電ランプ１００を製作して点灯させた。

ガラス帯６のない放電ランプ１００は、点灯から１００時間以内に約３０％が、封止部１０２に外囲器２と金属箔４の界面で剥がれる箔浮きが発生し、ガスが抜けて点灯不能になった。ガラス帯６を設けた放電ランプ１００は、点灯から１００時間以内に発生する点灯不良を約１０％に抑えることができた。さらに、ガラス帯６を設けた放電ランプ１００において、封止部１０２に風を吹き付けて冷却し、温度を１００℃程度に抑えると、点灯から１００時間以内に発生する点灯不良を完全に解消することができた。

以上より、金属箔４と外囲器２を密着させて形成される封止部１０２において、外囲器２よりも線膨張率の大きいガラス帯６を封止部１０２の外周に囲繞することによって、耐圧性に優れ、信頼性の高い放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することができることがわかった。

また、封止部１０２を冷却した方が、耐圧強度が向上した理由について、以下のように解析している。
本発明の効果は、外囲器２とガラス帯６の線膨張率の差によって、ガラス帯６が封止部１０２を円周方向に収縮する力を発生させ、外囲器２には圧縮応力となって作用し、封止部１０２の耐圧強度を向上させることにある。そのため、封止部１０２の温度が上昇すれば、ガラス帯６が膨張するため、封止部１０２を円周方向に収縮する力は小さくなり、封止部１０２の耐圧強度を向上させる効果は小さくなる。硬質ガラスの歪点温度は石英ガラスに比べて低く、例えば８００℃（線膨張率１２．５×１０^−７Ｋ^−１の場合）であるので、封止部１０２の温度がさらに上昇すると、ガラス帯６は軟化し、歪点温度に達し、円周方向に収縮する力はなくなり、封止部１０２の耐圧強度を向上させる効果は無くなる。
以上より、封止部１０２を冷却する冷却手段を設ければ、本発明の効果をより高められることがわかった。

本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は、本発明の放電ランプ１００の一例を示した図である。
図６に示す放電ランプ１００は、水冷によって冷却されて点灯されるものである。石英ガラスからなる外囲器２によって形成された発光部１０１を有し、この発光部内には、電極１が互いに対向するように配置されている。また、発光部１００の両端部から伸びるようにそれぞれ封止部１０２が形成される。これらの封止部１０２では、モリブデンよりなる金属箔４の一端に電極１を先端に有する電極芯棒３が接合し、金属箔４の他端は外部リード５が接合し、金属箔４に囲繞する外囲器２を加熱軟化して、収縮させることにより、金属箔４と外囲器２を密着させて封着している。発光部１０１の内部は、水銀および希ガスが封入され、１０ＭＰａの圧力を有する。

水冷によって冷却される放電ランプ１００の耐圧試験を行った。
実験対象として用いた放電ランプ１００の仕様を以下に示す。
＜放電ランプ仕様＞
外囲器：石英ガラス製（発光部）外径φ８ｍｍ、内径φ４ｍｍ、（封止部）直径８ｍｍ
電極芯棒：タングステン製、直径２ｍｍ
金属箔：モリブデン製、厚さ２５μｍ、幅４ｍｍ
ガラス帯：硬質ガラス製（線膨張率１６×１０^−７Ｋ^−１）径方向厚み 最大１ｍｍ、軸方向幅６ｍｍ
発光長：１００ｍｍ
入力電力：５０００Ｗ
封止部１０２にガラス帯６を設けた放電ランプ１００と、ガラス帯６のない放電ランプ１００を製作して点灯させた。

ガラス帯６のない放電ランプ１００は、点灯から１００時間以内に約２０％が、封止部１０２に外囲器２と金属箔４の界面で剥がれる箔浮きが発生し、ガスが抜けて点灯不能になった。ガラス帯６を設けた放電ランプ１００では、点灯から１００時間以内に発生する点灯不良を完全に解消することができた。
水冷によって冷却される放電ランプ１００では、封止部１０２が冷却されて、常に１００℃以下に保たれるため、ガラス帯６による封止部１０２を円周方向に収縮する力が小さくならず、封止部１０２の耐圧強度を向上させる効果をより高く発揮することができることがわかった。

以上より、金属箔４と外囲器２を密着させて形成される封止部１０２において、外囲器２よりも線膨張率の大きいガラス帯６を封止部１０２の外周に囲繞することによって、耐圧性に優れ、信頼性の高い放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することができることがわかった。

また、封止部１０２の冷却は、封止部１０２をアークから離して配置することにより達成することもできる。封止部１０２の温度を１００〜２００℃に抑えることができれば、ガラス帯６による封止部１０２を円周方向に収縮する力が小さくならず、封止部１０２の耐圧強度を向上させる効果をより高く発揮することができる。

本発明の放電ランプの一例を示した図 本発明の放電ランプの封止部を示した図 本発明の放電ランプの封止部の耐圧強度を測定した実験装置を示した図 本発明の放電ランプの封止部の耐圧強度を測定した実験結果 本発明の放電ランプの封止部の耐圧強度を測定した実験結果 本発明の放電ランプの一例を示した図 本発明の放電ランプの一例を示した図 従来の放電ランプの一例を示した図

符号の説明

１ 電極
２ 外囲器
３ 電極芯棒
３１ 接合部
４ 金属箔
４１ 未密着部分
５ 外部リード
６ ガラス帯
１００ 放電ランプ
１０１ 発光部
１０２ 封止部

Claims (2)

1. 金属箔と外囲器を密着させて封止部が形成される放電ランプにおいて、
   前記外囲器および封止部を構成するガラスは石英ガラスであり、
   前記外囲器よりも線膨張率の大きいガラス帯を前記封止部の外周に囲繞し、前記ガラス帯と封止部とを接合したことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記ガラス帯は硬質ガラスよりなり、前記ガラス帯の線膨張率は、室温から３００℃までの平均線膨張率において、２０×１０^−７Ｋ^−１以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

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