JP5218582B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプに関するものであり、さらに詳しくは、特に大電流用に適した気密封止構造を有する放電ランプに関するものである。

放電ランプ、例えば、発光管内に水銀を封入した放電ランプは、紫外線を利用する分野、例えば光化学産業分野、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。

大電流用の放電ランプにおいては、発光ガスの主成分である水銀の封入量が大きくて点灯時の発光管内ガス圧が非常に高く、しかも、発熱量が大きく、従って、特に気密封止部のガラスにおいては耐熱性および耐圧性が大きいことが必要とされる。そして、点灯中においては発光管内の水銀が完全に蒸発していることが必要であり、このため点灯中の発光管内においては水銀の凝集が生じるような低い温度部分がないことが必要である。

このようなことから、発光管内に水銀が封入された放電ランプにおいては、封止管を形成するガラスを内部リード棒に直接溶着することにより、封止管の気密封止を達成するいわゆるロッドシール構造ではなく、封止管内に金属板を配置し、この金属板に内部リード棒を接続し、金属板に金属箔を接続したいわゆる箔シール構造が採用されている。

図６は箔シール構造を有する放電ランプの一例を示す説明図である。
１は、発光管１１とこれに続く封止管１２とからなる放電容器である。この放電容器１の発光管１１内に電極２が配置され、この電極２はタングステン製の内部リード棒３によって支持されている。内部リード棒３は内部リード棒３を保持するガラス製の保持用筒体４によって封止管１２内に保持されている。

そして、内部リード棒３の電極２とは反対側の後端側は、モリブデンやタンタルなどの高融点金属からなる金属板５の貫通孔に挿通されて金属板５に固定されており、この金属板５の発光管１１側の面に給電用金属箔６が溶接されている。給電用金属箔６は円柱状のガラス部材７の外周において、その周方向に離間して、当該ガラス部材７の軸方向に帯状に例えば５枚配置されている。

次に、内部リード棒３と金属板５との固定構造について詳細に説明する。
図７は、内部リード棒３と金属板５のみ取り出した説明図である。
図７（ａ）に示すように、内部リード棒３は、不図示の電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部３ａが形成され、金属板５は、中心に貫通孔５ａが形成されている。この貫通孔５ａの内径は、内部リード棒３の小径部３ａの外径より大きく、貫通孔５ａに小径部３ａが挿通されるものである。
つまり、内部リード棒３が金属板５を貫通した状態になっている。
図７（ｂ）に示すように、金属板５は、小径部３ａを形成している内部リード棒３の端面３ｂに当接した状態で、金属板５の表面にロウ材Ｍを配置し、この状態でロウ材Ｍを加熱して溶かすことにより、ロウ材Ｍが金属板５の貫通孔５ａと内部リード棒３の小径部３ａの間に流れ込み、内部リード棒３に金属板５を固定するものである。
なお、図７では、内部リード棒３の電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部３ａが形成されているが、内部リード棒に小径部がなく、長手方向に沿って外径が一定である内部リード棒を用いる場合もある。

ロウ材として、タングステン製の内部リード３とモリブデン製の金属板５との濡れ性がよく、蒸気圧が低く、水銀などの封入物と反応しないことが求められており、ジルコニム、白金、ロジウムが用いられている。

ロウ材Ｍを加熱して溶かす方法について説明する。
予め、図７（ｂ）に示しように、内部リード棒３の小径部３ａに金属板５を挿通し、金属板５の表面にロウ材Mを配置したマウントＣを作成する。

このマウントを大気中に配置して、ロウ材Ｍをバーナーで加熱して溶融させると、バーナーの熱によって内部リード棒３と金属板５も高温となり、それらの表面が酸化することになる。
酸化したマウントを用いた放電ランプでは、ランプ点灯中に、マウントから不純物が発生し、ランプ特性に悪影響を与えるものであり、ロウ材Ｍを加熱する際は、マウントを真空中や不活性ガス雰囲気中、または、還元雰囲気中にて配置して、ロウ材を加熱するものである。

具体的には、図７（ｂ）に示すマウントを加熱炉内に配置し、加熱炉の内部を真空中或いは不活性ガス雰囲気中にして、加熱炉内でマウント全体を加熱する。
この結果、ロウ材Ｍが溶融して、金属板５の貫通孔５ａと内部リード棒３の小径部３ａの間に流れ込み、内部リード棒３に金属板５を固定し、しかも、内部リード棒３と金属板５が高温となっても、それらの表面が酸化しないものである。

しかしながら、マウント全体を加熱炉内で加熱する場合、以下のような問題があった。
マウント全体を加熱炉内で加熱すると、内部リード棒３全体もほぼ均一に温度が上昇し、内部リード棒３全体が高温状態となる。
その温度はロウ材として使用する金属の融点より高温でなければならない。箔シールを行うにあたり、ロウ材はガラス加工温度である１６００℃以上の融点を有しているものを使用する必要があり、例えばジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）などが使用される。これらの金属の融点以上に加熱されるため、タングステン製の内部リード棒３全体が再結晶化する。
内部リード棒３が再結晶化すると、隣接する結晶同士が溶融して１つの大きな結晶となり、隣接する結晶同士の粒界が、加熱前と比較して少なくなる。
この結果、内部リード棒３の脆性破壊強度が低下し、輸送振動、落下衝撃によって保持用筒体４より発光管側に伸び出した部分（図６のＡで示す領域）、つまり、保持用筒体４より先端側で、内部リード棒３が折れやすいという問題があった。
特開２０１０−８０１６５公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、内部リード棒の脆性破壊強度が十分に高く、内部リード棒の折れを防止した放電ランプを提供することにある。

請求項１に記載の放電ランプは、 発光管の両端に封止管が連設された放電容器と、
前記封止管の内部に配置された貫通孔を有する金属板と、先端に電極が設けられるとともに、後端において前記金属板に固定された内部リード棒と、前記封止管の内部に配置された前記内部リード棒を保持する保持用筒体とよりなる放電ランプにおいて、前記金属板は、ロウ材によって前記内部リード棒に固定されており、前記内部リードは、前記保持用筒体より先端側における結晶粒径が、前記金属板に固定されている部分の結晶粒径より小さいことを特徴とする。

さらに、請求項２に記載の放電ランプは、請求項１に記載の放電ランプであって、特に、前記内部リード棒は、電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部が形成され、当該小径部に前記金属板が固定されていることを特徴とする。

本発明の放電ランプによれば、内部リード棒に金属板を固定する際に、保持用筒体より発光管側である先端側に伸び出した部分の内部リード棒の温度上昇を抑制することができるので、内部リードは保持用筒体より先端側における結晶粒径が、金属板に固定されている部分の結晶粒径より小さくすることができ、保持用筒体より先端側に伸び出した部分の内部リード棒の強度を十分に高い状態に維持することができ、内部リード棒の折れを防止できるものである。

さらに、内部リード棒は、電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部が形成されており、内部リード棒が小径となっているので、この部分において内部リード棒の体積を小さくし、小径部の温度上昇を容易に行うことができ、この小径部の温度上昇を利用して確実にロウ材を溶融させることができ、内部リード棒に金属板を確実に固定することができる。

本願発明の放電ランプの説明図である。 本願発明の放電ランプに用いられる内部リード棒と金属板の固定方法の説明図である。 図１中、Ａで示す部分の内部リード棒３の電極軸に沿った断面拡大図である。 図１中、Ｂで示す部分の内部リード棒３の電極軸に沿った断面拡大図である。 本願発明の放電ランプに用いられる内部リード棒と金属板の他の固定方法の説明図である。 従来の放電ランプの説明図である。 図６に示す放電ランプの内部リード棒３と金属板５のみ取り出した説明図である。

本発明の放電ランプを図１を用いて説明する。
１は、発光管１１とこれに続く封止管１２とからなる放電容器である。この放電容器１の発光管１１内に電極２が配置され、この電極２はタングステン製の内部リード棒３によって支持されている。内部リード棒３は内部リード棒３を保持するガラス製の保持用筒体４によって封止管１２の内部に配置されている。

そして、内部リード棒３の電極２とは反対側の後端側は、モリブデン製の高融点金属からなる金属板５の貫通孔に挿通されて金属板５に固定されており、この金属板５の発光管１１側の面に給電用金属箔６が溶接されている。給電用金属箔６は円柱状のガラス部材７の外周において、その周方向に離間して、当該ガラス部材７の軸方向に帯状に例えば５枚配置されている。

そして、給電用金属箔６は、金属板５に溶接された方向と反対側の他端部において、皿状の金属部材８に溶接されており、この金属部材８を介して外部リード棒９と電気的に接続されている。
外部リード棒９は、外部リード棒９を保持するガラス製の保持用筒体４１で保持され、金属部材８を貫通し、この金属部材８に溶接されて、ガラス部材７に形成された孔７１に挿入されている。

次に、本願発明の放電ランプに用いられる内部リード棒と金属板の固定構造について説明する。
図２は、本願発明の放電ランプに用いられる内部リード棒と金属板の固定方法の説明図である。
内部リード棒３は、電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部３ａが形成されており、この小径部３ａが金属板５の貫通孔を通るように、小径部３ａに金属板５を通し、金属板５の表面にロウ材Ｍが配置されている。
そして、金属板５を挟むように、小径部３ａの後端側が一方の導電性ブロック１００で固定され、内部リード棒３の任意の中間位置に他方の導電性ブロック１０１が固定されている。

この状態で、一方の導電性ブロック１００から他方の導電性ブロック１０１に電流を流すことにより、それぞれの導電性ブロック１００，１０１の間に位置する内部リード棒３と金属板５を通電加熱する。
この通電加熱により、小径部３ａと金属板５はロウ材の融点以上まで、例えば１８５０℃以上まで昇温し、ロウ材Ｍが溶融し、小径部３ａと金属板５の貫通孔の間にロウ材が流れ込み、この状態で通電を止めると、内部リード棒３、金属板５、ロウ材Ｍの温度が下がり、内部リード棒３に金属板５が固定される。

このような通電加熱では、内部リード棒３は、それぞれの導電性ブロック１００，１０１の間に位置するＬ１部分のみ電流が流れ、その部分の温度が上昇し、導電性ブロック１０１に対して内部リード棒３の先端側部分Ｌ２には電流が流れない。
また、内部リード棒３には小径部３ａが形成されており、その部分で断面積を他の部分より小さくしているので、小径部３ａを他の部分に比べ抵抗値を高くして通電時により高温状態にできる。
この小径部３ａの温度上昇によって、金属板５を高温状態にでき、確実にロウ材Ｍを溶融させることができ、内部リード棒３に金属板５を確実に固定することができる。

この結果、Ｌ１部分の金属板５が固定されている部分の内部リード棒３は、昇温することによってタングステンが再結晶化する。
しかしながら、Ｌ２部分の内部リード棒３は、Ｌ１部分が昇温することによって、熱伝導によって多少昇温するものの、直接この部分には電流が流れないために、タングステンが再結晶化する温度までは昇温しないものである。
なお、本願発明の放電ランプでは、保持用筒体４に内部リード棒３を挿通して、内部リード棒３の外周に保持用筒体４を配置するが、保持用筒体４より先端側である発光管１１側に伸び出す内部リード棒３は、図２に示すＬ２部分の内部リード棒３である。
つまり、保持用筒体４より先端側である発光管１１側に伸び出した部分の内部リード棒３を構成するタングステンは再結晶しておらず、金属板５が固定されている部分の内部リード棒３を構成するタングステンは再結晶しているものである。

なお、図２では、内部リード棒３の電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部３ａが形成されているが、内部リード棒に小径部がなく、長手方向に沿って外径が一定である内部リード棒を用いる場合もある。

このような方法で、内部リード棒３に金属板５を固定した放電ランプにおいて、図１中、Ａで示す部分の内部リード棒３の結晶状態と、図１中、Ｂで示す部分の内部リード棒３の結晶状態を分析した。
Ａで示す部分とは、保持用筒体４より先端側である発光管１１側に伸び出した部分の内部リード棒３であって、保持用筒体４に近接した位置である。
Ｂで示す部分とは、金属板５が固定されている部分の内部リード棒３である。
図３は、図１中、Ａで示す部分の内部リード棒３の電極軸に沿った断面拡大図である。
図４は、図１中、Ｂで示す部分の内部リード棒３の電極軸に沿った断面拡大図である。
図３、図４において、図中左右方向の伸びる直線は、実際の内部リード棒の断面において１ｍｍの範囲であり、この１ｍｍの範囲にそれぞれ存在するタングステン粒の数をカウントし、１ｍｍをそのタングステン粒の数で割った値を、タングステンの結晶粒径と定義した。
図３では、Ａで示す部分の内部リード３棒の結晶粒径は８μｍであり、図４では、Ｂで示す部分の内部リード棒３の結晶粒径は６０μｍであった。

この結果より、保持用筒体４より先端側における発光管１１側に伸び出した部分の内部リード棒３の結晶粒径が、金属板５が固定されている部分の内部リード棒３の結晶粒径より小さくなっていることがわかる。

このように、内部リード３は、保持用筒体４より先端側における結晶粒径が、金属板５に固定されている部分の結晶粒径より小さくなっているので、隣接する結晶同士の粒界が十分に存在しており、内部リード棒３の強度を十分に高い状態に保つことができ、内部リード棒３の折れを確実に防止することができる。

本願発明では、金属板５が固定されている部分の内部リード棒３とは、内部リード棒３に金属板５がロウ付けされているロウ付け部分に位置している内部リード棒３のことであり、金属板５が固定されている部分の内部リード棒３の結晶粒径とは、ロウ付け部分に位置している内部リード棒３の内部に存在する結晶の粒径のことである。

内部リード棒３の折れを確実にするためには、保持用筒体４より先端側である発光管１１側に伸び出した部分の結晶粒径は、１０μｍ以下の範囲である。
結晶粒径は、１０μｍを越えると、隣接する結晶同士の粒界が少なくなり、粒界スベリが発生し、内部リード棒が折れる場合がある。

図５は、本願発明の放電ランプに用いられる内部リード棒と金属板の他の固定方法の説明図である。
図５では、内部リード棒３の小径部３ａに金属板５を通し、金属板５の表面にロウ材Ｍを配置する。
そして、金属板５が位置する部分の内部リード棒３の周囲に、高周波加熱コイル２００を配置し、この高周波加熱コイル２００によって、金属板５と、金属板５が位置する部分の内部リード棒３と、ロウ材Ｍを局所的に加熱する。
この結果、ロウ材Ｍが溶融して金属板５が内部リード棒３に固定される。

このような方法を採用すると、金属板５が位置する近傍の内部リード棒３は昇温するが、それ以外の部分の内部リード棒３の昇温を抑制することができ、タングステンの再結晶化を金属板近くの限られた範囲に留めることができる。
この結果、内部リード３の保持用筒体４より先端側における結晶粒径を、金属板をロウ付けする前の内部リード棒の粒径そのままとすることができ、内部リード棒の強度を損なわず、内部リード棒の折れを確実に防止することができる。

１ 放電容器
１１ 発光管
１２ 封止管
２ 電極
３ 内部リード棒
３ａ 小径部
３ｂ 端面
４ 保持用筒体
５ 金属板
５ａ 貫通孔
６ 金属箔
７ ガラス部材
８ 勤続部材
９ 外部リード棒
Ｍ ロウ材
Ｃ マウント
１００ 導電性ブロック
１０１ 導電性ブロック
２００ 高周波加熱コイル

Claims (2)

1. 発光管の両端に封止管が連設された放電容器と、
   前記封止管の内部に配置された貫通孔を有する金属板と、
   先端に電極が設けられるとともに、後端において前記金属板に固定された内部リード棒と、
   前記封止管の内部に配置された前記内部リード棒を保持する保持用筒体とよりなる放電ランプにおいて、
   前記金属板は、ロウ材によって前記内部リード棒に固定されており、
   前記内部リードは、前記保持用筒体より先端側における結晶粒径が、前記金属板に固定されている部分の結晶粒径より小さいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記内部リード棒は、電極とは反対側の後端側が先端側に比べて外径が小さい小径部が形成され、
   当該小径部に前記金属板が固定されてい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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