JP5251398B2 - フィラメントランプ - Google Patents

Description

この発明はフィラメントランプに関する。特に、被処理体を加熱するためのフィラメントランプに関する。

太陽電池の製造工程には、Ｐ型半導体を拡散させる熱拡散工程や、電極材となる銀ペーストを焼成させる焼成工程がある。両工程とも熱拡散炉や焼成炉を使って、半導体ウエハやガラス基板を、例えば８００℃〜９００℃という高温に加熱させる。

このような加熱装置では、場所的温度バラツキを生じさせないために、被処理体を均一に加熱しなければならない。このため、光源であるフィラメントランプも発光管の内部に複数の給電経路を持ち、各経路に対して独立的に所望の給電ができる構造が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、上記した太陽電池の製造工程では、被処理体に対する加熱温度がより高温化しており、ランプへの供給電力もより大型化している。その一方で、ランプの寸法自体は大きくすることができず、むしろ小型化の要請が強い。
そして、それぞれのフィラメントには給電用の内部リードが接続されており、内部リード同士は発光管の内部で複雑に経路を形成している。このため、内部リードとフィラメントあるいは内部リード同士が短絡してしまったり、あるいは、フィラメントが所定の位置から外れてしまうという問題が発生する。

すなわち、特許文献１に記載されるような、複数の独立した給電経路を有するフィラメントランプにあっては、被処理体に対して均一加熱ができるものの、ランプそのものは極めて複雑な構造になってしまい、上記のような問題を生じさせるというわけである。

特開２００６−２７９００８号公報

複数の独立した給電経路を具備したフィラメントランプであって、複雑に存在する給電経路を有していても、フィラメントの位置ズレや短絡などの問題を良好に解消できる構造を提供することにある。

この発明に係るフィラメントランプは、軸方向に分割された複数のフィラメントを有する直管状の発光部と、この発光部の両端にフィラメントの数に対応した金属箔が並ぶように埋設された封止部から構成されるとともに、各フィラメントはそれぞれリードによって独立的に給電できる構造において、前記発光部は、断面形状が略瓢箪型であり、フィラメントを収容する第一収容空間と、給電用の内部リードを収納する第二収容空間を有し、それぞれの収容空間が平板の仕切壁で隔離されており、対になって軸方向に伸びていることを特徴とする。
また、フィラメントは、リング状サポータによって前記第一収容空間に保持されていることを特徴とする。

以上

この発明は、フィラメントを収容する第一収容空間と、給電用の内部リードを収納する第二収容空間が、対になって軸方向に伸びる構造であるため、内部リードがフィラメントあるいは他の内部リードと短絡することを解消あるいは低減できる。また、フィラメントを内部リードが存在しない第一収容空間で保持できるので、フィラメントの位置を確実に決めることができる。

図１は本発明に係るフィラメントランプの全体構成を示す。
ランプＬは直管状の発光部１０と、その両端に形成された封止部２０（２０ａ，２０ｂ）よりなる。発光部１０は、後述するが第一収容空間１１と第二収容空間１２よりなり、全体として断面略瓢箪型をなしており、第一収容空間１１と第二収容空間１２は空間的に繋がっており、それぞれの空間は対になって軸方向に伸びている。第一収容空間１１の内部には、複数のフィラメントＦ（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）が配置されている。具体的には、第一収容空間１１の長手方向中央にフィラメントＦ１が配置しており、第一収容空間１１の一端（封止部２０ａに近い端部）にフィラメントＦ２が配置しており、第一収容空間１１の他端（封止部２０ｂに近い端部）にフィラメントＦ３が配置している。フィラメントＦ１、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３は、それぞれ電気的に分離しており、第一収容空間１１の中心軸にほぼ一致するように、かつ、一直線に並んで配置している。フィラメントＦ１、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３は、それぞれ独立した給電経路の中に存在する。

封止部２０（２０ａ，２０ｂ）には、フィラメントＦの数に対応した金属箔３０（３１ａ，３２ａ，３３ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ）が埋設される。具体的には、封止部２０ａには、フィラメントＦ１に対応した金属箔３１ａ、フィラメントＦ２に対応した金属箔３２ａ、金属箔３３ａが埋設しており、また、封止部２０ｂには、フィラメントＦ１に対応した金属箔３１ｂ、フィラメントＦ３に対応した金属箔３２ｂ、金属箔３３ｂが埋設している。

金属箔３０には、ランプの外方に向けて伸びる外部リード４０（４１ａ,４２ａ，４３ａ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）と、発光部１０の内部に向けて伸びる給電用の内部リード５０（５１ａ,５２ａ,５３ａ，５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ）がそれぞれ接続される。具体的には、金属箔３１ａには外部リード４１ａと内部リード５１ａが接続されており、金属箔３２ａには外部リード４２ａと内部リード５２ａが接続されており、金属箔３３ａには外部リード４３ａと内部リード５３ａが接続されている。また、金属箔３１ｂには外部リード４１ｂと内部リード５１ｂが接続されており、金属箔３２ｂには外部リード４２ｂと内部リード５２ｂが接続されており、金属箔３３ｂには外部リード４３ｂと内部リード５３ｂが接続されている。
内部リード５１ａ、５１ｂ、５２ａ，５２ｂは第二収容空間１２に配置されており、内部リード５３ａ，５３ｂは、金属箔との位置関係から第一収容空間１１に配置している。

第一収容空間１１と第二収容空間１２の間には、仕切壁１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）が形成される。具体的には、内部リード５１ａ、５２ａと、フィラメントＦ２と空間的に隔離するために仕切壁１３ｂが形成されており、内部リード５１ｂ，５２ｂと、フィラメントＦ３を空間的に隔離するために仕切壁１３ｃが形成されている。仕切壁１３ａはフィラメントＦ１に対応するものでフィラメントＦ１を第一収容空間１１に収容する。仕切壁１３ａ、１３ｂ、１３ｃは発光部と同一材料からなり、全体として１枚の平板であって、内部リード５０が貫通する穴が形成される。仕切壁１３ａ、１３ｃは封止部２０ａ、２０ｂとそれぞれ一体的に溶着して形成されている。

各フィラメントＦにはリング状のサポータ１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）が取り付けられる。フィラメントＦはそれぞれ複数のサポータ１４によって支持されるとともに、フィラメントＦが第一収容空間１１の略中心軸に一致するように位置決めされる。具体的には、フィラメントＦ１はサポータ１４ａによって支持されており、フィラメントＦ２はサポータ１４ｂによって支持されており、フィラメントＦ３はサポータ１４ｃによって支持されている。サポータ１４は、例えばタングステンなどバネ性を有する部材であり、リング状にすることにより弾性力によって第一収容空間１１の内壁に固定することができる。ここで、サポータ１４は、第一収容空間１１内にのみ存在しており、第二収容空間１２には存在していない。サポータを小さい空間の中で固定させることでフィラメントの位置決め精度を高めることができる。また、サポータ１４が内部リード５０と接触しないので短絡等の問題も防止できる。

ここで、外部リード４１ａ、金属箔３１ａ、内部リード５１ａ、フィラメントＦ１、内部リード５１ｂ、金属箔３１ｂ、外部リード４１ｂにより一つの独立した通電経路が形成されており、外部リード４１ａと外部リード４１ｂに所定の電圧を印加することでフィラメントＦ１が発光する。そして、フィラメントＦ１は第一収容空間１１に配置しており、内部リード５１ａと内部リード５１ｂは第二収容空間１２に配置している。
同様に、外部リード４２ａ、金属箔３２ａ、内部リード５２ａ、フィラメントＦ２、内部リード５３ａ、金属箔３３ａ、外部リード４３ａにより一つの独立した通電経路が形成されており、外部リード４２ａと外部リード４３ａに所定の電圧を印加することでフィラメントＦ２が発光する。そして、フィラメントＦ２は第一収容空間１１に配置しており、内部リード５２ａは第二収容空間１２に配置している。
さらに、外部リード４２ｂ、金属箔３２ｂ、内部リード５２ｂ、フィラメントＦ３、内部リード５３ｂ、金属箔３３ｂ、外部リード４３ｂにより一つの独立した通電経路が形成されており、外部リード４２ｂと外部リード４３ｂに所定の電力を供給することでフィラメントＦ３が発光する。そして、フィラメントＦ３は第一収容空間１１に配置しており、内部リード５２ｂは第二収容空間１２に配置している。

内部リード５０には、図示略ではあるが絶縁管を施すこともできる。絶縁管は、例えば、石英ガラスのパイプであり、他の内部リードと接近する位置に設けると有用である。

本発明では、フィラメントＦは第一収容空間１１に収容し、内部リード５０は第二収容空間１２に収容することを原則とするが、内部リード５０については、発光部１０の端部に配置されたフィラメントＦ２，Ｆ３に限って、便宜上、第一収容空間１１に収容する場合がある。実施例でいえば、内部リード５３ａと内部リード５３ｂが相当する。また、それ以外の内部リード５０は、発光部１０の長手方向に伸びる部分については、第二収容空間１２に配置されているが、フィラメントＦとの接続部分については、部分的に第一収容空間１１に配置されてしまう。

フィラメントランプについて、一例をあげると、中央に配置されたフィラメントＦ１は、例えば３ＫＷの給電が行われ、端部に配置されたフィラメントＦ２とフィラメントＦ３には、例えば６００Ｗの給電が行われる。なお、フィラメントＦ１、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３は同時に点灯させる場合もあれば、いずれかのフィラメントは点灯させるものの他のフィラメントは消灯させるという使い方も存在する。

フィラメントＦ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）は、例えば、タングステン素線を密に巻回してコイル形状にしたものである。また、発光部１０には臭素（Ｂｒ）や塩素（Ｃｌ）などのハロゲンとともに、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの不活性ガスが封入されている。なお、本発明に係るフィラメントランプそのものについては、本出願人の先願である特願２００８−８２４５８号が参照される。

図２は発光部１０の断面構造であって、具体的には、図１のＡ−Ａ断面構造を示す。
発光部１０の断面形状は全体として略瓢箪型になっており、第一収容空間１１と第二収容空間１２が仕切壁１３を介在して形成される。発光部１０を瓢箪形状にすることで、フィラメントＦからの輻射熱による内部リード５０の加熱を防止あるいは軽減できる。すなわち、内部リード５０が加熱されると、少なからず二次輻射を生じるため、加熱対象物に対して外乱の影響になって均一加熱を困難にしかねるからである。また、内部リード５０に保護管を設けて輻射を防止することも考えられるが、保護管が昇温することで割れなどの問題を発生させる。
本発明は、フィラメントを収容する空間と、内部リードを収容する空間を分離することで、内部リードとフィラメントの短絡だけでなく、内部リードの昇温という問題も解消できる。

図３は発光部１０の断面形状の他の実施形態を示し、（ａ）は仕切壁１３を有さない形態を示し、（ｂ）は発光部１０の外観形状は長円であるが、発光空間の断面形状が略瓢箪型である場合を示し、（ｃ）は第一収容空間１１と第二収容空間１２の大きさが異なる形態を示す。
（ａ）において、第一収容空間１１と第二収容空間１２を連通する部分が小さい場合、すなわち、第一収容空間１１と第二収容空間１２の間の凹みが大きい場合には仕切壁を必要としない。この構造の利点は、部品点数が少なくなり製造が容易であること、また、第一収容空間１１と第二収容空間１２の間の発光管の窪みを大きくすることで実質的に仕切壁と同じ機能を形成させている。
（ｂ）において、発光部の内部空間の断面形状が略瓢箪型であれば、発光部の外観形状は瓢箪である必要はない。この構造の利点はバルブ強度が強いことである。
（ｃ）において、大電力でフィラメントを発光させる場合にフィラメントの存在する空間を大きくすることに意味がある。なお、図では、第一収容空間１１が第二収容空間１２よりも大きい場合を示したが、第二収容空間１２が第一収容空間１１よりも大きくてもかまわない。第一収容空間１１が大きい場合は縦方向の寸法を短くできること、第二収容空間１２が大きい場合は回路数が増えた場合でも対応できる利点を有する。

図４は本発明に係るフィラメントランプの他の実施例を示す。図１に示すフィラメントランプでは、一方の封止部の近傍に配置されたフィラメントに対する外部リードは、２つとも当該封止部から外方に突出する構造であったのに対し、本実施例の構造では、全てのフィラメントは、外部リードが一方の封止部と他方の封止部に設けられている。具体的には、図１においては一方の封止部２０ａの近傍に配置されたフィラメントＦ２に対する外部リード４２ａ，４３ａはいずれも当該封止部２０ａから外方に突出しているのに対し、図４では、一方の封止部２０ａに埋設された３枚の金属箔は、それぞれフィラメントＦ１、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３に対するものであり、また、封止部２０ｂに埋設された３枚の金属箔も、それぞれフィラメントＦ１、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３に対するものである。従って、フィラメントＦから見ると、全てのフィラメントＦは、一方の端子が封止部２０ａから突出しており、他方の端子が封止部２０ｂから突出する構造となる。このような構造のフィラメントランプであっても、全てのフィラメントＦは第一収容空間１１に収容されており、内部リード５０は第二収容空間１２に収容される。

図５は本発明に係るフィラメントランプの他の実施例を示す。図１や図４に示すフィラメントランプは独立給電可能なフィラメントを３つ有していたのに対し、図５に示すフィラメントランプは４つ有する点で相違する。発光部１０の中央には、フィラメントＦ１１とフィラメントＦ１２が配置しており、発光部１０の一端（封止部２０ａに近い端部）にはフィラメントＦ２が配置しており、発光部１０の他端（封止部２０ｂに近い端部）にはフィラメントＦ３が配置している。フィラメントＦ１１、フィラメントＦ１２、フィラメントＦ２、フィラメントＦ３は、発光部１０の中心軸に平行に並んで配置している。このような構造のフィラメントランプであっても、全てのフィラメントは第一収容空間１１に収容されており、内部リード５０は原則として第二収容空間１２に収容される。なお、フィラメント数が４本の場合のランプ構造についても、本出願人の先願である特願２００８−８２４５８号の図４が参照される。

次に、本発明に係るフィラメントランプの発光管（封止する前のガラス管）の製造方法を説明する。
まず、水晶粉末を高温で溶融して金型により製作したい形状の相似形のインゴットを作る。そのインゴットを製作したい形状（瓢箪）になるように管引きする。なお、製作したい形状が複雑な場合は切削によりインゴットを成形し、その後、同様に管引きすることもある。管引きした後は、第一収容空間と第二収容空間の仕切壁が存在するようにする。また、水晶粉末を溶融しながら直接管引きする方法もある。
このようにして製作したガラス管に対して、フィラメント、内部リード、金属箔、外部リードが接続したマウントを挿入して、ガラス管の両端をそれぞれ封止（ピンチシール）することでランプが完成する。

図６は本発明に係るフィラメントランプが使われる加熱処理装置の概略構成を示す。
処理装置（チャンバ）の内部には被処理体が配置しており、被処理体の表面に対向してフィラメントランプＬ１（ランプＬ１１，ランプＬ１２、ランプＬ１３、ランプＬ１４、ランプＬ１５）が配置しており、また、被処理体の裏面に対向してフィラメントランプＬ２（ランプＬ２１，ランプＬ２２、ランプＬ２３、ランプＬ２４、ランプＬ２５）が配置している。処理装置には真空ポンプが接続しており、内部空間を減圧雰囲気に維持している。被処理体は支持体により保持されている。

本発明において「フィラメントの数に対応した金属箔」とは、必ずしも、フィラメントの数と同数の金属箔を設けるという意味ではなく、例えば、図１におけるフィラメントＦ１を長手方向に分割させて複数のフィラメントとしてもよい。

本発明に係るフィラメントランプの全体構成を示す。 本発明に係るフィラメントランプの発光部の断面形状を示す。 本発明に係るフィラメントランプの発光部の断面形状の他の例を示す。 本発明に係るフィラメントランプの他の実施例を示す。 本発明に係るフィラメントランプの他の実施例を示す。 本発明に係るフィラメントランプを使った処理装置を示す。

符号の説明

１０ 発光部
１１ 第一収容空間
１２ 第二収容空間
１３ 仕切壁
１４ サポータ
１５ 保護管
２０，２０ａ，２０ｂ 封止部
３０，３１ａ，３２ａ，３３ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ 金属箔
４０，４１ａ、４２ａ，４３ａ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ 外部リード
５０，５１ａ，５２ａ，５３ａ，５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ 内部リード
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ フィラメント

Claims (2)

1. 軸方向に分割された複数のフィラメントを有する直管状の発光部と、この発光部の両端にフィラメントの数に対応した金属箔が並ぶように埋設された封止部から構成されるとともに、各フィラメントはそれぞれリードによって独立的に給電できる構造のフィラメントランプにおいて、
   前記発光部は、断面形状が略瓢箪型であり、前記フィラメントを収容する第一収容空間と、給電用内部リードを収納する第二収容空間を有し、
   それぞれの収容空間が平板の仕切壁で隔離されており、対になって軸方向に伸びていることを特徴とするフィラメントランプ。
2. 前記フィラメントは、リング状サポータによって前記第一収容空間に保持されていることを特徴とする請求項１ のフィラメントランプ。

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