JP5321425B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は、半導体や液晶などの製造工程における露光用光源や、映写機の光源などに適用されるショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、発光管内に水素ゲッターを有するショートアーク型放電ランプに関する。

前記露光用光源としては、発光管内に水銀を封入したショートアーク型放電ランプが用いられている。該ショートアーク型放電ランプは、発光管内の一対の電極の先端距離（アークギャップ）が短くて点光源に近いことから、光学系と組み合わせて集光効率が高く、露光用途として適しているからである。
また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機などの画像投影装置において可視光光源として用いられている。

このようなショートアーク型放電ランプにおいては、点灯時に発光管に含まれるOH基が、ランプの点灯時間経過とともに発光管内にH_２Oの状態で放出される。H_２Oは、アークからの熱により酸素と水素とに分解し、この水素が照度安定度に悪影響を及ぼす。
照度安定度はアークが揺らぐことによって光学系への光の入射量や入射角度分布が変化することによって生じる。照度安定度が低下すると、露光装置においては露光ムラという問題を引き起こし、画像投影装置においては画像のチラツキという問題を生じさせることになる。

ところで、放電ランプにおいて、発光管内の不純物ガスを吸着するためにゲッターを設けることが知られており、陰極軸の周囲にジルコニウム箔からなるゲッターを溶接等により取り付ける技術が知られている。また、このゲッターをアークから保護するために、コイルで覆う技術が知られている。このようなゲッターを備える放電ランプの例として、特開平７−２２６１８７号公報がある。

図８にその構造が示されている。図８（ａ）は、従来例にかかる放電ランプの陰極先端部を示す拡大断面図であり、図８（ｂ）は同平面図である。
陰極８は、先端部が円錐状に形成されている。この先端部を除く平行部分には、この平行部分の直径よりも小さい直径を有する細径部８２が形成されている。平行部分の周囲には、トリウムタングステンのコイル８４が一定の径で巻きつけられており、このコイル８４と細径部８２のあいだに空間が形成されている。
細径部８２の周囲には、ジルコニウム箔からなる筒状のゲッター８３が、溶接によって固定されている。
上記文献には、ゲッター８３の周囲がエミッタを含有したコイル８４で覆われているために、アークがゲッター８３に移動することがなく、ジルコニウムからなるゲッター８３がアークの高温にさらされて蒸発することを防ぐ効果があると記載されている。

特開平７−２２６１８７号公報 特開昭５０−８０６８３号公報

しかしながら、近年はランプが大型化しており、それにともなって発光管内に放出されるＯＨ基の量も増加していることから、ジルコニウムやタンタルなどの金属箔では水素吸蔵能力が不足してきている。
そこで、水素吸蔵能力に優れたゲッター材として知られるイットリウムを用いることが検討されている。イットリウムは水銀と反応してアマルガムとなってしまうために、水銀ランプの発光管内で直接水銀蒸気に露出させることはできない。そのため、この問題を解決する手段として、イットリウムをタンタルなどの水素透過性金属で覆うことが知られている（特許文献２）。

しかし、この放電ランプは、水素ゲッターを発光管の内壁に取り付ける構造であり、水素ゲッターと発光管の構成成分である石英ガラスとが反応してしまうという問題があった。
この点について解決するために、本発明者らは、タンタルなどの水素透過性金属からなる密閉容器の内部に水素ゲッター材を封入した水素ゲッターを用いて、これを電極軸に固定することを検討している。

図２にその水素ゲッターを示す。図２（ａ）は、本発明にかかる水素ゲッターの平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。
水素ゲッター２は、水素透過性金属によって構成される直管状の密閉容器２１と、この密閉容器２１の内部に密閉された水素ゲッター材２２とにより構成される。２３は両端封止部であり、密閉容器２１を構成する直管部分の両端を気密に密閉している。
これにより、密閉容器２１内のゲッター材２２を放電空間と隔離して、放電空間内のガスに直接曝されることを防止するとともに、ゲッター材２２が密閉容器２１の外部に漏れることのないようにしている。

この水素ゲッター２は、内部に封入されたゲッター材２２に効率よく水素を吸着させるために、密閉容器２１の厚みを薄くして水素透過性を高める必要がある。そのため、密閉容器２１の機械的強度は弱く、製造時に破損するおそれがあるので、溶接したり、加締めたり、電極軸１４に固定するために密閉容器２１に過度な負荷のかかる手段を採用することはできない。
したがって、特許文献１に示されたゲッターの様な、金属箔といった単純な構成ではないために、密閉容器を破損させずに電極に取り付けることが困難であった。

以上により、本発明は、水素ゲッターを発光管内に備える放電ランプにおいて、水素ゲッターの密閉容器に過度な負荷がかかることなく電極軸に固定することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明は、発光管内に、電極本体を支持する電極軸と、水素を吸着するゲッター材を有する水素透過性金属よりなる密閉容器とを有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記電極軸の外周には２つの保持コイルが固定されており、
該保持コイルの一端は該電極軸に巻きつけられた固定部であり、他端は開口した収容部であり、該収容部は互いに向き合って配置されており、該収容部が前記密閉容器を包囲して保持していることを特徴とする。

また、本発明は、前記保持コイルのいずれか一端部が、前記収容部のコイル径よりも径方向の外側へ突出していることを特徴とする。

また、本発明は、前記固定部が、前記電極軸の周方向に形成された凹部に巻き付けられて固定されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記ゲッター材はイットリウム、またはジルコニウムよりなり、前記発光管内には水銀が封入されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記保持コイルは、コイル径が一定である複数のコイルによって構成されたコイル複合体であることを特徴とする。

本発明によれば、本発明にかかる水素ゲッターの密閉容器は、保持コイルに包囲されて保持されることにより、水素ゲッターの密閉容器に負荷がかからず、破損が回避できる。そして、製造時の作業的にも簡便となる構成であり、安価で製造することができる。
また、保持コイルの巻線と巻線の間を水素が透過するので、水素ゲッターの水素吸蔵を妨げない。
さらには、点灯始動時にアークが水素ゲッターに移行することを防ぐことができる。

また、本発明によれば、突出した保持コイルの端部に積極的にアークを誘引し、より確実に水素ゲッターの密閉容器をアークから守ることができる。

また、本発明によれば、電極軸の一部に周方向に形成された輪状の凹部に保持コイルの一部を巻き付けることにより、より確実に保持コイルを電極軸に固定することができる。

また、本発明によれば、ゲッター材がイットリウム、またはジルコニウムであって、主な発光物質として水銀が封入されていても、水素透過性の密閉容器によって保護されているので、ゲッター材が漏洩して水銀と反応することがない。

また、本発明によれば、保持コイルはコイル径が一定である複数のコイルによって構成されたコイル複合体であることにより、コイル径を変える加工が不要になる。

本発明にかかるショートアーク型放電ランプの全体構成を示す図である。 本発明にかかる水素ゲッターを示す図であり、（ａ）は電極軸近傍の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。 本発明にかかる水素ゲッターを示す図であり、（ａ）は電極軸近傍の斜視図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明にかかる水素ゲッター３の固定状態を示す電極軸近傍の図であり。（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明にかかる保持コイルについて説明する、電極軸近傍の斜視図である。 本発明にかかる保持コイルを電極軸に固定する例の他の例について示す断面図であり、（ａ）は電極軸に加工を施す例、（ｂ）は、保持コイルを複数のコイルで構成する例である。 本発明にかかる保持コイルの他の実施例について示す電極軸近傍の斜視図である。 従来例にかかる放電ランプの陰極とゲッターとを示す図であり、(ａ）は断面図）、（ｂ）は平面図である。

図１は、本発明に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。
この図において、ショートアーク型放電ランプ１は、略球状に形成された発光管１０および発光管１０の両端のそれぞれに連続する直管状の封止管部１２、１２を備える。
発光管１０の内部には、陰極本体部１３Ｃと陽極本体部１３Ａとが互いに向き合って配置され、発光物質が封入されている。
発光物質は水銀または希ガスである。水銀を主とする場合には、発光管内容積あたり１ｍｇ／ｃｃ以上封入され、補助ガスとして、キセノンガス、アルゴンガス、クリプトンのうちの何れか１種以上を０．０１〜１Ｍｐａ（室温）封入してもよい。
希ガスを主とする場合には、例えば、０．５ＭＰａ（室温）以上のキセノンガスが封入されている。

陰極本体部１３Ｃは、例えばタングステンにより形成されるロッド状の電極軸１４により保持される。陰極本体部１３Ｃの先端は、陽極側に向かうに従って次第に外径が小さくなるようにテーパー状に形成される。
同様に、陽極本体部１３Ａは、ロッド状の電極軸１４により保持される。

発光管１０は、例えば石英ガラスにより構成される。石英ガラスに含有されるＯＨ基は、ショートアーク型放電ランプの点灯時に発光管１０の内部放電空間に放出されるとともに、内部放電空間においてアーク柱内で熱分解されることによって水素を生成する。
したがって、発光管１０の内面にＯＨ基を含む石英ガラスを使用することにより、発光管１０の内部放電空間に水素が不可避的に生成される。この水素を事後的に除去するために、発光管１０内に水素ゲッター２が設けられる。

水素ゲッターは、図２（ａ）および（ｂ）に示したように、水素透過性を有する、例えばタンタルよりなる金属によって構成される直管状の密閉容器２１と、この密閉容器２１の内部に密閉された、例えばイットリウムよりなる水素ゲッター材２２とにより構成される。
両端封止部２３、２３は、密閉容器２１を構成する直管の両端を圧接加工することにより、または溶着、もしくは溶接することによって気密に密閉される。
これにより、密閉容器２１内のゲッター材２２を放電空間と隔離して、放電空間内のガスに直接曝されることを防止するとともに、ゲッター材２２が密閉容器の外部に漏れることのないようにしている。
そして、密閉容器が水素透過性金属であることにより、水素は密閉容器２１の内部に容易に導入され、ゲッター材２２に吸蔵される。
なお、密閉容器２１はタンタルの他にニオブでもよく、水素透過性があれば、タンタルやニオブと他の物質との化合物でもよい。また、密閉容器は管状部材以外にも、タンタル箔や薄いタンタルシートから製作しても良い。
ゲッター材２２についても、イットリウムの他に、ジルコニウムを用いることもでき、イットリウム、またはジルコニウムと他の物質との化合物であってもよい。

密閉容器の形状は、直管状の他に、扁平な密閉容器をＣ字状に湾曲させた構造によっても構成できる。図３は、その水素ゲッターの密閉容器３１を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。
この密閉容器３１は、断面が幅広の略矩形状であり、扁平な形状のものである。このような形状は、長手方向をＣ字状に湾曲させることで、電極軸１４の周囲に沿うように配置することができる。このとき、密閉容器３１の厚みが小さいので、湾曲させ易く、湾曲させても破損しにくいという特徴がある。
そして、内部にゲッター材３２を封入する容量を確保するためにある程度の幅を有しており、扁平な形状になっている。
この密閉容器３１においても、直管状のものと同様に、周方向の両端に封止部３３が形成されている。

上記の水素ゲッター３を用いた場合を例にして、水素ゲッターを電極軸に固定した態様について説明する。図４は、本発明にかかる水素ゲッター３の固定状態を示す陰極先端付近の拡大断面図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
図４（ａ）において、水素ゲッター３は、電極軸１４の周囲に沿うように配置され、上下を２つの保持コイル４Ａ、４Ｂによって２方向から包囲されて保持されている。この保持コイル４Ａは、コイル径の小さい固定部４１Ａと、コイル径の大きい収容部４２Ａを備えている。
これらの保持コイルは、タングステン、モリブデン、タンタル、もしくはニオブ等の高融点金属を材料として用いることが好ましい。あるいは、これらの金属を含む合金を材料としてもよい。
図４（ｂ）に示すように、陰極の先端側に配置される保持コイル４Ａは、固定部４１Ａが先端側、収容部４２Ａが基端側となるように配置される。一方、水素ゲッター３を挟んで基端側に配置される保持コイル４Ｂは、収容部４２Ｂが先端側、固定部４２Ａが基端側となるように配置される。
それぞれの保持コイル４Ａ、４Ｂの固定部４１Ａ、４１Ｂは、直接電極軸１４の外周に巻き付けられた状態で、溶接されるか、加締めてコイルばねの弾性力で保持することによって固定される。

このように水素ゲッター３は、保持コイル４Ａ、４Ｂによって２方向から包囲されて保持されるために、電極軸１４に直接固定する必要がない。すなわち、水素ゲッター３を溶接したり、加締めたりする必要が無く、保持コイルに当接するだけで固定されるので、負荷がかからず、破損しにくいという効果がある。
例えば、単一のコイルでゲッターを包囲しようとすると、両端を保持する必要があるために、溶接や加締めによる固定手段が採用される。これらの固定手段では、水素ゲッターの密閉容器が破損するおそれがあるのに加えて、コイルによって密閉容器が覆われてしまうので、破損したかどうかはランプを長時間点灯して不具合が起こらないとわからないという問題がある。
その点、本発明の保持コイルは、水素ゲッターの密閉容器自体に負荷を加えることがないので、破損のおそれがない。また、製造時の作業的にも簡便であり、安価で製造することができる。
水素ゲッターの密閉容器は、電極軸と完全に密着するわけではなく、コイル内である程度移動可能な状態で置かれている。そのため、直接固定する場合に比べて、電極軸との接触面積は少なく、温度上昇を抑制することができる。

そして、保持コイル４Ａ、４Ｂによって、水素ゲッター３の一部又は全部が覆われるために、点灯時にアークが水素ゲッター３に移行しにくくなる。
その点ついて、図５を用いて説明する。図５は、本発明にかかる保持コイルについて説明する、電極軸近傍の斜視図である。
この図において、密閉容器３の封止部３３の部分は、製造時に鋭角な部分３３ｃが形成されているため、ランプ点灯始動時にアークが移行しやすい。そこで、保持コイル４Ａ、４Ｂがこの部分を覆うことにより、アークが移行するのを防止することができる。

なお、水素ゲッターの密閉容器の形状が、図２に示した直管状である場合には、その長手方向を電極軸に沿った方向に配置して、両端を２つの保持コイルで保持できる。
すなわち、密閉容器の形状に関係なく、２つの保持コイル内に収容できる、形状、寸法であればよい。

この２つの保持コイル４Ａ、４Ｂを軸方向で離間させて取り付けた場合には、その隙間が水素ゲッターを冷やすための対流ガスの通気窓４５となり、更に好ましい。これにより、対流ガスが、水素ゲッターに接触してこれを冷却するとともに、対流ガスに含まれる水素を吸着しやすいという効果がある。
この通気窓４５の幅は、水素ゲッター３が２つの保持コイルの外に飛び出すような寸法で無ければよい。
なお、水素はコイルの巻線と巻線の間を容易に透過できるので、通気窓４５は設けずともよい。その他に、コイルを疎に巻くことで、巻線と巻線の間の隙間が広がって、流入する水素の量を増やすこともできる。

図６には本発明にかかる保持コイルを電極軸に固定する方法の他の例についての断面図示す。図６（ａ）、（ｂ）それぞれに電極軸に固定する方法について示す。
図６（ａ）は、電極軸に加工を施して、保持コイルを固定する例を示す。
電極軸１４の一部には、周方向に沿った輪状の凹部１４１Ａ、１４１Ｂが形成されている。
この凹部１４１Ａ、１４１Ｂに保持コイル４Ａ、４Ｂの一部である固定部４１Ａ、４１Ｂを巻き付けることにより、より確実に保持コイルを電極軸１４に固定することができる。

図６（ｂ）は、保持コイルを一定の径のコイルで構成して、電極軸に固定する例を示す。この図において、保持コイル４Ａ、４Ｂは複数のコイルから構成されるコイル複合体である。
電極軸１４の周囲には、固定部に相当するコイル４１Ａ、４１Ｂが配置され、例えば加締められて固定されている。このコイル４１Ａ、４１Ｂの外周に収容部に相当するコイル４２Ａ、４２Ｂの一部が加締められて固定されている。
このように、保持コイルは、複数のコイルの複合体によって構成することができ、一定の径のコイルを重ね合わせて構成することもできる。この場合は、途中で径が拡張するコイルをわざわざ製造する手間が要らないという利点がある。
また、コイルを幾重にも巻き付けて嵩上げすることにより、ゲッター収容空間の広さを簡便に調節することができる。

図７は、この保持コイルについての応用例について示す、電極軸近傍の斜視図である。この図では、図４に示した保持コイルと同様に、電極軸１４に巻きつけられた保持コイル４Ａ、４Ｂは、水素ゲッター３を電極軸方向の両側から保持している。
ここで、保持コイル４Ａの下側の一端部４４Ａは、巻線の周回から外れて、収容部４２Ａのコイル径よりも外方に突出している。

この保持コイルより突出させたコイルの端部４４Ａは、コイル径よりも突出していて、形状も鋭いので、点灯始動時にアークが移行しやすい。
その形状を利用して、点灯始動時に一時的にアークをこの端部４４Ａに移行させる。その後、時間経過とともにランプ内の温度が上昇して水銀蒸気圧が高まると、陰極の先端にアークが移行して正常点灯となる。
これにより、アークが水素ゲッター３に移行することを防ぐことができる。すなわち、避雷針の様に積極的にアークを誘引し、水素ゲッターをアークから守るという効果がある。
なお、このコイル端部４４Ａにアークを一時的に保持することについては、点灯プロセスが正常であれば、その後速やかにアークは陰極先端に移行するので問題ない。

本発明にかかるショートアーク型放電ランプの具体的な仕様については以下の通りである。
図１に示した放電ランプは、発光管外径が例えばφ１００ｍｍであり、内部にキセノンが約０．１ＭＰａ（常温）、水銀が発光管内容積あたり３５ｍｇ／ｃｍ^３封入されている。
この放電ランプは、８ｋＷの定電力電源（不図示）を用いて点灯される。

水素ゲッターを固定する電極軸１４は、直径６ｍｍである。
水素ゲッターについて、図３に示した形状の寸法は、径方向の厚みが３ｍｍ、電極軸の周囲に沿って湾曲させたときの内直径が６．３ｍｍ、電極軸方向の幅が６ｍｍである。
密閉容器は、タンタルの管状部材を加工することで形成されており、その管壁の厚みは０．１ｍｍである。密閉容器の内部には１ｇのイットリウムが封入されている。
保持コイルは、直径φ１ｍｍのタングステン線を用いて適宜のマンドレル等に巻き回して形成され、一端側の内径がφ５．８ｍｍ、他端側の内径φ１４ｍｍとされる。この保持コイルは、上下保持用に２個作製され、それぞれの収容部が向き合うようにして、電極軸の外周に挿通される。
そして、この収容部で水素ゲッターの密閉容器を包囲したのち、固定部で電極軸に固定される。これにより、密閉容器が保持される。

１ 放電ランプ
１２ 封止管部
１３Ａ 陽極本体部
１３Ｃ 陰極本体部
１４ 電極軸
１４１Ａ 凹部
１４１Ｂ 凹部
２ 水素ゲッター
２１ 密閉容器
２２ ゲッター材
２３ 封止部
３ 水素ゲッター
３１ 密閉容器
３２ 水素ゲッター
３３ 封止部
３３ｃ 鋭角な部分
４Ａ 保持コイル
４Ｂ 保持コイル
４１Ａ 固定部
４１Ｂ 固定部
４２Ａ 収容部
４２Ｂ 収容部
４４ コイル端部
４５ 通気窓
Ｓ 放電空間
８ 陰極
８２ 細径部
８３ ゲッター
８４ コイル

Claims (5)

1. 発光管内に、電極本体を支持する電極軸と、水素を吸着するゲッター材を有する水素透過性金属よりなる密閉容器とを有するショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記電極軸の外周には２つの保持コイルが固定されており、
   該保持コイルの一端は該電極軸に巻きつけられた固定部であり、他端は開口した収容部であり、
   該収容部は互いに向き合って配置されており、
   該収容部が前記密閉容器を包囲して保持し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. 前記保持コイルのいずれか一端部が、前記収容部のコイル径よりも径方向の外側へ突出し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. 前記固定部が、前記電極軸の周方向に形成された凹部に巻き付けられて固定さ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。
4. 前記ゲッター材はイットリウム、またはジルコニウムよりなり、
   前記発光管内には水銀が封入さ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。
5. 前記保持コイルは、コイル径が一定である複数のコイルによって構成されたコイル複合体で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。

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