JP5397456B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は、放電ランプに関するものであり、特に、封止部内のガラスロッドの表面に金属箔が配設されてなる放電ランプに係わるものである。

従来、印刷業界や電子工業界においては、インキや塗料の乾燥、樹脂の硬化処理に使用する光化学反応用装置の紫外線光源として、或いは、半導体基板や液晶ディスプレイ用の液晶基板を露光するのに使用する露光装置の紫外線光源として、放電ランプが使用されている。
その構造として、特開２００６−１３４７１０号公報（特許文献１）に示されるような、封止部内のガラスロッド上に金属箔を備えた構造のものが知られている。

図５にその構造が示されている。
図において、放電ランプ１の発光管２の両端部にはシュリンクシールされた封止部３が形成されており、この発光管２内には一対の電極４が配置されている。
該電極４の後端部４ａは、上下部が平坦面形状となるように切削加工されていて、ほぼ角柱状となっている。
前記封止部３には、石英ガラス製の扁平状のガラスロッド５が埋設され、該ガラスロッド５を挟むように、その上下面に一対の金属箔６、６が配置されている。
また、封止部３には、ガラス製の保持用筒体７が配置されていて、該保持用筒体７に電極４が挿通されおり、これによって該電極４が支持されている。
なお、金属箔６、６の後端には外部リード８が接続されている。
そして、紫外線を良好に放射するために、発光管２内には、水銀、鉄、タリウム等の金属が封入されている。

ところで近時においては、省エネルギーの観点から、被処理物を処理する時は所定の光量の光を照射し、それ以外の時、具体的には被処理物を搬送する間には、電力を下げて光出力を下げ、省エネルギー対策を行うことが通常行われている。
つまり、定常点灯モードと待機点灯モードを切り替えて点灯する方式（所謂、フル・スタンバイ点灯方式）が多用されるようになってきている。

このような放電ランプ、特に、フル・スタンバイ点灯される放電ランプにおいては、封止部に熱応力の増減が繰り返し加わることになり、ガラスロッドの表面に金属箔を用いた封止部の構造が複雑であるために、金属箔がガラスロッドから剥がれて箔浮きが発生したり、或いは、ガラスロッドにクラックが入り破損して封止部の密閉シール構造が破れてしまったりするという問題があった。
このガラスロッドの破損について説明すると、図６（Ａ）には、封止部３のＸ−Ｘ断面でのガラスロッド５と金属箔６が示されている。図６（Ｂ）に示すように、封止部３の温度変動によって、金属箔６は厚さ方向に膨張したり（Ａ）、収縮したり（Ｂ）を繰り返す。金属箔６はガラスロッド５と溶着状態にあるので、この収縮時には、ガラスロッド５には引張応力Ｆが作用することになる。この引張応力Ｆはガラスロッド５の両面で作用するので、該ガラスロッド５にはその厚さ方向に引張応力が作用し、ガラスロッド５は厚さ方向に引き剥がされてクラックＫが入り破損に至るものである。

このクラックＫは、図７に示すように、ガラスロッド５の角部５ａに応力集中が起こって、当該角部５ａから軸方向に走るように発生する。そして、この軸方向のクラックＡが、フル・スタンバイ点灯の繰り返しにより徐々に大きく成長していき、遂には封止部の気密シール構造が破れてシール部割れに至ることがある。

このような現象は、特許文献１に示されるようなロングアーク型放電ランプの封止部構造に限らず、図８に示す、ショートアーク型放電ランプにおいても同様に発生する。
図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、ショートアーク型放電ランプ１１は、発光管１２と封止管１３とを有し、発光管１２内の電極１４は、封止管１３内に埋設されたガラスロッド１５の表面に配設された金属箔１６に電気的に接続されている。より詳細には、電極１４の電極軸１４ａに設けられた集電板１７が、ガラスロッド１５の端面に配置され、該集電板１７が金属箔１６に接続されているものである。
この場合も、上記図６で説明したと同様な原理で、ガラスロッド１５に剥離するような半径方向の引張力が働いて、クラックＫが生じることがある。

しかも近年では、ランプの高出力化の要請も高まっており、その要請に応えるべくランプへの高入力を図ろうとすると、大電流に耐えるために金属箔を厚くしなくてはならず、この金属箔の厚さの増大は、上記した熱変化による収縮量が大きくなり、ガラスロッドのクラック発生が頻繁に起こるようになっている。

特開２００６−１３４７１０号公報

この発明が解決しようとする課題は、封止部にガラスロッドを用いた箔構造の封止部を有する放電ランプにおいて、特に、フル・スタンバイ点灯などにより、封止部に熱応力の増減が繰り返し加わっても、ガラスロッドにクラックが入り破損してしまったり、更には、金属箔とガラスロッドが常に密着し箔浮きを生じることのない放電ランプを提供することにある。

上記課題を解決するために、本の発明に係る放電ランプは、発光管両端の封止部内にガラスロッドの表面に金属箔を備えた放電ランプにおいて、前記ガラスロッドを構成するガラス部材の熱膨張係数は、前記封止部を構成するガラス部材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
また、前記封止部は溶融石英ガラスから成り、前記ガラスロッドは合成石英ガラスから成ることを特徴とする。
また、前記ガラスロッドを構成するガラス部材のＯＨ基含有量は、前記封止部を構成するガラス部材のＯＨ基含有量より多いことを特徴とする。

この発明の放電ランプによれば、フル・スタンバイ点灯などにより、ランプの封止部に繰り返しの熱応力変動が負荷されても、熱収縮時に封止部によってガラスロッドに圧縮応力が作用して、ガラスロッドに金属箔による引張応力が作用してもクラックが発生せず破損することがない。
また、金属箔とガラスロッドの密着性が高く、箔が剥がれて箔浮きしてしまうこともない。

本発明の放電ランプの封止部の断面図。 他の実施形態の封止部の断面図。 本発明の具体的実施例。 本発明の効果を表す評価表。 放電ランプの全体断面図。 従来例の封止部でのガラスロッドと金属箔の作用の説明図。 従来例の封止部の不具合を示す部分断面図。 他の従来例の封止部の不具合を示す部分断面図。

図１に示すものは、図５に示したようなロングアーク型放電ランプの封止部３の断面図であって、この例ではガラスロッド５は扁平な４角形状断面であり、その上下面に金属箔６、６が配設されていて、封止部３はシュリンクシールにより封止されている。
そして、前記ガラスロッド５を構成するガラス部材の熱膨張係数（Ｋａ）は、該封止部３を構成するガラス部材の熱膨張係数（Ｋｂ）よりも小さく（Ｋａ＜Ｋｂ）されている。
そのための具体例が図３の表１に示されており、実施例１では、ガラスロッド５は合成石英ガラスからなり、封止部（発光管）３は溶融石英ガラスからなる。

合成石英ガラスと溶融石英ガラスは、製法の違いによりガラスの結晶構造が異なるため、その熱的性質や物理的性質が異なる。具体的には、合成石英ガラスの結晶構造は、溶融石英ガラスの結晶構造よりもより完全なアモルファス構造に近いため、合成石英ガラスの熱膨張係数は、溶融石英ガラスの熱膨脹係数よりも低く、また合成石英ガラスの粘性は、溶融石英ガラスの粘性よりも低い。
そして、一例として、それぞれの熱膨張係数（１／Ｋ）は、図３＜表１＞に表記したように、合成石英ガラスからなるガラスロッド５は４．７×１０^−７で、溶融石英ガラスからなる封止部３は５．９×１０^−７であって、ガラスロッド５の熱膨張係数（Ｋａ）のほうが封止部３側の熱膨張係数（Ｋｂ）よりも小さくなっている。

封止部３とガラスロッド５の熱膨張係数を変化させる手段としては、上記実施例１のように材料そのものを変えるほかに、ガラス部材中のＯＨ基含有量を変えることによっても実現できる。このＯＨ基含有量は、電気炉溶融法、酸水素火炎溶融法、気相合成法などのガラス製法を変えることや、ガラス製造後の熱処理（例えば、真空中で加熱し、脱水処理するなど）により、容易に制御できる。
実施例２および実施例３がその例であって、封止部３とガラスロッド５はともに溶融石英ガラスからなり、そのＯＨ基含有量をそれぞれ表３のように変えたものであって、その結果、それぞれの熱膨張係数が相違している。
つまり、実施例２では、ガラスロッド５のＯＨ基含有量は１５０ｐｐｍで、封止部３の含有量は１ｐｐｍ未満であり、それぞれの熱膨張係数は、５．３×１０^−７と５．９×１０^−７である。
また、実施例３では、ガラスロッド５の含有量は５０ｐｐｍであり、封止部３の含有量は１０ｐｐｍであり、それぞれの熱膨張係数は、５．５×１０^−７と５．７×１０^−７である。
つまり、ガラスロッド５側のＯＨ基含有量を封止部３側のＯＨ基含有量より多くして、ガラスロッド５側の熱膨張係数（Ｋａ）を、封止部３側の熱膨張係数（Ｋｂ）よりも小さくしている。
なお、熱膨張係数の測定はレーザ熱膨脹計を用いて、室温から１０００度までの平均熱膨張係数を測定して調べたものである。

このように、ガラスロッド５と封止部３の熱膨張係数を変化させたので、図１に示すように、封止部３に熱変化が生じた場合、特に、フル点灯からスタンバイ点灯に移行した場合や、点灯から消灯に移行した場合のように、封止部３が加熱状態から冷却されるとき、封止部３の収縮量は、ガラスロッド５の収縮量よりも大きくなる。
ところでこのときに、金属箔６とガラスロッド５との収縮量に相違があって、その結果ガラスロッド５に引張力が働くことは、図６に基づいて前述した通りであるが、上記したように、封止部３の収縮量がガラスロッド５の収縮量よりも大きいので、該ガラスロッド５に対してその周囲から圧縮力Ｍとして作用する。
これにより、前記引張力を打ち消すように作用して、ガラスロッド５が引き剥がされるようにクラックが入ることが防止される。
また同時に、金属箔６がガラスロッド５の表面から浮き上がる箔浮きも防止される。
なお、封止３が加熱されて膨張する時は、金属箔６の熱膨張量がガラスロッド５の熱膨張量よりも大きいので、該ガラスロッド５に引張力が作用することはなく、前記クラックが発生することはない。

これらの実施例１〜３と、封止部とガラスロッドを同種材料で構成した従来例とを、金属箔の厚さを２０μｍ〜５０μｍまで変化させたものをそれぞれ５本ずつ作製して、実験を行った。
＜ランプ仕様＞
ランプ形態：図５に示すロングアーク型放電ランプ
発光管：内径２２ｍｍ、外径２６ｍｍ
電極間距離：５００ｍｍ
電極材料：トリエーテッドタングステン
ガラスロッド：幅６ｍｍ、長さ１６ｍｍ、厚さ１７ｍｍ
Ｍｏ箔（２枚箔）：幅４ｍｍ、長さ２４ｍｍ
＜点灯条件＞
定常点灯（フル点灯）：９ｋＷ
待機点灯（スタンバイ点灯）：４ｋＷ
照射時間：３０秒、待機時間：３０秒、２４時間毎に１回消灯し、再点灯。
箔溶接部温度（概略試算温度）：定常点灯時８５０℃、待機点灯時６００℃

その結果が図４の表２であって、５０００時間点灯後の評価基準として、金属箔断線の有無と、ガラスロッドにクラックが発生したか否かと、該クラックに基づくシール部の割れ（気密封止破れ）が発生したか否かを検証した。その具体的な評価基準は、同図の箔断線とシール部割れの基準の通りである。
金属箔の断線に関しては、当然の帰結として、箔の厚さが増すにつれて断線が起こらず、２５〜３０μｍでは金属箔に変色は見られたものの、断線には至っていない。厚さが３０μｍ以上になると変色も断線も発生していない。
シール部の割れ評価では、従来構造では３０μになるとガラスロッドにクラックの発生が見られ、４０μｍ以上で気密封止が破れてしまったのに対して、実施例１では４５μｍまでは全くクラックの発生がなく、５０μｍでクラックが発生したものの気密封止破れには至っていない。
また、実施例２および実施例３に関しても、同様に従来構造との比較において改善されており、その効果が実証された。

なお、上記においては、図５にみられるような、ロングアーク型放電ランプの封止部について記載してきたが、図８にみられるような、ショートアーク型放電ランプの封止部においても、同様であって、図２にその断面図が示されている。
この実施形態では、封止部１３内には円柱状のガラスロッド１５が配置され、その外周面に金属箔１６が配設されているものであり、これら封止部１３とガラスロッド１５の熱膨張係数の関係は、上記図１のものと同様である。
この場合も、封止部１３が温度降下により収縮する際に、円柱状ガラスロッド１５を、金属箔１６を含めてその周囲から圧縮することになり、該ガラスロッド１５のクラックを防止するものである。
また、図２では、金属箔は２枚のものを示したが、３枚以上であってもよい。

以上のように、封止部内にガラスロッドを有し、該ガラスロッドの表面に金属箔を配設してなる放電ランプにおいて、前記ガラスロッドを構成するガラス部材の熱膨張係数を、該封止部を構成するガラス部材の熱膨張係数よりも小さくしたことにより、封止部が温度降下する際、封止部の収縮量がガラスロッドの収縮量よりも大きくなり、該ガラスロッドを周囲から圧縮するように作用するので、ガラスロッドにクラックが発生することがない。
また、金属箔をガラスロッドに押し付けるように作用して、箔浮きを生じることもない。

１、１１ 放電ランプ
２、１２ 発光管
３、１３ 封止部
４、１４ 電極
５、１５ ガラスロッド
６、１６ 金属箔
７、１７ 保持用筒体
Ｍ 圧縮力
Ａ クラック

Claims (3)

1. 一対の電極が配置された発光管の両端に封止部が形成され、当該封止部内にはガラスロッドが埋設されるとともに、該ガラスロッドの表面に金属箔が配設され、該金属箔が前記電極に電気的に接合されてなる放電ランプにおいて、
   前記ガラスロッドを構成するガラス部材の熱膨張係数は、前記封止部を構成するガラス部材の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする放電ランプ。
2. 前記封止部は溶融石英ガラスから成り、前記ガラスロッドは合成石英ガラスから成ることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記ガラスロッドを構成するガラス部材のＯＨ基含有量は、前記封止部を構成するガラス部材のＯＨ基含有量より多い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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