JP5516458B2

JP5516458B2 - ショートアーク型放電ランプ

Info

Publication number: JP5516458B2
Application number: JP2011045156A
Authority: JP
Inventors: 剛山田; 岳人千賀; 貢中嶋
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: JP2012182059A

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源や映写機のバックライト用光源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る。

ショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く点光源に近いことから、光学系と組み合わせることによって露光装置用若しくは映写機のバックライト用の光源として利用されている。

従来のショートアーク型放電ランプを、図６を用いて説明する。
従来のショートアーク型放電ランプ１は、発光部１１と、その両端に封止部１２を備える発光管１０の内に、タングステン等からなる陰極２１と陽極３１とが互いに向き合うように対向配置されるとともに、内部の発光空間Ｓには水銀、キセノン等の発光物質が封入されている。
上記陰極２１及び陽極３１に連設された電極軸２２、３２が図示しない金属箔を介して封止部１２で封止されている。

近年においては、半導体や液晶パネルの製造工程で用いられる上記ショートアーク型放電ランプにおいては、特開２０００−１８１０７５号公報に見られるように、省電力化のために、常に一定の電力で点灯するのではなく、露光時にのみ定格電力で点灯（通常点灯）させ、基板移動などの待機時には前記定格電力よりも小さな最小限の電力で点灯（待機点灯）させるという点灯方式（以下、フル・スタンバイ点灯という）が採用されている。
例えば、露光時は定格電力で０．１〜１０秒点灯させ、待機時は定格電力よりも小さい待機電力で０．１〜１００秒点灯させるということが繰り返される。

ところで、ランプの点灯・消灯時や、上記のフル・スタンバイ点灯時における入力電力の変更時などには、アークから陽極へ流入する熱流束が変化するため、陽極温度が変化し、陽極に内部応力が発生する。
このとき、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、アークに対面する陽極先端面の中央部５０は、最も温度変化の大きい部分であり、従って熱膨張も大きくなる。これに対して、該中央部５０の周辺にある環状部５１は、前記中央部５０よりも温度変化が少なく、その熱膨張も小さい。
そのため、中央部５０はかかる熱膨張により、その周辺環状部５１から圧縮応力を受けることになり、その結果、先端面から突出するように変形する。

このような突出は、定格点灯時に陽極先端の温度が安定した後も完全には元の形状に戻ることなく残存する。加えて、特にフル・スタンバイ点灯時には、このような変形が繰り返し生じ、突出が蓄積されることにより肥大化していく。
すると、肥大化した突出部に放電が集中することとなって、該突出部が異常過熱され、電極物質が蒸発し発光管内壁に付着して、該発光管内壁が黒化してしまい、急速な照度低下を引き起こすという問題があった。

このような問題を解決するために、特殊な電極構造を採用したショートアーク型放電ランプが開発されている。
このような技術は、特開２０１１−２３１４５号公報に開示されている。

図８を用いて、新たに開発された電極構造を説明する。
図８（Ａ）は陽極の断面図、（Ｂ）は陽極の組立説明図である。
図８において、タングステンからなる陽極３１の先端面３３の中央部分には、該先端面に開口する開口３４が形成されている。そして、該陽極３１とは別体で、陽極３１と同一素材からなる挿入体３５が前記開口３４と整合した形状に成形されていて、この挿入体３５が、緩衝材３６を間に挟むようにして、前記開口３４内に打ち込み等の手段によって圧入・嵌挿されている。

緩衝材３６は、該陽極３１および挿入体３５よりも、同じ温度における降伏応力が小さな金属材料からなり、具体的には、タンタル、モリブデン、ニオブ、またはレニウムなどからなり、この実施例では金属箔であって、前記挿入体３５の外周に巻きつけられて、挿入体３５と共に開口３４内に嵌挿される。

このような陽極３１では、陽極３１の先端中央部とその周辺環状部の間に、陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材３６を介在させたので、フル・スタンバイ点灯時などに、陽極先端部の温度が変化しても、先端中央部の熱変形が緩衝材によって吸収されるので、先端中央部が変形して突出する現象が生じることがなく、その結果、先端中央部が異常過熱されることがなく、発光管の黒化を防止できるものである。

特開２０００−１８１０７５号公報特開２０１１−２３１４５号公報

しかしながら、図８に示す特殊構造の陽極を採用しても、点灯電力の更なる大電力化や、フル・スタンバイ点灯条件の過酷化などによって、新たな問題が生じる場合があることが判明した。
図９で示すように、温度上昇に伴い緩衝材３６が熱膨張し塑性変形していく。この時に、緩衝材３６は挿入体３５と陽極３１先端の周辺環状部３３ａとの間で圧縮力を受けて、軸方向に逃げることになり、陽極３１の先端面３３から突出するという現象が生じることがある。
このように、緩衝材３６が陽極先端から突出してしまうと、その突出端３６ａが過剰に加熱され蒸発してしまい、これが発光管の黒化を招き照度低下を起こすことになるというものである。

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、特に、フル・スタンバイ点灯方式を採用するショートアーク型放電ランプにおいて、陽極先端で生じる熱応力を緩和して、陽極先端の中央部分が変形することを防ぎ、さらに、陽極の開口と挿入体との間に介在する緩衝材が陽極の先端面から突出せず、発光管の黒化を防ぐことができる陽極構造を有するショートアーク型放電ランプを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプは、発光管内に陽極と陰極が対向配置されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介して挿入されており、前記陽極の開口の内表面もしくは前記挿入体の外表面の少なくともいずれか一方に、緩衝材の逃げ溝が形成され、前記開口の開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、１．９×W^０．５≦Φ≦６．２×W^０．５を満足することを特徴とする。

本発明によれば、陽極の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介して挿入されており、陽極の開口の内表面もしくは挿入体の外表面の少なくともいずれか一方に、緩衝材の逃げ溝が形成され、開口の開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、１．９×W^０．５≦Φ≦６．２×W^０．５の条件を満足する構成であれば、緩衝材は、陽極材料よりも降伏応力の小さな金属であるので、緩衝材の膨張分は逃げ溝に侵入して吸収されるので、陽極先端で生じる熱応力を緩和することになり、陽極先端の中央部分が変形することを防止することができる。さらに、開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）が所定の関係を満たすことにより、陽極の開口の内表面部分と挿入体の外表面部分に脆性破壊が起こり、この脆性破壊によって、陽極の開口の内表面部分と挿入体の外表面部分に空隙が生じ、この空隙（所謂、ヒビ）に、緩衝材が逃げ込み、緩衝材が陽極の先端面から突出することも防止することができ、発光管の黒化を防止し、照度低下が起こらないものである。

本発明のショートアーク型放電ランプの電極構造の説明図である。本発明のショートアーク型放電ランプの電極構造の説明図である。本発明の陽極の開口の内表面部分と緩衝材と挿入体の外表面部分の一部拡大断面図である。実験データ説明図である。本発明のショートアーク型放電ランプにおける陽極の開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）とをグラフ化したものである。従来のショートアーク型放電ランプの説明図である。従来のショートアーク型放電ランプの電極の説明図である。従来のショートアーク型放電ランプの電極構造の説明図である。従来のショートアーク型放電ランプの電極構造の説明図である。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプの電極構造の説明図である。
図１（Ａ）は陽極の断面図、（Ｂ）は陽極の組立説明図である。
図において、陽極３１の先端面３３の中央部分には、該先端面３３に開口する開口３４が形成されている。そして、該陽極３１とは別体で、陽極と同一素材からなる挿入体３５が前記開口３４と整合した形状に成形されていて、この挿入体３５が、緩衝材３６を間に挟むようにして、前記開口３４内に打ち込み等の手段によって圧入・嵌挿されている。また、陽極３１、緩衝材３６、および挿入体３５の密着をより強固にするために、拡散接合、放電プラズマ接合、摩擦圧接、焼き嵌め等の方法を用いてもよい。

具体的には、タングステンからなる陽極３１の先端面の開口３４に、同じタングステンからなる挿入体３５が挿入されるものであり、該開口３４および挿入体３５は該挿入体３５を圧入し易くするために、若干の先細のテーパ状とされるのがよい。
緩衝材３６は、該陽極３１および挿入体３５よりも、同じ温度における降伏応力が小さな金属材料からなり、具体的には、タンタル、モリブデン、ニオブ、またはレニウムなどからなり、この実施例では金属箔であって、前記挿入体３５の外周に巻きつけられて、挿入体３５と共に開口３４内に嵌挿される。

そして、挿入体３５の外周面には周方向に延在する緩衝材の逃げ溝４０が刻設されている。該逃げ溝４０は１本ずつの独立した円周溝であっても、螺旋状に取り巻く螺旋溝であってもよく、或いは、電極軸方向に延在する複数の直線溝、ドット状の凹部のいずれであっても良い。

図１では、逃げ溝４０は、挿入体３５の外表面に深さ２００μｍ、ピッチ２００μｍで形成され、緩衝材３６は厚さ２５μｍのタンタル箔であり、挿入体３５の電極軸方向の長さは１０ｍｍである。
上記実施例では、挿入体３５に逃げ溝４０を設けたが、図２に示すものでは、陽極３１の開口３４の内表面に逃げ溝４１を刻設したものである。

なお、上記逃げ溝４０、４１は、それぞれ挿入体３５の外表面か陽極３１の開口３４の内表面に刻設形成するものを記載したが、その両者に形成してもよい。
また、その逃げ溝の成形に当たっては、挿入体３５の外表面の逃げ溝の場合は、例えば、旋盤による切削加工やレーザー加工等によって形成することができるし、陽極３１の開口３４の内表面の逃げ溝の場合は、例えば、旋盤による切削加工等によって形成することができる。
そして、逃げ溝の断面形状は三角形、台形、円形の一部、またはこれらの組み合わせのいずれでも良い。

また、図１に示すように、陽極３１の開口３４の開口径Φとは、開口の形状が真円の場合は、中心点を通る円の直径が開口径に該当し、開口の形状が真円ではなく多少変形している場合は、開口の縁と縁を結んだ線が最長となる部分を開口径Φと規定する。

上記構成の陽極によれば、ランプ点灯中、以下のような現象が発生する。
図１に示す陽極の場合、ランプ点灯中、陽極３１の温度が上昇すると、緩衝材３６も熱膨張し、緩衝材３６は、陽極３１の材料よりも降伏応力の小さな金属であるので、その膨張分は挿入体３５の外周面の逃げ溝４０内に侵入して吸収される。
そして、陽極３１の開口３４の開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ＫＷ）との関係によっては、陽極３１の開口３４の内表面部分と挿入体３５の外表面部分に脆性破壊が生じることがある。

図３は、陽極の開口の内表面部分と緩衝材と挿入体の外表面部分の一部拡大断面図である。
点灯電力が大電力化したり、フル・スタンバイ点灯条件が過酷化すると、陽極３１と挿入体３５の双方の熱膨張が大きくなり、緩衝材３６の膨張分が逃げ溝によって吸収しきれなくなるという問題が発生するが、陽極３１の開口３４の開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）との関係によっては、陽極３１の開口３４の内表面部分３４ａと、挿入体３５の外表面部分３５ａに脆性破壊が起こり、空隙Ｋが生じる。
この空隙Ｋを積極的に利用し、この空隙Ｋに、緩衝材３６が逃げ込むようにすることにより、緩衝材３６が陽極３１の先端面から突出しないようにするものである。

平均入力電力Ｗ（ｋＷ）とは、フル・スタンバイ点灯サイクル周期をＴ０とし、１回の点灯サイクル周期内の時刻Ｔにおける入力電力をＡとした場合に、下記の式１によって導き出される値である。

次に、定格電力とフル・スタンバイ点灯条件が異なる５つのショートアーク型放電ランプを用いて、陽極の開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）との関係において、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分における脆性破壊による空隙の発生状況と、７５０時間点灯後の３６５ｎｍの紫外線照度維持率を測定した実験を行った。

実験条件と実験結果を図４に示す。
ランプ１〜５のグループは、それぞれのクループ間で平均入力電力が異なっている。
また、ランプ１〜５のそれぞれのグループ内では、複数のランプが存在し、それぞれのランプは陽極に形成した開口径が異なるものであり、各ランプグループ内には、陽極の先端面に開口がない従来の陽極構造を有する比較ランプも存在している。

ランプ１〜５のグループでは、それぞれのグループ内において、開口径が大きくなると、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。

ランプ１グループでは、平均入力電力は１．８０ｋＷであり、このグループ内では、開口径が２．５ｍｍ以上であれば、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。
つまり、ランプ１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅでは、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ１Ｆの紫外線照度維持率より十分に高い９０％以上を得ることができる。

ランプ２グループでは、平均入力電力は２．５５ｋＷであり、このグループ内では、開口径が３ｍｍ以上であれば、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。
つまり、ランプ２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆでは、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ２Ｈの紫外線照度維持率より十分に高い９０％以上を得ることができる。
しかしながら、ランプ２Ｇは開口径が１０ｍｍであり、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するが、紫外線照度維持率が８７％であり、発光管の黒化防止の効果が小さく、これ以上開口を大きくしても、顕著な効果が得られないものである。

ランプ３グループでは、平均入力電力は３．００ｋＷであり、このグループ内では、開口径が３ｍｍ以上であれば、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。
つまり、ランプ３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅでは、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ３Ｆの紫外線照度維持率より十分に高い９０％以上を得ることができる。

ランプ４グループでは、平均入力電力は１３．３ｋＷであり、このグループ内では、開口径が７ｍｍ以上であれば、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。
つまり、ランプ４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅでは、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ４Ｆの紫外線照度維持率より十分に高い９０％以上を得ることができる。

ランプ５グループでは、平均入力電力は１６．１ｋＷであり、このグループ内では、開口径が８ｍｍ以上であれば、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するものである。
つまり、ランプ５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅでは、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ５Ｈの紫外線照度維持率より十分に高い９０％以上を得ることができる。
また、ランプ５Ｆでも、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生し、この空隙に、緩衝材が逃げ込むものであり、緩衝材が陽極の先端面から突出せず、比較ランプ５Ｈの紫外線照度維持率７７％より十分に高い８６％を得ることができる。
しかしながら、ランプ５Ｇは開口径が２５ｍｍであり、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生するが、紫外線照度維持率が８０％であり、発光管の黒化防止の効果が小さく、これ以上開口を大きくしても、顕著な効果が得られないものである。

このように、ランプグループ１、２、３、４、５の結果から、陽極の開口径（ｍｍ）には下限値が存在することが分る。
また、ランプグループ２、５の結果から、陽極の開口径（ｍｍ）には上限値が存在することが分る。

開口径が大きくなると、挿入体３５内部の温度分布によって生じる熱応力が大きくなり、挿入体３５先端の突出変形が起こり易くなり、照度維持率が低下するものである。

次に、陽極の開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）との関係をグラフ化して、関係式を求めた。
図５は、横軸が平均入力電力Ｗ（ｋＷ）、縦軸が開口径Φ（ｍｍ）である。
ランプグループ１〜５において、陽極の開口の内表面部分、又は、挿入体の外表面部分に空隙が発生したランプの最も開口径が小さい場合をプロットし、具体的には、ランプ１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂの平均入力電力値と開口径をプロットした。開口径Φ（ｍｍ）は平均入力電力Ｗ（ｋＷ）の０．５乗に比例しており、これらのプロット点を最小２乗法を用いて近似曲線を引いたものがグラフ１である。
グラフ１は、開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、Φ＝１．９×W^０．５である。

次に、ランプグループ２，５において、紫外線照度維持率が高く、顕著な効果が生じるランプの最も開口径が大きい場合をプロットし、具体的には、ランプ２Ｇ、ランプ５Ｇの平均入力電力値と開口径をプロットした。開口径Φ（ｍｍ）は平均入力電力Ｗ（ｋＷ）の０．５乗に比例しており、これらのプロット点を最小２乗法を用いて近似曲線を引いたものがグラフ２である。
グラフ２は、開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、Φ＝６．２×W^０．５である。

つまり、図５に示すように、陽極の開口の開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、１．９×W^０．５≦Φ≦６．２×W^０．５を満足することにより、陽極の先端中央部の開口と挿入体との間に配置された緩衝材は、陽極の開口の内表面もしくは挿入体の外表面の少なくともいずれか一方に形成された逃げ溝に、その膨張分が侵入して吸収されるので、陽極先端で生じる熱応力を緩和することができ、陽極先端の中央部分が変形することを防止することができる。さらに、開口径Φ（ｍｍ）と平均入力電力Ｗ（ｋＷ）が上記の関係を満たすことにより、陽極の開口の内表面部分と挿入体の外表面部分に脆性破壊が起こり、この脆性破壊によって、陽極の開口の内表面部分と挿入体の外表面部分に空隙が生じ、この空隙に、緩衝材が逃げ込み、緩衝材が陽極の先端面から突出することも防止することができ、発光管の黒化を防止し、高い紫外線照度維持率を保つことができる。

１ショートアーク型放電ランプ
１１発光部
１２封止部
３１陽極
３３陽極の先端面
３４開口
３５挿入体
３６緩衝材
４０逃げ溝
４１逃げ溝

Claims

発光管内に陽極と陰極が対向配置されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介して挿入されており、
前記陽極の開口の内表面もしくは前記挿入体の外表面の少なくともいずれか一方に、緩衝材の逃げ溝が形成され、
前記開口の開口径をΦ（ｍｍ）、放電ランプへの平均入力電力をＷ（ｋＷ）とすると、
１．９×W^０．５≦Φ≦６．２×W^０．５
を満足することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。