JP5720756B2 - ダブルエンド型ショートアークフラッシュランプ - Google Patents

Description

この発明はダブルエンド型ショートアークフラッシュランプに関するものであり、特に、一方の封止管部分が二重管構造とされたダブルエンド型ショートアークフラッシュランプに係わるものである。

フラッシュ点灯を行う放電灯は、半導体製造工程におけるフラッシュアニールをはじめとした産業用途に広く用いられていて、本発明のランプは、特に真空紫外光を用いた露光工程に使用されるものである。
上記露光工程においては、小領域に高密度な光を短時間で照射でき、光の方向性や分布にムラが比較的少ない、平行光に近い光を使用することが求められる。
これまでに、同露光工程においては、特開２０１２−４３７３６号公報（特許文献１）に示されるような、真空管形状のフラッシュランプが主に使用されている。同ランプは、主電極間距離が一般的なフラッシュ点灯を行うランプと比べて小さく、点光源に近い光源として扱うことができる。

しかしながら、真空管構造を有するために、片側の端部に両主電極およびトリガ電極（始動用補助電極）を封じる必要があり、装置、電源への接続部（口金）を円柱状の構造とする場合、特に外径寸法が大きくなってしまう。このため、リフレクタなどを有する光学系内部に同ランプを用いる場合、口金構造などに起因する遮光領域が大きくなり、結果として、光学系からの光出力が低下する問題があった。

これらの問題に対し、特開２０１２−９４３６２号公報（特許文献２）では、ランプバルブの両側に封止部を配置する、いわゆるダブルシール型構造を用いることで、前述した遮光領域を小さくする技術が示されている。
図３に示すように、ダブルエンド型ショートアークフラッシュランプにおいて、発光管１の両端に第１封止管２と第２封止管３が連設されている。そして、前記第２封止管３には封止用ガラス管４が挿入されていて、両者は溶着されている。
発光管１内には一対の第１の主電極（陽極）５と第２の主電極（陰極）６とが対向配置されている。前記陽極５は、その芯線７が第１封止管２に段継ガラスなどの手段により支持・封止されてその外方に導出されており、一方、前記陰極６は、その芯線８が前記封止用ガラス管４に段継ガラスなどの手段により支持・封止されてその外方に導出されている。
発光管１内の陽極５と陰極６の間には、一対の始動補助電極１０、１１が配設されていて、それぞれの内部リード１２、１５と外部リード１３、１６とが、前記第２封止管３と封止用ガラス管４との間の溶着領域において、金属箔１４、１７を介して電気的に接続されている。

このようなダブルエンド型ショートアークフラッシュランプによると、ランプバルブの両端部に封止部を配置することで、前述した遮光領域を小さくすることができるものとされている。

ところで、陰極から陽極に向かって電子が放出される、直流型の連続点灯されるショートアーク型のランプでは、一般的には、電子を受ける陽極の温度の方が、陰極の温度よりも上昇することが常である。そのため、陰極よりも陽極の方が大型に形成されている。

しかしながら、図３に示されるようなダブルエンド型ショートアークフラッシュランプでは、極めて短い時間でパルス点灯を行うものであるので、点灯試験を行うと陰極の温度の方が陽極の温度よりも上昇するという、今までとは逆の結果が得られた。その理由は、以下のように推測される。
ダブルエンド型ショートアークフラッシュランプでは、電子は陰極の先端のきわめて狭い領域から放出されるため、先端部分の電流密度が極端に高くなり、先端部分が著しく温度が上昇する。
陰極には電子放射機能をつかさどるエミッタが含有されているが、上記のように、陰極先端部分の温度が高くなりすぎるとエミッタが短時間で枯渇してしまい、ランプが点灯しなくなるという問題があった。

一方、陽極は電子を受ける面積が先端に限定されずに全体に受けることになり、その分だけ先端部分の電流密度が低くなるし、通常の連続点灯するランプと違って、間欠点灯するフラッシュランプでは、陽極が放出電子を受け続けるわけではないから、温度上昇もそれほどではない。
つまり、フラッシュランプでは陽極の方が熱的影響を受けることが小さく、陰極の方の熱的影響を考慮する必要があることになる。

特開２０１２−４３７３６号公報 特開２０１２−９４３６２号公報

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、ガラス製の発光管の内部に、陽極と陰極とからなる一対の主電極と、一対の始動補助電極とが配置され、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、前記第１封止管には、前記主電極の一方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、前記主電極の他方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなるダブルエンド型ショートアークフラッシュランプにおいて、陰極の極度の温度上昇を抑制して、該陰極に含有されたエミッタの早期の枯渇を防止して、陰極が長時間に渡って適正に機能して、発光回数が多く続く構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るダブルエンド型ショートアークフラッシュランプは、前記封止管内に配置された前記陰極には、エミッタが含有されるとともに、該陰極の体積が前記陽極の体積よりも大きいことを特徴とする。
また、前記陰極の最大外径が、前記陽極の最大外径よりも大きいことを特徴とする。
また、前記陰極と前記陽極は、円柱状の本体部と、円錐状の先端部で構成されていることを特徴とする。
また、前記始動用補助電極は、先端が前記陽極と前記陰極の間に位置し、当該始動補助電極に接続されて前記陰極側に延在する内部リードが、前記陰極の周側面において、前記発光管側に膨出変位していることを特徴とする。

この発明のダブルエンド型ショートアークフラッシュランプによれば、陰極の体積を陽極の体積よりも大きくしたことにより、当該陰極の温度、特に、その先端部分の温度が高くなりすぎることがなく、含有されたエミッタが早期に枯渇することがなく、長期に安定的な点灯がもたらされるという効果を奏する。
また、陰極の最大外径を陽極の最大外径よりも大きくすることで、陰極の体積を陽極の体積よりも大きくしたので、陰極先端部分からの熱が後方側に伝達されやすく、熱拡散が活発となって、その温度上昇が抑制される。
また、始動補助電極の内部リードを陰極の周側面において、発光管側に膨出変位させる形状としたので、大型化した陰極との干渉を避けつつ、第２封止部の大径化を回避することができ、遮光領域を減少させることができる。

本発明のダブルエンド型ショートアークフラッシュランプの断面図 他の実施例の断面図 従来のダブルエンド型ショートアークフラッシュランプの断面図

図１は本発明のダブルエンド型ショートアークフラッシュランプの全体の断面図である。
図1に示されるように、発光管1内に配置された一対の主電極を構成する陽極５と陰極６の内、陰極６の体積が陽極５の体積よりも大きく形成されている。
その具体的な一数値例を記載すると以下の通りである。
陰極６：直径φ６ｍｍ 体積１００．８ｍｍ^３、
陽極５：直径φ５ｍｍ 体積 ９０．４ｍｍ^３
この陰極６には、エミッタとして、例えば酸化トリウムが含有されている。
なお、その他の構成は、図３に記載した従来例のものと同様である。

そして、この例では、始動補助電極１０、１１の内部リード１２、１５は、陰極６側に延在して、二重管構造とされた第２封止管３と封止用ガラス管４の間に導かれ、その間で封止されているものとして説明されている。
しかしながら、始動補助電極１０、１１の内部リード１２、１５は陰極６側に延在するとは限られず、反対側の陽極５側に導かれるものであってもよく、その場合は、第1封止管側で封止用ガラス管との二重管構造とされる。

また、陽極５および陰極６は、それぞれ円柱状の本体部と円錐状の先端部から構成されている。
点灯時の陰極からの電子放出は、熱電子放出によるものである。単位面積あたりで陰極から放出可能な熱電子の放出量は、その上限値が陰極の動作温度および仕事関数の大小によって定まるが、この他に、ショットキー効果もその量を支配する要因である。
ショットキー効果とは、陰極表面に作用する電場により、陰極からの熱電子放出に必要なエネルギー量が変化する現象であり、本発明の陰極のように先端を尖らせた形状とする場合、同先端部に電界集中が起こり、陰極先端付近からの熱電子放出可能量がその他の部分よりも大きくでき、結果として、陰極先端からほとんどの熱電子放出が起こるため、点灯時の放電位置を安定させることができる。

また、陰極から陽極に至るアーク放電は、電位勾配がもっとも高い経路の周りに発生することが一般的に知られている。電位勾配は、考えている経路の両端電位差を経路長で割ったもので表され、この量は両端電場値の差に相当する。
本発明のランプでこの現象を考えると、陰極の説明で述べたように、先端を尖らせた電極は、陰極、陽極ともに先端付近に電界集中が発生する。したがって、両電極先端間の電場の差が周囲よりも大きくなり、陽極と陰極先端の周りに放電路が形成される。本発明のランプはフラッシュ点灯により動作するので、放電形状が不安定になりやすく、放電路を通常の放電ランプよりも安定させる必要がある。したがって、陽極先端を尖らせ、放電路を安定させる工夫をしているものである。

図２に他の実施例が示されていて、始動補助電極１０、１１に接続された内部リード１２、１５が、陰極６側に延在するものであって、その陰極６の周側面において、発光管1側に膨れるように変位した膨出変形部１２ａ、１５ａが形成されている。そして、その後端は管軸中心側にすぼめられている。
この構成により、内部リード１２、１５は、膨出変形部１２ａ、１５ａのために体積の大きくなった陰極６に干渉することなく、また、第２封止管３に導かれたところですぼめられていることで、第２封止管３の径を小さくすることができる。これにより、遮光領域を小さくして、照度を向上させることができる。
この実施例においては、始動補助電極１０、１１は高融点で高熱に耐えうるタングステンを用い、内部リード１２、１５には、室温で塑性変形しやすく加工性に優れたモリブデンを用いることによって、耐久性と加工性を両立させることができる。

以上説明したように、本発明に係るダブルエンド型ショートアークフラッシランプでは、フラッシュ点灯する際に温度上昇しやすい陰極の体積を、陽極の体積よりも大きくしたことにより、陰極の温度上昇を抑制して、含有されたエミッタの早期の枯渇を防止することができて、長期に亘る安定した点灯が維持できる。

１ 発光管
２ 第１封止管
３ 第２封止管
４ 封止用ガラス管
５ 主電極（陽極）
６ 主電極（陰極）
７ 陽極の芯線
８ 陰極の芯線
１０、１１ 始動補助電極
１２、１５ 内部リード
１３、１７ 外部リード
１４、１５ 金属箔
１２ａ 膨出変形部
１５ａ 膨出変形部

Claims (2)

1. ガラス製の発光管の内部に、陽極と陰極とからなる一対の主電極と、一対の始動補助電極とが配置され、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、
   前記第１封止管には、前記主電極の一方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、
   前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、前記主電極の他方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなるダブルエンド型ショートアークフラッシュランプにおいて、
   前記陰極には、エミッタが含有されるとともに、該陰極の体積が前記陽極の体積よりも大きく、
   前記陰極と前記陽極は、円柱状の本体部と、円錐状の先端部で構成されていることを特徴とするダブルエンド型ショートアークフラッシュランプ。
2. ガラス製の発光管の内部に、陽極と陰極とからなる一対の主電極と、一対の始動補助電極とが配置され、当該発光管の両端に第１封止管と第２封止管とを備え、
   前記第１封止管には、前記主電極の一方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出され、
   前記第２封止管には、その内部に挿入された封止用ガラス管が溶着され、該封止用ガラス管には、前記主電極の他方の主電極の芯線が封止されて発光管外に導出されてなるダブルエンド型ショートアークフラッシュランプにおいて、
   前記陰極には、エミッタが含有されるとともに、該陰極の体積が前記陽極の体積よりも大きく、
   前記始動用補助電極は、先端が前記陽極と前記陰極の間に位置し、当該始動補助電極に接続されて前記一方の主電極側に延在する内部リードが、前記一方の主電極の周側面において、前記発光管側に膨出変位していることを特徴とするダブルエンド型ショートアークフラッシュランプ。
   

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