JP5800190B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、半導体や液晶、プリント回路基板などの露光装置等に用いられるショートアーク型放電ランプに関する。 The present invention relates to a short arc type discharge lamp used for an exposure apparatus such as a semiconductor, a liquid crystal, and a printed circuit board.
高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ及びセラミックメタルハライドランプのような高輝度放電ランプ(HIDランプ:High Intensity Discharge Lamp)は、電極間の放電を利用して発光する。このため、高輝度放電ランプは、白熱電球と比べて、光束が大きく大規模な空間の照明に適し、エネルギー効率が良いといった種々の特徴を備えている。 High-intensity discharge lamps (HID lamps) such as high-pressure mercury lamps, high-pressure sodium lamps, metal halide lamps, and ceramic metal halide lamps emit light using discharge between electrodes. For this reason, the high-intensity discharge lamp has various features such that it is suitable for lighting a large space with a large luminous flux and has high energy efficiency compared to an incandescent lamp.
特に、アーク長が短く高輝度の光を放射するショートアーク型放電ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源のような光応用分野の光源として利用されており、発光波長として365nmの発光強度を高めたi線ランプや436nmの発光強度を高めたg線ランプが知られている。 In particular, short arc discharge lamps with short arc length that emit high-intensity light are used as light sources in light application fields such as light sources for exposure in the manufacturing process of semiconductors, liquid crystals, printed circuit boards, etc. For example, an i-line lamp having an increased emission intensity of 365 nm and a g-line lamp having an increased emission intensity of 436 nm are known.
ショートアーク型放電ランプの多くは、石英製の発光管封体の中央が球形状で、両端が細く絞られていて管形状に形成されている。中央の球形状の部分の内部には陰極及び陽極が対向して配置され、細く絞られたガラス管内には封止部を介して電極マウントが固定されている。陰極及び陽極の電極芯棒はそれを経由して外部のリード線に接続されている。 In many of the short arc type discharge lamps, the center of the arc tube envelope made of quartz is spherical, and both ends are narrowed and formed into a tube shape. A cathode and an anode are opposed to each other inside the central spherical portion, and an electrode mount is fixed in a narrowed glass tube via a sealing portion. The electrode core rod of the cathode and the anode is connected to an external lead wire through it.
特に、半導体露光装置に用いられるショートアーク型放電ランプは、露光工程で、長時間にわたり、高輝度を維持することや安定した発光効率を維持することが求められている。このため、ショートアーク型放電ランプは、直流点灯方式で投入電力が大きく、点灯時にはランプ内の温度と圧力とがかなり高くなる。また、ランプを高照度化するための一方法として、より多くの水銀や希ガスを封入して紫外域のランプ発光効率が高められている。このため、電極芯棒を支持する電極マウントが溶着されたシール管において、点灯時に、特に、電極マウントの端部が接する部分と集電円板が接する部分を起点として破裂が発生する可能性が高い。 In particular, a short arc type discharge lamp used in a semiconductor exposure apparatus is required to maintain high luminance and maintain stable light emission efficiency over a long period of time in an exposure process. For this reason, the short arc type discharge lamp has a large input power in the direct current lighting method, and the temperature and pressure in the lamp become considerably high at the time of lighting. Further, as one method for increasing the illuminance of the lamp, more mercury or rare gas is enclosed to increase the lamp luminous efficiency in the ultraviolet region. For this reason, in a sealed tube to which an electrode mount that supports an electrode core is welded, there is a possibility that a burst may occur at the time of lighting, particularly starting from a portion where the end of the electrode mount contacts and a portion where the current collecting disk contacts. high.
中でも、液晶・プリント基板露光装置に用いられるショートアーク型放電ランプにおいては、電圧、照度などの諸特性を満たすため、水銀を多く発光管内に封入する必要がある。そのため、ランプが点灯した際には、ランプ内の温度が800Kから1200Kで、内部圧力が2.0MPaから3.5MPaになるものもあり、ランプ容器の強度にばらつきがあったり、又は上記以外の部分の強度が不足していたりすると、その強度が不足している部分からランプ容器の破裂に至ることがある。 Among them, in a short arc type discharge lamp used for a liquid crystal / print board exposure apparatus, it is necessary to enclose a large amount of mercury in the arc tube in order to satisfy various characteristics such as voltage and illuminance. Therefore, when the lamp is turned on, there are some lamps whose temperature in the lamp is 800K to 1200K and whose internal pressure is 2.0MPa to 3.5MPa. If the strength of the portion is insufficient, the lamp vessel may be ruptured from the portion where the strength is insufficient.
シール管の肉厚を厚くすることで点灯時圧力(応力)に耐え得るようにすることが考えられるが、破裂の起点となり得る部分、つまり、溶着部の外径部分及び集電円板の接する部分のみの肉厚を厚くするだけでは、点灯中の水銀や封入ガスの内部圧力(応力)、熱応力、紫外線によるガラスの構造劣化、溶着部の端面形状による応力集中(例えば、二種以上のガラス同士の溶着点が鋭角になる程応力が1点に集中すること)などの蓄積により、点灯中に破裂を回避することは困難である。 Although it is conceivable to increase the thickness of the seal tube so that it can withstand the pressure (stress) at the time of lighting, the part that can be the starting point of the rupture, that is, the outer diameter part of the welded part and the current collector disk contact Only by increasing the thickness of only the part, the internal pressure (stress) of the mercury or sealed gas during lighting, thermal stress, structural deterioration of the glass due to ultraviolet rays, stress concentration due to the end face shape of the welded part (for example, two or more types) It is difficult to avoid rupture during lighting due to accumulation such as that the stress is concentrated at one point as the welding point between the glass becomes sharper.
また、露光用水銀ランプは露光装置の高価な光学系に組み込んで使用されるため、ランプの破裂に伴い、その高価な光学系を破損することになり、また、ランプ内には水銀が封入されていてランプの破裂により水銀が外部に飛散することになるため、ランプの破裂の回避が強く要望されている。 In addition, since the exposure mercury lamp is used by being incorporated in the expensive optical system of the exposure apparatus, the expensive optical system will be damaged when the lamp ruptures, and mercury is enclosed in the lamp. In this case, mercury is scattered to the outside due to the rupture of the lamp. Therefore, there is a strong demand for avoiding the rupture of the lamp.
特許文献1では、内側金属リングの外径と円板箔の外径との差を考慮すること、又は、内側金属リングと封止管の肉厚との比と点灯時の発光管内の圧力とを考慮することによって封止管の破裂を防ぐことが図られており、ランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。
In
特許文献2では、シール用ガラス部材の凹部の深さ及び全長との関係からランプの破裂防止をしようとするもので、この文献もランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。
In
また、特許文献3では、特に、封止用ガラス体及び枝管部のガラス管のそれぞれの肉厚を考慮することによってシール部の破断や枝管部の折れ等を防ごうとするもので、この文献もランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。
Further, in
以上の観点から、上記の特許文献によってランプの破裂の危険性が低くなったとはいえ、ランプの破裂の起点となる個所をより確実に把握しそれらを適切に改良することによって、より確実にランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。 From the above viewpoints, although the above-mentioned patent document has reduced the risk of lamp bursting, it is possible to more reliably grasp the location of the starting point of the lamp burst and improve them appropriately to ensure more reliable lamp ramping. There is a need to reduce the risk of explosion.
また、上記の特許文献とは異なる態様によってランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。 Further, there is a demand for reducing the risk of lamp explosion by a mode different from the above-mentioned patent document.
さらに、より簡易な構造によって確実にランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。 Furthermore, there is a demand for reliably reducing the risk of lamp explosion with a simpler structure.
そして、いずれの文献でも、シール管の石英ガラス中に含まれるOH基濃度によってシール管の紫外線による劣化による機械的強度の低下は考慮していない。 In any of the documents, a decrease in mechanical strength due to deterioration of the seal tube due to ultraviolet rays due to the OH group concentration contained in the quartz glass of the seal tube is not considered.
そこで、本発明は、従来に比べて、異なる態様により、簡易な構造によって、より確実にランプ破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a short arc type discharge lamp that reduces the risk of lamp burst more reliably and with a simple structure by using a different mode as compared with the prior art.
上記の課題に鑑み、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、球状部と、該球状部の両端に該球状部の中心を通る軸線に沿って対向して配置した2つのシール管部とを備える発光管封体と、前記球状部の内部に、所定距離離隔させて対向して配置した陰極及び陽極と、該陰極及び陽極からそれぞれ前記2つのシール管部まで延在する電極芯棒とを備え、各シール管部の内側に、第1のシール部材、第1の集電円板、第2のシール部材、第2の集電円板及び第3のシール部材が、該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部から離れる方向に連続して配置され、各シール管部の外側端部に口金が固定され、前記第1の集電円板と前記第2の集電円板とが前記第2のシール部材の外周面上に配置された電気的接続箔によって電気的に接続され、
各シール管部内において、1つの前記電極芯棒が、前記第1のシール部材を該シール管部の中心軸線方向に沿って貫通してそれに保持されるとともに前記第1の集電円板に電気的に接続され、また、外部の電源に接続されるリード線が、前記口金を通って該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部に向かって前記第3のシール部材及び前記第2の集電円板を貫通してそれらに保持されるとともに該第2の集電円板に電気的に接続される、2kWから30kWのランプ電力のショートアーク型放電ランプであり、前記シール管部の前記第1の集電円板円盤を囲繞する部分の厚さを肉厚t1、前記シール管部の前記第2の集電円板を囲繞する部分の厚さを肉厚t2とし、前記シール管部において肉厚が徐々に変化する部分の長さをL1とすると、3.0(mm)≦t1≦8.0(mm)のシール部の肉厚があり、更に、t2≦t1の構造を持つショートアーク型放電ランプにおいて、1.5(mm)≦t2≦4.0(mm)、0.5(mm)≦t1−t2≦3.0(mm)、0.5≦t2/t1<1、かつ2≦L1であることを特徴とする。
In view of the above problems, a short arc type discharge lamp according to the present invention includes a spherical portion and two seal tube portions disposed at opposite ends of the spherical portion along an axis passing through the center of the spherical portion. An arc tube sealing body, a cathode and an anode disposed facing each other at a predetermined distance inside the spherical portion, and an electrode core rod extending from the cathode and the anode to the two seal tube portions, respectively. A first sealing member, a first current collecting disk, a second sealing member, a second current collecting disk, and a third sealing member are provided on the inner side of each sealing tube part. The first current collecting disc and the second current collecting disc are arranged continuously in a direction away from the spherical portion along the central axis direction, a base is fixed to an outer end portion of each seal tube portion, and the first current collecting disc and the second current collecting disc Are electrically connected by an electrical connection foil disposed on the outer peripheral surface of the second seal member. It is,
Within each seal tube portion, one electrode core rod penetrates the first seal member along the direction of the central axis of the seal tube portion and is held therein, and is electrically connected to the first current collecting disk. Lead wires connected to an external power source through the base toward the spherical portion along the central axis direction of the seal tube portion and the second seal member. A short arc type discharge lamp having a lamp power of 2 kW to 30 kW, which is passed through and held by the current collecting discs and is electrically connected to the second current collecting disc, and the seal tube portion The thickness of the portion surrounding the first current collecting disk is a thickness t1, and the thickness of the portion surrounding the second current collecting disk of the seal tube is the thickness t2. Let L1 be the length of the pipe where the wall thickness gradually changes. In a short arc type discharge lamp having a structure of 3.0 (mm) ≦ t1 ≦ 8.0 (mm) and having a structure of t2 ≦ t1, 1.5 (mm) ≦ t2 ≦ 4.0 (mm), 0.5 (mm) ≦ t1−t2 ≦ 3.0 (mm), 0.5 ≦ t2 / t1 <1, and 2 ≦ L1.
そのショートアーク型放電ランプにおいては、ランプ点灯時に前記発光管封体の前記球状部内の圧力が1.0MPaから3.5MPaである。 In the short arc type discharge lamp, the pressure in the spherical portion of the arc tube envelope is 1.0 MPa to 3.5 MPa when the lamp is turned on.
また、そのショートアーク型放電ランプにおいては、前記第2のシール部材の直径が16mmから35mmである。 In the short arc discharge lamp, the diameter of the second seal member is 16 mm to 35 mm.
そのショートアーク型放電ランプにおいて、該ショートアーク型放電ランプのランプ電力は、2kWから36kWの範囲にあってもよい。 In the short arc type discharge lamp, the lamp power of the short arc type discharge lamp may be in the range of 2 kW to 36 kW.
本発明によると、ランプの破裂の起点となる個所をより確実に把握してそれらを適切に改良することによって、より確実にランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a short arc type discharge lamp that more reliably reduces the risk of lamp burst by more reliably grasping the starting point of the lamp burst and appropriately improving them. it can.
また、本発明によると、新たな態様によってランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to provide a short arc type discharge lamp that reduces the risk of lamp rupture according to a new aspect.
さらに、本発明によると、より簡易な方法によって確実にランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a short arc type discharge lamp that reliably reduces the risk of lamp explosion by a simpler method.
以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。 Hereinafter, a short arc type discharge lamp according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, the thickness, length, shape, spacing between members, gaps, and the like of each member are appropriately enlarged, reduced, deformed, simplified, etc. for easy understanding. In the description of the figure, the vertical and horizontal expressions represent directions along the plane of the drawing in a state where the figure is placed in the vertical plane.
[ショートアーク型放電ランプの概略構造]
図1は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプ10の概略構造を示すための簡略化した一部断面図である。ここでは、例えば、ショートアーク型放電ランプ10は2kWから25kWのランプ電力を有するものや、室温(25℃)で、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも1種類の希ガスを0.05MPaから0.4MPa封入し、発光空間の全容積に対する水銀密度が、5mg/ccから60mg/ccのランプであり、点灯時の平均ガス温度が800Kから1200Kにおいて、点灯時の圧力が1MPaを超えるものでもよい。本実施形態では、例えば、ショートアーク型放電ランプ10はランプ電力が12kWで、点灯時圧力が2MPaを超えるものとする。耐圧強度は3.5MPaが望ましい。
[Schematic structure of short arc discharge lamp]
FIG. 1 is a simplified partial cross-sectional view for illustrating a schematic structure of a short arc
ショートアーク型放電ランプ10は、313nmと365nmと436nmの発光波長の光を強く放射するランプであり、球状部とその中心を通る軸線に沿って対向した2つのシール管部7とからなる発光管封体1を備える。球状部の内部には、陽極2及び陰極3が対向して配置され、対向した2つのシール管部7には、それぞれ、発光管封体1の内部と外気とを遮断するために電極マウント9が固定されている。陽極2と陰極3との先端部間の距離は、3〜30mmの範囲内の例えば10mmである。
The short arc
詳しくは後述するが、電極マウント9の球状部側の端部には、陽極2及び陰極3に接続された電極芯棒5が固定され、反対側の端部には、外部の電源に接続されたリード線と接続するためのリード棒6が連結されている。このように電極マウント9は、電極芯棒5及びリード棒6を保持するとともに、外気と発光管封体1との間を遮断するように気密に封じる。
As will be described in detail later, an
電極芯棒5には、発光管封体1の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材11が取り付けられている。
A
また、ランプの製造時に、図1のチップオフ4の位置に取り付けられていた排気管から、発光管封体内に、水銀を封入するとともに、少なくともアルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを単独またはそれらの混合ガスの形で封入する。
In addition, when manufacturing the lamp, mercury is sealed into the arc tube envelope from the exhaust tube attached at the tip-
発光管封体1の球状部の外径は、発光出力の大きさと投入電力に応じて変わり、50mmから300mmの範囲内の例えば100mmで、球状部の軸線方向の長さは70mmから300mmの範囲内の例えば140mmである。発光管封体1内には、3mg/ccから50mg/ccの範囲から選択された例えば40mg/ccの水銀と、キセノン(Xe)、アルゴン(Ar)及びクリプトン(Kr)の中の少なくとも1つの希ガスとが封入されている。ただし、1つの希ガスに代えて、混合ガス、例えばKr及びArなどの2種以上の混合ガスを用いてもよい。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略0.05MPaから0.4MPaの範囲内の例えば0.2MPaである。本ランプ点灯時には、発光管封体1内の圧力は2.0MPaから3.5MPa程度になる。
The outer diameter of the spherical portion of the
[シール管部の概略構造]
陰極側及び陽極側のシール管部7は同様の構造であるため、以下は、一方の側の、例えば、陽極側のシール管部7について説明する。
[Schematic structure of seal tube]
Since the cathode-side and anode-side
図2Aは、図1に示すショートアーク型放電ランプ10のシール管部7の拡大断面図である。図2Aに示すように、シール管部7の内側には、電極マウント9が溶着されていて発光管封体1の気密性が保たれている。溶着の方法については後述する。
2A is an enlarged cross-sectional view of the
電極マウント9は、石英ガラス円筒体の第1のシール部材21、第2のシール部材(又はシール箔封着円筒体)22及び第3のシール部材23を備える。第1シール部材外径はφ16からφ35mmの範囲の寸法であり外径が異径形状もののもある。本実施例ではφ25mmとする。第1のシール部材21は、発光管封体1の球状部とシール管部7との連結位置Aから、球状部から離れる方向に向かって約10mm離れた位置からシール管部7の内面に溶着されている。そのように約10mmの空間が設けられているのは、シール管部7内に第1のシール部材21等を含む電極マウント9を溶着するためにシール管部7を火炎バーナー等で加熱するので、その熱が球状部に伝わってその球状部が変形することを防ぐためである。第1のシール部材21の中央には貫通孔が形成されており、その貫通孔には、電極芯棒5が挿入され、図示はしていないが巻回した金属箔の緩衝材を介して第1のシール部材21に固定されている。また図2Bには、第1シール部材が円筒形状の発光部側を切削またはレーザー加工した凹形状であり、更にシール管7部が多重管の例として2重管方式の参考として図示する。図2A及び図2Bにおいて同種の部材には同一の符号を付してある。
The
第1のシール部材21と第2のシール部材22との間には、第1の集電円板31が介装されており、第1の集電円板31には、第1のシール部材21を貫通した電極芯棒5の端部が連結されている。これにより、電極芯棒5が第1の集電円板31に電気的に接続されることになる。なお、電極芯棒5の端部は、さらに第1の集電円板31を貫通して第2のシール部材22に接続されるように構成される場合もある。集電円板31の外径は電極マウント9よりも小さく、厚さは0.5mmから15mmが多用されるが本実施例では6mmとした。
A first
また、第2のシール部材22と第3のシール部材23との間には、第2の集電円板32が介装されている。第3のシール部材23の中心には貫通孔が形成されており、その貫通孔にはリード棒6が挿入されていて第3のシール部材23に固定されている。また、その貫通したリード棒6の端部は、第2の集電円板32を貫通して第2のシール部材22の端部に挿入されて固定されている。これにより、リード棒6は、電気的に第2の集電円板32に接続されるとともに第2のシール部材22に機械的に保持されている。ただし、リード棒6の端部は、第2の集電円板32を貫通せずにそれに電気的に接続されるだけもよい。
Further, a second
第1の集電円板31の外周面と、この第1の集電円板31の両側に位置する第1のシール部材21及び第2のシール部材22の外周面とは、金属製の緩衝箔15によって覆われている。金属製の緩衝箔15として、本実施例では厚さ0.01mm〜0.1mmの金属箔のなかでも厚さ0.015mmを搭載し、更に箔には凹凸加工を施している。緩衝箔15は、集電円板の厚さ同等以上の幅で巻き回し集電円板やシール箔に溶接されている。また、第2のシール部材22の外周面上には、軸線方向と平行に、複数の短冊状のモリブデン製のシール箔25(図1、図2Aで実線と破線とを交互に引いたハッチングで示すもの)が、間隔を置いて配置されている。これらの電気的接続箔である緩衝箔15及びシール箔25によって、第1の集電円板31と第2の集電円板32とが電気的に接続されることになり、その結果、電極芯棒5とリード棒6とが電気的に接続されることになる。本実施例のシール箔は、厚さ0.02mm〜0.05mmのナイフエッジ型モリブデン製シール箔の中でも、厚さ0.04mmの幅12mmのシール箔を5枚搭載した。
The outer peripheral surface of the first
図2Aに破線で示すように、口金28がシール管部7の端部に取り付けられている。口金28にはリード線が接続されていて口金28を経由してリード棒6に外部の電源から電力が供給される。
As shown by a broken line in FIG. 2A, the
また、図2Aに示すように、第1の集電円板31の外周面に接する部分のシール管部7には、位置Aから位置Bまでの比較的肉厚の厚い部分と位置Bから後端までの比較的薄い部分とからなり、比較的肉厚の厚い部分において、第1の集電円板31を囲繞する部分のシール管部7の厚さを肉厚t1(mm)とし、比較的肉厚の薄い部分において、第2の集電円板32を囲繞する部分のシール管部7の厚さを肉厚t2(mm)とし、肉厚t1が3.0≦t1(mm)≦8.0の範囲にあり、肉厚t2が1.5≦t2(mm)≦4.0の範囲にあるとする。また、シール管部7において、シール管部7の肉厚が徐々に変化する部分の長さL1が、2≦L1(mm)であるとする。図2Bの二重管方式の場合には、シール管部の肉厚t1及びt2は、それぞれの範囲において、シール管部7とシール管内管8とを合計した大きさである。
Also, as shown in FIG. 2A, the
なお、図2Aにおいて、口金28の端部位置が、シール管部7の肉厚が薄くなった位置Bにあるように描いているが、その端部はその位置に特定されるものではない。
In FIG. 2A, the end portion of the
ここで、ショートアーク型放電ランプ10を製造する際に、シール管部7内に電極マウント9を固定する概略の方法を説明する。まず、電極マウント9を用意し、電極マウント9をその外径よりも大きな内径を有するシール管部となる発光管封体1の筒状部の中に挿入する。この際に、上記のとおり、電極マウント9の球状部側に面する第1のシール部材21の端面が、位置Aから10mm程度口金方向に離れるように電極マウント9を配置する。次に、シール管部となる筒状部の端部を火炎バーナーで加熱して封じ発光管封体1内を前出の排気管により減圧する。その減圧した状態で、電極マウント9を挿入したシール管部となる筒状部の外周を火炎バーナーで加熱する。その加熱により、シール管部7となる筒状部が溶融して収縮して電極マウント9の外周面に密着する。すなわち、シール管部7の内面が、第1のシール部材21、第1の集電円板31、第2のシール部材22、第2の集電円板32及び第3のシール部材23の外周面と溶着する。これにより、電極マウント9とその筒状部とが密着してシール管部7が形成される。特に、シール部材22の溶着性を高めるために、複数本の酸素と水素を利用した火炎バーナーにより、第1シール部材21を溶着させるときよりも火力を上げている。また図2Bのような2重管構造の場合、石英ガラス製のシール管内管8と電極マウント9を先に溶封させた後に発光管封体1内に挿入し前述の同手法にて封着する。
Here, an outline method for fixing the
[ランプ破裂の起点の応力の概念]
上記のように、肉厚t1及びt2のように肉厚の大きさを異ならせ、それらの間に肉厚が変化する長さL1の部分を形成しているのは、ランプ点灯時に破裂の起点となる可能性が特に高い個所が、図2に示す位置Cの電極マウント9の球状体封体側の端面と、集電円盤31の外周面にシール管部7が溶着されている部分とであるため、それらの部分を含むシール管部7の肉厚は厚くする必要がある一方、口金28の寸法が規定されているため口金内に収容される部分のシール管部7の肉厚は厚くできないからである。
[Concept of stress at the starting point of lamp burst]
As described above, the wall thickness t1 and t2 are made different in thickness, and the portion of the length L1 in which the wall thickness changes between them is the starting point of the burst when the lamp is lit. 2 are the end face on the spherical body sealing side of the
ショートアーク型放電ランプ10においては、シール管部7上において、その内面が、第1のシール部材21の球状部側の端面と接する位置Cと、第1の集電円板31の外周面と接する位置Dとが、点灯時においてランプの破裂の起点となる傾向が強い。例えば、本実施形態に係るショートアーク型放電ランプ10のランプ電力が12kWである場合には、点灯後約15分経過すると、ランプ内の温度は800Kから1200K程度になる。その時に、点灯時のランプ内部圧力が高くなり、それらの位置が破裂の起点となってランプが破裂する傾向がある。
In the short arc
図3A乃至図3Dは、シール管部7に、それぞれ、電極マウント9の第一シール部材21−1乃至21−4が溶着されたときに、溶着状態の相違により応力がどのように溶着部分にかかるかを説明するための概念図である。図3Aと図3Bとの相違は、第一シール部材21−1と21−2の溶着角の向きが異なる点にある。図3C及び図3Dは両方とも第一シール部材21−3及び21−4が凹形状のものであり、図3Dはさらにシール管部がシール管部7及びシール管内管8の二重管構造になっている。詳しくは後述の通り、図3Cにおいては、溶着角はシール管部7と第一シール部材21−3との間で形成されるが、図3Dにおいては、溶着角はシール管内管8と第一シール部材21−4との間で形成される。
3A to 3D show how the stress is applied to the welded portion due to the difference in the welded state when the first seal members 21-1 to 21-4 of the
ランプの点灯時には、内部圧力が1.0MPaから3.5MPa程度と高くなり、発光管封体1の球状体部の内面部には引張応力がかかる。球状体部は楕円ミラーなどの集光光学系として利用されるため、集光効率を向上させるために滑らかな曲線を持つように成型されている。また、配光特性を向上させ封体球面の石英ガラスの屈折率の変化を抑制するため、球状体部では肉厚の変化が少なく温度変化も少なくなるようにされており、その結果、球状体部の全体に比較的均一の応力が加わることになる。一方、シール管部7では、シール管部7に第一シール部材21−1又は21−2が溶着されている部分では、内径が同じでも外径が大きく相違することがある。すなわち、シール管部7の肉厚tが場所によって大きく変わり、断面積の相違が10倍以上になることがある。また、シール管部7に、第一シール部材21−1又は21−2が溶着されている部分では、シール管部7の内面と石英円筒体の溶着された角の面との間には鋭角の隙間が形成される。その隙間を形成する角度を溶着角という。溶着部への応力の集中の大きさや向きは、溶着角の大きさや溶着角の向きによって相違する。
When the lamp is turned on, the internal pressure becomes as high as about 1.0 MPa to 3.5 MPa, and a tensile stress is applied to the inner surface portion of the spherical body portion of the arc
図3Aは、シール管部7の内面に、第一シール部材21−1(石英円筒体)が溶着された状態を示す。第一シール部材21−1はその軸線がシール管部7の内面と平行になるように配置されている。第一シール部材21−1のシール管部7の内面に溶着された角の丸みは比較的大であるが、溶着角は、シール管部7の内面から測った角度である。
FIG. 3A shows a state where the first seal member 21-1 (quartz cylindrical body) is welded to the inner surface of the
図3Bは、図3Aと同様に、シール管部7の内面に、石英円筒体の第一シール部材21−2が溶着された状態を示す。この場合は、第一シール部材21−2はその軸線がシール管部7の内面と平行になるように配置されている。第一シール部材21−2がシール管部7の内面に溶着された角の丸みは比較的小である。なお、図3Bには示していないが、第一シール部材21−2が溶着されたシール管部7の内面は内部に向かって少し盛り上がっている。このため、溶着角は、その盛り上がった内面の接線から測った角度になる。
FIG. 3B shows a state in which the first seal member 21-2 of the quartz cylindrical body is welded to the inner surface of the
図3Cは、シール管部7の内面に凹形状の第一シール部材21−3が溶着された構造を示す。この場合には、溶着角は、図3Aと同様に、シール管部7の内面と第一シール部材21−3の角の面との間に形成され、ほぼシール管部7の内面から図った角度になる。
FIG. 3C shows a structure in which a concave first seal member 21-3 is welded to the inner surface of the
図3Dでは、シール管部は、シール管部7の内側にシール管内管8が配置された二重構造となっており、内側のシール管内管8の内面に凹形状の第一シール部材21−4が溶着されている。シール管内管8の先端は内側に縮径して変形している。この場合には、溶着角は、シール管内管8の内面と第一シール部材21−4の角の面との間に形成され、シール管内管8の内面から図った角度になる。
In FIG. 3D, the seal tube portion has a double structure in which the seal tube
一般的に、応力は石英円筒体の内部に放射状に広がった後に所定部分に集中することになる。図3Aにおいては、溶着角が比較的シール管部7の内面に沿った方向であるため、応力の集中する方向は、その図に白矢印で示すように、ランプの軸線方向になる。一方、図3Bにおいては、溶着角は比較的石英円筒体の端面に沿った方向であるため、応力の集中する方向は、その図に白矢印で示すように、シール管部7の肉厚方向になる。
Generally, the stress is concentrated in a predetermined portion after spreading radially inside the quartz cylinder. In FIG. 3A, since the welding angle is relatively in the direction along the inner surface of the
溶着角は、石英円筒体の丸みにより白矢印で示すように、応力集中方向となる角度中心方向が変化する。この方向は、石英円筒体の丸みだけに起因するものではなく、火炎バーナー溶封作業によりシール管内面が内側に食い込むことにより角度方向が変化する場合もある。 The welding angle changes in the direction of the center of the angle, which is the stress concentration direction, as indicated by the white arrow due to the roundness of the quartz cylinder. This direction is not caused only by the roundness of the quartz cylindrical body, but the angle direction may change due to the inner surface of the seal tube biting inward by the flame burner sealing operation.
これらの集中した応力にはシール管部7の肉厚を厚くすることで対応することが可能になる。つまり、シール管部7の内面から外面までの距離が保てるため応力を広く分散することができるようになるので、溶着点や鋭角部分に応力が集中してもその応力を分散し結果的に強度を向上させることができるからである。
These concentrated stresses can be dealt with by increasing the thickness of the
上記の通り、特に、図3Aにおいては、ランプの軸線方向に集中した応力が向いている。また、応力には作用と反作用の力があり、特に引張応力が集中した部位周辺には圧縮応力が存在するので、圧縮耐性がないと引張応力によってシール管部7のその部位が破裂することになる。このため、その応力の向く軸線方向に沿ってシール管部7の所定の長さにわたって肉厚を大きくする必要がある。これにより、軸方向での応力緩和を図り、結果的に、耐圧強度をさらに向上させることができるようになる。
As described above, particularly in FIG. 3A, stress concentrated in the axial direction of the lamp is directed. In addition, the stress has an action force and a reaction force, and particularly, there is a compressive stress around a portion where the tensile stress is concentrated. Therefore, if there is no compression resistance, the portion of the
また、肉厚差が大きいと、例えば、3mmを超えると、肉厚差のある部分におけるシール管部を含む電極マウントの断面方向の体積差が大きくなり、火炎バーナーでの溶融作業にバラつきやムラが発生しシール作業性が悪化することになる。また、部分的気密封着性能が低下する。つまり、シール箔裏側の溶着が不足し、例えば、シール箔幅10mmの場合、5mmから10mm程度の浮きが発生することになる。気密性が悪い場合には、点灯時に外部からの酸化現象が促進し、酸化物の体積増によるクラックの発生や、シール箔と集電円盤の溶接部の酸化現象による溶断などの不具合が発生する可能性が高い。一方、肉厚差が小さいと、例えば、0.5mm未満の場合には、リード線側の気密封着性能が低下することがある。このため、最適な肉厚差を検討する必要がある。 Also, if the thickness difference is large, for example, if it exceeds 3 mm, the volume difference in the cross-sectional direction of the electrode mount including the seal tube portion in the portion with the thickness difference becomes large, and the melting operation with the flame burner is uneven or uneven. Will occur and the workability of sealing will deteriorate. Moreover, the partial hermetic performance is deteriorated. That is, welding on the back side of the seal foil is insufficient, and for example, when the seal foil width is 10 mm, a float of about 5 mm to 10 mm is generated. When the airtightness is poor, the external oxidation phenomenon is accelerated when the lamp is lit, causing problems such as cracking due to an increase in the volume of the oxide and fusing due to the oxidation phenomenon of the welded part of the seal foil and current collector disk. Probability is high. On the other hand, if the difference in thickness is small, for example, if it is less than 0.5 mm, the airtight sealing performance on the lead wire side may deteriorate. For this reason, it is necessary to consider the optimum thickness difference.
[実施例1]
図2に示すように、第1の集電円盤31を囲繞する部分のシール管部7の厚さを肉厚t1(mm)と、第2の集電円盤32を囲繞する部分のシール管部7の厚さを肉厚t2(mm)との厚さを変化させて組み合わせた場合に、それらの肉厚の差と、t1に対するt2の比率と、t1に対する肉厚差の比率を調べてみた。その結果を図4に示す。
[Example 1]
As shown in FIG. 2, the thickness of the
図4において、t1及びt2は肉厚(mm)を表し、t3はt1とt2との差(肉厚差)を表し、t2/t1はt1に対するt2の比率(%)(肉厚比)を表し、t3/t1はt1に対するt3の比率(%)(肉厚差比)を表わす。例えば、t1が4.0mmで、t2が3.0mmの場合には、肉厚差t3は1.0mmになり、肉厚比t2/t1は75%になり、肉厚差比t3/t1は25%になった。 In FIG. 4, t1 and t2 represent the thickness (mm), t3 represents the difference (thickness difference) between t1 and t2, and t2 / t1 represents the ratio (%) (thickness ratio) of t2 to t1. T3 / t1 represents the ratio (%) (thickness difference ratio) of t3 to t1. For example, when t1 is 4.0 mm and t2 is 3.0 mm, the thickness difference t3 is 1.0 mm, the thickness ratio t2 / t1 is 75%, and the thickness difference ratio t3 / t1 is It became 25%.
この実施例1において、t1が4.0mm、t2が3.5mmのときには、肉厚差比t3/t1が13%である。13%以上の場合には、肉厚が変位する部分L1に応力が集中し、耐圧強度が0.8MPaから1.5MPa程度まで低下する。また、t1の肉厚が3mm未満の場合には、強度が、2.0MPaから3.5MPa程度まで低下する。一方、t1の肉厚が8mmを超えると、強度は3.5MPaから5MPaまで向上する。ただし、肉厚が8mmを超えると、火炎バーナーによってシール管部7内に電極マウント9を溶着させる場合に、火炎バーナーの火力を高めて時間を長くして溶融を図る必要があり、この場合には、火炎バーナーの火力により封体が変形し、端部の溶着が十分に行えず、強度に3.0MPaから5.0MPaの間のばらつきが生じてしまうことがある。
In Example 1, when t1 is 4.0 mm and t2 is 3.5 mm, the thickness difference ratio t3 / t1 is 13%. In the case of 13% or more, the stress concentrates on the portion L1 where the thickness is displaced, and the pressure strength decreases from 0.8 MPa to about 1.5 MPa. Moreover, when the thickness of t1 is less than 3 mm, the strength decreases from about 2.0 MPa to about 3.5 MPa. On the other hand, when the thickness of t1 exceeds 8 mm, the strength is improved from 3.5 MPa to 5 MPa. However, if the wall thickness exceeds 8 mm, when the
実施例1の観点から、シール管部7の厚さを肉厚t1(mm)とシール管部7の厚さを肉厚t2(mm)との差t1−t2及び比率t2/t1を一般化して検討した。図5Aから図5Cにその結果を示す。
From the viewpoint of Example 1, the difference t1-t2 and the ratio t2 / t1 between the thickness t1 (mm) of the thickness of the
図5Aは、肉厚の差t1−t2が、0.5mmの場合と3.0mmの場合との2つの関係を示すグラフ1である。t1−t2が0.5mmの場合はひし形を結ぶ上側の直線によって表され、t1−t2が3.0mmの場合は矩形を結ぶ下側の直線によって表される。両直線は平行であり、2本の直線の間に、肉厚の差t1−t2が0.5mmから3.0mmまで相違する場合の関係が存在することになる。
FIG. 5A is a
図5Bは、肉厚の比率t2/t1が、0.5(50%)の場合と1.0(100%)の場合との2つの関係を示すグラフ2である。比率t2/t1が0.5(50%)の場合がひし形を結ぶ下側の直線になり、比率t2/t1が1.0(100%)の場合が矩形を結ぶ上側の直線となる。これらの2本の直線の間に、比率t2/t1が0.5(50%)から1.0(100%)まで相違する場合の関係が存在することになる。
FIG. 5B is a
図5Cは、図5Aのグラフ1と図5Bのグラフ2とを重ね合わせたグラフを示す。このグラフにおいて、グラフ1とグラフ2とにそれぞれ示された2つの直線のすべてに挟まれた領域に斜線を入れている。この領域においては、最適な肉厚差及び肉厚比を得ることができる。
FIG. 5C shows a graph in which the
以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本発明は上記の実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。例えば、シール部材を石英ガラスではなくオゾンレス石英等他の適切な材料を用いて作ってもよい。それらのシール部材の材質を異ならせてもよい。第1シール部材はガラス以外の例えばモリブデン製の材料でも良い。この場合、モリブデン製の第1シール部材にシール金属箔を電気的に溶接すれば集電円板と同機能を果たす。また、水銀を封入せずにキセノンガスのみを封入したショートアーク型キセノンランプやフラッシュ点灯方式の希ガスショートアーク型放電ランプにおいても上記の実施形態に係る手法が適用できる。 The short arc type discharge lamp according to one embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and additions, deletions, modifications, etc. that can be easily made by those skilled in the art are as follows. It should be understood that the invention is included in the present invention, and that the technical scope of the present invention is defined by the description of the appended claims. For example, the seal member may be made of other suitable material such as ozone-less quartz instead of quartz glass. The materials of these sealing members may be different. The first seal member may be made of a material other than glass, for example, molybdenum. In this case, if the sealing metal foil is electrically welded to the first sealing member made of molybdenum, the same function as the current collecting disk is achieved. Further, the method according to the above embodiment can be applied to a short arc type xenon lamp in which only xenon gas is sealed without sealing mercury or a noble gas short arc type discharge lamp of flash lighting type.
1・・・発光管封体
2・・・陽極
3・・・陰極
5・・・電極芯棒
6・・・リード棒
7・・・シール管部
8・・・シール管内管
9・・・電極マウント
10・・・ショートアーク型放電ランプ
11・・・ゲッター材
15・・・金属製緩衝箔
25・・・シール箔
21・・・第1のシール部材
22・・・第2のシール部材
23・・・第3のシール部材
31・・・第1の集電円板
32・・・第2の集電円板
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記球状部の内部に、所定距離離隔させて対向して配置した陰極及び陽極と、
該陰極及び陽極からそれぞれ前記2つのシール管部まで延在する電極芯棒とを備え、
各シール管部の内側に、第1のシール部材、第1の集電円板、第2のシール部材、第2の集電円板及び第3のシール部材が、該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部から離れる方向に連続して配置され、各シール管部の外側端部に口金が固定され、前記第1の集電円板と前記第2の集電円板とが前記第2のシール部材の外周面上に配置された電気的接続箔によって電気的に接続され、
各シール管部内において、1つの前記電極芯棒が、前記第1のシール部材を該シール管部の中心軸線方向に沿って貫通してそれに保持されるとともに前記第1の集電円板に電気的に接続され、また、外部の電源に接続されるリード線が、前記口金を通って該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部に向かって前記第3のシール部材及び前記第2の集電円板を貫通してそれらに保持されるとともに該第2の集電円板に電気的に接続される、2kWから25kWのランプ電力のショートアーク型放電ランプであって、
前記シール管部は、前記第1の集電円板を囲繞する部分を含む比較的肉厚の厚い第1の部分と前記第2の集電円板を囲繞する部分を含む比較的肉厚の薄い第2の部分と前記第1の部分と前記第2の部分の間の肉厚が徐々に変化する第3の部分とを含み、前記口金は前記第2の部分の外側端部に固定され、
前記シール管部の前記第1の部分の厚さを肉厚t1、前記シール管部の前記第2の部分の厚さを肉厚t2とし、前記シール管部の前記第3の部分の大きさを長さL1とすると、
3.0(mm)≦t1≦8.0(mm)であり、更に、t2≦t1の構造を持つショートアーク型放電ランプにおいて、
1.5(mm)≦t2≦4.0(mm)、
0.5(mm)≦t1−t2≦3.0(mm)、
0.5≦t2/t1<1、かつ
2≦L1である、ショートアーク型放電ランプ。 An arc tube enclosing body comprising a spherical portion and two seal tube portions disposed opposite to each other along an axis passing through the center of the spherical portion at both ends of the spherical portion;
A cathode and an anode disposed facing each other at a predetermined distance inside the spherical portion;
An electrode core rod extending from the cathode and the anode to the two seal tube portions,
A first seal member, a first current collecting disk, a second seal member, a second current collecting disk, and a third seal member are disposed on the inner side of each seal tube portion, with the central axis of the seal tube portion Are arranged continuously in a direction away from the spherical portion along the direction, a base is fixed to an outer end portion of each seal tube portion, and the first current collecting disk and the second current collecting disk are Electrically connected by an electrical connection foil disposed on the outer peripheral surface of the second seal member;
Within each seal tube portion, one electrode core rod penetrates the first seal member along the direction of the central axis of the seal tube portion and is held therein, and is electrically connected to the first current collecting disk. Lead wires connected to an external power source through the base toward the spherical portion along the central axis direction of the seal tube portion and the second seal member. A short arc discharge lamp having a lamp power of 2 kW to 25 kW, which is held through them and electrically connected to the second current collecting disk,
The seal tube portion has a relatively thick first portion including a portion surrounding the first current collecting disc and a relatively thick portion including a portion surrounding the second current collecting disc. A thin second portion and a third portion in which the thickness between the first portion and the second portion gradually changes, and the base is fixed to the outer end of the second portion. ,
The thickness of the first portion of the seal tube portion is the thickness t1, the thickness of the second portion of the seal tube portion is the thickness t2, and the size of the third portion of the seal tube portion. Is the length L1,
In a short arc type discharge lamp having a structure of 3.0 (mm) ≦ t1 ≦ 8.0 (mm) and t2 ≦ t1,
1.5 (mm) ≦ t2 ≦ 4.0 (mm),
0.5 (mm) ≦ t1-t2 ≦ 3.0 (mm),
A short arc type discharge lamp in which 0.5 ≦ t2 / t1 <1 and 2 ≦ L1.
Priority Applications (1)
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