JP6371275B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプに関し、特に、放電ランプの封止構造に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、電極を封じた発光管の両端にガラス製の封止管が一体的に形成されており、封止管内では、電極を支持する電極支持棒が筒状ガラス管によって保持される。金属箔による封止構造では、封止管を熱によって縮径させ、封止管をガラス管と溶着させる。これにより、金属箔が封着され、発光管内が気密状態になる。
半導体、液晶製造分野では、生産効率を向上させるため、ショートアーク型放電ランプの大電力化が進んでいる。そのため、定格電力の大きい放電ランプでは、電極支持棒に金属リングを固定させ、複数の金属箔を金属リングに溶着させる。これにより、金属箔、金属リング、電極支持棒を介して電力が供給される（例えば、特許文献１参照）。
ランプ点灯中、金属リングと封止管の熱膨張率の差によって金属リング付近でクラックが発生すると、高温状態の金属リングが外気に触れることで酸化し、金属箔が溶断してしまう。あるいは、クラック進行によって発光管が破裂する恐れがある。クラック発生を防止するため、封止管を二重構造にする構造が知られており、金属リンクと金属箔を流れる電流の電流密度が限度値を超えない範囲で、封止管の厚さを定める（特許文献２参照）。

特開２００７−１１５４１４号公報 特開２００７−０９５３２８号公報

放電ランプでは、精細な露光を実現させるため、封入水銀量を極めて少なくすることがある。これによって、ピーク半値幅が小さくなり、ピーク波長付近が際立つスペクトル分布特性が得られる。封入水銀量が少ないこのような放電ランプでは、低電圧で発光し、安定点灯状態になる。その結果、大電力である（３ｋＷ以上）放電ランプにおいてランプ点灯時に流れる電流は、高電流値（例えば１３０Ａ以上）となる。
金属箔、金属リングに流れる電流値が高くなることによってより多くの熱が発生し、特に、金属リングおよび金属箔と封止管との接触面において、大きな熱応力が封止管に向けて作用する。しかしながら、封止部外径の小さいショートアーク型放電ランプなどの場合、封止管を二重構造と採用することが難しく、また、金属箔の厚さも制限される。そのため、金属リング付近でのクラック発生を十分に防止することができない。
したがって、高出力、大電流型ショートアーク型放電ランプ（特に、単一封止管構造の場合）において、ランプ点灯中、クラックが封止管に発生するのを抑制することが求められる。

本発明の放電ランプは、発光管と一体的に形成された封止管内に設けられ、前記発光管内の電極を支持する電極支持棒と、外部電源と電気的に接続される電気接続棒と、前記電極支持棒および前記電気接続棒が挿入され、前記封止管と溶着するガラス部材と、前記ガラス部材の外表面に沿って延びる複数の帯状金属箔と、前記帯状金属箔と前記電極支持棒および前記電気接続棒とを電気的に接続させる一対の環状部材とを備える。
環状部材は、導電性部材であればよく、例えば金属リングなどによって構成可能であり、複数の金属箔がリング外表面に接続される。ガラス部材は、両端に軸穴を形成した筒状ガラスとして構成することが可能である。
本発明では、定格電力３ｋＷ以上、安定点灯中の電流値１３０Ａ以上、前記発光管内の封入水銀量７ｍｇ／ｃｃ（ｃｍ^３）以下であり、以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められている。
σ＝７．５４×１０^５Ｔ−６×１０^７
Ｔ＝１．９２（Ｉ／ｎｗｄ）＋９８．９
σ≦１．２０×１０^８
ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ（Ｐａ）、前記封止管の外表面温度をＴ（℃）、安定点灯中の電流値をＩ（Ａ）、前記帯状金属箔の枚数をｎ、前記帯状金属箔の幅をｗ（ｍｍ）、前記帯状金属箔の厚さをｄ（ｍｍ）とする。
なお、一対の環状部材両方における熱応力σ、外表面温度Ｔとしてもよく、あるいは、一方の環状部材について規定してもよい。大電流によるクラックが発生しやすい封止管と環状部材との接続部において定めればよい。
本発明では、定格出力が大きく、低電圧で点灯し、封止管外径の小さい放電ランプなどにおいて、ランプ点灯中に金属箔で発生する熱が、封止管内表面と金属リングなど導電性環状部材外表面との接触面にかかる熱応力に影響を及ぼすことを見出し、大電流を金属箔が流れてもクラックが発生しないように、金属箔の厚さが特有の厚さに定められる。今まで必要と考えられていなかった厚さをもつ金属箔を適用することにより、耐久性の優れた放電ランプが実現可能となる。
封止管外径が比較的に小さいショート型放電ランプに対してクラック発生を効果的に抑えることが可能であり、封止管が以下の式を満たす放電ランプに適用することが可能である。
Ｉ／Ｌ≧５
封止管の外表面温度が低すぎると、封止管と発光管との温度差が大きくなることによって熱ひずみが生じ、一方、外表面温度が高すぎると、口金部と封止管との温度差が大きくなることによって熱歪が生じる。そのため、ランプ安定点灯中の前記封止管の外表面温度が、以下の式を満たすように定めるのがよい。
１５０≦Ｔ≦８００
本発明の他の態様における放電ランプは、発光管と一体的に形成された封止管内に設けられ、前記発光管内の電極を支持する電極支持棒と、外部電源と電気的に接続される電気接続棒と、前記電極支持棒および前記電気接続棒とが挿入され、前記封止管と溶着するガラス部材と、前記ガラス部材の外表面に沿って延びる複数の帯状金属箔と、前記帯状金属箔と前記電気接続棒とを電気的に接続させる環状部材とを備え、以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められている。
σ≦１．２０×１０^８
ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ（Ｐａ）とする。

本発明によれば、点灯中、封止管内においてクラックが発生するのを防ぎ、信頼性の高い封止構造をもった放電ランプを得ることができる。

本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的断面図である。 陰極側封止管の概略的断面図である。 封止管外表面温度と熱応力との関係を示したグラフである。 金属箔を流れる電流の電流密度と封止管外表面温度との関係を示したグラフである。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的断面図である。
ショートアーク型放電ランプ１０は、石英ガラスから成る球状発光管１２内に陽極１４、陰極１６を対向配置させたランプであり、発光管１２の両端には、石英ガラスの封止管２０、６０が対向するように一体的に形成されている。封止管２０、６０の両端は、口金８０Ａ、８０Ｂで塞がれている。
封止管２０、６０の内部には、陽極１４、陰極１６を支持するとともに、発光管１２内の放電空間１１を封止するパーツ（以下、マウント部品という）１８Ａ、１８Ｂがそれぞれ封入されている。放電空間１１には、水銀および希ガスが封入されている。
ショートアーク型放電ランプ１０は、定格電力３ｋＷ以上の高出力放電ランプである一方、封止管外径が比較的小さく、また、ピーク波長付近が際立つスペクトル分布特性をもたせた照明光とするため、発行管内の水銀封入量が７ｍｇ／ｃｃ以下に定められている。そのため、安定点灯しているときの電圧値は低く、逆に電流値が大きくなり、電流値は１３０Ａ以上になる。
図２は、陰極側封止管の概略的断面図である。なお、陽極側封止管も同様に構成されている。
図２に示すように、マウント部品１８Ｂが封入されている封止管６０内部には、陰極１６を支持する電極支持棒１７Ｂが設けられ、軸方向に沿って配設されている。電極支持棒１７Ｂは、円筒状の肉厚ガラス管（以下、電極側ガラス管という）２２に形成された軸穴に挿通され、電極側ガラス管２２によって保持される。
電極支持棒１７Ｂは、封止管６０の端部まで延びておらず、所定間隔を置いて金属製のリード棒（電気接続棒）１９Ｂが同軸的に対向配置されている。電極支持棒１７Ｂ、リード棒１９Ｂは、肉厚の筒状ガラス部材（以下、外側ガラス部材という）２６の両端に設けた挿入穴に挿入され、外側ガラス部材２６は電極支持棒１７Ｂ、リード棒１９Ｂを保持する。リード棒１９Ｂは、電源部（図示せず）と繋がった外部のリード線（図示せず）に接続されている。
外側ガラス部材２６の両端には、金属リング（環状部材）２３、２５がそれぞれ密着配置され、電極支持棒１７Ｂ、リード棒１９Ｂは、金属リング２３、２５の軸穴に挿入されて溶接されている。発光管１２に近い金属リング（以下、内側金属リングという）２３は、電極側ガラス管２２と当接し、他方の金属リング（以下、外側金属リングという）２５は、リード棒１９Ｂを軸通させて保持する肉厚固定ガラス管２８と当接する。
内側金属リング２３、外側金属リング２５の間には、複数の帯状金属箔２７が、外側ガラス部材２６の外表面に沿って軸方向に延びており、周方向に沿って等間隔で配置されている。また、複数の帯状金属箔２７それぞれの両端は、内側金属リング２３、外側金属リング２５の円周面に溶接されている。外側金属リング２５は、リード棒１９Ｂと帯状金属箔２７とを電気的に接続させ、内側金属リング２３は、帯状金属箔２７と電極支持棒２２とを電気的に接続させる、これにより、電源部と電気的に接続するリード棒１９Ｂから陰極１６へ電力が供給される。
封止管６０は、封止工程時にガスバーナーなどで熱せられることによって縮径し、電極側ガラス管２２、外側ガラス部材２６、固定ガラス管２８と溶着している。これにより、封止管６０内部が封止され、電極側ガラス管２２、内側金属リング２３、外側金属リング２５、外側ガラス部材２６、そして固定ガラス管２８を含むマウント部品１８Ｂが、軸方向に動かないように固定される。
以下、図３、４を用いて、本実施形態の封止構造について説明する。
図３は、封止管外表面温度と熱応力との関係を示したグラフである。図４は、金属箔を流れる電流の電流密度と封止管外表面温度との関係を示したグラフである。
ランプ点灯時、金属とガラスの熱膨張率が相違するため、金属箔２７と封止管６０、外側金属リング２５と封止管６０との接触面／溶着面において、熱応力が発生する。内側金属リング２３、金属箔２７、封止管６０との間でも同様に熱応力が発生する。
上述したように、放電ランプ１０は、ショートアーク型放電ランプであって、低電圧、大電流型放電ランプであり、封止管外径が比較的小さい。そのため、ランプ点灯中に金属箔２７全体で発生する熱が、内側、外側金属リング２５の外周面付近から封止管６０に向けてかかる熱応力に影響する。この熱の影響は、封止管外径の大きい放電ランプと比べて非常に大きい。さらに封止管外径を小さくした場合、二重封止構造を採用して封止部強度を強くすることが難しい。
金属箔２７に流れる電流の電流密度が大きいほど金属箔２７の温度が上昇し、熱量が多くなるが、電流密度は金属箔２７の厚さによって変わる。したがって、溶着不足による箔剥がれを防ぐために金属箔２７を薄くし過ぎると、熱応力が大きくなってクラック発生の恐れがある。そこで本実施形態では、電流密度と関係する金属箔２７の厚さが、所定厚さ以上となるように定められている。
図３、図４に示すように、外側金属リング２５の外周面から封止管６０の内表面にかかる熱応力σ（Ｐａ）に関しては、封止管６０の外表面温度をＴ（℃）、安定点灯中の電流値をＩ（Ａ）、金属箔２７の枚数をｎ、金属箔の幅をｗ（ｍｍ）、金属箔の厚さをｄ（ｍｍ）としたとき、以下の式が成り立つように、金属箔の厚さｄ（ｍｍ）、金属箔の幅ｗ（ｍｍ）、金属箔２７の枚数ｎが定められている。
σ＝７．５４×１０^５Ｔ−６×１０^７ ・・・・（１）
Ｔ＝１．９２（Ｉ／ｎｗｄ）＋９８．９ ・・・・（２）
σ≦１．２０×１０^８ ・・・・（３）
（１）式は、封止管外表面温度Ｔと熱応力σが比例関係にあることを示している（図３参照）。ただし、図２に示す封止管ポイントＰＴにおける表面温度とする。また、（２）式は、封止管外表面温度Ｔと電流密度（Ｉ／ｎｗｄ）とが比例関係にあることを示している（図４参照）。（１）、（２）式は、実際に封止管外表面温度を熱電対などで測定し、シミュレーションによって熱応力を測定したことから明らかになった式である。
そして、（３）式は実験などから経験的に導かれた式であり、電流値Ｉが定められれば、上記（３）式を満たすように金属箔２７の配置枚数ｎ、幅ｗ、厚さｄを定めることができる。内側金属リング２３においても同様の関係となる。
ところで、金属箔２７の配置枚数および幅は、一般的に従来のショートアーク型放電ランプと同じ仕様になる場合が多く、また、製造工程における制限、要求によって自由度が少ない。そのため、実際には、金属箔２７の厚さを調整することによってクラック発生を防止する。具体的には、従来と比べて厚みがある金属箔となる。ただし、厚くし過ぎると箔剥がれが起こるため、０．１ｍｍ以下に定められる。
なお、封止管６０と発光管１２あるいは口金８０Ｂとの温度差が大きすぎると、ガラスの熱ひずみが大きくなり、クラックが発生しやすい。そのため、以下の式を満たす封止管外表面温度となるように、定格電力、封止管径等が定められる。
１５０≦Ｔ≦８００ ・・・・（４）
封止管外表面温度Ｔを１５０°以上にすることで発光管との温度差による熱歪を抑え、封止管外表面温度Ｔを８００°以下にすることで、口金部との温度差による熱歪を抑える。
また、封止管外径Ｌが比較的小さいショートアーク型放電ランプに対して上記式を満たす封止構造を採用するのが望ましく、ここでは、以下の式を満たす封止管外径Ｌをもつ放電ランプが適用される。例えば、電流値が２００Ａのとき、外形Ｌは４０ｍｍ以下に定められる。
Ｉ／Ｌ≧５ ・・・・（５）
封止管外径Ｌが比較的小さいショートアーク型放電ランプでは、クラック耐性を上げるために二重封止構造をとると、金属箔の枚数と幅が非常に小さくなってしまうため、金属箔を極端に厚くしなければならず、箔はがれの危険が増加してしまう。つまり、（５）式を満たす放電ランプにおいては、（１）（２）（３）式を満たすように封止箔の厚さを定めることが求められる。
このように本実施形態によれば、封止管外径が小さく、定格出力が大きく（３ｋＷ以上）、低電圧による点灯により大電流（１３０ｍｍＡ以上）が流れるショートアーク型放電ランプにおいて、上記（１）〜（３）式が満たされるように、金属箔の厚さが定められる。
なお、金属リング、ガラス部材については、それ以外の構成、形状にすることも可能である。

以下、実施例である放電ランプについて説明する。ここでは、金属箔の厚さを変えてクラック発生の有無を調べた。
実施例のショートアーク型放電ランプでは、封止管外径２７ｍｍ、封止管厚さ３．５ｍｍ、円柱状外側ガラス部材の外径２０ｍｍ、金属箔の枚数５、幅１０ｍｍに定められている。定格電力は４．５ｋＷ、電流値１５５ｍＡに定められる。
そして、金属箔の厚さを０．０６ｍｍ、０．０５ｍｍにして１０００時間ランプ継続点灯を行い、熱電対によって温度を測定する一方で、熱応力を計算機によるシミュレーションによって計算するとともに、クラック発生の有無を調べた。その結果、以下表１に示す。

表１に示すように、３．５ｋＷ、４．５ｋＷいずれにおいても、熱応力はどれも１．２０×１０８Ｐａ以下となり、金属箔の厚さ０．０６ｍｍ、０．０５ｍｍ両方において、クラックが発生しなかった。
一方、比較例として、金属箔の厚さを０．０３３ｍｍとした放電ランプについて同様の実験を行い、熱応力を計算してクラック発生の有無を調べた。ただし、点灯条件を変えて行った。
その結果、熱応力が１．２０×１０^８Ｐａより大きくなると、クラックが発生した。このように、金属箔の厚さを従来と比べて適切な厚みにすることにより、二重封止構造を採用せず、封止管外径が小さく、低電圧で大電流を流すショートアーク型放電ランプにおいて、クラックが発生しないことが明らかになった。
本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。
本願は、日本出願（特願２０１３−０８４９２９号、２０１３年４月１５日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。

１０ 放電ランプ
１７Ｂ 電極支持棒
１９Ｂ リード棒（電気接続棒）
２３ 内側金属リング（環状部材）
２５ 外側金属リング（環状部材）
２６ 外側ガラス部材（ガラス部材）
２７ 金属箔
６０ 封止管

Claims (3)

1. 発光管と一体的に形成された封止管内に設けられ、前記発光管内の電極を支持する電極支持棒と、
   外部電源と電気的に接続される電気接続棒と、
   前記電極支持棒および前記電気接続棒が挿入され、前記封止管と溶着するガラス部材と、
   前記ガラス部材の外表面に沿って延び、前記封止管の内表面と接する複数の帯状金属箔と、
   前記帯状金属箔と前記電極支持棒および前記電気接続棒とを電気的に接続させる一対の環状部材とを備え、
   前記複数の帯状金属箔は、前記環状部材の外周面に溶接され、
   定格電力３ｋＷ以上、安定点灯中の電流値１３０Ａ以上、前記発光管内の封入水銀量７ｍｇ／ｃｃ以下であり、
   以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   
   σ＝７．５４×１０^５Ｔ−６×１０^７
   Ｔ＝１．９２（Ｉ／ｎｗｄ）＋９８．９
   σ≦１．２０×１０^８
   
   ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ（Ｐａ）、前記環状部材の径方向外側の前記封止管の外表面温度をＴ（℃）、安定点灯中の電流値をＩ（Ａ）、前記帯状金属箔の枚数をｎ、前記帯状金属箔の幅をｗ（ｍｍ）、前記帯状金属箔の厚さをｄ（ｍｍ）とする。
2. ランプ安定点灯中の前記封止管の外表面温度が、以下の式を満たすように定めら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。
   
   １５０≦Ｔ≦８００
3. 前記封止管の外径Ｌ（ｍｍ）が、以下の式を満たすように定められることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   Ｉ／Ｌ≧５
   

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