JP6665906B2

JP6665906B2 - ショートアーク型放電ランプ

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Publication number: JP6665906B2
Application number: JP2018161796A
Authority: JP
Inventors: 山崎　憲五; 憲五山崎
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2031-06-20
Also published as: JP2019033084A

Description

本発明は、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されてなるショートアーク型放電ランプに関する。

例えば半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置や、種々の映写機においては、光源としてショートアーク型放電ランプが用いられている。このショートアーク型放電ランプは、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されると共に、当該発光管内に、水銀、キセノンガス等の発光物質が封入されて構成されている。
このようなショートアーク型放電ランプにおいて、陽極は、電極芯棒の先端に電極ヘッドが保持されて構成されており、この陽極における電極ヘッドにおいては、点灯時にアーク放電によって加熱されることにより、その温度が３０００℃以上に達するため、電極ヘッドを構成する材料としては、融点の高いタングステンを主成分とする材料が用いられている。

近年、ショートアーク型放電ランプにおいては、高輝度化が求められており、これに伴ってランプに入力される電力も大きくなっている。そして、大きい電力が入力されるショートアーク型放電ランプにおいては、点灯中に陽極における電極ヘッドが過熱されてその温度が上昇することにより当該電極ヘッドが溶融しやすく、そのため、電極ヘッドとして熱容量の大きいものすなわち体積の大きい大型のものが用いられている。
しかしなから、大型の電極ヘッドは、その質量も大きいため、当該電極ヘッドを保持する電極芯棒が折れたり、或いは電極芯棒を保持する発光管の封止部に破損が生じたりする、という問題がある。

特開２００３−２５７３６３号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極における電極ヘッドの温度上昇を抑制することができ、しかも、当該電極ヘッドの軽量化を図ることができるショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極を備えてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極は、前記陰極に対向する、タングステンの含有量が９５質量％以上で空孔率が３％未満の焼結体よりなる電子受容部と、この電子受容部の後端に形成された、前記電子受容部の空孔率よりも高い空孔率を有するタングステン以外の金属の焼結体よりなる伝熱部とを有する電極ヘッドを備えてなり、
前記電極ヘッドを保持する電極芯棒を有し、当該電極芯棒が、前記伝熱部を貫通した状態、または伝熱部内に進入した状態に設けられており、
前記伝熱部を構成する焼結体の空孔率が５〜６０％であることを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプによれば、陽極における電極ヘッドは、陰極に対向する電子受容部の後端に焼結体よりなる伝熱部が形成されてなるものであり、この伝熱部を構成する焼結体は電子受容部の空孔率よりも高い空孔率を有することにより、点灯中において、アーク放電によって陽極における電極ヘッドの電子受容部が加熱されても、当該電子受容部に生じた熱は、伝熱部に伝達された後に当該伝熱部において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極における電極ヘッドの温度の上昇を抑制することができ、しかも、陽極における電極ヘッド全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極における電極芯棒が折れたり、或いは当該電極芯棒を保持する発光管の封止部に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。また、電極ヘッドを保持する電極芯棒は、電極ヘッドを貫通した状態、または伝熱部内に進入した状態に設けられていることにより、電子受容部に生じた熱が電極芯棒を介して伝熱部の後端にまで伝達されるため、当該伝熱部において効率よく放熱することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。図２に示す陽極の製造工程を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。陽極の変形例における構成を示す説明用断面図である。陽極の他の変形例における構成を示す説明用断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
このショートアーク型放電ランプの発光管１０は、例えば石英ガラスよりなるものであって、内部に放電空間Ｓを形成する外形が略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部１２および他方の封止部１３とを有する。

この発光管１０における発光部１１内には、例えばタングステンよりなる電極芯棒２５の先端部に電極ヘッド２１が保持されてなる陽極２０と、例えばトリエーテッドタングステンよりなる電極芯棒３５の先端部に例えばトリエーテッドタングステンよりなる電極ヘッド３１が保持されてなる陰極３０とが互いに対向するよう配置されている。陽極２０における電極芯棒２５は、その基端部分が一方の封止部１２に埋設されることによって当該一方の封止部１２に支持されている。また、陰極３０における電極芯棒３５は、その基端部分が他方の封止部１３に埋設されることによって当該他方の封止部１３に支持されている。
また、発光管１０の発光部１１内には、例えば、水銀、キセノンガス等の希ガスなどの発光物質が封入されている。

発光管１０における一方の封止部１２および他方の封止部１３の各々の内部には、モリブデンよりなる金属箔１４，１５が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一方の封止部１２に埋設された金属箔１４の一端には、陽極２０における電極芯棒２５の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔１４の他端には、一方の封止部１２の外端から外方に突出する外部リード１６が溶接されて電気的に接続されている。また、他方の封止部１３に埋設された金属箔１５の一端には、陰極３０における電極芯棒３５の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔１５の他端には、他方の封止部１３の外端から外方に突出する外部リード１７が溶接されて電気的に接続されている。
また、この例のショートアーク型放電ランプには、一方の封止部１２および他方の封止部１３の各々の端部に、口金１８，１９が設けられている。

陽極２０における電極ヘッド２１は、図２に示すように、陰極３０に接近して対向する、当該陰極３０から放出される電子を受容する電子受容部２２と、この電子受容部２２の後端に形成された伝熱部２３とにより構成され、電極芯棒２５は、電極ヘッド２１の後端から先端すなわち伝熱部２３の後端から電子受容部２２の先端に貫通して伸びるよう設けられている。
電極ヘッド２１において、電子受容部２２は、タングステンを主成分とする材料、具体的にはタングステンの含有率が９５質量％以上の焼結体により構成されている。
また、伝熱部２３は、電子受容部２２の密度より低い密度を有する焼結体により構成されている。具体的には、電子受容部２２の密度に対する伝熱部２３の密度の比が３〜１００％であることが好ましい。

電子受容部２２の密度より低い密度を有する伝熱部２３を形成するために、伝熱部２３を構成する材料として、電子受容部２２を構成する材料すなわちタングステン（密度：１９．２５ｇ／ｃｍ³）を主成分とする材料よりも密度が低い材料を用いることができる。また、伝熱部２３は、当該ショートアーク型放電ランプの点灯時における温度が、電子受容部２２の温度に比べて低いため、伝熱部２３を構成する材料としては、電子受容部２２を構成する材料すなわちタングステン（融点：３４２２℃）を主成分とする材料よりも低い融点、具体的には、１００〜２０００℃低い融点を有するものを用いることができる。このような伝熱部２３を構成する材料の具体例としては、モリブデン（密度：１０．２８ｇ／ｃｍ³，融点：２６２３℃）、タンタル（密度：１６．６５ｇ／ｃｍ³，融点：３０１７℃）、ニオブ（密度：８．５７ｇ／ｃｍ³，融点：２４７７℃）、カーボン（密度：２．２６ｇ／ｃｍ³，融点: ３７２７℃）などを主成分とする材料が挙げられる。これらの中では、モリブデンを主成分とする材料、具体的にはモリブデンの含有率が５０質量％以上の材料を用いることが好ましい。

また、電子受容部２２の密度より低い密度を有する伝熱部２３を形成するために、伝熱部２３を構成する焼結体として、電子受容部２２を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもできる。
具体的には、電子受容部２２を構成する焼結体の空孔率は３％未満であることが好ましく、伝熱部２３を構成する焼結体の空孔率は５〜６０％であることが好ましい。
ここで、空孔率は、ＪＩＳＲ２２０５に規定されている見掛気孔率を意味し、具体的には、見掛気孔率＝１００×（Ｗ３−Ｗ１）／（Ｗ３−Ｗ２）〔ここで、Ｗ１は試料の乾燥重量、Ｗ２は飽水試料の水中重量、Ｗ３は飽水試料の空中重量である。〕により求められるものである。
電子受容部２２を構成する焼結体の空孔率が過大である場合には、アーク放電により高温に加熱されることによって電子受容部２２の先端付近が変形してしまうという不具合が生じるおそれがある。
また、伝熱部２３を構成する焼結体の空孔率が過小である場合には、伝熱部２３の質量が大きくなるとともに、表面積が小さくなるので、熱の輻射放出や対流伝達が低くなり、熱の除去が不十分となるおそれがある。一方、伝熱部２３を構成する焼結体の空孔率が過大である場合には、伝熱部２３の強度が低くなるため、振動によって伝熱部２３の表面が小さな破片状に欠け落ちたり、あるいは大きく欠損するという不具合が生じるおそれがある。

このような陽極２０は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、図３（ａ）に示すように、形成すべき陽極２０の形状に対応する成型用凹所４１を有する陽極製造用型４０を用意し、この陽極製造用型４０の成型用凹所４１内に電極芯棒２５を挿入する。次いで、陽極製造用型４０の成型用凹所４１内に、電子受容部２２を構成する材料例えばタングステンよりなる粉末およびバインダーを含有してなる電子受容部形成用材料を投入して堆積させ、更に、伝熱部２３を構成する材料例えばモリブデンよりなる粉末およびバインダーを含有してなる伝熱部形成用材料を投入して堆積させた後、図３（ｂ）に示すように、プレス部材４５によって加圧することにより、電子受容部形成用材料層２２Ａ上に伝熱部形成用材料層２３Ａが積層されてなる圧粉成型体２１Ａが形成される。ここで、電子受容部形成用材料および伝熱部形成用材料に含有されるバインダーとしては、ステアリン酸、ポリビニルアルコールなどを用いることができる。
そして、圧粉成型体２１Ａを焼成処理した後、必要に応じて、得られる焼結体の表面に粗化処理を施すことにより、図２に示す陽極２０が得られる。

上記のショートアーク型放電ランプの各部の寸法の一例を挙げると、
発光管１０は、発光部１１の軸方向の長さが２２５ｍｍ、発光部１１の最大内径が１７５ｍｍで、発光部１１の内容積が２８００ｃｍ³であり、陽極２０は、電極ヘッド２１の全長が６５ｍｍ、電極ヘッド２１の胴径が３５ｍｍ、先端径が１８ｍｍ、後端径が１８ｍｍ、電子受容部２２の軸方向の長さが５ｍｍ、伝熱部２３の軸方向の長さが６０ｍｍ、電極芯棒２５の径が１０ｍｍであり、陰極３０は、陰極ヘッド３１の全長が６０ｍｍ、胴径が２０ｍｍ、電極芯棒３５の径が８ｍｍ、陽極２０と陰極３０との電極間距離が７．５ｍｍである。

このようなショートアーク型放電ランプによれば、陽極２０における電極ヘッド２１は、陰極３０に対向する電子受容部２２の後端に焼結体よりなる伝熱部２３が形成されてなるものであり、この伝熱部２３を構成する焼結体は多数の空孔を有することにより熱放射性が高いものであるため、点灯中において、アーク放電によって陽極２０における電極ヘッド２１の電子受容部２２が加熱されても、当該電子受容部２２に生じた熱は、伝熱部２３に伝達された後に当該伝熱部２３において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極２０における電極ヘッド２１の温度の上昇を抑制することができる。しかも、伝熱部２３は電子受容部２２よりも低い密度を有するものであるため、陽極２０における電極ヘッド２１全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極２０における電極芯棒２５が折れたり、或いは当該電極芯棒２５を保持する発光管１０の一方の封止部１２に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。
また、電極芯棒２５は、電極ヘッド２１の後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることにより、電子受容部２２に生じた熱が電極芯棒２５を介して伝熱部２３の後端にまで伝達されるため、当該伝熱部２３において効率よく放熱することができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。このショートアーク型放電ランプは、陽極２０以外は第１の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプと同様の構成を有するものである。
陽極２０は、例えばタングステンよりなる電極芯棒２５の先端部に電極ヘッド２１が保持されてなり、電極ヘッド２１は、陰極に接近して対向する、当該陰極から放出される電子を受容する電子受容部２２と、この電子受容部２２の後端に形成された伝熱部２３とにより構成され、電極芯棒２５は、電極ヘッド２１の後端から先端すなわち伝熱部２３の後端から電子受容部２２の先端に貫通して伸びるよう配置されている。伝熱部２３は、電子受容部２２に接する第１伝熱部分２３ａと、この第１伝熱部分２３ａの後端に形成された第２伝熱部分２３ｂとにより構成されている。
電極ヘッド２１において、電子受容部２２は、タングステンを主成分とする材料、具体的にはタングステンの含有率が９５質量％以上の焼結体により構成されている。
また、伝熱部２３における第１伝熱部分２３ａおよび第２伝熱部分２３ｂは、いずれも電子受容部２２の密度より低い密度を有する焼結体により構成されており、当該第２伝熱部分２３ｂは、当該第１伝熱部分２３ａの密度より低い密度を有するものとされる。具体的には、電子受容部２２の密度に対する第１伝熱部分２３ａの密度の比が３〜１００％であることが好ましく、第２伝熱部分２３ｂの密度に対する第１伝熱部分２３ａの密度の比が５〜６０％であることが好ましい。

電子受容部２２の密度より低い密度を有する第１伝熱部分２３ａを形成するために、第１伝熱部分２３ａを構成する材料として、電子受容部２２を構成する材料すなわちタングステンを主成分とする材料よりも密度が低い材料を用いることができる。また、伝熱部２３は、当該ショートアーク型放電ランプの点灯時における温度が、電子受容部２２の温度が低いため、伝熱部２３を構成する材料としては、電子受容部２２を構成する材料すなわちタングステンを主成分とする材料よりも低い融点、具体的には、１００〜２０００℃低い融点を有するものを用いることができる。このような伝熱部２３を構成する材料の具体例としては、モリブデン、タンタル、ニオブ、カーボンなどを主成分とする材料が挙げられる。これらの中では、モリブデンを主成分とする材料、具体的にはモリブデンの含有率が５０質量％以上の材料を用いることが好ましい。

また、第１伝熱部分２３ａの密度より低い密度を有する第２伝熱部分２３ｂを形成するために、第２伝熱部分２３ｂを構成する材料として、第１伝熱部分２３ａを構成する材料よりも密度が低い材料を用いることができる。このような第２伝熱部分２３ｂを構成する材料の具体例としては、炭化ケイ素（密度：３．２ｇ／ｃｍ³，融点：２７００℃）が挙げられる。

また、電子受容部２２の密度より低い密度を有する第１伝熱部分２３を形成するために、第１伝熱部分２３ａを構成する焼結体として、電子受容部２２を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもでき、第１伝熱部分２３ａの密度より低い密度を有する第２伝熱部分２３ｂを形成するために、第２伝熱部分２３ｂを構成する焼結体として、第１伝熱部分２３ａを構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもできる。
具体的には、電子受容部２２を構成する焼結体の空孔率は３％未満であることが好ましく、第１伝熱部分２３ａを構成する焼結体の空孔率は５〜４０％であることが好ましく、第２伝熱部分２３ｂを構成する焼結体の空孔率は５〜６０％であることが好ましい。

上記のショートアーク型放電ランプにおける陽極２０の寸法の一例を挙げると、電極ヘッド２１の全長が６５ｍｍ、電極ヘッド２１の胴径が３５ｍｍ、先端径が１８ｍｍ、後端径が１８ｍｍ、電子受容部２２の軸方向の長さが５ｍｍ、伝熱部２３の軸方向の長さが６０ｍｍ、電極芯棒２５の径が１０ｍｍである。

このようなショートアーク型放電ランプによれば、陽極２０における電極ヘッド２１は、陰極３０に対向する電子受容部２２の後端に焼結体よりなる伝熱部２３が形成されてなるものであり、この伝熱部２３を構成する焼結体は多数の空孔を有することにより熱放射性が高いものであるため、点灯中において、アーク放電によって陽極２０における電極ヘッド２１の電子受容部２２が加熱されても、当該電子受容部２２に生じた熱は、伝熱部２３に伝達された後に当該伝熱部２３において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極２０における電極ヘッド２１の温度の上昇を抑制することができる。しかも、伝熱部２３は電子受容部２２よりも低い密度を有するものであるため、陽極２０における電極ヘッド２１全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極２０における電極芯棒２５が折れたり、或いは当該電極芯棒２５を保持する発光管１０の一方の封止部１２に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。
また、伝熱部２３は、電子受容部２２に接する第１伝熱部分２３ａの後端に第２伝熱部分２３ｂが形成されてなるものであり、当該第２伝熱部分２３ｂが第１伝熱部分２３ａの密度より低い密度を有するものであるため、陽極２０における電極ヘッド２１全体を一層軽量化することができる。
また、第２伝熱部分２３ｂを構成する焼結体として、第１伝熱部分２３ａを構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることにより、当該第２伝熱部分２３ｂにおいて効率よく放熱されるので、点灯中に陽極２０における電極ヘッド２１の温度の上昇を一層抑制することができる。
また、電極芯棒２５は、電極ヘッド２１の後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることにより、電子受容部２２に生じた熱が電極芯棒２５を介して伝熱部２３の後端にまで伝達されるため、当該伝熱部２３において一層効率よく放熱される。

以上、本発明のショートアーク型放電ランプの実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば陽極２０における電極芯棒２５の周面に凹凸を形成することができる。このような構成によれば、電極芯棒２５による電極ヘッド２１の保持力が向上するため、電極ヘッド２１が電極芯棒２５から脱落することを防止することができる。
また、電極芯棒２５は、電極ヘッド２１の後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることは必須ではなく、図５に示すように、電極ヘッド２１の伝熱部２３における後端部分のみに進入した状態で設けられていてもよい。
また、図６に示すように、陽極２０における伝熱部２３は、柱状の第１伝熱部分２３ａと、この第１伝熱部分２３ａの周面に形成された筒状の第２伝熱部分２３ｂとよりなり、第１伝熱部分２３ａは、第２伝熱部分２３ｂの密度より大きい密度を有するものであってもよい。

１０発光管
１１発光部
１２一方の封止部
１３他方の封止部
１４，１５金属箔
１６，１７外部リード
１８，１９口金
２０陽極
２１電極ヘッド
２１Ａ圧粉成型体
２２電子受容部
２２Ａ電子受容部形成用材料層
２３伝熱部
２３Ａ伝熱部形成用材料層
２３ａ第１伝熱部分
２３ｂ第２伝熱部分
２５電極芯棒
３０陰極
３１電極ヘッド
３５電極芯棒
４０陽極製造用型
４１成型用凹所
４５プレス部材
Ｓ放電空間

Claims

発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極を備えてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極は、前記陰極に対向する、タングステンの含有量が９５質量％以上で空孔率が３％未満の焼結体よりなる電子受容部と、この電子受容部の後端に形成された、前記電子受容部の空孔率よりも高い空孔率を有するタングステン以外の金属の焼結体よりなる伝熱部とを有する電極ヘッドを備えてなり、
前記電極ヘッドを保持する電極芯棒を有し、当該電極芯棒が、前記伝熱部を貫通した状態、または伝熱部内に進入した状態に設けられており、
前記伝熱部を構成する焼結体の空孔率が５〜６０％であることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。