JP6831224B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプに関し、特に、電極マウント部品が配置される封止管の封止構造に関する。

放電ランプでは、発光管内に一対の電極が対向配置されるとともに、電極支持棒などを含むマウント部品が、発光管を挟んで向かい合う一対の封止管内にそれぞれ封入されている。ランプ点灯時には、アーク放電によって発光し、発光管外部へ光が照射される。放電ランプ周囲には、楕円反射鏡から成るリフレクターが配置され、その一次焦点にアーク輝点が位置し、二次焦点に反射光が集光するように、放電ランプおよびリフレクターが配置されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ショートアーク型放電ランプなどでは、半導体、液晶製造の生産効率を向上させるため、大電力化が進んでいる。大電力化に伴って電極が大型化するため、マウント部品を配置した封止管もそれに伴って大型化する。このような封止管に対して過度な応力がかかると、封止管が破損する恐れがある。そのため、径の異なる２つの管（外側封止管、内側封止管）を溶着させて封止管を形成し、ランプ強度を高める構造が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平０８−２５００７１号公報 特許第４１８２９００号公報

封止管が大型化すると、２次焦点へ進行する反射光の一部の光路が、封止管の配置領域と重なってしまう。具体的には、一対の封止管のうち楕円反射鏡から遠い位置にある封止管の後端側が、反射光の光路上に配置される。そのため、一部の反射光が封止管に遮られることによって、照射対象面における光量（照度）が低下する。

一方で、単に遮光領域を形成しないように封止管形状を一部修正した場合、その形状変化が、マウント部品を収納する封止管の強度に影響し、クラック発生などを生じさせてしまう。

したがって、大型放電ランプにおいても封止管強度を低下させることなく、ランプの光を最大限利用することができる封止構造にすることが求められる。

本発明の放電ランプは、発光管と一体的に繋がる封止管と、筒状ガラス部材とを備える。筒状ガラス部材は、発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し（軸支し）、外表面には軸方向に延びる金属箔の少なくとも一部が接している。

そして本発明では、ガラス部材が、後端側小径部と、後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、電極側大径部から後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成されている。このガラス部材のテーパー部を含めた外観形状は、元は一定の径である筒状ガラス部材が封止管との溶着過程によって形成されたものではなく、封止管が、電極側大径部と、後端側小径部と、テーパー部とを有するガラス部材に対し、溶着時にこのガラス部材の外観形状に合わせて変形する。

後端側小径部は、少なくとも封止管端面から所定距離（例えば、外部電源と接続する導電性棒状部材の先端面位置付近あるいは先端面を超える部分までの距離）だけ一定の径を有するように構成すればよい。このような構成によって、封止強度が低下せずに封止管後端側の径が小さくなる。

外部電源と接続する導電性棒状部材は、後端側小径部によって保持されるようにし、テーパー部および電極側大径部で保持しない構成にすることが可能である。また、電極支持棒は、電極側大径部およびテーパー部によって保持されるようにすることができる。

例えば、テーパー部の軸方向長さは、電極側大径部および後端側小径部の軸方向長さよりも短くすることができる。また、テーパー部に対し、３°≦θ≦２０°の範囲内に定められた傾斜角度θの傾斜面を設けることが可能である。また、後端側小径部とテーパー部および電極側大径部とテーパー部との境界部分の少なくとも一方が、丸みを帯びるようにすることができる。

本発明の他の態様における放電ランプの製造方法は、後端側小径部と、後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、電極側大径部から後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成されている筒状のガラス部材を形成し、電極支持棒をガラス部材で軸保持させたマウント部品を封止管内に挿入し、封止管を加熱して縮径し、ガラス部材と封止管とを溶着させる。

本発明によれば、放電ランプにおいて、ランプの光を最大限利用しながら、強度のある封止構造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構成図である。 陽極側の封止管断面図である。 実施形態におけるテーパー部の傾斜角度を示した図である。

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を備えた光源装置の概略的構成図である。

光源装置１００は、ショートアーク型放電ランプ１０とリフレクター３００とを備える。ショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の発光管１２を備え、発光管１２内には陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。ここでは、陰極２０、陽極３０が鉛直方向に沿って並ぶように放電ランプ１０が配置されている。発光管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と連設し、一体的に形成されている。発光管１２内の放電空間Ｓには、水銀とアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、陰極２０、陽極３０をそれぞれ支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂ、外部電源（図示せず）と接続するリード棒（導電性棒状部材）１５Ａ、１５Ｂなどを含むマウント部品６０Ａ、６０Ｂが挿入されている。封止管１３Ａ、１３Ｂは、その両端が口金１４Ａ、１４Ｂによって覆われるとともに、マウント部品６０Ａ、６０Ｂのガラス管、ガラス部材（ここでは図示せず）などと溶着し、これによって発光管１２が封止される。

陰極２０、陽極３０には、リード棒１５Ａ、１５Ｂから金属箔、環状金属部材（ここでは図示せず）、電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して電力が供給される。電圧が陰極２０、陽極３０の間に印加されると、陰極２０、陽極３０の電極間でアーク放電が発生し、発光管１２の外部に向けて光が放射される。

放電ランプ１０の周囲には、楕円反射鏡から成る凹型のリフレクター３００が配置されている。リフレクター３００の中心部には、放電ランプ１０の陰極側部分を挿通するための開口部３００Ａが形成されており、放電ランプ１０は、その管軸とリフレクター３００の光軸が一致し、かつ、アーク放電時のアーク輝点ＡＰがリフレクター３００の一次焦点と一致するように、ランプ保持器具（図示せず）によって保持されている。ただし図１では、リフレクター３００の断面形状、発光管１２の断面形状を模式的に示している。なお、光源装置１００や放電ランプ１０の仕様に応じて、リフレクター３００の開口部３００Ａに陽極側部分が挿通されてもよく、その配置関係は限定されない。

ランプ点灯時、放電ランプ１０のアーク輝点ＡＰから放射された光は、リフレクター３００で反射する。反射光は二次焦点に集光し、図示しない照明光学系などを介して照射対象物へ導かれる。例えば、光源装置１００が露光装置内に設けられている場合、基板の感光面に光が照射される。

本実施形態では、封止管１３Ｂの径が電極側から封止管端部までの範囲で一定ではなく、一部テーパー部を設けた構造になっている（ただし、図１では封止管１３Ａ、１３Ｂについてそのような断面形状を描いていない）。以下では、封止管の断面形状およびその構造について、説明する。

図２は、陽極側の封止管断面図である。なお、陰極側の封止管内部も同様の構造にすることも可能である。

封止管１３Ｂは、発光管１２と一体的に繋がる外側封止管４０と内側封止管５０から成り、封止管１３Ｂ内部には、電極支持棒１７Ｂとともに内側ガラス管４２、筒状のガラス部材４４、リード棒１５Ｂなどを含むマウント部品６０Ｂが封止されている。電極支持棒１７Ｂは、内側ガラス管４２、リング状の内側金属部材４６に挿通され、ガラス部材４４の一部まで延びている。電極支持棒１７Ｂは、ランプ軸Ｘ上に沿って内側ガラス管４２、内側金属部材４６、ガラス部材４４により保持されている。

内側金属部材４６は、内側ガラス管４２とガラス部材４４との間に設けられており、ガラス部材４４と外側ガラス管４７との間には、リング状の外側金属部材４５が設けられている。内側ガラス管４２と内側金属部材４６との間や、ガラス部材４４と外側金属部材４５との間など各部材間には、ディスク状の円板箔（図示せず）を設けてもよい。ガラス部材４４の外表面には、帯状の金属箔４９が軸方向Ｘに沿って延在し、その両端が外側金属部材４５および内側金属部材４６と接続されている。なお、図２では、金属箔４９の厚さは誇張して描いている。

ランプ製造時の加熱、縮径（封止）工程により、外側封止管４０は、内側封止管５０、内側ガラス管４２と溶着し、また、内側封止管５０は、内側ガラス管４２、ガラス部材４４、外側ガラス管４７と溶着している。外側金属部材４５と面する外側ガラス管４７は、マウント部品６０Ｂにおいて封止管１３Ｂの端部（以下、後端部という）を封止する場所に位置し、このような封止構造により、発光管１２の気密性が維持される。そして、封止管１３Ｂの端部は口金１４Ｂによって覆われている。なお、マウント部品６０Ｂは、例えばリード棒１５Ｂを固定する固定リングが含まれてもよく、上記に限定されるものではない。

本実施形態では、ガラス部材４４全体の径が一定ではなく、電極側に相対的に大きな径Ａをもつ大径部４４Ａ、後端部側（後端側）に相対的に小さな径Ｃをもつ小径部４４Ｃ、その間に電極側から後端部側（後端側）へ先細くなるテーパー部４４Ｂが構成されている。テーパー部４４Ｂは、ここでは一定の傾斜角度をもつ傾斜面４４Ｂｔが形成されており、テーパー部４４Ｂの径Ｂは、一定の割合で電極側から後端部側（後端側）へ小さくなっていく。

大径部４４Ａ、小径部４４Ｃの径Ａ，Ｃは、それぞれ軸方向全体に渡ってそれぞれ実質的に一定である。また、外側ガラス管４７の径は小径部４４Ｃの径Ｃと一致し、内側金属部材４６付近における内側ガラス管４２の径は、大径部４４Ａの径Ａと等しい。ガラス部材４４のテーパー部４４Ｂは、封止工程（加熱、縮径）前にあらかじめ形成されており、内側封止管５０は、封止工程時、ガラス部材４４の外形に沿って溶着する。

ガラス部材４４には、リード棒１５Ｂが挿入される挿入孔４４Ｍが軸方向Ｘに沿って形成されており、その挿入孔４４Ｍの長さＭは、小径部４４Ｃの軸方向長さＬ３よりも短い。すなわち、挿入孔４４Ｍはテーパー部４４Ｂにまで到達しておらず、ガラス部材４４は、リード棒１５Ｂを小径部４４Ｃにおいて保持する。なお、軸方向長さＬ３は、外側金属部材４５側の端面からテーパー部４４Ｂと小径部４４Ｃの境界部分までの距離を表す。

一方、ガラス部材４４には、電極支持棒１７Ｂが挿入される挿入孔４４Ｎも軸方向Ｘに沿って形成されているが、挿入孔４４Ｎの軸方向長さＮは、大径部４４Ａの軸方向長さＬ１よりも長い。すなわち、電極支持棒１７Ｂは、ガラス部材４４の大径部４４Ａおよびテーパー部４４Ｂによって保持されている。ただし、軸方向長さＬ１は、内側金属部材４６側の端面からテーパー部４４Ｂとの境界部分までの距離を示す。

テーパー部４４Ｂの軸方向長さＬ２は、小径部４４Ｃの軸方向長さＬ３よりも短く、また、大径部４４Ａの軸方向長さＬ１よりも短い。一方、小径部４４Ｃの軸方向長さＬ３は、大径部４４Ａの軸方向長さＬ１よりも長い。したがって、テーパー部４４Ｂの軸方向に関する中央位置は、軸方向Ｘに沿ってガラス部材４４の中間位置よりも電極側に位置する。

このようなテーパー部４４Ｂをガラス部材４４に設けることにより、封止管１３Ｂの後端部の径が小さくなる。その結果、図１に示したリフレクター３００からの反射光が二次焦点へ進行するとき、仮にテーパー部４４Ｂを設けていなければ封止管１３Ｂに当たる反射光が封止管１３Ｂに当たることなく進行し（図２直線矢印参照）、光を最大限利用することができる。

特に、テーパー部４４Ｂが比較的電極側の箇所に位置することで封止管１３Ｂの径変化が比較的電極側で始まることになり、テーパー部４４Ｂの角度を急傾斜させることなく、封止管１３Ｂの後端部側の径を小さくすることができる。このような封止管１３Ｂの断面形状により、封止管１３Ｂの断面形状を途中部分で変化させながら、封止管１３Ｂの強度を十分保つことができる。

本実施形態では、例えば径一定の筒状ガラス部材を、封止工程において加熱調整によりテーパー部を形成するといったものではなく、テーパー部４４Ｂをあらかじめ形成したガラス部材４４に対して内側封止管５０を溶着させている。これにより、ガラス部材４４の断面形状が変化する複雑な封止管１３Ｂを、強度を低下させることなく精度よく形成することができる。

また、外側ガラス管４７と径が等しい小径部４４Ｃを設けることによって、封止管１３Ｂの後端部が全体的に同一径Ｃとなる。そのため、従来使用されている口金１４Ｂをそのまま使用することが可能となり、テーパー部４４Ｂの形成に伴う専用口金を用意する必要がない。特に、内側封止管５０、外側封止管４０から成る封止管１３Ｂであるにも関わらず、１つの封止管用に使用される口金を使用することが可能となる。

一方、電極支持棒１７Ｂの挿入孔４４Ｎは、大径部４４Ａを超えてテーパー部４４Ｂまで延びており、電極支持棒１７Ｂは、大径部４４Ａとテーパー部４４Ｂによって保持されている。陽極３０が重い場合、できるだけ挿入孔４４Ｎを深くして陽極３０を保持しなければ、陽極３０を保持する表面積が少ないことでガラス部材４４に負担がかかる。しかしながら、径が相対的に小さい小径部４４Ｃは大径部４４Ａやテーパー部４４Ｂに比べて強度が低いため、小径部４４Ｃで電極支持棒１７Ｂを保持するとガラス部材４４がクラックしてしまう。本実施形態では、比較的径の大きい大径部４４Ａ、テーパー部４４Ｂで電極支持棒１７Ｂを保持するため、クラックの発生を抑えることができる。その一方で、リード棒１５Ｂの挿入孔４４Ｍは、テーパー部４４Ｂにまで延びておらず、リード棒１５Ｂは、小径部４４Ｃによって保持されている。挿入孔４４Ｍを深くしないことで、ガラス部材４４における挿入孔の占める割合を減らし、ガラス部材４４自体の強度低下を防ぐ。

さらに、テーパー部４４Ｂの軸方向長さＬ２を、大径部４４Ａ、小径部４４Ｃの軸方向長さＬ１、Ｌ３よりも短くし、クラックが生じやすい内側金属部材４６、外側金属部材４５付近にテーパー部４４Ｂを形成していない。その結果、内側金属部材４６、外側金属部材４５付近には、それぞれ軸方向全体にわたって実質的に径が一定な大径部４４Ａ、小径部４４Ｃが位置するため、安定して封止工程作業を行うことが可能となり、金属箔４９の箔よれ、箔切れが生じず、封止管１３Ｂの強度低下を防ぐ。

図３は、テーパー部４４Ｂの傾斜角度を示した図である。ただし、金属箔４９、外側封止管４０は便宜上ここでは省略している。テーパー部４４Ｂの傾斜面４４Ｂｔの傾斜角度θは、３°〜２０°の範囲に定められている。３°より小さい場合、十分な効果が得られるほど封止管１３Ｂの外径が小さくならない。一方、２０°を超えるとテーパー角度が急こう配となり、金属箔４９とガラス部材４４との間に隙間が生じて箔よれや、テーパー部４４Ｂと大径部４４Ａの境界部分Ｔ１で箔切れが生じやすくなる。

また、テーパー部４４Ｂと大径部４４Ａの境界部分Ｔ１、およびテーパー部４４Ｂと小径部４４Ｃの境界部分Ｔ２は、エッジが形成されておらず角が取れて丸みを帯びている。すなわち、緩やかな曲面が形成されている。これにより、封止工程のとき、内側封止管５０となじみやすくなり、また、エッジによる金属箔４９の箔切れもない。この丸みを帯びた形状は、切削によって形成してもよく、加熱によって仕上げてもよい。また、境界部分Ｔ１、Ｔ２の少なくとも一方が丸みを帯びた形状であればよい。

このような放電ランプは、様々な製造手法によって製造可能である。例えば、後端側小径部と、その小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、電極側大径部から後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成されている筒状のガラス部材を形成し、電極支持棒をそのガラス部材で保持させたマウント部品を封止管内に挿入し、封止管を外から加熱して縮径し、ガラス部材と封止管を溶着させればよい。

このように本実施形態によれば、封止管１３Ｂ内に電極支持棒１７Ｂ、内側ガラス管４２、ガラス部材４４などを含むマウント部品６０Ｂを封止している放電ランプ１０において、筒状のガラス部材４４は、径Ａをもつ大径部４４Ａ、径Ｃをもつ小径部４４Ｃ、そして大径部４４Ａと小径部４４Ｃとの間に設けられるテーパー部４４Ｂから構成され、封止管１３Ｂは、断面形状が変化するガラス部材４４に沿って溶着している（密に接している）。

なお、２つの封止管を重ねて構成する代わりに、１つの封止管だけで構成することも可能である。大型の放電ランプや小型の放電ランプにかかわらず、封止管強度を低下させることなく、封止管の外径を小さくさせたいときに適用できる。テーパー部については、変化率を一定とせず、全体的あるいは部分的に曲面を形成してもよい。また、ショートアーク型以外の放電ランプにも適用することが可能である。

１０ 放電ランプ
３０ 陽極
４０ 外側封止管
４４ ガラス部材
４４Ａ 大径部
４４Ｂ テーパー部
４４Ｃ 小径部
５０ 内側封止管
３００ リフレクター

Claims (7)

1. 発光管と一体的に繋がる封止管と、
   前記発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、外表面には軸方向に延びる金属箔の少なくとも一部が接している筒状ガラス部材とを備え、
   前記ガラス部材が、外部電源と接続する導電性棒状部材の挿入穴から外表面までの径方向に沿った部分において、ガラスで詰まっており、後端側小径部と、前記後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、前記電極側大径部から前記後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記導電性棒状部材の挿入穴の軸方向長さが、前記後端側小径部の軸方向長さより短いことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 発光管と一体的に繋がる封止管と、
   前記発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、外表面には軸方向に延びる金属箔の少なくとも一部が接している筒状ガラス部材とを備え、
   前記ガラス部材が、後端側小径部と、前記後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、前記電極側大径部から前記後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成され、
   前記電極支持棒が、前記電極側大径部および前記テーパー部によって保持されていることを特徴とする放電ランプ。
4. 発光管と一体的に繋がる封止管と、
   前記発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、外表面には軸方向に延びる金属箔の少なくとも一部が接している筒状ガラス部材とを備え、
   前記ガラス部材が、後端側小径部と、前記後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、前記電極側大径部から前記後端側小径部に向けて先細くなっているテーパー部とから構成され、
   前記テーパー部の軸方向長さが、前記電極側大径部および前記後端側小径部の軸方向長さよりも短いことを特徴とする放電ランプ。
5. 前記テーパー部が、３°≦θ≦２０°の範囲内に定められた傾斜角度θの傾斜面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 前記後端側小径部と前記テーパー部および前記電極側大径部と前記テーパー部との境界部分の少なくとも一方が、丸みを帯びていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 後端側小径部と、前記後端側小径部よりも大きな径を有する電極側大径部と、前記電極側大径部から前記後端側小径部に向けて外表面を含めて先細くなっているテーパー部とから構成されている筒状のガラス部材を形成し、
   電極支持棒を前記ガラス部材で軸保持させたマウント部品を封止管内に挿入し、
   前記封止管を加熱して縮径し、前記テーパー部を含めた前記ガラス部材の外表面に対し前記封止管を溶着させることを特徴とする放電ランプの製造方法。

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