JP6883410B2 - 放電ランプ及び放電ランプの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプの封止構造に関し、特に、二重封止構造に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、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構造が大型になると、過度な応力が封止管にかかり、破損する恐れがある。その対策として、封止管を二重にする構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、マウント部品が挿入される封止管を、外側封止管、内側封止管で構成し、内側封止管と外側封止管とを溶着させるとともに、マウント部品のガラス管に溶着させる。

特許第４１８２９００号公報

内側封止管の放電空間側端部と外側封止管との溶着部分、あるいはガラス管との溶着部分には隙間が生じやすく、この隙間を起点としてクラックが発生する恐れがある。しかしながら、この隙間をできる限りなくすためには溶着を入念に行う必要があり、封止作業時間および検査時間の増加を招き、ランプ製造効率が悪化する。

したがって、ランプ製造効率を低下させることなく、内側封止管の放電空間側端部付近でクラックが発生するのを抑えることができる二重封止構造が求められる。

本発明の放電ランプは、放電管と一体的に繋がる外側封止管と、放電管内の電極を支持する電極支持棒を保持するガラス管と、外側封止管とガラス管との間に同軸的に配置され、その放電空間側端部がガラス管の放電空間側端部よりも封止管中央側に位置する内側封止管とを備える。

そして、内側封止管の放電空間側端部においては、ランプ外側方向を向く傾斜面が形成され、傾斜面端部はガラス管と接している。この傾斜面は、外側封止管との溶着前から傾斜面として形成され、外側封止管との溶着前後において傾斜している面である。一方、外側封止管は、傾斜面に沿うように変形し、内側封止管と溶着（密着）している。これによって、簡易な製造方法でも隙間の発生を抑えることが可能となり、また、隙間が発生したとしても非常にわずかなものであり、クラック発生を抑えることができる。そして、あらかじめ溶着前に形成された傾斜面に沿って外側封止管が変形し、溶着していることにより、当初の意図した通りに十分な強度をもつ二重封止構造を得ることができる。

楔の発生を抑えるため、例えば、傾斜面と内側封止管外周面との境界部分の少なくとも一部について、丸みを帯びるように形成してもよい。また、傾斜面に対し、滑らかな凹面もしくは凸面を設けるようにしてもよい。

例えば、ガラス管が、放電空間側に向けて先細くなるテーパー部分を備えている場合、クラック発生を抑えるため、内側封止管の放電空間側端部を、テーパー部分よりも封止管中央側に位置するように構成することが可能である。

内側封止管とガラス管とが溶着している軸方向長さをＬ１、ガラス管の封止管中央側端面からテーパー部までの軸方向長さをＬ２とすると、以下の式を満たすようにすることができる。

１．０≦ Ｌ２／Ｌ１ ≦７．０

また、内側封止管の放電空間側端部の肉厚をｔ、内側封止管の放電空間側端部と対向する外側封止管の肉厚をＴとすると、以下の式を満たすようにすることができる。

０．２５ ≦ Ｔ／ｔ ≦ ２．６７

傾斜面については、傾斜面の傾斜角度θが、９０°＜ θ ≦ １６０°の範囲内に定めればよい。

本発明の他の態様における放電ランプの製造方法は、電極支持棒を保持するガラス管を含むマウント部品を、その放電空間側端面に軸方向とは逆の外側を向く傾斜面を形成した内側封止管内に挿入し、マウント部品を挿入した内側封止管を、外側封止管内に挿入し、内側封止管を挿入した外側封止管の外から加熱して縮径する。

また、他の態様における放電ランプの製造方法は、電極支持棒を保持するガラス管を含むマウント部品を、その放電空間側端部が軸方向に垂直な端面として形成されている内側封止管内に挿入し、マウント部品を挿入した内側封止管を外部から加熱して、ガラス管と内側封止管とを溶着させ、ガラス管の軸方向途中部分に位置する内側封止管に軸方向とは逆の外側を向く傾斜面を形成し、外側封止管内に、加熱した内側封止管を挿入し、内側封止管を挿入した外側封止管を外部から加熱して縮径する。

本発明によれば、二重封止構造を有する放電ランプにおいて、クラック発生を抑えることができる。

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。 陰極側の封止管断面図である。 内側封止管の端部付近を拡大した断面図である。

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の概略的構成図である。

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放電管１２を備え、放電管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。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管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を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設されている。電極支持棒１７Ａ、１７Ｂは、それぞれ金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂと接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、内部に設けられたガラス管（ここでは図示せず）と溶着し、これによって放電管１２が封止される。そして、その両端が口金（図示せず）によって覆われる。ただし、図１では封止管１３Ａ、１３Ｂ部分を模式的に示している。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂを介して陰極２０、陽極３０に電力が供給される。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、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、陰極２０、陽極３０が鉛直方向に沿って並ぶようにショートアーク型放電ランプ１０が配置されている。

図２は、陰極側の封止管断面図である。図３は、内側封止管の端部付近（ＬＡ付近）を拡大した断面図である。図２、３を用いて、二重封止構造について説明する。なお、陽極側の封止管内部も同様の構造である。

封止管１３Ａは、外側封止管４０と内側封止管５０による二重封止構造となっており、封止管１３Ａ内部には、電極支持棒１７Ａとともに内側ガラス管４２、筒状ガラス部材４４、内側金属部材４６を含むマウント部品６０が封止されている。電極支持棒１７Ａは、内側ガラス管４２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１７Ａは、ランプ軸上に沿って内側ガラス管４２、ガラス部材４４に保持されている。電極支持棒１７Ａと内側ガラス管４２との間には巻き箔（図示せず）が設けられていてもよい。

内側ガラス管４２とガラス部材４４との間には、環状の内側金属部材４６（以下、内側金属リングともいう）が設けられており、内側ガラス管４２の放電空間側（電極側）の端面（以下、放電空間側端面という）４２Ｍとは反対の端面（以下では、封止管中央側端面という）４２Ｓと、ガラス部材４４の放電空間側端面４４Ｓに対し、ディスク状の円板箔（図示せず）を介して、その側面全体で面している。

マウント部品６０は、さらに、電源からの配線と接続するリード棒、ガラス部材４４とともにリード棒を保持する外側ガラス管、外側ガラス管とガラス部材４４との間に配置されるリング状の外側金属部材、内側金属部材４６と外側金属部材とを電気的に接続する金属箔、封止管外側端部を封止する固定リングなどを備えているが、ここでは図示していない。

内側ガラス管４２は、封止管中央側端面４２Ｓから放電空間側端面４２Ｍに向けて先細くなるテーパー部分４２Ｔを有する。したがって、内側ガラス管４２は、内側金属リング４６からテーパー部分４２Ｔまでの間の太径部と、内側ガラス管４２の軸方向に沿った断面にて径方向に向かって凹となるテーパー部分４２Ｔをもつ滑らかな曲面形状になっている。外側封止管４０は、このような曲面形状に沿って内側ガラス管４２に溶着している。

内側ガラス管４２にテーパー部分４２Ｔを形成することで、放電空間Ｓと接する放電空間側端面４２Ｍの熱容量が小さくなり、点灯開始後の水銀蒸発を促進し、安定点灯へ移行するまでの時間を短縮することができる。また、テーパー部分４２Ｔのような曲面形状を形成することで、内側ガラス管４２と外側封止管４０との溶着を確実にしている。

内側封止管５０は肉厚ｔを有し、軸方向Ｘに沿って図示しない外側ガラス管付近から内側金属リング４６を超えて延在している。しかしながらその放電空間側端部５２は、放電空間Ｓまで達しておらず、内側ガラス管４２の途中部分に位置する。より具体的には、放電空間側端部５２は、軸方向Ｘに沿って内側金属リング４６と内側ガラス管４２のテーパー部分４２Ｔとの間（内側ガラス管４２の軸方向に沿って一定の径を有する部分）に位置している。

一方、外側封止管４０は、厚さＴを有し、封止管１３Ａ全体に渡って軸方向Ｘに延びており、内側封止管５０全体と溶着している。このような二重封止構造により、放電空間Ｓの気密性を確実に維持することができるとともに、大型のマウント部品６０を封止管１３Ａ内で確実に保持することを可能とする。

ランプ製造時の加熱工程により内側封止管５０と外側封止管４０は溶着しており、一体的となって互いに密接している。また、内側封止管５０は、その内周面５０Ｓにおいて、ガラス部材４４、内側ガラス管４２と溶着している。

内側封止管５０の放電空間側端部５２付近では、ランプ製造時に加熱工程によって縮径するとき、断面構造の変わり目のために隙間が生じやすい。特に、内側封止管５０、外側封止管４０、内側ガラス管４２が互いに隣り合う境界点ＰＱにこのような隙間が生じやすく、クラック発生の原因となる。しかしながら本実施形態では、内側封止管５０の放電空間側端部５２において傾斜面５２Ｓを形成することにより、クラック発生を抑制することができる。以下、これについて詳述する。

内側封止管５０の放電空間側端部５２では、傾斜面５２Ｓが内側封止管端面を構成し、その傾斜角度θは、９０°＜θ≦１６０°の範囲に定められている。すなわち、ランプ外（外側封止管側）を向くように傾斜面５２Ｓが形成されている。ただし、傾斜角度θは、ランプ中心側を向く軸方向Ｘからの角度を表す。

傾斜面５２Ｓは、ここではほぼ全体が角度θをもつ平面として形成される一方、外側封止管４０と溶着する内側封止管５０の外周面５０Ｍと傾斜面５２Ｓとの境界部分５２Ｐは、角が取れていて丸みを帯びている。すなわち、緩やかな曲面で傾斜面５２Ｓと外周面５０Ｍが繋がっている。この傾斜面５２Ｓは、ランプ製造時の加熱（外側封止管４０との溶着）工程前にあらかじめ形成されており、外側封止管４０との溶着前後を通じて傾斜状態にある。一方、外側封止管４０は、加熱工程において内側封止管５０よりも外側にあって、負圧状態にされながら熱せられるため、その傾斜面５２Ｓに沿って変形しながら内側封止管５０と溶着している。

このように内側封止管５０の放電空間側端部５２に対して傾斜面５２Ｓを溶着前にあらかじめ形成することにより、外側封止管４０との溶着が容易となり、確実に封止することができる。特に、従来のように放電空間側端部を軸方向Ｘに対して垂直（９０°）な端面として形成した場合と比べ、製造時に隙間が生じるのを抑えたり、生じる隙間を小さくしたりすることができる。さらに、傾斜面５２Ｓに沿うように変形した外側封止管４０によって隙間の形状は安定し、局所的に応力のかかる隙間が減り、クラックの発生を抑制する。また、ランプ製造時に加熱を必要以上しなくても放電空間側端部５２において確実な溶着を実現することができるため、加熱作業の負担を低減することができる。

仮にわずかな隙間が境界点ＰＱに生じても、境界点ＰＱ付近に生じる隙間は傾斜面５２Ｓに沿っているため、必要以上に応力がかかりにくく、クラック発生を抑えることができる。そのためクラック抑制のために隙間を消滅させるほど加熱しなくてもよいので、加熱作業の負担を低減することができる。一方、傾斜面５２Ｓの境界部分５２Ｐが丸みを帯びていることにより、外側封止管４０となじみやすくなり、角があることによる微細な楔発生を抑えることができる。特に、傾斜角度θは、９０°未満では上述した効果を得ることができず、１６０°を超えてしまうと傾斜面５２Ｓが破損しやすくなる。したがって、内側封止管５０の厚さｔ、外側封止管４０の厚さＴなど寸法に従って傾斜角度θを上記範囲に従って定めることにより、最適な溶着を実現することができる。

上述したように、内側ガラス管４２には安定点灯までの速やかな移行と外側封止管４０との確実な溶着のためにテーパー部分４２Ｔが形成されている。内側封止管５０の放電空間側端部５２をテーパー部分４２Ｔの位置に定めると、内側封止管５０の内周面５０Ｓとテーパー部分４２Ｔとの間に楔（微細な隙間）が生じてしまう。この楔をできる限りなくすためには溶着を入念に行う必要があり、封止作業時間の増加を招く。しかしながら本実施形態では、内側封止管５０の放電空間側端部５２は、内側ガラス管４２のテーパー部分４２Ｔまで延びていない。したがって、内側ガラス管４２と内側封止管５０の内周面５０Ｓとの間に楔が生じることがなく、そこからクラックが発生するのを防ぐことができる。

ここでは、内側封止管５０と内側ガラス管４２とが溶着している軸方向長さをＬ１、内側ガラス管４２の太径部の部分、すなわちテーパー部分４２Ｔまでの軸方向長さをＬ２としたとき、以下の式を満たすようにＬ１、Ｌ２が定められている。

１．０≦ Ｌ２／Ｌ１ ≦７．０ ・・・・（１）

外側封止管４０、内側封止管５０の寸法などに従ってＬ１、Ｌ２を定めることにより、内側封止管５０の放電空間側端部５２の軸方向Ｘに沿った内側ガラス管４２における位置を適切な位置に定めることが可能となる。特に、内側ガラス管４２の封止管中央側端面４２Ｓより封止管中央側（内側金属リング４６の位置）に放電空間側端部５２を定めると（Ｌ２／Ｌ１が７．０より大きいと）、電極支持棒１７Ａと内側ガラス管４２との僅かな隙間には放電空間Ｓの圧力が伝わり、内側金属リング４６と内側ガラス管４２との僅かな隙間を通じて傾斜面５２Ｓや境界点ＰＱにその圧力がかかることになり、クラック発生の恐れがある。しかしながらそのような位置に放電空間側端部５２を配置しないことで（Ｌ２／Ｌ１を７．０以下とすることで）、クラック発生を抑えることができる。

一方、内側封止管５０の放電空間側端部５２の肉厚ｔと内側封止管５０の放電空間側端部５２と対向する外側封止管４０の肉厚Ｔは、以下の式を満たすように定められている。

０．２５ ≦ Ｔ／ｔ ≦ ２．６７

内側封止管５０が薄すぎ、外側封止管４０が厚すぎると、放電空間側端部５２が破損しやすくなるとともに、溶着する前に（熱が外側封止管４０の内周面４０Ｓに十分に伝わる前に）外側封止管４０の外周面４０Ｍが先に変形してしまう。一方、内側封止管５０が厚すぎで外側封止管が薄すぎると、傾斜面５２Ｓの形成に時間がかかるとともに、外側封止管４０が早く溶融して変形し、封止が難しい。本実施形態では、このような事態を避けるように肉厚ｔ、Ｔが定められている。

以上のような二重封止構造をもつショートアーク型放電ランプ１０は、所定の製造方法によって製造することができる。例えば、電極支持棒１７Ａを保持する内側ガラス管４２などを含むマウント部品６０を、その放電空間側端面に軸方向とは逆の外側を向く傾斜面を形成した内側封止管５０内に挿入する。このとき、この傾斜面が内側ガラス管４２の太径部（軸方向に沿って一定の径を有する部分）に位置するように調節する。内側封止管５０は、径が両端部で等しい管状のガラスを使用することができる。

そして、マウント部品６０を挿入した内側封止管５０を、同じく両端部で径が等しい外側封止管４０内に挿入した後、内側封止管５０を挿入した外側封止管４０の外から加熱して縮径する。これにより、内側封止管５０と内側ガラス管４２（マウント部品６０）を溶着させるとともに、外側封止管４０を内側封止管５０と溶着させる。その結果、加熱前から形成されていて加熱後も略同じ形状の傾斜面５２Ｓに対して、外側封止管４０が傾斜面５２Ｓに沿って溶着する。このような製造方法によれば、１回の加熱工程でショートアーク型放電ランプ１０を製造することができる。

傾斜面５２Ｓの形成方法については、様々な方法を適用することが可能である。例えば、ダイヤモンドカッターによる切断、急速加熱による切断、レーザービーム、電子ビームなどによる切断、化学腐食による切断などが可能である。

一方、加熱工程を２回に分けることも可能である。例えば、電極支持棒１７Ａを保持する内側ガラス管４２などを含むマウント部品６０を、その放電空間側端部が軸方向に垂直な（傾斜させていない）端面として形成された内側封止管５０内に挿入し、マウント部品６０を挿入した内側封止管５０を外部から加熱して、内側ガラス管４２（マウント部品６０）と内側封止管５０とを溶着させる。そして、内側ガラス管４２の太径部（軸方向に沿って一定の径を有する部分）の位置にある内側封止管５０を斜めに切って軸方向とは逆の外側を向く傾斜面５２Ｓを形成し、外側封止管４０内に加熱（マウント部品６０と溶着）した内側封止管５０を挿入し、内側封止管５０を挿入した外側封止管４０を外部から加熱して縮径し、外側封止管４０を内側封止管５０と溶着させる。

このように本実施形態によれば、内側封止管５０と外側封止管４０によってマウント部品６０を封止した二重封止構造において、内側封止管５０の放電空間側端部５２に傾斜面５２Ｓが形成され、外側封止管４０は、製造工程の加熱（内側封止管５０と外側封止管４０との溶着）前にあらかじめ形成された傾斜面５２Ｓに沿って溶着（密着）している。これにより、二重封止構造を有する放電ランプにおいて、クラック発生を抑えることができる。

内側ガラス管については、テーパー部分をもたず一定の径（軸方向に沿って太径部のみ）を有するガラス管で構成してもよい。また、境界部分５２Ｐにおける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。少なくとも一部で丸みを帯びていれば、全周に渡る微細な楔発生を抑えることができる。

傾斜面５２Ｓについては、その端面全体を平面にする代わりに、一部に滑らかな凹部あるいは凸部を設けるようにしてもよい。これにより、接触面が増加して確実に溶着することができる。また、内側封止管の外周面から内周面に向けて同じ傾斜角度ではなく、段階的な傾斜面を設けるようにしてもよい。

本実施形態では金属リングを設けているが、金属リングを設けない構成にしてもよい。また、ショートアーク型以外の放電ランプに適用してもよい。

１０ ショートアーク型放電ランプ
１２ 放電管
２０ 陰極
３０ 陽極
４０ 外側封止管
４２ 内側ガラス管
４６ 内側金属リング
５０ 内側封止管
５２ 放電空間側端部
５２Ｓ 傾斜面

Claims (9)

1. 放電管と一体的に繋がる外側封止管と、
   前記放電管内の電極を支持する電極支持棒を保持するガラス管と、
   前記外側封止管と前記ガラス管との間に同軸的に配置され、その放電空間側端部が前記ガラス管の放電空間側端部よりも封止管中央側に位置する内側封止管とを備え、
   前記内側封止管の放電空間側端部に傾斜面が設けられ、
   前記傾斜面が、その面の向く方向がランプ外側を向くようにランプ軸に対してランプ軸に近づく方へ傾斜するとともに、その面端部が前記ガラス管と接するように形成され、
   前記外側封止管が、前記傾斜面に沿うように前記内側封止管と溶着し、
   前記内側封止管と、前記外側封止管と、前記ガラス管とが互いに隣り合う境界点付近において、前記傾斜面に沿った隙間が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 放電管と一体的に繋がる外側封止管と、
   前記放電管内の電極を支持する電極支持棒を保持するガラス管と、
   前記外側封止管と前記ガラス管との間に同軸的に配置され、その放電空間側端部が前記ガラス管の放電空間側端部よりも封止管中央側に位置する内側封止管とを備え、
   前記内側封止管の放電空間側端部に傾斜面が設けられ、
   前記傾斜面が、その面の向く方向がランプ外側を向くようにランプ軸に対してランプ軸に近づく方へ傾斜するとともに、その面端部が前記ガラス管と接するように形成され、
   前記外側封止管が、前記傾斜面に沿うように前記内側封止管と溶着し、
   前記傾斜面と前記内側封止管外周面との境界部分が、丸みを帯びていることを特徴とする放電ランプ。
3. 前記傾斜面が、滑らかな凹面もしくは凸面を有す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放電ランプ。
4. 前記ガラス管が、放電空間側に向けて先細くなるテーパー部分を有し、
   前記内側封止管の放電空間側端部が、前記テーパー部分よりも封止管中央側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 前記内側封止管と前記ガラス管とが溶着している軸方向長さをＬ１、前記ガラス管の封止管中央側端面から前記テーパー部分が先細くなり始める箇所までの軸方向長さをＬ２とすると、以下の式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
   
   １．０≦ Ｌ２／Ｌ１ ≦７．０
   
6. 前記内側封止管の放電空間側端部の肉厚をｔ、前記内側封止管の前記放電空間側端部と対向する前記外側封止管の肉厚をＴとすると、以下の式を満たす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。
   
   ０．２５ ≦ Ｔ／ｔ ≦ ２．６７
   
7. 前記傾斜面の傾斜角度θが、９０°＜ θ ≦ １６０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 電極支持棒を保持するガラス管を含むマウント部品を、その放電空間側端部に、その面の向く方向がランプ外側を向くように内側封止管軸に対して内側封止管軸に近づく方へ傾斜し、内側封止管外周面から内側封止管内周面にまで至る傾斜面を形成した内側封止管内に挿入し、
   前記マウント部品を挿入した前記内側封止管を、外側封止管内に挿入し、
   前記内側封止管を挿入した前記外側封止管の外から加熱して縮径することを特徴とする放電ランプの製造方法。
9. 電極支持棒を保持するガラス管を含むマウント部品を、その放電空間側端部が内側封止管軸方向に垂直な端面として形成されている内側封止管内に挿入し、
   前記マウント部品を挿入した前記内側封止管を外部から加熱して、前記ガラス管と前記内側封止管とを溶着させ、
   前記ガラス管の軸方向途中部分に位置する前記内側封止管の放電空間側端部に、その面の向く方向がランプ外側を向くように内側封止管軸に対して内側封止管軸に近づく方へ傾斜し、内側封止管外周面から内側封止管内周面にまで至る傾斜面を形成し、
   外側封止管内に、加熱した前記内側封止管を挿入し、
   前記内側封止管を挿入した前記外側封止管を外部から加熱して縮径することを特徴とする放電ランプの製造方法。
   

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