JP7175228B2 - 放電ランプおよびその製造方法 - 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。

大型のショートアーク型放電ランプ（例えば１ｋＷ以上）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。

このような放電ランプのマウント部品では、筒状ガラス管によって保持される電極支持棒に対して金属リングを固定させ、複数の帯状金属箔を金属リング外周面に溶着させる。これによって、電力が金属箔、金属リング、電極支持棒を介して発光管内の電極に供給される。

ランプ点灯中、金属部品と封止管の熱膨張量の差により、金属リング付近や帯状金属箔付近において封止管にクラックが生じやすい。これを防ぐため、例えば、所定の条件式を満たすように、帯状の金属箔の厚さを特有の厚さに定める（特許文献１参照）。

特許第６３７１２７５号公報

露光対象物の大型化やスループット向上のためには、放電ランプの更なる高出力が求められ、また、精密な露光を実現するため、ランプ点灯時に流れる電流は高電流となり、これまで以上に封止管が熱の影響を受ける。このような放電ランプにおいて、金属箔の厚さ調整だけでクラック発生を抑制するのが難しい。

したがって、放電ランプに対し、熱耐久性の優れた封止管の封止構造を提供することが求められる。

本発明の放電ランプは、発光管内の電極を支持し、発光管と一体的に繋がる封止管内に配設される電極支持棒と、電極支持棒が挿通され、封止管と溶着するガラス管と、電極軸に沿って配設された金属箔と電極支持棒とを電気的に接続する金属部材とを備える。例えば、封止管は、二重封止管など複数の封止管で構成可能である。

そして、金属部材が、円盤部と、円盤部の周縁の少なくとも一部から発光管側へ延びる延出部とを備え、延出部が、電極軸に対して電極支持棒から離れる方向に延びている。ここで、延出部は、少なくともその一部が電極軸から離れる方向に延びていればよく、円盤部の周縁から延びる方向が、電極軸に対して傾斜した方向に構成することが可能であり、また、周縁から直状に延びて端部で傾斜するように構成することも可能である。

延出部全体が、同じ方向に延びてもよく、あるいは、端部側で角度を変えて延びてもよい。例えば、延出部が、円錐面を形成するように構成することが可能であり、また、円錐面および円柱面を形成し、端部側が電極軸に平行に延びる直状部を設けるようにしてもよい。延出部は、電極軸に対して０°＜θ≦１５°の範囲で傾斜するようにするのがよい。

延出部の端部は、封止管に熱膨張の影響を与えないように、ガラス管と対向するように構成することが可能である。例えば、ガラス管が、金属部材と対向する端部に段差部分を設け、延出部の端部が、段差部分と向かい合うようにすることができる。延出部の周囲の少なくとも一部(特にガラス管と対向する延出部端面側)に、延出部の熱膨張を受け入れる隙間を形成するのが良い。

金属箔および金属部材を覆う箔部材を設ける場合、箔部材で延出部を覆うため、箔部材のガラス管側端部は、延出部の端部よりもガラス管側に位置するようにするのがよい。ガラス管と金属部材との間に配置され、金属部材に応じた形状を有する円板箔を設けることも可能である。

本発明の他の態様である放電ランプは、発光管内の電極を支持し、発光管と一体的に繋がる封止管内に配設される電極支持棒と、電極支持棒が挿通され、封止管と溶着するガラス管と、電極軸に沿って配設された金属箔と電極支持棒とを電気的に接続する金属部材とを備え、金属部材が、円盤部と、円盤部の周縁の少なくとも一部から発光管側へ延びる延出部とを備え、延出部が、電極軸に沿って延び、その端部はガラス管と対向している。

本発明の他の態様である金属部材は、放電ランプの封止管内に封止され、封止管内に設けられる電極支持棒と同軸的に配置される金属部材であって、円盤部と、円錐面を形成するように、円盤部の周縁から少なくとも一方の円盤部側面方向へ末広がりに延びる傾斜部を設けた延出部とを備える。

本発明の他の態様である放電ランプの製造方法は、円盤状の金属素材を、その周縁から末広がりの円錐面を含む形に形成するように加工して、ボウル状の金属部材を成形する工程と、電極支持棒を金属部材に溶接する工程と、金属部材を含むマウント部品を封止管に挿入し、封止する工程とを含む。

本発明によれば、熱耐久性の優れた封止構造をもつ放電ランプを提供することができる。

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。 金属部材付近における封止管の概略的断面図である。 金属部材の断面図である。 本実施形態の変形例である金属部材を示した図である。 本実施形態の第２の変形例である金属部材を示した図である。 封止管に対する応力の低減度合いを表すグラフを示した図である。

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発光管１２内に陽極１４、陰極１６を対向配置させた放電ランプであり、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の内部には、陰極１６、陽極１４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、封止管２０、６０の両端は、口金８０Ａ、８０Ｂで塞がれている。放電空間１１には水銀および希ガスが封入されており、例えば定格電力１ｋＷ以上で発光するように水銀量が定められている。

図２は、図１の陰極側のマウント部品１８Ａ付近の概略的断面図である。ここでは口金８０Ａは省略している。なお、陽極側のマウント部品１８Ｂも同様の構成になっている。

封止管２０は、ここでは二重管封止構造になっており、内側封止管２０Ａ、外側封止管２０Ｂから成り、内側封止管２０Ａと外側封止管２０Ｂは互いに溶着している。マウント部品１８Ａは、円筒状の肉厚ガラス管（以下、ガラス管という）２４、柱状のガラス部材３４、そして複数の帯状の金属箔３６とを備える。内側封止管２０Ａは、ガラス管２４およびガラス部材３４と溶着している。

封止管２０内には、陰極１６を支持する導電性の電極支持棒２２Ａが、電極軸Ｅ（ランプ軸）に沿って配置されている。電極支持棒２２Ａは、ガラス管２４に形成された軸穴２４Ａに挿通され、ガラス管２４によって保持される。

一方、封止管端部側（口金８０Ａ側）では、導電性のリード棒２８が、電極支持棒２２Ａと対向するように配置されている。電極支持棒２２Ａおよびリード棒２８は、ガラス部材３４の両端に設けられた穴（凹み部分）３４Ａ、３４Ｂにそれぞれ軸挿され、ガラス部材３４は、電極支持棒２２Ａおよびリード棒２８を保持する。リード棒２８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。

ガラス部材３４の両端には、金属リング（金属部材）２６、３２がそれぞれ配置され、電極支持棒２２Ａ、リード棒２８は、それぞれ金属リング２６、３２の軸穴２６Ａ、３２Ａに溶接され、ともに電極軸Ｅに対し同軸配置されている。金属リング２６、３２は、導電性の任意の金属素材（例えばタングステン、モリブデン、タンタル等）で構成可能である。

発光管１２に近い金属リング（以下、内側金属リングという）２６は、ディスク状で電極支持棒２２Ａを挿通させる穴の開いた円板箔４２、４４に挟まれており、他方の金属リング（以下、外側金属リングという）３２も同様に、ディスク状の円板箔５２、５４に挟まれている。封止管端部側は、リード棒２８を挿通させて保持する肉厚固定ガラス管５０が固定されている。

内側金属リング２６と外側金属リング３２の間には、複数の帯状金属箔（例えばモリブデン箔）３６がガラス部材３４の外表面に沿って電極軸Ｅに沿って延び、その両端は、内側金属リング２６、外側金属リング３２の外周面に溶接されている。外側金属リング３２は、リード棒２８と金属箔３６とを電気的に接続させ、内側金属リング２６は、金属箔３６と電極支持棒２２Ａとを電気的に接続させる。

図３は、内側金属リング２６付近における封止管２０の概略的断面図である。図４は、内側金属リング２６の断面図である。

内側金属リング２６は、両側面が平坦な円盤部２６Ｂをベース部分とし、その円盤部２６Ｂの周縁から発光管側に延びるリング状の延出部２６Ｃが形成されている。延出部２６Ｃは発光管側に向けて末広がりの円錐面２６Ｓ３を形成し、発光管側から見ると、内側金属リング２６は、一方の側面２６Ｓ２を底面としたボウル（鉢）状に形成されている。

図４に示すように、延出部２６Ｃは、電極軸Ｅに対して電極支持棒２２Ａから離れる方向、すなわち封止管外側に向けて角度θだけ傾斜している。ここでは、角度θは、０°＜θ≦１５°の範囲に定められている。延出部２６Ｃの端部２６Ｄは、その端面２６Ｓ４が円盤部２６Ｂと平行である。

ガラス管２４は、互いに大きさの異なる径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３をそれぞれ有する円筒状の小径部２４Ｄ１、中径部２４Ｄ２、大径部２４Ｄ３とを連ねた形状を有し、小径部２４Ｄ１と中径部２４Ｄ２、中径部２４Ｄ２と大径部２４Ｄ３との間に、それぞれ段差部分Ｊ１、Ｊ２が形成される。

内側金属リング２６の延出部２６Ｃは、その端面２６Ｓ４が段差部分Ｊ１と向かい合う位置にあり、中径部２４Ｄ２と向かい合う。また、延出部２６Ｃの端面２６Ｓ４と、中径部２４Ｄ２との間には、電極軸Ｅに沿った距離間隔Ｂの隙間ＫＳが設けられている。帯状の金属箔３６は、金属リング２６の延出部２６Ｃまで延び、段差部分Ｊ１、すなわちガラス管２４と接していない。

段差部分Ｊ２は、内側封止管２０Ａと溶着し、また、巻き箔（箔部材）３９と接している。巻き箔３９は、ＭｏやＴａ製の箔で構成され、ガラス部材３４の内側金属リング２６付近からガラス管２４の段差部分Ｊ２に渡って電極軸方向に延び、ガラス部材３４、内側金属リング２６そしてガラス管２４の小径部２４Ｄ１、中径部２４Ｄ２を覆う。ただし、巻き箔３９は、図１、２には示していない。

内側金属リング２６の発光管側側面２６Ｓ２と接する円板箔４２は、内側金属リング２６と同様ボウル（鉢）状に形成され、末広がりの延出部によって円錐面が形成されることによって、内側金属部材２６の円盤部２６Ｂおよび延出部２６Ｃ両方に跨って接している。そのため、内側金属リング２６はガラス管２４の小径部２４Ｄ１と接していない。

このような内側金属リング２６を取り入れることによって、以下述べるようにランプ点灯中の封止管クラック発生を抑制することができる。

ランプ点灯中、内側金属リング２６は熱膨張するが、円盤部２６Ｂだけでなく、どちらかといえば電極軸に近い方向に沿って延びる延出部２６Ｃも熱膨張する。熱膨張の方向が径方向と延出部２６Ｃの延びる傾斜方向に分散することで、巻き箔３９および封止管２０が受ける径方向の応力が低減し（一方向に応力が集中せず）、クラック発生を抑制することができる。特に、傾斜角度θが１５°以下に定められることで、応力を効果的に抑制することができる。

また、延出部２６Ｃが発光管側に向けて延びているため、延出部２６Ｃの熱膨張の方向に金属箔３６も熱膨張し（引っ張られ）、金属箔３６のヨレやシワを防ぐことができる。

一方で、延出部２６Ｃの端部２６Ｄとガラス管２４との間には隙間ＫＳが形成されているため、延出部２６Ｃが熱膨張したときにガラス管２４や封止管２０に対して応力がかからず、クラック発生を抑制することができる。この隙間ＫＳは、ガラス管２４の小径部２４Ｄ１と延出部２６Ｃの端面２６Ｓ４との距離間隔で定められるため、小径部２４Ｄ１の電極軸方向長さを調整すること、すなわち段差部分Ｊ１の形状を定めることにより、隙間ＫＳを所望する電極軸方向長さに定めることができる。また、延出部２６Ｃの端部２６Ｄがガラス管２４と対向した配置であるため、安定して封止作業を行うことが可能となる。

さらに、ガラス部材３４を覆う巻き箔３９が、延出部２６Ｃの端部２６Ｄを超えて、ガラス管２４と接するまで延び、巻き箔３９が隙間ＫＳを覆って隙間ＫＳに露出している。これにより、ランプ点灯中に延出部２６Ｃが熱膨張したとき、巻き箔３９の変形によっても応力を吸収することができるため、より一層クラック発生を抑制することができる。

内側金属リング２６とガラス管２４との間に配置された円板箔４２は、内側金属リング２６の形状に応じたボウル状（鉢状）に形成されている。これによって、延出部２６Ｃがガラス管２４と直接接触せず、ガラス管２４のクラック発生を抑制することができる。

このような封止構造をもつ放電ランプは、以下の製造方法に従って製造することができる。すなわち、電極支持棒挿通用の穴を円盤状の金属素材に形成し、また、金属素材の周縁から末広がりの円錐面を形成するように金属素材をプレス加工などによって加工し、ボウル状（鉢状）の金属部材を成形する。そして、金属部材に電極支持棒を挿通させて溶接するとともに、帯状の金属箔を金属部材外周面に溶接し、マウント部品を組み立てる。マウント部品を封止管に挿入後、熱によって封止管を縮径し、マウント部品を封止する。これによって、放電ランプが製造される。なお、放電ランプの組立手順は上述に限らず、例えば、金属素材のプレス加工後に電極支持棒挿通用穴を形成してもよく、電極支持棒挿通後に金属素材をボウル状に成形してもよい。また、プレス加工以外にも、延出部に相当する部材を溶接したり、すでにボウル状の金属素材を切削成形したりしてもよい。

本実施形態の放電ランプ１０においては、ガラス管に段差部分を形成しているが、段差部分のないガラス管の構成にしてもよい。また、巻き箔はキャップのように被せる構成も可能であり、あるいは巻き箔を設けない構成にしてもよい。本実施形態では大型の放電ランプのため二重封止管を採用したが、二重封止管以外の単一管などによる封止管構造にすることも可能である。また、内側金属リング側面に円板箔を設けない構成にしてもよい。

内側金属リング２６に関し、その延出部の電極軸方向に沿った長さは任意であるが、円盤部の直径よりも短く、また、内側金属リング２６の厚さよりも長く設定すればよい。また、円盤部２６Ｂの角Ｒ（図４）に丸みを設けてもよく、曲率半径０．３～５に定めることができる。

延出部２６Ｃは、円盤部２６Ｂの周縁全体から延びて円錐面を形成しているが、周縁一部から（例えば、所定間隔で）延びる構成にすることも可能である。また、内側金属リング２６については、一方の電極側封止管のみ適用してもよく、また、リード棒と接続する外側金属リングも同様の構成にすることも可能である。

内側金属リングの形状については、円錐面を形成する延出部に加え、円柱面を形成するように軸方向にさらに延びる延出部を設けてもよい。

図５は、本実施形態の第１の変形例である内側金属リングを示した図である。

内側金属リング２６０は、穴２６０Ａを設けた円盤部２６０Ｂの周縁から延出部２６０Ｃが発光管側に延びる形状であり、延出部２６０Ｃは、円錐面を形成する傾斜部２６０Ｃ１と、電極軸Ｅに沿って延び、円柱面を形成する直状部２６０Ｃ２から成る。

延出部２６０Ｃの端部側に直状部２６０Ｃ２を設けることにより、熱膨張する際にも段差部分Ｊ１に向けて隙間ＫＳ内を膨張することになり、さらなるクラック抑制をもたらすことができる。また、直状部２６０Ｃ２を設けることにより、金属箔３６との溶接がしやすくなる。なお、直状部２６０Ｃ２だけで延出部２６０Ｃを構成することも可能であり、延出部２６０Ｃの端部側に傾斜部２６０Ｃ１を構成してもよい。

内側金属リングの形状については、一方の側面から発光管側へ末広がりに延びるボウル形状に限定されず、反対側にも延びる延出部を設けてもよい。

図６は、本実施形態の第２の変形例である内側金属リングを示した図である。内側金属リング３６０は、穴３６０Ａを設けた円盤部３６０Ｂと、円盤部３６０Ｂの周縁から末広がりに側面両方向に延びる延出部３６０Ｃ１、３６０Ｃ２が形成されている。これにより、延出部３６０Ｃ１、３６０Ｃ２の傾斜方向に熱膨張させ、内側金属リング２６と同様の効果を得ることができる。

本実施例の放電ランプは、実施形態に対応する放電ランプをコンピュータ上でモデリングしたものであり、段差部分を形成したガラス管や巻き箔、二重封止管相当の構造を再現している。以下、延出部の傾斜角度を変えながら所定の点灯条件で点灯シミュレーションを行い、封止管に対する応力の低減の度合いを調べた。ただし、８ｋＷの電力を供給して安定点灯する条件下でシミュレーションを行った。

図７は、延出部の傾斜角度と、封止管に対する応力の低減度合いとの関係を表すグラフを示した図である。比較例は、延出部を備えていない従来の円盤状内側金属リングで構成された放電ランプをモデル化している。内側金属リング以外の構成は、実施例と同じである。縦軸は、この比較例の応力値を１とし、実施例の傾斜角度を変えたときの応力値の割合を示している。低い値ほど封止管の破損の可能性が低い。

図７から明らかなように、傾斜角度θが大きくなるほど値が低下している。１０°で最も低下し、それ以降は値が下がらない。すなわち、特に傾斜角度θを１５°以下に定めることで、応力を効果的に抑制できることが分かる。また、傾斜角０°でも値が低下していることから、第１の変形例に示した直状部だけで延出部を形成しても効果があることがわかった。

１０ 放電ランプ
２０ 封止管
２２Ａ 電極支持棒
２４ ガラス管
２６ 内側金属リング（金属部材）
２６Ｂ 円盤部
２６Ｃ 延出部

Claims (13)

1. 発光管内の電極を支持し、前記発光管と一体的に繋がる封止管内に配設される電極支持棒と、
   前記電極支持棒が挿通され、前記封止管と溶着するガラス管と、
   電極軸に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続する金属部材とを備え、
   前記金属部材が、円盤部と、前記円盤部の周縁の少なくとも一部から発光管側へ延びる延出部とを備え、
   前記延出部が、電極軸に対して前記電極支持棒から離れる方向に延びていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記延出部が、円錐面を形成していることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記延出部が、円錐面および円柱面を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記延出部が、電極軸に対して０°＜θ≦１５°の範囲で傾斜してい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. 前記延出部の端部が、前記ガラス管と対向してい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. 前記延出部の周囲の少なくとも一部に、隙間が形成され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. 前記ガラス管が、前記金属部材と対向する端部に段差部分を有し、
   前記延出部の端部が、前記段差部分と向かい合う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. 前記金属箔および前記金属部材を覆う箔部材をさらに備え、
   前記箔部材のガラス管側端部は、前記延出部の端部よりもガラス管側に位置することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放電ランプ。
9. 前記ガラス管と前記金属部材との間に配置され、前記金属部材に応じた形状を有する円板箔をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放電ランプ。
10. 前記封止管が、複数の封止管で構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の放電ランプ。
11. 放電ランプの封止管内に封止され、前記封止管内に設けられる電極支持棒と同軸的に配置される金属部材であって、
    円盤部と、
    円錐面を形成するように、前記円盤部の周縁から少なくとも一方の円盤部側面方向へ末広がりに延びる傾斜部を設けた延出部と
    を備えることを特徴とする金属部材。
12. 発光管内の電極を支持し、前記発光管と一体的に繋がる封止管内に配設される電極支持棒と、
    前記電極支持棒が挿通され、前記封止管と溶着するガラス管と、
    電極軸に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続する金属部材とを備え、
    前記金属部材が、円盤部と、前記円盤部の周縁の少なくとも一部から発光管側へ延びる延出部とを備え、
    前記延出部が、電極軸に沿って周縁から延び、その端部が前記ガラス管と対向することを特徴とする放電ランプ。
13. 円盤状の金属素材を、その周縁から末広がりの円錐面を含む形に形成するように加工して、ボウル状の金属部材を成形する工程と、
    電極支持棒を前記金属部材に溶接する工程と、
    前記金属部材を含むマウント部品を封止管に挿入し、封止する工程と
    を含むことを特徴とする放電ランプの製造方法。

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