KR101665745B1

KR101665745B1 - 방전 램프

Info

Publication number: KR101665745B1
Application number: KR1020120125330A
Authority: KR
Inventors: 데츠야 도리카이; 가즈유키 모리; 게이스케 오쿠보
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2016-10-12
Also published as: JP2013109992A; TW201322306A; KR20130056822A; TWI544514B; CN103247513B; CN103247513A; JP5397456B2

Abstract

한 쌍의 전극이 배치된 발광관의 양단에 봉지부가 형성되며 상기 봉지부 내에는 유리봉이 매설됨과 더불어, 그 유리봉의 표면에 금속박이 설치되며, 그 금속박이 전극에 전기적으로 접합되어 이루어지는 방전 램프에 있어서, 특히 풀스탠바이 점등될 때 등의 봉지부의 온도 강하시에, 금속박의 수축량이 큰 것에 기인해 유리봉에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.
상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수가, 상기 봉지부를 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

방전 램프 {DISCHARGE LAMP}

본 발명은, 방전 램프에 관한 것이며, 특히 봉지부 내의 유리봉의 표면에 금속박이 설치되어 이루어지는 방전 램프와 관련된 것이다.

종래, 인쇄 업계나 전자 공업계에 있어서는, 잉크나 도료의 건조, 수지의 경화 처리에 사용되는 광화학 반응용 장치의 자외선 광원으로서, 혹은, 반도체 기판이나 액정 디스플레이용의 액정 기판을 노광시키는 것에 사용되는 노광 장치의 자외선 광원으로서 방전 램프가 사용되고 있다.

그 구조로서, 일본 특개 2006-134710호 공보(특허 문헌 1)에 개시된 바와 같이, 봉지부 내부의 유리봉 위에 금속박을 구비한 구조가 알려져 있다.

도 5에 그 구조가 도시되어 있다.

도면에 있어서, 방전 램프(1)의 발광관(2)의 양단부에는 쉬링크 시일된 봉지부(3)가 형성되어 있고, 이 발광관(2) 내에는 한 쌍의 전극(4)이 배치되어있다.

이 전극(4)의 후단부(4a)는, 상하부가 평탄면 형상이 되도록 절삭 가공되어 있어, 거의 각기둥형상이 되어 있다.

상기 봉지부(3)에는, 석영 유리제의 편평한 형상의 유리봉(5)이 매설되고, 이 유리봉(5)을 사이에 두도록, 그 상하면에 한 쌍의 금속박(6,6)이 배치되어 있다.

또, 봉지부(3)에는, 유리제의 유지용 통체(7)가 배치되어 있고, 이 유지용 통체(7)에 전극(4)이 삽입 통과되어 있어, 이에 의해 이 전극(4)이 지지되어 있다.

또한, 금속박(6,6)의 후단에는 외부리드(8)가 접속되어 있다.

그리고, 자외선을 양호하게 방사하기 위해서, 발광관(2) 내에는 수은, 철, 탈륨 등의 금속이 봉입되어 있다.

그런데 최근에, 에너지 절약의 관점에서, 피처리물을 처리할 때는 소정의 광량의 빛을 조사하고, 그 이외의 경우엔, 구체적으로는 피처리물을 반송하는 동안에는, 전력을 줄이고 광출력을 낮춰서 에너지 절약 대책을 실시하는 것이 통상적으로 행해지고 있다.

즉, 정상 점등 모드와 대기 점등 모드를 전환하여 점등하는 방식(소위, 풀스탠바이 점등 방식)이 많이 사용되고 있다.

이러한 방전 램프, 특히 풀스탠바이 점등되는 방전 램프에 있어서는, 봉지부에 열응력의 증감이 반복하여 가해지게 되고, 유리봉의 표면에 금속박을 이용한 봉지부의 구조가 복잡하기 때문에, 금속박이 유리봉으로부터 벗겨져 박들뜸이 발생하거나 혹은, 유리봉에 크랙이 발생하여 파손되어 봉지부의 밀폐 시일 구조가 파괴되거나 하는 문제가 있었다.

이 유리봉의 파손에 대해 설명하면, 도 6(A)에는, 봉지부(3)의 X-X단면에서의 유리봉(5)과 금속박(6)이 도시되어 있다. 도 6(B)에 도시한 바와 같이 봉지부(3)의 온도 변동에 의해 금속박(6)은 두께 방향으로 팽창하거나(A), 수축하거나(B)를 반복한다. 금속박(6)은 유리봉(5)에 용착 상태에 있으므로, 이런 수축시에는, 유리봉(5)에는 인장 응력F가 작용하게 된다. 이 인장 응력F는 유리봉(5)의 양면에서 작용하므로, 그 유리봉(5)에는 그 두께 방향으로 인장 응력이 작용해, 유리봉(5)은 두께 방향으로 벗겨져 크랙K가 발생해 파손에 이르게 되는 것이다.

이 크랙K는, 도 7에 도시한 바와 같이, 유리봉(5)의 각부(5a)에 응력 집중이 일어나, 상기 각부(5a)로부터 축 방향으로 뻗어나가듯이 발생한다. 그리고, 이 축 방향의 크랙A가, 풀스탠바이 점등의 반복에 의해 서서히 크게 성장해, 마침내는 봉지부의 기밀 시일 구조가 파괴되어 시일부 깨짐에 이르는 경우가 있다.

이러한 현상은, 특허 문헌 1에 개시된 롱 아크형 방전 램프의 봉지부 구조에 한하지 않고, 도 8에 도시한, 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서도 동일하게 발생한다.

도 8(A)(B)에 도시한 바와 같이, 쇼트 아크형 방전 램프(11)는, 발광관(12)과 봉지관(13)을 갖고, 발광관(12) 내의 전극(14)은, 봉지관(13) 안에 매설된 유리봉(15)의 표면에 설치된 금속박(16)에 전기적으로 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 전극(14)의 전극 축(14a)에 설치된 집전판(17)이, 유리봉(15)의 단면에 배치되고 이 집전판(17)이 금속박(16)에 접속되어 있는 것이다.

이 경우도, 상기 도 6에서 설명했던 것과 동일한 원리로, 유리봉(15)에 박리 되는 것과 같은 반경 방향의 인장력이 작용해, 크랙K가 발생하는 경우가 있다.

게다가 근래에는, 램프의 고출력화의 요청도 높아지고 있고, 그 요청에 부응하기 위해 램프에 대한 고입력을 도모하려 하면, 대전류에 견디기 위해 금속박을 두껍게 하지 않으면 안 되고, 이 금속박의 두께의 증대는, 상기한 열변화에 의한 수축량이 커져, 유리봉의 크랙 발생을 빈번하게 일으키고 있다.

일본국 특허 공개 2006－134710호 공보

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 봉지부에 유리봉을 이용한 박 구조의 봉지부를 가지는 방전 램프에 있어서, 특히 풀스탠바이 점등 등에 의해 봉지부에 열응력의 증감이 반복하여 가해져도, 유리봉에 크랙이 발생해 파손되어 버리거나, 또는 금속박과 유리봉이 항상 밀착해 박들뜸이 발생하지 않는 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 방전 램프는, 발광관 양단의 봉지부 내에 유리봉의 표면에 금속박을 구비한 방전 램프에 있어서, 상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수는, 상기 봉지부를 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수보다 작은 것을 특징으로 한다.

또, 상기 봉지부는 용융 석영 유리로 이루어지고, 상기 유리봉은 합성 석영 유리로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 OH기 함유량은, 상기 봉지부를 구성하는 유리 부재의 OH기 함유량보다 많은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방전 램프에 의하면, 풀스탠바이 점등 등에 의해, 램프의 봉지부에 반복적인 열응력 변동이 부하되어도, 열 수축시에 봉지부에 의해 유리봉에 압축 응력이 작용해, 유리봉에 금속박에 의한 인장 응력이 작용해도 크랙이 발생하지 않고 파손되는 일이 없다.

또, 금속박과 유리봉의 밀착성이 높아, 박이 벗겨져 박들뜸이 생기는 일도 없다.

도 1은 본 발명의 방전 램프의 봉지부의 단면도.
도 2는 다른 실시형태의 봉지부의 단면도.
도 3은 본 발명의 구체적 실시예.
도 4는 본 발명의 효과를 나타내는 평가표.
도 5는 방전 램프의 전체 단면도.
도 6은 종래예의 봉지부에서의 유리봉과 금속박의 작용의 설명도.
도 7은 종래예의 봉지부의 문제점을 나타낸 부분 단면도.
도 8은 다른 종래예의 봉지부의 문제점을 나타낸 부분 단면도.

도 1에 도시한 것은, 도 5에 도시한 것과 같은 롱 아크형 방전 램프의 봉지부(3)의 단면도이며, 이 예에서는 유리봉(5)은 편평한 4각형상 단면이고, 그 상하면에 금속박(6,6)이 설치되어 있어, 봉지부(3)는 쉬링크 시일에 의해 봉지되어 있다.

그리고, 상기 유리봉(5)을 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수(Ka)는, 이 봉지부(3)를 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수(Kb)보다 작게(Ka＜Kb) 되어 있다.

그를 위한 구체예가 도 3의 <표 1>에 기재되어 있고, 실시예1 에서는, 유리봉(5)은 합성 석영 유리로 이루어지고, 봉지부(발광관)(3)는 용융 석영 유리로 이루어진다.

합성 석영 유리와 용융 석영 유리는, 제조법의 차이에 따라 유리의 결정 구조가 다르기 때문에, 그 열적 성질이나 물리적 성질이 다르다. 구체적으로는, 합성 석영 유리의 결정 구조는, 용융 석영 유리의 결정 구조보다 더 완전한 아몰퍼스구조에 가깝기 때문에, 합성 석영 유리의 열팽창 계수는, 용융 석영 유리의 열팽창 계수보다 낮고, 또 합성 석영 유리의 점성은, 용융 석영 유리의 점성보다 낮다.

그리고, 일례로서 각각의 열팽창 계수(1/K)는, 도 3＜표 1＞에 기재한 것처럼, 합성 석영 유리로 이루어지는 유리봉(5)은 4.7×10^-7이고, 용융 석영 유리로 이루어지는 봉지부(3)는 5.9×10^－ ⁷여서, 유리봉(5)의 열팽창 계수(Ka)쪽이 봉지부(3)측의 열팽창 계수(Kb)보다 작아져 있다.

봉지부(3)와 유리봉(5)의 열팽창 계수를 변화시키는 수단으로서는, 상기 실시예 1과 같이 재료 그 자체를 바꾸는 것 외에, 유리 부재 중의 OH기 함유량을 바꾸는 것에 의해서도 실현될 수 있다. 이 OH기 함유량은, 전기로 용융법, 산수소 화염 용융법, 기상 합성법 등의 유리 제조법을 바꾸는 것이나, 유리 제조 후의 열처리(예를 들면, 진공 중에서 가열해, 탈수 처리하는 등)에 의해, 용이하게 제어할 수 있다.

실시예 2 및 실시예 3이 그 예로서, 봉지부(3)와 유리봉(5)은 모두 용융 석영 유리로 이루어지고, 그 OH기 함유량을 각각 <표 3>과 같이 바꾼 것이며, 그 결과, 각각의 열팽창 계수가 상이하다.

즉, 실시예 2에서는, 유리봉(5)의 OH기 함유량은 150ppm이고, 봉지부 (3)의 함유량은 1ppm 미만이며, 각각의 열팽창 계수는 5.3×10^-7과 5.9×10^-7이다.

또, 실시예 3에서는, 유리봉(5)의 함유량은 50ppm이고, 봉지부(3)의 함유량은 10ppm이며, 각각의 열팽창 계수는 5.5×10^-7과 5.7×10^-7이다.

즉, 유리봉(5)측의 OH기 함유량을 봉지부(3)측의 OH기 함유량보다 많게 하여, 유리봉(5)측의 열팽창 계수(Ka)를, 봉지부(3)측의 열팽창 계수(Kb)보다도 작게 하고 있다.

또한, 열팽창 계수의 측정은 레이저 열팽창계를 이용해, 실온으로부터 1000도까지의 평균 열팽창 계수를 측정해 조사한 것이다.

이와 같이, 유리봉(5)과 봉지부(3)의 열팽창 계수를 변화시켰으므로, 도 1에 도시한 바와 같이, 봉지부(3)에 열 변화가 생겼을 경우, 특히, 풀 점등에서 스탠바이 점등으로 이행했을 경우나, 점등에서 소등으로 이행한 경우와 같이, 봉지부(3)가 가열 상태로부터 냉각될 때, 봉지부(3)의 수축량은 유리봉(5)의 수축량보다 커진다.

그런데 이 경우에, 금속박(6)과 유리봉(5)과의 수축량에 상이하여, 그 결과 유리봉(5)에 인장력이 작용하는 것은, 도 6에 근거해 상술한 대로이지만, 상기한 것처럼 봉지부(3)의 수축량이 유리봉(5)의 수축량보다 크기 때문에, 그 유리봉(5)에 대해 그 주위로부터 압축력M으로서 작용한다.

이에 의해, 상기 인장력을 캔슬하도록 작용해, 유리봉(5)이 벗겨지도록 크랙이 발생하는 것이 방지된다.

또 동시에, 금속박(6)이 유리봉(5)의 표면으로부터 들뜨는 박들뜸도 방지된다.

더욱이, 봉지부(3)가 가열되어 팽창될 때는, 금속박(6)의 열 팽창량이 유리봉(5)의 열 팽창량보다 크기 때문에, 그 유리봉(5)에 인장력이 작용할 일은 없고, 상기 크랙이 발생할 일은 없다.

이들 실시예 1~3과, 봉지부와 유리봉을 동종 재료로 구성한 종래예를, 금속박의 두께를 20μm~50μm까지 변화시킨 것을 각각 5개씩 제작해, 실험을 했다.

〈램프 사양〉

램프 형태: 도 5에 도시한 롱 아크형 방전 램프

발광관: 내경 22mm, 외경 26mm

전극간 거리: 500mm

전극 재료： 토륨 텅스텐(Thoriated tungsten)

유리 막대：폭 6mm, 길이 16mm, 두께 17mm

Mo박(2매박) : 폭 4mm, 길이 24mm

〈점등 조건〉

정상 점등(풀 점등) : 9kW

대기 점등(스탠바이 점등)：4kW

조사 시간:30초, 대기 시간 : 30초, 24 시간마다 1회 소등, 재점등.

박 용접부 온도(개략 시산 온도)：정상 점등시 850℃, 대기 점등시 600℃

그 결과가 도 4의 <표 2>이며, 5000시간 점등 후의 평가 기준으로서, 금속박 단선의 유무와, 유리봉에 크랙이 발생했는지의 여부와, 그 크랙에 기인한 시일부의 깨짐(기밀 봉지의 파괴)이 발생했는지의 여부를 검증했다. 그 구체적인 평가 기준은, 동 도면의 박 단선과 시일부 깨짐의 기준과 같다.

금속박의 단선에 관해서는, 당연한 귀결로서 박의 두께가 늘어남에 따라 단선이 일어나지 않고, 25~30μm에서는 금속박에 변색은 보였지만, 단선에는 이르지 않았다. 두께가 30μm이상이 되면 변색도 단선도 발생되지 않았다.

시일부의 깨짐 평가에서는, 종래 구조에서는 30μm가 되면 유리봉에 크랙이 발생하고, 40μm이상에서 기밀 봉지가 파괴되어 버린 것에 비해, 실시예 1에서는 45μm까지는 전혀 크랙이 발생하지 않고, 50μm에서 크랙이 발생했지만 기밀 봉지 파괴에는 이르지 않았다.

또, 실시예 2 및 실시예 3에 관해서도, 동일하게 종래 구조와의 비교에 있어서 개선되어 있어, 그 효과가 실증되었다.

또한, 상기에 있어서는, 도 5에서 도시한, 롱 아크형 방전 램프의 봉지부에 관해 기재했지만, 도 8에서 도시한, 쇼트 아크형 방전 램프의 봉지부에 있어서도 동일하며, 도 2에 그 단면도가 도시되어 있다.

이 실시 형태에서는, 봉지부(13) 내에는 원기둥형상의 유리봉(15)이 배치되고, 그 외주면에 금속박(16)이 설치되고 있는 것이며, 이들 봉지부(13)와 유리봉(15)의 열팽창 계수의 관계는, 상기 도 1의 것과 같다.

이 경우도, 봉지부(13)가 온도 강하에 의해 수축될 때, 원기둥형상 유리 봉(15)을, 금속박(16)을 포함해 그 주위로부터 압축하게 되어, 그 유리봉(15)의 크랙을 방지하는 것이다.

또, 도 2에서는 금속박은 2매인 것으로 도시했지만, 3매 이상이어도 된다.

이상과 같이, 봉지부 내에 유리봉을 가지고, 그 유리봉의 표면에 금속박을 설치하여 이루어지는 방전 램프에 있어서, 상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수를, 그 봉지부를 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수보다 작게 한 것에 의해, 봉지부가 온도 강하될 때, 봉지부의 수축량이 유리봉의 수축량보다 커져, 그 유리봉을 주위로부터 압축하도록 작용하므로, 유리봉에 크랙이 발생하는 일이 없다.

또, 금속박을 유리봉에 누르도록 작용해, 박들뜸을 일으킬 일도 없다.

1,11 방전램프
2,12 발광관
3,13 봉지부
4,14 전극
5,15 유리봉
6,16 금속박
7,17 유지용 통체
M 압축력
A 크랙

Claims

한 쌍의 전극이 배치된 발광관의 양단에 봉지부가 형성되며, 상기 봉지부 내에는 유리봉이 매설됨과 더불어, 그 유리봉의 표면에 금속박이 설치되고, 그 금속박이 상기 전극에 전기적으로 접합되어 이루어지는 방전 램프에 있어서,
상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수는, 상기 봉지부를 구성하는 유리 부재의 열팽창 계수보다 작은 것을 특징으로 하는 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 봉지부는 용융 석영 유리로 이루어지고, 상기 유리봉은 합성 석영 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 유리봉을 구성하는 유리 부재의 OH기 함유량은, 상기 봉지부를 구성하는 유리 부재의 OH기 함유량보다 많은 것을 특징으로 하는 방전 램프.