JP2008010359A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線の発生源を考慮して適切に対策を行う。
【解決手段】紫外線を発生する紫外線発生手段と、紫外線発生手段を内包した石英ガラスにより構成され、内側表面一層に圧縮歪ＳＩが設けられたバルブ１とを具備する。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外線領域の発光を伴う放電ランプに関するものである。

近年、半導体製造工程等で紫外線照射を目的として高圧水銀ランプ等の紫外線ランプが使用されているが、使用中の破壊が多く発生しており、問題となっている。その原因の一つとして、点灯時における発光管内表面に発生する紫外線歪が指摘されている。この紫外線歪は、広く紫外線領域の発光を伴う放電ランプに共通の問題となっている。

例えば、円筒形のバルブを横長にした状態の放電ランプの縦断面図は、内部を省略すると、図４に示されるようである。石英ガラス製バルブ１０１の内側に一対の電極間に形成される放電プラズマ等の紫外線発生手段があり、紫外線ＵＶが矢印に示すように放射される。紫外線の照射を受けたバルブ内表面には、図４の要部拡大図である図５の矢印により示す引っ張り歪である紫外線歪１０２が生じる。この紫外線歪１０２によってクラック１０３が発生し、クラック１０３がバルブ内表面から外表面にまで延びるとランプの破壊が生じる。

上記紫外線歪に対する対策としては、放電管に紫外線カットガラスなどを用いて、紫外線の影響を低減することが可能であるが、根本的な解決策とはなっていない。これに対し、特許文献１には発光管の外表面に初期圧縮歪を付与し、紫外線を照射する放電管のランプ破損率を低下させることが記載されている。しかし、紫外線歪は紫外線の発生源に近い側ほど大きく、上記構成の効果は限定的なものであると考えられる。
特開平２−３０１９５７号公報

従来の紫外線歪対策は、紫外線の発生源からの距離に応じた対策がなされていない問題があり、本発明では係る問題を解決し、紫外線の発生源を考慮して適切に対策を行いランプ破損の度合いを大きく低減し得る放電ランプを提供することを目的としている。

本発明に係る放電ランプは、紫外線を発生する紫外線発生手段と；紫外線発生手段を内包した石英ガラスにより構成され、少なくとも内側表面一層に圧縮歪が設けられている発光管と；を具備することを特徴とする。紫外線発生手段は放電媒体がプラズマを生起することによって紫外線を放射するものである。紫外線発生手段を内包する石英ガラスにより構成される発光管とは、石英ガラスバルブの内側から紫外線を発生させるものであれば、水銀高圧ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ等のＨＩＤランプの他、広く紫外線領域の発光を伴う放電ランプを許容する。圧縮歪の付与は、発光管の加熱の後に冷却を行う冷却強化と称される手法、或いは表面に元素や化合物を付着させる化学的手法のいずれも採用可能である。

本発明に係る放電ランプでは、発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚が（１／３）ｔ以下であることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプでは、発光管の外側表面一層に圧縮歪が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプでは、発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた外側表面一層の層厚が（１／３）ｔ以下であることを特徴とする。

本発明に係る放電ランプでは、紫外線発生手段を内包した石英ガラスにより構成される発光管の内側表面一層に圧縮歪を設けるため、紫外線が発生して内側表面に引っ張り歪である紫外線歪が生じても、上記内側表面一層の圧縮歪と相殺されて、発光管の内側表面からのクラック発生を防止でき、点灯中のランプ破損率を低減する効果がある。

また、本発明に係る放電ランプでは、発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚を（１／３）ｔ以下としたので、十分なランプ破損率低減効果が見られる。

また、本発明に係る放電ランプでは、発光管の外側表面一層に圧縮歪を設けたので、発光管の内側表面からのクラック発生の防止効果に加えて、仮に発光管の内側表面からのクラック発生があっても、クラックの進行は圧縮歪がある外側表面一層の手前で留まることが期待され、点灯中のランプ破損率を低減する効果がある。

また、本発明に係る放電ランプでは、発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた外側表面一層の層厚を（１／３）ｔ以下としたので、十分なランプ破損率低減効果が見られる。

本発明では圧縮歪を、紫外線発生手段を内包した石英ガラスにより構成される発光管における内側表面一層に設けることにより、紫外線の発生源に近い側ほど紫外線歪が大きくなるという現象に適切に対応して、ランプ破損の度合いを大きく低減するという目的を達成したものである。

以下添付図面を参照して、本発明に係る放電ランプの実施例を説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１に本発明の実施例に係る高圧水銀ランプの一部切欠図を示す。この高圧水銀ランプは、発光管である石英ガラスにより構成されるバルブ１内に、紫外線発生手段を構成する電極軸２、３、陽極４、陰極５、高融点金属箔６、石英ガラス円筒部材７、封止部８を備える。バルブ１の両端には、陽極ターミナル９、陰極ターミナル１０が設けられている。

バルブ１は、例えば、軸方向寸法が６０ｍｍ、径方向寸法が５０ｍｍであり、肉厚３ｍｍのほぼ楕円球状をなす放電空間部１ａおよび放電空間部１ａに連通して、その両端に一体に形成された石英ガラスからなる一対の枝管１ｂ、１ｂを備えている。電極軸２は、直径５ｍｍのタングステン棒で、その先端には陽極４を支持している。陽極４は、タングステンからなり、直径１０ｍｍで、重量が３４ｇである。

電極軸３は、同じく直径５ｍｍのタングステン棒で、その先端は円錐形状に整形されて陰極５を形成している。陽極４と陰極５との間に形成される電極間距離は約５ｍｍに設定されている。

いずれの電極軸２、３もその基端はバルブ１の枝管１ｂ内に収納されている。そして、電極軸２、３は、枝管１ｂ内に後述する高融点金属箔６および石英ガラス円筒部材７により、所定の位置に固定される。

封止部８は、いわゆる箔シール構造になっている。電極軸２、３の基端面にタングステンからなる直径１０ｍｍのディスク８ａが接続され、ディスク８ａと同一太さの石英ガラス棒８ｂの一端がディスク８ａに接して配設されている。また、石英ガラス棒８ｂの他端にモリブデンからなるアウターウエルズ８ｃが接して配設されている。さらに、石英ガラス棒８ｂの周囲に３枚の幅８ｍｍの細長いモリブデン箔からなるシールリボン８ｄが石英ガラス棒８ｂの長手方向に沿って等間隔に配設されるとともに、その一端がディスク８ａに、また他端がアウターウエルズ８ｃに、それぞれ接続されている。さらに、焼き締めにより枝管１ｂがシールリボン８ｄと石英ガラス棒８ｂに溶着することによって、箔シール構造を形成している。

上記のようにして封止されたバルブ１の放電空間部１ａ内には、放電媒体として８００ｍｇの水銀およびアルゴンを６７ＫＰａ封入してショートアーク形の直流点灯用高圧水銀ランプを構成している。

陽極ターミナル９は、枝管１ｂの端部に口金セメントにより装着されるとともに、アウターウエルズ７ｃに接続されている。さらに、陽極ターミナル９は、外部リード線９ａおよび外部リード線９ａの先端に接続された圧着端子９ｂを備えている。

陰極ターミナル１０は、枝管１ｂの端部に口金セメントにより装着されるとともに、陰極側のアウターウエルズ７ｃに接続している。そして、陰極ターミナル９は、取付ボルト９ａを備えている。

バルブ１における特に放電空間部１ａにあっては、内側表面一層に圧縮歪が設けられている。この圧縮歪は、図１のＡ−Ａ断面において内部を省略した図２（ａ）に、ＳＩとして示すような矢印の方向に力が働く歪である。

上記圧縮歪は、例えばバルブ単体として存在するバルブ１内に、棒状のニクロム線からなるヒータを挿入して加熱した後に、ニクロム線を引き出し、液体窒素など冷媒から放出された冷気をバルブ１内に送り込み、冷却することよる風冷強化（冷却強化）と称される手法を用いることができる。また、例えばバルブ単体として存在するバルブ１内に、所要の元素や化合物を付着（ドーピング）させて焼き込んでガラスと反応させる化学的手法も採用可能である。

ここに、バルブ１の肉厚がｔである場合、圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚をｔ／３以下とし、その歪値は５０Ｋｇ／ｃｍ²としてある。なお、バルブ単体として存在するバルブ１には、陽極ターミナル９や陰極ターミナル１０の付近においてモリブデンからなるアウターウエルズ８ｃを配置可能な形状に加工され、この部分において先に付与された圧縮歪が初期状態とは異なる状態を呈するが、紫外線歪は紫外線の発生源に近い側ほど大きいので、紫外線の発生源に近いほぼ楕円球状をなす放電空間部１ａの部分のバルブ１において、圧縮歪を有する内側表面一層が初期状態を保つことで次に述べるような点灯中のランプ破損率を低減する効果を有する。

このような構成の高圧水銀ランプにおいては、点灯の際にバルブ内においてアーク放電が生じ紫外線（ｉ線）が放射される。この紫外線が圧縮歪が設けられた内側表面一層に照射されて紫外線歪が生じるが、上記内側表面一層の圧縮歪と相殺し、図２（ｂ）にＳＩａとして示すように圧縮歪による力は、矢印の大きさにて示すように小さくなるが引っ張り歪の発生を防ぎ、発光管の内側表面からのクラック発生を防止でき、点灯中のランプ破損率を低減するように働く。

第２の実施例に係るバルブ１における特に放電空間部１ａにあっては、内側表面一層及び外側表面一層に圧縮歪を有している。この圧縮歪は、図１のＡ−Ａ断面において内部を省略した図３（ａ）に、内側表面一層の圧縮歪をＳＩとして示し、外側表面一層の圧縮歪をＳＯとして示すように、矢印の方向に力が働く歪である。

外側表面一層の圧縮歪についても、バルブ１の外表面について風冷強化と称される手法を用いることができる。また、バルブ１の外表面に化学的手法によって圧縮歪を設けることも採用可能である。

そして、バルブ１の肉厚がｔである場合、圧縮歪が設けられた外側表面一層の層厚をｔ／３以下とし、その歪値は５０Ｋｇ／ｃｍ2としてある。また、陽極ターミナル９や陰極ターミナル１０の付近においてはアウターウエルズ８ｃを配置可能な形状に加工されることから、この部分において圧縮歪が初期状態異なる状態を呈するが、紫外線歪は紫外線の発生源に近い側ほど大きいので、紫外線の発生源に近いほぼ楕円球状をなす放電空間部１ａの部分のバルブ１において、圧縮歪が設けられた外側表面一層が初期状態を保つことで次に述べるような点灯中のランプ破損率を低減する効果を有する。

このような構成の高圧水銀ランプにおいては、点灯の際にバルブ内においてアーク放電が生じ紫外線（ｉ線）が放射される。この紫外線が圧縮歪が設けられている内側表面一層に照射されて紫外線歪が生じ、既に述べた通り、図３（ｂ）に示されている内側表面一層においてＳＩａとして示すように圧縮歪による力は、矢印の大きさにて示すように小さくなるが、発光管の内側表面からのクラック発生を防止でき、点灯中のランプ破損率を低減するように働く。

一方、放射された紫外線は、内側表面一層よりも遠い外側表面一層に影響し難く、外側表面一層における圧縮歪は、図３（ｂ）に示されている外側表面一層においてＳＯａとして示すように、紫外線放射前と大きくは変化しない。しかしながら、図３（ｂ）に示されている内側表面一層において大きな紫外線歪が発生して、圧縮歪を上回ってクラックが内側表面から外側表面へ向かって生じたとしても、上記の外側表面一層における圧縮歪の存在により、クラックの進行は外側表面一層における圧縮歪部分へ到らずに停止し、点灯中のランプ破損率が生じ難くするように働く。つまり、この第２の実施例に係る構成によっても、点灯中のランプ破損率を低減できるものである。

次に、実施例１と実施例２に係る高圧水銀ランプの試作品及び圧縮歪を外側表面一層にのみ有する試作品を作成し、圧縮歪を有していない従来品との比較を行った。この比較結果を表１に示す。

表１の試験に用いた放電ランプは、バルブの厚みがいずれも１ｍｍであり、電力１０ＫＷの高圧水銀ランプである。試験では点灯中のランプ温度が８００℃であり、点灯を１０，０００時間連続して行った。圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚及び外側表面一層の層厚は、歪計の計測によりいずれも０．３ｍｍとした。

表１に明らかなように、圧縮歪を持たない従来品は、１０００時間において破壊が生じた。１０，０００時間の連続点灯の後、圧縮歪を外側表面一層にのみ有する試作品１では、バルブの内側から網目状にクラックが生じていることを目視により確認した。内側表面一層に圧縮歪が設けられた試作品２と、内側表面一層と外側表面一層に圧縮歪が設けられた試作品３とは、共に破壊もクラック発生も認められなかった。

圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚及び外側表面一層の層厚については、バルブの肉厚が１．０ｍｍのときに０．４ｍｍ以上にしても試験による効果に差はなく、歪の反作用によってかえってクラックが発生し易くなるので好ましくない。また、圧縮歪の層厚がバルブの肉厚の１／１０未満では十分な効果が発揮されず、バルブの肉厚の１／１０以上から１／３以下である場合において、十分なランプ破損率低減効果が見られた。

本発明の実施例に係る高圧水銀ランプの断面図。 図１のＡ−Ａ断面において内部を省略した第１の実施例の構成を示す図。 図１のＡ−Ａ断面において内部を省略した第１の実施例の構成を示す図。 放電ランプにおける紫外線歪を説明するための断面図。 図４の要部拡大図。

符号の説明

１ バルブ
１ａ 放電空間部
２、３ 電極軸
４ 陽極
５ 陰極
６ 高融点金属箔
７ 石英ガラス円筒部材
８ 封止部
ＳＩ、ＳＯ 圧縮歪

Claims (4)

1. 紫外線を発生する紫外線発生手段と；
   紫外線発生手段を内包した石英ガラスにより構成され、少なくとも内側表面一層に圧縮歪が設けられている発光管と；
   を具備することを特徴とする放電ランプ。
2. 発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた内側表面一層の層厚が（１／３）ｔ以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 発光管の外側表面一層に圧縮歪が設けられ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. 発光管の肉厚がｔであり、圧縮歪が設けられた外側表面一層の層厚が（１／３）ｔ以下であることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。

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