ショートアーク型放電灯
【課題】ショートアーク型放電灯の諸特性を良好に満足しつつ、点灯時の破裂を防止する。
【解決手段】ショートアーク型放電灯の発光管内の放電空間２には、希ガスと水銀が封入され、陰極と陽極が配置されている。電極支持棒５を支持する第一のシール用ガラス部材７が、発光管のシールガラス６と封着されている。外部から電極へ通電するための金属箔が、第二のシール用ガラス部材８とシールガラス６に挟まれて封着されている。第一のシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅をｔ（mm）とし、外径をOD(mm)として、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たすようにする。また、第一のシール用ガラス部材７における凹部Ｖの溝の深さをＤ(mm)とし、全長をＬ(mm)として、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たすようにする。また、第一のシールガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状とする。
【解決手段】ショートアーク型放電灯の発光管内の放電空間２には、希ガスと水銀が封入され、陰極と陽極が配置されている。電極支持棒５を支持する第一のシール用ガラス部材７が、発光管のシールガラス６と封着されている。外部から電極へ通電するための金属箔が、第二のシール用ガラス部材８とシールガラス６に挟まれて封着されている。第一のシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅をｔ（mm）とし、外径をOD(mm)として、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たすようにする。また、第一のシール用ガラス部材７における凹部Ｖの溝の深さをＤ(mm)とし、全長をＬ(mm)として、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たすようにする。また、第一のシールガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショートアーク型放電灯に関し、特に、投入電力が１kW以上で点灯時のランプ内圧力が1.0MPa以上であり、半導体や液晶の製造の露光工程において光源として用いられるショートアーク型放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶の製造プロセスの露光工程において、光源として使用されているショートアーク型放電灯は、高照度化が要求されている。この種のショートアーク型放電灯（以下、単にランプと称する）は、一般に投入電力が１kW以上となり、点灯時の温度と内圧がかなり高いことが知られている。ランプの高照度化を行うための一方法として、水銀や希ガスなどをより多く封入し、紫外域のランプ発光効率を向上させる方法がある。この場合、点灯時ランプ内圧が、封入物量の増加により増大するため、破裂の危険性がより大きくなる。ランプが破裂すると、ランプを搭載している高価な周辺機器が破損する。それだけでなく、水銀やランプ素材の飛散による人体への損傷を招き、重大な問題となる。そのため、ランプの破裂を未然に防ぐ対策は、ランプの設計製造において第一に優先にするべきことである。
【０００３】
以下に、ショートアークランプにおける破裂対策の従来技術の例を説明する。従来の１ｋW以上の大型放電管においては、ランプ入力電力をバルブ内表面積で割った値である管壁負荷値をもとにしてバルブ部を設計する。こうすると、ランプ点灯中に大きな応力が発生しやすい。最悪の場合、応力値がガラス材料の破壊応力値を超え、バルブが破壊に至ることがあった。この対策として、特許文献１に開示された「ショートアーク型放電灯」の提案がある。このランプでは、発光管の球面部最大内径ａと発光管球面部全長ｃとの比を、0.42＜(ａ／ｃ)＜1.02の範囲とする。発光管の球面部最大内径ａと球面部終端面外径ｂとの比を、1.82＜(ａ／ｃ)＜3.44の範囲とする。ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ(mm2)との比を、Ｗ／Ｓ＜0.3の範囲とする。このようにすることにより、内圧などが作用する場合の応力分布を均等化させることができ、長時間点灯しても破裂に至らないようにできる。
【０００４】
また、市場からの要求により、ショートアーク放電ランプの大型化が進んでいる。そのため、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)以上となり、箔シール部の径や長さが大きくなっている。その結果、金属箔と、金属箔に内接するシール用石英部材との間に、箔の浮き上がり現象が起こる。この問題の解決のために、特許文献２に開示された「ショートアーク放電ランプ」の提案がある。これは、ランプ投入電力が４ｋW以上で、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)以上となる直流ショートアーク放電ランプである。シール石英部材へ挿入される金属部材の挿入部分の長さを、シール石英部材の全長の約４割以上とする。これにより、箔シール部に配置された金属箔に内接するシール用石英部材との間に発生する箔の浮き上がり現象を防止する。さらに、箔シール部に発生するクラックと、ランプ封入気体の外気へのリークと、ランプの早期破裂も防止できる。
【０００５】
発光管に連設された封止管内で、電極支持棒を挿通孔のある保持部材（肉厚の中空石英ガラス製管状部材）で保持する構造の放電ランプがある。この構造では、保持部材とシールガラスの封着部である保持部材の両端部に、熱溶融後の冷却時に熱ひずみが生じる。そのため、ランプが長時間、高圧力で動作すると、亀裂が生じる恐れがある。その問題を解決するため、特許文献３に開示された「放電ランプ」の提案がある。このランプは、保持部材が石英ガラス製である。管状部材の発光管側端部域の外径を、他端側の端部域の外径より大きくする。発光管側端部域の外周に、Ｍo製箔部材を配置する。これにより、長時間、高圧力で動作しても、電極支持棒の保持部材と封止管との溶着部分に亀裂が生じなくなる。破裂することのない安全な信頼性の高い放電ランプとなる。
【０００６】
陰極と陽極の電極芯棒が保持用筒体に挿通されて保持され、保持用筒体が発光管に続く側管の絞込み部において支持されているショートアークランプがある。この構造では、電極芯棒の保持用筒体とシールガラスとの溶着の際に、保持用筒体の端部のコーナ部において、小さな間隙の楔部が形成されてしまうことがある。点灯中の発光管内のガス圧力が極めて高いと、楔部を起点としてクラックが発生する。応力が繰り返し加わることによって、クラックが斜め方向に対し大きく成長し、ついにランプが破裂してしまうという問題が生じる。この問題解決のために、特許文献４に開示された「ショートアークランプ」の提案がある。このランプでは、保持用筒体と絞込み部の間に、金属層もしくはセラミック層からなる中間層を介在させる。また、中間層をモリブデン箔とし、モリブデン箔が保持用筒体の外周面に巻かれる構造とする。点灯中のガス圧力を高くしても、側管の絞込み部と電極芯棒保持用筒体の端部コーナ部において、クラックが発生することがなくなる。
【０００７】
このように、バルブ端部から封止部にかけての部分において、非常に高い頻度で亀裂が発生する問題に対し、発光管の寸法を適切な値に設定することや、シール用石英部材への金属部材の挿入割合を適切な値に設定することや、発光管側端部域の寸法を適切な値に設定することや、電極芯棒の保持用筒体にモリブデン箔を利用することなどを、亀裂防止対策としている。
【特許文献１】特開2003-151501号公報
【特許文献２】特開2002-100321号公報
【特許文献３】特許第3458756号公報
【特許文献４】特許第3430887号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の亀裂防止対策技術には、以下のような問題がある。ランプ破裂に対する定性的回避は達成されても、ランプの内圧に対して、破裂に至るまでの機械的強度がどの程度余裕を有しているのかという、定量的判断ができない。このことは、ランプの設計仕様がたびたび変化する環境の中で、ランプの破裂防止が必ずしも保証されるものではないことを示唆している。
【０００９】
例えば、破裂に直接関わっていると考えられる破裂領域の形状（ガラス部材の直径、バルブ端部から封止部の先端までの長さ、シールガラスの厚さ）を、ランプの立ち上がり特性等の問題も含め、経験則から問題がないと推測される寸法で設計し、点灯を試みたところ、ランプに封入する水銀量や、ランプのサイズ、部材の形状によっては、予期せず破裂することがしばしば起こった。以下に具体的に説明する。図10は、従来のショートアークランプ型放電灯の封止部拡大図である。図11は、従来のショートアーク型放電灯のガラス部材の形状を変えた封止部拡大図である。図10に示すようなシール用ガラス部材であると、ランプを点灯させた際に、Ａ点に内圧による応力が集中し、Ａ点で破壊が起こることが経験的にわかっている。しかし、発光管の端部と封止部先端までの距離であるＬ1の距離がある程度長いと、破裂耐性が向上することが分かっている。
【００１０】
一方、図11に見られるシール用ガラス部材７の形状は、図10に見られるシール用ガラス部材形状において、ランプ点灯時のＡ点への応力集中を、Ａ点以外のＢ点に分散させ、応力を緩和させる目的のために設計されたものである。しかし、十分な破裂耐性を有すると思われるＬ1の寸法に基づきシール用ガラス部材７の形状を、図10のものから図11のものに変えると、予想に反して、頻繁に破裂が起こった。このことから、この対策は、定量的な根拠がないため、確実にランプの破裂回避ができないものであり、本質的なランプ破裂防止とはならないと考えられる。したがって、シール用ガラス部材の形状とランプの破裂圧力の関係を、定量的に検討しないかぎり、確実にランプの破裂を防止することはできない。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、ショートアーク型放電灯を、ランプの立ち上がり特性や放射照度等のランプ諸特性を良好に満足しつつ、ランプ点灯時の高圧力動作時に破裂せずに安全に点灯できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明では、発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、電極と外部からの通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材とシールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯の第一のシール用ガラス部材に、シールガラスと接する縁部のある凹部を電極支持棒の周囲に設け、第一のシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ(mm)とし、第一のシール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たす構成とした。また、第一のシール用ガラス部材における凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、第一のシール用ガラス部材の軸方向全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たす構成とした。また、第一のシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状とした。
【００１３】
すなわち、破裂に直接関わる放電空間側の発光管から延長したシールガラスとシール用ガラス部材との封止先端部の形状を決定するシール用ガラス部材の外径と、凹部の縁幅と、全長と、凹部底面と凹部側面との交わる形状とを、破裂内圧に定量的に関係付けることにより、これらのパラメータについての破裂しない最適条件を求めて、その条件を満足する形状のショートアーク型放電灯を構成した。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成したことにより、ショートアーク型放電灯を、立ち上がり特性や照度特性等のランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、シール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たすショートアーク型放電灯である。
【００１７】
図１は、本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の概略図である。図１において、発光管１は、ショートアーク型放電灯のガラスバルブである。放電空間２は、水銀が封入された放電用の密閉空間である。発光管１内に、１対のタングステンなどの高融点金属からなる陰極電極３と陽極電極４が配置されている。陰極電極３と陽極電極４それぞれは、電極支持棒５aと電極支持棒５bによって支えられている。シールガラス６a,６b（以下、シールガラス６と総称することがある）は、発光管１から延長され、この発光管１を気密に封じるガラスである。第一のシール用ガラス部材７a,７b（以下、シール用ガラス部材７と総称することがある）は、電極支持棒５a、５bとシールガラス６a,6bとの間を封じて、電極支持棒５a、５bを保持するガラスである。特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００１８】
第二のシール用ガラス部材８a,８b（以下、シール用ガラス部材８と総称することがある）は、電極支持棒５a、５bを支え、ランプステムを構成する主要な部位である。金属箔９a,9b（以下、金属箔９と総称することがある）は、シール用ガラス部材８a,８bとシールガラス６a,６bとの間に配置され、電極支持棒５a、５bとリード線11a,11bを電気的に接続する導体である。陽極電極４側の金属箔９は、その断面形状のみを示してある。リード線11a,11bは、ショートアーク型放電灯に電流を流すための導体である。シールガラス６a,6bおよびシール用ガラス部材８a,8bとシール用ガラス部材７a,７bとで、発光管１が封止されている。これにより、放電空間２と外気とが完全に隔離された状態で、外部からランプに通電することができる。
【００１９】
放電空間２には、希ガスと、可視から紫外域にかけて高い強度の発光スペクトルを有する水銀などが封入されている。それぞれの極性のリード線11に直流電流を印加すると、陽極電極４と陰極電極３との間にアーク放電が発生する。放電空間２の中で発生した光が、光透過性の発光管１の発光管球面部を透過して、所望の紫外線が放射される。点灯時の内圧は、内部温度と封入物の蒸気圧等の要因により、数MPaオーダーの圧力であると知られており、点灯時の温度もかなり高温となるため、発光管の素材として厚さが３mm程度のシリカガラスが使用される場合が多い。
【００２０】
図２は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材７の拡大図である。電極支持棒５を支持するシール用ガラス部材７の放電空間２側に面する端面には、凹部Ｖが形成されている。図３は、ショートアーク型放電灯の静水圧試験の実験系の概観図である。図４は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状指数2t/ODとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。図５は、ショートアーク型放電灯で、従来ランプが破裂する圧力におけるシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を示すグラフである。
【００２１】
上記のように構成された本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、図１を参照しながら、ショートアーク型放電灯の破裂特性を説明する。ランプが点灯すると、ランプ内にある水銀が徐々に蒸発し、ランプ内部のガス圧力が増加する。ランプ内部のガス圧力の増加により、応力が集中する箇所は、図11に示したように、実際に破裂の頻度が高い放電空間に面したシール用ガラス部材７とシールガラス６の封止部先端付近のＡ部とシール用ガラス部材７の凹部底面の角におけるＢ点であると考えられる。図11のＡ点、Ｂ点におけるランプ内圧による応力は、シール用ガラス部材７の形状を決定するパラメータである外径ODと縁幅ｔにより変動すると考えられる。これらのパラメータと破裂圧力との関係について明らかにする。
【００２２】
次に、図２を参照しながら、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材７の形状パラメータについて説明する。図11に示した従来のランプと同様に、シール用ガラス部材７に凹部Ｖを設ける。凹部Ｖの外径をOD(mm)とし、縁幅をｔ(mm)とする。また、凹部Ｖの深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材７の全長をＬ(mm)とする。シールガラス用部材７の凹部Ｖの縁幅ｔ(mm)が外径OD(mm)に占める割合である2t/ODを、シールガラス用部材７の凹部Ｖの形状指数とよぶことにする。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、破裂実験の方法を説明する。図３は、試験用に用いるサンプルランプのランプ内部に圧力を加える実験系である。以下、これを静水圧試験と称する。具体的には、チップ部15を通してランプ14内部に水を満たし、このランプ14を水槽12の水の中に配置する。加圧ポンプ16により、点灯中のガス圧力を擬似するための水圧を加える。加圧ポンプ16により加える水圧の昇圧速度は、６MPa/5minである。サンプルランプには、投入電力が５〜８kWサイズのランプを用いる。形状指数2t/ODが０〜1.0であるランプを複数用意し、シール用ガラス部材とシールガラスの封止部先端で破裂する圧力と、形状指数2ｔ/ODの関係を測定する。形状指数2t/ODの値が変わることにより、Ａ点（図11）において破壊するときの破裂圧力(MPa)が、どのように変化するかを確認する。縁幅ｔと外径OD以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ1やＬ2の寸法や、図２に示すＤやＬの寸法等は一定とする。
【００２４】
次に、図４を参照しながら、ランプ破裂圧力と形状指数との関係を説明する。図４は、形状指数2t/ODとランプ破裂圧力の関係を示すグラフである。図４のグラフから、形状指数2t/ODの値が大きくなればなるほど、ランプが破壊される圧力が小さくなり、破裂耐性が低下することが分かる。また、同じ形状指数2t/ODの値であっても、外径ODが小さくなるほど破裂圧力が高くなり、破裂耐性が向上していることが分かる。
【００２５】
シール用ガラス部材７の外径に対して凹部Ｖの縁幅ｔが占める割合が大きいほど、破裂耐性が低くなるのは、次のような理由である考えられる。すなわち、凹部Ｖの縁幅ｔが大きいと、シールガラスのみの厚さと、シールガラスとシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔとの和の厚さとの間に、大きな差（すなわち縁幅ｔ）が生じる。内圧による応力が厚さの差に応じて大きくなり、Ｂ点（図11）に応力が集中して、シールガラスの機械的な強度が低下するためである。逆に、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔが小さくなれば、シールガラスのみの厚さと、シールガラスの厚さとシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔとの和の厚さとの間に、大きな差が生じない。したがって、内圧による応力が均衡して、Ａ点にもＢ点にも応力が集中することがなく、シールガラスの機械的な強度が低下しない。
【００２６】
また、形状指数2t/ODの値が同じであっても、外径ODが小さくなるほど破裂圧力が高くなり、破裂耐性が向上している。これは、シール用ガラス部材７の外径が小さくなると、ランプが小さくなることに相当する。すなわち、ランプが小さいと、内圧に対する機械的強度が向上する。つまり、ランプサイズが大きいショートアーク型放電灯よりも、ランプサイズが小さい超高圧水銀灯の方が、ランプ点灯中の耐圧性が高いことと同じである。
【００２７】
次に、図５を参照しながら、ランプが破裂するときのシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を説明する。破裂の頻度が高い従来型ランプの縁幅ｔの値は20mmであり、形状指数2t/ODの値は0.26である。この従来型ランプの破裂内圧で破裂するシール用ガラス部材７の外径ODと凹部Ｖの縁幅ｔの関係を求める。図５に、従来型ランプの破裂圧力に基づいたシール用ガラス部材７の外径ODと凹部Ｖの縁幅ｔとの関係を表すグラフを示す。ここで、シール用ガラスの凹部Ｖの縁幅ｔは、当然のことながらｔ＞０であり、マイナスの値はとらない。
【００２８】
従来型ランプが破裂する圧力において破裂するシール用ガラス部材７の外径OD(mm)と凹部Ｖの縁幅ｔ(mm)との関係は、
ｔ＝−0.09×OD＋4.3
という直線関数になる。シール用ガラス部材7の縁幅ｔの外径ODへの占める割合が大きいほど破裂耐性が低くなるという結果（図４）を考慮すると、
ｔ＜−0.09×OD＋4.3
という条件を満たせば、破裂耐性が良好となることが明らかである。これが、破裂の防止の定量的な条件である。この条件を満たすランプを実際に点灯した結果では、破裂もなく、照度特性やランプ立ち上がり特性等のランプ諸特性を満足している。さらに、他のパラメータを変更しても、これらの定量的な結果に変化はないことも確認した。
【００２９】
上記のように、本発明の実施例１では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、シール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たす構成としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の実施例２は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材の全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たすショートアーク型放電灯である。
【００３１】
実施例２の基本的なランプ構造は、実施例１と同じである。図６は、本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。図７は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を示すグラフである。実施例２においても、特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００３２】
本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、破裂に関連する要素について説明する。シール用ガラス部材７の形状要素としては、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの溝の深さＤ(mm)がある。シール用ガラス部材７のランプ長軸方向の全長Ｌ(mm)に対する凹部Ｖの溝の深さＤの割合を示す比（溝深度Ｄ/Ｌ）に対して、破裂圧力(MPa)との関係を求める。図３に示した静水圧試験の実験系と同じもの使用し、同じ条件で実験する。溝の深さＤと全長Ｌ以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ１やＬ２の寸法や、図２に示す縁幅ｔや外径OD等の寸法は一定とする。
【００３３】
次に、図６を参照しながら、シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を説明する。サンプルランプの静水圧破壊試験により、ランプ破壊圧力と溝深度Ｄ/Ｌとの関係を測定する。シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ破裂圧力との関係は、図６のグラフのようになる。溝深度Ｄ/Ｌの値が増加するにつれて、ランプの破裂圧力が増加し、破裂耐性が向上していることが、このグラフから分かる。これは、シール用ガラス部材７における凹部Ｖの溝の深さが深くなることによって、内圧による応力が分散され、図11に示したＡ点とＢ点とに生じる応力集中が小さくなるためであると考えられる。特に、機械的に弱い部分であるＢ点に集中する応力が減少する。
【００３４】
破裂が頻繁に起きた従来型ランプの溝深度Ｄ/Ｌの値は、0.2以下である。したがって、溝深度Ｄ/Ｌの値が0.2より大きければ、破裂を回避できる。これが、溝深度Ｄ/Ｌに関係する破裂の定量的な根拠である。さらに、溝深度Ｄ/Ｌの値が0.2以下では、シール用ガラス部材の外径が小さいほど、ランプの破裂耐性が向上している。これにより、シール用ガラス部材の外径と破裂との関係も、定量的に判断できる。
【００３５】
次に、図７のグラフを参照しながら、シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を説明する。溝深度Ｄ/Ｌの値に対して、ランプの立ち上がり特性と破裂の有無を実験により調べる。図７に、溝深度Ｄ/Ｌと、ランプが点灯してから安定するまでに要する時間の関係を表すグラフを示す。Ｄ/Ｌ＞0.2の範囲のランプでは、照度特性の問題もなく、破裂も起きない。しかし、Ｄ/Ｌ＞0.7において、ランプ立ち上がりに要する時間が、約40〜60％長くかかり、ランプ立ち上がり特性に関しては問題がある。したがって、ランプの立ち上がり時間を考慮に入れると、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の範囲が、ランプの破裂が防止できる範囲であり、且つ、照度特性とランプの立ち上がり特性が満足される範囲である。さらに、他のパラメータを変更した場合も、これらの定量的な結果に変化はないことを確かめた。他のランプ諸特性も問題ない。
【００３６】
上記のように、本発明の実施例２では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材の全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たす構成としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【実施例３】
【００３７】
本発明の実施例３は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状としたショートアーク型放電灯である。
【００３８】
実施例３の基本的なランプ構造は、実施例１と同じである。図８は、本発明の実施例３におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状拡大図である。実施例３においても、特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００３９】
本発明の実施例３におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、図８を参照しながら、破裂に関連する要素と実験方法について説明する。シール用ガラス部材７の破裂に関連する形状要素として、凹部Ｖの凹部底面と凹部側面が交わる部位の形状がある。この面形状と破裂との関係を実験により定量的に求める。図３に示した静水圧試験の実験系と同じもの使用し、同じ条件でサンプルランプの静水圧破壊試験を行う。シール用ガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位の曲率半径Ｒ(mm)を変えながら、ランプ破壊圧力(MPa)を求める。曲率半径Ｒ以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ1やＬ2の寸法や、図２に示した縁幅ｔや外径ODや溝の深さＤや全長Ｌ等の寸法は一定とする。
【００４０】
次に、図９のグラフを参照しながら、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面の曲率半径Ｒと破裂圧力との関係を説明する。シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面と側面との交わる部位の曲率半径Ｒが増加するに従って、破壊圧力が増加している。特に、曲率半径Ｒがほぼ０である位置から急激に増加している。このことから、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面と側面との交わる部位の曲率半径Ｒを大きくすることによって、破裂を防止できることがわかる。この理由は、シール用ガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位の曲率半径が０から増加するに従って、Ｂ点（図11）における応力が減少したためであると考えられる。
【００４１】
この範囲のランプを実際に点灯して、照度特性やランプ立ち上がり特性等のランプ諸特性を満足しながら、破裂しないことを確かめた。また、このシール用ガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位の断面形状を、曲率半径Ｒの円弧とする以外に、楕円形やその他の形状としても、同じ効果が得られる。さらに、他のパラメータを変更しても、これらの定量的な結果に変化はないことも確かめた。
【００４２】
上記のように、本発明の実施例３では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のショートアーク型放電灯は、半導体や液晶の製造の露光工程における１kW以上の光源として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の概念図である。
【図２】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の封止部拡大図である。
【図３】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の静水圧試験の実験系の概観図である。
【図４】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状指数2t/ODとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯で、従来ランプが破裂する圧力におけるシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例３におけるシール用ガラス部材の拡大図である。
【図９】シール用ガラス部材における凹部底面の曲率半径Ｒと破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図１０】従来のショートアーク型放電灯の発光管球面の端から封止部の先端までの部分拡大概略図である。
【図１１】従来のショートアーク型放電灯におけるシール用ガラス部材の形状を変えた封止部の拡大図である
【符号の説明】
【００４５】
１ 発光管
２ 放電空間
３ 陰極電極
４ 陽極電極
５ 電極支持棒
６ シールガラス
７ 第１のシール用ガラス部材
８ 第２のシール用ガラス部材
９ 金属箔
10 口金
11 リード線
12 水槽
13 水
14 ランプ
15 チップ部
16 加圧ポンプ
Ｖ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショートアーク型放電灯に関し、特に、投入電力が１kW以上で点灯時のランプ内圧力が1.0MPa以上であり、半導体や液晶の製造の露光工程において光源として用いられるショートアーク型放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶の製造プロセスの露光工程において、光源として使用されているショートアーク型放電灯は、高照度化が要求されている。この種のショートアーク型放電灯（以下、単にランプと称する）は、一般に投入電力が１kW以上となり、点灯時の温度と内圧がかなり高いことが知られている。ランプの高照度化を行うための一方法として、水銀や希ガスなどをより多く封入し、紫外域のランプ発光効率を向上させる方法がある。この場合、点灯時ランプ内圧が、封入物量の増加により増大するため、破裂の危険性がより大きくなる。ランプが破裂すると、ランプを搭載している高価な周辺機器が破損する。それだけでなく、水銀やランプ素材の飛散による人体への損傷を招き、重大な問題となる。そのため、ランプの破裂を未然に防ぐ対策は、ランプの設計製造において第一に優先にするべきことである。
【０００３】
以下に、ショートアークランプにおける破裂対策の従来技術の例を説明する。従来の１ｋW以上の大型放電管においては、ランプ入力電力をバルブ内表面積で割った値である管壁負荷値をもとにしてバルブ部を設計する。こうすると、ランプ点灯中に大きな応力が発生しやすい。最悪の場合、応力値がガラス材料の破壊応力値を超え、バルブが破壊に至ることがあった。この対策として、特許文献１に開示された「ショートアーク型放電灯」の提案がある。このランプでは、発光管の球面部最大内径ａと発光管球面部全長ｃとの比を、0.42＜(ａ／ｃ)＜1.02の範囲とする。発光管の球面部最大内径ａと球面部終端面外径ｂとの比を、1.82＜(ａ／ｃ)＜3.44の範囲とする。ランプ電力Ｗ（W）と発光部球面部内表面積Ｓ(mm2)との比を、Ｗ／Ｓ＜0.3の範囲とする。このようにすることにより、内圧などが作用する場合の応力分布を均等化させることができ、長時間点灯しても破裂に至らないようにできる。
【０００４】
また、市場からの要求により、ショートアーク放電ランプの大型化が進んでいる。そのため、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)以上となり、箔シール部の径や長さが大きくなっている。その結果、金属箔と、金属箔に内接するシール用石英部材との間に、箔の浮き上がり現象が起こる。この問題の解決のために、特許文献２に開示された「ショートアーク放電ランプ」の提案がある。これは、ランプ投入電力が４ｋW以上で、点灯時の動作圧力が2.0(MPa)以上となる直流ショートアーク放電ランプである。シール石英部材へ挿入される金属部材の挿入部分の長さを、シール石英部材の全長の約４割以上とする。これにより、箔シール部に配置された金属箔に内接するシール用石英部材との間に発生する箔の浮き上がり現象を防止する。さらに、箔シール部に発生するクラックと、ランプ封入気体の外気へのリークと、ランプの早期破裂も防止できる。
【０００５】
発光管に連設された封止管内で、電極支持棒を挿通孔のある保持部材（肉厚の中空石英ガラス製管状部材）で保持する構造の放電ランプがある。この構造では、保持部材とシールガラスの封着部である保持部材の両端部に、熱溶融後の冷却時に熱ひずみが生じる。そのため、ランプが長時間、高圧力で動作すると、亀裂が生じる恐れがある。その問題を解決するため、特許文献３に開示された「放電ランプ」の提案がある。このランプは、保持部材が石英ガラス製である。管状部材の発光管側端部域の外径を、他端側の端部域の外径より大きくする。発光管側端部域の外周に、Ｍo製箔部材を配置する。これにより、長時間、高圧力で動作しても、電極支持棒の保持部材と封止管との溶着部分に亀裂が生じなくなる。破裂することのない安全な信頼性の高い放電ランプとなる。
【０００６】
陰極と陽極の電極芯棒が保持用筒体に挿通されて保持され、保持用筒体が発光管に続く側管の絞込み部において支持されているショートアークランプがある。この構造では、電極芯棒の保持用筒体とシールガラスとの溶着の際に、保持用筒体の端部のコーナ部において、小さな間隙の楔部が形成されてしまうことがある。点灯中の発光管内のガス圧力が極めて高いと、楔部を起点としてクラックが発生する。応力が繰り返し加わることによって、クラックが斜め方向に対し大きく成長し、ついにランプが破裂してしまうという問題が生じる。この問題解決のために、特許文献４に開示された「ショートアークランプ」の提案がある。このランプでは、保持用筒体と絞込み部の間に、金属層もしくはセラミック層からなる中間層を介在させる。また、中間層をモリブデン箔とし、モリブデン箔が保持用筒体の外周面に巻かれる構造とする。点灯中のガス圧力を高くしても、側管の絞込み部と電極芯棒保持用筒体の端部コーナ部において、クラックが発生することがなくなる。
【０００７】
このように、バルブ端部から封止部にかけての部分において、非常に高い頻度で亀裂が発生する問題に対し、発光管の寸法を適切な値に設定することや、シール用石英部材への金属部材の挿入割合を適切な値に設定することや、発光管側端部域の寸法を適切な値に設定することや、電極芯棒の保持用筒体にモリブデン箔を利用することなどを、亀裂防止対策としている。
【特許文献１】特開2003-151501号公報
【特許文献２】特開2002-100321号公報
【特許文献３】特許第3458756号公報
【特許文献４】特許第3430887号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来の亀裂防止対策技術には、以下のような問題がある。ランプ破裂に対する定性的回避は達成されても、ランプの内圧に対して、破裂に至るまでの機械的強度がどの程度余裕を有しているのかという、定量的判断ができない。このことは、ランプの設計仕様がたびたび変化する環境の中で、ランプの破裂防止が必ずしも保証されるものではないことを示唆している。
【０００９】
例えば、破裂に直接関わっていると考えられる破裂領域の形状（ガラス部材の直径、バルブ端部から封止部の先端までの長さ、シールガラスの厚さ）を、ランプの立ち上がり特性等の問題も含め、経験則から問題がないと推測される寸法で設計し、点灯を試みたところ、ランプに封入する水銀量や、ランプのサイズ、部材の形状によっては、予期せず破裂することがしばしば起こった。以下に具体的に説明する。図10は、従来のショートアークランプ型放電灯の封止部拡大図である。図11は、従来のショートアーク型放電灯のガラス部材の形状を変えた封止部拡大図である。図10に示すようなシール用ガラス部材であると、ランプを点灯させた際に、Ａ点に内圧による応力が集中し、Ａ点で破壊が起こることが経験的にわかっている。しかし、発光管の端部と封止部先端までの距離であるＬ1の距離がある程度長いと、破裂耐性が向上することが分かっている。
【００１０】
一方、図11に見られるシール用ガラス部材７の形状は、図10に見られるシール用ガラス部材形状において、ランプ点灯時のＡ点への応力集中を、Ａ点以外のＢ点に分散させ、応力を緩和させる目的のために設計されたものである。しかし、十分な破裂耐性を有すると思われるＬ1の寸法に基づきシール用ガラス部材７の形状を、図10のものから図11のものに変えると、予想に反して、頻繁に破裂が起こった。このことから、この対策は、定量的な根拠がないため、確実にランプの破裂回避ができないものであり、本質的なランプ破裂防止とはならないと考えられる。したがって、シール用ガラス部材の形状とランプの破裂圧力の関係を、定量的に検討しないかぎり、確実にランプの破裂を防止することはできない。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、ショートアーク型放電灯を、ランプの立ち上がり特性や放射照度等のランプ諸特性を良好に満足しつつ、ランプ点灯時の高圧力動作時に破裂せずに安全に点灯できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明では、発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、電極と外部からの通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材とシールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯の第一のシール用ガラス部材に、シールガラスと接する縁部のある凹部を電極支持棒の周囲に設け、第一のシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ(mm)とし、第一のシール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たす構成とした。また、第一のシール用ガラス部材における凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、第一のシール用ガラス部材の軸方向全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たす構成とした。また、第一のシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状とした。
【００１３】
すなわち、破裂に直接関わる放電空間側の発光管から延長したシールガラスとシール用ガラス部材との封止先端部の形状を決定するシール用ガラス部材の外径と、凹部の縁幅と、全長と、凹部底面と凹部側面との交わる形状とを、破裂内圧に定量的に関係付けることにより、これらのパラメータについての破裂しない最適条件を求めて、その条件を満足する形状のショートアーク型放電灯を構成した。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成したことにより、ショートアーク型放電灯を、立ち上がり特性や照度特性等のランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、シール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たすショートアーク型放電灯である。
【００１７】
図１は、本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の概略図である。図１において、発光管１は、ショートアーク型放電灯のガラスバルブである。放電空間２は、水銀が封入された放電用の密閉空間である。発光管１内に、１対のタングステンなどの高融点金属からなる陰極電極３と陽極電極４が配置されている。陰極電極３と陽極電極４それぞれは、電極支持棒５aと電極支持棒５bによって支えられている。シールガラス６a,６b（以下、シールガラス６と総称することがある）は、発光管１から延長され、この発光管１を気密に封じるガラスである。第一のシール用ガラス部材７a,７b（以下、シール用ガラス部材７と総称することがある）は、電極支持棒５a、５bとシールガラス６a,6bとの間を封じて、電極支持棒５a、５bを保持するガラスである。特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００１８】
第二のシール用ガラス部材８a,８b（以下、シール用ガラス部材８と総称することがある）は、電極支持棒５a、５bを支え、ランプステムを構成する主要な部位である。金属箔９a,9b（以下、金属箔９と総称することがある）は、シール用ガラス部材８a,８bとシールガラス６a,６bとの間に配置され、電極支持棒５a、５bとリード線11a,11bを電気的に接続する導体である。陽極電極４側の金属箔９は、その断面形状のみを示してある。リード線11a,11bは、ショートアーク型放電灯に電流を流すための導体である。シールガラス６a,6bおよびシール用ガラス部材８a,8bとシール用ガラス部材７a,７bとで、発光管１が封止されている。これにより、放電空間２と外気とが完全に隔離された状態で、外部からランプに通電することができる。
【００１９】
放電空間２には、希ガスと、可視から紫外域にかけて高い強度の発光スペクトルを有する水銀などが封入されている。それぞれの極性のリード線11に直流電流を印加すると、陽極電極４と陰極電極３との間にアーク放電が発生する。放電空間２の中で発生した光が、光透過性の発光管１の発光管球面部を透過して、所望の紫外線が放射される。点灯時の内圧は、内部温度と封入物の蒸気圧等の要因により、数MPaオーダーの圧力であると知られており、点灯時の温度もかなり高温となるため、発光管の素材として厚さが３mm程度のシリカガラスが使用される場合が多い。
【００２０】
図２は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材７の拡大図である。電極支持棒５を支持するシール用ガラス部材７の放電空間２側に面する端面には、凹部Ｖが形成されている。図３は、ショートアーク型放電灯の静水圧試験の実験系の概観図である。図４は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状指数2t/ODとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。図５は、ショートアーク型放電灯で、従来ランプが破裂する圧力におけるシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を示すグラフである。
【００２１】
上記のように構成された本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、図１を参照しながら、ショートアーク型放電灯の破裂特性を説明する。ランプが点灯すると、ランプ内にある水銀が徐々に蒸発し、ランプ内部のガス圧力が増加する。ランプ内部のガス圧力の増加により、応力が集中する箇所は、図11に示したように、実際に破裂の頻度が高い放電空間に面したシール用ガラス部材７とシールガラス６の封止部先端付近のＡ部とシール用ガラス部材７の凹部底面の角におけるＢ点であると考えられる。図11のＡ点、Ｂ点におけるランプ内圧による応力は、シール用ガラス部材７の形状を決定するパラメータである外径ODと縁幅ｔにより変動すると考えられる。これらのパラメータと破裂圧力との関係について明らかにする。
【００２２】
次に、図２を参照しながら、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材７の形状パラメータについて説明する。図11に示した従来のランプと同様に、シール用ガラス部材７に凹部Ｖを設ける。凹部Ｖの外径をOD(mm)とし、縁幅をｔ(mm)とする。また、凹部Ｖの深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材７の全長をＬ(mm)とする。シールガラス用部材７の凹部Ｖの縁幅ｔ(mm)が外径OD(mm)に占める割合である2t/ODを、シールガラス用部材７の凹部Ｖの形状指数とよぶことにする。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、破裂実験の方法を説明する。図３は、試験用に用いるサンプルランプのランプ内部に圧力を加える実験系である。以下、これを静水圧試験と称する。具体的には、チップ部15を通してランプ14内部に水を満たし、このランプ14を水槽12の水の中に配置する。加圧ポンプ16により、点灯中のガス圧力を擬似するための水圧を加える。加圧ポンプ16により加える水圧の昇圧速度は、６MPa/5minである。サンプルランプには、投入電力が５〜８kWサイズのランプを用いる。形状指数2t/ODが０〜1.0であるランプを複数用意し、シール用ガラス部材とシールガラスの封止部先端で破裂する圧力と、形状指数2ｔ/ODの関係を測定する。形状指数2t/ODの値が変わることにより、Ａ点（図11）において破壊するときの破裂圧力(MPa)が、どのように変化するかを確認する。縁幅ｔと外径OD以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ1やＬ2の寸法や、図２に示すＤやＬの寸法等は一定とする。
【００２４】
次に、図４を参照しながら、ランプ破裂圧力と形状指数との関係を説明する。図４は、形状指数2t/ODとランプ破裂圧力の関係を示すグラフである。図４のグラフから、形状指数2t/ODの値が大きくなればなるほど、ランプが破壊される圧力が小さくなり、破裂耐性が低下することが分かる。また、同じ形状指数2t/ODの値であっても、外径ODが小さくなるほど破裂圧力が高くなり、破裂耐性が向上していることが分かる。
【００２５】
シール用ガラス部材７の外径に対して凹部Ｖの縁幅ｔが占める割合が大きいほど、破裂耐性が低くなるのは、次のような理由である考えられる。すなわち、凹部Ｖの縁幅ｔが大きいと、シールガラスのみの厚さと、シールガラスとシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔとの和の厚さとの間に、大きな差（すなわち縁幅ｔ）が生じる。内圧による応力が厚さの差に応じて大きくなり、Ｂ点（図11）に応力が集中して、シールガラスの機械的な強度が低下するためである。逆に、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔが小さくなれば、シールガラスのみの厚さと、シールガラスの厚さとシール用ガラス部材７の凹部Ｖの縁幅ｔとの和の厚さとの間に、大きな差が生じない。したがって、内圧による応力が均衡して、Ａ点にもＢ点にも応力が集中することがなく、シールガラスの機械的な強度が低下しない。
【００２６】
また、形状指数2t/ODの値が同じであっても、外径ODが小さくなるほど破裂圧力が高くなり、破裂耐性が向上している。これは、シール用ガラス部材７の外径が小さくなると、ランプが小さくなることに相当する。すなわち、ランプが小さいと、内圧に対する機械的強度が向上する。つまり、ランプサイズが大きいショートアーク型放電灯よりも、ランプサイズが小さい超高圧水銀灯の方が、ランプ点灯中の耐圧性が高いことと同じである。
【００２７】
次に、図５を参照しながら、ランプが破裂するときのシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を説明する。破裂の頻度が高い従来型ランプの縁幅ｔの値は20mmであり、形状指数2t/ODの値は0.26である。この従来型ランプの破裂内圧で破裂するシール用ガラス部材７の外径ODと凹部Ｖの縁幅ｔの関係を求める。図５に、従来型ランプの破裂圧力に基づいたシール用ガラス部材７の外径ODと凹部Ｖの縁幅ｔとの関係を表すグラフを示す。ここで、シール用ガラスの凹部Ｖの縁幅ｔは、当然のことながらｔ＞０であり、マイナスの値はとらない。
【００２８】
従来型ランプが破裂する圧力において破裂するシール用ガラス部材７の外径OD(mm)と凹部Ｖの縁幅ｔ(mm)との関係は、
ｔ＝−0.09×OD＋4.3
という直線関数になる。シール用ガラス部材7の縁幅ｔの外径ODへの占める割合が大きいほど破裂耐性が低くなるという結果（図４）を考慮すると、
ｔ＜−0.09×OD＋4.3
という条件を満たせば、破裂耐性が良好となることが明らかである。これが、破裂の防止の定量的な条件である。この条件を満たすランプを実際に点灯した結果では、破裂もなく、照度特性やランプ立ち上がり特性等のランプ諸特性を満足している。さらに、他のパラメータを変更しても、これらの定量的な結果に変化はないことも確認した。
【００２９】
上記のように、本発明の実施例１では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、シール用ガラス部材の外径をOD(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×OD＋4.3の関係を満たす構成としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の実施例２は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材の全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たすショートアーク型放電灯である。
【００３１】
実施例２の基本的なランプ構造は、実施例１と同じである。図６は、本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。図７は、ショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を示すグラフである。実施例２においても、特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００３２】
本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、破裂に関連する要素について説明する。シール用ガラス部材７の形状要素としては、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの溝の深さＤ(mm)がある。シール用ガラス部材７のランプ長軸方向の全長Ｌ(mm)に対する凹部Ｖの溝の深さＤの割合を示す比（溝深度Ｄ/Ｌ）に対して、破裂圧力(MPa)との関係を求める。図３に示した静水圧試験の実験系と同じもの使用し、同じ条件で実験する。溝の深さＤと全長Ｌ以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ１やＬ２の寸法や、図２に示す縁幅ｔや外径OD等の寸法は一定とする。
【００３３】
次に、図６を参照しながら、シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を説明する。サンプルランプの静水圧破壊試験により、ランプ破壊圧力と溝深度Ｄ/Ｌとの関係を測定する。シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ破裂圧力との関係は、図６のグラフのようになる。溝深度Ｄ/Ｌの値が増加するにつれて、ランプの破裂圧力が増加し、破裂耐性が向上していることが、このグラフから分かる。これは、シール用ガラス部材７における凹部Ｖの溝の深さが深くなることによって、内圧による応力が分散され、図11に示したＡ点とＢ点とに生じる応力集中が小さくなるためであると考えられる。特に、機械的に弱い部分であるＢ点に集中する応力が減少する。
【００３４】
破裂が頻繁に起きた従来型ランプの溝深度Ｄ/Ｌの値は、0.2以下である。したがって、溝深度Ｄ/Ｌの値が0.2より大きければ、破裂を回避できる。これが、溝深度Ｄ/Ｌに関係する破裂の定量的な根拠である。さらに、溝深度Ｄ/Ｌの値が0.2以下では、シール用ガラス部材の外径が小さいほど、ランプの破裂耐性が向上している。これにより、シール用ガラス部材の外径と破裂との関係も、定量的に判断できる。
【００３５】
次に、図７のグラフを参照しながら、シール用ガラス部材の溝深度Ｄ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を説明する。溝深度Ｄ/Ｌの値に対して、ランプの立ち上がり特性と破裂の有無を実験により調べる。図７に、溝深度Ｄ/Ｌと、ランプが点灯してから安定するまでに要する時間の関係を表すグラフを示す。Ｄ/Ｌ＞0.2の範囲のランプでは、照度特性の問題もなく、破裂も起きない。しかし、Ｄ/Ｌ＞0.7において、ランプ立ち上がりに要する時間が、約40〜60％長くかかり、ランプ立ち上がり特性に関しては問題がある。したがって、ランプの立ち上がり時間を考慮に入れると、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の範囲が、ランプの破裂が防止できる範囲であり、且つ、照度特性とランプの立ち上がり特性が満足される範囲である。さらに、他のパラメータを変更した場合も、これらの定量的な結果に変化はないことを確かめた。他のランプ諸特性も問題ない。
【００３６】
上記のように、本発明の実施例２では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシール用ガラス部材の凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、シール用ガラス部材の全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ/Ｌ＜0.7の関係を満たす構成としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【実施例３】
【００３７】
本発明の実施例３は、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状としたショートアーク型放電灯である。
【００３８】
実施例３の基本的なランプ構造は、実施例１と同じである。図８は、本発明の実施例３におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状拡大図である。実施例３においても、特に必要な場合を除き、第一のシール用ガラス部材７を、単にシール用ガラス部材として説明する。
【００３９】
本発明の実施例３におけるショートアーク型放電灯の形状を決定する方法を説明する。最初に、図８を参照しながら、破裂に関連する要素と実験方法について説明する。シール用ガラス部材７の破裂に関連する形状要素として、凹部Ｖの凹部底面と凹部側面が交わる部位の形状がある。この面形状と破裂との関係を実験により定量的に求める。図３に示した静水圧試験の実験系と同じもの使用し、同じ条件でサンプルランプの静水圧破壊試験を行う。シール用ガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位の曲率半径Ｒ(mm)を変えながら、ランプ破壊圧力(MPa)を求める。曲率半径Ｒ以外の寸法は一定とする。すなわち、図10に示したＬ1やＬ2の寸法や、図２に示した縁幅ｔや外径ODや溝の深さＤや全長Ｌ等の寸法は一定とする。
【００４０】
次に、図９のグラフを参照しながら、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面の曲率半径Ｒと破裂圧力との関係を説明する。シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面と側面との交わる部位の曲率半径Ｒが増加するに従って、破壊圧力が増加している。特に、曲率半径Ｒがほぼ０である位置から急激に増加している。このことから、シール用ガラス部材７の凹部Ｖの底面と側面との交わる部位の曲率半径Ｒを大きくすることによって、破裂を防止できることがわかる。この理由は、シール用ガラス部材７の凹部底面と凹部側面との交わる部位の曲率半径が０から増加するに従って、Ｂ点（図11）における応力が減少したためであると考えられる。
【００４１】
この範囲のランプを実際に点灯して、照度特性やランプ立ち上がり特性等のランプ諸特性を満足しながら、破裂しないことを確かめた。また、このシール用ガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位の断面形状を、曲率半径Ｒの円弧とする以外に、楕円形やその他の形状としても、同じ効果が得られる。さらに、他のパラメータを変更しても、これらの定量的な結果に変化はないことも確かめた。
【００４２】
上記のように、本発明の実施例３では、ショートアーク型放電灯を、発光管のシールガラスに封着されて電極支持棒を支持するシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位を曲面形状としたので、ランプ諸特性を良好に満足しながら、長時間破裂することなく安全に点灯できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のショートアーク型放電灯は、半導体や液晶の製造の露光工程における１kW以上の光源として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の概念図である。
【図２】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の封止部拡大図である。
【図３】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯の静水圧試験の実験系の概観図である。
【図４】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材の形状指数2t/ODとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例１におけるショートアーク型放電灯で、従来ランプが破裂する圧力におけるシール用ガラス部材の外径ODと凹部の縁幅ｔとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２におけるショートアーク型放電灯のシール用ガラス部材のＤ/Ｌとランプ立ち上がり時間との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例３におけるシール用ガラス部材の拡大図である。
【図９】シール用ガラス部材における凹部底面の曲率半径Ｒと破裂圧力との関係を示すグラフである。
【図１０】従来のショートアーク型放電灯の発光管球面の端から封止部の先端までの部分拡大概略図である。
【図１１】従来のショートアーク型放電灯におけるシール用ガラス部材の形状を変えた封止部の拡大図である
【符号の説明】
【００４５】
１ 発光管
２ 放電空間
３ 陰極電極
４ 陽極電極
５ 電極支持棒
６ シールガラス
７ 第１のシール用ガラス部材
８ 第２のシール用ガラス部材
９ 金属箔
10 口金
11 リード線
12 水槽
13 水
14 ランプ
15 チップ部
16 加圧ポンプ
Ｖ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、前記第一のシール用ガラス部材の外径をＯＤ(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×ＯＤ＋4.3の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項２】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシール用ガラス部材における凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、前記第一のシール用ガラス部材の軸方向全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ／Ｌ＜0.7の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項３】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位が曲面形状となっていることを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項１】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシール用ガラス部材の凹部の縁幅をｔ（mm）とし、前記第一のシール用ガラス部材の外径をＯＤ(mm)としたとき、０＜ｔ＜−0.09×ＯＤ＋4.3の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項２】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシール用ガラス部材における凹部の溝の深さをＤ(mm)とし、前記第一のシール用ガラス部材の軸方向全長をＬ(mm)としたとき、0.2＜Ｄ／Ｌ＜0.7の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項３】
発光管内の放電空間に陰極と陽極が配置されるとともに希ガスと水銀が封入され、電極支持棒を支持する第一のシール用ガラス部材が発光管のシールガラスと封着され、外部から電極への通電を可能とする金属箔が第二のシール用ガラス部材と前記シールガラスに挟まれて封着されている構造のショートアーク型放電灯において、前記第一のシール用ガラス部材に、前記シールガラスと接する縁部のある凹部を前記電極支持棒の周囲に設け、前記第一のシールガラス部材の凹部底面と凹部側面との交わる部位が曲面形状となっていることを特徴とするショートアーク型放電灯。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２８６３４３（Ｐ２００６−２８６３４３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０３３３３（Ｐ２００５−１０３３３３）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【Ｆターム（参考）】
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