JP6371275B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
半導体、液晶製造分野では、生産効率を向上させるため、ショートアーク型放電ランプの大電力化が進んでいる。そのため、定格電力の大きい放電ランプでは、電極支持棒に金属リングを固定させ、複数の金属箔を金属リングに溶着させる。これにより、金属箔、金属リング、電極支持棒を介して電力が供給される(例えば、特許文献1参照)。
ランプ点灯中、金属リングと封止管の熱膨張率の差によって金属リング付近でクラックが発生すると、高温状態の金属リングが外気に触れることで酸化し、金属箔が溶断してしまう。あるいは、クラック進行によって発光管が破裂する恐れがある。クラック発生を防止するため、封止管を二重構造にする構造が知られており、金属リンクと金属箔を流れる電流の電流密度が限度値を超えない範囲で、封止管の厚さを定める(特許文献2参照)。
金属箔、金属リングに流れる電流値が高くなることによってより多くの熱が発生し、特に、金属リングおよび金属箔と封止管との接触面において、大きな熱応力が封止管に向けて作用する。しかしながら、封止部外径の小さいショートアーク型放電ランプなどの場合、封止管を二重構造と採用することが難しく、また、金属箔の厚さも制限される。そのため、金属リング付近でのクラック発生を十分に防止することができない。
したがって、高出力、大電流型ショートアーク型放電ランプ(特に、単一封止管構造の場合)において、ランプ点灯中、クラックが封止管に発生するのを抑制することが求められる。
環状部材は、導電性部材であればよく、例えば金属リングなどによって構成可能であり、複数の金属箔がリング外表面に接続される。ガラス部材は、両端に軸穴を形成した筒状ガラスとして構成することが可能である。
本発明では、定格電力3kW以上、安定点灯中の電流値130A以上、前記発光管内の封入水銀量7mg/cc(cm3)以下であり、以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められている。
σ=7.54×105T−6×107
T=1.92(I/nwd)+98.9
σ≦1.20×108
ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ(Pa)、前記封止管の外表面温度をT(℃)、安定点灯中の電流値をI(A)、前記帯状金属箔の枚数をn、前記帯状金属箔の幅をw(mm)、前記帯状金属箔の厚さをd(mm)とする。
なお、一対の環状部材両方における熱応力σ、外表面温度Tとしてもよく、あるいは、一方の環状部材について規定してもよい。大電流によるクラックが発生しやすい封止管と環状部材との接続部において定めればよい。
本発明では、定格出力が大きく、低電圧で点灯し、封止管外径の小さい放電ランプなどにおいて、ランプ点灯中に金属箔で発生する熱が、封止管内表面と金属リングなど導電性環状部材外表面との接触面にかかる熱応力に影響を及ぼすことを見出し、大電流を金属箔が流れてもクラックが発生しないように、金属箔の厚さが特有の厚さに定められる。今まで必要と考えられていなかった厚さをもつ金属箔を適用することにより、耐久性の優れた放電ランプが実現可能となる。
封止管外径が比較的に小さいショート型放電ランプに対してクラック発生を効果的に抑えることが可能であり、封止管が以下の式を満たす放電ランプに適用することが可能である。
I/L≧5
封止管の外表面温度が低すぎると、封止管と発光管との温度差が大きくなることによって熱ひずみが生じ、一方、外表面温度が高すぎると、口金部と封止管との温度差が大きくなることによって熱歪が生じる。そのため、ランプ安定点灯中の前記封止管の外表面温度が、以下の式を満たすように定めるのがよい。
150≦T≦800
本発明の他の態様における放電ランプは、発光管と一体的に形成された封止管内に設けられ、前記発光管内の電極を支持する電極支持棒と、外部電源と電気的に接続される電気接続棒と、前記電極支持棒および前記電気接続棒とが挿入され、前記封止管と溶着するガラス部材と、前記ガラス部材の外表面に沿って延びる複数の帯状金属箔と、前記帯状金属箔と前記電気接続棒とを電気的に接続させる環状部材とを備え、以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められている。
σ≦1.20×108
ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ(Pa)とする。
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球状発光管12内に陽極14、陰極16を対向配置させたランプであり、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の両端は、口金80A、80Bで塞がれている。
封止管20、60の内部には、陽極14、陰極16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ている。放電空間11には、水銀および希ガスが封入されている。
ショートアーク型放電ランプ10は、定格電力3kW以上の高出力放電ランプである一方、封止管外径が比較的小さく、また、ピーク波長付近が際立つスペクトル分布特性をもたせた照明光とするため、発行管内の水銀封入量が7mg/cc以下に定められている。そのため、安定点灯しているときの電圧値は低く、逆に電流値が大きくなり、電流値は130A以上になる。
図2は、陰極側封止管の概略的断面図である。なお、陽極側封止管も同様に構成されている。
図2に示すように、マウント部品18Bが封入されている封止管60内部には、陰極16を支持する電極支持棒17Bが設けられ、軸方向に沿って配設されている。電極支持棒17Bは、円筒状の肉厚ガラス管(以下、電極側ガラス管という)22に形成された軸穴に挿通され、電極側ガラス管22によって保持される。
電極支持棒17Bは、封止管60の端部まで延びておらず、所定間隔を置いて金属製のリード棒(電気接続棒)19Bが同軸的に対向配置されている。電極支持棒17B、リード棒19Bは、肉厚の筒状ガラス部材(以下、外側ガラス部材という)26の両端に設けた挿入穴に挿入され、外側ガラス部材26は電極支持棒17B、リード棒19Bを保持する。リード棒19B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。
外側ガラス部材26の両端には、金属リング(環状部材)23、25がそれぞれ密着配置され、電極支持棒17B、リード棒19Bは、金属リング23、25の軸穴に挿入されて溶接されている。発光管12に近い金属リング(以下、内側金属リングという)23は、電極側ガラス管22と当接し、他方の金属リング(以下、外側金属リングという)25は、リード棒19Bを軸通させて保持する肉厚固定ガラス管28と当接する。
内側金属リング23、外側金属リング25の間には、複数の帯状金属箔27が、外側ガラス部材26の外表面に沿って軸方向に延びており、周方向に沿って等間隔で配置されている。また、複数の帯状金属箔27それぞれの両端は、内側金属リング23、外側金属リング25の円周面に溶接されている。外側金属リング25は、リード棒19Bと帯状金属箔27とを電気的に接続させ、内側金属リング23は、帯状金属箔27と電極支持棒22とを電気的に接続させる、これにより、電源部と電気的に接続するリード棒19Bから陰極16へ電力が供給される。
封止管60は、封止工程時にガスバーナーなどで熱せられることによって縮径し、電極側ガラス管22、外側ガラス部材26、固定ガラス管28と溶着している。これにより、封止管60内部が封止され、電極側ガラス管22、内側金属リング23、外側金属リング25、外側ガラス部材26、そして固定ガラス管28を含むマウント部品18Bが、軸方向に動かないように固定される。
以下、図3、4を用いて、本実施形態の封止構造について説明する。
図3は、封止管外表面温度と熱応力との関係を示したグラフである。図4は、金属箔を流れる電流の電流密度と封止管外表面温度との関係を示したグラフである。
ランプ点灯時、金属とガラスの熱膨張率が相違するため、金属箔27と封止管60、外側金属リング25と封止管60との接触面/溶着面において、熱応力が発生する。内側金属リング23、金属箔27、封止管60との間でも同様に熱応力が発生する。
上述したように、放電ランプ10は、ショートアーク型放電ランプであって、低電圧、大電流型放電ランプであり、封止管外径が比較的小さい。そのため、ランプ点灯中に金属箔27全体で発生する熱が、内側、外側金属リング25の外周面付近から封止管60に向けてかかる熱応力に影響する。この熱の影響は、封止管外径の大きい放電ランプと比べて非常に大きい。さらに封止管外径を小さくした場合、二重封止構造を採用して封止部強度を強くすることが難しい。
金属箔27に流れる電流の電流密度が大きいほど金属箔27の温度が上昇し、熱量が多くなるが、電流密度は金属箔27の厚さによって変わる。したがって、溶着不足による箔剥がれを防ぐために金属箔27を薄くし過ぎると、熱応力が大きくなってクラック発生の恐れがある。そこで本実施形態では、電流密度と関係する金属箔27の厚さが、所定厚さ以上となるように定められている。
図3、図4に示すように、外側金属リング25の外周面から封止管60の内表面にかかる熱応力σ(Pa)に関しては、封止管60の外表面温度をT(℃)、安定点灯中の電流値をI(A)、金属箔27の枚数をn、金属箔の幅をw(mm)、金属箔の厚さをd(mm)としたとき、以下の式が成り立つように、金属箔の厚さd(mm)、金属箔の幅w(mm)、金属箔27の枚数nが定められている。
σ=7.54×105T−6×107 ・・・・(1)
T=1.92(I/nwd)+98.9 ・・・・(2)
σ≦1.20×108 ・・・・(3)
(1)式は、封止管外表面温度Tと熱応力σが比例関係にあることを示している(図3参照)。ただし、図2に示す封止管ポイントPTにおける表面温度とする。また、(2)式は、封止管外表面温度Tと電流密度(I/nwd)とが比例関係にあることを示している(図4参照)。(1)、(2)式は、実際に封止管外表面温度を熱電対などで測定し、シミュレーションによって熱応力を測定したことから明らかになった式である。
そして、(3)式は実験などから経験的に導かれた式であり、電流値Iが定められれば、上記(3)式を満たすように金属箔27の配置枚数n、幅w、厚さdを定めることができる。内側金属リング23においても同様の関係となる。
ところで、金属箔27の配置枚数および幅は、一般的に従来のショートアーク型放電ランプと同じ仕様になる場合が多く、また、製造工程における制限、要求によって自由度が少ない。そのため、実際には、金属箔27の厚さを調整することによってクラック発生を防止する。具体的には、従来と比べて厚みがある金属箔となる。ただし、厚くし過ぎると箔剥がれが起こるため、0.1mm以下に定められる。
なお、封止管60と発光管12あるいは口金80Bとの温度差が大きすぎると、ガラスの熱ひずみが大きくなり、クラックが発生しやすい。そのため、以下の式を満たす封止管外表面温度となるように、定格電力、封止管径等が定められる。
150≦T≦800 ・・・・(4)
封止管外表面温度Tを150°以上にすることで発光管との温度差による熱歪を抑え、封止管外表面温度Tを800°以下にすることで、口金部との温度差による熱歪を抑える。
また、封止管外径Lが比較的小さいショートアーク型放電ランプに対して上記式を満たす封止構造を採用するのが望ましく、ここでは、以下の式を満たす封止管外径Lをもつ放電ランプが適用される。例えば、電流値が200Aのとき、外形Lは40mm以下に定められる。
I/L≧5 ・・・・(5)
封止管外径Lが比較的小さいショートアーク型放電ランプでは、クラック耐性を上げるために二重封止構造をとると、金属箔の枚数と幅が非常に小さくなってしまうため、金属箔を極端に厚くしなければならず、箔はがれの危険が増加してしまう。つまり、(5)式を満たす放電ランプにおいては、(1)(2)(3)式を満たすように封止箔の厚さを定めることが求められる。
このように本実施形態によれば、封止管外径が小さく、定格出力が大きく(3kW以上)、低電圧による点灯により大電流(130mmA以上)が流れるショートアーク型放電ランプにおいて、上記(1)〜(3)式が満たされるように、金属箔の厚さが定められる。
なお、金属リング、ガラス部材については、それ以外の構成、形状にすることも可能である。
実施例のショートアーク型放電ランプでは、封止管外径27mm、封止管厚さ3.5mm、円柱状外側ガラス部材の外径20mm、金属箔の枚数5、幅10mmに定められている。定格電力は4.5kW、電流値155mAに定められる。
そして、金属箔の厚さを0.06mm、0.05mmにして1000時間ランプ継続点灯を行い、熱電対によって温度を測定する一方で、熱応力を計算機によるシミュレーションによって計算するとともに、クラック発生の有無を調べた。その結果、以下表1に示す。
一方、比較例として、金属箔の厚さを0.033mmとした放電ランプについて同様の実験を行い、熱応力を計算してクラック発生の有無を調べた。ただし、点灯条件を変えて行った。
その結果、熱応力が1.20×108Paより大きくなると、クラックが発生した。このように、金属箔の厚さを従来と比べて適切な厚みにすることにより、二重封止構造を採用せず、封止管外径が小さく、低電圧で大電流を流すショートアーク型放電ランプにおいて、クラックが発生しないことが明らかになった。
本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。
本願は、日本出願(特願2013−084929号、2013年4月15日出願)を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。
17B 電極支持棒
19B リード棒(電気接続棒)
23 内側金属リング(環状部材)
25 外側金属リング(環状部材)
26 外側ガラス部材(ガラス部材)
27 金属箔
60 封止管
Claims (3)
- 発光管と一体的に形成された封止管内に設けられ、前記発光管内の電極を支持する電極支持棒と、
外部電源と電気的に接続される電気接続棒と、
前記電極支持棒および前記電気接続棒が挿入され、前記封止管と溶着するガラス部材と、
前記ガラス部材の外表面に沿って延び、前記封止管の内表面と接する複数の帯状金属箔と、
前記帯状金属箔と前記電極支持棒および前記電気接続棒とを電気的に接続させる一対の環状部材とを備え、
前記複数の帯状金属箔は、前記環状部材の外周面に溶接され、
定格電力3kW以上、安定点灯中の電流値130A以上、前記発光管内の封入水銀量7mg/cc以下であり、
以下の式を満たすように、前記帯状金属箔の厚さが定められていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
σ=7.54×105T−6×107
T=1.92(I/nwd)+98.9
σ≦1.20×108
ただし、前記環状部材の外表面から前記封止管の内表面にかかる熱応力をσ(Pa)、前記環状部材の径方向外側の前記封止管の外表面温度をT(℃)、安定点灯中の電流値をI(A)、前記帯状金属箔の枚数をn、前記帯状金属箔の幅をw(mm)、前記帯状金属箔の厚さをd(mm)とする。 - ランプ安定点灯中の前記封止管の外表面温度が、以下の式を満たすように定められていることを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型放電ランプ。
150≦T≦800 - 前記封止管の外径L(mm)が、以下の式を満たすように定められ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ショートアーク型放電ランプ。
I/L≧5
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