JP5800189B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、半導体や液晶、プリント回路基板などの露光装置等に用いられるショートアーク型放電ランプに関する。

高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ及びセラミックメタルハライドランプのような高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ：High Intensity Discharge Lamp）は、電極間の放電を利用して発光する。このため、高輝度放電ランプは、白熱電球と比べて、光束が大きく大規模な空間の照明に適し、エネルギー効率が良いといった種々の特徴を備えている。

特に、アーク長が短く高輝度の光を放射するショートアーク型放電ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源のような光応用分野の光源として利用されており、発光波長として３６５ｎｍの発光強度を高めたｉ線ランプや４３６ｎｍの発光強度を高めたｇ線ランプが知られている。

ショートアーク型放電ランプの多くは、石英製の発光管封体の中央が球形状で、両端が細く絞られていて管形状に形成されている。中央の球形状の部分の内部には陰極及び陽極が対向して配置され、細く絞られたガラス管内には封止部を介して電極マウントが固定されている。陰極及び陽極の電極芯棒はそれを経由して外部のリード線に接続されている。

特に、半導体露光装置に用いられるショートアーク型放電ランプは、露光工程で、長時間にわたり、高輝度を維持することや安定した発光効率を維持することが求められている。このため、ショートアーク型放電ランプは、直流点灯方式で投入電力が大きく、点灯時にはランプ内の温度と圧力とがかなり高くなる。また、ランプを高照度化するための一方法として、より多くの水銀や希ガスを封入して紫外域のランプ発光効率が高められている。このため、電極芯棒を支持する電極マウントが溶着されたシール管において、点灯時に、特に、電極マウントの端部が接する部分と集電円板が接する部分を起点として破裂が発生する可能性が高い。

中でも、液晶・プリント基板露光装置に用いられるショートアーク型放電ランプにおいては、電圧、照度などの諸特性を満たすため、水銀を多く発光管内に封入する必要がある。そのため、ランプが点灯した際には、ランプ内の温度が８００Ｋから１２００Ｋで、内部圧力が２．０ＭＰａから３．５ＭＰａになるものもあり、ランプ容器の強度にばらつきがあったり、又は上記以外の部分の強度が不足していたりすると、その強度が不足している部分からランプ容器の破裂に至ることがある。

シール管の肉厚を厚くすることで点灯時圧力（応力）に耐え得るようにすることが考えられるが、破裂の起点となり得る部分、つまり、溶着部の外径部分及び集電円板の接する部分のみの肉厚を厚くするだけでは、点灯中の水銀や封入ガスの内部圧力（応力）、熱応力、紫外線によるガラスの構造劣化、溶着部の端面形状による応力集中（例えば、二種以上のガラス同士の溶着点が鋭角になる程応力が１点に集中すること）などの蓄積により、点灯中に破裂を回避することは困難である。

また、露光用水銀ランプは露光装置の高価な光学系に組み込んで使用されるため、ランプの破裂に伴い、その高価な光学系を破損することになり、また、ランプ内には水銀が封入されていてランプの破裂により水銀が外部に飛散することになるため、ランプの破裂の回避が強く要望されている。

特開２０１０−１９８９４７号公報 特許文献１は、円板部材及び円板箔の外径に所定の関係を持たせることによって封止管の破裂を防ぐように構成したショートアーク型放電ランプを開示する。 特開２００６−２８６３４３号公報 特許文献２は、シール用ガラス部材の凹部の縁幅、溝の深さ、軸方向の全長に所定の関係を持たせることによって点灯時の破裂を防止するように構成したショートアーク型放電ランプを開示する。 特開２００５−２４３４８４号公報 特許文献３は、リード棒を保持する管状体の端部から封止用ガラス体の放電空間側の端部までの距離、封止用ガラス体の径方向のガラス肉厚及び枝管部を構成するガラス管の径方向のガラス肉厚に所定の関係を持たせることによって、ランプ点灯時に枝管部の折れ等の不具合が起こらないように構成したショートアーク型放電ランプを開示する。

特許文献１では、内側金属リングの外径と円板箔の外径との差を考慮すること、又は、内側金属リングと封止管の肉厚との比と点灯時の発光管内の圧力とを考慮することによって封止管の破裂を防ぐことが図られており、ランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。

特許文献２では、シール用ガラス部材の凹部の深さ及び全長との関係からランプの破裂防止をしようとするもので、この文献もランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。

また、特許文献３では、特に、封止用ガラス体及び枝管部のガラス管のそれぞれの肉厚を考慮することによってシール部の破断や枝管部の折れ等を防ごうとするもので、この文献もランプの破裂の起点となる個所の検討が限定されている。

以上の観点から、上記の特許文献によってランプの破裂の危険性が低くなったとはいえ、ランプの破裂の起点となる個所をより確実に把握しそれらを適切に改良することによって、より確実にランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。

また、上記の特許文献とは異なる態様によってランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。

さらに、より簡易な構造によって確実にランプの破裂の危険性を下げることが要望されている。

そして、いずれの文献でも、シール管の石英ガラス中に含まれるＯＨ基濃度によってシール管の紫外線による劣化による機械的強度の低下は考慮していない。

そこで、本発明は、従来に比べて、より確実に、異なる態様により、より簡易な構造によって、ランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、球状部と、該球状部の両端に該球状部の中心を通る軸線に沿って対向して配置した２つのシール管部とを備える発光管封体と、前記球状部の内部に、所定距離離隔させて対向して配置した陰極及び陽極と、該陰極及び陽極からそれぞれ前記２つのシール管部まで延在する電極芯棒とを備え、各シール管部の内側に、第１のシール部材、第１の集電円板、第２のシール部材、第２の集電円板及び第３のシール部材が、該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部から離れる方向に連続して配置され、各シール管部の外側端部に口金が固定され、前記第１の集電円板と前記第２の集電円板とが前記第２のシール部材の外周面上に配置された電気的接続箔によって電気的に接続され、各シール管部内において、１つの前記電極芯棒が、前記第１のシール部材を該シール管部の中心軸線方向に沿って貫通してそれに保持されるとともに前記第１の集電円板に電気的に接続され、また、外部の電源に接続されるリード線が、前記口金を通って該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部に向かって前記第３のシール部材及び前記第２の集電円板を貫通してそれらに保持されるとともに該第２の集電円板に電気的に接続される、２ｋＷから３０ｋＷのランプ電力のショートアーク型放電ランプであり、各シール管部の最大の厚みを肉厚ｔ（ｍｍ）とし、各シール管部において、前記第１のシール部材の前記発光管封体球状部側端部がシール管部に接する位置から前記発光管封体球状部に向かう長さをＬ１（ｍｍ）、該第１のシール部材の該発光管封体球状部側端部が接する位置から前記口金に向かう長さをＬ２（ｍｍ）、該シール管部の中心軸線方向と直交する面であって前記第１の集電円板の中心を通る面（中心面）がシール管部に接する位置から前記発光管封体球状部に向かう長さをＬ３（ｍｍ）、該中心面がシール管部に接する位置から前記口金に向かう長さをＬ４（ｍｍ）とすると、３（ｍｍ）≦ｔ≦８（ｍｍ）、５（ｍｍ）≦Ｌ１≦２０（ｍｍ）、５（ｍｍ）≦Ｌ２≦１５（ｍｍ）、５（ｍｍ）≦Ｌ３≦１５（ｍｍ）、かつ５（ｍｍ）≦Ｌ４≦２０（ｍｍ）であり、さらに、前記シール管部の石英ガラス中に含まれるＯＨ基濃度が１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする。

そのショートアーク型放電ランプにおいて、点灯時に前記発光管封体の前記球状部内の圧力１．０ＭＰａから３．５ＭＰａである。

そのショートアーク型放電ランプにおいて、該ショートアーク型放電ランプのランプ電力は３．５ｋＷから１８ｋＷである。

そのショートアーク型放電ランプにおいて、各シール管部が多重管から構成されている場合、その合計厚さの最大厚さをｔ（ｍｍ）としてもよい。

本発明によると、ランプの破裂の起点となる個所をより確実に把握してそれらを適切に改良することによって、より確実にランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。

また、本発明によると、新たな態様によってランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。

さらに、本発明によると、より簡易な方法によって確実にランプの破裂の危険性を下げるショートアーク型放電ランプを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示すための簡略化した断面図である。 図２Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部の拡大断面図である。 図２Ｂは、本発明の別の実施形態に係るショートアーク型放電ランプのシール管部の拡大断面図である。 図３Ａは、シール管部７に、電極マウント９−１が溶着されたときに、応力がどのように溶着部分にかかるかを説明するための概念図である。 図３Ｂは、図３Ａとは異なる溶着角で、シール管部７に、電極マウント９−２が溶着されたときに、溶着角の相違により応力がどのように溶着部分にかかるかを説明するための概念図である。 図３Ｃは、本発明の別の実施形態に係わる第１シール材２１が円筒凹形状の実施例の断面図で、図３Ａの溶着角位置を補足する概念図である。 図３Ｄは、本発明の別の実施形態に係わる第１シール材２１が円筒凹形状で更に多重管シール構造として２重管実施例の断面図で、図３Ｂの溶着角位置を補足する概念図である。 図４Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部における所定の位置の所定の範囲の耐圧強度を示す表である。 図４Ｂは、図４Ａに示す表をグラフに表したものである。 図５Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部における、図４Ａで対象とした位置とは異なる所定の位置の所定の範囲の耐圧強度を示す表である。 図５Ｂは、図５Ａに示す表をグラフに表したものである。 図６Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部のＯＨ基濃度とシール管部の耐圧強度との関係を数値で示す表である。 図６Ｂは、図６Ａに示す表をグラフに表したものである。 図７Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部のＯＨ基濃度とランプの照度維持率との関係を数値で示す表である。 図７Ｂは、図７Ａに示す表をグラフに表したものである。 図８Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプのシール管部の肉厚とシール管部の耐圧強度との関係を数値で示す表である。 図８Ｂは、図８Ａに示す表をグラフに表したものである。

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。

［ショートアーク型放電ランプの概略構造］
図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプ１０の概略構造を示すための簡略化した一部断面図である。ここでは、例えば、ショートアーク型放電ランプ１０は２ｋＷから３０ｋＷのランプ電力を有するものや、室温（２５℃）で、少なくとも１種類の希ガスを０．０５ＭＰａから０．４ＭＰａ封入し、発光空間の全容積に対する水銀密度が、５ｍｇ／ｃｃから６０ｍｇ／ｃｃのランプで、点灯時の平均ガス温度が８００Ｋから１２００Ｋにおいて、点灯時の圧力が１ＭＰａを超えるものであってもよい。

ショートアーク型放電ランプ１０は、３１３ｎｍと３６５ｎｍ、４３６ｎｍの発光波長の光を強く放射するランプであり、球状部とその中心を通る軸線に沿って対向した２つのシール管部７とからなる発光管封体１を備える。球状部の内部には、陽極２及び陰極３が対向して配置され、対向した２つのシール管部７にはそれぞれ、発光管封体１の内部と外気とを遮断するために電極マウント９が固定されている。陽極２と陰極３との先端部間の距離は、３ｍｍから３０ｍｍの範囲内の例えば１０ｍｍである。

詳しくは後述するが、電極マウント９の球状部側の端部には、陽極２及び陰極３に接続された電極芯棒５が固定され、反対側の端部には、外部の電源に接続されたリード線と接続するためのリード棒６が連結されている。このように電極マウント９は、電極芯棒５及びリード棒６を保持するとともに、外気と発光管封体１との間を遮断するように気密に封じる。

電極芯棒５には、発光管封体１の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材１１が取り付けられている。

また、ランプの製造時に、図１のチップオフ４の位置に取り付けられていた排気管から、発光管封体内に、水銀を封入するとともに、少なくともアルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを単独またはそれらの混合ガスの形で封入する。

発光管封体１の球状部の外径は、発光出力の大きさと投入電力に応じて変わり、５０ｍｍから３００ｍｍの範囲内の例えば１００ｍｍで、球状部の軸線方向の長さは７０ｍｍから３００ｍｍの範囲内の例えば１４０ｍｍである。発光管封体１内には、３ｍｇ／ｃｃから５０ｍｇ／ｃｃの範囲から選択された例えば４０ｍｇ／ｃｃの水銀と、キセノン（Ｘｅ）、アルゴン（Ａｒ）及びクリプトン（Ｋｒ）の中の少なくとも１つの希ガスとが封入されている。ただし、１つの希ガスに代えて、混合ガス、例えばＫｒ及びＡｒなどの２種以上の混合ガスを用いてもよい。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略０．０５ＭＰａから０．４ＭＰａの範囲内の例えば０．２ＭＰａである。本ランプ点灯時には、発光管封体１内の圧力は２．０ＭＰａから３．５ＭＰａ程度になる。

［シール管部の概略構造］
陰極側及び陽極側のシール管部７は同様の構造であるため、以下は、一方の側の、例えば、陽極側のシール管部７について説明する。

図２Ａは、図１に示すショートアーク型放電ランプ１０のシール管部７の拡大断面図である。図２Ａに示すように、シール管部７の内側には、電極マウント９が溶着されていて発光管封体１の気密性が保たれている。溶着の方法については後述する。

電極マウント９は、石英ガラス円筒体の第１のシール部材２１、第２のシール部材（又はシール箔封着円筒体）２２及び第３のシール部材２３を備える。第１のシール部材２１は、発光管封体１の球状部とシール管部７との連結位置Ａから、球状部から離れる方向に向かって約１０ｍｍ離れた位置からシール管部７の内面に溶着されている。そのように約１０ｍｍの空間が設けられているのは、シール管部７内に第１のシール部材２１等を含む電極マウント９を溶着するためにシール管部７を火炎バーナー等で加熱するので、その熱が球状部に伝わってその球状部が変形することを防ぐためである。第１のシール部材２１の中央には貫通孔が形成されており、その貫通孔には、電極芯棒５が挿入され、巻回した金属箔の緩衝材を介して第１のシール部材２１に固定されている。また図２Ｂには、第１シール部材が円筒形状の発光部側を切削またはレーザー加工した凹形状であり、更にシール管７部が多重管シール構造の例として二重管方式の参考として図示する。図２Ａ及び図２Ｂにおいて同種の部材には同一の符号を付してある。

第１のシール部材２１と第２のシール部材２２との間には、第１の集電円板３１が介装されており、第１の集電円板３１には、第１のシール部材２１を貫通した電極芯棒５の端部が連結されている。これにより、電極芯棒５が第１の集電円板３１に電気的に接続されることになる。なお、電極芯棒５の端部は、さらに第１の集電円板３１を貫通して第２のシール部材２２に接続されるように構成される場合もある。

また、第２のシール部材２２と第３のシール部材２３との間には、第２の集電円板３２が介装されている。第３のシール部材２３の中心には貫通孔が形成されており、その貫通孔にはリード棒６が挿入されていて第３のシール部材２３に固定されている。また、その貫通したリード棒６の端部は、第２の集電円板３２を貫通して第２のシール部材２２の端部に挿入されて固定されている。これにより、リード棒６は、電気的に第２の集電円板３２に接続されるとともに第２のシール部材２２に機械的に保持されている。ただし、リード棒６の端部は、第２の集電円板３２を貫通せずにそれに電気的に接続されるだけもよい。

第１の集電円板３１の外周面と、この第１の集電円板３１の両側に位置する第１のシール部材２１及び第２のシール部材２２の外周面とは、金属製の緩衝箔１５によって覆われている。金属製の緩衝箔１５として、本実施例では厚さ０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの金属箔のなかでも厚さ０．０１５ｍｍを搭載し、更に箔には凹凸加工を施している。緩衝箔１５は、集電円板の厚さ同等以上の幅で巻き回し集電円板やシール箔に溶接されている。また、第２のシール部材２２の外周面上には、軸線方向と平行に、複数の短冊状のモリブデン製のシール箔２５（図１、図２Ａで実線と破線とを交互に引いたハッチングで示すもの）が、間隔を置いて配置されている。これらの電気的接続箔である緩衝箔１５及びシール箔２５によって、第１の集電円板３１と第２の集電円板３２とが電気的に接続されることになり、その結果、電極芯棒５とリード棒６とが電気的に接続されることになる。本実施例のシール箔は、厚さ０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍのナイフエッジ型モリブデン製シール箔の中でも、厚さ０．０４ｍｍで幅１２ｍｍのシール箔を５枚搭載した。

図２Ａに破線で示すように、口金２８がシール管部７の端部に取り付けられている。口金２８にはリード線が接続されていて口金２８を経由してリード棒６に外部の電源から電力が供給される。また、図２Ａに示すように、シール管部７には発光管封体１の球状部に連なる、肉厚の厚い厚肉部が形成されており、シール管部７の厚肉部の最大厚さを肉厚ｔ（又は厚さｔ）とすると、肉厚ｔは、後述するように、場所に応じて、３ｍｍ以上から８ｍｍ以下の範囲にある。図２Ａにおいて、口金２８の端部位置が、肉厚ｔが薄くなった位置Ｂにあるように描いているが、その端部はその位置に特定されるものではない。図２Ｂのニ重管方式の場合には、シール管部の最大の肉厚ｔは、シール管部７とシール管内管８とを合計した大きさである。

ここで、ショートアーク型放電ランプ１０を製造する際に、シール管部７内に電極マウント９を固定する概略の方法を説明する。まず、電極マウント９を用意し、電極マウント９をその外径よりも大きな内径を有するシール管部となる発光管封体１の筒状部の中に挿入する。この際に、上記のとおり、電極マウント９の球状部側に面する第１のシール部材２１の端面が、位置Ａから１０ｍｍ程度口金方向に離れるように電極マウント９を配置する。次に、シール管部となる筒状部の端部を火炎バーナーで加熱して封じ発光管封体１内を前出の排気管により減圧する。その減圧した状態で、電極マウント９を挿入したシール管部となる筒状部の外周を火炎バーナーで加熱する。その加熱により、シール管部７となる筒状部が溶融して収縮して電極マウント９の外周面に密着する。すなわち、シール管部７の内面が、第１のシール部材２１、第１の集電円板３１、第２のシール部材２２、第２の集電円板３２及び第３のシール部材２３の外周面と溶着する。これにより、電極マウント９とその筒状部とが密着してシール管部７が形成される。特に、シール部材２２の溶着性を高めるために、複数本の酸素と水素を利用した火炎バーナーにより、第１シール部材２１を溶着させるときよりも火力を上げている。また図２Ｂのような２重管構造の場合、石英ガラス製のシール管内管８と電極マウント９を先に溶封させた後に発光管封体１内に挿入し前述の同手法にて封着する。

［シール管部の所定範囲の耐圧強度］
図２Ａに示すように、第１のシール部材２１の発光管封体１球状部側の端面がシール管部７と溶着した位置をＣとし、第１の集電円板３１の外周面上の中央の位置がシール管部７と溶着した位置をＤとする。また、位置Ｃから発光管封体１及び口金２８側への所定距離の範囲をそれぞれＬ１及びＬ２とし、位置Ｄから発光管封体１及び口金２８側への所定距離の範囲をそれぞれＬ３及びＬ４とする。後述の通り、これらの範囲の部分では、ランプ点灯時に発光管封体１の内面に応力が発生すると、溶着部分の周辺において圧縮応力と引張応力とのバランスが整合しないと応力が分散されないため破裂の起点となる可能性がある。

図３Ａ乃至図３Ｄは、シール管部７に、それぞれ、電極マウント９の第一シール部材２１−１乃至２１−４が溶着されたときに、溶着状態の相違により応力がどのように溶着部分にかかるかを説明するための概念図である。図３Ａと図３Ｂとの相違は、第一シール部材２１−１と２１−２の溶着角の向きが異なる点にある。図３Ｃ及び図３Ｄは両方とも第一シール部材２１−３及び２１−４が凹形状のものであり、図３Ｄはさらにシール管部がシール管部７及びシール管内管８の二重管構造になっている。詳しくは後述の通り、図３Ｃにおいては、溶着角はシール管部７と第一シール部材２１−３との間で形成されるが、図３Ｄにおいては、溶着角はシール管内管８と第一シール部材２１−４との間で形成される。

ランプの点灯時には、内部圧力が１．０ＭＰａから３．５ＭＰａ程度と高くなり、発光管封体１の球状体部の内面部には引張応力がかかる。球状体部は楕円ミラーなどの集光光学系として利用されるため、集光効率を向上させるために滑らかな曲線を持つように成型されている。また、配光特性を向上させ封体球面の石英ガラスの屈折率の変化を抑制するため、球状体部では肉厚の変化が少なく温度変化も少なくなるようにされており、その結果、球状体部の全体に比較的均一の応力が加わることになる。一方、シール管部７では、シール管部７に第一シール部材２１−１又は２１−２が溶着されている部分では、内径が同じでも外径が大きく相違することがある。すなわち、シール管部７の肉厚ｔが場所によって大きく変わり、断面積の相違が１０倍以上になることがある。また、シール管部７に、第一シール部材２１−１又は２１−２が溶着されている部分では、シール管部７の内面と石英円筒体の溶着された角の面との間には鋭角の隙間が形成される。その隙間を形成する角度を溶着角という。溶着部への応力の集中の大きさや向きは、溶着角の大きさや溶着角の向きによって相違する。

図３Ａは、シール管部７の内面に、第一シール部材２１−１（石英円筒体）が溶着された状態を示す。第一シール部材２１−１はその軸線がシール管部７の内面と平行になるように配置されている。第一シール部材２１−１のシール管部７の内面に溶着された角の丸みは比較的大であるが、溶着角は、シール管部７の内面から測った角度である。

図３Ｂは、図３Ａと同様に、シール管部７の内面に、石英円筒体の第一シール部材２１−２が溶着された状態を示す。この場合は、第一シール部材２１−２はその軸線がシール管部７の内面と平行になるように配置されている。第一シール部材２１−２がシール管部７の内面に溶着された角の丸みは比較的小である。なお、図３Ｂには示していないが、第一シール部材２１−２が溶着されたシール管部７の内面は内部に向かって少し盛り上がっている。このため、溶着角は、その盛り上がった内面の接線から測った角度になる。

図３Ｃは、シール管部７の内面に凹形状の第一シール部材２１−３が溶着された構造を示す。この場合には、溶着角は、図３Ａと同様に、シール管部７の内面と第一シール部材２１−３の角の面との間に形成され、ほぼシール管部７の内面から図った角度になる。

図３Ｄでは、シール管部は、シール管部７の内側にシール管内管８が配置された二重構造となっており、内側のシール管内管８の内面に凹形状の第一シール部材２１−４が溶着されている。シール管内管８の先端は内側に縮径して変形している。この場合には、溶着角は、シール管内管８の内面と第一シール部材２１−４の角の面との間に形成され、シール管内管８の内面から図った角度になる。

一般的に、応力は石英円筒体の内部に放射状に広がった後に所定部分に集中することになる。図３Ａにおいては、溶着角が比較的シール管部７の内面に沿った方向であるため、応力の集中する方向は、その図に白矢印で示すように、ランプの軸線方向になる。一方、図３Ｂにおいては、溶着角は比較的石英円筒体の端面に沿った方向であるため、応力の集中する方向は、その図に白矢印で示すように、シール管部７の肉厚方向になる。

溶着角は、石英円筒体の丸みにより白矢印で示すように、応力集中方向となる角度中心方向が変化する。この方向は、石英円筒体の丸みだけに起因するものではなく、火炎バーナー溶封作業によりシール管内面が内側に食い込むことにより角度方向が変化する場合もある。

これらの集中した応力にはシール管部７の肉厚を厚くすることで対応することが可能になる。つまり、シール管部７の内面から外面までの距離が保てるため応力を広く分散することができるようになるので、溶着点や鋭角部分に応力が集中してもその応力を分散し結果的に強度を向上させることができるからである。

上記の通り、特に、図３Ａにおいては、ランプの軸線方向に集中した応力が向いている。また、応力には作用と反作用の力があり、特に引張応力が集中した部位周辺には圧縮応力が存在するので、圧縮耐性がないと引張応力によってシール管部７のその部位が破裂することになる。このため、その応力の向く軸線方向に沿ってシール管部７の所定の長さにわたって肉厚を大きくする必要がある。これにより、軸方向での応力緩和を図り、結果的に、耐圧強度をさらに向上させることができるようになる。

［実施例１］
ショートアーク型放電ランプ１０においては、シール管部７上において、その内面が、第１のシール部材２１の球状部側の端面と接する位置Ｃと、第１の集電円板３１の外周面と接する位置Ｄとが、点灯時においてランプの破裂の起点となる傾向が強い。例えば、本実施形態に係るショートアーク型放電ランプ１０のランプ電力が１２ｋＷである場合には、点灯後約１５分経過すると、ランプ内の温度は８００Ｋから１２００Ｋ程度になる。その時に、点灯時のランプ内部圧力が高くなり、それらの位置が破裂の起点となってランプが破裂する傾向がある。

本実施形態に係るショートアーク型放電ランプ１０はランプ電力が１２ｋＷで、点灯時圧力が２．０ＭＰａを超える場合について詳しく説明する。集電円板３１の厚さを６ｍｍとし、シール管部の肉厚ｔが４ｍｍとする。このランプでは耐圧強度は３．５ＭＰａ以上であることが要求されている。

図２Ａに示すように、第１のシール部材２１の発光管封体１球状部側の端面がシール管部７と溶着した位置をＣとし、第１の集電円板３１の外周面上の中央の位置がシール管部７と溶着した位置をＤとする。また、位置Ｃから発光管封体１及び口金２８側への所定距離の範囲をそれぞれＬ１及びＬ２とし、位置Ｄから発光管封体１及び口金２８側への所定距離の範囲をそれぞれＬ３及びＬ４とする。上記の通り、これらの範囲の部分では、ランプ点灯時に発光管封体１の内面に応力が発生すると、溶着部分の周辺において圧縮応力と引張応力とのバランスが整合しないために応力が分散せずに破裂の起点となる可能性が高い。

図４Ａは、上記の条件下で、Ｌ３を１５ｍｍ、Ｌ４を２０ｍｍとし、Ｌ１とＬ２を１ｍｍから２０ｍｍまで広げた範囲において、耐圧強度測定を行なった結果で得られた耐圧強度を表す。Ｌ１が１ｍｍ又は３ｍｍの場合、Ｌ２が１ｍｍから２０ｍｍまでの範囲において耐圧強度は２．１１から３．２１ＭＰａであり耐圧強度は３．５ＭＰａを下回った。またＬ２が１ｍｍ、３ｍｍの場合、Ｌ１が１ｍｍから２０ｍｍまでの範囲において耐圧強度は２．１６から２．８４ＭＰａであり、耐圧強度は３．５ＭＰａを下回りランプの要求性能を満足しない。Ｌ１、Ｌ２ともに５ｍｍ以上となると耐圧強度が３．５ＭＰａを超える測定結果を得た。

図４Ｂは、図４Ａに表す耐圧強度の測定値をグラフ１として表したものである。図から明らかにわかるように、Ｌ１、Ｌ２とも１ｍｍから２０ｍｍの全ての場合に最小耐圧強度２．０ＭＰａを超えており。Ｌ１、Ｌ２ともに５ｍｍ以上になると全ての最小測定値が３．５ＭＰａを超えている。

図４Ａ及び図４Ｂから、シール管部の肉厚ｔが４ｍｍであると、５ｍｍ≦Ｌ１≦２０ｍｍ、かつ５ｍｍ≦２０ｍｍの範囲において、耐圧強度測定のすべての最小の測定値が、３．５ＭＰａを超えることがわかる。

そして、Ｌ１は２０ｍｍ以上の長さであっても耐圧強度は３．５ＭＰａ以上の強度があることが推定される。それは、距離が離れると応力集中点のＣ部の影響を受けにくくなることが容易に考えられるからである。しかしシール管部の長さが長くなると、ランプ発光部のシール部端部及び周辺内部の温度が低下し、ランプ点灯初期の立ち上がり特性を悪化させてしまうために、Ｌ１は２０ｍｍ以下が望ましい。また、Ｌ２は２０ｍｍ以上の長さであっても良いが、厚肉部範囲が増えるため、火炎バーナーの溶融作業性が悪化するために、特に１５ｍｍ以下が望ましい。よって、５ｍｍ≦Ｌ１≦２０ｍｍ、かつ５ｍｍ≦Ｌ２≦１５ｍｍの範囲が耐圧強度３．５ＭＰａを超え、更にランプ特性を満足するために最適な範囲であるといえる。

図５Ａは、上記の条件下で、Ｌ１を２０ｍｍ、Ｌ２を１５ｍｍとし、Ｌ３及びＬ４を１ｍｍから２０ｍｍまで広げた範囲において、耐圧強度測定を行なった結果で得られた耐圧強度を表す。Ｌ３が１ｍｍ、３ｍｍの場合、Ｌ４が１ｍｍから２０ｍｍまでの範囲において耐圧強度は２．８７から３．３４ＭＰａであり耐圧強度は３．５ＭＰａを下回った。またＬ４が１ｍｍ、３ｍｍの場合、Ｌ３が１ｍｍから２０ｍｍまでの範囲において耐圧強度は２．８７から３．４３ＭＰａであり、耐圧強度は３．５ＭＰａを下回りランプの要求性能を満足しない。Ｌ３、Ｌ４ともに５ｍｍ以上となると耐圧強度が３．５ＭＰａを超える測定結果を得た。

図５Ｂは、図５Ａに表す耐圧強度の測定値をグラフ２として表したものである。図から明らかにわかるように、Ｌ３、Ｌ４とも１ｍｍから２０ｍｍの全ての場合に最小耐圧強度２．０ＭＰａを超えており。Ｌ３、Ｌ４ともに５ｍｍ以上になると全ての最小測定値が３．５ＭＰａを超えている。

図５Ａ及び図５Ｂから、シール管部の肉厚ｔが４ｍｍであると、５ｍｍ≦Ｌ３≦２０ｍｍかつ５ｍｍ≦Ｌ４≦２０ｍｍの範囲において、耐圧強度測定のすべての最小の測定値が、３．５ＭＰａを超えることがわかる。

そして、Ｌ３は２０ｍｍ以上の長さであっても良いが、厚肉部範囲が増えるため、火炎バーナーの溶融作業性が悪化するために、特に１５ｍｍ以下が望ましい。Ｌ４は２０ｍｍ以上の長さであっても耐圧強度は３．５ＭＰａ以上の強度があることが推定される。それは、距離が離れると応力集中点のＤ部の影響を受けにくくなることが容易に考えられるからである。しかしながら必要以上に長くすることは、ランプの耐圧性能を十分に満足しているので、材料コスト低減や火炎バーナー溶融作業性を悪化させないためにも、２０ｍｍ以下の範囲があれば十分な性能が発揮できる。よって、５ｍｍ≦Ｌ３≦１５ｍｍ、かつ５ｍｍ≦Ｌ４≦２０ｍｍの範囲が耐圧強度３．５ＭＰａを超え、更にランプ材料コスト低減と作業性能向上を満足するために最適な範囲であるといえる。

［シール管のＯＨ基濃度］
通常は、シール管部の材料としてＯＨ基濃度が５ｐｐｍ以下の石英ガラスを使用する。本発明の一実施形態に係るシール管部７のＯＨ基濃度は１０から２００ｐｐｍの範囲にある。このように、通常よりも高いＯＨ基濃度の石英ガラスを使用する理由は次の通りである。点灯時にランプ発光部から放射される紫外光は、シール管部ガラス内部を通過及び反射して、電極マウントとの溶着部であるシール管部にも到達する。紫外光は、石英ガラスのＳｉＯ₂の紫外線劣化（化学結合の解離）を与えるので、シール管部において応力が蓄積されて機械的強度が低下することになる。ＯＨ基濃度が高い石英ガラスを使用すると、紫外線劣化が抑制され、点灯中に石英ガラス内部に紫外線歪みが蓄積されることを抑制できるからである。

石英ガラスの紫外線による構造欠陥量は分光透過率の透過率低下（吸収帯の増加）から簡易的に測定することができる。例えば、１６３ｎｍ，２１５ｎｍ，２６５ｎｍ，３５５ｎｍ，５３２ｎｍ，１０６４ｎｍ等の透過率吸収帯により確認することができる。紫外線照射量による歪量の増加による強度低下は、ＳｉＯＨ濃度とほぼ比例しており、ＯＨ基濃度が１０ｐｐｍ未満であると、ＳｉＯＨによる歪抑制効果はなく、耐圧強度は３．５ＭＰａを下回ることがある。ランプ点灯中に効果を発揮できるようにするためには、１０ｐｐｍ以上のＯＨ基濃度が必要である。この場合には強度も３．５ＭＰａ以上に保つことができ、紫外線照射による歪抑制が可能になる。これは、紫外線照射によるＳｉ−Ｓｉ結合濃度の増加により応力が発生するためである。ＯＨ基濃度は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）により３６００ｃｍ^-1付近の波数の吸収量により簡易的に測定することができる。

［実施例２］
図６Ａは、シール管部のＯＨ基濃度とシール管部の耐圧強度との関係を数値で示す。図６Ｂは、図６Ａの数値をグラフ３として示す。ただし、図６Ｂにおいては、グラフの表示範囲の関係上ＯＨ基濃度が４００ｐｐｍの場合をグラフとして示していない。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ＯＨ基濃度を５ｐｐｍから４００ｐｐｍまで増加させながらランプの耐圧強度を調べた。各ＯＨ基濃度において耐圧強度の測定は４回ずつ行った。例えば、ＯＨ基濃度が１７０ｐｐｍの場合には、１度目の耐圧強度測定値は３．６０ＭＰａ、２度目の耐圧強度測定値は４．３３ＭＰａ、３度目の耐圧強度測定値は４．４８ＭＰａ、４度目の耐圧強度測定値は４．７３ＭＰａであった。ＯＨ基濃度が５ｐｐｍの場合には、望ましい耐圧強度の３．５ＭＰａまで耐圧強度が到達しなかった。ＯＨ基濃度が１０ｐｐｍ以上の場合には、すべてのＯＨ基濃度についていずれも破線で示す３．６ＭＰａのラインを超える耐圧強度の測定値を得た。

［実施例３］
図７Ａは、シール管部のＯＨ基濃度とランプの照度維持率との関係を数値で示す。図７Ｂは、図７Ａの数値をグラフ４として示す。この実施例では、ＯＨ基濃度が１０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、１７０ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、３００ｐｐｍのシール管部を備えるランプを製作し、１５００時間連続して点灯して照度維持率の変化を調べた。露光用ショートアーク型放電ランプの照度維持率は、点灯初期を１００％として、１５００時間時での照度維持率は７０％以上であることが求められている。例えば、ＯＨ基濃度が１７０ｐｐｍのシール管部を備えるランプの場合には、１５００時間時での照度維持率は７５．２％まで維持することができた。一方、ＯＨ基濃度が２００ｐｐｍのシール管部を備えるランプの場合には、照度維持率が１５００時間後時には６８％まで低下した。ＯＨ基濃度が高い石英ガラスは、ランプ働程中に徐々にランプ内部に酸素成分が放出される。ＯＨ基濃度が２００ｐｐｍを超えると、ランプ点灯中に発光部内部に石英ガラス内部からの酸素成分放出量が多くなりすぎたために、タングステンが酸化タングステンとなり、その結果、融点が３４００℃から１４００℃まで大幅に下がってしまい、電極先端だけでなく、電極先端周辺部や胴体部からの蒸発が促進されることになるため、球体内面に飛散したタングステンが付着することなどにより、照度維持率が低下する傾向があるからである。

したがって、図７Ａ及び図７Ｂから、ＯＨ基濃度が１０乃至２００ｐｐｍのシール管部を備えるランプが、適正な照度維持率を達成することができることがわかる。

［実施例４］
図８Ａは、上記ランプにおいて、Ｌ１を２０ｍｍ、Ｌ２を１５ｍｍ、Ｌ３を１５ｍｍ、Ｌ４を２０ｍｍとし、シール管部肉厚ｔを２．５ｍｍから１０ｍｍまで肉厚を増やしたランプの肉厚ｔ毎に４回の耐圧試験を実施した測定結果を表す。例えばｔが２．５ｍｍの場合、耐圧強度は２．３４ＭＰａ〜２．８２ＭＰａであり、３．５ＭＰａを大きく下回る。３ｍｍの場合、３．６４ＭＰａ〜３．８９ＭＰａと最低でも耐圧強度は３．５ＭＰａを超えていた。肉厚ｔが４ｍｍから１０ｍｍまでは４．０１ＭＰａから５．１２ＭＰａと肉厚が厚いものは耐圧強度が高いことがわかる。

図８Ｂは、図８Ａに表す耐圧強度の測定値をグラフ５として表したものである。図から明らかにわかるように、肉厚ｔが３ｍｍを超えると耐圧強度の全ての最低値が３．５ＭＰａを超えている。ランプ要求性能としては、耐圧強度は３．５ＭＰａ以上の性能があれば良いため、肉厚ｔは３ｍｍ以上あれば達成できる。しかしながら肉厚ｔが１０ｍｍの場合、８本以上の火炎バーナー火力を使用してもシール管部７の溶融作業性が悪化し、そのときの耐圧強度が、肉厚ｔが４ｍｍから８ｍｍまでのときの耐圧強度よりも低くなって更にバラツキ範囲が広がっているため、安定した製品作りには肉厚ｔは８ｍｍ以下が望ましいといえる。したがって、肉厚ｔが、３ｍｍ≦ｔ≦８ｍｍであれば耐圧強度は３．５ＭＰａを超えるといえる。

［他の実施形態］
電極マウントシール箔封着部の外径が、点灯電力２ｋＷのφ１８ｍｍ、５ｋＷのφ２５ｍｍ、１０ｋＷのφ３０ｍｍ、１８ｋＷのφ３５ｍｍでも同様の結果を得ることができた。

以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本発明は上記の実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になし得る追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。例えば、シール部材を石英ガラスではなくオゾンレス石英等他の適切な材料を用いて作ってもよい。それらのシール部材の材質を異ならせてもよい。第１シール部材はガラス以外の例えばモリブデン製の材料でも良い。また、水銀を封入せずにキセノンガスのみを封入したショートアーク型キセノンランプやフラッシュ点灯方式の希ガスショートアーク型放電ランプにおいても上記の実施形態に係る手法が適用できる。

１・・・発光管封体
２・・・陽極
３・・・陰極
５・・・電極芯棒
６・・・リード棒
７・・・シール管部
８・・・シール管内管
９・・・電極マウント
１０・・・ショートアーク型放電ランプ
１１・・・ゲッター材
１５・・・金属性緩衝箔
２５・・・シール箔
２１・・・第１のシール部材
２２・・・第２のシール部材
２３・・・第３のシール部材
３１・・・第１の集電円板
３２・・・第２の集電円板

Claims (4)

1. 球状部と、該球状部の両端に該球状部の中心を通る軸線に沿って対向して配置した２つのシール管部とを備える発光管封体と、
   前記球状部の内部に、所定距離離隔させて対向して配置した陰極及び陽極と、
   該陰極及び陽極からそれぞれ前記２つのシール管部まで延在する電極芯棒とを備え、
   各シール管部の内側に、第１のシール部材、第１の集電円板、第２のシール部材、第２の集電円板及び第３のシール部材が、該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部から離れる方向に連続して配置され、各シール管部の外側端部に口金が固定され、前記第１の集電円板と前記第２の集電円板とが前記第２のシール部材の外周面上に配置された電気的接続箔によって電気的に接続され、
   各シール管部内において、１つの前記電極芯棒が、前記第１のシール部材を該シール管部の中心軸線方向に沿って貫通してそれに保持されるとともに前記第１の集電円板に電気的に接続され、また、外部の電源に接続されるリード線が、前記口金を通って該シール管部の中心軸線方向に沿って前記球状部に向かって前記第３のシール部材及び前記第２の集電円板を貫通してそれらに保持されるとともに該第２の集電円板に電気的に接続される、２ｋＷから３０ｋＷのランプ電力のショートアーク型放電ランプであって、
   各シール管部は、前記球状部に連なり、前記口金が固定された外端部の肉厚より厚い肉厚の厚肉部を有し、
   各シール管部の厚肉部における下記の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４における肉厚をｔ（ｍｍ）とし、各シール管部において、前記第１のシール部材の前記発光管封体球状部側端部がシール管部と溶着した位置から前記発光管封体球状部に向かい且つ前記発光管封体球状部の手前の所定の位置までの長さをＬ１（ｍｍ）、該第１のシール部材の該発光管封体球状部側端部が溶着した位置から前記口金に向かう所定の位置までの長さをＬ２（ｍｍ）、該シール管部の中心軸線方向と直交する面であって前記第１の集電円板の軸線方向の中心を通る面（中心面）の部分がシール管部と溶着した位置から前記発光管封体球状部に向かう所定の位置までの長さをＬ３（ｍｍ）、該中心面の部分がシール管部に溶着した位置から前記口金に向かう所定の位置までの長さをＬ４（ｍｍ）とすると、
   ３（ｍｍ）≦ｔ≦８（ｍｍ）、
   ５（ｍｍ）≦Ｌ１≦２０（ｍｍ）、
   ５（ｍｍ）≦Ｌ２≦１５（ｍｍ）、
   ５（ｍｍ）≦Ｌ３≦１５（ｍｍ）、かつ
   ５（ｍｍ）≦Ｌ４≦２０（ｍｍ）であり、さらに、
   前記シール管部の石英ガラスに含まれるＯＨ基濃度が１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの範囲にある、ショートアーク型放電ランプ。
2. 請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、点灯時に前記発光管封体の前記球状部内の圧力が１．０ＭＰａから３．５ＭＰａである、ショートアーク型放電ランプ。
3. 請求項１又は２のショートアーク型放電ランプにおいて、該ショートアーク型放電ランプのランプ電力は３ｋＷから１８ｋＷである、ショートアーク型放電ランプ。
4. 請求項１乃至３のいずれかのショートアーク型放電ランプにおいて、各シール管部が多重管から構成されている場合、その合計厚さの最大厚さをｔ（ｍｍ）とする、ショートアーク型放電ランプ。

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