JP5995000B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源や、映写機のバックライト用光源に適用されるショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、発光管内に水素ゲッターを有するショートアーク型放電ランプに係わるものである。

ショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く点光源に近いことから、光学系と組み合わせることによって露光装置用若しくは映写機のバックライト用の光源として利用されている。

このようなショートアーク型放電ランプにおいては、点灯時にバルブを構成する石英ガラスに含まれるＯＨ基が、ランプの点灯時間経過とともにバルブ内にＨ_２Ｏの状態で放出される。Ｈ_２Ｏは、アークからの熱により酸素と水素とに分解し、この水素が原因となってアークが揺らぐことにより、紫外線の照射面における照度安定度が低下するという問題があった。

そこで、発光管内に放出される水素を吸収するために、水素ゲッターを発光管内に配置することが提案されている。
例えば、特開２０１１−１００５８８（特許文献１）には、陰極の軸部に水素ゲッターを取り付ける構造が開示されている。
図８、図９にその構造が示されている。
図８において、ショートアーク型放電ランプ２０は、発光管２１の両端に封止部２２、２２を有し、発光管２１内には一対の陰極２３と陽極２４が対向配置されている。陰極２３の軸部２５には、内部に後述する水素ゲッターを収納して環状の水素ゲッター用ケーシング３０が取り付けられている。
図９に示すように、この環状ケーシング３０内には、水素ゲッター３１が収納されている。水素ゲッター３１は、水素透過性金属であるタンタルからなる環状の中空容器３２と、その内部に機密に封入されたイットリウムなどの水素ゲッター材３３とからなる。
なお、発光管内の水素は、ケーシング３０の底部の開口３０ａを介してケーシング３０内に入り、水素ゲッター３１の中空容器３２を透過して水素ゲッター材３３に吸着されるものである。

このような構成をとるのは、水素ゲッター材３３であるイットリウムが水素吸蔵能は高いが、発光管内に封入された物質、とりわけ水銀と反応してアマルガムを生成してしまうという不具合があるので、これを防止するために、水素透過性材料からなる中空容器３２によって保護しなければならないという事情によるものである。
また、水素ゲッター３１をケーシング３０内に収納するのは、水素ゲッター３１の中空容器３２の厚みが水素透過性を良好にするために比較的薄く形成されていて、そのままの状態では発光管の内部に配置した際に、ランプ点灯中のアーク放電に曝されてしまって、その熱により容易に溶解して破損するおそれがあるため、ケーシング３０によってこれを保護するものである。

ところで、この従来技術では、ケーシング３０と水素ゲッター３１の中空容器３２とは一体に固定されるものではなかった。その理由は、先述したように、中空容器３２は水素透過性を良好にするためにその肉厚が薄く形成されていて、これをケーシング３０に接着してしまうと、それが何らかの理由により離脱することがあると、破れて破損するおそれがあったためである。
逆にそのために、水素ゲッター３１はケーシング３０の内部で自由に動きうる状態となり、ランプの輸送中などにケーシング３０内で動いてしまい、該ケーシング３０と衝突し破損するおそれがあった。
また、その構造も、ケーシング３０と中空容器３２という二重構造であって複雑であり製造コストの増加を招いてもいた。

特開２０１１−１００５８８号公報

この発明が解決しようとする課題は、発光管内に水素ゲッターを設けたショートアーク型放電ランプにおいて、水素ゲッターの構造を簡略化して、水素ゲッター材を封入する容器が破損するといった事故を起こすことなく、製造が簡便な構造を提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、前記水素ゲッターは、水素ゲッター材と、該ゲッター材を収容して前記電極軸部に取り付けられる環状容器とからなり、前記環状容器は、一端が開口して環状収納部が形成されており、前記ゲッター材が、前記環状収納部内に収納されており、前記環状容器の一端開口は、水素透過性金属シートにより密閉されていることを特徴とする。
また、前記環状容器の一端開口の縁部には、前記水素透過性金属シートを挟んで一対の同心状のリング状枠部材が接合されていることを特徴とする。
また、前記水素ゲッター材はプレス成形加工されていることを特徴とする。
また、前記プレス成形された水素ゲッター材が、前記環状容器の環状収納部内に圧入されていることを特徴とする。
また、前記水素透過性金属シートは、前記環状収納部の内側方向に凹んでいることを特徴とする。
また、前記環状容器はモリブデン、またはタングステンからなることを特徴とする。
また、前記水素透過性金属シートは、タンタル、またはニオブからなることを特徴とする。

この発明のショートアーク型放電ランプによれば、電極軸部に取り付けられた環状容器内に直接水素ゲッター材を収納し、水素透過性金属シートで密閉する構成としたので、従来技術が二重構造で複雑であり、ゲッター材を収納する容器が破損するという不具合があったのに対して、構造が極めて単純化し、製造コストが低く抑えられるとともに、容器の破損といった事故も未然に防げる。
また、環状容器の一端開口の縁部には、水素透過性金属シートを挟んで一対の同心状のリング状枠部材が接合されていることにより、物理的に脆い水素透過性金属シートを保護することができる。
また、前記水素ゲッター材をプレス成形加工して、前記環状容器の環状収納部内に収納することで、該環状容器の小型化が図れる。また、この成形体を環状容器内に圧入することにより、水素ゲッター材が環状容器内で固定され、みだりに移動することがないので、水素透過性金属シートに衝撃による負担をかけることが防止できる。
また、前記水素透過性金属シートが環状容器の環状収納部の内側方向に凹んでいることにより、ランプ点灯時に発光管内の圧力により該金属シートに凹む方向の力が作用しても、予め凹めておくことにより該圧力に対する耐力があり、破損することがない。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの水素ゲッターの取り付 け構造を示す分部断面図。 他の実施例の断面図。 他の実施例の断面図。 図１に示す実施例の製造工程図。 図３に示す実施例の製造工程図。 他の実施例の断面図。 他の実施例の斜視図。 従来技術のショートアーク型放電ランプ全体図。 従来技術の水素ゲッターの断面図。

図１は、図８に示すランプ全体図における陰極軸部２５に取り付けられた水素ゲッター１の断面図である。
水素ゲッター１は、電極軸部２５に取り付けられた環状容器２と、該環状容器２内に収納された水素ゲッター材５とからなる。
環状容器２は、その下端が開放されていて、これにより、下端開放の環状収納部３が形成されており、前記水素ゲッター材５はこの環状収納部３内に収納されている。
この環状容器２は、水素ゲッター５を内部に収容するという機能の他に、不所望な放電が飛来した場合でも溶融しないという機能が求められる。そのために、材料としては高融点金属が用いられる。なお、ここでいう高融点金属とは、モリブデンやタングステンのような、アークに晒されても変形せず耐久することができる２０００℃以上の融点を有する高融点金属のことである。

そして、環状容器２の下端開口の縁部４には、水素透過性金属シート６が接合されて、これにより、環状収納部３は密閉されている。
この水素透過性金属シート６は、多孔質物質のような水素以外のガスをも透過してしまうものは好ましくなく、基本的に気体を透過させないが水素は透過する金属が用いられる。
そのため、水素透過係数の高い金属であるタンタルまたはニオブが用いられ、特に加工のしやすさの点からタンタルが好ましい。
ここでいう「水素透過性」とは、水素分子がいったん水素原子に分かれて金属の内部に溶解して拡散したのち、再び外部に放出されて結合し水素分子に戻ることで透過することと同じ機能を有することをいう。
該水素透過性金属シート６の厚みは薄いほど水素を透過する早さが向上するので好ましいが、破損しやすくなるため２０〜１０００μｍであることが好ましい。とりわけ、５０〜２００μｍが水素透過速度と破損防止のバランスの点から好ましい。
この水素透過性金属シート６は、環状容器２の下端開口を塞ぐように配置されて種々の方法によって下端開放の縁部４に気密に接合されることにより、容器外部から内部へのリークを防止している。その接合は、溶接による接合でもよいが、後述するＳＰＳ焼結法により拡散接合されていると接合強度の点からさらに好ましい。

そして、前記環状容器２の環状収納部３内に収納される水素ゲッター材５は、イットリウム又はジルコニウムが用いられ、特に水素吸蔵能が高いイットリウムが好ましい。
封入される態様としては、粉末、若しくは粉末をプレスした成形体が用いられる。水素ゲッター材が内部で不可動であるという点では環状容器２の底面部（上面側）に固定されていることが好ましい。
図１はこの例を示しており、水素ゲッター材５は、プレス成形されていて、該成形体が環状収納部３内に圧入されたものであって、環状収納部３の上面側の位置で固定されていて、金属シート６に負荷をかけることがない。

ただし、この水素ゲッター材５は必ずしも環状容器２の上面側に固定されていなければならないということではなく、図２に示すように、金属シート６側に当接する形態であってもよい。特に、水素ゲッター材５が粉末状である場合は、金属シート６上に積層されることになる。なお、後述する数値例における水素ゲッター材５の重量は１ｇ程度であって、金属シート６は、この程度の重量の水素ゲッター材５によって破損されることはなく、十分な耐性力を有している。

前述したように、水素ゲッター材５は粉末状であっても、プレス成形体であってもよいが、プレス成形することにより、その嵩密度が高くなり体積が小さくなるので、これを収納する環状容器２の大きさも小さくすることができるので、より好ましい。

図３には、他の実施例が示されていて、環状容器２の開口下端の縁部４に、水素透過性金属シート６を挟んで一対の同心状のリング状枠部材８、８が接合されている。
このような枠部材８、８を設ける理由は、水素透過性金属シート６の保護にある。
水素透過性金属シート６は非常に薄くて物理的に脆く、そのために、該金属シート６を露出させないようにして、組み立て時等に他部材との物理的な接触を回避して破損から保護するという意味がある。
また、ランプ点灯中に不所望なアーク放電の飛来（横とび）が、水素透過性金属シート６に対して生じると、タンタル等の材料自体の融点は高いが肉薄であるので、アークの熱によって溶解し破損してしまうおそれがある。
枠部材８が設けられている場合には、アークがこの部位にまで飛来してきても、ひとまずこの枠部材８に収束し、時間経過とともに正常な位置に戻るため、避雷針的や役割を担い、水素透過性金属シート６を保護することができる。

次に水素ゲッター１の製造方法について図４、図５を用いて説明する。
図４（Ａ）に示すように、まず、切削等によって端部の開放した環状容器２を作製する。そして、該環状容器２の環状収納部３内に水素ゲッター材５を収納する。
次いで、環状容器２の開口の縁部４上に水素透過性金属シート６を載置する。
その後、金属シート６を環状容器２に接合するが、この例では、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）法によって拡散接合する場合が示されている。
図４（Ｂ）に示すように、水素ゲッター材５が収納された環状容器２と金属シート６とを、真空容器中におき、上下に加圧器を兼ねる電極１１、１２を押圧し、圧力を掛けながら通電して加熱する。
その条件の一例は以下の通りである。
雰囲気：５Ｐａ以下の真空中
温度：１０５０℃
圧力：３５〜１００ＭＰａ
処理時間：４ｍｉｎ
これにより、環状容器２と金属シート６とは拡散接合により強固に接合される。それと同時に水素ゲッター材５の活性化もなされる。

次いで、図３に示す枠部材８、８を有する場合の製造方法を説明する。
図５に示すように、水素ゲッター材５が収納された環状容器２上に水素透過性金属シート６を重ね、その上に、これを挟むように一対の環状枠部材８、８を載置する。そして、これらを上下の電極１１、１２で挟み、加圧、加熱して一度に拡散接合する。これにより、環状容器２と金属シート６、そして金属シート６と枠部材８、８が拡散接合されて水素ゲッター１が作製される。

こうして作製される水素ゲッター１の一寸法例を挙げると以下の通りである。
以下は電極軸部２５の直径が８ｍｍの場合の一寸法例である。
＜環状容器＞
材料：モリブデン
外径：１６ｍｍ 高さ：５．５ｍｍ 肉厚：１ｍｍ
環状収納凹部の幅：２ｍｍ
枠部材の高さ：１ｍｍ
＜水素透過性金属シート＞
材料：タンタル
外径：１６ｍｍ
中央開口径：８ｍｍ
肉厚：０．１ｍｍ
＜水素ゲッター材＞
材料：イットリウム
封入量：１ｇ

図６に水素透過性金属シート６の他の実施例が示されている。
この実施例では、水素透過性金属シート６は、環状容器２の下端開口において、環状収納部３の内側方向に凹んで形成されている。
水素ゲッター１は、環状容器２と金属シート６との接合および水素ゲッター材５の活性化処理が真空中で行なわれるので、金属シート６によって密閉された環状容器２内は負圧状態であって、ランプ点灯中には発光管内の圧力によって金属シート６には環状容器２の内側方向に応力が作用する。
そのため、予め金属シート６を環状容器２の環状収納部３の内側方向に凹むように形成しておくことで、ランプ点灯時に圧力が高まってもその圧力に対して耐力があって、破損する事故を未然に防げる。

なお、上記の説明においては、水素透過性金属シート６によって密閉された開口が下側に配置された下端開口として説明したが、開口を上側にして配置して、その上端開口に金属シート６を設ける構成としてもよい。
一般的に、水素ゲッター材５は温度が低いと水素吸蔵能が高く、水素透過性金属シート６は温度が高いと水素透過性が高いので、これらの兼ね合いで金属シートを上端側にするか下端側にするかを選択することができる。
更には、ここで、上端、下端とは、ランプが垂直点灯され、陰極が下方にある場合のことを指しており、その場合、上端とは陰極側、下端とはその反対側を意味するものである。
また、上記実施例の説明においては、環状容器および環状収納部として説明したが、電極軸部の周囲の全周に亘って環状、即ち円筒状である以外に、図７に示すように、環状容器２が円環状の一部において切欠かれた概略円環状であってもよい。

以上説明したように、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、水素ゲッターを、水素ゲッター材と、該ゲッター材を収容して電極軸部に取り付けられる環状容器とから構成し、この環状容器は、一端が開口して環状収納部が形成されており、前記ゲッター材が、前記環状収納部内に収納されており、前記環状容器の一端開口は、水素透過性金属シートにより密閉されている構成としてので、水素ゲッターが二重構造となることなく、その構造が簡略化されて、製造コストが低く抑えられるとともに、容器の破損といった事故も未然に防げる。
また、環状容器の一端開口の縁部に、水素透過性金属シートを挟んで一対の同心状のリング状枠部材が接合することにより、物理的に脆い水素透過性金属シートを保護することができる。

１ 水素ゲッター
２ 環状容器
３ 環状収納部
４ 一端開口縁部
５ 水素ゲッター材
６ 水素硬化性金属シート
８ リング状枠部材

Claims (7)

1. 発光管内に、一対の電極を対向配置し、該電極の軸部に水素ゲッターを取り付けてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記水素ゲッターは、水素ゲッター材と、該ゲッター材を収容して前記電極軸部に取り付けられる環状容器とからなり、
   前記環状容器は、一端が開口して環状収納部が形成されており、
   前記水素ゲッター材が、前記環状収納部内に収納されており、
   前記環状容器の一端開口は、水素透過性金属シートにより密閉されている、
   ことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記環状容器の一端開口の縁部には、前記水素透過性金属シートを挟んで一対の同心状のリング状枠部材が接合さ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。
3. 前記水素ゲッター材は、プレス成形加工されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記プレス成形加工された水素ゲッター材が、前記環状容器の環状収納部内に圧入されていることを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記水素透過性金属シートは、前記環状収納部の内側方向に凹んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記環状容器はモリブデン、またはタングステンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
7. 前記水素透過性金属シートは、タンタル、またはニオブからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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