(57)【要約】【課題】点灯中、封止管の破裂を防ぐ信頼性の高い封止構造をもった放電ランプを得る。【解決手段】大電力によって点灯可能な放電ランプにおいて、電極側ガラス管に面する内側金属リング２６を封止管２０内に配設し、複数の金属箔３６を内側金属リング２６に溶着させる。そして、発光管内の点灯時圧力をＰ（ＭＰａ）とするとき、封止管２０の肉厚Ｔ（ｍｍ）と、内側金属リング２６の径Ｄ（ｍｍ）とを、（Ｐ−２．２）／２００＜（Ｔ／Ｄ２）を満たすように定める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、封止管と溶着したガラス管と、
前記ガラス管に面し、軸方向に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続させる導電性環状部材とを備え、
前記発光管内の点灯時圧力をＰ（ＭＰａ）、前記環状部材の外径をＤ（ｍｍ）、前記環状部材と前記ガラス管との接触面付近における前記封止管の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、以下の式が満たされるように、前記環状部材の外径Ｄと、前記封止管の肉厚Ｔが定められることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
（Ｐ−２．２）／２００＜Ｔ／Ｄ２
【請求項２】
前記環状部材の径Ｄ、および前記封止管の肉厚Ｔが、それぞれ以下の範囲にあ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。
１．５≦Ｔ≦１１、２０≦Ｄ≦４１
【請求項３】
発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、封止管と溶着したガラス管と、
前記ガラス管に面し、軸方向に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続させる導電性環状部材とを備え、
安定点灯時の電力が８ｋＷ以上であって、
前記環状部材の外径をＤ（ｍｍ）、前記環状部材と前記ガラス管との接触面付近における前記封止管の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、以下の式が満たされるように、前記環状部材の外径Ｄと、前記封止管の肉厚Ｔが定められることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
０．００６５≦Ｔ／Ｄ２
【請求項４】
発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、封止管と溶着したガラス管と、
前記ガラス管に面し、軸方向に沿って配設された金属箔と前記電極支持棒とを電気的に接続させる導電性環状部材とを備え、
前記発光管内の点灯時圧力をＰ（ＭＰａ）、前記環状部材の外径をＤ（ｍｍ）、前記環状部材と前記ガラス管との接触面付近における前記封止管の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、以下の式が満たされるように、前記環状部材の外径Ｄと、前記封止管の肉厚Ｔが定められることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
ｋ×（Ｐ−Ｐｃ）＜Ｔ／Ｄ２
ただし、ｋは、前記封止管の破壊圧力とＴ／Ｄ２との比例関係から求められる係数を表す。また、Ｐｃは、発光管内の限度圧力を示す。
【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ランプに関し、特に、放電ランプの封止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク型放電ランプでは、電極を封じた発光管の両端にガラス製の封止管が一体的に形成されており、封止管内では、電極を支持する電極支持棒が筒状ガラス管によって保持される。金属箔による封止構造では、封止管を熱によって縮径させ、封止管をガラス管と溶着させる。これにより、金属箔が封着され、発光管内が気密状態になる。
【０００３】
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、定格電力の大きな放電ランプでは、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、および電極支持棒を介して、電極に電力が供給される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
封止管の強度を上げるため、例えば、電極支持棒の径（ｄ）と封止管の外径（Ｄ）との比を所定値より大きく設定する方法が知られている（特許文献２参照）。そこでは、一枚の金属箔を電極支持棒に接続させるランプの封止構造に対し、電極支持棒の径と封止管の外径との比（Ｄ／ｄ）を調整し、点灯時における封止管の破損を防ぐ。
【特許文献１】特開２００７−１１５４１４号公報
【特許文献２】実開平１−１０６０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属リングを設けたランプの封止構造では、封止工程のとき、金属リングとガラス管の接触面付近に微小な隙間が生じる。微小な隙間は、電極支持棒とガラス管との隙間を通じて放電空間と連通している。そのため、ランプ点灯時には放電空間内の高い圧力と大気との圧力差により、金属リングとガラス管を引き離そうとする応力が生じる。この応力によって、クラックが接触面に沿って径方向外側に進行し、封止管外面まで到達する。
【０００６】
また、金属リングは、ランプ点灯時に電極からの熱によって高温化し、熱膨張する。この熱膨張の影響によって、金属リング周囲の封止管にかかる応力は増大する。ランプの大電力化に伴って、金属箔の枚数増加、金属リングの大型化が進むと、封止管の受ける応力がより一層増加し、封止管が破裂する恐れがある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように封止管の径を相対的に厚くするだけでは、金属リングを用いた封止構造の強度を適切なものとすることはできない。金属リング周囲の封止管の肉厚を必要以上に厚くすると、クラックの進行方向が拡散し、接触面付近に生じたクラックがガラス管内部、あるいは封止管壁面を伝って発光管まで進行してしまう。これによって発光管自身が破裂し、ランプだけでなく光源装置全体の破損を招き、被害が増大する。
【０００８】
このように、ランプの大電力化に伴って金属リングのサイズが大型化する場合、従来ランプとは異なる封止管内の応力に対応しなければならず、十分な耐圧性をもち、ランプ破損を招くことのない信頼性ある強度を封止構造に持たせる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の放電ランプは、金属リングなどの導電性環状部材を用いた封止構造の放電ランプであり、発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、封止管と溶着したガラス管と、ガラス管に面し、軸方向に沿って配設された金属箔と電極支持棒とを電気的に接続させる導電性環状部材とを備える。
【００１０】
本発明では、以下の式を満たすように、環状部材の外径Ｄ（ｍｍ）、および環状部材とガラス管との接触面付近における封止管の肉厚Ｔ（ｍｍ）が定められる。ただし、発光管内の点灯時圧力をＰ（ＭＰａ）とする。
（Ｐ−２．２）／２００＜（Ｔ／Ｄ２）
【００１１】
環状部材を用いた封止構造においては、環状部材とガラス管との接触面にかかる応力は、その環状部材の軸方向を向く表面の面積、すなわち内側ガラス管２４との接触面の大きさに比例するとみなせる。よって、封止管内に生じる応力は、環状部材の径Ｄの二乗に比例すると考えられる。逆に言えば、環状部材の径Ｄを小さくすると、その二乗効果で応力は小さくなる。一方、応力に対する封止管の耐圧性は、肉厚Ｔに比例して増加するものと考えられる。
【００１２】
したがって、封止管の肉厚Ｔと環状部材の面積Ｄ２との比Ｔ／Ｄ２は、金属リングを用いた封止構造、特に大電力の放電ランプの封止構造に関し、点灯中封止管内で生じる応力に対する耐圧性能を表す有効な指標となり得る。実際、封止管にクラックが生じた時（破壊時）の放電空間内の圧力とＴ／Ｄ２との関係を調べると、比例関係にあることが明らかになった。
【００１３】
点灯時の放電空間内圧力は破壊圧力より小さく設定する必要があるため、その比例式から放電空間内の許容圧力範囲を示す不等式が導かれる。よって、点灯時の発光管内の圧力をＰとすることで、Ｔ／Ｄ２の値の範囲を規定する上記式が導かれる。
【００１４】
上述したように、環状部材の径を小さくすると、その二乗に比例して封止管内の応力も減少する。よって、環状部材の径の大きさをわずかに抑えることによって、肉厚Ｔをそれほど変えずに封止構造の強度を維持することができる。すなわち、環状部材のサイズの大型化に伴って必要以上に封止管の肉厚を大きくしなくて済む。
【００１５】
特に、大電力の放電ランプの場合、環状部材の径Ｄが２０ｍｍ以上になる。一方、封止管の厚さＴには上限があり、また、必要以上に肉厚Ｔを大きくすることによって発光管の破損を招く恐れがある。本発明では、封止管の肉厚Ｔと環状部材の径Ｄとのバランスを上記式に基づいて調整することが可能であり、適切な強度をもつ封止構造を実現することが可能となる。
【００１６】
封止管の肉厚Ｔは、様々な事情により制限を受ける。封止管の肉厚が薄すぎると、封止管を均一に収縮させることが難しく、封止加工が煩雑となる。したがって、その肉厚の下限を１．５ｍｍとするのがよい。一方、封止管が厚すぎると、クラックが発光管まで進行する恐れがある。例えば、肉厚の上限を１１ｍｍとするのが望ましい。
【００１７】
一方、環状部材の径Ｄについては、大電力の放電ランプを考慮してその範囲を定めるのがよい。例えば、環状部材の径Ｄの下限を、大電力放電ランプ実現のために２０ｍｍと定める。一方、封止管の厚さＴを１１ｍｍ以下にするため、上記式から環状部材の径Ｄの上限を４１ｍｍに定める。ただし、発光管内の耐圧（破壊圧力）Ｐを、３．５ＭＰａとする。
【００１８】
本発明の他の特徴であるショートアーク型放電ランプは、大電力化を図るため、安定点灯時の電力が８ｋＷ以上に定められる。そして、環状部材の外径をＤ（ｍｍ）、環状部材とガラス管との接触面付近における封止管の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、以下の式が満たされることを特徴とする。ただし、点灯時の放電空間圧力が２．５ＭＰａになることを考慮し、高い安全性を確保するため、放電空間、すなわち発光管内の耐圧（破壊圧力）Ｐを３．５ＭＰａとして上記式に代入することによって得られる。
０．００６５≦Ｔ／Ｄ２
【００１９】
本発明の他の特徴であるショートアーク型放電ランプは、発光管内の電極を支持する電極支持棒を保持し、封止管と溶着したガラス管と、ガラス管に面し、軸方向に沿って配設された金属箔と電極支持棒とを電気的に接続させる導電性環状部材とを備え、発光管内の点灯時圧力をＰ（ＭＰａ）、環状部材の外径をＤ（ｍｍ）、環状部材とガラス管との接触面付近における封止管の肉厚をＴ（ｍｍ）としたとき、以下の式が満たされるように、環状部材の外径Ｄ、封止管の肉厚Ｔが定められることを特徴とする。
ｋ×（Ｐ−Ｐｃ）＜Ｔ／Ｄ２
【００２０】
ただし、ｋは、封止管の破壊圧力とＴ／Ｄ２との比例関係から求められる係数を表す。また、Ｐｃは、放電ランプの安定点灯時における電力に基づいた発光管内の限度圧力を表す。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、点灯中、封止管の破裂を防ぐ信頼性の高い封止構造をもった放電ランプを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
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。図２は、陽極側封止管の概略的断面図である。
【００２４】
ショートアーク型放電ランプ１０は、石英ガラスの発光管１２内に陽極１４、陰極１６を備える。発光管１２の両側には、石英ガラスの封止管２０、６０が対向するように連設されている。封止管２０、６０の両端は、口金８０Ａ、８０Ｂで塞がれている。
【００２５】
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。また、放電空間１１には、水銀および希ガスが封入されている。
【００２６】
図２に示すように、封止管２０内部には、陽極１４を支持する電極支持棒２２が設けられ、軸方向に沿って配設されている。電極支持棒２２は、円筒状の肉厚ガラス管（以下、電極側ガラス管という）２４に設けられた軸穴２４Ａを通り、電極側ガラス管２４によって保持される。電極側ガラス管２４の発光管側端部には、封止管２０との溶着を確実にするため、円筒状の凹部２４Ｂが形成されている。
【００２７】
電極支持棒２２は、封止管２０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２８が同軸的に対向配置されている。電極支持棒２２、リード棒２８は、円柱状のガラス部材３４の両端に設けた挿入穴に軸挿され、ガラス部材３４は電極支持棒２２、リード棒２８を保持する。リード棒２８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。
【００２８】
ガラス部材３４の両端には、金属リング２６、３２がそれぞれ密着配置され、電極支持棒２２、リード棒２８は軸穴２６Ａ、３２Ａに溶接されている。発光管１２に近い金属リング（以下、内側金属リングという）２６は、電極側ガラス管２４と当接し、他方の金属リング（以下、外側金属リングという）３２は、リード棒２８を軸通させて保持する環状固定ガラス管２９と当接する。
【００２９】
内側金属リング２６、外側金属リング３２の間には、軸方向に沿って複数の帯状金属箔３６がガラス部材３４の外表面に沿って軸方向に延び、その両端は、内側金属リング２６、外側金属リング３２の円周面に溶接されている。外側金属リング３２は、リード棒２８と金属箔３６とを電気的に接続させ、内側金属リング２６は、金属箔３６と電極支持棒２２とを電気的に接続させることにより、電源部と接続するリード棒２８から陽極１４へ電力が供給される。
【００３０】
封止管２０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２４，ガラス部材３４、固定ガラス管２９と溶着している。これにより、封止管２０内部が封止され、電極側ガラス管２４、内側金属リング２６、外側金属リング３２、ガラス部材３４、そして固定ガラス管２９を含むマウント部品１８Ａが、軸方向に動かないように固定される。
【００３１】
図３は、図２における内側金属リング２６と電極側ガラス管２４との接触面２４Ｎの断面図である。
【００３２】
放電ランプ１０は、大電力（例えば８ｋＷ）によって点灯可能であり、内側金属リング２６、外側金属リング３２は、大電力化に伴い、その径が２０ｍｍ以上のサイズに定められている。
【００３３】
内側金属リング２６の外径をＤとし、封止管２０の外径をＤ０と表すと、封止管２０の肉厚（厚さ）Ｔは、ＤとＤ０との差に基づいて算出される（＝（Ｄ０−Ｄ）／２）。そして、金属リング２６の外径Ｄと封止管２０の肉厚Ｔとの比（Ｔ／Ｄ２）が以下の式を満たすように、内側金属リング２６の外径Ｄ（ｍｍ）および封止管２０の肉厚Ｔ（ｍｍ）が定められる。
（Ｐ−２．２）／２００＜Ｔ／Ｄ２                        ・・・・・（１）
ただし、Ｐは、安定点灯時における発光管１２内の圧力を示す。また、金属箔３６の厚さは金属リング２６、封止管２０に比べて薄厚であり、ここでは無視する。
【００３４】
電力８ｋＷの場合、発光管１２内の圧力は約２．５ＭＰａになる。しかし、より十分な耐圧性を持たせるため、発光管１２内の耐圧を３．５ＭＰａと定める。この場合、次式を満たすように、内側金属リング２６の外径Ｄおよび封止管２０の肉厚Ｔが定められる。
０．００６５≦Ｔ／Ｄ２                                  ・・・・・（２）
【００３５】
以下、図４、図５を用いて、内側金属リング２６の外径Ｄおよび封止管２０の肉厚Ｔが上記（１）式に基づいて定められる理由を説明する。
【００３６】
まず、肉厚の異なる封止管を用意し、上述した封止構造をもつ放電ランプを上述した封止方法によって作製する。ここでは、定格ランプ電力１２ｋＷ、ランプ電流１０３Ａ、内側金属リングの径２０ｍｍおよび２５ｍｍ、幅１０ｍｍの金属箔を５枚使用するタイプの放電ランプと、定格ランプ電力７．５ｋＷ、ランプ電流１８３Ａ、金属リングの径２７ｍｍ、幅１２ｍｍの金属箔を６枚使用するタイプの放電ランプをそれぞれ用意する。
【００３７】
次に、各放電ランプに対して静水圧実験を行う。静水圧実験は、発光管１２内に水を満たし、加圧ポンプによって水圧を加えながら封止管の破壊を観察する。水圧の昇圧速度は、６ＭＰａ／５ｍｉｎとする。水圧を徐々に上げ、内側金属リングとガラス管との接触面を基点としてクラックが生じたときの圧力を、破壊圧力Ｐ０とする。
【００３８】
図４は、破壊圧力Ｐ０とＴ／Ｄ２との関係を示したグラフである。金属リングの外径Ｄが２０ｍｍであって封止管の肉厚Ｔがそれぞれ異なる８個の放電ランプと、金属リングの外径Ｄが２５ｍｍであって封止管の肉厚Ｔがそれぞれ異なる１６個の放電ランプと、金属リングの外径Ｄが２７ｍｍであって封止管の肉厚Ｔがそれぞれ異なる３個の放電ランプに対し、静水圧実験を行い、計測された破壊圧力Ｐ０が図４にプロットされている。
【００３９】
図４から明らかなように、破壊圧力Ｐ０とＴ／Ｄ２との間には、ある範囲において比例関係が成り立つ。すなわち、図４に示すように、破壊圧力Ｐ０とＴ／Ｄ２との関係を直線によって示すことができる。
【００４０】
図４の直線を式で表すと、比例係数は２００、直線を延ばしたときの切片の値が２．２となり、以下の式が求められる。
Ｐ０＝２００×（Ｔ／Ｄ２）＋２．２                      ・・・・・（３）
ただし、（３）式は、Ｔ／Ｄ２の値が所定範囲（ここでは０．００４〜０．０１６）において成り立ち、発光管内の限度圧力（ここでは２．２ＭＰａ）以上において成り立つ。
【００４１】
式（３）は、Ｔ／Ｄ２の値が大きくなるにつれて破壊圧力Ｐ０が大きくなっていくことを表している。すなわち、Ｔを厚くするとともに金属リング２６の面積を小さくすることによって、破壊圧力Ｐ０が上がる。ところで、破壊圧力Ｐ０は、封止管の内側金属リング周辺でクラックが生じるときの発光管内圧力であり、この圧力は封止構造の耐え得る限界応力に相当する。よって、Ｔ／Ｄ２は、放電ランプの封止管破壊に対する耐性、すなわち接触面付近で発生する応力に対する耐性を表す変数とみなすことができる。以下、Ｔ／Ｄ２を破壊耐性変数Ａとする。
【００４２】
放電ランプ点灯時の圧力Ｐは、封止管の破壊を防止するため、破壊圧力Ｐ０より小さくなければならない。したがって、以下の式を満たす必要がある。
Ｐ＜２００×（Ｔ／Ｄ２）＋２．２                        ・・・・・（４）
よって、（４）式に基づいて（１）式を得ることができる。
【００４３】
例えば、電力８ｋＷの放電ランプ点灯中、発光管内の圧力はおよそ約２．５ＭＰａになる。しかしながら十分耐久性をもたせるため、破壊圧力Ｐ０は３．５ＭＰａ（＝Ｐ１）に設定される。よって、（４）式から、破壊耐性変数Ａ（＝Ｔ／Ｄ２）は以下の式を満たす必要がある。
０．００６５≦Ａ                                        ・・・・・（５）
すなわち、破壊耐性変数Ａは０．００６５（＝Ａ１）より大きな値にならなければならない。
【００４４】
図５は、破壊圧力に対する内側金属リングの外径Ｄと封止管の厚さＴとの関係を示したグラフである。破壊圧力Ｐ０を２．５、３．０、３．５、４．０（ＭＰａ）とした時のＤとＴの関係を表す。図５から、最も効果的なＤ，Ｔの範囲が求められる。
【００４５】
封止管の肉厚が薄すぎると、封止管を均一に収縮させることが難しく、封止加工が煩雑となる。その肉厚の下限を、ここでは１．５ｍｍとする。一方、封止管が厚すぎると、封止管が破断するときにクラックが発光管まで進行し、ランプ自身が破損する恐れがある。そのため、肉厚の上限をここでは１１ｍｍとする。
【００４６】
肉厚Ｔが１．５≦Ｔ≦１１の範囲にあるとき、上記式を満たすように環状部材の径Ｄを定めればよいが、大電力の放電ランプを実現するため、内側金属リングの最小径は２０ｍｍに定められる。一方、封止管の厚さＴの上限が１１ｍｍであることから、（４）式を満たすＤの上限は、４１ｍｍに定められる。
【００４７】
このように本実施形態によれば、大電力によって点灯可能な放電ランプ１０において、電極側ガラス管２４に面する内側金属リング２６が封止管２０内に配設され、複数の金属箔３６が内側金属リング２６に溶着される。そして、封止管２０の肉厚Ｔ（ｍｍ）と、内側金属リング２６の径Ｄ（ｍｍ）とが、（１）式を満たすように定められる。
【００４８】
封止管の肉厚Ｔと内側金属リングの径Ｄとの比ではなく、肉厚Ｔと径Ｄの二乗、すなわち面積との比を調整することによって、十分耐圧性のある封止構造を実現することができる。封止管の肉厚だけでなく、内側金属リングの面積に応じて封止構造の耐圧性が変化することを見出したことにより、大電力の放電ランプにおいても、適切な封止管の厚さ、内側金属リングを定めることができる。
【００４９】
特に、内側金属リングのサイズが大型化する一方で封止管の肉厚が制限される場合、内側金属リングの径Ｄをわずかに抑えるだけで耐圧性が向上し、封止管の肉厚Ｔを必要以上に大きくしなくて済む。
【００５０】
なお、（３）式については、放電ランプのサイズ（封止管サイズ）などによって比例係数等が変化する場合、そのランプ構造に合わせて比例係数等ｋを定めればよい。また、（１）、（４）式においても、発光管内の限度圧力を２．２ＭＰａ以外に設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】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。
【図２】陽極側封止管の概略的断面図である。
【図３】図２における内側金属リングと電極側ガラス管との接触面の断面図である。
【図４】破壊圧力とＴ／Ｄ２との関係を示したグラフである。
【図５】破壊圧力に対する内側金属リングの外径Ｄと封止管の厚さＴとの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０  放電ランプ
１１  放電空間
１２  発光管
２０  封止管
２２  電極支持棒
２４  電極側ガラス管（ガラス管）
２４Ｎ  接触面
２６  内側金属リング（環状部材）
２８  リード棒
３２  外側金属リング
３４  ガラス部材
３６  金属箔
Ｔ  封止管の肉厚
Ｄ  内側金属リングの径
Ｐ０  破壊圧力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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