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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024029311
(43)【公開日】2024-03-06
(54)【発明の名称】放電ランプ
(51)【国際特許分類】
H01J 61/36 20060101AFI20240228BHJP
【ＦＩ】
H01J61/36 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022131498
(22)【出願日】2022-08-22
(71)【出願人】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】池 喜匡
【テーマコード（参考）】
5C043
【Ｆターム（参考）】
5C043AA14
5C043AA15
5C043AA17
5C043CC05
5C043DD13
5C043EB14
5C043EB16
(57)【要約】
【課題】封止部材の機械的強度を改善した放電ランプを提供する。
【解決手段】放電ランプは、放電容器と、一対の電極と、各電極にそれぞれ接続される二本のリード棒と、二つの側管と、前記二つの側管のうちの一つである第一側管と前記第一側管内を延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備える。前記封止部材は、前記導電性物質の濃度が最も高い第一領域と、前記濃度が最も低い第二領域と、前記濃度が中間の値をとり、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記濃度が低下する濃度勾配を有する第三領域とに区別される。前記封止部材が前記第一リード棒の表面に接する第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記封止部材が前記第一側管の内壁に接する第二部分の厚みの最大値より小さい。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】放電ランプは、放電容器と、一対の電極と、各電極にそれぞれ接続される二本のリード棒と、二つの側管と、前記二つの側管のうちの一つである第一側管と前記第一側管内を延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備える。前記封止部材は、前記導電性物質の濃度が最も高い第一領域と、前記濃度が最も低い第二領域と、前記濃度が中間の値をとり、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記濃度が低下する濃度勾配を有する第三領域とに区別される。前記封止部材が前記第一リード棒の表面に接する第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記封止部材が前記第一側管の内壁に接する第二部分の厚みの最大値より小さい。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
放電のための空間を内部に有する発光管、および前記発光管の両端からそれぞれ前記発光管から離れる方向に延びる二つの側管を備える放電容器と、
前記放電容器の内部に配置された一対の電極と、
前記一対の電極を構成する各電極にそれぞれ接続され、前記二つの側管を構成する各側管内をそれぞれ延びる、二本のリード棒と、
前記二つの側管のうちの一つである第一側管と、前記第一側管内を一方向に延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備え、
前記封止部材は、前記第一側管の延びる方向に沿って、第一領域、前記第一領域より前記発光管に近い第二領域、及び前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域に区別され、
前記第一領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も高く、かつ、固定され、
前記第二領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も低く、かつ、固定され、
前記第三領域における前記導電性物質の濃度は、前記第一領域における前記導電性物質の濃度より低く、前記第二領域における前記導電性物質の濃度より高く、かつ、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記導電性物質の濃度が低下する濃度勾配を有し、
前記封止部材は、少なくとも前記第一領域に含まれる第一部分において前記第一リード棒の表面に接するとともに、少なくとも前記第二領域に含まれる第二部分において前記第一側管の内壁に接し、前記第二部分は前記第一部分より前記発光管に近い位置にあり、
前記第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記第二部分における前記封止部材の厚みの最大値より小さい、ことを特徴とする放電ランプ。
前記放電容器の内部に配置された一対の電極と、
前記一対の電極を構成する各電極にそれぞれ接続され、前記二つの側管を構成する各側管内をそれぞれ延びる、二本のリード棒と、
前記二つの側管のうちの一つである第一側管と、前記第一側管内を一方向に延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備え、
前記封止部材は、前記第一側管の延びる方向に沿って、第一領域、前記第一領域より前記発光管に近い第二領域、及び前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域に区別され、
前記第一領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も高く、かつ、固定され、
前記第二領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も低く、かつ、固定され、
前記第三領域における前記導電性物質の濃度は、前記第一領域における前記導電性物質の濃度より低く、前記第二領域における前記導電性物質の濃度より高く、かつ、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記導電性物質の濃度が低下する濃度勾配を有し、
前記封止部材は、少なくとも前記第一領域に含まれる第一部分において前記第一リード棒の表面に接するとともに、少なくとも前記第二領域に含まれる第二部分において前記第一側管の内壁に接し、前記第二部分は前記第一部分より前記発光管に近い位置にあり、
前記第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記第二部分における前記封止部材の厚みの最大値より小さい、ことを特徴とする放電ランプ。
【請求項2】
前記第一部分は前記第一領域のみに存在し、前記第二部分は前記第二領域のみに存在することを特徴とする、請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項3】
前記第一部分は、前記第二部分から遠ざかるにつれて前記封止部材の厚みが薄くなるテーパ形状を呈することを特徴とする、請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項4】
前記第一領域の先端は面取り形状を有することを特徴とする、請求項３に記載の放電ランプ。
【請求項5】
前記第二部分における前記封止部材の最大外径が１５ｍｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の放電ランプ。
【請求項6】
前記絶縁性物質の主な成分はシリカであり、前記導電性物質の主な成分はモリブデンであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の放電ランプ。
【請求項7】
前記第一領域における前記導電性物質の濃度Ｃ１は、３５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下に固定されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の放電ランプ。
【請求項8】
前記第二領域における前記導電性物質の濃度Ｃ２は、３ｖｏｌ％以下に固定されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、放電ランプに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、プリント基板、半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置には、光源として放電ランプが用いられている。放電ランプは、放電容器と、電極と、リード棒とを有する。リード棒に接続された陽極と、もう一つのリード棒に接続された陰極は、放電容器の内部において軸方向に対向配置される。そして、水銀等の発光物質が放電容器の内部に封入された状態で、リード棒と放電容器に接する封止部材により封止される。
【0003】
封止部材として、傾斜機能材料を使用する方法が知られている。傾斜機能材料は、絶縁性物質と導電性物質が混合された材料であり、当該材料における導電性物質又は絶縁性物質の濃度が一方向に向かって増大する材料である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００１－１５５６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
昨今、放電ランプのさらなる高輝度化が要請されている。放電ランプを高輝度化するには、電極へ供給する電流を増大させるために、より大きな電極を要する。電極が大きくなると、放電容器を構成する側管と封止部材が大径化する。封止部材が大径化すると、温度変動によって生じる封止部材の熱膨張量及び熱収縮量（以降、「熱膨張量及び熱収縮量」を単純に、「熱膨張量」と表現する）が大きくなって内部応力が増大する。内部応力が増大すると、封止部材の機械的強度が低下し、封止部材にクラックが入るおそれがある。
【0006】
本発明は、封止部材の機械的強度を改善した放電ランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る放電ランプは、放電のための空間を内部に有する発光管、および前記発光管の両端からそれぞれ前記発光管から離れる方向に延びる二つの側管を備える放電容器と、
前記放電容器の内部に配置された一対の電極と、
前記一対の電極を構成する各電極にそれぞれ接続され、前記二つの側管を構成する各側管内をそれぞれ延びる、二本のリード棒と、
前記二つの側管のうちの一つである第一側管と、前記第一側管内を一方向に延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備え、
前記封止部材は、前記第一側管の延びる方向に沿って、第一領域、前記第一領域より前記発光管に近い第二領域、及び前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域に区別され、
前記第一領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も高く、かつ、固定され、
前記第二領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も低く、かつ、固定され、
前記第三領域における前記導電性物質の濃度は、前記第一領域における前記導電性物質の濃度より低く、前記第二領域における前記導電性物質の濃度より高く、かつ、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記導電性物質の濃度が低下する濃度勾配を有し、
前記封止部材は、少なくとも前記第一領域に含まれる第一部分において前記第一リード棒の表面に接するとともに、少なくとも前記第二領域に含まれる第二部分において前記第一側管の内壁に接し、前記第二部分は前記第一部分より前記発光管に近い位置にあり、
前記第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記第二部分における前記封止部材の厚みの最大値より小さい。
前記放電容器の内部に配置された一対の電極と、
前記一対の電極を構成する各電極にそれぞれ接続され、前記二つの側管を構成する各側管内をそれぞれ延びる、二本のリード棒と、
前記二つの側管のうちの一つである第一側管と、前記第一側管内を一方向に延びる第一リード棒との間に配置され、絶縁性物質と導電性物質を含み、前記放電容器の内部を前記放電容器の外部に対して封止する封止部材と、を備え、
前記封止部材は、前記第一側管の延びる方向に沿って、第一領域、前記第一領域より前記発光管に近い第二領域、及び前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域に区別され、
前記第一領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も高く、かつ、固定され、
前記第二領域における前記導電性物質の濃度は、三つの領域の中で最も低く、かつ、固定され、
前記第三領域における前記導電性物質の濃度は、前記第一領域における前記導電性物質の濃度より低く、前記第二領域における前記導電性物質の濃度より高く、かつ、前記第一領域から前記第二領域に近づくにつれて前記導電性物質の濃度が低下する濃度勾配を有し、
前記封止部材は、少なくとも前記第一領域に含まれる第一部分において前記第一リード棒の表面に接するとともに、少なくとも前記第二領域に含まれる第二部分において前記第一側管の内壁に接し、前記第二部分は前記第一部分より前記発光管に近い位置にあり、
前記第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みは、前記第二部分における前記封止部材の厚みの最大値より小さい。
【0008】
封止部材は、陽極に接続されるリード棒と側管の間、又は陰極に接続されるリード棒と側管の間の、少なくともいずれか一方にある。封止部材の厚みは、リード棒の延びる方向に直交する面における封止部材の肉厚を表す。
【0009】
上記放電ランプが封止部材の機械的強度を改善する理由を簡単に説明する。詳細は「発明を実施するための形態」を参照されたい。
【0010】
本発明者の鋭意研究の結果、高濃度の導電性物質を含む封止部材は、当該封止部材の製造時（特に、焼結時）の温度変動、又は、放電ランプ使用時の温度変動による熱膨張量により、内部応力が増大する傾向にあることが分かった。特に、厚い封止部材の場合には熱膨張により大きな内部応力が発生し、封止部材にクラックが発生しやすくなることが判明した。
【0011】
封止部材の中で、前記第一領域は高濃度の導電性物質を含むため、前記第一領域の熱膨張率が高い。そのため、第一領域のうち、リード棒の表面に接する第一部分では、焼結時のような大きな温度変動があるときに、第一領域とリード棒の熱膨張差により応力集中によりクラックが発生しやすい。なお、本明細書では、熱膨張率とは、温度変化による線膨張率を意図する。
【0012】
一方で、本発明者は、高濃度の導電性物質を含む封止部材は、低濃度の導電性物質を含む封止部材に比べて高い機械的強度を示す、という知見を得た。そして、高濃度の導電性物質を含む封止部材の厚みを、低濃度の導電性物質を含む封止部材の厚みより薄くできる余地があることが判明した。封止部材が薄いと、封止部材の熱膨張量を小さくできる。
【0013】
以上に基づき、高濃度の導電性物質を含む第一領域のうち、リード棒の表面に接する第一部分内の封止部材の厚みを、封止部材が前記第一側管の内壁に接する第二部分の厚みの最大値より小さくする。特に、前記第一部分のうち、第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における前記封止部材の厚みを、前記第二部分の厚みの最大値より小さくするように設計する。これにより、封止部材の機械的強度を維持したまま、前記第一部分における熱膨張量を低下させて、クラックの発生を抑えられる。なお、「前記第二部分における前記封止部材の厚みの最大値」とは、封止部材が第一側管の内壁の表面に接する第二部分に直交する面における封止部材の最大肉厚を指す。
【0014】
また、第三領域は、第一領域から第二領域に近づくにつれて導電性物質の濃度が低下する濃度勾配を有する。そのため、第三領域では、熱膨張量がＸ方向に徐々に変化する。よって、第三領域７ｃの内部において、温度変動による内部応力が局所的に集中することを抑えられる。そして、第三領域の濃度勾配が、第一領域と第二領域における濃度差を緩和し、第一部分における封止部材の熱膨張率を第一リード棒の熱膨張率に近づけて、かつ、第二部分における封止部材の熱膨張率が第一側管の熱膨張率に近づけることを可能にする。よって、封止部材が熱歪みを受けにくくなる。なお、本明細書において、領域が「局所的」である場合、当該領域は、例えば、２ｍｍ四方を指す。
【0015】
前記第三領域が前記第一部分及び前記第二部分を含まない態様、つまり、前記第一部分は前記第一領域のみに存在し、前記第二部分は前記第二領域のみに存在する態様であっても構わない。導電性物質の濃度が互いに異なる第三領域が、第一リード棒の表面又は第一側管の内壁に接触しないようにすることで、第三領域が、第一リード棒及び第一側管から応力を受けにくくできる。
【0016】
前記第一部分は、前記第二部分から遠ざかるにつれて前記封止部材の前記厚みが薄くなるテーパ形状を呈しても構わない。前記第一領域全体が、前記第二部分から遠ざかるにつれて前記封止部材の厚みが薄くなるテーパ形状を呈しても構わない。前記第一領域のみならず、前記第三領域が、前記第二部分から遠ざかるにつれて前記封止部材の厚みが薄くなるテーパ形状を呈しても構わない。テーパ形状により、封止部材を成形する際のプレス圧が均一になりやすく、封止部材の材料密度が均一化されて機械的強度ムラが小さくなる。また、テーパ形状が無い場合と比べて、材料使用量が少なくなる。
【0017】
前記第一領域の先端は面取り形状を有しても構わない。封止部材の厚みが一定値以下の薄い領域は機械的強度を維持しにくく、クラックが入りやすいため、面取り形状にして、封止部材の厚みが一定値以下の薄い領域が生じないようにする。なお、面取り形状とは、実際に面取り加工されたことを指すのではなく、角に丸みを帯びている形状を指す。
【0018】
前記第二部分における前記封止部材の最大外径が１５ｍｍ以上であっても構わない。
【0019】
前記絶縁性物質の主な成分はシリカであり、前記導電性物質の主な成分はモリブデンであっても構わない。
【0020】
前記第一領域における前記導電性物質の濃度Ｃ１は、３５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下に固定されていても構わない。前記第二領域における前記導電性物質の濃度Ｃ２は、３ｖｏｌ％以下に固定されていても構わない。
【発明の効果】
【0021】
封止部材の機械的強度を改善した放電ランプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】放電ランプの一実施形態の断面図である。
【図3A】封止部材の製造方法の一例を示す図である。
【図3B】封止部材の製造方法の一例を示す図である。
【図5】封止部材の変形例である。
【図6】封止部材のさらなる変形例である。
【図7】封止部材の厚みと内部応力の関係に観察結果を重ね合わせたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0023】
放電ランプの一実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の、グラフを除く各図面は模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
【0024】
以下において、グラフを除く各図面は、ＸＹＺ座標系を参照しながら説明される。本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。
【0025】
［放電ランプの概要］
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である放電ランプの概要を説明する。放電ランプ１００は、放電容器１０と、放電容器１０の内部に配置された一対の電極（陽極２と陰極３）と、二本のリード棒（第一リード棒４ａと第二リード棒４ｂ）を有する。陰極３は第一リード棒４ａによって支持され、陽極２は第二リード棒４ｂによって支持される。
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である放電ランプの概要を説明する。放電ランプ１００は、放電容器１０と、放電容器１０の内部に配置された一対の電極（陽極２と陰極３）と、二本のリード棒（第一リード棒４ａと第二リード棒４ｂ）を有する。陰極３は第一リード棒４ａによって支持され、陽極２は第二リード棒４ｂによって支持される。
【0026】
放電容器１０は、放電のための空間を内部に有する発光管１と、発光管１の両端に接合され、発光管１の両端からそれぞれ発光管１から離れる方向に延びる二つの側管（第一側管５ａ及び第二側管５ｂ）とを備える。発光管１の内部と二つの側管（５ａ，５ｂ）の内部は繋がっている。放電容器１０は、石英ガラス等の、放電容器１０の内部で発光する光を透過するガラスで形成される。
【0027】
発光管１は、放電容器１０のうち、放電容器１０の中心軸Ｘ１の両端からそれぞれ中央に向かうにつれて、内径が大きくなる領域である。内径が大きくなるこの領域は、球体又は楕円体の形状を呈しても構わない。内径が大きくなる領域の内部は発光空間として機能する。二つの側管（５ａ，５ｂ）は、いずれも、発光管１から中心軸Ｘ１の延在方向に沿って延びる中空状の管である。第一側管５ａは、陰極３に接続される第一リード棒４ａを内部に有する。第二側管５ｂは、陽極２に接続される第二リード棒４ｂを内部に有する。
【0028】
本実施形態の放電ランプは、ショートアーク型放電ランプである。ショートアーク型放電ランプとは、陽極２の先端と陰極３の先端とが４０ｍｍ以下の間隔（熱膨張をしていない常温時の値）を空けて配置されるものをいう。このような放電ランプの例として、プリント基板、半導体素子、又は液晶表示素子等の製造工程で使用される露光装置において使用される、定格電力が２ｋＷ～３５ｋＷの放電ランプがある。なお、本実施形態の放電ランプ１００は、陽極２の先端と陰極３の先端とが６ｍｍの間隔を空けて配置される。
【0029】
第一側管５ａ及び第二側管５ｂのうち、少なくとも一つの側管の内部には、封止部材７を有する。図１は、二つの側管（５ａ，５ｂ）それぞれの内部に封止部材７を有する様子を示す。封止部材７は、放電容器１０の内部１０ａを放電容器１０の外部１０ｂに対して封止する（内部１０ａ及び外部１０ｂについては図２Ａ参照。詳細は後述する。）。図１では、第一リード棒４ａ及び第二リード棒４ｂは、封止部材７の他に接触する部材がないため、第一リード棒４ａ及び第二リード棒４ｂは、封止部材７によって支持されている。
【0030】
本実施形態の放電ランプ１００において、発光管１及び二つの側管（５ａ，５ｂ）を含む放電容器１０、陽極２、陰極３、二本のリード棒（４ａ，４ｂ）、並びに封止部材７は、いずれも中心軸Ｘ１を中心とする回転体であるとよい。図示していないが、放電ランプ１００は、他に、放電容器１０を支持し、二本のリード棒（４ａ，４ｂ）それぞれに電気的に接続される口金を有する。
【0031】
［封止部材の概要］
図２Ａを参照しながら、封止部材７の概要を説明する。図２Ａは、図１の放電ランプ１００におけるＡ領域の拡大断面図である。図２Ａには、陰極３に接続される第一リード棒４ａと、第一リード棒４ａを内部に有する第一側管５ａと、発光管１の一部と、第一側管５ａの内部に配置され、かつ、陰極３に近い、封止部材７とが示されている。図２Ａは、図を見やすくするために、断面部分にハッチングを施していない。封止部材７は、第一リード棒４ａの表面と第一リード棒４ａを囲む第一側管５ａの内壁面との間に配置される。
図２Ａを参照しながら、封止部材７の概要を説明する。図２Ａは、図１の放電ランプ１００におけるＡ領域の拡大断面図である。図２Ａには、陰極３に接続される第一リード棒４ａと、第一リード棒４ａを内部に有する第一側管５ａと、発光管１の一部と、第一側管５ａの内部に配置され、かつ、陰極３に近い、封止部材７とが示されている。図２Ａは、図を見やすくするために、断面部分にハッチングを施していない。封止部材７は、第一リード棒４ａの表面と第一リード棒４ａを囲む第一側管５ａの内壁面との間に配置される。
【0032】
本明細書では、第一リード棒４ａの表面と第一側管５ａの内壁面との間に配置され、かつ、陰極３に近い封止部材７を中心に説明する。しかしながら、この説明の内容は、第二リード棒４ｂの表面と第二側管５ｂの内壁面との間に配置され、かつ、陽極２に近い封止部材７についても適用できる。
【0033】
封止部材７は、第一リード棒４ａの周囲を囲み、かつ、第一リード棒４ａの中心軸Ｘ１を回転中心とする回転体である。封止部材７は内周面７４と外周面７５を有する。内周面７４の一部の領域７４ｓが、第一リード棒４ａの表面に接触する。外周面７５の一部の領域７５ｓが、第一側管５ａの内壁面に接触する。領域７４ｓは、領域７５ｓに比べて陰極３又は発光管１から遠くに位置する。
【0034】
封止部材７の内周面７４の一部の領域７４ｓが第一リード棒４ａの表面に接触し、封止部材７の外周面７５の一部の領域７５ｓが第一側管５ａの内壁面に接触するので、放電容器１０の内部１０ａを放電容器１０の外部１０ｂに対して封止できる。その結果、放電容器１０の内部１０ａに封入された水銀などの発光物質が、放電容器１０の外部１０ｂへ漏出し難くなる。
【0035】
放電容器１０の外部１０ｂは、通常、大気圧（約１気圧）であるのに対し、放電容器１０の内部１０ａのガス圧は、例えば、１０気圧、さらには５０気圧に達する場合がある。封止部材７には、少なくとも、放電容器１０の内部１０ａの間のガス圧差に耐える強度が求められる。
【0036】
図２Ｂは、図２Ａから封止部材７のみを取り出して示した図である。この図において、第一側管５ａ、発光管１及び第一リード棒４ａは点線で示されている。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、本実施形態の封止部材７は、導電性物質の濃度に異なる特徴を有する三つの領域を有する。三つの領域を、第一側管５ａの延びる方向（Ｘ方向）に沿って、陰極３及び陽極２より遠い方から順に、第一領域７ａ、第三領域７ｃ、及び、第二領域７ｂと称する。
【0037】
第一領域７ａは、三つの領域の中で導電性物質の濃度が最も高い領域である。第一領域７ａにおける導電性物質の濃度は、当該第一領域７ａ内で固定されている。言い換えると、第一領域７ａは濃度勾配を有していない。第二領域７ｂは、三つの領域の中で導電性物質の濃度が最も低い領域である。第二領域７ｂにおける導電性物質の濃度は、当該第二領域７ｂ内で固定されている。言い換えると、第二領域７ｂは濃度勾配を有していない。
【0038】
第三領域７ｃは、導電性物質の濃度が第二領域７ｂより高く、導電性物質の濃度が第一領域７ａより低い領域である。さらに、第三領域７ｃでは、導電性物質の濃度がＸ方向に勾配を有する。第三領域７ｃにおいて第一領域７ａの近傍部分における導電性物質の濃度は、第一領域７ａの導電性物質の濃度に近い。第三領域７ｃの中で、第二領域７ｂの近傍部分における導電性物質の濃度は、第二領域７ｂの導電性物質の濃度に近い。そして、第三領域７ｃの中で、第一領域７ａから第二領域７ｂに近づくにつれて、導電性物質の濃度が低下する。第三領域７ｃの内部に濃度勾配を有する領域を有するため、封止部材７は傾斜機能材料（ＦＧＭ）と呼ばれる。
【0039】
図２Ｂでは、導電性物質の濃度が低くなるほど、封止部材７に付されたハッチングの密度が小さくなるように示されている。図２Ｂでは、第一領域７ａと第三領域７ｃとの境界、第三領域７ｃと第二領域７ｂとの境界、及び第三領域７ｃ内部において互いに濃度の異なる境界は、それぞれ、Ｚ方向に沿う様に示されている。しかしながら、これらの境界となる線がＺ方向に対して傾斜していても構わないし、これらの境界が、線というより寧ろＸ方向に幅を持った境界領域であっても構わない。
【0040】
封止部材７が第一側管５ａの内壁面に接触する領域７５ｓは、第二領域７ｂにある。そのため、封止部材７の領域７５ｓにおける成分は、第一側管５ａの内壁面の成分に比較的近い。互いに隣接する両者の成分が近いため、温度変化により生じる両者の熱膨張量の差が小さくなる。封止部材７が第一リード棒４ａの表面に接触する領域７４ｓは、第一領域７ａにある。そのため、封止部材７の領域７４ｓにおける成分は、第一リード棒４ａの表面の成分に比較的近い。互いに隣接する両者の成分が近いため、放電ランプ１００の点灯又は消灯による温度変化に伴う両者の熱膨張量の差が小さくなる。熱膨張量の差が小さくなると、封止部材７の内部応力が小さくなり、熱歪みを受けにくくなる。このようにして、封止部材７は、第一側管５ａと第一リード棒４ａとの熱膨張率の差を補償する。
【0041】
また、封止部材７は、点灯・消灯時のみならず、その製造時にも熱膨張を生じる。封止部材７の内部で導電性物質の濃度差の大きな二つの層が互いに隣接する場合には、熱膨張量の違いにより、互いに隣接する二つの層の境界に内部応力が集中する。これにより、放電ランプ１００の点灯・消灯時のみならず、封止部材７の製造時にも、封止部材７にクラックが発生しやすい。
【0042】
封止部材７がＸ方向に濃度勾配を有する第三領域７ｃを有する場合には、封止部材７の内部において熱膨張量がＸ方向に徐々に変化する。よって、封止部材７の内部において、温度変動による内部応力が局所的に集中することを抑える。これにより、封止部材７のクラックの発生を抑えられる。
【0043】
昨今の側管（５ａ，５ｂ）の大径化により、封止部材７はその厚みを増している。そのため、封止部材７の内部応力は増大傾向にある。上述したように、高濃度の導電性物質を含む第一領域７ａにおいて、リード棒の表面に接する部分では、焼結時のような大きな温度変動があるときに、第一領域７ａとリード棒の熱膨張差により応力集中によりクラックが発生しやすい。
【0044】
そこで、封止部材７が第一リード棒４ａの表面に接する領域７４ｓを第一部分７４ｓと規定し、封止部材７が第一側管５ａの内壁に接する領域７５ｓを第二部分７５ｓと規定する。そして、第一部分７４ｓにわたる封止部材７の厚みを、全体的に第二部分７５ｓの厚みの最大値ｔｂより小さくする。本実施形態では、図２Ａに示されるように、特に、第一部分７４ｓのうち、第一部分７４ｓ内で第二領域７ｂに最も近い位置における封止部材７の厚みｔａを、第二部分７５ｓの厚みの最大値ｔｂより小さくするように設計する。これにより、封止部材７の内部応力の増大を抑えられる。そして、第一部分７４ｓでは、高濃度の導電性物質を含むために、機械的強度が高い。そのため、第一部分７４ｓにおける封止部材７の厚みを薄くしても機械的強度に悪影響を与えにくい。よって、封止部材７の機械的強度を維持したまま、熱膨脹に起因するクラックの発生を抑えられる。詳細は後述するが、第一部分７４ｓはテーパ形状を呈する。
【0045】
封止部材７は、第二部分７５ｓにおいて第一側管５ａの内壁面と接するので、封止部材７の最大外径は、第二部分７５ｓに現れる。封止部材７の最大外径が１５ｍｍ以上ある場合には、内部応力がより大きくなって封止部材７にクラックが発生しやすくなるところ、上述の第一部分７４ｓにおける封止部材７の厚み低減によるクラック抑制効果が顕著になる。
【0046】
本実施形態では、封止部材７が第一リード棒４ａの表面に接する第一部分７４ｓは、第一領域７ａのみに存在し、封止部材７が第一側管５ａの内壁に接する第二部分７５ｓは、第二領域７ｂのみに存在する。つまり、第三領域７ｃは、第一リード棒４ａの表面に接する領域である第一部分７４ｓと、封止部材７が第一側管５ａの内壁に接する領域である第二部分７５ｓとを含まない。これにより、導電性物質の濃度が互いに異なる第三領域７ｃが、第一リード棒４ａの表面又は第一側管５ａの内壁に接触しないようにしている。これにより、第三領域７ｃが第一リード棒４ａ及び第一側管５ａから応力を受けないようにできる。しかしながら、第一部分７４ｓが第一領域７ａのみならず第三領域７ｃに及んでいてもよい。第二部分７５ｓが第二領域７ｂのみならず第三領域７ｃに及んでいてもよい。
【0047】
［封止部材の成分］
封止部材７は、導電性物質と絶縁性物質との混合体である。本実施形態では、導電性物質の主な成分は、導電性無機物質のひとつであるモリブデンである。本実施形態では、絶縁性物質の主な成分は絶縁性無機物質のひとつであるシリカである。モリブデンとシリカの組み合わせは、第一側管５ａと第一リード棒４ａとの熱膨張率の差を補償するのに特に適した組み合わせである。
封止部材７は、導電性物質と絶縁性物質との混合体である。本実施形態では、導電性物質の主な成分は、導電性無機物質のひとつであるモリブデンである。本実施形態では、絶縁性物質の主な成分は絶縁性無機物質のひとつであるシリカである。モリブデンとシリカの組み合わせは、第一側管５ａと第一リード棒４ａとの熱膨張率の差を補償するのに特に適した組み合わせである。
【0048】
導電性物質の主な成分が、例えば、ニッケル、ニオブ、ハフニウム等であってもよい。絶縁性物質の主な成分が、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）であってもよい。封止部材７は、実質的に単一種類の導電性物質を含んでいてもよく、複数種類からなる導電性物質を含んでいてもよい。封止部材７は、実質的に単一種類の絶縁性物質を含んでいてもよく、複数種類の絶縁性物質を含んでいてもよい。さらに、導電性物質として、例えば、モリブデンにクロムを添加した材料を使用してもよい。また、絶縁性物質として、例えば、シリカに酸化チタン又はホウ素を添加した材料を使用してもよい。なお、本明細書において「実質的に」という用語は、偶然混入する成分か、又は、混入が不可避の意図しない成分が含まれていることを許容することを表す。
【0049】
本実施形態の第一領域７ａ、第二領域７ｂ及び第三領域７ｃの成分を示す。第一領域７ａは、シリカの体積とモリブデンの体積が１：１の割合で略均一に存在する領域である。第二領域７ｂは実質的にモリブデンを含まず、シリカのみで構成される領域である。第三領域７ｃは、シリカとモリブデンがＸ方向に濃度勾配を伴って混在する領域である。第三領域７ｃのうち、第一領域７ａの近傍部分でのモリブデンの濃度は、第一領域７ａのモリブデンの濃度に近い。第三領域７ｃのうち、第二領域７ｂの近傍部分でのモリブデンの濃度は、第二領域７ｂのモリブデンの濃度に近い。そして、第三領域７ｃにおいて、第一領域７ａから第二領域７ｂに近づくにつれてモリブデンの濃度が低下する。
【0050】
第一領域７ａにおける導電性物質の濃度Ｃ１は、３５ｖｏｌ％以上、かつ、８０ｖｏｌ％以下であるとよく、特に、濃度Ｃ１は、４０ｖｏｌ％以上、かつ、７０ｖｏｌ％以下であるとよい。本実施形態では、濃度Ｃ１は、約４６ｖｏｌ％である。
【0051】
第二領域７ｂにおける導電性物質の濃度Ｃ２は、３ｖｏｌ％以下であるとよく、１ｖｏｌ％以下であるとよい。本実施形態では、濃度Ｃ２は、０．１ｖｏｌ％以下である。
【0052】
第三領域７ｃにおける導電性物質の濃度は、本実施形態では、約４３ｖｏｌ％～約１５ｖｏｌ％の濃度勾配がＸ方向に存在する。
【0053】
［導電性物質の濃度を求める方法］
導電性物質の濃度は、例えば、以下の方法により求められる。なお、導電性物質がモリブデンで、絶縁性物質がシリカの場合を例に述べるが、導電性物質がモリブデン以外、又は、絶縁性物質がシリカ以外の場合にも、下記の方法により求められる。
導電性物質の濃度は、例えば、以下の方法により求められる。なお、導電性物質がモリブデンで、絶縁性物質がシリカの場合を例に述べるが、導電性物質がモリブデン以外、又は、絶縁性物質がシリカ以外の場合にも、下記の方法により求められる。
【0054】
（１）封止部材７を、第一リード棒４ａの延びる軸と直交する面で切断し、その切断面を研磨する。
（２）研磨した面のうち既定の面積（例えば、１５ｍｍ２）を、光学顕微鏡を使用して２００～５００倍程度で撮像し、撮像面においてモリブデンの面積が占める割合（以下、「面積比」ということがある。）を算出する。面積比の算出は、コンピュータによる画像処理により行ってもよい。
（３）封止部材７においてモリブデンの体積が占める割合（以下、「体積比」ということがある。）を、面積比から求める。体積比ＣＶＭｏｖｏｌは、封止部材７における導電性物質の濃度を表す。面積比（撮像面においてモリブデンの面積が占める割合）をＣＳＭｏｖｏｌ（％）とし、体積比をＣＶＭｏｖｏｌ（％）とすると、体積比ＣＶＭｏｖｏｌ（％）は、以下の式（３）で求められる。
（２）研磨した面のうち既定の面積（例えば、１５ｍｍ２）を、光学顕微鏡を使用して２００～５００倍程度で撮像し、撮像面においてモリブデンの面積が占める割合（以下、「面積比」ということがある。）を算出する。面積比の算出は、コンピュータによる画像処理により行ってもよい。
（３）封止部材７においてモリブデンの体積が占める割合（以下、「体積比」ということがある。）を、面積比から求める。体積比ＣＶＭｏｖｏｌは、封止部材７における導電性物質の濃度を表す。面積比（撮像面においてモリブデンの面積が占める割合）をＣＳＭｏｖｏｌ（％）とし、体積比をＣＶＭｏｖｏｌ（％）とすると、体積比ＣＶＭｏｖｏｌ（％）は、以下の式（３）で求められる。
【数1】
【0055】
［封止部材の製造方法］
封止部材７の製造方法の一例を図３Ａ及び図３Ｂに示す。成形型２０に、導電性物質（例えば、モリブデン）の粉末と絶縁性物質（例えば、シリカ）の粉末を入れる。導電性物質の粉末と絶縁性物質の粉末の投入比を、成形型２０の底からの高さに応じて選択することにより、第一領域７ａ～第三領域７ｃを形成できる。導電性物質と絶縁性物質の粉末の粒径は、例えば、０．５～１００μｍであるとよい。なお、ここでの粉末の粒径は、例えば、レーザー回折・分散法による粒度分布測定を行い、中央値であるＤ５０の値とする。
封止部材７の製造方法の一例を図３Ａ及び図３Ｂに示す。成形型２０に、導電性物質（例えば、モリブデン）の粉末と絶縁性物質（例えば、シリカ）の粉末を入れる。導電性物質の粉末と絶縁性物質の粉末の投入比を、成形型２０の底からの高さに応じて選択することにより、第一領域７ａ～第三領域７ｃを形成できる。導電性物質と絶縁性物質の粉末の粒径は、例えば、０．５～１００μｍであるとよい。なお、ここでの粉末の粒径は、例えば、レーザー回折・分散法による粒度分布測定を行い、中央値であるＤ５０の値とする。
【0056】
図３Ａで及び図３Ｂに示される、粉末の投入方法の一例を順に説明する。
（１）シリカの粉末とモリブデンの粉末を１：１の割合で混合した混合粉末を投入する。これにより第一領域７ａを形成する。
（２）投入量が増えるにしたがって、シリカの粉末をモリブデンの粉末より徐々に増やした混合粉末を投入する。これにより第三領域７ｃを形成する。層中ではモリブデンとシリカの混合比が一定の小さな層を、混合比を異ならせながら複数積層することにより、段階的な濃度勾配を形成しても構わない。
（３）第二領域７ｂを形成するために、シリカの粉末のみを投入する。
（４）図３Ｂに示すように、両粉末を投入した後に押型２５を成形型２０に挿入し、両型（２０，２５）で混合粉末をプレスしながら、両型（２０，２５）を１６００～１８００℃で１～１０分加熱して、粉末の焼結体を成形する。
（５）成型後、両型（２０，２５）から、シリカガラスとモリブデンの焼結体を取出し、封止部材７を得る。
（１）シリカの粉末とモリブデンの粉末を１：１の割合で混合した混合粉末を投入する。これにより第一領域７ａを形成する。
（２）投入量が増えるにしたがって、シリカの粉末をモリブデンの粉末より徐々に増やした混合粉末を投入する。これにより第三領域７ｃを形成する。層中ではモリブデンとシリカの混合比が一定の小さな層を、混合比を異ならせながら複数積層することにより、段階的な濃度勾配を形成しても構わない。
（３）第二領域７ｂを形成するために、シリカの粉末のみを投入する。
（４）図３Ｂに示すように、両粉末を投入した後に押型２５を成形型２０に挿入し、両型（２０，２５）で混合粉末をプレスしながら、両型（２０，２５）を１６００～１８００℃で１～１０分加熱して、粉末の焼結体を成形する。
（５）成型後、両型（２０，２５）から、シリカガラスとモリブデンの焼結体を取出し、封止部材７を得る。
【0057】
成形型２０の底をテーパ形状にすることにより、封止部材７の外周面７５をテーパ形状にできる。また、成形型２０の底がテーパ形状の場合、押型２５のプレス圧が均一になりやすく、封止部材７の材料密度が均一化され、封止部材７の内部の局所的な機械的強度ムラが小さくなる効果が得られる。また、テーパ形状が無い場合と比べて、封止部材７の材料となる粉末の使用量が少なくなる効果が得られる。
【0058】
［封止部材の寸法と形状］
図４は、図２Ａの第一領域７ａの先端部分の拡大図である。第一部分７４ｓを含む第一領域７ａは、－Ｘ方向の先端に向かうにつれて（第二部分７５ｓから遠ざかるにつれて）、封止部材７の厚みが薄くなるテーパ形状を呈する。テーパ角θは、テーパ形状の外周面７５と、内周面７４との間に形成される角度である。テーパ角θが小さくなるほど、厚みｔａが小さくなる。テーパ角θは１０度以上であると好ましく、３０度以上であるとより好ましい。第一部分７４ｓにおける厚みが薄くなりすぎず、機械的強度を十分に確保しながら、熱膨脹に起因するクラックの発生をより抑えられる。
図４は、図２Ａの第一領域７ａの先端部分の拡大図である。第一部分７４ｓを含む第一領域７ａは、－Ｘ方向の先端に向かうにつれて（第二部分７５ｓから遠ざかるにつれて）、封止部材７の厚みが薄くなるテーパ形状を呈する。テーパ角θは、テーパ形状の外周面７５と、内周面７４との間に形成される角度である。テーパ角θが小さくなるほど、厚みｔａが小さくなる。テーパ角θは１０度以上であると好ましく、３０度以上であるとより好ましい。第一部分７４ｓにおける厚みが薄くなりすぎず、機械的強度を十分に確保しながら、熱膨脹に起因するクラックの発生をより抑えられる。
【0059】
図４に見られるように、第一リード棒４ａの表面に接触する第一部分７４ｓの先端７１は、封止部材７の厚みが薄く、封止部材７にクラックが入りやすいため、先端７１を面取り形状にして、封止部材７の厚みが一定値以下の薄い領域が生じないようにしてもよい。なお、面取り形状とは、実際に面取り加工された否かを問うものではなく、角に丸みを帯びている形状を指す。面取り形状を得るには、成形型２０又は押型２５を面取り形状に対応する形状に加工してもよい。また、焼結後に、角を切削加工により面取り形状にしてもよい。
【0060】
図５は、封止部材７の変形例である。この変形例では、第一領域７ａのうち、第三領域７ｃの近傍部分を除く領域の外径Ｌ１が一定であり、テーパ形状を呈していない。第一領域７ａと第三領域７ｃの境界を含むＰ１領域においてのみ、封止部材７の外径が変化する。この変形例においても、第一部分７４ｓの厚みｔａは、第二部分７５ｓの最大値ｔｂより小さいため、封止部材７の機械的強度を維持したまま、クラックの発生を抑えられる。
【0061】
図６は、封止部材７のさらなる変形例である。この変形例では、Ｐ２領域を除く第一領域７ａの外径Ｌ２が一定である。外径Ｌ２は第二領域７ｂの外径と実質的に同じである。Ｐ２領域においてのみ、外径が減少する。Ｐ２領域は、第一部分７４ｓ導電性物質の濃度が特に高く、かつ、濃度変化を有する領域であるために、熱膨張量の変化が特に生じ易い領域である。Ｐ２領域において封止部材７の厚みを減少させることで熱膨張量が増大を抑制し、クラックの発生を抑えられる。
【0062】
［封止部材の濃度勾配と内部応力及びクラックとの関係］
封止部材７の厚みが変化すると温度変化に起因する内部応力の大きさが変化し、内部応力が大きいとクラックが発生する。そこで、第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における封止部材７の適切な厚みｔａ（図２Ａ参照）を求めるために、厚みｔａと内部応力の関係をコンピュータシミュレーションにより求めた。
封止部材７の厚みが変化すると温度変化に起因する内部応力の大きさが変化し、内部応力が大きいとクラックが発生する。そこで、第一部分内で前記第二領域に最も近い位置における封止部材７の適切な厚みｔａ（図２Ａ参照）を求めるために、厚みｔａと内部応力の関係をコンピュータシミュレーションにより求めた。
【0063】
図７は、コンピュータシミュレーションにより封止部材７の厚みｔａと内部応力の最大値との関係を求めた結果を示すグラフである。厚みｔａを、２ｍｍ～１６ｍｍの間における２ｍｍ間隔で変化させながら、封止部材７に発生する内部応力の最大値を求めた。図７の横軸は、第一部分７４ｓ内で第二領域７ｂに最も近い位置における封止部材７の厚みｔａを表す。図７の縦軸は、内部応力の最大値（応力最大値）を表す。ただし、応力最大値は、規格値（厚みｔａが１６ｍｍのときの応力最大値を１としたときの比）で示される。応力最大値は、封止部材７のうち、第一部分７４ｓの第三領域７ｃ側の端部付近に現れる。
【0064】
【0065】
上記シミュレーション条件と同様の条件で、厚みｔａを２ｍｍ～１６ｍｍの間における２ｍｍ間隔で変化させて封止部材７を製造し、製造された試料を観察した。観察の結果、厚みｔａが６ｍｍ以下の封止部材７にはクラックが発生せず、厚みｔａが８ｍｍ以上の封止部材にはクラックが発生した。これより、厚みｔａが小さいと、応力最大値を抑えてクラックの発生を抑えることができることが分かる。
【0066】
本発明は上記した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記の実施形態に種々の変更又は改良を加えたり、上記の実施形態を組み合わせたりできる。
【符号の説明】
【0067】
１ ：発光管
２ ：陽極
３ ：陰極
４ａ ：第一リード棒
４ｂ ：第二リード棒
５ａ ：第一側管
５ｂ ：第二側管
７ ：封止部材
７ａ ：（封止部材の）第一領域
７ｂ ：（封止部材の）第二領域
７ｃ ：（封止部材の）第三領域
１０ ：放電容器
１０ａ ：内部
１０ｂ ：外部
２０ ：成形型
２５ ：押型
７４ ：（封止部材の）内周面
７４ｓ ：（リード棒の表面に接触する内周面の）領域
７５ ：（封止部材の）外周面
７５ｓ ：（側管の内壁面に接触する外周面の）領域
１００ ：放電ランプ
２ ：陽極
３ ：陰極
４ａ ：第一リード棒
４ｂ ：第二リード棒
５ａ ：第一側管
５ｂ ：第二側管
７ ：封止部材
７ａ ：（封止部材の）第一領域
７ｂ ：（封止部材の）第二領域
７ｃ ：（封止部材の）第三領域
１０ ：放電容器
１０ａ ：内部
１０ｂ ：外部
２０ ：成形型
２５ ：押型
７４ ：（封止部材の）内周面
７４ｓ ：（リード棒の表面に接触する内周面の）領域
７５ ：（封止部材の）外周面
７５ｓ ：（側管の内壁面に接触する外周面の）領域
１００ ：放電ランプ
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
