JP2003157794A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】放射光量を増大させるためにランプへの入力電
力の大きくしたショートアーク型高圧放電ランプにおい
て、電極からの熱放射特性を改善して、電極の温度を効
率良く下げることである。さらに、当該高圧放電ランプ
を垂直に配置して点灯させる場合においても、放射光の
揺らぎの問題を良好に解決することにある。 【解決手段】発光管（１１）内のうち電極（２０、３
０）のうち少なくとも一方の電極（２０、３０）は、胴
体部（２２）とその先端にテーパ部（２１）を有する構
成をなし、当該テーパ部（２１）には、電極軸に対して
９０°以下となる溝（２５）が形成されることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ショートアーク型
高圧放電ランプに関し、特に、ショートアーク型高圧放
電ランプの電極の側面形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ショートアーク型高圧放電ランプ
は、例えば、液晶カラーフィルターの製造プロセスであ
るフォトリソグラフィー工程における光源として使用さ
れ、このときの放射光は、波長３６５ｎｍや波長４３６
ｎｍに強い輝線スペクトルを含むものが使われる。一
方、市場からはカラーフィルターの大型化や露光時間の
短縮化が求められ、ショートアーク型高圧放電ランプか
らの放射光量も増加することが要求され、特に、波長３
６５ｎｍ近傍の放射光量の増加が強く望まれている。

【０００３】ショートアーク型高圧放電ランプの放射光
量は、放電ランプへの電気入力に比例しており、放電ラ
ンプへの電気入力を増加すれば放射光量も増加する。こ
こで、放電ランプの電気入力を増加するためには、放電
ランプへの入力電流を大きくする方法がある。

【０００４】しかし、入力電流が増加すると、陽極先端
部が電子流の増加により加熱され、陽極の温度が著しく
上昇する。通常、陽極で発生した熱は、陽極の熱伝導に
より封止部を通過して外部へ放出するものと、陽極の表
面から放射によって放出する場合がある。しかし、前者
の放出は電子流増加の比べると必ずしも十分な放出量を
確保することができず、結局、ランプ電流が増加する
と、後者の熱放射を大きくさせることになる。その結
果、陽極の温度とそれに伴う陽極部材の熱蒸発が促進さ
れ、発光管の内壁が黒化しランプ寿命が短くなる等の問
題があった。

【０００５】この問題を解決するために、陽極からの熱
放出の効率を向上し、陽極の温度を下げる方法が提案さ
れている。例えば、特公昭３９−１１１２８号には、陽
極側面にＶ字構造の溝を設けることが開示されており、
具体的には、１ｍｍ〜３ｍｍ程度の深さで、かつ、開き
角が90°の冷却溝が設けられている。さらに、この冷却
溝の表面に炭化タンタルを焼結させることにより、当該
陽極表面からの熱放射をより一層高めることも記載され
ている。しかし、この構造では、液晶カラーフィルター
などの製造工程に使う光源ランプとしては、その電極の
放熱を十分に達成することができず、前記したカラーフ
ィルターの大型化や露光時間の短縮化という要求に対し
て、ランプの性能として十分に答えられるものではなか
った。

【０００６】さらに、特開平９−２３１９４６号には、
陽極側面にタングステン粉末を焼結して電極表面の熱放
射率を向上させることが開示されている。しかしなが
ら、この構造においても、タングステン粉末を塗布しな
い場合に比較して、電極からの熱放射を増大させること
ができるものの、放電ランプへの電気入力をより高くし
たときには当該電極の冷却が不十分となり、結果とし
て、電極からの熱放射が不十分になるという問題があっ
た。つまり、前記した液晶カラーフィルターの製造プロ
セスであるフォトリソグラフィー工程における光源ラン
プとしては十分に対応できる構造ではなかった。

【０００７】さらに、上記用途に使う高圧放電ランプ
は、陽極を上方に陰極を下方に垂直配置させて点灯する
場合が多い。このような垂直点灯の放電ランプでは、陽
極近傍の温度に対して陰極近傍の温度が相対的に低くな
り、このような温度差を生じると、発光管壁近傍を流れ
る封入ガスの対流が乱れるとともに陽炎現象を激しく発
生させて、アークから放射される光を揺らがせてしまう
という問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、放射光量を増大させるためにランプへの
入力電力の大きくしたショートアーク型高圧放電ランプ
において、電極からの熱放射特性を改善して、電極の温
度を効率良く下げることである。さらに、当該高圧放電
ランプを垂直に配置して点灯させる場合においても、放
射光の揺らぎの問題を良好に解決することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、発
光管内のうち電極のうち少なくとも一方の電極は、胴体
部とその先端にテーパ部を有する構成をなし、当該テー
パ部には、電極軸に対して９０°以下となる溝が形成さ
れることを特徴とする。

【００１０】また、前記一方の電極は陽極であることを
特徴とする。また、前記ショートアーク型高圧放電ラン
プは、陽極を上方に陰極を下方に垂直に配置されること
を特徴とする。また、前記溝は、溝部の深さＤが当該電
極の直径の１２％以内であり、かつ、溝部の深さＤと溝
部のピッチＰとの関係がＤ／Ｐ≧２であることを特徴と
する。また、前記胴体部にも溝が形成されたことを特徴
とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１にショートアーク型高圧放電
ランプの全体図を示す。放電ランプ１０は、発光管部１
１とその両端に封止管部１２が連設されて構成され、発
光管部１１の中には陽極２０と陰極３０が互いに対向す
るように配置されている。その各々は封止管部１２から
電極軸に沿って伸びてなる。この封止管部１３から外部
リードが伸びている。

【００１２】陽極２０は、先端テーパ部２１、胴体部２
２、後端テーパ部２３、電極軸部２４より構成される。
陰極３０は、先端テーパ部３１、胴体部３２、電極軸部
３３より構成される。

【００１３】このような放電ランプは、ランプ点灯中、
陽極２０と陰極３０との間に形成されるアークの状態を
安定に維持するために、通常、垂直点灯方式、すなわ
ち、陽極２０と陰極３０が上下に対向するように配置さ
れる。

【００１４】このような放電ランプについて、一例をあ
げると、定格電圧５０Ｖ、定格電流１００Ａ、定格電力
５ｋＷで、発光管部１１の内部にはキセノンガス１気圧
（封入時圧力）と水銀０．０１２ｍｇ／ｍｍ^３が封入さ
れている。また、陽極２０の電極軸部２４を除くいわゆ
る先端ヘッドはタングステンからなり、最大外径２５ｍ
ｍ、全長４５ｍｍであり、陰極３０の先端ヘッドはタン
グステンよりなり、最大外径１０ｍｍ、全長１８ｍｍで
ある。また、電極間距離は７．５ｍｍである。なお、図
１において、陽極２０には後述する溝は省略している。

【００１５】図２は陽極２０の先端テーパ部２１の拡大
図を示す。先端テーパ部２１の斜面には溝部２５が形成
される。この溝部２５はその深さの方向が、電極軸Ｌ１
とのなす角θが９０°以内になるように形成されてい
る。この理由は後述する。

【００１６】図３は溝部の拡大図を示す。溝部２５は、
図３（ａ）に示すように各ヤマの先端や底が尖った形
状、すなわち、完全Ｖ字型構造であってもよく、また、
図３（ｂ）に示すように各ヤマの先端や底が曲面状に形
成されている構造であってもかまわない。なお、（ａ）
に示すＶ字型構造の場合、溝の加工が簡易であるという
利点があり、特に、本発明のように斜面部分に形成する
場合はこの利点が実用上有意義である。また、図３
（ｂ）に示す曲面上構造の場合、（ａ）に示す構造の加
工作業に加えて曲面化するという加工作業が増えるもの
の、放電現象との関係では、局部的な放電集中の形成を
防止できるという効果を有する。

【００１７】数値例をあげれば、溝部２５は、その頂部
Ｐ１と隣接する頂部Ｐ３との距離、すわなち、溝ピッチ
Ｐが、例えば、０．１〜０．１２ｍｍであり、頂部Ｐ１
から底部Ｐ２に向けた垂直方向の距離、すなわち、溝深
さＤが、例えば、０．３〜０．６ｍｍに構成される。溝
は、例えば、５０〜２００個ぐらい形成される。なお、
図２においては、図面において左右にしか溝２５は形成
されていないが、現実には、当該溝部２５は円錐台形状
であるためテーパ部２１の全周にわたって溝部２５は形
成されることになる。

【００１８】次に、陽極２０の先端テーパ部２１に溝部
２５を設けることの技術的意義について説明する。図４
はタングステンの表面から放射される熱線の放射の配向
パターンを示すもので、（ａ）は溝状のタングステンか
らの熱線の放射配向パターンを示し、（ｂ）は平面状の
タングステンからの熱線の放射配向パターンを示もの
で、両図はタンスグテンを同じ温度とした場合のパター
ンを示している。溝状のタングステンが形成されると、
溝の存在する面の垂直方向に強く熱線が放射されること
が示され、（ｂ）のように溝がない場合に比べて、面に
垂直方向にある物質がより効果的に加熱されることにな
る。

【００１９】この内容を前記したショートアーク型高圧
放電ランプの電極に適用してみると、陽極２０の先端テ
ーパ部２１に溝部を設けることで陰極側の発光管内表面
まで、あるいはその近傍まで熱放射を届かせることが可
能となる。図５にこのような状態を示すが、陽極２０の
先端テーパ部２１に溝部２５を設けることで矢印に示す
ように熱放射を起こさせ、これにより、陰極付近の発光
管内壁３０ａを昇温させることが可能となる。そして、
陰極側の発光管内表面に対する昇温効果が期待できるた
め、前記した発光管内表面における陽極側と陰極側の温
度のバラツキという問題を解決することが可能となる。

【００２０】溝の方向（溝の深さ方向）は、電極軸に対
して９０°以下になるようにすれば熱放射の方向を陰極
側に規定することができ、良好に陰極の根元近傍の昇温
させることができる。なお、陰極の根元近傍を昇温させ
るためには、９０°よりもより小さく、例えば、８０
°、７０°、６０°、５０°、４５°というように角度
θを構成することができる。特に、発光管の形状は図１
に示す概略ラグビーボール状の形状に限定されず、球に
近い形状やタマゴ型形状など種々の形状が想定され、ま
た、電極間距離や電極の発光管内における突出長などに
より、熱放射させたい部位はいろいろと考えられるので
上記角度θを適宜選定することができる。また、溝の深
さ方向は、図に示すようにテーパ面に対して垂直方向に
延びる場合に限定されるものではない。

【００２１】このように陽極２０が陰極３０に対して上
方に位置する姿勢で放電ランプを点灯する場合には、発
光管部１１内において陰極３０の周辺の温度を昇温させ
る作用効果を発揮できる。図６に陽極の先端コーン部に
溝を設けることによる効果を示す実験結果を示す。実験
は、３本のショートアーク型高圧放電ランプを陰極を下
方、陽極を上方に垂直配置させて安定点灯する時間を測
定した。３本の放電ランプは、陽極先端テーパ部の構造
のみを異にしており、他の構造は同一であり、ランプ入
力は５ＫＷ、電極間距離は７ｍｍ、発光管に封入される
水銀量は２５ｍｇ／ｍｌである。陽極先端テーパ部の構
造は、１つは溝を有さない構造であり、１つは電極軸に
対して４５°の溝を有する構造であり、１つは電極軸に
対して６０°の溝を有する構造である。横軸はランプを
点灯始動させてから経過時間（単位分）を示し、縦軸は
ランプの発光管下部（図５に示す発光管内壁３０ａの外
表面）の温度を示す。図より、４５°溝を設けた放電ラ
ンプは、１０分〜３０分経過後の安定点灯状態におい
て、発光管下部温度が５００℃であるのに対し、６０°
溝を設けた放電ランプは約３００℃、溝も設けない放電
ランプは３００℃以下であることがわかる。すなわち、
先端コーン部に溝、好ましくは４５°ぐらいに小さい溝
を設けることで対向する電極根元近傍の発光管内壁を良
好に昇温できることが示される。つまり、温度が低くな
る陰極の根元近傍を良好に昇温させることで、陽極近傍
と陰極近傍の温度差を小さくさせることができ、温度差
から生じる陽炎現象の発生と、アークから放射される光
を揺らぎを良好に防止することができる。

【００２２】上記図１、図２に示す実施例は、溝部が先
端テーパ部にのみ設けられている場合について説明した
が、先端テーパ部のみならず、胴体部の側面に設けるこ
ともできる。これにより、陰極近傍の昇温作用だけでな
く、陽極の熱放射自体を高めて陽極の温度上昇をより防
止することができる。また、上記実施例は、陽極に溝部
を設ける場合について例示しているが、陰極に同様の溝
部を設けることもできる。さらには、交流点灯の放電ラ
ンプにおいて、一方若しくは両方の電極に上記例示した
ような部を設けることもできる。

【００２３】本発明のショートアーク型放電ランプは、
上記のような溝構造を電極に対して設けることで当該電
極からの熱放射率を改善するものではあるが、さらに言
えば、溝部のピッチと深さの関係を規定することが、こ
の効果をより一層向上させている。つまり、溝ピッチＰ
と溝深さＤとの関係がＰ／Ｄ≧２であり、また、溝の深
さＤが電極軸の直径の１２％以内というときに放熱効果
が高いことを確認している。

【００２４】また、溝部を加工する方法は、ダイヤモン
ドカッターによる方法、レーザ光を照射する方法、電子
ビームを照射する方法がある。これらの方法は、より効
果的には、溝のピッチによって、使いわけることもでき
る。例えば、ピッチが約５００μｍ以上で溝の深さがピ
ッチの2倍以上の場合には、V字状の刃先を持つダイヤモ
ンドカッターを用いるのが好ましい。また、溝のピッチ
が約１５０μｍ〜５００μｍまでで、溝の深さがピッチ
の２〜３倍程度の場合には、パルスレーザ等によるレー
ザ加工が適している。この場合、図３（ｂ）に示すよう
な溝の底部に形成される曲面は、レーザ光の焦点を適切
に選択することにより加工できる。さらに、溝部のピッ
チが約１５０μｍ以下の場合は、電子ビームにより加工
することが好ましい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のショー
トアーク型高圧放電ランプは、少なくとも一方の電極の
先端テーパ部に電極軸に対して９０°以下になる溝を設
けることで他方の電極の根元近傍を良好昇温させること
ができ、発光管内の温度のバラツキという問題を良好に
解決することができる。特に、陽極を上方に陰極を下方
にした垂直配置をするショートアーク型高圧放電ランプ
にあっては、陽極近傍と陰極近傍の温度差は顕著に大き
くなるものであるが、本発明のような溝構造を採用する
ことにより、このような問題を良好に解決することがで
きる。また、点灯始動時は発光空間内における最冷部と
なる部分を昇温させることで、ランプ全体として水銀の
蒸発速度を速めることができ、定常点灯状態に移行する
時間が短くなるという効果も併せて有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ショートアーク型高圧放電ランプの全体図を示
す。

【図２】本発明のショートアーク型高圧放電ランプの陽
極先端の拡大図を示す。

【図３】本発明のショートアーク型高圧放電ランプの溝
構造の実施形態を示す。

【図４】本発明の作用効果を説明するための図面を示
す。

【図５】本発明の作用効果を説明するための図面を示
す。

【図６】本発明の実験結果を示す。

【符号の説明】

１０ ショートアーク型高圧放電ランプ １１ 発光管部 １２ 封止管部 ２０ 陽極 ２１ 先端部 ２２ コーン部 ２３ 胴体部 ２５ 溝部 ３０ 陰極 Ｐ 溝のピッチ Ｄ 溝の深さ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光管内に一組の電極を有するショートア
   ーク型高圧放電ランプにおいて、 前記一組の電極のうち少なくとも一方の電極は、胴体部
   とその先端にテーパ部を有する構成をなし、 当該テーパ部には、電極軸に対して９０°以下となる溝
   が形成されることを特徴とするショートアーク型高圧放
   電ランプ。
2. 【請求項２】前記一方の電極は陽極であることを特徴と
   する請求項１に記載のショートアーク型高圧放電ラン
   プ。
3. 【請求項３】前記ショートアーク型高圧放電ランプは、
   陽極を上方に陰極を下方に垂直に配置されることを特徴
   とする請求項２に記載のショートアーク型高圧放電ラン
   プ。
4. 【請求項４】前記溝は、溝部の深さＤが当該電極の直径
   の１２％以内であり、かつ、溝部の深さＤと溝部のピッ
   チＰとの関係がＤ／Ｐ≧２で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高圧放電ランプ。
5. 【請求項５】前記胴体部にも溝が形成されたことを特徴
   とする請求項１から請求項４に記載のショートアーク型
   高圧放電ランプ。