JP2003257363A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間ランプを点灯しても、放射される光の
光強度が均一であり、しかも、光強度の低下を抑制で
き、アークの立ち消えが発生しないショートアーク型放
電ランプを提供する。 【解決手段】 本発明のショートアーク型放電ランプ
は、発光管１内に陰極２と陽極３が配置されて発光管１
内に希ガスが封入され、陰極２は、放電空間Ｓ側に向か
って傾斜しているテーパー部２１を有しており、テーパ
ー部２１の表面に異形部２２が形成されており、電極間
距離をＤ（ｍｍ）、異形部の陽極側の端部と陰極先端部
との管軸方向離間距離をＬ（ｍｍ）とすると、Ｄ＋Ｌ≦
１５であるとともに、基準温度３００Ｋにおける発光管
内に封入される希ガスの圧力をＰ（ＭＰａ）とすると、
０．０１≦Ｐ≦１である条件を満たすことを特徴とす
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、光化学産業分野や
半導体製造分野等に使用される紫外線を良好に放出する
ためのショートアーク型放電ランプや、映写機等の投影
分野に使用されるショートアーク型放電ランプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来からショートアーク型放電ランプ
は、図７に示すように、放電空間Ｓを形成する発光管１
の内部に陰極２と陽極３が対向配置され、発光管１内に
希ガスのみ、或いは希ガスと水銀が封入されたものであ
る。希ガスとしては、具体的には、キセノン、クリプト
ン、アルゴンが使用されている。希ガスのみ封入された
ランプは、希ガスが発光ガスとなるものであり、希ガス
と水銀が封入されたランプでは希ガスがバッファガスと
して作用するものである。このように希ガスを、発光管
内に封入することにより、ランプの始動性、発光効率、
アーク安定性、アーク集中性を向上させるものである。

【０００３】そして、ランプ始動時には陰極２と陽極３
との間に、数ｋＶ〜数十ｋＶの高電圧をかけ、電極間で
絶縁破壊を起こしてアーク放電へと移行する。具体的に
は、電極間で絶縁破壊が行われた直後、陰極２の先端部
２ａがアーク放電の始点となる。これは陰極２の形状が
放電空間Ｓに向かってテーパー部２１が形成され陽極３
に向けて円錐状の形状をしているため、先端部２ａに電
界が集中しやすくなり、電界集中によって電子が先端部
２ａから引き出されやすくなるからである。

【０００４】また、陰極２にはトリウムなどのエミッタ
ー物質が含有されており、絶縁破壊直後では、陰極２の
先端部２ａが陰極で最も高温となる部分であり、エミッ
ター物質は先端部２ａに移動する。よって、先端部２ａ
の電子放出能力が陰極２の他の部分より大きくなるの
で、先端部２ａがアーク放電の始点となる。つまり、こ
のような現象が重なりあって、電極間で絶縁破壊が行わ
れた直後、陰極２の先端部２ａがアーク放電の始点とな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ショー
トアーク型放電ランプを長時間点灯した後消灯し、再
び、点灯すると、アーク放電の始点が陰極２の先端部２
ａとならず、先端部２ａから離れたテーパー部２１の表
面がアーク放電の始点となる場合があった。このような
現象が発生する理由は、ランプ点灯中、陰極２の先端部
２ａは２０００〜２５００℃程度の高温になるため先端
部２ａが溶融蒸発して変形を起こし、電界の集中度合い
が低下するためであり、また、陰極２に含有されたエミ
ッター物質の枯渇により先端部２ａの電子放射能力が低
下することや、さらには、先端部２ａの結晶が長時間の
熱的影響により粗大化して結晶間の粒界が少なくなるこ
とにより先端にエミッター物質が供給されにくくなり、
先端部２aの電子放出能力が低下する、という様様な要
因が重なり合って起こるものである。

【０００６】このように、様様な要因によって、アーク
放電の始点が先端部２ａから離れたテーパー部２１の表
面となると、アークの始点が安定せず、アークがふらつ
く状態になり、アークのふらつき状態によっては、アー
クが発光管１の内面と接触することになる。

【０００７】そして、非常に高温のアークが発光管１の
内面に接触すると、その部分が失透してしまい、その部
分の発光管１の光の透過率が低下する。この結果、発光
管１には一部透過率が低い部分が存在することになり、
ランプから放射される光の光強度が不均一になり、光を
照射する対象物上で照度が不均一になるという問題があ
った。また、ランプから放射され光の光強度全体が低下
してしまい、紫外線を利用する半導体露光分野では露光
不足となる問題や、可視光を利用する投影分野では十分
な明るさで映像を映写できないという問題が発生する。

【０００８】また、別の問題として、アークの始点がテ
ーパー部表面で安定せず、動きまわることにより、アー
クの立ち消えが発生することもある。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、長時間ランプを点灯しても、
ランプから放射される光の光強度が均一であって、しか
も、光強度の低下を抑制でき、さらに、アークの立ち消
えが発生しないショートアーク型放電ランプを提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のショー
トアーク型放電ランプは、発光管内に一対の陰極と陽極
が対向配置され、当該発光管内に少なくとも希ガスが封
入されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰
極は、放電空間側に向かって傾斜しているテーパー部を
有しており、前記テーパー部は、その表面から突出また
は凹んだ異形部が形成されており、電極間距離をＤ（ｍ
ｍ）、前記テーパー部に形成された異形部の陽極側の端
部と陰極先端部との管軸方向離間距離をＬ（ｍｍ）とす
ると、Ｄ＋Ｌ≦１５であるとともに、基準温度３００Ｋ
における前記発光管内に封入される希ガスの圧力をＰ
（ＭＰａ）とすると、０．０１≦Ｐ≦１である条件を満
たすことを特徴とする。

【００１１】請求項２に記載のショートアーク型放電ラ
ンプは、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ
であって、特に、前記異形部は、前記テーパー部の表面
から内部に凹んだ凹部であって、当該凹部が円環状に連
続して形成されていることを特徴とする。

【００１２】請求項３に記載のショートアーク型放電ラ
ンプは、請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ
であって、特に、前記凹部の幅が０．８ｍｍ以下である
ことを特徴とする。

【００１３】請求項４に記載のショートアーク型放電ラ
ンプは、請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ
であって、特に、前記異形部は、前記テーパー部の表面
から内部に凹んだ凹部であって、当該凹部が陰極の先端
側から後端側に連続して形成されていることを特徴とす
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のショートアーク型
放電ランプを図面に基づいて説明する。図１は、本発明
のショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面
図である。このショートアーク型放電ランプは、放電空
間Ｓを形成する発光管１内にタングステン製の一対の陰
極２と陽極３が対向して配置されている。２ａは陰極２
の先端部である。陽極３は、陰極２から放出された電子
を効率良く受け止めるために、先端が円錐台状になって
おり、陰極２は、陽極３との間に形成された放電空間Ｓ
側に向かって傾斜しているテーパー部２１が形成され、
このテーパー部２１には表面から凹んだ状態の異形部で
ある凹部２２が形成されている。そして、発光管１内に
希ガスであるキセノンガスが封入されており、このキセ
ノンガスの圧力は、基準温度３００Ｋで、０．０１〜１
ＭＰａの範囲である。本実施例では、０．３１ＭＰａで
ある。

【００１５】希ガスの圧力が０．０１〜１ＭＰａの範囲
である理由は、ランプ点灯時、電極間で絶縁破壊を行い
初めにグロー放電が発生し、ガス圧が最適であれば、短
時間でアーク放電に移行するが、ガス圧が０．０１ＭＰ
ａより低いと、グロー放電が長時間続きアーク放電に移
行しない場合があり、このようなランプ始動性の観点か
ら発光管１内に封入される希ガスの圧力は、基準温度３
００Ｋで、０．０１ＭＰａ以上である必要がある。一
方、ガス圧が、基準温度３００Ｋで、１ＭＰａ以上と高
くなると、電極間での絶縁破壊電圧が高くなりすぎ、電
源の設計が従来からの電源とは異なるものになり、実用
的ではない。このような理由から、発光管１内に封入さ
れる希ガスの圧力をＰ（ＭＰａ）とすると、その圧力範
囲は、基準温度３００Ｋで、０．０１≦Ｐ≦１の範囲で
なければならない。

【００１６】図２は、本発明のショートアーク型放電ラ
ンプの陰極と陽極の位置関係と陰極に形成される異形部
の説明図である。陰極２と陽極３は、その中心が管軸Ｘ
上にくるように配置されており、電極間距離Ｄは、０．
５〜２０ｍｍの範囲である。電極間距離が０．５〜２０
の範囲である理由は、０．５ｍｍ以下であると、ランプ
点灯中、電極の熱膨張により陰極２と陽極３が接触して
短絡してしまい、ランプの機能を果たさなくなるからで
あり、２０ｍｍ以上であると絶縁破壊電圧が大きくなり
すぎて、点灯が困難になるからである。このような理由
から、電極間距離をＤ（ｍｍ）とすると、その電極間距
離の範囲は、０．５≦Ｄ≦２０でなければならない。本
実施例では電極間距離Ｄは５ｍｍである。

【００１７】また、陰極２のテーパー部２１には、テー
パー部２１の表面から内面に凹んだ異形部である凹部２
２が形成されている。この凹部２２は、円環状に切れ目
なく連続して形成されており、一例をあげるとグライン
ダーによって切削加工されており、幅ｃが０．２ｍｍで
あり、深さは０．４ｍｍである。凹部２２の幅ｃが０．
８ｍｍ以上、または、深さが１．０ｍｍ以上となると、
凹部によって、陰極が先端側と後端側に明確に分断され
るので、先端側の熱が後端側に伝わらず、先端側が異常
に高温になり、陰極先端部２ａの溶融が激しくなる。よ
って、凹部２２の幅ｃは０．８ｍｍ以下、深さ１．０ｍ
ｍ以下が好ましい。

【００１８】凹部２２は、グラインダーによって削られ
ており、テーパー部２１の表面と表面から内部に向かう
傾斜面との境界部であるエッジを有しており、このエッ
ジのうち陽極側のエッジを陽極側の端部２２０と規定す
る。そして、凹部２２の陽極側の端部２２０と陰極先端
部２ａとの管軸方向離間距離Ｌが６ｍｍとなるように、
凹部２２が形成されている。この実施例では、凹部２２
は、管軸方向離間距離Ｌ（ｍｍ）と電極間距離Ｄ（ｍ
ｍ）との関係において、Ｄ＋Ｌの値が１１（ｍｍ）とな
っている。

【００１９】なお、図２では、陰極２は、テーパー角θ
は４０ｄｅｇであり、デーパー長ｆは８．５ｍｍであ
る。

【００２０】従来技術で説明したように、ショートアー
ク型放電ランプは、長時間点灯すると陰極２の先端部２
ａの変形や、エミッター物質の枯渇等によって、陰極２
の先端部２ａでの電界強度が低下したり電子放出能力が
低下したりするので、陰極２のテーパー部２１がアーク
放電の始点になる場合があるが、このような場合にテー
パー部２１に凹部２２を形成することにより、テーパー
部２１の表面でアーク放電の始点が動き回っても、この
凹部２２でアーク放電の始点が留まることになる。

【００２１】また、図２に示すように、凹部２２を切れ
目なく連続して円環状に形成することにより、アークの
始点がテーパー部表面で動いても確実にこの凹部２２で
捕らえることができるものである。

【００２２】そして、凹部２２でアーク放電の始点が留
まっている間に、陰極２の先端部２ａが十分に高温にな
るので、アーク放電の始点が先端部２ａに移り、安定し
たアーク放電に移行することになる。また、凹部２２に
アーク放電の始点が留まる時間をできるだけ短くする必
要がある。必要以上にアーク放電の始点が凹部２２に留
まると、今度は、凹部２２がアークの熱によって溶融し
はじめ、発光管１の内面に黒化物が付着し、ランプから
放射される光強度が低下する要因となる。

【００２３】つまり、凹部２２は、アーク放電の始点を
一時的に固定し、アークが立ち消えすることを防止し、
この凹部２２にアーク放電の始点が固定されても、アー
クが発光管１の内面に接触せず、しかも、凹部２２が溶
融しない間に速やかにアークの始点が陰極の先端部に移
る位置に形成されるものである。

【００２４】次に、種種のショートアーク型放電ランプ
を作製し、異形部である凹部の有無と、凹部の形成位置
における発光管の失透状態及び凹部の状態を調べる実験
を行った。各ランプの仕様と実験結果を図３、図４に示
す。なお、陽極の形状はどのランプにおいても同一であ
り、陰極の形状は、図２で示すテーパー角θと、テーパ
ー長ｆが異なるものである。また、凹部形成位置は、図
２で示すように、凹部２２の陽極側の端部２２０と陰極
先端部２ａとの管軸方向離間距離Ｌ（ｍｍ）で定義した
ものであり、凹部の形状は円環状のものである。

【００２５】図３、図４からわかるように、陰極に異形
部である凹部がない場合、ランプ１、ランプ７、ランプ
１７、ランプ２４、ランプ３０の結果からわかるよう
に、発光管が失透していることがわかる。これは、高温
のアークが発光管の内面に接触するからである。

【００２６】また、それ以外のランプにおいては、凹部
の形成位置が、電極間距離をＤ（ｍｍ）、凹部の陽極側
の端部と陰極先端部との管軸方向離間距離をＬ（ｍｍ）
とすると、その関係がＤ＋Ｌ＞１５となる条件の位置に
凹部が形成されたランプでは、どのランプおいても、異
形部である凹部が溶融している。これは、アークの始点
が凹部に留まる時間が長く、速やかに陰極先端部に移行
しないため、凹部が溶融するものである。このような場
合、何回かランプを点灯する動作を繰り返すことによっ
て、ついには発光管が黒化してしまうので、凹部の形成
位置が適切ではないことになる。

【００２７】図３、図４からわかるように、陰極に異形
部である凹部を形成し、凹部の形成位置が、電極間距離
をＤ（ｍｍ）、凹部の陽極側の端部と陰極先端部との管
軸方向離間距離をＬ（ｍｍ）とすると、その関係がＤ＋
Ｌ≦１５となる条件の位置に凹部が形成されたランプで
は、凹部が溶融することがなく、しかも、確実に発光管
の失透を防止できることがわかる。図３、図４では示し
ていないが、陰極に凹部があるランプは、全て、アーク
の立ち消えは起こらなかった。

【００２８】図５は、本発明のショートアーク型放電ラ
ンプにおける他の陰極の例を示すものである。図５
（イ）では、陰極２はテーパー部２１に、その表面から
内部に凹んだ異形部である１つの凹部２２ａが形成され
ている。この凹部２２ａは、先端が丸くなっている物体
や尖った物体をテーパー部２１に押し当て形成したもの
である。この陰極２では、凹部２２ａの陽極側の端部２
２０ａは、テーパー部２１の表面と表面から内部に向か
う傾斜面との境界部であるエッジであって、最も陽極側
のエッジ部分のことである。この結果、管軸方向離間距
離Ｌとは、その陽極側の端部２２０ａと陰極先端部２ａ
との管軸方向の離間距離のことである。

【００２９】図５（ロ）は、凹部２２ａが複数個間隔を
空けた位置に形成されたものである。この陰極２では、
凹部２２ａの陽極側の端部２２０ａは、最も陽極に近い
凹部２２ａにおいて、テーパー部２１の表面と表面から
内部に向かう傾斜面との境界部であるエッジであって、
しかも最も陽極側のエッジ部分のことである。この結
果、管軸方向離間距離Ｌとは、その陽極側の端部２２０
ａと陰極先端部２ａとの管軸方向の離間距離のことであ
る。

【００３０】図５（ハ）は、陰極２はテーパー部２１
に、その表面から突出した異形部である１つの凸部２２
ｂが形成されている。この凸部２２ｂは、陰極と同一の
物質を溶融結合したものや、テーパー部２１を形成する
際にテーパー部の一部が盛り上がるように切削加工した
ものである。この陰極２では、凸部２２ｂの陽極側の端
部２２０ｂは、最も陽極側に近い凸部２２ｂの表面部分
のことである。この結果、管軸方向離間距離Ｌとは、そ
の陽極側の端部２２０ｂと陰極先端部２ａとの管軸方向
の離間距離のことである。

【００３１】図５（ニ）は、凸部２２ｂが複数個間隔を
空けた位置に形成されたものである。この陰極２では、
凸部２２ｂの陽極側の端部２２０ｂは、最も陽極に近い
凸部２２ｂにおいて、しかも最も陽極側に近い凸部２２
ｂの表面部分のことである。この結果、管軸方向離間距
離Ｌとは、その陽極側の端部２２０ｂと陰極先端部２ａ
との管軸方向の離間距離のことである。

【００３２】図５（ホ）は、凸部２２ｂが連続して円環
状に形成されたものである。この陰極２では、凸部２２
ｂの陽極側の端部２２０ｂは、凸部２２ｂの最も陽極に
近い表面部分のことである。この結果、管軸方向離間距
離Ｌとは、その陽極側の端部２２０ｂと陰極先端部２ａ
との管軸方向の離間距離のことである。

【００３３】この図５に示すように、異形部は様様の形
態を有するものであるが、テーパー部２１の表面でアー
ク放電の始点が動き回っても、この凹部２２ａ、凸部２
２ｂでアーク放電の始点が留まることになる。そして、
凹部２２ａ、凸部２２ｂでアーク放電の始点が留まって
いる間に、陰極２の先端部２ａが十分に高温になるの
で、速やかにアーク放電の始点が先端部２ａに移り、安
定したアーク放電に移行させることができる。

【００３４】図６は、本発明のショートアーク型放電ラ
ンプにおける他の陰極の例を示すものである。図６
（イ）（ロ）に共通している構成は、陰極２はテーパー
部２１に、その表面から内部に凹んだ異形部である凹部
２２ｃが形成されている。この凹部２２ｃは、陰極２の
先端側から後端側に切れ目なく連続して形成されている
ものである。図６（イ）は、凹部２２ｃがテーパー部２
１の表面で直線状に形成されており、図６（ロ）は、凹
部２２ｃがテーパー部２１の表面で螺旋状に形成されて
いる。

【００３５】この図６（イ）（ロ）の陰極２では、凹部
２２ｃの陽極側の端部２２０ｃは、テーパー部２１の表
面と表面から内部に向かう傾斜面との境界部であるエッ
ジであって、このエッジのうち最も陽極側のエッジ部分
のことである。この結果、管軸方向離間距離Ｌとは、そ
の陽極側の端部２２０ｃと陰極先端部２ａとの管軸方向
の離間距離のことである。

【００３６】このように、凹部２２ｃは、陰極２の先端
側から後端側に切れ目なく連続して形成されているの
で、テーパー部２１の表面でアークの始点が動き回って
いる間に、凹部２２ｃのどこかの位置でアークの始点が
捕らえられ、捕らえられたアークの始点は、凹部２２ｃ
に沿って温度が高い方の先端側に、スムーズに移動する
ことになり、アークの始点が陰極２の先端部２ａに移行
する時間をより短くすることができる。よって、凹部２
２ｃのアークによる溶融を確実に抑制することができ
る。尚、この図では凹部２２ｃは1本であるが、複数本
存在してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の放電ラン
プによれば、陰極のテーパー部に、その表面から突出ま
たは凹んだ異形部が形成されており、電極間距離をＤ
（ｍｍ）、テーパー部に形成された異形部の陽極側の端
部と陰極先端部との管軸方向離間距離をＬ（ｍｍ）とす
ると、Ｄ＋Ｌ≦１５であるとともに、基準温度３００Ｋ
における発光管内に封入される希ガスの圧力をＰ（ＭＰ
ａ）とすると、０．０１≦Ｐ≦１である条件を満たすこ
とにより、アークの始点をこの異形部で留めることがで
き、アークが立ち消えすることを防止でき、アークが発
光管の内面に接触することないので、発光管の失透を防
止でき、しかも、異形部の溶融を防止することができ
る。

【００３８】よって、本発明のショートアーク型放電ラ
ンプを長時間点灯した後消灯し、再び、複数回点灯させ
ても発光管が失透せず、ランプから放射される光の光強
度が均一であって、光強度の低下を抑制できる。

【００３９】さらに、異形部の形状が、陰極のテーパー
部の表面から内部に凹んだ凹部であって、この凹部が円
環状に連続して形成されたものである場合は、アークの
始点がテーパー部表面で動いても確実にこの凹部で捕ら
えることができるものである。

【００４０】また、異形部の形状が、陰極のテーパー部
の表面から内部に凹んだ凹部であって、その幅が０．８
ｍｍ以下である場合は、凹部によって、陰極が先端側と
後端側に分断されても陰極先端側の熱が後端側に十分に
伝わるので、陰極先端部の溶融を防止することができ
る。

【００４１】さらには、異形部の形状が、陰極のテーパ
ー部の表面から内部に凹んだ凹部であって、凹部が陰極
の先端側から後端側に連続して形成されたものである場
合は、テーパー部の表面でアークの始点が動き回ってい
る間に、凹部のどこかの位置でアークの始点が捕らえら
れ、捕らえられたアークの始点は、凹部に沿って温度が
高い方の先端側に、スムーズに移動することになり、ア
ークの始点が陰極の先端部に移行する時間をより短くす
ることができ、凹部のアークによる溶融を確実に抑制す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のショートアーク型放電ランプの説明図
である。

【図２】本発明のショートアーク型放電ランプの陰極と
陽極の位置関係と陰極に形成される異形部の説明図であ
る。

【図３】陰極の異形部の有無による発光管の失透状態及
び凹部の形成位置における凹部の状態を調べた実験のデ
ータ説明図である。

【図４】陰極の異形部の有無による発光管の失透状態及
び凹部の形成位置における凹部の状態を調べた実験のデ
ータ説明図である。

【図５】本発明のショートアーク型放電ランプにおける
他の陰極の例の説明図である。

【図６】本発明のショートアーク型放電ランプにおける
他の陰極の例の説明図である。

【図７】従来のショートアーク型放電ランプの説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 発光管 ２ 陰極 ２ａ 先端部 ２１ テーパー部 ２２ 凹部 ２２ａ 凹部 ２２ｂ 凸部 ２２ｃ 凹部 ３ 陽極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C015 JJ06 KK02 5C039 HH02 HH04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光管内に一対の陰極と陽極が対向配置
   され、当該発光管内に少なくとも希ガスが封入されたシ
   ョートアーク型放電ランプにおいて、 前記陰極は、放電空間側に向かって傾斜しているテーパ
   ー部を有しており、 前記テーパー部は、その表面から突出または凹んだ異形
   部が形成されており、 電極間距離をＤ（ｍｍ）、前記テーパー部に形成された
   異形部の陽極側の端部と陰極先端部との管軸方向離間距
   離をＬ（ｍｍ）とすると、 Ｄ＋Ｌ≦１５ であるとともに、 基準温度３００Ｋにおける前記発光管内に封入される希
   ガスの圧力をＰ（ＭＰａ）とすると、 ０．０１≦Ｐ≦１ である条件を満たすことを特徴とするショートアーク型
   放電ランプ。
2. 【請求項２】 前記異形部は、前記テーパー部の表面か
   ら内部に凹んだ凹部であって、当該凹部が円環状に連続
   して形成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. 【請求項３】 前記凹部の幅が０．８ｍｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電
   ランプ。
4. 【請求項４】 前記異形部は、前記テーパー部の表面か
   ら内部に凹んだ凹部であって、当該凹部が陰極の先端側
   から後端側に連続して形成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。