JP2005340136A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 バルブの有効利用範囲において電極蒸発物が内壁に付着するのを回避することにより、当該箇所の光透過率の低下を抑制し、照度維持率を高く維持することができる使用寿命が長いショートアーク型放電ランプを提供すること。
【解決手段】 発光管部およびこの発光管部の両端から外方に伸びるよう設けられた封止管部よりなるバルブと、発光管部内部に対向配置された一対の電極と、該電極をそれぞれ先端に有する一組の電極棒とを具備し、バルブの管軸が垂直姿勢で点灯されるショートアーク型放電ランプであって、上側に位置される電極棒に半径方向に突出する環状部材が設けられている。環状部材はタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）あるいはこれらを主成分とした高融点材料，またはセラミックスのいずれかよりなるのがよく、構造としては円板形状，あるいは金属素線を渦巻状に巻回して略円板形状とした構造であるのがよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子、液晶素子或いはプリント基板素子などの露光に使用されるショートアーク型放電ランプに関する。

上記技術分野で使用されるショートアーク型放電ランプは例えば、特開２００１−１５０７０号等に記載されている。
図５は、係るショートアーク型放電ランプの管軸方向断面図である。
放電ランプにおけるバルブ５０は、発光管部５１の両端に外方に伸びる封止管部５２が連設されている。発光管部５１の内部には、一対の電極６１，６２が、各々電極棒７１，７２に固定され所定の間隔を隔てて互いに対向するよう配置されている。
一対の電極６１，６２はタングステンよりなり、例えば、全体が略円柱状であって先端部および後端部に各々外方に向かって先細りするよう曲面ないしは斜面が形成された陽極６１と、先端が尖塔状に成形された陰極６２と、から構成されている。
このようなショートアーク型放電ランプは、上記用途においては通常、陽極６１が上、陰極６２が下というバルブの管軸が垂直に位置される姿勢に保持されて、適宜の光学系と共に使用される。

ところで、上記ランプは、電流値の増加に伴う陽極６１の過熱等に起因し、電極材の蒸発物がバルブ５０の内壁に付着して発光管部５１の光透過率が低下する、いわゆる黒化が生じることが知られている。黒化物はランプ点灯中のアークおよびアークの流れによる対流Ｒ（アークの周りには全周に亘ってＲと同様の対流が生じているが、同図においては不図示である。）にのって運ばれるため、同図中Ｐで示す発光管部５１上部近傍の環状の部分に付着し易く、当該箇所において顕著に発生する。
しかして、一般的な光学系においてはアークの中心から上下４５°程度の角度範囲（以下「有効利用範囲」という。）から放射する光を利用することが多い。従って、上記黒化物がこの範囲内に付着しない間は光放射の低下に関して影響を生じるものではない。

ここで、従来技術に係るランプのバルブ内の対流を、図６を参照して詳述する。
まず、対流は、アークと共に発光管部５１の中心部近傍において陰極６２から陽極６１に向かって、矢印Ｘ１のように下方から上方に向かって流れる。そして、陽極６１の中央部で、電極棒７１に沿って垂直下向きに流れる比較的低温の気流Ｙ１と衝突した後、矢印Ｘ２で示すように発光管部５１の管壁に向かって広がって、発光管部５１の内壁にあたって折り返され、矢印Ｘ３のように内壁に沿って下方に向かって流れる。
特開２００１−１５０７０号

このように発光管部５１上部の環状部分Ｐは、アークの傍を通過した対流が最初に発光管部５１の内壁と衝突する箇所であり、アークから離れていて比較的低温であるため、蒸発物の付着が顕著に生じる。また、点灯時間に伴って黒化物の堆積が進むとともにその範囲も対流の流れ矢印Ｘ３に沿うよう下方に広がる。

このため、ランプの点灯時間の経過に従いバルブの光透過率が低下してランプの光強度が低下するという問題がある。

そこで、本発明が解決すべき課題は、バルブの有効利用範囲において電極蒸発物が内壁に付着するのを回避することにより、当該箇所の光透過率の低下を抑制し、照度維持率を高く維持することができる、使用寿命が長いショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管部およびこの発光管部の両端から外方に伸びるよう設けられた封止管部よりなるバルブと、このバルブの発光管部の内部に対向配置された一対の電極と、該電極をそれぞれ先端に有する一組の電極棒と、を具備し、前記バルブの管軸が垂直に位置される姿勢で点灯されるショートアーク型放電ランプにおいて、前記一組の電極棒のうち上側に位置される電極棒には、半径方向に突出する環状部材が設けられていることを特徴とする。
また、前記環状部材はタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）あるいはこれらを主成分とした高融点材料，またはセラミックスのいずれかよりなるのがよい。
また、前記環状部材は円板形状，あるいは金属素線を渦巻状に巻回して略円板形状とした構造を有するのがよい。

本発明によれば、環状部材に沿う流れが誘起されて、上側の電極よりも上方の領域において複雑な流れが形成され易く、複数の渦が生成されると、アークよりの上昇気流を巻き込んで、電極材の蒸発物を捕捉してバルブの管壁、電極棒、環状部材などに衝突を繰り返して循環する。このとき、環状部材、電極棒、バルブ管壁に蒸発物が付着するため、ランプ中央領域のランプ内壁面に向かう流れは、蒸発物の濃度が低くなり、有効利用範囲における蒸発物の付着量が著しく減少し、有効利用範囲内において黒化の発生を抑制することができるようになる。また、付着場所がバルブ上方にずれるため、黒化が生じる領域をランプの有効利用範囲よりも上側に規制することができ、照度維持率を高く維持することができ、使用寿命が長いショートアーク型放電ランプを提供することができるようになる。

図１は本願第一の発明の実施形態を説明するショートアーク型放電ランプの断面図である。
この放電ランプにおいて、バルブ１０は、石英ガラスにより形成され、発光空間Ｓを囲繞する楕円球形の発光管部１１と、この発光管部１１の両端から外方に伸びるよう連設された筒状の封止管部１２とにより構成されており、それぞれ当該発光管部１１に続く封止管部１２の発光管部１１に接近した個所に、封止管部１２の一部が縮径された状態の絞り込み部１２ａが形成されている。

バルブ１０の発光管部１１内には、一対の電極すなわち、陽極１３および陰極１４が互いに対向するよう配置されており、その各々は、封止管部１２から発光管部１１に管軸に沿って伸びる例えばタングステンよりなる円柱状の電極棒１５の先端に固定されて支持されている。バルブ１０の発光管部１１内には、キセノン、アルゴン、クリプトン等の希ガス若しくはこれらの混合物よりなる封入ガスおよび水銀などの発光物質が封入されている。
このショートアーク型放電ランプにおいては、例えば、陽極が上、陰極が下となるようにバルブの管軸が垂直に位置される姿勢に保持され、アークの中心から概略上下４５°程度の角度範囲（有効利用範囲）から放射する光が利用されることになる。

バルブ１０の封止管部１２内においては、発光管部１１に接近した位置に、電極棒１５の外径に適合する内径の筒孔を有する石英ガラスよりなる電極棒保持用筒体１６が、当該電極棒１５が挿通された状態で配置され、この電極棒保持用筒体１６の外周面は、封止管部１２の一部である絞り込み部１２ａの内面に気密に溶着され、当該電極棒保持用筒体１６の一端面１６ａが発光空間Ｓに露出している。封止管部１２内における電極棒保持用筒体１６の外端側には、封止用ガラス部材１７が配置されている。この封止用ガラス部材１７においては、その発光空間Ｓ側の内端部１７ａが外端に向かうに従って大径となる円錐台状に形成され、この内端部１７ａに続いて、封止管部１２の内径に適合する外径の円柱状の胴部１７ｂが形成されている。また、この封止用ガラス部材１７には、その外端面から軸方向に沿って伸びる有底孔１７ｃが形成されており、この有底孔１７ｃには、その内径に適合する外径の外部リード棒１８が挿入されている。

封止用ガラス部材１７の外周面には、モリブデンよりなる複数の帯状の金属箔２０が、当該封止用ガラス部材１７の周方向に互いに離間して配置されており、金属箔２０の各々の内端部は、封止用ガラス部材１７の内端面に沿って伸びて電極棒１５に接続され、金属箔２０の各々の外端部は、封止用ガラス部材１７の外端面に沿って伸びて外部リード棒１８に接続され、当該封止用ガラス部材１７の内端から外端に向かって伸びている。また、封止用ガラス部材１７の外周面は、金属箔２０を介して封止管部１２の内面に気密に溶着されている。

封止用ガラス部材１７の外端側には、外部リード棒１８の外径に適合する筒孔を有する石英ガラスよりなるリード棒保持用筒体１９が、当該外部リード棒１８が挿入された状態で配置されており、このリード棒保持用筒体１９の外周面は、封止管部１２の内面に気密に溶着されている。

陽極１３は、例えばタングステンよりなり、同図に示すように、先端に向かって先細りするよう曲面ないしはテーパが形成された先端部１３ａを有しており、そのうしろに略円柱状の胴部１３ｂが連設し、更に胴部１３ｂのうしろに、後方に向かって先細りする後端部１３ｃが連設している。

ここで、一組の電極棒のうち上側に位置された電極棒１５、同図においては陽極１３側の電極棒１５には、陽極１３と電極棒保持用筒体１６の間に、該電極棒１５の表面から半径方向に突出する環状部材３０が取り付けられている。
環状部材３０は薄い板状で、その中心孔に電極棒１５が挿通されて、溶接などの手段によって固定されている。この環状部材３０は、陽極１３の後端面１３ｄと電極棒保持用筒体１６の一端面１６ａとの間において、両方の部材に接触しないように間隙を有して配置されている。
環状部材３０の材質としては、耐熱性に富むものであればよく、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属、あるいはこれらのうちのいずれかを主成分とした高融点材料を好適に使用することができる。特にタンタルを用いるとゲッターとしての効果も期待できる。また、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカガラス（ＳｉＯ_２）などのセラミックスを用いることもできる。

図２は、本実施形態に係るランプの要部を拡大して示す説明図であり、図中左側に記載の矢印は、発光管部内の対流の様子を示し、これについては後段で説明する。
同図において、環状部材３０と陽極１３の後端面１３ｄとの間に形成される間隙ｄ（ｍｍ）は、例えば、陽極１３の後端面１３ｄと電極棒保持用筒体１６の一端面１６ａの間の距離をＤ（ｍｍ）とすると０．２Ｄ〜０．８Ｄ（ｍｍ）である。
また、環状部材３０の電極棒１５外周面からの半径方向の突出長ｅ（ｍｍ）は、例えば上側に配置された電極（ここでは陽極１３）の最大径Ｅ（ｍｍ）（図示省略）とすると、２〜Ｅ／２（ｍｍ）、好ましくは０．２Ｅ〜０．４Ｅ（ｍｍ）である。このように、間隙ｄ（ｍｍ）と突出長ｅ（ｍｍ）を設定することで、矢印Ｂ１の流れを捕捉し易くなり対流の規制に効果的に作用する。

続いて、発光管部内の対流について説明する。
図２のように、電極棒保持用筒体の一端面１６ａ近傍からの比較的低温の気流Ｂ１は、電極棒１５に沿って下降すると環状部材３０に衝突して半径方向外方に流れ、バルブ１０の内壁に衝突して多数の小さい渦流を形成し、バルブ１０上部の管壁、電極棒１５、環状部材３０に衝突する。その一部の気流が環状部材３０とバルブ１０の間隙を通過して、発光管部１１側に流入する。
矢印Ａ１で示すアーク近傍よりの上昇する気流は、陽極１３の胴部１３ｂの側面に沿って流れると、該陽極１３の後端部１３ｃに差し掛かったところで、矢印Ａ２で示すように半径方向外方に広がるように流れ、バルブ１０の管壁付近で環状部材３０とバルブ１０の間から流入したＢ２の気流と合流する。この矢印Ｂ２の気流は、環状部材３０の上方において十分循環してから降下するため勢力が小さく、矢印Ａ２の流れを下方に押し下げるには至らない。
そして、矢印Ａ２、矢印Ｂ２の流れが合流して矢印Ｃ１の流れを形成し、そこから陽極１３後端面１３ｄと環状部材３０との間に小さな渦流を形成する。しかる後、矢印Ｃ２のように環状部材３０よりも上方に上昇して、そこでもバルブ１０上部の管壁、電極棒１５、環状部材３０に衝突するような小さい渦流を形成する。これらの渦流は、アーク近傍からの上昇気流を巻き込んでおり、すなわち蒸発物を含んでおり、係る電極材の蒸発物のほとんどをバルブ１０上部管壁、電極棒１５、環状部材３０などに付着せしめる。その結果、バルブ１０の有効利用範囲近傍に下降する気流Ａ３には蒸発物がほとんど含まれなくなる。

このように、多数の渦流が電極材の蒸発物を捕捉してバルブ１０の管壁、電極棒１５、環状部材３０などに衝突を繰り返して循環する。このため、ランプ中央領域の流れ（Ａ３）には蒸発物がほとんど含まれなくなるので、有効利用範囲における蒸発物の付着量が著しく減少し、有効利用範囲内において黒化の発生を抑制することができるようになる。その結果、光透過率が維持され、照度を高く維持することができ、使用寿命の長いショートアーク型放電ランプを提供できるようになる。

続いて、本発明に係る環状部材の実施形態を図面を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は環状部材の説明図である。
図３（ａ）は、内径が電極棒の外径とほぼ同じ中心孔３０ａを有し、円盤状に成形して製作された環状部材３０である。厚みは例えば、０．１〜５ｍｍである。電極棒との固定は、係る環状部材の中心孔近傍３０ａにおいて溶接、ロウ付けなどの手段によっても良いし、金属線などを電極棒に巻きつけて環状部材を係止させて固定してもよい。
図３（ｂ）は、金属の線材を渦巻型に巻回して製作したものである。このように、環状部材３０は板材に限定されず適宜変更が可能である。この環状部材３０の中心部には電極棒取り付け用の取付け部３０ｂが具備されており、係る取付け部３０ｂにおいて電極棒に溶接等の手段で固定する。
図３（ｃ）は、上記（ａ）と同様、円盤型に成形したもので、中心孔３０ａ近傍に前記取付け部３０ｂを形成したものである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されることなく種々変更が可能である。
例えば、上記の例においては、陽極が上側に位置された姿勢で点灯するランプの例で説明したが、陰極を上側に位置させた姿勢で点灯するランプにも適用できる。その場合、環状部材は上側に位置された電極棒に装着される。

図３（ａ）で示した環状部材を用いて、下記仕様に従ってショートアーク型放電ランプを作製した。
定格消費電力：３．５ｋＷ
発光管部寸法：直径７０ｍｍ、発光管部長さ１００ｍｍ
封入ガス：アルゴン４０ｋＰａ（２５℃）
封入水銀：５．５ｇ
陽極：直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍ
環状部材：厚さ０．５ｍｍ、外径２２ｍｍ、材質モリブデン、環状部材の両側において電極棒に直径０．８ｍｍのタンタル線を巻きつけ固定した。
なお、環状部材（３０）と陽極後端面（１３ｄ）との間に形成される間隙（ｄ（ｍｍ））は１２ｍｍ、半径方向の突出長（ｅ（ｍｍ））は５ｍｍであった。

図３（ａ）で示した環状部材を用いて、下記仕様に従ってショートアーク型放電ランプを作製した。
定格消費電力：５ｋＷ
発光管部寸法：直径８０ｍｍ、発光管部長さ１１０ｍｍ
封入ガス：アルゴン６５ｋＰａ（２５℃）
封入水銀：８．５ｇ
陽極：直径２５ｍｍ、長さ３５ｍｍ
環状部材：厚さ５ｍｍ、外径２２ｍｍ、材質モリブデン、環状部材の両側において電極棒に直径０．８ｍｍのタンタル線を巻きつけ固定した。
なお、環状部材（３０）と陽極後端面（１３ｄ）との間に形成される間隙（ｄ（ｍｍ））は１５ｍｍ、半径方向の突出長（ｅ（ｍｍ））は７ｍｍであった。

上記実施例１，２に係るランプとは、環状部材が取り付けられていないことを除いて同様の仕様となるよう、従来技術に係るランプをそれぞれ製作し、比較例１，２とした。以上の実施例１，２および比較例１，２に係る各ランプを点灯して照度維持率を測定した。これらの結果を図４（ａ），（ｂ）に示す。同図において縦軸は、点灯初期の照度を１００とした照度維持率（相対値）を示し、横軸は点灯時間（ｈ）である。

図４（ａ）は、実施例１に係るランプと、その従来技術に係る比較例１に係るランプの照度維持率を測定した結果である。この結果から、照度維持率が大幅に改善されたことが分かる。例えば実施例１のランプ（３．５ｋＷのランプ）では、点灯時間７５０ｈにおいて、比較例１（従来）のランプでは７５であったのが本実施例に係るランプでは９３．３になり、約１８．３％の改善効果が得られた。

また、図４（ｂ）は、実施例２に係るランプと、その従来技術に係る比較例２に係るランプの照度維持率を測定した結果である。実施例２のランプでは照度維持率が改善され、点灯時間７５０ｈにおいて、比較例２（従来）のランプでは７３．５であったのが本実施例に係るランプでは８９．３になり、約１５．８％の改善効果が得られた。

以上のように、本発明によれば、環状部材に沿う流れが誘起されて、陽極よりも後方の領域において複雑な流れが形成され易く、複数の渦が生成されると、アークよりの上昇気流を巻き込んで、電極材の蒸発物を捕捉してバルブの管壁、電極棒、環状部材などに衝突を繰り返して循環する。このとき、環状部材、電極棒、バルブ管壁に蒸発物が付着する。
このため、ランプ中央領域のランプ内壁面に向かう流れは、蒸発物の濃度が低くなり、には含まれる蒸発物がほとんどなくなるので、有効利用範囲における蒸発物の付着量が著しく減少し、有効利用範囲内において黒化の発生を抑制することができるようになる。
その結果、光透過率が維持され、照度を高く維持することができ、使用寿命の長いショートアーク型放電ランプを提供できるようになる。

第一の実施形態を説明する断面図。 ランプの点灯中の対流を説明する図。 環状部材の説明図。 それぞれ（ａ）実施例１（ｂ）実施例２の照度維持率を示す図。 従来のショートアーク型放電ランプの管軸方向断面図。 従来のショートアーク型放電ランプの対流を説明する図

符号の説明

１０ バルブ
１１ 発光管部
１２ 封止管部
１３ 陽極
１４ 陰極
１５ 電極棒
１６ 電極棒保持用筒体
１７ 封止用ガラス部材
１８ 外部リード棒
１９ リード棒保持用筒体
２０ 金属箔
３０ 環状部材
３０ａ 中心孔
３０ｂ 取付け部
３１ 溝
Ｓ 発光空間
Ｐ，Ｑ バルブ上部

Claims (3)

1. 発光管部およびこの発光管部の両端から外方に伸びるよう設けられた封止管部よりなるバルブと、このバルブの発光管部の内部に対向配置された一対の電極と、該電極をそれぞれ先端に有する一組の電極棒と、を具備し、前記バルブの管軸が垂直に位置される姿勢で点灯されるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記一組の電極棒のうち上側に位置される電極棒には、半径方向に突出する環状部材が設けら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. 前記環状部材がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）あるいはこれらを主成分とした高融点材料，またはセラミックスのいずれかよりな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. 前記環状部材が円板形状あるいは金属素線を渦巻状に巻回して略円板形状とした構造を有す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。
   
   

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