JP2006172809A - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管に発生する局所的熱歪を抑え、長時間安定に紫外線を放射する大型のショートアーク型水銀ランプを提供すること。
【解決手段】発光管の単位容積当りの水銀封入量が１５ｍｇ／ｃｍ^３乃至５０ｍｇ／ｃｍ^３である、電極間距離１０〜３５ｍｍのショートアーク型水銀ランプで、発光管の長さをＬ（ｃｍ）とし、発光管と封止部の境部から陽極最先端までの距離をＣＸ（ｃｍ）とし、発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）とし、陽極の最大直径をｄ（ｃｍ）としたとき、０．５≧ＣＸ／Ｌ、かつＤ／ｄ≧３．２であり、陽極の最先端から陽極胴部に向かう５ｍｍまでの間での陽極のコーン部の最大直径をＤ０（ｍｍ）、陽極胴部を含む陽極の全長に亘る範囲での陽極の最大直径をＤ１（ｍｍ）とするとき、｜（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}｜≦０．５０を満足することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、主に波長３００ｎｍから４５０ｎｍの波長帯域の紫外線を照射する半導体用や液晶用などの露光機に用いられるショートアーク型水銀ランプに関する。

ショートアーク型水銀ランプは、半導体や液晶など各種の露光工程で回路パターンの半導体基板への焼付け露光などに用いられている。図１１には従来のショートアーク型水銀ランプの概略図を示す。陰極２´と陽極３´が発光管１´内で対向配置し、発光管１´の両側には封止部４´が連設されている。５´は口金、６´は保温膜である。本出願においては便宜上、図中で発光管を内面と外面ともに描いており、断面図ではない。近年、露光面積の大型化や工程の高スループット化により、ショートアーク型水銀ランプも大型化してきている。点灯時のランプ内圧力は、２０気圧から３０気圧に達する。したがい、ランプの大型化により発光管に加わる応力が大きくなり、発光管の破裂の危険が高くなる。もし、発光管が露光工程中に破裂すると、製造ラインが停止し、生産に重大な影響を与える。これは、ランプの大型化で発光管の容積が大きくなり、その大きくなった分だけ破壊力が増すことを意味する。すなわち、ランプが大型化したことで、一度破裂すると周囲の光学機器・灯具などに重大な損傷を与えることになる。なお、特許文献１には、半導体露光装置の光源としてショートアーク型水銀ランプが使用されていること、近年、スループット改善または露光面積のさらなる増大へ対応するための大ワット化が求められ、発熱量の増大に対応するために石英ガラスバルブの大型化の必要性について言及されている。

ランプの大型化は、入力電力の増大化に伴い、発光管径の増大化や発光管長の長大化や更には電極間距離の長大化に見られる。発光管内単位容積当りに封入される水銀量は殆ど変わらない。したがって、単位容積当りの水銀量が同じであるので、発光管内の圧力も変わらない。したがい、ランプが大型化すると、発光管が大きくなった分だけ発光管にかかる応力は増大し、その分だけ発光管の破壊応力限界に近づき、発光管の破裂の確率が高くなる。図８は電極間のアーク部の説明図である。ショートアーク型放電ランプは、図８に示すように陰極２と陽極３の間のアーク放電部２０はアーク柱２０ａとアーク柱に続くフレア２０ｂを有しており、電極間距離が数ｍｍの場合はそのフレアは尾を引かない。しかし、電極間距離の単位長当りの入力が０．８ｋＷ／ｍｍを超え、電極間距離が１０ｍｍを超えるように長く、発光管が大きくなると、フレアが長く尾を引くようになり、ときとして図９のように発光管１内面付近まで達するようになる。長時間の点灯中に、フレア２０ｂが発光管１に近づくか、又は発光管に接すると、その発光管部分が局所的に高温に曝され、点灯時間と共にその部分だけ局所的熱歪みが蓄積され、大きな応力を発生する。発光管に加わる応力は、点灯中の水銀動作圧力すなわち発光管内圧力による応力に、この熱歪による応力が加算される。そして、発光管の耐破裂強度の応力限界値を超えると、ランプの破裂に到る。図９において４は封止部である。
特開２００２−１５１００３号公報

そこで、本発明の目的は、大型のショートアーク型水銀ランプにおいて、発光管に発生する局所的熱歪の発生を抑え、長時間安定に紫外線を放射するショートアーク型水銀ランプを提供することである。すなわち、発明者の観測によれば、ランプが大型化し、電極間距離が１０ｍｍを超えるように長くなるとフレアの尾が長く伸びることが観測された。このフレアの尾の引く方向は発光管形状と電極形状に大きく依存していることが分り、フレアの流れの方向を制御すべく、陽極外縁に沿った方向に流すことで、フレアが直接発光管に接することを回避して、発光管への熱歪みの蓄積を低減し、長時間にわたりランプ破裂を防ぐことを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、石英ガラス製の発光管内に陰極と陽極が対向配置され、該発光管内に水銀と希ガスが封入され、該発光管の両側に封止部が連設され、該発光管の単位容積当りの水銀封入量を１５ｍｇ／ｃｍ^３乃至５０ｍｇ／ｃｍ^３とした、電極間距離１０〜３５ｍｍのショートアーク型水銀ランプにおいて、該発光管の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）で表わし、該陰極側の、発光管と封止部の境部から陽極最先端までの距離をＣＸ（ｃｍ）とし、該発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）とし、該陽極の最大直径をｄ（ｃｍ）としたとき、０．５≧ＣＸ／ＬかつＤ／ｄ≧３．２であり、加えて、前記陽極が先端部と該先端部に続くコーン部と該コーン部に続く陽極胴部からなり、該陽極先端部が平坦面、或いは平坦面の中央部に凹形状を有し、或いは略半球曲面を有し、該陽極の最先端から該陽極胴部に向かう５ｍｍまでの間での該陽極のコーン部の最大直径をＤ０（ｍｍ）、該陽極胴部を含む該陽極の全長に亘る範囲での該陽極の最大直径をＤ１（ｍｍ）とするとき、｜（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}｜≦０．５０を満足することを特徴とするショートアーク型水銀ランプとするものである。

ここで、ランプへの水銀封入量は、１５ｍｇ／ｃｍ^３未満で少ないと、３００ｎｍから４５０ｎｍに渡る紫外線の放射量が少なくなり、スループットが下がる。他方、封入水銀量が５０ｍｇ／ｃｍ^３より多くなるような多量の水銀が封入されると、発光管内圧が大きくなり破裂に至る。したがって、単位容積当りの封入水銀量は、１５ｍｇ／ｃｍ^３乃至５０ｍｇ／ｃｍ^３が適当な範囲となる。

大型のショートアーク型水銀ランプにおいては、電極間距離は１０〜３５ｍｍが使われる。

請求項２に記載の発明は、ランプへの入力電力をＷ（ｋＷ）、電極間距離をＥＬ（ｍｍ）とすると、電極間距離の単位長さ当りの入力電力Ｗ／ＥＬ（ｋＷ／ｍｍ）が０．８≦Ｗ／ＥＬ≦１．４を満足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水銀ランプとするものである。

請求項３に記載の発明は、ランプへの入力電力をＷ（Ｗａｔｔｓ）、発光管最大径をＤ（ｍｍ）とするとき、０．１８≦Ｗ／πＤ^２≦０．３１を満足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水銀ランプとするものである。

本発明者の研究において、フレアの流れの方向は、ランプの軸方向に対する陽極先端面の位置と、陽極先端形状に密接に関連していることが、発明者の鋭意研究により判明し本発明を完成した。

ショートアーク型水銀ランプの陽極先端部の形状は、円錐台又は略回転楕円体であって、それに続く先端部が平坦面或いは、平坦面の中央部に凹形状を有し、或いは略半球曲面を有する。

請求項1に記載の発明によれば、電極間距離１０〜３５ｍｍの大型のショートアーク型水銀ランプにおいて、発光管の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）、該陰極側の、発光管と封止部の境部から陽極最先端までの距離をＣＸ（ｃｍ）、該発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）とし、該陽極の胴部の最大外径をｄ（ｃｍ）としたとき、０．５≧ＣＸ／ＬかつＤ／ｄ≧３．２であり、加えて該陽極の最先端から該陽極胴部に向かう５ｍｍまでの間での該陽極の最大直径をＤ０（ｍｍ）、該陽極胴部を含む該陽極の全長に亘る範囲での該陽極の最大直径をＤ１（ｍｍ）とするとき、｜（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}｜≦０．５０であると、フレアが直接発光管に接することを回避して、発光管への熱歪みの蓄積を低減し、長時間安定に紫外線を放射するショートアーク型水銀ランプとすることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項1に記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、電極間距離とランプ入力の関係に着目すれば、電極間距離の単位長さ当りの入力電力Ｗ／ＥＬ（ｋＷ／ｍｍ）が０．８≦Ｗ／ＥＬ≦１．４であれば、フレアが直接発光管に接することを回避して、発光管への熱歪みの蓄積を低減し、長時間安定に紫外線を放射するショートアーク型水銀ランプとすることができる。

また、請求項３の発明によれば、請求項1に記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、ランプへの入力電力をＷ（Ｗａｔｔｓ）、発光管最大径をＤ（ｍｍ）とするとき、０．１８≦Ｗ／πＤ^２≦０．３１という関係を満たせば、フレアが直接発光管に接することを回避して、発光管への熱歪みの蓄積を低減し、長時間安定に紫外線を放射するショートアーク型水銀ランプとすることができる。

大型の放電ランプの発光管に加わる応力を考える。簡単のために、発光管の膨出部分を半径Ｒ、肉厚ｔの球形とする。今、発光管内の圧力をＰ、発光管の周方向の応力をσとすると、発光管に加わる応力は、σ＝Ｒ×Ｐ/２ｔで与えられることが知られている。これより、ランプが大型化すると、発光管の直径に比例して、すなわちＲが大きくなるにつれ、発光管に加わる応力が増大することが分かる。

例えば、発光管直径が５５ｍｍから１１０ｍｍに増加したとき、その応力を同じにするには、発光管の肉厚を単純に２倍すれば良い。しかし、肉厚が厚くなると、発光管内外の温度差が大きくなり熱歪みが大きくなる。典型的な例として、発光管の半径Ｒ＝５．５ｃｍ、肉厚ｔ＝３．５ｍｍ、ランプ内圧力Ｐ＝５ＭＰａ、とすると、石英ガラスの引張り応力σ＝３１ＭＰａとなる。理想的な石英ガラスに対してその最大引っ張り力は５０ＭＰａと言われている。しかし、ガラス表面には必ず微細な傷があるために、通常引っ張り強度は理想的な場合に比べ小さくなる。したがってσ＝３１ＭＰａにおいても安全とは言い切れない。そして、その上にこの発光管応力に熱歪による応力が加算されるためランプの破裂の確率が高くなる。

図２はアーク放電部を説明する図である。図２で示すように、陰極先端中央と陽極先端中央を結ぶ軸上で、アーク柱２０ａがある。アーク柱とは電極間の放電部のうちプラズマを形成している部分のことである。ここでは、アーク柱２０ａが存在するその軸上の陽極先端位置をアーク位置と呼ぶこととする。発明者の鋭意観察によれば、アーク位置とフレア２０ｂの流れの間に密接な相関が存在することが分かった。一例として、陽極３を上にして点灯したとき、アーク位置が発光管中央面Ｍ−Ｍ´より上側に位置すると、フレア２０ｂに沿った太い矢印で示すように、フレア２０ｂが陽極３から剥離して発光管内面に向かい流れる。そして、発光管１の特定部分１ａにフレア２０ｂが当り、熱歪が蓄積する。他方、発光管中央面Ｍ−Ｍ´より下側にアーク位置が存在すると、フレア２０ｂが陽極３に沿って発光管上部に向かい太い矢印で示すように流れ、発光管１にフレア２０ｂが接することはない。これは、ランプ点灯後の発光管１の歪を測ることで熱歪の大小を判別して判断できる。

今、発光管上側と下側に分けて、ランプ内の対流を考える。上側半分では、アークの上向きの流れの影響を直接受けて、激しい気流が生じていると考えられる。他方、発光管下側半分では、通常発光管下側の温度が上側の温度に較べ低いので、水銀密度が高くなり、結果として、流れが遅くなるので乱流が起こり難いと考えられる。フレアの流れが、アーク位置に密接に関連していることから、アーク位置の定義を行う。アーク位置の指標を考えるとき、陰極側発光管と封止部の境部から陽極先端までの距離をＣＸ、陰極側発光管と封止部の境部からと陰極側発光管と封止部の境部との間の距離、すなわち発光管の軸方向の長さをＬとして表わし、Ｌに対するＣＸの比すなわち、ＣＸ／Ｌをアーク位置を特徴づける指標とする。

今、図２（ａ）のようにアーク位置が発光管の中心より上方にあるとき、例えば、アーク位置がＣＸ／Ｌ＝０．５５のとき、発光管内面に沿う下降気流と干渉して、下降気流に巻き込まれる。したがって、フレアが十分に上昇せずに、陽極先端から陽極胴部の部分からフレアが剥離し、発光管内面に向かって流れ発光管内面に接する。その結果、発光管のフレアの当たった部分の温度が高くなり、熱歪みの蓄積を伴い、結果として破裂に至る。反対に、図２（ｂ）のようにアーク位置が発光管の中心より下方にあるとき、例えばＣＸ／Ｌ＝０．４０のとき、フレアは、発光管内面に沿う下降流と干渉せずに、電極（陽極）に沿って立ち昇り、発光管内面に接することはない。このことから、発光管への影響を下げるための適正なアーク位置が存在することが推測できる。

次に、発光管上半分において、電極と発光管内面の間では、電極に沿って流れる上昇気流と発光管内面に沿って下る下降気流が、互いに干渉し合う領域がある。これを定量化するために、発光管最大直径をＤ、陽極直径をｄとするとき、気流の流れやすさを表わす指標として、Ｄ／ｄを考える。Ｄ／ｄが小さいとき、すなわち、発光管径が陽極径にとって相対的に小さいとき、例えば、Ｄ／ｄ＝３．０のとき、発光管に沿う下降気流が優勢となり、フレアが発光管上部まで立ち昇らず陽極のアークに近い部分から剥離し、それが発光管に直接当る。すなわちその発光管部分の温度が高くなり、熱歪みの蓄積を伴う。結果として破裂に至ることが認められた。

Ｄ／ｄが大きいとき、例えば、Ｄ／ｄ＝０．４８のとき、電極に沿って流れる上昇気流と発光管に沿って流れる下降気流が、互いに干渉することがなく、フレアが発光管上部まで立ち昇り、発光管へのフレアの影響が見えなくなった。このことは、発光管の異常な熱歪が生じないことで確認された。

ランプ内には大きい電極（陽極）と小さい電極（陰極）が備わっている。大きいほうの電極（陽極）の先端部形状について考える。アーク柱内の気体は、その電極先端部に当り、次に先端面を発光管の径方向に向かって流れる。そのとき、先端部の流れの方向は先端部が扁平になると、陽極先端面に沿って流れ、先端面の端辺りでは径方向速度成分が小さくなり、コーン部に沿ってガス流が上昇し易くなる。この流れと陽極先端部形状を関係付ける為に、陽極先端面から５ｍｍの間の距離の間での最大直径Ｄ０と陽極最大直径Ｄ１で表わし、その差（Ｄ１−Ｄ０）と実効的な径（Ｄ１＋Ｄ０）／２との比を一つのパラメータとする。すなわち、（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}の値は、陽極先端半径の実効的な大きさとコーン部の径方向の射影による径との比を表わし、ガス流のコーン部の影響の大きさの指標を表わしたものである。

今、（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}≦０．５０のとき、陽極先端部でガス流体の発光管径方向の速度が失われ、陽極胴部に沿った上昇方向の速度成分が相対的に大きくなったものと考えられる。このとき、配光利用角外の発光管内面に陽極からの蒸発物が付着する。そのため、見掛け上照度維持率が向上する。ここで、配光利用角とは、アーク中心からみて、ランプからの光が集光反射鏡に入り利用される範囲の立体角のことである。反対に、（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}＞０．５０で先端部のコーン角が鈍角になるとその斜面に沿って発光管径方向の速度成分を持ったままガスが流れ、陽極から離れた直後から発光管の方向に向かい流れの慣性で流れるために、フレアが発光管に向かい流れる。このため、発光管の熱歪量が大きくなる。

ランプへの入力により、ランプ内対流の激しさが異なる。その一つとして、アーク柱単位長さ当りに消費されるエネルギーすなわち電力を指標にとる。ここでは、非点灯時の電極間距離をＥＬ（ｍｍ）、ランプへの電気入力をＷ（ｋＷ）とするとき、Ｗ／ＥＬで表わす。アーク柱の単位長当りに消費されるエネルギー密度が、高くなると共に、発光管内でアークが占める割合が増え、発光管内の温度差を広げる。それは、発光管内のガス対流を激しくさせる。その激しさは、陽極の先端のコーン部（図２の３ａ）から発光管内面に向かうフレアの動きを激しくさせる。これは、発光管内面の局所的に高温にし、熱歪みの蓄積を増加させ、破裂に至らしめる。他方、Ｗ／ＥＬが小さ過ぎると、すなわち、Ｗが小さい(数ｋＷ以下)であったり、ＥＬが大き過ぎたり(５０ｍｍ以上)すると、必要な放射が得られなかったり、ショートアークランプとしての機能を果さなくなる。したがって、Ｗ／ＥＬの好適な範囲は、０．８≦Ｗ（ＫＷ）／ＥＬ（ｍｍ）≦１．４ で使用される。

入力をＷ(ワット)、発光管最大直径をＤ（ｃｍ）で表わす。管壁負荷は内表面の単位面積当りに入るエネルギーを表わす。その管壁負荷は入力電力を発光管外表面積で割った値で近似される。その理由は、発光管の直径に比べて肉厚は充分に小さいことによる。外表面積は発光管を球で近似するとπＤ^２で表わされる。管壁負荷Ｗ／πＤ^２は、Ｗ／πＤ^２＞０．３１のとき、発光管温度が高くなり、発光管への熱歪みの蓄積量が増える。それに加えて、アークのフレアが、発光管内表面に当ると、その部分の熱歪みの蓄積量は加速度的に増加し、ランプの破裂に至る。他方、Ｗ／πＤ^２＜０．１８のとき、水銀未蒸発によりアークがチラツキ、ランプは安定な光源としての機能を果さなくなる。すなわち、０．１８≦Ｗ／Ｄ^２≦０．３１が好適な範囲となる。

本発明のショートアーク型水銀ランプの概略構成を図１に示す。また、ランプの各パラメータを図３に示す。図３はショートアーク型水銀ランプの２種類の代表的な発光管形状を示している。陰極側封止部と発光管の境部Ｑ、Ｑ´から陽極先端３ａまでの距離をＣＸ、発光管の軸方向の長さをＬ、発光管の最大外径をＤ、陽極の胴部の最大外径をｄとして示している。図３（ａ）が一般的であるが、図３（ｂ）のように、発光管の両端部に湾曲部Ｈを有するものもある。図３（ｂ）の場合は陰極側封止部と発光管の境部Ｑ´は図のように封止部４と湾曲部Ｈのきわの部分である。

紫外光を透過させる石英ガラス製発光管１内に、一対の対向する陰極２と陽極３を備え、陰極２は電子放射性物質を含むタングステンからなり、陽極３はタングステンからなる。陽極は先端部３ａと該先端部に続くコーン部３ｂと該コーン部に続く陽極胴部３ｃからなり、該陽極先端部３ａが平坦面、或いは平坦面の中央部に凹形状を有し、或いは略半球曲面を有する。ここでは陽極の先端部３ａが平坦面の例を示している。
これらの陰極２と陽極３は例えば１０ｍｍの間隔を離して配置される。発光管１内には室温換算で１０^５ＰａのＸｅガスと、単位容積当り２５ｍｇ／ｃｍ^３の水銀が封入されている。発光管の大きさは、発光管の軸方向の長さＬを１７０ｍｍ、発光管最大直径Ｄを１２０ｍｍとする。陰極側封止部と発光管の境部から陽極先端までの距離をＣＸとして、ＣＸ／Ｌ＝０．４９のランプを製作し、これを基準として基準ランプＡとした。

なお、ショートアーク型水銀ランプの石英ガラス製発光管の肉厚ｔは封入水銀量との関係で例えば３．５ｍｍ≦ｔ≦８ｍｍが選ばれて使用される。本実施の形態における以降の各実施例では発光管の肉厚は６ｍｍとした。

この基準ランプＡに対して、図４に示すように、ＣＸの値を３種類、陽極の直径Ｄを３種類変えた仕様のランプを番号Ａ１からＡ９として各３本づつ合計２７本製作した。
これらのランプは、直流型定電力制御の電源を用いて、ランプへの入力電力が８ｋＷ（ランプ電圧１０２Ｖ），１１ｋＷ（ランプ電圧１１０Ｖ）、１４ｋＷ（ランプ電圧１１７7Ｖ）の3種類の電力に対して、点灯試験を行った。
８ｋＷ入力の場合、１２００時間の点灯試験を行った。そして、１１ＫＷと１４ＫＷ入力では、５００時間の点灯試験を行った。そして、その点灯後、発光管の膨出部である球部部分の歪みの大小を調べた。その結果を図４に示す。入力電力が８ｋＷ、１１ｋＷ、１４ｋＷいずれの場合も、フレアが発光管に向かい流れるときは、熱歪の量が大きい傾向にある。これより、ＣＸ／Ｌ≦０．４９、且つＤ／ｄ≧３．２の領域が歪み発生のない良い領域であることがわかる。

ここで、歪測定の方法を簡単に述べる。一般に、石英ガラスに歪が入ると複屈折の性質を示すことは知られている。そして、歪量測定には、この特性を利用した光弾性実験法の一つである直交ニコル法が用いられる。すなわち、互いに直交するように配置された偏光子と検光子の間に試料を挿入し、単色光を透過させると、歪がある部分は明るく白く見え、歪がない部分は暗く黒色に見える。歪のある部分の透過光が暗くなるまで検光子を回転させる。この回転角が歪の大きさとして表される。そして、歪の大小は、回転角が変化しないときを歪なし、２０度未満のときを歪小、２０度から４５度未満を歪中、４５度以上を歪大とした。

発光管長Ｌが１７０ｍｍ、発光管最大直径Ｄを１２０ｍｍとし、陰極側の封止部と発光管の境部（図３のＱ）から陽極先端までの距離をＣＸとして、ＣＸ／Ｌ＝０．４０の位置に固定して、陽極先端形状の異なるランプを番号Ｂ１からＢ９までの９本のランプを製作した。ここで、陽極の最大直径をＤ０（ｍｍ）、陽極先端部の形状として緩やかな凸面形状を含めて考えて陽極先端から５ｍｍまでの間で最大直径をＤ１（ｍｍ）と表わした。ランプの評価は、点灯５００時間後の歪量を陽極胴径毎に調べた。そして、
Ｐ＝２×（Ｄ１−Ｄ０）／（Ｄ１＋Ｄ０）の値順に並べた。
Ｐ＝２×（Ｄ１−Ｄ０）／（Ｄ１＋Ｄ０）の値はコーン部が受けるガス流の相対的割合を表わす。その結果を図５に示す。この図５より、Ｐの値が０．５０以下のとき、歪量が小さいことが分る。

実施例１の図４における試作仕様の番号Ａ８のランプを用いて、入力電力の関数として、管壁負荷Ｗ／πＤ^２と発光管の歪み量の関係を観測した。陽極の最大直径をＤ０（ｍｍ）、陽極先端部の形状として緩やかな凸面形状を含めて考えて陽極先端から５ｍｍまでの間で最大直径をＤ１（ｍｍ）としたときの（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}の値が０．４２６であるランプを選定した。この同一仕様のランプを６本製作し、それらを番号Ｃ１からＣ５とする。そして、電力をパラメータとして各ランプの５００時間点灯後の歪み量を測定した。その結果を図６に示す。この図６から管壁負荷Ｗ／πＤ^２は０．３１以下がよいことが分かる。下限値に付いては、水銀未蒸発の観点から０．１８以上が好適である。

同様に、実施例１の図４における試作仕様の番号Ａ８のランプで入力電力を８〜１６ｋＷに変えたそれぞれのランプを用いた試験を行った。上記実施例３と同様にして、（Ｄ１−Ｄ０）／{（Ｄ１＋Ｄ０）／２}の値が０．４２６であるランプを選定した。この同一仕様ランプを５本製作し、それらを番号Ｄ１からＤ５とする。図７から、入力電力の関数として、Ｗ／ＥＬと発光管の歪み量の関係をみた。電力をパラメータとして各ランプの５００時間点灯後の歪み量で判定すると、Ｗ／ＥＬは１．４以下がよいことが分かる。Ｗ／ＥＬが小さくなると、電極間距離が長くなりショートアークの放電ではなくなり、楕円鏡を含む灯具の就光効率が低下する。それゆえに、Ｗ／ＥＬは、０．８以上が好適であることがわかった。

本発明に係るショートアーク型水銀ランプの全体構成を示す。 アーク放電部を説明する図を示す。 本発明に係るショートアーク型水銀ランプの各部のパラメータを示す。 本発明の評価実験結果を表す。 本発明の評価実験結果を表す。 本発明の評価実験結果を表す。 本発明の評価実験結果を表す。 電極間のアーク部の説明図を示す。 フレアが発光管内面に接する様子を模式図で示す。 陽極の寸法の定義を示す。 従来のショートアーク型水銀ランプの全体構成を示す。

符号の説明

１、１´ 発光管
２、２´ 陰極
３、３´ 陽極
３ａ 陽極先端部
３ｂ コーン部
３ｃ 陽極胴部
４、４´ 封止部
５、５´ 口金
１０、１０´ ショートアーク型水銀ランプ
２０ アーク放電部
２０ａ アーク柱
２０ｂ フレア
Ｍ−Ｍ´ 発光管中央面
Ｑ、Ｑ´ 陰極側封止部と発光管の境部
Ｈ 湾曲部

Claims (3)

1. 石英ガラス製の発光管内に陰極と陽極が対向配置され、該発光管内に水銀と希ガスが封入され、該発光管の両側に封止部が連設され、該発光管の単位容積当りの水銀封入量が、１５ｍｇ／ｃｍ^３乃至５０ｍｇ／ｃｍ^３である、電極間距離１０〜３５ｍｍのショートアーク型水銀ランプにおいて、
   該発光管の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）で表わし、該陰極側の、発光管と封止部の境部から陽極最先端までの距離をＣＸ（ｃｍ）とし、該発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）とし、該陽極の最大直径をｄ（ｃｍ）としたとき、
   ０．５≧ＣＸ／Ｌ、かつＤ／ｄ≧３．２であり、加えて前記陽極が先端部と該先端部に続くコーン部と該コーン部に続く陽極胴部からなり、該陽極先端部が平坦面、或いは平坦面の中央部に凹形状を有し、或いは略半球曲面を有し、該陽極の最先端から該陽極胴部に向かう５ｍｍまでの間での該陽極のコーン部の最大直径をＤ０（ｍｍ）、該陽極胴部を含む該陽極の全長に亘る範囲での該陽極の最大直径をＤ１（ｍｍ）とするとき、
   ｜（Ｄ１−Ｄ０）／｛（Ｄ１＋Ｄ０）／２｝｜≦０．５０
   を満足することを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
2. ランプへの入力電力をＷ（ｋＷ）、電極間距離をＥＬ（ｍｍ）とすると、
   １０≦ＥＬ≦３５であって、
   電極間距離の単位長さ当りの入力電力Ｗ／ＥＬ（ｋＷ／ｍｍ）が
   ０．８≦Ｗ／ＥＬ≦１．４
   を満足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水銀ランプ。
3. ランプへの入力電力をＷ（Ｗａｔｔ）、発光管最大径をＤ（ｍｍ）とするとき、
   ０．１８≦Ｗ／πＤ^２≦０．３１
   を満足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水銀ランプ。
   

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