JP2007128755A - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】大型化した水銀ランプにおいて、良好な立ち上がり特性を持たせることである。
【解決手段】一対の電極（２０，３０）が対向配置し水銀と希ガスが封入された発光部（１１）と、その両端に形成された封止部（１２）よりなる。そして、前記発光部（１１）は、主発光空間部（１１０）とこの主発光空間部（１１０）の封止部側に形成された根元空間部（１１１）から構成され、主発光空間部（１１０）の内容積Ｖ１と根元空間部（１１２）の内容積Ｖ２の比率Ｖ２／Ｖ１が、０．０１〜０．０９であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明はショートアーク型水銀ランプに関する。特に、発光部が主発光空間部と根元空間部からなるショートアーク型水銀ランプに関する。

半導体や液晶の露光など分野では、光源として、ショートアーク型水銀ランプを用いた露光技術が利用されている。
半導体の露光では、色収差等の理由から波長３６５ｎｍ（ｉ線）の光を効率良く放射するものが適用され、また、液晶やプリント基板の露光では、波長３００ｎｍ〜４５０ｎｍの光を放射するものが適用される。
このため、ランプ内に封入される発光物質には、水銀が使われるとともに、始動用ガスとしてアルゴン、キセノンなどの希ガスも封入される。

一方、露光装置から見ると、被照射物に対する露光面積が大きくなりつつあり、また、処理時間（スループット）、すなわち、露光時間は短くなりつつある。このため、ショートアーク型水銀ランプは、これら要求をともに満たすために、ランプ入力を増大させる傾向にある。
ランプ入力の増大は、ランプを物理的に大きくすることを意味し、その結果、点灯始動から安定するまでの時間、いわゆる立ち上がり時間が長くなるという問題を発生させる。
立ち上がり時間が長いことは、スループットを長くするという意味で望ましいことではない。

このような露光装置に使われる、大型化した水銀ランプは、例えば、特開２００３−１５１５０１号に示される。このランプの特徴は、発光部として球面部を持つだけでなく、球面部に続く直管部（同号証の符号９）を有することである。
しかし、この文献は、ガラス管の歪と破裂特性という問題に言及しているだけであり、始動時の立ち上がり特性については何ら言及していない。
特開２００３−１５１５０１号

この発明が解決しようとする課題は、大型化した水銀ランプにおいて、良好な立ち上がり特性を持たせることである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型水銀ランプは、一対の電極が対向配置し、水銀と希ガスが封入された発光部と、その両端に形成された封止部よりなる。そして、発光部は、主発光空間部とこの主発光空間部の陽極側封止部近傍に形成された根元空間部から構成され、主発光空間部の内容積Ｖ１と根元空間部の内容積Ｖ２の比率Ｖ２／Ｖ１が０．０１〜０．０９になることを特徴とする。

さらに、主発光空間部の最大外径をＲ、電極の伸びる方向の長さをＬとするとき、
前記根元空間部の最大外径をｒ、電極の伸びる方向の長さをｈとして、
前記内容積Ｖ１は、（１／６）×（πＲ^２）×（Ｌ）、
前記内容積Ｖ２は、πｒ^２ｈ／４であること特徴とする。

さらに、陽極側封止部には、外径ｄが陽極側根元空間部の最大外径ｒとの関係において、ｄ／ｒ ≦ ０．８となる縮径部が形成されることを特徴とする。

さらに、陰極側封止部には、外径ｄ１が陰極側根元空間部の最大外径ｒ１との関係において、ｄ１／ｒ１ ≦ ０．８となる縮径部が形成されることを特徴とする。

本願発明は、主発光空間部の内容積Ｖ１と根元空間部の内容積Ｖ２の比率Ｖ２／Ｖ１を、０．０１〜０．０９と規定することで、水銀ランプの立ち上がり特性を改善することができる。
すなわち、水銀ランプを垂直配置して点灯させた場合は、発光空間内部で激しい熱対流を生じるが、主発光空間部の内容積と根元空間部の内容積の比率を規定することで、熱対流の動きや方向を規制することができ、この規制により、良好な立ち上がり特性を得ることができる。
また、根元空間部と封止部の外径値の比率を規定することで、根元空間部から放熱されにくい構造を提供することができ、結果として、水銀の蒸気化を早めて立ち上がり時間を改善することができる。

図１は、この発明に係るショートアーク型水銀ランプの一実施例を表す。
水銀ランプ１０は、例えば、石英ガラスからなる発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１は主発光空間部１１０と根元空間部１１１から構成される。主発光空間部１１０には陰極２０と陽極３０が、例えば５．０ｍｍ程度の間隙をもって対向配置しており、陰極先端にアーク輝点が形成される。
なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向（図面の上下方向）に細長く伸びる紡錘形である。この水銀ランプ１０は、陰極を下方に、陽極を上方に配置した垂直配置型の点灯となる。

陰極２０は、例えば、トリウムタングステンよりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐形に形成され、陰極棒２１に支持される。
陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状であり、陽極棒３１に支持される。

陰極棒２１と陽極棒３１は各々封止部１２に向かって伸びている。各封止部１２はモリブデン箔を使う気密封止構造が形成される。封止部１２の外端には金属製の口金１３が接続され、さらに外部リード１４が突出する。この外部リード１４に図示略の給電装置に接続されて電流供給が行なわれる。
なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２１、陽極棒３１と物理的に別体である必要はなく、例えば、同じ外径のまま伸びて両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。

発光部１１は主発光空間部１１０と根元空間部１１１が形成される。なお、陰極棒２１の根元にも空間が形成される。
発光部１１には、発光物質として水銀、始動用ガスとしてアルゴン、キセノンなどの希ガスが封入される。
水銀の封入量は、ランプ内容積当たりは、例えば３〜５０ｍｇ／ｃｃの範囲のものであって、例えば５ｍｇ／ｃｃである。希ガスの封入圧は０．５〜５ａｔｍであって、例えば４ａｔｍである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は２０ａｔｍ程度になる。

ここで、本発明に係る水銀ランプは、大型ランプを対象としており、具体的には、ランプ電力の定格値が１０ｋＷ以上、かつ、発光部の内容積で８００ｃｃ以上が対象の目安となる。但し、ランプ電力が１０ｋＷ以上というのは目安であり、冷却条件によっては実際には１０ｋＷよりも低い入力でも使用できる。本発明の対象ランプは内容積そのものが大きいことが重要なのである。
水銀ランプが大型化すると、ランプの立ち上がり特性が特に悪くなり、安定点灯状態に達する時間が長くなるからである。この原因は以下の２つが考えられる。
第一に、ランプが物理的に大型化すると、電極など構成部品も大型化し、熱容量が大きくなって温度が上昇し難くなったことにある。これにより、発光部内の水銀の蒸発が遅くなる。対策として、発光部の寸法や電極など部材の寸法を小さくすることも考えられるが、ランプの寿命や破損などの特性を考慮すると、ランプ電力に応じて発光部や電極は相応に大きくせざるをえない。
第二に、発光部、特に主発光空間部が大きくなると、発光部内の対流が悪くなり、蒸発した水銀が効率的に主発光空間部に存在しないことが考えられる。

この点（第二の理由）について図２を使って説明する。垂直点灯の水銀ランプは、点灯始動前、下方に位置する封止部（あるいは根元空間部）に液状の水銀が溜まる。この水銀は、水銀ランプの点灯に伴い、その熱で蒸気化して所望の光を放射する。つまり、点灯始動前に液状で溜まっている水銀をいかに早く蒸気化させるかが、ランプの立ち上がりを早めることにつながる。
蒸気化した水銀は、主発光空間部内の温度差によって対流Ａを生じ、この対流が良好に循環することにより、発光部内の水銀を完全に蒸発させることができ、また、溜まった水銀を効率よく活用できる。

しかし、水銀ランプが大型化した場合は、本来、生じるべき対流Ａが発生し難くなり、逆に不所望な対流Ｂ（乱流）が発生してしまう。この対流Ｂこそが、水銀ランプを大型化させたときに、ランプの立ち上がりを遅くさせる原因と考えられる。
本発明は、上記２つの問題のうち、第二の問題に着目して、水銀ランプの立ち上がりを改善するものであり、具体的には、主発光空間部と根元空間部の内容積比を規定している。

ここで、発光部に生じる対流Ａについてもう少し説明する。
水銀ランプが点灯すると、アークで発生する熱により上昇流Ａ１が発生する。この上昇流Ａ１は発光部上部まで到達して、向きを変えて発光管壁に沿って下降する（Ａ２）。この流れは、発光部の径方向に対して、中心付近では上昇流、管壁近傍では下降流となり、発光部が大きい水銀ランプにあっては、径方向の距離が大きいため、上昇流Ａ１と下降流Ａ２はぶつかることはなくスムーズに流れる。
ここで、上昇流Ａ１が下降流Ａ２に変わる上部空間では、上昇流Ａ１の上昇スピードが減速されるため、上昇流Ａ１から下降流Ａ２へ、同一スピードのままスムーズに切替ることが困難になり、これが原因となって、不規則な流れを発生させ、結果として、発光空間の下方領域において上記のような対流Ｂを発生させる。

ここで、水銀ランプは、本発明にいう根元空間部が必ず存在しているというわけではなく、むしろ、根元空間部が存在している水銀ランプは稀といえる。また、形式的に根元空間部を有する水銀ランプであっても、それは製造工程上たまたま形成されたにすぎず、積極的に空間を形成しているわけではない。

本発明は、主発光空間部とは別に根元空間部を積極的に設け、さらに、当該根元空間部と主発光空間部の内容積の比率を規定することを特徴とする。これにより、上昇気流Ａ１を発光管の上部まで導き、上部空間を暖めることで発光管内部に存在する水銀を早く蒸気化させて、かつ、その大きさを主発光空間部の大きさとの比率で規定することにより、下降流Ａ２とのスムーズな流れを達成するものである。
また、本発明者らは、後述する実験により、主発光空間部１１０の内容積Ｖ１と根元空間部１２０の内容積Ｖ２の比率Ｖ２／Ｖ１が０．０１〜０．０９の場合に、上昇流と下降流のスムーズな流れを作り、立ち上がり時間短縮の問題を解決できることを見い出した。

さらに、図２に示すように、根元空間部１２０が陽極封止部側に設けられ、主発光空間部１１０の最大外径をＲ、電極の伸びる方向の長さをＬとし、根元空間部１２０の最大外径をｒ、根元空間部１２０の電極の伸びる方向の長さをｈとしたとき、主発光空間部１１０の内容積Ｖ１は、πＲ^２Ｌ／６と概ね擬制することができる。球の体積は「４×π×（半径^３）／３」であるところ、‘半径’の一つｎｉ（Ｌ／２）、‘半径’の他の二つに（Ｒ／２）を代入したところ、主発光空間部の体積が、（４／３）×（πＲ^２／４）×（Ｌ／２）となり、整理すると、（πＲ^２Ｌ／６）となる。
また、根元空間部１２０の内容積Ｖ２は、（πｒ^２ｈ／４）と概ね擬制することができる。これも、円柱の体積は（π×（半径^２）×（高さ）／４）であるところ、 ‘半径’に（ｒ／２）を代入して整理すると、（（πｒ^２ｈ）／４）となる。もっとも、この規定においては、ガラス管の肉厚や電極の体積は考慮していない。
また、主発光空間部１１０と根元空間部１２０の区別、すなわち、高さ‘ｈ’と高さ‘Ｌ’の境界位置は、厳密には、発光管１０の内側で判断し、発光空間内部を膨らませるよう形状変化した部分で判断する。

図３は、本発明の効果を表す実験結果を示す。
主発光空間部１１０と根元空間部１２０の内容積の比率と、立ち上がり時間の関係を示す。主発光空間部１１０の内容積Ｖ１はπＲ^２Ｌ／６、根元空間部１２０の内容積Ｖ２をπｒ^２ｈ／４とする。
図３（ａ）（ｂ）は、ともに縦軸が立ち上がり時間（分）、横軸が内容積比率（Ｖ２／Ｖ１）を示し、（ａ）は内容積比が０〜０．０４まで、（ｂ）は内容積比が０．０４〜０．１１までを示す。実験は１１本のランプを作って行った。

図４は、１１本のランプ（ランプ１〜ランプ１１）の主発光空間部の最大外径Ｒ（ｃｍ）、主発光空間部の電極の伸びる方向の長さＬ（ｃｍ）、根元空間部の最大外径ｒ（ｃｍ）、根元空間部の電極の伸びる方向の長さｈ（ｃｍ）、主発光空間部の内容積Ｖ１、根元空間部の内容積Ｖ２、および内容積の比率Ｖ２／Ｖ１と、立ち上がり時間（分）の具体的数値を示す。従って、図３は図４に示す数値をグラフ化したものといえる。

各ランプは、水銀量３０ｍｇ／ｃｃ、キセノンガス０．９気圧、電極間距離１０ｍｍとして、同一の条件で点灯させる。
ここで、「立ち上がり時間」とは、起動器により電極間に高電圧を印加した時点から安定電圧の８０％に到達するまでの時間と定義した。ここでいう「安定電圧」とは定格電圧であり、例えば、定格１００Ｖのランプであれば、８０Ｖに到達するまでの時間が立ち上がり時間に相当する。

図３（ａ）より、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０１より小さいランプ（ランプ１、ランプ２）は立ち上がり時間が１０分以上を要しているのに対し、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０１より大きいランプ（ランプ３、ランプ４、ランプ５）は立ち上がり時間が１０分以内と短いことが分かる。

また、図３（ｂ）より、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０９より大きいランプ（ランプ１０、ランプ１１）は立ち上がり時間が１１分以上を要するのに対し、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０９より小さいランプ（ランプ７、ランプ８、ランプ９）は立ち上がり時間が１０分以内と短いことが分かる。

以上の結果、主発光空間部と根元空間部の内容積比（Ｖ２／Ｖ１）は０．０１〜０．０９が好ましいことが分かる。
内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が、上記範囲内であれば、図２に示した上昇流Ａ１と下降流Ａ２のスムーズな流れが形成されることを意味し、逆に、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０１より小さい場合は、根元空間部が主発光空間部に比べて小さすぎて、スムーズな流れが形成されないことを意味している。
さらに、内容積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．０９より大きい場合は、根元空間部が主発光空間部に比べて大きすぎることを意味し、発光管全体の温度上昇が根元空間部によって決まり、立ち上がり時間が遅くなったものと推測される。

図５は本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。
図１に示す水銀ランプと異なる点は、陽極側封止部１２に縮径部１２１が形成されることである。
この縮径部１２１は、封止部の外径を小さくすることで、発光部に溜まった熱が封止部１２から逃げないようにするものであり、水銀の蒸気化をより促進できる。
具体的には、根元空間部の外径ｒと、縮径部１２１の外径ｄの関係は、ｄ／ｒ≦０．８となり、一例を上げると、根元空間部の外径ｒは４．２ｃｍ、縮径部の外径ｄは３．０ｃｍとなる。

図６も本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。
図５に示す水銀ランプと異なる点は、陽極側封止部１２ａに縮径部１２１ａが形成されるとともに、陰極側封止部１２ｂにも縮径部１２１ｂが形成される。また、陰極側にも陽極側と同様の根元空間部が形成される。
陰極側にも縮径部１２１ｂを形成することで、陰極側においても、温まった発光部から熱が逃げにくくでき、水銀の蒸気化をより促進できる。
具体的には、陰極側根元空間部の外径ｒ１と、縮径部１２１ａの外径ｄ１の関係は、ｄ１／（２ｒ１）≦０．８となる。一例を上げると、根元空間部の外径ｒは４．２ｃｍ、縮径部の外径ｄは２．７ｃｍとなる。

図７は上記ショートアーク型水銀ランプの効果を示す実験結果であり、（ａ）は図５に示すショートアーク型水銀ランプの根元空間部と縮径部の関係を示し、（ｂ）は図６に示すショートアーク型水銀ランプの根元空間部と縮径部の関係を示す。
（ａ）（ｂ）とも、図４のランプ４、ランプ５と同じ主発光空間部の最大外径Ｒ、主発光空間部の長さＬ、内容積比Ｖ２／Ｖ１を有するランプであって、縮径部の最大外径ｄと根元空間部の最大外径ｒの値を種々変化させて実験をした。

（ａ）（ｂ）とも、ｄ／ｒの値が０．８より小さいと、立ち上がり時間は９秒未満となり、より改善されていることがわかる。
つまり、主発光空間部と根元空間部の内容積比（Ｖ２／Ｖ１）を規定することで立ち上がり時間を１０秒未満にできるとともに、根元空間部と縮径部の外径値比（ｄ／ｒ）を規定することで立ち上がり時間を９秒未満にできる。

以上、説明したように、本発明に係るショートアーク型水銀ランプは、主発光空間部と根元空間部の内容積比（Ｖ２／Ｖ１）を規定することで立ち上がり時間を短縮することができ、さらに、根元空間部と縮径部の外径値比を規定することで立ち上がり時間をより短縮することができる。

本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。 本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。 本発明の効果を表す実験結果を示す。 本発明の効果を表す実験結果を示す。 本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。 本発明に係るショートアーク型水銀ランプを示す。 本発明の効果を表す実験結果を示す。

符号の説明

１０ 水銀ランプ
１１ 発光部
１１０ 主発光空間部
１１１ 根元空間部
１２ 封止部
１３ 口金
１４ 外部リード
２０ 陰極
２１ 陰極棒
３０ 陽極
３１ 陽極棒

Claims (4)

1. 一対の電極が対向配置し水銀と希ガスが封入された発光部と、その両端に形成された封止部よりなるショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記発光部は、主発光空間部とこの主発光空間部の陽極側封止部近傍に形成された根元空間部から構成され、
   前記主発光空間部の内容積Ｖ１と前記根元空間部の内容積Ｖ２の比率Ｖ２／Ｖ１が、
   ０．０１〜０．０９であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
2. 前記主発光空間部の最大外径をＲ、電極の伸びる方向の長さをＬとするとき、
   前記根元空間部の最大外径をｒ、電極の伸びる方向の長さをｈとして、
   前記内容積Ｖ１は、πＲ^２Ｌ／６、
   前記内容積Ｖ２は、πｒ^２ｈ／４、
   であること特徴とする請求項１のショートアーク型水銀ランプ。
3. 前記陽極側封止部には、
   外径ｄが、陽極側の根元空間部の最大外径ｒとの関係で、
   ｄ／ｒ ≦ ０．８となる縮径部が形成されることを特徴とする請求項２のショートアーク型水銀ランプ。
4. 前記陰極側封止部には、
   外径ｄ１が、陰極側の根元空間部の最大外径ｒ１との関係で、ｄ１／ｒ１ ≦ ０．８となる縮径部が形成されることを特徴とする請求項３のショートアーク型水銀ランプ。
   

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