JP2007257936A - ショートアーク形水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】
始動時には陰極先端部に陰極スポットを形成させないで陰極先端の電極物質の蒸発を抑制するとともに、安定点灯移行までの時間を短縮したショートアーク形水銀ランプを提供する。
【解決手段】
ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、紫外線透過性の気密容器１と、先端に位置する陰極主部Ｋ１、この陰極主部を支持する軸部Ｋ２および陰極主部から基端側へ後退した位置において軸部に巻装された電子放射性物質を含有するコイル部Ｃｋを備え気密容器内に封装された陰極２Ｋと、陰極に小間隔で離間対向して気密容器内に封装された陽極２Ａと、水銀および希ガスを含む放電媒体とを具備し、陰極のコイル部の先端と前記陽極先端との間の距離をＬ１とし、電極間距離をＬ２としたとき、数式１：１＜Ｌ１／Ｌ２＜５を満足する。
【選択図】
図３

Description

本発明は、紫外線照射装置の光源として好適なショートアーク形水銀ランプに関する。

管球内に陽極と対向して配置した陰極の側面に装着されたゲッタと、このゲッタを覆うように巻き付けられたコイル状エミッタとを具備した短アーク放電灯は既知である（特許文献１参照。）。この放電灯は、ゲッタがエミッタにカバーされているため、アーク発生位置の近傍にゲッタを配置したにもかかわらず、起動時に陽極とゲッタ間でアークが飛ぶことがなくなるために、ゲッタの蒸発を防止して管球の黒化を抑え、放電灯の寿命を長くすることができる旨（要約）記載されている。また、この放電灯の点灯初期には、陰極に巻き付けられたコイル状エミッタと陽極との間でアークが発生することで上記作用を奏する旨（００１０）記載されている。

特開平０７−２２６１８７号公報

ショートアーク形水銀ランプは、液晶／半導体分野において硬化／露光を目的として使用されている。近年、これらの分野ではパターンの細密化やタクトタイムの短縮化のためにランプ性能および信頼性の向上が要求されている。

しかし、ショートアーク形水銀ランプは、その始動（点灯開始）から安定点灯までの間、安定点灯時よりも大きい電流を流して放電維持を図っている。このため、始動時から陰極スポットが陰極先端に発生すると、大きな放電維持電流により陰極先端部の電極物質が蒸発して電極間距離が広がり、これに伴って光学系がずれることによって照度低下を招く。

これに対して、特許文献１に記載されたショートアーク形水銀ランプでは、点灯初期には、陰極に巻き付けられたコイル状エミッタと陽極との間でアークが発生するので、本発明者は始動時における電極物質の蒸発に対して有効になり得る可能性があることを見出した。

ところが、特許文献１ではゲッタの蒸発を防止して管球の黒化を抑え、放電灯の寿命を長くすることを目的としているため、始動時における電極物質の蒸発に対して有効に作用させるとともに、始動から安定点灯移行までの時間を短縮するための手段を備えていない。すなわち、特許文献１においてはたとえ点灯初期に陰極に巻き付けられたコイル状エミッタと陽極との間でアークが発生したとしても、コイル状エミッタから陰極主部への陰極スポットの転移が早すぎると、ランプ立ち上がりが不十分な状態でアークが転移するために電極物質の蒸発抑制作用を得ることができない。反対に、陰極スポットの転移が遅すぎると、安定点灯までの時間が長くなってしまい、紫外線照射処理の立ち上がりが遅くなる。

本発明は、始動時には陰極先端部に陰極スポットを形成させないで陰極先端の電極物質の蒸発を抑制するとともに、安定点灯移行までの時間を短縮したショートアーク形水銀ランプを提供することを目的とする。

本発明のショートアーク形水銀ランプは、紫外線透過性の気密容器と；先端に位置する陰極主部、この陰極主部を支持する軸部および陰極主部から基端側へ後退した位置において軸部に巻装された電子放射性物質を含有するコイル部を備え気密容器内に封装された陰極と；陰極に小間隔で離間対向して気密容器内に封装された陽極と；前記気密容器内に封入された水銀および希ガスを含む放電媒体と；を具備し、前記陰極のコイル部先端と前記陽極先端との間の距離をＬ１とし、前記陰極主部の先端と前記陽極先端の間に形成される電極間距離をＬ２としたとき、数式（１）：１＜Ｌ１／Ｌ２＜５を満足することを特徴としている。

本発明によれば、陰極のコイル部先端と前記陽極先端の間に形成される距離Ｌ１と電極間距離Ｌ２の比Ｌ１／Ｌ２が上記数式（１）を満足することにより、始動時にはコイル部に陰極スポットを形成させて、陰極先端部には陰極スポットを形成しないで陰極先端の電極物質の蒸発を抑制するとともに、安定点灯移行までの時間を短縮したショートアーク形水銀ランプおよびこれを備えた紫外線照射装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１ないし図３は、本発明のショートアーク形水銀ランプを実施するための一形態を示し、図１は正面図、図２は陰極を拡大して示す正面図および側面図、図３は陰極のコイル部の位置と電極間距離との関係を説明する要部断面図である。

本発明のショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、気密容器１、陰極２Ｋ、陽極２Ａおよび放電媒体を具備した直流点灯形式のものである。なお、図中、符号３、４は口金、５は陰極保温膜、６は陽極保温膜、７はトリガーワイヤである。これらの構成は後述するように所望に応じて適宜付加される。

気密容器１は、少なくとも主要部が紫外線透過性であり、例えば石英ガラスなどから形成されている。そして、包囲部１ａおよび一対の封止部１ｂ、１ｂを備えている。包囲部１ａの内部には放電空間１ｃが形成されている。また、包囲部１ａは所望形状をなしていることができ、例えば管軸方向に長い紡錘形状になっている。一対の封止部１ｂ、１ｂは、包囲部１ａの管軸方向の両端から管軸方向へ延在しており、気密容器１を気密に封止するとともに、後述する陰極２Ｋおよび陽極２Ａを放電空間１ｃ内に封装するのに寄与している。

さらに詳述すれば、気密容器１が石英ガラスからなる場合、封止部１ｂは、その内部に例えば封着金属箔（図示しない。）を気密に埋設している。なお、封着金属箔は、好ましくはモリブデン箔からなり、所要の電流容量を得るために、その１枚または並列状態で複数枚、例えば２枚が電極２Ｋおよび２Ａの基端部に溶接される。

陰極２Ｋおよび陽極２Ａは、耐火性で導電性の金属、例えばタングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）またはタングステン−レニウム合金などからなる。また、上記陰極２Ｋおよび陽極２Ａは、ショートアーク形式のアーク放電がそれら電極間に生起するように包囲部１ａの内径より小さい電極間距離、例えば２ｍｍとなるようにそれぞれ先端が点線で示す管軸上において離間対向して配置されている。

陰極２Ｋは、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、陰極主部Ｋ１、軸部Ｋ２、基端部Ｋ３およびコイル部Ｃｋを備えている。

陰極主部Ｋ１は、陰極２Ｋの先端に位置する。また、陰極主部Ｋ１は、好ましくは電子放射性金属からなる。本形態において、陰極主部Ｋ１は、ランプ点灯中そこに流入するイオン電流が小さいので既知のように相対的に小径であり、また陰極輝点位置の安定を図るために既知のように先端部が先細に成形されている。

軸部Ｋ２は、その先端に陰極主部Ｋ１を一体形成により、または別体形成により支持する。また、本形態において、軸部Ｋ２は、先端側が陰極主部Ｋ１と同径の小径になっていている。

基端部Ｋ３は扁平に研削されていて、封着金属箔１ｃに溶接しやすくなっている。

コイル部Ｃｋは、陰極主部Ｋ１から基端部Ｋ３側へ後述するように所定範囲だけ後退した位置において軸部Ｋ２の小径部に巻装されている。そして、電子放射性物質を含有する耐火性にして導電性の前記金属からなる細線により形成されている。陰極主部Ｋ１およびコイル部Ｃｋは、好ましくは同一の電子放射性物質を含有する耐火性金属、例えばトリウムタングステンにより形成されている。これにより陰極２Ｋの製造が容易になる。

なお、陰極２Ｋのコイル部Ｃｋおよび陰極主部Ｋ１に電子放射性物質を含有させるには、例えばトリア、アルミナ、マグネシアまたはジルコニアなどの電子放射性物質を耐火性で導電性の金属、例えばタングステンにドープするのが好ましい。

陽極２Ａは、前記陰極２Ｋの先端と小間隔で離間対向して包囲部１ａ内に封装されている。また、陽極２Ａは、ランプ点灯中そこに流入する電子電流が大きいので、放熱を促進するために既知のように先端部を大径にして表面積が大きくなるように構成されている。

また、本発明のショートアーク形水銀放電ランプＳＨＬは、好ましくはその陰極２Ｋが上側に位置し、陽極２Ａが陰極２Ｂの下側に位置する垂直状態で点灯される。また、上記のような垂直点灯においては、電極間距離の中心が包囲部１ａの管軸方向における長さの中心位置より陽極２Ａ側へ所定距離の範囲内で接近して位置するように偏位されるのが好ましい。

上述の陰極２Ｋおよび陽極２Ａの配置は、次のような態様になっている。すなわち、陰極２Ｋのコイル部Ｃｋの先端と陰極２Ｋと離間対向する陽極２Ａの先端との間の距離をＬ１とする。また、陰極２Ｋおよび陽極２Ａ間の電極間距離をＬ２とする。そして、距離Ｌ１とＬ２の比Ｌ１／Ｌ２が数式１：１＜Ｌ１／Ｌ２＜５を満足するように設定されている。Ｌ１／Ｌ２が１になると、始動時（点灯開始時）にコイル部Ｃｋの先端部に形成された陰極スポットが陰極主部Ｋ１に転移しなくなる。反対に、比Ｌ１／Ｌ２が５以上になると、始動時に陰極スポットがコイル部Ｃｋの先端部に形成されにくくなる。比Ｌ１／Ｌ２が上記数式（１）を満足することにより、本発明の所期の作用、効果を奏する。

放電媒体は、水銀および希ガスを主体として構成されている。なお、水銀は、点灯時に蒸発して例えば数十気圧の超高圧水銀蒸気状態を呈する。希ガスは、例えばアルゴンガスからなり、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用する。

口金３、４は、陰極２Ｋおよび陽極２Ａを点灯回路に接続して受電するための外部リード構体としての接続手段である。また、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置の内部に装着する際に、取付手段として口金３および／または口金４を利用することができる。

さらに詳述すれば、口金３の口金本体３ａから図２において右側へ突出しているボルト部分３ｂを、図示しないナットを用いてランプソケットに支持することによって、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを紫外線照射装置などの内部に装着することができる。また、同時に点灯回路の出力端の負極側に接続するように構成されている。

他方、口金４は、口金本体４ａから外部へ延在する可とう性の被覆導体４ｂを備えている。なお、被覆導体４ｂの先端には、接続端子４ｃが配設されている。

さらに、口金３、４は、図示しないが、ボルト部分３ｂおよび被覆導体４ｂの先端が封止部１ｂ、１ｂ内に延在して封着金属箔に溶接されている。

ショートアーク形水銀ランプＳＨＬは、上述した基幹的な構造に加えて、所望により以下の構成を付加することが許容される。

１．（陰極保温膜５について） 陰極保温膜５は、陰極２Ｋに水銀が付着するのを防止するために陰極２Ｋを保温する手段である。そして、例えば主として陰極２Ｋ側の封止部の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、陰極２Ｋに水銀が付着すると、始動電圧過昇や点灯不良を生じやすくなる。

２．（陽極保温膜６について） 陽極保温膜６は、気密容器１の温度上昇を早めるための手段である。そして、例えば陽極２Ａの主として基端部分に対向する気密容器１の外面に形成された白金などの蒸着膜からなる。なお、気密容器１の温度上昇を早めることで光束立ち上がりが速くなる。

３．（排気チップオフ部保温膜について） 排気チップオフ部保温膜および排気チップオフ部は、図示を省略しているが、前者は後者の外面に形成される。排気チップオフ部は、包囲部１ａの側面に配設されて包囲部の内部を排気し、かつ放電媒体を封入するための排気管を封じ切った後に形成される。ところが、排気チップオフ部は、包囲部１ａから外部へ突出しているために、冷却されやすくて包囲部１ａの最冷部温度の低下をもたらしやすいので、排気チップオフ部保温膜により排気チップオフ部を保温する。なお、保温膜は、白金、金などの塗布膜によって形成することができる。

４．（トリガーワイヤ７について） トリガーワイヤ７は、始動時に電極近傍の電位傾度を大きくしてショートアーク形水銀ランプＳＨＬの始動性を良好にするための手段である。そして、例えば基端が陰極２Ｋ側の外部リード構体３に接続し、中間が包囲部１ａの外面に近接して延在し、先端が陽極２Ａ側の封止部１ｂの包囲部１ａに隣接する部位に巻き付けられている。

次に、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬの点灯動作について説明する。ショートアーク形水銀ランプＳＨＬを始動させるには、一般に行うように始動用高電圧パルスを電極間に印加する。高電圧パルス電圧を印加すると、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬはその気密容器１内が絶縁破壊されて始動（点灯）する。始動時には、熱容量が相対的に小さいコイル部Ｃｋの方が温度上昇が早いので、陰極スポットは主としてコイル部Ｃｋの先端部付近に形成される。始動してからアーク放電により気密容器１内の水銀蒸気圧が上昇するとともに陰極２Ｋの温度が上昇してくると、特に温度が高くなりやすい陰極主部Ｋ１からの熱電子放出が多くなるとともに、電極間距離の最短位置で放電が生起しやすいので、温度上昇すると、陰極スポットが陰極主部Ｋ１に転移し、安定点灯へ移行していく。

陰極スポットがコイル部Ｃｋから陰極主部へ転移するまでの点灯開始時からの所要時間Ｔは、数式（２）：３０秒＜Ｔ＜２０分を満足する範囲であるのが好ましい。この範囲であれば、陰極主部Ｋ１の消耗が少なくて、しかも安定点灯移行までの時間が長いとはいえないからである。なお、好適には数式（３）：２分＜Ｔ＜５分を満足する範囲であり、この範囲であれば、陰極主部Ｋ１の消耗が少なくなるとともに、安定点灯移行までの時間が明らかに短縮される。陰極スポットのコイル部Ｃｋから陰極主部Ｋ１への転移時間は、ランプ電流などの点灯条件によっても変化するが、本発明の前記数式１を満足する範囲内であれば、上記転移時間を上記数式（２）および数式（３）を満足させやすくなる。

また、陰極スポットの上記転移時におけるランプ電圧の変化が１Ｖ以上であるように構成するのが好ましい。そうすれば、陰極スポットの陰極主部Ｋ１への転移が容易になる。

そうして、ショートアーク形水銀ランプＳＨＬが点灯すると、気密容器１の内部に超高圧水銀蒸気放電が生起して主として波長３６５ｎｍの紫外線を発生する。この紫外線を、光学系を用いて適宜集光してワークに照射することにより、露光／硬化などの処理を行うことができる
次に、本発明におけるショートアーク形水銀ランプＳＨＬの点灯回路の好適な構成について説明する。すなわち、点灯回路を、切換により定電流制御および定電力制御を選択可能に構成する。そして、始動時には安定点灯時のランプ電流の例えば１３０％のランプ電流を流して定電流制御を行い、ランプ電圧が安定点灯時の例えば７０％まで上昇したときに定電力制御に切り換える。始動直後は水銀蒸気圧が低くてランプ電圧が極端に低いので、定電流制御を行うことにより、所望のランプ電力を投入することができる。水銀蒸気圧上昇に伴ってランプ電圧が上昇すれば、定電力制御を行うことにより紫外線出力を一定に制御しやすくなる。

本発明のショートアーク形水銀ランプを実施するための一形態を示す正面図 同じく陰極を拡大して示す正面図および側面図 同じく陰極のコイル部の位置と電極間距離との関係を説明する要部断面図

符号の説明

１…気密容器、１ａ…包囲部、１ｂ…封止部、１ｃ…放電空間、２Ｋ…陰極、２Ａ…陽極、３、４…口金、５…陰極保温膜、６…陽極保温膜、７…トリガーワイヤ、Ｃｋ…コイル部、Ｋ１…陰極主部、Ｋ２…軸部、ＳＨＬ…ショートアーク形水銀ランプ

Claims (5)

1. 紫外線透過性の気密容器と；
   先端に位置する陰極主部、この陰極主部を支持する軸部および陰極主部から基端側へ後退した位置において軸部に巻装された電子放射性物質を含有するコイル部を備え気密容器内に封装された陰極と；
   陰極に小間隔で離間対向して気密容器内に封装された陽極と；
   前記気密容器内に封入された水銀および希ガスを含む放電媒体と；
   を具備し、
   前記陰極の前記コイル部先端と前記陽極先端との間の距離をＬ１とし、前記陰極主部先端と前記陽極先端の間に形成される電極間距離をＬ２としたとき、数式（１）：１＜Ｌ１／Ｌ２＜５を満足することを特徴とするショートアーク形水銀ランプ。
2. 前記陰極主部は、電子放射性物質を含有していることを特徴とする請求項１記載のショートアーク形水銀ランプ。
3. 始動後に陰極スポットがコイル部から陰極主部に転移する際のランプ電圧の変化が１Ｖ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のショートアーク形水銀ランプ。
4. 前記陰極は、陰極主部とコイル部の同一主成分により形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ。
5. 始動から陰極スポットがコイル部から陰極主部に転移するまでの時間をＴとしたとき、時間Ｔが数式（２）：２０（秒）＜Ｔ＜１５（分）を満足することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一記載のショートアーク形水銀ランプ。

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