JP2008235129A - 階段状溝の放熱構造を有する電極を用いた放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプの電極の放熱を改善して、使用寿命を長くする。
【解決手段】放電ランプの陽極１の表面に、軸に垂直なリング状で、断面がＶ字状で階段状の側面を有する複数の平行な溝からなる放熱構造40を設けて、陽極１の表面積を増加させる。側面の段数は、頂段を含めて２段から３段である。この放熱構造40は、レーザ加工により容易に作製でき、強度も十分にある。この放熱構造40により、放射と対流による放熱効率が改善され、陽極１の温度上昇を抑制できるので、発光部９の内壁の黒化が少なくなり、放電ランプの使用寿命が長くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線を発生する放電ランプに関し、特に、階段状溝の放熱構造を有する温度上昇の少ない電極を用いる放電ランプとその電極の製造方法に関する。

従来、半導体の配線パターンを形成する際の光源として、紫外線を発生するショートアーク型放電ランプなどが、一般に使用されている。この放電ランプは、陽極を上または下にした垂直状態で点灯している。点灯状態での陽極は、陰極からの電子が衝突して高温となり、蒸発して消耗する。電極から蒸発した粒子は熱対流により運ばれて、放電ランプの内壁に付着するので、発光管中央部から上部側の内管壁が黒化する。放電ランプの電極には陰極と陽極があるが、以下の説明においては、これらを単に電極と総称することがある。

ショートアーク型放電ランプの点灯時の陽極が高温になるのを抑えれば、陽極先端部からの電極構成物質の蒸発を少なくでき、電極先端の磨耗や熱変形等を緩和でき、ランプの使用寿命を延ばすことができる。そのためには、電極から輻射によって放出される熱量を増加させればよい。具体的には、電極の側面にＶ字状の放熱溝を形成して陽極の表面積を増加させ、電極からの熱放射を増加させて電極温度を下げることが行われている。

図５に、従来の放熱構造を示す。図５（ａ）は、Ｖ字状の溝部の開口が広い放熱構造の拡大段面図である。図５（ｂ）は、矩形状の溝部の開口が狭い放熱構造の拡大断面図である。図５（ａ）、（ｂ）において、Ｖ字状の溝部60と矩形状の溝部70は、レーザ加工により形成した放熱構造である。頂面61、71は、溝加工を施していない面である。底面62、72は、溝の底の面である。側面63、73は、溝の側面である。変形した放熱構造74は、外力により変形した放熱構造である。図５（ａ）に示すように、Ｖ字状の溝部60の側面63は、Ｖ字状に底面62から頂面61に向かって幅が拡がっている。Ｖ字状の溝部60は、矩形状の溝部70と比較して放熱構造が変形し難い。しかし、Ｖ字状の溝の方は、電極全体の表面積の増加が少ない。

図５（ｂ）に示すように、矩形状の溝部70の側面73は、底面72から頂面71の間で略平行である。矩形状の溝部70は、Ｖ字状の溝部60と比較して放熱構造が変形し易い。しかし、矩形状の溝の方が、電極全体の表面積の増加は多い。放熱構造が変形すると、変形した放熱構造74のように、溝の壁が隣の壁と接触する。このようになると、変形した部分とその周辺部が高温状態となり、電極が異常に消耗する場合がある。以下に、これに関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「希ガス封入高圧放電ランプ用のアノード」は、図５（ｃ）に示すように、探さ１〜３mmの冷却溝を外周面上に設けたタングステンのアノードである。冷却溝の側面間の角度は90°である。アノード外周面は熱放散性が高い焼結金属層である。特許文献２に開示された「放電灯陽極」は、図５（ｄ）に示すように、軸方向に平行な溝を側周面に切り込んだ円柱状タングステンロッドの電極である。溝の深さは、円柱直径の1〜７％である。溝の角度は60〜90°である。特許文献３に開示された「漁業用放電灯」は、図５（ｅ）に示すように、幅よりも深い溝を胴部に設けた陽極を備えている。溝の深さは６mmで幅が３mmである。先端面と後端面の直径は12mmで、胴部の外径は30mmで、陽極全体の長さは40mmである。特許文献４に開示された「ショートアーク放電灯」は、図５（ｆ）に示すように、先端側で浅く基端側で深くなっている複数の溝が周面に刻まれている陽極を備えている。特許文献５に開示された「ショートアーク型高圧放電ランプ」は、図５（ｇ）に示すように、側面に溝部が形成されている電極を備えている。溝部の深さは、電極の直径の12％以内である。溝部の深さＤは、溝部のピッチＰの２倍以上である。特許文献６、７には、半導体のレーザ加工技術が開示されている。非特許文献１、２には、レーザ加工の基本と応用に関する各種技術が記載されている。

特公昭39-011128号公報 実開昭54-132975号公報 実開昭60-048663号公報 実開昭60-110973号公報 特開2002-117806号公報 特開昭63-278368号公報 特許第2810435号公報（特開平01-225928号公報） レーザ協会編集：「レーザ応用技術ハンドブック」（朝倉書店、1984年発行） 川澄博通編：「レーザ加工技術」（シーエムシー、2001年発行）

しかし、従来のＶ字状の放熱溝を有する電極を用いた放電ランプでは、以下のような問題がある。側面の開放角度が大きくて溝の密度が低いＶ字状の放熱溝では、電極の放熱効果が小さい。側面の開放角度が小さくて溝の密度が高い矩形状の放熱溝では、放熱部が変形し易い。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、放電ランプの電極の強度を十分に維持しながら表面積を増加して、ランプの寿命を長くすることである。

前記の課題を解決するため、本発明では、表面に放熱構造を有する電極を放電容器の内部に備えた放電ランプの放熱構造を、断面がＶ字状で階段状の側面を有する複数の平行な溝からなる構成とした。階段状の側面の段数は３段であり、頂段の次の段の高さは、頂段の高さの半分以上である。または、階段状の側面の段数は２段であり、中間段の高さは上段の高さの半分以上である。溝は、電極の軸に垂直なリング状である。または、電極の軸に並行な直線状である。

上記のように構成したことにより、電極の放熱構造の強度を保ちながら放熱効果を高められるので、放電ランプの寿命を延ばすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、断面がＶ字状で２段か３段の階段状の側面を有する複数の平行なリング状の溝からなる放熱構造を有する陽極を用いた放電ランプである。

図１は、本発明の実施例における放電ランプで、階段状溝の放熱構造を有する陽極を用いた放電ランプの外観図である。図１において、陽極１は、プラス側の電極である。陰極２は、マイナス側の電極である。内部リード棒３は、電極を支えて給電する部材である。金属箔４は、内部リード棒と外部リード棒を電気的に接続する部材である。封止管部５は、バルブを気密封止する部分である。外部リード棒７は、口金から金属箔を介して電極へ給電する部材である。発光部９は、電極間の放電により発光する部分である。バルブ部10は、電極を密封して放電空間を形成するガラス部材である。口金20は、ランプを機械的に保持するとともに給電するための部材である。放熱構造40は、円柱状の電極の円周側面に設けられた階段状溝の放熱構造である。

図１に示すように、放電ランプは、発光部９と２つの封止管部５からなるバルブ部10と、発光部９の中に対向配置された陽極１と陰極２と、これら陽極１と陰極２を支持するとともに通電を行う内部リード棒３と、外部リード棒７と、この内部リード棒３と外部リード棒７とを導電性の金属箔４によって接続して気密に封止する封止管部５とにより構成されている。陽極側の封止管部５には口金20が固定されている。陰極側の封止管部５にも口金20が固定されている。放電ランプは、口金20を介して光源装置に固定されている。

図２は、本発明の実施例における放電ランプに用いる階段状溝の放熱構造を有する陽極の拡大図である。図２（Ａ）は、陽極の外観図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ‐Ｂ断面図である。図２（Ａ）および、（Ｂ）において、先端面31は、陰極との間で放電を行う面であり、円柱状電極の一方の端面である。胴体面30は、円柱状の電極の円周側面である。先端側テーパ面32は、先端面31と胴体面30とを接続する面である。放熱構造40は、少なくとも胴体面30の一部に設けた階段状溝の放熱構造である。背面34は、円柱状の電極のもう一方の端面である。背面側テーパ面33は、背面31と胴体面30とを接続する面である。電極穴35は、内部リード棒を嵌め入れる穴である。外径Ｄ１は、陽極の胴体面上の最大外径である。外径Ｄ２は、陽極の胴体面に設けた放熱構造の最大外径である。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、陽極は略円柱状である。先端面31、先端側テーパ面32、胴体面30、背面側テーパ面33、背面34がある。胴体面30には、放熱構造40が設けられている。背面34に設けた電極穴35に内部リード棒を嵌め入れることにより、電極が放電空間に保持される。放熱構造40は、熱放出が大きい部分であるので、ランプ点灯時には陽極の熱を効率よく放射して温度を下げる。

図３は、本発明の実施例における放電ランプに用いる電極の階段状溝の放熱構造の断面の部分拡大図である。図３（Ａ）は、３段の階段状溝の放熱構造である。図３（Ｂ）は、２段の階段状溝の放熱構造である。図３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は、２段の階段状溝の放熱構造の他の形状である。図３（Ａ）において、頂面41は、レーザ加工が施されていない面であり、電極の胴体面となる。底面42は、放熱構造の底の面である。側面43は、掘り込まれた方向に略平行な面である。第１段面44は、放熱構造の底面から第１段目の略Ｌ字状の溝である。第２段面45は、放熱構造の底面から第２段目の略Ｌ字状の溝である。高さＨ₁は、底面を基準とした頂面の高さである。高さＨ₂は、底面を基準とした第２段面の高さである。高さＨ₃は、底面を基準とした第１段面の高さである。すなわち、Ｈ₁＞Ｈ₂＞Ｈ₃である。

図３（Ａ）に示すように、３段の階段状溝の放熱構造40は、頂面41と第１段面44と第２段面45と底面42と側面43からなる多数の階段状の溝から構成されている。溝は、電極の胴体面上の円周方向に形成されている。放熱構造40の底面42から開口側に略Ｌ字状の溝が階段状に形成されている。それぞれの階段の高さの関係は、Ｈ₂≧Ｈ₁／２とする。さらに好ましくは、Ｈ₂≧２Ｈ₁／３とする。

このようにする理由は次の通りである。頂段面の高さ（Ｈ₁）と第２段面の高さ（Ｈ₂）との差（Ｈ₁−Ｈ₂）が大きいと、放熱構造の変形を防ぐ効果が小さくなる。また、頂段面の高さ（Ｈ₁）と第１段面の高さ（Ｈ₃）との差（Ｈ₁−Ｈ₃）が大きいと、電極の中心軸側に掘り込む容積が大きくなり、底面付近からの対流による放熱が多くなる。

図３（Ｂ）において、頂面51は、レーザ加工が施されていない面で、電極の胴体面となる。底面52は、放熱構造の底の面である。側面53は、掘り込まれた溝の側面である。第１段面54は、放熱構造の底面から第１段目の略Ｌ字状の溝である。高さＨ₁は、底面を基準とした頂面の高さである。高さＨ₄は、底面を基準とした第１段面の高さである。すなわち、Ｈ₁＞Ｈ₄である。

図３（Ｂ）に示すように、２段の階段状溝の放熱構造50は、頂面51と第１段面54と底面52と側面53からなる階段状の溝から構成されている。溝は、電極の胴体面上の円周方向に形成されている。底面の中央を対称軸として、開口側にＬ字状の溝が階段に形成される。ここで、Ｈ₄≧Ｈ₁／２とする。さらに好ましくは、Ｈ₄≧２Ｈ₁／３とする。しかし、第１段面54をあまり頂面51に近づけないようにする。このようにする理由は次の通りである。頂段面の高さと第１段面の高さとの差（Ｈ₁−Ｈ₄）が大き過ぎると、放熱構造の変形を防ぐ効果が小さくなる。また、頂段面の高さと第１段面の高さとの差（Ｈ₁−Ｈ₄）が小さ過ぎると、電極の中心軸側に掘り込む容積が小さくなり、底面付近からの対流による放熱が少なくなる。

次に、図３（Ｃ）〜（Ｅ）を参照しながら、放熱構造の変形例を説明する。図３（Ｃ）は、片側の側面のみにＬ字状の溝を設けた放熱構造である。放熱構造50Aは、概略は放熱構造50と同様であるが、片側の側面のみに略Ｌ字状の溝54Aを設けたものである。図３（Ｄ）は、平滑された放熱構造である。放熱構造50Bは、概略は放熱構造50と同様であるが、表面が滑らかなものである。これまでは、構造を簡単に説明するため、矩形で放熱構造を表示してきたが、現実の放熱構造は、このように滑らかになることが望ましい。

図３（Ｅ）は、略Ｊ字状の溝からなる放熱構造である。レーザの照射径が細い場合には、略Ｊ字状の溝となる場合もある。この場合も表面は滑らかに成ることが望ましい。放熱構造の表面を滑らかにすることが好ましい理由は次の通りである。レーザ光の照射条件によっては、段面と側面との境界部分が鋭角になる場合がある。角の部分をこのままの状態にして放電ランプの電極に用いると、角の部分が電極材料から剥離して放電空間に放出され、放電ランプの黒化の原因となり、ランプが短寿命となってしまう場合がある。そこで、放熱構造を平滑化する。ただし、滑らかにし過ぎると、放熱構造の表面積があまり増加しないので、電極材料などに応じてレーザ光のパワーを適切な値に設定する。

次に、図４を参照しながら、放熱構造の作製方法を説明する。レーザ加工に関する基本的な技術は周知であるので詳しい説明は省略するが、必要であれば特許文献６、７や非特許文献１、２などを参照されたい。図４に、レーザ光により電極が掘り込まれる順序を示す。図４（１）は、放熱構造の第１の作製例を示す拡大断面図である。図４（２）は、放熱構造の第２の作製例を示す拡大断面図である。図４（３）は、放熱構造の第３の作製例を示す拡大断面図である。図４（１）により、放熱構造の第１の作製例を説明する。先ず、（Ａ）において、円柱状の電極を軸で回転させながら、電極にレーザ光を照射して略Ｖ字状の溝を掘り込む。次に、（Ｂ）から（Ｅ）において、同様にレーザ光を照射して、（Ａ）で作製した溝の斜面に、複数の略Ｌ字状の溝を掘り込む。ここで、（Ａ）で作製した溝の斜面に、その他の溝を掘り込む（Ｂ）から（Ｅ）の順番は特に限定されない。また、（Ａ）で作製した溝を作成する場合と、その他の溝を掘り込む場合では、レーザの出力特性を適宜設定することが好ましい。

例えば、（Ａ）でＶ字状の溝を掘り込む場合には、電極の胴体面に垂直となるようにレーザ光を照射し、（Ｂ）から（Ｅ）において、その他のＬ字状の溝を掘り込む場合には、Ｖ字状溝の斜面に垂直となるようにレーザ光を照射した方がよい。また、（Ａ）でＶ字状の溝を掘り込む場合には、レーザ光の照射径は太くてもよいが、（Ｂ）から（Ｅ）において、その他のＬ字状の溝を掘り込む場合には、レーザ光の照射径は細くする方がよい。平滑化は、電極は円柱状の中心軸で回転しながら、レーザ光を連続的に電極の軸方向に移動させながら電極の放熱構造の表面を滑らかにする。さらに、電解研磨や真空中の高温熱処理により平滑化を行ってもよい。

図４（２）により、放熱構造をレーザにより作成する第２の作製例を説明する。（Ａ）において、円柱状の電極を軸で回転させながら、レーザ光を電極に照射させて溝を掘り込んだ後、レーザ光を電極の軸方向にずらして、さらに（Ｂ）から（Ｅ）に示すように、溝を掘り込む。この実施例では、レーザ光を軸方向に段階的に移動させて照射を行ったが、円柱状の電極を軸で回転させながら、レーザ光を電極に照射させ、レーザ光の照射位置を電極の軸方向に連続的に移動させることにより、平滑な階段状溝の放熱構造としてもよい。

図４（３）により、放熱構造の第３の作製例を説明する。（Ａ）においてレーザ光により大直径の溝を掘り込んだ後、（Ｂ）において、レーザ光により中直径の溝を掘り込み、（Ｃ）において、レーザ光により小直径の溝を掘り込むことにより作製される。この実施例では、レーザ光の照射径を段階的に大から小へ変更して、溝を掘り込んだが、レーザ光の照射径を段階的に小から大へ変更してもよい。円柱状の電極を軸で回転させながら、レーザ光を電極に照射させ、レーザ光の照射径を連続的に変化させることにより、平滑な階段状溝の放熱構造としてもよい。以上の方法で、放熱構造を作製する。

本実施例においては、電極の円周方向に関して記載したが、同様の放熱構造は、電極の軸方向であってもよい。また、陽極を例にして説明したが、陰極の胴部に放熱構造を設ければ、同様の効果が得られる。

上記のように、本発明の実施例では、放電ランプを、断面がＶ字状で２段か３段の階段状溝の側面を有する複数の平行なリング状の溝からなる放熱構造を有する陽極を用いた構成としたので、電極の放熱構造の強度を保ちながら放熱効果を高めて、放電ランプの寿命を延ばすことができる。

本発明の放電ランプは、紫外線発生用のショートアーク放電ランプとして最適である。この放熱構造を有する電極は、その他の光源用のランプにも適用できる。

本発明の実施例における放電ランプの外観図である。 本発明の実施例における放電ランプの陽極の拡大図である。 本発明の実施例における放電ランプの電極に設ける放熱構造の拡大断面図である。 本発明の実施例における放電ランプの電極に設ける放熱構造の作製方法を示す拡大断面図である。 従来の電極の放熱構造の拡大断面図と、従来の放熱構造をもつ電極の例を示す図である。

符号の説明

１ 陽極
２ 陰極
３ 内部リード棒
４ 金属箔
５ 封止管部
７ 外部リード棒
８ 銀ロウ
９ 発光部
10 バルブ部
20 口金
30 胴体面
31 先端面
32 先端側テーパ面
33 背面側テーパ面
34 背面
35 電極穴
40,50,50A,50B,50C 放熱構造
41,51,61,71 頂面
42,52,62,72 底面
43,73,63,73 側面
44,54,54A 第１段面
45 第２段面
60 Ｖ字状溝の放熱構造
70 矩形状溝の放熱構造
74 変形した放熱構造

Claims (6)

1. 表面に放熱構造を有する電極を放電容器の内部に備えた放電ランプにおいて、前記放熱構造は、断面がＶ字状で階段状の側面を有する複数の平行な溝からなることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記階段状の側面の段数は、頂段を含めて２段または３段であることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 前記階段状の側面の段数は３段であり、頂段の次の段の高さは、頂段の高さの半分以上であることを特徴とする請求項２に記載の電極を用いた放電ランプ。
4. 前記階段状の側面の段数は２段であり、中間段の高さは上段の高さの半分以上であることを特徴とする請求項２記載の放電ランプ。
5. 前記溝は、前記電極の軸に垂直なリング状であることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
6. 前記溝は、前記電極の軸に並行な直線状であることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。

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