JP2011065756A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来の放電ランプの輝度と同等の輝度が得られるものでありながら、高い照度維持率を得ることのできる放電ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 発光管内に互いに対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極と前記陰極の間に電圧を印加してアークを発生させるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極は、陽極先端面の陽極中心軸上に球面状の凹部が形成され、前記陽極と前記陰極の間に形成されるアークの直径をＤ０とし、前記凹部の直径をＤ１としたとき、０．４５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．１５を満足することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明はショートアーク型放電ランプに関し、特に、ショートアーク型放電ランプの陽極構造に関する。

従来のショートアーク型放電ランプ（以下、単に放電ランプとも称する）は、中央部が膨出した石英ガラス製の発光管と、この発光管の膨出部の内部に対向して配置された陽極および陰極等を備えて構成されるものが知られている。陽極は、陰極に対向する先端に平坦な先端面を有している。陰極は、陽極に対向する先端がコーン状に形成されている。この放電ランプに通電すると、陰極から放出された電子がランプ内の気体と衝突して荷電粒子を生成する。それらの荷電粒子が、衝突を繰り返して発光管の内部に封入した水銀等がプラズマ状態になり、陽極に流通して両極間にアークが形成されるようになっている。

放電ランプを点灯すると、陰極から放出された電子が、陽極の先端面に衝突することによってアークが形成される。
電子の衝突を受ける陽極の先端面が平坦である場合は、陽極中央部の電界強度が周縁部に比べて特に強くなり、強い電界にしたがって陽極中央部に電流が流れ込み、陽極中央部が高温になるとともに蒸発して消耗することが知られている。
このようにして陽極が消耗すると、蒸発した陽極構成物質が発光管の内壁に付着し、発光管の内壁面を黒化させるという不具合が生じる。そして、発光管の内壁面の黒化が進行すると、放電ランプの放射強度が順次低下し、放射強度の低下が使用限度を超えると放電ランプを新品のものに交換する必要があった。

そこで、陽極が放電ランプの点灯時に温度上昇することを抑制することにより、陽極の消耗と発光管の内壁面の黒化の進行を遅らせることにより、高い照度維持率を得るための対策が、従来より検討されている。

例えば、特許文献１によれば、陽極の先端部を除く側面に炭化タングステン（ＷＣ）と炭化タンタル（ＴａＣ）とタングステン（Ｗ）からなる混合物を焼結して多孔質層が形成され、これにより、多孔質層と母材の密着性が良いので陽極の温度上昇を適切に抑制することが可能になり、陽極の消耗と発光管の内壁面の黒化を少なくして、放電ランプの寿命を延長することができる、と記載されている。

しかしながら、前記の陽極構造は、三種類の高融点物質、すなわち炭化タングステン、炭化タンタルおよびタングステンの混合物を陽極の表面に焼結するため陽極構造が複雑になることに加え、製造工程が複雑になるため陽極の製造に長時間を要する、という問題があった。

特許文献２、３および４のそれぞれに示す陽極８０は、図８に示すように、陰極９０に対向する陽極先端部に凹部８１が設けられている。この凹部８１は、陰極９０から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成されている。これら文献によれば、陽極８０の表面での電流密度分布が分散されるようにして、陽極８０の消耗を少なくして放電ランプの寿命を延長することができる、とされている。

しかしながら、特許文献２、３および４においては、陽極と陰極の間に電圧を印加したときに形成されるアークの直径と、陽極に設けた凹部の直径との関係について何ら検討されていなかった。
例えば、陽極８０に設けた凹部８１の直径がアークの直径よりも小さい場合には、陽極が早期に損耗して、照度維持率が低下した。この場合は、陽極先端面および凹部の境界に形成されたエッジ部８２の電界強度が高くなり、エッジ部８２に電流が集中して高温になることが判明した。

さらに、特許文献２、３および４においては、陽極に設けた凹部が放射輝度に与える影響について何ら検討されていなかった。即ち、陽極に形成した凹部は、その大きさ如何によっては大幅に放射輝度を低下させることになる。

特許第３５９８４７５号 特許第３１３６５１１号 特許第４０５４１９８号 特許第４１３２８７９号

上記したように、従来の放電ランプは、放射輝度を低下させることなく、陽極の消耗を抑制して高い照度維持率を得ることはできなかった。本発明は、上記の問題に鑑み、従来の放電ランプの輝度と同等の輝度が得られるものでありながら、高い照度維持率を得ることのできる放電ランプを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、発光管内に互いに対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極と前記陰極の間に電圧を印加してアークを発生させるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極は、陽極先端面の陽極中心軸上に球面状の凹部が形成され、前記陽極と前記陰極の間に形成されるアークの直径をＤ０とし、前記凹部の直径をＤ１としたとき、０．４５０≦Ｄ１／Ｄ０≦１．１５を満足することを特徴とするショートアーク型放電ランプである。

請求項２の発明は、請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部の深さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプは、陽極と陰極の間に形成されるアークの直径Ｄ０と陽極に設けた球面状の凹部の直径Ｄ１とが０．４５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．１５の関係を満たし、アークの直径に対する凹部の直径が最適に規定されているため、放電ランプの照度維持率と放射輝度のそれぞれについて次のような効果が得られる。
アークの直径と凹部の直径が上記の関係を満たすことにより、電流の集中が凹部の開口端部と凹部の中央部に対して平均的に分散され、陽極の損耗が抑制されるので、高い照度維持率を得ることができる。
アークの直径と凹部の直径が上記の関係を満たすことにより、放射輝度の低下が最小限に留められ、従来の放電ランプの放射輝度と同等の放射輝度を得ることができる。

以上により、本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、従来の放電ランプの放射輝度と同等の放射輝度が得られるものでありながら、高い照度維持率を得ることができる。

本発明のショートアーク型放電ランプの構成の一例を示す断面図である。 図１に示すショートアーク型放電ランプにおけるＡ部拡大図である。 図１に示すショートアーク型放電ランプの点灯時に、陰極および陽極の間に形成されるアークを示す断面図である。 図３に示すアークから放射される、波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度分布のプロファイルを示す。 アークの直径Ｄ０とランプ電力Ｐとの関係を示すグラフである。 放射輝度および放射照度維持率と、アークの直径Ｄ０に対する陽極に形成した凹部の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ０との関係を示すグラフである。 積算放射量と、アークの直径Ｄ０に対する陽極に形成した凹部の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ０との関係を示すグラフである。 従来のショートアーク型放電ランプの電極構造を示す断面図である。

図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの構成の概略を示す断面図である。以下ではショートアーク型放電ランプを単に放電ランプと略す。
放電ランプ１０は、略球状に形成された発光部１１と発光部１１の両端のそれぞれに連続する直管状の封止部１２Ａおよび１２Ｂとで構成される発光管を備えている。発光管は、例えば石英ガラスによって一体的に形成されている。封止部１２Ａおよび１２Ｂには、それぞれ円筒形状を有する給電用の口金１３Ａおよび１３Ｂが装着されている。
発光管の内部に形成された放電空間Ｓには、陰極２と陽極３とが、陽極中心軸Ｌ上において互いに対向して配置されると共に発光物質が封入されている。
発光物質は、室温で１×１０^４Ｐａ以上のキセノンガス、アルゴンガスおよびクリプトンガスの少なくとも１種以上と、１ｍｇ／ｃｍ^３以上の水銀が封入されている。なお、発光物質として、これらの希ガスおよび水銀のうち、いずれか一方のみが封入されていても良い。
このショートアーク型放電ランプは、例えば陽極３又は陰極２を上にして垂直な姿勢で点灯させるものであり、陰極２および陽極３に電圧を印加したときにアークＡＲが形成され、アークＡＲからの放射光の一部である波長３６５ｎｍの紫外光が放射される。ランプ電力は２ｋＷ（キロワット）以上である。

陰極２は、封止部１２Ａに保持されると共に放電空間Ｓに臨出する円柱状の胴部２Ａと、胴部２Ａの先端に続いて先端に向かうに従って次第に外径が細くなる円錐状に形成された先端部２Ｂとが、例えばタングステンによって一体的に形成されている。

陽極３は、円柱状の胴部３Ｂと、胴部３Ｂの先端側と後端側のそれぞれに続いて形成される円錐台部３Ａおよび３Ｃとが、例えばタングステンによって一体的に形成されている。後端側の円錐台部３Ｃには、胴部３Ｂよりも小径のロッド状のリード部（不図示）が一体的に続いており、リード部が封止部１２Ｂに保持されている。円錐台部３Ａは、先端径が５〜２０ｍｍ、後端径が２０〜４０ｍｍである。陽極３は、全長が３０〜１００ｍｍであり、胴部３Ｂの直径が２０〜４０ｍｍである。陰極２および陽極３の間の電極間距離は３〜４０ｍｍである。

図２は、図１に示すＡ部を拡大して示すＡ部拡大図である。図２（Ａ）は、陽極中心軸Ｌを含む断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す矢印Ｂの方向から陽極先端面を見た正面図である。
陽極３の円錐台部３Ａは、図２に示すように、陽極中心軸Ｌ上に球面状の凹部３０が形成されている。凹部３０の周囲には、凹部３０を包囲するように環状の陽極先端面３１が形成されている。凹部３０の直径Ｄ１は１．３〜１９ｍｍである。
凹部３０を設けることにより、陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さが近づくようになり、陽極中央部に集中していた電界を平均化し、中央部の温度が低下するので、陽極の消耗を抑制することができる。

ショートアーク型放電ランプ１０によれば、陰極２および陽極３の間に高電圧を印加することにより、両者間で絶縁破壊して、図３に示すように、陰極２および陽極３の間にアークＡＲが形成される。アークＡＲは、後述するように、ランプ電力Ｐ（ｋＷ）に依存して陽極中心軸Ｌを中心として拡張或いは収縮し、凹部３０を超えて環状の陽極先端面３１上に広がることもあれば、凹部３０の内側にとどまることもある。

本発明の放電ランプによれば、陰極２および陽極３の間に形成されるアークＡＲ（図３に図示）の直径をＤ０とし、陽極３に形成された凹部３０の直径をＤ１としたときに、アークＡＲの直径Ｄ０に対する凹部３０の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ０の値が０．４５０〜１．１５の範囲とされる。アークＡＲの直径Ｄ０は、アークＡＲからの放射光を（３６５±１０）ｎｍ帯を透過させるバンドパスフィルターに通すことによって得られる、波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度分布に基づき、以下のように定義する。

陰極２および陽極３の間に形成されるアークの電流分布は、放射輝度分布と密接な関係があり、放射輝度分布を測定することで知ることができる。発光物質が水銀である場合は、陰極２と陽極３との間に高電圧を印加すると、陰極２から放出された電子が放電空間Ｓに封入された水銀の原子に衝突し、水銀の原子が励起状態になり、励起状態から下位の状態に遷移するときに波長３６５ｎｍの紫外光を含む種々の放射光を放射する。このアークから放射され上記バンドパスフィルターを通して得られる波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度分布は、図４に示すプロファイルを示し、下記式（１）に近似することができる。
式（１）Ｊ（ｒ）＝Ｊ_０ｅｘｐ〔−（ｒ／ｒ_０）^２〕
Ｊ_０はアークの中心強度である。ｒ_０は中心強度Ｊ_０が１／ｅ（≒０．３７）に減衰するときのアーク中心からの距離である。つまり、上記に示される波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度分布の式（１）は、アークに流れる電流の多くが電極の中心からｒ_０の距離内に集中していることを示す。このｒ_０を２倍して得られる２ｒ_０を、アークの直径Ｄ０と定義した。

本発明者らは、アークの直径Ｄ０（ｍｍ）とランプ電力Ｐ（ｋＷ）との関係を調べるために実験を行った。実験は、表１に示すように、水銀の封入量、電極間距離が互いに異なる５種類の実験用放電ランプＡ１〜Ａ５を作製し、各実験用放電ランプを表1に示すランプ電力Ｐで点灯させ、それぞれの実験用放電ランプＡ１〜Ａ５についてアークの直径Ｄ０を測定した。その実験結果を表１および図５に示す。

アークの直径Ｄ０（ｍｍ）とランプ電力Ｐ（ｋＷ）との間には、下記式（２）の関係が成立する。下記式（２）の関係は、図５に示す実験結果を基に、最小二乗法を基に得ることができる。
式（２）Ｄ０＝１．４＋２．５（Ｐ−１．６）^０．５

本発明の放電ランプにおいては、アークＡＲの直径をＤ０とし、陽極に形成された凹部３０の直径をＤ１としたときに、アークＡＲの直径Ｄ０に対する凹部３０の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ０の値が０．４５０〜１．１５であることにより、従来の放電ランプと同等の放射輝度が得られるものでありながら、高い放射照度維持率を得ることができる。したがって、従来よりも使用寿命の長い放電ランプを得ることができる。

さらに、本発明の放電ランプによれば、凹部３０の深さＨが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。その理由は次のとおりである。
凹部３０の深さＨが１．０ｍｍを超えると、実質的に電極間距離が長くなるため、ランプ電圧が上昇する。ショートアーク型放電ランプ１０は、点灯用電源として定電力電源を使用しているため、上記のようにランプ電圧が上昇すると、陰極および陽極間に供給するランプ電流を下げるように制御され、放射輝度が低下することになる。このような放射輝度の低下は、凹部３０の深さＨが深くなるに従って顕著になる。一方、凹部３０の深さＨが０．１ｍｍ未満であると、凹部３０が無い場合に近づき、高い放射照度維持率を得ることができない。したがって、凹部３０の深さＨを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍにすることが好ましい。

以下に本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。実験を行うにあたり、図１および図２に基づき実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０を作製した。実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０は、以下に示す共通のランプ基本構成を有し、表２に示すように、アークの直径Ｄ０に対する凹部３０の直径Ｄ１の比Ｄ１／Ｄ０（以下、単にＤ１／Ｄ０と略す）の値が互いに異なっている。
＜ランプＢ１〜Ｂ１０の基本構成＞
・陽極３の凹部の深さ ： ０．４ｍｍ
・水銀量 ： ２５ｍｇ／ｃｍ^３
・キセノンガス ： 室温で２×１０^５Ｐａ
・電極間距離Ｌ ： ５．５ｍｍ
・ランプ電力Ｐ ： ７．５ｋＷ

比較例として、Ｄ１／Ｄ０が零、即ち、凹部を有しない陽極を備える実験用放電ランプＸを作製した。

実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０およびＸを点灯させ、それぞれの実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０およびＸについて、波長３６５ｎｍの紫外光の放射強度を測定し、点灯初期の放射輝度と、放射照度維持率とを測定した。その実験結果を表２並びに図６および図７に示す。
なお、表２および図６に示される放射輝度は、比較例の実験用放電ランプＸの放射輝度を１としたときの相対放射輝度である。
表２および図６に示される放射照度維持率は、各実験用放電ランプを８００時間連続点灯させた後の放射照度を、点灯初期の放射照度に対する百分率で示す数値である。

図６は、放射輝度および放射照度維持率と、Ｄ１／Ｄ０との関係を示すグラフである。右側の縦軸が放射輝度、左側の縦軸が放射照度維持率、横軸がＤ１／Ｄ０である。図６は、プロット（△）が放射輝度、プロット（□）が放射照度維持率を示す。
図６に示すように、Ｄ１／Ｄ０が大きくなるに従って放射輝度が低下し、放射照度維持率はＤ１／Ｄ０＝１．０５で最大になることが確認された。

図７は、積算放射量とＤ１／Ｄ０との関係を示すグラフである。縦軸が積算放射量、横軸がＤ１／Ｄ０である。
図７に示すように、Ｄ１／Ｄ０が０．４５０〜１．１５であれば、積算放射量が比較例の実験用放電ランプＸ（Ｄ１／Ｄ０の値が０）よりも高くなることが確認された。

１０ ショートアーク型放電ランプ
１１ 発光部
１２Ａ，１２Ｂ 封止部
１３Ａ，１３Ｂ 口金
２ 陰極
２Ａ 胴部
２Ｂ 先端部
３ 陽極
３Ａ，３Ｃ 円錐台部
３Ｂ 胴部
３０ 凹部
３１ 陽極先端面
ＡＲ アーク

Claims (2)

1. 発光管内に互いに対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極と前記陰極の間に電圧を印加してアークを発生させるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陽極は、陽極先端面の陽極中心軸上に球面状の凹部が形成され、
   前記陽極と前記陰極の間に形成されるアークの直径をＤ０とし、前記凹部の直径をＤ１としたとき、０．４５０≦Ｄ１／Ｄ０≦１．１５を満足することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記凹部の深さが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のショートアーク型放電ランプ。

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