JP2013206827A - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】陽極の構造を複雑化することなく、陽極の温度が過度に高くなることを防止し、黒化現象を回避させ、長寿命化を実現できるショートアーク型水銀ランプを提供する。
【解決手段】ショートアーク型水銀ランプは、石英ガラス発光管と該石英ガラス発光管内に収納された陽極と陰極を有する。前記陽極は、円形の先端面と円周状の胴体面を有する円柱状に形成され、前記陽極の胴体面には、円周方向に延びる複数の矩形断面の溝と山が交互に形成されている。前記山の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該山の縁のテーパ面の前記陽極の半径方向の寸法ａに対する前記陽極の溝の深さｈの比ｈ／ａの値は次の式、１．５≦ｈ／ａ≦２０、のように設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置に使用して好適なショートアーク型水銀ランプに関し、特に、その陽極の構造に関する。

半導体ウエハ、液晶装置等の製造工程では、加工面に感光材（フォトレジスト）を塗布し、フォトマスク、レチクル等のパターンを形成し、露光させることにより、微細なパターンの形成や、光配向膜を露光するフォトリソグラフィ技術が用いられる。

露光用の紫外線光源として、電極間距離（アーク長）が短い直流水銀ランプが用いられる。近年、半導体の微細化の進行とともに紫外線光源の短波長化が進んでおり、g線(436nm)、又は、i線(365nm)が用いられ、用途によりh線（405nm）、j線（313nm）なども利用されている。更に、高照度化の要請から、水銀ランプの大電流化が進んでいる。

ショートアーク型水銀ランプの大電流化に伴い、黒化現象が課題となる。黒化現象とは、ランプ点灯中に、電極先端が高温となり、それにより、電極素材のタングステンが蒸発してランプ内壁面に付着する現象である。黒化現象が起きると、照度が低下し、又は、不安定化し、ランプ寿命が短くなる。黒化現象を防止し、ランプを長寿命化するために、陽極の放熱面、即ち、表面積を増加させる技術が提案されている。

特許文献１、２には、陽極の胴体面に円周方向に延びる矩形断面の溝を形成することが記載されている。詳細には、特許文献１には、溝の深さを溝の幅より大きくすることによって、陽極の放熱面を増加させることが記載されている。特許文献２には、溝の深さを、陽極の先端からリード棒に向かって増加させると、陽極の冷却効果が増加することが記載されている。

特許文献３、４には、陽極の胴体面に円周方向に延びるＶ溝を形成することにより冷却効果を増加させることが記載されている。特許文献５には、電極の表面にレーザ光を照射して、電極の胴体面に凹凸を形成する電極の製造方法が記載されている。

特許文献６には、陽極の内部に凹部とそれに通ずる孔を設け、ガス流を促進する構造が記載されている。

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２００３−２２３８６５号公報 特開２００８−２３５１２８号公報 特開２００８−３０５７８２号公報

本願発明者は、従来技術の陽極の冷却機構を詳細に検討した。その結果、本願発明者は、陽極の冷却機能を増加させるためには、放熱面を増加させるばかりでなく、陽極の表面のガス流を整流化し、促進することが必要であることを見出した。特許文献１、２には陽極の放熱面を増加させることによって、冷却効果を増加させることが記載されているが、陽極の表面のガス流については考察されていない。

特許文献６には、陽極の周囲においてガス流を促進するための構造が記載されているが、陽極の内部に凹部及び貫通孔を設けるため、陽極の構造が複雑化する。

更に、本願発明者は、陽極の胴体面の表面に鋭い突起を形成することは好ましくないことを見出した。例えば、特許文献３、４、５に記載された例のように、鋭い突起が形成されると、電極素材の蒸発によって、容易に変形し摩耗するばかりでなく、異常放電が起きたり、製造工程においても、歩留まりが低下する可能性がある。

本発明の目的は、陽極の構造を複雑化することなく、陽極の温度が過度に高くなることを防止し、黒化現象を回避させ、長寿命化を実現できるショートアーク型水銀ランプを提供することにある。

本願の発明者は、従来技術を鋭意検討した結果、以下のような見解を得た。即ち、陽極の冷却機能を増加させるには、陽極の表面積を増加させるだけでは不十分であり、陽極の周囲のガス流を整流化させ、ガス流を促進することが重要である。陽極の表面積が増加しても、ガス流が停滞すると、冷却効果が低下するからである。従って、陽極の周囲のガス流を整流化し、ガス流を促進する必要がある。

陽極の冷却効果とガス流を直接測定し解析することは困難である。そこで、本願の発明者は、水銀ランプの照度維持率と照度変動率を測定することによって、陽極の冷却効果とガス流の整流化を間接的に把握し、解析した。解析結果から、陽極の最適な構造を見出した。

本発明によると、石英ガラス発光管と該石英ガラス発光管内に収納された陽極と陰極を有するショートアーク型水銀ランプにおいて、前記陽極は、円形の先端面と円周状の胴体面を有する円柱状に形成され、前記陽極の胴体面には、円周方向に延びる複数の矩形断面の溝が形成され、隣接する該溝の間に複数の矩形断面の山が形成されている。

前記山の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該山の縁のテーパ面の前記陽極の半径方向の寸法ａに対する前記陽極の溝の深さｈの比ｈ／ａの値は次の式のように設定される。
１．５≦ｈ／ａ≦２０

本実施形態によると、前記陽極の前記先端面の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、前記陽極の全長をＬとし、前記陽極の胴体面の軸線方向の寸法をＬ１とし、前記先端面の縁のテーパ面の軸線方向の寸法をＬ２とするとき、Ｌ２の値、及び、比Ｌ１／Ｌの値は次の式のように設定されてよい。
５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ
０．４０≦Ｌ１／Ｌ≦０．８５

本実施形態によると、前記陽極の溝の深さをｈ、前記陽極の溝の幅をｇ、前記陽極の山の幅をｆとするとき、前記陽極の溝の深さと幅の比の値、及び、前記陽極の溝と山の幅の合計値（ｆ＋ｇ）に対する前記陽極の山の幅ｆの比の値は次の式のように設定されてよい。
１≦ｈ／ｇ≦５
ｆ／（ｆ＋ｇ）≧０．５

本実施形態によると、前記山の縁のテーパ面は湾曲面として形成されてよい。

本実施形態によると、前記陽極の山の円周面に対する前記山の縁のテーパ面の傾斜角をθ１とするとき、該傾斜角θ１は次の式のように設定されてよい。
３０°≦θ１≦６０°

本実施形態によると、前記陽極の溝の底面の縁に円周状に延びるテーパ面が形成されており、前記陽極の溝の底面に対する該溝の底面の縁のテーパ面の傾斜角をθ２とするとき、該傾斜角θ２は次の式のように設定されてよい。
３０°≦θ２≦６０°

本実施形態によると、前記陽極の中心軸線に対して直交する面に対する前記陽極の先端面のテーパ面のなす角を傾斜角α（アルファ）とすると、該傾斜角は、α＝２０〜４０度であってよい。

本実施形態によると、前記陽極の材料として、タングステン、又は、カリウムをドープしたタングステンが用いられてよい。

本実施形態によると、前記陰極の材料として、酸化トリウム、酸化ジルコニウム及び酸化ランタンの少なくとも１つを含有するタングステンが用いられてよい。

本実施形態によると、前記陽極の外径は２０〜４０ｍｍ、前記陽極の軸線方向の寸法は２０〜１００ｍｍであってよい。

本発明によると、円形の先端面と円周状の胴体面を有する円柱状に形成されたショートアーク型水銀ランプ用陽極において、
前記陽極の胴体面には、円周方向に延びる複数の矩形断面の溝と複数の矩形断面の山が交互に形成され、前記山の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該山の縁のテーパ面の寸法ａに対する前記溝の深さｈの比ｈ／ａの値は次の式のように設定され、
１．５≦ｈ／ａ≦２０
前記先端面の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該陽極の全長をＬとし、前記胴体面の軸線方向の寸法をＬ１とし、前記先端面のテーパ面の軸線方向の寸法をＬ２とするとき、Ｌ２の値、及び、比Ｌ１／Ｌの値は次の式のように設定される。
５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ
０．４０≦Ｌ１／Ｌ≦０．８５

本実施形態によると、前記溝の深さをｈ、前記溝の幅をｇ、前記山の幅をｆとするとき、前記陽極の溝の深さと幅の比の値、及び、前記陽極の溝と山の幅の合計値（ｆ＋ｇ）に対する前記陽極の山の幅ｆの比の値は次の式のように設定されてよい。
１≦ｈ／ｇ≦５
ｆ／（ｆ＋ｇ）≧０．５

本発明によれば、陽極の構造を複雑化することなく、陽極の温度が過度に高くなることを防止し、黒化現象を回避させ、長寿命化を実現できるショートアーク型水銀ランプを提供することができる。

図１は、本実施形態によるショートアーク型水銀ランプの主要部を説明する説明図である。 図２は、本実施形態によるショートアーク型水銀ランプの陽極の構造を示す図である。 図３Ａは、陽極の先端面に形成されたテーパ面の機能を説明する図である。 図３Ｂは、陽極の先端面に形成されたテーパ面の機能を説明する図である。 図４は、本実施形態によるショートアーク型水銀ランプの陽極の断面構造を説明する図である。 図５Ａは、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極の胴体面の山の構造を説明する図である。 図５Ｂは、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極の胴体面の溝の構造を説明する図である。 図５Ｃは、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極の胴体面の山の構造を説明する図である。 図５Ｄは、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極の胴体面の山の構造を説明する図である。 図６は、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極について、全長に対する胴体面の寸法の比を変化させて、照度維持率と照度変動率を測定した結果を示す図である。 図７は、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極について、テーパ面の陽極半径方向の寸法に対する陽極の溝の深さの比を変化させて、照度変動率を測定した結果を示す図である。 図８は、本実施形態のショートアーク型水銀ランプの陽極について、溝断面のアスペクト比を変化させて、照度変動率を測定した結果を示す図である。

以下、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

図１は、本実施形態によるショートアーク型水銀ランプの主要部を示す。ショートアーク型水銀ランプは、陽極１０と陰極１２を有し、両者は、密閉した卵形の石英ガラス発光管１４内に収納されている。

陽極１０と陰極１２はそれぞれ電極棒（リード棒）１１に接続されている。尚、発光管１４内には、発光物質である水銀１８が封入されている。また、発光管１４内には、キセノン、アルゴン、クリプトン等の希ガスが封入されている。発光管１４の外周面の一部に金属薄膜１６が形成されている。

陽極１０は、タングステン、好ましくは、カリウムをドープしたタングステンによって形成される。例えば、電極表面にタングステン粉末を焼結して形成される。

陰極１２は、酸化トリウム、酸化ジルコニウム及び酸化ランタンの少なくとも１つを含有するタングステンによって形成される。

露光で用いられるショートアーク型水銀ランプの場合、陽極１０の外径は２０〜４０ｍｍ、陽極１０の軸線方向の寸法は２０〜１００である。発光管の最大外径は、５０ｍｍ〜２５０ｍｍ、動作圧力は０．１〜０．４ＭＰａである。陽極１０の先端と陰極１２の先端の間の距離は、アーク長と称される。ショートアーク型水銀ランプでは、アーク長は３〜１５ｍｍである。電力は１．５〜２０ｋＷ、点灯時の平均ガス温度は１０００℃を超えるものもある。陰極１２の外径は８〜２０ｍｍ程度である。

図２は、本実施形態による陽極１０の構造を示す。陽極１０は、円柱形状を有し、円形の先端面１０１と円形の後端面１０３を有する。先端面１０１の周囲には円周状の縁に沿ってテーパ面１０２が形成されている。後端面１０３の周囲にも同様に円周状の縁に沿ってテーパ面１０４が形成されている。陽極１０の円周状の胴体面１０５には、溝１０６が形成されている。溝１０６は矩形断面を有する。隣接する溝１０６の間に山１０８が形成されている。山１０８は矩形断面を有する。

こうして本実施形態では、陽極の胴体面１０５に複数の溝を形成することにより、陽極の表面積、即ち、放熱面を増加させることができる。そのため、陽極１０の表面からの放熱量が増加し、陽極の温度が過度に高くなることが防止される。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、陽極１０の先端面１０１に設けられたテーパ面１０２の機能を説明する。陰極１２からの電子は、陽極１０の先端面１０１に向かって放出される。電子は、テーパ面１０２に沿って進路を変更し、その一部は陽極１０の胴体面１０５に捕捉される。

陰極１２と陽極１０の間に形成されたアークによる光は、放射状に放出される。一点鎖線で示す領域Ａは、上側の光の配光範囲を示す。下側にも同様に光の配光範囲があるが、ここでは図示を省略している。アークからの光の配光範囲は、陰極１２と陽極１０の先端のテーパ面１０２の形状に依存する。図示のように、陽極の胴体面１０５は陰になる。アークからの光は、陽極の背後の方向を照らすことができない。

ここで、陽極の中心軸線に対して直交する面に対するテーパ面１０２のなす角を傾斜角α（アルファ）と称し、テーパ面１０２の直径方向両側がなす角を広がり角β（ベータ）と称することとする。２α＋β＝１８０度である。

図３Ａに示す例では、テーパ面１０２の傾斜角αは、例えば、α＝約３０度であり、その広がり角βは、例えば、β＝約１２０度である。一方、図３Ｂに示す例では、テーパ面１０２の傾斜角αは、例えば、α＝約１５度であり、その広がり角βは、例えば、β＝約１５０度である。尚、陰極１２のテーパ面の広がり角は、例えば、４０度である。

陽極１０の先端のテーパ面１０２の傾斜角αが大きいほど、即ち、広がり角βが小さいほど、光の配光範囲が広がり、陽極の背後まで延びる。図３Ａと図３Ｂにおいて、陽極の中心軸線に直交する面Ｙ−Ｙを描く。図３Ａの例では、配光範囲は面Ｙ−Ｙを超えているが、図３Ｂの例では、配光範囲は面Ｙ−Ｙを超えない。従って、図３Ａの例では、配光範囲はより広い領域まで広がっている。

しかしながら、テーパ面１０２の傾斜角α（アルファ）を大きくし、その広がり角β（ベータ）を小さくすると、陽極１０の胴体面１０５の軸線方向の寸法が短くなり、溝１０６の数が少なくなる。そこで、本実施形態によると、陽極１０の先端のテーパ面１０２の傾斜角α（アルファ）をα＝２０〜４０度とし、広がり角はβ＝１００〜１４０度が望ましく、今回は１２０度で実施した。それによって、陽極１０の胴体面１０５の溝１０６の数を所定の値に維持し、同時に、水銀ランプの周囲の広い範囲を照らすことができる。

図４を参照して本実施形態の陽極の断面構造を説明する。陽極１０の軸線方向の寸法をＬ、陽極１０の胴体面１０５の軸線方向の寸法をＬ１、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法をＬ２、後端のテーパ面１０４の軸線方向の寸法をＬ３とする。

陽極の外径をＤ、陽極の溝１０６の底面１０７の外径をＤ１、溝１０６の深さをｈとする。溝１０６の軸線方向の幅寸法をｇ、山１０８の軸線方向の寸法をｆとする。ここで、溝１０６のピッチをｐとする。溝１０６の深さｈと幅寸法ｇの比を、溝１０６の断面形状のアスペクト比ｋ１と称することとする。以上の関係は、次の式によって表される。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３
Ｄ＝Ｄ１＋２ｈ
ｐ＝ｇ＋ｆ
ｋ１＝ｈ／ｇ （式１）

本実施形態によると、陽極の外径は、Ｄ＝２０〜４０ｍｍであり、例えば、２５、３０ｍｍである。陽極の軸線方向の寸法は、Ｌ＝３０〜７０ｍｍであり、例えば、４０、５０、６０ｍｍである。

図５Ａを参照して、本実施形態の陽極の胴体面の山１０８の構造を説明する。本実施形態では山１０８の縁に、円周状に延びるテーパ面１１０が形成されている。テーパ面１１０の陽極半径方向の寸法をａとし、テーパ面１１０の陽極軸線方向の寸法をｂとする。山１０８の軸線方向の寸法をｆ、山１０８の円周面１０９の軸線方向の寸法をｆ１とする。山１０８の円周面１０９に対するテーパ面１１０の傾斜角をθ１（シータ１）とする。

図５Ｂを参照して、本実施形態の陽極の胴体面の溝１０６の構造を説明する。本実施形態では溝１０６の底面１０７の両側に円周状に延びるテーパ面１１１が形成されている。テーパ面１１１の陽極半径方向の寸法をｃとし、テーパ面１１１の陽極軸線方向の寸法をｄとする。溝１０６の底面１０７に対するテーパ面１１１の傾斜角をθ２（シータ２）とする。以上の関係は、次の式によって表される。
ｆ＝ｆ１＋２ｂ
ｔａｎθ１＝ａ／ｂ
ｔａｎθ２＝ｃ／ｄ （式２）

本実施形態では、テーパ面１１０、１１１の傾斜角θ１、θ２の値は次の式によって表される。
３０°≦θ１≦６０°
３０°≦θ２≦６０° （式３）

尚、ここでは、テーパ面１１０、１１１の断面は直線であるが、湾曲した曲線であってもよい。

図５Ｃを参照して、本実施形態の陽極の胴体面の山１０８の構造を説明する。本実施形態では、山１０８の円周面１０９にＶ字断面のＶ溝１１５が形成されている。Ｖ溝１１５を形成することによって、円周面１０９の放熱面の面積を増加させることができる。尚、Ｖ溝１１５によって形成される山の頂点が、加工中に欠落しないように、頂点の角度は鋭角とならないように設定される。

図５Ｄを参照して、本実施形態の陽極の胴体面の山１０８の構造を説明する。本実施形態では、山１０８の円周面１０９に矩形断面溝１１６が形成されている。矩形断面溝１１６を形成することによって、円周面１０９の放熱面の面積を増加させることができる。尚、矩形断面溝１１６によって形成される山の角部が、加工中に欠落しないように、矩形断面溝１１６の深さは大きくならないように設定される。

図６を参照して、陽極の全長Ｌに対する胴体面１０５の寸法Ｌ１の比の最適値を考察する。図６は、陽極の全長Ｌに対する胴体面１０５の寸法Ｌ１の比Ｌ１／Ｌを変化させて、照度維持率と照度変動率を測定した結果を示す。図６の右側に記載されているように、ここでは、陽極の外径がＤ＝２５ｍｍ、３０ｍｍ、陽極の全長がＬ＝４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍのものを用いた。

横軸は、陽極の全長Ｌに対する胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合（％）であり、比Ｌ１／Ｌに対応する。左側縦軸は照度維持率（％）、右側縦軸は照度変動率（％）を表す。

照度維持率は、ショートアーク型水銀ランプを点灯してから１５００時間経過後の照度を測定し、当初の照度に対する割合を計算することにより得られる。

照度変動率は、ショートアーク型水銀ランプの照度が安定した後、アークの中心から水平方向に１００ｃｍの位置における照度の変動量を測定することにより得られる。ここでは、５分間の変動量を測定した。当該ショートアーク型水銀ランプの照度が安定するのは、通常、点灯後２０〜３０分後である。

上述のように、陽極の長寿命化には、陽極の放熱面、即ち、表面積を増加させると同時に、陽極の表面におけるガス流を整流化させる必要がある。ここで、陽極の全長Ｌと後端のテーパ面１０４の軸線方向の寸法Ｌ３は一定であるとする。先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２を小さくすると、比Ｌ１／Ｌは大きくなる。

図示のように、比Ｌ１／Ｌを大きくすると、照度維持率は上昇する。胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合が４０〜８５％の場合に、照度維持率は７０％を超える。胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合が８５〜９０％の場合に、照度維持率は９０％を超える。これは、胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合を大きくすると、放熱性が改善されるためであると考えられる。しかしながら、胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合が９０％を超えると、照度維持率は寧ろ減少する。これは、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２を小さくし過ぎると、陽極の表面におけるガス流の整流化が妨げられ、陽極の表面の放熱性が低下するためであると考えられる。

一方、比Ｌ１／Ｌを大きくすると、照度変動率は減少する。胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合が４０〜８５％の場合に、照度変動率は１．５％以下となる。これは、胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合を大きくすると、放熱性が安定化するためであると考えられる。胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合が８５％を超えると、照度変動率は増加する。これは、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２を小さくし過ぎると、陽極の表面におけるガス流の整流化が妨げられ、陽極の表面からの放熱性が不安定化すると考えられる。

以上より、放熱面が増加し、比Ｌ１／Ｌを大きくすることが好ましいが、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２が小さすぎるのは好ましくない。そこで、本実施形態では、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２を、５ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下とする。

陽極の全長Ｌに対する胴体面１０５の寸法Ｌ１の割合（％）を４０〜８５％とすると、照度維持率が７０％以上となり、照度変動率が１．５％以下となる。従って、本実施形態では、先端のテーパ面１０２の軸線方向の寸法Ｌ２、及び、比Ｌ１／Ｌの値を次のように設定する。
５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ （式４）
０．４０≦Ｌ１／Ｌ≦０．８５ （式５）

図７を参照して、陽極の溝１０６の深さと山１０８のテーパ面１１０の陽極半径方向の寸法ａの比の最適値を考察する。図７は、山１０８のテーパ面１１０の陽極半径方向の寸法ａに対する溝１０６の深さｈの比を変化させて、照度変動率を測定した結果を示す。図７の右側に記載されているように、ここでは、陽極の外径がＤ＝２５ｍｍ、陽極の全長がＬ＝４０ｍｍ、５０ｍｍのものを用いた。

横軸は、比ｈ／ａであり、縦軸は照度変動率（％）を表す。照度変動率は、ショートアーク型水銀ランプの照度が安定してから、アークの中心から水平方向に１００ｃｍの位置における照度の変動量を５分間測定して求めた。当該ショートアーク型水銀ランプの照度が安定するのは、通常、点灯後２０〜３０分後である。

ここで、溝１０６の深さｈは一定であるとする。テーパ面１１０の陽極半径方向の寸法ａを小さくすると、比ｈ／ａの値は増加する。

図示のように、比ｈ／ａの値が１の場合には、照度変動率は比較的高い。比ｈ／ａ＝１は、溝１０６の深さｈとテーパ面１１０の寸法ａが同一の場合である。これは、溝１０６の全体がテーパ面によって形成されている場合である。この場合、陽極の表面におけるガス流の整流化が妨げられていると考えられる。比ｈ／ａの値が１〜１０の場合には、比ｈ／ａの値を大きくすると、即ち、テーパ面１１０の寸法ａを小さくすると、照度変動率は低下し、比ｈ／ａ＝１０付近で最小となる。比ｈ／ａの値を１０より大きくすると、即ち、テーパ面１１０の寸法ａを更に小さくすると、照度変動率は増加する。

照度変動率を１．５％以下にするには、比ｈ／ａの値は、１．５〜２０程度であることが好ましい。比ｈ／ａの値が１．５〜２０程度の場合、山１０８の縁にテーパ面１１０を設けることによって、陽極の表面におけるガス流が整流化され、ガスの流れが促進されるものと考えられる。従って、本実施形態では、テーパ面１１０の陽極半径方向の寸法ａに対する陽極の溝１０６の深さｈの比ｈ／ａの値を次のように設定する。
１．５≦ｈ／ａ≦２０ （式６）

図８を参照して、陽極の溝１０６の深さｈと幅ｇの比、即ち、アスペクト比ｋ１の最適値を考察する。図８は、アスペクト比ｋ１を変化させて、照度変動率を測定した結果を示す。図８の右側に記載されているように、ここでは、陽極の外径がＤ＝２５ｍｍ、陽極の全長がＬ＝４０ｍｍ、５０ｍｍのものを用いた。

横軸は、アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇであり、縦軸は照度変動率（％）を表す。照度変動率は、ショートアーク型水銀ランプの照度が安定してから、アークの中心から水平方向に１００ｃｍの位置における照度の変動量を５分間測定して求めた。当該ショートアーク型水銀ランプの照度が安定するのは、通常、点灯後２０〜３０分後である。

図示のように、アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇの値が１以下の場合、アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇを増加させると、照度変動率は減少する。アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇの値が６以上の場合、アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇを増加させると、照度変動率は増加する。アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇが１〜５程度であれば、照度変動率は１．５％以下となる。これは、陽極の表面におけるガス流が整流化されるものと考えられる。従って、アスペクト比ｋ１＝ｈ／ｇは次の式によって表される。
１≦ｈ／ｇ≦５ （式７）

更に、ピッチｐ＝ｆ＋ｇに対する山の寸法ｆの比は０．５以上であることが好ましい。従って、山の寸法ｆは次の式によって表される。
ｆ／（ｆ＋ｇ）≧０．５ （式８）

ここで再度、図４を参照して、陽極の胴体面１０５の放熱面、即ち、表面積を計算する。先ず、溝１０６の放熱面の面積Ｓ１を計算する。溝１０６の底面１０７の面積は、π（Ｄ−２ｈ）×ｇである。溝１０６のリング状の側壁の面積は、π（Ｄ−ｈ）×ｈ×２である。従って、１つの溝１０６の放熱面の面積Ｓ１は、次の式によって表される。
Ｓ１＝π（Ｄ−２ｈ）×ｇ＋π（Ｄ−ｈ）×ｈ×２
＝πＤ×ｇ＋π（Ｄ−ｇ−ｈ）×２ｈ （式９）

この式の第１項、πＤ×ｇは、溝を形成しなかったときの放熱面の面積である。従って、この式の第２項、π（Ｄ−ｇ−ｈ）×２ｈが、溝を形成したことによる放熱面の増加分を表す。これをΔＳとすると、次の式によって表される。
ΔＳ＝π（Ｄ−ｇ−ｈ）×２ｈ （式１０）

ここで、陽極の円周面にｎ個の溝を設けたものとする。また、溝１０６の軸線方向の寸法ｇと山１０８の軸線方向の寸法ｆが等しいとする。この条件は次の式によって表される。
ｐ×ｎ＝Ｌ１
ｆ＝ｇ＝ｐ／２＝Ｌ１／２ｎ （式１１）

この関係を用いると、放熱面の増加分ΔＳは次の式によって表される。
ΔＳ＝π（Ｄ−Ｌ１／２ｎ−ｈ）×２ｈ （式１２）

陽極の外径Ｄ及び胴体面１０５の寸法Ｌ１を一定とする。溝の深さｈが一定であると仮定すると、ΔＳを大きくするには、溝の数ｎは大きくするか、又は、ピッチｐを小さくするとよい。例えば、陽極の外径をＤ＝２５ｍｍ、胴体面１０５の寸法をＬ１＝４０ｍｍ、溝の深さをｈ＝２ｍｍ、ピッチをｐ＝４ｍｍ、溝の数をｎ＝１０とする。放熱面の増加分は、ΔＳ＝２６４ｍｍ²となる。こうして、表面積が増えると、放熱面が増加し、放熱性が上がる。

以上、本実施形態に係る陽極の構造について説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

１０…陽極、 １２…陰極、 １４…石英ガラス発光管、 １６…金属薄膜、 １８…水銀、 １０１…先端面、 １０２…テーパ面、 １０３…後端面、 １０４…テーパ面、 １０５…胴体面、 １０６…溝、 １０７…底面、 １０８…山、 １０９…円周面、 １１０…テーパ面、 １１１…テーパ面、 １１５…Ｖ溝、 １１６…矩形断面溝

Claims (12)

1. 石英ガラス発光管と該発光管内に収納された陽極と陰極を有するショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極は、円形の先端面と円周状の胴体面を有する円柱状に形成され、
   前記陽極の胴体面には、円周方向に延びる複数の矩形断面の溝と複数の矩形断面の山が交互に形成され、
   前記山の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該山の縁のテーパ面の前記陽極の半径方向の寸法ａに対する前記陽極の溝の深さｈの比ｈ／ａの値は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
   １．５≦ｈ／ａ≦２０
2. 請求項１記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の前記先端面の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、
   前記陽極の全長をＬとし、前記陽極の胴体面の軸線方向の寸法をＬ１とし、前記先端面の縁のテーパ面の軸線方向の寸法をＬ２とするとき、Ｌ２の値、及び、比Ｌ１／Ｌの値は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
   ５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ
   ０．４０≦Ｌ１／Ｌ≦０．８５
3. 請求項１又は２記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の溝の深さをｈ、前記陽極の溝の幅をｇ、前記陽極の山の幅をｆとするとき、前記陽極の溝の深さと幅の比の値、及び、前記陽極の溝と山の幅の合計値（ｆ＋ｇ）に対する前記陽極の山の幅ｆの比の値は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
   １≦ｈ／ｇ≦５
   ｆ／（ｆ＋ｇ）≧０．５
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記山の縁のテーパ面は湾曲面として形成されていることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の山の円周面に対する前記山の縁のテーパ面の傾斜角をθ１とするとき、該傾斜角θ１は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
   ３０°≦θ１≦６０°
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の溝の底面の縁に円周状に延びるテーパ面が形成されており、前記陽極の溝の底面に対する該溝の底面の縁のテーパ面の傾斜角をθ２とするとき、該傾斜角θ２は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
   ３０°≦θ２≦６０°
7. 請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の中心軸線に対して直交する面に対する前記陽極の先端面のテーパ面のなす角を傾斜角α（アルファ）とすると、該傾斜角は、α＝２０〜４０度であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陽極の材料として、タングステン、又は、カリウムをドープしたタングステンが用いられていることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
   前記陰極の材料として、酸化トリウム、酸化ジルコニウム及び酸化ランタンの少なくとも１つを含有するタングステンが用いられていることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載のショートアーク型水銀ランプにおいて、
    前記陽極の外径は２０〜４０ｍｍ、前記陽極の軸線方向の寸法は２０〜１００ｍｍであることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
11. 円形の先端面と円周状の胴体面を有する円柱状に形成されたショートアーク型水銀ランプ用陽極において、
    前記陽極の胴体面には、円周方向に延びる複数の矩形断面の溝と複数の矩形断面の山が交互に形成され、
    前記山の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、該山の縁のテーパ面の寸法ａに対する前記溝の深さｈの比ｈ／ａの値は次の式のように設定され、
    １．５≦ｈ／ａ≦２０
    前記先端面の円周状の縁に沿ってテーパ面が形成され、
    該陽極の全長をＬとし、前記胴体面の軸線方向の寸法をＬ１とし、前記先端面のテーパ面の軸線方向の寸法をＬ２とするとき、Ｌ２の値、及び、比Ｌ１／Ｌの値は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ用陽極。
    ５ｍｍ≦Ｌ２≦１０ｍｍ
    ０．４０≦Ｌ１／Ｌ≦０．８５
12. 請求項１１記載のショートアーク型水銀ランプ用陽極において、
    前記溝の深さをｈ、前記溝の幅をｇ、前記山の幅をｆとするとき、前記陽極の溝の深さと幅の比の値、及び、前記陽極の溝と山の幅の合計値（ｆ＋ｇ）に対する前記陽極の山の幅ｆの比の値は次の式のように設定されることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ用陽極。
    １≦ｈ／ｇ≦５
    ｆ／（ｆ＋ｇ）≧０．５

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