JP2016046002A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供する。
【解決手段】放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極は、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部３１０とタングステン製の基体３２０の２つの部材を含み、前記基体３２０は凸部３２３を有し、前記頭部３１０は凹部３１３を有し、前記凸部３２３を前記凹部３１３に係合させることによって、一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、前記頭部３１０及び前記基体３２０の外径をＤ₁、前記基体の凸部の外径をＤ₂、前記陰極の体積に対する前記頭部の体積の比をｋとするとき、０．３≦Ｄ₂／Ｄ₁≦０．７、０．１０≦ｋ≦０．１８である。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、紫外線を発光する高圧水銀ランプに関し、特に、アーク長が比較的短いショートアーク型放電ランプに関する。本発明は、特に、ショートアーク型放電ランプの電極に関する。

高圧水銀ランプのうち、アーク長が比較的短い構造のランプはショートアーク型放電ランプと称される。ショートアーク型放電ランプは、高輝度の光を放射することができるため広い分野で用いられる。特に、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプや４３６ｎｍのｇ線ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源として用いられる。

ショートアーク型放電ランプの電極は通常タングステン製である。しかしながら、従来、製造工程で用いられる露光用ランプでは、エミッション性能を向上させるために、トリエーテッドタングステン製の電極が用いられる。トリエーテッドタングステン（以下、トリタン）はタングステンにトリウムを添加したものである。トリタン製の電極では、トリウムがエミッタとなる。

特許文献１には、陰極のエミッタとしてトリウムを使用する放電ランプの例が記載されている。陰極はタングステン製の本体とトリタン製のトリタン部から構成される。特許文献２には、放電ランプにおいて、電極を２つの部材より構成し、２つの部材をネジで接合することにより一体化する例が記載されている。特許文献３には、放電ランプの製造方法として、電極芯棒と電極先端部を機械的に接合する方法の例が記載されている。

特開２０１１−１５４９２７号公報（特許第５３１６４３６号） 特開２０１０−１５７９２号公報（特許第４５９１５６３号） 特開２００７−１８８８０２号公報

トリウムは、エミッタとして優れた物質であるが、放射性物質であるため、環境負荷物質と見做され、近年、その使用について法規上の規制が設けられている。そこでトリウムの代替物質が探究されている。例えば、ランタン、イリジウム等が候補として挙げられている。しかしながら、トリウムに代わり得るエミッタ物質を見つけるのは困難である。そこで、現時点ではトリウムの使用量を軽減する要請がある。

本発明の目的は、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することにある。

環境負荷の低減の要請からトリウムの使用量を低減する必要があるが、陰極のトリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。トリウムの使用による利点を享受すると同時に環境負荷を低減する必要がある。そこで、本願の発明者は、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量をできるだけ低減するための陰極の条件を検討した。本願の発明者は、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極について鋭意検討した。尚、ランプ特性として、アーク安定性、及び、ランプ寿命を検討した。

本発明によると、放電管と、前記放電管の内部にて互いに対向して配置した陰極及び陽極と、を有し、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部とタングステン製の基体の２つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、
前記頭部及び前記基体の外径をＤ₁、前記基体の凸部の外径をＤ₂、前記陰極の体積に対する前記頭部の体積の比をｋとするとき、
０．３≦Ｄ₂／Ｄ₁≦０．７
０．１０≦ｋ≦０．１８
である。

本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記頭部と前記基体の間の係合部において、前記基体の接合部の表面積をＳ、ランプ電流をＩとするとき、Ｉ／Ｓ≦２．０である、としてよい。

本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記基体の凸部及び前記頭部の凹部の軸線方向の寸法は４〜１０ｍｍである、としてよい。

本発明によると、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、簡単な構成で機械的強度と所定のランプ特性を確保することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示すための簡略化した断面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプのシール管部の拡大断面図である。 図２Ｂは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプのシール管部の電極マウントにおける電気的接続方法を説明する図である。 図３Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極の外観を説明する図である。 図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極の構造を説明する図である。 図４は、本願の発明者が行った実験の結果を示す図である。 図５は、本願の発明者が行った実験の結果を示す図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプ１０の概略構造を示すための簡略化した断面図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、球状の発光部１Ａとその両側の管状のシール管部１Ｂ、１Ｃからなる放電管１を有する。放電管１は石英ガラスによって形成される。放電管１の発光部１Ａにはチップオフ１ｄが形成されている。ランプの製造時に、チップオフ１ｄの位置に取り付けられた排気管から放電管１内に、水銀、不活性ガスを単独またはそれらの混合ガスの形で封入する。

ショートアーク型放電ランプ１０は、陽極２と陰極３を有する。陽極２は電極先端部２Ａと電極芯棒２Ｂを含む。陰極３は電極先端部３Ａと電極芯棒３Ｂを含む。発光部１Ａの内部の空間１ａには、電極先端部２Ａ、３Ａが対向して配置されている。本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、垂直点灯型であり、陽極２が下側に陰極３が上側となるように、ランプの中心軸線が略垂直となるように設置される。

シール管部１Ｂ、１Ｃには、それぞれ電極マウント９が装着されている。電極マウント９の外端からそれぞれリード線６が突出している。電極マウント９は、電極芯棒２Ｂ、３Ｂ及びリード線６を支持すると同時に放電管１の内部を密閉する機能を有する。電極マウント９は、このような機能を備えればどのような構造であってもよく、特に限定されるものではない。電極マウント９の例は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。電極芯棒２Ｂ、３Ｂには、放電管１の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材１１が装着されている。

シール管部１Ｂ、１Ｃの電極側端部には、電極マウント９の内端面９ａを底面とする円形の凹部１ｂ、１ｃがそれぞれ形成されている。このような凹部１ｂ、１ｃを設けるのは、電極マウント９をシール管部１Ｂ、１Ｃに溶着するためにシール管部１Ｂ、１Ｃをバーナ等で加熱するときに、その熱が発光部１Ａに伝わってその発光部１Ａが変形することを防ぐためである。

本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、１〜１０ｋＷ、好ましくは、１．５〜４．５ｋＷのランプ電力を有し、中心発光波長が４３６ｎｍの紫外線を出力するｇ線ランプ、又は、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプである。放電管１の発光部１Ａの最大外径は、発光出力の大きさに応じて異なり、５０〜１５０ｍｍであり、例えば５０〜７０ｍｍであってよい。発光部１Ａの軸線方向の長さは７０〜１８０ｍｍであり、例えば７０〜９０ｍｍであってよい。陽極２と陰極３の冷間時先端部間の距離は、１．０〜１５．０ｍｍであり、例えば３．０〜５．０ｍｍであってよい。

本実施形態では、放電管１内には、３〜７５ｍｇ/ｃｍ³の水銀、例えば、４〜４０ｍｇ/ｃｍ³の水銀が封入されてよい。更に、放電管１内には、キセノン（Xe）、アルゴン（Ar）及びクリプトン（Kr）の中の少なくとも１つの希ガスが封入される。ただし、１つの希ガスに代えて、混合ガス、例えばＫｒ及びＡｒの混合ガスを用いてもよい。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略０．０５〜０．６ＭＰａであり、例えば０．０８〜０．３ＭＰａであってよい、ランプ点灯時には、放電管１内の圧力は１．０〜４．０ＭＰａ程度になる。

図２Ａを参照してショートアーク型放電ランプ１０の陰極側のシール管部１Ｂの構造の例を説明する。尚、陽極側のシール管部１Ｃの構造は、陰極側のシール管部１Ｂの構造と同様である。シール管部１Ｂの内部には、電極マウント９が溶着されており、それによって放電管１の気密性が保たれている。シール管部１Ｂの外端には口金２８が装着される。図示のように、電極マウント９の軸線方向の寸法はシール管部１Ｂの軸線方向の寸法より短い。

電極マウント９の構造として様々な構造が知られている。ここでは、その１例を説明する。本実施形態の電極マウント９は、第１のシール部材２１、第２のシール部材２２及び第３のシール部材２３を有する。電極マウント９は、更に、第１のシール部材２１と第２のシール部材２２の間に介装された第１の集電円盤３１と第２のシール部材２２と第３のシール部材２３の間に介装された第２の集電円盤３２を有する。これらのシール部材２１、２２及び２３は、石英ガラス製の円柱部材によって形成されている。集電円盤３１、３２は、電導性材料からなる円板状部材によって形成される。

第１のシール部材２１及び第１の集電円盤３１には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、電極芯棒３Ｂが挿入されている。こうして、電極芯棒３Ｂは、第１の集電円盤３１に電気的に接続され、且つ、第１のシール部材２１に固定される。なお、第１の集電円盤３１には貫通孔を形成しないで、電極芯棒３Ｂの端部を第１の集電円盤３１に当接させることによって、電極芯棒３Ｂを、第１の集電円盤３１に電気的に接続してもよい。

また、第３のシール部材２３及び第２の集電円盤３２には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、リード線６が挿入されている。こうして、リード線６は、第２の集電円盤３２に電気的に接続され、且つ、第２及び第３のシール部材２２、２３に固定される。なお、第２のシール部材２２に孔を形成し、この孔にリード線６を挿入してもよい。

図２Ｂを参照して第１の集電円盤３１と第２の集電円盤３２とを電気的に接続する方法を説明する。図示のように、第１の集電円盤３１の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔２６ａ、２６ｂがそれぞれ配置されている。第２の集電円盤３２の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔２６ａ、２６ｂがそれぞれ配置されている。第１の集電円盤３１と第２のシール部材２２を全周覆うように、第１の緩衝箔２４ａが装着されている。第１の緩衝箔２４ａは、第１の集電円盤３１と、それに隣接する緩衝箔２６ｂと、それに隣接する第２のシール部材２２の一部を全周覆うように配置されている。

第２の集電円盤３２と第２のシール部材２２、及び、第２の集電円盤３２と第３のシール部材２３を全周覆うように、第２の緩衝箔２４ｂが装着されている。第２の緩衝箔２４ｂは、第２の集電円盤３２と、その両側の緩衝箔２６ａ、２６ｂと、それに隣接する第２のシール部材２２及び第３のシール部材２３の一部をそれぞれ全周覆うように配置されている。

また、第２のシール部材２２の外周面には、軸線方向に沿って、複数の短冊状のモリブデン製のシール箔２５（実線と破線のハッチングで示す）が、間隔を置いて配置されている。シール箔２５によって、第１の集電円盤３１と第２の集電円盤３２とが電気的に接続される。その結果、電極芯棒３Ｂとリード線６とが電気的に接続される。一方、リード線６は口金２８に接続される。従って、口金２８及びリード線６を経由して外部の電源から陽極２に電力が供給される。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、陰極３の構造を説明する。図３Ａは陰極３の外観図であり、図３Ｂは陰極３の組立図である。図３Ａに示すように、陰極３は、電極先端部３Ａと電極芯棒３Ｂを含む。陰極３は、頭部３１０と基体３２０の２つの部材を組み立てることによって形成される。頭部３１０はトリエーテッドタングステン（トリタン）によって形成される。トリタンは酸化トリウムを含有するタングスタンである。酸化トリウムの含有率は通常２ｗｔ％程度である。本実施形態では、エミッタとしてトリウムを用いる。頭部３１０は、酸化トリウム粉末とタングステン粉末の混合物を金型にてプレス成形し、それを焼結させることによって１次成形体を形成し、更に、この１次成形体を熱間加工することによって形成される。基体３２０は、純度９９．９ｗｔ％以上のタングステンによって構成される。

図３Ｂに示すように、頭部３１０は、円柱部３１１と円錐頂部３１２からなり、一体物として形成される。円錐頂部３１２の先端は完全に尖っている必要はなく、小さな円形の端面が形成されてよい。円柱部３１１の端面３１１Ａに軸線方向に延びる円筒状の凹部３１３が形成されている。一方、基体３２０は、円柱状の棒状部３２１と円柱状の凸部３２３からなり、一体物として形成される。凸部３２３は棒状部３２１の円形端面３２１Ａより軸線方向に突出しており、凸部３２３の外径は棒状部３２１の外径より小さい。従って、両者の間に段差が形成されている。棒状部３２１には括れ部３２５が形成されてよい。頭部３１０の円柱部３１１と基体３２０の外径は等しい。

基体３２０の凸部３２３の外径及び軸線方向の寸法は、頭部３１０の凹部３１３の内径及び軸線方向の寸法に対応する。基体３２０の凸部３２３を頭部３１０の凹部３１３に係合させることによって、頭部３１０と基体３２０が一体化し、陰極３が形成される。

基体３２０の凸部３２３の端面の周縁にはテーパ３２３ａが形成されてよい。一方、頭部３１０の凹部３１３の底面には円錐状のテーパ面３１３ａが形成されてよい。この場合には、基体３２０の凸部３２３を頭部３１０の凹部３１３に係合させる。

尚、ここでは図示しないが、実際には、基体３２０の凸部３２３と頭部３１０の凹部３１３の間に頭部３１０の抜けを防止するためにモリブデン箔が挿入される。モリブデン箔は、基体３２０の凸部３２３の円筒状側面と、頭部３１０の凹部３１３の円筒状の内面の間に挿入されてよい。

次に、頭部３１０と基体３２０の寸法について説明する。頭部３１０の軸線方向の寸法をＬ、円柱部３１１の軸線方向の寸法をＬ₁、円錐頂部３１２の軸線方向の寸法をＬ₂、とする。基体３２０の凸部３２３の軸線方向の寸法をＬ₃、とする。頭部３１０の円柱部３１１、及び、基体３２０の外径を共にＤ₁、基体３２０の凸部３２３の外径をＤ₂、とする。

陰極全体の体積に対する頭部３１０の体積の比を考察する。頭部３１０の体積をＶ_A、基体３２０の体積をＶ_Bとする。陰極全体の体積に対する頭部３１０の体積Ｖ_Aの比をｋとする。頭部の体積比ｋは次の式によって表される。

ｋ＝Ｖ_A／（Ｖ_B＋Ｖ_A） 式１
Ｖ_A＝Ｖ₁−Ｖ₂ 式２
Ｖ_B＝Ｖ₃＋Ｖ₄ 式３
ここに、Ｖ₁は凹部３１３が無いと仮定した頭部３１０の体積、Ｖ₂は凹部３１３の体積、Ｖ₃は基体３２０の凸部３２３の体積、Ｖ₄は棒状部３２１の体積、である。

頭部３１０と基体３２０の間の係合部の構造について考察する。ここでは、基体３２０の凸部３２３の端面の周縁にテーパ３２３ａが形成されていないとする。更に、頭部３１０の凹部３１３の底面には円錐状のテーパ面３１３ａが形成されていないとする。頭部３１０と基体３２０の間の係合部は、基体３２０の凸部３２３と頭部３１０の凹部３１３の接合によって構成される。そこで係合部の構造的な特徴を表すパラメータとして、基体３２０の接合部の表面積を用いる。

基体３２０の凸部３２３の円筒状の側面の面積をＳ₁とする。基体３２０の凸部３２３の円形端面と基体３２０の棒状部３２１の環状の端面３２１Ａの面積の合計をＳ₂とする。基体３２０の接合部の表面積をＳとすると、次の式によって表される。

Ｓ＝Ｓ₁＋Ｓ₂＝π×（Ｄ₂×Ｌ₃＋Ｄ₁ ²／４） 式４
以下に、本願の発明者が行った実験を説明する。上述のように環境負荷を低減するには、トリウムの使用量を低減する必要がある。トリウムの使用量を低減するには、頭部３１０を小さくすればよい、即ち、式１に示す頭部の体積比ｋを小さくすればよい。しかしながら、トリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。従って、トリウムによるエミッション性能の利点を享受することができ且つトリウムの使用量を低減させる必要がある。

本実施形態の陰極は図３Ａ及び図３Ｂに示すように頭部３１０と基体３２０を係合させることによって形成される。そこで、本願の発明者は、陰極の機械的強度及びランプ特性が損なわれないことが必要であると考えた。尚、ランプ特性として、アーク安定性、及び、ランプ寿命を考慮した。

先ず本実施形態の陰極の機械的強度について説明する。本願の発明者は、基体３２０の外径Ｄ₁、及び、基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ₂が互いに異なる複数の実験例を作成し、その機械的強度を検討した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、基体３２０の外径に対する基体３２０の凸部３２３の外径の比Ｄ₂／Ｄ₁が０．３より小さいと、即ち、基体３２０の凸部３２３が細すぎると、折れやすくなることが判った。逆に、この外径比Ｄ₂／Ｄ₁が０．７より大きいと、即ち、基体３２０の凸部３２３が太すぎると、頭部３１０の凹部３１３の壁が薄くなり、その縁が破損し易くなることが判った。そこで、本実施形態では、外径比をＤ₂／Ｄ₁＝０．３〜０．７とする。こうして本実施形態では、簡単な構成で陰極の機械的強度を確保することができる。以下に説明する実験では、外径比をＤ₂／Ｄ₁＝０．３〜０．７として実験例を作成した。

以下に説明する実験に使用したショートアーク型放電ランプ１０は、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプである。放電管１の発光部１Ａの最大外径は５４ｍｍ、軸線方向の寸法は７４ｍｍである。シール管部１Ｂの軸線方向の長さは７６ｍｍ、シール管部１Ｂの電極側端部における外径は２５ｍｍ、内径は１８〜１９ｍｍである。電極マウント９の外径は１８ｍｍである。また、陽極２の外径は約１８ｍｍ、冷間時電極間距離は約４．６ｍｍである。

更に、以下に説明する実験に使用したショートアーク型放電ランプ１０では、入力電力は１．５〜４．５ｋＷであり、頭部の凹部及び基体３２０の凸部３２３の軸線方向の寸法Ｌ₃は、４〜１０ｍｍである。

図４を参照して本願の発明者が行った第１の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はアーク安定性を検討することである。本願の発明者が行った実験では、点灯初期と２０００時間点灯後のアークの揺れ（フリッカ）を観察した。アークから１０００ｍｍ離れた場所に設置した照度計により照度の変動を測定した。

図４は、式１に示す頭部の体積比ｋとアーク安定性の関係を表すグラフを示す。縦軸は、照度変動率（単位：％）、横軸は式１に示す頭部の体積比ｋである。この実験では、基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ₂が異なる複数の実験例を用意した。即ち、式１に示す頭部の体積比ｋが異なる複数の実験例を用意した。但し、頭部の体積比ｋの最小値は０．０３であり、最大値はｋ＝１である。ｋ＝１は、陰極をすべてトリタンによって構成した場合、即ち、トリタン製の一体的な陰極である。以下に、これを対照例（コントロール）と称する。

図４の上側のグラフ（四角の点）は、各実験例及び対照例について２０００時間点灯後の照度変動率を示し、図４の下側のグラフ（菱形の点）は、各実験例及び対照例について点灯初期の照度変動率を示す。これらのグラフから、点灯初期と２０００時間点灯後のいずれの場合も、頭部の体積比ｋが０．１０より小さいと照度変動率は大きいが、頭部の体積比ｋが０．１０以上では照度変動率の変化は比較的小さいことが判る。頭部の体積比ｋが０．１０以上の場合、点灯初期の照度変動率は略１．０％であるが、２０００時間点灯後の照度変動率は略１．８％である。本願の発明者は、本実施形態における頭部の体積比ｋの範囲を０．１０〜０．１８に設定した。

頭部の体積比ｋの下限を０．１０とした理由を説明する。ショートアーク型放電ランプを露光用光源として用いる場合、通常、紫外光を集光ミラーによって集光し、照射対象に効率的に照射する。このような光学系では、ショートアーク型放電ランプは集光ミラーの焦点の位置に配置される。従って、照度変動が大きいと、露光対象の仕上がりに影響する。そこで、実用的な照度変動率の許容限度は２％程度である。頭部の体積比ｋが０．１０の場合、２０００時間点灯後の照度変動率は１．８％である。従って頭部の体積比ｋが０．１０以上であれば、照度変動率の許容限度を超えることはない。

更に、本願の発明者が行った実験から、頭部の体積比ｋが０．１０より小さい場合には、エミッション性能が悪く、且つ、黒化現象が著しくなることが判った。一方、頭部の体積比ｋが０．１０以上であれば、所望のエミッション特性を確保することができる。

次に、頭部の体積比ｋの上限を０．１８とした理由を説明する。環境負荷を低減させるために、トリウムの使用量をできるだけ低減することが本発明の目的である。そこで、頭部の体積比ｋの上限を０．１８とした。頭部の体積比ｋが０．１８以下であれば、法規上の規制の観点からトリウムの使用量が多いとは言えない。本実施形態によると、頭部の体積比ｋの範囲を０．１０〜０．１８に設定することにより、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減し、更に、所定のランプ特性を確保することが可能となる。

図５を参照して本願の発明者が行った第２の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。ランプ寿命を表す指標として照度維持率を測定した。この実験では、基体３２０の外径はＤ₁＝６ｍｍ、ランプ電圧は２６Ｖ、ランプ電流は６７．３Ａ、ランプ定格電力は１．７５ｋＷとした。基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ₂が異なる複数の実験例と対照例（基準）を用意した。即ち、式１に示す頭部の体積比ｋが異なる複数の実験例と対照例を用意した。上述のように対照例は、体積比ｋ＝１の場合であり、トリタン製の一体的な陰極である。これを判定基準とした。

図５は、点灯後の照度維持率の変化を表すグラフを示す。縦軸は照度維持率（単位：％）、横軸はランプ点灯時間（単位：時間）である。照度維持率は、ランプ点灯直後の照度を１００％として、所定時間経過後の照度を百分率で表したものである。実線の３つのグラフはｋ＝０．１３、ｋ＝０．１６、ｋ＝０．１８の実験例１の場合であり、破線の２つのグラフは、ｋが０．１未満の実験例２の場合である。一点鎖線の２つのグラフは、ｋ＝１．００の対照例（基準）の場合である。

図示のように、対照例の場合、２５００時間経過後も照度維持率は９０％を超えている。一方、頭部の体積比ｋが０．１未満の実験例２の場合、比較的短時間で、即ち、８００時間程度で、照度維持率は９０％以下となる。ｋ＝０．１３、ｋ＝０．１６、ｋ＝０．１８の実験例１の場合、２０００時間経過後も照度維持率は９０％を超える。上述のように第１の実験結果から本実施形態では、頭部の体積比ｋを０．１０〜０．１８に設定した。しかしながら、この第２の実験結果から、頭部の体積比ｋを０．１３〜０．１８とすることにより、より好ましい照度維持率が得られることが判る。

次に、本願の発明者が行った第３の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。ここではランプ寿命を表す指標として陰極の動作温度に着目した。陰極の動作温度を規定する要因として、陰極に流れる電流に着目した。本願の発明者は、式４の基体３２０の接合部の表面積Ｓが異なる複数の実験例を用意し、ランプ電流を変化させて、動作温度及び照度維持率を測定した。

表２は、本願の発明者が行った第３の実験の結果を示す。この表は、式４の基体３２０の接合部の表面積Ｓに対するランプ電流の比Ｉ／Ｓと陰極動作温度の関係を示す。ここで、基体３２０の接合部の表面積Ｓに対するランプ電流の比Ｉ／Ｓは、単に、基体３２０の接合部の表面積Ｓとランプ電流Ｉの比を意味し、基体３２０の接合部の表面積Ｓにおける電流密度を表すものではない。陰極動作温度は、安定点灯時において、陰極先端から中心軸線に沿って３ｍｍ下方における表面温度を赤外線サーモグラフィーで測定したものである。基準となる対照例の場合と同等の温度を１００％として各実験例を百分率で表した。

表２によると、比Ｉ／Ｓが０．５〜２．０では、陰極動作温度は１００％であり、基準となる対照例と同様な陰極動作温度となる。比Ｉ／Ｓが２．５〜４．０では、陰極動作温度は１００％を超え、基準となる対照例より高い陰極動作温度となる。陰極動作温度が対照例の場合よりも高くなるのは好ましくない。従ってこの表２から、比Ｉ／Ｓ＝０．５〜２．０とするのがよい。

次に、本願の発明者が行った第４の実験及びその結果を説明する。この実験の目的はランプ寿命を検討することである。表３は、比Ｉ／Ｓと照度維持率の関係を示す。照度維持率は、点灯後１０００時間経過後の照度を測定し、対照例の場合を１００％として各実験例の場合の測定結果を百分率で表した。Ｉ／Ｓ＞２．５の場合には、照度維持率は共に１００％未満となった。即ち、基準となる対照例のレベルを得ることはできなかった。従ってこの表３から、比はＩ／Ｓ≦２．０とするのがよい。こうして本実施形態では、比をＩ／Ｓ≦２．０とすることによって所望のランプ特性を確保することができる。

以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本発明は上記の実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。

１…放電管、１Ａ…発光部、１Ｂ、１Ｃ…シール管部、１ｂ、１ｃ…凹部、１ｄ…チップオフ、２…陽極、２Ａ…電極先端部、２Ｂ…電極芯棒、３…陰極、３Ａ…電極先端部、３Ｂ…電極芯棒、６…リード線、９…電極マウント、１０…ショートアーク型放電ランプ、１１…ゲッター材、１４…凹部、１５…金属部材、１６…空間、２１…第１のシール部材、２２…第２のシール部材、２３…第３のシール部材、２４ａ、２４ｂ…緩衝箔、２５…シール箔、２６ａ、２６ｂ…緩衝箔、２８…口金、３１…第１の集電円盤、３２…第２の集電円盤、３１０…頭部、３１１…円柱部、３１１Ａ…端面、３１２…円錐頂部、３１３…凹部、３１３ａ…テーパ面、３２０…基体、３２１…棒状部、３２１Ａ…端面、３２３…凸部、３２３…テーパ面、３２５…括れ部

Claims (3)

1. 放電管と、前記放電管の内部にて互いに対向して配置した陰極及び陽極と、を有し、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極は、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部とタングステン製の基体の２つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、
   前記頭部及び前記基体の外径をＤ₁、前記基体の凸部の外径をＤ₂、前記陰極の体積に対する前記頭部の体積の比をｋとするとき、
   ０．３≦Ｄ₂／Ｄ₁≦０．７
   ０．１０≦ｋ≦０．１８
   である、ショートアーク型放電ランプ。
2. 請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記頭部と前記基体の間の係合部において、前記基体の接合部の表面積をＳ、ランプ電流をＩとするとき、
   Ｉ／Ｓ≦２．０
   である、ショートアーク型放電ランプ。
3. 請求項１又は２のショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記基体の凸部及び前記頭部の凹部の軸線方向の寸法は４〜１０ｍｍである、ショートアーク型放電ランプ。

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