JP2017069078A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】陽極から放射される熱を利用して陰極の昇温を図り、陰極に担持された電子放出に寄与する電子放射性物質の枯渇を防止し、安定したアーク放電を実現する。【解決手段】放電容器２と、所定間隔を隔て先端部を相対向させて放電容器内に配置された陰極３と陽極４とを備え、陽極に、動作時に当該陽極に発生する熱により陰極を昇温させる熱放射用の溝部３１を設ける。熱放射用の溝部には、陽極に発生する熱を、陰極に向けて放射する指向性が付与されている。【選択図】図５

Description

本発明は、ショートアーク型の放電ランプなど、特定波長の光を放射する放電ランプに関する。

従来、アーク放電により光を放射するようにした放電ランプとして、ショートアーク型の放電ランプが用いられている。ショートアーク型の放電ランプは、希ガスや水銀、金属のハロゲン化合物などを封入した放電容器内に、陽極と陰極とを近接させた状態で保持し、陽極と陰極との間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させ、紫外光などの特定波長の光を放射する。

この種のショートアーク型の放電ランプにおいて、動作時に電子の放出側となる陰極を高融点金属材料であるタングステンに電子放射性物質である二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）をドープしたトリエーテッドタングステンにより形成したものが用いられている。

トリエーテッドタングステンは、ドープされた二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）がタングステンにより還元されることによりトリウム（Ｔｈ）を生成する。ここで生成されるトリウムは、エミッタとして作用し、陰極から放出される電子の放出の安定化を図る。陰極からの安定した電子の放出が図られることにより、アーク点孤性が向上し、放電ランプとしての使用寿命の長期化を実現できる。

ところで、タングステンにドープされた二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）を、タングステンにより効率良く還元してトリウムを生成するためには、２１００℃〜２９００℃程度の非常に高い温度が必要である。

そこで、陰極に放電アークからの放射光を受光する受光部を設け、この受光部により放射光を受光することによりにより、陰極を加温するようにした技術が特開２００５−１４２０７１号公報（特許文献１）において提案されている。

また、陰極と対向配置された陽極の外周面に断面形状をＶ字型とする溝部を設け、駆動時に陽極に発生する熱を陽極の外方に向かって放射するようにした技術が特開２００３−１５７７９４号公報（特許文献２）において開示されている。

特開２００５−１４２０７１号公報 特開２００３−１５７７９４号公報

ところで、特許文献１において開示された放電ランプに用いられる陰極は、タングステン粉末を成形して形成され、円柱状の胴体部とこの胴体部の一端から先端側に向かって徐々に縮径する略円錐状をなす縮径部を備える。そして、陰極には、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）がドープされ、放電アークからの放射光を受光する受光部が設けられている。この受光部は、縮径部の胴体部に連続する基部側の外周面に階段状の段差部を形成することによって構成されている。陰極に設けた受光部を階段状の段差部として形成すると、階段状の段差部の鋭角とされた先端部分に放電が集中し、この段差部の先端部分を集中的に高温化する。その結果、段差部を構成するタングステンが溶融し放電容器内に蒸発する。放電容器内に蒸発したタングステンは、放電管の内壁に付着し、透過率を低下させるばかりか、陰極の消耗を促進し放電ランプの寿命を低下させてしまう。

また、特許文献２において開示された放電ランプは、放電容器内で陰極に相対向して配置される陽極に、熱放出のための溝部を形成したものである。特許文献２に開示される陽極は、円柱状の胴体部とこの胴体部の一端から先端側に向かって徐々に縮径する略円錐状をなす縮径部を備え、この縮径部の外周面に、縮径部の周回り方向に連続して断面Ｖ字型をなす溝部を形成することにより、陽極からの熱放射特性を改善し、陽極の温度を効率良く低下するようにしたものである。

特許文献２に開示された陽極に形成された断面形状をＶ字型とする溝部は、専ら陽極の熱放射特性の改善を目的に設けられるものであって、この溝部から放射される熱が陽極の先端方向の斜め外方に放射するように、陽極の電極軸に対し傾斜した縮径部の外周面に対し、このＶ字型の溝部の中心軸が垂直となるように形成されている。

したがって、特許文献２に開示されたＶ字型の溝部から放射される熱の多くは放電容器の外方に向かって放射され、その一部が陽極に対し相対向して配置された陰極の放電容器への支持部あるいは支持軸に支持された基端部側からその周囲に放射される。そのため、陽極から放射される熱により陰極を十分に昇温することが困難であり、陰極にドープなどされて担持された二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）を十分に利用することができない。

そこで、本発明は、動作時に陽極から放射される熱を利用することにより、機構の複雑化を招くことなく陰極の昇温を図り、陰極に担持された電子放射性物質の還元を促進し、電子放出に寄与する電子放射性物質の枯渇を低減し、安定したアーク放電を実現し、使用寿命の長期化を実現可能とした放電ランプを提供することを目的とする。

また、本発明は、陰極の消耗を抑制しながら陰極を昇温し、陰極に担持された電子放射性物質の還元を促進し、電子放出に寄与する電子放射性物質の枯渇を低減し、安定したアーク放電を実現して、使用寿命の長期化を実現可能とした放電ランプを提供することを目的とする。

上述したような技術課題を達成するために提案される本発明は、放電容器と、所定間隔を隔て先端部を相対向させて上記放電容器内に配置された陰極と陽極とを備え、上記陽極に、動作時に当該陽極の熱により上記陰極を昇温させる熱放射手段を設けたことを特徴する。

上記熱放射手段には、陽極の熱を、陰極に向けて放射する指向性が付与されている。

本発明に用いられる陽極は、円柱状をなす胴体部と、先端面が形成されるとともに上記胴体部に連続する基端部側から上記先端面が形成された先端部側に向かって外周径を徐々に縮径させた縮径部とを有し、陰極は、円柱状をなす胴体部と、上記胴体部に連続する基端部側から先端部側に向かって外周径を徐々に縮径させた縮径部とを有し、陽極に発生する熱により陰極を昇温させる熱放射手段は、陽極に設けられた縮径部の外周部に設けられている。

熱放射手段には、陽極の熱を、陰極の縮径部及び／又は胴体部に向けて放射する指向性が付与されていることが望ましい。

熱放射手段は、陽極に設けられた縮径部の外周部に形成された溝部により構成することができる。

陽極を構成する縮径部の基端部は、陰極の胴体部の外周径より大きな外周径を有し、陽極を構成する縮径部の先端部に形成された先端面は、陰極の胴体部の外周径より小さい径の円形として形成されることが望ましい。

本発明に用いられる陰極は、高融点金属材料に電子放射性物質を担持した金属材料により形成されている。陰極を構成する金属材料として、タングステンに電子放射性物質である二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）をドープしたトリエーテッドタングステンを用いることが望ましい。

本発明は、陽極に設けた熱放射手段により、放電ランプの動作時に陽極の熱を陰極に向けて積極的に放射するようにしているので、陽極に比し昇温され難い陰極にドープなどされて担持された電子放射性物質を効率良く還元し、陰極における電子放射性物質の枯渇を低減し、安定したアーク放電を実現して、放電ランプの使用寿命の長期化が実現可能となる。

そして、本発明は、陽極に設けられる熱放射手段に熱放射の指向性が付与されることにより、陽極に発生する熱を陰極に集中して放射することができ、陰極を昇温するために利用される熱の利用効率を向上できる。そのため、陰極を一層確実に昇温し、陰極に担持された電子放射性物質の利用効率の一層の向上を実現できる。

本発明は、熱放射手段に熱放射の指向性が付与されることにより、放電面となる陰極の先端面を除いて陰極縮径部から胴体部に集中して熱放射することができるので、放電面となる陰極の先端面を過剰に昇温することを規制し、陰極の過剰な消耗を抑えることができる。

さらに、本発明は、熱放射手段を、陽極の外周部に設けた溝部により構成することにより、陽極に発生する熱を陰極に誘導するために独立した機構等を設ける必要もないので、放電ランプを構成する部品点数が増加することなく簡素な構成で陰極に担持された電子放射性物質の利用効率を向上することができる。

本発明により得られる利点は、以下に説明する本発明を実施するための形態より一層明らかにされる。

本発明が適用されるショートアーク型の放電ランプを模式的に示す側面図である。 本発明を構成する陰極と陽極の配置関係を示す側面図である。 熱放射用の溝部が形成された陽極縮径部を模式的に示す陽極の部分斜視図である。 陽極縮径部に形成された熱放射用の溝部を模式的に示す陽極の部分断面図である。 陰極と陽極の配置関係を模式的に示す側断面図である。 陽極縮径部に形成された熱放射用の溝部の他の例を用いた陰極と陽極の配置関係を模式的に示す側断面図である。 陽極縮径部に形成された熱放射用の溝部の他の例を模式的に示す陽極の部分断面図である。 陽極縮径部に設けられる熱放射用の溝部の他の例を示す側面図である。 陽極縮径部に設けられる熱放射用の溝部のさらに他の例を示す側面図である。

以下、本発明をショートアーク型の放電ランプに適用した実施の形態を、図面を参照して説明する。

本実施の形態は、ショートアーク型の放電ランプ１であって、この放電ランプ１は、例えば、半導体装置の回路パターンを形成するために用いられる露光装置の光源として用いられるものであって、図１に示すように、耐熱性に優れ光透過性を有する石英ガラスにより形成された放電容器２と、この放電容器２内に配置された陰極３と陽極４とを備える。

放電容器２の相対向する位置には、石英ガラスよりなる第１及び第２の封止管５，６が放電容器２の外方に向かって突出するように、放電容器２と一体に形成されている。これら第１及び第２の封止管５，６は、図１に示すように、互いに中心軸Ｐ₀を一致させて、放電容器２の外径より小さい外周径を有する円筒状に形成されている。そして、第１及び第２の封止管５，６の端部には、本実施の形態に係る放電ランプ１を露光装置などの外部装置に電気的に接続するとともに機械的に支持するための口金７，８が取り付けられている。

第１の封止管５には、先端部に陰極３が取り付けられた陰極支持軸９が挿通支持され、第２の封止管６には、先端部に陽極４が取り付けられた陽極支持軸１０が挿通支持されている。陰極支持軸９及陽極支持軸１０は、それぞれ中心軸を第１及び第２の封止管５，６の中心軸Ｐ₀に一致させて支持されている。

そして、陰極３は、図２に示すように、この陰極３の中心軸である電極軸Ｐ₁を陰極支持軸９の中心軸に一致させて取り付けられる。陽極４も同様に、図２に示すように、この陽極４の中心軸である電極軸Ｐ₂を陽極支持軸１０の中心軸に一致させて取り付けられる。したがって、陰極３と陽極４は、図１に示すように、電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を一致させて同軸とした状態で所定間隔を隔て先端部を相対向させて放電容器２内に位置決め配置される。

陰極３と陽極４をそれぞれ支持した陰極支持軸９と陽極支持軸１０は、第１及び第２の封止管５，６内に配設された導電性を有する金属箔１１，１２を介して、口金７，８に配設されたリード軸１３，１４に電気的に接続されている。

また、第１及び第２の封止管５，６は、図示しないが、これら封止管５，６内に収納配置された封着用のガラス材に熱溶融されて溶着されることにより封止され、放電容器２内に構成される放電空間ＤＳを封止する。放電容器２内の封止された放電空間ＤＳには、水銀及びキセノン、アルゴン等の希ガスなどが封入される。

ショートアーク型の放電ランプ１は、電源部からリード軸１３，１４、金属箔１１，１２、陰極支持軸９、陽極支持軸１０を介して、電気的に絶縁状態にある陰極３と陽極４との間に高電圧が印加されると、陰極３と陽極４との間にアーク放電を発生させ、陰極３と陽極４が昇温される。

本実施の形態に係る放電ランプ１に用いられる陰極３は、高融点金属材料に電子放射性物質を担持した金属材料により形成されている。さらに、具体的には、陰極３は、高融点金属材料であるタングステンに、電子放射性物質である二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）をドープしたトリエーテッドタングステンを用いて形成されている。ここで、トリウム（Ｔｈ）は、タングステン粉末に対し質量比で約２％添加される。

トリエーテッドタングステンの焼結体からなる陰極３は、図２に示すように、基端部側に陰極支持軸９への取付部側となる陰極胴体部１５が形成され、先端部側に電子の放出部側となる陰極縮径部１６が形成されている。

陰極胴体部１５は、基端部側から先端部側に亘って外周径を一定とする円柱状に形成されている。陰極胴体部１５の基端部側には、支持軸嵌合孔１７が形成されている。支持軸嵌合孔１７は、中心軸を陰極３の電極軸Ｐ₁に一致させて陰極胴体部１５の基端部側から先端部側の中途部に亘って穿設されている。陰極３は、支持軸嵌合孔１７を陰極支持軸９の先端部に嵌合することにより、陰極支持軸９に電気的に接続され機械的に固定支持される。陰極３は、中心軸を電極軸Ｐ₁に一致させて形成した支持軸嵌合孔１７を陰極支持軸９に嵌合して取り付けられるので、図１に示すように、電極軸Ｐ₁を陰極支持軸９の中心軸及び第１の封止管５の中心軸Ｐ₀に一致させて放電容器２内に配置される。

陰極縮径部１６は、陰極胴体部１５への連設部となる基端部側から電子の放出部となる先端部側に向かって徐々に縮径する略円錐形状を構成するように形成されている。陰極縮径部１６の先端部側は、集中して安定した電子放出を実現するため、先鋭化するように形成されている。なお、本実施の形態では、陰極縮径部１６の先端部は、アーク放電の集中による過剰な昇温による消耗を防止するため、先鋭な先端部の一部を切り欠くようにして一定の面積を有する円形の先端面１８が形成されている。この先端面１８は、電極軸Ｐ₁を中心にした同心円状の円形に形成されている。

本実施の形態では、陰極胴体部１５と陰極縮径部１６とを同一の材料で一体に形成しているが、陰極胴体部１５と陰極縮径部１６とをそれぞれ異なる材料により形成したものであってもよい。例えば、陰極胴体部１５を純タングステンにより形成し、陰極縮径部１６をトリエーテッドタングステンにより形成する。この場合、独立して形成した陰極胴体部１５と陰極縮径部１６とを突き合わせ一体化して陰極３を構成するようにしてもよい。

一方、タングステンの焼結体からなる陽極４は、図２に示すように、基端部側に陽極支持軸１０への取付部側となる陽極胴体部２１と、先端部側に陰極３の陰極縮径部１６と対向する陽極縮径部２２とを備える。

陽極胴体部２１は、基端部側から先端部側に亘って外周径を一定とする円柱状に形成されている。

陽極縮径部２２は、胴体部２１に連続する基端部側から先端部側に向かって徐々に縮径した円錐形状を構成するように形成されている。陽極縮径部２２の先端部には、円形の先端面２３が形成されている。この先端面２３は、電極軸Ｐ₂を中心にした同心円状の円形に形成されている。また、陽極４の先端面２３は、陰極３側の放電面となる先端面１８と間でアーク放電を発生させる放電面を構成する。

そして、陽極胴体部２１の基端部側には、支持軸嵌合孔２４が穿設されている。支持軸嵌合孔２４は、中心軸を陽極４の電極軸Ｐ₂に一致させて陽極胴体部２１の基端部側から先端部側の中途部に亘って穿設されている。陽極４は、支持軸嵌合孔２４を陽極支持軸１０の先端部を嵌合することにより、陽極支持軸１０に電気的に接続され機械的に固定支持される。このとき、陽極４は、中心軸を電極軸Ｐ₂に一致させて形成した支持軸嵌合孔２４を陽極支持軸１０に嵌合して取り付けられるので、図１に示すように、電極軸Ｐ₂を陽極支持軸１０の中心軸及び第２の封止管６の中心軸Ｐ₀に一致させて放電容器２内に配置される。

上述したように、陰極３と陽極４は、互いの中心軸Ｐ₀を一致させて放電容器２に形成された第１及び第２の封止管５，６にそれぞれ中心軸を一致させて取り付けた陰極支持軸９と陽極支持軸１０の中心軸にそれぞれ電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を一致させて支持されることにより、互いに電極軸Ｐ₁，Ｐ₂が一致されて放電容器２内に配置されている（図１参照）。

そして、陰極３と陽極４は、陰極支持軸９と陽極支持軸１０が第１及び第２の封止管５，６に固定支持されたとき、陰極３の先端面１８と陽極４の先端面２３との間で構成される電極間距離Ｄが一定距離を維持するように位置決めされる。

ショートアーク型の放電ランプ１に用いられる陽極４は、動作時に加熱され陰極３以上に昇温する。そこで、陽極４は、図２に示すように、熱容量を大きくし、過剰な昇温を抑えるため、陰極３に比し十分に大型に形成されている。陰極３に比し大型化された陽極４は、体積の増大とともに表面積の拡大により、熱容量を大きくしながら、外表面からの放射熱量を大きくすることができ、過剰な加熱を抑制することが可能となる。

ところで、ショートアーク型の放電ランプ１は、安定したアーク放電を実現するため、互いの電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を一致させた陰極３と陽極４を、１〜１５ｍｍ程度の非常に短い電極間距離Ｄで対向配置している。このように電極間距離Ｄが短い放電ランプ１では、図２に示すように、電子の放出部となる陰極３の先端面１８の一点を輝点Ｈとし、この輝点Ｈを中心にして光の放射が行われる。そのため、少なくとも電極間距離Ｄよりも大きな外周径Ｗ₁を有する円柱状をなす陽極４が陰極３と同軸に陰極３の先端面１８に近接して配置されると、輝点Ｈが大きな面積を有する陽極４の先端面で覆われてしまう。そのため、陰極３の先端の輝点Ｈから放射される光の多くが陽極４の先端面で遮断され、放電容器２の外部に向かうことなく放電容器２内で散乱し、放電容器２の外部に放射される放射光量が低減してしまう。

そこで、本実施の形態では、図２に示すように、陽極４の一端部側に胴体部２１に連続する基端部側から先端部側に向かって徐々に縮径した陽極縮径部２２を形成している。このように形成された陽極縮径部２２の外周面２２ａは、陽極４の電極軸Ｐ₂に対し一定の傾斜角を有する傾斜面として形成される。

ところで、ショートアーク型の放電ランプ１は、点灯中、陰極３と陽極４との間で安定したアーク放電を確保するため、図１に示すように、陽極４と陰極３とを上下の位置関係で対向配置させた垂直点灯方式が広く採用されている。

垂直点灯方式を採用した放電ランプ１は、電子放出側となる陰極３の温度が陽極４ほど高温とならない。そのため、陰極３をトリエーテッドタングステンにより構成したとき、陰極縮径部１６から陰極胴体部１５に亘る一部が、トリエーテッドタングステンに含まれる二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）をタングステンにより還元し、若しくはその還元を促進するために十分な温度まで昇温されないことがある。その結果、陰極３にドープしたトリウム（Ｔｈ）を十分に利用することが困難となり、陰極３から放出される電子の安定化が十分に達成できなくなる。

そこで、本実施の形態は、放電ランプ１の動作時に、陰極３に比し十分に高温とされる陽極４に蓄積される熱を利用して陰極３を昇温する。さらに詳しくは、先端面１８を除く陰極３を昇温するようにしたものであり、陽極４に蓄積される熱を陰極３の方向に放射して陰極３の昇温するための熱放射手段を陽極４に設けたものである。この熱放射手段は、図３、図４に示すように、陽極４の電極軸Ｐ₂に対し傾斜した陽極縮径部２２の外周面２２ａに形成した複数の熱放射用の溝部３１により構成されている。

本実施の形態において、複数の熱放射用の溝部３１は、図３、図４に示すように、陽極４の電極軸Ｐ₂を中心にして、陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に一連に連続したリング状に形成されている。陽極４の電極軸Ｐ₂を中心にして陽極縮径部２２の外周面に形成される複数の溝部３１は、図３、図４に示すように、電極４の電極軸Ｐ₂の方向に順次径を異にしながら陽極縮径部２２の外周面２２ａにおいて多段状に形成されている。

そして、熱放射用の溝部３１は、陽極４の電極軸Ｐ₂を中心にした断面形状が、図４に示すように、底部３１ａを中心にして開口部３１ｂ側に向かって相対向する側面３１ｃ，３１ｄが開拡する断面三角形状に形成されている。

さらに、陽極縮径部２２の外周面２２ａにおいて、断面三角形状に形成された溝部３１は、図５に示すように、開口部３１ｂの開放幅方向の中心Ｏ₁から底部３１ａに向かう方向である溝部方向Ｓ₁が、陽極４の電極軸Ｐ₂に対し傾斜した陽極縮径部２２の外周面２２ａに垂直な方向の線Ｈ₁より陽極胴体部２１の外周面２１ａ側に向かう方向に傾斜して形成される。

すなわち、溝部３１は、上述の溝部方向Ｓ₁と陽極縮径部２２の外周面２２ａとがなす角である俯角θ₁が９０°より小さい角度で形成されることにより、図４に示すように、陽極縮径部２２の外周面２２ａに垂直な方向Ｈ₁より陽極胴体部２１の基端部側に傾斜して形成される。このように形成される溝部３１は、陽極縮径部２２の外周側に位置する一方の側面３１ｃに対し電極軸Ｐ₂側の内周側に位置する他方の側面３１ｄの深さ方向の高さを大きくして形成されている。したがって、溝部３１は、断面形状が不等辺三角形をなすように形成されている。

このように形成された熱放射用の溝部３１は、陽極４から溝部３１内に放射される熱線Ｌ₁を、図５に示すように、溝部３１内で反射させながら溝部方向Ｓ₁とは逆方向の陽極４の電極軸Ｐ₂に向かう熱放射方向Ｓ₂に放射する。

ところで、ショートアーク型の放電ランプ１は、図２に示すように、陰極３と陽極４が互いの電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を一致させ、所定の電極間距離Ｄを隔て相対向して配設されている。そのため、上述した熱放射用の溝部３１から陽極４の電極軸Ｐ₂に向かう熱線放射方向Ｓ₂に放射された熱線Ｌ₁は、図５に示すように、陽極４に対し所定の電極間距離Ｄを隔て配置された陰極３に入射される。

陽極４から放射された熱線Ｌ₁が入射される陰極３は、陽極４の温度と同等若しくはそれに近い温度まで昇温される。例えば、定格電力を２ｋＷ〜８ｋＷとするショートアーク型の放電ランプ１は、点灯時に陽極４が３０００°Ｃ程度まで加熱される。このような高温とされた陽極４から熱線Ｌ₁が陰極３に入射することにより、陰極３を、タングステンにドープされた二酸化トリウムをタングステンにより還元し、さらには還元を促進する最適な温度範囲とすることができる。

ところで、陰極縮径部１６の先端部は、電子を集中して放出するように先鋭化され、その先端部に形成された先端面１８にはアーク放電が集中するため、陰極３の他の部分より昇温されやすい。昇温され高温とされやすい陰極縮径部１６の先端面１８側に陽極４からの熱線Ｌ₁が集中して放射されると、陰極縮径部１６の先端面１８を過剰に昇温させて消耗を促進させてしまう虞がある。

そこで、熱放射手段を構成する熱放射用の溝部３１は、陰極３と陽極４とを所定の電極間距離Ｄを隔て配置したとき、熱線Ｌ₁が陰極縮径部１６の先端面１８に集中しないように形成されている。

本実施の形態では、陽極縮径部２２の円形をなす先端面２３が、図５に示すように、陰極縮径部１６の円形をなす先端面１８より大きく形成されている。すなわち、陽極４側の先端面２３の電極軸Ｐ₂からの半径Ｒ₁を、陰極４側の先端面１８の電極軸Ｐ₁からの半径ｒ₁より大きく形成する。

そして、陽極縮径部２２の傾斜した外周面２２ａに形成された複数の溝部３１は、図５に示すように、最も先端面２３側に位置する溝部３１の電極軸Ｐ₂側に位置する開口端３１ｅの半径Ｒ₂が、陰極胴体部１５の電極軸Ｐ₁からの半径ｒ_２以下となるように形成されている。すなわち、複数の溝部３１のうち陽極縮径部２２の最内周側に形成された溝部３１は、陰極３と陽極４とが電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を同軸にして放電容器２内に取り付けられたとき、陽極４の先端面２３側に位置する開口端３１ｅの内周端が、陰極胴体部１５の外周縁の内周側に位置するように形成される。

なお、陽極４の先端部には、陰極３の先端面１８の半径ｒ₁より大きな半径Ｒ₁を有する先端面２３が形成されているので、陽極縮径部２２の先端面２３側に位置する溝部３１は、電極軸Ｐ₂側に位置する開口端３１ｅが陰極３の先端面１８の外周縁と陰極胴体部１５の外周縁との間に位置する大きさに形成される。

ここで、陰極３と陽極４が互いの電極軸Ｐ₁，Ｐ₂を一致させ、所定の電極間距離Ｄを隔て相対向して配置したとき、陽極縮径部２２に形成した複数の溝部３１は、電極軸Ｐ₂側に位置する側面３１ｃに沿って陰極３側に延長される仮想線Ｓ₃の陰極３との交点Ｑ₁が陰極３の先端面１８の外周縁若しくは外周縁より外側に位置するように形成される。

このとき、溝部３１は、溝部方向Ｓ₁とは逆向きに陰極３側に向かう方向Ｓ₄と陰極３との交点Ｑ₂が陰極３の先端面１８の外周縁より外周側の位置である陰極縮径部１６の外周面１６ａと陰極胴体部１５の外周面１５ａとの間に位置するように俯角θ₁が設定された断面三角状に形成されている。

なお、図５は、陽極縮径部２２の外周面２２ａに形成された熱放射用の溝部３１の構成を模式的に示すものであって、実際には、陽極縮径部２２の外周面２２ａにリング状に多数形成されるものであり、上述の説明では複数の溝部３１の一つを代表して説明するものである。

上述したように熱放射用の溝部３１を陽極４に形成することにより、溝部３１から放射される熱線Ｌ₁を陰極縮径部１６から陰極胴体部１５に亘る領域に集中し放射し、高温とされやすい陰極縮径部１６の先端面１８への熱線Ｌ₁の集中を抑制することができる。そのため、陰極縮径部１６の先端面１８を過剰に昇温させることなく、先端面１８側に比し低温となる陰極縮径部１６から陰極胴体部１５を昇温することができる。

本実施の形態を採用することにより、陰極縮径部１６の先端面１８を過剰に昇温させ熱蒸発による消耗を促進させてしまうことを抑制しながら陰極３を昇温することができる。このとき、陰極３は、陽極４から放射される熱線Ｌ₁が入射されることにより、陰極３を構成するトリエーテッドタングステンにドープされた二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）のタングステンによる還元が促進されトリウム（Ｔｈ）の安定した生成が可能となる。陰極３からのトリウム（Ｔｈ）の安定した生成が行われることにより、陰極３からの電子の放出が安定化し、アーク点孤性を向上し、放電ランプ１としての使用寿命の長期化を実現可能となる。

ここで、陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に形成される複数の溝部３１は、外周面２２ａの光軸方向の形成領域を選択することにより、陰極３に対する熱放射の入射領域を選択できる。例えば、陰極３の陰極縮径部１６から陰極胴体部１５の基端部側に亘る広い範囲に亘って熱放射する場合には、溝部３１の電極軸Ｐ₂方向の形成領域を拡大する。また、陰極縮径部１６の基端部側に集中させる場合には、熱放射の範囲が陰極縮径部１６の基端部側の一定の範囲となる形成領域に溝部３１を形成する。

また、熱放射用の溝部３１は、溝部方向Ｓ₁と陽極縮径部２２の外周面２２ａとがなす角である俯角θ₁を変化させることにより熱放射方向Ｓ₂を可変できる。例えば、電極間距離Ｄを一定にして陽極４と陰極３とを対向配置したとき、図６に示すように、溝部３１の俯角θ₁を小さくすると、陰極３の電極軸Ｐ₁と溝部方向Ｓ₁とがなす角度θ₃が大きくなり、溝部３１からの熱放射の方向が陰極縮径部１６の先端面１８側に移動する。また、俯角θ₁を大きくすると、陰極３の電極軸Ｐ₁と溝部方向Ｓ₁とがなす角度が小さくなり、溝部３１からの熱放射の方向が陰極縮径部１６の基端部側に移動する。

したがって、本実施の形態では、熱放射用の溝部３１の陽極縮径部２２の外周面２２ａにおける形成位置、形成範囲を選択し、俯角θ₁を適宜選択することにより、熱放射用の溝部３１から陰極３への熱放射の範囲を選択し、陰極３の所望の領域を昇温することができる。

上述した実施の形態では、熱放射用の複数の溝部３１は、図５に示すように、互いに隣接する溝部３１の一方の側面３１ｃと他方の側面３１ｄとによって形成される突部３８の頂部３８ａに平坦な面を有することなく電極軸Ｐ₂の方向に連続して形成されているが、図７に示すように、複数の溝部３１を陽極４の電極軸Ｐ₂の方向に一定の距離を隔て互いに分離するように形成するようにしてもよい。このように複数の溝部３１を互いに分離して形成することにより、頂部が平面な面２２ｂを有し、陽極縮径部２２の外周面に鋭利な突起部が形成されることがなくなる。このような略台形状の溝部３１とすることで、放電ランプ１の製造工程中の組み立て時などに溝部３１を損傷、例えば、欠けや折れ、あるいは曲りを生じさせてしまうことを抑制でき、陽極４の取り扱いが容易となる。

また、熱放射用の複数の溝部３１は、図８に示すに、それぞれ陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に所定長さに分断して形成された溝部形成要素４１を所定の間隙ｄ₁を隔て一連に連続するように形成してもよい。このとき、陽極縮径部２２の電極軸Ｐ₂方向の上下に並列して形成される複数の溝部形成要素４１は、図８に示すように、電極軸Ｐ₂方向の形成位置を一致させ、さらに間隙ｄ１を等しくして形成される。

陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に形成される複数の溝部３１を、一定の間隙ｄ₁を介して連続される複数の溝部形成要素４１により構成することにより、陰極３に溝部３１からの熱放射を受けない領域が構成され、陰極３の過度な温度上昇を防止することができる。

また、熱放射用の溝部３１は、図９に示すように、陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に所定長さに分断して形成された溝部形成要素４１を、陽極縮径部２２の外周面２２ａに適宜分散形成したものであってもよい。熱放射用の溝部３１を、陽極縮径部２２の外周面２２ａに適宜分散形成した溝部形成要素４１により構成することにより、図８に示す実施の形態と同様に、陰極３に溝部３１からの熱放射を受けない領域が構成され、陰極３の過度な温度上昇を防止することができる。本実施の形態では、溝部形成要素４１は、陽極縮径部２２の外周面２２ａに適宜分散形成するのみであるので、高精度な加工位置の制御が不要となり加工が容易となる。

さらに、陽極縮径部２２の外周面２２ａにおいて、電極軸Ｐ₂方向に多段に形成される熱放射用の溝部３１は、陽極縮径部２２の外周面２２ａの周回り方向に一連に連続する１本の螺旋溝として形成したものであってもよい。熱放射用の溝部３１を一連に連続する螺旋溝により構成することにより、溝部３１からの熱放射方向が陰極３の電極軸Ｐ₁を中心にして一連に連続した旋回した状態となり、陰極３の外周面に一連に連続した状態で熱放射が行われ、陰極３の全周に亘って安定した熱放射を行い、陰極３の全周を均等に昇温することが可能となる。

ところで、ショートアーク型の放電ランプ１は、定格電力を大きくし、入力電流量が増加すると陽極４の消耗が著しくなる。陽極４の消耗を著しくするような高温の熱が熱放射用の溝部３１から陰極３に入射されると、陰極３の消耗を促進してしまう。

そこで、本実施の形態では、陽極４の熱放射量の増大を図り、過剰な昇温を防止するため、図１、図２に示すように、陽極胴体部２１の外周面２１ａに放熱用溝部４５を形成している。この放熱用溝部４５は、陽極胴体部２１の外周面２１ａの表面積を拡大し、陽極胴体部２１の外周面２１ａからの熱放射量を増加するように形成されるような形状であればいずれの形状であってもよく、断面三角形状、あるいは断面Ｕ字状、断面Ｙ字状の適宜形状に形成される。そして、熱放射用の溝部３１は、陽極胴体部２１の周回り方向に一連に連続したリング状、あるいは螺旋状に形成される。

そして、陽極４に設けられる放熱用溝部４５は、陽極４に蓄積された熱を陽極４の外周方向に向けて放射するような形状で形成されればよく、陽極４の外周面２１に対する向きや大きさは適宜選択される。

本実施の形態は、陽極４の陽極胴体部２１に放熱用溝部４５を設け、陽極４の過剰な昇温を抑制するようにしているので、熱放射用の溝部３１から陰極３に向かって放射される熱が過剰に昇温することが抑制される。陽極４から陰極３に向かって放射される熱の過剰昇温が抑制されることにより、陰極３の過剰な昇温が防止でき、陰極３の過剰な加熱による消耗を抑制することができる。

このように、陽極４に熱放射用の溝部３１に加えて陽極胴体部２１に放熱用溝部４５を設けることにより、陰極３の過剰な昇温を抑制し、陰極３の過剰な消耗を防止し、陰極３の保護を図りながら、陰極３の構成材料にドープなどして担持させた電子放射性物質の還元を促進することにより、安定したアーク放電が実現され、放電ランプ１の使用寿命の長期化が実現される。

上述した実施の形態では、陽極４は、陽極胴体部２１と、熱放射用の溝部３１を形成した陽極縮径部２２とを同一の金属材料で一体に形成しているが、それぞれ独立に形成した円柱状をなす陽極胴体部２１と円錐台状の陽極縮径部２２を突き合わせ接合して一体化したものであってもよい。このように、陽極胴体部２１と陽極縮径部２２を独立して形成することにより、それぞれの特性に要求される材料を用いることができる。例えば、陰極３からの電子流が入射され加熱が著しい陽極縮径部２２を高融点材料、例えば純タングステンにより形成し、陽極胴体部２１を熱伝導性に優れた材料、例えばタングステンにレニウム等を含有したタングステン合金や窒化アルミ、カーボン素材、タングステンに比し軽量なモリブデン又はモリブデンを主成分とする合金により形成する。

陽極胴体部２１と陽極縮径部２２を独立して形成することにより、陽極胴体部２１と陽極縮径部２２にそれぞれの特性に応じて形状や大きさを異にして形成される溝部４５，３１を容易に形成することができる。例えば、陽極胴体部２１に形成される放熱効果に優れた形状や大きさの放熱用溝部４５と、陽極縮径部２２に形成される陰極３に対する熱放射方向を制御した熱放射用の溝部３１をそれぞれ独立した工程で作成することも可能となり溝部４５，３１の加工の容易化が可能となる。なお、互いに独立に形成する部位は、円柱状をなす陽極胴体部２１と円錐台状の陽極縮径部２２のみに限られず、円錐台状の陽極縮径部２２の中途部で突き合わせ接合したものであってもよい。この構成においては、円錐台状をなす陽極縮径部２２の中途部に接合面が形成される。

さらに、陰極３も、それぞれ独立して形成した陰極胴体部１５と陰極縮径部１６を突き合わせ接合して一体化したものであってもよい。このとき、陰極胴体部１５を純タングステンやモリブデンにより形成し、陰極縮径部１６をトリエーテッドタングステンにより形成することにより、放射性物質であるトリウム（Ｔｈ）の使用量を削減することができる。なお、互いに独立に形成する部位は、陰極胴体部１５と陰極縮径部１６のみに限られず、円錐台状の陰極縮径部１６の中途部で突き合わせ接合したものであってもよい。この構成においては、円錐台状をなす陰極縮径部１６の中途部に接合面が形成される。

本発明において、熱放射用の溝部は、この溝部が設けられる陽極を構成する材料や大きさ等に応じて適切な加工手段が採用されて形成される。例えば、レーザ加工、機械的な切削加工、エッチング等の化学的加工法などにより形成することができる。

上述した実施の形態に示すように、本発明は、ショートアーク型の放電ランプであって、陽極と陰極とを上下の位置関係で対向配置させた垂直点灯方式の放電ランプに適用して有用であるが、その他の放電ランプに適用したものであってもよい。

また、本発明において、熱放射手段を構成する熱放射用の溝部は、上述した実施の形態に示すものに特定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜選択可能である。例えば、断面円形のコイルを陽極縮径部２２の外周面２２ａに密接して巻き付け、互いに隣接するコイル間に熱放射用の溝部を形成してよい。

１ 放電ランプ
２ 放電容器
３ 陰極
４ 陽極
１５ 陰極胴体部
１６ 陰極縮径部
１８ 陰極縮径部の先端面
２１ 陽極胴体部
２２ 陽極縮径部
２３ 陽極縮径部の先端面
３１ 溝部
３１ａ 溝部の底部
３１ｂ 溝部の開口部
３１ｃ，３１ｄ 溝部の側面

Claims (7)

1. 放電容器と、
   所定間隔を隔て先端部を相対向させて上記放電容器内に配置された陰極と陽極とを備え、
   上記陽極には、動作時に当該陽極の熱により上記陰極を加温する熱放射手段が設けられていることを特徴とする放電ランプ。
2. 上記熱放射手段は、上記陽極の熱を、上記陰極に向けて放射する指向性が付与されていることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 上記陽極は、円柱状をなす胴体部と、先端面が形成されるとともに上記胴体部に連続する基端部側から上記先端面が形成された先端部側に向かって外周径を徐々に縮径させた縮径部とを有し、
   上記陰極は、円柱状をなす胴体部と、上記胴体部に連続する基端部側から先端部側に向かって外周径を徐々に縮径させた縮径部とを有し、
   上記熱放射手段は、上記陽極に設けられた縮径部の外周部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電ランプ。
4. 上記熱放射手段は、上記陽極の熱を、上記陰極の縮径部及び／又は胴体部に向けて放射する指向性が付与されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電ランプ。
5. 上記熱放射手段は、上記陽極に設けられた上記縮径部の外周部に形成された溝部により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放電ランプ。
6. 上記陽極を構成する上記縮径部の基端部は、上記陰極の胴体部の外周径より大きな外周径を有し、上記陽極を構成する縮径部の先端部に形成された先端面は、上記陰極の胴体部の外周径より小さい径の円形として形成されていることを特徴とする請求項５記載の放電ランプ。
7. 上記陰極は、高融点金属材料に電子放射性物質を担持した金属材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放電ランプ。