JP3846282B2 - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショートアーク型高圧放電ランプに関し、特に、ショートアーク型高圧放電ランプの電極の側面形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ショートアーク型高圧放電ランプは、例えば、液晶カラーフィルターの製造プロセスであるフォトリソグラフィー工程における光源として使用され、このときの放射光は、波長３６５ｎｍや波長４３６ｎｍに強い輝線スペクトルを含むものが使われる。
一方、市場からはカラーフィルターの大型化や露光時間の短縮化が求められ、ショートアーク型高圧放電ランプからの放射光量も増加することが要求され、特に、波長３６５ｎｍ近傍の放射光量の増加が強く望まれている。
【０００３】
ショートアーク型高圧放電ランプの放射光量は、放電ランプへの電気入力に比例しており、放電ランプへの電気入力を増加すれば放射光量も増加する。
ここで、放電ランプの電気入力を増加するためには、放電ランプへの入力電流を大きくする方法がある。
【０００４】
しかし、入力電流が増加すると、陽極先端部が電子流の増加により加熱され、陽極の温度が著しく上昇する。
通常、陽極で発生した熱は、陽極の熱伝導により封止部を通過して外部へ放出するものと、陽極の表面から放射によって放出する場合がある。しかし、前者の放出は電子流増加の比べると必ずしも十分な放出量を確保することができず、結局、ランプ電流が増加すると、後者の熱放射を大きくさせることになる。
その結果、陽極の温度とそれに伴う陽極部材の熱蒸発が促進され、発光管の内壁が黒化しランプ寿命が短くなる等の問題があった。
【０００５】
この問題を解決するために、陽極からの熱放出の効率を向上し、陽極の温度を下げる方法が提案されている。
例えば、特公昭３９−１１１２８号には、陽極側面にＶ字構造の溝を設けることが開示されており、具体的には、１ｍｍ〜３ｍｍ程度の深さで、かつ、開き角が90°の冷却溝が設けられている。
さらに、この冷却溝の表面に炭化タンタルを焼結させることにより、当該陽極表面からの熱放射をより一層高めることも記載されている。
しかし、この構造では、液晶カラーフィルターなどの製造工程に使う光源ランプとしては、その電極の放熱を十分に達成することができず、前記したカラーフィルターの大型化や露光時間の短縮化という要求に対して、ランプの性能として十分に答えられるものではなかった。
【０００６】
さらに、特開平９−２３１９４６号には、陽極側面にタングステン粉末を焼結して電極表面の熱放射率を向上させることが開示されている。
しかしながら、この構造においても、タングステン粉末を塗布しない場合に比較して、電極からの熱放射を増大させることができるものの、放電ランプへの電気入力をより高くしたときには当該電極の冷却が不十分となり、結果として、電極からの熱放射が不十分になるという問題があった。つまり、前記した液晶カラーフィルターの製造プロセスであるフォトリソグラフィー工程における光源ランプとしては十分に対応できる構造ではなかった。
【０００７】
さらに、上記用途に使う高圧放電ランプは、陽極を上方に陰極を下方に垂直配置させて点灯する場合が多い。このような垂直点灯の放電ランプでは、陽極近傍の温度に対して陰極近傍の温度が相対的に低くなり、このような温度差を生じると、発光管壁近傍を流れる封入ガスの対流が乱れるとともに陽炎現象を激しく発生させて、アークから放射される光を揺らがせてしまうという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、放射光量を増大させるためにランプへの入力電力の大きくしたショートアーク型高圧放電ランプにおいて、電極からの熱放射特性を改善して、電極の温度を効率良く下げることである。
さらに、当該高圧放電ランプを垂直に配置して点灯させる場合においても、放射光の揺らぎの問題を良好に解決することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、少なくとも一方の電極は、胴体部とその先端にテーパ部を有する構成をなし、当該テーパ部の斜面にはＶ字型の溝が形成され、斜面に対して垂直な方向であって溝の底部を通過する溝の深さ方向と、電極軸とのなす角度が９０°より小さいことを特徴する。
【００１０】
また、前記一方の電極は陽極であることを特徴とする。また、前記胴体部にも溝が形成されたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１にショートアーク型高圧放電ランプの全体図を示す。
放電ランプ１０は、発光管部１１とその両端に封止管部１２が連設されて構成され、発光管部１１の中には陽極２０と陰極３０が互いに対向するように配置されている。その各々は封止管部１２から電極軸に沿って伸びてなる。この封止管部１３から外部リードが伸びている。
【００１２】
陽極２０は、先端テーパ部２１、胴体部２２、後端テーパ部２３、電極軸部２４より構成される。
陰極３０は、先端テーパ部３１、胴体部３２、電極軸部３３より構成される。
【００１３】
このような放電ランプは、ランプ点灯中、陽極２０と陰極３０との間に形成されるアークの状態を安定に維持するために、通常、垂直点灯方式、すなわち、陽極２０と陰極３０が上下に対向するように配置される。
【００１４】
このような放電ランプについて、一例をあげると、定格電圧５０Ｖ、定格電流１００Ａ、定格電力５ｋＷで、発光管部１１の内部にはキセノンガス１気圧（封入時圧力）と水銀０．０１２ｍｇ／ｍｍ^３が封入されている。
また、陽極２０の電極軸部２４を除くいわゆる先端ヘッドはタングステンからなり、最大外径２５ｍｍ、全長４５ｍｍであり、陰極３０の先端ヘッドはタングステンよりなり、最大外径１０ｍｍ、全長１８ｍｍである。また、電極間距離は７．５ｍｍである。
なお、図１において、陽極２０には後述する溝は省略している。
【００１５】
図２は陽極２０の先端テーパ部２１の拡大図を示す。
先端テーパ部２１の斜面には溝部２５が形成される。この溝部２５はその深さの方向が、電極軸Ｌ１とのなす角θが９０°以内になるように形成されている。この理由は後述する。
【００１６】
図３は溝部の拡大図を示す。溝部２５は、図３（ａ）に示すように各ヤマの先端や底が尖った形状、すなわち、完全Ｖ字型構造であってもよく、また、図３（ｂ）に示すように各ヤマの先端や底が曲面状に形成されている構造であってもかまわない。
なお、（ａ）に示すＶ字型構造の場合、溝の加工が簡易であるという利点があり、特に、本発明のように斜面部分に形成する場合はこの利点が実用上有意義である。また、図３（ｂ）に示す曲面上構造の場合、（ａ）に示す構造の加工作業に加えて曲面化するという加工作業が増えるものの、放電現象との関係では、局部的な放電集中の形成を防止できるという効果を有する。
【００１７】
数値例をあげれば、溝部２５は、その頂部Ｐ１と隣接する頂部Ｐ３との距離、すわなち、溝ピッチＰが、例えば、０．１〜０．１２ｍｍであり、頂部Ｐ１から底部Ｐ２に向けた垂直方向の距離、すなわち、溝深さＤが、例えば、０．３〜０．６ｍｍに構成される。溝は、例えば、５０〜２００個ぐらい形成される。
なお、図２においては、図面において左右にしか溝２５は形成されていないが、現実には、当該溝部２５は円錐台形状であるためテーパ部２１の全周にわたって溝部２５は形成されることになる。
【００１８】
次に、陽極２０の先端テーパ部２１に溝部２５を設けることの技術的意義について説明する。
図４はタングステンの表面から放射される熱線の放射の配向パターンを示すもので、（ａ）は溝状のタングステンからの熱線の放射配向パターンを示し、（ｂ）は平面状のタングステンからの熱線の放射配向パターンを示もので、両図はタンスグテンを同じ温度とした場合のパターンを示している。
溝状のタングステンが形成されると、溝の存在する面の垂直方向に強く熱線が放射されることが示され、（ｂ）のように溝がない場合に比べて、面に垂直方向にある物質がより効果的に加熱されることになる。
【００１９】
この内容を前記したショートアーク型高圧放電ランプの電極に適用してみると、陽極２０の先端テーパ部２１に溝部を設けることで陰極側の発光管内表面まで、あるいはその近傍まで熱放射を届かせることが可能となる。
図５にこのような状態を示すが、陽極２０の先端テーパ部２１に溝部２５を設けることで矢印に示すように熱放射を起こさせ、これにより、陰極付近の発光管内壁３０ａを昇温させることが可能となる。
そして、陰極側の発光管内表面に対する昇温効果が期待できるため、前記した発光管内表面における陽極側と陰極側の温度のバラツキという問題を解決することが可能となる。
【００２０】
溝の方向（溝の深さ方向）は、電極軸に対して９０°以下になるようにすれば熱放射の方向を陰極側に規定することができ、良好に陰極の根元近傍の昇温させることができる。
なお、陰極の根元近傍を昇温させるためには、９０°よりもより小さく、例えば、８０°、７０°、６０°、５０°、４５°というように角度θを構成することができる。
特に、発光管の形状は図１に示す概略ラグビーボール状の形状に限定されず、球に近い形状やタマゴ型形状など種々の形状が想定され、また、電極間距離や電極の発光管内における突出長などにより、熱放射させたい部位はいろいろと考えられるので上記角度θを適宜選定することができる。
また、溝の深さ方向は、図に示すようにテーパ面に対して垂直方向に延びる場合に限定されるものではない。
【００２１】
このように陽極２０が陰極３０に対して上方に位置する姿勢で放電ランプを点灯する場合には、発光管部１１内において陰極３０の周辺の温度を昇温させる作用効果を発揮できる。
図６に陽極の先端コーン部に溝を設けることによる効果を示す実験結果を示す。実験は、３本のショートアーク型高圧放電ランプを陰極を下方、陽極を上方に垂直配置させて安定点灯する時間を測定した。３本の放電ランプは、陽極先端テーパ部の構造のみを異にしており、他の構造は同一であり、ランプ入力は５ＫＷ、電極間距離は７ｍｍ、発光管に封入される水銀量は２５ｍｇ／ｍｌである。陽極先端テーパ部の構造は、１つは溝を有さない構造であり、１つは電極軸に対して４５°の溝を有する構造であり、１つは電極軸に対して６０°の溝を有する構造である。
横軸はランプを点灯始動させてから経過時間（単位分）を示し、縦軸はランプの発光管下部（図５に示す発光管内壁３０ａの外表面）の温度を示す。
図より、４５°溝を設けた放電ランプは、１０分〜３０分経過後の安定点灯状態において、発光管下部温度が５００℃であるのに対し、６０°溝を設けた放電ランプは約３００℃、溝も設けない放電ランプは３００℃以下であることがわかる。
すなわち、先端コーン部に溝、好ましくは４５°ぐらいに小さい溝を設けることで対向する電極根元近傍の発光管内壁を良好に昇温できることが示される。
つまり、温度が低くなる陰極の根元近傍を良好に昇温させることで、陽極近傍と陰極近傍の温度差を小さくさせることができ、温度差から生じる陽炎現象の発生と、アークから放射される光を揺らぎを良好に防止することができる。
【００２２】
上記図１、図２に示す実施例は、溝部が先端テーパ部にのみ設けられている場合について説明したが、先端テーパ部のみならず、胴体部の側面に設けることもできる。これにより、陰極近傍の昇温作用だけでなく、陽極の熱放射自体を高めて陽極の温度上昇をより防止することができる。
また、上記実施例は、陽極に溝部を設ける場合について例示しているが、陰極に同様の溝部を設けることもできる。さらには、交流点灯の放電ランプにおいて、一方若しくは両方の電極に上記例示したような部を設けることもできる。
【００２３】
本発明のショートアーク型放電ランプは、上記のような溝構造を電極に対して設けることで当該電極からの熱放射率を改善するものではあるが、さらに言えば、溝部のピッチと深さの関係を規定することが、この効果をより一層向上させている。つまり、溝ピッチＰと溝深さＤとの関係がＰ／Ｄ≧２であり、また、溝の深さＤが電極軸の直径の１２％以内というときに放熱効果が高いことを確認している。
【００２４】
また、溝部を加工する方法は、ダイヤモンドカッターによる方法、レーザ光を照射する方法、電子ビームを照射する方法がある。これらの方法は、より効果的には、溝のピッチによって、使いわけることもできる。
例えば、ピッチが約５００μｍ以上で溝の深さがピッチの2倍以上の場合には、V字状の刃先を持つダイヤモンドカッターを用いるのが好ましい。
また、溝のピッチが約１５０μｍ〜５００μｍまでで、溝の深さがピッチの２〜３倍程度の場合には、パルスレーザ等によるレーザ加工が適している。この場合、図３（ｂ）に示すような溝の底部に形成される曲面は、レーザ光の焦点を適切に選択することにより加工できる。
さらに、溝部のピッチが約１５０μｍ以下の場合は、電子ビームにより加工することが好ましい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のショートアーク型高圧放電ランプは、少なくとも一方の電極の先端テーパ部に、Ｖ字型の溝が形成され、斜面に対して垂直な方向であって溝の底部を通過する溝の深さ方向と、電極軸とのなす角度が９０°より小さい溝を設けることで他方の電極の根元近傍を良好昇温させることができ、発光管内の温度のバラツキという問題を良好に解決することができる。特に、陽極を上方に陰極を下方にした垂直配置をするショートアーク型高圧放電ランプにあっては、陽極近傍と陰極近傍の温度差は顕著に大きくなるものであるが、本発明のような溝構造を採用することにより、このような問題を良好に解決することができる。また、点灯始動時は発光空間内における最冷部となる部分を昇温させることで、ランプ全体として水銀の蒸発速度を速めることができ、定常点灯状態に移行する時間が短くなるという効果も併せて有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ショートアーク型高圧放電ランプの全体図を示す。
【図２】本発明のショートアーク型高圧放電ランプの陽極先端の拡大図を示す。
【図３】本発明のショートアーク型高圧放電ランプの溝構造の実施形態を示す。
【図４】本発明の作用効果を説明するための図面を示す。
【図５】本発明の作用効果を説明するための図面を示す。
【図６】本発明の実験結果を示す。
【符号の説明】
１０ ショートアーク型高圧放電ランプ
１１ 発光管部
１２ 封止管部
２０ 陽極
２１ 先端部
２２ コーン部
２３ 胴体部
２５ 溝部
３０ 陰極
Ｐ 溝のピッチ
Ｄ 溝の深さ

Claims (3)

1. 発光管内に一組の電極を有するショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
   前記一組の電極のうち少なくとも一方の電極は、胴体部とその先端にテーパ部を有する構成をなし、
   当該テーパ部の斜面にはＶ字型の溝が形成され、
   斜面に対して垂直な方向であって溝の底部を通過する溝の深さ方向と、電極軸とのなす角度が９０°より小さいことを特徴するショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 前記一方の電極は陽極であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
3. 前記胴体部にも溝が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項２に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。

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