JP4670597B2 - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents
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Description
半導体の露光では、色収差等の理由から波長365nm(i線)の光を効率良く放射するものが適用され、また、液晶やプリント基板の露光では、波長300nm〜450nmの光を放射するものが適用される。
このため、ランプ内に封入される発光物質には、水銀が使われるとともに、始動用ガスとしてアルゴン、キセノンなどの希ガスも封入される。
ランプ入力の増大は、ランプを物理的に大きくすることを意味し、その結果、点灯始動から安定するまでの時間、いわゆる立ち上がり時間が長くなるという問題を発生させる。
立ち上がり時間が長いことは、スループットを長くするという意味で望ましいことではない。
しかし、この文献は、ガラス管の歪と破裂特性という問題に言及しているだけであり、始動時の立ち上がり特性については何ら言及していない。
前記根元空間部の最大外径をr、電極の伸びる方向の長さをhとして、
前記内容積V1は、(1/6)×(πR2)×(L)、
前記内容積V2は、πr2h/4であること特徴とする。
すなわち、水銀ランプを垂直配置して点灯させた場合は、発光空間内部で激しい熱対流を生じるが、主発光空間部の内容積と根元空間部の内容積の比率を規定することで、熱対流の動きや方向を規制することができ、この規制により、良好な立ち上がり特性を得ることができる。
また、根元空間部と封止部の外径値の比率を規定することで、根元空間部から放熱されにくい構造を提供することができ、結果として、水銀の蒸気化を早めて立ち上がり時間を改善することができる。
水銀ランプ10は、例えば、石英ガラスからなる発光部11と、この発光部11から両端に伸びるロッド状の封止部12から構成される。発光部11は主発光空間部110と根元空間部111から構成される。主発光空間部110には陰極20と陽極30が、例えば5.0mm程度の間隙をもって対向配置しており、陰極先端にアーク輝点が形成される。
なお、発光部11は球形、あるいは管軸方向(図面の上下方向)に細長く伸びる紡錘形である。この水銀ランプ10は、陰極を下方に、陽極を上方に配置した垂直配置型の点灯となる。
陽極30は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状であり、陽極棒31に支持される。
なお、陰極20や陽極30は、それぞれ陰極棒21、陽極棒31と物理的に別体である必要はなく、例えば、同じ外径のまま伸びて両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。
発光部11には、発光物質として水銀、始動用ガスとしてアルゴン、キセノンなどの希ガスが封入される。
水銀の封入量は、ランプ内容積当たりは、例えば3〜50mg/ccの範囲のものであって、例えば5mg/ccである。希ガスの封入圧は0.5〜5atmであって、例えば4atmである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は20atm程度になる。
水銀ランプが大型化すると、ランプの立ち上がり特性が特に悪くなり、安定点灯状態に達する時間が長くなるからである。この原因は以下の2つが考えられる。
第一に、ランプが物理的に大型化すると、電極など構成部品も大型化し、熱容量が大きくなって温度が上昇し難くなったことにある。これにより、発光部内の水銀の蒸発が遅くなる。対策として、発光部の寸法や電極など部材の寸法を小さくすることも考えられるが、ランプの寿命や破損などの特性を考慮すると、ランプ電力に応じて発光部や電極は相応に大きくせざるをえない。
第二に、発光部、特に主発光空間部が大きくなると、発光部内の対流が悪くなり、蒸発した水銀が効率的に主発光空間部に存在しないことが考えられる。
蒸気化した水銀は、主発光空間部内の温度差によって対流Aを生じ、この対流が良好に循環することにより、発光部内の水銀を完全に蒸発させることができ、また、溜まった水銀を効率よく活用できる。
本発明は、上記2つの問題のうち、第二の問題に着目して、水銀ランプの立ち上がりを改善するものであり、具体的には、主発光空間部と根元空間部の内容積比を規定している。
水銀ランプが点灯すると、アークで発生する熱により上昇流A1が発生する。この上昇流A1は発光部上部まで到達して、向きを変えて発光管壁に沿って下降する(A2)。この流れは、発光部の径方向に対して、中心付近では上昇流、管壁近傍では下降流となり、発光部が大きい水銀ランプにあっては、径方向の距離が大きいため、上昇流A1と下降流A2はぶつかることはなくスムーズに流れる。
ここで、上昇流A1が下降流A2に変わる上部空間では、上昇流A1の上昇スピードが減速されるため、上昇流A1から下降流A2へ、同一スピードのままスムーズに切替ることが困難になり、これが原因となって、不規則な流れを発生させ、結果として、発光空間の下方領域において上記のような対流Bを発生させる。
また、本発明者らは、後述する実験により、主発光空間部110の内容積V1と根元空間部120の内容積V2の比率V2/V1が0.01〜0.09の場合に、上昇流と下降流のスムーズな流れを作り、立ち上がり時間短縮の問題を解決できることを見い出した。
また、根元空間部120の内容積V2は、(πr2h/4)と概ね擬制することができる。これも、円柱の体積は(π×(半径2)×(高さ)/4)であるところ、 ‘半径’に(r/2)を代入して整理すると、((πr2h)/4)となる。もっとも、この規定においては、ガラス管の肉厚や電極の体積は考慮していない。
また、主発光空間部110と根元空間部120の区別、すなわち、高さ‘h’と高さ‘L’の境界位置は、厳密には、発光管10の内側で判断し、発光空間内部を膨らませるよう形状変化した部分で判断する。
主発光空間部110と根元空間部120の内容積の比率と、立ち上がり時間の関係を示す。主発光空間部110の内容積V1はπR2L/6、根元空間部120の内容積V2をπr2h/4とする。
図3(a)(b)は、ともに縦軸が立ち上がり時間(分)、横軸が内容積比率(V2/V1)を示し、(a)は内容積比が0〜0.04まで、(b)は内容積比が0.04〜0.11までを示す。実験は11本のランプを作って行った。
ここで、「立ち上がり時間」とは、起動器により電極間に高電圧を印加した時点から安定電圧の80%に到達するまでの時間と定義した。ここでいう「安定電圧」とは定格電圧であり、例えば、定格100Vのランプであれば、80Vに到達するまでの時間が立ち上がり時間に相当する。
内容積比(V2/V1)が、上記範囲内であれば、図2に示した上昇流A1と下降流A2のスムーズな流れが形成されることを意味し、逆に、内容積比(V2/V1)が0.01より小さい場合は、根元空間部が主発光空間部に比べて小さすぎて、スムーズな流れが形成されないことを意味している。
さらに、内容積比(V2/V1)が0.09より大きい場合は、根元空間部が主発光空間部に比べて大きすぎることを意味し、発光管全体の温度上昇が根元空間部によって決まり、立ち上がり時間が遅くなったものと推測される。
図1に示す水銀ランプと異なる点は、陽極側封止部12に縮径部121が形成されることである。
この縮径部121は、封止部の外径を小さくすることで、発光部に溜まった熱が封止部12から逃げないようにするものであり、水銀の蒸気化をより促進できる。
具体的には、根元空間部の外径rと、縮径部121の外径dの関係は、d/r≦0.8となり、一例を上げると、根元空間部の外径rは4.2cm、縮径部の外径dは3.0cmとなる。
図5に示す水銀ランプと異なる点は、陽極側封止部12aに縮径部121aが形成されるとともに、陰極側封止部12bにも縮径部121bが形成される。また、陰極側にも陽極側と同様の根元空間部が形成される。
陰極側にも縮径部121bを形成することで、陰極側においても、温まった発光部から熱が逃げにくくでき、水銀の蒸気化をより促進できる。
具体的には、陰極側根元空間部の外径r1と、縮径部121aの外径d1の関係は、d1/(2r1)≦0.8となる。一例を上げると、根元空間部の外径rは4.2cm、縮径部の外径dは2.7cmとなる。
(a)(b)とも、図4のランプ4、ランプ5と同じ主発光空間部の最大外径R、主発光空間部の長さL、内容積比V2/V1を有するランプであって、縮径部の最大外径dと根元空間部の最大外径rの値を種々変化させて実験をした。
つまり、主発光空間部と根元空間部の内容積比(V2/V1)を規定することで立ち上がり時間を10秒未満にできるとともに、根元空間部と縮径部の外径値比(d/r)を規定することで立ち上がり時間を9秒未満にできる。
11 発光部
110 主発光空間部
111 根元空間部
12 封止部
13 口金
14 外部リード
20 陰極
21 陰極棒
30 陽極
31 陽極棒
Claims (4)
- 陰極と陽極が対向配置し水銀と希ガスが封入された発光部と、その両端に封止部が形成され、陽極を上方に配置して垂直点灯するショートアーク型水銀ランプにおいて、
前記発光部は、主発光空間部とこの主発光空間部の陽極側封止部近傍に形成された根元空間部から構成され、
前記主発光空間部の内容積V1と前記根元空間部の内容積V2の比率V2/V1が、
0.01〜0.09であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。 - 前記主発光空間部の最大外径をR、電極の伸びる方向の長さをLとするとき、
前記根元空間部の最大外径をr、電極の伸びる方向の長さをhとして、
前記内容積V1は、πR2L/6、
前記内容積V2は、πr2h/4、
であること特徴とする請求項1のショートアーク型水銀ランプ。 - 前記陽極側封止部には、
外径dが、陽極側の根元空間部の最大外径rとの関係で、
d/r≦0.8となる縮径部が形成されることを特徴とする請求項2のショートアーク型水銀ランプ。 - 前記陰極側封止部には、
外径d1が、陰極側の根元空間部の最大外径r1との関係で、d1/r1≦0.8となる縮径部が形成されることを特徴とする請求項3のショートアーク型水銀ランプ。
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