JP4714418B2 - 放電ランプ - Google Patents

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Description

本発明は放電ランプに関し、詳しくは、例えば光化学産業分野や半導体製造分野などにおける紫外線照射処理を行うに際しての光源、あるいは映写機などの投影分野における光源として用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
図5は、従来のショートアーク型放電ランプの一例における構成の概略を示す正面図である。
このショートアーク型放電ランプ40は、内部に略楕円球形状の放電空間Sを形成する膨出部42およびこの膨出部42の両端に連続して外方に伸びる封止部43,43よりなる発光管41を具えており、この発光管41の内部において、陰極44と陽極45とが対向配置されると共に少なくとも希ガスが適宜の量で封入されて、構成されている。また、発光管41内には、ランプの用途に応じて希ガスと共に水銀が適宜の量で封入される。ここに、発光管41内に封入される希ガスとしては、例えばキセノン、クリプトン、アルゴンなどを例示することができる。なお、同図5において、48は、封止部43の外端部に設けられた口金である。
陰極44は、先端側(陽極側)に向かうに従って小径となる略円錐台状のテーパー部44Aと、このテーパー部44Aに連続して軸方向後方に伸びる例えば円柱状の胴部44Bとを有し、例えばトリウムなどのエミッター物質が含有されてなる。
そして、このようなショートアーク型放電ランプ40においては、ランプを始動させるに際しては、例えば数kV〜数十kVの高電圧が陰極44と陽極45との電極間に印加されることにより陰極44と陽極45との電極間で絶縁破壊が起こり、その後、アーク放電に移行されて点灯される。
ランプ始動時における放電現象について具体的に説明すると、陰極44と陽極45との電極間で絶縁破壊が起こった直後に、陰極44の先端面46においてアークの始点が形成され、軸方向に弧状に伸びるよう陰極44と陽極45との間にアークが形成される。アークの始点が陰極44の先端面46に形成される理由は、次に示すとおりである。すなわち、陰極44の形状が先端側に向かうに従って小径となるテーパー部44Aを有する略円錐台状とされていることにより、電界が先端部分、特に先端面46におけるエッジ部分に集中して電子が先端部分から引き出されやすくなること、また、絶縁破壊が起こり、アークが形成された後では、陰極44において最も高温となる部分が先端部分であり、リチャードソン・ダッシュマンの式からも明らかなように、熱電子放出能力は温度の上昇とともに指数関数的に高くなる傾向にあり、先端部分の電子放出能力が陰極44の他の部分より大きくなること、などの理由から、陰極44の先端面46においてアークの始点が形成される。
しかしながら、上記構成のショートアーク型放電ランプ40においては、ランプ始動時において、例えば図6に示されているように、アークAの始点Pが陰極44の先端面46において形成された状態が安定的に持続せずに、先端面46から離れたテーパー部44Aの表面位置、または胴部44Bの表面位置などの軸方向後方の位置に移動し、陰極44の温度上昇に伴って先端側に移動する、いわゆるアークAのふらつき現象が生ずる場合がある。
アークAの始点Pが上記のような位置に形成されると、上述したように、アークAは例えば発光管41の内表面に沿って弧状に伸びるよう形成されるため、アークAが発光管41の内表面に接近した状態、ランプの構成条件および点灯条件によっては、アークAが発光管41の内表面に接触した状態となり、この結果、以下のような問題が生ずる。
(1)発光管41におけるアークAの接触部分が失透し、これにより、発光管41の光透過率が低下するため、ショートアーク型放電ランプ40から放射される光の強度が不均一になる結果、光が照射される対象物上における照度が不均一となって、例えば半導体露光分野における光源として用いられる場合には露光ムラとなり所期の処理を確実に行うことができず、投影分野において光源として用いられる場合には、十分な明るさで映像を提供することができない。 (2)高温のアークAが接触または接近して発光管41の内表面が急速に暖められることにより熱歪みが蓄積され、この熱歪みに起因してショートアーク型放電ランプ40が破損する。
以上のようなアークAのふらつき現象は、ランプの繰り返し使用(点灯、消灯動作)に伴って顕著に生ずるようになる。この理由は、(1)ランプの点灯中においては、陰極44の先端部分が例えば2000〜2500℃程度の高温になるため、先端部分が溶融蒸発して変形を起こし、電界の集中度合いが低下すること、(2)陰極44に含有されたエミッタ物質が、ランプの繰り返し使用に伴って枯渇することにより、先端部分の電子放射能力が低下すること、(3)先端部分の結晶が熱的影響により粗大化して結晶間の粒界が少なくなることにより先端部分にエミッタ物質が供給されにくくなり、先端部分の電子放射能力が低下すること、などの種々の要因が重なって、アークAの始点Pが陰極44の先端面46以外の位置に移動しやすくなり、アークAのふらつき現象が生ずる。
このような問題に対して、例えば図7に示されているように、陰極50がテーパー部51とこのテーパー部に連続する胴部52とを有する構成のものにおいて、テーパー部51に凹部或いは突起部(図示したものにおいては凹部55)などを形成し、この凹部55あるいは突起部によって、アークの始点の、当該凹部55あるいは突起部が形成された位置より軸方向後方への移動を禁止し、これにより、アークのふらつき現象の発生を防止し、発光管が失透することまたは破損することを防止する技術が開示されている(例えば特許文献1参照)。
特開2003−257363号公報
しかしながら、特許文献1に開示された技術によっても、アークの始点が陰極50のテーパー部51における例えば凹部55が形成された位置を通過して例えば陰極50の胴部52の表面位置に移動し、当該位置においてアークの始点が形成される場合があり、アークのふらつき現象に起因する発光管の失透または破損を確実に防止することはできない、という問題がある。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、ランプ始動時におけるアークのふらつき現象が発生することを確実に防止することができ、これにより、発光管の失透および破損を防止することができ、従って、光強度の低下の程度を小さく抑制することができ、均一な強度の光を長期間にわたって確実に得ることができる放電ランプを提供することを目的とする。
本発明の放電ランプは、内部に放電空間を形成する発光管を具え、当該発光管内において、陰極と陽極とが対向配置されてなる放電ランプにおいて、
前記陰極は、先端に向かうに従って小径となるテーパー部を有し、このテーパー部には、平滑部を構成する環状凹部および当該環状凹部の陰極先端側に陰極の軸方向に並んで形成された、当該陰極の軸方向に並ぶ凸部群よりなる凹凸部を有する異径部が周方向の全周にわたって形成されており、当該凹凸部は、陰極の中心軸を含む断面において、各々の凸部の頂点が当該テーパー部の稜線より内方側に位置され、かつ、各々の頂点を結んだ包絡線が当該陰極の中心軸に対して凸状となるよう構成されていることを特徴とする。
本発明の放電ランプにおいては、陰極における異径部が、2箇所の凹凸部が環状凹部を介して軸方向に離間した位置に形成された構成とされていることが好ましい。
本発明の放電ランプによれば、陰極が、先端に向かうに従って小径となるテーパー部を有し、当該テーパー部に、平滑部を構成する環状凹部および当該環状凹部の陰極先端側に陰極の軸方向に並んで形成された、特定の形状の凹凸部を有する異径部が陰極の周方向の全周にわたって形成されたものであることにより、ランプの点灯消灯が繰り返し行われて陰極の先端部分による電子放出能力が低下した場合であっても、ランプ始動時において、異径部を構成する凹凸部それ自体の構成と異径部全体の構成とにより凹凸部に電界を集中させることができるので、陰極と陽極との電極間に形成されるアークの始点が当該異径部より軸方向後方に移動することを確実に防止することができ、これにより、アークのふらつき現象の発生を確実に防止することができる結果、発光管の失透または破損を確実に防止することができ、従って、均一な強度の光を長期間にわたって確実に放射することができる。
また、陰極における異径部が、2箇所の凹凸部が軸方向に離間した位置に形成された構成とされていることにより、上記のような効果を一層確実に得ることができる。
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例における構成の概略を示す正面図、図2は、図1に示すショートアーク型放電ランプの陰極の構成を拡大して示す正面図、図3は、図2に示す陰極の要部を拡大して示す断面図である。
このショートアーク型放電ランプ10は、例えば略楕円球形状の放電空間Sを形成する膨出部12およびこの膨出部12の両端に連続して外方に伸びる封止部13,13とを有する発光管11を具えており、この発光管11内には、各々例えばタングステンよりなる陰極20および陽極15が対向配置されていると共に少なくとも例えばキセノンガスなどの希ガスが適宜の量で封入されて、構成されている。また、発光管11内には、ランプの用途に応じて、希ガスと共に水銀を適宜の量で封入することができる。ここに、発光管11内に封入される希ガスは、キセノンガスに限定されるものではなく、アルゴンガス、クリプトンガスあるいはその他の従来より好適に用いられているものを用いることができる。なお、図1において、17は、封止部13の外端部に設けられた口金である。
陽極15は、陰極20から放出される電子を高い効率で受け止めることができるという理由から、先端部が例えば略半球状とされた形状を有する。
陰極20は、先端に向かうに従って小径となる例えば円錐台状のテーパー部21と、このテーパー部21に連続して後方に伸びる円柱状の胴部22とを有する。
このショートアーク型放電ランプ10においては、陰極20がそのテーパー部21に周方向の全周にわたって異径部30が形成されたものとされている。
具体的には、陰極20における異径部30は、陰極20の中心軸Cを含む断面において、各々の凸部33の頂点が当該テーパー部21の稜線Rより内方側に位置され、かつ、各々の頂点を結んだ包絡線Lが当該陰極20の中心軸Cに対して凸状となる、陰極20の軸方向に並ぶ凸部群32よりなる2箇所の例えば鋸歯状の凹凸部31A,31Bと、一端が先端側の凹凸部31Aにおける凸部33の配列方向に対して最後端の凸部33Aに連続すると共に、他端が後端側の凹凸部31Bにおける凸部33の配列方向に対して最先端の凸部33Bに連続する、表面が実質的に平滑とされた平滑部35とを有する。すなわち、異径部30は、各々特定の形状を有する2箇所の凹凸部31A,31Bが平滑部35を介して互いに軸方向に離間した状態とされて、構成されている。
陰極20の異径部30は、例えば次のようにして形成することができる。すなわち、陰極20のテーパー部21における所定の位置に、陰極20の周方向の全周にわたって伸びる断面略台形状の環状溝部(凹部)を例えばグラインダー等により形成し、この環状溝部の各々のエッジ部、換言すれば、テーパー部21の表面と環状溝部の傾斜面との境界線を含む部分に、周方向の全周にわたって伸びる、環状溝部より幅(ピッチ)が小さい例えば断面略V字状の環状溝よりなる凹部34を例えばレーザ加工等により形成し、これにより、環状溝部の底面が平滑部35として構成されると共にこの平滑部35を介して互いに離間する2箇所の凹凸部31A,31Bが形成され、以って、所要の形態の異径部30が形成される。ここに、先端側の凹凸部31Aにおける最後端に形成される凸部33Aは、環状溝部の傾斜面が利用されて構成されており、断面V字状の環状溝の最後端のものは、実際上、環状溝部のエッジ部近傍に形成された状態とされている。また、後端側の凹凸部31Bについても同様であり、最先端に形成される凸部33Bは、環状溝部の傾斜面が利用されて構成されている。
異径部30を構成する平滑部35の、テーパー部21の表面(稜線)よりの深さd1および異径部30を構成する凹凸部31A,31Bにおける各々の凹部34の深さd2は、先端部が溶融しないよう十分な大きさの伝熱面積が確保される大きさであれば、ランプの構成条件および点灯条件に応じて適宜に設定することができる。
また、異径部30のテーパー部21における形成位置は、異径部30に十分な大きさの伝熱面積が確保されながら、先端部分にできるだけ近い位置とされていることが好ましい。
上記構成のショートアーク型放電ランプ10における数値例を示すと以下のとおりである。
発光管11の最大外径が45〜300mm、発光管11の内容積が40〜16000cc、陰極20と陽極15との電極間距離が3.5〜50mm、陰極20のテーパー部21の全長(軸方向長さ)が3〜55mm、陰極20のテーパー部21の先端角(テーパー角)θが30〜80°、陰極20の胴部22の全長が1〜100mm、陰極20の胴部22の直径が5〜30mm、異径部30を構成する平滑部35の、テーパー部21の表面よりの深さd1が0.3〜3mm、異径部30を構成する平滑部35の幅(テーパー部21の表面に沿った軸方向長さ)W1が0.3〜15mm、異径部30を構成する凹凸部31A,31Bの凹部34,34の深さd2が0.2〜2mm、異径部30を構成する凹凸部31A,31Bの幅W2,W2が0.3〜10mm、凹凸部31A,31Bにおける凸部33の数が3個以上、隣接する凸部33の頂点の離間距離(ピッチ)が0.1〜0.4mmである。
また、投影分野における光源として用いられる場合には、希ガスの封入量が基準温度300Kにおいて0.1〜4MPaの範囲の圧力となる量とされ、半導体製造分野における光源として用いられる場合には、希ガスの封入量が基準温度300Kにおいて0.01〜1MPaの範囲の圧力となる量とされ、水銀の封入量が1〜100mg/ccである。
上記構成のショートアーク型放電ランプ10によれば、陰極20が、先端に向かうに従って小径となるテーパー部21を有し、当該テーパー部21に、特定の形状の2箇所の凹凸部31A,31Bが平滑部35を介して離間した位置に形成されてなる異径部30が陰極20の周方向の全周にわたって形成されたものであることにより、電界強度の連続性が途切れる電界強度不連続部分が形成され、平滑部35を構成する比較的幅が大きい環状凹部による電界集中効果と、この環状溝部より幅が小さい環状溝よりなる凹凸部31A,31Bによる電界集中効果とが得られる。
すなわち、異径部30を構成する凹凸部31A,31Bそれ自体が電界の集中度合いが高くなる構成とされていると共に、凹凸部31A,31Bを構成する環状溝に比して幅が大きい、すなわちアークの始点が通過するために必要とされる移動距離が大きい平滑部35が先端側の凹凸部31Aに連続して形成されているので、先端面23より移動してきたアークの始点を先端側の凹凸部31Aにおいて一時的に滞留させることができる。
従って、例えば図7に示されている構成の陰極50において、単に、互いに同一の形状を有する複数の環状溝を軸方向に並ぶよう形成した構成のものであれば、個々の環状溝部による電界集中効果が他の環状溝部による効果と別個に発現されるだけであるため、アークの始点の移動を禁止することができない、という問題が生ずることがなく、アークの始点の、異径部30が形成された位置より軸方向後方側への移動を確実に防止することができ、陰極20の先端部分の温度の上昇と共にアークの始点を陰極20の先端面23に速やかに移動させることができ、これにより、アークのふらつき現象の発生を確実に防止することができ、アークのふらつき現象に起因する発光管11の失透または破損を確実に防止することができ、従って、均一な強度の光を長期間にわたって確実に放射することができる。
また、陰極20における異径部30が、2箇所の特定の形状の凹凸部31A,31Bが平滑部35を介して互いに離間して形成されてなる構成のものとされていることにより、上記のような効果を一層確実に得ることができる。
以上、本発明のランプユニットの一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、陰極における異径部を構成する凹凸部の形状および平滑部の形状は特に限定されるものではなく、例えば図4に示されているように、異径部30を構成する凹凸部31A,31Bが螺旋溝により形成されていてもよく、また、平滑部35が平面状ではなく曲面状に形成されていてもよい。このような構成であっても、実用上、十分な効果が得られる。
さらに、異径部を構成する平滑部は、凹凸部が形成された領域と互いに電界強度が不連続となる領域となるような構成とされていればよく、例えば周方向に伸びる環状溝や突起部が形成されていてもよい。
また、異径部を構成する凹凸部は2箇所形成されていることは必要ではなく、平滑部における少なくとも陰極の先端側に連続して形成されていればよい。
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
〔ショートアーク型ランプの作製例1〕
図1に示す構成に従って、本発明に係るショートアーク型放電ランプを作製した。以下、このショートアーク型放電ランプを「ランプA」という。このランプAの具体的な構成および仕様は以下に示すとおりである。
発光管(11):最大外径;100mm、内容積;600cc
陰極(20):材質;エミッタ物質としてトリウムが含有されたトリエーテッドタングステン、テーパー部(21)の全長(軸方向長さ);15.6mm、テーパー部の先端角(θ);60°、胴部(22)の全長;34.4mm、胴部の直径;20mm、異径部(30)の構成;2箇所の鋸歯状の凹凸部(31A,31B)が平滑部(35)を介して離間して形成、先端側の凹凸部(31A)の形成位置;陰極の先端面より軸方向に対して2mm後方の位置、異径部を構成する平滑部の表面形状;平面状、平滑部の、テーパー部の表面よりの深さ(d1);0.5mm、平滑部の幅(W1);1.7mm、異径部を構成する各々の凹凸部の形状;断面V字状の環状溝、凹凸部の各々の凹部(34)の深さ(d2);0.5mm、各々の凹凸部の幅(W2);1.2mm、凹凸部における凸部(33)の数;6個、凹凸部における隣接する凸部(33)の頂点の離間距離(ピッチ);0.15mm
陽極(15):最大外径;30mm、全長;50mm
陰極(20)と陽極(15)との電極間距離:10mm
封入ガス:キセノンガス、封入ガス圧;0.90×105 Pa
水銀量:20mg/cc
入力電力:10kW
安定時ランプ電圧(初期時):90V
〔ショートアーク型ランプの作製例2〕
上記作製例1において得られたランプAにおいて、以下に示す構成の陰極(図4参照。)を用いたこと以外はランプAと同様の構成を有する本発明に係るショートアーク型放電ランプを作製した。以下、このショートアーク型放電ランプを「ランプB」という。このランプBにおける陰極の構成は、以下に示すとおりである。
異径部(30)の構成;2箇所の鋸歯状の凹凸部(31A,31B)が平滑部(35)を介して離間して形成、先端側の凹凸部(31A)の形成位置;陰極の先端面より軸方向に対して2mm後方の位置、異径部を構成する平滑部の表面形状;球面状、平滑部の、テーパー部の表面よりの最大深さ;0.6mm、平滑部の幅(W3);0.6mm、異径部を構成する凹凸部の形状;断面V字状の螺旋溝、凹凸部における凸部(33)の数;6個、凹凸部における隣接する凸部の頂点の離間距離(ピッチ);0.15mm、凹凸部における各々の凹部(34)の深さ;0.5mm、各々の凹凸部の幅(W4);0.9mm
〔ショートアーク型ランプの作製例3〕
上記作製例1において得られたランプAにおいて、図7に示す構成の陰極を用いたこと以外はランプAと同様の構成を有する比較用のショートアーク型放電ランプを作製した。以下、このショートアーク型放電ランプを「ランプC」という。このランプCにおける陰極の構成は、以下に示すとおりである。
凹部(55)の形状;断面台形状の環状溝、凹部の形成位置;陰極の先端面より軸方向に対して2mm後方の位置、凹部の深さ;0.5mm、凹部の幅;0.15mm
〔ショートアーク型ランプの作製例4〕
上記作製例1において得られたランプAにおいて、異径部を有さない構成の陰極を用いたこと以外は、ランプAと同様の構成を有する比較用のショートアーク型放電ランプを作製した。以下、このショートアーク型放電ランプを「ランプD」という。このランプDにおける陰極のテーパー部の寸法および胴部の寸法は、ランプAと同様の大きさである。
<実験例>
上記のランプA〜Dの各々について、6時間の間継続して点灯させた後、2時間の間消灯させるという試行を、150回繰り返し行い、当該試行が50回行われるまでの時点、100回行われるまでの時点、および150回行われるまでの時点において、ランプ始動時におけるアークのふらつき現象の発生回数を目視にて確認すると共に、当該試行が50回行われた時点、100回行われた時点、および150回行われた時点において、発光管の失透の発生有無を目視にて確認した。結果を下記表1に示す。ここに、「アークのふらつき現象の発生回数」は、ランプ始動時においてアークの始点が陰極の先端面から陰極の胴部の表面位置に移動した回数(例えば図6に示した状態となる回数)をカウントしたものである。
Figure 0004714418
以上のように、本発明に係るランプAおよびランプBによれば、アークのふらつき現象の発生が確実に防止され、アークのふらつき現象に起因する発光管の失透が生ずることが確実に防止されることが確認され、従って、ランプの所期の性能が長期間にわたって得られることが確認された。
これに対して、比較用のランプCおよびランプDにおいては、アークのふらつき現象の発生頻度がランプの点灯、消灯動作の回数(試行回数)が増加するに従って高くなり、ランプCについては、150回の試行が行われた時点において、ランプDについては100回の試行が行われた時点において、発光管の失透が生じることが確認された。
本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例における構成の概略を示す正面図である。 図1に示すショートアーク型放電ランプの陰極の構成を拡大して示す正面図である。 図2に示す陰極の要部を拡大して示す断面図である。 本発明に係るショートアーク型放電ランプにおける陰極の他の構成例の概略を示す正面図である。 従来のショートアーク型放電ランプの一例における構成の概略を示す正面図である。 ランプ始動時において、アークの始点が陰極の先端面より移動した位置に形成された状態を模式的に示す説明図である。 従来のショートアーク型放電ランプの他の例における陰極の構成の概略を示す正面図である。
符号の説明
10 ショートアーク型放電ランプ
11 発光管
12 膨出部
13 封止部
15 陽極
17 口金
20 陰極
21 テーパー部
22 胴部
23 先端面
30 異径部
31A 先端側の凹凸部
31B 後端側の凹凸部
32 凸部群
33 凸部
33A 先端側の凹凸部における最後端の凸部
33B 後端側の凹凸部における最先端の凸部
34 凹部
35 平滑部
C 陰極の中心軸
L 包絡線
R テーパー部の稜線
S 放電空間
θ 陰極の先端角
40 ショートアーク型放電ランプ
41 発光管
42 膨出部
43 封止部
44 陰極
45 陽極
44A テーパー部
44B 胴部
46 先端面
48 口金
A アーク
P アークの始点
50 陰極
51 テーパー部
52 胴部
55 凹部

Claims (2)

  1. 内部に放電空間を形成する発光管を具え、当該発光管内において、陰極と陽極とが対向配置されてなる放電ランプにおいて、
    前記陰極は、先端に向かうに従って小径となるテーパー部を有し、このテーパー部には、平滑部を構成する環状凹部および当該環状凹部の陰極先端側に陰極の軸方向に並んで形成された、当該陰極の軸方向に並ぶ凸部群よりなる凹凸部を有する異径部が周方向の全周にわたって形成されており、当該凹凸部は、陰極の中心軸を含む断面において、各々の凸部の頂点が当該テーパー部の稜線より内方側に位置され、かつ、各々の頂点を結んだ包絡線が当該陰極の中心軸に対して凸状となるよう構成されていることを特徴とする放電ランプ。
  2. 陰極の異径部においては、2箇所の凹凸部が、前記環状凹部を介して軸方向に離間した位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
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