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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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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2004
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