JP4714418B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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、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、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。
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。
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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