JP5009062B2 - 放電ランプ用の電極構造 - Google Patents

Description

本発明は、紫外線を照射するショートアーク型などの放電ランプ用の電極構造に関し、特に、放電ランプの電極の先端テーパ部に放熱用の放射状溝を有する電極構造に関する。

従来、ショートアーク型などの放電ランプが、紫外線を照射する光源として、半導体の配線パターンを形成する際に使用されている。この放電ランプは、陽極が電極棒を介して石英製の封止管により放電空間内に保持され、陽極を上または下にした状態で垂直点灯して使用されている。放電ランプを点灯すると、陰極から送られてくる電子が陽極に衝突して高熱となり、陽極は蒸発して消耗する。電極が消耗すると、熱対流により、放電ランプの内壁が黒化し、発光管中央部から上部側の内管壁が特に黒化する。これを防ぐために、陰極や陽極の先端部に放射状の溝を設けて、放熱効果を高めている。また、放射状の溝に沿って放電ガスが流れるようにして、アークの揺らぎを防止している。以下に、これに関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「放電灯用電極」は、エミッター物質の機能が長時間有効に発揮されるようにしたものである。図４（ａ）に示すように、陰極の先端部に、特定の溝を形成する。電子放射に寄与する電極先端部の実効表面積が増大する。エミッター物質の表面拡散が十分となる。特許文献２に開示された「放電灯」は、放電灯における照射光の揺らぎを防止するものである。図４（ｂ）に示すように、希ガスが封入された封体には、陰極および陽極が対向配置されている。陽極の先端部に、軸方向に放射状に伸びる溝を設ける。この溝によって、アーク発生位置での渦流がなくなるので、渦流に起因するアークの乱れがなくなり、照射光の揺らぎが防止できる。

特許文献３に開示された「ショートアーク型高圧放電ランプ」は、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、放射光の揺らぎを抑えたものである。図４（ｃ）に示すように、電極の胴体部と先端に、テーパ部がある。陽極のテーパ部には、陽極軸に対して90°以下となる溝が形成されている。特許文献４に開示された「放電ランプ用陽電極」は、冷却効果を高めるために電極に微細加工で形成されたフィンが、運搬時や製造時に欠けたり折れ曲がったりしないようにしたものである。図４（ｄ）に示すように、深さＤが、陽電極の直径の12％以内であり、深さＤとピッチＰとの関係が、Ｄ／Ｐ≧２である微細溝が、胴部の表面に形成されている。
実開平02-082872号公報 特許第3327350号公報（特開平06-267502号公報） 特許第3846282号公報（特開2003-157794号公報） 特許第3838110号公報（特開2003-223865号公報）

しかし、従来の放電ランプの電極では、以下のような問題がある。微細溝だけでは、放熱効果が不十分であり、陽極が消耗して放電ランプ内が黒化する。軸方向に放射状に伸びる矩形状の溝を、ダイヤモンドカッターによる切削加工で電極の先端部に設けると、切削した跡にバリが発生する。このようなバリは鋭利であるので、溝の角が、刃物状やノコギリ状（ささくれ、逆剥け）やヤスリ状となる。このように溝の角が鋭利であると、ランプ製造工程において、ランプを構成する部材を破損させるおそれがある。

例えば、放電ランプの封止工程において、封止管内に電極を入れる時に、封止管の開口部に当接させると封止管が割れてしまう。また、封止管内で電極を移動させたり回転させたりすると、封止管内面を削って、細かいガラスの破片がランプ内に異物として入り込む。また、発光管の内面に当たると、発光管内面を傷つけてしまう。このように発光管の内面を傷つけた状態で点灯すると、この傷を起点としてランプが破裂するおそれがある。

係合部によって陽極を保持する場合には、係合部により陽極を挟持するときに、溝の角で係合部を削り取ってしまい、陽極に係合部の破片が付着して、放電ランプ内に異物として持ち込むおそれがある。その他の工程においても、電極の先端が鋭利となっているので、電極を移動しただけでも、製造設備や治具の表面を削ってしまう。さらに、ノコギリ状となっている部分で異物などを抱え込んで、不純物として放電ランプ内に持ち込むおそれがある。放電ランプ内に不純物を持ち込むことにより、ランプの寿命が短くなる。

特に、近年の放電ランプの大電力化に伴い、電極がとても重いので、当てたときの衝撃エネルギーが大きくなっている。電極が重くなったことにより、衝撃エネルギーが大きいので、電極を発光管の所望の位置に配設する作業は慎重に行う必要があり、著しく作業効率が悪くなる。溝の角が鋭利となった部分を平滑化するために、バリ取り（面取り）を行う。溝の本数が多い場合には、その加工は著しく煩雑となり、製造効率が悪い。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、アークの揺らぎ抑制と陽極の放熱のための溝部によるランプ部材の損傷を防止することである。

上記の課題を解決するため、本発明では、円柱状の胴体部と円錐台状の先端部とを有する第１の電極と、第１の電極との間で放電を行う第２の電極とが、発光管内に対向して設けられた放電ランプの先端部に、放電を行う先端面と、胴体部の外径より小さい外径の側面部と、先端面から側面部に沿って延び胴体部にまでは至らない放射状の複数の溝部とを備え、溝部の延長線は胴体部とも先端部とも交わらない構成とした。

先端部は、先端面をもつ第１円錐台と、第１円錐台と胴体部とにつながる第２円錐台とからなり、第１円錐台は、第２円錐台より軸に対する側面部の角度が大きい。または、先端面をもつ第１円錐台と、第１円錐台につながる第２円錐台と、第２円錐台と胴体部とにつながる第３円錐台とからなり、第１円錐台は、第２円錐台より軸に対する側面部の角度が大きく、第２円錐台は、第３円錐台より軸に対する側面部の角度が大きい。または、先端面をもつ第１円錐台と、第１円錐台につながる第２円錐台と、第２円錐台と胴体部とにつながる第３円錐台とからなり、第１円錐台と第３円錐台は、第２円錐台より軸に対する側面の角度が大きい。

または、先端部は、球または回転楕円体または回転放物面を円錐台状に切断した形状のものである。または、球または回転楕円体または回転放物面を円錐台状に切断して胴体部につながる部分を広げたベル形状のものである。さらに、先端部の側面部に、円周状に微細溝を設けた。

上記のように構成したことにより、陽極の放熱効果を高め、アークの揺らぎを抑えるための溝部を設けても、溝部の縁で、放電ランプの構成部材やランプ製造設備を破損することを防止でき、不純物を放電ランプ内に持ち込むことも防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例は、先端面からテーパ部の途中まで、溝部の延長線が胴体部とも先端部とも交わらないように、胴体部より細い先端部の側面に放射状の複数の溝部を設けた陽極である。

図１は、本発明の実施例における陽極を用いた放電ランプの外観図と、電極の形状を示す概念図である。図１において、放電ランプ１は、内部の電極間で放電を行うランプである。発光部２は、電極間の放電により発光する部分であり、電極を密封して放電空間を形成するガラス部材である。封止管部３は、バルブを気密封止する部分である。口金４は、ランプを機械的に保持するとともに給電するための部材である。放電ランプ１は、口金４を介して光源装置に固定されている。封止管部３には、口金４が固定されている。外部リード棒５は、口金から金属箔を介して電極へ給電する部材である。金属箔６は、内部リード棒と外部リード棒を電気的に接続する部材である。内部リード棒７は、電極を支えて給電する部材である。封止管部３は、内部リード棒７と外部リード棒５とを導電性の金属箔６によって接続して気密に封止する。陰極９は、マイナス側の電極である。陽極10は、プラス側の電極である。陽極10の先端部には、複数の溝部が放射状に設けられている。陽極10と陰極９は、発光部２の中に対向配置されている。

円錐台に近い形状の電極先端部を、単にテーパ部やテーパ面という。これには、図１（ｂ）に示すように、球面の一部を切り取って円錐台に近い形状にしたものや、図１（ｃ）に示すように、回転放物面の一部を切り取って円錐台に近い形状にしたものや、図１（ｄ）に示すように、回転楕円体の一部を切り取って円錐台に近い形状にしたものや、図１（ｅ）に示すように、ベル形にしたものも含める。また、第１テーパ部と第２テーパ部とをまとめて、テーパ部という。先端面は、平面の円板状でもよいし、円板に近い曲面でもよい。

図２は、陽極の拡大図である。図２（Ａ）は、陽極の側面側の外観図である。図２（Ｂ）は、陽極の先端側の外観図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ‐Ｃ断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、先端部11は、電極の先端側の円錐台状の部分である。胴体部12は、先端部11に連なる部分であって、電極の円柱状部分である。後端部13は、胴体部12に連なる部分であって、電極の後端側の円錐台部分である。先端面21は、円柱状の電極の前面であり、陰極９との間で放電を行う面である。第１テーパ部22は、先端面21に連なる円錐台の部分である。第２テーパ部23は、第１テーパ部に連なる円錐台の部分である。

胴体面25は、円柱状の電極の側面である。後端面27は、円柱状の電極の底面である。後端側テーパ部26は、後端面27に連なる円錐台である部分である。テーパ終端部28は、胴体面の先端面側の終端となる円周部分である。電極保持孔14は、後端面27に設けた穴である。溝部31は、先端部の先端面から第２テーパ部の途中までにわたって設けた矩形状の断面を有する溝である。溝底面32は、矩形状の溝の底の面である。溝側面33は、矩形状の溝の側面である。溝縁部34は、電極の軸に平行な面内にあり、テーパ部または先端面と溝部との境界である縁の角部分である。溝端部35は、電極の軸とねじれた直交関係にあり、先端面と溝部との境界の軸側の角部分である。Ｄ₁は、円柱状の電極の外径である。Ｄ₂は、複数の溝端部からなる最大径である。θ₁は、第１テーパ部の頂角（軸と母線の角度の２倍）である。θ₂は、第２テーパ部の頂角である。

図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、陽極10は、円柱に近い形状である。先端部11には、先端面21、第１テーパ部22、第２テーパ部23、溝部31がある。胴体部12には、胴体面25がある。後端部13には、後端側テーパ状態部26、後端面27、電極保持孔14がある。溝部31の表面は、第１テーパ部22の表面に沿って設けた溝底面32と、この溝底面に沿って両側に設けられ、溝底面に垂直な溝側面33とから構成されている。溝端部35は、先端面または第２テーパ部と溝底面とが交わる角の部分である。溝縁部34は、先端面またはテーパ部と溝側面とが交わる角の部分であって、先端面から第２テーパ部にわたって連続して形成されている。溝縁部34の両端は、先端面と第２テーパ部に形成された溝端部35につながっている。よって、溝部31は、溝底面と接する溝端部35と、溝側面と接する溝縁部34とにより囲まれた状態である。

テーパ部において、第１テーパ部の頂角をθ₁とし、第２テーパ部の頂角をθ₂とするとき、０＜θ₂＜θ₁とする。すなわち、先端面に最も近い円錐台は、その次の円錐台より軸に対する側面の角度が大きいテーパ部とする。第１テーパ部22のテーパ面に沿って溝部31の溝底面32を設けると、先端面21と第２テーパ部23のテーパ面とに溝端部35が形成される。溝部31の溝底面32で、先端面21と第２テーパ部23のテーパ面とがつながる。さらに、円柱状の電極の外径をＤ₁とし、第２テーパ部に形成された複数の溝端部からなる最大径をＤ₂とするとき、Ｄ₁＞Ｄ₂とする。すなわち、胴体部12の外径は、溝部31の最大外径より大きい。溝端部35と溝縁部34は、テーパ終端部28を越えた胴体面25側には形成されない。胴体面25と同一面上には、溝端部35と溝縁部34は形成されない。

溝部は、放射状に４本設けてあるが、放熱性を増すためには、40本程度の多数の溝を放射状に設けてもよい。矩形状の溝としたが、Ｖ字状の溝やＵ字状の溝などであってもよい。さらに、先端部の溝部に加えて、先端部や胴体部に微細溝を電極の円周方向に設けることにより、電極の表面積を大きくして、放熱効果を大きくすることができる。

図３は、陽極の他の例の拡大図である。図３（Ａ）は、陽極の側面側の外観図である。図３（Ｂ）は、陽極の先端側の外観図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＣ‐Ｃ断面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、陽極110は、プラス側の電極である。先端部111は、電極の先端側の円錐台部分である。先端面121は、円柱状の電極の上面であり、陰極との間で放電を行う面である。

第１テーパ部122は、先端面121につながる砲弾状の部分である。第２テーパ部123は、第１テーパ部122につながる円錐台の部分である。第３テーパ部124は、第２テーパ部123と胴体面25とをつなぐ円錐台の部分である。溝部131は、先端部の先端面から第２テーパ部にわたって設けた溝である。溝縁部134は、電極の軸に平行な面内にあり、テーパ部または先端面と溝部との境界である縁の角部分である。溝端部135は、電極の軸とねじれた直交関係にあり、先端面と溝部との境界の軸側の角部分である。

３つのテーパ面は円錐台でもよいし、球や回転放物面や回転楕円体や砲弾形の一部を切り取って円錐台に近い形としたものでもよいし、図１（ｅ）に示したように、３つの円錐台を滑らかな曲面でつないで、胴体部側が広がったベル形にしたものなどでもよい。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、複数の溝部131を、先端部111の先端面121から第２テーパ部123に向かって放射状に設ける。

第２テーパ部は、その頂角θ₂が０となる円柱状であってもよい。よって、第１テーパ部の頂角をθ₁とし、第２テーパ部の頂角をθ₂とするとき、０≦θ₂＜θ₁とする。このような第２テーパ部の途中まで、溝部を設ける。第２テーパ部123のテーパ面に平行に、溝部131の溝底面132を設ける。先端面121と第２テーパ部124のテーパ面とに、溝端部135が形成される。

さらに、放電ランプ内のガスの先端面から胴体面に向かう流れを整えるためには、溝部が先端面から第２テーパ部に向かって開放される必要がある。第３テーパ部が、放電ランプのガス流を遮らないようする。したがって、溝底面132の延長面は、第３テーパ部と交わらないようにする。さらに、第２テーパ部と第３テーパ部との境界でガス流が乱されないように、第２テーパ部の頂角と第３テーパ部の頂角との差を小さくする。これらの理由により、第３テーパ部の頂角をθ₃とすると、０≦θ₂＜θ₃≦θ₁とする。

次に、図２を参照しながら、陽極の作り方を説明する。従来と同様に、円錐状の先端部に、先端面から胴体面まで溝部を放射状に複数設けた後に、旋盤を用いて第２テーパ部を削り出すことにより作製することができる。その他の方法として、予め、第２テーパ部を削り出した電極の先端部に、先端面から第２テーパ部まで溝部を放射状に複数設けても作製することができる。これらの方法で作成された溝部は、特に溝端部や溝縁部が鋭利となる。

次に、図３を参照しながら、他の例の陽極の作り方を説明する。砲弾状の先端部に、先端面から胴体面にわたって溝部を放射状に複数本刻んだ後に、旋盤を用いて第２テーパ部と第３テーパ部とを削り出すことにより作製することができる。その他の方法として、予め、第２テーパ部と第３テーパ部とを削り出した電極の先端部に、先端面から第２テーパ部まで溝部を放射状に複数刻む方法もある。

次に、陽極の溝部の機能を説明する。テーパ面の表面積を増加させて、陽極の先端部の温度を低下させ、電極の蒸発を抑制してランプの黒化を防いで、ランプの寿命を延ばすための溝部を設けても、溝部の形状を上記のようにしたので、ランプ部材の破損などを防止できる。すなわち、溝端部と溝縁部は、テーパ終端部を越えて胴体面側には形成されないので、ランプを構成する他の部材などを、溝縁部や溝端部で破損したり、削り取ったりすることを防ぐことができ、ランプの内部に不純物が持ち込まれることを防止できる。

さらに、溝部を先端部の途中までとしたにもかかわらず、先端面から第２テーパ部に向かう溝部は、胴体面方向に開放されているので、先端面から胴体面に向かう放電ガスの流れが整えられて、アークが乱されることはない。

次に、第３テーパ部にまで溝部を設けた陽極について説明する。この場合、０＜θ₃＜θ₂＜θ₁とする。すなわち、３段の凸形のテーパ部となる。この第３テーパ部の途中にまで溝部を設ける。第２テーパ部123のテーパ面に沿って、溝部131の溝底面132を設ける。先端面121と第３テーパ部124のテーパ面とに、溝端部135が形成される。溝部131の溝底面132で、先端面21と第３テーパ部124のテーパ面とがつながる。この陽極の機能は、図２に示したものと同じである。

上記のように、本発明の実施例では、陽極を、先端面からテーパ部の途中まで、溝部の延長線が胴体部とも先端部とも交わらないように、胴体部より細い先端部の側面に放射状の複数の溝部を設ける構成としたので、溝部の縁によるランプ構成部材の破損を防止できる。

本発明の放電ランプは、電極の温度上昇が少なく寿命の長い紫外線照射用放電ランプとして最適である。

本発明の実施例における陽極を用いた放電ランプの外観図である。 本発明の実施例における陽極の拡大図である。 本発明の実施例における陽極の他の例の拡大図である。 従来の放電ランプの電極の構造を示す概念図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
２ 発光部
３ 封止管部
４ 口金
５ 外部リード棒
６ 金属箔
７ 内部リード棒
９ 陰極
10,110 陽極
11,111 先端部
12,112 胴体部
13,113 後端部
14 電極保持孔
21,121 先端面
22,122 第１テーパ部
23,123 第２テーパ部
24,124 第３テーパ部
25,125 胴体面
26,126 後端側テーパ部
27,127 後端面
28,128 テーパ終端部
31,131 溝部
32,132 溝底面
33,133 溝側面
34,134 溝縁部
35,135 溝端部

Claims (7)

1. 円柱状の胴体部と円錐台状の先端部とを有する第１の電極と、第１の電極との間で放電を行う第２の電極とが、発光管内に対向して設けられた放電ランプにおいて、前記先端部は、放電を行う先端面と、前記胴体部の外径より小さい外径の側面部と、前記先端面から前記側面部に沿って延び前記胴体部にまでは至らない放射状の複数の溝部とを備え、前記溝部より軸方向胴体部側の先端部と前記胴体部を、前記溝部の胴体部側へ延びる方向に沿った延長線より軸側に配設することを特徴とする放電ランプ。
2. 前記先端部は、前記先端面をもつ第１円錐台と、前記第１円錐台と前記胴体部とにつながる第２円錐台とからなり、前記第１円錐台は、前記第２円錐台より軸に対する側面部の角度が大きいことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記先端部は、前記先端面をもつ第１円錐台と、前記第１円錐台につながる第２円錐台と、前記第２円錐台と前記胴体部とにつながる第３円錐台とからなり、前記第１円錐台は、前記第２円錐台より軸に対する側面部の角度が大きく、前記第２円錐台は、前記第３円錐台より軸に対する側面部の角度が大きいことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
4. 前記先端部は、前記先端面をもつ第１円錐台と、前記第１円錐台につながる第２円錐台と、前記第２円錐台と前記胴体部とにつながる第３円錐台とからなり、前記第１円錐台と前記第３円錐台は、前記第２円錐台より軸に対する側面の角度が大きいことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
5. 前記先端部は、球または回転楕円体または回転放物面を円錐台状に切断した形状のものであることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
6. 前記先端部は、球または回転楕円体または回転放物面を円錐台状に切断して前記胴体部につながる部分を広げたベル形状のものであることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
7. 前記先端部の側面部に、円周状に微細溝を設けたことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の放電ランプ。

Images