JP5167980B2

JP5167980B2 - 放電ランプ

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Publication number: JP5167980B2
Application number: JP2008162626A
Authority: JP
Inventors: 幸夫安田; 恒夫岡沼; 由郎影林; 良徳相浦
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-06-21
Filing date: 2008-06-21
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: JP2010003594A

Description

本発明は、放電ランプに係わり、特に、投影露光装置、光化学反応装置等の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。

従来から放電ランプとしては種々のものが知られているが、発光管内に水銀が封入された放電ランプは、波長３６５ｎｍのｉ線や、波長４３５ｎｍのｇ線を放出する発光特性を有することから、例えば、半導体ウェハ、液晶基板等の露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用されている。このような放電ランプは、露光処理を高い処理効率で実行できるよう、高出力化が強く要求されている。

放電ランプを高出力化するためには、通常、定格電力を大きくすることが行われるが、この場合、通常、定格電流も大きくなる。その結果、特に、直流点灯される放電ランプにおける陽極は、これに衝突する電子の量が多くなるために容易に高温度となって溶解してしまう問題を生じる。また、一対の電極が垂直方向に対向する姿勢で点灯される放電ランプにおいては、発光管内の熱対流等の影響も加わり、上方に位置する電極は、アークからの熱によって高温となってより一層溶解され易くなる。電極の先端部が溶解した場合には、アークが不安定になるばかりでなく、蒸発した電極を構成する物質が発光管の内壁に付着することにより、放電ランプから放射される光量が低下するという問題を生ずる。

このような問題を解決する手段として、特許文献１には、放電ランプの電極の内部に形成された密閉空間内に、電極を構成する金属より融点の低い金属からなる伝熱体を封入した構造を有する陽極が示されている。
図７は、特許文献１に示される陽極の構成を示す断面図である。
同図に示すように、陽極１００には、有底円筒状の基体部１０１の内部空間内に、蓋部１０３における円柱状の嵌入部１０４が嵌入された状態で、基体部１０１と蓋部１０３とが、互いに当接され、周方向の側面全体にわたって溶接されて構成されている。このように構成することにより、陽極１００の内部に密閉空間１０２が形成される。密閉空間１０２内には、陽極４を構成するタングステンより融点が低い金属からなる伝熱体１０５が封入されている。

上記のような構成を有する陽極１００を備える放電ランプによれば、点灯時において陽極１００の内部に封入された伝熱体１０５が溶融して液体状となって密閉空間１０２内で対流することによって、陽極１００の鉛直方向下方側に位置する電極先端部１０６の近傍に蓄積された熱が、陽極１００の内部リード側１０７に向けて高い効率で輸送され、これより電極先端部１０６が過熱状態になることが防止され、電極先端部１０６の溶解を防ぐことができる。
特開２００７−３０５５７０号公報

しかしながら、上記のような構成を有する陽極１００を備える放電ランプにおいては、数時間点灯しただけで電極先端部１０６が膨らみ、または凹む変形が生じ、さらに点灯を続けると伝熱体１０５が密閉空間１０２から漏れ出すという不具合を生じることが分かった。密閉空間１０２から漏れ出した伝熱体１０５は、発光管の内壁に付着することにより、放電ランプから放射される光を遮り、急激な照度低下を招くという問題を生じる。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、放電ランプの点灯時に、電極の密閉空間内に封入された伝熱体が所望の輸送効果を奏すると共に、電極先端部の変形を抑制して、伝熱体が密閉空間から漏れ出すことによる急激な照度低下の発生を防止し、高出力化を可能にした放電ランプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
発光管の両端に封止管が連設されてなる放電容器の内部空間に、前記発光管の管軸方向において対向する１対の電極を配置し、前記電極の一方が、基体部と蓋部とが嵌合されて溶接されることにより形成された密閉空間の内部に、前記基体部を構成する金属がタングステン（Ｗ）であって、該金属よりも融点が低い、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）錫（Ｓｎ）のいずれかの金属からなる伝熱体が封入された放電ランプにおいて、該放電ランプに加えられる入力電力をＷ（ｋＷ）、前記発光管の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）、前記発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）としたとき、管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）がＷ／（πＬＤ）（ｋＷ／ｃｍ^２）で与えられ、前記放電容器の単位容積当りの封入量をｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）としたとき、ｎ×ｗ（μｍｏｌ／ｃｍ^３・ｋＷ／ｃｍ^２）を前記内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸとし、常温の前記密閉空間の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）、室温における前記密閉空間の内容積をＶ_ＷＯ（ｃｍ^３）、室温における前記伝熱体の容積をＶ_ＭＯ（ｃｍ^３）とし、Ｖ_ＭＯ／Ｖ_ＷＯをｔとおいたとき、［（１−ｔ）／（１．０３−１．２ｔ）］・Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）を前記密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹとし、前記内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸと前記密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹが、７８Ｘ−１７≦Ｙ≦８７Ｘ＋２９０の関係を有することを特徴とする放電ランプである。

本発明によれば、電極の密閉空間内に熱輸送体である伝熱体が封入されるので、放電ランプの点灯時に、伝熱体が溶融して電極の密閉空間の内部において対流が発生するので、電極先端部において発生した熱が効率的に電極後端部側に熱輸送されるので、電極先端部の過熱状態が防止され、電極が溶融する問題を回避することができる。
また、陽極の密閉空間内に熱輸送体である伝熱体が封入されるため、電極先端部の過熱状態が防止されるので、放電ランプの電流流量を増大しても、陽極が溶融することがなく、放電ランプに大きな電流を流すことができ、放電ランプの高出力化が可能となる。
また、７８Ｘ−１７≦Ｙ≦８７Ｘ＋２９０の関係を満たすことにより、電極先端部の変形を抑制でき、伝熱体が密閉空間から漏れ出すことを防止することができる。

本発明の一実施形態を図１ないし図６を用いて説明する。
図１は本実施形態の発明に係る放電ランプの構成を示す断面図である。
同図に示すように、放電ランプは、例えば、石英ガラス等の光透過性材料よりなり、概略球状の発光管２とその両端に連続して外方に伸びる封止管３とを有する放電容器１を備え、発光管２の内部には、各々、例えば、タングステン（Ｗ）からなる陽極４および陰極５が対向配置されている。放電ランプは、放電容器１の管軸が地面に対して垂直方向に支持されて点灯される、いわゆる垂直点灯型の放電ランプである。放電容器１の内部空間８には、発光物質または始動補助用ガスとしての水銀およびバッファガスが各々所定の封入量で封入される。バッファガスは、例えば、キセノンガスが封入される。水銀の封入量は、例えば、１〜７０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲内、例えば、２２ｍｇ／ｃｍ^３であり、キセノンガスの封入量は、例えば、０．０５〜０．５ＭＰａの範囲内、例えば、０．１ＭＰａである。

放電容器１内には、陽極４または陰極５が先端に固定された内部リード６が封止管３内をその管軸に沿って伸びるよう配設されている。陽極４が上に、陰極５が下に配置される、すなわち、陰極５と対向する電極先端部７が下方に位置する状態となっている。陽極４および陰極５は、いずれも高融点金属からなり、具体的には、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）等の融点が約３０００℃以上の金属により構成される。これらの金属の中でも特に、タングステン（Ｗ）が好ましい。

この放電ランプに、図示を省略した点灯電源によって陽極４と陰極５との間に高電圧、例えば、２０ｋＶが印加されると、電極４，５間で絶縁破壊が生じ、それに続いて放電アークが形成され、例えば、波長３６５ｎｍのｉ線や波長４３５ｎｍのｇ線を含む光が放射される。

図２は、図１に示した陽極４の拡大断面図である。
同図に示すように、陽極４は、基体部２０と蓋部３０とが嵌合されて溶接されることにより形成された密閉空間９の内部に伝熱体１０が気密に封入されて構成される。陽極４の先端部側に基体部２０が配置され、陽極４の内部リード６側に蓋部３０が配置される。基体部２０は、蓋部３０に対向する端面に開口２１を有し、電極先端部７に底面２２を有する有底筒状に形成されている。蓋部３０は、円錐台形の蓋部側フランジ部３１の中央から突出するように円柱状の嵌入部３２が形成されている。基体部２０は、有底筒状に形成され、胴部２５の厚みが４ｍｍ以上、底面２２の厚みが４ｍｍ以上となる密閉空間９が形成されている。電極先端部７にはテーパ面が形成され、先細り形状となっている。なお、底面２２の厚みは４ｍｍ未満の場合は、始動時に固体状態の伝熱体１０が熱膨張して陽極４との熱膨張との差によって陽極４が割れてしまう問題がある。

基体部２０は、開口２１に基体部側フランジ部２３が形成されている。基体部側フランジ部２３は、開口２１に形成された径方向に平坦なリング状の基体部側突合せ面２３ａと、基体部側突合せ面２３ａの外周縁から基体部２０の側面に接続する基体部側斜面２３ｂとを有している。基体部２０には、基体部側フランジ部２３に連接して縮径部２４が形成されているので、基体部側フランジ部２３は径方向外方に突出するように設けられているが、基体部側フランジ部２３の外径が基体部２０の胴部２５の外径より小さくなるように形成することができる。

蓋部３０は蓋部側フランジ部３１と嵌入部３２とにより構成される。蓋部側フランジ部３１が円錐台形状に形成され、嵌入部３２が円柱状に形成されている。蓋部側フランジ部３１の外径が、基体部側フランジ部２３の外径にほぼ一致するように形成されている。蓋部３０の蓋部側フランジ部３１の中央には、上端面３４に開口を有する内部リード用孔３３が形成されている。この内部リード用孔３３に内部リード６が圧入されて、陽極４と内部リード６とが接続される。蓋部側フランジ部３１の基体部２０と対向する下面は、径方向に平坦なリング状の蓋部側突合せ面３１ａとなっている。蓋部側突合せ面３１ａの外周縁から径方向内側に伸びる蓋部側斜面３１ｂが形成されているので、蓋部側フランジ部３１は内部リード６側が縮径した円錐台形状となっている。

基体部２０の基体部側突合せ面２３ａと蓋部３０の蓋部側突合せ面３１ａとが溶着されて、陽極４の内部に密閉空間９が形成される。密閉空間９には、伝熱体１０が封入される。なお、密閉空間９における伝熱体１０が占める領域以外の空間をガス空間１２と呼ぶ。

なお、本発明の陽極４の構成は、図２に示した陽極４の構成に限られず、適宜変更可能である。

次に、図２に示した陽極４の製造方法について説明する。
先ず、タングステンからなる円柱状部材に対し切削加工を施すことにより、基体部２０および蓋部３０を作製する。基体部２０の内部空間内に伝熱体１０を充填する。伝熱体１０は、密閉空間９内の体積に対して、７５〜８３体積％封入することが好ましい。伝熱体１０としては、陽極４を構成する金属に比較して低い融点を有する金属が用いられる。例えば、陽極４をタングステン（Ｗ）で構成した場合には、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）等が用いられ、特に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）または金（Ａｕ）が好ましく、特に好ましいのは銀（Ａｇ）である。これらの金属は、いずれもタングステン（Ｗ）と合金を形成するものではないので、陽極４の密閉空間内において溶融しても安定状態にあり、熱輸送体として有効に機能する。

次に、基体部２０の開口２１に蓋部３０の嵌入部３２を挿入し、基体部側突合せ面２３ａと蓋部側突合せ面３１ａとを当接させ、基体部側フランジ部２３と蓋部側フランジ部３１との重なり部分を外側から加熱して溶接する。溶接工程が完了し、基体部２０と蓋部３０が溶着されて密閉空間９が形成された陽極４には、蓋部３０に形成された図示が省略されたガス導入孔からガス空間１２内に希ガスが所定の圧力となるように導入される。希ガスの封入完了後、蓋部３０に形成された内部リード用孔３３内に内部リード６の一端部が押圧手段によって圧入される。

陽極４を構成する基体部２０と蓋部３０との溶接時、溶接部１１の温度は３６６０Ｋとなり、その他の部分の温度も低くとも１０００Ｋ以上になる。大気圧の下で溶接工程を行えば、溶接時の温度におけるガス空間１２の圧力は０．１ＭＰａとなる。溶接工程後に、希ガスを導入することにより陽極４のガス空間１２内を所定の圧力となるように調整することができる。

一方、放電容器１の内部空間８には、発光物質または始動補助用のガスとして水銀およびバッファガスが各々所定の封入量で封入される。放電ランプの点灯時には、水銀は蒸気となって発光物質となる。したがって、放電ランプ点灯時の放電容器１の内部空間８の圧力は、消灯時より高くなり、例えば、２ＭＰａとなる。

伝熱体１０が封入されている密閉空間９は、溶融した伝熱体１０が流出しないように気密封止されているため、放電容器１の内部空間８とは区別された空間を形成し、異なる圧力を有するように構成される。放電容器１の内部空間８の圧力と、陽極４のガス空間１２の圧力との差が大きい場合には、電極先端部７が凹んだり、逆に、電極先端部７が膨らんだりする。放電ランプの点灯時には、電極先端部７に電子が衝突して温度が高くなるため、高温クリープにより電極先端部７が変形する。なお、クリープとは、一定の温度、一定の応力を受ける材料が、ある時間を過ぎた後に生じる変形をいう。放電容器１の内部空間８の圧力と、陽極４のガス空間１２の圧力との差が小さくなるように調整できれば、電極先端部７が受ける応力が低減され、クリープ現象によって生じる変形を抑制することができる。また、電極先端部７の変形が抑制できれば、伝熱体１０が密閉空間９から漏れ出すことも防止することができ、漏れ出すことによる急激な照度低下も防止することができる。

次に、放電容器１の内部空間８の圧力Ｐ_Ｌａｍｐについて説明する。
放電容器１の内部空間８の圧力Ｐ_Ｌａｍｐは、発光物質または始動用ガスとして封入される水銀やバッファガス等の封入物の量に依存する。水銀やバッファガスの封入量が増大すると、放電ランプ点灯時に放電容器１の内部空間８に気体となって存在する物質が増加するため、放電容器１の内部空間８の圧力は増大する。水銀やバッファガス等の封入物の量は、放電容器１の単位容積当りの封入量ｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）として表すことができる。また、放電容器１の内部空間８の圧力Ｐ_Ｌａｍｐは、放電ランプに加えられる入力電力Ｗ（ｋＷ）の値にも依存する。ボイル・シャルルの法則より、一定体積の容器に封入された理想気体の圧力は絶対温度に比例する。一般的に入力電力Ｗ（ｋＷ）の値が大きいほど、印加されるエネルギーも大きく、内部空間８の温度も高くなる。

しかしながら、内部空間８の体積によっても、内部空間８の温度に与える影響も異なるので、入力電力Ｗ（ｋＷ）を放電容器１の表面積Ｍ（ｃｍ^２）で除した量である管壁負荷ｗ＝Ｗ／Ｍ（ｋＷ／ｃｍ^２）を指標として用いる。管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）が増大すると、放電容器１の内部空間８の圧力が増大することがわかっている。

放電容器１の表面積Ｍ（ｃｍ^２）は、放電容器１の発光管２の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）、発光管２の最大外径をＤ（ｃｍ）とするとき、πＬＤ（ｃｍ^２）と近似して表される。したがって、管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）はＷ／（πＬＤ）（ｋＷ／ｃｍ^２）で与えられる。なお、発光管２の軸方向の長さＬ（ｃｍ）は、図１に示すように、管軸に沿って切断した断面図において、上端を発光管２の外表面の陽極４側の変曲点とし、下端を発光管２の外表面の陰極５側の変曲点とし、その間の離間距離をいう。また、発光管２の陽極４の外表面に２以上の変曲点が存在するときは、内部空間８の中央側となる陽極４に最も近い変曲点を上端とする。同様に、発光管２の陰極５側の外表面に２以上の変曲点が存在するときも、陰極５に最も近い変曲点を下端とする。

このような関係により、放電容器１の内部空間８の圧力は、水銀やバッファガス等の封入物の量ｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）と、管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）の大きさに比例するといえる。したがって、放電容器１の内部空間８の圧力Ｐ_Ｌａｍｐは、ｎ×ｗ（μｍｏｌ／ｃｍ^３・ｋＷ／ｃｍ^２）に密接に関連するパラメータとして表すことができる。

次に、陽極４のガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}について説明する。
放電ランプの点灯時には、陽極４の温度も上昇するため、陽極４を構成する基体部２０と蓋部３０も、密閉空間９に封入される伝熱体１０も、熱膨張する。基体部２０と蓋部３０とを形成する金属に比べて、伝熱体１０を形成する金属は熱膨張率が高いため、密閉空間９はそれほど拡張されないにもかかわらず、伝熱体１０が膨張する。したがって、放電ランプの点灯時におけるガス空間１２に封入されている気体の存在領域が伝熱体１０の膨張により狭まるため、ガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}は上昇する。

室温における密閉空間９の内容積をＶ_ＷＯ（ｃｍ^３）とし、点灯時の密閉空間９の容積をＶ_Ｗ（ｃｍ^３）とし、室温における伝熱体１０の容積をＶ_ＭＯ（ｃｍ^３）、点灯時の液体となっている伝熱体１０の容積をＶ_Ｍ（ｃｍ^３）とする。常温におけるガス空間１２に封入されている気体の存在領域は、Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）−Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）と示される。また、放電ランプの点灯時におけるガス空間１２に封入されている気体の存在領域は、Ｖ_Ｗ（ｃｍ^３）−Ｖ_Ｍ（ｃｍ^３）と示される。

文献「編者財団法人日本金属学会“金属データブック”改定２版丸善株式会社発行１９８４」によれば、タングステン（Ｗ）に関して、２７℃（室温）における密度は１９．３ｇ／ｃｍ^３である。１０００℃〜３０００℃の各温度での線膨張率を内挿し、線膨張率の３倍を体積膨張率として計算すると、２０００Ｋ（点灯時）における密度は、１８．８ｇ／ｃｍ^３と求められる。したがって、室温状態に対する点灯時におけるタングステン（Ｗ）の体積膨張率は１．０３となることがわかる。

これらの結果より、基体部２０と蓋部３０とをタングステン（Ｗ）により形成し、室温を２７℃、点灯時の陽極４の温度を２０００Ｋとすれば、点灯時の密閉空間９の容積Ｖ_Ｗ（ｃｍ^３）は、室温における密閉空間９の内容積をＶ_ＷＯ（ｃｍ^３）の１．０３倍となることがわかる。すなわち、Ｖ_Ｗ（ｃｍ^３）＝１．０３×Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）なる関係が導出される。点灯時の密閉空間９の内容積Ｖ_Ｗ（ｃｍ^３）は、加熱による膨張がそれほど大きくなく、加熱により膨張する内容積の量は３×１０^−２と、有効数字１桁で表すことができる。

文献「編者財団法人日本金属学会“金属データブック”改定２版丸善株式会社発行１９８４」によれば、銀（Ａｇ）に関して、２７℃（室温）における密度は１０．４９ｇ／ｃｍ^３である。液体時の密度を外挿すると、２０００Ｋ（点灯時）における密度は８．６９ｇ／ｃｍ^３と求められる。したがって、室温状態に対する点灯時における銀（Ａｇ）の体積膨張率は１．２となることがわかる。

また、銅（Ｃｕ）に関して、２７℃（室温）における密度は８．９３ｇ／ｃｍ^３である。液体時の密度を外挿すると、２０００Ｋ（点灯時）における密度は７．４３ｇ／ｃｍ^３と求められる。したがって、室温状態に対する点灯時における銅（Ｃｕ）の体積膨張率は１．２となることがわかる。

また、亜鉛（Ｚｎ）に関して、２７℃（室温）における密度は７．１３ｇ／ｃｍ^３である。液体時の密度を外挿すると、２０００Ｋ（点灯時）における密度は５．７６ｇ／ｃｍ^３と求められる。したがって、室温状態に対する点灯時における亜鉛（Ｚｎ）の体積膨張率は１．２となることがわかる。

また、錫（Ｓｎ）に関して、２７℃（室温）における密度は７．２９ｇ／ｃｍ^３である。液体時の密度を外挿すると、２０００Ｋ（点灯時）における密度は６．００ｇ／ｃｍ^３と求められる。したがって、室温状態に対する点灯時における錫（Ｓｎ）の体積膨張率は１．２となることがわかる。

これらの結果より、伝熱体１０を銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）または錫（Ｓｎ）により形成し、室温を２７℃、点灯時の伝熱体１０の温度を２０００Ｋとすれば、点灯時の伝熱体１０の容積Ｖ_Ｍ（ｃｍ^３）は、室温における伝熱体１０の内容積Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）の１．２倍となることがわかる。すなわち、Ｖ_Ｍ（ｃｍ^３）＝１．２×Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）なる関係が導出される。点灯時の伝熱体１０の容積Ｖ_Ｍ（ｃｍ^３）は、加熱による膨張が、密閉空間９の内容積の膨張に比べて大きく、加熱により膨張する容積の量は２×１０^−１と、有効数字１桁で表すことができる。

ボイル・シャルルの法則より、理想気体の圧力Ｐ、体積Ｖ、温度Ｔは、ＰＶ／Ｔ＝一定となる。これを考慮すると、点灯時のガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}（ｋＰａ）と気体の存在領域Ｖ_Ｗ（ｃｍ^３）−Ｖ_Ｍ（ｃｍ^３）との積は、常温のガス空間１２の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）と気体の存在領域Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）−Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）との積に比例する。したがって、ガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}は、［（Ｖ_ＷＯ−Ｖ_ＭＯ）／（Ｖ_Ｗ−Ｖ_Ｍ）］・Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）に密接に関連するパラメータとして表すことができる。

さらに、Ｖ_Ｍを１．２Ｖ_ＭＯとし、Ｖ_Ｗを１．０３Ｖ_ＷＯとし、Ｖ_ＭＯ／Ｖ_ＷＯをｔとおくと、ガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}を、［（１−ｔ／（１．０３−１．２ｔ）］・Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）に関連するパラメータとして表すことができる。

次に、圧力Ｐ_Ｌａｍｐと圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}との関係について説明する。
放電容器１の内部空間８の圧力Ｐ_Ｌａｍｐと、ガス空間１２の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}とが、一定の関係にあれば、電極先端部７の外側から受ける圧力Ｐ_Ｌａｍｐと内側から受ける圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}とが均衡すると考えられるので、電極先端部７の変形を抑制でき、伝熱体１０が密閉空間９から漏れ出すことを防止することができる。

具体的には、ｎ×Ｗ／（πＬＤ）をＸとし、［（１−ｔ）／（１．０３−１．２ｔ）］・Ｐ_ＯをＹとしたとき、以下の関係を満たすことによって達成される。
７８Ｘ−１７≦Ｙ≦８７Ｘ＋２９０
ただし、パラメータＸに関しては、放電容器１の単位容積当りの封入量ｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）、入力電力Ｗ（ｋＷ）、発光管２の軸方向の長さＬ（ｃｍ）、発光管２の最大外径Ｄ（ｃｍ）とし、ｎ×Ｗ／（πＬＤ）をＸとする。また、パラメータＹに関しては、ｔをＶ_ＭＯ／Ｖ_ＷＯとし、室温における密閉空間９の内容積Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）、室温における伝熱体１０の容積Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）、常温のガス空間１２の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）とする。

次に、放電ランプにおける各変数の測定方法について説明する。
（１）放電容器１の単位容積当りの封入量ｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）については、希ガス量は、放電容器１の発光管２に小さな孔を開けて、水上置換方式で内部空間に封入されていた希ガスを捕集することによって秤量する。また、水銀量は、水銀は常温常圧で液体として存在するので、放電容器１の発光管２を破損して集めることによって測定する。
（２）放電容器１の管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）については、入力電力Ｗ（ｋＷ）を測定し、放電容器１の形状より発光管２の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）および発光管２の最大外径Ｄ（ｃｍ）を測定する。
（３）常温のガス空間１２の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）については、陽極４を構成する基体部２０と蓋部３０との溶接部１１を万力で挟み、万力で挟まれた状態のまま水槽に入れる。溶接部１１を分離し、水上置換方式でガス空間１２に封入されていたガスを捕集することによって、ガス量を定量的に測定する。
（４）室温における密閉空間９の内容積Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）については、陽極４の全重量を測定した後、基体部２０と蓋部３０とに分解して、伝熱体１０を溶かして取り除く。その後、陽極４の密閉空間９の内容積Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）を測定する。
（５）室温における伝熱体１０の容積Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）については、伝熱体１０を取り除いた後の陽極４の重量を測定する。伝熱体１０が封入されていた電極４の全重量から、伝熱体１０を取り除いた後の陽極４の重量を差し引くことにより、伝熱体１０の重量が分かる。それを伝熱体１０の密度で割ると、室温における伝熱体１０の容積Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）が算出される。ただし、溶かした伝熱体１０の元素分析により元素を特定しておく。

次に、本発明に係る実験および実験結果について説明する。
まず、測定対象とする放電ランプを２０本用意する。これらの放電ランプの陽極の基体部の底面の厚みは４ｍｍである。各々の放電ランプについて、まず、ランプ番号を付与して２００時間点灯し、点灯後の電極先端部の形状を観察し、点灯後の電極先端部の形状を、ランプ番号ごとに記録した。続いて、放電容器の発光管を破壊して放電容器の内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸを測定した。具体的には、封入量ｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）、入力電力Ｗ（ｋＷ）、発光管の軸方向の長さＬ（ｃｍ）、発光管の最大外径Ｄ（ｃｍ）を測定した。図３はその測定結果を示す表である。

続いて、陽極４の溶接部を破壊して密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹを測定した。具体的には、常温の密閉空間の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）、室温における密閉空間の内容積Ｖ_ＷＯ（ｃｍ^３）、室温における伝熱体の容積Ｖ_ＭＯ（ｃｍ^３）を測定した。図４はその測定結果を示す表である。

図５は、放電容器の内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸ（ｎ×Ｗ／（πＬＤ））と、密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹ（［（１−ｔ）／（１．０３−１．２ｔ）］・Ｐ_Ｏ）とについて測定し、点灯後の電極先端部の形状に関して、変化が見られなかったものを「○」、膨らみまたは凹みが生じたものを「×」とした測定結果を示す表である。

図６は、図５に示した測定結果をグラフにプロットしたものであり、縦軸は、密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹを示し、横軸は、放電容器の内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸを表している。網掛け部分が、２００時間点灯後も電極先端部の形状に変化が見られなかったものの範囲である。すなわち、放電容器の内部空間の圧力と、陽極の密閉空間の圧力との差が小さく、伝熱体が密閉空間から漏れ出すことを防止できる放電ランプの範囲である。

図６に示した範囲のうち、電極先端部の形状に変化が見られなかったものの範囲の下限は、Ｙ＝７８Ｘ−１７であった。また、電極先端部の形状に変化が見られなかったものの範囲の上限は、Ｙ＝８７Ｘ＋２９０であった。すなわち、密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹは、放電容器の内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸに対して、７８Ｘ−１７以上であり、かつ、８７Ｘ＋２９０以下であるとき、電極先端部の外側から受ける圧力Ｐ_Ｌａｍｐと内側から受ける圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}とが均衡していると考えられ、電極先端部の変形が抑制でき、伝熱体が密閉空間から漏れ出すことを防止できることが分かる。また、上記条件は陽極の基体部の底面の厚みとしてとり得る値の最小値である４ｍｍの場合において漏れ出すことを防止できるものなので、底面の厚みを４ｍｍ以上として剛性を高めたときは、上記条件を満たせば当然に伝熱体が漏れ出すこと防止できる。

本発明に係る放電ランプの構成を示す断面図である。図１に示した陽極４の拡大断面図である。パラメータＸに係る諸データの測定結果を示す表である。パラメータＹに係る諸データの測定結果を示す表である。パラメータＸとパラメータＹとの測定結果に基づく、点灯後の電極先端部の形状に係る評価結果を示す表である。図５に示した測定結果のグラフ表示である。特許文献１に示される陽極の構成を示す断面図である。

符号の説明

１放電容器
２発光管
３封止管
４陽極
５陰極
６内部リード
７電極先端部
８内部空間
９密閉空間
１０伝熱体
１１溶接部
１２ガス空間
２０基体部
２１開口
２２底面
２３基体部側フランジ部
２３ａ基体部側突合せ面
２３ｂ基体部側斜面
２４縮径部
２５胴部
３０蓋部
３１蓋部側フランジ部
３１ａ蓋部側突合せ面
３１ｂ蓋部側斜面
３２嵌入部
３３内部リード用孔
３４上端面

Claims

発光管の両端に封止管が連設されてなる放電容器の内部空間に、前記発光管の管軸方向において対向する１対の電極を配置し、前記電極の一方が、基体部と蓋部とが嵌合されて溶接されることにより形成された密閉空間の内部に、前記基体部を構成する金属がタングステン（Ｗ）であって、該金属よりも融点が低い、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）錫（Ｓｎ）のいずれかの金属からなる伝熱体が封入された放電ランプにおいて、
該放電ランプに加えられる入力電力をＷ（ｋＷ）、前記発光管の軸方向の長さをＬ（ｃｍ）、前記発光管の最大外径をＤ（ｃｍ）としたとき、管壁負荷ｗ（ｋＷ／ｃｍ^２）がＷ／（πＬＤ）（ｋＷ／ｃｍ^２）で与えられ、前記放電容器の単位容積当りの封入量をｎ（μｍｏｌ／ｃｍ^３）としたとき、ｎ×ｗ（μｍｏｌ／ｃｍ^３・ｋＷ／ｃｍ^２）を前記内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸとし、
常温の前記密閉空間の圧力Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）、室温における前記密閉空間の内容積をＶ_ＷＯ（ｃｍ^３）、室温における前記伝熱体の容積をＶ_ＭＯ（ｃｍ^３）とし、Ｖ_ＭＯ／Ｖ_ＷＯをｔとおいたとき、［（１−ｔ）／（１．０３−１．２ｔ）］・Ｐ_Ｏ（ｋＰａ）を前記密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹとし、
前記内部空間の圧力Ｐ_Ｌａｍｐに関するパラメータＸと前記密閉空間の圧力Ｐ_{ａｎｏｄｅ}に関するパラメータＹが、７８Ｘ−１７≦Ｙ≦８７Ｘ＋２９０の関係を有する
ことを特徴とする放電ランプ。