JP5276485B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、露光装置などに光源として利用されるショートアーク型放電ランプに関し、特に、ランプの電極構造に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、陽極、陰極が発光管内に近接した状態で保持され、電圧を印加することによってアーク放電が電極間で発生し、紫外光など特定波長の光が放射される。ショートアーク型放電ランプは電極間距離が短いため点光源とみなすことができ、放射輝度の高い光が得られる。

陰極先端部は、通常円柱状胴体部と円錐台状先端部から構成され、微小領域の陰極先端面に向けて先細い構造になっている。ランプ点灯時において電極間に電圧が印加されると、絶縁破壊によって電子が陰極先端面から陽極線端面に向けて放出し、アークの輝点（始点）が陰極先端面に形成される。陰極がテーパー形状であることにより、先端面付近が急速に温度上昇して熱電子放出能力が高まり、陰極先端面を輝点とするアーク放電が維持される。

しかしながら、電極表面の溶融蒸発による電極形状の変形、陰極先端面の電子放射能力の低下などに起因して、ランプ点灯直後においてアーク輝点が陰極先端面から移動してしまう。その結果、電極間に弧状アークが形成されず、アーク放電が不安定になる。アーク放電が不安定化することで照度低下、照度変動が生じ、一定照度の光を照射することができない。

このようなアーク放電の不安定化を防ぐため、例えば、円錐台状の陰極先端部に続けて円柱状突起部をさらに形成し、電子が直線的に陽極方向へ飛ぶように、電極間における電界強度を強くする（特許文献１参照）。あるいは、テーパー状陰極先端部に周方向溝あるいは複数の凹部を形成し、アーク輝点の移動を溝、凹部によって抑える（特許文献２、３参照）。

特開２００３−７７４１６号公報 特開２００３−２５７３６３号公報 特開２００５−２５１４７１号公報

陰極先端部に円状突起部を設け、あるいは陰極先端部に周方向溝を形成した場合、陰極先端部の強度が弱くなり、ランプ製造時に陰極先端部のひび割れ、破損の恐れがある。また、テーパー状陰極先端部側面に凹部を部分的に設けた場合、陰極先端面が陰極胴体部側と十分隔離しておらず、陰極先端面の熱が陰極胴体部に向けて移りやすい。そのため、点灯直後に陰極先端面を急激に温度上昇させることができず、アーク放電を安定化させるのが難しい。

本発明のショートアーク型放電ランプは、陰極先端部の強度を下げることなく、（特に点灯直後）安定したアーク放電によって放電可能なランプであり、発光管と、発光管内に対向配置される陽極および陰極とを備え、陰極は、先端面を有するテーパー状先端部を有する。例えば、陰極は電極軸（中心軸）に関して対称的構成であり、円錐台状先端部が形成される。

本発明の陰極先端部は、陰極先端部側面を貫通する少なくとも１つの貫通穴を有する。貫通穴は一定方向に沿った直線的な穴、あるいは曲線的な穴でもよい。また、垂直な方向あるいは垂直方向に対して傾斜していてもよく、さらに、径の大きさが一定、あるいは変化してもよい。ランプ製造時の貫通穴形成を容易にするためには、貫通穴を一定方向に形成、すなわち直線状に形成するのがよい。

本発明では、陰極先端部の外表面がテーパー形状であり、高い構造強度が維持されるため、ランプ製造時の陰極先端部のひび割れ、破損の恐れがない。その一方、貫通穴を形成することにより、陰極先端部の内部では、陰極先端面と陰極胴体側内部が貫通穴を挟んで乖離する。そのため、ランプ点灯直後に温度上昇する陰極先端面の熱が陰極胴体側に輸送されるのを防ぎ、陰極先端面の高温状態維持によって陰極先端面からの電子放出能力が高まり、安定したアーク放電が維持される。

さらに、何らかの原因によってアーク放電が不安定化し、陰極先端面上のアーク輝点が移動しても、貫通穴２６Ａ、２６Ｂによってその移動が抑えられ、失透を生じさせるようなアークの揺らぎを防ぐことができ定格点灯時も照度一定で放電することが可能となる。そして、長時間点灯中、陰極先端面の熱は貫通穴のため陰極先端面付近を通って陰極胴体側へ流れていくため、熱が陰極先端面から外部に放射される。これによって、陰極先端面の熱の移動が促進され、陰極先端面の過熱が防止される。

点灯直後の先端面温度の高温維持、およびアーク輝点の移動防止を確実に行うため、貫通穴を陰極先端面近傍に形成するのが望ましい。また、陰極先端部をバランスのとれた構造強度にするとともに、アーク輝点の移動がどのような方向に進んでもなるべく最小距離に抑えるため、電極軸にほぼ垂直な方向に沿って貫通穴を形成し、貫通穴の位置が電極軸方向に関しほぼ同じ位置にするのがよい。

特に、陰極が電極軸に関して多くの場合対称的形状であることから、バランスある構造強度にするため電極軸に関して対称的形状であるのがよい。

点灯直後の陰極先端面からの胴体側への熱輸送を効果的に抑えるため、電極軸を通るように貫通穴を形成するのがよい。また、長時間点灯させている間、陰極先端面の熱はより一層陰極側面付近を通って陰極胴体側へ移動するため、陰極先端面付近の過熱が防止される。

電極先端部の構造強度を上げるため、例えば、電極軸に近いほど貫通穴の径を小さくするのがよい。また、水銀を封入する放電ランプの場合、水銀が貫通穴に付着、滞留する恐れがあるが、貫通穴の内壁が傾斜することによってこれを防ぐことができる。

貫通穴は一つ形成してもよいが、点灯直後の陰極先端面の高温維持、およびアーク輝点の移動抑制を効果的に行うため、構造強度を満たす範囲で複数の貫通穴を形成するのがよい。特に、複数の貫通穴が電極軸付近で交差させることによって、構造バランスが優れたものになる。特に、２つの貫通穴が、電極軸上で直交する場合、ランプ製造時の陰極、陽極の面合わせ工程において、陰極が陽極に対し傾斜しているか否かを穴を覗き見ることで確認することができる。

陰極先端部の適切な構造強度を保つため、貫通穴が形成されている電極軸方向範囲において、以下の式を満たすのが望ましい。

０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７ ・・・・（１）

ただし、陰極先端部において最小値のなる電極軸垂直方向に沿った断面積をＳ１、その断面に貫通穴が形成されていなかった場合の断面積をＳ２とする。ただし、ここでは電極軸垂直方向に沿って最小値の断面積Ｓ１を規定している。Ｓ１／Ｓ２が０．３未満であると、電極の径に対する断面積が小さくなることにより、電極の先端部の機械的強度が小さくなり、先端部が欠落するなどの問題が生じる。また、電極の断面積が小さくなることにより、貫通穴付近での電気的抵抗が大きくなり、電極先端部の消耗が激しくなり、ランプ短寿命の原因となる場合がある。さらに、貫通穴を電極の先端部付近に設けることにより、貫通穴の開口部からの異常放電が生じる場合があり、点光源として望ましいランプ性能が得られないばかりでなく、電極が消耗してランプ短寿命の原因となる場合もある。一方、Ｓ１／Ｓ２が０．７より大きいと、電極の断面積に対する貫通穴の割合が小さくなり、貫通穴を設けない従来の電極を用いた場合と比較して、放電へ与える効果が十分ではない。従って、点灯直後の先端の温度上昇を急速に高めることができず、安定したアーク放電によって一定照度の光が得られない。

例えば、一本の貫通穴を電極軸垂直方向に沿って電極中心を通るように形成した場合、以下の式を満たすように陰極先端部、貫通穴の形状を定めればよい。

１．７≦（（Ｌ_１０＋Ｒ_１０−Ｒ_１０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_１０×cosθ）≦４．２
・・・・（２）

これによって、構造強度の優れた陰極先端部を一義的に設計することができる。ただし、陰極先端部の電極軸に対するテーパー面角度（母線）をθ［°］、貫通穴の半径をＲ_１０［ｍｍ］、先端から貫通穴までの距離をＬ_１０［ｍｍ］とする。

あるいは、２本の貫通穴を電極軸垂直方向に沿って電極中心で交差させるように形成した場合、以下の式を満たすように陰極先端部、貫通穴の形状を定めればよい。

３．０≦（（Ｌ_２０＋Ｒ_２０−Ｒ_２０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_２０×cosθ）≦７．９
・・・・（３）
ただし、陰極先端部の電極軸に対するテーパー面角度（母線）をθ［°］、貫通穴の半径をＲ_2０［ｍｍ］、先端から貫通穴までの距離をＬ_2０［ｍｍ］とする。

また、絶縁破壊による先端面からの電子放出を安定させるため、陽極と陰極の電極間距離をＨ（ｍｍ）、陰極先端面から貫通穴の中心軸までの距離をＬ（ｍｍ）とし、以下の式を満たすのが望ましい。

Ｈ＋Ｌ≦４０ ・・・・（４）

このように本発明によれば、陰極先端部の構造強度を下げることなく、安定したアーク放電によって一定照度の光を照射するショートアーク型放電ランプを提供することができる。

第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的平面図である。 側面側から見た陰極および陽極の拡大平面図である。 上方から見た陰極の平面図である。 図３のIV−IVに沿った陰極の電極軸方向断面図である。 図２のＶ−Ｖに沿った陰極の電極軸垂直方向断面図である。 陰極先端部の断面積と軸方向距離との関係を示したグラフである。 電極間の面合わせを示した図である。 第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの電極軸方向陰極断面図である。 第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの電極垂直方向陰極断面図である。 第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの側面側から見た陰極および陽極の拡大平面図である。 第３の実施形態である陰極先端部の平面図である。 第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陰極先端部の断面図である。 第４の実施形態における貫通穴の径および仮想先端部からの距離と面積率との関係を示したグラフである。 第５の実施形態における２つの貫通穴の径および仮想先端部からの距離と面積率との関係を示したグラフである。

以下、図面を参照して本実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。

図１は、第１の実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的平面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の発光管１２を備え、発光管１２内には陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。発光管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と連設し、一体的に形成されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設されている。電極支持棒１７Ａ、１７Ｂは、それぞれ金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂと接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、その両端が口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれるとともに、内部に設けられたガラス管２１、ガラス棒（図示せず）と溶着し、これによって水銀、およびアルゴンガスなどの希ガスが封入された発光管１２が封止される。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂを介して陰極２０、陽極３０に電力が供給される。陰極２０、陽極３０の電極間でアーク放電が発生し、発光管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、陽極２０、３０が鉛直方向に沿って並ぶように放電ランプ１０が配置されている。

図２は、側面側から見た陰極および陽極の拡大平面図である。図３は、上方から見た陰極の平面図である。

タングステンなどの金属から成形された陰極２０は、電極支持棒１７Ａと連結する円柱状胴体部２２と、胴体部２２から陽極３０に向けてテーパー状に形成された円錐台状陰極先端部２４から構成されている。陽極３０も同様に、円柱状胴体部３２と円錐台状陽極先端部３４から構成されている。

陰極２０、陽極３０は、その中心軸（以下、電極軸という）が放電ランプ１０の管軸と一致するように配置されている。陰極２０は、電極軸Ｅおよびそれに垂直な方向に関して対称的形状であり、陰極先端面２４Ｔは電極軸Ｅに垂直な平面となる。陽極線端面３４Ｔに比べて径の小さい微小領域の陰極先端面２４Ｔは、陽極先端面３４と電極間距離Ｈだけ離れて対向している。ここでは、電極間距離Ｈは０．５〜３０ｍｍの範囲に定められている。

陰極先端部２４には、電極軸Ｅに垂直な方向に沿って、２つの貫通穴２６Ａ、２６Ｂが形成されている。貫通穴２６Ａ、２６Ｂは、陰極先端面２４Ｔ近傍に形成され、陰極先端面２４Ｔから所定距離Ｌ（ｍｍ）（以下、軸方向距離という）のところで陰極側面２４を貫いている。ただし、軸方向距離Ｌは、陰極先端面２４Ｔから貫通穴２６Ａ、２６Ｂの中心軸までの距離を示す。

図３に示すように、貫通穴２６Ａ、２６Ｂの開口部２６Ａ_１、２６Ａ_２、２６Ｂ_１、２６Ｂ_２は、電極軸Ｅ周りに互いに等間隔に形成されており、開口部２６Ａ_１、２６Ａ_２、２６Ｂ_１、２６Ｂ_２を除く陰極先端部側面２４Ｓは、円錐側面を構成している。したがって、陰極先端部２４の径は、陰極先端部側面２４Ｓの傾斜角に沿って一定割合で減少していく。

陰極２０、陽極３０の間に数ｋＶの電圧が印加されると、絶縁破壊によって陰極先端面２４Ｔから陽極先端面３４Ｔに向けて電子が放出される。これによって、陰極先端面２４Ｔ上にアーク輝点を形成しながら電極間でアーク放電が発生する。点灯直後に陰極先端面３４Ｔの温度が電子放出によって急激に上昇し、アーク輝点を陰極先端面２４に維持しながらアーク放電が続けられる。

貫通穴２６Ａ、２６Ｂはそれぞれ所定方向に沿って延びる直線的な穴であり、電極軸Ｅにおいて互いに直交する。貫通穴２６Ａ、２６Ｂが電極軸Ｅ周りに対称的配置であるため、陰極先端部２４の構造強度は電極軸Ｅに関してバランスのとれた偏りないものになっている。

図４は、図３のIV−IVに沿った陰極２０の電極軸方向断面図である。図５は、図２のＶ−Ｖに沿った陰極２０の電極軸垂直方向断面図である。

図４、５に示すように、陰極先端部２４には、貫通穴２６Ａ、２６Ｂによって十字状の空洞部分が生じ、貫通穴２６Ａ、２６Ｂ以外の周辺部２４Ｋを通じて電流が陰極先端面２４Ｔに向けて流れ、陰極先端面２４Ｔの熱も周辺部２４Ｋを通じて陰極胴体部２２へ移動する。

点灯直後に陰極先端面２４Ｔから電子が放出し、陰極先端面２４Ｔの温度が急激に上昇するが、陰極先端面２４Ｔの熱は、貫通穴２６Ａ、２６Ｂの遮断によって陰極先端面２４Ｔの高温状態が維持される。これによって、陰極先端面２４Ｔの電界放出能力が高まり、アーク輝点が陰極先端面２４Ｔ上に安定した状態でアーク放電が続く。また、長時間点灯中、陰極先端面２４Ｔの熱は陰極先端部側面２４Ｓ付近を移動する間に側面２４Ｓから外部へ放射される。

貫通穴２６Ａ、２６Ｂの径は陰極先端部２４内で一定であり、ともに陰極先端面２４Ｔ（水平方向）に沿っている。陰極先端面２４Ｔから同じ位置にある貫通穴２６Ａ、２６Ｂの開口部２６Ａ_１、２６Ａ_２、２６Ｂ_１、２６Ｂ_２は、アーク放電が不安定化してアーク輝点が陰極先端面２４Ｔから外れたとき、その移動を抑える。

図６は、陰極先端部２４の断面積と軸方向距離との関係を示したグラフである。

陰極先端部２４が円錐台形状であるため、先端面２４Ｔから離れるほど陰極先端部２４の断面積は二次関数的に増加する。しかしながら、貫通穴２６Ａ、２６Ｂが形成される範囲では、穴の形成部分に合わせて断面積が変化する。ここでは、貫通穴２６Ａの径を２ｍｍ、陰極先端面２４Ｔからの軸方向距離Ｌを４ｍｍとしている。

陰極先端部２４の貫通穴２６Ａ、２６Ｂが形成される軸方向範囲において、陰極先端部２４の構造強度は、貫通穴２６Ａ、２６Ｂにより規定される断面領域Ａ１（図５参照）の面積に依存する。特に、断面領域Ｓ１が最小面積となる、すなわち貫通穴形成部分の肉厚が最も薄くなるときの構造強度が重要であり、図５では、先端からの距離が約４ｍｍで必要最小限の強度が求められる。本実施形態では、最小となる断面領域Ａ１の面積をＳ１、貫通穴２６Ａ、２６Ｂが形成されていないと仮定した場合の断面領域Ａ２の面積をＳ２とすると、Ｓ１とＳ２の比（Ｓ１／Ｓ２、以下面積率という）は以下の式を満たす。

０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７ ・・・・（５）

（５）式は、陰極先端部２４の構造強度を必要以上に下げず、かつ点灯直後の先端面２４Ｔの温度上昇を急速に高めるための条件式であり、貫通穴２６Ａ、２６Ｂの径Ｄ（ｍｍ）、軸方向距離Ｌは（５）式を満たすように定められる。ここでは貫通穴２６Ａ、２６Ｂの径Ｄ（ｍｍ）は８ｍｍ以下に定められる。

また、軸方向距離Ｌは、電極間距離Ｈとの関係で以下の式を満たすように定められている。

Ｈ＋Ｌ≦４０ ・・・・（６）

（６）式は、点灯開始後における陰極先端面２４Ｔの極度の過熱を防ぎ、かつ陰極先端部２４の構造強度を維持するように定められている。

図７は、電極間の面合わせを示した図である。

例えば、ランプ製造時の陰極側封止行程において、陰極２０および電極支持棒１７Ａの位置決め誤差があった場合、放電ランプの管軸（陽極の電極軸）に対して陰極２０の電極軸がずれる。この場合、一方の貫通穴２６Ａを見ながら陰極２０、陽極３０の面合わせを行っても、陽極３０の軸に対して陰極２０の軸が傾斜する。

ここで他方の貫通穴２６Ｂを覗いてみると、陰極２０の軸が傾斜している場合、貫通穴の出口開口部と入口開口部がずれていることが視認される。これにより、品質検査において、電極消耗に偏りが生じるような陰極２０の傾斜したランプであるか検査することが可能となる。

このように本実施形態によれば、陰極２０、陽極３０が短い電極間距離Ｈで対向配置されるショートアーク型放電ランプにおいて、陰極先端面２４Ｔを有するテーパー状陰極先端部２４に、陰極先端部側面２４Ｓを貫通する２つの貫通穴２６Ａ、２６Ｂが形成されている。貫通穴２６Ａ、２６Ｂは、直線状に電極軸Ｅを通り、電極軸Ｅにおいて互いに直交する。

陰極先端部２４に周方向溝を形成し、あるいは円柱状先端部を形成する構成ではないため、構造強度が低下することはなく、ランプ製造時に先端部破損の恐れがない。また、貫通穴２６Ａ、２６Ｂが電極軸Ｅに関して対称的であるため、陰極先端部２４の構造強度は電極軸Ｅに関してバランスが維持されている。

点灯直後に陰極先端面２４Ｔが温度上昇した後、貫通穴２６Ａ、２６Ｂによって熱が陰極胴体部２２の方へ輸送されるのを防ぐ。これにより、陰極先端面２４Ｔの電界放出能力が高められ、アーク放電が安定化する。また、外乱などによってアーク輝点が陰極先端面２４Ｔから移動しても、貫通穴２６Ａ、２６Ｂによってその移動が抑えられる。

長時間点灯を続けている間、陰極先端面２４Ｔの熱の多くは、陰極先端部側面２４Ｓ付近を通過して陰極胴体部２４へ移動していく。そのため、陰極先端部側面２４Ｓから熱が放射されやすく、陰極先端面２４Ｔの熱の移動が促進されて陰極先端面２４の過熱を防ぐことができる。

さらに、貫通穴２６Ａ、２６Ｂが直交するように形成されているため、電極先端部の面合わせにおいても、陰極の軸傾斜検査を容易に行える。

貫通穴については、陰極先端面に対しておよそ平行であればよく、先端面近くであれば、ある程度傾斜させてもよい。また、電極軸Ｅを通らなくてもよく、電極軸Ｅに非対称であってもよい。さらに、３つ以上の貫通穴を設けても良い。

次に、図８、図９を用いて、第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、貫通穴がテーパー状に形成される。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図８は、第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの電極軸方向陰極断面図である。図９は、第２の実施形態であるショートアーク型放電ランプの電極垂直方向陰極断面図である。

陰極１２０は、第１の実施形態と同様に胴体部１２２、陰極先端部１２４から構成されている。そして、陰極先端部１２４には、貫通穴１２６Ａ、１２６Ｂが電極軸Ｅで互いに直交するように形成されている。

図８、図９から明らかなように、コーン状貫通穴１２６Ａ、１２６Ｂは電極軸Ｅに近づくにつれて先細くなり、径Ｄは電極軸Ｅに近いほど小さい。貫通穴１２６Ａ、１２６Ｂの内壁は、水平方向に関して傾斜している。また、電極軸垂直方向に沿った断面領域ＡＡ１の面積は径が一定であるときに比べて大きい。

このような構成により、陰極先端部１２４の構造強度を高めることができる。また、消灯後に水銀が貫通穴１２６Ａ、１２６Ｂに滞留することを防ぐことができる。貫通穴をコーン状でなくてもよく、陰極胴体側の穴内壁部分のみが陰極先端面に対して傾斜する構成であってもよい。

次に、図１０、図１１を用いて、第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、１つの貫通穴が形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図１０は、第３の実施形態であるショートアーク型放電ランプの側面側から見た陰極および陽極の拡大平面図である。図１１は、第３の実施形態である陰極先端部の平面図である。

陽極２３０に対向する陰極２２０には、１つの貫通穴２２６Ｂが電極軸垂直方向に沿って形成されている。図１１から明らかなように、貫通穴２２６Ｂは電極軸に関して対称的である。第３の実施形態においても、構造強度を維持しながら、アーク放電の安定化、加熱防止を実現することができる。

次に、図１２、図１３を用いて、第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、一本の貫通穴を形成したときの貫通穴のサイズおよび形成位置の条件を規定する。それ以外の構成については、第３の実施形態と同じである。

図１２は、第４の実施形態であるショートアーク型放電ランプの陰極先端部の断面図である。

図１２には、陰極先端部のテーパー角度がθ、貫通穴の径がＲ_１０、仮想先端部ＰＰから貫通穴までの距離をＬ_１０、面積率演算の対象となる陰極先端部断面に関する仮想先端部ＰＰからの位置Ｌ_１ｍが図示されている。仮想先端部ＰＰは、陰極先端部のテーパー面（円錐面）をそのまま伸ばしたときの頂点を表す。ここでは、５≦θ≦５５（°）、１≦Ｌ_１０≦１０（ｍｍ）、０．５≦Ｒ_１０≦２．５（ｍｍ）に定められている。

貫通穴の位置を陰極先端面に近づけると、上記面積率（＝Ｓ１／Ｓ２）は小さくなり、先端から離れるほど面積率は大きくなる。本実施形態では、面積率３０〜７０％を目標の面積率と定め、この条件を満たす貫通穴の径、および先端からの位置の条件を求める。なお、電極軸垂直面（水平面）に沿った陰極先端部の肉厚Ｂを基準として電極断面積および面積率を定めているが、貫通穴の放線方向に沿った肉厚Ｂ’が最小断面積となる。しかしながら、貫通穴のサイズ、陰極先端部の大きさを考慮すれば、実質的に電極軸垂直面に沿った断面積を最小断面積とみなすことができる。

図１３は、貫通穴の径および仮想先端部からの距離と面積率との関係を示したグラフである。

図１３では、Ｒ_１０＝０．５（＝φ_１）、１．０（＝φ_２）、１．５（＝φ_３）、２．０（＝φ_４）、２．５（＝φ_５）と設定したときの面積率の大きさを図示している。縦軸は面積率を表し、横軸はＬ_１ｍｔａｎθ／Ｒ_１０ｃｏｓθを表す。

貫通穴付近で電極軸垂直方向に沿った断面積が最小となるときの電極半径をＤ_１ｍ、貫通穴の幅を２×Ｒ_１ｍとすると、上記面積率（Ｓ１／Ｓ２）は以下の式によって求められる。

Ｓ１／Ｓ２
＝２（Ｄ_１ｍ ^２sin^−１（Ｒ_１ｍ／Ｄ_１ｍ）＋Ｒ_１ｍ（Ｄ_１ｍ ^２−Ｒ_１ｍ ^２）^１／２）／Ｄ_１ｍ ^２π

・・・・（７）

Ｄ_１ｍ＝Ｌ_１ｍｔａｎθ、Ｒ_１ｍ＝Ｒ_１０ｃｏｓθであることから、上述した面積率の条件式（０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７）に（７）式を適用すると、図１３より以下の式が求められる。

１．７≦Ｌ_１ｍｔａｎθ／Ｒ_１０ｃｏｓθ≦４．２
・・・・（８）

そして、Ｌ_１ｍ＝Ｌ_１０＋Ｒ_１０―Ｒ_１０ｓｉｎθであることから、以下の式が導かれる。

１．７≦（（Ｌ_１０＋Ｒ_１０＋Ｒ_１０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_１０×cosθ）≦４．２
・・・・（９）

このように、陰極先端部のテーパー形状を示す角度θと、貫通穴の径Ｒ_１０と、貫通穴の位置Ｌ_１０を（９）式に基づいて定めることにより、０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７を満たす陰極先端部を製造することができる。その結果、構造強度的にも優れ、かつ放熱性にも優れた陰極先端部を構成することができる。特に、断面積１０ｍｍ^２以上、仮想先端部からの距離を２ｍｍ以上とするのが望ましい。

例えば、θ，Ｒ_１０、Ｌ_１０は、（１５，０．５，８）、（１５，０．５，１０）、（１５，１．５、１５）、（２５，０．５，５）、（２５，１．０，１０）、（２５，２．５，１０）、（２５，２．５，６）、（２５，１．５，５）、（３５，１．０，３）、（３５，１．０，５）、（３５，１．５，６）、（３５，２．０，９）、（３５，２．５，１０）、（３５，２．５，３）、
（４５，１．０，２）、（４５，１．０，３）、（４５，２．５，６）、（４５，２．５，３）、
（５５，１．０，１）、（５５，１．５，２）、（５５，２．０，２）、（５５，２．５，３）、（５５，２．５，１）を頂点とする３次元的領域内の値に定められる。

次に、図１４を用いて第５の実施形態であるショートアーク型放電ランプについて説明する。第５の実施形態では、２本の貫通穴を形成する場合の貫通穴のサイズおよび形成位置の条件を規定する。それ以外の構成については、第４の実施形態と同じである。

図１４は、第５の実施形態における２つの貫通穴の径および仮想先端部からの距離と面積率との関係を示したグラフである。ここでは、第１の実施形態のように、同サイズである２つの貫通穴が電極軸で直交し、電極軸垂直面に沿って形成されている。図１４では、Ｒ_２０＝０．５（＝φ_１）、１．０（＝φ_２）、１．５（＝φ_３）、２．０（＝φ_４）、２．５（＝φ_５）と設定したときの面積率の大きさを図示している。

貫通穴付近で電極軸垂直方向に沿った断面積が最小となる部分における電極半径をＤ_２ｍ［ｍｍ］、貫通穴の弦の長さを２Ｒ_２ｍ［ｍｍ］とするとき、面積率は以下の式によって求められる。

Ｓ１／Ｓ２
＝４（Ｄ_２ｍ ^２sin^−１（Ｒ_２ｍ／Ｄ_２ｍ）＋Ｒ_２ｍ（Ｄ_２ｍ ^２−Ｒ_２ｍ ^２）^１／２−Ｒ_２ｍ ^２）／Ｄ_２ｍ ^２π
・・・・（１０）

電極軸に対するテーパー面の角度（母線）をθ［°］、貫通穴の半径をＲ_２０［ｍｍ］、電極先端から貫通穴までの距離をＬ_２０［ｍｍ］とすると、面積率の条件式（０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７）、およびＤ_２ｍ＝Ｌ_２ｍｔａｎθ、Ｒ_２ｍ＝Ｒ_２０ｃｏｓθであるから、（１０）式に基づいて、図１４により以下の条件式が導かれる。

３．０≦Ｌ_２ｍｔａｎθ／Ｒ_２０ｃｏｓθ≦７．９ ・・・・（１１）

そして、Ｌ_２ｍ＝Ｌ_２０＋Ｒ_２０―Ｒ_２０ｓｉｎθであることから、以下の式が導かれる。

３．０≦（（Ｌ_２０＋Ｒ_２０−Ｒ_２０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_２０×cosθ）≦７．９
・・・・（１２）

例えば、θ，Ｒ_２０、Ｌ_２０は、（１５，０．５，９）、（１５，０．５，１０）、（１５，１．０，１０）、（２５，０．５，５）、（２５，０．５，９）、（２５，１．０，１０）、（２５，２．０，１０）、（２５，１．０，６）、（２５，０．５，５）、（３５，０．５，３）、（３５，０．５，５）、（３５，１．０，１０）、（３５，２．５，１０）、（３５，２．５，６）、（３５，１．０，３）、（３５，０．５，３）、（４５，０．５，３）、（４５，０．５，４）、（４５，２．０，１０）、（４５，２．５，１０）、（４５，２．５，３）、（５５，１．０，２）、（５５，１．０，３）、（５５，２．０，５）、（５５，２．５，７）、（５５，２．５，２）を頂点とする領域内の値に定められる。

１０ ショートアーク型放電ランプ
１２ 発光管
２０ 陰極
２２ 陰極胴体部
２４ 陰極先端部
２４Ｓ 陰極先端部側面
２４Ｔ 陰極先端面
２６Ａ、２６Ｂ 貫通穴
３０ 陽極

Claims (14)

1. 発光管と、
   前記発光管内に対向配置される陽極および陰極とを備え、
   前記陰極が、陰極先端面を有するテーパー状陰極先端部を有し、
   前記陰極先端部が、テーパー状外表面である陰極先端部側面を貫通する少なくとも１つの貫通穴を有し、
   前記貫通穴の両開口部が、前記陰極先端部側面に形成されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記陰極先端面から前記貫通穴までの電極軸に沿った距離が、前記貫通穴から電極支持棒と連結する電極胴体部までの電極軸に沿った距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記貫通穴が、電極軸に垂直な方向に沿って形成されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記貫通穴が、電極軸を通るように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記貫通穴が、電極軸に近づくにつれて先細くなるテーパー形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記貫通穴が、前記電極軸に関して対称的形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
7. 前記貫通穴が、一定方向に沿って形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
8. 複数の貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
9. 前記複数の貫通穴が、電極軸上もしくはその付近で交差することを特徴とする請求項８に記載のショートアーク型放電ランプ。
10. ２つの貫通穴が、電極軸上で直交することを特徴とする請求項８に記載のショートアーク型放電ランプ。
11. 前記陰極先端部において、径２ｍｍの前記貫通穴が前記陰極先端面から電極軸に沿って距離４ｍｍにおいて形成され、その距離における前記貫通穴以外で占められる前記陰極先端部の断面積をＳ１、Ｓ１およびその距離での前記貫通穴の断面積両方を合わせた断面積をＳ２としたとき、前記貫通穴が形成される電極軸方向範囲において、以下の式
    
    ０．３≦Ｓ１／Ｓ２≦０．７
    
    を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
12. １つの貫通穴が電極軸に垂直な方向に沿って電極軸を通るように形成され、
    前記陰極先端部の電極軸に対するテーパー面角度（母線）をθ［°］、
    前記貫通穴の半径をＲ_１０［ｍｍ］、
    先端から貫通穴までの距離をＬ_１０［ｍｍ］とすると、以下の式
    
    １．７≦（（Ｌ_１０＋Ｒ_１０−Ｒ_１０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_１０×cosθ）≦４．２
    
    を満たすことを特徴とする請求項１１に記載のショートアーク型放電ランプ。
13. ２つの貫通穴が電極軸に垂直な方向に沿って電極軸を交差するように形成され、
    前記陰極先端部の電極軸に対するテーパー面角度（母線）をθ［°］、
    前記貫通穴の半径をＲ_2０［ｍｍ］、
    先端から貫通穴までの距離をＬ_2０［ｍｍ］とすると、以下の式
    
    ３．０≦（（Ｌ_２０＋Ｒ_２０−Ｒ_２０sinθ）×tanθ）／（Ｒ_２０×cosθ）≦７．９
    
    を満たすことを特徴とする請求項１１に記載のショートアーク型放電ランプ。
14. 発光管と、
    前記発光管内に対向配置される陽極および陰極とを備え、
    前記陰極が、陰極先端面を有するテーパー状陰極先端部を有し、
    前記陰極先端部が、陰極先端部側面を貫通する少なくとも１つの貫通穴を有し、
    前記陽極と前記陰極の電極間距離をＨ（ｍｍ）、前記陰極先端面から前記貫通穴の中心軸までの距離をＬ（ｍｍ）としたとき、以下の式
    
    Ｈ＋Ｌ≦４０
    
    を満たすことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。

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