JP6294901B2

JP6294901B2 - 水銀放電ランプ

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Publication number: JP6294901B2
Application number: JP2016033685A
Authority: JP
Inventors: 矢島　聡; 聡矢島
Original assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Current assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: JP2016195102A; TWI664660B; TW201642305A

Description

本発明は、水銀が点灯に寄与する水銀放電ランプに関し、特に、陰極及び陽極が水平となるような姿勢で用いられる水銀放電ランプに関する。

ファイバースコープ用光源や半導体装置の生産プロセスで使用する露光用光源として、従来から水銀放電ランプが用いられている。このような水銀放電ランプは、陰極にトリエイテッドタングステン材料を使用したものが一般的である。

しかしながら、陰極にトリエイテッドタングステン材料を用いた水銀放電ランプは、長時間の点灯により、陰極の先端部が溶融してしまうといった問題があった。そこで、このような問題を解決するために、陰極先端部を高融点金属粉末とエミッター粉末とからなる焼結体とすることで、陰極先端部の溶融を回避するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の水銀放電ランプによれば、陰極先端部の溶融を回避したことで、光束維持率を高く保ち、また目的とする点灯時間まで輝点の移動を防止することができる。

特開平８−７７９６７号公報

ところで、このように陰極先端部を高融点金属粉末とエミッター粉末とからなる焼結体とした水銀放電ランプについては、水銀放電ランプが取り付けられる光照射装置の構成上、水平配置させる要求、つまり陽極と陰極とを共に水平に配置して対向させた状態で使用したいとの要求がある。

しかしながら、水銀放電ランプを水平配置させた場合は、陰極の先端部から外れた上方部分を中心とした斜め上方向にわたって、焼けによる変色（黒色）が発生してしまうことがあった。そして、陰極に変色が発生している水銀放電ランプは、出射光における紫外線強度維持率が変化してしまい、所望の寿命時間まで耐えられないことが分かった。

このような陰極の変色は、本来、アーク放電が起こるはずの焼結体先端部から陰極の上方側へアーク放電の輝点の位置がずれてしまうために発生すると考えられる。つまり、水平配置によりアーク放電の輝点が陰極先端部上方にずれると、輝点が基体（陰極本体）に近づくため、基体の温度が上昇してしまうとともに、陰極全体の温度が上昇してしまうことになる。このような状態では、焼結体に含まれるエミッションの蒸発が促進されるため、ランプバルブ内面の黒化が促進され、さらには焼結体の温度上昇が発生する。また、この場合、焼結体の熱電子放射性が高まり、焼結体先端以外からもアーク放電が容易になってさらに輝点が拡がってしまう。その結果として、このランプを楕円ミラーの第一焦点に輝点を合わせて、第二焦点に、ランプからの光を集光しようとすると、その効率が低下してしまうことになる。このように、アーク放電の輝点の位置ずれによる陰極の温度上昇は、水銀放電ランプの寿命を短くするという問題を発生させる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、水平配置させた場合であっても陰極における温度上昇を抑制することが可能な水銀放電ランプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水銀放電ランプは、ランプバルブと、ランプバルブ内に封設した陰極および陽極と、ランプバルブ内に封入した水銀および希ガスと、ランプバルブの両端から軸方向にそれぞれ延伸するステムと、各ステムの先端に設けられ陰極および陽極のそれぞれと電気的に接続された陰極側口金および陽極側口金と、を備え、陰極および陽極が水平となるような姿勢で用いられる水銀放電ランプであって、水銀の封入量が、１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３であり、希ガスは、キセノンガス、アルゴンガス、またはクリプトンガスのいずれか、若しくはこれらを混合したものであって、その封入圧が、３〜１５気圧の範囲であり、ステム内で陰極と陰極側口金とを接続する電気導電箔を有し、陰極、電気導電箔および陰極側口金による熱移動量が１．８〜６．８Ｗであり、陰極側口金および陽極側口金に１２０〜２５０Ｗの電力が供給されたときに、陰極の先端温度が、１１００℃〜１９００℃の範囲に維持されることを特徴とする。

このような構成によれば、水銀放電ランプを水平配置させた場合であっても、陰極の先端温度が、陰極と陽極との間にアーク放電を発生させ得る温度以上で、かつアーク放電が生じた後においても陰極の先端に焼けによる変色（黒色）が発生しない温度（１１００℃〜１９００℃）に維持される。このため、水銀放電ランプの寿命が短くなるといった問題は発生しない。

また、電気導電箔の断面積が、０．１１２〜０．７２０ｍｍ^２であることが望ましい。

また、電気導電箔の断面積が、ステムの断面積に対して、０．２２〜０．４６％であることが望ましい。

また、電気導電箔は、モリブデン、タングステン、またはタンタルのいずれかの材料またはその合金により構成されることが望ましい。

また、電気導電箔と陰極側口金とを電気的に接続する平板形状のリードピンを備えることができる。また、この場合、電気導電箔の幅とリードピンの幅が、略同一であることが望ましい。

また、電気導電箔と陰極側口金とを電気的に接続する円柱形状のリードピンを備えることができる。また、この場合、陰極側口金は、有底の円筒部を有し、リードピンは円筒部内に収容され、リードピンの円周面と円筒部の内周面が嵌合することが望ましい。また、この場合、陰極側口金とリードピンとが、金属ペーストまたは導電性セラミックを介して固定されるのが望ましい。

以上のように、本発明によれば、水平配置させた場合であっても陰極における温度上昇を抑制することが可能な水銀放電ランプが実現される。

本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの概略構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極から口金までの概略構成を説明する図である。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプにおいて、放熱経路を構成する要素の具体例を示す説明図である。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極先端温度のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極先端温度のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極先端温度のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極先端温度のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの陰極先端温度のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプの点灯時間と紫外線強度維持率との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る水銀放電ランプにおける希ガスの封入圧と陰極先端（近傍）の温度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る水銀放電ランプ１０の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）は、本実施形態に係る水銀放電ランプ１０の全体構成を説明する図であり、図１（ｂ）は、本実施形態に係る水銀放電ランプ１０の陰極１２および陽極１３の構成を説明する図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の水銀放電ランプ１０は、水平配置された状態で点灯されるランプであり、ランプバルブ１１と、陰極１２および陽極１３と、水銀および希ガス（いずれも不図示）と、電気導電箔１４、１５と、口金１６と、を備えている。

ランプバルブ１１は、発光空間の形成容器となるもので、例えば石英ガラスによって形成されたものである。

陰極１２および陽極１３は、互いが対向する状態でランプバルブ１１内に封設されたものである。陰極１２は、アーク放電を継続するための電子放出口として機能する部材であり、本実施形態においては、高融点金属粉末とエミッター粉末とからなる焼結体を展延性に富む高融点金属の筒部内に配置してなる焼結体陰極を使用している。一方、陽極１３は、アーク放電に曝されて電子の流入口として機能する部材である。そのため非常に高温となることから、本実施形態の陽極１３においては、高温での熱蒸発の小さい金属であるタングステンを用いている。

水銀は、発光の主成分としてランプバルブ１１内に封入されるものである。封入量は、水銀のスペクトルのどの波長帯域の発光強度を強くするかによって異なるが、本実施形態の水銀放電ランプ１０においては、陰極１２の先端温度の観点から、１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３の水銀を封入している（詳細は後述）。なお、封入量を相対的に少なくすることで、例えば波長３６５ｎｍにおいてスペクトル幅の狭いｉ線を放射することが可能となる。

希ガスは、ランプ始動を補助するためにランプバルブ１１内に封入されるものである。本実施形態の水銀放電ランプ１０には、キセノンガスが、略１０気圧で封入されている。なお、封入量は、一般的に、始動性、ランプの寿命特性、ランプの光学特性等を鑑みて決定される。このような希ガスとしては、キセノンの他に、アルゴン、クリプトン等のガスを用いることができる。

電気導電箔１４、１５は、陰極１２および陽極１３に外部から電力を供給すべく、ランプバルブ１１の発光空間ではない管状部分内（つまり、ステム内）に封設された、長さ２５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．０２０〜０．１００ｍｍ程度の薄板状の部材である。電気導電箔１４は、陰極側の口金１６と陰極１２とに電気的に接続され、陰極１２への給電を行う。また、電気導電箔１５は、陽極側の口金１６と陽極１３とに電気的に接続され、陽極１３への給電を行う。なお、本実施形態の電気導電箔１４、１５は、導電性を持つ金属であるモリブデンから形成されている。

口金１６は、不図示の点灯電源に接続されて、水銀放電ランプ１０の陰極１２および陽極１３に電力を供給するための端子である。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態の陰極１２には、陰極本体１２ａと焼結体１２ｂとからなる焼結体陰極を使用している。

陰極本体１２ａは、展延性に富む高融点金属（例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ等）からなる部材であり、先端部（陽極１３側の端部）以外の部分が円柱状で、かつ、先端部が先端に向かって小径となる円錐台状に形成されている。また、陰極本体１２ａの先端部(以下、単に「陰極先端部」という。)は、筒状に形成されており、その内部に焼結体１２ｂが配置されている。

焼結体１２ｂは、高融点金属粉末と、電子線放射の良好なエミッター粉末とを、所定比で混合し、所定形状にプレス成型した後、焼結したものである。高融点金属粉末としては、モリブデン、タングステン、ニッケル等を用いることができる。また、エミッター粉末としては、アルカリ土類金属（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）若しくはその化合物、またはアルカリ土類金属酸化物と他の金属（Ｚｒ、Ｂｅ）酸化物との複合酸化物を用いることができる。

以上のような構成の本実施形態の水銀放電ランプ１０は、高圧水銀ランプ用の点灯電源を用いて、例えば７．５Ａの定電流制御によって点灯される。具体的には、点灯電源から印加される電流が、口金１６および電気導電箔１４、１５を経て、陰極１２および陽極１３に供給されると、ランプバルブ１１の発光空間内における電極両端に始動電圧がかけられ、電極間で絶縁破壊し、アークが成長する。このアークが成長するにつれ、ランプバルブ１１の発光空間内の温度が上昇し、室温でランプバルブ１１の管壁に凝集していた水銀が蒸発する。蒸発した水銀は、プラズマ中で電子やイオンと衝突し、水銀が励起したり電離したりする。励起した水銀は、基底状態、または準安定状態に戻るときに、そのエネルギーに見合う光を放射する。つまり、ランプバルブ１１の発光空間内でアーク放電が形成されると、水銀が励起状態から基底状態または準安定状態に戻るときのエネルギー差によって、輝線スペクトルと呼ばれる、ある波長に限定された強い光が発せられることになる。また、アーク放電の形成箇所からは、輝線スペクトルの他に、自由電子とイオンの再結合により輝線以外の連続スペクトルの光も発せられる。

このようなアーク放電による点灯を行う場合、陰極１２は、仕事関数が低く、熱電子放出が低いエネルギーで起こることが望ましい。この点、本実施形態の陰極１２は、焼結体陰極であることから、仕事関数が１．１〜１．７ｅＶ程度であり、従来のトリエイテッドタングステン材料を用いた陰極（仕事関数：２．６３ｅＶ程度）と比較して低いものとなっている。したがって、従来のトリエイテッドタングステン材料を用いた陰極（動作温度：１６００〜２０００℃）に比べて、動作温度の低い（例えば、１０００〜１２５０℃程度）ものとなる。

なお、上述したように、本実施形態の水銀放電ランプ１０は、水平配置された状態で点灯されることを想定したものである。「水平配置」とは、陰極１２と陽極１３が上下に位置する関係にするのではなく、陰極１２と陽極１３とを共に水平に配置して対向させた状態にすることをいう。ここで「水平」とは、重力方向と直角な方向の他に、技術常識から判断して水平と見做しても差し支えない方向をも含むものとする。

上述したように、水銀放電ランプ１０を水平配置された状態で点灯させる場合には、アーク放電の輝点が陰極先端部の上方にずれてしまうといった問題がある。そして、アーク放電の輝点の位置ずれが発生すると、陰極１２の温度上昇を招き、水銀放電ランプ１０の寿命が短くなることが懸念される。

この点につき、本願発明者は、鋭意検討を行った。その結果、アーク放電の輝点の位置ずれが発生する原因については未解明であるが、アーク放電の輝点の位置ずれが発生しても、陰極１２の温度上昇を抑制することができれば、水銀放電ランプ１０の寿命に悪影響が及ぶことを回避できるのではないかとの着想を得た。そして、本願発明者は、さらに鋭意検討を重ね、陰極１２の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を水銀放電ランプ１０に設けることで、当該水銀放電ランプ１０の点灯による陰極１２の温度上昇を抑制することができるとの知見に至った。

以下、上述した本願発明者の知見に基づき案出された、本実施形態の温度上昇抑制手段について詳述する。

本実施形態の水銀放電ランプ１０の温度上昇抑制手段は、水銀放電ランプ１０の点灯による陰極１２の温度上昇を、水銀放電ランプ１０の構成要素にて抑制するものであり、具体的には、電気導電箔１４およびこれと接続する口金１６が、陰極１２で生じた熱をランプバルブ１１外へ放出するための放熱経路を構成していることから、これらの構造に起因する熱移動量に着目し、熱移動量を最適化することによって陰極１２の温度上昇を抑制している。

熱移動量とは、陰極１２から口金１６までの放熱経路における総伝熱量Ｑ（Ｗ）をいい、下記式（１）で表されるパラメータである。
Ｑ（Ｗ）＝ｑＡ＝−λ・Ａ・ｄＴ／ｄｘ・・・（１）
ここで、ｑ（Ｗ／ｍ^２）は熱流束であり、Ａ（ｍ^２）は伝熱面積であり、λは熱伝導率であり、ｄＴ／ｄｘは温度勾配である。

詳細は後述するが、本実施形態においては、式（１）に基づいて、陰極１２から口金１６までの放熱経路における熱移動量を求め、熱移動量が１．８〜６．８Ｗの範囲となるように、放熱経路の構成要素（電気導電箔１４、リードピン１６ａ等）を構成している。

なお、温度上昇抑制手段によって陰極１２の温度が相対的に低下するが、陰極１２の温度は、陰極１２と陽極１３との間にアーク放電を発生させ得る温度以上で、かつアーク放電が生じた後においても陰極１２の先端に焼けによる変色（黒色）が発生しない温度である必要がある。つまり、温度上昇抑制手段によって抑制された陰極１２の先端の温度範囲は、具体的には、例えば１１００〜１９００℃の範囲であり、より好ましくは１２３０〜１７５０℃の範囲である。

図２は、水銀放電ランプ１０の陰極１２から口金１６までの概略構成を説明する図である。図２に示すように、本実施形態の水銀放電ランプ１０においては、電気導電箔１４の一端部が陰極１２の電極部分１２ｃとスポット溶接によって接続されているとともに（図中Ａ部参照）、他端部が口金１６に内包されるリードピン１６ａの一端部とスポット溶接によって接続されている（図中Ｂ部参照）。リードピン１６ａは、例えば導電性を持つ金属材料によって形成されたもので、リードピン１６ａの他端部（つまり、電気導電箔１４との接続端とは反対側の端部）は、口金１６に内包されるリード線１６ｂとスポット溶接によって接続されている（図中Ｃ部参照）。リード線１６ｂは、一端部にニッケル箔等の金属箔が巻き付けられた金属撚線からなるもので、リードピン１６ａと同様に口金１６に内包されており、金属箔が巻き付けられた一端部がリードピン１６ａとスポット溶接によって接続されているとともに、他端部が口金１６の先端部分と例えば銀ロウで接続されている（図中Ｄ部参照）。従って、陰極１２で生じた熱は、陰極１２の電極部分１２ｃから電気導電箔１４、リードピン１６ａおよびリード線１６ｂを通じて口金１６へ伝わり、口金１６からランプバルブ１１外へ放熱されることになる。

ここで、放熱経路による放熱効果について、具体例を挙げて説明する。図３は、放熱経路を構成する要素の具体例を示す説明図であり、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本願発明者が陰極先端温度のシミュレーションを行った３つのモデルの構成を示している。

図３（ａ）に示す第１のモデルは、１乃至４枚の電気導電箔１４（図３（ａ）において不図示）と、長さ１０ｍｍ、直径１．２ｍｍの円柱形状のリードピン１６ａを備えている。

図３（ｂ）に示す第２のモデルは、１乃至２枚の電気導電箔１４と、電気導電箔１４と略同一の幅を有し（つまり、幅略４ｍｍ）、長さ８ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの平板形状のリードピン１６ａを備えている。

図３（ｃ）に示す第３のモデルは、１乃至２枚の電気導電箔１４と、長さ１５．５ｍｍ、直径９．０ｍｍの円柱形状のリードピン１６ａを備えている。リードピン１６ａの一端面には、幅４．０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ、高さ２．０ｍｍの突出部が形成されている。そして、リードピン１６ａの突出部が電気導電箔１４に接続するとともに、リードピン１６ａの本体部（つまり、円柱形状部分）が、導電接合部材１６ｃ（例えば、銀ペースト等の金属ペースト、導電性セラミック等）を介して、有底の円筒形状を呈する口金１６内に嵌合している（つまり、リードピン１６ａの円周面と口金１６の内周面が嵌合している）。したがって、第３のモデルの放熱経路は、リード線１６ｂを備えていない点で、上記第１のモデル及び第２のモデルと異なっている。

表１〜３は、図３の第１のモデル、第２のモデル及び第３のモデルにおいて、電気導電箔１４の箔構成（箔の枚数）及び箔厚みをそれぞれ変更して、陰極先端温度をシミュレーションした結果を示す表である。表１は、第１のモデルにおける陰極先端温度のシミュレーション結果を示し、表２は、第２のモデルにおける陰極先端温度のシミュレーション結果を示し、表３は、第３のモデルにおける陰極先端温度のシミュレーション結果を示している。なお、各シミュレーションにおいては、水銀の封入量が陰極先端温度に影響することから、水銀の封入量を１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲で変更して、陰極先端温度を求めている。

なお、第１のモデル（箔構成：１枚箔）について、上記式（１）に基づいて熱移動量のシミュレーションをしたところ、熱移動量は１．８Ｗとなった。また、第１のモデル（箔構成：１枚箔、水銀量：１５ｍｇ／ｃｃ）の陰極先端温度を以下の測定条件で測定したところ、１６５５℃となった。
（測定条件）
測定器：放射温度計ＴＲ−６３０（コニカミノルタ株式会社）
測定タイミング：消灯直後
測定距離：１８ｃｍ
ＮＤフィルタ：なし
拡大レンズ：ＣＬＯＳＥ−ＵＰＬＥＮＳＮｏ．１２２
放射率：０．３９
そして、陰極先端温度が１６５５℃となるときの、陰極１２に必要なエネルギーをシミュレーションによって求めたところ、２７Ｗであることが分かった。そこで、表１〜３の各シミュレーションにおいては、陰極１２に２７Ｗのエネルギーを入力したときの陰極先端温度を示している。また、表１〜３の熱移動量については、第１のモデル（箔構成：１枚箔）の熱移動量（１．８Ｗ）を基準とし、他のモデルについては、各モデルの陰極先端温度と第１のモデルの陰極先端温度との差から熱移動量を求めている。

表１〜３の最上段の熱移動量の値を比較すると分かるように、各モデルにおいて、リード線１６ｂの形状等、放熱経路の構成が異なるため、熱移動量の値が異なっている。そして、電気導電箔１４の条件が同じであれば（箔断面積が同じであれば）、第１のモデルの熱移動量よりも第２のモデルの熱移動量の方が大きく、第２のモデルの熱移動量よりも第３のモデルの熱移動量の方が大きくなっているのが分かる。また、箔の厚みを増やしたり、箔の枚数を増やして、箔断面積を大きくすると、それに応じて熱移動量が大きくなり、陰極１２で生じた熱がより多く移動するため、陰極先端温度がより低くなるのが分かる。なお、表１〜３に示す構成においては、箔の厚みを増やしたり、箔の枚数を増やすことにより、電気導電箔１４の断面積が０．１１２〜０．７２０ｍｍ^２の範囲で調整され、これによって熱移動量が１．８〜６．８Ｗの範囲で調整されている。そして、表１〜３に示した条件下においては、陰極先端温度が全て１１００〜１９００℃の温度範囲に入り、表１〜３に示した構成（つまり、第１のモデル、第２のモデル及び第３のモデルの構成）が温度上昇抑制手段として好適であることが分かる。なお、一般に、陰極先端温度は、ランプバルブ１１内に封入される水銀量が多くなるほど、高くなる傾向にあるが、表１〜３に示した条件下（つまり、熱移動量：１．８〜６．８Ｗ）においては、陰極先端温度が全て１１００〜１９００℃の温度範囲に入ることから、少なくとも１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲で水銀を封入しても問題ないといえる。

なお、上述のとおり、陰極先端温度を下げるためには、箔の厚みを増やしたり、箔の枚数を増やして、箔断面積を大きくすることが有効であるが、箔断面積を大きくしすぎると、電気導電箔１４を形成するモリブデンとランプバルブ１１を形成するガラスの膨張係数が異なることから、ステム内に収納できないといった問題が発生する。そこで、本実施形態においては、電気導電箔の断面積が、ステムの断面積（例えば、４９．５〜７８．５ｍｍ^２）に対して、０．２２〜０．４６％となるように構成している。つまり、電気導電箔の断面積がステムの断面積に対して、０．２２％を下回ると、熱移動量が１．８Ｗを下回り、０．４６％を上回ると、上記のようにステム内に収納できないといった問題が発生する。

また、上述したように、陰極先端温度は、点灯電力の影響を受けることから、点灯電力の観点からも同様のシミュレーションを行った。

図４〜図８は、点灯電力を変更して、上記と同様のシミュレーションを行った結果を示すグラフである。図４は、点灯電力が１００Ｗの時のシミュレーション結果を示すグラフである。図５は、点灯電力が１２０Ｗの時のシミュレーション結果を示すグラフである。図６は、点灯電力が１５０Ｗの時のシミュレーション結果を示すグラフである。図７は、点灯電力が２００Ｗの時のシミュレーション結果（つまり、表１〜表３の結果）を示すグラフである。図８は、点灯電力が２５０Ｗの時のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図４〜図８において、横軸は熱移動量（Ｗ）であり、縦軸は陰極先端温度（℃）である。

図４〜図８を比較すると分かるように、点灯電力が大きくなると、陰極先端温度が高くなる傾向を示す。また、上述のとおり、熱移動量が大きくなるほど、陰極先端温度が低くなり、水銀量が多くなるほど、陰極先端温度が高くなる傾向を示す。そして、上述したように、水銀放電ランプ１０の寿命の観点から、望ましい陰極先端温度が１１００〜１９００℃であることを考慮すると、表１〜３に示した条件下（つまり、熱移動量：１．８〜６．８Ｗ、水銀量：１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３）においては、点灯電力が１２０〜２５０Ｗ（図５、図８）とするのが望ましいことが分かった。

以上のシミュレーション結果から、本実施形態の水銀放電ランプ１０においては、陰極１２から口金１６に至るまでの放熱経路の熱移動量が１．８〜６．８Ｗとなるように構成し、１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３の水銀を封入している。また、１２０〜２５０Ｗの電力で点灯させる仕様としている。

図９は、水銀放電ランプ１０の点灯時間と紫外線強度維持率との関係を示す図であり、水銀放電ランプ１０を７．５Ａの定電流制御によって点灯させた場合の、出射光の紫外線強度維持率を示している。図９の横軸は点灯後の経過時間（ｈ）であり、縦軸は出射光の紫外線強度維持率（％）である。なお、図９においては、本実施形態の水銀放電ランプ１０の紫外線強度維持率の変化（図中の実線）に加え、比較のため、本実施形態の温度上昇抑制手段を備えていない、従来構成の水銀放電ランプの紫外線強度維持率の変化（図中の波線）についても示している。

図９に示すように、従来構成の水銀放電ランプでは、本実施形態のような温度上昇抑制手段を備えていないため、陰極が高温になってしまい、出射光における紫外線強度維持率が低下してしまうこと（つまり、寿命が短くなってしまうこと）があった。これに対して、本実施形態の水銀放電ランプ１０では、温度上昇抑制手段を備えているため、陰極１２の温度上昇を抑制することができ、４０００ｈ以上にわたって、高い紫外線強度維持率（例えば、８０％以上）を保つことが可能となっている。

このように、本実施形態の水銀放電ランプ１０は、陰極１２から口金１６に至るまでの放熱経路を工夫することで、熱移動量が１．８〜６．８Ｗとなるように構成し、これによって、陰極先端温度が１１００〜１９００℃の範囲となるように構成している。従って、水銀放電ランプ１０を水平配置して使用したとしても、水銀放電ランプ１０の寿命に悪影響が及ぶことはなく、４０００ｈを超える長さの点灯時間まで出射光における紫外線強度維持率を許容範囲内に保つことが可能となる。また、電気導電箔１４やリードピン１６ａ等、ランプバルブ１１内の構成要素を利用して所定の熱移動量となるように構成しているため、新たな構成要素を追加する必要がなく、水銀放電ランプ１０が大型化することもなく、また構成が複雑になることもない。

以上が本発明の実施の形態、及び実施例の説明であるが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。

例えば、本実施形態においては、水銀放電ランプ１０が水平配置された状態で使用されるものとして説明したが、水銀放電ランプ１０を垂直配置して使用することもできる。水銀放電ランプ１０を垂直配置して使用すると、アーク放電の輝点が陰極先端部の上方にずれてしまうといった問題が発生しないため、水銀放電ランプ１０の長寿はより長いものとなる。

また、本実施形態においては、陰極１２が焼結体陰極であるとして説明したが、例えばトリエイテッドタングステン材料のような単一材料によって構成された陰極であっても、本実施形態で説明した温度上昇抑制手段を備えることで、その温度上昇を抑制することができる。

また、本実施形態においては、電気導電箔１４やリードピン１６ａの構成を工夫して、熱移動量を調整する構成としたが、このような構成に限定されるわけではなく、例えば、陰極本体１２ａの外形を変更して熱移動量を調整することもできる。

また、本実施形態においては、希ガスとして、キセノンが、略１０気圧で封入されているものとしたが、このような構成に限定されるものではない。

図１０は、水銀放電ランプ１０における希ガスの封入圧とアーク放電の温度との関係を示す図であり、３６５ｎｍ帯域を強調点灯させる場合の、希ガスであるキセノンガスの封入圧とアーク放電の温度との関係を示している。なお、図１０の横軸はキセノンガスの封入圧（単位：ａｔｍ）であり、縦軸はアーク放電の温度（単位：℃）である。

図１０に示すように、アーク放電の温度は、キセノンガスの封入圧が高いほど低くなる。従って、陰極先端温度が１１００〜１９００℃の範囲となるように、本実施形態における熱移動量の調整と併せて、キセノンガスの封入圧を調整することもできる。なお、一般に、希ガスの封入圧は、ランプ始動性等を考慮して、少なくとも２気圧以上、より具体的には、３気圧から１５気圧とすることが好ましい、さらに、６気圧〜１２気圧であることがより好ましい。封入圧が３気圧を下回ると陽極と陰極との間に形成されるアークの形状が大きく膨らみ、先端部から基底部の比較的広い領域にアークが拡がることになる。その結果、陰極先端部以外の部分も高温となり好ましくない。封入圧が１５気圧を超えると希ガスが封入されたランプバルブの強度により、点灯時等に破裂する危険性が増大することから好ましくない。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０水銀放電ランプ
１１ランプバルブ
１２陰極
１２ａ陰極本体
１２ｂ焼結体
１３陽極
１４、１５電気導電箔
１６口金
１６ａリードピン
１６ｂリード線

Claims

ランプバルブと、前記ランプバルブ内に封設した陰極および陽極と、前記ランプバルブ内に封入した水銀および希ガスと、前記ランプバルブの両端から軸方向にそれぞれ延伸するステムと、前記各ステムの先端に設けられ前記陰極および前記陽極のそれぞれと電気的に接続された陰極側口金および陽極側口金と、を備え、前記陰極および前記陽極が水平となるような姿勢で用いられる水銀放電ランプにおいて、
前記水銀の封入量が、１０〜５０ｍｇ／ｃｍ^３であり、
前記希ガスは、キセノンガス、アルゴンガス、またはクリプトンガスのいずれか、若しくはこれらを混合したものであって、その封入圧が、３〜１５気圧の範囲であり、
前記ステム内で前記陰極と前記陰極側口金とを接続する電気導電箔を有し、
前記陰極、前記電気導電箔および前記陰極側口金による熱移動量が１．８〜６．８Ｗであり、
前記陰極側口金および前記陽極側口金に１２０〜２５０Ｗの電力が供給されたときに、前記陰極の先端温度が、１１００℃〜１９００℃の範囲に維持される
ことを特徴とする水銀放電ランプ。
前記電気導電箔の断面積が、０．１１２〜０．７２０ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の水銀放電ランプ。
前記電気導電箔の断面積が、前記ステムの断面積に対して、０．２２〜０．４６％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水銀放電ランプ。
前記電気導電箔は、モリブデン、タングステン、またはタンタルのいずれかの材料またはその合金により構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水銀放電ランプ。
前記電気導電箔と前記陰極側口金とを電気的に接続する平板形状のリードピンを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水銀放電ランプ。
前記電気導電箔の幅と前記リードピンの幅が、略同一であることを特徴とする請求項５に記載の水銀放電ランプ。
前記電気導電箔と前記陰極側口金とを電気的に接続する円柱形状のリードピンを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水銀放電ランプ。
前記陰極側口金は、有底の円筒部を有し、前記リードピンは前記円筒部内に収容され、前記リードピンの円周面と前記円筒部の内周面が嵌合することを特徴とする請求項７に記載の水銀放電ランプ。
前記陰極側口金と前記リードピンとが、金属ペーストまたは導電性セラミックを介して固定されていることを特徴とする請求項８に記載の水銀放電ランプ。