KR101172934B1

KR101172934B1 - 고압 방전 램프 및 고압 방전 램프 장치

Info

Publication number: KR101172934B1
Application number: KR1020080084546A
Authority: KR
Inventors: 데쯔야 도리카이; 가즈유키 모리
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2012-08-10
Also published as: TWI383424B; JP5023959B2; JP2009104839A; CN101419895A; KR20090040835A; TW200919528A; CN101419895B

Abstract

본 발명은, 대기 모드의 대기 전력을 낮추면서, 처리 모드에 있어서, 단시간에 상승하여, 끊어지지 않는 고출력 점등을 할 수 있는 고압 방전 램프 및 고압 방전 램프 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한 쌍의 전극이 대향 배치되고, 수은이 봉입된 발광관과, 상기 발광관의 외측에 형성된 직관형상의 외관을 구비하며, 상기 발광관의 양단에서 상기 외관이 고정되어 있는 고압 방전 램프에 있어서,

상기 발광관의 외표면 또는 상기 외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고압 방전 램프 및 고압 방전 램프 장치{HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP AND HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP DEVICE}

본 발명은, 반도체, 액정 등의 노광 장치용 광원에 이용되는 고압 방전 램프 및 고압 방전 램프 장치에 관한 것으로서, 특히 발광관의 외측에 외관을 배치한 고압 방전 램프 및 당해 고압 방전 램프를 냉각 재킷 내에 배치한 고압 방전 램프 장치에 관한 것이다.

현재, 예를 들면 접착제 등의 수지의 경화 처리나 프린트 기판 등의 노광 처리에 있어서는, 자외선 조사 장치가 이용되고 있고, 자외선 광원으로서는, 예를 들면 고압 방전 램프가 이용되고 있다.

도 6은, 종래에 있어서의 고압 방전 램프 장치의 구성의 개략을 도시한 설명도면이다.

특허 문헌 1에 기재된 발명과 같이, 이 고압 방전 램프 장치는, 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)의 외측에, 내관(25)과 외관(26)으로 이루어진 냉각 재킷(21)을 배치하여, 발광관(2)의 냉각을 행하고 있다. 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 내관의 간극은, 평균 약 1mm로 되어 있다. 고압 방전 램프(1)는, 직관형상의 석영 유리제의 발광관(2)의 양단에 한 쌍의 전극을 봉착하여, 내부에 수은을 봉입하고 있다. 냉각 재킷(21)은 원통형상의 석영 유리 등의 투명한 재료로 이루어지고, 내관(25)과 외관(26)으로 이루어진 이중관 구조로 되어 있다. 또, 양단 외주에 설치된 접속관(27a, 27b)을 통해 외부로부터 냉각수가 재킷 내를 순환하여, 공기층을 통해 근접하는 발광관(2)을 냉각함과 더불어 고압 방전 램프(1)로부터 방사되는 열을 흡수한다.

도 6에 기재된 고압 방전 램프 장치에서는, 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 내관(25)의 간극에 존재하는 공기의 단순한 열 전도만으로는 발광관(2)에서 발생하는 열을 냉각 재킷(21)에 전달할 수 없으므로, 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 내관(25)의 간극에 냉각풍을 흐르게 하여 냉각 효율을 높이고 있다. 그러나, 방전 램프의 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 내관(25)의 간극을 나아가는 냉각풍은, 입사측과 출사측에서 온도가 불균일해지고, 그에 따라 발광관(2)의 온도도 불균일해져 버린다.

[특허 문헌 1: 일본국 특허공개 평6-267512호 공보]

그래서, 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 간극에 냉각풍을 흐르게 하지 않고 발광관(2)의 냉각을 행하기 위해, 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 간격을 작게 하는 것이 제안되어 있다. 발광관(2)과 냉각 재킷(21)의 간극을 평균 약 50μm로 함으로써, 발광관(2)의 내경 3.4mm(발광관(2)의 외경 7.4mm)의 고압 방전 램프(1)에 있어서, 입력을 250W/cm로 해도 발광관(2)의 내표면 온도를 800℃ 정도로 냉각할 수 있다.

고압 방전 램프 장치는, 반도체 등의 노광 장치용 광원으로서 사용될 때, 처리 중 이외의 워크 교체 등의 대기 중은, 절전을 위해, 도 7에 나타낸 바와 같이, 램프에 투입하는 입력 전력을 낮추어 점등한다. 대기 전력은 낮으면 낮을수록 절전 효과가 크므로, 대기 전력의 저전력화가 요망되고 있다.

그러나, 대기 모드 시의 대기 전력을 너무 낮추면, 발광관(2)의 내표면 온도가 저하해 버려, 발광관(2) 내의 봉입된 수은의 미증발이 발생한다. 수은의 미증발이 발생하면, 대기 모드로부터 처리 모드로 이행할 때의 상승 시간이 느려지는 것이나, 방전을 유지할 수 없게 되어 끊어져 버리는 것과 같은 문제가 발생한다.

본원 제1 발명은, 한 쌍의 전극이 대향 배치되고, 수은이 봉입된 발광관과, 상기 발광관의 외측에 형성된 직관형상의 외관을 구비하며, 상기 발광관의 양단에서 상기 외관이 고정되어 있는 고압 방전 램프에 있어서, 상기 발광관의 외표면 또는 상기 외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제2 발명은, 본원 제1 발명에 있어서, 상기 볼록부는, 외관의 내표면에 나선형상의 줄을 설치함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제3 발명은, 본원 제1 발명에 있어서, 상기 볼록부는, 발광관의 외표면을, 관축방향에 수직으로 절단한 단면에 있어서 단면 다각형상으로 함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제4 발명은, 본원 제1～3 발명에 있어서, 상기 외관의 내경과 상기 발광관의 외경의 차는 200μm 이하이고, 상기 볼록부의 높이는 200μm 이하인 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제4 발명은, 본원 제1～4 발명 중 어느 하나에 기재된 고압 방전 램프를, 냉각 재킷의 내부에 배치하고, 상기 외관의 벽면을 따라 냉각 매체가 흘러 통과되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고압 방전 램프 및 고압 방전 램프 장치에 의하면, 외관의 내표면 또는 발광관의 외표면에 볼록부를 형성함으로써, 방전 공간 내에 있어서의 최냉점의 온도를 올릴 수 있으므로, 대기 전력을 낮춰도 발광관의 내표면 온도를 높게 유지할 수 있어, 발광관 내의 봉입된 수은의 미증발의 발생을 억제할 수 있 다. 따라서, 대기 모드의 대기 전력을 낮추면서, 처리 모드에 있어서, 단시간에 상승하여, 끊어지지 않는 고출력 점등을 할 수 있는 고압 방전 램프를 실현할 수 있다.

본 발명의 제1 실시 형태에 대해 설명한다. 도 1은, 본 발명의 고압 방전 램프 장치의 구성을 도시한 설명용 단면도이다.

고압 방전 램프 장치는, 냉각 재킷(21)의 내부에, 발광관(2)의 외측에 외관(3)이 배치된 고압 방전 램프(1)를 삽입 통과시켜 구성된다. 냉각 재킷(21)은, 고압 방전 램프(1)로부터 방사되는 자외선을 투과하는 재료, 예를 들면 석영 유리에 의해 구성되어 있다. 냉각 재킷(21)의 양단에는, 냉각 매체를 공급하는 공급 유로(22)와, 냉각 매체를 배출하는 배출 유로(23)가 형성된다. 공급 유로(22) 및 배출 유로(23)는 전체가 대략 L자형의 관형상이고, 냉각 재킷(21) 및 고압 방전 램프(1)를 유지 고정하고 있다. 축방향 안쪽측의 막음부(24a)에 의해, O링을 통해 냉각 재킷(21)의 외주면이 유지 고정되어 있다. 축방향 바깥쪽측의 막음부(24b)에 의해, O링을 통해 고압 방전 램프(1)의 외주면이 유지 고정되어 있다.

고압 방전 램프(1)의 점등 시에 있어서, 냉각 매체가 도시 생략의 펌프에 의해 공급된다. 고압 방전 램프(1)의 냉각은, 냉각 매체를 예를 들면 5L(리터)/min의 유량으로 순환시킴으로써 달성된다. 또, 냉각 매체에는, 물, 순수, 역침투막 투과수 등이 적합하다.

도 2는, 본 발명의 고압 방전 램프(1)의 구성을 도시한 설명용 단면도이다.

고압 방전 램프(1)는, 양단이 시일링된, 예를 들면 석영 유리로 이루어진 직관형상의 발광관(2)의 내부에, 각각 예를 들면 텅스텐으로 이루어진 한 쌍의 막대형상의 전극(4)이 대향 배치되어 있다. 각 전극(4)은 금속박(5)의 일단에 접속되고, 금속박(5)의 타단에는 외부 리드(6)가 접속되어 있다. 금속박(5)은 몰리브덴으로 이루어지고, 발광관(2)의 양단에 형성된 로드형상의 시일링부(7)에 기밀하게 매설되어 있다. 외부 리드(6)는, 시일링부(7)의 바깥쪽에 있어서 서포터(9)에 의해 피복되어, 대경으로 되어 있다. 시일링부(7)는, 예를 들면, 발광관(2)의 구성 재료인 파이프체에 있어서의 양단부를 용융 상태로 하여 내부를 감압하는 쉬링크 시일법에 의해 형성된 것이고, 발광관(2)의 중앙부(발광 영역에 상당하는 부분)보다 소경으로 되어 있다.

고압 방전 램프(1)는, 예를 들면 「캐필러리 램프」라고 칭해지는 고압 수은 램프로서 구성되어 있고, 발광관(2)의 내부에는, 예를 들면 1mg/cc 이상의 수은, 혹은 수은과 함께 철, 코발트, 니켈, 납, 갈륨, 마그네슘, 주석, 탈륨, 망간 등의 금속 할로겐화물 중 적어도 1종류 이상이 첨가, 봉입됨과 더불어 아르곤 가스 등의 희가스가 적절한 양으로 봉입되어 있다. 그리고, 예를 들면 파장이 200～450nm인 자외선을 포함하는 광을 방사한다.

고압 방전 램프(1)의 발광관(2)의 외측에, 원통형상의 석영 유리 등의 투명한 재료로 이루어지고, 내경 치수가 관축 방향에 대해 균일한 직관형상의 외관(3)이 형성된다. 외관(3)의 외표면을 따라 냉각 매체를 흘려 통과시켜, 고압 방전 램프(1)가 냉각된다. 발광관(2)의 양단 근방에서부터 외부 리드(6)를 피복하는 서포 터(9)의 일부에 걸쳐, 외관(3)과의 사이에 베이스(8)가 삽입되고, 베이스(8)를 통해 접착제에 의해 발광관(2)과 외관(3)이 기밀하게 고정되어 있다. 발광관(2)과 외관(3) 사이의 간극에는, 공기층 또는 적절한 가스에 의한 가스층이 형성되어 있다.

고압 방전 램프(1)의 발광관(2)은, 발광 영역에 상당하는 중앙부보다 시일링부(7) 쪽이 소경이 되도록 구성되어 있으므로, 중앙부에 있어서 외관(3)에 근접하여, 시일링부(7)에 있어서 외관(3)과 이간되어 있다. 그 때문에, 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)의 중앙부에 있어서, 냉각 매체에 의해 충분히 냉각하여, 과열에 의한 발광관(2)의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 고압 방전 램프(1)의 발광관(2)의 시일링부(7)에 있어서, 냉각 작용이 약해지므로, 과냉각되는 것을 확실하게 방지하여, 수은의 미증발에 기인하는 조도 저하를 방지할 수 있다.

상기 고압 방전 램프(1)의 한 구성예를 나타내면, 발광관(2)에 있어서의 중앙부의 내경이 φ3.4mm, 발광관(2)에 있어서의 중앙부의 외경이 φ7.4mm, 시일링부(7)의 외경이 φ6mm, 발광관(2)의 전체 길이가 150mm, 전극(4) 간의 거리가 100mm, 방전 공간(10) 내에 위치되는 전극(4) 부분의 길이가 3mm, 수은의 봉입량이 44mg/mm³이다. 외관(3)의 외경이 φ9.5mm, 외관(3)의 내경이 φ7.4mm이다.

램프 점등 시에 있어서의 고압 방전 램프(1)의 정격 전압이 2000V, 정격 전류가 1.25A이고, 입력 전력이 2500W이다.

도 3은, 본 발명의 고압 방전 램프(1)의 중앙부를 도시한 확대 단면도이다. 도 3(a)는 고압 방전 램프(1)를 관축에 수직으로 절단했을 때의 확대 단면도이고, 도 3(b)는 고압 방전 램프(1)를 관축에 평행하게 절단했을 때의 접촉 부분(17)의 확대 단면도이다.

고압 방전 램프(1)는, 발광관(2)과 외관(3) 사이의 간극(14)이 평균 50μm 정도로 대단히 좁으므로, 발광관(2)과 외관(3)의 축 중심을 일치시켜도, 석영 유리가 갖는 치수 오차 등 때문에, 발광관(2)과 외관(3)이 접촉하는 영역이 발생해 버린다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 발광관(2)이 외관(3)의 중심보다 하측으로 치우쳐 배치되고, 하측의 발광관(2)과 외관(3)의 간극(d)이, 상측의 발광관(2)과 외관(3)의 간극(D)보다 작아져 있다. 하측의 발광관(2)의 외표면(12)은, 냉각 매체에 의해 냉각되어 있는 외관(3)까지의 거리가 짧기 때문에, 상측의 발광관(2)의 외표면(12)에 비해 냉각 효과가 높다. 따라서, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 접촉하는 접촉 부분(17)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)이 가장 냉각 효과가 높고, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최냉점이 된다. 반대로, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(D)이 가장 커지는 부분에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)이 가장 냉각 효과가 낮고, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최온점이 된다.

도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 고압 방전 램프(1)의 관축 방향을 따라 절단한 단면에 있어서, 외관(3)의 내표면(13)에 축방향으로 주기적으로 볼록부(15)가 발생하도록 형성되어 있다. 구체적으로는, 원통형상의 외관(3)의 내표면(13)에 있어서, 볼록부(15)가 나선형상의 줄이 되어 형성되어 있다. 볼록부(15)의 높이(h)는 10～200μm이고, 인접하는 볼록부(15)와의 간격(P)은 0.1～2mm이다. 외관(3)의 내표면(13)에 볼록부(15)가 형성되어 있으므로, 접촉 부분(17)이라고 하더라도 확대해 보면, 볼록부(15)에 있어서는 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 접촉하고 있지만, 볼록부(15) 이외의 부분에서는 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)의 사이에 간극이 발생하여, 공기층(16)이 존재한다. 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(d)이 가장 작아지는 접촉 부분(17)에 있어서도, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)은 밀착되어 면접촉하고 있는 것이 아니라, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)은 볼록부(15)에 있어서 접촉하는 선접촉 또는 점접촉이 되어, 접촉 개소와 공기층(16) 부분이 존재한다.

도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 상측의 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(D)은, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)의 접촉 부분(17)에 대향하기 때문에, 가장 커진다. 그러나, 접촉 부분(17)의 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간격이 볼록부(15)의 높이(h) 정도이므로, 간극(14)이 가장 커지는 부분의 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(D)도, 외관(3)의 내경(R)과 발광관(2)의 외경(r)의 차로부터, 볼록부(15)의 높이(h)를 뺀 값((R-r)-h)이 된다.

이와 같이, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(d)이 가장 작아지는 접촉 부분(17)에 있어서, 간극(d)이 볼록부(15)의 높이(h) 정도이므로, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13) 사이의 간극(D)이 가장 커지는 부분에 있어서, 외관(3)의 내표면(13)에 볼록부(15)가 형성되어 있지 않은 경우에 비해, 간극(D)이 볼록부(15)의 높이(h)만큼 작아진다.

방전 공간(10) 내에 있어서의 최냉점이 되는 간극(14)이 가장 작아지는 접촉 부분(17)에 있어서, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)은 볼록부(15)에 있어서 접촉하는 선접촉 또는 점접촉이 되므로, 외관(3)과의 사이에 공기층(16)이 존재하고, 냉각 매체에 의해 냉각되어 있는 외관(3)과의 거리가 커지므로, 최냉점의 온도가 올라간다. 또, 볼록부(15)가 원통형상의 외관(3)의 내표면(13)에 있어서 나선형상의 줄이 되도록 형성되어 있으므로, 외관(3)의 내표면(13)의 어느 개소에 접촉 부분(17)이 형성되어도, 반드시 공기층(16)이 존재하여, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 밀착되는 일이 없다. 한편, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최온점이 되는 간극(14)이 가장 커지는 부분(D)은, 외관(3)과의 거리가 약간 작아지지만, 외관(3)과의 사이에 간극(14)에 의한 공기의 층이 존재하므로, 최온점의 온도는 볼록부(15)의 유무와 관계없이 거의 변동하지 않는다. 따라서, 외관(3)의 내표면(13)에 볼록부(15)를 형성함으로써, 최냉점과 최온점의 온도차를 작게 할 수 있다.

외관(3)의 내표면(13)에 볼록부(15)를 형성함으로써, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최냉점의 온도를 올릴 수 있으므로, 대기 전력을 낮춰도 발광관(2)의 내표면(11)의 온도를 높게 유지할 수 있어, 발광관(2) 내의 봉입된 수은의 미증발의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 대기 모드의 대기 전력을 낮추면서, 처리 모드에 있어서, 단시간에 상승하여, 끊어지지 않는 고출력 점등을 할 수 있는 고압 방전 램프(1)를 실현할 수 있다.

도 4는, 본 발명의 고압 방전 램프(1)를 제작하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

이 고압 방전 램프(1)는, 다음과 같이 하여 제작할 수 있다.

우선, 금속박(5)의 양단에, 로드형상의 전극(4)과 외부 리드(6)를 전기적으로 접속하여, 전극(4) 구조체를 2개 작성한다. 원통형상의 석영 유리관의 내부에, 적절한 양의 수은 등을 봉입함과 더불어 전극 구조체를 석영 유리관의 양측에서부터 삽입하여, 쉬링크 시일법에 의해 석영 유리관의 양단부를 시일링한다. 이렇게 하여, 내부에 봉입물 및 전극(4)을 구비하는 발광관(2)이 작성된다.

도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 발광관(2)의 외표면(12)에 직경 80μm의 카본선(30)을 2mm 간격으로 나선형상으로 감는다. 편의상, 도면 상에서는 카본선(30)을 확대하여 묘화하고 있다. 한편, 발광관(2)의 외경 치수보다 큰 내경 치수를 갖는 원통형상의 석영 유리관(31)을 준비하여, 한쪽만을 시일링한다. 카본선(30)이 감겨진 발광관(2)을 석영 유리관(31) 내에 넣고, 석영 유리관(31)의 내부를 감압하여 회전시킨다. 산수소 버너를 축방향으로 스캔시켜, 석영 유리관(31)의 외측에서부터 가열하여, 석영 유리관(31)을 줄여 외관(3)이 형성된다. 이 때, 외관(3)은, 발광관(2)과의 간극(14)이 카본선(30)보다 좁아질 때까지 가열하여 줄인다.

도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 외관(3)이 충분히 가열되어 줄여지면, 외관(3)의 양단을 절단하여, 양단 개구의 원통관 형상으로 한다. 그리고, 고압 방전 램프(1)를 대기압 분위기에서 1000℃의 전기로 내에서 3시간 가열한다. 이 가열에 의해, 카본선(30)이 없어진다. 외관(3)과 발광관(2)의 간극(14)에 존재한 카본선(30)이 없어지고, 외관(3)의 내표면(13)에 나선형상의 줄이 설치됨으로써 이루어지는 볼록부(15)가 형성된다. 도시한 바와 같이 고압 방전 램프(1)의 관축을 따라 절단한 단면에 있어서, 외관(3)의 내표면(13)에 볼록부(15)가 관축방향으로 주기적으로 복수 형성된다. 나선형상의 줄로 이루어지는 볼록부(15)는, 이와 같이 카본선(30)을 감아 가공함으로써 용이하게 형성할 수 있다. 또, 상술한 바와 같이 석영 유리관(31)을 가열하여 줄여 외관(3)을 형성하면, 카본선(30)이 스페이서의 역할도 하므로, 외관(3)과 발광관(2)의 간격을 거의 일정한 패턴으로 제어할 수 있다. 그 때문에, 발광관(2)과 외관(3)이 밀착되는 영역이 발생하지 않고, 냉각의 치우침 등이 해소되어, 고압 방전 램프(1)의 편차도 억제할 수 있다.

이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 도 5는, 본 발명의 고압 방전 램프(1)의 중앙부에 있어서, 고압 방전 램프(1)를 관축에 수직으로 절단했을 때의 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 외표면(12)의 접촉 부분(17)을 나타낸 일부 확대 단면도이다.

제2 실시 형태의 고압 방전 램프(1)는, 외관(3)의 내표면(13)이 매끄러운 면으로 되어 있고, 발광관(2)의 외표면(12)이 단면 다각형상으로 되어 있는 것을 제외하고, 제1 실시 형태의 고압 방전 램프(1)와 동일한 구성을 갖는 것이다. 제2 실시 형태에 대해, 제1 실시 형태의 고압 방전 램프(1)와 동일한 구성 부재의 설명은 생략한다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 발광관(2)의 외표면(12)이, 고압 방전 램프(1)의 관축방향에 수직으로 절단한 단면에 있어서, 발광관(2)의 외주가 단면 다각형상으로 형성되고, 그 정상부가 볼록부(18)가 되도록 형성되어 있다. 구체적으로는, 원통형상의 발광관(2)의 외표면(12)이, 축방향으로 긴 단면 다각형상이 되도록 형성되어 있다. 10～60개의 각을 갖는 다각형이고, 볼록부(18)의 높이(h)는 10～200μm이며, 인접하는 볼록부(18)의 간격(P)은 0.5～2mm이다. 볼록부(18)로 되어 있는 부분이 발광관(2)의 두께가 최대가 되고 있고, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 접촉하고 있다. 볼록부(16) 이외의 부분에서는 발광관(2)의 두께가 얇아지고 있고, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)의 사이에 공기층(16)이 형성된다.

발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 접촉하는 볼록부(18)는, 냉각 매체에 의해 냉각되어 있는 외관(3)까지의 거리가 짧고, 발광관(2)이 외관(3)에 의해 직접 냉각된다. 볼록부(18)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)은, 냉각 효과가 가장 높다. 한편, 볼록부(18)의 인접 부분(20)은, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)의 사이에 공기층(16)이 형성되고, 냉각 매체에 의해 냉각되어 있는 외관(3)까지의 거리가 멀어진다. 발광관(2)은 공기층(16)에 의해 간접 냉각되게 되므로, 발광관(2)의 내표면(11)의 냉각 효과가 약해진다. 그 때문에, 인접 부분(20)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)의 온도는, 볼록부(18)의 내표면(13)만큼 내려가지 않는다.

또, 볼록부(18)가 발광관(2)의 외주를 단면 다각형상으로 함으로써 형성되어 있으므로, 외관(3)의 내표면(13)의 어느 개소에 접촉 부분(17)이 존재해도, 반드시 공기층(16)이 존재하여, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)이 밀착되는 일이 없다.

접촉 부분(17)에 있어서도, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)은 밀착하여 면접촉하고 있는 것이 아니라, 발광관(2)의 외표면(12)과 외관(3)의 내표면(13)은 볼록부(18)에 있어서 접촉하는 선접촉 또는 점접촉이 되어, 접촉 개소와 공기층(16) 부분이 존재한다. 공기층(16)을 갖는 인접 부분(20)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)의 온도는, 볼록부(18)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)의 온도보다 높아지므로, 볼록부(18)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)을 따뜻하게 하여, 접촉 부분(17)의 전체적인 발광관(2)의 내표면(11)의 온도를 높게 할 수 있다. 따라서, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최냉점이 되는 접촉 부분(17)에 있어서의 발광관(2)의 내표면(11)의 온도를, 발광관(2)의 외표면(12)에 볼록부(18)를 형성하지 않은 경우에 비해 올릴 수 있다.

발광관(2)의 외표면(12)에 볼록부(18)를 형성함으로써, 방전 공간(10) 내에 있어서의 최냉점의 온도를 올릴 수 있으므로, 대기 전력을 낮춰도 발광관(2)의 내표면(11)의 온도를 높게 유지할 수 있어, 발광관(2) 내의 봉입된 수은의 미증발의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 대기 모드의 대기 전력을 낮추면서, 처리 모드에 있어서, 단시간에 상승하여, 끊어지지 않는 고출력 점등을 할 수 있는 고압 방전 램프(1)를 실현할 수 있다.

이어서, 실시예에 대해 설명한다.

<실시예 1>

제1 실시 형태에 나타낸 고압 방전 램프를 이용한 고압 방전 램프 장치를 작성하여, 실험 대상으로 하였다. 실험 대상으로서 이용한 고압 방전 램프의 사양을 이하에 나타낸다.

발광관 : 석영 유리제, 중앙부의 내경 φ8mm, 중앙부의 외경 φ12mm, 시일링부의 외경 : φ6mm, 발광길이 100mm

외관 : 석영 유리제, 내경 φ12.1mm, 외경 φ14.1mm

볼록부 : 높이 50μm, 관축방향의 간격 2mm

전극 : 텅스텐제, 전극간 거리 100mm, 방전 공간(10) 내에 위치되는 전극 부분의 길이 3mm

봉입물 : 수은 7.5mg/cc, 아르곤 가스 100Torr

또한, 볼록부는 발광관의 외표면에 직경 80μm의 카본선을 2mm 간격으로 코일형상으로 감아, 상술한 방법에 의해 형성하였다.

처리 모드에서 30초간 점등하고, 이어서 대기 모드에서 30초간 점등하여, 처리 모드와 대기 모드가 교대가 되도록 점등하였다. 처리 모드 시에 있어서, 고압 방전 램프의 입력 전력이 3000W(300W/cm)가 되도록 점등하였다. 대기 모드 시에 있어서, 고압 방전 램프의 입력 전력이 2000W(200W/cm)가 되도록 점등하였다.

냉각 재킷에는, 냉각 매체로서, 물을 5L/min의 유량으로 순환시켰다.

또, 비교 대상으로서, 외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있지 않은 것을 제외하고, 실험 대상과 동일한 사양의 고압 방전 램프(1)를 작성하였다.

외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 발광관의 내표면에 있어서의 온도가, 처리 모드에서는, 접촉 부분에서 700℃가 되고, 간극의 최대 부분에서 1000℃가 되었다. 또, 대기 모드에서는, 접촉 부분에서 540℃가 되고, 간극의 최대 부분에서 800℃가 되었다.

외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있지 않은 비교 대상의 고압 방전 램프는, 발광관의 내표면에 있어서의 온도가, 처리 모드에서는, 접촉 부분에서 550℃가 되고, 간극의 최대 부분에서 1000℃가 되었다. 또, 대기 모드에서는, 접촉 부분에서 430℃가 되고, 간극의 최대 부분에서 800℃가 되었다.

외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 최냉점이 되는 접촉 부분의 온도가, 비교 대상의 고압 방전 램프에 비해, 처리 모드에서는 150℃ 높고, 대기 모드에서는 110℃ 높아졌다.

방전 공간 내의 온도가 400℃ 이하가 되면, 봉입되어 있는 수은의 미증발이 발생하여, 대기 모드로부터 처리 모드로 이행할 때의 상승 시간의 지연이나, 방전을 유지할 수 없게 되는 끊어짐이 발생한다. 본 실험 결과로부터, 외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 고압 방전 램프의 점등 중에 방전 용기 내의 온도가 가장 낮아지는 대기 모드 시에 있어서의 접촉 부분의 온도가 540℃이고, 최냉점 온도가 400℃로부터 140℃ 높아지는 것을 알 수 있었다. 이것으로부터, 외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 대기 모드의 입력 전력을 200W/cm보다 작게 하여, 대기 모드 시에 있어서의 접촉 부분의 온도가 더욱 저하하는 조건으로 점등해도, 수은의 미증발분이 발생하지 않는 것이 예측되었다.

<실험예 2>

실험예 1의 실험 결과로부터의 예측으로부터, 외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프 장치를, 대기 모드의 입력 전력을 작게 하여 점등하는 것으로 하였다. 실험 대상으로서 이용한 고압 방전 램프의 사양은, 실험예 1과 동일하게 하였다. 또, 고압 방전 램프 장치의 냉각 조건도, 실험예 1과 동일하게 하였다. 또한, 고압 방전 램프의 점등 조건은, 다음과 같이 하였다.

처리 모드에서 30초간 점등하고, 이어서 대기 모드에서 30초간 점등하여, 처리 모드와 대기 모드가 교대가 되도록 점등하였다. 처리 모드 시에 있어서, 고압 방전 램프의 입력 전력이 3000W(300W/cm)가 되도록 점등하였다. 대기 모드 시에 있어서, 고압 방전 램프의 입력 전력이 1500W(150W/cm)가 되도록 점등하였다.

즉, 대기 모드의 입력 전력을 낮춘 것을 제외하고, 고압 방전 램프의 점등 조건도, 실험예 1과 동일하게 하였다.

외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 대기 모드의 입력 전력을 150W/cm로 해도, 수은의 미증발분이 발생하지 않았다. 수은의 미증발분이 발생하지 않으므로, 대기 모드로부터 처리 모드로의 이행도, 상승 시간이 짧은 채로 유지할 수 있었다. 또, 처리 모드에 있어서는, 대기 모드의 입력 전력치에 관계없이, 높은 입력 전력으로 고출력 점등을 할 수 있었다.

따라서, 대기 모드의 대기 전력을 낮춰도, 수은의 미증발분이 발생하지 않으므로, 대기 모드로부터 처리 모드로 단시간에 상승하여, 처리 모드에 있어서 끊어지지 않는 고출력 점등을 할 수 있는 고압 방전 램프를 실현할 수 있는 것이 확인 되었다.

실험예 1의 결과에 의하면, 외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있지 않은 고압 방전 램프에서는, 입력 전력을 200W/cm로 하면, 방전 공간 내의 최냉점이 되는 접촉 부분의 발광관의 내표면 온도가 430℃가 된다. 입력 전력치를 이 이상 작게 하면, 방전 공간 내의 최냉점 온도가 내려가 수은의 미증발이 발생해 버린다. 즉, 외관의 내표면에 볼록부가 형성되어 있지 않은 고압 방전 램프에서는, 대기 모드에 있어서의 입력 전력의 최저치가 200W/cm였다.

한편, 실험예 2의 결과에 의해, 외관의 내표면에 볼록부가 형성된 실험 대상의 고압 방전 램프는, 대기 모드의 입력 전력을 150W/cm로 할 수 있는 것이 확인되었다. 이것으로부터, 볼록부가 형성되어 있지 않은 종래 기술에 따른 고압 방전 램프에 비해, 대기 모드의 입력 전력을 75%로 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명의 고압 방전 램프 장치의 구성을 도시한 설명용 단면도이다.

도 2는 본 발명의 고압 방전 램프의 구성을 도시한 설명용 단면도이다.

도 3은 본 발명의 고압 방전 램프의 중앙부를 도시한 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명의 고압 방전 램프를 제작하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

도 5는 본 발명의 고압 방전 램프의 중앙부를 도시한 확대 단면도이다.

도 6은 종래에 있어서의 고압 방전 램프 장치의 구성의 개략을 도시한 설명도이다.

도 7은 고압 방전 램프 사용 시의 입력 전력을 도시한 설명도이다.

[부호의 설명]

1 : 고압 방전 램프

2 : 발광관

3 : 외관

4 : 전극

14 : 간극

15 : 볼록부

16 : 공기층

17 : 접촉 부분

21 : 냉각 재킷

Claims

한 쌍의 전극이 대향 배치되고, 수은이 봉입된 발광관과, 상기 발광관의 외측에 형성된 직관형상의 외관을 구비하며, 상기 발광관의 양단에서 상기 외관이 기밀하게 고정되어 있는 고압 방전 램프에 있어서,

상기 발광관의 외표면 또는 상기 외관의 내표면에 볼록부가 축방향으로 일체 형성되고, 발광관의 외표면과 외관의 내표면이 당해 볼록부에서 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 1에 있어서,

상기 볼록부는, 외관의 내표면에 나선형상의 줄을 설치함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 1에 있어서,

상기 볼록부는, 발광관의 외표면을, 관축방향에 수직으로 절단한 단면에 있어서 단면 다각형상으로 함으로써 형성되는 것을 특징으로 고압 방전 램프.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외관의 내경과 상기 발광관의 외경의 차는 200μm 이하이고, 상기 볼록부의 높이는 200μm 이하인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 고압 방전 램프를, 냉각 재킷의 내부에 배치하고, 상기 외관의 벽면을 따라 냉각 매체가 흘러 통과되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프 장치.