ショートアーク型放電ランプ

【課題】発光管内に陽極と陰極が対向配置されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、特に、定格電力での通常点灯と、これよりも小さな電力で点灯する待機点灯を繰り返すフル・スタンバイ点灯時においても、陽極先端中央部がその周辺環状部よりも突出することがなく、電極材料の蒸発によるランプの黒化が生じないようにした電極構造を提供することである。
【解決手段】陽極の先端面の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在して挿入されてなり、前記緩衝材の先端が、陽極の先端面より後退していることを特徴とする。
更に、前記緩衝材の先端に隣接する陽極の一部と、前記挿入体の一部に亘って凹溝が形成されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源や映写機のバックライト用光源に適用されるショートアーク型放電ランプに係る。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く点光源に近いことから、光学系と組み合わせることによって露光装置用若しくは映写機のバックライト用の光源として利用されている。
【０００３】
特開平１０−１８８８９０号公報は、従来のショートアーク型放電ランプを開示する。
図８に該従来のショートアーク型放電ランプが示されており、ショートアーク型放電ランプ１の発光管１０は、中央に位置する略球状に形成された発光部１１と、その両端の封止部１２を備える。発光部１１内には、タングステン等からなる陰極２１と陽極３１とが互いに向き合うように対向配置されるとともに、その発光空間Ｓには水銀、キセノン等の発光物質が封入されている。
上記陰極２１及び陽極３１に連設された電極軸２２、３２が図示しない金属箔を介して封止部１２で封止されている。
【０００４】
しかして近年においては、半導体や液晶パネルの製造工程で用いられる上記ショートアーク型放電ランプにおいては、特開２０００−１８１０７５号公報に見られるように、省電力化のために、常に一定の電力で点灯するのではなく、露光時にのみ定格電力で点灯（通常点灯）させ、基板移動などの待機時には前記定格電力よりも小さな最小限の電力で点灯（待機点灯）させるという点灯方式（以下、フル・スタンバイ点灯という）が採用されている。
例えば、露光時は定格電力で０．１〜１０秒点灯させ、待機時は定格電力よりも小さい待機電力で０．１〜１００秒点灯させるということが繰り返される。
【０００５】
ところで、ランプの点灯・消灯時や、上記のフル・スタンバイ点灯時における入力電力の変更時などには、アークから陽極へ流入する熱流束が変化するため、陽極温度が変化し、陽極に内部応力が発生する。
このとき、図９に示すように、アークに対面する陽極先端面の中央部５０は、最も温度変化の大きい部分であり、従って熱膨張も大きくなる。これに対して、該中央部５０の周辺にある環状部５１は、前記中央部５０よりも温度変化が少なく、その熱膨張も小さい。
そのため、中央部５０はかかる熱膨張により、その周辺環状部５１から圧縮応力を受けることになり、その結果、先端面から突出するように変形する。
【０００６】
このような突出は、定格点灯時に陽極先端の温度が安定した後も完全には元の形状に戻ることなく残存する。加えて、特にフル・スタンバイ点灯時には、このような変形が繰り返し生じ、突出が蓄積されることにより肥大化していく。
すると、肥大化した突出部に放電が集中することとなって、該突出部が異常過熱され、電極物質が蒸発し発光管内壁に付着して、該発光管内壁が黒化してしまい、急速な照度低下を引き起こすという問題があった。
【０００７】
上記従来技術の問題点を解消すべく、本発明者等は、先に特願２００９−１６５２７２号において、陽極の先端中央に形成した開口内に陽極とは別体の挿入体を、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在して挿入する構造を提案している。
図１０（Ａ）、（Ｂ）にその概要が示されていて、タングステンからなる陽極３１の先端面３３の中央部分には、該先端面３３に開口する開口３５が形成されている。そして、該陽極３１とは別体で、陽極と同一素材からなる挿入体３６が前記開口３５と整合した形状に成形されていて、この挿入体３６が、緩衝材３７を間に挟むようにして、前記開口３５内に打ち込み等の手段によって圧入・嵌挿されている。
前記緩衝材３７は、該陽極３１および挿入体３６よりも、同じ温度における降伏応力が小さな金属材料からなり、具体的には、タンタル、モリブデン、ニオブ、またはレニウムなどからなる金属箔である。
【０００８】
このような構造とすることによって、陽極３１の先端中央部を構成する挿入体３６が熱膨張するときには、該挿入体３６と開口３５の間の緩衝材３７が高温クリープ変形を起こし、挿入体３６の熱膨張分を吸収・緩和するかたちとなり、前記開口３５の周辺の環状部分３３ａによる圧縮応力を受けることがない。
その結果、先端中央部を構成する挿入体３６が変形することもなく、局所的な突出部が形成されることもないという効果が期待できるものである。
【０００９】
ところが、点灯電力の更なる大電力化や、フル・スタンバイ点灯条件の過酷化などによって、上記構造においても条件によっては新たな問題が生じる場合があることが判明した。
図１１で示すように、温度上昇に伴い緩衝材３７が熱膨張し塑性変形していく。この時に、緩衝材３７は挿入体３６と陽極３１先端の周辺環状部３３ａとの間で圧縮力を受けて、軸方向に逃げることになり、陽極３１の先端面３３から突出するという現象が生じることがある。
このように、緩衝材３７が陽極先端から突出してしまうと、その突出端３７ａが過剰に加熱され蒸発してしまい、これが発光管の黒化を招き照度低下を起こすことになるというものである。
【００１０】
加えて、図１２に示すように、陽極３１に挿入した挿入体３６の周辺に突部３８が形成されるという新たな問題が生じる場合があることが判明した。
陽極３１は、ランプ点灯時、アーク放電を受けており、そのアーク放電は、その中心が最も高温で、中心から周辺に向かうに従って温度が下がっていく。このため、陽極中心に位置する挿入体３６が高温になり、該挿入体３６は陽極３１よりも熱膨張量が大きくなる。一方、陽極３１側では、緩衝材３７に接する側が最も高温になるので最も膨張量が大きく、周辺に向かうに従って膨張量が少なくなっていく。そうなると、挿入体３６の膨張を緩衝材３７によって吸収するものの、陽極３１の緩衝材側の膨張は膨張量の少ない周辺側に逃がすことができず、また緩衝材側に逃げようとしても、緩衝材３７は既に挿入体３６からの膨張を吸収しており、陽極３１のこの膨張量を十分に吸収しきれない。そのため、その膨張量が先端に向かってしまい突部３８が形成されたものと推測される。
このように、陽極先端面の挿入体３６の周囲に突部３８が形成されてしまうと、この突部３８と陰極との電極間距離が短くなってしまい、該突部３８にアークが集中することになり、当該突部３８が過度に加熱されて蒸発し、これが発光管の黒化を招き照度低下を起こすことになるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１８８８９０号公報
【特許文献２】特開２０００−１８１０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、特に、フル・スタンバイ点灯方式を採用するショートアーク型放電ランプにおいて、陽極先端で生じる熱応力を緩和して、陽極先端の中央部分が変形することを防ぎ、黒化を防ぐことができる陽極構造を有するショートアーク型放電ランプを提供せんとするものである。
また同時に、先の出願による提案に関する新たな問題点、即ち、陽極先端に緩衝材を介在させて挿入体が圧入された陽極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、フル・スタンバイ点灯条件の過酷化などによって、緩衝材が陽極先端から突出してしまうことがあり、更には挿入体の周囲に突起が形成されてしまうという新たな問題をも併せて解決した構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、前記陽極の先端面の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在して挿入されてなり、該緩衝材の先端が、陽極の先端面より後退していることを特徴とする。
【００１４】
また、前記陽極の先端面には、前記緩衝材の先端に隣接する陽極の一部と、前記挿入体の一部に亘って凹溝が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のショートアーク型放電ランプによれば、陽極と、その先端中央に圧入した挿入体との間に介在させた緩衝材の先端を、前記陽極の先端面より後退させたので、特に、フル・スタンバイ点灯時などに、陽極先端部の温度が変化して挿入体が熱膨張しても、該挿入体の膨張は緩衝材に吸収されて挿入体の先端が変形突出することがなく、しかも、該緩衝材の先端が陽極の先端面よりも突出することもなく、その部分に放電アークが集中して蒸発するようなことがない。
しかも、前記緩衝材の先端に隣接する陽極の一部と、前記挿入体の一部に亘って凹溝が形成されているので、緩衝材を挟んで隣接する挿入体の熱膨張や陽極側の熱膨張をこの凹溝に逃がすことができ、これらが局所的に変形突出するようなことがない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るショートアーク型放電ランプの第１実施例の陽極の先端部の要部断面図。
【図２】図1の第1実施例の作動説明図。
【図３】第２実施例の要部断面図。
【図４】図３の第2実施例の作動説明図。
【図５】第３実施例の断面図。
【図６】第４実施例の断面図。
【図７】本発明の効果を表すグラフ。
【図８】従来技術の全体図。
【図９】図８の要部説明図。
【図１０】先願に係る陽極断面図。
【図１１】図１０の陽極の不具合説明図。
【図１２】図１０の陽極の別の不具合説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、第1実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）はその要部拡大断面図である。
図１において、陽極３１の先端面３３は平坦面３３ａとテーパ面３３ｂとより構成され、その中央部分、より具体的には、平坦面３３ａの中央部分には、該平端面３３ａに開口する開口３５が形成されている。そして、該陽極３１とは別体で、陽極と同一素材からなる挿入体３６が前記開口３５と整合した形状に成形されていて、この挿入体３６が、緩衝材３７を間に挟むようにして、前記開口３５内に打ち込み等の手段によって圧入・嵌挿されている。
【００１８】
具体的には、タングステンからなる陽極３１の先端面の開口３５に、同じタングステンからなる挿入体３６が挿入されるものであり、該開口３５および挿入体３６は該挿入体３６を圧入し易くするために、若干の先細のテーパ状とされるのがよい。
緩衝材３７は、該陽極３１および挿入体３６よりも、同じ温度における降伏応力が小さな金属材料からなり、具体的には、タンタル、モリブデン、ニオブ、またはレニウムなどからなり、この実施例では金属箔であって、前記挿入体３６の外周に巻きつけられて、挿入体３６と共に開口３５内に嵌挿される。
【００１９】
このとき、図１（Ｂ）に示すように、緩衝材３７は、その先端３７ａが陽極３１の先端面３３よりも十分後退した位置にあるようにされている。こうすることにより、図２に示すように、点灯時に該緩衝材３７が熱膨張しても、その膨張量Ｘは陽極３１と挿入体３６との間の空間内に納まり、その先端３７ａが陽極３１の先端面３３から突出することがない。
【００２０】
上記構成とすることにより、陽極３１の先端中央部を構成する挿入体３６が熱膨張するときには、該挿入体３６と、その周辺の環状部の間に挟まった緩衝材３７が高温クリープ変形を起こし、挿入体３６の熱膨張分を吸収・緩和するかたちとなり、周辺環状部による圧縮応力を受けることがない。その結果、先端中央部を構成する挿入体３６が変形することもなく、局所的な突出部が形成されることもない。
しかも、緩衝材３７の先端３７ａが陽極３１の先端面３３よりも後退しているので、熱膨張してもその先端が陽極先端面よりも突出するようなことがない。
【００２１】
図３は、第２実施例の断面図であり、（Ａ）は組み込み断面図、（Ｂ）はその要部拡大断面図である。
この実施例では、図３に示すように、陽極３１の先端面３３には、前記緩衝材３７の先端に隣接する陽極の一部と、前記挿入体３６の一部に亘って凹溝３９が形成されている。この凹溝３９は挿入体３６を陽極３１に組み込んだ後に、切削加工して形成する。従って、緩衝材３７の先端３７ａも同時に切削されることになり、その先端３７ａはこの凹溝３９に臨むように位置し、陽極３１の先端面３３より後退した位置にある。
勿論、この場合にも、緩衝材３７の先端３７ａが、凹溝３９の底面よりも更に後退した位置にあってもよく、緩衝材３７の本来の緩衝機能が損なわれない程度にその位置を決定すればよい。
【００２２】
こうすることで、図４に示すように、緩衝材３７が熱膨張しても、その先端３７ａは凹溝３９内に収まり、先端面３３より突出することがない。そのため、アークがこの緩衝材３７の先端３７ａに集中することがなく、緩衝材３７の蒸発による照度低下を防止できる。
また、緩衝材３７を挟んで隣接する陽極３１の一部と挿入体３６とは、熱膨張しても、その熱膨張分は凹溝３９内に逃げることになり、当該部位が先端面３３より突出するように変形して突部を形成することもない。
なお、凹溝３９の形状は断面半円形のものを示したが、他の形状であってもよく、また、その加工方法も切削以外にレーザ加工によるものであってもよい。
【００２３】
なお、上記実施例においては、挿入体３６は、陽極３１の先端面３３の平坦面３３ａ内に位置しているものを示したが、図５に示すように、挿入体３６が先端平坦面３３ａと同じ大きさであって、挿入体３６と陽極３１との境界が、平坦面３３ａとテーパ面３３ｂの境界となる場合もあり、また、図６に示すように、挿入体３６が平坦面３３ａより大きく、陽極３１との境界がテーパ面３３ｂに位置する場合もある。
これらの場合、陽極３１の先端平坦面３３ａは、挿入体３６の先端平坦面によって構成される。
そして、これらの場合であっても図５や図６に示すように、挿入体３６と陽極３１との境界に凹溝３９を設けることにより、図３に示す第２実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
本発明の効果を確認する実験を行った。
＜陽極構造＞
本発明の陽極として、図３に示すものを準備し、比較例として、図１０に示す構造のものを準備した。そして、従来例として図９に示す、挿入体や緩衝材を設けていないものを準備した。
＜陽極材料＞
陽極本体はタングステン、挿入体はタングステン、そして緩衝材はタンタルで形成した。
＜仕様＞
各ランプは、封入水銀量が２５ｍｇ／ｃｃ、電気特性が２５ｋＷ（１６０Ｖ，１５６Ａ）のランプを準備した。
各陽極は、先端径がφ９ｍｍ、胴部径がφ３５ｍｍ、電極軸方向の長さが６０ｍｍで形成した。
比較例の挿入体は、先端径がφ９ｍｍ、長さは１５ｍｍで形成した。本発明は、比較例と同一の挿入体を設けた上で、先端径φ９ｍｍの位置に深さ０．５ｍｍのＲ１の溝を、旋盤による切削加工によって設けた。
比較例と本発明の緩衝材は厚み５０μｍのものを用い、比較例に対してはランプ不点灯時において陽極先端面の位置に緩衝材の端部が位置するように設けた。
＜点灯方法と測定方法＞
入力電力２５ｋＷで２ｓｅｃ，１２．５ｋＷで７ｓｅｃの点灯サイクルを繰り返し、ランプの発光管外部に配置した照度計によって、点灯時間経過に伴うＩ線（波長３６５ｎｍ）照度を測定した。なお、実験では、従来が相対照度（照度維持率）８０％を下回った時点で測定を終了し、比較例と本発明とは、相対照度（照度維持率）９０％を下回った時点で測定を終了した。
【００２５】
図７に実験結果を示しており、その実験結果は、点灯開始時の照度を１００％とし、点灯時間経過後の照度は、点灯開始時の照度に対する相対照度として示している。
従来例（■）では点灯時間が５００時間経過した時点で、照度維持率９０％を下回っており、さらに点灯時間を継続しても、照度維持率の改善が見られず、低下し続けた。
比較例（▲）は、点灯時間が７５０時間経過した時点で、照度維持率９０％を下回った。
本発明（○）は、点灯時間が１２５０〜１３００時間までは照度維持率９０％を上回り、１３５０時間経過した時点で９０％を下回った。
【００２６】
＜考察＞
従来例では、陽極先端に突出部が形成され、その突出部が蒸発して飛散することで、発光管内面を黒化させ、照度維持率９０％が５００時間となり、比較例や本発明よりも照度維持率が低かったものと推測される。
これに対し、比較例では、挿入体と緩衝材を設けることで、挿入体の膨張を緩衝材によって吸収されることで、挿入体先端面からの突出部の形成が抑制され、従来よりも照度維持率が伸び、照度維持率９０％は７５０時間になったものと推測される。
しかし、緩衝材が陽極先端面から突出したり、挿入体の周辺の陽極部分に突部が形成されたりして、緩衝材の突出した部分や陽極の突部が蒸発して、発光管内面を黒化させることで、本発明よりも照度維持率が低かったものと推測される。なお、点灯時間７５０時間後に、比較例の陽極先端面を観察すると、挿入体の先端面を取り囲むように環状の突部が形成されていた。
本発明では、照度維持率９０％が１３５０時間と、従来例の５００時間はもとより、比較例の７５０時間に比べても著しく伸びた。これは、凹溝を設けて、緩衝材と挿入体の一部と陽極先端面の一部を削除したことにより、緩衝材が挿入体の先端面よりも突出することが抑制される共に、陽極先端面の挿入体側に突部が形成されることも抑制されたものと推測される。これにより、本発明は、緩衝材の突出部による蒸発や、陽極先端面の突部の蒸発を抑制できたために、照度維持率を著しく伸ばすことができたものと推測される。
【符号の説明】
【００２７】
２１陰極
３１陽極
３３陽極先端面
３３ａ平坦面
３３ｂテーパ面
３４周辺環状部
３５開口
３６挿入体
３７緩衝材
３７ａ緩衝材先端
３９凹溝

【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内に陽極と陰極が対向配置されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極の先端面の先端中央部に開口が形成され、該開口内に陽極とは別体の挿入体が、該陽極材料よりも降伏応力の小さな金属よりなる緩衝材を介在して挿入されてなり、
前記緩衝材の先端が、陽極の先端面より後退していることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
【請求項２】
前記陽極の先端面には、前記緩衝材の先端に隣接する陽極の一部と、前記挿入体の一部に亘って凹溝が形成されている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。

【図１】