説明

ショートアーク型放電ランプ

【課題】放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプを提供する。
【解決手段】ショートアーク型放電ランプは、所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、膨張部の内部に陰極及び陽極が配置され、各管形状部に電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、陰極が、円錐台形状の本体部と、本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、円筒体の先端部に凹部が形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源のように光応用分野に用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【0002】
ショートアーク型放電ランプ、特に半導体露光装置等に用いられるショートアーク型水銀ランプには、放電のゆらぎを抑えたり、集光効率を上げたりする観点から、陰極の先端に突起部を設けたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第3899898号公報 特許文献1は、陰極コーン部の先端部にさまざまな形状の円柱形の突起部を有するショートアーク型水銀ランプを開示する。
【特許文献2】特開2003−77416号公報 特許文献2は、陰極のテーパー部に続き突起部が形成されていて、突起部の放電側先端部が平坦面になっているショートアーク型水銀ランプを開示する。
【特許文献3】特開2003−257364号公報 特許文献3は、陰極の先端が概略円錐台形状であり、その先端面に概略円柱状の突起が形成されているショートアーク型水銀ランプを開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、製品の単位時間当たりの生産量を表す指標となるスループットを高めることが要求されるため、より高い初期照度及び照度維持率が求められている。
【0005】
高い照度を得るために、電極先端に(円筒状)突起部を設けてアークを細くし集光効率を上げると、電流密度が上がり、照度は向上するが、ランプ点灯で突起部の損耗が激しく、寿命が短くなる。
【0006】
そこで、本発明は、放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプ、特にショートアーク型水銀ランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
そこで、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、該陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、前記膨張部の内部に前記陰極及び陽極が配置され、各管形状部に前記電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、前記陰極が、円錐台形状の本体部と、該本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、該円筒体の先端部に凹部が形成されていることを特徴とする。
【0008】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記陰極の軸線方向の断面形状が、U字形状又はV字形状となるようにしてもよい。
【0009】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記円筒体の先端部の上端面を横断する溝であってもよい。
【0010】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記円筒体の先端部の最大外径dに対する前記円筒体の底面の位置の前記陰極の本体部の先端部の最大外径Dの値(D/d)が、0.8≦=D/d≦=3.5の関係にあるようにしてもよい。
【0011】
そのショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極と前記陽極との間に発生するアークは、前記円筒体の上端面と、該円筒体の先端部の周縁と、前記凹部の内面とから発生するようにしてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、放射照度が向上し、かつ長寿命なショートアーク型放電ランプ、特にショートアーク型水銀ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】図1は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの概略構造を示すための簡略化した一部断面図である。
【図2】図2は、従来のショートアーク型水銀ランプの陰極と陽極との間での放電の状態を説明するための簡略化した正面図である。
【図3】図3(a)は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の一実施形態を示すための簡略化した断面図である。図3(b)は、図3(a)に陰極と図示せぬ陽極との間での放電状態を説明するための断面図である。
【図4】図4(a)及び図4(b)は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて、有底円筒体の表面積が異なる陰極の先端部を比較するための簡略化した断面である。
【図5】図5(a)から図5(d)は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて陰極の先端部に有底円筒体を有するものと、従来の陰極に突起部を有するものとを比較するための簡略化した断面である。
【図6】図6は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプにおいて、陰極の先端部の有底円筒体の先端部の最大外径dと、有底円筒体の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Dとの関連性を説明するための簡略化した断面図である。
【図7】図7は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の他の実施形態を示すための簡略化した正面図である。
【図8】図8は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状のさらに他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面に基づいて本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例としてショートアーク型水銀ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。
【0015】
[ショートアーク型水銀ランプの概略構造]
図1は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプ10の概略構造を示すための簡略化した断面図である。ショートアーク型水銀ランプ10は、膨張した中央部と両端の管状部とを備える。中央部の内部には、陽極2及び陰極3が対向して配置され、両端の管状部には、発光管封体1の内部と外気とを遮断するために封止部7が設けられている。封止部7には電極マウントが固定されており、電極マウントには、陽極2及び陰極3に接続された電極芯棒5が接続されている。電極芯棒5を経由して、陽極2及び陰極3が、外部のリード線6に接続されている。陽極2と陰極3との先端部間の距離は、4〜20mmの範囲内の例えば6mmである。
【0016】
発光管封体1は、外径は50mmから160mmの範囲内の例えば90mmであり、長さは70mmから190mmの範囲内の例えば120mmである。発光管封体1内には、0.5mg/cm3から50mg/cm3の範囲から選択された例えば4mg/cm3の水銀と、キセノン(Xe)、アルゴン(Ar)及びクリプトン(Kr)の中の少なくとも1種類またはそれらを混合した希ガスとが封入されている。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略1.2×102kPaから4.0×102kPaの範囲内の例えば3.0×102kPaである。
【0017】
[放電の概念]
図2は、従来のショートアーク型水銀ランプの陰極3aと陽極2aとの間での放電の状態を説明するための簡略化した図であり、陰極3aと陽極2aとの一部を拡大して示す。陰極3aは、先細りの円錐台形状(コーン形状)の部分の先端に、円柱形状に形成されたものを備える。図2に示すように、陽極2aと陰極3aとの間に、アーク20が形成されている。アーク20は、縞模様で表すように部分によって温度が異なり、概略、陰極3aの上部の端面3tから生じたものと、陰極3aの上部の端面近くの周縁部3sから生じたものとからなり、全般として、陰極3aの上端部を覆うように発生している。
【0018】
アーク20の発生により、陰極3aの上端部は、高温化し、電極物質が時間経過とともに消耗して揮散し、発光管内壁へ付着するため、照度が徐々に低下してしまう。このため、製品の性能としては、例えば、2250時間という所定の時間経過時に、照度維持率が90%以上であることが望ましいとされている。
【0019】
[本発明に係る陰極の構造]
図3(a)は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型水銀ランプ10に用いられる陰極3の一部を簡略化して示す拡大断面図である。陰極3は、先細りの円錐台形状の本体部30とその先端に一体として形成された有底円筒体31とを備える。有底円筒体31は本体部30から連続して形成されている。
【0020】
有底円筒体31の上端面31tには、凹部31hが形成されている。凹部31hは、本体部30に達するまで穿たれているのではなく、本体部30から厚さtだけ残した位置に、有底円筒体31の底部31bが存在するように形成されている。
【0021】
その底部31bの形状は、図3(a)では球面になっているが、それに代えて、平坦でも、先細り状等、他のいかなる形状にしてもよい。
【0022】
図3(b)は、陰極3と図示せぬ陽極との間で放電が発生している状態のアークの広がりの一例を簡略化して示す。図3(b)に示すように、アークの広がりの外縁を表すアーク部分20a,20cで表されたアークが、有底円筒体31の側面31sと凹部31hの内面とから放出され、また、アーク部分20b,20dで表されたアークが、有底円筒体31の側面31sと凹部31hの内面とから放出されている。すなわち、アークは、有底円筒体31の側面31sからの放出に加えて、凹部31hの内面からも放出されている。図示はしていないが、図2の場合と同様に、有底円筒体31の上端面31tからもアークは放出されている。
【0023】
一般に、陰極の先端を鋭利にすると、アーク放電の際の照度を高めることはできるが、先端部の放熱効果が得られず、寿命が短くなるということが知られている。
【0024】
上述のように、図2に示す陰極3aでは、アーク20は、陰極3aの端面3t及び周縁部3sのみから発生している。それに対し、図3(a)及び図3(b)に示す陰極3では、アークは、有底円筒体31の側面31s及び端面31tに加えて、凹部31hの内面からも発生している。そのように、図3(a),(b)に示す陰極3では、アークが発生する陰極の表面積が増加しており、図2に示す陰極3aよりも放熱効果が高まっている。また、電極最先端面の面積で見た場合、図2に示す陰極の端面3tに比べて、図3(a),(b)に示す陰極3の端面31tは狭くなっており、アークが収斂し、照度が高まっている。
【0025】
次に、図4において、表面積の異なる2つの有底円筒体を有する陰極のそれぞれの出力を比較する。図4(a)は、陰極の先端に、高さが1.0mm、外径が1.0mm、凹部の内径が0.5mmの有底円筒体が形成されている構成を示す(第1例)。図4(b)は、陰極の先端に、高さが1.5mm、外径が1.5mm、凹部の内径が0.5mmの有底円筒体が形成されている構成を示す(第2例)。それらの有底円筒体の表面積を比較すると、第2例の有底円筒体の上端面35t−1の半径は、第1例の半径の1.5倍で、凹部35h−1,35h−2の開口部の面積は同じなので、第2例の有底円筒体の上端面35t−1の表面積は、第1例の対応する表面積の約1.5×1.5となる。また、第2例の有底円筒体の高さは、第1例の高さの1.5倍である。そのため、第2例の有底円筒体の表面積は、第1例の約1.5×1.5×1.5=3.375倍となる。第1例の場合に実測すると、出力は1500W(23V,65A)であった。そのため、第2例の出力は、1500W×3.375=約5063Wとなると予測することができる。
【0026】
次に、凹部の有無の効果を検討する。
【0027】
図5(a)及び図5(b)は、それぞれ、直径の異なる従来の円柱状の突起を有する陰極を示す。図5(c)は、本発明に係る凹部31hを形成した陰極3を示す。図5(d)は、従来の円柱状の突起を有する陰極であるが、その先端面は図5(c)の本発明の陰極の先端面の面積と同一の面積を有する。
【0028】
それぞれの図の下側に、初期照度と比率とを示す。比率は、図5(a)に示す形状のランプの初期照度を100%とした場合に、それに対する他の形状のランプの初期照度の比率を表す。
【0029】
図5(a)と図5(b)とを比較すると、先端面の狭い図5(b)のランプの初期照度が、図5(a)より高く、107.6%である。ただし、図5(b)の陰極の先端部の消耗が大きく、図5(b)の陰極は、図5(a)のよりも寿命が短いことが予想される。
【0030】
一方、先端面の面積が同一の図5(c)と図5(d)とを比較すると、図5(c)の本発明に係るランプの初期照度は237mW/cm2であるのに対し、図5(d)のランプの初期照度は225mW/cm2であり、図5(c)の初期照度が図5(d)の初期照度よりも高いことがわかる。ただし、図5(a)及び図5(b)の場合と異なり、図5(c)及び図5(d)は先端面の面積が同一であるため、図5(c)の本発明の陰極においても放熱効果は図5(d)と同様に得られると考えられる。そのため、図5(c)の本発明に係る陰極では、初期照度が向上しただけでなく、先端部の消耗が抑制されることは明らかである。
【0031】
さらに、図5(a)と図5(c)との比較で、ランプの初期照度が高くなったのは次の2つの効果による。すなわち、陰極の最先端部の断面積の減少による電流密度の増加の効果(図5(a)と図5(d)の比較)と、陰極先端部の表面積増加によりアークが発生しやすくなることの効果(図5(c)と図5(d)の比較)である。
【0032】
まとめると、2つの陰極の最先端部の断面積(電流密度)が同じ場合であっても、一方の陰極に、本発明の陰極のような凹部が形成されていると、その陰極においてはアークが発生する表面積が増加するため、ランプの初期照度が向上する。また、本発明の陰極のような凹部が形成されていると、表面積の増加に伴い放熱効果が高まるため、陰極先端部の消耗が抑制されて、所定の点灯時間経過時点においても望ましい照度維持率を実現できるようになる。
【0033】
図6は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の有底円筒体の先端部の最大外径dと、有底円筒体の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Dとの関連性を説明するための簡略化した断面図である。
【0034】
図6(a)、図6(b)及び図6(c)は、D/dの3つの関係を例示する図である。図6(a)では、有底円筒体31−1の底面の位置の陰極の本体部の先端部の最大外径Dが、陰極の先端部の有底円筒体31−1の先端部の最大外径dよりも大きな関係にある。この場合には、D/dは、1より大になる。また、図6(c)は、図6(a)の場合よりも、最大外径Dがより大きい場合である。この場合には、D/dは、図6(a)の場合のD/dよりもさらに大きな値となる。図6(b)では、逆に、最大外径Dが、最大外径dよりも小さい。この場合には、D/dは、1より小さくなる。
【0035】
表1に、D/dと、初期照度及び照度維持率との関係を示す。
【0036】
【表1】

製品として、標準的使用頻度においてランプの寿命末期に、照度維持率が90%以上であることが望ましいとされている。(ここでは、24時間点灯で約3ヶ月経過時点に相当する2250時間における照度維持率を検討した。)表1において、D/dが0.8未満の0.5の場合、初期照度は105で向上しているが、照度維持率は82であるため、製品の要求仕様を満足していない。また、D/dが3.5を越える3.7の場合には、照度維持率は95で良好であるが、初期照度が86と低く、スループットが低下してしまうことになる。
【0037】
D/dが0.8より小さい場合には、照度は高まるが、陰極先端部が放熱効果を得ることができず温度が上がってしまうため、製品の寿命は短くなる。一方、D/dが3.5より大きい場合には、アークが、有底円筒体の底面の位置にある陰極の本体部の先端部の平坦面から発生してしまうため、照度が低下してしまう。
【0038】
以上の観点から、D/dは以下の式1の関係を有することが望ましい。

0.8≦=D/d≦=3.5・・・(式1)

[本発明に係る陰極の他の構造]
図7は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状の他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。
【0039】
図7(a)では、陰極の円錐台形状の本体部40a−1の上部の平坦面上に、一体的に、連続して、有底円筒体41a−1が形成されている。また、有底円筒体41a−1には、底部41b−1を有する凹部41h−1が形成されている。この実施形態では、D/dは、1.0より大きく、1.5より小さい。
【0040】
また、図7(b)では、陰極の円錐台形状の本体部40a−2の上部に平坦部は形成されてなく、そこから、連続して、一体的に、有底円筒体41a−2が形成されている。有底円筒体41a−2には、底部41b−2を有する凹部41h−2が形成されている。この実施形態では、D/dは、1.0である。
【0041】
このように、D/dが、上記の式1の関係を満たすのであれば、有底円筒体が形成されている陰極の円錐台形状の本体部上に、平坦部が存在していてもよい。
【0042】
図8(a)、図8(b)及び図8(c)は、本発明に係るショートアーク型水銀ランプの陰極の先端部の形状のさらに他の実施形態を示すための簡略化した断面図である。これらの図に示す陰極の円錐台形状の本体部と有底円筒体との間には平坦部はない。
【0043】
図8(a)は、円錐台形状の本体部50−1の上端部に、一体的に、連続して、有底円筒体51−1が形成された陰極を示す。有底円筒体51−1の上端面51t−1には、円錐形の頂点を下方に向けた形状の凹部51h−1が形成されている。言い換えると、上端面51t−1には、陰極の軸線方向の断面においてV字形状の凹部51h−1が形成されている。その円錐形又はV字形状の頂点の位置は、凹部51h−1の底51b−1であり、その底は、二点鎖線で示す本体部50−1の上端部からは一定の距離だけ上方に位置する。
【0044】
また、図8(a)では、有底円筒体51−1の側面の厚さが、上端面51t−1から下方にある円錐台形状の本体部50−1の上端部に向かって線形的に増加する。
【0045】
図8(b)は、円錐台形状の本体部50−2の上端部に、一体的に、連続して、有底円筒体51−2が形成された陰極を示す。有底円筒体51−2の上端面51t−2には、陰極の軸線方向の断面Uの字形状の凹部51h−2が形成されている。二点鎖線で示す本体部50−2の上端部から一定の距離だけ上方の位置に、底部51b−2が形成されている。また、有底円筒体51−2の上端面51t−2の周端面及び断面Uの字形状の凹部51h−2の周端面は、丸められている。
【0046】
図8(c)は、円錐台形状の本体部50−3の上端部に、一体的に、連続して、円錐台形状の有底円筒体51−3が形成された陰極を示す。有底円筒体51−3の上端面51t−3には、断面Uの字形状の凹部51h−3が形成されている。二点鎖線で示す本体部50−3の上端部から一定の距離だけ上方の位置に、底部51b−3が形成されている。
【0047】
上記の本発明の実施形態に係るショートアーク型水銀ランプの陰極は、先端面に深く穴が穿たれた有底円筒体を備え、アークが発生する陰極先端部の表面積を広げてアークが太くなるようにした。そのため、照度を高められるとともに、適切な放熱効果を得ることができ、陰極先端部の消耗を抑制することができる。
【0048】
また、上記の実施形態では、先端部に、底を備える凹部で構成される有底円筒部が形成されている。有底円筒部の先端部の先端周縁部からアークを発生させるのは、陰極のテーパー部の先端寄りの周縁部からアークが発生するのを防ぐためでもある。テーパー部の先端寄りの周縁部からのアーク発生は、特にテーパー部の先端が平坦な面を有する場合に起こりやすいからである。本発明の電極先端形状を採用することにより、アークを適度な太さにしてアークが発生しやすくし、照度を向上させることができる。またランプの働程中、電極の損耗が突起部(底が凹部で構成される有底円筒部)に留めさせる効果が期待できる。
【0049】
上記の実施形態では、有底円筒部の先端部に凹部を形成したが、凹部に代えて、有底円筒部の先端部の表面を横断する溝を形成してもよい。そのため、凹部には溝を含む。また、凹部の底面は、上記の実施形態の断面Uの字形状のものだけでなく、角錐の頂部を逆さにした形状なども採用可能である。
【0050】
また、上記の実施形態では、ショートアーク型水銀ランプを例示したが、本発明にはこの他に、陽極と陰極の先端間の距離が数mmないし10数mmである、ショートアーク型キセノンランプ等、水銀ランプ以外のショートアーク型放電ランプも含まれる。
【0051】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係るショートアーク型水銀ランプついて説明したが、本発明はそれらの実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。
【符号の説明】
【0052】
1・・・発光管封体
2,2a・・・陽極
3,3a・・・陰極
5・・・電極芯棒
6・・・外部リード
7・・・封止部
10・・・ショートアーク型水銀ランプ
20・・・アーク
30・・・本体部
31・・・有底円筒体
31h・・・凹部
31s・・・側面
31t・・・上端面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定距離離隔して対向する陰極及び陽極と、
該陰極及び陽極をそれぞれ外部電源に接続するための電極芯棒と、
中央の膨張部と、両端の管形状部とを備える発光管封体であって、前記膨張部の内部に前記陰極及び陽極が配置され、各管形状部に前記電極芯棒が配置された発光管封体とを備え、
前記陰極が、円錐台形状の本体部と、該本体部の先端部に一体的に形成された円筒体とを備え、該円筒体の先端部に凹部が形成されている、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項2】
請求項1のショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記陰極の軸線方向の断面形状が、U字形状又はV字形状である、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項3】
請求項1又は2のショートアーク型放電ランプにおいて、前記凹部は、前記円筒体の先端部の上端面を横断する溝である、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれかのショートアーク型放電ランプにおいて、前記円筒体の先端部の最大外径dに対する前記円筒体の底面の位置の前記陰極の本体部の先端部の最大外径Dの値(D/d)が、以下の関係にある、ショートアーク型放電ランプ。
0.8≦=D/d≦=3.5
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれかのショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極と前記陽極との間に発生するアークは、前記円筒体の上端面と、該円筒体の先端部の周縁と、前記凹部の内面とから発生する、ショートアーク型放電ランプ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−74283(P2012−74283A)
【公開日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−218737(P2010−218737)
【出願日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【出願人】(000000192)岩崎電気株式会社 (533)
【Fターム(参考)】