説明

ショートアーク型放電ランプ

【課題】大きい電力が入力されても、点灯中に陽極における電極ヘッドの上昇を抑制することができ、しかも、当該電極ヘッドの軽量化を図ることができるショートアーク型放電ランプを提供する。
【解決手段】発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極は、前記陰極に対向する、タングステンを主成分とする材料よりなる電子受容部と、この電子受容部の後端に形成された、焼結体よりなる伝熱部とを有する電極ヘッドを備えてなり、前記伝熱部は、前記電子受容部の密度より低い密度を有す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、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されてなるショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置や、種々の映写機においては、光源としてショートアーク型放電ランプが用いられている。このショートアーク型放電ランプは、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されると共に、当該発光管内に、水銀、キセノンガス等の発光物質が封入されて構成されている。
このようなショートアーク型放電ランプにおいて、陽極は、電極芯棒の先端に電極ヘッドが保持されて構成されており、この陽極における電極ヘッドにおいては、点灯時にアーク放電によって加熱されることにより、その温度が3000℃以上に達するため、電極ヘッドを構成する材料としては、融点の高いタングステンを主成分とする材料が用いられている。
【0003】
近年、ショートアーク型放電ランプにおいては、高輝度化が求められており、これに伴ってランプに入力される電力も大きくなっている。そして、大きい電力が入力されるショートアーク型放電ランプにおいては、点灯中に陽極における電極ヘッドが過熱されてその温度が上昇することにより当該電極ヘッドが溶融しやすく、そのため、電極ヘッドとして熱容量の大きいものすなわち体積の大きい大型のものが用いられている。
しかしなから、大型の電極ヘッドは、その質量も大きいため、当該電極ヘッドを保持する電極芯棒が折れたり、或いは電極芯棒を保持する発光管の封止部に破損が生じたりする、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−257363号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極における電極ヘッドの温度上昇を抑制することができ、しかも、当該電極ヘッドの軽量化を図ることができるショートアーク型放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極は、前記陰極に対向する、タングステンを主成分とする材料よりなる電子受容部と、この電子受容部の後端に形成された、焼結体よりなる伝熱部とを有する電極ヘッドを備えてなり、
前記伝熱部は、前記電子受容部の密度より低い密度を有することを特徴とする。
【0007】
本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、前記伝熱部は、前記電子受容部を構成する材料の融点より低い融点を有する材料よりなることが好ましい。
また、前記電子受容部は焼結体よりなり、前記伝熱部を構成する焼結体は、前記電子受容部を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものであることが好ましい。
また、前記電極ヘッドを保持する、タングステンよりなる電極芯棒を有し、当該電極芯棒は、当該電極ヘッドの後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることが好ましい。
また、前記伝熱部を構成する焼結体は、モリブデンを主成分とする材料よりなることが好ましい。
【0008】
また、本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、前記伝熱部は、前記電子受容部に接する第1伝熱部分と、この第1伝熱部分の後端に形成された第2伝熱部分とを有してなり、
前記第2伝熱部分は、前記第1伝熱部分の密度より低い密度を有することが好ましい。 このようなショートアーク型放電ランプにおいては、前記第2伝熱部分を構成する焼結体は、前記第1伝熱部分を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものであることが好ましい。
また、前記第1伝熱部を構成する焼結体は、モリブデンを主成分とする材料よりなり、前記第2伝熱部を構成する焼結体は、炭化ケイ素を主成分とする材料よりなることが好ましい。
【発明の効果】
【0009】
本発明のショートアーク型放電ランプによれば、陽極における電極ヘッドは、陰極に対向する電子受容部の後端に焼結体よりなる伝熱部が形成されてなるものであり、この伝熱部を構成する焼結体は多数の空孔を有することにより熱放射性が高いものであるため、点灯中において、アーク放電によって陽極における電極ヘッドの電子受容部が加熱されても、当該電子受容部に生じた熱は、伝熱部に伝達された後に当該伝熱部において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極における電極ヘッドの温度の上昇を抑制することができる。しかも、伝熱部は電子受容部よりも低い密度を有するものであるため、陽極における電極ヘッド全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極における電極芯棒が折れたり、或いは当該電極芯棒を保持する発光管の封止部に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。
【図3】図2に示す陽極の製造工程を示す説明図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。
【図5】陽極の変形例における構成を示す説明用断面図である。
【図6】陽極の他の変形例における構成を示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
このショートアーク型放電ランプの発光管10は、例えば石英ガラスよりなるものであって、内部に放電空間Sを形成する外形が略球状の発光部11と、この発光部11の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部12および他方の封止部13とを有する。
【0012】
この発光管10における発光部11内には、例えばタングステンよりなる電極芯棒25の先端部に電極ヘッド21が保持されてなる陽極20と、例えばトリエーテッドタングステンよりなる電極芯棒35の先端部に例えばトリエーテッドタングステンよりなる電極ヘッド31が保持されてなる陰極30とが互いに対向するよう配置されている。陽極20における電極芯棒25は、その基端部分が一方の封止部12に埋設されることによって当該一方の封止部12に支持されている。また、陰極30における電極芯棒35は、その基端部分が他方の封止部13に埋設されることによって当該他方の封止部13に支持されている。
また、発光管10の発光部11内には、例えば、水銀、キセノンガス等の希ガスなどの発光物質が封入されている。
【0013】
発光管10における一方の封止部12および他方の封止部13の各々の内部には、モリブデンよりなる金属箔14,15が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一方の封止部12に埋設された金属箔14の一端には、陽極20における電極芯棒25の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔14の他端には、一方の封止部12の外端から外方に突出する外部リード16が溶接されて電気的に接続されている。また、他方の封止部13に埋設された金属箔15の一端には、陰極30における電極芯棒35の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔15の他端には、他方の封止部13の外端から外方に突出する外部リード17が溶接されて電気的に接続されている。 また、この例のショートアーク型放電ランプには、一方の封止部12および他方の封止部13の各々の端部に、口金18,19が設けられている。
【0014】
陽極20における電極ヘッド21は、図2に示すように、陰極30に接近して対向する、当該陰極30から放出される電子を受容する電子受容部22と、この電子受容部22の後端に形成された伝熱部23とにより構成され、電極芯棒25は、電極ヘッド21の後端から先端すなわち伝熱部23の後端から電子受容部22の先端に貫通して伸びるよう設けられている。
電極ヘッド21において、電子受容部22は、タングステンを主成分とする材料、具体的にはタングステンの含有率が95質量%以上の焼結体により構成されている。
また、伝熱部23は、電子受容部22の密度より低い密度を有する焼結体により構成されている。具体的には、電子受容部22の密度に対する伝熱部23の密度の比が3〜100%であることが好ましい。
【0015】
電子受容部22の密度より低い密度を有する伝熱部23を形成するために、伝熱部23を構成する材料として、電子受容部22を構成する材料すなわちタングステン(密度:19.25g/cm3 )を主成分とする材料よりも密度が低い材料を用いることができる。また、伝熱部23は、当該ショートアーク型放電ランプの点灯時における温度が、電子受容部22の温度に比べて低いため、伝熱部23を構成する材料としては、電子受容部22を構成する材料すなわちタングステン(融点:3422℃)を主成分とする材料よりも低い融点、具体的には、100〜2000℃低い融点を有するものを用いることができる。このような伝熱部23を構成する材料の具体例としては、モリブデン(密度:10.28g/cm3 ,融点:2623℃)、タンタル(密度:16.65g/cm3 ,融点:3017℃)、ニオブ(密度:8.57g/cm3 ,融点:2477℃)、カーボン(密度:2.26g/cm3 ,融点: 3727℃)などを主成分とする材料が挙げられる。これらの中では、モリブデンを主成分とする材料、具体的にはモリブデンの含有率が50質量%以上の材料を用いることが好ましい。
【0016】
また、電子受容部22の密度より低い密度を有する伝熱部23を形成するために、伝熱部23を構成する焼結体として、電子受容部22を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもできる。
具体的には、電子受容部22を構成する焼結体の空孔率は3%未満であることが好ましく、伝熱部23を構成する焼結体の空孔率は5〜60%であることが好ましい。
ここで、空孔率は、JIS R 2205に規定されている見掛気孔率を意味し、具体的には、見掛気孔率=100×(W3−W1)/(W3−W2)〔ここで、W1は試料の乾燥重量、W2は飽水試料の水中重量、W3は飽水試料の空中重量である。〕により求められるものである。
電子受容部22を構成する焼結体の空孔率が過大である場合には、アーク放電により高温に加熱されることによって電子受容部22の先端付近が変形してしまうという不具合が生じるおそれがある。
また、伝熱部23を構成する焼結体の空孔率が過小である場合には、伝熱部23の質量が大きくなるとともに、表面積が小さくなるので、熱の輻射放出や対流伝達が低くなり、熱の除去が不十分となるおそれがある。一方、伝熱部23を構成する焼結体の空孔率が過大である場合には、伝熱部23の強度が低くなるため、振動によって伝熱部23の表面が小さな破片状に欠け落ちたり、あるいは大きく欠損するという不具合が生じるおそれがある。
【0017】
このような陽極20は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、図3(a)に示すように、形成すべき陽極20の形状に対応する成型用凹所41を有する陽極製造用型40を用意し、この陽極製造用型40の成型用凹所41内に電極芯棒25を挿入する。次いで、陽極製造用型40の成型用凹所41内に、電子受容部22を構成する材料例えばタングステンよりなる粉末およびバインダーを含有してなる電子受容部形成用材料を投入して堆積させ、更に、伝熱部23を構成する材料例えばモリブデンよりなる粉末およびバインダーを含有してなる伝熱部形成用材料を投入して堆積させた後、図3(b)に示すように、プレス部材45によって加圧することにより、電子受容部形成用材料層22A上に伝熱部形成用材料層23Aが積層されてなる圧粉成型体21Aが形成される。ここで、電子受容部形成用材料および伝熱部形成用材料に含有されるバインダーとしては、ステアリン酸、ポリビニルアルコールなどを用いることができる。
そして、圧粉成型体21Aを焼成処理した後、必要に応じて、得られる焼結体の表面に粗化処理を施すことにより、図2に示す陽極20が得られる。
【0018】
上記のショートアーク型放電ランプの各部の寸法の一例を挙げると、
発光管10は、発光部11の軸方向の長さが225mm、発光部11の最大内径が175mmで、発光部11の内容積が2800cm3 であり、陽極20は、電極ヘッド21の全長が65mm、電極ヘッド21の胴径が35mm、先端径が18mm、後端径が18mm、電子受容部22の軸方向の長さが5mm、伝熱部23の軸方向の長さが60mm、電極芯棒25の径が10mmであり、陰極30は、陰極ヘッド31の全長が60mm、胴径が20mm、電極芯棒35の径が8mm、陽極20と陰極30との電極間距離が7.5mmである。
【0019】
このようなショートアーク型放電ランプによれば、陽極20における電極ヘッド21は、陰極30に対向する電子受容部22の後端に焼結体よりなる伝熱部23が形成されてなるものであり、この伝熱部23を構成する焼結体は多数の空孔を有することにより熱放射性が高いものであるため、点灯中において、アーク放電によって陽極20における電極ヘッド21の電子受容部22が加熱されても、当該電子受容部22に生じた熱は、伝熱部23に伝達された後に当該伝熱部23において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極20における電極ヘッド21の温度の上昇を抑制することができる。しかも、伝熱部23は電子受容部22よりも低い密度を有するものであるため、陽極20における電極ヘッド21全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極20における電極芯棒25が折れたり、或いは当該電極芯棒25を保持する発光管10の一方の封止部12に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。
また、電極芯棒25は、電極ヘッド21の後端から先端貫通して伸びるよう設けられていることにより、電子受容部22に生じた熱が電極芯棒25を介して伝熱部23の後端にまで伝達されるため、当該伝熱部23において効率よく放熱することができる。
【0020】
[第2の実施の形態]
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプにおける陽極の構成を示す説明用断面図である。このショートアーク型放電ランプは、陽極20以外は第1の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプと同様の構成を有するものである。
陽極20は、例えばタングステンよりなる電極芯棒25の先端部に電極ヘッド21が保持されてなり、電極ヘッド21は、陰極に接近して対向する、当該陰極から放出される電子を受容する電子受容部22と、この電子受容部22の後端に形成された伝熱部23とにより構成され、電極芯棒25は、電極ヘッド21の後端から先端すなわち伝熱部23の後端から電子受容部22の先端に貫通して伸びるよう配置されている。伝熱部23は、電子受容部22に接する第1伝熱部分23aと、この第1伝熱部分23aの後端に形成された第2伝熱部分23bとにより構成されている。
電極ヘッド21において、電子受容部22は、タングステンを主成分とする材料、具体的にはタングステンの含有率が95質量%以上の焼結体により構成されている。
また、伝熱部23における第1伝熱部分23aおよび第2伝熱部分23bは、いずれも電子受容部22の密度より低い密度を有する焼結体により構成されており、当該第2伝熱部分23bは、当該第1伝熱部分23aの密度より低い密度を有するものとされる。具体的には、電子受容部22の密度に対する第1伝熱部分23aの密度の比が3〜100%であることが好ましく、第2伝熱部分23bの密度に対する第1伝熱部分23aの密度の比が5〜60%であることが好ましい。
【0021】
電子受容部22の密度より低い密度を有する第1伝熱部分23aを形成するために、第1伝熱部分23aを構成する材料として、電子受容部22を構成する材料すなわちタングステンを主成分とする材料よりも密度が低い材料を用いることができる。また、伝熱部23は、当該ショートアーク型放電ランプの点灯時における温度が、電子受容部22の温度が低いため、伝熱部23を構成する材料としては、電子受容部22を構成する材料すなわちタングステンを主成分とする材料よりも低い融点、具体的には、100〜2000℃低い融点を有するものを用いることができる。このような伝熱部23を構成する材料の具体例としては、モリブデン、タンタル、ニオブ、カーボンなどを主成分とする材料が挙げられる。これらの中では、モリブデンを主成分とする材料、具体的にはモリブデンの含有率が50質量%以上の材料を用いることが好ましい。
【0022】
また、第1伝熱部分23aの密度より低い密度を有する第2伝熱部分23bを形成するために、第2伝熱部分23bを構成する材料として、第1伝熱部分23aを構成する材料よりも密度が低い材料を用いることができる。このような第2伝熱部分23bを構成する材料の具体例としては、炭化ケイ素(密度:3.2g/cm3 ,融点:2700℃)が挙げられる。
【0023】
また、電子受容部22の密度より低い密度を有する第1伝熱部分23を形成するために、第1伝熱部分23aを構成する焼結体として、電子受容部22を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもでき、第1伝熱部分23aの密度より低い密度を有する第2伝熱部分23bを形成するために、第2伝熱部分23bを構成する焼結体として、第1伝熱部分23aを構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることもできる。
具体的には、電子受容部22を構成する焼結体の空孔率は3%未満であることが好ましく、第1伝熱部分23aを構成する焼結体の空孔率は5〜40%であることが好ましく、第2伝熱部分23bを構成する焼結体の空孔率は5〜60%であることが好ましい。
【0024】
上記のショートアーク型放電ランプにおける陽極20の寸法の一例を挙げると、電極ヘッド21の全長が65mm、電極ヘッド21の胴径が35mm、先端径が18mm、後端径が18mm、電子受容部22の軸方向の長さが5mm、伝熱部23の軸方向の長さが60mm、電極芯棒25の径が10mmである。
【0025】
このようなショートアーク型放電ランプによれば、陽極20における電極ヘッド21は、陰極30に対向する電子受容部22の後端に焼結体よりなる伝熱部23が形成されてなるものであり、この伝熱部23を構成する焼結体は多数の空孔を有することにより熱放射性が高いものであるため、点灯中において、アーク放電によって陽極20における電極ヘッド21の電子受容部22が加熱されても、当該電子受容部22に生じた熱は、伝熱部23に伝達された後に当該伝熱部23において放熱されるため、大きい電力が入力されても、点灯中に陽極20における電極ヘッド21の温度の上昇を抑制することができる。しかも、伝熱部23は電子受容部22よりも低い密度を有するものであるため、陽極20における電極ヘッド21全体の軽量化を図ることができ、従って、陽極20における電極芯棒25が折れたり、或いは当該電極芯棒25を保持する発光管10の一方の封止部12に破損が生じたりすることを防止または抑制することができる。
また、伝熱部23は、電子受容部22に接する第1伝熱部分23aの後端に第2伝熱部分23bが形成されてなるものであり、当該第2伝熱部分23bが第1伝熱部分23aの密度より低い密度を有するものであるため、陽極20における電極ヘッド21全体を一層軽量化することができる。
また、第2伝熱部分23bを構成する焼結体として、第1伝熱部分23aを構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものを用いることにより、当該第2伝熱部分23bにおいて効率よく放熱されるので、点灯中に陽極20における電極ヘッド21の温度の上昇を一層抑制することができる。
また、電極芯棒25は、電極ヘッド21の後端から先端貫通して伸びるよう設けられていることにより、電子受容部22に生じた熱が電極芯棒25を介して伝熱部23の後端にまで伝達されるため、当該伝熱部23において一層効率よく放熱される。
【0026】
以上、本発明のショートアーク型放電ランプの実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば陽極20における電極芯棒25の周面に凹凸を形成することができる。このような構成によれば、電極芯棒25による電極ヘッド21の保持力が向上するため、電極ヘッド21が電極芯棒25から脱落することを防止することができる。
また、電極芯棒25は、電極ヘッド21の後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることは必須ではなく、図5に示すように、電極ヘッド21の伝熱部23における後端部分のみに進入した状態で設けられていてもよい。
また、図6に示すように、陽極20における伝熱部23は、柱状の第1伝熱部分23aと、この第1伝熱部分23aの周面に形成された筒状の第2伝熱部分23bとよりなり、第1伝熱部分23aは、第2伝熱部分23bの密度より大きい密度を有するものであってもよい。
【符号の説明】
【0027】
10 発光管
11 発光部
12 一方の封止部
13 他方の封止部
14,15 金属箔
16,17 外部リード
18,19 口金
20 陽極
21 電極ヘッド
21A 圧粉成型体
22 電子受容部
22A 電子受容部形成用材料層
23 伝熱部
23A 伝熱部形成用材料層
23a 第1伝熱部分
23b 第2伝熱部分
25 電極芯棒
30 陰極
31 電極ヘッド
35 電極芯棒
40 陽極製造用型
41 成型用凹所
45 プレス部材
S 放電空間

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極は、前記陰極に対向する、タングステンを主成分とする材料よりなる電子受容部と、この電子受容部の後端に形成された、焼結体よりなる伝熱部とを有する電極ヘッドを備えてなり、
前記伝熱部は、前記電子受容部の密度より低い密度を有す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】
前記伝熱部は、前記電子受容部を構成する材料の融点より低い融点を有する材料よりな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。
【請求項3】
前記電子受容部は焼結体よりなり、前記伝熱部を構成する焼結体は、前記電子受容部を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項4】
前記電極ヘッドを保持する、タングステンよりなる電極芯棒を有し、当該電極芯棒は、当該電極ヘッドの後端から先端に貫通して伸びるよう設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項5】
前記伝熱部を構成する焼結体は、モリブデンを主成分とする材料よりなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項6】
前記伝熱部は、前記電子受容部に接する第1伝熱部分と、この第1伝熱部分の後端に形成された第2伝熱部分とを有してなり、
前記第2伝熱部分は、前記第1伝熱部分の密度より低い密度を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項7】
前記第2伝熱部分を構成する焼結体は、前記第1伝熱部分を構成する焼結体の空孔率より高い空孔率を有するものであることを特徴とする請求項6に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項8】
前記第1伝熱部を構成する焼結体は、モリブデンを主成分とする材料よりなり、前記第2伝熱部を構成する焼結体は、炭化ケイ素を主成分とする材料よりなることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の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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【公開番号】特開2013−4397(P2013−4397A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−136111(P2011−136111)
【出願日】平成23年6月20日(2011.6.20)
【出願人】(000102212)ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Fターム(参考)】