高圧水銀ランプ
【課題】 高圧水銀ランプの発光管内面に温度が上昇しづらい箇所の熱伝達を改善し、点灯後に速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行する高圧水銀ランプを提供すること。
【解決手段】 発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が溶接された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、
前記集電板は、ガラス部材側端面に突起を設けたことを特徴とする高圧水銀ランプ。
【解決手段】 発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が溶接された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、
前記集電板は、ガラス部材側端面に突起を設けたことを特徴とする高圧水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用するショートアーク型高圧水銀ランプに関するものであり、特に大電流用に適した封止構造を有する高圧水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧水銀ランプは、一般にこれより放射される紫外線を利用する分野、すなわち光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野、その他の分野で広く用いられている。
【０００３】
上記技術分野で使用される高圧水銀ランプは、発光の主成分である水銀の封入量が多いために点灯時の発光管内部のガス圧が非常に高く、しかも発熱量が大きい。そのため、特に気密封止管部分の耐熱性、耐圧性が大きいことが必要とされてきた。このようなことから、高圧水銀ランプにおいては金属箔を用いた、いわゆる箔シール構造が採用されている。
【０００４】
箔シール構造に関する技術として、例えば実開平６−６０９６０号公報、および、特開平１０−２８４００１号公報に記載されたものがある。これらに係る高圧水銀ランプを、図面を用いて説明する。図５は高圧水銀ランプの概略断面図、図６は図５に示す封止管部１１ａの拡大断面図である。発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接され、発光管１内で一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。この電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、封止管部１１ａの内部に配置された芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。円板状の第一の集電板５ａは、円柱状のガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接されている。さらに、ガラス部材７ａは、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに当接して配置され、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに嵌挿されている。そして、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。
【０００５】
電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には軸方向に沿って伸びる金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａは、その外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面において第一の集電板５ａの側面５３ａに溶接されている。また、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが接続されている。なお、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。
【０００６】
ところで、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。そのためには、高圧水銀ランプの発光管内部に封入された水銀が、完全に蒸発して熱平衡に至り、速やかに定常状態に移行することが望まれる。しかし、ランプ発光管内面に温度が上昇しづらい箇所が存在すると、そこに液体状態の水銀が溜まって蒸発しないため、定常状態に至るまでの時間が長くなる。特に、保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａは、放電空間からの輻射熱が電極２によって遮られて届かず、発光管内に封入された気体からの対流熱伝達も発光管中心部に比べて小さく、さらに保持用筒体４ａ、４ｂの熱容量が大きいため、主に芯棒３ａ、３ｂと第一の集電板５ａ、５ｂからの熱伝導によってのみ加熱されるので、温度上昇が遅い。また、電極２ａが上方、保持用筒体４ａが下方、もしくは電極２ｂが上方、保持用筒体４ｂが下方になるように配置してランプを使用した場合、ランプ点灯直後では保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは他方の発光管側端面４１ｂに液体水銀が溜まっている。このような場合は、保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは４１ｂの温度上昇が遅く、そこに溜まった多量の液体水銀の蒸発が遅れることにより、定常点灯への移行に時間がかかってしまうという問題がある。
【特許文献１】実開平６−６０９６０
【特許文献２】特開平１０−２８４００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。このため、光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。
【０００８】
そこで本発明は、高圧水銀ランプの封止管部構造における上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、定常点灯への移行が早い高圧水銀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】
【０００９】
発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が溶接された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、前記集電板は、ガラス部材側端面に突起を設けたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、請求項２に係る発明は、前記突起は集電板とは別部材で設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る高圧水銀ランプによれば、ガラス部材への熱伝達を低く抑えられるので、保持用筒体の発光管側端面部域への熱伝達を高めることができる。これより、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、熱平衡に至るまでの時間が短く、速やかに定常状態に移行する、立ち上がりの早い高圧水銀ランプを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の高圧水銀ランプの実施形態の構成を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の高圧水銀ランプの概略断面図、図２は図１に示す封止管部１１ａの拡大断面図、図３は図１に示す第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。
【００１３】
高圧水銀ランプは、内部に発光空間を有する略球状の発光管１と、発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接されて構成される。発光管１内には一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。封止管部１１ａ内は、芯棒３ａ、保持用筒体４ａ、第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、ガラス部材７ａ、第二の集電板８ａ、外部リード棒９ａを備えて構成される。発光管１内の電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、例えばタングステンからなり、芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。保持用筒体４ａに隣接して配置された円板状の第一の集電板５ａは、例えばモリブデンからなり、円柱状のガラス部材７ａの発光管側端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接され、保持用筒体４ａとガラス部材７ａに挟まれることにより封止管部１１ａ内に固定されている。ガラス部材７ａは、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに当接して配置され、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに挿入されている。また、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。
【００１４】
電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には軸方向に沿って伸びる金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面においては金属箔６ａの先端を第一の集電板５ａの側面５３ａに溶接されている。このように金属箔６ａを介して第一の集電板５ａと第二の集電板８ａは導通したものになっている。さらに、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において隣接して配置された第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが電気的に接続されている。また、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。
【００１５】
図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る集電板５ａは、集電板５の中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａの中心に円柱形の掘り込み５１１が形成され、これにより集電板５ａの外輪に突起部５５ａが形成され、突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１６】
続いて図３（ｂ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａに十字状に溝５２１が形成され、これにより第一の集電板５ａの外端に突起部５５ａが形成され、突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。この第一の集電板５ａに設けられた溝５２１は、ガラス部材側端面５２ａに第一の集電板５ａの中心部から放射状に１本以上いくつ設けられてもよく、また、それぞれの突起部５５ａが互いに平行となるように形成されてもよい。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１７】
続いて図３（ｃ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａの外端部５３１が除去されることにより、十字状に凸部を形成して突起部５５ａが設けられ、この突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。この第一の集電板５ａに設けられた凸部５３２は、ガラス部材側端面５２ａに第一の集電板５ａの中心部から放射状に１本以上いくつ設けられてもよく、また、それぞれの突起部５５ａが互いに平行となるように形成されてもよい。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けたられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１８】
続いて図３（ｄ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａに複数（ここでは４個）の突起５４１を形成し、この突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けたられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１９】
続いて図４は、本発明の別の実施形態であり、高圧水銀ランプにおける封止管部１１ａの構造を示す断面図である。同図のように、例えばタングステンからなる、ドーナツ状の円盤である金属部材５５１を、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに隣接して配置し、さらにガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置する。金属部材５５１の内孔径は芯棒３ａの外径より大きくし、金属部材５５１の外径はガラス部材７ａの外径と同一もしくはそれより小さく構成して、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じるようにする。このようにして第一の集電板５ａの突起部５５ａを別部材である金属部材５５１で設けられてもよい。第一の集電板５ａが金属部材５５１を介してガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００２０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記構成に限定されることなく適宜変更可能である。例えば、本発明の集電板の構成は、必ずしも封止管部１１ａおよび封止管部１１ｂの両方に設ける必要はなく、どちらか一方のみに形成してもよい。ガラス部材７ａの発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａを形成せず、芯棒３ａがガラス部材３ａに嵌挿されない構成としてもよい。ガラス部材７ａのテーパ部を設けず、発光管側端面からリード棒側端面に亘って同一径の円柱形状としてもよい。金属箔６ａと第一の集電板５ａとの接続は、第一の集電板５ａの発光管側端面において、金属箔６ａの先端を折り曲げて第一の集電板５ａの突合せ面５４ａに溶接されてもよい。なお、図面は各構成部材の関係をわかりやすく説明するために記載しているものであり、金属箔６ａの厚み、第一の集電板５ａ、第二の集電板８ａの厚み、各構成部材間の隙間の大きさなどはやや誇張して記載しているものである。
【００２１】
次に、従来の第一の集電板の構成をもつ高圧水銀ランプと本発明の第一の集電板の構成をもつ高圧水銀ランプについて、保持用筒体（４ａ）の発光管側端面（４１ａ）における温度の時間変化を検証した。本発明に係る高圧水銀ランプを二つ用い、それぞれをランプＡ、ランプＢとした。ランプＡは図１および図２に係るランプであり、その第一の集電板の構成は図３（ａ）にあるようにガラス部材側端面の中心に円柱形の掘り込みが形成されたものである。また、ランプＢは図４に係るランプであり、第一の集電板の突起部が別部材で設けられたものである。
【００２２】
実験例に使用した本発明に係る高圧水銀ランプモデルを下記条件で作成し、ランプＡとした。封入水銀量３０ｍｇ／ｃｃ。発光管は石英ガラス製、全長１００〜１６０ｍｍ、最大径部外形φ８０〜１２０ｍｍ。陽極はタングステン製、径φ２５〜３０ｍｍ、全長４０〜６０ｍｍ。陰極はタングステン製、径φ１５〜２０ｍｍ、全長３０〜４０ｍｍ。芯棒はタングステン製、外径φ８．０ｍｍ、全長７０〜１００ｍｍ。保持用筒体は石英ガラス製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、内径φ８．３ｍｍ、全長２０ｍｍ。第一の集電板はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３ｍｍ、ガラス部材側端面の中心に、深さ１．０ｍｍ、直径φ１１．３〜２７．０ｍｍの軸方向の掘り込みを形成している。ガラス部材の材質は石英ガラス、最大径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長５０ｍｍ。金属箔はモリブデン製、５枚、厚さ３０μｍ。ただし、両封止部側においてその構成要素は同形状とする。
【００２３】
また、ランプＢは下記条件とした。第一の集電板はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３．０ｍｍ。金属部材（５５１）はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、内孔径φ７．３〜１３．０ｍｍ、全長３．０ｍｍ。その他の構成要素は上記ランプＡと同形状とする。
【００２４】
比較のため、芯棒構成において、本発明の構成を有さない、ディスク状の第一の集電板、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３．０ｍｍであることを除いて、上記ランプＡと同様の構成の、従来技術に係るランプＣを作成した。
【００２５】
ランプ定格消費電力４ｋＷ、８ｋＷ、１２ｋＷとしたときの、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度の時間変化を測定した。高圧水銀ランプの発光管内に封入されている水銀が全て蒸発する温度である５２０℃に達するまでの時間を温度上昇時間として計測した。表１に本発明の高圧水銀ランプであるランプＡおよびランプＢ並びに従来技術の高圧水銀ランプであるランプＣの温度上昇時間の計測結果を示す。
【００２６】
発光管内に封入されている水銀が５２０℃まで上昇するのに要する時間［sec］
【００２７】
【表１】
【００２８】
従来型ランプであるランプＣと比較して、第一の集電板のガラス部材側端面の中心に円柱形の掘り込みが形成されたランプＡでは、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度上昇時間が１０〜１５％早くなりなり、従来技術の高圧水銀ランプより速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行させることができた。第一の集電板の突起部を別部材で設けられたランプＢでは、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度上昇時間が３〜５％早くなり、従来技術の高圧水銀ランプより速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行させることができた。これにより本発明の高圧水銀ランプの第一の集電板の構成をもつランプＡおよびランプＢでは、高圧水銀ランプの立ち上がり時間が短縮した。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。
【図２】本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【図３】本発明の高圧水銀ランプの集電板の構成例を示す斜視図を表す。
【図４】本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【図５】従来の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。
【図６】従来の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【符号の説明】
【００３０】
１ 発光管
２ａ、２ｂ 電極
３ａ、３ｂ 芯棒
４ａ、４ｂ 保持用筒体
５ａ、５ｂ 第一の集電板
６ａ、６ｂ 金属箔
７ａ、７ｂ ガラス部材
８ａ、８ｂ 第二の集電板
９ａ、９ｂ 外部リード棒
１１ａ、１１ｂ 封止管部
４１ａ 発光管側端面
４２ａ 発光管外表面
５１ａ 貫通穴
５２ａ ガラス部材側端面
５３ａ 側面
５４ａ 突合せ面
５５ａ 突起部
５６ａ 当接部
５７ａ 空隙
７１ａ、７１ｂ 第一の嵌挿孔
７２ａ、７２ｂ 第二の嵌挿孔
７３ａ テーパ部
５１１ 掘り込み
５２１ 溝
５３１ 外端部
５４１ 突起
５５１ 金属部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用するショートアーク型高圧水銀ランプに関するものであり、特に大電流用に適した封止構造を有する高圧水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧水銀ランプは、一般にこれより放射される紫外線を利用する分野、すなわち光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野、その他の分野で広く用いられている。
【０００３】
上記技術分野で使用される高圧水銀ランプは、発光の主成分である水銀の封入量が多いために点灯時の発光管内部のガス圧が非常に高く、しかも発熱量が大きい。そのため、特に気密封止管部分の耐熱性、耐圧性が大きいことが必要とされてきた。このようなことから、高圧水銀ランプにおいては金属箔を用いた、いわゆる箔シール構造が採用されている。
【０００４】
箔シール構造に関する技術として、例えば実開平６−６０９６０号公報、および、特開平１０−２８４００１号公報に記載されたものがある。これらに係る高圧水銀ランプを、図面を用いて説明する。図５は高圧水銀ランプの概略断面図、図６は図５に示す封止管部１１ａの拡大断面図である。発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接され、発光管１内で一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。この電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、封止管部１１ａの内部に配置された芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。円板状の第一の集電板５ａは、円柱状のガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接されている。さらに、ガラス部材７ａは、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに当接して配置され、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに嵌挿されている。そして、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。
【０００５】
電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には軸方向に沿って伸びる金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａは、その外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面において第一の集電板５ａの側面５３ａに溶接されている。また、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが接続されている。なお、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。
【０００６】
ところで、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。そのためには、高圧水銀ランプの発光管内部に封入された水銀が、完全に蒸発して熱平衡に至り、速やかに定常状態に移行することが望まれる。しかし、ランプ発光管内面に温度が上昇しづらい箇所が存在すると、そこに液体状態の水銀が溜まって蒸発しないため、定常状態に至るまでの時間が長くなる。特に、保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａは、放電空間からの輻射熱が電極２によって遮られて届かず、発光管内に封入された気体からの対流熱伝達も発光管中心部に比べて小さく、さらに保持用筒体４ａ、４ｂの熱容量が大きいため、主に芯棒３ａ、３ｂと第一の集電板５ａ、５ｂからの熱伝導によってのみ加熱されるので、温度上昇が遅い。また、電極２ａが上方、保持用筒体４ａが下方、もしくは電極２ｂが上方、保持用筒体４ｂが下方になるように配置してランプを使用した場合、ランプ点灯直後では保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは他方の発光管側端面４１ｂに液体水銀が溜まっている。このような場合は、保持用筒体の発光管側端面４１ａもしくは４１ｂの温度上昇が遅く、そこに溜まった多量の液体水銀の蒸発が遅れることにより、定常点灯への移行に時間がかかってしまうという問題がある。
【特許文献１】実開平６−６０９６０
【特許文献２】特開平１０−２８４００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用される装置においては、処理能力の向上が求められ、装置全体の速やかな起動が要求されている。このため、光源である高圧水銀ランプにおいては、点灯始動時における定常点灯への早期移行が要求される。
【０００８】
そこで本発明は、高圧水銀ランプの封止管部構造における上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、定常点灯への移行が早い高圧水銀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】
【０００９】
発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が溶接された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、前記集電板は、ガラス部材側端面に突起を設けたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、請求項２に係る発明は、前記突起は集電板とは別部材で設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る高圧水銀ランプによれば、ガラス部材への熱伝達を低く抑えられるので、保持用筒体の発光管側端面部域への熱伝達を高めることができる。これより、発光管内部に封入された水銀の蒸発が円滑に行われて、熱平衡に至るまでの時間が短く、速やかに定常状態に移行する、立ち上がりの早い高圧水銀ランプを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の高圧水銀ランプの実施形態の構成を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の高圧水銀ランプの概略断面図、図２は図１に示す封止管部１１ａの拡大断面図、図３は図１に示す第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。
【００１３】
高圧水銀ランプは、内部に発光空間を有する略球状の発光管１と、発光管１の両端部に封止管部１１ａ、１１ｂが連接されて構成される。発光管１内には一対の電極２ａ、２ｂが対向配置される。封止管部１１ａ内は、芯棒３ａ、保持用筒体４ａ、第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、ガラス部材７ａ、第二の集電板８ａ、外部リード棒９ａを備えて構成される。発光管１内の電極２ａをその先端に有する芯棒３ａは、例えばタングステンからなり、芯棒固定用の石英ガラス管である保持用筒体４ａに支持される。保持用筒体４ａに隣接して配置された円板状の第一の集電板５ａは、例えばモリブデンからなり、円柱状のガラス部材７ａの発光管側端面に沿って配置され、端面の中央部に貫通穴５１ａを有し、芯棒３ａを挿入して、芯棒３ａと溶接され、保持用筒体４ａとガラス部材７ａに挟まれることにより封止管部１１ａ内に固定されている。ガラス部材７ａは、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに当接して配置され、発光管側端部の周囲にテーパ部７３ａが形成され、発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａが軸方向に形成され、外部リード棒側端面の中心に第二の嵌挿孔７２ａが軸方向に形成されている。芯棒３ａは後端をガラス部材７ａの第一の嵌挿孔７１ａに挿入されている。また、外部リード棒９ａはその先端をガラス部材７ａの第二の嵌挿孔７２ａに嵌挿されている。
【００１４】
電極２ａは芯棒３ａから第一の集電板５ａ、金属箔６ａ、第二の集電板８ａを通り、外部リード棒９ａに電気的に接続される。電極２ａに続く芯棒３ａは第一の集電板５ａと電気的に溶接されている。ガラス部材７ａの外周面には軸方向に沿って伸びる金属箔６ａが配置されている。金属箔６ａはその外部リード棒側端面において第二の集電板８ａに溶接され、発光管側端面においては金属箔６ａの先端を第一の集電板５ａの側面５３ａに溶接されている。このように金属箔６ａを介して第一の集電板５ａと第二の集電板８ａは導通したものになっている。さらに、ガラス部材７ａはその外部リード棒側端面において隣接して配置された第二の集電板８ａと外部リード棒９ａとが電気的に接続されている。また、対向配置された電極２ｂの封止管部１１ｂは同様の構造なので、説明を省略した。
【００１５】
図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る集電板５ａは、集電板５の中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａの中心に円柱形の掘り込み５１１が形成され、これにより集電板５ａの外輪に突起部５５ａが形成され、突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１６】
続いて図３（ｂ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａに十字状に溝５２１が形成され、これにより第一の集電板５ａの外端に突起部５５ａが形成され、突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。この第一の集電板５ａに設けられた溝５２１は、ガラス部材側端面５２ａに第一の集電板５ａの中心部から放射状に１本以上いくつ設けられてもよく、また、それぞれの突起部５５ａが互いに平行となるように形成されてもよい。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１７】
続いて図３（ｃ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａの外端部５３１が除去されることにより、十字状に凸部を形成して突起部５５ａが設けられ、この突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。この第一の集電板５ａに設けられた凸部５３２は、ガラス部材側端面５２ａに第一の集電板５ａの中心部から放射状に１本以上いくつ設けられてもよく、また、それぞれの突起部５５ａが互いに平行となるように形成されてもよい。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けたられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１８】
続いて図３（ｄ）は、本発明の別の実施形態であり、第一の集電板５ａの構成例を示す斜視図である。同図に示す第一の集電板５ａは、第一の集電板５ａの中心に貫通穴５１ａが設けられ、ガラス部材側端面５２ａに複数（ここでは４個）の突起５４１を形成し、この突起部５５ａのみがガラス部材７ａに接するように当接部５６ａが設けられたものである。このように第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに突起部５５ａが設けたられたことによって、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じ、第一の集電板５ａがガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００１９】
続いて図４は、本発明の別の実施形態であり、高圧水銀ランプにおける封止管部１１ａの構造を示す断面図である。同図のように、例えばタングステンからなる、ドーナツ状の円盤である金属部材５５１を、第一の集電板５ａのガラス部材側端面５２ａに隣接して配置し、さらにガラス部材７ａの発光管側前端面に沿って配置する。金属部材５５１の内孔径は芯棒３ａの外径より大きくし、金属部材５５１の外径はガラス部材７ａの外径と同一もしくはそれより小さく構成して、第一の集電板５ａとガラス部材７ａとの間に空隙５７ａが生じるようにする。このようにして第一の集電板５ａの突起部５５ａを別部材である金属部材５５１で設けられてもよい。第一の集電板５ａが金属部材５５１を介してガラス部材７ａと接触する当接部５６ａの面積が小さくなり、第一の集電板５ａからガラス部材７ａへ伝わる熱量が減少し、保持用筒体４ａへ伝わる熱量が増加するようになる。その結果、保持用筒体４ａの温度を従来よりも早く上昇させることができるようになり、発光管１内部の温まりにくい部分とされていた保持用筒体４ａの発光管側端面４１ａにおいても、速やかに温度が上昇し、水銀の蒸発を促進して、熱的平衡状態に早期に移行し、高圧水銀ランプが定常状態に至るまでの時間を短縮することができる。また、封止管部１１ｂ側において本発明の集電板の構成を採用しても封止管部１１ａ側と同様の効果があることは言うまでもない。
【００２０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記構成に限定されることなく適宜変更可能である。例えば、本発明の集電板の構成は、必ずしも封止管部１１ａおよび封止管部１１ｂの両方に設ける必要はなく、どちらか一方のみに形成してもよい。ガラス部材７ａの発光管側端面の中心に第一の嵌挿孔７１ａを形成せず、芯棒３ａがガラス部材３ａに嵌挿されない構成としてもよい。ガラス部材７ａのテーパ部を設けず、発光管側端面からリード棒側端面に亘って同一径の円柱形状としてもよい。金属箔６ａと第一の集電板５ａとの接続は、第一の集電板５ａの発光管側端面において、金属箔６ａの先端を折り曲げて第一の集電板５ａの突合せ面５４ａに溶接されてもよい。なお、図面は各構成部材の関係をわかりやすく説明するために記載しているものであり、金属箔６ａの厚み、第一の集電板５ａ、第二の集電板８ａの厚み、各構成部材間の隙間の大きさなどはやや誇張して記載しているものである。
【００２１】
次に、従来の第一の集電板の構成をもつ高圧水銀ランプと本発明の第一の集電板の構成をもつ高圧水銀ランプについて、保持用筒体（４ａ）の発光管側端面（４１ａ）における温度の時間変化を検証した。本発明に係る高圧水銀ランプを二つ用い、それぞれをランプＡ、ランプＢとした。ランプＡは図１および図２に係るランプであり、その第一の集電板の構成は図３（ａ）にあるようにガラス部材側端面の中心に円柱形の掘り込みが形成されたものである。また、ランプＢは図４に係るランプであり、第一の集電板の突起部が別部材で設けられたものである。
【００２２】
実験例に使用した本発明に係る高圧水銀ランプモデルを下記条件で作成し、ランプＡとした。封入水銀量３０ｍｇ／ｃｃ。発光管は石英ガラス製、全長１００〜１６０ｍｍ、最大径部外形φ８０〜１２０ｍｍ。陽極はタングステン製、径φ２５〜３０ｍｍ、全長４０〜６０ｍｍ。陰極はタングステン製、径φ１５〜２０ｍｍ、全長３０〜４０ｍｍ。芯棒はタングステン製、外径φ８．０ｍｍ、全長７０〜１００ｍｍ。保持用筒体は石英ガラス製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、内径φ８．３ｍｍ、全長２０ｍｍ。第一の集電板はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３ｍｍ、ガラス部材側端面の中心に、深さ１．０ｍｍ、直径φ１１．３〜２７．０ｍｍの軸方向の掘り込みを形成している。ガラス部材の材質は石英ガラス、最大径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長５０ｍｍ。金属箔はモリブデン製、５枚、厚さ３０μｍ。ただし、両封止部側においてその構成要素は同形状とする。
【００２３】
また、ランプＢは下記条件とした。第一の集電板はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３．０ｍｍ。金属部材（５５１）はモリブデン製、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、内孔径φ７．３〜１３．０ｍｍ、全長３．０ｍｍ。その他の構成要素は上記ランプＡと同形状とする。
【００２４】
比較のため、芯棒構成において、本発明の構成を有さない、ディスク状の第一の集電板、外径φ１３．３〜２９．０ｍｍ、全長３．０ｍｍであることを除いて、上記ランプＡと同様の構成の、従来技術に係るランプＣを作成した。
【００２５】
ランプ定格消費電力４ｋＷ、８ｋＷ、１２ｋＷとしたときの、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度の時間変化を測定した。高圧水銀ランプの発光管内に封入されている水銀が全て蒸発する温度である５２０℃に達するまでの時間を温度上昇時間として計測した。表１に本発明の高圧水銀ランプであるランプＡおよびランプＢ並びに従来技術の高圧水銀ランプであるランプＣの温度上昇時間の計測結果を示す。
【００２６】
発光管内に封入されている水銀が５２０℃まで上昇するのに要する時間［sec］
【００２７】
【表１】
【００２８】
従来型ランプであるランプＣと比較して、第一の集電板のガラス部材側端面の中心に円柱形の掘り込みが形成されたランプＡでは、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度上昇時間が１０〜１５％早くなりなり、従来技術の高圧水銀ランプより速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行させることができた。第一の集電板の突起部を別部材で設けられたランプＢでは、保持用筒体の発光管側端部と当接する発光管外表面（４２ａ）の温度上昇時間が３〜５％早くなり、従来技術の高圧水銀ランプより速やかに水銀が蒸発し熱平衡に至り定常状態に移行させることができた。これにより本発明の高圧水銀ランプの第一の集電板の構成をもつランプＡおよびランプＢでは、高圧水銀ランプの立ち上がり時間が短縮した。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。
【図２】本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【図３】本発明の高圧水銀ランプの集電板の構成例を示す斜視図を表す。
【図４】本発明の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【図５】従来の高圧水銀ランプの概略断面図を表す。
【図６】従来の高圧水銀ランプの封止管部の断面図を表す。
【符号の説明】
【００３０】
１ 発光管
２ａ、２ｂ 電極
３ａ、３ｂ 芯棒
４ａ、４ｂ 保持用筒体
５ａ、５ｂ 第一の集電板
６ａ、６ｂ 金属箔
７ａ、７ｂ ガラス部材
８ａ、８ｂ 第二の集電板
９ａ、９ｂ 外部リード棒
１１ａ、１１ｂ 封止管部
４１ａ 発光管側端面
４２ａ 発光管外表面
５１ａ 貫通穴
５２ａ ガラス部材側端面
５３ａ 側面
５４ａ 突合せ面
５５ａ 突起部
５６ａ 当接部
５７ａ 空隙
７１ａ、７１ｂ 第一の嵌挿孔
７２ａ、７２ｂ 第二の嵌挿孔
７３ａ テーパ部
５１１ 掘り込み
５２１ 溝
５３１ 外端部
５４１ 突起
５５１ 金属部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が接続された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、
前記集電板は、ガラス部材側端面に突起部を設けたことを特徴とする高圧水銀ランプ。
【請求項２】
前記突起部は集電板とは別部材で設けたことを特徴とする請求項１に記載の高圧水銀ランプ。
【請求項１】
発光管内に配置された一対の電極と、先端に電極を有する芯棒と、電極および芯棒を支持する保持用筒体と、保持用筒体に隣接配置され芯棒に電気的に接続された集電板と、集電板に隣接するガラス部材と、集電板に先端が接続された金属箔を備えた高圧水銀ランプにおいて、
前記集電板は、ガラス部材側端面に突起部を設けたことを特徴とする高圧水銀ランプ。
【請求項２】
前記突起部は集電板とは別部材で設けたことを特徴とする請求項１に記載の高圧水銀ランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２６９１９１（Ｐ２００６−２６９１９１Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８３９２０（Ｐ２００５−８３９２０）
【出願日】平成１７年３月２３日（２００５．３．２３）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２３日（２００５．３．２３）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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