JP2009238664A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ照度を高め、放射範囲を制限されることなく光を放射させる。
【解決手段】陰極２０、陽極３０を備えたショートアーク型放電ランプにおいて、テーパー状の陽極縮径部３１の表面３４を鏡面に仕上げる。そして、陰極２０の先端面２３近傍における輝点Ｈから放射される光の一部を表面３４で反射させ、緯度１０度〜３０度の反射放射範囲Ｒ_１でランプ外部に放射させる。また、反射放射範囲Ｒ_１を、直接放射範囲Ｒ_０内に収める。
【選択図】図２

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプなど、特定波長の光を放射する放電ランプに関し、特に、光の配光分布を調整する電極構造に関する。

ショートアーク型放電ランプでは、陽極、陰極が発光管内に近接した状態で保持され、電圧を印加することによってアーク放電が電極間で発生し、紫外光など特定波長の光が放射される。ショートアーク型放電ランプは、電極間距離が短いために点光源としてみなすことができ、放射輝度の高い光が得られる。例えば基板の配線パターン形成に使用される場合、ランプ外に放射された光は、レンズ、ミラーなどを介して平行光に変換され、被照射物に照射される。

小型ショートアークランプの場合、被照射物の傍に設置されるため、発光管、封止管自身による反射光の遮蔽によって照度むらが生じ、均一な配光分布が得られない。そこで、均一な配光分布を得るため、発光管の中央付近の肉厚を最大にし、発光管の端部に向けて肉厚を徐々に薄くする方法が知られている（特許文献１参照）。発光管の場所に応じて屈折率を変えることにより、放射光が肉厚の大きい発光管中央付近に集約され、配光分布の均一化が図られる。
特開昭６０−７０６５５号公報

発光管のレンズ屈折効果では放射方向に制限があり、放電により発生した光の配光分布は、限られた範囲に決められる。また、発光管内部の電極などによって遮断される光はランプ外部へ導かれず、放射光の照度は上がらない。すなわち、放電によって発生する光を有効にランプ外へ取り出すことができない。

本発明の放電ランプは、発光管と、発光管内で保持され、所定間隔を隔て互いに対向する一対の電極（陽極、陰極）とを備える。少なくとも一方の電極は、胴体部と、放電が行われる電極先端面に向けて径が細くなる縮径部とを備える。例えば、略円柱状に形成される胴体部が電極支持棒に支持される。そして本発明では、縮径部の表面が鏡面であることを特徴とする。ただし、「鏡面」とは、反射率が高く、かつ写像性が良好な表面であることを示し、表面に像を写したとき鮮明な像が得られる表面のことをいう。なお、縮径部の表面一部を鏡面にすることも鏡面状態に含まれるものとする。

電極間での放電による放射光は、発光中心（以下、輝点という）から径方向に放射され、その一部は縮径部の表面に当たって反射する。このとき放射光は、反射時の進入角度に従って反射する。その結果、反射光は、所定範囲に向けて進行しながらランプ外部へ射出する。まとまった範囲に光を放射させるため、例えば、縮径部は、テーパー状に形成すればよい。紫外光を放射する場合、縮径部の表面が、波長３００〜５００ｎｍの光に対して鏡面であればよい。

縮径部の表面が鏡面であるため、電極間で発生する光は、縮径部の表面で散乱せずに反射し、反射した光は、ランプ外部へ向けてまとまった範囲に向けて放射される。このように、放電によって発生した光を無駄なくランプ外部へ放射させることができ、ランプの照度が向上する。また、縮径部の表面は軸方向に対して傾斜しているため、輝点からの放射光を電極のより後方側へ反射させることが可能であり、配光分布制限を受けることなく光を放射することができる。

電極間での放電による放射光がそのまま発光管を通ってランプ外部に直接放射可能な範囲（以下、直接放射範囲という）の配光分布について言えば、ランプ特性の問題から、一様な配光分布にならないことが多い。したがって、一部範囲での照度低下を防ぐため、縮径部の表面で反射してランプ外部へ放射される光の範囲（以下、反射放射範囲という）を、直接放射範囲内に含まれるように構成するのがよい。この場合、電極の縮径部のサイズ、形状、縮径部の表面の傾斜角度は、直接放射範囲内に反射放射範囲を重畳させるように定められる。

特に、直接放射範囲において配光分布をできるだけ均一にするため、直接放射範囲の中で相対的に照度の低い範囲に反射放射範囲を重ねるように構成するのが望ましい。例えば、縮径部の表面が陽極に形成される場合、輝点のある基準面（陰極先端面など）に対して陽極側に反射放射範囲を定めればよい。例えば、陽極側の反射放射範囲が、陽極側へ１０度〜３０度の角度範囲に定められる。

電極が過熱されるのを防止するため、縮径部に対し、周方向に沿って溝を形成するのがよい。放熱によって電極温度が下がる。複数の溝を形成する場合、溝内部で放射光が散乱するのを防ぐため、縮径部の溝の間に形成される表面を、溝を隔てた先端面側の表面に対する仮想延長面よりも軸側に形成するのがよい。

本発明によれば、ランプ照度を高め、放射範囲を制限されることなく光を放射させることができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的外観図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、透明な石英ガラス製の発光管１２と、その発光管１２内に陰極２０、陽極３０を備え、陰極２０、陽極３０は所定間隔をもって対向配置される。発光管１２の両側には、互いに対向する石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と一体的に形成され、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１４Ａ、１４Ｂによって塞がれる。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着し、これによって発光管１２内に形成される放電空間は封止される。発光管１２内には、水銀、および希ガスが封入されている。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。これにより、電極間でアーク放電が発生し、紫外光が発光管１２の外へ放射される。

図２は、陰極２０、陽極３０の概略的外観図である。

陰極２０は、電極支持棒１７Ａと接続された円柱状の陰極胴体部２２と、円錐状の陰極縮径部２１から成り、陰極縮径部２１の先端面２３は、放電面として構成される。一方、陽極３０も、電極支持棒１７Ｂと接続された円柱状の陽極胴体部３２と、円錐状の陽極縮径部３１から成り、陽極縮径部３１の先端面３３が放電面として構成されている。

陰極縮径部２１の先端面２３と、陽極縮径部３１の先端面３３との間でアーク放電が発生すると、水銀による紫外光が発生し、四方に放射する。陰極縮径部２１の先端面２３付近には、放電ランプ１０を点光源としたときの発光中心（以下、輝点という）Ｈが定められ、輝点Ｈから紫外光が放射するものとみなすことができる。

放電ランプ１０の放射範囲は、陰極２０、陽極３０の配置、サイズ、および陰極２０、陽極３０との距離間隔などに従って定まる。陰極２０、陽極３０の縮径部２１、３１は、放射範囲を広げるようにテーパー状に形成されており、ここでは、縮径部２１、３１の表面２３、３３を、直接放射範囲Ｒの境界面として規定する。ただし、輝点Ｈからの放射光が陰極２０、陽極３０に遮断されず、そのままランプ外部へ進行する放射範囲を、ここでは直接放射範囲Ｒ_０という。

本実施形態では、陰極２０、陽極３０の先端面２３、３３を鏡面仕上げするとともに、陽極縮径部３１の表面３３も、鏡面仕上げされている。すなわち、陽極縮径部３１の表面３３は、反射率が高く、かつ凹凸のない写像性良好の表面であって、表面３３に反射した光は散乱しない。陽極縮径部３１の表面３３で反射し、ランプ外部へ進行する光の放射範囲（以下、反射放射範囲という）Ｒ_１は、直接放射範囲Ｒ_０内に含まれており、陽極側境界付近に位置する。

図３は、陽極２０、３０の先端面２３、３３付近を拡大して示した概略的断面図である。

陰極２０と、陽極３０は、距離間隔ｄを隔てて同軸的に対向し、また、陽極縮径部３３は、陰極縮径部２３に比べてテーパー形状の傾斜角度が小さい。陽極胴体部３２の径の大きさをＭ、陰極２３の先端面２３の径の大きさをＤ２、陽極３０の先端面３３の径の大きさをＤ１、陽極縮径部３３の傾斜角度をαとすると、陽極縮径部３１の表面３３に反射する光の反射放射範囲Ｒ_１は、Ｍ、Ｄ１、Ｄ２、ｄ、αに従う。ただし、傾斜角度αは先端面３３に対する角度を示し、陽極胴体部３２の径Ｍと、先端面３３の径Ｄ１、縮径部３１の軸方向長さＬに従って、傾斜角度α（＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／（（Ｍ−Ｄ１）／２）））が規定される。

反射放射範囲Ｒ_０は、陽極側の１０度〜３０度の緯度範囲に定められ、これを満たすように、すなわちこの範囲Ｒ_０に向けて反射光が進行するように、陽極縮径部３１の大きさ、傾斜角度αが定められている。ただし、陰極２０の先端面２３に沿った平面（水平面）を基準面（０度）とし、この基準面から陽極側にプラス、陰極側マイナスの緯度を規定する。陽極縮径部３１のサイズ、形状などは、シミュレーションによって求めればよい。

例えば、陽極胴体部３２の径Ｍを２５ｍｍ、陽極縮径部３１の軸方向長さＬを５ｍｍ、陽極３０の先端面３３の径Ｄ１を８ｍｍ、陰極２０の先端面の径Ｄ２を１．３ｍｍ、先端面２３、３３の距離ｄを６ｍｍと定めることにより、１０度〜３０度の緯度方向に反射放射範囲Ｒ_１が定められる。

図４は、陽極縮径部３１の表面３３の分光反射率を示した図である。ただし、陽極縮径部３１はテーパー形状であることから、曲率の影響を防ぐために表面３３の微小面積に対して分光反射率を測定している。あるいは、同じ鏡面度に仕上げられた先端面３３の分光反射率を測定してもよい。

図４には、鏡面加工前の分光反射率Ｔ２と鏡面加工後の分光反射率Ｔ１が示されている。陽極縮径部３１の表面３０は、電解研磨あるいはバフ研磨によって鏡面仕上げされており、鏡面仕上げ後の分光反射率はどの波長領域の光に対しても４０％以上ある。ショートアーク型の放電ランプ１０では、水銀の輝線であるｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）を利用することが多く、表面３０は、約３００〜５００ｎｍの波長領域の光に対して約４４パーセントの反射率をもつ。

図５は、従来型の電極、すなわち鏡面仕上げされてない縮径部の電極を用いた放電ランプの配光分布を示した図である。図６は、本実施形態による電極を用いた放電ランプの配光分布を示した図である。

図５、図６に示す配光分布Ｑは、３６０度の方向へ放射された光の中で、上下方向、すなわち緯度方向の放射照度を測定することによって得られる。ここでは、ｉ線近傍に感度のある照度計を用いて配光分布を測定している。縦軸は照度を示し、基準面（±０°）での照度を１００％としたとき、緯度に沿った照度をその割合で表す。図５における従来型の放電ランプと、図６における本実施形態の放電ランプとの違いは、陽極縮径部の表面状態だけである。

図５、図６の符号Ｎで規定される領域を比較すると、本実施形態では、陽極側の＋１０度〜３０度の範囲、すなわち反射放射範囲Ｒ_１において、照度が大きくなっている。図５の放電ランプでは、陽極縮径部の表面で反射した光が散乱するため、陽極側の１０度〜３０度の緯度範囲で照度が落ちる。一方、図６では、照度が他の範囲と比べてそれほど低下しない。これは、陽極縮径部３２の表面３４で反射した光が、散乱することなく緯度１０〜３０度の範囲に向けて進行することを示している。すなわち、放電ランプとしての配光分布は均一な分布となる。

以下に示す表は、図９、図１０の代表的緯度における測定結果を表す。表から明らかなように、陽極側の照度が従来型ランプの照度と比較して高い。また−５０度〜＋３０度の緯度範囲について、従来における照度の最小、最大範囲が７０％〜１０３％であるのに対し、本実施形態の最小、最大範囲は８０％〜１０３％であり、より均一な配光分布になっている。

なお、２５０ｎｍ、４２０ｎｍ近傍に感度のある照度計で測定した場合も、＋１０度〜３０度の範囲で照度が高いことが確認される。

このように本実施形態によれば、ショートアーク型放電ランプ１０において、テーパー状の陽極縮径部３１の表面３４が、鏡面に仕上げられている。そして、陰極２０の先端面２３近傍における輝点Ｈから放射される光の一部が表面３４で反射し、緯度１０度〜３０度の反射放射範囲Ｒ_１でランプ外部に放射される。反射放射範囲Ｒ_１は、直接放射範囲Ｒ_０に含まれており、反射放射範囲Ｒ_１は緯度１０度〜３０度の範囲に定まるように、陽極縮径部３１のサイズ、形状、および傾斜角度αが決められる。

陽極縮径部３１の表面３４が鏡面であるため、表面３４に反射した光は散乱せず、反射放射範囲Ｒ_１に進む。特に、照度が低下しやすい緯度＋１０度〜＋３０度の範囲において放射照度が向上し、配光分布が均一化される。すなわち、放電によって発生した光を最大限利用して、光を放射することができる。

なお、陽極縮径部３１の傾斜角度αは、１０〜３０度の緯度範囲で反射光が進行するように定められているが、所定の緯度範囲に向けて放射光を反射するように構成してもよい。例えば、放電ランプの配光分布特性に合わせ、照射照度が相対的に落ちる緯度の範囲へ向けて放射光が進むように、傾斜角度を定めればよい。

次に、図７を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、陽極縮径部が凹面上に形成されている。

図７は、第２の実施形態である放電ランプの電極を示した概略的断面図である。放電ランプ１００の陰極１２０、陽極１３０は対向配置され、陽極縮径部１３１の表面１３４は凹型の鏡面であり、断面形状は湾曲状に形成されている。これにより、表面１３４で反射した放射光の放射範囲が狭くなる。なお、反射放射範囲を広げる場合、陽極縮径部を凸面形状にすればよい。

次に、図８、図９を用いて、第３の実施形態である放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、陽極縮径部の周方向に沿って溝が形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。

図８は、第３の実施形態である放電ランプの電極の概略的断面図である。図９は、陽極縮径部の溝付近を拡大した概略断面図である。

放電ランプ２００の陰極２２０、陽極２３０は対向配置され、陽極２３０の陽極縮径部２３１には、周方向に沿って複数の溝２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃが形成されている。溝２３５Ａ〜２３５Ｂによって放熱効果が生じ、陽極２３０の温度を下げる。なお、図９では、便宜上放射光を平行光として図示している。

溝２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃの間に形成される陽極縮径部２３の表面２３４Ａ〜２３４Ｄは、それぞれ表面形成位置が異なる。すなわち、一つの円錐表面上に表面が載っていない。図９に示すように、表面２３４Ｂの表面は、先端面２３３に近い表面２３４Ｃの仮想延長面Ｔよりも、電極軸側に位置する。これによって、放射光が溝内部に進入し、光が溝内部で散乱することを防ぎ、陽極縮径部２３１の表面２３４Ａ〜２３４Ｄが鏡面として有効に利用される。なお、溝の形成間隔を調整することによって、放熱と反射の効果割合を調整してもよい。

陽極２３４の表面形成に関しては、レーザやダイヤモンドカッターによって溝２３５Ａ〜２３５Ｃを形成し、溝形成後、溝間の表面を所定位置で所定角度となるように、切削する。そして、バフ研磨や電解研磨によって鏡面仕上げを行う。

なお、陽極縮径部は、テーパー形状、凹型形状以外であってもよく、傾斜角度の異なる複数のテーパー面を一体的に形成してもよい。あるいは、砲弾状、球状に形成してもよい。さらに、陽極ではなく陰極縮径部の表面を鏡面状にしてもよい。縮径部の鏡面度については、光が散乱しないように、反射率および写像性が良好な表面状態になっていればよい。また、放電ランプ１０を鉛直方向以外に配置してもよく、ショートアーク型以外の放電ランプに適用してもよい。

本実施形態であるショートアーク型放電ランプの概略的外観図である。 陰極、陽極の概略的外観図である。 陽極の先端面付近を拡大して示した概略的断面図である。 陽極縮径部の表面の分光反射率を示した図である。 従来型の電極を用いた放電ランプの配光分布を示した図である。 本実施形態による電極を用いた放電ランプの配光分布を示した図である。 第２の実施形態である放電ランプの電極を示した概略的断面図である。 第３の実施形態である放電ランプの電極の概略的断面図である。 極縮径部の溝付近を拡大した概略的断面図である。

符号の説明

１０ 放電ランプ
１２ 発光管
１３Ａ、１３Ｂ 封止管
１７Ａ、１７Ｂ 電極支持棒
２０、１２０、２２０ 陰極
２１ 陰極縮径部
２２ 陰極胴体部
２３ 先端面
２４ 表面
３０、１３０、２３０ 陽極
３１、１３１、２３１ 陽極縮径部
３２、陽極胴体部
３３、１３３、２３３ 先端面
３４、１３４、２３４Ａ〜２３４Ｄ 表面
２３５Ａ〜２３５Ｃ 溝
Ｈ 輝点
Ｒ_０ 直接放射範囲
Ｒ_１ 反射放射範囲
α 傾斜角度
Ｑ 配光分布

Claims (9)

1. 発光管と、
   前記発光管内で保持され、所定間隔を隔て互いに対向する一対の電極とを備え、
   前記一対の電極の少なくとも一方が、胴体部と、放電が行われる電極先端面に向けて径が細くなる縮径部とを有し、
   前記縮径部の表面が鏡面であって、前記一対の電極間で発生する光が前記縮径部の表面で反射し、ランプ外部へ放射されることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記縮径部の表面で反射してランプ外部へ放射される光の反射放射範囲が、ランプ外へ直接放射される光の直接放射範囲内に含まれることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記反射放射範囲が、前記直接放射範囲の中で相対的に照度の低い範囲に重なることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記縮径部の表面が陽極に形成され、
   前記反射放射範囲が、輝点のある基準面に対し陽極側に定められることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 前記反射放射範囲が、基準面に対し、陽極側に１０度〜３０度の角度範囲に定められることを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
6. 前記縮径部が、テーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記縮径部が、周方向に沿った溝を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 前記縮径部において、複数の溝が所定間隔で形成され、
   前記縮径部の溝の間に形成される表面が、溝を隔てた先端面側の表面に対する仮想延長面よりも軸側に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の放電ランプ。
9. 前記縮径部の表面が、波長３００〜５００ｎｍの光に対して鏡面であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放電ランプ。
   
   
   

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