JPH1196965A - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水銀量を増大させて紫外光放射量を多くする
とともに、常に電子放射物質を良好に供給できるショー
トアーク型水銀ランプを提供すること。 【解決手段】 発光管１に陰極２と陽極３が対向して配
置され、石英から成る当該発光管１内に水銀と希ガスが
封入されて、この陰極先端部には、電子放射物質が表面
拡散するための穴２０が、当該陰極の内部を長手方向に
伸びるように設けられており、この穴２０の外径ｄと陰
極先端から０．５ｍｍ以内の最大外径Ｄとの比ｄ／Ｄ
が、０．０８＜ｄ／Ｄ＜０．５であり、当該穴２０の深
さＬは陰極先端部の最大外径Ｄ以上であることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はショートアーク型
水銀ランプに関する。特に、プリント基板、液晶、半導
体の露光装置に用いられる高集光効率で光安定性のよい
ショートアーク型水銀ランプに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶露光工程やプリント基板の露
光工程には波長３００nm〜４５０ｎｍの紫外光を放射す
るショートアーク型水銀ランプが使用されている。そし
て、基板は年々大型化し、露光面積も当然に大きくなっ
てきている。そのため、光源からの紫外光放射量の増大
が要求されている。

【０００３】この紫外光放射量の増大を図るためには、
封入される水銀の量を増大させることが考えられてい
る。具体的には、今まで点灯中の水銀蒸気圧で１０気圧
程度であったものが、より高圧となり、例えば、２５気
圧程度とすることが試みられている。ところで、このよ
うな水銀量の増大は、紫外光放射量の増大、すなわち、
明るくさせるという点では意義を有する。しかしなが
ら、放電ランプに対しては短寿命化という悪影響をもた
らしてしまう。その理由は、水銀量の増大によって陰極
の損耗をより激しく導くことになり、この陰極の損耗
が、電子放射物質（通称、エミッター）の供給路を不所
望に変形させることになり、結果として、電子放射性物
質の陰極先端への良好な供給を妨げられてしまうからで
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、水銀量を増大させて紫外光放射量を多く
するとともに、常に電子放射物質を良好に供給できるシ
ョートアーク型水銀ランプを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１にかかるショートアーク型水銀ランプは、
発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、石英から成
る当該発光管内に水銀と希ガスが封入されて、この陰極
先端部には、電子放射物質が表面拡散するための穴が、
当該陰極の内部を長手方向に伸びるように設けられてお
り、この穴の外径ｄと陰極先端部の最大外径Ｄとの比ｄ
／Ｄが、０．０８＜ｄ／Ｄ＜０．５であり、当該穴の深
さＬは陰極先端部の最大外径Ｄ以上であることを特徴と
する。

【０００６】さらに、請求項２にかかるショートアーク
型水銀ランプは、前記穴の中には、当該穴に接する部分
に含まれる電子放射物質の含有濃度より高濃度の電子放
射物質が埋め込まれていることを特徴とする。さらに、
請求項３にかかるショートアーク型水銀ランプは、前記
高濃度の電子放射物質は、タンタルとタングステンと酸
化トリウムを含む焼結体であることを特徴とする。さら
に、請求項４にかかるショートアーク型水銀ランプは、
前記陰極の外表面には、最先端部を除きタングステンカ
ーバイト層が形成されたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】放電ランプが、常に、安定な点灯を維持するた
めには陰極の先端でアーク境界に電子放射物質が良好に
供給されることが必要である。このため、陰極の先端部
以外の領域に含有された電子放射性物質を、いかに良好
に先端部まで導くかが極めて重要なこととなる。一般
に、電子放射物質が陰極先端のアーク境界部まで導かれ
る方法として、表面拡散、粒界拡散、粒内拡散がある。
表面拡散とは、層表面に沿っての物質の移動であり、陰
極の場合は陰極表面における電子放射物質の移動を意味
する。次に、粒界拡散とは、金属の各結晶粒間の境界面
における原子の移動をいい、陰極の場合なら陰極を構成
するタングステン原子の結晶粒間の境界面を電子放射物
質が移動することを意味する。また、粒内拡散とは、金
属の各結晶粒の中を原子が移動することで陰極の場合、
タングステンの粒子のなかを電子放射物質が移動するこ
とを意味する。このうち、表面拡散がもっとも支配的で
あり、表面拡散を増大させることが電子放射物質の良好
な供給を維持できるものと考えても差し支えない。請求
項１にかかる発明は、このような知見に基づいてなされ
たもので、陰極先端部に所定の穴を設けることで、表面
拡散を増大させたものである。ここで、本発明者は陰極
の先端に穴を設けて、当該穴を利用して電子放射物質の
供給を良好にすることに関する先行文献に、米国特許
３，９０２，０９０が存在することを知っている。しか
し、この先行文献に開示したものは、陰極先端部に穴が
設けられておらず、表面拡散による電子放射物質の供給
が十分には行なえないという問題が存在する。

【０００８】さらに、請求項２にかかる発明では、穴の
中に高濃度の電子放射物質が埋め込まれているので、当
該穴の内表面を利用した表面拡散を効果的に利用するこ
とができる。この点を補足説明すれば、当該穴の中に電
子放射性物質を入れなくても陰極材料そのものに電子放
射物質を含有させれば、当該穴の内表面を利用して表面
拡散させることは可能である。しかしながら、この場合
は陰極材料に含有されている電子放射物質が当該穴に到
達するまでは、粒界拡散、又は粒内拡散に依存すること
になり、これらの拡散は前述のように表面拡散より拡散
効率が劣るからである。つまり、穴の中に高濃度の電子
放射物質を入れることで粒界拡散や粒内拡散をほとんど
利用することなく表面拡散だけで陰極先端への電子放射
物質を供給することが可能になる。

【０００９】さらに、請求項３にかかる発明は、前記高
濃度の電子放射物質が、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タング
ステン）、ＴｈＯ２（酸化トリウム）を含む焼結体であ
るので、高温中でタングステンの単結晶化を抑制するの
で、常に粒界拡散が起こるという利点がある。

【００１０】さらに、請求項４にかかる発明は、陰極表
面であって最先端部を除いてタングステンカーバイト層
が形成されているので、タングステンカーバイト層の還
元作用により電子放射物質であるトリウムを良好に発生
させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明にかかるショートア
ーク型水銀ランプの全体図を示す。石英製発光管１の中
に陰極２と陽極３が対向配置され、それぞれの電極は内
部リード１２、１３を介して封止部６，７内部で金属箔
８、９に接続される。この金属箔８，９には外部リード
１０、１１が接続されている。発光管１の中には水銀と
希ガスが封入される。そして、点灯中の水銀蒸気圧は、
１０気圧となる。ここで、本発明は前述のごとく紫外光
放射量を高めるために、例えば、２５気圧以上の高圧水
銀ランプにおいて適用される。これ以下の水銀ランプで
は陰極の損耗もそれほど問題にはならず、すなわち、電
子放射物質の供給も十分にできるからである。

【００１２】図２は本発明にかかるショートアーク型水
銀ランプの陰極拡大図を示す。陰極２はタングステン、
または酸化トリウムを含有したものからなり、平坦な先
端部２ａを持つ略円錐台形状をしている。先端部２ａか
らは、陰極の長手方向を伸びるように穴２０が設けら
れ、陰極の内部には電子放射物質用貯蔵部３０が設けら
れる。この貯蔵部３０には、タンタル（Ｔａ）、タング
ステン（Ｗ）、ＴｈＯ２（酸化トリウム）を含む焼結体
２１が配置される。図では貯蔵部３０の下方（陰極の根
元側）にも穴が設けられているが、これは、本発明にか
かる陰極の構造を製造するために、その便宜上設けられ
たものである。

【００１３】また、陰極２の外表面であって傾斜部分に
はタングステンカーバイト層２２が最先端部を除いて塗
布されている。これによって、タングステンカーバイト
層の炭素と、陰極に含有される酸化トリウムの酸素が結
合して、電子放射物質であるトリウムを速やかに生成さ
せることを可能にする。なお、先端部分にタングステン
カーバイト層が形成されないのは、アークによって溶融
してしまうからである。

【００１４】ここで、穴２０の内径ｄは、先端部２ａの
外径Ｄとの関係で所定の値に定まる。具体的には、ｄ／
Ｄの値が０．０８より大きく、０．５より小さいことが
必要である。この理由は、ｄ／Ｄの値が０．０８より小
さい場合には表面拡散による電子放射物質の供給が十分
にできなくなるからであり、０．５より大きい場合は電
子の放射位置が不安定になるからである。なお、先端部
２ａは、必ずしも平面であるとは限られず、曲面形状の
場合もあるので、外径Ｄは陰極先端から０．５ｍ以内の
最大外径として定義する。このような穴の一例をあげれ
ば、穴の内径ｄがΦ０．２ｍｍであり、先端部２ａの外
径ＤはΦ１．３ｍｍである。また、貯蔵部３０は内径Φ
２．５ｍｍであり、長さ１０．０ｍｍである。

【００１５】また、穴２０の深さＬも、先端部２ａの外
径Ｄとの関係で所定の値に定まる。具体的には、Ｌ＞Ｄ
であることが必要である。これは、穴２０の深さＬが先
端部２ａの外径Ｄと同一または小さい場合には、孔内最
深部にアークが触れ、最深部近傍の粒の成長が生じ、電
子放射物質の拡散を阻害するからである。深さＬは、例
えば、１．２ｍｍである。

【００１６】電子放射物質の焼結体２１は、前述のよう
に、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ＴｈＯ２
（酸化トリウム）の焼結体である。これは高温化でタン
グステン粒の成長を抑制するという点で有利な効果を有
する。しかしながら、電子放射物質としては、これ意外
に、希土類のセシウム、ランタン、イットリウムなどを
使うこともできる。また、貯蔵部３０に配置された電子
放射物質の焼結体は、その周囲の陰極そのものに含有さ
れている電子放射物質より高濃度であることが好まし
い。これは、陰極先端面へのトリウムの供給量を増加
し、かつ、周囲の陰極へトリウムが粒界拡散し、タング
ステン粒の成長を抑制し、よりスムーズな粒界拡散が促
されるからである。一例を挙げれば、周囲の陰極のトリ
ウム濃度は１ｗｔ％、焼結体は２ｗｔ％である。

【００１７】図３も本発明のショートアーク型水銀ラン
プの陰極拡大図を示すが、図２とは異なる他の実施例を
示す。すなわち、穴２０の中には、電子放射物質の焼結
体が配置されていない点で異なる。この場合は陰極材料
に含有されている電子放射物質を利用することになり、
この電子放射物質が穴２０の内面における表面拡散を利
用することになる。この構造の利点は、陰極後端部の表
面拡散を効果的に利用できることにある。

【００１８】図４も、本発明のショートアーク型水銀ラ
ンプの陰極拡大図を示すが、図２、図３とは異なる他の
実施例を示す。すなわち、図２に示す構造と同様に貯蔵
部３０には電子放射物質の焼結体２１が配置されている
が、この焼結体２１は貯蔵部３０に配置されるのみなら
ず、穴２０の中であって陰極の先端に向ってもさらに埋
設されている点で異なる。この構造における利点は、陰
極先端部に向うに伴い、温度が高くなるので孔内でのト
リウムの拡散がより円滑に進むことである。

【００１９】このようなショートアーク型水銀ランプ
は、例えば、定格４０Ｖ、定格２０００Ｗのものが使わ
れる。また、本実施例で示した貯蔵部は必ずしも必要な
ものではなく穴のみで構成してもよい。また、直流点灯
のランプに限られるものではなく交流点灯のランプにも
適用できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明のショートアーク型水銀ランプ
は、水銀量を増大させて紫外光放射量を多くすることが
できるとともに、陰極に設けた穴によって表面拡散を利
用することで、常に良好な電子放射物質の供給をするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のショートアーク型水銀ランプを示す。

【図２】本発明にかかるショートアーク型水銀ランプの
陰極の拡大図である。

【図３】本発明にかかるショートアーク型水銀ランプの
陰極の拡大図である。

【図４】本発明にかかるショートアーク型水銀ランプの
陰極の拡大図である。

【符号の説明】

１ 発光管 ２ 陰極 ３ 陽極 ４ 封止部 ５ 封止部 ６ 箔部 ７ 箔部 ８ 外部リード部材 ９ 外部リード部材 ２０ 穴 ２１ 焼結体 ２２ タングステンカーバイト層 ３０ 貯蔵部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光管内に陰極と陽極が対向して配置し
   ており、石英から成る当該発光管内に水銀と希ガスが封
   入されているショートアーク型水銀ランプにおいて、 前記陰極の先端には、電子放射物質が表面拡散するため
   の穴が、当該陰極の内部を長手方向に伸びるように設け
   られており、この穴の外径ｄと陰極先端から０．５ｍｍ
   以内の最大外径Ｄとの比ｄ／Ｄが、０．０８＜ｄ／Ｄ＜
   ０．５であり、当該穴の深さＬは陰極先端部の最大外径
   Ｄ以上であることを特徴とするショートアーク型水銀ラ
   ンプ。
2. 【請求項２】前記穴の中には、当該穴に接する部分に含
   まれている電子放射物質の含有濃度より高濃度の電子放
   射物質が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に
   記載するショートアーク型水銀ランプ。
3. 【請求項３】前記高濃度の電子放射物質は、タンタルと
   タングステンと酸化トリウムを含む焼結体であることを
   特徴とする請求項２に記載するショートアーク型水銀ラ
   ンプ。
4. 【請求項４】前記陰極の外表面には、最先端部を除きタ
   ングステンカーバイト層が形成されたことを特徴とする
   請求項１に記載するショートアーク型水銀ランプ。