JP5165413B2 - 放電ランプ用の電極構造 - Google Patents

Description

本発明は、紫外線を照射するショートアーク型などの放電ランプ用の電極構造に関し、特に、電極の温度上昇の少ない放電ランプの電極構造に関する。

従来一般に、半導体の配線パターンを形成する際に、紫外線を照射するショートアーク型の放電ランプなどが光源として使用されている。この放電ランプは、陽極が電極棒を介して石英製の封止管により放電空間内に保持され、陽極を上または下にした状態で垂直点灯して使用している。そして、放電ランプは、点灯すると高熱となることが知られている。また、放電ランプを点灯状態にすると、陽極は陰極から送られてくる電子が衝突し、その衝突により蒸発、消耗する。さらに、電子の衝突により電極が消耗すると、熱対流により放電ランプの内壁、特に発光管中央部から上部側の内管壁が黒化する。さらに、近年の高照度化の要望に伴い、放電ランプが大電力化し、陽極が大型化している。このような大型の陽極はとても重いために、放電ランプの移動などの衝撃により、電極を支える電極棒や石英製の封止管などからなる封止構造を破損させてしまう場合がある。このような問題に対し、陽極に孔や溝や空洞を設けて軽くするとともに、バルブ内ガスの対流を調整して、陽極の放熱と黒化防止を行っている。以下に、これに関連する従来技術の例をいくつかあげる。

特許文献１に開示された「ショートアーク型放電ランプ」は、放電ランプ内の黒化位置を変えた使用寿命の長いランプである。図６（ａ）に示すように、陽極の先端側から後端側に伸びる貫通孔を形成する。陽極が陰極の上方に位置される姿勢で点灯されると、バルブ内のガスが対流により陽極の貫通孔内を流過するので、効率よく陽極が冷却される。貫通孔を流過したガスは陽極後方に流れるため、蒸発した陽極構成物質は封止部側端部で固化され、バルブ中央部が黒化しにくくなり使用寿命が長くなる。

特許文献２に開示された「ショートアーク型放電ランプ」は、放電ランプ内のガス流の向きを変えてバルブの光透過率をよくした使用寿命が長いランプである。図６（ｂ）に示すように、陽極の胴部の周囲後端部に、突起と環状溝を設ける。突起と環状溝に沿う流れが誘起されて循環し、環状溝、電極棒、バルブ管壁に蒸発物が付着する。ランプ中央領域の有効利用範囲における蒸発物の付着量が著しく減少する。照度を高く維持できて、使用寿命が長くなる。

特許文献３に開示された「放電ランプ用陽電極」は、先端部の溶融と蒸発を防いで変形を防止した陽極である。図６（ｃ）に示すように、陽極の内部に空洞を設け、先端部にガス流入孔を設け、後端部か側面部に圧力調整孔を設ける。アーク放電により発生する高温高速ガス流を、ガス流入孔から空洞に吸入する。熱エネルギーを陽極の内壁から外部に放出する。空洞で放熱しているため、熱エネルギーを効果的に分散できる。
特開平10-208696号公報 特開2006-012672号公報 特開2006-221934号公報

しかし、従来の放電ランプの電極では、以下のような問題がある。陽極の先端側に貫通孔を設けると、貫通孔内にバルブ内のガスが流過してアークが揺らぐ。貫通孔付近で異常放電が起きて、電極が著しく消耗する。陽極の後端に突起を設けると陽極が重くなる。陽極後端部の溝を単純に深くしても、ガス流が特別な変化をするわけではない。蓋部分を溶接して空洞を設けた陽極では、溶接部の加工と品質管理が煩雑となる。ガスが流出する孔を側面部に設けた陽極では、蒸発した電極材料をバルブの中央部に吹付けることとなり、バルブの有効利用領域における黒化が著しくなる。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、放電ランプの電極を、放熱性と放電安定性がよく、軽量で内部リード棒や封止管を破損せず、作製が容易で黒化しにくい長寿命のものとすることである。

前記の課題を解決するため、本発明では、発光管と、発光管内にて対向する一対の円柱状の電極と、電極を発光管内に保持する内部リード棒とを具備する放電ランプの電極の内部リード棒との接続部周辺に、穴径より大きい深さの凹部を形成した。電極の側面側開口部から凹部側開口部へと通じる貫通孔が形成されている。側面側開口部は、凹部側開口部よりも電極の放電部側に近い。電極の円柱高さをＬ₁とし、凹部の深さをＬ₂とすると、(Ｌ₁／３)＜Ｌ₂＜(２Ｌ₁／３)である。電極の外径をＤ₁とし、凹部内における内部リード棒の最大外径をＤ₂とし、凹部の最大径をＤ₃とするとき、(0.7×(Ｄ₁−Ｄ₂))＜Ｄ₃＜(1.1×(Ｄ₁−Ｄ₂))である。

上記のように構成したことにより、円柱状の電極の後端面の凹部で、電極の先端部付近の熱を内部リード棒側に放出できるので、電極の軽量化ができ、放熱効果が上がり、放電ランプの使用寿命が延びる。貫通孔により、さらに放熱効果を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例１は、放電点の反対側の内部リード棒で保持される背面に深い凹部を有する陽極を用いる放電ランプである。

図１は、本発明の実施例１における放電ランプの外観図である。図２は、背面に凹部を有する陽極の拡大図である。図２（Ａ）は、陽極の外観図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ‐Ｂ断面図である。図１と図２において、放電ランプ１は、内部の電極間で放電を行うランプである。陽極10は、プラス側の電極である。陰極９は、マイナス側の電極である。内部リード棒７は、電極を支えて給電する部材である。金属箔６は、内部リード棒と外部リード棒を電気的に接続する部材である。封止管部３は、バルブを気密封止する部分である。外部リード棒５は、口金から金属箔を介して電極へ給電する部材である。発光部２は、電極間の放電により発光する部分であり、電極を密封して放電空間を形成するガラス部材である。口金４は、ランプを機械的に保持するとともに給電するための部材である。凹部21は、背面から先端面に向かって設けた円柱状の穴である。陽極10に凹部21を設ける例を説明するが、陰極９にも適用可能である。

上記のように構成された本発明の実施例１における放電ランプの機能と動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、放電ランプの機能の概要を説明する。放電ランプ１は、発光部２および２つの封止管部３と、発光部２の中に対向配置された陽極10および陰極９と、これら陽極10および陰極９を支持するとともに通電を行う内部リード棒７と、外部リード棒５と、この内部リード棒７と外部リード棒５とを導電性の金属箔６によって接続して気密に封止する封止管部３とにより構成されている。さらに、封止管部３には口金４が固定されており、もう一方の封止管部３に口金４が固定されている。放電ランプ１は、口金４を介して光源装置に固定されている。陽極10の背面（封止管部側の円柱底面）には、凹部21が設けられている。

一対の円柱状の電極を、発光管内で対向するように、内部リード棒７で保持する。陽極10には、内部リード棒７との接続部周辺に、穴径より大きい深さの凹部が形成されている。円柱状の陽極10の後端面の凹部21で、陽極10の先端部付近の熱を内部リード棒７側に放出する。陽極10の円柱高さをＬ₁とし、凹部21の深さをＬ₂とすると、(Ｌ₁／３)＜Ｌ₂＜(２Ｌ₁／３)である。陽極10の外径をＤ₁とし、凹部21内における内部リード棒７の最大外径をＤ₂とし、凹部21の最大径をＤ₃とするとき、(0.7×(Ｄ₁−Ｄ₂))＜Ｄ₃＜(1.1×(Ｄ₁−Ｄ₂))である。

次に、図２を参照しながら、陽極の機能を説明する。先端部11は、陽極10の円柱状部分であり、内部リード棒７により保持される。放熱部12は、先端部11に連設された部分であって、内部に凹部21を有する陽極10の円筒状部分である。先端面14は、円柱状の電極の上面であり、陰極９との間で放電を行う面である。胴体面13は、電極の円柱側面である。背面17は、陽極10の円柱底面である。凹部21は、背面から先端面に向かって設けた円柱状の穴である。凹部側面22は、円柱状の凹部21の円周上の内側面である。凹部底面23は、円柱状の凹部21の底面である。電極保持孔18は、凹部底面23に設けた穴である。電極全長Ｌ₁は、陽極10の円柱軸方向長さである。凹部深さＬ₂は、背面17から凹部底面23までの円柱軸方向長さである。外径Ｄ₁は、陽極10の胴体面13の外径である。外径Ｄ₂は、内部リード棒７の外径である。外径Ｄ₃は、凹部21の円周側面の内径である。

陽極10は、略円柱状であり、先端面14、先端側テーパ面15、胴体面13、背面側テーパ面16、背面17、凹部21から構成されている。凹部21は、凹部側面22および凹部底面23から構成されている。凹部底面23に設けた電極保持孔18に、内部リード棒７を嵌め入れることにより、陽極10は放電空間に保持される。Ｄ₁とＤ₃との差が小さ過ぎると、放熱部12が薄くなってしまうため、ランプ点灯時の熱やランプ製造時の外力により、陽極10が変形してしまうおそれがある。Ｄ₃とＤ₂との差が小さ過ぎると、凹部21の容積が小さくなってしまうため、陽極10の軽量化や電極内部を放熱する効果が小さくなってしまう。Ｌ₁とＬ₂との差が小さすぎると、凹部底面23と先端面14とが近づき過ぎてしまう。凹部底面23と先端面14とが近いと、電極保持孔18の底面が先端面に近づいてしまい、電極保持孔18を深くすることができない。電極保持孔18を深くできないと、電極保持孔18と内部リード棒７との嵌合が不十分となり、陽極10が内部リード棒７から抜けてしまう。特に、ランプを点滅させて使用した場合、電極の熱膨張・収縮により、陽極10はさらに抜け易くなってしまう。

陽極10の円柱高さをＬ₁とし、凹部21の深さをＬ₂とするとき、(Ｌ₁／３)＜Ｌ₂＜(２Ｌ₁)／３とするのが適当である。陽極10の胴部の最小外径をＤ₁とし、凹部21内に配設される内部リード棒７の最大外径をＤ₂とし、凹部21の最大径をＤ₃とするとき、(0.7×(Ｄ₁−Ｄ₂))＜Ｄ₃＜(1.1×(Ｄ₁−Ｄ₂))とするのが適当である。このような条件を満たすようにすることにより、陽極10の冷却効果が高くなり、陽極10の変形が防止され、熱による陽極10の抜けが防げる。また、陽極10が軽量化されていることにより、内部リード棒７の折れや、封止管の破損を防ぐことができる。したがって、ランプの寿命を長くすることができる。さらに、放熱部12の表面に微細な溝を設けることにより、放熱部12の断面積を大きくして、放熱部12による放熱効果を大きくすることができる。

上記のように、本発明の実施例１では、放電ランプを、放電点の反対側の内部リード棒で保持される背面に深い凹部を有する陽極を用いる構成としたので、円柱状の電極の後端面の凹部で、電極の先端部付近の熱を内部リード棒側に放出できるので、電極の軽量化ができ、放熱効果が上がり、放電ランプの使用寿命が延びる。

本発明の実施例２は、背面に凹部を有し、胴体面から凹部内部へと通ずる貫通孔が形成されている電極を用いる放電ランプである。

図３は、本発明の実施例２における放電ランプの陽極の拡大図である。図３（Ａ）は、陽極の外観図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ‐Ｂ断面図である。図３（Ａ）および（Ｂ）において、陽極20は、胴体面から凹部内部へと通ずる孔を有するプラス側電極である。貫通孔24は、胴体面13と凹部21とを接続する孔である。内部口35は、貫通孔24の凹部側面側の開口部分である。外部口36は、貫通孔24の胴体面側の開口部分である。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、陽極20の放熱部12に、胴体面13と凹部21とを接続する貫通孔24が設けられている。貫通孔24は、電極の放熱部12の円周方向に均等に４つ設けている。

貫通孔24を放熱部12に設けるにより、点灯時に高温となる陽極20の凹部21内の冷却効果を高めることができる。さらに、凹部21に通ずる貫通孔24の外部口26を胴体面13上に設けているので、貫通孔24に入り込む対流により放電が不安定になることがなく、貫通孔24の外部口26付近での異常な電極消耗のおそれもない。したがって、ランプの寿命を長くすることができる。

円周状に４つの貫通孔を設けた例を説明したが、４つに限定するものではなく、６つの孔でもよい。放熱部12の断面積が小さくなるので、陽極20の先端部11から放熱部12への熱伝達が小さくなることにより、先端部11を冷却する効果が小さくなるおそれがある。したがって、貫通孔24の径および数を適切に設定する必要がある。

本発明の実施例３は、背面に凹部を有し、胴体面から凹部内部へと通じ、電極先端面側に傾斜した貫通孔を有する電極を用いる放電ランプである。

図４は、本発明の実施例３における放電ランプの陽極の拡大図である。図４（Ａ）は、陽極の外観図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ‐Ｂ断面図である。図４（Ａ）および（Ｂ）において、陽極30は、電極先端面側に傾斜した孔を有するプラス側電極である。傾斜貫通孔34は、胴体面13と凹部21とを接続する孔であり、先端面14側に傾斜している。内部口35は、傾斜貫通孔34の凹部側面22側の開口部分である。外部口36は、傾斜貫通孔34の胴体面13側の開口部分であり、内部口35に比べて先端面14側に近づいている。Ｌ₃は、内部口35と外部口36との間の距離であって、電極の軸方向での長さである。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、傾斜貫通孔34は、内部口35に比べて外部口36が、先端面14側に傾斜しており、放熱部12から先端部11側へ入り込んでいる。

傾斜貫通孔34が、先端面14側に傾斜していることにより、陽極30の先端部11の熱を効率よく放射することができる。凹部底面23を陽極30の先端面14に近づけると、陽極30と内部リード棒７との嵌合が不十分になるおそれがあるが、傾斜貫通孔34が実質的に先端面14に近づいて、先端部11の冷却効果を高めることができる。陽極30の先端部11の冷却効果が高いので、陽極30の変形が防止でき、熱による陽極30の抜けが防げる。

さらに、凹部21に通ずる傾斜貫通孔34の外部口36を胴体面13上に設けているので、傾斜貫通孔34に入り込む対流により放電が不安定になることがなく、傾斜貫通孔34の外部口36付近での異常な電極消耗のおそれもない。したがって、ランプの寿命を長くすることができる。ただし、陽極30の変形や放電不安定や陽極30の異常な消耗のおそれがあるため、傾斜貫通孔34の外部口36を先端面14に近づけすぎないように、その位置を適切に設定する必要がある。

本発明の実施例４は、背面に凹部を有し、胴体面から凹部内部へと通じ、電極先端面側に傾斜した貫通孔を有し、放熱部を支える円盤状蓋部を有する電極を用いる放電ランプである。

図５は、本発明の実施例４における放電ランプの陽極の拡大図である。図５（Ａ）は、陽極の断面である。図５（Ｂ）は、陽極の背面側の側面図である。図５（Ａ）および（Ｂ）において、実施例３と同様の部分の説明は省略する。陽極40は、放熱部を支える円盤状蓋部を有する陽極である。蓋部27は、内部リード棒７と放熱部12とを接続する円柱状部材である。蓋貫通孔28は、蓋部の円柱軸方向に設けた貫通孔である。

蓋部27は、陽極40の凹部21内に配設され、内部リード棒７に対して放熱部12を支えている。蓋部27は、少なくとも内部リード棒７もしく陽極40の凹部21に、溶接や圧入により固定されている。蓋部27は蓋貫通孔28を有し、陽極40の凹部21の凹部底面23側と陽極40の胴体面13側とを空間的に接続している。蓋貫通孔28は、蓋部27の円周方向に均一に４つ設けてある。蓋部27を有することにより、陽極40の放熱部12は、内部リード棒７に対して安定して保持され、先端部11の変形を防ぐことができる。さらに、蓋貫通孔28を設けることにより、電極の先端部11の熱および凹部底面23付近の熱を効果的に陽極40の背面17側に放出することができるので、陽極40の冷却効果を高めることができる。

本発明の放電ランプは、電極の温度上昇が少なく、紫外線を照射する放電ランプとして最適である。

本発明の実施例１における放電ランプの外観図である。 本発明の実施例１における放電ランプの陽極の拡大図である。 本発明の実施例２における放電ランプの陽極の拡大図である。 本発明の実施例３における放電ランプの陽極の拡大図である。 本発明の実施例４における放電ランプの陽極の拡大図である。 従来の放電ランプの電極の構造を示す概念図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
２ 発光部
３ 封止管部
４ 口金
５ 外部リード棒
６ 金属箔
７ 内部リード棒
９ 陰極
10,20,30,40 陽極
11 先端部
12 放熱部
13 胴体面
14 先端面
15 先端側テーパ面
16 背面側テーパ面
17 背面
18 電極保持孔
21 凹部
22 凹部側面
23 凹部底面
24 貫通孔
34 傾斜貫通孔
25,35 内部口
26,36 外部口
27 蓋部
28 蓋貫通孔

Claims (5)

1. 発光管と、前記発光管内にて対向する一対の円柱状の電極と、前記電極を前記発光管内に保持する内部リード棒とを具備する放電ランプにおいて、前記電極には、前記内部リード棒との接続部と同軸状に、前記接続部より大きい穴径であって、前記穴径より大きい深さの凹部が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記電極には、前記電極の側面側開口部から凹部側開口部へと通じる貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 前記側面側開口部は、前記凹部側開口部よりも前記電極の放電端側に近いことを特徴とする請求項２記載の放電ランプ。
4. 前記電極の円柱高さをＬ₁とし、前記凹部の深さをＬ₂とすると、(Ｌ₁／３)＜Ｌ₂＜(２Ｌ₁／３)であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 前記電極の外径をＤ₁とし、前記凹部内における内部リード棒の最大外径をＤ₂とし、前記凹部の最大径をＤ₃とするとき、(0.7×(Ｄ₁−Ｄ₂))＜Ｄ₃＜(1.1×(Ｄ₁−Ｄ₂))であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

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