KR101689922B1

KR101689922B1 - 쇼트 아크형 수은 램프

Info

Publication number: KR101689922B1
Application number: KR1020130077634A
Authority: KR
Inventors: 마사키 가토; 유키오 야스다
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2016-12-26
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP2014017134A; DE102013107327A1; CN103545167B; US8841843B2; KR20140007747A; CN103545167A; TW201403657A; DE102013107327B4; US20140015404A1; JP5664602B2; TWI585818B

Abstract

발광관 내에 음극과 양극이 대향 배치됨과 함께, 상기 발광관 내에 수은 및 희가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, 희가스로서 크립톤을 봉입한 경우에도, 아르곤 봉입 램프와 동등 이상의 초기 방사 조도를 얻을 수 있음과 함께, 소정 시간 경과 후에도 급격한 방사 조도의 저하가 없으며, 아르곤 봉입 램프에 비해, 사양 수명이 극히 긴 램프 구조를 제공하는 것이다.
상기 양극 선단측의 테이퍼부의 선단면의 반경을 r(mm), 상기 양극의 전극 축심과 테이퍼면이 이루는 각도를 θ(°), 극간 거리를 d₀(mm)로 했을 때, 1-r/(d₀×tanθ)≥0.66을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 수은 램프{SHORT ARC TYPE MERCURY LAMP}

이 발명은, 쇼트 아크형 수은 램프에 관한 것이며, 특히, 발광관 내에 수은과 희가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프에 관한 것이다.

통상, 반도체 노광, LCD 노광용 등의 광원으로서, 수은과 희가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프가 적합하게 사용되고 있다.

일본국 특허공개 2003-234083호 공보(특허 문헌 1)에는, 이와 같은 쇼트 아크형 수은 램프의 일례가 개시되어 있으며, 희가스로서, 아르곤, 크립톤, 크세논을 각각 봉입하여 구성한 것이 기재되어 있다.

이 문헌에 의하면, 이들 희가스를 각각 동일한 압력으로 봉입한 램프에서는, 동일한 조건으로 점등한 경우, 아르곤을 봉입한 것이 가장 높은 방사 조도를 얻을 수 있는 것이 시사되고 있다.

이와 같이 희가스의 종류에 따라 방사 조도가 변동하는 이유는, 간단하게 말하면, 가스의 열전도율에 의한 차이로부터 초래되는 것으로서, 열전도율이 높은 것이 수은 아크를 수축시킬 수 있기 때문에, 아크가 가늘어져, 이것에 의해 전류 밀도가 높아지고, 보다 고휘도의 광원을 얻을 수 있다는 것이다. 이 열전도율은, 아르곤>크립톤>크세논의 순서로 높으며, 따라서, 조사면의 방사 조도에 있어서도 이 순서로 높아진다.

도 7의 아크의 모식도를 참조하여, 아르곤 가스를 봉입한 램프 (A)의 아크와, 크립톤 가스를 봉입한 램프 (B)에 관해서, 아크의 크기를 비교하면, 아르곤 가스를 봉입한 램프 (A)에 있어서는, 음극 내지 양극의 사이에 있어서, 아크는 양극을 향해 약간 퍼지지만, 그 폭(직경)은 억제되어 있어, 양극의 선단면의 중심으로 수축하도록 아크가 수축된다. 이에 반해 크립톤을 봉입한 램프 (B)에서는, 음극 선단으로부터 형성되는 아크는 양극을 향해 연속적으로 퍼져, 양극의 선단면의 거의 전역에서, 더욱 넓은 범위에서 아크를 받게 된다.

이러한 지견으로부터, 종래, 쇼트 아크형 수은 램프에는, 높은 휘도를 실현할 수 있는 것으로서 아르곤을 봉입하는 것이 일반적이었다.

그런데 아르곤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프, 특히, 아르곤을 정압으로 0.25MPa 이상 봉입한 램프에 있어서는, 점등 시간이 소정 시간, 예를 들면 1500시간을 경과하면, 방사 조도 유지율이 급격하게 저하되는 경우가 있다.

본 발명자들이, 이 램프의 급격한 방사 조도의 저하의 원인에 대해서 예의 검증한바, 램프 전류가 150A 이하에서 점등되면 문제없지만, 이것이 예를 들면 180A 이상이 되면 현저하게 발생하는 것이 판명되었다.

그리고 방사 조도 유지율의 저하가 생긴 램프에는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 양극의 선단면에 요철 X가 형성되어 있는 것이 확인되었다. 이 이유는, 아르곤 가스에 의해 아크가 수축됨으로써, 아크가 양극 선단면에 있어서 국소적으로 집중되어 전류 밀도가 높아지고, 선단면이 과열되어 열응력이 발생함으로써, 변형되었기 때문이라고 고찰된다.

양극의 선단에서 변형이 생기면, 변형된 부분에 아크가 집중되어 더 과열되며, 양극 재료인 텅스텐이 증발하여 발광관에 부착되어, 흑화가 진행된다. 이러한 일련의 현상이, 일정 시간 경과 후, 급속히 진행됨으로써, 급격하게 방사 조도가 저하되는 것이라고 생각된다.

이러한 현상은, 아르곤 이외의, 크립톤, 크세논을 봉입한 램프에 있어서는 관측되고 있지 않다.

즉, 단지 램프의 수명을 늘리는 것에 주안점을 두면, 아르곤보다 열전도율이 낮은 희가스로서, 예를 들면 크립톤을 이용하면, 이 문제를 해소할 수 있다.

그러나 그 경우, 상기 서술한 바와 같이, 아르곤과 같이 아크를 가늘게 수축시킬 수 없기 때문에, 조사면에서 높은 방사 조도를 얻지 못하여, 필요한 초기 방사 조도를 얻을 수 없다는 다른 문제가 생긴다.

일본국 특허공개 2003-234083호 공보

이 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 발광관 내에 수은 및 희가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, 희가스로서, 크립톤을 봉입한 것에 있어서도, 아르곤을 봉입한 경우와 동일한 초기 방사 조도를 얻으면서, 장시간 점등해도 방사 조도의 급격한 저하를 억제하여, 고수준의 방사 조도 유지율을 장기간에 걸쳐 확보할 수 있는, 쇼트 아크형 수은 램프를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명에서는, 발광관 내에 음극과 양극이 대향 배치됨과 함께, 상기 발광관 내에 수은 및 희가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, 희가스로서, 크립톤이 봉입되고, 상기 양극의 선단측에 테이퍼면이 형성되어 이루어짐과 함께, 상기 양극의 선단에는 평탄한 선단면이 형성되어 이루어지며, 상기 양극 선단면의 반경을 r(mm), 상기 양극의 축방향 횡단면에 있어서, 전극 축심과 테이퍼면이 이루는 각도를 θ(°), 상기 음극과 상기 양극 간의 이격 거리를 d₀(mm)로 했을 때, 1-r/(d₀× tanθ)≥0.66을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 희가스로서 크립톤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서는, 크립톤이 아르곤보다 열전도율이 낮기 때문에 아크가 퍼져, 높은 전류 밀도를 얻을 수 없지만, 양극의 선단부 형상 및 양극과 음극의 극간의 관계가, 양극 선단면의 반경을 r(mm), 상기 양극의 축방향 횡단면에 있어서 전극 축심과 테이퍼면이 이루는 각도를 θ(°), 음극과 양극 간의 이격 거리를 d₀(mm)로 했을 때, 1-r/(d₀×tanθ)≥0.66을 만족함으로써, 아크를 수축시키지 않고도 방사광의 취출량을 증대시킬 수 있게 되어, 초기 방사 조도를 아르곤 봉입의 램프와 동등 이상으로 얻을 수 있게 된다.

또한, 희가스로서 크립톤을 봉입함으로써, 아르곤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프와 비교해, 아크가 수축되어 전류 밀도가 높아진다는 작용이 적어지므로, 이러한 아크가 수축되지 않는다는 작용을 이용하여, 양극 선단에 아크가 집중되는 것을 완화하고, 양극 재료인 텅스텐의 증발을 억제하여, 방사 조도가 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 희가스로서 크립톤을 봉입한 것에 의해, 아르곤을 봉입한 것과 동등 이상이 높은 초기 방사 조도를 얻을 수 있음과 함께, 양극 형상을 소정의 형상으로 함으로써 방사 조도 유지율의 급격한 저하가 없으며, 긴 사용 수명의 램프를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 쇼트 아크형 수은 램프의 전체 구조도.
도 2는 양극 및 음극을 나타낸 부분 확대도.
도 3은 양극의 선단부의 지름을 작게 한 형태를 나타낸 도.
도 4는 양극의 테이퍼각을 크게 한 형태를 나타낸 도.
도 5는 전극 형상 및 봉입 가스를 바꾸어 제작한 램프 1~램프 9의 초기 방사 조도 및 방사 조도 유지율의 결과를 정리하여 나타낸 표.
도 6은 본 발명 램프와 비교예 램프의 방사 조도 유지율을 나타낸 그래프.
도 7은 아르곤을 봉입한 램프의 아크의 크기와, 크립톤을 봉입한 램프의 아크의 크기를 모식적으로 나타낸 도.
도 8은 종래 기술의 아르곤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프의 양극 선단의 변형 형상을 모식적으로 나타낸 도.

도 1은 본 발명에 관련된 쇼트 아크형 수은 램프의 전체를 나타낸 도이다.

쇼트 아크형 수은 램프(1)는, 예를 들면 석영 유리 등의 투광성 재료로 구성되는 발광관(2)을 구비하고, 상기 발광관(2)은, 중앙부에 형성된 팽출(膨出)된 형상을 가지는 발광부(3)와, 상기 발광부(3)의 양단으로부터 각각 바깥 방향으로 신장하는 원통형상의 봉지부(4, 4)를 구비하고 있다. 또 봉지부(4, 4)의 단부에는 구금(口金)(5, 5)이 접속되어 있다.

그리고 상기 발광관(2)의 내부에는 수은 및 크립톤이 봉입됨과 함께, 한 쌍의 음극(6)과 양극(7)이 대향 배치되어 있으며, 이 음극(6)과 양극(7)은, 모두 텅스텐을 주성분으로 하여 구성되며, 발광부(3)의 중앙에 있어서 소정 거리 만큼 이격하여 대향 배치되어 있다.

수은은, 자외선을 방사하기 위한 발광 물질이며, 예를 들면 0.8~5.0(mg/cm ³)의 비율로 봉입된다.

그리고 본 발명에 있어서는, 봉입되는 희가스로서, 크립톤(Kr)이 선택되어 있으며, 바람직하게는 0.25Mpa(2.5atm) 이상 봉입된다.

이와 같은 쇼트 아크형 수은 램프로부터 방사된 광은, 방사광을 포착하는 오목면 형상의 반사 미러와 함께 광원 장치로서 구성됨으로써, 방사광을 소정의 광학계를 향하게 하여 집광하는 것이다.

그런데 도 7을 이용하여 설명한 바와 같이, 아르곤을 봉입한 종래의 쇼트 아크형 수은 램프에 대해, 단지 희가스를 크립톤으로 치환한 경우, 아크는 퍼지게 된다. 이 때문에, 상기한 바와 같은 광학계에 장착된 경우, 램프로부터의 광을 반사 미러로 집광할 때, 미러의 초점 위치에 수렴하는 방사량이 저하하게 되어, 이론적으로는 램프의 효율이 저하하게 된다.

그러나 본 발명에 있어서는, 양극 선단부의 형상을 소정의 요건을 만족하는 형상으로 함으로써, 종래, 양극에 의해 차광되어 이용할 수 없었던 광을 취출하는 것을 가능하게 하여, 크립톤을 봉입 가스로 한 것에 의해 아크가 퍼진 만큼의 방사량 저하를 보충하여, 실질적으로 종래 기술에 관련된 아르곤 봉입의 쇼트 아크형 수은 램프와 비교해도 손색이 없는 효율로 방사광을 이용할 수 있게 된다.

그런데 이런 종류의 쇼트 아크형 수은 램프에서는, 음극의 선단부의 선단면은 높은 전류 밀도를 얻고, 고휘도를 얻기 위해, 양극에 비해 충분히 작은 지름의 것이 사용되고 있으며, 또, 선단의 테이퍼 각도 40~70°로 양극에 비해 작게 되어 있다. 이 때문에, 음극 형상을 변경해도 대폭적인 이용 효율 상승에 대한 기여는 작다. 그래서, 본 발명에서는, 양극 형상에 주목하여 광의 이용 효율의 향상을 의도한 것이다.

이하, 본 발명에 관련된 양극의 형상에 대해서 상세하게 설명한다.

도 2는, 쇼트 아크형 수은 램프의 음극(6) 및 양극(7)을 확대하여 나타낸 설명도이다. 이 램프에 있어서는, 양극(7)은, 그 선단측에 테이퍼면(7b)이 형성됨과 함께, 당해 테이퍼면(7b)의 선단, 즉 양극(7)의 선단에는 평탄한 선단면(7a)이 형성되어 있으며, 당해 선단면(7a)이 음극(6)과 대향 배치되어 있다.

그러나 상기 한 쌍의 음극(6)과 양극(7)의 이격 거리, 즉 극간 거리 d₀는, 이런 종류의 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서는 램프 입력 등의 사양에 따라 규정되어 있으며, 그 극간 거리 d₀(mm)는 동일한 사양의 램프인 경우 일정하다.

이 때문에, 양극(7)의 치수상 변경 가능한 구성은, 양극 선단면(7a)의 크기, 즉, 반경 r(mm)과, 축방향 횡단면에 있어서, 테이퍼면(양극 선단에 있어서의 경사면)(7b)과 전극 축심 L이 이루는 각도(이하, 경사 각도라고도 한다) θ(°)가 되므로, 이들 조건을 변경한 경우에, 크립톤을 봉입한 램프에서의 효율이 양호해지는 양극 형상에 대해서 검토하는 것으로 했다. 또한, 도 2를 참조하여 테이퍼면(7b)의 경사 각도 θ를 설명하면, 전극 축심 L과 테이퍼면(7b)의 능선에 따른 선분 A의 교점을 O로 했을 때, 이 교점 O를 정점으로 하여 전극축 L과 선분 A가 이루는 각도이다.

그리고 도 2에 있어서, 양극 선단면(7a)을 밑변으로 하고, 전극 축심 L과 선분 A의 교점 O를 정점으로 하여 잇는 이등변 삼각형으로 표시되는 해칭으로 나타낸 영역(이하, 가상 양극 선단 영역이라고 한다) S에 존재하는 방사광은, 양극 본체의 그늘이 되어 광의 비네팅(vignetting)이 발생하고, 외부로 방사되지 않아, 실질적으로 이용할 수 없다. 바꾸어 말하면, 이 가상 양극 선단 영역 S를 작게 함으로써, 아크로부터 방사되는 방사광량을 증대시킬 수 있다. 또한, 이 도면에서는 이 영역 S를 평면적으로 나타냈지만, 실제의 램프에 있어서는, 선단면(7a)을 밑변으로 하고 교점 O를 정점으로 하여, 전극 축심 L을 회전축으로 한 원뿔체형상의 영역이다.

도 2에 있어서, 극간 거리 d₀를, 선분 A와 전극 축심 L의 교점 O에서 분할하여 표시하면, 음극(6)의 선단과 교점 O의 거리 d와, 양극(7)의 선단과 교점 O의 거리 d₁의 합이 된다. 이 거리 d₁(mm)는, 양극 선단면(7a)의 반경 r(mm)의 함수로 나타낼 수 있으며, d₁=r/tanθ이다.

여기서, 음극 선단과 교점 O의 거리 d는, 광축 상의 점 O로부터 방사되는 광이 양극에서 차광되지 않고, 유효하게 이용될 수 있는 입체각 Ω=2πcosθ 이상을 만족하는 가상 극간 거리이며, 실체적인 극간 거리 d₀에 대해 이 가상 극간 거리 d가 차지하는 비율이 클수록, 이론상 이용할 수 있는 방사광이 많아진다.

극간 거리 d₀는, d₀=d₁+d이므로, d₀=r/tanθ+d가 된다. 여기서, 음극 선단과 교점 O의 거리 d가, 극간 거리 d₀에 있어서 차지하는 비율(d/d₀)을 나타내면 다음 식으로 표시된다.

(식 1) d/d₀=1-r/(d₀×tanθ)

단,

r：양극 선단면의 반경(mm)

θ：양극 테이퍼면의 전극 축심에 대한 경사 각도 θ(°)

d₀：음극과 양극의 이격 거리(극간 거리)(mm)

d：전극 축심 상의 점 O로부터 방사되는 광이 양극에서 차광되지 않고,

이용될 수 있는 입체각 Ω=2πcosθ 이상을 만족하는 가상 극간 거리(mm)

이상과 같이, 극간 거리(d₀)가 일정할 때, 양극 선단면(7a)의 치수(반경 r)와, 테이퍼면(7b)과 전극 축심 L이 이루는 각도(θ)를 다양하게 변경하면, 도 2에 있어서의 광축 상의 점 O로부터 방사되는 광이 양극(7)에서 차광되지 않고 유효하게 이용될 수 있는 가상 극간 거리 d를 도출할 수 있다.

도 3은, 도 2에서 나타낸 양극 형상에 대해, 양극 선단면(7a)의 반경 r(mm)의 크기를 바꾸지 않고, 전극 축심 L에 대한 테이퍼면(7b)의 각도 θ₁을 보다 커지도록 변경한 것이다(θ₁>θ).

물론, 이 예에서도 광축 상의 점 O로부터 방사되는 광이 양극에서 차광되지 않고, 유효하게 이용될 수 있는 입체각 Ω=2πcosθ₁ 이상을 만족하는 가상 극간 거리 d(mm)는, d=d₀-(r/tanθ₁)이 된다.

도 3에 나타내는 양극 구조와 도 2에 나타내는 양극 구조를 비교하면 분명한 바와 같이, 테이퍼면(7b)의 전극 축심(L)에 대한 경사 각도(θ₁)가 클수록, 가상 양극 선단 영역 S가 작아져, 가상 극간 거리 d(mm)를 큰 비율로 형성할 수 있다.

도 4는, 도 2에서 나타낸 양극 형상에 대해, 테이퍼면(7b)의 각도(θ)를 바꾸지 않고, 양극 선단면(7a)의 반경 r₁(mm)을 더욱 작아지도록 변경한 것이다(r₁ <r).

물론, 이 예에서도 광축 상의 점 O로부터 방사되는 광이 양극에서 차광되지 않고, 유효하게 이용될 수 있는 입체각 Ω=2πcosθ 이상을 만족하는 가상 극간 거리 d(mm)는 d=d₀-(r₁/tanθ)가 된다.

도 4와 도 2에 나타내는 양극 구조를 비교하면 분명한 바와 같이, 양극 선단면(7a)의 반경 r₁(mm)이 작을수록 가상 양극 선단 영역 S가 작아져, 가상 극간 거리 d(mm)를 큰 비율로 형성할 수 있다.

이상, 도 2~도 4에서 나타낸 양극의 설계 기준에 기초하여, 크립톤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프에 관하여, 종래 기술에 관련된 아르곤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프에 대해 100% 이상의 초기 방사 조도를 얻을 수 있는, 양극 선단면(7a)의 반경 r(mm) 및 테이퍼면(7b)과 전극 축심이 이루는 각도 θ(°)의 크기(범위)에 대해서 검증을 행했다.

또한, d/d₀를 크게 하기 위해서는 상기 서술한 바와 같이, θ를 크게 하는 것과, r을 작게 하는 것, 2가지의 방법이 있다. 즉, θ=90° 또는 r=0을 만족한 경우, 이론 상 d/d₀=1이 되어 최대가 된다.

그러나 실제의 램프에 있어서는 d/d₀=1이 되지는 않는다. 이 이유는 다음과 같다.

도 1을 참조하여, 우선, 양극 선단의 테이퍼면(7b)의 경사 각도 θ에 관해서는, θ가 70 ° 이상이 되면, 발광관(2) 내의 양극(7)으로부터의 대류는, 수평 방향으로의 흐름이 주류가 되어, 발광관(2)의 상방을 향할 수 없게 된다. 이 때문에, 증발한 텅스텐이 벌브(발광관)(2)의 중앙부에 부착되기 쉬워져, 방사 조도 유지율이 나빠진다.

다음에, 양극 선단면(7a)의 반경 r(mm)의 크기는, 양극 선단면(7a)의 전류 밀도가 10(A/mm²) 이상이 된 경우, 전극이 녹는 일이 발생하기 쉬우며, 결국 이것이 발광관(2)에 부착되어, 방사 조도 유지율이 나빠지는 것이 경험적으로 알려져 있다.

이러한 이유로부터, 반경 r 및 테이퍼면의 경사 각도 θ에 관해서는, 이런 종류의 쇼트 아크형 수은 램프에 적용 가능한 범위를 일탈하지 않는 상한 범위로 하여, 적당하게 선택할 필요가 있다.

따라서, 본 발명자들은, 상기 경험적으로 정해진 양극의 수치 범위를 넘지 않고, 가능한 범위에서 파라미터를 변경하여, 높은 초기 방사 조도를 얻을 수 있는 형상에 대해서 검증 실험을 행했다.

이하, 검증 실험에 이용한 램프의 사양을 나타낸다.

<램프 사양(1)>

발광관 재질：석영 유리

양극 재질：텅스텐, 최대 지름부 직경：φ40mm

극간 거리：8.5mm

입력 전력：7.5kW

램프 전류：200A

수은 밀도：2.4mg/cc

희가스 가스종：아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr)

봉입 압력(정압 환산)：0.46MPa(4.5atm)

상기의 사양으로 하여, 희가스의 종류, 양극 선단면의 반경 r(mm) 및 양극 선단의 테이퍼부의 경사 각도 θ를 바꾸어, 램프 1~램프 9를 제작했다.

램프 1~램프 5는, 모두 아르곤 가스를 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프이다.

램프 1은 종래 기술에 관련된 램프이며, 양극 선단면의 반경 r은 6mm, 선단의 테이퍼부의 경사 각도 θ는 60°이다.

이 램프 1에 관해서 상기 서술한 (식 1)을 적용하여 d/d₀를 산출했더니 0.59 였다.

이하, 동일하게 하여, 램프 2~5에 대해서, r(mm), θ(°)를 변화시키고, d/ d₀, 즉, 1-r/(d₀×tanθ)를 변화시킨 램프를 제작하여, 각각의 초기 방사 조도 및 방사 조도 유지율을 검증한 결과가 각각 도 5에 나타나 있다.

도 5에 있어서는, 램프 2~5의 초기 방사 조도는, 램프 1의 것을 기준(100)으로 한 상대치로 나타내어져 있다. 그 결과를 보면, 램프 5를 제외하고 초기 방사 조도는 램프 1과 동등 혹은 그 이상이며, 이들 램프 2~4에 대해서 초기 방사 조도는 문제가 없다.

그러나 방사 조도 유지율을 보면, 램프 1~5의 모두, 소정 시간 경과 후에 방사 조도의 급저하가 발생하여, 긴 사용 수명을 얻을 수 없었다.

그 다음에, 도 5 중의 램프 6~9는, 본 발명이 대상으로 하는, 희가스로서 크립톤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프이다. 이들 램프 6~9에 대해서 이하 검증한다.

램프 6의 양극 형상은, 종래 기술의 아르곤 봉입의 램프 1과 동일하며, 즉, 양극 선단면(7a)의 반경 r=6mm, 선단 테이퍼면(7b)의 경사 각도 θ=60°이며, 이 램프 6에서는, d/d₀는, 램프 1과 동일한 0.59이다.

램프 7, 8은, 양극 선단의 테이퍼면의 경사 각도 θ=60°이며, 램프 1과 동등하지만, 선단면의 반경 r이 각각 달라, 램프 7에서는 r=3.5mm, 램프 8에서는 r=5mm이다. 이들 램프에 있어서의 d/d₀는, 각각 0.76과 0.66 이다.

램프 9는, 선단면의 반경 r=6mm로 램프 1과 동등하지만, 테이퍼면의 경사 각도 θ=65°로 한 것이며, 이 램프 9의 경우, d/d₀는 0.67이 된다.

<초기 방사 조도>

램프 6은, 크립톤을 이용했기 때문에 초기 방사 조도가 램프 1보다 저하되어 버려, 동일한 방사량을 얻을 수 없었다. 즉, 양극 형상이 동일한 램프에서는, 크립톤을 봉입한 램프는, 아르곤을 봉입한 램프와의 비교에서 충분한 초기 조도를 얻을 수 없는 것이 실증되고 있다.

램프 7은, d/d₀=0.76이며, 이미 서술한 바와 같이, 이론 상, 이용할 수 있는 광의 양이 램프 1이나 램프 6에 비해 커지게 된다. 실제로 그 결과를 보면, 이 램프 7의 초기 방사 조도는 상대치로 103이 되어, 램프 1을 웃도는 방사 조도를 얻을 수 있었다.

램프 8에 있어서도, 초기 방사 조도는 상대치로 100이며, 램프 1과 동등한 방사 조도를 얻을 수 있었다.

또, 램프 9에 있어서도, 그 초기 방사 조도는 상대치로 100이며, 램프 1의 것과 동일한 초기 방사 조도를 얻을 수 있는 것이 판명되었다.

이상에 의해, 램프 7~9에 있어서는, 모두 종래 기술에 의한 램프 1과 동등 이상의 초기 방사 조도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

<방사 조도 유지율>

그 다음에, 방사 조도 유지율을 검증한바, 크립톤을 봉입한 램프 6~9에 있어서는, 모두, 1500시간 경과 후에 있어서도 방사 조도의 급격한 저하가 보여지지 않으며, 방사 조도 유지율은, 아르곤 봉입의 램프 1~5와의 비교에 있어서, 장시간에 걸쳐 고수준이 유지되어, 긴 사용 수명을 얻을 수 있는 것이 판명되었다.

이상의 결과를 종합적으로 판단하면, 희가스로서 크립톤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, d/d₀(즉, 1-r/(d₀×tanθ))의 값이, 0.66 이상인 경우에, 동일한 봉입압으로 아르곤을 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프와 초기 방사 조도가 동일한 정도 이상이며, 또한, 방사 조도 유지율이 장시간에 걸쳐 고수준으로 유지되는 것을 알 수 있다.

이하, 일실시예에 대해서 설명한다.

<램프 사양(2)>

발광관 재질：석영 유리

양극 재질：텅스텐

형상 치수：최대 지름부 직경：φ35mm, 선단면 반경(r)：4.4mm

전극간 거리(d₀)：7.5mm

입력 전력：6.5kW

램프 전류：215A

수은 밀도：1.8mg/cc

희가스 가스종：크립톤(Kr)

봉입 압력(정압 환산)：0.36MPa(3.5atm)

테이퍼면 경사 각도(θ)：60°

이상의 사양으로 제작한 실시예의 쇼트 아크형 수은 램프에서는, d/d₀(즉, 1 -r/(d₀×tanθ))의 값은, 0.66이다.

이 램프의 초기 방사 조도 및 방사 조도 유지율을 측정했다.

비교예 램프로서, 상기 사양(2)의 실시예 램프에 있어서의 봉입 희가스를, 크립톤에서 아르곤으로 바꾼 램프를 제작하고, 동일한 점등 조건으로 점등하여, 초기 방사 조도 및 방사 조도 유지율을 측정했다.

상기 실시예 램프와 비교예 램프의 방사 조도를 측정한 결과가 도 6에 나타나 있다.

비교예의 아르곤 가스를 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프 (도면 중 △표시)에서는, 점등 시간이 1500시간을 경과하면 방사 조도가 초기 방사 조도의 30% 가까이까지 급격하게 저하되었다.

한편, 본 발명의 실시예의 크립톤 가스를 봉입한 쇼트 아크형 수은 램프 (도면 중 ■표시)에서는, 비교예 램프와 동등한 초기 방사 조도를 얻을 수 있음과 함께, 점등 시간이 3000시간을 경과해도, 초기 방사 조도에 대해 70% 이상이 높은 방사 조도를 유지할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, 희가스로서 크립톤(Kr)을 봉입하고, 양극 형상으로 하여, 실제의 극간 거리(d₀)에 대해 가상 극간 거리(d)가 차지하는 비율(d/d₀, 즉, 1-r/d₀×tanθ))을 0.66 이상으로 함으로써, 아르곤 봉입 램프와 동등 이상의 초기 방사 조도를 얻을 수 있음과 함께, 점등 시간이 3000시간을 경과해도, 급격한 조도 저하를 초래하지 않으며, 초기 방사 조도에 대해 70% 이상의 높은 방사 조도가 유지되어, 종래 기술과 비교해 2배 이상이 긴 사용 수명을 얻을 수 있는 것이다.

1: 쇼트 아크형 수은 램프 2: 발광관
3: 발광부 4: 봉지부
5: 구금 6: 음극
7: 양극 7a: 선단면
7b: 테이퍼부 r: 선단면의 반경
θ: 테이퍼부의 경사 각도 d: 극간 거리
d₀: 가상 극간 거리 S: 가상 양극 선단 영역

Claims

발광관 내에 음극과 양극이 대향 배치됨과 함께, 상기 발광관 내에 수은 및 희가스가 봉입되고, 수은이 0.8 ~ 5.0 mg/cm ³ 봉입되며, 램프 전류 180A 이상에서 점등되는 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서,
희가스로서, 크립톤이 0.25MPa 이상 봉입되고,
상기 양극은 선단측에 테이퍼부가 형성되어 이루어짐과 함께, 상기 양극의 선단에는 평탄한 선단면이 형성되어 이루어지며,
상기 양극 선단면의 반경을 r(mm),
상기 양극의 축방향 횡단면에 있어서, 전극 축심과 테이퍼면이 이루는 각도를 θ(°),
상기 음극과 상기 양극 간의 이격 거리를 d₀(mm)로 했을 때,
1-r/(d₀×tanθ)≥0.66을 만족하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.