(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電管と、前記放電管の内部にて互いに対向して配置した陰極及び陽極と、を有し、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部とタングステン製の基体の２つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、
前記頭部と前記基体の間に環状のスペーサが配置されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
【請求項２】
請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、
前記スペーサは、金属製シートを環状にくり抜いて形成された、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項３】
請求項１のショートアーク型放電ランプにおいて、
前記スペーサは、線状金属を平面に沿って巻いて形成された、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
前記スペーサの厚さは、０．５〜２．０ｍｍである、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
前記スペーサは、塑性変形可能な軟性金属製である、ショートアーク型放電ランプ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載のショートアーク型放電ランプにおいて、
前記スペーサは、ニオブ又はタンタル製である、ショートアーク型放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線を発光する高圧水銀ランプに関し、特に、アーク長が比較的短いショートアーク型放電ランプに関する。本発明は、特に、ショートアーク型放電ランプの電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧水銀ランプのうち、アーク長が比較的短い構造のランプはショートアーク型放電ランプと称される。ショートアーク型放電ランプは、高輝度の光を放射することができるため広い分野で用いられる。特に、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプや４３６ｎｍのｇ線ランプは、半導体、液晶、プリント基板等の製造工程における露光用光源として用いられる。
【０００３】
ショートアーク型放電ランプの電極は通常タングステン製である。しかしながら、従来、製造工程で用いられる露光用ランプでは、エミッション性能を向上させるために、トリエーテッドタングステン製の電極が用いられる。トリエーテッドタングステン（以下、トリタン）はタングステンにトリウムを添加したものである。トリタン製の電極では、トリウムがエミッタとなる。
【０００４】
トリウムは、エミッタとして優れた物質であるが、放射性物質であるため、環境負荷物質と見做され、近年、その使用について法規上の規制が設けられている。そこでトリウムの代替物質が探究されている。例えば、ランタン、イリジウム等が候補として挙げられている。しかしながら、トリウムに代わり得るエミッタ物質を見つけるのは困難である。そこで、現時点ではトリウムの使用量を軽減する要請がある。
【０００５】
特許文献１には、リード棒の凸部を陰極先端部の挿入穴に挿入することにより形成された放電管用陰極の例が記載されている。リード棒と陰極先端部の間隙にモリブデン−ルテニウムろうが充填されている。リード棒はモリブデンからなり、陰極先端部はバリウムを含浸した多孔質タングステンからなる。特許文献２には、先端部の凸部を胴体部の凹部に嵌合することにより形成された放電ランプ用電極の例が記載されている。先端部と胴体部の接合部にはＳＰＳ接合処理が施されている。先端部はトリエーテッドタングステンからなり、胴体部は純タングステンからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２９４７７号公報（特許第４２８３４９２号）
【特許文献２】特開２０１４−７１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構成で先端部の動作温度の上昇を防止し、エミッタの早期枯渇を回避し、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、アーク不安定性及び先端部の飛散による黒化現象を抑制することができる陰極を備えたショートアーク型放電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】
【０００８】
環境負荷の低減の要請からトリウムの使用量を低減する必要があるが、陰極のトリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。トリウムの使用による利点を享受すると同時に環境負荷を低減する必要がある。そこで、本願の発明者は、簡単な構成で先端部の動作温度の上昇を防止し、エミッタの早期枯渇を回避し、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減できる陰極を検討した。本願の発明者は、陰極を、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部とタングステン製の基体の２つの部材を含むように構成した。更に、本願の発明者は、アーク不安定性及び先端部の飛散による黒化現象を抑制することができる陰極の構成を検討した。
【０００９】
本発明によると、放電管と、前記放電管の内部にて互いに対向して配置した陰極及び陽極と、を有し、前記放電管の中心軸線が略垂直に設置されるように構成されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、トリエーテッドタングステン（トリタン）製の頭部とタングステン製の基体の２つの部材を含み、前記基体は軸線方向に延びる凸部を有し、前記頭部は軸線方向に延びる凹部を有し、前記凸部を前記凹部に係合させることによって、前記頭部と前記基体が一体的に組み立てられて前記陰極が構成され、前記頭部と前記基体の間に環状のスペーサが配置されている。
【００１０】
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記スペーサは、金属製シートを環状にくり抜いて形成された、としてよい。
【００１１】
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記スペーサは、線状金属を平面に沿って巻いて形成された、としてよい。
【００１２】
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記スペーサの厚さは、０．５〜２．０ｍｍである、としてよい。
【００１３】
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記スペーサは、塑性変形可能な軟性金属製である、としてよい。
【００１４】
本発明の実施の形態によると、前記ショートアーク型放電ランプにおいて、前記スペーサは、ニオブ又はタンタル製である、としてよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、簡単な構成で先端部の動作温度の上昇を防止し、エミッタの早期枯渇を回避し、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、アーク不安定性及び先端部の飛散による黒化現象を抑制することができる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示すための簡略化した断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプのシール管部の拡大断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプのシール管部の電極マウントにおける電気的接続方法を説明する図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極の外観を説明する図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極の構造を説明する図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極に用いるスペーサの外観を説明する図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陰極に用いるスペーサの外観を説明する図である。
【図５】図５は、本願の発明者が行った実験の結果を示す図である。
【図６】図６は、本願の発明者が行った実験の結果を示す図である。
【図７】図７は、本願の発明者が行った実験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプを説明する。なお、全図において、各部材の厚さ、長さ、形状、部材同士の間隔、隙間等は、理解の容易のために、適宜、拡大・縮小・変形・簡略化等をしている。図の説明の際の上下・左右の表現は、その図を鉛直面内に置いた状態でのその図面の面に沿った方向を表すものとする。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプ１０の概略構造を示すための簡略化した断面図である。ショートアーク型放電ランプ１０は、球状の発光部１Ａとその両側の管状のシール管部１Ｂ、１Ｃからなる放電管１を有する。放電管１は石英ガラスによって形成される。放電管１の発光部１Ａにはチップオフ１ｄが形成されている。ランプの製造時に、チップオフ１ｄの位置に取り付けられた排気管から放電管１内に、水銀、不活性ガスを単独またはそれらの混合ガスの形で封入する。
【００１９】
ショートアーク型放電ランプ１０は、陽極２と陰極３を有する。陽極２は電極先端部２Ａと電極芯棒２Ｂを含む。陰極３は電極先端部３Ａと電極芯棒３Ｂを含む。発光部１Ａの内部の空間１ａには、電極先端部２Ａ、３Ａが対向して配置されている。本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、垂直点灯型であり、陽極２が下側に陰極３が上側となるように、ランプの中心軸線が略垂直となるように設置される。
【００２０】
シール管部１Ｂ、１Ｃには、それぞれ電極マウント９が装着されている。電極マウント９の外端からそれぞれリード線６が突出している。電極マウント９は、電極芯棒２Ｂ、３Ｂ及びリード線６を支持すると同時に放電管１の内部を密閉する機能を有する。電極マウント９は、このような機能を備えればどのような構造であってもよく、特に限定されるものではない。電極マウント９の例は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。電極芯棒２Ｂ、３Ｂには、放電管１の封入後もその中に残った不純物や点灯時に発生する不純物を除去するためにゲッター材１１が装着されている。
【００２１】
シール管部１Ｂ、１Ｃの電極側端部には、電極マウント９の内端面９ａを底面とする円形の凹部１ｂ、１ｃがそれぞれ形成されている。このような凹部１ｂ、１ｃを設けるのは、電極マウント９をシール管部１Ｂ、１Ｃに溶着するためにシール管部１Ｂ、１Ｃをバーナ等で加熱するときに、その熱が発光部１Ａに伝わってその発光部１Ａが変形することを防ぐためである。
【００２２】
本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、１〜１０ｋＷ、好ましくは、１．５〜５．０ｋＷのランプ電力を有し、中心発光波長が４３６ｎｍの紫外線を出力するｇ線ランプ、又は、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプである。放電管１の発光部１Ａの最大外径は、発光出力の大きさに応じて異なり、５０〜１５０ｍｍであり、例えば５０〜７０ｍｍであってよい。発光部１Ａの軸線方向の長さは７０〜１８０ｍｍであり、例えば７０〜９０ｍｍであってよい。陽極２と陰極３の冷間時先端部間の距離は、１．０〜１５．０ｍｍであり、例えば３．０〜６．５ｍｍであってよい。
【００２３】
本実施形態では、放電管１内には、３〜７５ｍｇ/ｃｍ3の水銀、例えば、４〜４０ｍｇ/ｃｍ3の水銀が封入されてよい。更に、放電管１内には、キセノン（Xe）、アルゴン（Ar）及びクリプトン（Kr）の中の少なくとも１つの希ガスが封入される。ただし、１つの希ガスに代えて、混合ガス、例えばＫｒ及びＡｒの混合ガスを用いてもよい。希ガスの封入圧は、封入されたガスの種類によっても異なるが、概略０．０５〜０．６ＭＰａであり、例えば０．０８〜０．３ＭＰａであってよい、ランプ点灯時には、放電管１内の圧力は１．０〜４．０ＭＰａ程度になる。
【００２４】
図２Ａを参照してショートアーク型放電ランプ１０の陰極側のシール管部１Ｂの構造の例を説明する。尚、陽極側のシール管部１Ｃの構造は、陰極側のシール管部１Ｂの構造と同様である。陰極３は、電極先端部３Ａと電極芯棒３Ｂを含む。電極先端部３Ａは、環状のスペーサ３３０を含むが、これについては後に詳細に説明する。シール管部１Ｂの内部には、電極マウント９が溶着されており、それによって放電管１の気密性が保たれている。シール管部１Ｂの外端には口金２８が装着される。図示のように、電極マウント９の軸線方向の寸法はシール管部１Ｂの軸線方向の寸法より短い。
【００２５】
電極マウント９の構造として様々な構造が知られている。ここでは、その１例を説明する。本実施形態の電極マウント９は、第１のシール部材２１、第２のシール部材２２及び第３のシール部材２３を有する。電極マウント９は、更に、第１のシール部材２１と第２のシール部材２２の間に介装された第１の集電円盤３１と第２のシール部材２２と第３のシール部材２３の間に介装された第２の集電円盤３２を有する。これらのシール部材２１、２２及び２３は、石英ガラス製の円柱部材によって形成されている。集電円盤３１、３２は、電導性材料からなる円板状部材によって形成される。
【００２６】
第１のシール部材２１及び第１の集電円盤３１には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、電極芯棒３Ｂが挿入されている。こうして、電極芯棒３Ｂは、第１の集電円盤３１に電気的に接続され、且つ、第１のシール部材２１に固定される。なお、第１の集電円盤３１には貫通孔を形成しないで、電極芯棒３Ｂの端部を第１の集電円盤３１に当接させることによって、電極芯棒３Ｂを、第１の集電円盤３１に電気的に接続してもよい。
【００２７】
また、第３のシール部材２３及び第２の集電円盤３２には貫通孔が形成されている。これらの貫通孔に、リード線６が挿入されている。こうして、リード線６は、第２の集電円盤３２に電気的に接続され、且つ、第２及び第３のシール部材２２、２３に固定される。なお、第２のシール部材２２に孔を形成し、この孔にリード線６を挿入してもよい。
【００２８】
図２Ｂを参照して第１の集電円盤３１と第２の集電円盤３２とを電気的に接続する方法を説明する。図示のように、第１の集電円盤３１の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔２６ａ、２６ｂがそれぞれ配置されている。第２の集電円盤３２の両端面に、円形のモリブデン製の緩衝箔２６ａ、２６ｂがそれぞれ配置されている。第１の集電円盤３１と第２のシール部材２２を全周覆うように、第１の緩衝箔２４ａが装着されている。第１の緩衝箔２４ａは、第１の集電円盤３１と、それに隣接する緩衝箔２６ｂと、それに隣接する第２のシール部材２２の一部を全周覆うように配置されている。
【００２９】
第２の集電円盤３２と第２のシール部材２２、及び、第２の集電円盤３２と第３のシール部材２３を全周覆うように、第２の緩衝箔２４ｂが装着されている。第２の緩衝箔２４ｂは、第２の集電円盤３２と、その両側の緩衝箔２６ａ、２６ｂと、それに隣接する第２のシール部材２２及び第３のシール部材２３の一部をそれぞれ全周覆うように配置されている。
【００３０】
また、第２のシール部材２２の外周面には、軸線方向に沿って、複数の短冊状のモリブデン製のシール箔２５（実線と破線のハッチングで示す）が、間隔を置いて配置されている。シール箔２５によって、第１の集電円盤３１と第２の集電円盤３２とが電気的に接続される。その結果、電極芯棒３Ｂとリード線６とが電気的に接続される。一方、リード線６は口金２８に接続される。従って、口金２８及びリード線６を経由して外部の電源から陽極２に電力が供給される。
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、陰極３の構造を説明する。図３Ａは陰極３の外観図であり、図３Ｂは陰極３の組立図である。図３Ａに示すように、陰極３は、電極先端部３Ａと電極芯棒３Ｂを含む。陰極３は、頭部３１０とスペーサ３３０と基体３２０の３つの部材を組み立てることによって形成される。頭部３１０はトリエーテッドタングステン（トリタン）によって形成される。トリタンは酸化トリウムを含有するタングスタンである。酸化トリウムの含有率は通常２ｗｔ％程度である。本実施形態では、エミッタとしてトリウムを用いる。頭部３１０は、酸化トリウム粉末とタングステン粉末の混合物を金型にてプレス成形し、それを焼結させることによって１次成形体を形成し、更に、この１次成形体を熱間加工することによって形成される。基体３２０は、純度９９．９ｗｔ％以上のタングステンによって構成される。スペーサ３３０は、熱伝導率が高く、高融点且つ高温下でガス放出が少ない軟性金属によって形成される。このような金属として、例えば、ニオブＮｂ、タンタルＴａ、金、銀、白金、ニッケル、ハフニウム、等が挙げられるが、ニオブＮｂ、又は、タンタルＴａが好ましい。スペーサ３３０は環状であるが、その形状の詳細は、後に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
【００３２】
図３Ｂに示すように、頭部３１０は、円柱部３１１と円錐頂部３１２からなり、一体物として形成される。円錐頂部３１２の先端は完全に尖っている必要はなく、小さな円形の端面が形成されてよい。円柱部３１１の端面３１１Ａに軸線方向に延びる円筒状の凹部３１３が形成されている。一方、基体３２０は、円柱状の棒状部３２１と円柱状の凸部３２３からなり、一体物として形成される。凸部３２３は棒状部３２１の円形端面３２１Ａより軸線方向に突出しており、凸部３２３の外径は棒状部３２１の外径より小さい。従って、両者の間に段差が形成されている。棒状部３２１には括れ部３２５が形成されてよい。頭部３１０の円柱部３１１と基体３２０の外径は等しい。基体３２０の凸部３２３の端面の周縁にはテーパ３２３ａが形成されてよい。一方、頭部３１０の凹部３１３の底面には円錐状のテーパ面３１３ａが形成されてよい。
【００３３】
陰極３の組立方法を説明する。先ず、環状のスペーサ３３０に、基体３２０の凸部３２３を挿入する。次に、基体３２０の凸部３２３を頭部３１０の凹部３１３に挿入する。基体３２０の凸部３２３を更に頭部３１０の凹部３１３に押し込むと、スペーサ３３０は、頭部３１０の端面３１１Ａと基体３２０の端面３２１Ａの間に挟まれ押圧される。スペーサ３３０は、塑性変形し、厚さが僅かであるが小さくなる。それによって、スペーサ３３０の両端面は、頭部３１０の環状の端面３１１Ａと基体３２０の環状の端面３２１Ａに密着する。頭部３１０と基体３２０が一体化し、陰極３が形成される。
【００３４】
スペーサ３３０の機能及び作用を説明する。頭部３１０の凹部３１３は円筒状に形成され、基体３２０の凸部３２３は円柱状に形成されるが、実際には、両者の少なくとも一方は僅かなテーパを有する。例えば、頭部３１０の凹部３１３の内径は、底面から開口に向かって増大するように形成されてよい。基体３２０の凸部３２３の外径は、根元から先端に向かって縮小するように形成されてよい。基体３２０の凸部３２３の先端部の外径は、頭部３１０の凹部３１３の開口の内径より僅かに小さいが、頭部３１０の凹部３１３の底面の内径より僅かに大きいか又は略等しい。従って、陰極３を組み立てるとき、基体３２０の凸部３２３を頭部３１０の凹部３１３に圧入しなければならない。
【００３５】
スペーサ３３０を用いない場合には、基体３２０の凸部３２３を頭部３１０の凹部３１３に押し込んだ時、頭部３１０の環状の端面３１１Ａと基体３２０の環状の端面３２１Ａの間に隙間が不可避的に生じる。そのため、頭部３１０から基体３２０への熱伝導が阻害され頭部３１０が高温となる。尚、基体３２０の凸部３２３の先端と頭部３１０の凹部３１３の底面の間に間隙が生じ、両者は接触しない。
【００３６】
本実施形態によると、頭部３１０の環状の端面３１１Ａと基体３２０の環状の端面３２１Ａの間にスペーサ３３０が挿入されている。頭部３１０の環状の端面３１１Ａと基体３２０の環状の端面３２１Ａの間に隙間が形成されない。スペーサ３３０の両端面は、頭部３１０の環状の端面３１１Ａと基体３２０の環状の端面３２１Ａの両者に密着している。従って、頭部３１０から基体３２０への熱伝導が阻害されることはなく、頭部３１０が高温になることが回避される。
【００３７】
こうして本実施形態によると、陰極３の先端部の動作温度の上昇を防止することが可能となる。従って、エミッタの早期枯渇によるアーク不安定性及び陰極３の先端部の飛散による黒化現象を抑制することができる。エミッタの早期枯渇を回避し、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減することが可能であり、更に、アーク不安定性及び先端部の飛散による黒化現象を抑制することができる。
【００３８】
尚、ここでは図示しないが、実際には、基体３２０の凸部３２３と頭部３１０の凹部３１３の間に頭部３１０の抜けを防止するためにモリブデン箔が挿入される。モリブデン箔は、基体３２０の凸部３２３の円筒状側面と、頭部３１０の凹部３１３の円筒状の内面の間に挿入されてよい。
【００３９】
次に、頭部３１０と基体３２０の寸法について説明する。頭部３１０の軸線方向の寸法をＬ、円柱部３１１の軸線方向の寸法をＬ1、円錐頂部３１２の軸線方向の寸法をＬ2、とする。基体３２０の凸部３２３の軸線方向の寸法をＬ3、とする。頭部３１０の円柱部３１１、及び、基体３２０の外径を共にＤ1、基体３２０の凸部３２３の外径をＤ2、とする。
【００４０】
陰極全体の体積に対する頭部３１０の体積の比を考察する。頭部３１０の体積をＶA、基体３２０の体積をＶBとする。陰極全体の体積に対する頭部３１０の体積ＶAの比をｋとする。頭部の体積比ｋは次の式によって表される。
ｋ＝ＶA／（ＶB＋ＶA）                                                式１
ＶA＝Ｖ1−Ｖ2                                                        式２
ＶB＝Ｖ3＋Ｖ4                                                        式３
ここに、Ｖ1は凹部３１３が無いと仮定した頭部３１０の体積、Ｖ2は凹部３１３の体積、Ｖ3は基体３２０の凸部３２３の体積、Ｖ4は棒状部３２１の体積、である。
【００４１】
図４Ａ及び図４Ｂを参照してスペーサ３３０について説明する。図４Ａに示すスペーサ３３０は、中心に円形孔３３０Ａを有する円板状に形成される。本例のスペーサ３３０は、薄い板状部材又はシート状部材をリング状にくり抜いて形成されてよい。スペーサ３３０の外径をＤ、孔３３０Ａの内径をｄ、厚さをｔとする。スペーサ３３０の外径Ｄは、基体３２０の外径Ｄ1に対応している。スペーサ３３０の外径Ｄは、基体３２０の外径Ｄ1より、大きくてもよいが、小さくてもよい。しかしながら、スペーサ３３０の外径Ｄは、好ましくは、基体３２０の外径Ｄ1に等しい。スペーサ３３０の孔３３０Ａの内径ｄは、基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ2に対応している。スペーサ３３０の孔３３０Ａに基体３２０の凸部３２３を挿入させることができるように、スペーサ３３０の孔３３０Ａの内径ｄは少なくとも、基体３２０の凸部３２３の外径に等しいか又はそれより大きい。
【００４２】
図４Ｂに示すスペーサ３３０は一本の長い線状部材を平面に沿って巻いて形成される。線状部材の断面は円又は楕円であってもよく、正方形又は長方形であってもよい。図４Ａの例と同様に、中心に孔３３０Ａが形成される。
【００４３】
以下に、本発明の実施形態について説明する。本願の発明者は、先ず、式１の頭部の体積比ｋについて検討した。上述のように環境負荷を低減するには、トリウムの使用量を低減する必要がある。トリウムの使用量を低減するには、頭部３１０を小さくすればよい、即ち、式１に示す頭部の体積比ｋを小さくすればよい。しかしながら、トリウムの使用量を低減しすぎると、トリウムによるエミッション性能の利点が損なわれる。従って、トリウムによるエミッション性能の利点を享受することができ且つトリウムの使用量を低減させる必要がある。本願の発明者が行った予備的な実験によると、頭部の体積比ｋの好ましい範囲は０．１０〜０．１８であることが判った。従って本実施形態では、頭部の体積比ｋの範囲を０．１０〜０．１８とする。こうして本実施形態では、所望のエミッション性能を保持しつつ、トリウムの使用量を低減し、更に、所定のランプ特性を確保することができる。
【００４４】
次に、本願の発明者は、基体３２０の外径に対する基体３２０の凸部３２３の外径の比Ｄ2／Ｄ1について検討した。本願の発明者は外径比Ｄ2／Ｄ1が異なる複数の陰極を試作した。その結果、この外径比Ｄ2／Ｄ1が０．３より小さいと、即ち、基体３２０の凸部３２３が細すぎると、折れやすくなることが判った。逆に、この外径比Ｄ2／Ｄ1が０．７より大きいと、即ち、基体３２０の凸部３２３が太すぎると、頭部３１０の凹部３１３の壁が薄くなり、その縁が破損し易くなることが判った。そこで、本実施形態では、外径比をＤ2／Ｄ1＝０．３〜０．７とする。基体３２０の凸部３２３の軸線方向の寸法Ｌ3は、４〜１０ｍｍである。こうして本実施形態では、簡単な構成で陰極の機械的強度を確保することができる。
【００４５】
本願の発明者は、スペーサ３３０の機能を実証するための実験を行った。この実験に使用したショートアーク型放電ランプ１０は、中心発光波長が３６５ｎｍのｉ線ランプである。放電管１の発光部１Ａの最大外径は５４ｍｍ、軸線方向の寸法は７４ｍｍである。シール管部１Ｂの軸線方向の長さは６０ｍｍ、シール管部１Ｂの電極側端部における外径は２５ｍｍ、内径は１８〜１９ｍｍである。電極マウント９の外径は１８ｍｍである。また、陽極２の外径は約１８ｍｍ、冷間時電極間距離は約４．６ｍｍである。
【００４６】
更に、この実験に使用したショートアーク型放電ランプ１０では、定格入力電力は１．７５ｋＷ、ランプ入力電圧は２６±３Ｖ、ランプ入力電流は６０〜７６Ａである。封入ガスはキセノン０．１５２ＭＰａ（１．５ａｔｍ）、発光物質は水銀６ｍｇ／ｃｃである。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１は本願の発明者が行った実験に使用したショートアーク型放電ランプの陰極の仕様を示す。ここでは、代表的な４つのサンプルを挙げる。表１の第１行は、ランプ番号、第２行はスペーサの有無及びスペーサの材質、第３行は、基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ2、第４行は、基体３２０の外径Ｄ1、第５行は、外径比Ｄ2／Ｄ1、である。ランプ番号１及び２は、スペーサ無し、ランプ番号３は、ニオブ製のスペーサを使用し、ランプ番号４は、タンタル製のスペーサを使用した。ランプ番号３及び４にて用いたスペーサは、図４Ａに示す構造であり、厚さｔは０．５ｍｍである。ランプ番号１の外径Ｄ2は２．５５ｍｍ、ランプ番号２〜４の外径Ｄ2は３．７５ｍｍ、である。ランプ番号１〜４の外径Ｄ1は６．００ｍｍ、である。ランプ番号１の外径比Ｄ2／Ｄ1は０．４２５、ランプ番号２〜４の外径比Ｄ2／Ｄ1は０．６２５、である。ランプ番号１〜４の基体３２０の凸部３２３の軸線方向の寸法Ｌ3は、７．０ｍｍである。
【００４９】
この実験では陰極の頭部３１０の先端、即ち、円錐頂部３１２の温度を測定した。図３Ａに示すように、円錐頂部３１２に複数の測定点Ｐを設定し、各測定点Ｐにおける温度をパイロメータにより測定した。各測定点において２回測定し、その平均値を求めた。頭部３１０の先端から測定点Ｐまでの距離をｘｍｍとする。ｘ＝２〜６ｍｍである。
【００５０】
図５を参照して本願の発明者が行った第１の実験及びその結果を説明する。この実験の目的は、スペーサが陰極動作温度に与える影響を調べることである。図５の縦軸は、陰極の動作温度（℃）、即ち、陰極上の各測定点における温度である。図５の横軸は、各測定点の位置、即ち、陰極先端から各測定点までの軸線方向の距離（ｍｍ）である。この実験は、ランプ番号１〜４について行った。破線及び一点鎖線のグラフは、ランプ番号１及び２の測定結果、四角点を結ぶ実線のグラフはランプ番号３の測定結果を示す。三角点を結ぶ実線のグラフは、ランプ番号４の測定結果を示す。
【００５１】
図５の結果から次のことが判る。ランプ番号１〜４の陰極の動作温度の傾向は略同様である。即ち、測定点の位置が先端から遠くなるにつれて、温度は下がる。実線のグラフで示すランプ番号３及び４の陰極動作温度は、破線及び一点鎖線のグラフで示すランプ番号１及び２の陰極動作温度より低い。これは、スペーサを使用することにより、頭部３１０から基体３２０への熱伝導が促進され、頭部３１０が高温になることが回避されたものと考えられる。破線のグラフで示すランプ番号１の陰極動作温度は、一点鎖線のグラフで示すランプ番号２の陰極動作温度より高い。これは、スペーサを使用しない場合、基体３２０の凸部３２３の外径Ｄ2が小さいほうが、陰極動作温度は高くなることを示す。
【００５２】
図６を参照して本願の発明者が行った第２の実験及びその結果を説明する。この実験の目的は、スペーサの厚さと陰極動作温度の関係を調べることである。図６の縦軸は、陰極の頭部３１０の先端から軸線方向に３ｍｍ離れた測定点、即ち、ｘ＝３ｍｍの測定点における陰極の温度である。図６の横軸は、スペーサの厚さ（ｍｍ）である。この実験で用いたスペーサは、ニオブ製のスペーサである。スペーサの形状及び陰極の構造は、ランプ番号３の場合と同様である。尚、ランプ番号２の場合、即ち、スペーサを用いない場合の陰極温度は１９４０℃であった。そこで、図６には参考として、温度が１９４０℃における横軸に平行な破線を描いた。
【００５３】
図６の結果から次のことが判る。スペーサの厚さが小さすぎると、スペーサを用いることの利点を確実に得ることは困難である。これは、スペーサの厚さが小さすぎるため、スペーサと頭部３１０の環状の端面３１１Ａ及び基体３２０の環状の端面３２１Ａの間に十分な密着性が得られないためであると思われる。一方、スペーサの厚さが大きすぎる場合にも、スペーサを用いることの利点は得られない。これは、スペーサの厚さが大きすぎると、スペーサを十分に塑性変形させることが困難であるため、スペーサと頭部３１０の環状の端面３１１Ａ及び基体３２０の環状の端面３２１Ａの間に十分な密着性が得られないためであると思われる。本願の発明者は、本実施形態のスペーサの厚さを０．５〜２．０ｍｍとする。こうして、スペーサの厚さを０．５〜２．０ｍｍとすることによって、密着性を確保することにより、陰極の頭部３１０の冷却効果を確実に得ることができる。
【００５４】
図７を参照して本願の発明者が行った第３の実験及びその結果を説明する。この実験の目的は、スペーサがランプ寿命に与える影響を調べることである。図７の縦軸は、照度維持率（％）である。照度維持率は、点灯直後の照度を１００％として、各点灯時間における照度の大きさを百分率で表したものである。図７の横軸は、点灯時間（ｈ）である。この実験は、ランプ番号１〜４について行った。
【００５５】
図７の結果から次のことが判る。ランプ番号１及び２の場合、点灯時間が６００時間を超えると、照度維持率が９５％以下となる。一方、ランプ番号３及び４の場合、点灯時間が２０００時間を超えても照度維持率は９５％以上である。照度維持率の低下は、黒化現象の早期発生によるものと考えられる。従って、スペーサを使用することにより、スペーサを使用しない場合よりも、黒化現象が抑制されることが判る。即ち、スペーサを使用することにより、頭部３１０から基体３２０への熱伝導が促進され、頭部３１０の高温になることが回避される。そのため、エミッタの早期枯渇が回避され、アーク不安定性及び先端部の飛散による黒化現象が抑制される。
【００５６】
以上、本発明の一実施形態に係るショートアーク型放電ランプについて説明したが、本発明は上記の実施形態に拘束されるものではなく、当業者が容易になしえる追加、削除、改変等は、本発明に含まれるものであり、また、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められることを承知されたい。
【符号の説明】
【００５７】
１…放電管、１Ａ…発光部、１Ｂ、１Ｃ…シール管部、１ｂ、１ｃ…凹部、１ｄ…チップオフ、２…陽極、２Ａ…電極先端部、２Ｂ…電極芯棒、３…陰極、３Ａ…電極先端部、３Ｂ…電極芯棒、６…リード線、９…電極マウント、１０…ショートアーク型放電ランプ、１１…ゲッター材、２１…第１のシール部材、２２…第２のシール部材、２３…第３のシール部材、２４ａ、２４ｂ…緩衝箔、２５…シール箔、２６ａ、２６ｂ…緩衝箔、２８…口金、３１…第１の集電円盤、３２…第２の集電円盤、３１０…頭部、３１１…円柱部、３１１Ａ…端面、３１２…円錐頂部、３１３…凹部、３１３ａ…テーパ面、３２０…基体、３２１…棒状部、３２１Ａ…端面、３２３…凸部、３２３ａ…テーパ面、３２５…括れ部、３３０…スペーサ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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