(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス製の発光管内に、希ガスと水銀が封入され、一対の電極を有するショートアーク型水銀ランプにおいて、
タンタル若しくはニオブからなる密閉容器内に、少なくとも、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムのいずれかひとつと希ガスが共に封入され、
前記容器が前記電極に取り付けられていることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
【請求項２】
前記容器の中に封入される希ガスは、少なくとも、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかひとつを含み、その封入される圧力Ｐ(Ｐａ)は、室温にてＰ≧７０（Ｐａ）であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型水銀ランプ。
【請求項３】
前記容器はパイプ状であり、前記容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプ。
【請求項４】
前記容器はシート状であり、前記容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプ。
【請求項５】
前記容器は陰極を支持する内部リードに取り付けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のショートアーク型水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショートアーク型水銀ランプに関し、波長３００〜３５０ｎｍの紫外線を良好に放射するショートアーク型水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク型水銀ランプは、半導体、液晶、カラーフィルターなど各種の露光工程で光源として用いられるが、近年は、露光面積の大型化や高スループット化が要求されている。
また、従来は、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０４ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）の紫外線が主に使われてきたが、近年は、効率を上げるために、さらなる短波長の紫外線が要求され、３００〜３５０ｎｍの紫外線を利用する傾向にある。
【０００３】
ショートアーク型水銀ランプは、円筒状の石英ガラスを酸水素バナーを用いて加熱加工することで、略紡錘形状のランプの発光管が形成される。その加熱加工の際に、石英ガラス中に水や水素が溶解する。ランプ点灯中、発光管の温度が５００℃以上の高温となるために、その溶解した水素や水、さらには酸素が、不純ガスとして発光管内に放出され、アークの発光特性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
このような不純ガスの物の中で酸素は、陰極性能を低下させ、チラツキなどを引き起こすと言われている。不純ガスを吸収するゲッターとして、高温で作用するタンタルがあり、タンタルワイヤーを電極に取り付けたショートアーク型水銀ランプが知られている。
このような技術は、特開２０００−１４９８７２号に記載されている。
【０００５】
タンタルワイヤーは、酸素を良好に吸収するものであり、不純ガスに起因して発生する発光管の失透や黒化を抑制し、ランプ寿命末期まで、紫外線放射強度の低下を防止するものである。
【０００６】
ゲッター材料としてのタンタルは、酸素と反応して酸化タンタルを形成して、不純ガスを取り除くものである。他方、水素に対してタンタルは、ランプ点灯中高温になると水素の溶解度が低くなり、水素を確実に取り除く事ができないものであった。
【０００７】
最近では、３００〜３５０ｎｍの紫外線を利用する傾向にあり、それらの波長帯の放射強度の増強が要求されている。
発明者らの研究によれば、これらの照度増強に対して、水素ガスが何らかの影響を及ぼし、この波長帯の発光を阻害している知見が得られた。
【０００８】
タンタルは、高温領域において酸素の不純ガスを発光管内から取り除くものであり、酸素はタンタルと不可逆性の反応を起こし酸化タンタルとなり、一度吸収した酸素は再びタンタルから放出されることがない。
他方、水素はタンタルと可逆性の反応を起こすものであり、タンタルの温度が５００℃未満では水素の溶解度が高いので水素を吸収するが、タンタルの温度が６００℃以上となると、水素の溶解度が大きく減少するので、タンタルに溶解している水素が逆に放出されることになる。
この結果、ランプ点灯中に、ゲッターとしてのタンタルの温度が高くなると、発光管内に一度取り込んだ水素が放出され、その水素がアークの発光特性に悪影響を及ぼす事で、３００〜３５０ｎｍ付近の紫外線の放射強度が小さくなると考えられる。
【０００９】
従来は、３００〜３５０ｎｍの紫外線を４５０ｎｍ未満の波長帯の一部として低い寄与率で利用していたため、放電空間にタンタルから水素が放出されても、各種の露光工程で問題とはらなかった。
しかし、近年、露光工程の効率を上げるために、３００〜３５０ｎｍの紫外線の増強が強く要求されるようになってきており、タンタルから放出された水素の影響により、３００〜３５０ｎｍの紫外線の放射強度が弱まるために、半導体や液晶などを露光する際、スループットを落としてしまうという問題が発生した。
【００１０】
一方、放電ランプの発光管内に存在する水素を吸収するゲッターとして、高温域で溶解度が低いタンタルやニッケル等の容器内に高温域で水素溶解度の高いイットリウムやジルコニウムが充填されたゲッターが知られている。
しかしながら、イットリウムやジルコニウムがタンタル等の容器内に密に充填されており、イットリウムやジルコニウムが高温状態となりやすく、高温になるにつれて水素の溶解度が低下し、ランプ点灯中に、確実に水素を吸収できないことがあった。
このような技術は、特開昭５０−８０６８３号に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１４９８７２公報
【特許文献２】特開昭５０−８０６８３号号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、発光管内に存在する酸素や水素の不純ガスをゲッターよって確実に吸収し、波長３００〜３５０ｎｍの紫外線を良好に放射するショートアーク型水銀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】
【００１２】
請求項１に記載のショートアーク型水銀ランプは、石英ガラス製の発光管内に、希ガスと水銀が封入され、一対の電極を有するショートアーク型水銀ランプにおいて、タンタル若しくはニオブからなる密閉容器内に、少なくとも、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムのいずれかひとつと希ガスが共に封入され、前記容器が前記電極に取り付けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプは、請求項１に記載のショートアーク型水銀ランプであって、特に、前記容器の中に封入される希ガスは、少なくとも、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかひとつを含み、その封入される圧力Ｐ（Ｐａ）は、室温にてＰ≧７０（Ｐａ）であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載のショートアーク型水銀ランプは、請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプであって、特に、前記容器はパイプ状であり、前記容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載のショートアーク型水銀ランプは、請求項２に記載のショートアーク型水銀ランプであって、特に、前記容器はシート状であり、前記容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載のショートアーク型水銀ランプは、請求項３または請求項４に記載のショートアーク型水銀ランプであって、特に、前記容器は陰極を支持する内部リードに取り付けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のショートアーク型超高圧放電ランプによれば、タンタル若しくはニオブからなる密閉容器内に、少なくとも、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムのいずれかひとつと希ガスが共に封入され、容器が電極に取り付けられているので、容器を構成するタンタル若しくはニオブで確実に酸素を吸収し、容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムで確実に水素を吸収することができ、発光管内に存在する不純ガスを確実に取り除くことができ、発光管の失透や黒化を抑制し、しかも、波長３００〜３５０ｎｍの紫外線を良好に放射することができるものである。
【００１８】
さらに、容器の中に封入される希ガスは、少なくとも、アルゴン、クリプトン、クセノンのいずれかひとつを含み、その封入される圧力Ｐ(Ｐａ)は、室温にてＰ≧７０（Ｐａ）であるので、容器内で希ガスの対流を発生させ、この希ガスの対流によって容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムの高温部分の熱を低温部分に運び高温部分の温度を下げることができ、容器内の水素の平衡蒸気圧を低い状態に保つことができ、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムの水素の溶解度が高い状態になり、確実に、水素を吸収することができるものである。
【００１９】
さらに、容器はパイプ状であるので、ワイヤーによって容器を電極へ巻き付けて固定するという簡単な取り付け構造を採用でき、しかも、容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であるので、表面積が増え水素の吸収効率が向上するものである。しかも、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムがランプ点灯中膨張して体積変化しても、粉体または粒子状または線状で容器内に封入されているので、容器内の空間で、その体積変化量を吸収でき、容器が破損することがない。
【００２０】
さらに、容器はシート状であるので、容器自体を電極へ直接巻き付けることにより固定するという簡単な取り付け構造を採用でき、しかも、容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは粉体または粒子状または線状であるので、表面積が増え水素の吸収効率が向上するものである。しかも、イットリウム、ジルコニウム、バナジウムがランプ点灯中膨張して体積変化しても、粉体または粒子状または線状で容器内に封入されているので、容器内の空間で、その体積変化量を吸収でき、容器が破損することがない。
【００２１】
さらに、陽極側に比べ温度が低い方の陰極の内部リードに容器が取り付けられているので、容器内のイットリウム、ジルコニウム、バナジウムの温度上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のショートアーク型水銀ランプを説明する。
図１に示すように、本発明のショートアーク型水銀ランプ（以下、ランプとも呼ぶ）は、石英ガラス製の発光管１内に一対の電極２，３が対向して配置されており、２は陰極であり、３は陽極である。
発光管１内に、希ガスとしてキセノンガスが０．８ａｔｍと水銀が２５ｍｇ／ｃｍ３封入されており、直流型定電力電源を用いてランプへの入力電力９ＫＷ、１２０Ａで点灯されるランプである。
【００２３】
図２は、図１に示すランプの陰極側の断面図である。
陰極２は、内部リード２１の先端に嵌め込まれており、内部リードによって支持されている。
なお、内部リード２１と陰極２が１本の構造物から切り出されて作成される場合もあり、この場合、陰極２と内部リード２１は一体構造物である。
【００２４】
そして、陰極２を支持する内部リード２１には、ゲッター機能を有する容器４が取り付けられている。
この容器４は、図３に示すようにタンタルまたはニオブからなるパイプ状の筒管４１からなり、その筒管４１の両端は溶融して封止され、筒管４１の内部空間が外部と完全に隔離された状態になっている。
この筒管４１は、水素透過性であり、外径２ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、長さ２５０ｍｍであり、内部に粒子状のイットリウム４２と希ガスが封入されている。筒管４１内には、イットリウム以外にジルコニウム、バナジウムを封入してもよく、これらの混合物を封入してもよい。
また、筒管４１内に封入されるイットリウム、ジルコニウム、バナジウムは、水素を吸収するゲッター機能を有するものであり、筒管４１内に隙間なく充填されるものではなく、ある程度の隙間が存在するように、充填されている。
【００２５】
イットリウム４２やジルコニウム、バナジウムは、水銀と反応して合金を作るため、発光管１内の水銀と反応しないように、容器４の内部に封入されている。
一方、容器４を構成しているタンタルまたはニオブは、発光管１内の水銀と接触しても反応しないものであり、容器としてイットリウムと水銀を隔てる機能を有するものである。
容器４内に封入される希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかひとつか、それらの混合ガスである。
これらの希ガスは、容器４内に封入されるイットリウム、ジルコニウム、バナジウムと反応しないことが条件であり、アルゴン、クリプトン、キセノンから選ばれるものである。
【００２６】
図２に戻り、容器４の電極への取り付け構造を説明すると、内部リード２１が伸びる方向に直管状の容器４が複数個、この実施例においては２つの容器４が内部リード２１に沿って配置されており、容器４が内部リード２１に対して移動しないように、容器４にタングステンワイヤー５を巻き付けて内部リード２１に固定している。
【００２７】
次に、容器４のゲッター機能を説明する。
ランプ点灯中に、発光管１から不純ガスとして、水素や水、酸素が放出される。
このうち、酸素は、容器４の温度にかかわらず、タンタルまたはニオブからなる筒管４１に不可逆性の反応を起こして除去される。
【００２８】
一方、ランプ点灯中に、発光管１内に放射された水素は、筒管４１が５００℃未満の時は、筒管４１に吸収される。つまり、筒管４１が５００℃未満の時は、筒管４１を構成しているタンタルまたはニオブに水素が吸収される。
しかし、ランプ点灯中に、筒管４１が５００℃以上になると、筒管４１に吸収された水素は再び放出され、放出された水素は、筒管４１内のイットリウム４２で吸収されることになる。
【００２９】
イットリウムは、水素に対して可逆的な吸収特性を有するものであるが、１０００℃の高温状態になっても、タンタルに比べ約２桁程度高い水素溶解特性を有するものである。
【００３０】
容器４は、高温状態になると内部のイットリウム４２も高温となり、イットリウム４２の水素の溶解度が大きく低下し、また、容器４内の平衡水素蒸気圧が高くなり、水素を吸収する能力が低下する。
このため、容器４内に希ガスを封入する。容器４内に希ガスを封入することによって、希ガスの対流によって容器４内のイットリウム４２の高温部分の熱を低温部分に運び高温部分の温度を下げることができ、さらに、容器４内の水素の平衡蒸気圧を低い状態に保つことができ、イットリウムの水素の溶解度を高い状態にでき、確実に、水素を吸収することができるものである。
なお、容器４内に封入される希ガスは、熱伝導率が高いガスほど、容器４内のイットリウムの熱輸送を効率よく行うことができ、アルゴンが適している。
【００３１】
次に、容器４内の希ガスの対流現象を詳細に説明する。
図１、図２に示すように、ランプを陰極２が下方になるように垂直点灯する場合、内部リード２１の周りに取り付けられた容器４は、容器４の内部リード２１側の側面とその反対側の発光管の空間側の側面との間に温度差が生じている。
容器４の内部リード２１側の側面は、内部リード２１から熱伝導で熱が伝わり加熱された状態になっている。一方、容器４の発光管の空間側の側面は、発光管内面に沿った下降流がランプの底で反転し、冷たくなった気体が内部リード２１に沿って上昇し、この上昇気流によって、冷却された状態になっている。
したがって、容器４は、内部リード２１側の側面が高温状態、発光管の空間側の側面が低温状態となっている。
【００３２】
この結果、容器４内では、温度が高い部分と温度が低い部分との間で希ガスの対流が起こり、この対流の影響により、容器４内のイットリウム４２の高温部分の熱を低温部分に運び高温部分の温度を下げることができ、イットリウムの水素の溶解度を高い状態にでき、容器４内の水素の平衡蒸気圧を低い状態に保つことができ、確実に、水素を吸収することができるものである。
【００３３】
なお、陰極が上方になるように垂直点灯する場合でも、或いは、陰極と陽極が水平状態で点灯する場合でも、容器４の内部リード２１側の側面は、内部リード２１から熱伝導で熱が伝わり加熱された状態になっており、容器４の発光管の空間側の側面は対流により冷却された状態になっているので、容器４内では、温度が高い部分と温度が低い部分が生じ、容器４内で希ガスの対流が起こり、容器４内のイットリウム４２の高温部分の熱を低温部分に運び高温部分の温度を下げることができ、イットリウムの水素の溶解度を高い状態にでき、容器４内の水素の平衡蒸気圧を低い状態に保つことができ、確実に、水素を吸収することができるものである。
【００３４】
つまり、容器４は、内部に希ガスが封入されているので高温状態になっても、発光管内の水素、酸素を確実に吸収することができるので、発光管の失透や黒化を抑制し、しかも、波長３００〜３５０ｎｍの紫外線を良好に放射することができるものである。
なお、容器４の内容積に対してイットリウムの体積が、９５％以下であれば、容器４内で良好に対流が発生するものである。
【００３５】
容器４内に封入されるイットリウムや、ジルコニウム、バナジウムは粉体、粒状、線状であることが好ましい。これは、イットリウムや、ジルコニウム、バナジウムの表面積が増え、水素の吸収速度が高くなるからである。
イットリウムや、ジルコニウム、バナジウムが、粉体又は粒子状の場合は粒径が１ｍｍ未満、線状の場合は直径が１ｍｍ未満長さが５００mm未満が最適である。
これは、後述するように、容器４を折り曲げ加工する場合、容器４の加工性をよくするためである。
【００３６】
図４は、容器４の内部リードへの取り付け構造の他の実施例を示す説明図であり、陰極側の断面図である。
この実施例では、内部にイットリウムが封入された直線状の容器４を内部リード２１の回りに巻回して、容器４を内部リードに取り付けた構造である。
そして、容器４が内部リード２１に対して移動しないように、陰極２とは反対側の容器４の端部近傍の内部リード２１にタングステンワイヤー５を巻き付けている。
【００３７】
図５は、容器４の内部リードへの取り付け構造の他の実施例を示す説明図であり、陰極の斜視図である。
この実施例では、図５に示すように、内部にイットリウムが封入されたシート状の容器４は、予め内部リード２１に沿って湾曲するように曲げ加工されたものである。
この曲げ加工された容器４を内部リード棒２１に取り付け、容器４が内部リード２１に対して軸方向に移動しないように、陰極２とは反対側の容器４の端部近傍の内部リード２１に、タングステンワイヤー５を巻き付けたものである。
【００３８】
＜実験１＞
次に、ゲッター機能を有する容器を電極に取り付けた本願発明のショートアーク型水銀ランプと、容器を取り付けていない比較用のショートアーク型水銀ランプを用いて、波長帯３００ｎｍ〜３５０ｎｍの間の分光放射照度を波長に関して積分した放射照度を比較した実験を行った。
本願発明のショートアーク型水銀ランプの構造は、図１に示すランプと同様であり、仕様は下記の通りである。
ランプ電流・・・１００Ａ
ランプ電力・・・８ＫＷ
発光管１・・・・最大外径１１ｃｍ、最大長１３ｃｍ
発光管内封入物・キセノンガス（０．８ａｔｍ）と水銀（２５ｍｇ／ｃｍ３）
容器３・・・・・構成材料：タンタル
内容積  ：１．０ｃｍ３
封入物  ：イットリウム（２．５ｇ）とアルゴン（０．６ａｔｍ）
イットリウム体積／容器内容積：５６％
容器取付け位置・陰極２を支持する内部リード２１
【００３９】
比較用のショートアーク型水銀ランプの構造は、上記の本願発明のショートアーク型水銀ランプから、単に、容器を取り除いただけの構造である。
【００４０】
それぞれのランプを点灯させて、４００時間経過後の放射照度を比較したデータを図６に示す。
図６では、本願発明のショートアーク型水銀ランプの放射照度データをＡ、比較用のショートアーク型水銀ランプの放射照度データをＢとして示す。
図６から分るように、波長帯３００ｎｍ〜３５０ｎｍの間の分光放射照度は、本願発明のショートアーク型水銀ランプが比較用のショートアーク型水銀ランプに比べ高くなっていることがわかる。
実測値において、波長帯３００ｎｍ〜３５０ｎｍの間の分光放射照度は、本願発明のショートアーク型水銀ランプが比較用のショートアーク型水銀ランプに比べ、約１５％増大している。
【００４１】
この実験１から、本願発明のショートアーク型水銀ランプは、容器内に封入されたイットリウムにより、確実に水素が吸収され、波長３００ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を良好に放射していることが分る。
【００４２】
＜実験２＞
次に、上記実験１で用いた本願発明のショートアーク型水銀ランプを用いて、容器内に封入されるアルゴンの圧力を変えて、４００時間経過後の波長帯３００ｎｍ〜３５０ｎｍの間の分光放射照度を波長に関して積分した放射照度を求める実験を行った。
なお、この実験２の放射照度は、実験１で用いた比較用のショートアーク型水銀ランプの４００時間経過後の波長帯３００ｎｍ〜３５０ｎｍの間の分光放射照度を波長に関して積分した放射照度を１００％として、相対値で示すものである。
結果を下記の表１に示す。
【００４３】
【表１】
0004525798.tif 000002
【００４４】
表１から、本願発明のショートアーク型水銀ランプのうち、容器内の圧力が７０（Ｐａ）以上であれば、放射照度が１１０％以上となり、容器を取り付けていない比較用のショートアーク型水銀ランプに比べ、１０％以上放射照度が増大していることがわかる。
そして、この実験２から、本願発明のショートアーク型水銀ランプは、容器内で良好に対流が発生し容器内の水素の平衡蒸気圧を低い状態に保つことができ、封入されたイットリウムの温度上昇が抑制されて水素の溶解度が高い状態になり、確実に、水素が吸収されていることが分かる。
【００４５】
なお、容器内に封入される希ガスをアルゴン以外のクリプトンやキセノンに変えても、或いは、容器内に封入される水素吸収物をジルコニウムやバナジウムに変えても、容器内の希ガスの圧力が７０（Ｐａ）以上であれば、同様の効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本願発明のショートアーク型水銀ランプの説明図である。
【図２】本願発明のショートアーク型水銀ランプの陰極側の断面図である。
【図３】本願発明のショートアーク型水銀ランプの容器の説明図である。
【図４】本願発明の他の実施例のショートアーク型水銀ランプの陰極側の断面図である。
【図５】本願発明の他の実施例のショートアーク型水銀ランプの陰極側の断面図である。
【図６】本願発明のショートアーク型水銀ランプの放射照度データと比較用のショートアーク型水銀ランプの放射照度データを示す。
【符号の説明】
【００４７】
１      発光管
２      陰極
３      陽極
４      容器
４１    筒管
４２    イットリウム、ジルコニウム、バナジウム、
５      タンタルワイヤー
【図１】
0004525798.tif 000003
【図２】
0004525798.tif 000004
【図３】
0004525798.tif 000005
【図４】
0004525798.tif 000006
【図５】
0004525798.tif 000007
【図６】
0004525798.tif 000008