專利名稱：短弧型水銀燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及短弧型水銀燈，尤其涉及發(fā)光部由主發(fā)光空間部和根基空間部構(gòu)成的短弧型水銀燈。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體及液晶的曝光等領(lǐng)域，作為光源利用了采用短弧型水銀燈的曝光技術(shù)。
在半導(dǎo)體的曝光中，由于色像差等原因，適用于高效放射波長365nm(i線)的光，而在液晶及印刷基板的曝光中適用于放射波長300nm～450nm的光。
因此，使用水銀作為封入燈內(nèi)的發(fā)光物質(zhì)，并且作為起動用氣體，也封入氬、氙等稀有氣體。
另外，從曝光裝置來看，對被照射物的曝光面積逐漸變大，此外，處理時間(生產(chǎn)能力)，即曝光時間逐漸變短。因此，短弧型水銀燈為滿足這些要求出現(xiàn)了增大燈輸入功率的趨勢。
燈輸入功率的增大，意味著使燈物理性地增大，結(jié)果產(chǎn)生從點燈起動到穩(wěn)定的時間，即所謂上升時間變長的問題。
上升時間長意味著生產(chǎn)能力延長，并不理想。
在特開2003-151501號公報中公開了用于此種曝光裝置的大型化的水銀燈。該燈的特征在于不僅具有作為發(fā)光部的球面部，還具有與球面部連接的直管部(見該號公報中的標(biāo)號9)。
然而，該文獻(xiàn)僅涉及到玻璃管的變形和破損特性的問題，卻未涉及起動時的上升特性。
專利文獻(xiàn)1特開2003-151501號發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的課題是在大型化的水銀燈中，具有良好的上升特性。
為了解決上述課題，本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈，由一對電極相向配置且封入了水銀和稀有氣體的發(fā)光部和形成于該發(fā)光部兩端的密封部構(gòu)成。而且，其特征在于發(fā)光部，由主發(fā)光空間部和形成于該主發(fā)光空間部的陽極側(cè)密封部附近的根基空間部構(gòu)成，主發(fā)光空間部的內(nèi)容積V1與根基空間部的內(nèi)容積V2的比率V2/V1為0.01～0.09。
又一特征是當(dāng)將主發(fā)光空間部的最大外徑設(shè)為R，將電極延伸方向的長度設(shè)為L時，將上述根基空間部的最大外徑設(shè)為r，將電極延伸方向的長度設(shè)為h，上述內(nèi)容積V1為(1/6)×(πR2)×(L)，上述內(nèi)容積V2為πr2h/4。
另一特征是在陽極側(cè)密封部上，形成外徑d與陽極側(cè)根基空間部的最大外徑r的關(guān)系為d/r≤0.8的縮徑部。
另一特征是在陰極側(cè)密封部上形成外徑d1與陰極側(cè)根基空間部的最大外徑r1的關(guān)系為d1/r1≤0.8的縮徑部。
本發(fā)明，通過將主發(fā)光空間部的內(nèi)容積V1和根基空間部的內(nèi)容積V2的比率V2/V1規(guī)定為0.01～0.09，可改善水銀燈的上升特性。
也就是說，當(dāng)通過垂直配置水銀燈并使之點燈的情況下，雖在發(fā)光空間內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的熱對流，但通過規(guī)定主發(fā)光空間部的內(nèi)容積和根基空間部的內(nèi)容積的比率，可以限制熱對流的動作及方向，通過該限制可獲得良好的上升特性。
此外，通過規(guī)定根基空間部和密封部的外徑值的比率，可以提供一種不易從根基空間部散熱的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是，可使水銀提早蒸發(fā)而改善上升時間。
圖1表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
圖2表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
圖3是表示本發(fā)明的效果的試驗結(jié)果。
圖4是表示本發(fā)明的效果的試驗結(jié)果。
圖5是表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
圖6是表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
圖7是表示本發(fā)明的效果的試驗結(jié)果。
具體實施例方式
圖1示出本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈的一個實施例。
水銀燈10，例如可由下述各部分構(gòu)成由石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光部11和從該發(fā)光部11向兩端延伸的桿狀的密封部12。發(fā)光部11，由主發(fā)光空間部110和根基空間部111構(gòu)成。在主發(fā)光空間部110內(nèi)，例如以5.0mm左右的間隙相向配置了陰極20和陽極30，在陰極端部形成弧光輝點。
發(fā)光部11為球形或沿管軸方向(圖中的上下方向)細(xì)長地延伸的紡錘形。該水銀燈10，是將陰極配置在下方并將陽極配置在上方的垂直配置型的點燈。
陰極20，例如是由釷鎢構(gòu)成的圓柱形的桿狀體，端部呈大體圓錐形，支持在陰極棒21上。
陽極30，例如由鎢構(gòu)成，是整體呈圓柱形的桿狀體并且前端具有平面的大致炮彈形，支持在陽極棒31上。
陰極棒21和陽極棒31分別向密封部12延伸。各密封部12，形成使用鉬箔的氣密性密封結(jié)構(gòu)。密封部12的外端連接著金屬制的燈頭13，并且外部引線14向外突出。該外部引線14與圖示省略的供電裝置連接，以進(jìn)行供電。
陰極20和陽極30，不必分別與陰極棒21和陽極棒31是物理性的分體結(jié)構(gòu)，例如還可以以相同外徑延伸，二者為物理性的一體結(jié)構(gòu)。
發(fā)光部11形成主發(fā)光空間部110和根基空間部111。在陰極棒21的根基也形成空間。
發(fā)光部11內(nèi)封入了作為發(fā)光物質(zhì)的水銀和作為起動用氣體的氬、氙等稀有氣體。
水銀的封入量，每單位燈內(nèi)容積例如處于3～50mg/cc的范圍內(nèi)，例如為5mg/cc。稀有氣體的封入壓力為0.5～5atm，例如為4atm。水銀和稀有氣體的穩(wěn)定點燈時的總內(nèi)壓為20atm左右。
此處，本發(fā)明涉及的水銀燈以大型燈為對象，具體而言，是以燈電力的額定值為10kW以上，且發(fā)光部的內(nèi)容積為800cc以上作為對象的目標(biāo)。然而，燈電力為10kW以上作為目標(biāo)，由于冷卻條件不同，實際上即使在低于10kW的輸入功率下也可以使用。本發(fā)明的對象燈，其內(nèi)容積本身大才重要。
水銀燈一旦大型化，燈的上升特性變得特別差，這是因為達(dá)到穩(wěn)定點燈狀態(tài)的時間變長。其原因有以下兩點。
第一，燈一旦物理性地大型化，由于電極等構(gòu)成件也大型化，因而熱容量變大而導(dǎo)致溫度難以上升。由此，發(fā)光部內(nèi)的水銀的蒸發(fā)也推遲。作為對策，雖然也可以考慮減少發(fā)光部的尺寸及電極等部件的尺寸，但考慮到燈的壽命及破損等的特性，隨著燈電力的增大，發(fā)光部及電極不得不相應(yīng)變大。
第二，發(fā)光部，特別是主發(fā)光空間部一旦變大，發(fā)光部內(nèi)的對流變差，蒸發(fā)的水銀無法高效存在于主發(fā)光空間部內(nèi)。
利用圖2對該點(第二個理由)加以說明。垂直點燈的水銀燈，在點燈起動前，液態(tài)的水銀積存在位于下方的密封部(或根基空間部)內(nèi)。該水銀，隨著水銀燈的點燈，借助其熱量而汽化，放射出所需的光。也就是說，如何使點燈起動前以液態(tài)積存的水銀盡快汽化，與提早燈的上升有關(guān)。
汽化的水銀，借助主發(fā)光空間部內(nèi)的溫差產(chǎn)生對流A，通過該對流的良好循環(huán)可以使發(fā)光部內(nèi)的水銀完全蒸發(fā)，此外，還可更高效地活用積存的水銀。
然而，在水銀燈大型化的情況下，本來應(yīng)產(chǎn)生的對流A變得難以產(chǎn)生，反而產(chǎn)生了不希望出現(xiàn)的對流B(紊流)。正是因為該對流B，在水銀燈大型化時使燈的上升推遲。
本發(fā)明，著眼于上述兩個問題中的第2個問題來改善水銀燈的上升，具體而言，規(guī)定了主發(fā)光空間部和根基空間部的內(nèi)容積比。
此處，對發(fā)光部內(nèi)產(chǎn)生的對流A再稍加說明。
水銀燈點燈時，由于電弧產(chǎn)生的熱而產(chǎn)生上升流A1。該上升流A1到達(dá)發(fā)光部上部，改變方向并沿著發(fā)光管壁下降(A2)。該氣流，相對于發(fā)光部的徑向，在中心附近變成上升流，在管壁附近變成下降流，在發(fā)光部較大的水銀燈中，由于徑向的距離大，所以上升流A1與下降流A2可以互不碰撞地順利流動。
此處，在上升流A1變?yōu)橄陆盗鰽2的上部空間內(nèi)，由于上升流A1的上升速度被減速，因而很難以同樣的速度順利地由上升流A1切換為下降流A2，正是由于該原因，產(chǎn)生了不規(guī)則的氣流，其結(jié)果是，在發(fā)光空間的下方區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了上述對流B。
此處，水銀燈并不一定必須存在本發(fā)明所說的根部空間部，不如說存在根基空間部的水銀燈很少。此外，即使是形式上具有根部空間的水銀燈，也不過是在制造工序中偶然形成的，并非有意形成的空間。
本發(fā)明的特征在于與主發(fā)光空間部不同地另行積極設(shè)置根基空間部，并進(jìn)而規(guī)定該根基空間部與主發(fā)光空間部的內(nèi)容積的比率。由此，可將上升氣流A1引導(dǎo)到發(fā)光管的上部，通過加熱上部空間使存在于發(fā)光管內(nèi)部的水銀提高汽化，并通過按照與主發(fā)光空間部大小的比率來規(guī)定其大小，可以與下降流A2形成順暢的氣流。
此外，本發(fā)明人等通過下述試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)主發(fā)光空間部110的內(nèi)容積V1與根基空間部120的內(nèi)容積V2的比率V2/V1為0.01～0.09時，可產(chǎn)生上升流和下降流的順暢氣流，解決上升時間縮短的問題。
還有，如圖2所示，當(dāng)根基空間部120設(shè)置在陽極密封部一側(cè)，將主發(fā)光空間部110的最大外徑設(shè)為R，將電極延伸方向的長度設(shè)為L，將根基空間部120的最大外徑設(shè)為r，將根基空間部120的電極延伸方向的長度設(shè)為h時，主發(fā)光空間部110的內(nèi)容積V1可大體限制為πR2L/6。球的休積為“4×π×(半徑3)/3”，將(L/2)代入一個“半徑”，將(R/2)代入其他兩個“半徑”時，主發(fā)光空間部的體積為(4/3)×(πR2/4)×(L/2)，整理后成為(πR2L/6)。
此外，可將根基空間部120的內(nèi)容積V2，大體限制為(πr2h/4)。這也是因為當(dāng)圓柱的體積為(π×(半徑2)×(高度)/4)，若將(r/2)代入“半徑”并進(jìn)行整理，則變成(πr2h/4)。不過，在該規(guī)定中，未考慮玻璃管的壁厚及電極的體積。
此外，主發(fā)光空間部110和根基空間部120的區(qū)別，即高度“h”和高度“L”的邊界位界，嚴(yán)格地說，應(yīng)在發(fā)光管10內(nèi)側(cè)判斷，根據(jù)使發(fā)光空間內(nèi)部膨脹的形狀變化的部分進(jìn)行判斷。
圖3是表示本發(fā)明效果的試驗結(jié)果。
表示主發(fā)光空間部110和根基空間部120的內(nèi)容積的比率，與上升時間之間的關(guān)系。將主發(fā)光空間部110的內(nèi)容積V1設(shè)為πr2h/6，根基空間部120的內(nèi)容積V2設(shè)為πr2h/4。
圖3(a)、圖3(b)均為縱軸表示上升時間(分鐘)，橫軸表示內(nèi)容積比率(V2/V1)，圖3(a)表示內(nèi)容積比為0～0.04，圖3(b)表示內(nèi)容積比為0.04～0.11。試驗是通過制作11支燈進(jìn)行的。
圖4表示11支燈(燈1～燈11)的主發(fā)光空間部的最大外徑R(cm)，主發(fā)光空間部的電極延伸方向的長度L(cm)，根基空間部的最大外徑r(cm)，根基空間部的電極延伸方向的長度h(cm)，主發(fā)光空間部的內(nèi)容積V1、根基空間部的內(nèi)容積V2、以及內(nèi)容積的比率V2/V1、上升時間(分鐘)的具體數(shù)值。因此，可以說圖3是圖4所示數(shù)值的圖表化。
各燈均在水銀量為30mg/cc、氙氣為0.9氣壓、電極間距離為10mm的相同條件下點燈。
此處的“上升時間”定義為，從利用起動器給電極間施加高壓的時刻到穩(wěn)定電壓的80％前的時間。此處的“穩(wěn)定電壓”是指額定電壓，例如，如果是額定電壓為100V的燈，則到達(dá)80V前的時間相當(dāng)于上升時間。
從圖3(a)可知，內(nèi)容積比/V2/V1小于0.01的燈(燈1、燈2)，其上升時間需要10分鐘以上，相對于此，內(nèi)容積比(V2/V1)大于0.01的燈(燈3、燈4、燈5)，其上升時間較短，在10分鐘以內(nèi)。
此外，從圖3(b)可知，內(nèi)容積比(V2/V1)大于0.09的燈(燈10、燈11)，其上升時間需要11分鐘以上，相對于此，內(nèi)容積比(V2/V1)小于0.09的燈(燈7、燈8、燈9)，其上升時間較短，為10分鐘以內(nèi)。
從以上結(jié)果可知，主發(fā)光空間部和根基空間部的內(nèi)容積以(V2/V1)最好在0.01～0.09的范圍內(nèi)。
內(nèi)容積比(V2/V1)，若處于上述范圍內(nèi)，則意味著可形成圖2所示的上升流A1和下降流A2的順暢氣流，相反，在內(nèi)容積比(V2/V1)小于0.01的情況下，由于與主發(fā)光空間部相比，根基空間部過小，因而意味著不能形成順暢的氣流。
而且，在內(nèi)容積比(V2/V1)大于0.09的情況下，意味著與主發(fā)光空間部相比，根基空間部過大，因而可推斷為，發(fā)光管的整體溫度上升取決于根基空間部，所以上升時間推遲。
圖5表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
與圖1所示的水銀燈的不同之處是，在陽極側(cè)密封部12上形成縮徑部121。
該縮徑部121是通過縮小密封部的外徑而防止積存在發(fā)光部的熱量從密封部12外泄的結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步促進(jìn)水銀的汽化。
具體而言，根基空間部的外徑r和縮徑部121的外徑d的關(guān)系為d/r≤0.8，例如，根基空間部的外徑r為4.2cm，縮徑部的外徑d為3.0cm。
圖6也表示本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈。
與圖5所示的水銀燈的不同之處是，在陽極側(cè)密封部12a上形成縮徑部121a，并且在陰極側(cè)密封部12b上也形成縮徑部121b。此外，在陰極側(cè)也形成與陽極側(cè)相同的根基空間部。
通過在陰極側(cè)也形成縮徑部121b，在陰極側(cè)熱量也難以從變熱的發(fā)光部外泄，進(jìn)一步促進(jìn)了水銀的汽化。
具體而言，陰極側(cè)根基空間部的外徑r1和縮徑部121a的外徑d1的關(guān)系變?yōu)閐1/(2r1)≤0.8。例如，根基空間部的外徑r為4.2cm，縮徑部的外徑d為2.7cm。
圖7是表示上述短弧型水銀燈的效果的試驗結(jié)果，圖7(a)表示圖5所示的短弧型水銀弧型水銀燈的根基空間部與縮徑部之間的關(guān)系，圖7(b)表示圖6所示的短弧型水銀燈的根基空間部與縮徑部之間的關(guān)系。
圖7(a)、圖7(b)均為具有與圖4的燈4、燈5相同的主發(fā)光空間部的最大外徑R、主發(fā)光空間部的長度L、內(nèi)容積比V2/V1的燈，對縮徑部的最大外徑d和根基空間部的最大外徑r的值進(jìn)行種種改變來進(jìn)行試驗。
從圖7(a)、圖7(b)可知，若d/r的值小于0.8，則上升時間為9秒以下，得到了進(jìn)一步的改善。
即，可通過規(guī)定主發(fā)光空間部和根基空間部的內(nèi)容積比(V2/V1)而使上升時間在10秒以下，并且可通過規(guī)定根基空間部和縮徑部的外徑值比(d/r)而使上升時間在9秒以下。
如上所述，本發(fā)明涉及的短弧型水銀燈可通過規(guī)定主發(fā)光空間部和根基空間部的內(nèi)容積比(V2/V1)來縮短上升時間，而且還可通過規(guī)定根基空間部和縮徑部的外徑比，進(jìn)一步縮短上升時間。
權(quán)利要求
1.一種短弧型水銀燈，由一對電極相向配置且封入了水銀和稀有氣體的發(fā)光部和形成于該發(fā)光部兩端的密封部構(gòu)成，其特征在于所述發(fā)光部，由主發(fā)光空間部和形成于該主發(fā)光空間部的陽極側(cè)密封部附近的根基空間部構(gòu)成，所述主發(fā)光空間部的內(nèi)容積V1與所述根基空間部的內(nèi)容積V2的比率V2/V1為0.01～0.09。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短弧型水銀燈，其特征在于當(dāng)將所述主發(fā)光空間部的最大外徑設(shè)為R，將電極延伸方向的長度設(shè)為L時，將所述根基空間部的最大外徑設(shè)為r，將電極延伸方向的長度設(shè)為h，則所述內(nèi)容積V1為πR2L/6，所述內(nèi)容積V2為πr2h/4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的短弧型水銀燈，其特征在于在所述陽極側(cè)密封部上，形成外徑d與陽極側(cè)根基空間部的最大外徑r的關(guān)系為d/r≤0.8的縮徑部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的短弧型水銀燈，其特征在于在陰極側(cè)密封部上，形成外徑d1與陰極側(cè)根基空間部的最大外徑r1的關(guān)系為d1/r1≤0.8的縮徑部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種短弧型水銀燈，可在大型化的水銀燈中具有良好的上升特性。該短弧型水銀燈由下述部分構(gòu)成發(fā)光部(11)，其相向配置一對電極(20、30)，并封入了水銀和稀有氣體；和密封部(12)，其形成于發(fā)光部的兩端。所述發(fā)光部(11)，由主發(fā)光空間部(110)和形成于該主發(fā)光空間部(110)的密封部一側(cè)的根基空間部(111)構(gòu)成，主發(fā)光空間部(110)的內(nèi)容積(V1)和根基空間部(112)的內(nèi)容積(V2)的比率(V2/V1)為0.01～0.09。
文檔編號H01J61/20GK1959927SQ20061014390
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者加藤雅規(guī), 安田幸夫 申請人:優(yōu)志旺電機(jī)株式會社