JP7685155B2 - 放電ランプ、及び当該放電ランプに使用される電極 - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプ、及び当該放電ランプに使用される電極に関する。

従来、半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置には、光源として放電ランプ、特にショートアーク型の放電ランプが用いられている。この放電ランプは、発光管内に陽極及び陰極が軸方向に対向配置されると共に、当該発光管内に水銀等の発光物質が封入される。

斯かる放電ランプにおいては、点灯時に電極にかかる熱的負荷が高いことから、陽極の過熱等に起因する電極材料の蒸発が生じることがある。この蒸発物が発光管の内壁に付着すると、放電ランプがいわゆる黒化を引き起こし、発光管の光透過率が低下する問題が生じる。

この問題を解決するため、陽極内部の密閉空間内に伝熱体を封入した構造を持つ放電ランプが提案されている。伝熱体は、ランプ点灯状態では溶融しており、陽極全体の温度分布によって密閉空間内で対流する。この伝熱体の対流が、陽極の先端（陰極に最も近い端）の熱を後端（陰極から最も遠い端）に伝達することで、陽極先端の温度が下がり、電極材料の蒸発量が抑制される。

特許文献１及び特許文献２には、伝熱体の周方向の対流を規制する規制体を、密閉空間内に設けることが記載されている。規制体を密閉空間内に設けることにより、伝熱体の周方向の対流に起因する電極先端の穴開きを防止している。

特開２０１２－０２８１６８号公報 特開２０１７－０１６７６１号公報

昨今、放電ランプのさらなる高出力化及び長寿命化が、市場より求められている。放電ランプを高出力化すると電極にかかる熱的負荷が増すため、熱的負荷に長時間耐える電極を設計する必要がある。本発明の課題は、高出力化及び長寿命化を図った放電ランプと、当該放電ランプに使用される電極とを提供することである。

本発明者は、放電ランプを高出力で使用した場合の電極の熱的負荷を調査するため、放射温度計を使用して点灯時の電極表面の温度分布を測定した。測定の結果、電極先端の温度が大きい放電ランプと、電極表面の局所的な温度変動幅が大きい放電ランプがあることに気付いた。温度変動とは、短時間（例えば、１分間）の中で温度が変動することを指す。電極先端の温度が大きな状態、又は、電極内表面において温度変動幅が大きな状態が、長時間続くと、高温クリープ変形によって電極先端の内表面から突起が突出するような変形が生じる。その結果、電極先端に穴が開き、伝熱体が漏出するに至る。そうすると、電極の排熱性が失われてしまうため、放電ランプが短寿命になる。

本発明者は、このような電極先端の温度上昇又は温度変動幅の拡大は、伝熱体の対流量又は伝熱体の乱流化に問題があると考えた。そして、詳細は後述するが、この問題を解消するには、密閉空間に、伝熱体の対流を規制する規制体を単に配置するだけでなく、規制体及び伝熱体を含めた電極の寸法設計が重要であると考え、以下の放電ランプを案出した。

本発明の放電ランプは、軸方向に対向配置される一対の電極を内部に有する放電ランプにおいて、
前記一対の電極のうち、少なくとも一つの電極は、
密閉空間を有する本体と、
前記密閉空間内に、前記本体を構成する材料よりも融点の低い伝熱体と、
前記密閉空間内に、前記伝熱体より融点の高い材料で構成され、前記伝熱体の対流を規制する規制体と、
前記密閉空間内に、前記伝熱体に接するガス空間と、を備え、
前記規制体は、前記軸方向及び前記軸方向に直交する径方向に延在するブレードを少なくとも一枚含み、
前記少なくとも一つの電極の先端を下に、後端を上になるように配置して、前記密閉空間の底面における前記軸方向の最低位置を基準位置Ｐ０とし、前記底面に最も近い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最低位置Ｐ１とし、前記底面に最も遠い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最高位置Ｐ２とし、前記伝熱体と前記ガス空間との界面の前記軸方向の位置を界面位置Ｐ３とするとき、
前記基準位置Ｐ０と前記最低位置Ｐ１との前記軸方向における間隔である第一間隔Ｂ１（ｍｍ）、前記最低位置Ｐ１と前記最高位置Ｐ２との前記軸方向における間隔である第二間隔Ｌ１（ｍｍ）、前記最高位置Ｐ２と前記界面位置Ｐ３との前記軸方向における間隔である第三間隔Ｈ１（ｍｍ）、及び、前記軸方向である軸を含む断面における、前記最低位置Ｐ１と前記界面とに挟まれた伝熱体の充填領域である、伝熱体の上部面積Ｓ１（ｍｍ^２）は、以下の（１）～（３）式を満たす。
３≦Ｂ１≦１５ …（１）
０．０≦Ｈ１／Ｌ１≦１．０ …（２）
Ｓ１≧４０ …（３）

このように寸法設計された電極は伝熱体の十分な対流量を有する。そのため、電極先端の温度を低下させやすい。また、伝熱体の乱流化が抑制されるから、電極表面の局所的な温度変動幅が小さくなる。その結果、高温クリープ変形による電極先端の穴開きが抑制される。よって、放電ランプの高出力化及び長寿命化が可能となる。

前記ブレードを３枚以上備えても構わない。規制体の傾きを抑制して、伝熱体の乱流を抑制できる。

前記密閉空間の底面は、曲面を含んでいても構わない。伝熱体の対流の停滞又は乱流を抑制できる。

前記本体の外径をＤ１とし、前記密閉空間の外径をＤ２とするとき、以下の（４）式を満たしても構わない。電極先端の温度を低下させ、かつ、温度変動幅を小さくすることができる。
０．４５×Ｄ１＋１．５ ≦ Ｄ２ ≦ ０．５５×Ｄ１＋１．５ …（４）

本発明の、放電ランプに使用される電極は、
密閉空間を有する本体と、
前記密閉空間内に、前記本体を構成する材料よりも融点の低い伝熱体と、
前記密閉空間内に、前記伝熱体より融点の高い材料で構成され、前記伝熱体の対流を規制する規制体と、
前記密閉空間内に、前記伝熱体に接するガス空間と、を備え、
前記規制体は、前記軸方向及び前記軸方向に直交する径方向に延在するブレードを少なくとも一枚含み、
前記少なくとも一つの電極の先端を下に、後端を上になるように配置して、前記密閉空間の底面における前記軸方向の最低位置を基準位置Ｐ０とし、前記底面に最も近い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最低位置Ｐ１とし、前記底面に最も遠い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最高位置Ｐ２とし、前記伝熱体と前記ガス空間との界面の前記軸方向の位置を界面位置Ｐ３とするとき、
前記基準位置Ｐ０と前記最低位置Ｐ１との前記軸方向における間隔である第一間隔Ｂ１（ｍｍ）、前記最低位置Ｐ１と前記最高位置Ｐ２との前記軸方向における間隔である第二間隔Ｌ１（ｍｍ）、前記最高位置Ｐ２と前記界面位置Ｐ３との前記軸方向における間隔である第三間隔Ｈ１（ｍｍ）、及び、前記軸方向である軸を含む断面における、前記最低位置Ｐ１と前記界面とに挟まれた伝熱体の充填領域である、伝熱体の上部面積Ｓ１（ｍｍ^２）は、以下の（１）～（３）式を満たす。
３≦Ｂ１≦１５ …（１）
０．０≦Ｈ１／Ｌ１≦１．０ …（２）
Ｓ１≧４０ …（３）

高出力化及び長寿命化を図った放電ランプと、当該放電ランプに使用される電極とを提供できる。

放電ランプの概要を示す図である。 図１の放電ランプにおける陽極の拡大断面図である。 図２のＡ－Ａ矢視断面図である。 伝熱体の対流の例を示す図である。 伝熱体の対流の例を示す図である。 規制体の側面図である。 規制体の上面図である。 陽極の中心軸を通る断面図を表す。 第三間隔Ｈ１と陽極の先端の温度ＴＥとの関係を示すグラフである。 第一間隔Ｂ１と温度変動幅の最大値ＴＸとの関係を示すグラフである。 第三間隔Ｈ１／第二間隔Ｌ１と温度変動幅の最大値ＴＸとの関係を示すグラフである。 伝熱体の上部面積Ｓ１と陽極の先端の温度ＴＥとの関係を示すグラフである。 （２）式を満たし（３）式を満たさない陽極を示す図である。 （２）式及び（３）式をいずれも満たす陽極を示す図である。 陽極Ａ～Ｆの６個についてシミュレーション結果を示すグラフである。 伝熱体の表面が内部である中心軸付近で凹んでいる陽極を示す図である。 規制体の変形例を示す図である。 規制体の変形例を示す図である。 規制体の変形例を示す図である。 陽極のＹＺ平面での断面図である。 陽極本体の変形例を示す断面図である。

放電ランプの実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の、グラフを除く各図面は模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下において、グラフを除く各図面は、ＸＹＺ座標系を参照しながら説明される。本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。以下に述べる実施形態では、－Ｚ方向は重力方向を表す。

［放電ランプの概要］
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である放電ランプの概要を説明する。放電ランプ１００は、発光管１と、発光管１の内部で中心軸Ｚ１の延在方向に対向配置される陽極２及び陰極３と、陽極２及び陰極３をそれぞれ支持するリード棒４と、を備えるショートアーク型放電ランプである。本実施形態では、陽極２が陰極３の上方（＋Ｚ方向）に位置するように放電ランプ１００を配置して、放電ランプ１００を点灯させる。

ショートアーク型放電ランプとは、陽極２の先端と陰極３の先端とが４０ｍｍ以下の間隔（熱膨張をしていない常温時の値）を空けて配置されるものをいう。このような放電ランプの例として、半導体素子、液晶表示素子等の製造工程で使用される露光装置において使用される、定格電力が２ｋＷ～３５ｋＷの放電ランプがある。なお、本実施形態の放電ランプ１００は、陽極２の先端と陰極３の先端とが６ｍｍの間隔を空けて配置される。

発光管１、陽極２、陰極３及びリード棒４は、いずれも中心軸Ｚ１を中心とするように配置される。陽極２が、陰極３の上方（＋Ｚ方向）に配置される。中心軸Ｚ１の延在方向における発光管１の両端には、封止管１１が設けられる。封止管１１には、リード棒４に電気的に接続される口金１２が取り付けられる。

発光管１はガラス管から形成される。発光管１は、中心軸Ｚ１の両端からそれぞれ中央に向かうにつれて、ガラス管の内径が大きくなる領域を有する。内径が大きくなるこの領域は、球体又は楕円体の形状を呈しても構わない。ガラス管には、例えば石英ガラスが使用できる。内径が大きくなる領域は発光空間として機能する。発光空間には、水銀などの発光物質が封入される。

［陽極の概要］
図２及び図３を参照しながら、陽極２の概要を説明する。図２は、図１の放電ランプにおける陽極２の拡大断面図である。図２では、中心軸Ｚ１を通る平面における陽極２の断面を、対向する陰極３に近い陽極２の先端１３を下側（－Ｚ側）に、リード棒４が接続される後端１４を上側（＋Ｚ側）に位置するように、示している。なお、図２では、規制体の形状を理解しやすくするため、規制体については、規制体の断面に代えて、表面の凹凸を含んだ規制体の側面を示している。図３は、図２のＡ－Ａ矢視断面図である。

図２に示すように、陽極２は中心軸Ｚ１を中心とする回転体形状を呈する。陽極２は、本体５、伝熱体９、及び伝熱体９の対流を規制する規制体１０を有する。

［本体］
本体５は、容器５ａと蓋５ｂを含む。蓋５ｂを容器５ａに装着したとき、密閉空間が本体５の内部に形成される。その密閉空間は、伝熱体９、規制体１０、伝熱体９及び規制体１０で満たされないガス空間８を含む。このガス空間８に、空気に代えて不活性ガス（例えば、アルゴン）が封入されても構わない。放電ランプ１００の点灯時に本体５が溶融し難いように、本体５は、高融点材料で構成される。本実施形態において、本体５（容器５ａと蓋５ｂ）は、主にタングステンを含む材料から構成される。

［伝熱体］
伝熱体９は、放電ランプ１００を点灯させた高温時に液体であり、放電ランプ１００を消灯させた低温時に固体である材料から構成される。伝熱体９の融点は、本体５を構成する材料の融点よりも低い。伝熱体９を構成する材料は、熱伝導性材料から構成される。伝熱体９は、本体５よりも高熱伝導率を呈するとよい。本実施形態では、伝熱体９に主に銀を含む材料が使用される。伝熱体９に、主に金を含む材料が使用されても構わない。詳細は後述するが、放電ランプ１００の点灯によって溶融した伝熱体９は、規制体１０により、密閉空間の中で主にＺ方向（鉛直方向）に対流する。このようなＺ方向の対流が、陽極２の先端１３付近に生じた熱を陽極２の後端１４へ伝達する。後端１４に伝達された熱は、リード棒４（図２では不図示）に伝達される。これにより、陽極２の先端１３の温度が低下する。

［規制体］
規制体１０は少なくとも一枚のブレード１０ｂを備える。本実施形態の規制体１０は、図３にみられるように、４枚のブレード１０ｂを有する。４枚のブレード１０ｂは、中心軸Ｚ１軸を中心に径方向へ延びる十字形状を呈する。４枚のブレード１０ｂのうち２枚のブレードはＺ方向とＸ方向に延在する。残りの２枚のブレード１０ｂはＺ方向とＹ方向に延在する。

規制体１０の製造方法について、４枚のブレード１０ｂを、Ｚ１軸を中心に９０度間隔をなすように配置して、接合しても構わない。規制体１０は、Ｘ方向に延在する平板とＹ方向に延在する平板とをＺ１軸で交差させて、接合しても構わない。規制体１０を一体成型で製造しても構わない。

図４及び図５は、それぞれ、伝熱体９が対流する例を示す図である。規制体１０は伝熱体９に覆われた状態にある。放電ランプの点灯時、伝熱体９は溶融して対流を始める。図４及び図５に、対流する方向の一例をｆ１で示す。規制体１０は、中心軸Ｚ１を回る方向の対流の障害となって規制し、Ｚ方向の対流を促進する。これにより、規制体１０は、陽極２の先端１３から後端１４への熱移動を促進するとともに、伝熱体９の乱流を抑制する。したがって、陽極２の先端１３の温度が低下して、温度変動幅が小さくなる。

規制体１０を構成するブレード１０ｂと陽極２の密閉空間を構成する内壁１５との間には、通常、隙間Ｇ１がある（図３参照）。隙間Ｇ１があるため、伝熱体９が溶融したとき、ブレード１０ｂが伝熱体９の中心軸Ｚ１を回る方向の対流に押されて、規制体１０が中心軸Ｚ１を中心に回転できる。

図６，７を参照しながら規制体１０を説明する。図６は、規制体１０を＋Ｙ方向に見た規制体１０の側面図である。図７は規制体１０を－Ｚ方向に見た、規制体１０の上面図である。

図６及び図７に示すように、本実施形態における、ブレード１０ｂの上面１０ｔは、ＸＹ平面に沿う平面１０ｔ１とテーパ面１０ｔ２とを含む。図６に示すように、平面１０ｔ１の径方向の長さＢ２は、ブレード１０ｂの下面１０ｕの径方向の長さＢ３より小さい。テーパ面１０ｔ２では、中心軸Ｚ１から離れるにしたがって、ブレード１０ｂの高さ（Ｚ方向の長さ）が低下する。

図７に示すように、規制体１０を構成する４枚のブレード１０ｂの厚みＴ１は、対流する伝熱体９の衝突に耐える厚みを有する。厚みＴ１は、例えば、１ｍｍ以上であるとよく、好ましくは、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であるとよい。

規制体１０が放電ランプ１００の点灯時に溶融しないように、規制体１０を構成する材料の融点は、伝熱体９を構成する材料の融点よりも高い。規制体１０の材料を、本体５を構成する材料と同じにしても構わない。規制体１０には、例えば、主にタングステンを含む材料から構成される。

［陽極の寸法設計］
図８を参照しながら陽極２の寸法設計について説明する。図８は、陽極２の中心軸Ｚ１を通る断面図を表す。密閉空間に設けられた伝熱体９とガス空間８との界面８ｉより－Ｚ方向の密閉空間には、規制体１０を除いて伝熱体９で充填されている。なお、図８において、斜線でハッチングされた領域のみが、伝熱体９の存在する領域ではないことに留意されたい。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１９においても同様である。

図８に示すように、密閉空間の底面１８におけるＺ軸方向における最低位置を基準位置Ｐ０とする。底面１８に最も近いブレード１０ｂの端部位置（本実施形態では、下面１０ｕの位置）を、ブレード１０ｂの最低位置Ｐ１とする。底面１８に最も遠いブレード１０ｂの端部位置（本実施形態では、上面１０ｔのうち平面１０ｔ１の位置）をブレード１０ｂの最高位置Ｐ２とする。密閉空間に設けられた伝熱体９とガス空間８との界面８ｉのＺ軸方向位置を、伝熱体９の界面位置Ｐ３とする。

このように位置Ｐ０～Ｐ３を設定したとき、第一間隔Ｂ１、第二間隔Ｌ１、第三間隔Ｈ１は、次のように表される。
第一間隔Ｂ１＝最低位置Ｐ１－基準位置Ｐ０
第二間隔Ｌ１＝最高位置Ｐ２－最低位置Ｐ１
第三間隔Ｈ１＝界面位置Ｐ３－最高位置Ｐ２

伝熱体９が存在する領域は、上部領域と下部領域とに分けられる。上部領域は、ブレード１０ｂの最低位置Ｐ１から界面位置Ｐ３までの間の領域９ｓ（図８において斜線でハッチングされた領域）である。上部領域９ｓの面積を、伝熱体９の上部面積Ｓ１（ｍｍ^２）とする。本体５の外径をＤ１（ｍｍ）とし、密閉空間の外径をＤ２（ｍｍ）とする。

上述した陽極２の寸法に関する、第一間隔Ｂ１、第二間隔Ｌ１、第三間隔Ｈ１、上部面積Ｓ１、本体５の外径Ｄ１、及び密閉空間の外径Ｄ２は、伝熱体９の対流量と対流状態に密接に関連し、陽極２の温度に影響を与える。そこで、本発明者は、これらのパラメータを変化させたときの陽極２の温度を、伝熱体９の対流シミュレーション又は実際に点灯させた放電ランプ１００を実測して求めた。伝熱体９の対流シミュレーション及び実際に点灯させた放電ランプ１００の条件を、以下に示す。

＜放電ランプ＞
図１に示される形状を呈する。
発光管１の材料：石英ガラス
陽極２と陰極３との間隔：６ｍｍ
発光管１内の封入物：水銀２．０ｍｇ／ｃｃ、アルゴン１００ｋＰａ
定格電流：２００Ａ
定格電力：１２ｋＷ
＜陽極２＞
図２に示される形状を呈する。
密閉空間の容積：１７ｃｍ^３
伝熱体９の材料：銀
ガス空間８の封入ガス：アルゴン１００ｋＰａ
＜規制体＞
図２及び図３に示される形状を呈する。
平面１０ｔ１の径方向の長さＢ２：８．１５ｍｍ
ブレード１０ｂの下面１０ｕの径方向の長さＢ３：１０．７５ｍｍ
厚みＴ１：３ｍｍ

図９は、伝熱体９の対流シミュレーションより、第三間隔Ｈ１（ｍｍ）と、陽極２の密閉空間の底面１８の温度ＴＥ（Ｋ）との関係を示すグラフである。温度ＴＥは、定常状態となったモデルにおいて、底面１８の中心点とＸＹ平面上での周辺１ｍｍの４点の計５点の空間的な平均温度について、計算結果２０００回をさらに平均した温度である。なお、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標系において、中心点を（０，０，０）とすると、周辺点は（１，０，０）、（０，１，０）、（－１，０，１）、及び（０，－１，０）となる。

陽極２の密閉空間の底面１８の温度ＴＥは１８００Ｋ以下であると好ましい。図９を参照すれば、第三間隔Ｈ１の変化に対する温度ＴＥの変化が小さいことがわかる。つまり、温度ＴＥを１８００Ｋ以下にするための、第三間隔Ｈ１の制約は小さい。

第一間隔Ｂ１について、温度ＴＥを１８００Ｋ以下にするために、第一間隔Ｂ１を３（ｍｍ）以上にする必要があることがわかった。第一間隔Ｂ１を３（ｍｍ）以上にすると、規制体１０の下部（規制体１０の－Ｚ側）を通過する伝熱体９の対流量が増加し、陽極２の密閉空間の底面１８の熱を安定して後端１４側へ送ることができ、その結果、温度ＴＥを低下させられると推察される。温度ＴＥを低下させると、陽極２に掛かる熱的負荷を小さくして、高温クリープ変形による陽極２の密閉空間の底面１８の破損（穴開き等）を抑制できる。よって、放電ランプの高出力化及び長寿命化が可能となる。

図１０は、伝熱体９の対流シミュレーションより、第一間隔Ｂ１と温度変動幅の最大値ＴＸとの関係を求めて示すグラフである。温度変動幅とは、放電ランプ点灯時の、電極表面の任意の場所での、所定時間（例えば、１分間）における、最大温度と最小温度の差で表される。温度変動幅の大きい状態が長く続くと、高温クリープ変形によって電極先端の内表面から突起が突出するような変形が生じて、電極先端に穴が開き、伝熱体９が漏出するに至る。そうすると、電極の排熱性が失われてしまうため、電極が過熱状態となり、急速に放電ランプの劣化が進行する。温度変動幅は、電極表面の場所によって異なる値を示す。温度変動幅の最大値ＴＸ（℃）は、電極表面の場所によって異なる温度変動幅の最大値を示す。温度変動幅の最大値ＴＸを抑制すると、陽極２に掛かる熱的負荷を小さくして、高温クリープ変形による電極先端の穴開き等の破損を抑制できる。よって、放電ランプの高出力化及び長寿命化が可能となる。

温度変動幅の最大値ＴＸは１３℃以下であることが好ましい。図１０より、第一間隔Ｂ１が１５ｍｍ以下であるとき、最大値ＴＸを１３℃以下にできることがわかった。

図９、図１０から、放電ランプの高出力化及び長寿命化のために、第一間隔Ｂ１は（１）式を満たすとよい。
３≦Ｂ１≦１５ …（１）
また、第一間隔Ｂ１は４以上であるとさらに好ましい。

上述したように、陽極２の密閉空間の底面１８の温度ＴＥを低下させるための第三間隔Ｈ１の制約は小さい。しかしながら、伝熱体９の対流シミュレーションの結果から、第三間隔Ｈ１が、第二間隔Ｌ１（すなわち、規制体１０の高さ）に比べて大きすぎると、規制体１０の上部（＋Ｚ側）での伝熱体９の対流を十分に規制できず、乱流が発生することが判明した。乱流が発生すると、温度変動幅が大きくなる。

そこで、実際に点灯させた放電ランプ１００の陽極２を実測することにより、第二間隔Ｌ１を基準にした第三間隔Ｈ１の大きさ（すなわち第三間隔Ｈ１と第二間隔Ｌ１との比）と温度変動幅の最大値ＴＸ（℃）との関係を求めて、図１１のグラフに示した。上述したように、温度変動幅の最大値ＴＸは１３℃以下であることが好ましいことから、Ｈ１／Ｌ１の値は、（２）式を満たすとよい。
０．０≦Ｈ１／Ｌ１≦１．０ …（２）
この式は、ブレード１０ｂの上面１０ｔと界面８ｉとの距離でもある第三間隔Ｈ１が、規制体１０の高さでもある第二間隔Ｌ１よりも小さく、第三間隔Ｈ１が０以上であることを表している。

密封空間内で、規制体１０の上部領域９ｓ（図８においてハッチングされた領域）の大部分を占める、ブレード１０ｂの上面１０ｔと界面８ｉとに挟まれた領域は、ブレード１０ｂを越えて伝熱体９を対流させるために必要である。図１２は、伝熱体９の対流シミュレーションにより、伝熱体９の上部領域９ｓの面積である上部面積Ｓ１と、陽極２の密閉空間の底面１８の温度ＴＥ（Ｋ）との関係を求めて示すグラフである。上述したように、温度ＴＥは１８００Ｋ以下が好ましいことから、上部面積Ｓ１は、次の（３）式を満たすとよい。
Ｓ１≧４０ …（３）
（３）式を満たすとき、伝熱体９の対流量が十分となり、陽極２の先端１３の熱を安定して後端１４へ送ることができる。

図１３Ａ及び図１３Ｂを参照しながら、陽極２の寸法を、（２）式だけでなく、（２）式と（３）式の両方で特定することの必要性を説明する。図１３Ａと図１３Ｂは、基準位置Ｐ０、最低位置Ｐ１、最高位置Ｐ２及び界面位置Ｐ３が互いに同値となるように設定されている。よって、図１３Ａと図１３Ｂは、第一間隔Ｂ１、第二間隔Ｌ１及び第三間隔Ｈ１も互いに同値である。ただし、図１３Ａに示される陽極２では、ブレード１０ｂの上面１０ｔが平坦であるが、図１３Ｂに示される陽極２では、ブレード１０ｂの上面１０ｔに凹凸がある。

図１３Ａに示される陽極２は、Ｈ１／Ｌ１が（２）式を満たすが、上部領域９ｓの面積Ｓ１が（３）式を満たさない、本発明の比較形態である。他方、図１３Ｂに示される陽極２は、Ｈ１／Ｌ１が（２）式を満たし、かつ、上部面積Ｓ１が（３）式を満たす、本発明の実施形態である。よって、本発明は、（２）式だけで特定できず、（２）式と（３）式の両方で特定することが求められる。

上述したシミュレーション及び温度の実測は、陽極２の外径Ｄ１を４０ｍｍに、及び陽極２の密閉空間の外径Ｄ２を２２ｍｍに固定して行った結果である。しかしながら、外径Ｄ１又は外径Ｄ２が異なっても、（１）、（２）、（３）式を満たせば、温度ＴＥを１８００Ｋ以下に、かつ、温度変動幅の最大値ＴＸを１３℃以下に設定することができることを説明する。

陽極Ｇ（Ｄ１：４０ｍｍ、Ｄ２：２２ｍｍ）を基準にして、Ｄ１又はＤ２を変更した陽極Ａ～Ｆの６個について、伝熱体９の対流シミュレーションを行った。陽極Ａ～Ｆの６個の陽極は、以下の点と伝熱体９の量を除き、陽極Ｇと同様である。当該陽極を使用したランプの定格電流及び定格電力は、陽極のサイズに応じて最適な値を選択した。陽極Ａ～Ｆの伝熱体９の量は、Ｈ１／Ｌ１の値が陽極Ｇのそれと同等となるように調整した。図１４は、陽極Ａ～Ｆを、外径Ｄ１を横軸に、外径Ｄ２を縦軸に取ったグラフとして示している。
陽極Ａ Ｄ１：２５ｍｍ、Ｄ２：１５．２５ｍｍ、定格電流：１５０Ａ、定格電力：５ｋＷ
陽極Ｂ Ｄ１：３５ｍｍ、Ｄ２：２０．７５ｍｍ、定格電流：１７５Ａ、定格電力：１０ｋＷ
陽極Ｃ Ｄ１：４５ｍｍ、Ｄ２：２６．２５ｍｍ、定格電流：２５０Ａ、定格電力：１５ｋＷ
陽極Ｄ Ｄ１：２５ｍｍ、Ｄ２：１２．７５ｍｍ、定格電流：１５０Ａ、定格電力：５ｋＷ
陽極Ｅ Ｄ１：３５ｍｍ、Ｄ２：１７．２５ｍｍ、定格電流：１７５Ａ、定格電力：１０ｋＷ
陽極Ｆ Ｄ１：４５ｍｍ、Ｄ２：２１．７５ｍｍ、定格電流：２５０Ａ、定格電力：１５ｋＷ

伝熱体９の対流シミュレーションの結果、陽極Ｇと同じように（１）、（２）、（３）式を満たせば、陽極Ａ～Ｆの６個の陽極も、温度ＴＥを１８００Ｋ以下に、かつ、温度変動幅の最大値ＴＸを１３℃以下にできた。これより、図１４のグラフにおける、本体５の外径Ｄ１及び密閉空間の外径Ｄ２の関係が四角形ＡＤＦＣ内に位置する範囲においても、（１）、（２）、（３）式を満たすことにより、温度ＴＥを１８００Ｋ以下に、かつ、温度変動幅の最大値ＴＸを１３℃以下となる。

陽極Ａ～Ｃを通る直線ｆ１１は、Ｄ２＝０．５５×Ｄ１＋１．５で表される。陽極Ｄ～Ｆを通る直線ｆ１２は、Ｄ２＝０．４５×Ｄ１＋１．５で表される。これより、陽極２の外径Ｄ１及び密閉空間の外径Ｄ２は、以下の（４）式を満たすとよい。
０．４５×Ｄ１＋１．５ ≦ Ｄ２ ≦ ０．５５×Ｄ１＋１．５ …（４）

また、外径Ｄ１は、以下の（５）式を満たすとよい。
２５ ≦ Ｄ１ ≦ ４５ …（５）

［製造された陽極から寸法設計値を求める方法］
製造された陽極２から寸法設計値を求める方法について述べる。以下に述べる方法は、放電ランプの製造後に、使用又は試験のために点灯された放電ランプ内の陽極２の寸法設計値を求める際、界面８ｉが平坦でない場合に、伝熱体９の界面位置Ｐ３を求めるのに特に適している。

界面８ｉが平坦にならない主な理由を説明する。放電ランプ１００の製造後に、使用又は試験のために点灯された放電ランプ１００の陽極２は、その内部の伝熱体９が一度溶融している。消灯に伴い陽極２が冷却される際、陽極２の表面から陽極２の内部に向かって温度が低下していく。その結果、凝固に伴う熱収縮のタイミングが、陽極２の表面と陽極２の内部との間で異なるため、図１５に示すように、伝熱体９とガス空間８の界面８ｉが中心軸Ｚ１付近で凹むことがある。

製造された陽極２から寸法設計値を求めるには、以下の手順に従う。
（手順１）陽極２を放電ランプから取り出し、陽極２の外径Ｄ１を計測する。密閉空間の比較的上方のガス空間８（伝熱体９が含まれていない部分）で、容器５ａをＸＹ平面に沿って切断し、伝熱体９、規制体１０を含む第一電極部分と、蓋５ｂを含む第二電極部分とに分ける。

（手順２）第一電極部分の重量ａを測定する。また、切断面から伝熱体９を微小量採取し、成分の分析と密度ρを推定する。成分の分析には、例えば、蛍光Ｘ線装置等を使用しても構わない。

（手順３）第一電極部分を、陽極２が溶解せず、伝熱体９が溶解する液体に浸漬し、第一電極部分から、伝熱体９を溶解し規制体１０を取り外す。このような液体として、例えば、陽極２がタングステンであり、伝熱体９が銀である場合には、硝酸が使用される。そして、第一電極部分から、伝熱体９を除き、規制体１０を含む重量ｂを測定する。これにより、伝熱体９の体積ＶＭは、（６）式により求められる。
ＶＭ＝（ａ－ｂ）／ρ …（６）

（手順４）ブレード１０ｂの高さである第二間隔Ｌ１と、陽極２の密閉空間の外径Ｄ２と、基準位置Ｐ０と、ブレード１０ｂの最低位置Ｐ１とを測定する。基準位置Ｐ０と最低位置Ｐ１から第一間隔Ｂ１を求める。最低位置Ｐ１と第二間隔Ｌ１からブレードの最高位置Ｐ２を求める。

（手順５）陽極２の密閉空間に、規制体１０と、伝熱体９の体積ＶＭと同じ体積の液体（例えば、水）を入れて、液面を水平に保つ。このときの液面の位置を伝熱体９とガス空間８の界面８ｉの位置Ｐ３とみなす。規制体１０の最高位置Ｐ２と伝熱体９の界面位置Ｐ３から第三間隔Ｈ１を求める。第三間隔Ｈ１、密閉空間の外径Ｄ２と、規制体１０の形状の寸法測定結果から、上部面積Ｓ１を求める。

なお、詳細は後述するが、規制体１０を構成する複数のブレード１０ｂが互いに異なる形状を有していても構わない。斯かる規制体１０は、上部面積Ｓ１がブレード１０ｂによって異なる場合がある。その場合には、上部面積Ｓ１が最も大きくなるブレード１０ｂを選択して、選択したブレード１０ｂから最高位置Ｐ２と上部面積Ｓ１を設定する。

［規制体の変形例］
図１６、図１７及び図１８は、規制体の変形例を示す図である。これらの図は、規制体を－Ｚ方向に見た図である。

図１６に示された規制体２０は、中心軸Ｚ１を中心に２枚のブレード２０ｂが径方向に延びるともに、２枚のブレード２０ｂが一方向に並んでいる。この規制体２０は一枚の板から構成されても構わない。しかし、一枚の板から構成される場合であっても、当図に示されたブレード２０ｂの枚数は、２枚と数える。伝熱体９の対流により規制体２０は傾くことがあるが、ブレード２０ｂが密閉空間の内壁１５に接触すると、それ以上規制体２０が傾くことを抑制する。

図１７に示された規制体３０は、中心軸Ｚ１を中心に３枚のブレード３０ｂが径方向に延びるともに、そのうち２枚のブレード３０ｂが一方向に並んでいる。当図に示されたブレード３０ｂの枚数は、３枚と数える。ブレード３０ｂの数が３枚の規制体３０は、ブレードの数が２枚である規制体２０よりも、規制体３０が傾くことを抑制しやすい。

図１８に示された規制体４０は、中心軸Ｚ１を中心に３枚のブレード４０ｂが、互いに等角度をなすように径方向に延びている。当図に示されたブレード４０ｂの枚数は３枚と数える。ブレード４０ｂが互いに等角度をなすため、規制体４０の傾きを、規制体２０及び規制体３０よりも抑制できる。

また、規制体１０をＹ方向（側方）からみたとき、ブレード１０ｂの上面１０ｔにテーパ面が無くても構わない。規制体１０をＹ方向からみたとき、ブレード１０ｂは矩形でも構わないし、図１３Ｂのようにブレード１０ｂの上面１０ｔが凹凸を備えていても構わない。

規制体１０の中で、ブレード１０ｂが互いに異なる形状を有していても構わない。例えば、中心軸Ｚ１を通るＸＺ平面での断面を見たとき、図８に示すように、テーパを有し、かつ、第二間隔Ｌ１が１６ｍｍのブレード１０ｂであるが、中心軸Ｚ１を通るＹＺ平面での断面を見たとき、図１９に示すように、テーパを有さない矩形であり、かつ、第二間隔Ｌ１が１４ｍｍのブレード１０ｂであるような規制体１０でも構わない。

［密閉空間の形状］
図２０は陽極２の本体５の変形例である。図２０では本体５のみを示している。当図に示すように、中心軸Ｚ１を通る断面図において、対向する二つの内壁１５が接続される底面１８は、曲面から構成されている。角度の変化する面が、角を有さず曲面で構成されると、伝熱体９の対流の停滞又は乱流を抑制できる。また、点灯時の伝熱体９の膨張による応力集中を回避することもできる。底面１８は、少なくとも一部分が曲面（角のない面）で構成されても構わない。

以上で、実施形態及び変形例を説明した。本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上述の実施形態及び変形例に、種々の改良又は変更を施すことができる。

上記では、陽極２が、伝熱体９及び規制体１０を有する例について述べたが、陽極２と同様に、陰極３が規制体１０及び伝熱体９を有していても構わない。放電ランプ１００は、陰極３が陽極２より上方に位置するように配置しても構わない。放電ランプ１００は、陽極２と陰極３が水平方向に並ぶように配置しても構わない。

上記では、陽極２の本体５、陽極２の密閉空間内の規制体１０、リード棒４、陰極３及び発光管１が、共通する中心軸Ｚ１を有していたが、必ずしも各パーツの中心軸が共通の軸を有していなくても構わない。

以下の寸法を有し、以下の条件以外は上述したシミュレーション条件と同様の寸法を有する陽極２を作製した。そして、この陽極２は、上記（１）～（５）式を満たす。
第一間隔Ｂ１：６．２ｍｍ
第二間隔Ｌ１：１６ｍｍ
第三間隔Ｈ１：１４ｍｍ
陽極２の外径Ｄ１：４０ｍｍ
陽極２の密閉空間の外径Ｄ２：２２ｍｍ
陽極２の肉厚：９．０ｍｍ
陽極２内の伝熱体９の封入量：１１．４ｃｍ^３

この陽極２を備える放電ランプ１００を、上述した定格電力にて基準時間点灯させたところ、規格値を超える照度を維持することを確認した。その後、点灯１５分、消灯１２分を１セットとして、点灯と消灯を３０セット繰り返したが、その間、照度が規格値を下回ることはなかった。試験終了後、陽極２を解体して陽極２の本体５を確認したところ、本体５に破損は確認されなかった。これより、放電ランプ１００の寿命が向上することが推定される。

以下の寸法を有し、以下の条件以外は上述したシミュレーション条件と同様の寸法を有する陽極３を作製した。そして、この陽極２は、上記（１）、（３）～（５）式を満たすが、Ｈ１／Ｌ１＝１．３となり（２）式を満たさない。
第一間隔Ｂ１：６．２ｍｍ
第二間隔Ｌ１：１３ｍｍ
第三間隔Ｈ１：１７ｍｍ
陽極２の外径Ｄ１：４０ｍｍ
陽極２の密閉空間の外径Ｄ２：２２ｍｍ
陽極２の肉厚：９．０ｍｍ
陽極２内の伝熱体９の封入量：１１．４ｃｍ^３

この陽極２を備える放電ランプ１００を、上述した定格電力にて点灯させたところ、温度変動幅の最大値ＴＸが、基準値（１３℃）を超える１６℃となった。そして、放電ランプ１００を基準時間点灯させている最中に、底面に穴開きが発生した。これは、温度変動幅が基準値を超えたことにより、クリープ変形により底面が変形したことが原因であると推定される。

１ ：発光管
２ ：陽極
３ ：陰極
４ ：リード棒
５ ：本体
５ａ ：容器
５ｂ ：蓋
８ ：ガス空間
８ｉ ：界面
９ ：伝熱体
９ｓ ：上部領域
１０ ：規制体
１０ｂ ：ブレード
１０ｔ ：（ブレードの）上面
１０ｔ１ ：平面
１０ｔ２ ：テーパ面
１０ｕ ：（ブレードの）下面
１１ ：封止管
１２ ：口金
１３ ：先端
１４ ：後端
１５ ：内壁
２０、３０、４０ ：規制体
２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ ：ブレード
１００ ：放電ランプ
Ｂ１ ：第一間隔
Ｄ１ ：外径
Ｄ２ ：外径
Ｇ１ ：隙間
Ｈ１ ：第三間隔
Ｌ１ ：第二間隔
Ｐ０ ：基準位置
Ｐ１ ：最低位置
Ｐ２ ：最高位置
Ｐ３ ：界面位置
Ｓ１ ：上部面積
Ｔ１ ：厚み
Ｚ１ ：中心軸

Claims (4)

1. 軸方向に対向配置される一対の電極を内部に有する放電ランプにおいて、
   前記一対の電極のうち、少なくとも一つの電極は、
   密閉空間を有し、主にタングステンを含む材料から構成される本体と、
   前記密閉空間内に、前記本体を構成する材料よりも融点の低い材料であり、主に銀を含む材料で構成される伝熱体と、
   前記密閉空間内に、前記伝熱体より融点の高い材料で構成され、前記伝熱体の対流を規制する規制体と、
   前記密閉空間内に、前記伝熱体に接するガス空間と、を備え、
   前記規制体は、前記軸方向及び前記軸方向に直交する径方向に延在するブレードを４枚有し、前記ブレードの厚みＴ１は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、前記ブレードの上面は、平面とテーパ面から構成され、前記平面の径方向の長さＢ２が前記ブレードの下面の径方向の長さＢ３より小さく、
   前記少なくとも一つの電極の先端を下に、後端を上になるように配置して、前記密閉空間の底面における前記軸方向の最低位置を基準位置Ｐ０とし、前記底面に最も近い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最低位置Ｐ１とし、前記底面に最も遠い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最高位置Ｐ２とし、前記伝熱体と前記ガス空間との界面の前記軸方向の位置を界面位置Ｐ３とするとき、
   前記基準位置Ｐ０と前記最低位置Ｐ１との前記軸方向における間隔である第一間隔Ｂ１（ｍｍ）、前記最低位置Ｐ１と前記最高位置Ｐ２との前記軸方向における間隔である第二間隔Ｌ１（ｍｍ）、前記最高位置Ｐ２と前記界面位置Ｐ３との前記軸方向における間隔である第三間隔Ｈ１（ｍｍ）、及び、前記軸方向である軸を含む断面における、前記最低位置Ｐ１と前記界面とに挟まれた伝熱体の存在する上部領域の面積を表す、前記伝熱体の上部面積Ｓ１（ｍｍ^２）は、以下の（１）～（３）式を満たす
   ３≦Ｂ１≦１５ …（１）
   ０．０≦Ｈ１／Ｌ１≦１．０ …（２）
   Ｓ１≧４０ …（３）
   ことを特徴とする、放電ランプ。
2. 前記密閉空間の前記底面は、曲面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記本体の外径をＤ１とし、前記密閉空間の外径をＤ２とするとき、以下の（４）式を満たす
   ０．４５×Ｄ１＋１．５ ≦ Ｄ２ ≦ ０．５５×Ｄ１＋１．５ …（４）
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の放電ランプ。
4. 軸方向に対向配置される一対の電極を内部に有する放電ランプに使用される電極であって、前記使用される電極は、
   密閉空間を有し、主にタングステンを含む材料から構成される本体と、
   前記密閉空間内に、前記本体を構成する材料よりも融点の低い材料であり、主に銀を含む材料で構成される伝熱体と、
   前記密閉空間内に、前記伝熱体より融点の高い材料で構成され、前記伝熱体の対流を規制する規制体と、
   前記密閉空間内に、前記伝熱体に接するガス空間と、を備え、
   前記規制体は、前記軸方向及び前記軸方向に直交する径方向に延在するブレードを４枚有し、前記ブレードの厚みＴ１は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、前記ブレードの上面は、平面とテーパ面から構成され、前記平面の径方向の長さＢ２が前記ブレードの下面の径方向の長さＢ３より小さく、
   前記少なくとも一つの電極の先端を下に、後端を上になるように配置して、前記密閉空間の底面における前記軸方向の最低位置を基準位置Ｐ０とし、前記底面に最も近い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最低位置Ｐ１とし、前記底面に最も遠い前記ブレードの端部位置を前記ブレードの最高位置Ｐ２とし、前記伝熱体と前記ガス空間との界面の前記軸方向の位置を界面位置Ｐ３とするとき、
   前記基準位置Ｐ０と前記最低位置Ｐ１との前記軸方向における間隔である第一間隔Ｂ１（ｍｍ）、前記最低位置Ｐ１と前記最高位置Ｐ２との前記軸方向における間隔である第二間隔Ｌ１（ｍｍ）、前記最高位置Ｐ２と前記界面位置Ｐ３との前記軸方向における間隔である第三間隔Ｈ１（ｍｍ）、及び、前記軸方向である軸を含む断面における、前記最低位置Ｐ１と前記界面とに挟まれた伝熱体の存在する上部領域の面積を表す、前記伝熱体の上部面積Ｓ１（ｍｍ^２）は、以下の（１）～（３）式を満たす
   ３≦Ｂ１≦１５ …（１）
   ０．０≦Ｈ１／Ｌ１≦１．０ …（２）
   Ｓ１≧４０ …（３）
   ことを特徴とする、電極。