JP2005142071A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 通常の使用状態においても、陰極のコーン状部分の表面領域において高いトリウム利用率が達成されて、長い動作寿命を有する高圧放電ランプを提供すること。
【解決手段】 本発明の高圧放電ランプは、バルブ内に陽極および陰極が設けられてなる高圧放電ランプであって、前記陰極は、胴部分と、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂ ）がドープされてなるコーン状部分とを有してなり、前記コーン状部分は、タングステンカーバイド層が形成されたコーン基部と、当該コーン基部から前方に伸びるコーン先端部とよりなり、コーン基部は、放電アークに対向する受光面部分が形成されていることを特徴とする。以上において、コーン基部が階段状の周面を有してなり、当該階段のステップ面により、前記胴部分の軸に対して垂直な方向に延びる受光面部分が形成されていることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：デジタル・ライト・プロセッシング）技術を利用した映写機などにおいて光源として用いられるキセノンランプ、例えば半導体露光装置、液晶露光装置またはプリント基板露光装置などにおける光源として用いられる高圧水銀ランプなどの高圧放電ランプに関する。

従来、高圧放電ランプとしては、例えば図３に示す構成のものが知られている。この高圧放電ランプ１０は、石英ガラス製の、発光管部１１および封止管部１２よりなるバルブと、発光管部１１の内部において、互いに対向するよう設けられた陰極１３および陽極１４により構成されている。
そして、陰極１３および陽極１４のそれぞれを支持するタングステン製の電極棒１３１、１４１が、封止管部１２内で固定的に配設された、その内部に軸方向に伸びる貫通孔を有する円筒状の石英ガラスよりなる保持用筒体１６に挿通されて保持されると共に、段継ぎガラス１５によって封止管部１２に封着されている。この電極棒１３１、１４１は、バルブの外端部から外方に突出して伸びて、陰極１３および陽極１４の各々に電力を供給する外部リード棒を兼ねるものである。

以上のような構成を有する高圧放電ランプ１０においては、陰極１３は、図４に示されるように、円柱状の胴部分１３２と、この胴部分１３２の一端に一体的に設けられた、当該胴部分１３２の軸Ｌに沿って前方（図において左方）に向かうに従って次第に径が小さくなり、その先端に円形の平坦な先端面１３３が形成された円錐台形状のコーン状部分１３４とにより構成されてなるものであり、このコーン状部分１３４は、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂ ）よりなる電子放射性物質が、タングステンよりなる高融点金属にドープされたトリエーテッドタングステンにより形成されている。
ここで、陽極１４は、純タングステンにより形成されている。

このような陰極１３によれば、そのコーン状部分１３４において、ドープされた二酸化トリウムがタングステンによって還元されて生成されるトリウムがエミッタとして作用することにより、電子が安定的に放出されることとなり、その結果、放電アークの形成が容易となる。

しかしながら、この二酸化トリウムがタングステンによって還元されるためには約２５００℃以上と非常に高い温度が必要である。そして、通常の使用状態において、コーン状部分１３４における放電アークに近接する先端側領域１３６以外の領域、すなわち基端側領域１３５においては、このような高温度状態を得ることは困難である。その結果、この基端側領域１３５においては、二酸化トリウムのタングステンによる還元反応が進行せず、従って、エミッターとして作用するトリウムを有効に生成させることができない。

以上のように、コーン状部分１３４の表面においては、ドープされた二酸化トリウムの総量に対するトリウムへの還元の割合、すなわち二酸化トリウム還元率が低いために二酸化トリウムを高い利用効率で利用することができず、従って、実際に放電アークの形成に寄与するトリウムの絶対量が少なくなってしまう結果、高圧放電ランプ１０において十分に長い使用動作寿命を得ることができない、という問題がある。

上記の問題に対処すべく、コーン状部分１３４において、基端側領域１３５の表面に対して炭化処理を施し、当該基端側領域１３５にタングステンカーバイド（Ｗ₂ Ｃ）層よりなる表面層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような構成によれば、タングステンカーバイドは約１８００℃以上という比較的低い温度範囲で二酸化トリウムを還元することが可能となるために、通常の使用状態においても、陰極１３のコーン状部分１３４の表面における広い領域において二酸化トリウムの還元に必要な温度が実現されることとなり、これにより、二酸化トリウム還元率が向上して、実際に放電アークの形成に多量のトリウムが寄与することとなるため、高圧放電ランプ１０の長寿命化を図ることが可能である。

特開２０００−２１３４９号公報

しかしながら、その表面にタングステンカーバイド層が形成されたコーン状部分１３４においても、通常の使用状態においては、なお基端側領域１３５において十分に高い温度とならない領域が存在し、十分に高い二酸化トリウム還元率を実現することができず、従って、当該高圧放電ランプ１０において所期の動作寿命を達成することができない、という問題があることが判明した。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、通常の使用状態においても、陰極のコーン状部分の表面領域において高い二酸化トリウム還元率が達成されて、長いの動作寿命を有する高圧放電ランプを提供することにある。

本発明の高圧放電ランプは、バルブ内において互いに対向する陽極および陰極が設けられてなる高圧放電ランプであって、
前記陰極は、円柱状の胴部分と、この胴部分の一端から前方に向かうに従って径が小さくなる仮想円錐体の周面に沿った形状を有する、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂ ）がドープされてなるコーン状部分とを有してなり、
前記コーン状部分は、前記胴部分に連続する、タングステンカーバイドよりなる表面層が形成されたコーン基部と、当該コーン基部から前方に伸びるコーン先端部とよりなり、 コーン基部は、前記胴部分の軸に対して、前記仮想円錐体に係る傾斜角θ₁ より大きな角度をもって立ち上がる、前記陽極との間に形成される放電アークに対向する受光面部分が形成されていることを特徴とする。

以上において、コーン基部が階段状の周面を有してなり、当該階段のステップ面により、前記胴部分の軸に対して垂直な方向に延びる受光面部分が形成されていることが好ましい。

本発明の高圧放電ランプによれば、陰極のコーン状部分におけるコーン基部が、当該コーン状部分に係る傾斜角θ₁ より大きな角度θ₂ で立ち上がって放電アークに対向し、当該放電アークからの放射光を受光する受光面部分を備えてなることにより、当該受光面部分が放電アークからの放射熱を受ける結果、当該コーン基部の温度が高いものとなり、その結果、コーン状部分全体において高い二酸化トリウム還元率が確実に実現されることとなり、従って、所期の量のトリウムが放電アークの安定的な形成に利用可能となって、結局、高圧放電ランプについて、所期の長い動作寿命が確実に得られる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の高圧放電ランプに係る陰極の一例における構成を示す説明用側面図である。

本発明の高圧放電ランプは、図１に示す構成を有する陰極２０を備えており、そのこと以外は、例えば図３に示す高圧放電ランプ１０と同様の構成を有するものとすることができる。ここで、本発明の高圧放電ランプとしては、図３に示す構成に代えて、金属箔を用いた封止構造を有する構成のもの（図示せず）であってもよい。

図１において、陰極２０は、円柱状の胴部分２１と、この胴部分２１の一端からその軸Ｌの方向前方（図において左方）に向かうに従って次第に径が小さくなり、傾斜角θ₁ を有する仮想円錐体Ｃの周面に沿った形状を有するコーン状部分２２とが一体に構成されたものである。

そして、コーン状部分２２は、軸Ｌに対する角度θ₂ が９０°となる状態で立ち上がり、前方に対向する円形帯状のステップ面Ｓ１およびこのステップ面Ｓ１の一縁から前方に軸Ｌと平行に伸びて円柱周面を形成する段周面Ｓ２よりなり、当該ステップ面Ｓ１および段周面Ｓ２によって形成されるリング状の角縁部が前記仮想円錐体Ｃの周面に周方向に沿って伸びるよう形成された階段状であって、例えば前記胴部分２１の一端から前方に向かうに従って、４つのステップ面Ｓ１と、順次に小径となる４つの段周面Ｓ２とが交互に形成された階段状の周面を有してなるコーン基部２２１と、このコーン基部２２１から更に前方に伸びる、前記仮想円錐体Ｃの周面に沿った周面を有するコーン先端部２２２とよりなる構成とされている。

そして、上記のステップ面Ｓ１により、放電アークに対向する受光面部分ａが形成されている。ここで、当該ステップ面Ｓ１は、その径方向における幅ｔが０．１ｍｍ〜１ｍｍとされる。

以上において、仮想円錐体Ｃに係る傾斜角θ₁ とは、当該仮想円錐体Ｃの周面の前記軸Ｌを基準とした場合における傾斜角度であり、すなわち、図１に示すように、コーン先端部２２２におけるその周面と軸Ｌとの間に形成される角度をいう。
また、受光面部分の立ち上がり角度θ₂ とは、受光面部分を形成する面の、軸Ｌに対する角度であって、すなわち、図１に示すように、受光面部分を形成するステップ面Ｓ１に係る延長面と軸Ｌとの間に形成される角度をいう。

胴部分２１およびコーン状部分２２は、電子放射性物質がドープされた高融点金属により形成されており、具体的には、タングステンよりなる高融点金属に二酸化トリウムよりなる電子放射性物質がドープされてなるトリエーテッドタングステンにより形成されている。
ここで、陰極を形成するトリエーテッドタングステン中における二酸化トリウムの含有割合は、１〜４質量％であることが好ましい。

また、コーン基部２２１には、炭化処理により形成されたタングステンカーバイド層よりなる表面層が形成されている。このコーン基部２２１の表面層におけるタングステンカーバイド層は、約１８００°以上という比較的低い温度領域で二酸化トリウムを還元するものである。

以上のような陰極２０の全体形状は、例えば光源装置として用いられる場合に組み込まれる反射鏡の形状、高圧放電ランプとして要求される寿命、入力電流値などの種々の条件によって決定されるが、具体的には、傾斜角θ₁ が例えば３０〜６０°、胴部分２１の直径が例えば４〜１２ｍｍ、先端面２２３の直径が例えば０．２〜０．６ｍｍとされる。

そして、バルブにより区画された放電空間の内部には、例えばアルゴンガス、キセノンガスなどの希ガスが例えば０．０１〜１ＭＰａの範囲で封入され、または、これらの希ガスと共に、水銀が例えば１〜１００ｍｇ／ｃｍ³ の範囲で封入される。
なお、水銀が放電空間の内部に封入される場合には、図３に示す構成ではなく、金属箔を用いた封止構造を有する構成の高圧放電ランプが用いられる。

本発明の高圧放電ランプによれば、陰極におけるコーン基部が、当該陰極に係る仮想円錐体の傾斜角より大きい角度で立ち上がって放電アークに対向した受光面部分を備えていることにより、当該受光面部分において放電アークからの放射光を受光する結果、当該コーン基部の温度がそのような受光面部分のないものより高い温度となり、その結果、タングステンカーバイドによる二酸化トリウムの還元のために十分高い温度が確実に実現されることとなる。従って、コーン状部分の表面において二酸化トリウムとして存在するトリウムを、高い利用効率をもって、安定的な放電アークの形成に利用することが可能であり、その結果、ドープされた二酸化トリウムの量に応じた所期の長い使用動作寿命が確実に実現される。

以上において、受光面部分を形成するステップ面Ｓ１が、０．１ｍｍ以上の幅ｔを有していることにより、当該受光面部分に十分な大きさの面積が確保されて、十分な量の放射熱を受けることが可能であり、その結果、タングステンカーバイドによる二酸化トリウムの還元に必要とされる高い温度が十分にかつ確実に実現される。

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の高圧放電ランプは、図２に示す構成の陰極３０を備えてなるものであってもよい。この陰極３０は、その周面に、各々周方向に伸びる、延伸方向に垂直な断面が円弧状である、リング状の溝の複数が、軸Ｌ方向に平行に並ぶよう形成されたコーン基部３１を備えてなるものである。そして、コーン基部３１によれば、当該溝の内壁面の立ち上がり部分である、放電アークに対向する面部分ａにより受光面部分が形成されている。

以上において、陰極におけるコーン基部は、その表面にフロスト加工処理が施されているものであってもよい。このようなフロスト加工処理が施された構成のコーン基部においては、その表面積が大きいために、多量の二酸化トリウムをドープすることが可能であり、しかも、二酸化トリウムの還元に必要な温度が確実に実現されることによって、当該多量の二酸化トリウムについて高い利用効率が実現されることとなり、従って、放電アークの形成に利用することができるトリウムが多量であり、結局、高圧放電ランプについて、長寿命化を図ることが可能である。

<対照例>
図３に示す構成を有し、石英ガラス製バルブの内部空間にキセノンガスが充填された、出力電力が２ｋＷ、動作圧が８ＭＰａであるキセノンランプを作製した。このキセノンランプの陰極は、図４に示す構成のものであり、その材質は、２重量％の割合で二酸化トリウムがドープされたタングステンであり、陰極の先端面の直径は０．４ｍｍ、コーン先端部に係る傾斜角θ₁ は４０°、胴部分の直径が６ｍｍのものである。
得られたキセノンランプについて動作寿命を測定した結果、その動作寿命は１１５０時間であった。

<実施例>
陰極として、図１に示す構成のものを用いたこと以外は、上記対照例と同様にキセノンランプを作成した。
このキセノンランプにおいて、コーン基部２２１における階段上部分におけるステップ面Ｓ１の径方向の幅ｔは０．２ｍｍ、軸Ｌ方向に伸びる段周面の幅は１．０ｍｍであり、その体積は、上記対照例における陰極と殆ど変わらないものである。
得られたキセノンランについての動作寿命を測定した結果、その動作寿命は１３５０時間であった。

以上の結果、本発明の高圧放電ランプによれば、大幅に長い動作時間が得られた。

本発明の高圧放電ランプに係る陰極の一例における構成を示す説明用側面図である。 本発明の高圧放電ランプに係る陰極の他の例における構成を示す説明用側面図である。 高圧放電ランプの一例における構成を管軸に沿った断面で示す、説明用断面図である。 従来の高圧放電ランプに係る陰極の一例における構成を示す説明用側面図である。

符号の説明

１０ 高圧放電ランプ
１１ 発光管部
１２ 封止管部
１３ 陰極
１３１ 電極棒
１３２ 胴部分
１３３ 先端面
１３４ コーン状部分
１３５ 基端側領域
１３６ 先端側領域
１４ 陽極
１４１ 電極棒
１５ 段継ぎガラス
１６ 保持用筒体
２０ 陰極
２１ 胴部分
２２ コーン状部分
２２１ コーン基部
２２２ コーン先端部
２２３ 先端面
３０ 陰極
３１ コーン基部

Claims (2)

1. バルブ内において互いに対向する陽極および陰極が設けられてなる高圧放電ランプであって、
   前記陰極は、円柱状の胴部分と、この胴部分の一端から前方に向かうに従って径が小さくなる仮想円錐体の周面に沿った形状を有する、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂ ）がドープされてなるコーン状部分とを有してなり、
   前記コーン状部分は、前記胴部分に連続する、タングステンカーバイドよりなる表面層が形成されたコーン基部と、当該コーン基部から前方に伸びるコーン先端部とよりなり、 コーン基部は、前記胴部分の軸に対して、前記仮想円錐体に係る傾斜角θ₁ より大きな角度をもって立ち上がる、前記陽極との間に形成される放電アークに対向する受光面部分が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. コーン基部が階段状の周面を有してなり、当該階段のステップ面により、前記胴部分の軸に対して垂直な方向に延びる受光面部分が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
   

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