JP2010146990A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）が含有されている陰極を有する放電ランプにおいて、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）の還元を促し、ランタン（Ｌａ）の供給量を増やし、長寿命の放電ランプを提供すること。
【解決手段】 放電容器１の内部に当該放電容器１の管軸方向において対向するように配置された陽極４と陰極５とを有し、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物と、ジルコニウムの金属酸化物とが含まれた材料により前記陰極５が形成された放電ランプにおいて、前記陽極４に炭素と酸素とが添加されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高負荷で高輝度の放電ランプに関し、更に詳しくは、陰極材料に易電子放射性材料としてランタン（Ｌａ）を含む材料を使用したことを特長とする放電ランプに関する。

露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用される放電空間に水銀が封入されている放電ランプや、映写機などにおいて光源として使用される放電空間にキセノンガスが封入されている放電ランプにおいて、タングステン（Ｗ）を主成分とする陰極に、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を含有させることによって、良好な電子放射特性を示すことが知られている。

しかしながら、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を含有させた陰極を有する放電ランプでは、点灯時に陰極にかかる高熱負荷のために、ランタン（Ｌａ）が早期に蒸発して枯渇し、安定した放電を維持することができなくなってしまうことが問題となっている。
そこで、特開２００６−２８６２３６号公報に示す技術には、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などがタングステンよりも酸素と結びつきやすいという特性を利用し、これらの金属から選ばれた少なくとも１種類の金属酸化物を共存させることによって、タングステン酸化物が形成されることを抑制できることが記載されている。融点の低いタングステン酸化物が、陰極の動作温度程度で液相化されることが抑制され、長時間に亘って安定した該易電子放射性材料の供給がなされ、安定した放電を長時間維持することができるようになる。

さらに、特表２００５−５１９４３６号公報に示す技術には、酸化物またはカーバイドを添加することによって改善を達成させることが試みられたことが記載されている。
特開２００６−２８６２３６号公報 特表２００５−５１９４３６号公報

ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などから選ばれた少なくとも１種類の金属酸化物を共存させることによって、ランタン（Ｌａ）が早期に蒸発して枯渇することは防止できるようになったが、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）として含有されている易電子放射性材料の還元が不十分で、長寿命の放電ランプを提供するにはランタン（Ｌａ）がなお不足している。ランタン（Ｌａ）が不足すると、陰極の先端にランタン（Ｌａ）が１原子層で被覆する面積が小さくなり、仕事関数が大きくなって陰極の温度が上がって変形し、チラツキが発生するという問題がある。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）が含有されている陰極を有する放電ランプにおいて、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）の還元を促し、ランタン（Ｌａ）の供給量を増やし、長寿命の放電ランプを提供することを目的とする。

本願第１の発明は、放電容器の内部に当該放電容器の管軸方向において対向するように配置された陽極と陰極とを有し、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物と、ジルコニウムの金属酸化物とが含まれた材料により前記陰極が形成された放電ランプにおいて、前記陽極に炭素と酸素とが添加されていることを特徴とする。

本願第２の発明は、前記陽極に添加される炭素と酸素は、原子数で比較したときに、炭素の数が酸素の数よりも多いことを特徴とする。

本願第１の発明に係る放電ランプによれば、陽極に炭素（Ｃ）のみならず酸素（Ｏ）も添加されているので、炭素（Ｃ）が酸素（Ｏ）と結合した一酸化炭素（ＣＯ）の状態となって、発光管の内部空間に放出され、さらに炭素原子（Ｃ）を陰極の内部へ拡散させることができる。陰極の内部に拡散された炭素（Ｃ）は、陰極に含有される酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元し、陰極の先端がランタン（Ｌａ）で被覆された状態を維持できる。これより、陰極の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、放電ランプの寿命を延ばすことができる。
さらに、陽極先端を含む陽極４の半分もの大きな部分を一酸化炭素（ＣＯ）の供給源とできるため、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元する一酸化炭素（ＣＯ）が不足する心配がなく、ランタン（Ｌａ）の供給も維持され、長寿命の放電ランプを提供することができる。

本願第２の発明に係る放電ランプによれば、タングステン基体金属中の炭素（Ｃ）の拡散速度は、酸素（Ｏ）の拡散速度より遅いため、陽極の内部に含有される炭素原子（Ｃ）の数を酸素原子（Ｏ）の数よりも多くすることによって、拡散によって陽極の表面に達する炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成することができる

図１は、本発明の放電ランプの一例として、露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用される放電空間に水銀が封入されている放電ランプの構成を示す説明用断面図である。放電容器１の一部である発光管２だけを透過させてその内部の構造を示している。

放電ランプは、例えば石英ガラスなどの光透過性材料よりなり、概略球状の発光管２とその両端に連続して外方に伸びる封止管３とを有する放電容器１を備え、放電容器１の内部には、各々例えばタングステン（Ｗ）からなる陽極４および陰極５が放電容器１の管軸方向において対向配置されている。放電容器１の内部空間には、発光物質または始動補助用のガスとしての水銀およびバッファガスがそれぞれ所定の封入量で封入されている。バッファガスとしては、例えばキセノンガスが封入される。水銀の封入量は、例えば１〜７０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲内、例えば２２ｍｇ／ｃｍ^３とされ、キセノンガスの封入量は例えば０．０５〜０．５ＭＰａの範囲内、例えば０．１ＭＰａとされる。

陽極４および陰極５の電極間に高電圧例えば２０ｋＶが印加されることにより、陰極５から陽極４に電子が飛んで電極間で絶縁破壊が生じ、それに続いて放電アークが形成され、例えば波長３６５ｎｍのｉ線や波長４３５ｎｍのｇ線を含む光が放射される。

陽極４は、タングステン（Ｗ）を主成分とし、炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）が添加されている。陰極５は、タングステンを主成分とし、タングステン含有率を９８重量％弱としている。この陰極５のタングステン金属基体中に、易電子放射性材料としてランタン（Ｌａ）の金属酸化物と、易電子放射性材料を安定化させる安定化材として、ジルコニウム（Ｚｒ）の金属酸化物とが含まれている。

陽極４に含有される炭素（Ｃ）は、例えば、タングステン（Ｗ）中に固溶させられて単体の状態で添加されている。陽極４に含有される酸素（Ｏ）は、金属酸化物、例えば、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の状態で添加されている。
なお、陽極４に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）などの易電子放射性材料を含有させることはない。トリウム酸化物を含有するタングステン（ＴｈＷ）、いわゆるトリエーティッドタングステンに比べて、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を含有するタングステンは耐熱温度が低いので、ランタン（Ｌａ）が蒸発して放電に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。

一方、陰極５に含有される酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）は易電子放射性材料であり、還元されて酸素が離脱し、ランタン原子としてタングステン中を移動して陰極５の先端部まで進み、陰極５の先端部を被覆して単原子層電子放射陰極が形成される。すなわち、陰極５の先端部にランタン（Ｌａ）が１原子層で被覆することによって、陰極５の仕事関数が小さくなり、陰極５の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、陰極５の寿命を延ばすことができる。

陰極５に含有される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）は易電子放射性材料を安定化させる安定化材であり、タングステン酸化物が形成されて、融点が低下することによる液相化を抑制することができるものである。酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）が還元されることにより発生する酸素（Ｏ_２）は、ジルコニウム（Ｚｒ）等がない場合には、タングステン（Ｗ）と結合してタングステン酸化物（ＷＯ_３）を生成する。タングステン酸化物（ＷＯ_３）は、ランタン酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３）と融点の低い化合物を形成し、液相化することによってエミッターの輸送速度が急速に増加し、消耗されてしまうという問題を生じさせる。

そのため、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を添加し、タングステン（Ｗ）よりも酸素と結びつきやすいジルコニウム（Ｚｒ）が酸素ゲッタとして機能し、タングステン酸化物（ＷＯ_３）が形成されることを抑制している。融点の低い化合物が形成されなくなるので、陰極５の動作温度程度で液相化されることが抑制され、ランタン（Ｌａ）が早期に蒸発して枯渇することを防止できる。

なお、図１に示す放電ランプについて、水銀が封入されているものとして説明したが、封入物を水銀に替えてキセノンガスのみとし、映写機などにおいて光源として使用される放電ランプにおいて、本発明の炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）とが添加された陽極とすることもできる。

ここで、陽極４に炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）とを添加させた構成を適用して試験したところ、放電ランプの寿命が改善された。改善された理由としては、以下の現象が生じていることが推測される。
図２は、陽極４に添加されている炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）の反応を説明するための模式図である。
放電ランプの点灯中、陽極４は高温になるので、陽極４に添加されている炭素（Ｃ）は、同じく陽極４に含有されている金属酸化物に還元材として働きかけ、金属酸化物を還元して一酸化炭素（ＣＯ）を発生させる。例えば、金属酸化物として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有している場合、下記の化学式のような反応が起こる。
Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｃ ⇔ ２Ａｌ＋３ＣＯ
一酸化炭素（ＣＯ）は、炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）とに分解して、陽極４を構成するタングステン基体金属中に溶解し、それぞれ陽極４に含有されている炭素（Ｃ）と共に拡散によって陽極４の表面に達する。

なお、タングステン基体金属中の炭素（Ｃ）の拡散速度は、酸素（Ｏ）の拡散速度より遅いため、陽極４の内部に含有される炭素原子（Ｃ）の数は、酸素原子（Ｏ）の数より多いことが好ましい。陽極４の内部に含有される炭素原子（Ｃ）の数を酸素原子（Ｏ）の数より多くすることによって、拡散によって陽極４の表面に達する炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成することができるためである。

単体の炭素（Ｃ）は蒸気圧が低いので蒸発しないものであり、陽極４に含有されている炭素（Ｃ）が発光管２の内部空間や陰極５に輸送されることはない。しかしながら、陽極４に炭素（Ｃ）のみならず酸素（Ｏ）も添加させることにより、陽極４の表面に達した炭素（Ｃ）と酸素（Ｃ）とが一酸化炭素（ＣＯ）の状態となって、発光管２の内部空間に放出される。

発光管２の内部空間に放出された一酸化炭素（ＣＯ）は、放電気体中を拡散や対流によって一部がアーク中に輸送され、アークの高温によって炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）に分解すると共に、炭素は正イオン（Ｃ^＋）に、酸素は負イオン（Ｏ⁻）にそれぞれイオン化する。炭素イオン（Ｃ^＋）はアーク中を電場によって移動し、陰極５の先端に達して、陰極５から放出される電子と再結合して炭素原子（Ｃ）となり、陰極５の内部へ拡散していく。

陰極５の内部に拡散された炭素（Ｃ）は、陰極５に含有される酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）と以下のような反応を起こし、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元する。
Ｌａ_２Ｏ_３＋３Ｃ ⇔ ２Ｌａ＋３ＣＯ
還元されて生成された単体のランタン（Ｌａ）は、タングステン（Ｗ）の結晶粒界を拡散して、陰極５の先端に進む。陰極５の先端にランタン（Ｌａ）が１原子層で被覆することによって、陰極５の仕事関数が小さくなり、陰極５の動作温度が下がって陰極５の先端の変形が抑制され、チラツキの発生を抑制し、陰極５の寿命を延ばすことができる。

放電ランプの点灯時の陽極４の温度は非常に高くなり、陽極先端を含む半分が、その内部を含めて２０００℃以上になる。炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）との反応は、温度が約２０００℃以上の部分で起こるため、陽極４に炭素と酸素とを添加することによって、陽極先端を含む陽極４の半分を一酸化炭素（ＣＯ）の発生源とすることができる。このように一酸化炭素（ＣＯ）の供給源となる部分の体積が大きいため、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元する還元材となる一酸化炭素（ＣＯ）が不足する心配がなく、ランタン（Ｌａ）の供給も維持され、長寿命の放電ランプを提供することができる。

また、易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を用いる場合、これまでは、還元が十分に進まないためにランタン（Ｌａ）が不足して陰極５の先端の温度が上昇してしまい、大電力が投入される大型の放電ランプには採用できなかった。しかしながら、陽極４に炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）を添加して陰極５の内部に炭素（Ｃ）を拡散するようにしたことにより、大電力が投入される大型の放電ランプに易電子放射性材料として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を採用しても、ランタン（Ｌａ）を十分に供給することができるようになった。

続いて、タングステン（Ｗ）中に炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）を添加している陽極４の製造方法について説明する。
陽極材料であるタングステンは、粉末冶金法によって形成される。まず、精製されたパラタンググテン酸アンモニウム溶液にクロム（Ｃｒ）またはアルミニウム（Ａｌ）の硝酸塩を添加し、蒸発、ばい焼し、ドープされた酸化タングステン粉末をつくる。これを水素還元し、調製タングステン粉末が得られる。クロム（Ｃｒ）またはアルミニウム（Ａｌ）の硝酸塩が、酸素（Ｏ）を添加するための金属酸化物となる。

そして、調製タングステン粉末が適当な粒度分布を持つように平均粒径の異なる粉末を混合し、ステアリン酸などのバインダーを加え、型に充填し、加圧成形し、棒状の成形体を得る。続いて、水素中で徐々に温度を上げてバインダーをとばし、さらに温度を上げて仮焼結体を得る。この際、水素の露点が低いと、バインダー由来の炭素（Ｃ）の残留量が多くなるので、水素の露点を調節することで、炭素のドープ量をコントロールできる。

さらに、仮焼結棒を水素中で通電焼結することによって、焼結棒が得られる。焼結の過程で、含有する酸素量や炭素量は減少する。減少の割合は仮焼結棒の太さ、原料粉末の粒度分布、仮焼結棒のみかけ密度、焼結温度（通電電流）、焼結時間によって変化するので、減少割合に応じて、酸素量については調整粉末中のクロム（Ｃｒ）またはアルミニウム（Ａｌ）のドープ量を調整し、炭素量については仮焼結時の水素の露点を調節し、多めに入れることで、所望の酸素量、炭素量を持ったタングステン焼結棒が得られる。

続いて、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）とが添加されていることを検証する分析方法について説明する。
まず、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に添加される炭素（Ｃ）の量を分析する方法を説明する。分析方法は、タングステン・モリブデン工業会規格、タングステン及びモリブデン分析方法、１６．全炭素定量方法による。全炭素の定量方法として、ａ）燃焼−誘電率法、ｂ）燃焼−電量法、ｃ）燃焼−電熱伝導法、ｄ）燃焼−赤外線吸収法（積分法）、ｅ）燃焼−赤外線吸収法（循環法）が挙げられているが、いずれでもよい。
ここでは、ａ）燃焼−誘電率法について説明する。
陰極５を砕いてタングステンの粉末状にして試料とし、試料を酸素気流中で加熱し、炭素を酸化して二酸化炭素とし、一定量の水酸化ナトリウム溶液に吸収させ、吸収前後の溶液の伝導率の変化を測定することによって、炭素の含有率を求めることができる。

分析結果として炭素量が１０ｗｔｐｐｍ以上、１００ｗｔｐｐｍ以下となる範囲で、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に炭素（Ｃ）が添加されていることが好ましい。炭素（Ｃ）は質量が軽いので、その量が１０ｗｔｐｐｍあれば、陰極５の内部に炭素（Ｃ）を供給して酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元するには十分な量があるといえる。
また、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に添加される炭素（Ｃ）の量が多くなりすぎると、陽極材料のタングステン（Ｗ）の融点の低下を招き、放電ランプの点灯時に溶ける恐れが出てくる。そのため、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に添加される炭素（Ｃ）の量は、１００ｗｔｐｐｍ以下が好ましい。

次に、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に添加される酸素（Ｏ）の量を分析する方法を説明する。分析方法は、タングステン・モリブデン工業会規格、タングステン及びモリブデン分析方法、１５．酸素定量方法による。酸素の定量方法として、ａ）水素還元重量法、ｂ）酸素重量法、ｃ）不活性ガス融解−赤外線吸収法が挙げられているが、いずれでもよい。例えば、ａ）水素還元重量法では、試料を水素気流中で加熱して還元し、その減量をはかることにより酸素を定量できる。

分析結果として得られた酸素量から算出される酸素原子（Ｏ）の数が、炭素量の分析結果から算出される炭素原子（Ｃ）の数より多くなるように、陽極材料のタングステン（Ｗ）中に酸素（Ｏ）が添加されていることが好ましい。上述したように、タングステン基体金属中の炭素（Ｃ）の拡散速度は、酸素（Ｏ）の拡散速度より遅いため、陽極４の内部に含有される炭素原子（Ｃ）の数を酸素原子（Ｏ）の数より多くすることによって、拡散によって陽極４の表面に達する炭素（Ｃ）と酸素（Ｏ）の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成することができるためである。

上記の実施形態においては、炭素（Ｃ）が陽極４に固溶しているものとして説明したが、炭素（Ｃ）を他の形態として陽極４に添加させることもできる。
この他の実施形態を図３に基づいて説明する。図で示すように、陽極４の外表面に浸炭処理をして、陽極４の金属表面およびその周囲に形成された浸炭部４１の炭素量を増加させている。浸炭処理は浸炭させる厚さに対応させた真空中で加熱する真空浸炭によりなされ、浸炭部４１をタングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ）として構成する。

陽極４に添加する炭素（Ｃ）を浸炭処理によるタングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ）の形態としても、炭素（Ｃ）が酸素（Ｏ）と結合した一酸化炭素（ＣＯ）の状態となって、発光管２の内部空間に放出され、さらに炭素原子（Ｃ）を陰極５の内部へ拡散させることができる。陰極５の内部に拡散された炭素（Ｃ）は、陰極５に含有される酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を還元し、陰極５の先端がランタン（Ｌａ）で被覆された状態を維持できる。これより、陰極５の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、寿命を延ばすことができる。

本発明の放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図 本発明の放電ランプの陽極の説明用断面図 本発明の放電ランプの陽極の説明用断面図

符号の説明

１ 放電容器
２ 発光管
３ 封止管
４ 陽極
５ 陰極

Claims (2)

1. 放電容器の内部に当該放電容器の管軸方向において対向するように配置された陽極と陰極とを有し、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物と、ジルコニウムの金属酸化物とが含まれた材料により前記陰極が形成された放電ランプにおいて、
   前記陽極に炭素と酸素とが添加されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記陽極に添加される炭素と酸素は、原子数で比較したときに、炭素の数が酸素の数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

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