JP2011113820A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】長時間にわたり安定的にエミッターを先端領域に供給できるとともに、アークの輝度が高い陰極構造を提供すること。
【解決手段】電子放射性物質が含有されるとともに先端が概略円錐台形状の陰極（20）と、陽極(30)とを含む発光部(11)を有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極(20)は、前記円錐台の斜面領域であって、当該陰極(20)の先端面の直径をＤとしたとき、陰極先端から当該陰極の軸方向の長さ２Ｄ以内に開口部を有する細長穴(25)が形成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関する。特に、ショートアーク型水銀ランプ、ショートアーク型キセノンランプに関する。

ショートアーク型放電ランプは、発光部に陽極と陰極が数ミリ程度の間隙をもって対向配置する構造をしており、陽極と陰極の間にアークを発生させて発光を得るランプである。このうち、ショートアーク型水銀ランプは、半導体、液晶、プリント基板など各種の露光工程に用いられる。また、ショートアーク型キセノンランプは、例えば、ディジタルシネマ用プロジェクター装置の光源に用いられる。

この種の放電ランプの陰極は、通常タングステンを基体として構成されており、このタングステンには通称エミッターといわれる電子放射性物質が含有されている。このエミッターは、ランプ点灯中において陰極先端まで輸送（拡散）されることで陰極先端におけるアーク形成に寄与している。
しかしながら、ランプ点灯に伴い、エミッターが枯渇したり、あるいは先端への供給が不十分になったりすると、良好なアーク形成されなくなり、ア−クの激しい揺れやランプ電圧の著しい変動という不具合を生じる。

この問題を解決するために、陰極内部にエミッターの貯蔵タンクのようなものを設けて、枯渇しないように十分な量を保持させておき、先端面まで細長穴を使って安定的に供給させる技術も提案されている（特開平１１−９６９６５号、特開平１１−１５４４８８号）。
しかしながら、陰極の先端面に開口を設けると、当該開口部分にアークが形成されないことから輝度低下という問題を生じる。
図４はこのような状態を示す。陰極の先端面に開口が形成されていると、当該開口上方にはアークが発生していない。特に、陰極先端面の中央部分はアーク輝度が最も高く、すなわち明るい部分であり、その部分にアークが形成されていないことは影響が大きい。

特開平１１−９６９６５号 特開平１１−１５４４８８号

この発明が解決しようとする課題は、長時間にわたり安定的にエミッターを先端領域に供給できるとともに、アークの輝度が高い陰極構造を提供することである。

上記課題を達成するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、電子放射性物質が含有されるとともに先端が概略円錐台形状の陰極と、陽極とを含む発光部を有する構造において、前記陰極は、前記円錐台の斜面領域であって、当該陰極の先端面の直径をＤとしたとき、陰極先端から当該陰極の軸方向の長さ２Ｄ以内に開口部を有する細長穴が形成されることを特徴とする。
さらに、前記細長穴の開口は、前記陰極の先端面と前記円錐台の斜面領域の境界を跨るように形成されていることを特徴とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは以下の効果を有する。
（１）陰極の先端から後方に伸びる細長穴を形成することで、エミッターの供給を安定的に行なうことができる。
（２）細長穴の開口は、陰極の斜面部分に形成させることで、アークの輝度低下の影響を低減することができる。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。 陰極の先端構造拡大図を示す。 本発明に係る陰極の他の実施形態を示す。 従来の放電ランプの陰極の先端構造を示す。 実験結果を示す。

図１は本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例であるショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。放電ランプは、石英ガラスからなる発光管１０より構成され、発光管は発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には陰極２０と陽極３０が、例えば5.0ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。

陰極２０は、例えば、トリウムドープタングステン（トリウムが含有されたタングステン）よりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐台形状に形成されており陰極棒２３に支持される。陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状に形成されており陽極棒３３に支持される。

陰極棒２３と陽極棒３３は各々封止部１２に向かって伸びる。各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されている。陰極棒２３および陽極棒３３はそれぞれモリブデン箔と接合して気密封止構造が形成される。封止部１２の外端は外部リード１３が突出する。この外部リード１３に図示略の給電装置が接続されて電流供給が行なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２３、陽極棒３３と物理的に別体である必要はなく、両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。

発光部１１には、水銀と、アルゴンもしくはクリプトンを含む希ガスが封入される。水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり1.0〜20ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば2ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は0.2〜0.5ＭＰａであって、例えば0.3ＭＰａである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は2.5ＭＰａ程度になる。

図２は陰極２０の拡大構造を示す。（ａ）は長手方向の断面図を示し、（ｂ）は（ａ）に示す構造を先端面側から眺めた状態を示す。陰極２０は、全体が概略円錐台形状をしており、先端の傾斜部２１（テーパ部）と、円柱形状の本体部２２より構成される。傾斜部２１の先端には先端面２４が形成されるとともに、先端面２４と傾斜部２１の境界を跨ぐように開口が形成された細長穴２５が電極の長手方向に伸びるように４つ形成される。

ここで、陰極２０に含有されたエミッターは、一般に、粒内拡散、粒界拡散、表面拡散と種別される３通りの形態により陰極先端に向かって拡散する。拡散速度は表面拡散がもっとも早く、ついで粒界拡散、粒内拡散である。本発明は、陰極２０の傾斜部２１に細長穴２５を形成させることで、細長穴２５の内表面による表面拡散を利用できる。細長穴２５を形成する方法は、例えば、ドリルなどを使った機械加工である。

陰極２０について数値例をあげると、陰極の先端面はφ0.5ｍｍ〜φ2.0ｍｍ程度であり一例ではφ2.0ｍｍ、細長穴の径はφ0.2ｍｍ〜φ1.0ｍｍ程度であり一例ではφ0.4ｍｍ、細長穴の長さ（深さ）は2.0ｍｍ〜10.0ｍｍであり一例では3.0ｍｍである。また、陰極はトリウムが含有されたタングステンに限定されるものではなく、ランタンを含有したタングステン、セリウムを含有したタングステン、イットリアを含有したタングステンなど、希土類元素を含有したタングステンも使われる。

図３は本発明に係る陰極の他の実施形態を示す。図２に示す構造は細長穴２５の開口が先端面２４と傾斜部２１に跨るように形成されているのに対し、図３に示す構造は細長穴２５の開口が完全に傾斜部２１に形成されている。
この構造の利点は陰極先端に形成されるアークが細長穴の影響をほとんど受けないことである。図２に示す構造の場合であっても、細長穴の開口は、先端面の比較的外周に形成されていることからアーク輝度低下の影響を受けにくい。しかし、この図３に示す構造はその効果をより一層発揮できる。

次に、本発明の効果を示す実験について説明する。細長穴の形成位置が異なる８種類の放電ランプ（ランプＡ、ランプＢ、ランプＣ、ランプＤ、ランプＥ、ランプＦ、ランプＧ、ランプＨ）を使って、アーク輝度の大きさと、ランプ電圧変動幅が通常レベルを超えて大きくなり始める時間（以下、「電圧変動発生時間」ともいう）の関係を観察した。電圧変動発生時間を指標とした理由は、エミッターの供給が不十分になるとアークが不安定になりランプ電圧が変動するからである。８種類のランプは、いずれも先端径（Ｄ）φ1.2ｍｍ、テーパ角60°で切削したタングステンロッドの陰極であって、ランプＡを除いて、先端部分からφ0.35ｍｍ、深さ５ｍｍの細長穴を加工している。なお、細長穴の開口位置はランプによって微妙に異なる。これらの陰極を用いたランプそれぞれに水銀封入量４ｍｇ／ｃｃ、定格電力5.5ｋＷで点灯させた。

具体的には、ランプＡは細長穴を有さない陰極構造をしており、ランプＢは陰極の先端面中心に開口が形成された細長穴を１つ有する陰極構造をしており、ランプＣは陰極の先端面と傾斜部に跨る位置に開口が形成された細長穴を４つ有する陰極構造をしており、ランプＤは陰極の傾斜部であって先端面から１Ｄ（Ｄは陰極の先端径と同じ長さ）の位置に開口が形成された細長穴を４つ有する陰極構造をしており、ランプＥは陰極の傾斜部であって先端面から２Ｄの位置に開口が形成された細長穴を４つ有する陰極構造をしており、ランプＦは陰極の傾斜部であって先端面から３Ｄの位置に開口が形成される細長穴を４つ有する陰極構造をしており、ランプＧは陰極の傾斜部であって先端面から４Ｄの位置に開口が形成された細長穴を４つ有する陰極構造をしており、ランプＨは陰極の傾斜部であって先端面から５Ｄの位置に開口が形成された細長穴を４つ有する陰極構造をしている。ランプＤ〜ランプＨにおいて先端面からの距離とは図３における距離Ｌを意味する。

ここで、アークの輝度測定は、ランプの水平方向にレンズを配置してＣＣＤに投影させて行い、それぞれのランプについて点灯初期の最高の数値を採用するとともに、細長穴が形成されていないランプＡのアーク輝度を100%とした場合の相対値として表している。電圧変動発生時間の測定は、ランプ電圧の測定により行なった。ランプ電圧を１秒毎にサンプリングして１時間毎の標準偏差を求め、この標準偏差が閾値を超えた時間を電圧変動発生時間とし、ランプＡの電圧変動発生時間を100%とした場合の相対値として表した。

実験の結果、ランプＢの最高輝度は97.5%、電圧変動発生時間は155%であり、ランプＣの最高輝度は100.6%、電圧変動発生時間は210%であり、ランプＤの最高輝度は99.9%、電圧変動発生時間は206%であり、ランプＥの最高輝度は99.9%、電圧変動発生時間は195%であり、ランプＦの最高輝度は100%、電圧変動発生時間は107%であり、ランプＧの最高輝度は100.1%、電圧変動発生時間は103%であり、ランプＨの最高輝度は99.8、電圧変動発生時間は101%であった。

図５は実験結果をグラフにしたものである。陰極先端面の中心位置に細長穴の開口を設けたランプＢは、ランプＡに対してアークの輝度が2.5ポイントも低下している。一方、先端面と傾斜部の両方に跨るように開口を形成させたランプＣ、および、傾斜部に開口を形成させたランプＤ〜ランプＨはアークの輝度低下が見られなかった。むしろ、ランプＣはアーク輝度が0.6ポイント上昇しており、開口周縁部分から強く電子放出が行なわれたものと推測できる。この結果、アーク輝度について言えば、陰極の傾斜部に細長穴の開口を設けても少なくとも悪影響は発生しないことが確認されるとともに、また、先端面と傾斜部に跨るように開口を設けることでアーク輝度を高めることもできることが判った。

次に、電圧変動発生時間では、陰極の先端面中心に開口が形成された細長穴を１つ有するランプＢより、陰極の先端面と傾斜部に跨る位置に開口が形成された細長穴を４つ有するランプＣの方が電圧変動発生時間は長くなっている。これは、穴の個数が増えたことにより、エミッターの供給量が増えたことに起因していると考えられる。また、細長穴の開口位置が陰極先端から遠ざかるにつれて、すなわち、図３に示す構造において距離Ｌが大きくなるにつれて、電圧変動発生時間が短くなっていることがわかる。これは、細長穴の開口がアークに面している場合は穴表面を拡散によって移動してきたエミッターが蒸発しても、アーク内部で電離して再び陰極に戻ることによると考えられる。一方、細長穴の開口が、アークに面していないとエミッターは陰極に戻ることなく蒸発して飛散してしまう。このことから、細長穴の開口は少なくともランプの寿命末期まではアークに面していることが望ましい。図より、Ｄが２を超えると急激に電圧変動発生時間が低下していることから、細長穴の開口部は陰極の先端面から距離２Ｄ（Ｄは先端面の直径値）以下が望ましいことがわかる。なお、陰極先端面の大きさ（先端径Ｄ）は陰極の負荷に応じて設計されるものであり、負荷が高いものほど先端径は広く設計される。このため、アークが面する部分の指標に最適といえる。

さらに、ランプＣ〜ランプＨは、細長穴の内部空間が粒子で塞がるような現象は見られなかった。これは、温度の低い位置に穴を形成しているため、電極を構成するタングステン粒子の成長や変形が発生しなかったからと推測できる。

ここで、本発明の放電ランプでは、陰極に形成させる細長穴の数は限定されるものではなく、1個であってもよいし複数個であってもかまわない。ただし、複数個設ける場合は、先端面から見た場合（図２ｂのような構造において）に電極軸を中心に対称に形成することが望ましい。エミッターの供給がバランスよく行なわれるからである。

さらに、本発明の放電ランプでは、陰極に形成させる細長穴の形状は円形に限定されるものではなく、長丸であってもよいし、三角、四角であってもかまわない。

さらに、本発明の放電ランプでは、水銀を封入したショートアーク型水銀ランプに限定されるものではなく、発光ガスとしてキセノンを封入したショートアーク型キセノンランプであってもかまわない。

さらに、本発明の放電ランプでは、エミッターとして酸化トリウムを含有させた放電ランプに限定されるものではなく、酸化ランタンや酸化イットリウムを含有させたものであってもかまわない。

さらに、本発明の放電ランプでは、陰極の先端面は平面に限定されるものではなく、曲面であってもかまわない。この場合、陰極の先端面の直径Ｄは、曲面とテーパ部のつなぎ目で形成される円の直径とし、陰極の先端面から距離Ｌは、陰極の最先端から細長穴の開口端までの距離とする。

１ 放電ランプ
１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 封止部
２０ 陰極
２４ 陰極の先端面
２５ 細長穴
３０ 陽極

Claims (2)

1. 電子放射性物質が含有されるとともに先端が概略円錐台形状の陰極と、陽極とを含む発光部を有するショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極は、前記円錐台の斜面領域であって、当該陰極の先端面の直径をＤとしたとき、陰極先端から当該陰極の軸方向の長さ２Ｄ以内に少なくとも開口の一部を有する細長穴が形成されたことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記細長穴の開口は、前記陰極の先端面と前記円錐台の斜面領域の境界を跨るように形成されている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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