JP2011233237A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極にはエミッタ材が埋設されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、エミッタ材の使用量を減じても、従来と同等の電子放射機能が確保できる陰極構造を提供することである。
【解決手段】陰極は先端に縮径部を有し、前記エミッタ材は該縮径部において露出する露出部を有しており、前記エミッタ材の露出部の周辺部の陰極中心からの半径方向の距離が、周方向で異なることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、陰極にエミッタ材が埋設されたショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源、あるいは映写機やデジタルシネマなどのプロジェクター用光源に適用されるショートアーク型放電ランプに係るものである。

水銀を封入したショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。また、キセノンを封入したショートアーク型ランプは、映写機などにおいて可視光光源として用いられており、近年ではデジタルシネマ用光源としても重用されている。

特許文献１（特表２００９−５３７９６１号公報）に従来のショートアーク型放電ランプの構造およびその陰極構造が開示されており、図５は、このショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
ショートアーク型放電ランプ１は、例えば石英ガラスよりなる発光管１０を有し、該発光管１０は略球状の発光部１１とその両端の封止部１２、１２とを備えている。発光部１１の内部に形成された放電空間Sには水銀、キセノン等の発光物質が封入されているとともに、タングステン等からなる一対の陰極２０と陽極３０が対向配置されている。

上記構造のショートアーク型放電ランプにおける陰極構造として、同公報には、タングステンからなる陰極の先端にエミッタ材が埋設されたものが示されている。
図６にその構造が示されており、陰極２０の先端にはエミッタ材２１が埋設されている。陰極２０は先端部にテーパ部２２が形成されていて、その直径は先端側ほど小さくなるように形成されている。そして、前記エミッタ材２１は該テーパ部２２において露出していて、露出部２３を形成する。そして、陰極２０及びエミッタ材２１の先端部２４は平坦面とされていて、該エミッタ材２１と陰極２０とはその軸芯が一致している。

しかして、上記のエミッタ材２１としては、一般にトリウムや酸化トリウムが用いられたり、あるいは、酸化ランタンや酸化セリウムなどの希土類酸化物や、硼化ランタンなどの希土類硼化物が用いられたりしている。

通常、このようなエミッタ材が埋設された陰極構造を有するランプにおいては、点灯時はアークＡがエミッタ材２１の先端が露出する領域２３において形成されるので、光量の増大を図るために入力電力を大きくしたランプにおいては、アークを大きくするためにエミッタ材を大径なものとしてその露出領域を大きくしなければならない。
しかしながら、エミッタ材を大型化することは、トリウムや希土類元素といった希少資源の節約の観点から好ましいものではなく、その上、エミッタ材にトリウムを使用するものにあっては、該トリウムが放射性物質であり、法的規制により取り扱いが制限されており、また、トリウムの代替エミッタとして希土類元素を使用する場合にあっては、該希土類元素がトリウムに比べて蒸気圧が高いので、大型化するにともないエミッタの蒸発が一層激しくなり、発光管が白濁しやくなるという問題もある。
このように、ランプへの高入力に対応すべくエミッタ材を大型化することに関しては、種々の制約があってその実現が困難なものとなっている。

また、近時においては、照射対象物に応じて光量を変化させるために、同一ランプで入力電力を可変としたランプが求められることがある。
このような入力可変のランプにおいては、低入力での点灯に合わせてエミッタ材の大きさを決定すると、高入力で点灯する場合に、陰極先端でアークが十分に広がらず電流密度が過大となり、陰極先端が溶融してしまうという欠点がある。また一方で、高入力点灯に合わせたエミッタ材の大きさとすると、小入力点灯の場合にはエミッタ材が不必要に大きい使用状態となり、上述の省資源の観点からも好ましいものとはいえない。

特表２００９−５３７９６１号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、先端にエミッタ材を埋設した陰極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、エミッタ材の使用量を制限しても、従来と同様なアーク生成機能がもたらされ、あるいは、従来と同等のエミッタ材の使用量であっても、更なる高入力化が達成できるような陰極構造を有するショートアーク型放電ランプを提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、陰極は先端に縮径部を有し、エミッタ材は該縮径部において露出する露出部を有しており、陰極中心から該エミッタ材の露出部の周辺部までの半径方向の距離が、周方向で異なることを特徴とする。
また、前記エミッタ材が、円柱状であって、その中心軸が陰極の中心軸とは偏芯していることを特徴とする。

この発明のショートアーク型放電ランプによれば、陰極の縮径部でのエミッタ材の露出部の周辺部が、その半径方向の距離が周方向で異なるために、半径方向で短い箇所で露出する部分では、陰極先端に近いためにより高温となって拡散作用が活発となり、エミッタ材が存在しない箇所にまで該エミッタ材が広く表面拡散するので、あたかも当該拡散箇所にまでエミッタ材が埋設されているように機能して、アークが大きな広がりを持つことになる。これによりエミッタ材の使用量が従来の円柱形状のものと同等であっても、より大きな電子放射機能が得られるという効果を奏するものである。
これは換言すれば、同等のアークの大きさ形状を得るためには、従来のものよりも少ないエミッタ使用量で達成できるという効果を奏するということである。

本発明に係る第１実施例の陰極の断面図と上面図。 第１実施例の作用説明図。 第２〜４実施例の陰極の上面図。 第４実施例の作用説明。 従来のショートアーク型放電ランプの全体図。 従来の陰極構造を示す断面図。

図１は、第1実施例の説明図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上面図である。
図において、陰極２の先端には円柱状のエミッタ材３が埋設されている。陰極２の先端は、先端側ほど直径が小さくなるテーパ状の縮径部４が形成されており、前記エミッタ材５は該縮径部４において露出している。そして、前記エミッタ材５は、図１（Ｂ）でも明らかなように、その中心軸が陰極２の中心軸とは偏芯している。
それ故、陰極２の中心軸２ａからエミッタ材３の露出部５の周辺部６までの半径方向の長さＬは、周方向においてそれぞれ異なる。
なお、陰極２の縮径部４はテーパ状を示したが、先端側ほど直径が小さくなるものであればよく、直線的に縮径するだけでなく、円弧上に丸みを持って縮径するものであってもよい。また、先端部７は、図においては平坦面として示されているが、その形状も平坦状のみならず、円弧状であってもよい。

この実施例の作用を図２（Ａ）、（Ｂ）によって説明する。（Ａ）は陰極の側面図、（Ｂ）は上面図である。
図２（Ａ）で示されるように、円柱状のエミッタ材３は陰極２と偏芯して埋設されているので、縮径部４における露出部５の周辺部６の境界領域は略直線状に斜めに露出している。即ち、陰極中心２ａから露出部５の周辺部６までの距離Ｌが最小Ｌ１の部分６ａでは陰極先端部７からの距離Ｘａが最も小さく、最長Ｌ２の部分６ｂでは、陰極２先端からの距離Ｘｂが最も大きい。

陰極２の温度は先端部７が最も高く、３１００Ｋ程度にまでなっており、封止部側に向かうに連れて温度が低下する。先端部分の温度勾配は急峻であり、７００Ｋ／ｍｍにも達する。
粒界拡散によって陰極表面に出てきたエミッタは、濃度拡散によって濃度の低い方へ表面拡散するが、温度が高い程、エミッタの拡散速度が速くなるので、陰極先端部7に近づくほどエミッタの拡散速度は速くなり、加速度的に陰極先端部7方向へエミッタが供給される。一方、封止側に向かって移動したエミッタは、拡散速度が遅くなって停滞し、より温度が高くて濃度の低い方向へ向きを変えて移動するので、結果的に陰極先端部7方向へエミッタは移動する。
陰極先端部7では、点灯初期において十分にエミッタが存在しているが、エミッタが蒸発・飛散して減じるので、点灯数十時間ないし百時間後からはエミッタ濃度の低い状態が維持され、継続的に陰極先端部7方向へエミッタが供給される。

そして、エミッタは露出部５から陰極先端部７方向へ表面拡散するが、周方向へも広がりながら拡散するのでエミッタ濃度が低いことも手伝って、陰極２本体の表面であっても拡散する。このため、エミッタ材３が露出していない部分でもエミッタの被覆がなされ、あたかもその部分にまでエミッタ材が埋設されているように作用し、アークが広がっていくことになる。
その結果、図２（Ｂ）に示すように、エミッタ材３から陰極２の縮径部４の表面に拡散してくるエミッタは、露出部５だけでなく、露出部５の先端から遠い箇所から陰極２本体の表面を回り込むように陰極先端部7へ拡散するので、点線で示すような領域に広がることになる。これにより、あたかも点線で示す領域にエミッタ材が埋設されているような電子放射機能がもたらされることになる。
即ち、点灯初期においては、点線で示されるようなアークが形成されるが、点灯により陰極温度が上昇してエミッタの拡散が活発化すると、実線で示すアークＡが形成されるようになる。

図３は、エミッタ材の異なる形状の第２〜４実施例の上面図である。
図３（Ａ）は、エミッタ材３が横断面で楕円形状をしているものであり、（Ｂ）は横断面でヒトデ型形状であり、（Ｃ）はそのヒトデ型形状を更に細くした形状であって、陰極先端部７の全表面でエミッタ材が露出しているわけではない。
これらの実施例では、エミッタ材３の中心軸は、陰極２の中心軸と一致しているものを示したが、一致しない構造であっても構わない。

これらの実施例のうち、第４実施例でのエミッタ材３からのエミッタの拡散の態様が図４に示されている。
この例でも、エミッタ材３の枝状部分８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの露出部からエミッタ材の露出していない部分に拡散して、それにより形成されるアークを拡大するように機能する。

本発明の効果を実証すべく各種の陰極構造を有するランプを製作して実験した。
１．まず、従来例の陰極として、外径φ１５ｍｍ、高鍛錬度高密度の酸化トリウムを２ｗｔ％含有したエミッタ材の径φ３ｍｍのものを作製した。（図６）
２．次に、同様なトリエーテッドタングステン棒（エミッタ材）を正方体状にタングステン粉末で包み込み、その際、トリエーテッドタングステン棒の中心と正方体状のタングステン粉末塊の中心をずらせて位置させた。その後、高圧でプレスし、焼結工程を経てトリエーテッドタングステン棒を外面のタングステン材質に一体に埋設した。表面を研削して外径φ１５ｍｍの陰極に仕上げるとともに、エミッタ材の径φ３ｍｍ、陰極の中心軸とエミッタ材の中心軸が０．５ｍｍだけずれた陰極を作製した。（図１）
３．同様に、トリエーテッドタングステン棒を直方体状にタングステン粉末で包み込むことによって横断面が略楕円形状（長軸３．２ｍｍ、短軸２．８ｍｍ）のエミッタ材を中心に埋設した外径φ１５ｍｍの陰極を作製。（図３（Ａ））
４．また、酸化トリウムを２ｗｔ％含有したタングステン粉末を正方体状に焼結した。このトリエーテッドタングステン焼結棒（エミッタ材）をタングステン粉末で正方体状に包み込み、その際、トリエーテッドタングステン焼結棒と正方体状のタングステン粉末塊の角度を４５°ずらせて位置させた。その後、高圧でプレスし、焼結工程を経てトリエーテッドタングステン棒を外面のタングステン材質に一体に埋設し、図３（Ｂ）のようなエミッタ材がひとで十字型形状をした陰極を作製した。
５．図３（Ｂ）のものと同様に、図３（Ｃ）のような陰極を作製した。

上記２〜５の陰極におけるエミッタ材の断面積は、上記１の陰極におけるエミッタ材の断面積と等しくなるようにした。
そして、これらの各陰極は、先端径１．５ｍｍ、先端角６０°になるように切削して、これらを組み込んだショートアーク型放電ランプを製作した。
これらのランプを８ｋＷのランプ入力で点灯し、点灯５００時間後に陰極先端の溶融状態を調査した。その結果が以下の表１である。
＜表１＞

上記のように、従来陰極１には先端部の融けがあり、その他の本発明の陰極２〜５には融けが見られなかった。

以上の結果を考察する。
ランプ入力を増やした場合、ランプ電圧は、ガス種・ガス密度、極間によって決まるので、主にランプ電流が大きくなる。
図６に示す従来の陰極２０の場合、陰極先端表面ではエミッタ材２３が露出しているので十分なエミッタの被覆がなされているが、それより後方のエミッタ材が露出していない陰極の表面では、上述した理由でエミッタが封止側の方向へ拡散しにくいためアークが広がらず、陰極先端部の電流密度が高くなって陰極先端部２６が高温となり、溶融したと考えられる。

一方、エミッタ材３と陰極２の中心をずらせた場合（図１）、エミッタはエミッタ材３の露出した領域５から陰極先端方向に拡散するが、外周方向へも広がりながら拡散するので、陰極本体のエミッタ材３が露出しない表面であっても拡散する。
このため、特に、露出部５の周辺部６までの距離が短くて陰極先端部７からの距離が近い領域６ａでは、露出部５の周辺部６までの距離が長くて陰極先端部７からの距離が遠い領域６ｂから陰極２本体の表面を通って回り込むようにエミッタが拡散するので、領域６ｃまでカバーするように広がり、あたかも、それを含めてエミッタ材３が埋設されているように電子放射機能が広がる。それにともないアークが広がっていくので、陰極先端部７における電流密度の増大が比較的少なくてすみ、該陰極先端部７の温度上昇が抑えられ、溶融しなかったものと考えられる。

また、エミッタ材３を扁平にした楕円形状の場合（図３（Ａ））においても、楕円長軸部分から楕円短軸部分へ陰極２本体の表面を通って周方向へエミッタが拡散するので、長軸部分を含んだエミッタの広がりとなり、それにともないアークが広がることができて、陰極先端部７における電流密度の増大が比較的少なくてすんだため、陰極先端部の温度上昇が押さえられ、溶融しなかったものと考えられる。
同様に、図３（Ｂ）、（Ｃ）の場合もエミッタが横方向に拡散するので、アークが広がることができたものと考えられる。

以上説明したように、本発明に係るショートアーク型放電ランプは、陰極先端に埋設したエミッタ材が陰極の縮径部において露出し、陰極中心から該露出部の周辺部までの半径方向の距離が周方向で異なるようにしたので、露出部周辺部までの距離が長い部分からエミッタ材の周方向への拡散が起きて、エミッタ材の露出していない陰極本体部分に表面拡散して、エミッタ材の露出距離が長い領域にまで及び、あたかも当該拡散部位までエミッタ材が埋設されているようにアークが広がる。そのため、従来と同等なエミッタ材の使用量であっても、それより大きなアークを形成出来て、陰極先端の溶融がなく、ランプへの高入力化に対応できるという効果を奏する。
換言すると、従来よりも少ないエミッタ材の使用量で同等のアークの大きさが得られるもので、省資源の観点から寄与すること大である。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 陰極
３ エミッタ材
４ 縮径部
５ 露出部
６ 周辺部
７ 先端部

Claims (4)

1. 発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極にはエミッタ材が埋設されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極は先端に縮径部を有し、前記エミッタ材は該縮径部において露出する露出部を有しており、
   前記エミッタ材の露出部の周辺部の陰極中心からの半径方向の距離が、周方向で異なることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記エミッタ材が、円柱状であって、その中心軸が陰極の中心軸とは偏芯していることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記エミッタ材がトリウムまたは酸化トリウムであることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記エミッタ材が希土類あるいは希土類酸化物または希土類硼化物であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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