JP2014186890A - 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、陰極が、希土類酸化物からなるエミッターを含有するショートアーク型放電ランプにおいて、陰極を、エミッターとして希土類酸化物を含有したタングステンからなる本体部と、本体部の先端側に接合された純タングステンからなる先端部と、から構成したとき、陰極からエミッター物質である希土類酸化物が過剰に蒸発して早期に枯渇してしまうことを防止する構造を提供する。
【解決手段】本体部３１におけるタングステン粒子の電極軸方向を長手方向とするアスペクト比が、先端部３２におけるタングステン粒子のアスペクト比より大きいことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極に電子放射を良好にするためのエミッター物質を含有するショートアーク型放電ランプに係わるものである。

一般に、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプや、半導体露光、ＬＣＤ露光用などの光源として利用される水銀を封入したショートアーク型放電ランプでは、その陰極には、定常点灯時に常時電子を放出する役割を担うため、電子放射を容易にすべく、高融点金属に電子放射性物質を含有して構成されたものが多用されている。
そして、この電子放射性物質としては、点光源および高輝度が要求されるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極先端の動作温度を高くできるものとしてトリウムが一般的に使用されている。
しかしながら、トリウムは放射性物質であるため、昨今ではその扱いが厳しく規制されてきていて、代替材料への変更が要求されている。

そのトリウムに代わる代替物質として、希土類元素及びその化合物を用いるものが提案されている。希土類元素は、仕事関数（一般的に、物質表面から外方へ電子が飛び出す際に必要なエネルギー量を指す）が低く電子放射に優れた物質であり、トリウムの代替物質として期待されている。
特開２００６−２８６２３６号公報（特許文献１）には、陰極の材料であるタングステンにエミッター物質として付加的に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を含有させたショートアーク型放電ランプが開示されている。

しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい。そのため、陰極に含有させるエミッター物質として酸化トリウムに代えて希土類酸化物を用いた場合、当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまい、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。このエミッター物質の枯渇により、陰極における電子放射機能が失われてしまい、フリッカーが生じてしまってランプ寿命が短くなるという問題がある。
特に、高温動作が必要とされる陰極、即ち、電流密度が高い９０Ａ／ｍｍ^２以上の陰極の場合に顕著になる。この電流密度を超えると陰極先端の温度が融点近くになり、電極材料であるタングステンの蒸発が顕著になると考えられているからである。

特開２００６−２８６２３６号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、陰極にエミッターとして希土類酸化物を添加しても、当該エミッターの早期の枯渇を防止して、電子放出機能を長時間維持し、ランプのフリッカー寿命の長期化を図ることのできる構造を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極が、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、前記本体部が、エミッターとして希土類酸化物を添加したタングステンからなり、前記先端部が、純タングステンからなるとともに、前記本体部におけるタングステン粒子のアスペクト比が、前記先端部におけるタングステン粒子のアスペクト比より大きいことを特徴とする。
また、前記本体部のタングステン粒子のアスペクト比が、３〜３０であり、前記先端部のタングステン粒子のアスペクト比が、３未満であることを特徴とする。
また、前記希土類酸化物は、酸化ランタン、酸化セリウム及び酸化ガドリニウムのいずれかを含んでなることを特徴とする。

本発明によれば、エミッター物質として希土類酸化物が添加された本体部の先端に、純タングステンからなる先端部が接合され、前記本体部におけるタングステン粒子のアスペクト比が、前記先端部におけるタングステン粒子のアスペクト比より大きくされていることにより、本体部のタングステン粒子は電極軸方向に長いので、エミッターがタングステン粒子に接する面積が大きくなる。
ランプ点灯中、タングステンに希土類酸化物中の酸素が固溶されると、かかる希土類酸化物における、希土類金属の酸化価数が小さくなり、溶融しやすくなる。この結果、希土類酸化物が粒界を拡散しやすくなる。具体的には、酸化ランタンの場合、酸素が失われてＬａ_２Ｏ_３からＬａＯ_ｘになる。

そして、本体部においては、電極軸方向にタングステンの粒界が延びているので拡散経路は軸に沿った直線状であるため、拡散しやすくなる。
こうして本体部を拡散したエミッターは、先端部に到達すると、その先端部の温度が高いために拡散速度が高くなるが、この先端部においてはタングステン粒子のアスペクト比が本体部と比較して小さいため、拡散が極度に進行することなく、本体部のエミッターの供給状態にほぼ適合して先端に移動することになる。
この結果、本体部においてはエミッターが速やかに拡散し、先端部においてはエミッターの拡散速度が弱められ、エミッターが早期に枯渇することが抑制されるので、早期損耗が抑制され、長い使用寿命が得られる陰極を得ることができる。

また、本体部のタングステン粒子のアスペクト比は３〜３０、先端部のタングステン粒子のアスペクト比が３未満であることで、温度の低い下部から容易にエミッターであるＬａの拡散が起こりやすく、温度の高い先端部分では拡散速度が制約刺され不必要な蒸発が抑えられる。また、エミッターがタングステンの粒界に存在することで、所謂アンカー効果により粒成長が抑えられ安定したエミッターの供給が行われる。

更に、エミッターとしての希土類酸化物が、酸化ランタン、酸化セリウム及び酸化ガドリニウムのいずれかを具備するので、ランプ動作中、本体部において希土類酸化物の溶融が生じて先端側に向かう拡散が円滑に行われ、電子放射特性が良好な陰極が得られる。

本発明に係る陰極構造を有するショートアーク型放電ランプの全体図。 本発明の一実施例を表す陰極構造図。 図２のＡ部の拡大断面図。 図２におけるエミッター拡散作用図。 アスペクト比の測定方法の一例を説明する図。 本発明の効果を表すグラフ。

図１はこの発明の陰極構造を有するショートアーク型放電ランプの全体構造を示し、ショートアーク型放電ランプ１は発光管２の内部に陰極３と陽極４とが対向配置されている。
図２に示されるように、陰極３は、本体部３１と、その先端に接合された先端部３２とからなる。前記本体部３１はタングステンからなり、エミッター物質として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物が添加されている。
前記先端部３２は、前記本体部３１の先端、即ち、陽極４と対向する面に固相接合などの手段により接合されている。そして、当該先端部３２は、エミッター物質が含まれない純タングステン、好適には、４Ｎ以上の純タングステンからなる。

しかして、図３に示すように、前記本体部３１におけるタングステン粒子のアスペクト比が、先端部３２におけるタングステン粒子のアスペクト比より大きくされている。このアスペクト比は、結晶粒子の長さと幅の関係を表す指標であり、アスペクト比が大きい場合には、軸方向の長さの割合が大きいことを表している。

このような陰極構造を有することにより以下の作用、効果が得られる。
図４に示すように、ランプ点灯中、陰極が熱くなることで、本体部３１に含まれるエミッター物質５としての希土類酸化物中の酸素がタングステンに固溶し、希土類酸化物が還元してより酸化価数が小さい酸化物が生成する。このようになると、融点が低下するため、タングステン粒子内で溶融が生じ、主に粒子間の粒界を通じて陰極本体部３１内で拡散する。エミッターは、温度勾配に従い、陰極先端側に向かうほど拡散速度が高くなるが、先端部３２では、本体部３１よりもタングステン粒子のアスペクト比が小さく、移動経路が軸方向に沿って形成されていないため、陰極先端に向かっては移動しにくくなる。
このように、ランプ点灯時における陰極先端の温度勾配に合わせて、タングステン粒子の組織形態（金相）が、本体部３１では、エミッター５の移動速度は低いが、先端部３２側に移動しやすい軸方向に伸びる組織構造を備え、当該先端部３２では、エミッターの移動速度が高いが、先端には直ちには移動しにくい組織構造を備えているので、本体部３１に存在するエミッターについては陰極の先端部側に速やかに拡散（移動）させることができて供給が途絶えるという問題を解消することができ、先端部３２に移動してきたエミッターについては、軸方向の移動速度が過度に高くなることが抑制され、早期に枯渇することが抑制される。

次いで、図５を参照しつつ、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比の測定方法の一例を説明する。
ここではタングステン切断法による測定方法を説明する。
陰極を軸方向に切断して断面を研磨後エッチングし、金属顕微鏡によって２００倍程度に拡大して観察すると、断面で切断された結晶粒の形を見ることができる。ＪＩＳＨ０５０１に記載の切断法によると、断面の写真に縦と横に直線を引き、各直線によって完全に切り取られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を結晶粒の長さおよび幅とする。

図５（Ａ）（Ｂ）を参照して具体的に説明する。図５（Ａ）において、直線Ａ−Ａ’によって切断される結晶粒は５個で、「平均の結晶粒の長さ」は、（Ａ１−Ａ６の長さ）／５となる。
同様に直線Ｂ−Ｂ’を考えると、切断される結晶粒は５個、「平均の結晶粒の幅」は、（Ｂ１−Ｂ６の長さ）／５となる。
図５（Ｂ）では、直線Ａ−Ａ’によって切断される結晶粒は１個で、「平均の結晶粒の長さ」は、（Ａ１−Ａ２の長さ）／１となる。同様に直線Ｂ−Ｂ’を考えると、切断される結晶粒は７個、「平均の結晶粒の幅」は、（Ｂ１−Ｂ８の長さ）／７となる。
縦と横のそれぞれに等間隔で２０本程度の直線を引き、それぞれについて「平均の結晶粒の長さまたは幅」を求める。縦方向について、２０個程度求められた「平均の結晶粒の長さ」の平均値をこの領域における「結晶粒の長さ」とする。同様に、横方向について、２０個程度求められた「平均の結晶粒の幅の平均値」をこの領域における「結晶粒の幅」とする。この「結晶粒の長さと幅」を用いて、タングステン（Ｗ）粒子のアスペクト比を求める。

なおここで、陰極３におけるタングステン粒子のアスペクト比として好ましい範囲は、本体部３１において３〜３０であり、先端部３２において３未満である。
また、タングステン粒子のアスペクト比は、タングステンのインゴットを加熱し、これを径方向に転打（スエージ）加工することによって、タングステン粒子が軸方向に伸びた形になり、その程度をコントロールすることによって最適なアスペクト比が得られるものである。

＜寿命試験＞
以下の仕様に基づいて、陰極先端部３２の構造を純タングステンとし、本体部３１に希土類酸化物からなるエミッターを含有した多種の陰極を作製した。
陰極の先端部３２は、アスペクト比が３未満のタングステン粒子が混合された純タングステンで構成し、その全長（厚さ）は２ｍｍとした。
陰極の本体部３１は、タングステン粒子のアスペクト比がそれぞれ１，２，３，５，１０，２０，２５，３０であり、このタングステンにＬａ_２Ｏ_３（２．５ｗｔ％）とＺｒＯ_２（０．０７ｗｔ％）を含有させて構成した。
各アスペクト比の本体部３１と、先端部３２とを接合して各種の陰極を製作し、定格消費電力が２ｋＷの超高圧水銀ランプを製作した。
陰極の仕様を異ならせて製作した超高圧水銀ランプについて寿命試験を行い、照度維持率・フリッカーの発生・陰極損耗を確認した。なお、照度維持率については、ランプを連続点灯させて、放射照度を測定して維持率とした。

その結果を、図６に示す。
図６に示す「アスペクト比（１〜３０）」は、陰極本体部３１のアスペクト比であることを示している。
先端部３２のアスペクト比は３未満であり、それを超えるアスペクト比を有するランプ（アスペクト比５〜３０）については、１５００時間を越えてもスループットを大きく落とさずに快適に使用出来る目安である照度維持率が８５％であって、その照度維持率８５％以上を維持していることが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、陰極が、本体部と、これに接合された先端部とからなり、前記本体部が希土類酸化物からなるエミッターを含むタングステンからなり、前記先端部が純タングステンからなる、と共に、本体部におけるタングステン粒子のアスペクト比を、先端部におけるそれよりも大きくしたことにより、本体部に含まれるエミッターが早期に枯渇することなく、長い使用寿命が得られる陰極を備えたショートアーク型放電ランプを提供することができる。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 発光管
３ 陰極
３１ 本体部
３２ 先端部
４ 陽極
５ エミッター

Claims (3)

1. 発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極が、希土類酸化物からなるエミッターを含有し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、本体部と、該本体部の先端側に接合された先端部とからなり、
   前記本体部は、希土類酸化物からなるエミッターを含有したタングステンからなるとともに、
   前記先端部は、純タングステンからなり、
   前記本体部におけるタングステン粒子のアスペクト比が、前記先端部におけるタングステン粒子のアスペクト比より大きい、
   ことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記本体部のタングステン粒子のアスペクト比が、３〜３０であり、
   前記先端部のタングステン粒子のアスペクト比が、３未満である
   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。
3. 前記希土類酸化物は、酸化ランタン、酸化セリウム及び酸化ガドリニウムのいずれかを含んでなる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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