JP2017224418A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】水平点灯されるランプにおいて、陰極の胴体部にエミッタの偏った枯渇が生じることを防止し、アークのチラつきや発光管の失透が生じないランプを提供することである。【解決手段】発光管と、発光管内に対向して配置された陰極と陽極と、陰極を支持する電極芯棒とを備え、陰極は、先端に向かって縮径する円錐台状の縮径部と、縮径部の後端側に一体として形成された円柱状の胴体部とを有し、胴体部の後端側端面には電極芯棒の一端が挿入された有底円筒状凹部を有する水平点灯されるショートアーク型放電ランプにおいて、有底円筒状凹部の中心軸が陰極の中心軸から鉛直上方側に所定の距離だけ離れている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体素子、液晶素子、プリント基板素子等の露光用の光源、または映写用投映装置の光源として使用されるショートアーク型放電ランプのうち、一対の陰極と陽極がそれぞれ水平方向で電極芯棒に支持されるショートアーク型放電ランプ（ランプ軸方向を水平状態として点灯するショートアーク型放電ランプ。以下、水平点灯されるランプ）に関する。

ショートアーク型放電ランプ（以下 ランプ）の陰極は、先端に向かって縮径する円錐台状の縮径部と、円柱状の胴体部とを有し、胴体部の後端側端面に設けた有底円筒状凹部に電極芯棒が挿入（圧入）されることで電極芯棒に保持される。陰極にトリウムやランタン、バリウムのような易電子放射物質（以下 エミッタ）を含有したタングステン等の高融点金属を用いることで、仕事関数を下げることができ、良好な電子放射特性を得ている。また、ランプ点灯によって陰極先端のエミッタは蒸発して失われるが、陰極後端側に含有したエミッタが陰極内部の粒界拡散によって陰極先端まで運ばれるので、ランプを長時間点灯しても安定したアークを陰極先端に生じさせることができる。

このような陰極に関して、ランプ軸方向を鉛直状態として点灯されるランプ（垂直点灯されるランプ）では、陰極の表面に陰極先端に向かって伸びる複数の溝を形成することにより、エミッタの蒸発を抑制して、アークのチラつきが生じることを防止する（特許文献１）ことが知られている。

しかし、このような垂直点灯されるランプを水平点灯すると、陰極に含有したエミッタの偏った枯渇が生じることで、アークのチラつきや、発光管上部の失透が生じる場合がある。以下にその原因を推測する。水平点灯されるランプでは、陰極の胴体部の外周面（円柱状の胴体部の側面（円柱面））のうち、特に高温となる上側部分でエミッタの蒸発が生じる。これにより、陰極胴体部の上側部分では、エミッタが陰極先端へ粒界拡散することに加えて、外周面の上側部分から蒸発することで、エミッタの偏った枯渇が生じる。その結果、陰極先端へエミッタが均一に供給されないことで、アークが不安定となってチラつきが生じる。さらに、蒸発した電極材料（タングステンやエミッタ）が発光管内面に付着することで発光管の失透（透過率の低下）が生じる。

特開２０１０−４９８４７

上記問題点に鑑みて、この発明が解決しようとする課題は、水平点灯されるランプにおいて、陰極のエミッタの偏った枯渇を防止し、アークのチラつきや発光管の失透が生じないランプを提供することである。

発光管と、発光管内に対向して配置された陰極と陽極と、陰極を支持する電極芯棒とを備え、陰極は、先端に向かって縮径する円錐台状の縮径部と、縮径部の後端側に一体として形成された円柱状の胴体部とを有し、胴体部の後端側端面には電極芯棒の一端が挿入された有底円筒状凹部を有するショートアーク型放電ランプにおいて、有底円筒状凹部の中心軸が陰極の中心軸から径方向に沿って所定の距離だけ離れている。これにより、胴体部外周面の胴体部周方向における温度上昇を抑制し、エミッタの偏った枯渇が生じることを防止する。

陰極の外周面はランプ点灯時に周方向に沿って不均一な温度分布となり、有底円筒状凹部の中心軸が、陰極の中心軸から陰極外周面の高温となる方向へ離れている。これにより、陰極の外周面が周方向に沿って不均一な温度分布であっても、陰極外周面の高温となる部分と、有底円筒状凹部内の電極芯棒との径方向距離（径方向に沿った距離）が小さくなり、高温となる部分の温度上昇を抑制し、エミッタの偏った枯渇が生じることを防止する。

陰極の外周面の周方向で低温となる側よりも高温となる側が、胴体部の外周面と電極芯棒との径方向距離が小さい。これにより、低温となる側よりも高温となる側の熱が電極芯棒へ伝わりやすくなり、高温となる部分の温度上昇を抑制し、エミッタの偏った枯渇が生じることを防止する。

陰極の中心軸が水平方向となるように支持され、電極芯棒の中心軸が、陰極の中心軸よりも鉛直上方側に位置する。これにより、水平点灯によって高温となる胴体部の外周面上側部分の温度上昇を抑制し、エミッタの偏った枯渇が生じることを防止する。

電極芯棒の中心軸が、陰極の中心軸から、胴体部の外径の３％以上かつ１０％以下の範囲の距離だけ離れている。これにより、長時間の点灯によって有底円筒状凹部より上側の胴体部に含有されるエミッタが下側より先に枯渇することを防止する。

有底円筒状凹部の底面と電極芯棒の陰極先端側端面との間に熱伝導阻害部を有する。これにより、定照度点灯制御等により点灯電力が変動するランプにおいても、エミッタの偏った枯渇が生じることを防止する。

熱伝導阻害部の少なくとも一部を縮径部内に有し、有底円筒状凹部に挿入された電極芯棒の長さが、胴体部の軸方向長さの７０％以上である。これにより、胴体部の軸方向全域において、胴体部の上側部分の温度上昇を抑制するとともに、点灯後早期にアークを安定させる。

熱伝導阻害部は陰極先端側に頂点を有する円錐状部分を有し、円錐状部分の頂点を縮径部内に有し、円錐状部分の円周部を胴体部内に有し、円錐状部の頂角が縮径部のテーパ角の２．４倍以上かつ１５０°以下である。これにより、陰極内部の先端から胴体部への熱伝導を阻害せずに、エミッタが偏って枯渇することを防止する。

胴体部外周面の下側部分よりも上側部分の方が、外周面の熱が電極芯棒に伝わりやすい。これにより、水平点灯によって高温となる胴体部の外周面上側部分の温度上昇を抑制し、エミッタが偏って枯渇することを防止する。

本発明によれば、水平点灯されるランプにおいて、陰極の胴体部のエミッタの偏った枯渇が生じることを防ぎ、点灯初期から末期にかけてアークのチラつきや発光管の失透等の不具合が発生しないランプを提供することができる。

水平点灯されるランプの構成を示す概略図である。 第１の実施形態であるランプにおける陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。 その他の実施形態であるランプにおける陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。

水平点灯されるランプの一般的な構成について図１を用いて説明する。図１は水平点灯されるランプの構成を示す概略図である。

図１より、ランプ１は、発光管２と、発光管２の両端にそれぞれ連接された一対の封止管３とを備える。発光管２と封止管３とはそれぞれ石英ガラスから構成され、発光管２には放電ガス（封入ガス）としてキセノンガスが大気圧以上で封入される。発光管２の内部には、一対の電極（陽極４と陰極５）が対向配置される。電極は電極芯棒６により中心軸が水平になるように支持される。封止管３の端部には電極芯棒６と導通する口金１１が設けられるが、口金１１は省略することもある。封止管３には電極芯棒６を封着する段継ガラス７が一体に形成されている。

図２を用いて第１の実施形態のランプに用いられる陰極について説明する。図２は第１の実施形態の陰極５の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。

陰極５は、アークが生じる先端５１と、先端５１に向かって縮径する円錐台状の縮径部（テーパ部）５２と、縮径部５２の後端側に一体として形成された円柱状の胴体部５３とを有し、胴体部５３のうち、上側となる部分が上側部分５４であり、下側となる部分が下側部分５５であり、胴体部５３の外周面（円柱状の胴体部５３の円柱面）のうち、上側となる部分が外周面上側部分５４１であり、下側となる部分が外周面下側部分５５１である。胴体部５３の後端側（封止管３側）端面５６には、先端５１側に底面８１とする有底円筒状凹部８を有する。有底円筒状凹部８の内側には、電極芯棒６の一端が有底円筒状凹部８と同軸となるように挿入（圧入や溶接）されることで、陰極５は電極芯棒６により水平方向に支持される。有底円筒状凹部８の底面８１と電極芯棒６とは接触せず、底面８１と電極芯棒６の陰極先端側端面６１との間に熱伝導阻害部１２を有する。なお、陰極５の径方向における有底円筒状凹部８と電極芯棒６との間に、たとえば箔状の金属体１０を介在させることで、陰極５は金属体１０を介して電極芯棒６に支持されても良い。

有底円筒状凹部８の中心軸Ａは、電極芯棒６の中心軸と同軸であるが、陰極５の中心軸Ｂと同軸ではなく、陰極５の中心軸Ｂに対して垂直な方向に沿って所定の距離Ｃだけ鉛直上方側（鉛直方向に沿った上方側）に離れている。よって、電極芯棒６の中心軸も陰極５の中心軸Ｂに対して垂直な方向に沿って所定の距離Ｃだけ鉛直上方側に離れている。つまり、電極芯棒６は発光管（ランプ）と同軸であり、電極芯棒６によって支持される陽極が発光管と同軸であるランプでは、陰極５の中心軸Ｂは、陽極の中心軸（電極芯棒の中心軸Ａに等しい）に対して垂直な方向に沿って所定の距離Ｃだけ鉛直下方側（鉛直方向に沿った下方側）に離れている。

このような状態でランプを点灯させると、アークは鉛直方向に沿った上方側に偏る。また、発光管内部の放電ガスの対流が上方側に偏り、上方側の放電ガスの温度が高くなる。その結果、陰極５の胴体部５３の外周面の温度は、外周面上側部分５４１が最も温度が高く、外周面下側部分５５１に向かって陰極５の周方向に沿って温度が低くなるため、胴体部５３の上側部分５４を中心にエミッタの枯渇が生じやすい。第１の実施形態では、陰極５の中心軸Ｂに対して、有底円筒状凹部８の中心軸Ａが鉛直上方側に離れており、胴体部５３の外周面と電極芯棒６との径方向距離は、外周面上側部分５４１が最も小さく、外周面下側部分５５１に向かって周方向に沿って連続的に大きくなる。電極芯棒６は陰極５を支持するだけでなく、陰極５に生じた熱を封止管側に伝える（逃がす）役割を持っており、胴体部５３の外周面と電極芯棒６との径方向距離が小さいほど、胴体部５３の外周面の熱は電極芯棒６に伝わりやすくなる。これにより、外周面上側部分５４１の温度が上昇し難くなり、胴体部５３の上側部分５４を中心としたエミッタの偏った枯渇が生じることを防止することができる。

なお、本発明は水平点灯されるランプ１に限らず、ランプ点灯時に胴体部５３の外周面の温度が周方向に沿って不均一な温度分布となる陰極５を用いるランプに採用することができる。外周面の温度が周方向に沿って不均一な温度分布となる陰極５において、有底円筒状凹部８の中心軸Ａが、陰極５の中心軸Ｂに対して外周面の周方向で高温となる方向へ離れていることで、高温となる部分と電極芯棒６との径方向距離が小さくなり、有底円筒状凹部８内の電極芯棒６に熱が伝わりやすくなる。その結果、高温となる部分の温度の上昇が抑制され、その部分のエミッタの枯渇が生じ難くなる。

さらに、胴体部５３の外周面において高温となる側と電極芯棒６との径方向距離を、低温となる側よりも小さくすると、低温となる側よりも高温となる側の熱が電極芯棒６へ伝わりやすくなる。これにより、低温となる側と高温となる側との温度差が小さくなり、高温となる側のエミッタの偏った枯渇を防止することができる。

このように、水平点灯されるランプにおいて、外周面上側部分５４１の熱を、外周面下側部分５５１よりも電極芯棒６に伝わりやすくすることによって、胴体部の上側部分５４を中心としたエミッタの偏った枯渇を防止することができる。

有底円筒状凹部８の底面８１と電極芯棒６の陰極先端側端面６１との間に、内部に放電ガスを有する熱伝導阻害部１２を有する。熱伝導阻害部１２は、先端５１から電極芯棒６への陰極軸方向の熱伝導を阻害し、胴体部５３から電極芯棒６への陰極径方向の熱伝導に対して、先端５１から電極芯棒６への陰極軸方向の熱伝導を小さくするものであり、放電ガスに限らず、その他の気体や固体であっても良く、たとえば陰極５や金属体１０より熱伝導性が小さい金属であっても良い。

このように電極芯棒６への軸方向の熱伝導を阻害することで、陰極５で最も温度の高い先端５１の熱によって陰極芯棒６の温度が上昇し、胴体部５３の外周面上側部分５４１の温度上昇を十分に抑制できなくなることが無い。さらに、先端５１の熱に関わらず、胴体部５３の外周面上側部分５４１の温度上昇を抑制できることから、例えば定照度点灯制御のランプのように、点灯電力が変動することによって先端５１の温度が変動するランプにおいても、エミッタの偏った枯渇が生じない。加えて、電極芯棒６への軸方向の熱伝導を阻害することで、ランプ点灯時に先端５１の温度が上昇しやすくなり、ランプ点灯後、早期にアークを安定させることもできる。

有底円筒状凹部８の中心軸Ａが、陰極５の中心軸Ｂより上方に離れ過ぎる、すなわち所定の距離Ｃが大きすぎると、胴体部５３の外周面上側部分５４１と有底円筒状凹部８の円筒面との径方向距離が、胴体部５３の外周面下側部分５５１に対して極端に小さくなり、胴体部５３の上側部分５４のエミッタ含有量が下側部分５５に対して極端に小さくなる。そのため、胴体部５３の外周面上側部分５４１の温度上昇を抑制しても、長時間点灯によって胴体部の上側部分５４に含有したエミッタが下側部分５５より先に枯渇し、アークのチラつきが生じる。

これに基づいて、熱伝導阻害部１２を有し、電極芯棒６の中心軸と同軸である有底円筒状凹部８の中心軸Ａが、陰極５の中心軸Ｂから鉛直上方側に径方向に沿って所定の距離Ｃだけ離れているランプを定照度制御にて１５００時間点灯し、アークのチラつきの有無を調査した。使用したランプは、封入ガスとしてキセノンが０．５ＭＰａ以上封入され、陰極の胴体部６４の直径は５〜１５ｍｍ、陰極５の全長は１２〜３０ｍｍ、陰極の先端面６２の径は０．４〜１．５ｍｍ、電極芯棒６の外径は４〜６ｍｍ、ランプ電力は２〜８ｋＷの範囲で適宜選択したランプである。その結果、所定の距離Ｃが胴体部５３の外径の３％以上かつ１０％以下の範囲のランプでは、ランプ電力に関わらず、アークのチラつきが生じないことがわかった。従って、熱伝導阻害部１２を有し、所定の距離Ｃを胴体部５３の外径の３％以上かつ１０％以下の範囲とすることで、投入電力や定照度制御、点灯時間に関わらずアークのチラつきを防止することできる。

さらに、胴体部５３の外周面上側部分５４１の軸方向全域において十分に温度上昇を抑制するためには、有底円筒状凹部８の底面８１の少なくとも一部を縮径部５２に有し、縮径部に熱伝導阻害部１２の一部を有するともに、有底円筒状凹部８に挿入された電極芯棒６の長さを胴体部５３の軸方向長さの７０％以上とすると良い。その結果、縮径部５２に熱伝導阻害部１２の一部を有することで、ランプ点灯時に先端５１の温度がより上昇しやすくなり、ランプ点灯後、早期にアークが安定する。さらに、有底円筒状凹部８に挿入された電極芯棒６の長さを胴体部５３の軸方向長さの７０％以上とすることで、胴体部５３の外周面上側部分５４１の縮径部５２側端部においても温度上昇が抑制される。これにより、胴体部５３の外周面上側部分５４１の陰極軸方向全域において十分に温度上昇を抑制でき、胴体部５３においてエミッタが偏って枯渇することを防止できる。

図３を用いてその他の実施形態のランプに用いられる陰極について説明する。図３はその他の実施形態の陰極の鉛直方向に沿った軸方向断面概略図である。

陰極１５の有底円筒状凹部９の底面は、陰極先端５１側に頂点９２を有する円錐状底面９１（陰極先端側に窪んだすり鉢形状）であり、陰極先端５１におけるテーパ角がθ２[°]である縮径部５２内に頂点９２を有する。頂点９２における頂角をθ１[°]とする。これにより、熱伝導阻害部１１２も円錐状底面９１に依存して同様の円錐状部分を有する。なお、その他の部分に関しては、第１の実施形態と同様であるので省略する。

熱伝導阻害部１１２の最適な形状および配置について検討を行なった結果、熱伝導阻害部１１２が、縮径部５２内に頂点９２を有し、胴体部５３内に円周部９３を有し、頂角θ１[°]が縮径部５２のテーパ角θ２[°]の２．４倍以上かつ１５０[°]以下の範囲となる円錐状部分を陰極先端５１側に有すると良いことが明らかとなった。その結果、陰極内部の粒界拡散を阻害せず、陰極内部の熱伝導に対して影響が少なく、局所的に高温となる部分が生じないので、縮径部５２におけるエミッタの偏った枯渇が生じることを防止できる。

１ ランプ
２ 発光管
３ 封止管
４ 陽極
５，１５ 陰極
５１ （陰極）先端
５２ （陰極）縮径部
５３ （陰極）胴体部
５４ （陰極胴体部の）上側部分
５４１ （陰極胴体部の）外周面上側部分
５５ （陰極胴体部の）下側部分
５５１ （陰極胴体部の）外周面下側部分
５６ （陰極胴体部の）後端側端面
６ 電極芯棒
６１ （電極芯棒の）陰極先端側端面
７ 段継ガラス
８，９ 有底円筒状凹部
８１ （有底円筒状凹部の）底面
９１ （有底円筒状凹部の）円錐状底面
９２ （円錐状底面の）頂点
９３ （円錐状底面の）円周部
１０ 金属体
１１ 口金
１２，１１２ 熱伝導阻害部
Ａ 有底円筒状凹部の中心軸
Ｂ 陰極の中心軸

Claims (9)

1. 発光管と、
   前記発光管内に対向して配置された陰極と陽極と、
   前記陰極を支持する電極芯棒とを備え、
   前記陰極は、
   先端に向かって縮径する円錐台状の縮径部と、
   前記縮径部の後端側に一体として形成された円柱状の胴体部とを有し、
   前記胴体部の後端側端面には前記電極芯棒の一端が挿入された有底円筒状凹部を有するショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記有底円筒状凹部の中心軸が前記陰極の中心軸から径方向に沿って所定の距離だけ離れていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記陰極はランプ点灯時に周方向に沿って不均一な温度分布となり、
   前記有底円筒状凹部の中心軸が、
   前記陰極の周方向で高温となる方向へ離れ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. 前記陰極の周方向で低温となる側よりも高温となる側が、
   前記胴体部の外周面と前記電極芯棒との径方向距離が小さいことを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記陰極の中心軸が水平方向となるように支持され、
   前記電極芯棒の中心軸が、
   前記陰極の中心軸よりも鉛直上方側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記電極芯棒の中心軸が、
   前記陰極の中心軸から、前記胴体部の外径の３％以上かつ１０％以下の範囲の距離だけ離れていることを特徴とする請求項４に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記有底円筒状凹部の底面と前記電極芯棒の陰極先端側端面との間に熱伝導阻害部を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のショートアーク型放電ランプ。
7. 前記熱伝導阻害部の少なくとも一部を前記縮径部内に有し、
   前記有底円筒状凹部に挿入された電極芯棒の長さが、
   前記胴体部の軸方向長さの７０％以上であることを特徴とする請求項６に記載のショートアーク型放電ランプ。
8. 前記熱伝導阻害部は前記陰極の先端側に頂点を有する円錐状部分を有し、
   前記円錐状部分の頂点を前記縮径部内に有し、
   前記円錐状部分の円周部を前記胴体部内に有し、
   前記円錐状部の頂角が前記縮径部のテーパ角の２．４倍以上かつ１５０°以下であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のショートアーク型放電ランプ。
9. 前記胴体部の外周面の下側部分よりも上側部分の方が、
   前記胴体部の外周面の熱が前記電極芯棒に伝わりやすいことを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。

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