JP3598941B2

JP3598941B2 - キセノン水銀ランプ

Info

Publication number: JP3598941B2
Application number: JP2000126279A
Authority: JP
Inventors: 康彦若畑
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: JP2001307679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光化学反応や検査、投影などの光源に使用される箔シール型のキセノン水銀ランプに関し、更には、放電容器の内壁の黒化を抑制して、長時間にわたり高光束維持率を保持する箔シール型のキセノン水銀ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線照射処理装置などの光源に使用される箔シール型のキセノン水銀ランプは、石英ガラス製の放電容器内に、水銀および希ガスとしてキセノンガスが封入されるともに、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置されている。陰極の先端には、易電子放出材料を含む易電子放出部が形成されており、陽極と陰極の間で放電すると、遠紫外線を含む光が放射される。
【０００３】
ここで、点灯時の陰極先端部は、易電子放出材料の特性に適した温度範囲にする必要がある。すなわち、陰極先端が過熱状態になると、陰極の損耗が激しくなり、一方、温度が低すぎると、易電子放出材料の電子放射分が少なくなって、水銀や希ガスが陰極に激しく当り、陰極をスパッタして発光容器が黒化してしまい、いずれにしてもランプ寿命が短くなってしまう。ことに、２００〜３８０ｎｍの短波長の光ほどスパッタリングの影響を受けやすいので、紫外線ランプの場合は、点灯時の陰極先端の温度範囲を適正に保持する必要性が大きい。
【０００４】
図９および図１０は、箔シール型の放電ランプの陰極を保持する構造の従来例を示す。図９において、石英ガラスからなる放電容器１の端部には封止管２が一体に連設されている。この封止管２の端部に封止部２１が形成されている。そして、封止部２１にはモリブデン箔からなる金属箔２２が埋設されている。陰極４は、略円錐形の先端部４１と、先端部４１に続く大径の胴体部４２と、胴体部４２に続く小径の導通部４３からなる。つまり、胴体部４２を大径にして陰極４の表面積を大きくすることにより、先端部４１の温度が過熱状態になるのを防止している。また、導通部４２の端部が金属箔２２に接続されており、外部給電棒２３の端部も金属箔２２に接続され、封止部２１の外部に伸び出している。陰極４の先端には、易電子放出材料を含む易電子放出部４４が形成されている。そして、導通部４３の外周の一部にモリブデン箔が巻きつけられて応力緩衝部５が形成されており、応力緩衝部５に封止管２が溶着することにより陰極４が保持されている。
【０００５】
図１０は、陰極４の導通部４３が大径の胴体部４２を偏平状に圧潰して成形されたものであり、この導通部４３の外周の一部にモリブデン箔が巻きつけられて応力緩衝部５が形成されており、応力緩衝部５が封止管２に溶着されていることは図９と同じであるが、胴体部４２の外周面と封止管２の内周面との間の隙間を小さくして、陰極４のがたつきを抑える程度に支持しいる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば消費電力が５００Ｗのキセノン水銀ランプの場合、易電子放出材料に酸化トリウムを使用するときは、陰極先端の温度が２８００℃程度であれば、十分な電子放射が得られ、実用的なランプ寿命が得られている。しかし、この高い温度では陰極先端の損耗が激しいため、更に長いランプ寿命を得るためには、もっと低い温度で点灯するのが望ましい。そこで、易電子放出材料に、Ｂａなどのアルカリ土類金属を使用すると、陰極先端の温度が１８００〜１９００℃の場合に最適の電子放射が得られ、陰極物質の蒸発も極めて少なくなって長いランプ寿命を得られる。
【０００７】
しかしながら、図９に示すように、胴体部を大径にして陰極の表面積を大きくしたものでは、陰極先端の温度は約２３００℃程度までしか下がらず、陰極物質の蒸発が相変わらず激しく、十分なランプ寿命が得られない。また、図１０に示すように、陰極の表面積を大きくするとともに、導通部を縮径していなものは、導通部から金属箔に熱伝導により多く熱が逃げるので、図９に示すものよりも、冷却効果は幾分大きいが、それでも陰極先端の温度は約２２００℃程度までしか下がらず、この場合も十分なランプ寿命が得られない。更には、金属箔の温度が高くなって箔切れが生じやすく、また、封止管は、高温になる胴体部とのクリアランスが小さいので、破壊しやすい危険性がある。
【０００８】
そこで本発明は、点灯時の陰極先端の温度を、易電子放出材料にＢａなどのアルカリ土類金属を使用したときの最適温度に保持することができ、放電容器の内壁の黒化を抑制して、長時間にわたり高光束維持率を保持することが可能な箔シール型のキセノン水銀ランプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１の発明は、石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および／または導通部の表面にモリブデン箔からなる応力緩衝部を形成して該封止管を該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をＳ_Ｃ、陰極の表面積をＳとしたとき、０．１１≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．６３とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および／または導通部の表面にロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかの金属膜からなる応力緩衝部を形成して該封止管を該応力緩衝部に密着し、この応力緩衝部の面積をＳ_Ｃ、陰極の表面積をＳとしたとき、０．０９≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．５０とする。
【００１１】
そして、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、易電子放出部が、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒの少なくとも１種の易電子放出材料を含むようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を具体的に説明する。図１は請求項１の発明の実施例を示し、直流で点灯される箔シール型のキセノン水銀ランプを示す。このキセノン水銀ランプは、遠紫外線を多く放射する放電ランプであり、その消費電力は、例えば５００Ｗ、定格電圧が２５Ｖ、ランプ電流が２０Ａであり、垂直姿勢で点灯される。
【００１３】
図１において、石英ガラスからなる楕円球状の放電容器１の両端に封止管２が一体に連設されている。封止管２の端部には、石英ガラスを溶融状態にして内部を減圧することにより縮径させて封止部２１、２１が形成されている。そして、封止部２１、２１には、それぞれ２枚のモリブデンからなる金属箔２２が埋設されている。放電容器１の内容積は、例えば１０ｃｍ^３である。
【００１４】
放電容器１内には、水銀とキセノンガスが封入されるとともに、タングステンからなる陽極３と同じくタングテンからなる陰極４が対向配置されている。水銀の封入量は、例えば９０ｍｇ、キセノンガスの封入圧力は２気圧である。陽極３の電極棒３１の端部は金属箔２２に溶接されており、陽極側の外部給電棒２３の端部も金属箔２２に溶接され、封止部２２の外部に伸び出している。そして、電極棒３１に封止管２が密着することにより陽極３が保持されている。
【００１５】
陰極４は、略円錐形の先端部４１と、先端部４１に続く大径の胴体部４２と、胴体部４２に続く小径の導通部４３からなる。そして、導通部４３の端部は金属箔２２に溶接されており、陰極側の外部給電棒２３の端部も金属箔２２に溶接され、封止部２２の外部に伸び出している。胴体部４２の外径は、例えばφ８ｍｍであり、導通部４３の外径は例えばφ３ｍｍであり、陰極４全体の表面積は、例えば８３７ｍｍ^２である。
【００１６】
陰極４の先端部４１の頂部には易電子放出部４４が設けられている。易電子放出部４４は、アルカリ土類金属であるＢａ、Ｃａ、Ｓｒの少なくとも１種の易電子放出材料を含む。つまり、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒの酸化物であるＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯの混合物や、これらの酸化物とＷＯ_３やＡｌ_２Ｏ_３などとの化合物や混合物を含むが、放電プラズマの種類、ランプ電力の大きさ、要求されるランプ寿命などに応じて適宜選定される。
【００１７】
陰極４の胴体部４２と導通部４３にかけて、図１において斜線で示すように、モリブデン箔が巻き付けられて応力緩衝部５が形成されている。図２は応力緩衝部５を形成する手順を示す。先ず、図２（Ａ）に示すように、幅１５ｍｍ、厚さ１３μｍのモリブデン箔Ｍ１を、胴体部４２の後端部から１ｍｍ出して２ターン巻き付ける。次に、図２（Ｂ）に示すように、外径が胴体部４２の外径と等しく、内径が導通部４３の外径に等しく、厚さが１３μｍの円盤状のモリブデン箔Ｍ２を導通部４３に差し込み、胴体部４２の端面に当てる。そして、図２（Ｃ）に示すように、胴体部４２の後端部からはみ出したモリブデン箔Ｍを折り曲げてモリブデン箔Ｍ２を保持する。次に、図２（Ｄ）に示すように、金属箔に溶接する部分を残して厚さが１３μｍのモリブデン箔Ｍ３を導通部４３に２ターン巻き付ければよい。そして、封止管２がこの応力緩衝部５に密着することにより陰極４が保持されている。
【００１８】
ここで、応力緩衝部５の面積をＳ_Ｃ、陰極４の表面積をＳとしたとき、その理由を後に説明するように、０．１１≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．６３の関係が成り立っている。
なお、以上の実施例では、モリブデン箔を胴体部４２と導通部４３の両方に巻き付けて応力緩衝部５を形成したが、上記の関係式を満たすものであれば、胴体部４２または導通部４３のいずれかにのみモリブデン箔を巻き付けて応力緩衝部５を形成してもよい。
【００１９】
次に、前記のキセノン水銀ランプにおいて、Ｓ_Ｃ／Ｓの値を変化させて実際に点灯し、陰極先端の温度と光束維持率を測定した結果を図５および図６に示す。なお、図６の光束維持率は、７５０時間点灯後における２５０ｎｍの光の光束維持率を示す。
【００２０】
図５および図６から分かるように、Ｓ_Ｃ／Ｓの値が大きくなるほど陰極先端の温度は低下するが、Ｓ_Ｃ／Ｓ＝０．０６の場合は、陰極先端の温度は２３００℃であり、陰極物質の蒸発が激しくて光束維持率は７０％しか得られない。しかし、Ｓ_Ｃ／Ｓの値が０．１３〜０．６１であれば、陰極先端の温度は１９５０〜１８５０℃であり、陰極物質の蒸発が抑制されるとともに、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射が十分に行われて陰極がスパッタリングされにくく、従って、放電容器１の内壁は長時間点灯しても黒化しにくく、８５〜９０％の光束維持率を得ることができる。
一方、Ｓ_Ｃ／Ｓ＝０．６７の場合は、陰極先端の温度は１７００℃になり、陰極物質の蒸発が極めて少なくなるが、易電子放出材料の電子放射が十分に行われず、陰極がスパッタリングされて放電容器１の内壁が黒化しやすく、光束維持率は６０％に低下する。
そこで、モリブデン箔で応力緩衝部５を形成した場合は、十分に実用に耐える７５０時間点灯時において８０％の光束維持率を得るには、図６のグラフから、Ｓ_Ｃ／Ｓの値は、０．１１〜０．６３であればよいことが分かる。
【００２１】
次に、図３は請求項２の発明の実施例を示す。この放電ランプも図１と同じ仕様のセキノン水銀ランプであるが、陰極４の形状と応力緩衝部５の材料が異なる。図４は陰極４の正面図と側面図を示すが、導通部４３は、小径の丸棒ではなく、大径の胴体部４２の尾端部を圧潰して偏平状にしたものである。そして、胴体部４２、導通部４３、および胴体部４２と導通部４３の境界の傾斜部４５に、便宜上点々で示すように、厚さが約１μｍのロジウムめっきの金属膜が施されて応力緩衝部５が形成されている。この金属膜は、レニウムめっき、またはニオブめっきであってもよい。そして、封止管２が応力緩衝部５に密着して陰極４を保持している。
ここで、この応力緩衝部の面積をＳ_Ｃ、陰極の表面積をＳとしたとき、０．０９≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．５０の関係が成り立っている。
【００２２】
次に、図３に示すキセノン水銀ランプにおいて、Ｓ_Ｃ／Ｓの値を変化させて実際に点灯し、陰極先端の温度と光束維持率を測定した結果を図７および図８に示す。なお、図８の光束維持率は、７５０時間点灯後における２５０ｎｍの光の光束維持率を示す。
【００２３】
図７および図８から分かるように、Ｓ_Ｃ／Ｓ＝０、つまり、ロジウムめっきを施さない場合は、陰極先端の温度は２２００℃であり、陰極物質の蒸発が激しくて光束維持率は６０％しか得られない。そして、Ｓ_Ｃ／Ｓの値が大きくなるに連れて陰極先端の温度は低くなるが、Ｓ_Ｃ／Ｓの値が０．０９〜０．４８であれば、陰極先端の温度は２０５０〜１９００℃であり、陰極物質の蒸発が抑制されるとともに、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射が十分に行われて陰極がスパッタリングされにくく、従って、放電容器１の内壁は長時間点灯しても黒化しにくく、８０〜９２％の光束維持率を得ることができる。
一方、Ｓ_Ｃ／Ｓ＝０．５５の場合は、陰極先端の温度は１７５０℃になり、陰極物質の蒸発が極めて少なくなるが、易電子放出材料の電子放射が十分に行われず、陰極がスパッタリングされて放電容器１の内壁が黒化しやすく、光束維持率は５０％に低下してしまう。
そこで、ロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかからなる金属膜で応力緩衝部５を形成した場合は、十分に実用に耐える７５０時間点灯時において８０％の光束維持率を得るには、図８のグラフから、Ｓ_Ｃ／Ｓの値は、０．０９〜０．５０であればよいことが分かる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のキセノン水銀ランプによれば、陰極先端の温度を、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射に適した温度範囲まで低下させることができるので、陰極物質の蒸発やスパッタリングが少なくなり、放電容器内壁の黒化が抑制されて長時間にわたり高い光束維持率を保つことができる。特に、遠紫外線を放射するキセノン水銀ランプに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の実施例の説明図である。
【図２】モリブデン箔による応力緩衝部の作成手順の説明図である。
【図３】請求項２の実施例の説明図である。
【図４】請求項２の実施例の陰極の正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図５】請求項１のＳ_Ｃ／Ｓと先端温度の関係図である。
【図６】請求項１のＳ_Ｃ／Ｓと光束維持率の関係図である。
【図７】請求項２のＳ_Ｃ／Ｓと先端温度の関係図である。
【図８】請求項２のＳ_Ｃ／Ｓと光束維持率の関係図である。
【図９】従来例の説明図である。
【図１０】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１放電容器
２封止管
２１封止部
２２金属箔
２３外部給電棒
３陽極
３１電極棒
４陰極
４１先端部
４２胴体部
４３導通部
４４易電子放出部
４５傾斜部
５応力緩衝部
Ｓ陰極の表面積
Ｓ_Ｃ応力緩衝部の面積

Claims

石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および／または導通部の表面にモリブデン箔からなる応力緩衝部が形成されて該封止管が該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をＳ_Ｃ、陰極の表面積をＳとしたとき、０．１１≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．６３であることを特徴とするキセノン水銀ランプ。
石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および／または導通部の表面にロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかの金属膜からなる応力緩衝部が形成されて該封止管が該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をＳ_Ｃ、陰極の表面積をＳとしたとき、０．０９≦Ｓ_Ｃ／Ｓ≦０．５０であることを特徴とするキセノン水銀ランプ。
前記易電子放出部が、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒの少なくとも１種の易電子放出材料を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載のキセノン水銀ランプ。