JP5093304B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

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、陰極に酸化トリウムが含有された先端部が設けられているショートアーク型放電ランプに係わるものである。

従来、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間距離が短く、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放電ランプは、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。
そして、かかるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極にエミッター材を設けて、電子放出特性を高めるようにしたものが知られている。

特許文献１（特開２０１０−３３８２５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いる。
図７にこの従来技術が示されていて、（Ａ）はランプ全体図、（Ｂ）はその陰極構造を表している。
図７（Ａ）に示されるように、ショートアーク型放電ランプ２０の発光管２１内には、タングステンからなる陰極２２と陽極２３とが対向配置されている。前記発光管２１内には水銀やキセノン等の発光物質が封入されている。なお、同図ではショートアーク型放電ランプ２０は垂直点灯される態様を示しているが、その用途によっては水平点灯されるものもある。
そして、このランプにおける陰極構造が図７（Ｂ）に示されていて、陰極２２は、エミッターが含有された電極先端部２２ａと、これと一体形成された電極本体部２２ｂとからなる。この電極先端部２２ａは、例えばトリウムなどのエミッター物質を含有させたタングステンからなり、電極本体部２２ｂは純度の高いタングステンで形成される。
このように放電ランプの陰極先端に、エミッターを含有させて電子放出特性の良好なランプを構成することは従来から知られている。

また、陰極先端のエミッター物質を含有させたエミッター材の形状としては、上記従来技術のような陰極先端のテーパー部をすべてエミッター材で構成する形状以外に、図８に示すようなエミッター材が先端テーパー部の一部で露出する形状も公知である。
図８（Ａ）では、陰極本体２２ｂのテーパー部２２ｃの先端にエミッター物質が含有された先端部２２ａが接合されている。
また、図８（Ｂ）では、先端部２２ａは、陰極本体２２ｂを貫通する棒状体からなり、その先端部が前記陰極本体２２ｂのテーパー部２２ｃにおいて露出する構造である。

しかしながら、上記従来技術においては、実際にはランプ点灯時に電子放出特性の改善に寄与するエミッター物質は、陰極先端の表面からごく浅い領域までに含有されたエミッター物質に限られている。これは、陰極先端の表面の温度が最も高くなるために、その熱によってエミッター物質が蒸発して消耗される量に比べて、より温度の低い陰極内部から熱拡散によって陰極先端表面にまで供給されてくるエミッター物質の量が少ないためである。
その結果、陰極内部には豊富にエミッター物質を含有していたとしても、内部から表面への供給が十分になされず、その表面ではエミッター物質が枯渇してしまうという現象が出現するからである。
このように、上記従来技術では、陰極先端にエミッター物質を含有させても、そのエミッター物質が十分に活用されず、陰極先端表面でエミッター物質が枯渇すると、電子放出特性が低下してフリッカーが生じてしまうという問題があった。

特開２０１０−３３８２５号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、先端にエミッター物質を設け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、陰極先端の内部に含有されたエミッター物質を表面側に移動させてその有効利用を図ることにより、陰極表面でのエミッター物質の枯渇を防ぎ、ランプのフリッカー寿命の長期化を図るようにした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、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、タングステンからなる本体部と、トリエーテッドタングステンからなる先端部と、からなるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極の先端部には、周囲がトリウムで被覆された酸化トリウム粒子が含有されていることを特徴とする。

本発明によれば、酸化トリウムが含有された陰極先端部に、周囲がトリウムで被覆された酸化トリウム粒子が含有されていることにより、該トリウム被覆された酸化トリウムが熱によって温度のより高い表面側に移動していくことにより、当該表面側に十分に供給されていき、表面での酸化トリウムの枯渇といった事態が発生することなく、フリッカー寿命の長いランプを実現できるという効果を奏するものである。

本発明に係る放電ランプの電極の断面図。 他の実施例の断面図。 図１の構造の陰極の製造方法の説明図。 他の製造法の説明図。 図２の構造の陰極の製造法の説明図。 本発明の作用の説明図。 従来のショートアーク型放電ランプの断面図。 従来の他の構造の陰極の断面図。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプの陰極構造を示し、陰極２は、タングステンからなる本体部３と、その先端に拡散接合された先端部４とからなる。ここで拡散接合とは、金属同士を面で重ね合わせて、融点未満の固相状態で塑性変形が生じない程度に加熱・加圧し、接合部の原子を拡散させる固相接合することをいう。
前記先端部４は、主成分であるタングステンに、エミッター物質として酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有する、いわゆるトリエーテッドタングステン（以下、トリタンということもある）であり、酸化トリウムの含有量は、例えば２ｗｔ％である。
前記先端部４の形状は、全体として略円錐台形状であって、前記本体部３のテーパー部３ａに接合され、その先端面がここには図示しない陽極と対向配置されている。
通常、この先端部４を構成するトリタンに含有された酸化トリウムは、ランプ点灯中に高温になることによって還元され、トリウム原子となって外表面を拡散して、温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにするものである。

本発明においては、前記陰極２の先端部４には、外周囲にトリウムが被覆された酸化トリウム粒子５（以下、トリウム被覆酸化トリウム粒子という）が含有されている。
該トリウム被覆酸化トリウム粒子５は、この実施例では、先端部４の本体部３との接合部近傍に主に含有される構造となる。
なお、図１では、先端部４が本体部３のテーパー部３ａにおいて接合される構造が示されているが、図７（Ｂ）で示されるような、本体部３の円柱部で接合するものであってもよい。

図２に異なる実施例が示されていて、先端部４は、本体部３を貫通するように延在していて、そのテーパー状先端面４ａが本体部３のテーパー部３ａにおいて外部に露出している。
そして、該先端部４にも、図１と同様な、トリウム被覆酸化トリウム粒子５が含有されていて、この実施例では、先端部４のテーパー状先端面４ａの表面近傍から一定の深さ方向に含有される構造となる。

次いで、トリウム被覆酸化トリウム粒子の形成方法について述べると以下の通りである。
トリタンは、タングステン中に酸化トリウムの粒子が介在物として存在していて、このタングステン中に炭素を導入すると、炭素原子は侵入型不純物として固溶する。そしてこれが高温になると、酸化トリウムの粒子の表面では、固溶した炭素原子と反応して還元され、金属トリウムが生成される。このとき、同時に一酸化炭素ＣＯが生成される。
ＴｈＯ_２＋２Ｃ⇔Ｔｈ＋２ＣＯ
酸化トリウム粒子はタングステンに囲まれているので、生成された一酸化炭素はその隙間に溜まる。この生成された一酸化炭素の圧力が上がると、上記の反応は停止する。
このタングステン中に溜まった一酸化炭素は周囲のタングステンに溶け込み、平衡する。
ＣＯ⇔［Ｃ］ｗ＋［Ｏ］ｗ
ここで、［Ｃ］ｗはタングステンに固溶した炭素、［Ｏ］ｗタングステンに固溶した酸素を表す。
タングステン中を［Ｃ］ｗや［Ｏ］ｗが拡散し外部に出て行くと一酸化炭素の圧力が下がり、上記した酸化トリウムの還元が進む。つまり、酸化トリウムの還元は［Ｃ］ｗや［Ｏ］ｗの拡散に律速されている。
つまり、周辺に炭素が多量に存在し、［Ｃ］ｗや［Ｏ］ｗの拡散が効果的に行われれば、金属トリウムが生成され、殻状のトリウム被覆を持つ酸化トリウム粒子が形成されることになる。
そして、タングステン中への炭素の導入方法としては、トリタンの表面に固体の炭素を付着させて熱処理するか、予め、炭素のある雰囲気中でトリタンを熱処理することにより、炭素をタングステン中に固溶させることができる。

次に、図１の構造の陰極の製造方法について説明する。
図３にその製造方法が示されていて、
（Ａ）
直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのトリタンの円板１０を切り出し、その両端面にカーボンを塗布した後、真空中で、約１５００℃、３０分の熱処理をする。これにより、トリタン円板１０の両端面に薄い炭化層１１を形成する。
（Ｂ）
この炭化層１１の付いたトリタン円板１０を、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの純タングステン棒１２、１２の間にはさみ込み、真空中で、軸方向に約２００Ｎの圧縮力を加える。そして、接合部の温度が約２２００℃になるよう通電加熱する。
約１０分間加熱すると、純タングステン棒１２とトリタン円板１０は拡散接合する。
（Ｃ）
接合部では、炭素が大量に存在し、接合が完了するまではＣＯガスが抜けやすいため、酸化トリウム粒子は「トリウム被覆酸化トリウム粒子」となる。
（Ｄ）
この接合された棒をトリタン円板１０の真ん中で切断する。
（Ｅ）
これの先端を切削加工して、トリウム被覆酸化トリウム粒子５を含有するトリタンからなる、約２ｍｍの厚さの先端部４を持った陰極２が得られる。

図１の構造の陰極２の他の製造方法を図４に基づいて説明する。
（Ａ）
直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの純タングステン棒１２、１２の間に、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのトリタンの円板１０をはさみ込み、軸方向に約２００Ｎの圧縮力を加える。雰囲気ガスとして水素にベンゼンを混入したガスを流し、当接部の温度を約１６００℃として約１０分間、通電加熱する。
この間、当接部間には隙間があるので雰囲気ガスが侵入し、ベンゼン中の炭素が該当接部間に存在する状態となっている。
（Ｂ）
雰囲気ガスを水素に切り替え、約２１００℃で約１５分間加熱すると、純タングステン棒１２とトリタンの円板１０は拡散接合する。
この間、接合部間にはベンゼンから炭素が十分に供給されており、また一方で、接合するまで、接合部の隙間から一酸化炭素が速やかに放出されるので、トリタン中にはトリウム被覆酸化トリウム粒子５が形成される。
（Ｃ）
この接合された棒を酸化トリウム１０の真ん中で切断する。
（Ｄ）
これの先端を切削加工して、トリウム被覆酸化トリウム粒子５を含有するトリタンからなる、約２ｍｍの厚さの先端部４を持った陰極２が得られる。

次いで、図２の構造の陰極の製造方法について図５に基づいて説明する。
（Ａ）
直径３ｍｍのトリタン芯棒１３（先端部４）を持った直径１０ｍｍのタングステン棒から、先端径０．６ｍｍ、先端角６０度のとした陰極２を切削加工する。こうして、先端部４が電極本体３を貫通した形状の陰極２が形成される。
この陰極２の先端部４のテーパー部４ａに補助電極１５を近づけ、周囲に純アルゴンガスを流しながら、補助電極１５をマイナス、陰極２をプラスとしてアーク放電１６を起こす。
陰極２を回転させながら、アーク１６に接している部分の温度が高い部分で約２４００℃程度になるようにアークの電流を調整する。
雰囲気ガスをアルゴンに少量（〜０．１％程度）のメタンを混入したガスに切り替え、約１０分間アーク加熱を続ける。
このとき、陰極２の先端部４のテーパー部４ａ付近では、メタンから炭素が十分に供給され、表面から一酸化炭素が放出されるので、先端部４（トリタン芯棒１３）のテーパー部４ａに近い領域では、酸化トリウム粒子がトリウム被覆酸化トリウム粒子５になる。
（Ｂ）
その後、雰囲気ガスを純アルゴンに切り替え、アークを消して冷却し、先端部４の先端にトリウム被覆酸化トリウム粒子５が含まれた陰極２が得られる。

こうしてトリタン中にトリウム被覆酸化トリウム粒子が含有された陰極が得られるが、該トリウム被覆酸化トリウム粒子がタングステン中を移動するメカニズムについて以下説明する。
図６にトリウム被覆酸化トリウム粒子５の概略が示されている。酸化トリウム（ＴｈＯ_２）粒子１５の周囲には殻状のトリウム（Ｔｈ）被覆１６が形成されており、その両者の間には部分的に空隙１７が形成され、この空隙中１７には、上記した還元反応中に発生した一酸化炭素（ＣＯ）が閉じ込められている。
そして、このトリウム被覆酸化トリウム粒子５の周囲にはタングステンＷが存在している。

ランプ点灯により陰極の温度が上昇して、トリウムの融点（約１７５０℃）以上になると、金属トリウム１６は溶融して液体状となる。
この溶融トリウム金属１６は表面張力により、酸化トリウム粒子１５を取り囲んでいるタングステンＷの内表面を濡らすかたちで覆う形になる。このトリウム融液は周囲のタングステンを溶解していき、最終的には飽和するまで溶かし込んだものとなる（Ｘ）。
トリウム融液のタングステン溶解度は該トリウム融液の温度に依存し、高温ほど溶解度が高くなる。したがって、高温側では、トリウム融液はより多くのタングステンＷを溶かす。そのため、トリウム融液中に溶解するタングステンの濃度は高温側ほど高くなり、低温側で低くなるので、その間に濃度勾配ができ、この濃度勾配により溶解したタングステンは高濃度の高温側から低濃度の低温側に輸送される（Ｙ）。
ところが、この低温側では溶解度が低いので、トリウム融液におけるタングステンの濃度が低温における溶解度を超えることになり、溶解したタングステンが、周囲のタングステンの壁面に析出する（Ｚ）。

以上の過程をまとめると、トリウム融液１６を介して、タングステンの高温側の壁が溶解し（Ｘ）、低温側に移動して（Ｙ）、低温側の壁に析出する（Ｚ）ことになるため、全体として酸化トリウム粒子１５が高温側に移動したことになる。
つまり、トリウムが溶融する１７５０℃以上の領域では、トリウム被覆酸化トリウム粒子は高温側に向かって移動することになる。
一般に陰極は先端表面の方が高温なので、トリウム被覆酸化トリウム粒子は陰極先端表面に向かって移動し、酸化トリウムを先端表面側に輸送できるようになる。
なお、陰極温度が高温になるほどタングステンの溶解度が高くなるため、トリウム被覆酸化トリウム粒子の移動速度は速くなる。

本発明の効果を実証するために以下の実験を行った。
共通するランプ仕様としては、最も陰極負荷が高いランプであるデジタルシネマ用途の４ｋＷのキセノンランプを用い、そのランプ電圧３０Ｖ、ランプ電流１３５Ａとした。
（１）従来ランプ（１）
図８（Ａ）に示す陰極を有するランプで、２重量％の酸化トリウムを含有するトリエーテッドタングステン（トリタン）と純タングステンを接合した材料から、トリタン部の長さが２ｍｍ、直径１０ｍｍ、長さ１８ｍｍ、先端径０．６ｍｍ、先端角６０度の陰極を切削加工した。
このランプのフリッカーによるランプ寿命は４２２時間であった。
（２）従来ランプ（２）
図８（Ｂ）に示す陰極を有するランプで、直径３ｍｍのトリタン芯棒を持った直径１０ｍｍのタングステン棒から、直径１０ｍｍ、長さ１８ｍｍ、先端径０．６ｍｍ、先端角６０度の陰極を切削加工した。
このランプのフリッカーによるランプ寿命は４６０時間であった。
（３）本発明ランプ（１）
図１に示す陰極を有するランプで、トリウム被覆酸化トリウム粒子を形成したトリタンと純タングステンを接合し、トリタン部の厚さを２ｍｍとしたものを用い、直径１０ｍｍ、長さ１８ｍｍ、先端径０．６ｍｍ、先端角６０度の陰極を切削加工した。
このランプのフリッカーによるランプ寿命は６１７時間であった。
（４）本発明ランプ（２）
図２に示す陰極を有するランプで、直径１０ｍｍ、長さ１８ｍｍ、先端径０．６ｍｍ、先端角６０度で、直径３ｍｍのトリウム被覆酸化トリウム粒子を形成したトリタン芯棒（先端部）を有する陰極とした。
このランプのフリッカーによるランプ寿命は５８６時間であった。

以上の結果をまとめると表１のようになった。
＜表１＞

表１で分かるように、同形状の陰極であっても、エミッター材として、トリエーテッドタングステン（トリタン）のみを使用したものと、その中にトリウム被覆酸化トリウム粒子を形成含有させたものとでは明らかなフリッカー寿命の改善が見られた。

以上のように、本発明によれば、エミッター材としてのトリエーテッドタングステン（トリタン）中に、周囲にトリウムが被覆された酸化トリウム粒子を含有させたので、陰極の温度勾配によって該トリウム被覆酸化トリウム粒子が高温になる先端表面側に移動し、該陰極先端表面での酸化トリウムの消費を補填できる。
これにより、陰極内部にあって従来では活用されていなかった酸化トリウムを有効活用できて、陰極先端表面での酸化トリウムの枯渇といった不具合が生じることがなくなり、フリッカー寿命を長くすることができるという効果を奏するものである。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 陰極
３ 陰極本体部
４ 陰極先端部
５ トリウム被覆酸化トリウム粒子
１０ トリタン円板
１２ タングステン棒
１５ 酸化トリウム粒子
１６ トリウム被覆
１７ 空隙（ＣＯ）

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、タングステンからなる本体部と、トリエーテッドタングステンからなる先端部と、からなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極の先端部には、周囲がトリウムで被覆された酸化トリウム粒子が含有さ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. 前記陰極の先端部が、本体部の先端に拡散接合さ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. 前記陰極の先端部が、本体部を貫通して設けら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。
   
   
   

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