JP5370072B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関する。特に、ショートアーク型水銀ランプ、ショートアーク型キセノンランプに関する。

ショートアーク型放電ランプは、発光部に陽極と陰極が数ミリ程度の間隙をもって対向配置する構造を有しており、陽極と陰極の間にアークを発生させて発光を得るランプである。このうち、ショートアーク型水銀ランプは、半導体、液晶、プリント基板など各種の露光工程に用いられる。また、ショートアーク型キセノンランプは、例えば、ディジタルシネマ用プロジェクター装置の光源に用いられる。

この種の放電ランプの陰極は、通常タングステンを基体として構成されており、このタングステンには通称エミッターといわれる電子放射性物質が含有されている。このエミッターは、ランプ点灯中において陰極先端まで輸送（拡散）されることで陰極先端におけるアーク形成に寄与している。
しかしながら、ランプ点灯に伴い、エミッターが枯渇したり、あるいは先端への供給が不十分になったりすると、良好なアーク形成がされなくなり、ア−クの激しい揺れやランプ電圧の著しい変動という不具合を生じる。

この問題を解決するために、陰極内部にエミッターの貯蔵タンクのようなものを設けて、枯渇しないように十分な量を保持させておき、これにより安定的に先端領域まで供給させようという技術も提案されている（特開平１１−９６９６５号、特開平１１−１５４４８８号）。
しかしながら、陰極内部にエミッター用タンクを形成することは製造工程が煩雑化してしまう。特に、エミッターが陰極先端まで十分に補給されるためには、当該タンクはランプ点灯中において、エミッターが活性化するレベルの温度にまで加熱される必要があり、形成領域が著しく制約される。さらには、実際にランプを点灯させると、点灯に伴い、タンクから陰極先端までの供給路にエミッターの塊が形成されてしまい、先端まで十分に供給されていないという不具合を生じた。

特開平１１−９６９６５号 特開平１１−１５４４８８号

この発明が解決しようとする課題は、長時間にわたり安定的にエミッターを供給できる陰極構造を提供することである。

上記課題を達成するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部を有する構成において、前記発光部に封入される物質の単位体積当たりのモル数をＮ（ｍｏｌ／リットル）とするとき、陰極には、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、この細長穴の深さＬは「Ｌ＜8.0−3.0Ｎ」の関係を満たすことを特徴とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは、陰極に形成された細長穴にエミッターの塊（溜まり）が形成されることなく、常に、安定的に陰極先端まで供給することができる。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。 陰極の先端構造拡大図を示す。 本発明の実験結果を示す。

図１は本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例であるショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。放電ランプは、石英ガラスからなる発光管１０より構成され、発光管１０は発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には陰極２０と陽極３０が、例えば5.0ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。

陰極２０は、例えば、トリウムドープタングステンよりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐台形状に形成されており陰極棒２３に支持される。陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状に形成されており陽極棒３３に支持される。

陰極棒２３と陽極棒３３は各々封止部１２に向かって伸びる。各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されている。陰極棒２３および陽極棒３３はそれぞれモリブデン箔と接合して気密封止構造が形成される。封止部１２の外端は外部リード１３が突出する。この外部リード１３に図示略の給電装置が接続されて電流供給が行なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２３、陽極棒３３と物理的に別体である必要はなく、両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。

発光部１１には、水銀と、アルゴン、クリプトン、あるいはキセノンを含む希ガスが封入される。水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり1〜20ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば2ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は0.2〜0.5ＭＰａであって、例えば0.3ＭＰａである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は2.5ＭＰａ程度になる。

図２は陰極２０の拡大構造を示す。陰極２０は円錐台形状の先端部２１と、円柱形状の本体部２２より構成される。先端部２１には細長穴２４が陽極側の先端面から陰極棒２３側の根元方向に向かって形成される。

ここで、陰極２０に含有されたエミッターは、一般に、粒内拡散、粒界拡散、表面拡散と種別される３通りの形態により陰極先端に向かって拡散する。拡散速度は表面拡散が最も早く、ついで粒界拡散、粒内拡散である。本発明は、陰極２０の先端部２１に細長穴２４を形成することで、細長穴２４の内表面による表面拡散を利用するものである。なお、陰極内部であって細長穴２４の終端には、前記先行文献に示されたエミッター用貯蔵タンクを形成させてもよい。細長穴２４を形成する方法は、例えば、放電加工や機械加工である。

陰極２０は、トリウムドープタングステンに限定されるものではなく、ランタンを含有したタングステン、セリウムを含有したタングステン、イットリウムを含有したタングステンなどの希土類元素を含有したタングステンなどを使ってもよい。

本発明は細長穴２４の深さＬを規定することに特徴を有する。ここで、その根拠となる実験について説明する。実験用放電ランプを製作して、ランプ電圧が激しく変動するまで点灯させ続けた。ランプ電圧が激しく変動するとは、エミッター供給が不十分になることを意味し、ランプ寿命といえるからである。
ランプＡとして、陰極は、タングステンロッドを、先端径φ2.0ｍｍ、テーパ角60°で切削したもので、酸化トリウムが2.0重量％含有される。先端面には、放電加工によりφ0.35ｍｍ、深さ10ｍｍの細長穴が加工される。この陰極を用いて、水銀封入量2.0ｍg/cc、アルゴンガス圧0.3ＭPaを封入したランプを製作し、10ｋＷ入力で点灯させた。

次に、ランプＡが寿命となった状態において、陰極を軸を含む面で破断させて、当該破断面を走査電子顕微鏡で観察してみた。その結果、細長穴の内部であって、陰極先端から深さ7.4ｍｍの位置に結晶の外形（ファセット）を有する酸化トリウムあるいはトリウムの結晶粒が観測された。トリウムは大気中に曝されると酸化して酸化トリウムになる。しかし、深さ7.4ｍｍの位置を境にして、それよりも浅い位置（0-7.4ｍｍ）および、それより約１ｍｍ以上深い位置（8.4ｍｍ以上の位置）には、結晶粒はほとんど見られなかったのに対して、7.4ｍｍ近傍位置では集中的に観察された。この現象は、細長穴表面にでてきた酸化トリウムが上記表面拡散により陰極先端面に向かって移動するが、その途中で蒸発して、温度の比較的低い箇所に飛散して、凝縮し、結晶化したものと考えられる。この酸化トリウムは損失となる。なぜなら、先端に拡散されないからである。なお、「陰極先端からの深さ」とは、製造後使用前のランプを対象にしており、長時間点灯した後のランプを対象にしていない。

次に、細長穴の深さＬを変えて実験してみた。具体的には、深さ5ｍｍの細長穴を有するランプＢを作り、ランプが電圧変動し始める時間を、前記ランプＡと比較した。
比較の結果、ランプＡの電圧変動発生時間は782時間であったのに対し、ランプＢの電圧変動発生時間は844時間であり、62時間もの差を生じた。さらに、ランプＢについて陰極を破断して細長穴の内表面を観察してみたところ、酸化トリウムあるいはトリウムの凝縮（結晶粒）は観察されなかった。この結果、細長穴の深さが、結晶粒の生成に関連し、結果として、アークの安定性維持に影響していることが分かった。

さらに、エミッターの種類の変えて同様の実験を行った。具体的には、ランプＣとして、酸化ランタンを2.0重量％含有したタングステン陰極について、前記ランプＡと同様の条件、すなわち、先端径φ2.0ｍｍ、テーパ角60°で切削したタングステンロッドの先端面に放電加工によりφ0.35ｍｍ、深さ10ｍｍの細長穴を有する陰極を製作して、同様に、ランプ電圧変動発生時間と、結晶粒の生成状況を観察した。
その結果、約100時間でランプ電圧が激しく変動し、さらに、陰極を破断させたところ深さ7.6ｍｍの位置に酸化ランタンの凝縮が観察された。つまり、エミッターとしてトリウムを使った場合と、ランタンを使った場合では凝縮位置に差がないことがわかった。

さらに、ランプ種を代えて同様の実験を行った。具体的には、水銀ランプではなく、キセノンランプ（水銀を含まない）を使った。実験は、酸化トリウムを2.0重量％含有したタングステンに対して、先端径φ0.6ｍｍ、テーパ角40°で切削したタングステンロッドの先端面に放電加工により穴径φ0.3ｍｍ、深さ10ｍｍの細長穴を設けたランプＤ、穴径φ0.3ｍｍ、深さ5ｍｍの細長穴を設けたランプＦをそれぞれ製作した。それぞれキセノンを1.6ＭＰａ封入した。ランプ入力は４ｋＷとした。
その結果、ランプＤは約450時間でランプ電圧が変動し、ランプＦは約495時間でランプ電圧が変動した。さらに、陰極を破断させたところ、ランプＤは陰極先端から深さ6.0ｍｍの位置に酸化トリウムまたはトリウムの凝縮が観察され、ランプＦは酸化トリウムまたはトリウムの凝縮が観察されなかった。つまり、エミッターの凝縮が形成されること自体はランプ種によって変わるものではないが、凝縮が形成される位置はランプ種によって異なることが分った。またランプの種類が異なっても、穴の深さが凝集位置より浅い場合は、電圧変動発生時間が長くなることがわかった。

ランプの種類が異なれば、陰極の負荷が異なるので、電圧変動発生時間は異なる。また、同じ種類のランプあっても、陰極に含まれるエミッターの種類が異なれば、負荷に対する性能が異なるので、電圧変動発生時間は異なる。従って、ランプの種類に応じたエミッターが適宜選ばれる。

さらに、ランプの点灯時圧力に着目して細長穴表面におけるエミッターの凝縮位置との関係を整理した。比較したランプは前記ランプＡ、前記ランプＣ、前記ランプＤ、さらに、ランプＥとして、キセノンランプを追加した。このランプは、陰極先端径φ0.8ｍｍ、テーパ角40°、穴径φ0.3ｍｍ、深さ10ｍｍ、エミッターとしてトリウムを使いキセノン1.1ＭPaを封入させた。入力は4.5ｋWで点灯させた。
ここで、ランプ内圧力は直接測定できるものではないため、単位体積当りの封入ガスと液体の総和をモル数で表して圧力に代わる指標とした。具体的には、ランプＡの封入モル数は0.194mol／リットル、ランプＣの封入モル数は0.194mol／リットル、ランプＤの封入モル数は0.654mol／リットル、ランプＥの封入モル数は0.455mol／リットルである。
その結果、ランプＡは前記のとおり深さ7.4ｍｍの位置に凝縮を生じ、ランプＣは深さ7.6ｍｍの位置に凝縮を生じ、ランプＤは深さ6.0ｍｍの位置に凝縮を生じ、ランプＥは深さ6.7ｍｍの位置に凝縮を生じた。

図３は、上記実験結果をグラフにしたものであり、縦軸は凝縮が生成された位置（凝縮位置Ｙ）（単位ｍｍ）を表し、横軸は封入物質のモル数Ｎ（mol／リットル）を表す。４つの観察点から近似線を導くと‘Ｙ＝8.01-3.2Ｎ’となる。ここで、細長穴におけるエミッターの凝縮位置Ｙは封入物質のモル数Ｎに強く関係していることがわかる。４つの実験結果すべてが同一直線上に計上されているからである。この理由は必ずしも明らかではないが、細長穴の内表面にでてきたエミッターは気化して温度の比較的低い部分に飛散して凝縮して結晶化する過程において、圧力が高いと飛散しにくくなり、飛散位置から比較的近い位置において凝縮したものと推測される。なお、近似線は厳密に‘Ｙ＝8.01-3.02Ｎ’であるが、実験誤差などを考慮して‘Ｙ＝8.0-3.0Ｎ’と規定できる。

本発明は、発光部に封入される物質のモル数をＮとするとき、陰極の細長穴の深さＬを‘8.0−3.0Ｎ’より小さくするものであり、これにより、エミッターの細長穴の中における凝縮を防止できる。なお、細長穴の深さＬは、より好ましくは‘8.0−3.0Ｎ’に近いことである。凝縮しない範囲で深いほうが、細長穴の内表面を使った拡散を利用できるからである。

細長穴の深さは、温度ではなく、圧力の目安になる封入物質の単位体積当たりのモル数で規定されることから、細長穴は先端部のどこに設けられても良い。しかしながら、細長穴の開口がアークから離れる程、エミッターが先端面に届くまでに蒸発する量が増加するので、アークに面した位置に開口を設けるかアークに面した位置の近傍に開口を設けることが望ましい。アーク中にエミッターが蒸発するとエミッターが電離して再び陰極に戻り、エミッターの消耗が抑制されるからである。アークの形成具合によって陰極先端径が設計されるので、実質上は、陰極先端面から陰極先端径の２倍の長さ離れた位置までの範囲に細穴の開口を設けると良い。

本発明は、水銀ランプや、水銀を含まないキセノンランプ、希ガスとしてキセノンを含むキセノン−水銀ランプなどショートアーク型放電ランプ全般に適用することができる。

１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 封止部
２０ 陰極
２４ 細長穴
２５ 微小クラック
３０ 陽極

Claims (1)

1. 電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部と有するショートアーク
   型放電ランプにおいて、
   前記発光部に封入される物質の単位体積当たりのモル数をＮ（ｍｏｌ／リットル）とするとき、
   前記陰極には、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、この細長穴
   の深さＬは以下の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   Ｌ＜8.0−3.0Ｎ

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