JP5413798B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、電極および電極に塗布する電子放射物質に改良が施された、高圧放電ランプ、特に紫外線放射を主体とする高圧放電ランプに関する。

一般に、高圧放電ランプの電極にはタングステンなどの高融点金属が用いられ、前記電極に主に金属酸化物からなる電子放射性物質（以下、エミッターという）を塗布することで、良好な始動性が得られると共に、点灯中の電極材料のスパッタリングによる発光管内壁の黒化が抑制され、高い放射照度維持率が達成されることは既によく知られている。

また、前記電極の構造は、一般的には、電極芯棒と電極コイルとから構成され、電極コイル部は、電極芯棒に対して２層の巻き付け構造が取られ、内側コイルは空隙を有する“とばし巻き”で形成され、外側コイルは“密巻き”で形成され、内側コイルの前記空隙にはエミッターが保持されている。このエミッターとしては、多くの場合、仕事関数の低い、バリウム、カルシウムを含むタングステン酸化合物（Ｂａ_２ＣａＷＯ_６、以下、タングステートという）、あるいは酸化イットリウムや酸化スカンジウムなどの高融点金属酸化物が用いられている。

ところで、紫外線放射を主体とする高圧放電ランプは、半導体や印刷分野などの産業用用途に用いられているが、近年、被処理物の大型化や処理スピードの高速化などが進む中で、高負荷・大電力のランプが求められてきており、ランプ電力の増大に伴なって電極に流れる電流も高くなってきている。そこで、エミッターにタングステートを使用したランプの場合、点灯時の電極の先端温度、すなわち動作温度、がタングステートの融点を超えるような高温となるため、短時間のうちにタングステートが電極の空隙から消失・飛散してしまい、その結果、ランプが始動不良となるばかりでなく、タングステート自体が発光管内壁に付着するために、紫外線照度の低下を引き起こし、短寿命の原因となるという問題があった。

一方、金属ハロゲン化物を発光物質として発光管内に封入した、いわゆるメタルハライドランプにおいては、タングステートに含まれるバリウムやカルシウムといったアルカリ土類金属が封入されたハロゲン化物と反応してしまうので、エミッターとして、タングステートの代わりに、高融点でかつ比較的仕事関数の低い金属酸化物、例えば酸化イットリウムや酸化スカンジウムなどを使用したランプが広く用いられている（特許文献１参照）。

しかしながら、酸化イットリウムや酸化スカンジウムは、融点が２５００〜２７００℃であり、前述のような高温による空隙からの飛散という問題は起こりにくいものの、高融点であるが故に、多孔質状態で電極コイル空隙に保持されることになるため、製造プロセスの中で不純ガスを吸着する要因となり、結果として安定したランプ特性が得られないという問題がある。このような問題を解決するためには、エミッターを塗布した電極をエミッターの融点以上の高温になるよう加熱し、空隙の少ない緻密な焼結体を形成させる必要があるが、そのような環境を実現するためには高価な焼成炉が必要になるという難点があり、更には加熱の際に電極を構成するタングステンの再結晶化が促進されるため、電極の脆化、すなわち強度低下が引き起こされる危険性がある。
特開平７−１５３４２１号公報

本発明は、上記の問題点を解決するために創出されたものであり、早期にエミッターが飛散することを抑制し、従って長時間にわたって高い紫外線照度が維持される高圧放電ランプを簡便な方法で提供することを課題とする。

上記の問題点を解決するために、本発明は次の構成とする。すなわち、請求項１に記載の高圧放電ランプは、石英ガラス製発光管の内部に金属添加物と不活性ガスを封入し、前記発光管の両端にタングステンを主体とする電極を封着してなる高圧放電ランプにおいて、前記電極は電極芯棒と電極コイルとから構成され、前記電極コイル表面に、酸化イットリウムと酸化アルミニウムとから構成される二元系複合酸化物より成り、前記二元系複合酸化物全体に占める酸化イットリウムのモル百分率が６０％以上かつ９０％以下に選定された電子放射性物質が、その融点温度に加熱されることで溶融され固着されることを特徴とする。

請求項２に記載の高圧放電ランプは、請求項１に記載の高圧放電ランプにおいて、前記電極芯棒に流れる単位断面積当たりの電流が１．０Ａ／ｍｍ^２以上かつ１０Ａ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする。

請求項１に記載の高圧放電ランプは、電極コイルに固着されるエミッターとして、酸化イットリウムのモル百分率が前記範囲内にある、酸化イットリウムと酸化アルミニウムからなる二元系複合酸化物を用いているので、通常用いられる電気炉で実現可能な温度で溶融することが可能であり、また、当該のエミッターをその融点温度に加熱することで溶融して固着させるので、不純ガス吸着の要因となる多孔質状態が内部に形成されない一様な固相状態で電極コイル上に固着させることができ、また電極の脆化も起こらず、従って長時間にわたって安定した特性が維持されるという効果を発揮する。

請求項２に記載の高圧放電ランプは、電極芯棒に流れる単位断面積当たりの電流が前記範囲内に制限されているので、電極コイル部分の温度をエミッターの融点未満に抑えることができ、寿命中のエミッターの消耗が少なく、長時間にわたって高い紫外線照度維持率が保たれるという効果を発揮する。

以下、本発明の作用及び最良の実施形態を、図表を用いながら例を挙げて説明する。
主な金属酸化物の仕事関数と融点を表１に示す。酸化イットリウムは、酸化バリウムや酸化カルシウムなどといったアルカリ土類金属酸化物に次いで仕事関数が低い、すなわち電子放射性が高い酸化物であるが、融点が約２７００℃と非常に高いという性質を持つ。

この酸化イットリウムに酸化アルミニウムを添加した二元系複合酸化物は、それぞれの金属酸化物のモル百分率によって３種類の結晶構造、すなわち、３Ａｌ_２Ｏ_３・５Ｙ_２Ｏ_３（ガーネット構造）、Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３（ペロブスカイト構造）、及び２Ｙ_２Ｏ_３・Ａｌ_２Ｏ_３（単斜晶構造）を取ることが知られている。図４の状態図に示されているように、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３二元系複合酸化物の融点は、酸化アルミニウムの添加量によって、およそ１８００℃から２４００℃までの範囲で任意に調整することが可能である。更には、この二元系複合酸化物全体に占める酸化イットリウムのモル百分率を６０％以上から９０％以下とした場合、その融点は１８５０℃から２２００℃程度となり、一般的な真空加熱炉や高周波誘導加熱装置において昇温可能な温度領域となる。

そこで、本発明では、酸化イットリウムの高い電子放射特性を生かすと共に、エミッターの融点を電極コイル上への固着作業が容易な温度へ低減させるために、酸化イットリウムに酸化アルミニウムを添加すると共に、全体に占める酸化イットリウムのモル百分率が６０％以上かつ９０％以下（図４で斜線で示す領域）であるＡｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３二元系複合酸化物をエミッターとして使用する。

前記モル百分率が６０％より小さい場合には、エミッターとしての機能を担う酸化イットリウムの量が少なくなるため電子放射性を改善する効果が低下し、また、融点の低い酸化アルミニウムが相対的に多く含まれることになるため、寿命中に酸化アルミニウムがスパッタすることにより照度低下が引き起こされるという弊害を招き、好ましくない。一方、前記モル百分率が９０％より大きくなると、図４にも示されているように、二元系複合酸化物の融点が顕著に増加するため、より高温での加熱が必要となり、更には僅かな組成比率の変動が融点を大きく変化させる領域であり、製造プロセスにおける種々の要素のバラツキを考慮した場合、特性の安定性の確保という点では劣るので、大量生産には適さない。

次に、本発明では、電極芯棒に流れる単位断面積当たりの電流（電流密度）は、１．０Ａ／ｍｍ^２以上かつ１０Ａ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。電流密度が１０Ａ／ｍｍ^２を超えるような大電流が電極芯棒に流れると、電極の先端温度のみならず、エミッターを担持している電極コイル部分の温度も非常に高温になり、エミッターの融点を超えるほど高くなるので、寿命中のエミッターの消耗が顕著になり、長時間にわたって高い紫外線照度維持率を得ることが困難になる。なお、電流密度は、１．０Ａ／ｍｍ^２未満になると、大電流が流れる場合とは反対に、電極温度が上がらず、エミッターの拡散、すなわち電極先端へのエミッターの供給が阻害される為、電極を構成する材料であるタングステンのスパッタリングが引き起こされ、やはり同様に長時間にわたって高い紫外線照度維持率を得ることが困難になるので、好ましくない。

本発明の実施例について説明する。図３は、下記に説明する過程を経て作製された電極１が組み込まれた本発明の実施例の高圧放電ランプの外観形状を示す図である。なお、本発明は、ランプの形態については、図３に示したものに限定される訳ではなく、様々な形態、例えば発光管が概略球状のショートアークタイプのランプ等にも応用が可能である。

図１、図２は、本発明に係る高圧放電ランプの電極コイルへのエミッターの固着過程を説明するための図であって、電極部の概略断面図で示したものである。電極１は、タングステン製電極芯棒２の外周に接して、粗に巻回した内巻きコイル３ａと密に巻回した外巻きコイル３ｂから構成されるタングステン製単コイル３が配設されている。前記二元系複合酸化物エミッターを電極コイル上に固着するには、まず、粉末状の酸化イットリウムと酸化アルミニウムを、酸化イットリウムの酸化アルミニウムに対するモル百分率が６０％以上かつ９０％以下となるように混合し、水、あるいは有機溶媒などのバインダーを加えた後に、十分に攪拌して懸濁液とし、真空含浸機によって前記懸濁液を電極コイル内に含浸させる。こうして、図１に示すように、内巻きコイル３ａと外巻きコイル３ｂとで囲まれた空隙にエミッター懸濁液４が導入される。その後、この電極を乾燥させ、窒素雰囲気中で高周波加熱装置を用いて１８００℃〜２０００℃程度に加熱することでエミッターを溶融し、電極芯棒およびコイルを構成するタングステン表面にエミッターを均一に固着させる。図２は、電極芯棒２および内巻きコイル３ａ、外巻きコイル３ｂの表面にエミッター５が固着された様子を示している。

次に、こうして作製した高圧放電ランプの諸特性に関する実験結果について説明する。表２は、上記の方法で作製した電極を組み込んだ、発光長が６０ｍｍ、定格電力が４００Ｗの高圧水銀ランプについて、点滅試験（点灯４．７５時間、消灯０．２５時間のサイクル）を実施し、５００時間点灯させた後に測定した紫外線照度維持率を示したものであり、前記エミッターを構成する二元系複合酸化物における酸化イットリウムのモル百分率を６０％、８０％、９０％（酸化イットリウムと酸化アルミニウムの相対モル比率を６：４、８：２、９：１）の３通りに変化させた実験を行った（実施例Ａ〜実施例Ｃ）。電極芯棒に流れる単位断面積当たりの電流は、いずれの場合も２〜３Ａ／ｍｍ^２であった。

その結果、酸化イットリウムのモル百分率が６０％、８０％、９０％の場合で、それぞれ８６％、８７％、９４％であった。これに対して、従来のタングステートをエミッターとして用いた電極を組み込んだ同じ構造の高圧水銀ランプの場合は、同様に試験を実施した結果、紫外線照度維持率は７１％であり、本発明の実施により大幅な動程の改善が実現されたことが示された。

なお、上記試験で５００時間点灯時点におけるランプの外観を観察すると、従来のタングステートを電極とするランプの場合は、発光管両端の内表面にバリウム、カルシウム、およびタングステンの付着によると見られる黒化が認められ、更には発光管の発光領域の内表面にも、バリウムやカルシウムの飛散によりこれらのアルカリ金属の酸化物が核となり促進されたガラスの結晶化に伴なう失透が生じているのが確認された。これに対して、酸化イットリウム−酸化アルミニウム複合酸化物をエミッターに用いた電極を組み込んだ本発明のランプの場合は、電極周囲の発光管内表面に少量のアルミニウムが付着していたにとどまっていた。

本発明は、半導体や印刷分野などの産業用用途に用いられる、高負荷、大電力の紫外線放射を主体とする高圧放電ランプに好適に利用可能である。

本発明に係る高圧放電ランプの電極の作製過程（エミッター材料の含浸）の説明のための図である。 本発明に係る高圧放電ランプの電極の作製過程（エミッターの固着）の説明のための図である。 本発明に係る高圧放電ランプの実施例の外観を示す略図である。 Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３二元系複合酸化物の状態図である。

符号の説明

１…電極
２…電極芯棒
３…単コイル、３ａ…内巻きコイル、３ｂ…外巻きコイル
４…エミッター懸濁液
５…電子放射性物質（エミッター）
６…発光管
７…封止部
８…口金

Claims (2)

1. 石英ガラス製発光管の内部に金属添加物と不活性ガスを封入し、前記発光管の両端にタングステンを主体とする電極を封着してなる高圧放電ランプにおいて、前記電極コイル表面に、酸化イットリウムと酸化アルミニウムとから構成される二元系複合酸化物より成り、前記二元系複合酸化物全体に占める酸化イットリウムのモル百分率が６０％以上かつ９０％以下に選定された電子放射性物質が、その融点温度に加熱されることで溶融され固着されることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記高圧放電ランプは、前記電極芯棒に流れる単位断面積当たりの電流が１．０Ａ／ｍｍ^２以上かつ１０Ａ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。

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