JP5556315B2 - 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し、特に、電子衝突を受ける前方側の領域をタングステンによって構成し、電子衝突を受けない後方側の領域をモリブデンによって構成してなる陽極を備えるショートアーク型放電ランプに関する。

図７は、例えば、定格消費電力が２ｋＷ以上の大容量のショートアーク型放電ランプ１の一例を示す図である。
同図に示すように、このショートアーク型放電ランプ１０１は、石英ガラス製からなる球状の発光部１０２と、発光部１０２の両端に形成された筒状の封止部１０３、１０４と、一端側が発光部１０２の内部空間に伸び、他端側が筒状の封止部１０３、１０４に包囲され気密に封止されたリード棒１０５、１０６と、リード棒１０５、１０６の一端に互いに対向するように設けられ、球状の発光部１０２に包囲されるように配置された陽極１０７及び陰極１０８と、封止部１０３、１０４の端部側に装着された給電用の口金１０９、１１０とで構成されている。

このようなショートアーク型放電ランプ１０１の陽極１０７は、高温における蒸気圧が小さい金属で構成し、しかも、陽極１０７の温度上昇を抑制するために熱容量の大きい比較的大型のものを用いる必要がある。従来においては、例えば、図８に示すように、全体がタングステンによって構成された陽極１０７が用いられている。このような陽極１０７を有するショートアーク型放電ランプは、陽極１０７が大型であり、しかも、これを構成するタングステンの比重が１９．２４と非常に大きいことから、陽極１０７の重量が大きくなり、十分な耐振性を得ることができないという問題点があった。

特許文献１には、上記の問題点について言及されており、同文献によれば、図９に示すように、作動時の温度が２０００℃を超えない領域をモリブデン１１１によって構成し、２０００℃を超える領域をタングステン１１２によって構成してなる陽極１１３を備えたショートアーク型放電ランプが開示されている。このショートアーク型放電ランプによれば、陽極１１３の低温域Ｌを、タングステン１１２の比重（１９．２４）の約半分の比重（１０．２８）を有するモリブデン１１１によって構成したので、陽極１１３の重量がタングステンのみを用いた場合に比して著しく軽量化されるため、優れた耐振性が得られ、発光部の破損を招くことがない、とされている。

特開昭６０−７９６５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の陽極１１３は、陽極１１３を軽量化することができる反面、ショートアーク型放電ランプの点灯時に、タングステン１１２によって構成された領域Ｈに縦割れを生じることが判明した。
図１０は、図９に示した陽極１１３において縦割れが発生する現象を説明するための図である。同図に示すような陽極１１３を用いたショートアーク型放電ランプの点灯時、モリブデン１１１の熱膨張係数（４．９×１０^−６ｍ／℃）は、タングステン１１２の熱膨張係数（４．３×１０^−６ｍ／℃ ）よりも大きいため、タングステン１１２によって構成されるキャップ状の高温域Ｈの膨張量に比べ、モリブデン１１１によって構成される低温域Ｌの膨張量が大きくなり、キャップ状のタングステン１１２に対してその内側のモリブデン１１１から多大な圧力を受け、その結果、キャップ状のタングステン１１２が破損する惧れがあった。

本発明者は、このような陽極１１３に発生する縦割れの問題を解消するために、図１１に示すように、柱状に構成されたタングステン１１５と柱状に構成されたモリブデン１１４とを、それぞれの端面が当接するように配置した状態で両者を溶着してなる陽極１１６を作製した。しかし、図１１に示す陽極１１６は、モリブデン１１４の熱膨張係数（４．９×１０^−６ｍ／℃）は、タングステン１１５の熱膨張係数（４．３×１０^−６ｍ／℃）よりも大きいため、ショートアーク型放電ランプの点灯時、柱状に構成されたタングステン１１５と柱状に構成されたモリブデン１１４との界面にせん断応力が発生し、両者の界面に割れが発生するという問題が生じた。

本発明の目的は、上記の種々の問題点に鑑み、電子衝突を受ける前方側の領域をタングステンによって構成し、電子衝突を受けない後方側の領域をモリブデンによって構成した陽極を有するショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯時において、陽極が破損することのないショートアーク型放電ランプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、発光管内部に陽極と陰極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極は、前記陰極と対向する側の頭部をタングステンで構成し、前記頭部に連続する胴部をモリブデンで構成し、前記陽極の長手方向断面での前記頭部と前記胴部との接合面に、該胴部の径方向中心に該頭部に向けて伸びる凸部が形成され、その径方向外方に該胴部に向けて伸びる凸部が形成され、更に、その径方向外方に該頭部に向けて伸びる凸部が形成され、径方向において、該頭部に形成された凸部が、該胴部に形成された凸部間に噛合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である。
第２の手段は、第１の手段において、前記頭部と前記胴部の接合面は溶着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である。
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記環状の突起は、同心円状に並ぶ複数の環状突起であることを特徴とするショートアーク型放電ランプである。

本発明によれば、陽極の頭部と胴部との接合面における頭部側の接合面に環状又は複数の突起を形成し、胴部側の接合面は前記突起を囲むように構成されているので、胴部のモリブデン領域間に噛合される頭部のタングステン領域、あるいは、頭部のタングステンの領域間に噛合される胴部のモリブデン領域に作用する熱応力が緩和されるため、陽極の破損を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す図である。 図１に示したショートアーク型放電ランプの陽極の長手方向断面図である。 図２に示した陽極のモリブデンの凸部における膨張量を説明するための図である。 本発明に係る陽極の作製方法を説明するための図である。 タングステンからなる頭部に形成する突起形状の種々のバリエーションを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るショートアーク型放電ランプの陽極の長手方向断面図である。 従来技術に係るショートアーク型放電ランプの一例を示す断面図である。 従来技術に係るショートアーク型放電ランプの陽極の構成を示す断面図である。 従来技術に係るショートアーク型放電ランプの陽極の構成を示す断面図である。 図９に示した陽極において縦割れが発生する現象を説明するための図である。 陽極の縦割れの発生を解消するために試作されたショートアーク型放電ランプの陽極の構成を示す断面図である。

本発明の第１の実施形態を図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す図である。
同図に示すように、ショートアーク型放電ランプ１は、発光部２と封止部３、４からなる発光管を備え、石英ガラス製からなる球状の発光部２と、発光部２の両端に形成された筒状の封止部３、４と、一端側が発光部２の内部空間に伸び、他端側が筒状の封止部３、４に包囲され気密に封止されたリード棒５、６と、リード棒５、６の一端に互いに対向するように設けられ、球状の発光部２に包囲されるように配置された陽極７及び陰極８と、封止部３、４の端部側に装着された給電用の口金９、１０とで構成されている。発光部２の放電空間Ｓには、陽極７と陰極８とが陽極中心軸Ｌ上に対向して配置されると共に、発光物質が封入されている。発光物質としては、室温で１×１０^４Ｐａ以上のキセノンガス、アルゴンガス及びクリプトンガスの少なくとも１種以上と、１ｍｇ／ｃｍ^３以上の水銀が封入されている。なお、発光物質として、これらの希ガス及び水銀のうち、いずれか一方のみが封入するようにしても良い。

このショートアーク型放電ランプ１は、陽極７と陰極８との電極間距離は、例えば、３〜４０ｍｍであり、陽極７及び陰極８の何れかを上方側に配置して垂直な姿勢で点灯する。このショートアーク型放電ランプ１に供給されるランプ電力は、例えば、２ｋＷ以上であり、陽極７と陰極８間に電圧が印加されることによって電極間にアークが形成され、アークから、例えば、波長３６５ｎｍの紫外光が放射される。

図２は、図１に示したショートアーク型放電ランプ１の陽極７の長手方向断面図である。
同図に示すように、この陽極７は、前方側が陰極８に向うに従って外径が徐々に縮小する円錐台形状に形成され、それに続く後方側が円柱状に形成された頭部７１を有し、頭部７１の後方側には円柱状の胴部７２が一体的に形成されている。頭部７１は陰極８から放出される電子の衝突を受ける箇所である。電子衝突を受ける頭部７１はタングステンによって構成し、電子衝突を受けない胴部７２はモリブデンによって構成し、頭部７１と胴部７２とが相互に噛合した状態が得られるように溶着されることによって形成されている。

同図に示すように、タングステンによって構成された頭部７１には、モリブデンによって構成された胴部７２内に向けて凸状に伸びる凸部７１１、７１２が形成され、モリブデンによって構成された胴部７２には、タングステンによって構成された頭部７１に向けて凸状に伸びる凸部７２１、７２２、７２３が形成されている。つまり、この例では、陽極７の径方向中心においてモリブデンの凸部７２２が形成され、その径方向外方にタングステンの凸部７１１、７１２が形成され、その径方向外方に、モリブデンの凸部７２１、７２３が形成されている。その結果、タングステンからなる頭部７１の凸部７１１、７１２と、モリブデンからなる胴部７２の凸部７２１、７２２、７２３とが相互に噛合された状態になる。

ここで、図２を用いて、陽極７の径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２と径方向において最外に位置するモリブデンの凸部７２１、７２３の温度について、シミュレーションによる陽極内部の温度分布について説明する。
このシミュレーションに適用した陽極７の寸法は、先端径φ８、胴部径φ２５、先端角１２０°、入力電流６０Ａであり、電極先端部に電子衝突による熱とアークからの輻射熱が入り、電極内部に伝導により伝わり、胴部表面から放射と対流により熱が電極外に移動するモデルとした。ここで、径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２は点Ａ、径方向外方に位置するモリブデンの凸部７２１、７２３は点Ｂに対応する。
このシミュレーションによれば、ショートアーク型放電ランプの点灯時において、陽極７の径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２の点Ａの温度は１８７０℃という高温になった。一方、陽極７の径方向において最外に位置するモリブデンの凸部７２１、７２３の点Ｂの温度は、凸部７２２よりも比較的低温となり、１７７０℃になった。

図３は、図２に示した陽極７のモリブデンの凸部７２１、７２２、７２３における膨張量を説明するための図である。
一般に、物体の熱膨張量は、物体固有の熱膨張係数に依存しており、物体の温度が高温になるほど大きい。先のシミュレーションの結果からも明らかなように、陽極７の径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２は径方向外方に位置するモリブデンの凸部７２１、７２３より高温となるため膨張量が大きく、一方、モリブデンの凸部７２１、７２３は凸部７２２より低温となるため膨張量が比較的小さくなる。

つまり、図３に示すように、モリブデンの凸部７２２は、ショートアーク型放電ランプ１の点灯時、陽極７の径方向中心に位置するために高温となり、径方向に大きく膨張しようとし、モリブデンの凸部７２１、７２２、７２３間に噛合されたタングステンの凸部７１１、７１２に対して陽極７の径方向外方に向けて押し広げる力Ｘが作用する。一方、モリブデンの凸部７２２の径方向外方には比較的低温のモリブデンの凸部７２１、７２３が位置しており、モリブデンの凸部７２１、７２３からは、モリブデンの凸部間に噛合されているタングステンの凸部７１１、７１２に対して陽極７の径方向中心に押す力Ｙが作用する。その結果として、陽極７の径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２が膨張するときに陽極７の径方向外方に向けて作用する熱応力Ｘが、その径方向外方に位置するモリブデンの凸部７２１、７２３から発生した陽極径方向中心に向けて作用する熱応力Ｙによって相殺され、モリブデンの凸部７２１、７２２、７２３間に噛合されているタングステンの凸部７１１、７１２が、モリブデンの凸部７２２から受ける熱応力を緩和し、タングステンの凸部７１１、７１２が破損する惧れを低減することができる。

図４は、上記の知見に基づく陽極７の作製方法を説明するための図であり、図４（ａ）は、陽極７の頭部７１と胴部７２の接合前の状態を示す斜視図、図４（ｂ）は、陽極７の頭部７１と胴部７２の接合後であって胴部７２の一部を切り欠いた状態を示す斜視図、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の頭部７１の一部Ｃを拡大して示した断面図である。
図４（ａ）に示すように、タングステンによって構成される頭部７１には、複数の円環状の突起７１ａ、７１ｂ、７１ｃが間隔を隔てて同心円状となるように形成されている。一方、胴部７２には、頭部７１に接合される端面は平坦面とされており突起は形成されていない。図４（ｂ）に示すように、陽極７は、タングステンによって構成される頭部７１とモリブデンによって構成される胴部７２とを溶着することによって形成される。なお、図４（ａ）、（ｂ）とは反対に、頭部７１において胴部７２に溶着する部位を平坦面とし、胴部７２に突起を形成することもできる。

図４に示した陽極７の具体的作製条件は以下のとおりである。
タングステンからなる頭部７１は、直径φ２５ｍｍ、長さ１０ｍｍのものを使用し、モリブデンからなる胴部７２は、直径φ２５ｍｍ、長さ４０ｍｍのものを使用した。頭部７１は、胴部７２との接合用の面において、以下の複数の円環状の突起７１ａ、７１ｂ、７１ｃを有する。突起７１ａの頂点位置は、直径φ２２、高さ０．５ｍｍ、頂角４０°、突起７１ｂの頂点位置は、直径φ１８、高さ０．５ｍｍ、頂角４０°、突起７１ｃの頂点位置は直径φ１２、高さ０．５ｍｍ、頂角４０°である。モリブデンからなる胴部７２の、タングステンからなる頭部７１との接合面は平面である。

頭部７１と胴部７２との接合はプラズマ接合法により行った。接合条件は、タングステンからなる頭部７１とモリブデンからなる胴部７２との接合面を対向配置し、その両端から７０００Ｎの圧力を加えた。電極の周囲は真空雰囲気とし、３０秒間のパルス通電の後、約２分間（全長が約０．７ｍｍ縮む時間）の直流通電を行った。電流値は約４０００Ａ（接合部温度が約２０００℃になる電流）とした。この方法で製作した電極の接合部付近の縦断面形状は、図４（ｃ）に示すように、タングステンの突起７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’は高さ約０．１ｍｍ、裾野の幅約１ｍｍのなだらかな形状となった。また、突起７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’の周囲はモリブデンで覆われた。

図５（ａ）〜図５（ｅ）は、タングステンからなる頭部７１に形成する突起の形状の種々のバリエーションを示す図である。
突起は、図５（ａ）のような真円の円環状のものに限らず、図５（ｂ）や図５（ｃ）に示すように、円環の一部に切り込みを有するものであっても良いし、また、図５（ｄ）や図５（ｅ）のように複数の棒状のものでも良い。

次に、本発明の第２の実施形態を図６を用いて説明する。
図６は、図１に示したショートアーク型放電ランプ１の陽極７の長手方向断面図である。
同図に示すように、タングステンによって構成された頭部７１には、モリブデンによって構成された胴部７２に向けて凸状に伸びる凸部７１１、７１２，７１３、７１４、７１５が形成され、モリブデンによって構成された胴部７２には、タングステンによって構成された頭部７１に向けて凸状に伸びる凸部７２１、７２２、７２３、７２４が形成されている。同図に示す陽極７の例では、陽極７の径方向中心においてタングステンの凸部７１３が形成され、その径方向外方にモリブデンの凸部７２２、７２３が形成され、その径方向外方に、タングステンの凸部７１２、７１４が形成され、その径方向外方にモリブデンの凸部７２１、７２４が形成され、その径方向外方に、タングステンの凸部７１１、７１５が形成されている。同図に示す断面では、これらタングステンからなる頭部７１の凸部７１１、７１２，７１３、７１４、７１５と、モリブデンからなる胴部７２の凸部７２１、７２２、７２３、７２４とが相互に噛合された状態になっている。

同図において、例えば、陽極７の径方向中心に位置するために高温となるモリブデンの凸部７２２，７２３は、ショートアーク型放電ランプの点灯時において径方向に大きく膨張しようとし、モリブデンの凸部７２１，７２２間および凸部７２３，７２４間にそれぞれ噛合されたタングステンの凸部７１２，７１４に対して、陽極径方向外方に向けて押し広げる力Ｘが作用する。
一方、モリブデンの凸部７２２，７２３の径方向外方には比較的低温のモリブデンの凸部７２１，７２４が位置しており、モリブデンの凸部７２１，７２４からは、タングステンの凸部７１２，７１４のそれぞれに対して、陽極径方向中心に押す力Ｙが作用する。
その結果として、陽極７の径方向中心に位置するモリブデンの凸部７２２，７２３が膨張するときに、陽極径方向外方に向けて作用する熱応力Ｘが、その径方向外方に位置するモリブデンの凸部７２１，７２４から発生した陽極径方向中心に向けて作用する熱応力Ｙによって相殺される。したがって、モリブデンの凸部７２１，７２２間および凸部７２３，７２４間にそれぞれ噛合されたタングステンの凸部７１２，７１４が、モリブデンの凸部７２２，７２３からそれぞれ受ける熱応力が緩和されるため、タングステンの凸部７１２，７１４が破損する惧れを低減することができる。
さらに、タングステンの凸部７１１，７１２，７１３，７１４，７１５間にそれぞれ噛合されたモリブデンの凸部７２１，７２２，７２３，７２４についても、上記と同様の理由により、陽極径方向中心に位置するタングステンの凸部７１２，７１３，７１４からそれぞれ受ける熱応力が緩和されるため、モリブデンの凸部７２１，７２２，７２３，７２４が破損する惧れを低減することができる。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 発光部
３、４ 封止部
５、６ リード棒
７ 陽極
７１ 頭部
７１１、７１２、７１３、７１４、７１５ 凸部
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 突起
７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’ 突起
７２ 胴部
７２１、７２２、７２３、７２４ 凸部
８ 陰極
９、１０ 口金

Claims (3)

1. 発光管内部に陽極と陰極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陽極は、前記陰極と対向する側の頭部をタングステンで構成し、前記頭部に連続する胴部をモリブデンで構成し、
   前記陽極の長手方向断面での前記頭部と前記胴部との接合面に、該胴部の径方向中心に該頭部に向けて伸びる凸部が形成され、その径方向外方に該胴部に向けて伸びる凸部が形成され、更に、その径方向外方に該頭部に向けて伸びる凸部が形成され、
   径方向において、該頭部に形成された凸部が、該胴部に形成された凸部間に噛合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. 前記頭部と前記胴部の接合面は溶着されていること
   を特徴とする請求項１記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記環状の突起は、同心円状に並ぶ複数の環状突起であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載のショートアーク型放電ランプ。