JP5704301B2 - 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、陰極に易電子放射性材料を含有させ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、陰極に易電子放射性材料を設けて、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（特表２００９−５３７９６１号公報）にかかる従来のショートアーク型放電ランプの陰極構造が開示されている。
図５にこの従来技術が示されていて、図５（Ａ）はショートアーク型放電ランプの全体図、図５（Ｂ）はその陰極構造を示す。
図５（Ａ）に示されるように、ショートアーク型放電ランプ１０の発光管１１内には、タングステンからなる陽極１２と陰極１３とが対向配置されている。前記発光管１１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１０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５（Ｂ）に示されていて、陰極１３は、純度の高いタングステンからなる陰極本体部１４と、この本体部の中心に埋設された易電子放射性材料（以下、「エミッター材」ということもある）を含有させた材料からなる先端部１５とからなる。この易電子放射性材料としては、酸化トリウムや酸化ランタンなどが知られている。
前記先端部１５は、陰極１３の先端において露出していて、ランプ点灯時には、その露出面１５ａにエミッター材が存在することで仕事関数を下げ、電子放出特性が良好となることを期待しているものである。

ところで、このような陰極構造を有する放電ランプにおいては、ランプ点灯後に、発光管内壁に白濁が生じることがあり、点灯時間が経過するに伴ってその白濁の量が増加し、この白濁によって光が遮光されることで、点灯初期の照度を基準とした照度維持率が低下するという問題があることが判明した。
本発明者等は鋭意検討の結果、このような問題は、プラズマ放電の領域（アークの領域及びフレアの領域）と易電子放射性材料を含有させた材料との関係で生じるものであることを発見した。
まず、プラズマ放電（アークの領域及びフレアの領域）の領域を決める主要因について説明し、このプラズマ放電（アークの領域及びフレアの領域）の領域と易電子放射性材料とに起因する白濁が生じる理由を説明する。

プラズマ放電の領域は、発光管内の気体が高温になる範囲によって決定する。この気体が高温にある範囲は、ランプへの入力電流によって生じた気体のジュール熱（加熱）と、熱放射・熱伝導・気体の対流などエネルギー損失（冷却）とのつりあいによって決まる。このつりあいは、気体の種類・圧力・放電電流などが主な要因となる。
例えば、気体の圧力が高いほど、プラズマ放電中の気体の密度が高くなり、気体の密度が高くなると熱の放射もその分高くなり、プラズマの範囲は狭くなる。また、放電電流が大きいほどジュール熱の発生が増え、高温の範囲、すなわちプラズマの範囲が広がる。

しかして、このような陰極構造を持つランプにおいては、エミッター材を含有する先端部は、上記プラズマ放電との関係において厳密な意味で考慮されて決定されているわけではなく、図６に示すように、先端部１５の露出面１５ａの一部にプラズマ１７が掛かっているように設定されているのが一般的である。
このように、プラズマ放電１７の領域が、易電子放射性材料を含む部材１５の露出表面１５ａの一部だけを覆い、一部覆われない部分があると、発光管１１の内壁に白濁が生じることがある。

このような白濁が生じる理由を、エミッター材として酸化トリウムを用いた例で説明すると次のとおりである。
ランプ点灯時には、一対の電極１２、１３間ではプラズマ放電１７が生じ、プラズマ放電による熱を受けたトリウム（Ｔｈ）が蒸発する。
このとき、プラズマ放電１７を受けている面１６ａで蒸発したトリウムは、該プラズマ放電１７中に蒸発するが、プラズマ放電１７を受けていない面１６ｂで蒸発したトリウムは、プラズマ放電外に蒸発する。
プラズマ放電中に蒸発したトリウムは、プラズマ放電による電界を受けてトリウムイオン（Ｔｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とにわかれ、トリウムイオンは陽イオンであることから陰極２３に向かって戻っていく。
一方、プラズマ放電外に蒸発したトリウムは、プラズマ放電１７による電界を受けることがないので、電離してトリウムイオンになることができず、そのままトリウムとして発光管１１内を滞留し、発光管内壁１１ａに付着したときに、該発光管１１を構成する石英ガラス（ＳｉＯ_２）と反応して白濁が生じる。
そして、点灯時間が経過するに伴って、白濁の量や領域が増加し、光を遮光してしまい、照度維持率の低下を招くという問題があった。

特表２００９−５３７９６１号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、易電子放射性材料を含有させた先端部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、前記陰極の先端部から蒸発する易電子放射性材料を電極間に生じるプラズマによって電離して再び陰極先端部に戻すようにし、該易電子放射性材料が発光管内壁に付着することを回避して、その白濁を防止する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、易電子放射性材料を含有させた材料からなる先端部と、からなるショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極の先端部は、その露出面の全てが放電ランプの定常点灯時に生成されるプラズマに覆われる領域内に存在することを特徴とする。

本発明によれば、酸化トリウムや酸化ランタンなどの易電子放射性材料が含有された陰極先端部の先端露出面のすべてを、電極間に生じるプラズマ放電の領域内に位置させるようにしたことによって、該先端部から気化蒸発した易電子放射性材料は前記プラズマ放電によって電離し、易電子放射性材料イオンと電子とに分かれ、陽イオンである易電子放射性材料イオンが陰極先端部に再び戻っていくので、気化した易電子放射性材料がそのまま発光管内壁に付着することが防止される。
これにより、発光管の白濁が防止され、照度維持率の高いショートアーク型放電ランプを実現できるものである。

本発明に係る放電ランプの全体図 図１の部分拡大断面図。 電極間で生じるプラズマ放電を示す説明図。 陰極構造の拡大断面図。 （Ａ）従来の放電ランプの全体図、（Ｂ）その陰極構造。 従来の陰極の作用説明図。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプの全体図を示し、発光管内に一対の陽極２と陰極３とが配置され、陰極３は、後に詳述するように、易電子放射性材料を含有した先端部５を有していて、その先端露出面の全てが電極間のプラズマ７内に位置するようにされている。
図２にその詳細が示されていて、前記陰極３は、純度の高い（例えば、タングステン含有率９９．９重量％以上の）タングステンからなる陰極本体部４と、この本体部４の中心に埋設された易電子放射性材料を含有させた材料からなる先端部５とからなる。
前記先端部５は、陰極３の先端において露出していて、ランプ点灯時には、その露出面５ａからエミッター材が蒸発して電子放出特性が良好となるものである。
この先端部５を構成する材料は、タングステン材料中にエミッター材として酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有させたものや、あるいは、ランタン（Ｌａ）の金属酸化物とタングステンの液相化を抑制するジルコニウム（Ｚｒ）の金属酸化物とを含有させたものである。
なお、陰極３の先端は全体としてテーパー形状、即ち、円錐台形状を示しているが必ずしもこれに限られるわけではなく、全体が円弧状断面形状、いわゆる砲弾型形状であってもよい。

そして、前記先端部５の先端露出面５ａは、そのすべてがランプの定常点灯時に電極２、３間に生じるプラズマ放電７の領域内に位置されるように形成されている。即ち、先端露出面５ａは、すべてプラズマ放電７によって覆われている。
次に、前記プラズマ放電７の領域について説明する。
陽極２と陰極３の間にはプラズマ放電７が形成されており、このプラズマの温度が高い部分では、励起される発光物質の量が多く、発光強度が高くなっており、この部分はアークと呼ばれている。そして、このプラズマの中であって、前記アークの周りには、プラズマ温度の比較的低いフレアと呼ばれる領域が形成されている。このフレアでは励起される発光物質が比較的少なく、発光強度が低くなっている。発光強度を測定してフレアの領域を確認することにより、プラズマ領域を判別できる。このプラズマ領域の判別方法は後述する。

ランプ点灯時、陰極３の先端は非常に高温となるため、先端部５に含まれる易電子放射性材料であるトリウム（Ｔｈ）やランタン（Ｌａ）は気化してプラズマ７内部に進む。
このとき、図６で説明したように、蒸発したトリウムやランタンが電離してトリウムイオン（Ｔｈ^＋）やランタンイオン（Ｌａ^＋）となり、それ自体の極性により電界と同じ方向、すなわち陰極３方向に移動するため、再び陰極３の先端に戻ってくる。このような循環を繰り返すことができるので、トリウムやランタンはプラズマ中に蒸発しても陰極の先端に戻ることで、その損失が抑制される。
そして、本発明においては、易電子放射性材料を含有する先端部５の全てがプラズマ７に覆われているので、その蒸発した易電子放射性材料は殆ど全てがプラズマ７内に向かうので、プラズマ以外の発光管内部に向かうものは殆んどない。このため、蒸発したトリウムやランタンが発光管内壁に付着して生じる白濁を抑制することができる。

続いて、陰極の先端におけるプラズマ放電（アーク及びフレア）７が覆う領域について説明する。前記したように、プラズマの範囲は、気体が高温になる範囲で決まり、その高温になる範囲は、気体で生じたジュール熱と、熱放射・熱伝導・対流などによるエネルギー損失との釣り合いによって決まり、そのつり合いは、気体の種類・圧力・放電電流などが主な要因となって決まる。このようにプラズマ放電の範囲が決まり、そのプラズマ放電の範囲によって、陰極の先端におけるプラズマが覆う領域が決まる。先端部５は、陰極先端での露出面５ａの全てがこのプラズマ７に覆われるように設けられている。

次いで、プラズマ（アーク及びフレア）放電で覆う領域の検証方法を以下に説明する。
実際のプラズマで覆われる領域の大きさを測定する手法について説明する。
プラズマ（アーク及びフレア）は放電空間における輝点でもあり、他より明るく光量が大きい領域に存在するといえる。光学測定により陰極の先端の明暗を判断し、明部にプラズマが形成されているとして、プラズマの領域の大きさを測定する。
具体的には、以下の手順をとる。
まず、放電ランプの水平方向の放射光をレンズで結像させ、絞りや減光フィルターを用いてＣＣＤの取り込みに最適なサイズや光量に調節する。ここで適当なサイズとは、陽極及び陰極の先端が確認でき、プラズマ全体が取り込めるサイズである。また、適当な光量とは、ＣＣＤ取り込み後の画像データが２５６階調で数値化されたときに飽和しない程度である。なお、ＣＣＤの全面にはｉ線のバンドパスフィルター（３６５±１０ｎｍ）が取り付けられ、ＣＣＤに入射される波長は制限される。
本条件で測定したプラズマ像の画像データを図３に示す。この図３で示される最大輝度（アーク領域での最大輝度）を１００％としたときに、これに対する５％以上（フレアの領域）までの領域をプラズマ領域とみなす。このプラズマ（アーク及びフレア）が陰極の先端における領域を、プラズマに覆われる領域という。この条件で得られたプラズマに覆われる領域が、トリウムやランタンが蒸発すると電離して、電界により加速されて陰極の先端に戻るプラズマ領域となる。

上記陰極３の具体的な数値例を図４（Ａ）に示す。
また、上記数値例以外の数値例として以下に示す。
本体部：タングステン含有率９９．９重量％以上の純タングステン。
先端部：２重量％の酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有し、タングステン充填率
９５．５％のトリエーテッドタングステン。
ランプ入力：４ｋＷ
キセノン封入圧：１７ａｔｍ

また、陰極形状は上記に限られず、図４（Ｂ）に示すように、易電子放射性材料を含有する先端部５が、純タングステンからなる本体部４の先端に拡散接合された形状のものであってもよい。

上記実施例による陰極構造を有するランプについて実験した結果を示す。
本発明の陰極構造を有する４ｋＷキセノンショートアークランプと、図６で示すように易電子放射性材料を含有する先端部がプラズマで覆われない従来の陰極構造を有する同型ランプを垂直の姿勢で連続点灯し、照度計を用いて、水平方向の照度を測定した。そして、点灯初期の照度を１００としたときの相対値として照度維持率を測定した。なお、実験に用いたランプは、キセノン封入圧が１７ａｔｍで、不点灯時の電極間距離４．５ｍｍである。
照度維持率が５０％に低下する点灯時間を寿命時間として比較すると、図６の陰極の寿命時間が６００時間であったのに対して、本発明の陰極構造とすることによって寿命時間が６６０時間になり、約１０％改善された。

また、上記のように、易電子放射性材料を含有する先端部をプラズマ（アーク及びフレア）で覆う構造を提案しているが、これを有効に機能させるためには、プラズマがフリッカーなどによって揺れてしまうことのないようにすることが求められる。
そのためには、プラズマ（アーク及びフレア）を安定させるべく、先端部のタングステン充填率を９０％以上にすることが好ましく、さらには、易電子放射性材料部と純タングステン部とを拡散接合にて接合することが好ましい。「タングステン充填率」と「拡散接合」について、以下に説明する。

特に、入力電力値が１ｋＷ以上の放電ランプにおいては、前記白濁発生に加えて、高い熱負荷に耐えるという観点からも熱伝導率を高める必要がある。なお、厳密には先端部５には酸化トリウムも含むため、タングステンの熱伝導率だけではなく酸化トリウムの熱伝導率も考慮する必要があるが、酸化トリウムの熱伝導率は、タングステン単体の熱伝導率に比べて桁違いに小さいため、タングステン充填率をもって先端部５の熱伝導性の指標とすることができる。
本発明は、先端部５のタングステン充填率が９０％以上であることを特徴とするものであり、熱伝導率が高いことから「高熱伝導トリタン」とも称される。本発明は、陰極３における先端部５の比率（側面積での比率）だけではなく、先端部５のタングステン充填率まで規定することで、プラズマ安定性と長寿命性を達成できるものである。

ここで、タングステンの充填率Ｐは「Ｐ＝ａ（１−ｘ）／１９．３」で示される。先端部５を構成するトリタンの密度（ｇ／ｃｍ^３）をａ、酸化トリウムのトリタンに対する重量比をｘ、タングステンの密度（ｇ／ｃｍ^３）を１９．３としている。ａ（１−ｘ）は、トリタン１ｃｍ^３あたりに占めるタングステンの質量であり、それをタングステンの密度１９．３（ｇ／ｃｍ^３）によって除した充填率Ｐは、トリタンに占めるタングステンの体積の割合を意味する。上述のようにトリタンにおける熱伝導はほとんどタングステンによっているから、タングステンが占める体積の割合、すなわち充填率Ｐが大きいほど、トリタンの熱伝導性はよい。

次いで、図４（Ｂ）に示す先端部５の拡散接合について説明する。
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法をいう。
拡散接合では、加熱温度は２０００℃程度であり、溶融接合のようにタングステンの融点（約３４００℃）まで加熱する必要がないので、先端部５に含有する酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が還元されてしまうことが殆どない。また、本体部４や先端部５の組織を維持することができるため、陰極性能に悪影響を与えることもない。さらに、陰極３の組織が変わらないため、本体部４と先端部５の接合後も切削加工することができる。
なお、この拡散接合に関しては、両者の接合面が溶融していないことや、タングステンの結晶粒が成長して接合していることを確認することで判断できる。具体的には、本体部４と先端部５との接合面を顕微鏡などで拡大し、本体部４と先端部５との継ぎ目を越えて成長した結晶粒が存在していれば、両者は拡散接合されたものと判断することができる。

以上のように、本発明によれば、易電子放射性材料を含有する陰極先端部の全てを、ランプの定常点灯時に電極間に生成されるプラズマの領域内に存在させる構造としたので、先端部から蒸発する易電子放射性材料が、プラズマ領域内で電離してイオン化され、この易電子放射性材料イオンが陰極先端に再び戻されてくるので、蒸発した易電子放射性材料が発光管内壁に到達してこれに付着してしまうことがなく、発光管の白濁を有効に防止できるものである。
その結果、照度維持率の高い、長寿命のショートアーク型放電ランプが実現できるものである。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 陽極
３ 陰極
４ 陰極本体部
５ 陰極先端部
５ａ 先端露出面
７ プラズマ（放電）

Claims (1)

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、純タングステンからなる本体部と、易電子放射性材料として酸化トリウム（ＴｈＯ_２）のみを含有させたタングステンからなる先端部と、からなり、
   入力電力値が１ｋＷ以上であるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極の先端部は、先端部を構成する酸化トリウムを含有させたタングステンの密度をａ、酸化トリウムの、酸化トリウムを含有させたタングステンに対する重量比をｘとし、Ｐ＝ａ（１−ｘ）／１９．３で示されるタングステン充填率Ｐが９０％以上であり、その露出面の全てが放電ランプの定常点灯時に生成されるプラズマに覆われる領域内に存在することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   

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