JP7134398B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、タングステンまたはタングステン合金からなる陰極を有する高圧放電ランプに関するものであり、特に、映写機の投影用光源や、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源あるいは分析用の光源に適用される高圧放電ランプに係る。

高圧放電ランプは、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光源として、デジタルシネマプロジェクターや露光装置、分析用の光源などに使用されている。

このような高圧放電ランプの一例として、デジタルプロジェクターに使用されるキセノンランプが特開２０１２－１５０９５１号公報（特許文献１）に開示されている。
図３に該従来の高圧放電ランプが示されており、高圧放電ランプの石英ガラス製の発光管１０は、中央に位置する略球状に形成された発光部１１と、その両端の封止管１２、１２を備える。発光部１１内の放電空間Ｓには、タングステン等の高融点材料からなる陰極２１と陽極３１とが互いに向き合うように対向配置されるとともに、その放電空間Ｓには発光物質としてキセノンが封入されている。
陰極２１および陽極３１には、それぞれ陰極芯線２２および陽極芯線３２が挿入されており、この陰極芯線２２および陽極芯線３２が封止管１２、１２の封止部１３、１３で封止されている。

図４に示すように、前記陰極２１には、そのテーパー部２１ａに炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）層４０が設けられていて、以下に詳述するように、点灯時に陰極２１の先端のアークと接する部分に炭素（Ｃ）を供給している。
なお、この図４の例では、テーパー部２１ａの先端部２１ｂは、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）層４０が形成されていないものが示されている。

図５には、高圧放電ランプの発光部内における一連の反応が模式的に示されている。
石英ガラスからなる発光部１１の内表面層に含まれるＯＨ基は、ランプ点灯中に例えば水（Ｈ_２Ｏ）として放電空間Ｓ内に放出される。この放出されたＨ_２Ｏが、発光部１１の陰極２１の表面に具備された炭化タングステン層４０の炭素または炭素化合物と主に陰極表面において反応し、一酸化炭素ガス（ＣＯ）を生成する。
このＣＯが、発光部１１の放電空間Ｓ内に気相状態で拡散することにより、その一部がアークＡの中に入る。このＣＯは、アークＡの中では高温のために分解されて、Ｃ＋イオンを生成する。生成されたＣ＋イオンはアークＡ中の電界によって陰極先端へ運ばれ、そこで陰極２１のタングステンＷと反応して、Ｗ_２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物を生成する。
陰極先端表面にタングステンの炭化物が生成されると、特にランプ始動時の高温によって、その炭化物が陰極先端面で溶融するため、当該陰極先端面が滑らかに維持されるとともに、陰極先端面における凹凸の形成が防止されて、放電が安定することになる。

ところで、このような高圧放電ランプ、特にデジタルプロジェクター用のキセノンショートアークランプにおいては、その陰極は高い動作圧力、陰極先端における高電流密度という、非常に厳しい環境下で使用されることがある。
このような環境下で点灯を続けると、やがて陰極先端が変形して凹凸が形成され、放電起点が移動（アークジャンプ）して、フリッカーが発生し始める。これは、点灯の経過に伴い、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）層４０の炭素Ｃが減少してしまい、図５に示される一連の反応が起こりにくくなるためである。
すなわち、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）層４０の炭素Ｃが減少することにより、発光部１１の放電空間Ｓにおける一酸化炭素ＣＯも減少し、アーク中のＣ＋イオンの量が減少する結果、陰極２１の先端で、Ｗ_２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物が生成されなくなる。そのため、陰極先端面に凹凸ができて、フリッカーの発生に至るものである。

特開２０１２－１５０９５１号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、タングステンまたはタングステン合金からなる陰極と、当該陰極の芯線挿入孔に挿入された芯線とからなる陰極体を備えた高圧放電ランプにおいて、ランプ点灯後、陰極の先端面に凹凸ができるのを長時間にわたって防止し、フリッカー現象の発生を長時間抑制した使用寿命の長い高圧放電ランプを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る高圧放電ランプは、前記陰極の放電空間に対して露出した表面(先端部を除く)、および、前記芯線挿入孔の内面に、炭化層を形成したことを特徴とする。
また、前記炭化層は、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）からなることを特徴とする。
また、前記炭化層の厚さが、２０～４０μｍであることを特徴とする。

この発明の高圧放電ランプによれば、陰極の放電空間に対して露出した表面に炭化層を形成することで、陰極先端部表面のみならず後端部表面からも炭素を拡散して、陰極表面におけるＣＯの生成を維持できる。
更には、前記芯線挿入孔の内面にも炭化層を形成したことで、点灯経過中に陰極の内部から表面に向かって炭素を拡散させることができ、これにより、陰極表面におけるＣＯの生成を持続させることができる。ＣＯの生成が持続することにより、発光部における一酸化炭素ＣＯも維持され、アーク中のＣ＋イオンの量も維持される。そして、陰極２の先端でＷ_２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物が生成されるため、結果として、陰極先端の凹凸の発生を防止することができ、フリッカー寿命が長期化することができる。

本発明の高圧放電ランプに用いる電極体の第１実施例の断面図。 本発明の陰極における炭素の挙動の説明図。 従来の高圧放電ランプの断面図。 従来の陰極の断面図。 従来の陰極の先端部分の炭素の挙動の説明図。

図１は、本発明の高圧放電ランプに用いる電極体の実施例の断面図であり、陰極体１は、タングステンまたはタングステン合金からなる陰極２と、その後端に穿設された芯線挿入孔３に挿入された芯線４とからなる。そして、陰極２の放電空間に露出した表面には、その先端部２ａを除いて炭化層５が形成されている。
タングステンは、タングステンの精錬過程で包含される程度の不純物を含んでいてもよい。また、タングステン合金は、タングステンＷと、酸化トリウムＴｈＯ_２またはセリウムＣｅ若しくはランタンＬａなどの希土類の酸化物との合金である。これらとタングステンの金属間化合物を含んでいてもよい。
陰極体１は、タングステンとタングステン合金とを接合して形成してもよい。
なお、炭化層５は陰極２の放電空間に露出した表面に形成するとしたが、本発明の効果を生じる限りにおいて、その一部に、炭化層を設けない部分や炭化層が薄い部分があってもよい。

この炭化層５として、炭化タングステンを利用する場合、炭化層に含まれる炭素Ｃ量は０．４４～０．５３ｇ／ｃｃが好ましい。
炭素Ｃ量が多いと、陰極表面におけるＣＯの生成が過剰となることで、陰極先端面ばかりか陽極先端面にも炭素Ｃが輸送されて、Ｗ_２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物が生成されてしまう。ランプ点灯中は、陰極先端面に比べて陽極先端面は高温になるため、陽極先端面の炭化物が蒸発して、放電容器内面の黒化が促進されてしまうという不具合が生じる
また逆に、炭素Ｃ量が少ないと、陰極表面におけるＣＯの生成が不足するため、早期に陰極先端が荒れて、アーク起点が移動し易くなり、フリッカーが発生する。

また、炭化層５の厚さは、２０～４０μｍが好ましい。
炭化層が厚すぎると、陰極表面におけるＣＯの生成が過剰となることで、陰極先端面ばかりか陽極先端面にも炭素Ｃが輸送されて、Ｗ_２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物が生成され、それらの炭化物が蒸発して、放電容器内面の黒化が促進されてしまう。
炭化層が薄すぎると、陰極表面におけるＣＯの生成が不足するため、早期に陰極先端が荒れて、フリッカーが発生する。

なお、この炭化層５は、陰極２の先端部２ａには形成しない。陰極２の母材であるトリタンの融点は３４２０℃であり、炭化層５を形成する物質はこれよりも融点が低い(例えば、炭化タングステンでは融点が約２８００℃)。このため、陰極２の先端部２ａまで炭化層５を形成すると、点灯時の先端部分２ａの炭化層５の溶融が過大になり、早期にフリッカー現象が発生するからである。
したがって、炭化層５は、これが溶融する温度となる位置、即ち先端部２ａには形成しない。具体的には、２～６ｋＷ程度のキセノンランプでは、先端から３～５ｍｍまでの範囲には、炭化層２を形成しない。

また、本発明では、陰極２の芯線挿入孔３の内面にも炭化層５が形成されている。
図２に示すように、点灯時間の経過に伴い陰極２の表面に形成された炭化層５中の炭素Ｃは消費されて減少していくが、芯線挿入孔３内面の炭化層５から炭素Ｃが、徐々に陰極２内部に拡散していく。
この芯線挿入孔３から電極内部に拡散した炭素Ｃは徐々に陰極表面に到達して、陰極表面におけるＣＯの生成に寄与するものである。
なお、この芯線挿入孔３の内面温度は、陰極表面の温度よりも低いので、当該芯線挿入孔３の炭化層５からの炭素の拡散は、陰極表面の炭化層５からの拡散に対して時間差をもって作用することから、陰極表面の炭化層５から炭素が消費され減少してしまう頃のタイミングで炭素が供給されるので、陰極表面の炭化層５における炭素の枯渇を抑制することができる。
また、本発明の効果を生じる限りにおいて、芯線挿入孔３の内面の一部に、前記炭化層を設けない部分や前記炭化層が薄い部分があってもよい。

このような炭化層５の形成方法としては、例えば、気相炭化法を利用することができる。気相炭化法とは、ベンゼンと水素の混合ガスを高周波加熱装置で加熱した陰極と反応させる方法である。
ベンゼンと水素の混合した処理ガスを、流速２Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で、反応チャンバーに流す。この反応チャンバー内で陰極を高周波加熱により、約１９００℃に昇温させ、５分間保持する。混合ガスを水素ガスに置換し、約１７００℃まで温度を下げ、この温度を５分維持する。この処理を複数回繰り返し、３０μｍ程度の炭化層を形成した陰極本体を得る。
これにより、陰極２の外表面および芯線挿入孔３の内面の全面に炭化層５が形成される。その後、陰極２の先端部２ａを切削加工して炭化層を除去する。

この発明の高圧放電ランプによれば、陰極の放電空間に対して露出した表面（先端部を除く）に炭化層を形成することで、陰極表面におけるＣＯの生成を維持できる。更には、前記芯線挿入孔の内面に、炭化層を形成したことで、点灯経過中に陰極の内部から表面へ向かって炭素を拡散させることができ、これにより、陰極表面におけるＣＯの生成を長期間、持続させることができる。

１ ：陰極体
２ ：陰極
２ａ：（陰極）先端部
３ ：芯線挿入孔
４ ：芯線
５ ：炭化層

Claims (2)

1. タングステンまたはタングステン合金からなる陰極と、当該陰極の芯線挿入孔に挿入された芯線とからなる陰極体を備えた高圧放電ランプにおいて、
   前記陰極の放電空間に対して露出した表面(先端部を除く)、および、前記芯線挿入孔の内面に、炭化層を形成し、
   前記炭化層は、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）からなるとともに、
   前記炭化層に含まれる炭素（Ｃ）量は、０．４４～０．５３ｇ／ｃｃである、
   ことを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記炭化層の厚さが、２０～４０μｍ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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