WO2012121009A1 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

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WO2012121009A1
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tungsten
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emitter
discharge lamp
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清水　昭宏
池内　満
有本　智良
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ウシオ電機株式会社
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    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
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    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H01J61/0735—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode

Definitions

  • the present invention relates to a short arc type discharge lamp, and more particularly to a short arc type discharge lamp in which an emitter is provided at the tip of a cathode.
  • a short arc type discharge lamp has a short distance between electrodes and is close to a point light source, and thus is used as a light source of an exposure apparatus with high condensing efficiency when combined with an optical system.
  • a short arc type discharge lamp enclosing xenon is used as a visible light source in a projector or the like, and in recent years is also used as a light source for a digital cinema.
  • Such a short arc type discharge lamp is known in which an emitter material is provided on the cathode to enhance the electron emission characteristics.
  • thorium As an emitter material from the viewpoint of saving scarce resources, and there has been a demand for avoiding the use of such thorium.
  • the thorium is a radioactive material and its handling is restricted by legal regulations.
  • various discharge lamps having a structure in which thorium oxide is contained at the tip of the cathode have been developed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-33825 discloses a discharge lamp having a cathode structure in which an emitter material is contained only in the tip portion, and FIG. 3 shows a cathode structure described in Patent Document 1. Represents.
  • the cathode 10 includes a cathode main body portion 11 made of high-purity tungsten and an emitter portion 12 formed integrally therewith.
  • the emitter section 12 has a rare earth compound as an emitter material in tungsten.
  • the cathode 10 is produced by filling tungsten powder containing a rare earth compound and pure tungsten powder in a stacked state in a mold, and sintering the mold while pressing it. That is, the main body 11 and the emitter 12 are integrally sintered.
  • the emitter section 12 expects the emitter material to be transported to the tip of the cathode by diffusing the tungsten grain boundary. For this reason, excessive sintering must be avoided in the manufacturing process. This is because as the degree of sintering progresses, the crystal grains of tungsten become larger and the transport of the emitter material to the cathode tip is hindered.
  • the conventional short arc type discharge lamp is effective in terms of supplying the emitter material, the cathode contracts with the lapse of the lighting time, and thus the position of the cathode bright spot greatly changes. It was.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a short arc type discharge lamp in which the position of the cathode bright spot does not change as the lighting time elapses.
  • a short arc type discharge lamp has a cathode and an anode arranged opposite to each other inside a luminous tube, and the cathode is joined to a body portion made of tungsten and a tip of the body portion. It is characterized in that the porosity of the cathode main body portion is smaller than the porosity of the emitter portion.
  • the crystal grain size of tungsten in the main body part of the cathode is characterized by being larger than the crystal grain diameter of tungsten in the emitter part.
  • the shrinkage of the cathode with the lapse of lighting time can be reduced. Can do. Further, since the tungsten crystal grains constituting the main body portion of the cathode are larger than the tungsten crystal grains constituting the emitter portion, similarly, the shrinkage of the cathode with the passage of the lighting time can be reduced.
  • the retraction of the cathode tip position is reduced, the change in the position of the cathode bright spot can be reduced, and the lifetime in which the decrease in illuminance due to the decrease in the light collection efficiency when the lamp is combined with the optical system is suppressed
  • the effect is that a long lamp can be realized.
  • 1 shows a short arc discharge lamp according to the present invention.
  • 1 shows a cathode structure according to the present invention. The cathode structure of the conventional discharge lamp is shown.
  • FIG. 1 shows a short arc type discharge lamp of the present invention.
  • An anode 2 and a cathode 3 made of tungsten are disposed inside the arc tube 1 so as to face each other, and the anode 2 and the cathode 3 are respectively held by core rods.
  • a luminous substance such as mercury or xenon is sealed in the inner space of the luminous bulb 1.
  • the discharge lamp may be lit vertically or horizontally.
  • FIG. 2 shows an enlarged structure of the cathode 3.
  • the cathode 3 includes a main body portion 31 made of tungsten and an emitter portion 32 bonded to the tip thereof.
  • the bonding between the main body 31 and the emitter 32 is preferably diffusion bonding.
  • diffusion bonding refers to solid-phase bonding in which metals are superposed on each other and heated and pressed to a degree that does not cause plastic deformation in a solid-phase state below the melting point of the metal, thereby diffusing atoms on the bonding surface.
  • the heating temperature of diffusion bonding is about 2000 ° C., and it is not necessary to heat to the melting point of tungsten (about 3400 ° C.) as in the case of fusion bonding, so that the metal structure of the main body part and the emitter part can be maintained, There is no adverse effect on the cathode performance. Furthermore, since the metal structure of the cathode does not change, there is an advantage that cutting can be performed even after the main body portion 31 and the emitter portion 32 are joined.
  • the main body 31 is made of, for example, pure tungsten having a purity of 99.99% by weight or more, and the emitter 32 includes so-called triated oxide containing thorium oxide (ThO 2 ) as an emitter substance in tungsten as a main component. It is made of tungsten (hereinafter sometimes referred to as tritan).
  • the content of thorium oxide in the emitter section 32 is, for example, 2 wt%. Then, thorium oxide is reduced by reaching a high temperature during lamp operation, becomes thorium atoms, diffuses on the outer surface of the cathode, and moves to the tip side where the temperature is high. As a result, the work function is reduced to improve the electron emission characteristics.
  • the porosity of triated tungsten constituting the emitter portion 32 is, for example, 1.3%
  • the porosity of pure tungsten constituting the main body portion 31 is, for example, 0.5%.
  • the porosity P is defined by the following equation.
  • P 1-((a (1-x) /19.3) + (ax / 9.86))
  • a is the material density (g / cm 3 )
  • x is the weight ratio of thorium oxide
  • 19.3 (g / cm 3 ) is tungsten density
  • 9.86 (g / cm 3 ) is thorium oxide density. It is.
  • a density consider a material 1 cm 3 is a (g / cm 3).
  • triated tungsten used for the emitter part of the cathode has a density of 18.7 g / cm 3 , a weight ratio of thorium oxide of 2%, and a porosity of about 1.3%.
  • the pure tungsten used for the main body has a density of 19.2 g / cm 3 , the weight ratio of thorium oxide is 0, and the porosity is about 0.5%.
  • the shrinkage phenomenon of the main body part is a phenomenon in which the holes are filled by transporting tungsten to the holes existing in the main body part, and the volume of the main body part is reduced.
  • the overall porosity including the emitter portion cannot be reduced. This is because, in order to reduce the porosity, it is necessary to advance the sintering by increasing the sintering time, etc., but at the same time, the crystal grains of tungsten become larger, and the grain boundary of the thorium supply path becomes larger. This is because the supply of thorium to the cathode tip is hindered as a result of the reduction in area.
  • the main body part and the emitter part which have been integrally sintered so far are separately sintered while adjusting the porosity, and then both are diffusion-bonded.
  • the average particle size of pure tungsten constituting the main body portion can be made larger than the average particle size of tungsten constituting the emitter portion 32.
  • the average particle diameter of tungsten constituting the emitter portion is 20 ⁇ m
  • the average particle diameter of pure tungsten constituting the main body portion 31 is 100 ⁇ m.
  • the crystal grain size of tungsten can be measured by a cutting method according to JIS H 0501. Specifically, the number of crystal grains completely traversed by a straight line segment of a predetermined length is counted, and the cutting length is determined. Is the crystal grain size.
  • the transport of tungsten in the main body portion to the vacancies can be suppressed. Can be small. It is considered that the transport of tungsten mainly occurs through the crystal grain boundary of tungsten and that the total area of the crystal grain boundary becomes smaller as the crystal grain of tungsten becomes larger.
  • the cathode of the present invention it is possible to reduce the shrinkage of the cathode main body as the lighting time elapses, and thus it is possible to suppress a decrease in lamp illuminance.
  • Tritan having a diameter of 10 mm and a thickness of 5 mm and pure tungsten having a diameter of 10 mm and a thickness of 20 mm are prepared.
  • tritan has a thorium oxide content of 2% by weight, a density of 18.7 g / cm 3 , and a porosity of about 1.3%.
  • Pure tungsten has a density of 19.2 g / cm 3 , The one having a porosity of about 0.5% is used.
  • tritan may have a tungsten crystal grain size of about 20 ⁇ m, and pure tungsten may have a tungsten crystal grain size of about 100 ⁇ m.
  • the joining surfaces of tritan and pure tungsten are combined, and a compressive force of about 2.5 kN is applied in the axial direction in a vacuum. Then, the temperature of the bonded portion is set to about 2000 ° C. by energization heating, and the diffusion bonding of tritan and pure tungsten is performed for about 5 minutes.
  • an emitter portion containing 2% by weight of thorium oxide and having a porosity of about 1.3% and a main body portion made of pure tungsten having a porosity of about 0.5% are diffusion bonded.
  • a cathode having a total length of 18 mm, a maximum diameter of 10 mm, an emitter portion length of 1 mm, a cathode tip diameter of 0.6 mm, and a cathode tip angle of 60 ° was produced, and 4 kW was used as the cathode.
  • a xenon short arc lamp was manufactured.
  • an emitter portion containing 2% by weight of thorium oxide and the cathode body portion is made of an integrally sintered cathode made of pure tungsten, and a 4 kW xenon short arc lamp using the same is manufactured.
  • the cathode dimensions such as the length of the emitter section and the lamp specifications are the same as in the case of the present invention described above.
  • the porosity of the emitter part and the main body part was both about 1.3%.
  • the contraction length of the cathode is 0.39 mm for the cathode of the present invention and 0.5 mm for the cathode of the prior art, and the cathode contraction is reduced. I understood that.
  • the contraction of the cathode with the lapse of the lighting time is reduced, so that it is possible to suppress the decrease in the illuminance of the lamp due to the change in the position of the cathode bright spot.

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Abstract

【課題】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、該本体部の先端に接合されたエミッター部と、からなるショートアーク型放電ランプであって、点灯時間の経過にともなう陰極本体部の収縮の低減を図ることにより、陰極輝点の位置の変化を小さくし、ランプの照度低下の抑制を図るようにした構造を提供することである。 【解決手段】前記陰極の本体部における空孔率が、エミッター部におけるそれよりも小さいことを特徴とする。

Description

ショートアーク型放電ランプ
　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、陰極の先端にエミッター部が設けられているショートアーク型放電ランプに関する。
　従来、ショートアーク型放電ランプは、電極間距離が短く、また、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。
かかるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極にエミッター材を設けて、電子放出特性を高めるようにしたものが知られている。
　ところで近時では、希少資源の節約という観点からエミッター材としてのトリウムの使用に制限が設けられるようになってきており、その大量使用を避ける要請がなされてきている。加えて該トリウムが放射性物質であり、法的規制によりその取り扱いが制限されているという事情もある。
このような事情を勘案して、陰極の先端部に酸化トリウムを含有させた構造の放電ランプが種々開発されている。
　特許文献１（特開２０１０－３３８２５号公報）には、先端部分のみにエミッター材を含有させた陰極構造を有する放電ランプが開示されており、図３にこの特許文献１に記載される陰極構造を表す。
陰極１０は、純度の高いタングステンからなる陰極本体部１１と、これと一体形成されたエミッター部１２から構成される。エミッター部１２は、タングステン中にエミッター材として希土類化合物を有している。
　そして、陰極１０は、希土類化合物を含むタングステン粉末と、純粋なタングステン粉末を成形型の中に積層させた状態で充填し、当該成形型を加圧させながら焼結することで生成される。つまり、本体部１１とエミッター部１２は一体的に焼結されている。
　ここで、エミッター部１２は、エミッター材がタングステンの結晶粒界を拡散して陰極の先端まで輸送されることを期待している。このため、製造過程においては、過度に焼結させることは避けなければならない。焼結の程度が進むほど、タングステンの結晶粒が大きくなり、エミッター材の陰極先端への輸送が妨げられるからである。
　しかしながら、従来のショートアーク型放電ランプは、エミッター物質の供給という点では効果あるものの、点灯時間の経過にともなって陰極が収縮し、このため、陰極輝点の位置が大きく変化するという問題があった。
特開２０１０－３３８２５号公報
　この発明が解決しようとする課題は、点灯時間の経過とともに、陰極輝点の位置が変化することないショートアーク型放電ランプを提供することである。
　上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、　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、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部とからなり、陰極の本体部における空孔率が、エミッター部における空孔率よりも小さいことを特徴とする。
　また、陰極の本体部におけるタングステンの結晶粒径が、エミッター部におけるタングステンの結晶粒径よりも大きいことを特徴とする。
　上記構成によれば、タングステンから構成される本体部の空孔率が、トリエーテッドタングステンから構成されるエミッター部の空孔率よりも小さいので、点灯時間の経過にともなう陰極の収縮を小さくすることができる。
　また、陰極の本体部を構成するタングステンの結晶粒が、エミッター部を構成するタングステンの結晶粒よりも大きいので、同様に、点灯時間の経過にともなう陰極の収縮を小さくすることができる。
　この結果、陰極先端位置の後退が小さくなり、陰極輝点の位置の変化を小さくすることができ、ランプを光学系と組み合わせた場合の集光効率の低下に起因する照度低下が抑制された寿命の長いランプを実現できるという効果を奏するものである。
本発明に係るショートアーク型放電ランプを示す。 本発明に係る陰極構造を示す。 従来の放電ランプの陰極構造を示す。
　図１はこの発明のショートアーク型放電ランプを示す。発光管１の内部にタングステンからなる陽極２と陰極３が対向配置しており、陽極２と陰極３はそれぞれ芯棒に保持されている。発光管１の内部空間には水銀やキセノンなどの発光物質が封入されている。なお、放電ランプは垂直点灯する場合もあれば水平点灯する場合もある。
　図２は陰極３の拡大構造を示す。陰極３は、タングステンからなる本体部３１と、その先端に接合されたエミッター部３２から構成される。本体部３１とエミッター部３２の接合は拡散接合が好ましい。ここで、拡散接合とは、金属同士を面で重ね合わせて、当該金属の融点未満の固相状態で塑性変形が生じない程度に加熱・加圧して、接合面の原子を拡散させる固相接合をいう。そして、拡散接合の加熱温度は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、本体部やエミッター部の金属組織を維持することができ、陰極性能に悪影響を与えることがない。さらに、陰極の金属組織が変わらないため、本体部３１とエミッター部３２の接合後も切削加工することができるという利点を有する。
　本体部３１は、例えば純度９９．９９重量％以上の純タングステンより構成されており、エミッター部３２は、主成分であるタングステンに、エミッター物質として酸化トリウム（ＴｈＯ２）を含有する、いわゆるトリエーテッドタングステン（以下、トリタンということもある）で構成されている。エミッター部３２の酸化トリウムの含有量は、例えば２ｗｔ％である。
　そして、酸化トリウムは、ランプ点灯中に高温になることによって還元され、トリウム原子となって陰極外表面を拡散して、温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにする。
　ここで、エミッター部３２を構成するトリエーテッドタングステンの空孔率は、例えば１．３％であり、本体部３１を構成する純タングステンの空孔率は、例えば０．５％である。
　本発明において空孔率Ｐは次式によって定義される。
Ｐ＝１－（（ａ（１－ｘ）／１９．３）＋（ａｘ／９．８６））
　ただし、aは材料の密度（ｇ／ｃｍ３）、ｘは酸化トリウムの重量比、１９．３（ｇ／ｃｍ３）はタングステンの密度、９．８６（ｇ／ｃｍ３）は酸化トリウムの密度である。上記式について、密度がａ（ｇ／ｃｍ３）である材料１ｃｍ３を考える。その内、タングステンが占める体積は、ａ（１－ｘ）／１９．３ｃｍ３、酸化トリウムが占める体積は、ａｘ／９．８６ｃｍ３であるので、それらを除いた値は、材料１ｃｍ３に占める空孔の体積、すなわち空孔率を表す。なお、酸化トリウム以外の物質が不純物として混入していても微量のため無視することができる。
　一例を挙げると、陰極のエミッター部に用いるトリエーテッドタングステンは、密度が１８．７ｇ／ｃｍ３、酸化トリウムの重量比が２％で、空孔率は約１．３％である。一方、本体部に用いる純タングステンは、密度が１９．２ｇ／ｃｍ３、酸化トリウムの重量比は０で、空孔率は約０．５％である。
　このように、本体部の空孔率をエミッター部の空孔率よりも小さくすることによって、点灯時間の経過にともなう本体部の収縮を小さくすることができ、陰極全体としての収縮も低減することができる。これは、そもそも本体部の収縮現象が、本体部に存在する空孔へタングステンが輸送されることで空孔が埋まり、本体部の体積が小さくなる現象だからである。その一方で、エミッター部を含む全体の空孔率を小さくすることはできない。なぜなら、空孔率を小さくするためには、焼結時間を長くするなどにより、焼結を進める必要があるが、そうすると同時にタングステンの結晶粒が大きくなり、トリウムの供給路となる結晶粒界の面積が減少する結果、陰極先端へのトリウムの供給が阻害されるからである。そして、本願発明は、いままで一体的に焼結していた本体部とエミッター部を、それぞれ空孔率を調整しつつ別々に焼結して、その後、両者を拡散接合するものである。
　さらに、本体部を構成する純タングステンの平均粒径を、エミッター部３２を構成するタングステンの平均粒径よりも大きくすることができる。具体的には、エミッター部を構成するタングステンの平均粒径が２０μｍであり、本体部３１を構成する純タングステンの平均粒径が１００μｍである。
　ここで、タングステンの結晶粒径は、ＪＩＳ　Ｈ　０５０１に準じた切断法で測定でき、具体的には、所定長さの直線線分により完全に横断される結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を結晶粒径としている。
　このように、陰極の本体部におけるタングステン結晶粒を、エミッター部におけるタングステン結晶粒よりも大きくすると、本体部におけるタングステンの空孔への輸送を抑制することができ、結果として、本体部の収縮を小さくすることができる。それは、タングステンの輸送は、主にタングステンの結晶粒界を通って生じることと、タングステンの結晶粒が大きいほど結晶粒界の総面積が小さくなることとによるものと考えられる。
　以上述べたように、本発明の陰極によれば、点灯時間の経過にともなう上記陰極本体部の収縮を小さくすることができるので、ランプの照度低下を抑制することができる。
　ここで、本発明に係る陰極の製造方法の一例を説明する。
　直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのトリタン、直径１０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの純タングステンを用意する。ただし、トリタンは、酸化トリウムの含有量が２重量％、密度が１８．７ｇ／ｃｍ３、空孔率が約１．３％であり、純タングステンは、密度が１９．２ｇ／ｃｍ３、空孔率が約０．５％のものを用いる。あるいは、トリタンは、タングステンの結晶粒径が約２０μｍ、純タングステンは、タングステンの結晶粒径が約１００μｍのものでもよい。
次に、トリタンと純タングステンの接合面を合わせて、真空中で軸方向に２．５ｋＮ程度の圧縮力を印加する。そして、通電加熱により接合部の温度を約２０００℃にして、５分程度トリタンと純タングステンを拡散接合させる。
　次に、本願にかかわる実験結果について述べる。
　本発明の陰極として、酸化トリウムを２重量％含有し、空孔率が約１．３％であるエミッター部と、空孔率が約０．５％の純タングステンよりなる本体部を拡散接合させて、切削加工によって、全長が１８ｍｍ、最大径が１０ｍｍ、エミッター部の長さが１ｍｍ、陰極先端径が０．６ｍｍ、陰極先端角が６０°の陰極を製作し、それを陰極に用いた４ｋＷキセノンショートアークランプを製作した。
比較のために、従来技術によって、エミッター部に２重量％の酸化トリウムを含有し、陰極本体部は純タングステンからなる一体焼結型の陰極を製作し、それを用いた４ｋＷキセノンショートアークランプを製作した。ここで、エミッター部の長さ等の陰極寸法およびランプの仕様は、上記の本発明の場合と同じである。ただし、エミッター部と本体部における空孔率は、ともに約１．３％であった。
　これらのランプを定格電力の４ｋＷで、５００時間点灯した後の陰極の収縮長さは、本発明の陰極が０．３９ｍｍ、従来技術の陰極が０．５ｍｍであり、陰極の収縮が低減されることが分かった。
　以上のように、本発明によれば、点灯時間の経過にともなう陰極の収縮が低減されるので、陰極輝点の位置の変化に起因するランプの照度低下を抑制することができる。
　１　　ショートアーク型放電ランプ
　２　　陽極
　３　　陰極
　３１　本体部
　３２　エミッター部
 
 

Claims (2)

  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、タングステンからなる本体部と、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部と、からなるショートアーク型放電ランプであって、
    　前記陰極の本体部における空孔率が、エミッター部におけるそれよりも小さいことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
  2. 　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、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部と、からなるショートアーク型放電ランプであって、
    　前記陰極の本体部におけるタングステン結晶粒径が、エミッター部におけるそれよりも大きい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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