JP4655767B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、映写機などにおいて光源として用いられるキセノンランプ、例えば半導体露光装置、液晶露光装置などにおける光源として用いられる超高圧水銀ランプのような高輝度放電ランプに関し、特にその陰極に特徴の有る高輝度放電ランプに関する。

高輝度放電ランプの陰極は、トリウムやランタン、バリウムのような易電子放射物質を０．３〜４重量％程度含み、それら易電子放射物質が陰極を構成するタングステンなどの高融点の陰極基体金属に吸着し、仕事関数を下げることで、良好な電子放射特性を得ている。しかしながら、易電子放射物質は陰極表面から蒸発し、失われるため、良好な電子放射特性を保つためには、易電子放射物質を補う必要がある。

従来、易電子放射性の物質は酸化物の形で高融点の陰極基体金属内に存在し、拡散によって陰極先端まで運ばれると考えられている。このため、易電子放射物質の陰極先端への供給は、時間とともに拡散の経路が延びていくため、減少し、陰極先端から失われる量より、陰極の内部から供給される供給量が少なくなると、アーク輝点であるアークスポットが移動したり、アークスポットの大きさが変わり、アーク不安定の現象を起こすため、寿命が制限されていた。

特公昭４０−２７２３３号公報には、図７に断面図で示すように、陰極２の陰極縮径部２３であるテーパー状部分の表面に、環状溝２７を設けることで、陰極先端２４が点灯中に著しい温度上昇を示し熱輻射が改善され、更に陰極先端２４に円味をつけることによってアーク不安定を抑制し、より長時間安定な動作を維持するための環状溝２７を備えた陰極２の構造が提案されている。２５は陰極胴部、３０は陰極芯棒である。

また特開２００３−２５７３６３号公報には、同様に陰極の陰極縮径部であるテーパー状部分もしくは陰極胴部に環状溝もしくは凹部や突出部を設けることで、それより以降にアークが移行するのを抑え、その結果アークが発光管に接触することが抑えられることから、発光管の白濁や亀裂といった不具合を抑えることができる効果が記載されている。

陰極縮径部もしくは陰極胴部に環状溝もしくは凹部や突出部を設けた場合、発光管に接触する危険性が抑えられることから、設けない場合に比べ、発光管の白濁や亀裂といった不具合を抑えることができるが、例えば図７で示した陰極でいえば、環状溝２７のエッジ部分２７ａに電界が集中して、そこがアーク輝点となり易く、やはりアークは不安定となる。このため、より安定にアーク輝点を陰極先端２４に留めるためには、陰極表面にエッジ部２７ａを持たないようにすることが望ましい。
特公昭４０-２７２３３号公報 特開２００３-２５７３６３号公報

そこで、本発明の目的は、高輝度の放電ランプにおいて、アークの不安定を抑制し、更には陰極先端の温度を上昇させ、陰極に含有された易電子放射物質の熱拡散を促進し、陰極先端の熱放射を改善することで先端に安定にアーク輝点を形成させ、長時間にわたって安定な動作を保つような陰極電極を具備した放電ランプを提供することにある。

請求項１の発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、該陰極には易電子放射物質がドープされており、該陰極が陰極胴部と、陰極先端に向かって徐々にまたは段階的に該陰極胴部より縮径した陰極縮径部とを備えたものである放電ランプにおいて、該陰極の内部に、該陰極縮径部内または該陰極縮径部から該陰極胴部にかけての範囲で空洞部を有し、該空洞部の該陰極先端側の底面位置は該陰極縮径部内にあって、該陰極胴部の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、該底面位置は該陰極先端から０．２Ｄ（ｍｍ）以上離れており、かつ、該空洞部の該底面位置における該陰極の断面積に対する該空洞部の断面積の割合が１５％以上であることを特徴とする放電ランプとするものである。
なお、該空洞部の該底面位置における該陰極の断面積における「陰極の断面積」というのは陰極の、放電ランプの管軸に垂直な面の断面積であって、空洞部の管軸に垂直な面の断面積も含めた面積をいう。

また、請求項２の発明は、前記空洞部が気密に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプとするものである。

本発明によれば、陰極内に空洞部を設けることで、その先端部の温度を上昇させることができるため、陰極表面に溝部を設ける必要がなく、不所望に溝部にアーク輝点が形成されることを回避することができる。また空洞部を設けなかった場合には、ランプ寿命中、拡散速度が十分でなく陰極先端にまで拡散出来なかった易電子放射性物質を、陰極先端に供給することができ、長時間にわたって電子放出を安定に維持し、放射照度の安定した光源を提供することができる。

図１に本発明の典型的な放電ランプ１０の概略図を示す。一部断面図で示してある。密閉された発光管１と、該発光管１内に対向する一対の陰極２と陽極３の２つの電極を備え、これらの電極が発光管１に気密に封着された封着部４を介して外部と電気的に接続された放電ランプである。

ここで、図１に示した陰極２について数値例を紹介する。陰極の胴部の直径はφ６〜２５ｍｍの範囲から選択されて、例えば１０ｍｍ、陰極の全長は１４〜５０ｍｍの範囲から選択されて、例えば１８ｍｍ、陰極先端径は０．５〜２．０ｍｍの範囲から選択されて、例えば０．９ｍｍ、陰極の縮径部のテーパー角は３０°以上で選択されて、例えば４０°である。

図２は、陰極２の断面図を示す。本発明において、陰極２は高融点金属からなる陰極基体２１に形成された有底孔２２に陰極芯棒３０が圧入などで差し込まれ一体になった部材のことをいう。

図２（ａ）は陰極芯棒３０が差し込まれる前の陰極基体２１を示す。陰極基体２１には有底孔２２が形成され、第一の空間２２ａと第一の空間より径の小さい第二の空間２２ｂが示されている。ここで第一の空間２２ａは陰極芯棒３０を差し込むための空間である。なお、この第一の空間２２ａと第二の空間２２ｂは同一径にて一体に形成されていてもよい。

陰極基体２１は、先端（図中では上方）に向かうに従い、径が縮径する陰極縮径部２３を有し、有底孔２２に対し陰極芯棒３０を圧入することで、陰極２が構成される。図２においては、図２（ｂ）に示したように有底孔２２中の第一の空間２２ａの全体、または図２（ｃ）に示したように第一の空間２２ａの一部に陰極芯棒３０が圧入され、陰極芯棒３０より前方の第二の空間２２ｂか、第二の空間２２ｂと第一の空間２２ａの一部が空洞部４０を形成する。２５は陰極胴部である。

図２に示す陰極２の数値例を以下に挙げる。陰極基体２１は、全長が１８ｍｍであり、円錐状に形成された陰極縮径部２３における陰極先端２４の径が０．９ｍｍであって、４０°のテーパー角を有する全長１３ｍｍの陰極縮径部２３を有し、陰極胴部２５の直径、すなわち図中のＤは１０ｍｍである。空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａは陰極基体２１の陰極先端２４から３ｍｍの位置になるよう設けられ、すなわち、図中で空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａと陰極先端２４の間の距離Ｌ（図２（ｂ）、（ｃ））は３ｍｍであり、第二の空間２２ｂの直径が２．０ｍｍ、全長が８ｍｍであり、第一の空間２２ａの直径は３．３ｍｍ、全長は７ｍｍである。陰極基体２１としては、２重量％のトリウム酸化物を含有したタングステン材料を用いた。

ここで図２に示す陰極２の外観形状および有底孔２２の第一の空間２２ａの形状は全て同じとし、第二の空間２２ｂにおける直径すなわち空洞部４０の直径ｄと陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａまでの距離Ｌを変化させた陰極を作製し、その陰極を使用して電力４ｋＷのキセノンランプを試験ランプＡ１〜試験ランプＡ７まで６本製作し、比較例として、陰極の外周面に溝を備えた溝付陰極を使用した同じく電力４ｋＷのキセノンランプを１本製作し、点灯評価の比較を行った。

なお、図２（ｄ）で示したように、有底孔２２の第二の空間２２ｂの先端部および第一の空間から第二の空間にその孔径が変わる位置には、切削時のドリル先端形状により、斜めになる部分が形成される場合がある。前記第二の空間２２ｂの全長は、その孔径が一定になる先端位置から第一の空間２２ａの孔径が一定になる先端位置までの距離を示す。このときの空洞部の全長は、８ｍｍであった。

図２（ｂ）、図２（ｃ）において、陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａまでの距離Ｌを示したが、実際は、ドリル切削により有底孔の加工を行っており、図２（ｄ）で示したように陰極先端側の底面位置４０ａは切削時のドリル先端形状により、斜めになる部分を除き、空洞部の内径が一定になる位置を底面位置４０ａとし、陰極基体２１の陰極先端２４から底面位置４０ａまでの距離をＬとし、図中ではＬ２と示している。

比較例とした溝付陰極付きのキセノンランプの陰極は、０．５ｍｍの幅の環状の切込溝が陰極先端から軸方向に６．５ｍｍの距離に０．５ｍｍの深さで設けられており、図２の陰極の第二の空間２２ｂ部が無い以外は、同形状とした。陰極基体は、２重量％のトリウム酸化物を含有したタングステン材料である。

図３に、その評価結果を示す。図３には、空洞部４０の直径ｄ（第二の空間２２ｂの直径）、陰極基体２１の陰極先端２４から底面位置４０ａまでの距離Ｌ（図３中には単に先端からの距離と記載）、陰極基体２１の陰極先端２４から底面位置４０ａまでの距離の陰極胴部の直径Ｄに対する割合（図３中には単に陰極胴部に対する割合と記載）、寿命時間および陰極２の空洞部４０の底面位置４０ａの位置における陰極２断面に対する空洞部４０の断面積の割合（図３中には断面積割合と記載）を示した。

比較例としたキセノンランプの溝付陰極においては、先端からの距離６．５ｍｍはテーパー状部分の表面に設けた環状溝の先端側のエッジ部分から陰極先端２４までの距離である。

なお、ここで空洞部４０の底面位置４０ａとは、任意の径で加工した最も陰極前方の有底孔（空洞部）位置を示し、ドリル切削により有底孔を加工し、その先端形状により、斜めになる部分が形成された場合、その斜め部分を除き、空洞部の内径が一定になる位置を示す。
ランプの寿命時間は、ランプ電圧を測定し、
（Ｖmax − Vmin）/ Vmin × 100 （％）
の値が３％を越える時間を寿命とした。

この電圧変動は、少なくとも３０分以上ランプを点灯させて熱的に安定した後、１０分間中に測定されたランプ電圧の最大値をＶmax、最小値をVminとして求める。映写機用の光源として利用されるキセノンランプは、この電圧変動が３％を越える値になるとアークの揺らぎが大きくなり、映写面上での画像がちらついて使用出来なくなる。ランプ寿命を電圧で定義するのは、本来ランプ寿命は、ランプからの光量で規定されるものであるが、アークの揺らぎ（光量変動）とランプ電圧とは強い相関があり、測定が簡便なランプ電圧をランプ光量の代用特性として測定することにより、アーク安定性の評価が可能だからである。

図３より陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の底面位置４０ａまでの距離Ｌ（mm）を、陰極胴部径をＤ（ｍｍ）としたときに０．２Ｄ（ｍｍ）以上となる距離だけ離し、かつ陰極２の空洞部４０の底面位置４０ａにおける該陰極２の該空洞部を含む断面に対する該空洞部の断面積割合が１５％以上とした陰極を用いたキセノンランプ、すなわち試験ランプＡ２、Ａ４、Ａ６、Ａ７の場合、１１００時間以上の長寿命を達成しており、溝付陰極を用いた比較例のキセノンランプに比べ、長時間にわたって安定な動作を保たれる結果となった。比較例とした超高圧水銀ランプの溝付陰極においては、先端からの距離６．５ｍｍが意味するものは、テーパー状部分の表面に設けた環状溝の先端側のエッジ部分から陰極先端２４までの距離である。

次に図４に示す外観形状の陰極２を用いて、陰極２の外観形状および第一の空間２２ａの形状は全て同じとし、第二の空間２２ｂにおける直径すなわち空洞部４０の直径ｄと陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａまでの距離Ｌを変化させた陰極を作製し、その陰極を使用して電力８ｋＷの超高圧水銀ランプを試験ランプＢ１〜試験ランプＢ８まで７本製作し、比較例として、陰極の外周面に溝を備えた溝付陰極を使用した同じく電力８ｋＷの超高圧水銀ランプを１本製作し、点灯評価の比較を行った。

図４に示す陰極２の数値例を以下に挙げる。陰極基体２１は、全長が３５ｍｍであり、円錐状に形成された陰極縮径部２３における陰極先端２４の径が１．６ｍｍであって、６０°のテーパー角を有するテーパー状部分の長さ１３．４ｍｍの陰極縮径部２３を有し、陰極胴部の直径Ｄが１５ｍｍである。空洞部４０は、陰極先端２４から空洞部４０の陰極先端側の底面位置４０ａまでの距離Ｌが３ｍｍになるよう設けられ、空洞部４０の直径ｄが２ｍｍである。３０は電極芯棒である。陰極基体としては、１重量％のトリウム酸化物を含有したタングステン材料を用いた。

なお、第二の空間の先端部および第一の空間から第二の空間にその孔径が変わる位置には、切削時のドリル先端形状により、斜めになる部分が形成される溝付陰極は、１．５ｍｍの幅の環状の切込溝が陰極先端から軸方向に６．５ｍｍの距離に０．６ｍｍの深さで設けられており、図４の陰極の第二の空間２２ｂ部が無い以外は、同形状である。陰極材料は、２重量％のトリウム酸化物を含有したタングステン材料である。

図５に、その評価結果を示す。図５中に記載の項目は、図３に記載したものと同じである。ランプの寿命時間は、ランプ電圧を測定し、
（Ｖmax − Vmin）/ Vmin × 100 （％）
の値が３％を越える時間を寿命とした。半導体や液晶露光用の光源として利用される超高圧水銀ランプは、この電圧変動が３％を越える値になるとアークの揺らぎが大きくなり、露光するために必要な光量が得られなくなり、使用出来なくなる。

図３と同様、陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の底面位置４０ａまでの距離Ｌを、陰極胴部径をＤ（ｍｍ）としたときに０．２Ｄ（ｍｍ）以上となる距離だけ離し、かつ陰極２の空洞部４０の底面位置４０ａにおける該陰極２の該空洞部を含む断面積に対する該空洞部の断面積割合が１５％以上とした陰極を用いた超高圧水銀ランプ、すなわち試験ランプＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ７の場合、溝付陰極を用いた超高圧水銀ランプに比べ、長時間にわたって安定な動作を保たれる結果となった。比較例とした超高圧水銀ランプの溝付陰極においては、先端からの距離６．５ｍｍが意味するものは、テーパー状部分の表面に設けた環状溝の先端側のエッジ部分から陰極先端２４までの距離である。

以上より、陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の底面位置４０ａまでの距離Ｌを、陰極胴部径をＤ（ｍｍ）としたときに０．２Ｄ（ｍｍ）以上となる距離だけ離し、かつ陰極２の空洞部４０の底面位置４０ａにおける該陰極２の断面に対する該空洞部の断面積割合が１５％以上とした陰極を用いた超高圧水銀ランプの場合、ランプ寿命が溝付陰極のものと比べ、長く保たれることが分かった。

これは陰極内部に空洞部を設けた場合、空洞部より前方部分では、アークから陰極先端に流入する熱量が、その後方に伝わりにくくなるため、陰極温度は上昇する。アークから陰極先端に流入した熱量が、その後方へ伝導していく速度は、陰極断面積によって決まるが、この陰極断面に占める空洞部の断面積割合が小さくなると、後方へ熱が早く伝導することになり、その前方で熱を蓄え陰極温度を上昇させる役割を担えなくなることが考えられる。発明者らは、陰極縮径部内に形成される、この陰極断面に占める空洞部の断面積割合を１５％以上にすることにより、有効に熱を蓄え陰極温度を上昇させることができることを見出した。

更には陰極胴部の直径をD（ｍｍ）とした場合、陰極基体２１の陰極先端２４から空洞部４０の底面位置４０ａまでの距離Ｌを、０．２D（ｍｍ）以上にする必要があることを見出した。これは、加熱された陰極は、輻射によりその熱を外部に放出する。陰極先端においては、アークから流入する熱量が大きいため、トータルとして陰極に熱が流入する。然るに、ある距離以上先端より離れると、流入熱量よりも輻射熱量が勝るため、トータルとして熱が放出され陰極は、冷えることになる。この輻射熱量は、陰極の表面積の大きさで決まるため、熱を蓄え陰極温度を上昇させる効果は、陰極寸法が影響するためと考えられる。

また、陰極内部に空洞部より後方では前方からの熱の流入が抑えられるため逆に陰極温度は下がることになる。従来、陰極基体中に含まれる易電子放射物質が、その寿命中に陰極先端にまで拡散して供給される距離がある。然るに、この距離よりも先端に近づけて空洞部を設けると、その後方では陰極温度が下がるため、拡散による易電子放射物質の陰極先端への供給量が減少するため、先端より空洞部を離して設ける必要があるためと考えられる。

溝付陰極に比べ、長時間にわたって安定な動作が保たれた陰極の空洞部の全長には、規則性が見られなかった。これはヒートダムの効果は、空洞部を設けた位置より先端側において得られるものであり、その以後の空洞部の大きさは、熱の蓄積にさほど影響しないことが考えられる。

本願発明による別の実施形態を図６に示す。陰極２は、第二の空間２２ｂの後方部分に例えばタングステン製の栓２６をし、その後、該栓２６を溶融させることで、空洞部４０を気密になるよう形成されている。陰極基体２１に空洞部４０を設けることにより、陰極温度を上昇させることができるため、陰極に含有された易電子放射物質の熱拡散が促進され、長時間にわたって安定な動作を保つことができる。

ランプ寿命中に陰極先端２４に供給される易電子放射物質は、先端に存在するものの他に、空洞部４０の後方に存在する易電子放射物質がその位置の陰極温度で決まる蒸気圧量だけ空洞部４０内を空中輸送され、先端に供給されるものもある。空洞部４０を気密にすることで、蒸気となる易電子放射物質を無駄なく先端に供給することができる。４０ａは空洞部４０の底面位置、２３は陰極縮径部、３０は陰極芯棒である。

また陰極芯棒を陰極の有底孔へ圧入する作業をするときに不純ガスが空洞部に混入していた場合、ランプ点灯中、徐々に不純ガスがリークして、ランプ点灯特性に不具合を生じる恐れがある。よって空洞部を気密にすることでこのような不具合が生じるのを防ぐことができるメリットもある。

以上の結果によれば、図３および図５からも明らかなように、前記空洞部の陰極先端側の底面位置を、陰極胴部の直径をD（mm）としたときに、陰極先端から０．２D以上離れて形成し、更に有底孔前方端面位置における陰極断面に対する空洞部の断面積割合を１５％以上とした場合、長時間にわたって放射照度の安定した光源を提供することができることが確認された。

本発明の放電ランプの概略図を示す。 本発明に係る放電ランプの陰極の断面図を示す。 電力４ｋＷのキセノンランプの寿命評価結果を示す。 本発明に係る放電ランプの陰極の断面図を示す。 電力８ｋＷの超高圧水銀ランプの寿命評価結果を示す。 本発明に係る放電ランプの他の陰極の断面図を示す。 従来技術である放電ランプの溝付き陰極の断面図を示す。

符号の説明

１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４ 封着部
１０ 放電ランプ
２１ 陰極基体
２２ 有底孔
２２ａ 第一の空間
２２ｂ 第二の空間
２３ 陰極縮径部
２４ 陰極先端
２６ 栓
２７ 環状溝
２７ａ エッジ部
３０ 陰極芯棒
４０ 空洞部
４０ａ 陰極先端側の底面位置

Claims (2)

1. 発光管内に陰極と陽極が対向して配置され、該陰極には易電子放射物質がドープされており、該陰極が陰極胴部と、陰極先端に向かって徐々にまたは段階的に該陰極胴部より縮径した陰極縮径部とを備えたものである放電ランプにおいて、
   該陰極の内部に、該陰極縮径部内または該陰極縮径部から該陰極胴部にかけての範囲で空洞部を有し、
   該空洞部の該陰極先端側の底面位置は該陰極縮径部内にあって、該陰極胴部の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、該底面位置は該陰極先端から０．２Ｄ（ｍｍ）以上離れており、
   かつ、該空洞部の該底面位置における該陰極の断面積に対する該空洞部の断面積の割合が１５％以上であることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記空洞部が気密に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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