JP4924678B2

JP4924678B2 - ショートアーク型放電ランプ

Info

Publication number: JP4924678B2
Application number: JP2009202496A
Authority: JP
Inventors: 由郎影林; 竹夫松島
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: CN102005360A; JP2011054428A; DE102010034661B4; DE102010034661A1

Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関する。特に、ショートアーク型水銀ランプ、ショートアーク型キセノンランプに関する。

ショートアーク型放電ランプは、発光部に陽極と陰極が数ミリ程度の間隙をもって対向配置する構造を有しており、陽極と陰極の間にアークを発生させて発光を得るランプである。このうち、ショートアーク型水銀ランプは、半導体、液晶、プリント基板など各種の露光工程に用いられる。また、ショートアーク型キセノンランプは、例えば、ディジタルシネマ用プロジェクター装置の光源に用いられる。

この種の放電ランプの陰極は、通常タングステンを基体として構成されており、このタングステンには通称エミッターといわれる電子放射性物質が含有されている。このエミッターは、ランプ点灯中において陰極先端まで輸送（拡散）されることで陰極先端におけるアーク形成に寄与している。
しかしながら、ランプ点灯に伴い、エミッターが枯渇したり、あるいは先端への供給が不十分になったりすると、良好なアーク形成されなくなり、ア−クの激しい揺れやランプ電圧の著しい変動という不具合を生じる。

この問題を解決するために、陰極内部にエミッターの貯蔵タンクのようなものを設けて、枯渇しないように十分な量を保持させておき、これにより安定的に先端領域まで供給させようという技術も提案されている（特開平１１−９６９６５号、特開平１１−１５４４８８号）。
しかしながら、陰極内部にエミッター用タンクを形成することは製造工程が煩雑化してしまう。特に、エミッターが陰極先端まで十分に補給されるためには、当該タンクはランプ点灯中において、エミッターが活性化するレベルの温度にまで加熱される必要があり、形成領域が著しく制約を受ける。さらには、タンクからのエミッター供給は比較的短時間に行われるため、タンクを設けない場合に比べるとアーク安定時間を長くできるものの、それ以上長時間にわたりアークを安定的に維持させることはできなかった。

特開平１１−９６９６５号特開平１１−１５４４８８号

この発明が解決しようとする課題は、長時間にわたり安定的にエミッターを先端領域に供給できるとともに、比較的容易に製造できる陰極構造を提供することである。

上記課題を達成するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部を有する構造において、前記陰極は、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、該細長穴の表面近傍だけ温度を上昇させて、表面近傍と陰極内部との間に急激な温度差を作り出し、熱膨張量の差によって、当該細長穴の内表面に表面近傍から陰極内部に向かう幅５μｍ以下のクラックが形成されたことを特徴とする。

本発明に係るショートアーク型放電ランプは以下の効果を有する。
（１）陰極に形成された細長穴の内面に幅５μｍ以下のクラックが形成されているので、当該クラック表面と細長穴表面を使って表面拡散によりエミッターを陰極先端まで供給できる。
（２）当該幅５μｍ以下のクラックは、例えば、放電加工により細長穴を形成することで容易に製造することができる。

本発明に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。陰極の先端構造拡大図を示す。本願発明に係る細長穴の内表面を表す写真であってクラックが形成されている状態を示す。比較例として細長穴の内表面を表す写真であってクラックが形成されていない状態を示す。

図１は本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例であるショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。放電ランプは、石英ガラスからなる発光管１０より構成され、発光管は発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には陰極２０と陽極３０が、例えば5.0ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。

陰極２０は、例えば、トリウムドープタングステン（トリウムが含有されたタングステン）よりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐台形状に形成されており陰極棒２３に支持される。陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状に形成されており陽極棒３３に支持される。

陰極棒２３と陽極棒３３は各々封止部１２に向かって伸びる。各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されている。陰極棒２３および陽極棒３３はそれぞれモリブデン箔と接合して気密封止構造が形成される。封止部１２の外端は外部リード１３が突出する。この外部リード１３に図示略の給電装置が接続されて電流供給が行なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２３、陽極棒３３と物理的に別体である必要はなく、両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。

発光部１１には、水銀と、アルゴンもしくはクリプトンを含む希ガスが封入される。水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり1.0〜20ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば2ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は0.2〜0.5ＭＰａであって、例えば0.3ＭＰａである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は2.5ＭＰａ程度になる。

図２は陰極２０の拡大構造を示す。陰極２０は円錐台形状の先端部２１と、円柱形状の本体部２２より構成される。先端部２１には細長穴２４が陽極側の先端面から陰極棒２３側の根元方向に向かって形成される。細長穴２４の内表面にはクラック（亀裂）２５が形成されている。

ここで、陰極２０に含有されたエミッターは、一般に、粒内拡散、粒界拡散、表面拡散と種別される３とおりの形態により先端に拡散する。拡散速度は表面拡散がもっとも早く、ついで粒界拡散、粒内拡散という順になる。本発明は、陰極２０の先端部２１に細長穴２４を形成することで、細長穴２４の内表面による表面拡散を利用するともに、さらに、細長穴２４にクラック（亀裂）２５を形成させることで、このクラック２５による表面拡散も利用するものである。すなわち、細長穴２４の内表面に存在するエミッターはそのまま表面拡散されるが、図示領域Ａのように、陰極２０の内部に存在するエミッターは、粒内拡散か粒界拡散に頼らなければならない。本発明は、細長穴２４に内表面に、通常はあえてわざわざ作ることがない、クラック（亀裂）を意図的に形成させ、このクラックによる表面拡散を利用するものである。

クラックを形成する方法は、放電加工において放電条件を調整することである。例えば、放電時のピーク電流値（パルスの高さ）を大きくしたり、パルス放電におけるオン時間を短くして熱拡散長を短くしたりすることである。加工表面近傍だけ温度を上昇させて急激な温度差を作り出し、熱膨張差によってクラックを形成することができる。

図３は細長穴２４の内表面構造を示した走査電子顕微鏡写真を示す。同図はエミッターである酸化トリウムが2重量％添加されたタングステンロッドを放電加工して、放電時のピーク電流が通常より大きい条件で穴径φ0.4ｍｍの細長穴を形成させたものである。そして、熱処理を施してから細長穴の内周面が観察できるようにタングステンロッドを軸方向に破断させた。半分に割れた状態にて、走査電子顕微鏡を使って観察したものである。写真上にも尺度も追記している。

クラック２５は電極軸に沿って伸びるように形成されている。本実施例において、軸に垂直方向２５０μｍの長さを横切るクラックは５個程度であった。ここでいうクラックとはタングステン表面に生じた微小なヒビのことで観測されたクラックの幅は５μｍ以下であり、５μｍから３０μｍの深さがあった。なお、クラックの数があまりに多い場合、あるいは１つのクラックがあまりに大きい場合は陰極の強度そのものに悪影響を及ぼすので好ましくない。

クラックについて数値例をあげると、陰極の先端面はφ１．０ｍｍ〜φ２．０ｍｍ程度であり一例ではφ２．０ｍｍ、細長穴の径はφ０．２ｍｍ〜φ１．０ｍｍ程度であり一例ではφ０．４ｍｍ、細長穴の長さ（深さ）は２．０ｍｍ〜１０．０ｍｍであり一例では３．０ｍｍである。また、陰極はトリウムが含有されたタングステンに限定されるものではなく、ランタンを含有したタングステン、セリウムを含有したタングステン、イットリアを含有したタングステンが使われる。

図４は図３と比較するための図面であって、細長穴を設けるものの、クラックを有していない構造を示す。

次に、本発明の効果を示す実験について説明する。
３種類の放電ランプ（ランプＡ、ランプＢ、ランプＣ）を使ってクラックの有無と電圧変動発生までの時間の関係を観察した。電圧変動発生時間を指標とした理由は、エミッターの供給が不十分になるとアークが不安定になりランプ電圧が変動するからである。
３種類のランプは、いずれも先端径φ２ｍｍ、テーパ角６０°で切削したタングステンロッドの先端面に、φ０．４ｍｍの細長穴を加工した陰極を製作した。これらの陰極を用いて水銀封入量２ｍｇ／ｃｃ、バッファーガス圧０．３ＭＰａのランプを製作した。そして、ランプＡは機械加工により細長穴を製作しクラックは形成されておらず、ランプＢはピーク電流を１Ａ、オン時間を１０００μｓとした放電加工により細長穴を製作しクラックはほとんど形成されていなかった。これに対して、ランプＣはピーク電流を１５Ａ、オン時間を１０μｓとした放電加工により細長穴を製作し、クラックが形成されていた。３種類のランプは、いずれも１０ｋＷで点灯させた。

実験の結果、クラックを有していないランプＡとランプＢの電圧変動発生時間がそれぞれ６２１時間、６４９時間であったのに対し、クラックが形成されているランプＣの電圧変動発生時間は７４２時間であった。すなわち、クラックの形成により、電圧変動発生時間が１００時間程度長くなったことがわかる。

なお、細長穴内面にクラックを形成させる方法として、パルス放電加工において、通常よりも高いパルスを印加する上記方法以外に、細長穴の内面にレーザ照射を行い、局所的に加熱することで熱歪を誘起することもできる。ようは、細長穴の内面にクラックが形成されることで、陰極内部に存在するエミッターが表面拡散により先端部に供給できる構造であればよい。

細長穴は複数個あっても良く、それらの内、少なくとも1つにクラックが形成されていれば効果を発する。また、陰極先端部の円錐台側面に細長穴が形成されていても、細長穴側面にクラックが形成されていれば、効果を発する。

本発明は、水銀ランプに限定されるものではなく、水銀を含まないキセノンランプや、希ガスとしてキセノンを含むキセノン−水銀ランプなどショートアーク型放電ランプ全般に適用することができる。

１放電ランプ
１０発光管
１１発光部
１２封止部
２０陰極
２４細長穴
２５クラック
３０陽極

Claims

電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部を有するショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、該細長穴の表面近傍だけ温度を上昇させて、表面近傍と陰極内部との間に急激な温度差を作り出し、熱膨張量の差によって、当該細長穴の内表面に表面近傍から陰極内部に向かう幅５μｍ以下のクラックが形成されたことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。