JP5115396B2 - 放電ランプ用陰極および放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、エミッター物質を含有し、外表面に炭化物層が形成されてなる放電ランプ用陰極およびこれを備えた放電ランプに関するものである。

キセノンランプや、ショートアーク型高圧水銀ランプなどの放電ランプは、ＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技術を利用した映写機や、半導体露光装置、液晶露光装置またはプリント基板露光装置などの光源として用いられている。これらの放電ランプは直流電源によって点灯され、点灯中においては、陰極から陽極に向かって電子が放射される。
このような放電ランプにおいては、電極が例えばタングステン等の高融点金属により構成され、陰極から安定して電子を放射するために、陰極中に二酸化トリウム等の金属酸化物よりなるエミッター物質が含有されている。このエミッター物質は、放電ランプの点灯によって加熱された陰極中において、当該陰極を構成するタングステンによる還元作用により、当該エミッター物質を構成する金属酸化物から金属原子が取り出され、この金属原子がエミッターとして作用するものである。
また、エミッター物質を構成する金属酸化物から、金属原子を高い効率で取り出して電子が放射される陰極の先端に安定して供給するために、陰極における先端部に続く領域の外表面を炭化処理することにより、例えばタングステンカーバイドよりなる炭化物層を形成する手段が知られている（特許文献１乃至特許文献３参照。）。

而して、近年、放電ランプにおいては、より一層の高輝度化の要請がある。そして、高輝度の放電ランプを得る手段としては、電極間の距離を短くする手段が考えられる。
しかしながら、このような放電ランプにおいては、点灯中に電極間に高電流が流れることにより、陰極が極めて高い温度に加熱され、陰極中に含有するエミッター物質が蒸発して早期に減少または枯渇するため、電子が陰極から安定して放射されず、その結果、フリッカーと称される放射光のちらつきが早期に発生する、という問題がある。

特公平５−８６０２６号公報 特開平１０−２８３９２１号公報 特開２０００−２１３４９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光が放射される放電ランプを得ることができる放電ランプ用陰極およびこれを備えた放電ランプを提供することにある。

本発明の放電ランプ用陰極は、エミッター物質を含有し、外表面に炭化物層が形成されてなる放電ランプ用陰極において、
前記炭化物層は、当該放電ランプ用陰極における先端部に続く領域に形成され、
当該炭化物層が形成された領域には、当該放電ランプ用陰極の先端に向かって伸びる複数の溝が形成されており、炭化物層が形成されていない前記先端部には溝が形成されていないことを特徴とする。

本発明の放電ランプ用陰極においては、複数の溝は、互いに離間して形成されていることが好ましい。
また、炭化物層は、その厚みが溝の深さより小さいものであることが好ましい。

本発明の放電ランプは、上記の放電ランプ用陰極を備えてなることを特徴とする。

本発明の放電ランプ用陰極によれば、炭化物層が形成された領域に、当該放電ランプ用陰極の先端に向かって伸びる複数の溝が形成されていることにより、エミッター物質の蒸発が抑制されるため、当該エミッター物質が早期に減少または枯渇することがなく、従って、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光が放射される放電ランプを得ることができる。
また、複数の溝が互いに離間して形成されることにより、炭化物層が欠損することが防止または抑制されるので、溝の形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。
また、溝の深さより小さい厚みの炭化物層を形成することにより、溝以外の部分（頂部）に形成された炭化物層が欠損することが抑制されるので、溝の形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る放電ランプ用陰極の一例における構成を示す説明図、図２は、図１に示す放電ランプ用陰極を先端側から見た説明図、図３は、図１に示す放電ランプ用陰極のＡ−Ａ断面図である。
この放電ランプ用陰極（以下、単に「陰極」ともいう。）１０は、その基材が高融点金属例えばタングステンにエミッター物質が含有（ドープ）されてなり、外表面には炭化物層（図示省略）が形成されて構成されている。
また、陰極１０は、その先端Ｐが平坦面とされ、この先端Ｐに向かうに従って小径となる円錐台状の第１のテーパ部１１と、この第１のテーパ部１１に連続して一体に形成された、第１のテーパ部１１に向かうに従って小径となる円錐台状の第２のテーパ部１２と、この第２のテーパ部１２に連続して一体に形成された円柱状の胴部１３とよりなり、第２のテーパ部１２は、その中心軸に対する外表面の傾斜角度が第１のテーパ部１１に比して小さいものとされている。このように、２段のテーパ部を形成することにより、旋盤によって後述する溝Ｄを第２のテーパ部１２に形成するときには、旋盤または陰極１０を上方または下方に移動させる必要がなく、第２のテーパ部１２の斜面に沿って旋盤を相対的に移動させればよいので、当該第２のテーパ部１２に容易に溝Ｄを形成することができ、また、放電ランプの点灯中において、輝点の膨張・収縮を抑制することができる。
炭化物層は、陰極１０の先端部１０Ａに続く領域、具体的には、第１のテーパ部１１の基端部分および第２のテーパ部１２の外表面の領域に形成されている。一方、陰極１０の先端部１０Ａの外表面には、炭化物層が形成されていない。
そして、陰極１０の外表面には、炭化物層が形成された領域、具体的には、第１のテーパ部１１の基端部分から第２のテーパ部１２を介して胴部１３の先端側部分（第２のテーパ部１２側の部分）に達する領域に、先端Ｐに向かって直線状に伸びる複数のＶ字状の溝Ｄが、互いに等間隔で離間して形成されている。
ここで、陰極１０における炭化物が形成されていない先端部１０Ａには、溝Ｄが形成されていないことが好ましい。陰極１０の先端部１０Ａに溝Ｄが形成されている場合には、安定したアークが形成されず、放射光のちらつきの原因となる恐れがある。

陰極１０の基材中のエミッター物質は、酸化トリウム、酸化バリウム、酸化ランタン、或いは酸化ランタンと酸化ジルコニウムとの複合酸化物などの１種類または複数種類の金属の酸化物の形態で含有される。
陰極１０に形成された溝Ｄの数は、例えば２０〜７０本である。
また、各溝Ｄの深さは、例えば６０〜５００μｍである。
また、陰極１０における炭化物層が形成されていない先端部の長さは、例えば１〜４ｍｍである。

炭化物層は、陰極１０を構成する基材の外表面を炭化処理することにより形成することができる。
この炭化物層は、その厚みが大きいほど、エミッター物質を構成する金属酸化物から金属原子が取り出されて陰極１０の先端部に供給されやすくなるが、炭化物層の厚みは、溝Ｄの厚みより小さいことが好ましい。これは、陰極１０の基材である高融点金属例えばタングステンの強度より、その炭化物例えばタングステンカーバイドの強度が低いため、炭化物層の厚みが溝Ｄの厚さより大きい場合には、溝Ｄ以外の部分（頂部）に形成された炭化物層が欠損しやすくなるためである。
また、炭化物層の好ましい厚みは、例えば３０〜１００μｍである。ここで、炭化物層の厚みは、陰極１０の切断面を研磨し、エンチング液によってエッチング処理した後、走査電子顕微鏡等を用いて測定することができる。

この陰極１０における各部の寸法等の一例を挙げると、以下の通りである。
陰極１０は、全長が１８ｍｍ、第１のテーパ部１１における軸方向の長さが４ｍｍ、第２のテーパ部１２における軸方向の長さが９ｍｍ、胴部１３における軸方向の長さが５ｍｍ、先端Ｐの径が０．６ｍｍ、胴部１３の径が１０ｍｍ、第１のテーパ部１１における中心軸に対する外表面の傾斜角度が６０°、第２のテーパ部１２における中心軸に対する外表面の傾斜角度が３０°であり、幅が０．５ｍｍ、深さが０．４ｍｍの２４本の溝Ｄが周方向に等間隔（中心軸に対して１５°となる間隔）で離間して形成されている。また、炭化物層は、先端Ｐから３ｍｍの位置から第２のテーパ部１２の基端にわたって形成され、その厚みは３０μｍである。

このような陰極１０によれば、炭化物層が形成された領域に、当該陰極１０の先端に向かって伸びる複数の溝Ｄが形成されていることにより、エミッター物質の蒸発が抑制される。これは、溝Ｄ内においては、陰極１０の外表面に囲まれており、当該陰極１０の表面積が大きいことから、一旦蒸発したエミッター物質が再度陰極１０にトラップされ、溝Ｄに沿って陰極１０の先端部に供給されるためと考えられる。その結果、陰極１０中のエミッター物質が早期に減少または枯渇することがなく、従って、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光が放射される放電ランプを得ることができる。
また、複数の溝Ｄが互いに離間して形成されているため、陰極１０の外表面には、先尖状の部分が形成されることが回避され、これにより、炭化物層が欠損することが防止または抑制されるので、溝Ｄの形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。
また、溝Ｄの深さより小さい厚みの炭化物層を形成することにより、溝Ｄ以外の部分（頂部）に形成された炭化物層が欠損することが抑制されるので、溝の形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。

図４は、本発明に係る放電ランプ用陰極の他の例における構成を示す説明図、図５は、図４に示す放電ランプ用陰極を先端側から見た説明図である。
この陰極１０は、その先端Ｐが平坦面とされ、この先端Ｐに向かうに従って小径となる円錐台状のテーパ部１４と、このテーパ部１４に連続して一体に形成された円柱状の胴部１３とにより構成されている。
陰極１０の外表面には、当該陰極１０の先端部１０Ａに続く領域、具体的には、テーパ部１４の中央部分および基端部分の外表面の領域に、炭化物層（図示省略）が形成されている。一方、陰極１０の先端部１０Ａの外表面には、炭化物層が形成されていない。
そして、陰極１０の外表面には、炭化物層が形成された領域、具体的には、テーパ部１４の中央部分から胴部１３の先端側部分（テーパ部１４側の部分）に達する領域に、先端Ｐに向かって直線状に伸びる複数のＶ字状の溝Ｄが、互いに等間隔で離間して形成されている。
その他の具体的な構成は、図１に示す陰極１０と同様である。

この陰極１０における各部の寸法等の一例を挙げると、以下の通りである。
陰極１０は、全長が１８ｍｍ、テーパ部１４における軸方向の長さが１３ｍｍ、胴部１３における軸方向の長さが５ｍｍ、先端Ｐの径が０．６ｍｍ、胴部１３の径が１０ｍｍ、テーパ部１４における中心軸に対する外表面の傾斜角度が４０°であり、幅が０．５ｍｍ、深さが０．４ｍｍの２０本の溝Ｄが周方向に等間隔（中心軸に対して１８°となる間隔）で離間して形成されている。また、炭化物層は、先端Ｐから３ｍｍの位置からテーパ部１４の基端にわたって形成され、その厚みは３０μｍである。

このような陰極１０によれば、炭化物層が形成された領域に、陰極１０の先端に向かって伸びる複数の溝Ｄが形成されていることにより、エミッター物質の蒸発が抑制されるため、当該エミッター物質が早期に減少または枯渇することがなく、従って、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光が放射される放電ランプを得ることができる。
また、複数の溝Ｄが互いに離間して形成されることにより、炭化物層が欠損することが防止または抑制されるので、溝Ｄの形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。
また、溝Ｄの深さより小さい厚みの炭化物層を形成することにより、溝Ｄ以外の部分（頂部）に形成された炭化物層が欠損することが抑制されるので、溝Ｄの形状が維持されてエミッター物質の蒸発が確実に抑制されると共に、長時間にわたって安定して電子を放射することができる。

図６は、本発明に係る放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。
この放電ランプ２０は、例えば石英ガラスよりなる発光管２１を有する。この発光管２１は、楕円球管状の発光部２２の両端の各々に、直管状の封止部２３が形成されて構成されている。発光管２１の発光部２２内には、本発明に係る陰極１０と、例えばタングステンよりなる陽極１５とが互いに離間して対向するよう管軸方向に沿って配置されている。陰極１０および陽極１５の各々は、リード棒２４によって支持されている。これらのリード棒２４は、発光部２２内から管軸方向に沿って伸び、封止部２３内を通過して当該封止部２３の外端部から外方に突出するよう配置されている。また、これらのリード棒２４は、封止部２３内に固定されて配置された例えば石英ガラスよりなる保持用筒体２５に挿通されて保持されると共に、封止部２３の外端部に形成された段継部２６によって封止部２３に封着されている。

このような放電ランプ２０によれば、本発明の陰極１０が設けられているため、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光を放射することができる。
このような放電ランプ２０は、ＤＬＰ（登録商標）技術を利用した映写機や、半導体露光装置、液晶露光装置またはプリント基板露光装置などの光源として好適に利用することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明においては種々の変更を加えることが可能である。
例えば、溝Ｄは、Ｖ字状のものに限定されず、Ｕ字状、その他の形状であってもよい。 また、溝Ｄは、直線状に形成されることは必須ではなく、例えば図７に示すように、陰極１０の先端Ｐに向かって螺旋状に伸びるよう形成されていてもよい。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

〈実施例〉
図１に示す構成に従い、タングステンに二酸化トリウムがドープされた基材よりなり、全長が１８ｍｍ、第１のテーパ部（１１）における軸方向の長さが４ｍｍ、第２のテーパ部（１２）における軸方向の長さが９ｍｍ、胴部（１３）における軸方向の長さが５ｍｍ、先端（Ｐ）の径が０．６ｍｍ、胴部（１３）の径が１０ｍｍ、第１のテーパ部（１１）における中心軸に対する外表面の傾斜角度が６０°、第２のテーパ部（１２）における中心軸に対する外表面の傾斜角度が３０°であり、幅が０．５ｍｍ、深さが０．４ｍｍの２４本の溝Ｄが周方向に等間隔（中心軸に対して１５°となる間隔）で離間して形成され、基材が炭化処理されることによって、厚みが３０μｍの炭化物層が、先端（Ｐ）から３ｍｍの位置から第２のテーパ部（１２）の基端にわたって形成されてなる陰極（１０）を作製した。
そして、この陰極（１０）を用い、図６に示す構成に従って、下記の仕様の放電ランプ（２０）を作製した。
発光管（２１）：石英ガラス製，全長２５０ｍｍ，発光部（２２）；長さ８０ｍｍ，最大内径５４ｍｍ，最大外径６０ｍｍ，発光部（２２）内の容積１１２ｍｍ³ ，封止部（２３）；陽極側の外径φ２６ｍｍ，陽極側の内径２１ｍｍ，陰極側の外径φ２２．５ｍｍ，陰極側の内径１７．５ｍｍ，封止部（２３）の縮径部；外径φ１６ｍｍ，内径１１ｍｍ
陽極（１５）：タングステン製，全長３１ｍｍ，先端の径６ｍｍ，胴部の径２０ｍｍ，電極間距離：４．５ｍｍ
リード棒（２４）：タングステン製，全長；陽極側１１４ｍｍ，陰極側９６ｍｍ，外径６ｍｍ
封入物：キセノンガス

上記の放電ランプ（２０）を４ｋＷの電力で２時間点灯した後、３０分間消灯し、この点灯・消灯のサイクルを繰り返して行い、フリッカーが発生するまでの総点灯時間を測定したところ、６３０時間であった。
なお、フリッカーは、放電ランプ（２０）に印加した電圧が１．２Ｖ以上変動したときに発生したものとみなした。

〈比較例〉
溝（Ｄ）を形成しなかったこと以外は上記の実施例と同様の構成の陰極を作製し、この陰極を用いたこと以外は上記の実施例と同様の仕様の陰極および放電ランプを作製した。そして、この放電ランプについて、上記の実施例と同様にしてフリッカーが発生するまでの総点灯時間を測定したところ、４８０時間であった。

以上のように、実施例に係る陰極（１０）によれば、早期に放射光のちらつきが発生することがなく、長時間安定した光が放射される放電ランプ（２０）が得られることが確認された。

本発明に係る放電ランプ用陰極の一例における構成を示す説明図である。 図１に示す放電ランプ用陰極を先端側から見た説明図である。 図１に示す放電ランプ用陰極のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る放電ランプ用陰極の他の例における構成を示す説明図である。 図４に示す放電ランプ用陰極を先端側から見た説明図である。 本発明に係る放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。 本発明に係る放電ランプ用陰極の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 陰極
１０Ａ 先端部
１１ 第１のテーパ部
１２ 第２のテーパ部
１３ 胴部
１４ テーパ部
１５ 陽極
２０ 放電ランプ
２１ 発光管
２２ 発光部
２３ 封止部
２４ リード棒
２５ 保持用筒体
２６ 段継部
Ｄ 溝
Ｐ 先端

Claims (4)

1. エミッター物質を含有し、外表面に炭化物層が形成されてなる放電ランプ用陰極において、
   前記炭化物層は、当該放電ランプ用陰極における先端部に続く領域に形成され、
   当該炭化物層が形成された領域には、当該放電ランプ用陰極の先端に向かって伸びる複数の溝が形成されており、炭化物層が形成されていない前記先端部には溝が形成されていないことを特徴とする放電ランプ用陰極。
2. 複数の溝は、互いに離間して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用陰極。
3. 炭化物層は、その厚みが溝の深さより小さいものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電ランプ用陰極。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の放電ランプ用陰極を備えてなることを特徴とする放電ランプ。

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