(57)【要約】【課題】タングステンの陰極からアークに対して安定して電子放出物質を供給して照度変動を防ぐことができる陰極を備えるショートアーク型放電ランプを提供すること。【解決手段】発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、  前記陰極２０は、電子放射物質を含有するタングステン材よりなり、先端に向かうにしたがって小径となるテーパー部２４と、該テーパー部２４の先端側に形成された先端面２５と、該先端面から該陰極の内部を伸びる細穴２６とを備え、該細穴２６は、該先端面で２以上のタングステン結晶粒にまたがって形成されていることを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、電子放射物質を含有するタングステン材よりなり、
先端に向かうにしたがって小径となるテーパー部と、該テーパー部の先端側に形成された先端面と、該先端面から該陰極の内部を伸びる細穴とを備え、
該細穴は、該先端面で２以上のタングステン結晶粒にまたがって形成されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
【請求項２】
前記細穴の内面には、炭化タングステンの層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源、あるいは映写機やデジタルシネマなどの光源に適用されるショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀を封入したショートアーク型放電ランプは、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ランプは、映写機などにおいて可視光の光源として用いられている。近年ではデジタルシネマ用光源としても使用されている。
【０００３】
これらのショートアークランプにおいて、従来から陰極に電子放射物質（以下、単にエミッタともいう）を含有させたものが広く知られている。
また、エミッタを含有した陰極をもつランプとして、陰極にエミッタを供給するための細穴を設けたもの（特許文献１）が知られている。
図１は、ショートアーク型放電ランプ１を示す全体図であり、図７は、特許文献１のショートアーク型放電ランプに陰極を示す拡大断面図である。
図１において、ショートアーク型放電ランプ１の発光管１０はガラスよりなり、略球状の発光部１１と両端の封止部１２とを備えている。発光管１０内部に形成された空間Ｓには、一対の陰極２０と陽極３０が対向配置している。陰極２０および陽極３０は、先端の本体部に軸部２２、３２が嵌入されて構成されている。陰極２０の材料は、電子放射物質として酸化トリウムを含有するタングステンである。
【０００４】
図７に示すように、陰極２０は先端の本体部２１を備え、本体部２１の後端には軸部２２を嵌入するための嵌入孔２３が形成されている。本体部２１の先端には、平坦な先端面２５を有すると共に、この先端面２５に陰極の長手方向に伸びる細孔２６が形成されている。
この細穴２６の内部に導入されたエミッタが、この細穴２６の内周面における表面拡散を利用して、細穴８６から外部へ放出され、アークに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−９６９６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年、ランプが高出力化して大型化するにともなって、短時間で露光面における照度変動率が増大する問題が発生している。これは陰極側面から先端へのエミッタの供給が不足してくるために起こると考えられる。
本発明者らは、この問題を解決するために図７に示した陰極をもつショートアークランプを作製し、点灯試験を行った。特許文献1には陰極先端部に所定の穴を設けることでエミッタの表面拡散を増大させたものとあり、本構造をとることで、エミッタの供給不足を解消できることを期待した。ところが、このランプにおいても照度変動率が増大した。このランプを破壊して陰極を分析したところ、陰極先端に形成した細穴がなくなっていることがわかった。さらにこの陰極本体部を長手方向に切断して研磨し、観察したところ、１つの結晶粒が細穴の出口を塞いでいたことがわかった。一方、同仕様のランプの点灯試験を行い、照度変動率の増大が発生する前の状態で陰極を分析したところ、細穴は塞がりつつあったが、隙間が観察された。
すなわち、点灯時の陰極先端は高温になるので、熱移動によってタングステンの結晶粒が成長して細穴を塞いでしまい、エミッタが供給されないためにアークが不安定になったものと推測される。
【０００７】
以上により、本発明は、タングステンの陰極先端面に設けられた細穴の出口が、点灯によって閉塞することを防止することにより、アークに対して安定して電子放出物質を供給して照度変動を防ぐことができる陰極を備えるショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、陰極は、電子放射物質を含有するタングステン材よりなり、先端に向かうにしたがって小径となるテーパー部と、テーパー部の先端側に形成された先端面と、先端面から陰極の内部を伸びる細穴とを備え、細穴は、先端面で２以上のタングステン結晶粒にまたがって形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、細穴の内面には、炭化タングステンの層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、陰極の先端面において２以上の結晶をまたがるように細穴を設けることで、細穴が結晶粒の成長によって塞がりにくくなり、エミッタを陰極先端部に安定して供給することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、細穴の内周面に炭化層を設けることにより、酸化物であるエミッタを還元し、アークへの細穴を通しての供給量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ショートアーク型放電ランプ全体の概略構成を示す。
【図２】本発明の第一の実施形態にかかるショートアーク型放電ランプの陰極の部分説明図を示す。（ａ）は軸方向の断面図であり、（ｂ）は陰極を先端から長手方向にみたときの図である。
【図３】本発明の陰極における先端部について説明するための図である。
【図４】本発明の陰極の先端部に設ける細穴の位置について説明するための模式図である。
【図５】本発明のショートアークランプにかかる実験結果である。
【図６】本発明の第二の実施形態にかかるショートアーク型放電ランプの陰極の部分説明図を示す。
【図７】従来のショートアーク型放電ランプにかかる陰極の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。
本発明のショートアーク型放電ランプの発光管１０は、中央に位置する略球状に形成された発光部１１と両端に位置する柱状の封止部１２を備える。発光管１０の内部には、陰極２０の本体部２１と陽極３の本体部３１とが、互いに向き合って配置されるとともに、発光物質が封入されている。
【００１４】
陰極２０は、その先端側が、陽極３０の本体部３１に向かうにつれて次第に縮径するテーパー部を有する本体部２１と、この本体部２１の基端側に続く棒状の軸部２２とにより構成される。軸部２２の先端部は、本体部２１の基端側に形成された有底穴に嵌入されている。
陽極３０は、その先端側に丸みが形成された本体部３１と、この本体部３１の基端側に続く棒状の軸部３２とにより構成される。軸部３２の先端部は、本体部３１の基端側に形成された有底穴に嵌入されている。
なお、陰極２０および陽極３０は、各本体部２１、３１と各軸部２２、３２とが互いに別部材によって構成されるが、本体部と軸部とが一部材により一体に形成されていても良い。
【００１５】
陰極２０および陽極３０の材料には、タングステンが用いられる。このタングステン材には電子放射物質を含有させる。電子放射物質としては、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、またはランタノイド系の酸化物である、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（Ｃｅ２Ｏ３、またはＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化ジスプロシウム（Ｄｙ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、もしくは酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）などを好適に用いることができ、例えば酸化トリウムであれば２ｗｔ％程度の量がタングステンに含有される。これら電子放射物質を含有させると、電極の仕事関数が低下し、電子放出が容易になるという効果がある。
また、陰極先端はアークが触れるため、密度の低いタングステンは熱伝導が悪く高温になり、先端を消耗する。したがって、陰極に用いられるタングステン材としては、密度が１８ｇ/ｃｃ以上、好ましくは１９ｇ/ｃｃ以上のものが好ましい。
【００１６】
封入する主発光物質は、水銀であり、封入量は例えば１ｍｇ／ｃｃ以上である。水銀を封入した場合は、さらにその他に補助ガスとして希ガス、例えば、キセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガスのうちの何れか１種以上を０．０１〜1ＭＰａ（室温）封入しても良い。
または、封入する主発光物質は希ガスであり、例えば０．５ＭＰａ（室温）以上のキセノンガスが封入される。
【００１７】
両端の各封止部１２には、電極の軸部と電気的に接続された図示略のモリブデン箔が埋設されており、気密封止構造が形成される。封止部１２の外端からは、前述のモリブデン箔と電気的に接続された外部リード１３が突出しており、この外部リード１３に図示略の給電装置に接続されて電流供給が行われる。
なお、封止構造は上記に限定されるものではなく、主にキセノンを封入した映写機用の放電ランプの場合であれば、箔を使用せず、発光管に使用するガラスとは熱膨張係数が異なる段継ぎガラスによって、電極軸部が直接封止される。
【００１８】
図２は、本発明の第一の実施形態にかかるショートアーク型放電ランプの陰極を示す図であり、（ａ）は陰極の本体部を長手方向に沿って切断した断面図であり、（ｂ）は、この陰極本体の先端を長手方向で見たときの図である。
陰極２０の本体部２１は、軸部２２よりも大径の略円柱状であり、先端に向かうにしたがって小径となるテーパー部２４を備えている。テーパー部２４のさらに先端側は、例えば平面によって形成された先端面２５であり、この図の場合には本体部２１は円錐台状に形成されている。テーパー部２４のテーパー角は、４０〜９０°であり、例えば６０°である。
【００１９】
細穴２６は、先端面２５に開口端を有し、陰極２０の長手方向に沿って形成される。先端面２５の径（以下先端径ともいう）は、φ０．４〜φ３ｍｍであり、例えばφ１．２ｍｍである。細穴２６の内径（以下穴径ともいう）は、φ０．０８〜φ１ｍｍであり、例えばφ０．１ｍｍである。細穴２６の形状は、通常、断面円形状のものが作製しやすいが、断面矩形状であってもかまわない。
細穴は、その径が大きすぎる場合には先端面の面積が減少して、電流密度が上昇してしまい、陰極先端が温度上昇によって変形しやすくなったり、タングステンの結晶粒成長を促進したりするため、上記の範囲で形成されることが好ましい。
本体部２１の基端側には、軸部２２を嵌入するための嵌入孔２３が形成されて、軸部２２が嵌入される。
【００２０】
先端面２５とは、平面の他にも以下のような面であればよい。
図３には、先端面の他の例について説明するための陰極の断面拡大図を示す。
図３のように、陰極２０の先端には、球面による先端面２５が形成されている。この先端面２５にも同様に点灯中はアークが形成されるため、細穴２６を形成して、エミッタが安定して供給されることについて同様の効果を得ることができる。
【００２１】
陰極２０中に含有されるエミッタは、酸化物の形で金属中に存在する。エミッタは、高温部で還元されて、陰極の内部から粒界拡散や粒内拡散によって表面に移動するか、または表面拡散によって表面中を移動する。
細穴２６のない陰極２０では、テーパー部２４に析出したエミッタが表面拡散し、陰極２０の先端面２５に供給されるのであるが、先端近傍は高温のため多くのエミッタが先端面２５に供給されることなく消失する。消失することなく陰極２０の先端面２５に到達するエミッタも、テーパー部２４の表面に析出するエミッタ源が枯渇してくると供給が停滞してしまい、陰極先端への安定した供給ができなくなり、先端面２５でのエミッタ不足を引き起こす。
【００２２】
先端面２５内に細穴２６が設けられている場合には、細穴２６内の表面が先端面に対して連続しており、かつ細穴２６の開口は点灯時にアークが形成される場所でもある。そのため、細穴２６の内周面表面からアーク形成位置まで表面拡散、または気相拡散によってエミッタを供給することができる。
さらには、細穴２６内から供給されるエミッタは、必然的にアーク中に送り込まれることとなる。アーク中で蒸発したエミッタは、陽イオン化するために再び陰極に戻り、消失しにくくなる。
したがって、細穴２６は陰極本体部２１内部から陰極先端部にエミッタを供給するための経路となり、陰極２０の外表面ないし先端から供給する場合よりも、安定してエミッタを供給することができる。
【００２３】
なお、テーパー部２４に細穴を設けた場合には、ここから送出されるエミッタは前述の細穴２６のない陰極と同じ経緯をたどり、先端面２５でのエミッタ不足を引き起こす。
【００２４】
この細穴２６は、例えば内径φ０．１ｍｍ程度の非常に細い穴であり、前述のようにタングステンの熱移動によって結晶粒が成長し、塞がりやすい。そこで、本発明者らは、この細穴が塞がるという課題を解決するため、以下のような実験を行った。
まず、陰極の材料として、酸化トリウムが２ｗｔ％添加されたタングステンロッドを所定の長さに切り出し、先端径がφ１．２ｍｍ、テーパー角度６０°となるように切削した。続いて、この本体部を真空中で保持し、２０００℃以上で熱処理を施した。その後、陰極の先端面を、フェリシアン化カリウムと水酸化ナトリウムの水溶液を用いてエッチングして、結晶粒界を観察しやすくした。
細穴は、陰極の先端面で観察できる１つの結晶粒内のみに形成されるよう、位置を調整して放電加工を行い、穴径φ０．１ｍｍ、穴深さ５ｍｍの細穴を形成した陰極を作製した。
また、同様の手順により、陰極の先端面において、細穴が２〜４粒の結晶粒をまたがるように、位置を調整して放電加工を行い、穴径φ０．１ｍｍ、穴深さ５ｍｍの細穴を形成した陰極を作製した。
【００２５】
図４は、陰極２０の先端面２５に設けた細穴２６の位置について説明するための模式図である。
この図において、正面に見えているのは図２（ｂ）に示した陰極の先端面２５の表面を拡大した様子であり、先端面２５の中心近傍には細穴２６が設けられている。先端面２５上を錯綜する不規則な線は、タングステン結晶粒の粒界を表現したものである。
タングステンよりなる陰極２０は、このように複数の金属結晶粒の塊であり、表面にも粒界が露出しているものである。
図４（ｂ）は、先端面２５において、１つの結晶にまたがる細穴２６を示す図である。細穴２６は、１つの結晶粒Ｇ３内のみに形成されており、他の結晶粒に対してまたがっていない。
図４（ａ）は、先端面２５において、２つの結晶にまたがる細穴２６を示す図である。細穴２６は、結晶粒Ｇ１とＧ２と、そのあいだに形成された結晶粒界ＧＢ１にまたがって形成されている。
【００２６】
これらの陰極を用いて、水銀封入量４ｍｇ／ｃｃのランプを作製し、ランプ入力電力５．５ｋＷで点灯寿命テストを実施した。ランプ点灯中に照度変動が生じた場合、ランプ電圧も変動するので、簡易的に電圧変動が発生するまでの時間を評価した。
図５は、それぞれのランプにおいて、細穴が先端面でまたがる結晶の数と、点灯寿命テストにおける点灯開始から電圧変動発生までの時間との関係を示す表である。
ランプ１、２はまたがる結晶の数が１であり、すなわち結晶粒界を介して2以上の結晶粒をまたがらない細穴が形成された陰極をもつランプである。ランプ３、４、５は複数の結晶をまたがる細穴が形成された陰極をもつランプである。図５に示すように、ランプ１、２はともに、６３７時間、５１２時間で電圧変動が生じ、ランプ３、４、５は１２００時間を経過しても電圧変動が生じなかった。したがって、細穴を形成する位置によって、照度変動寿命で２倍以上の差があることがわかる。
【００２７】
テスト終了後、ランプ１、２の陰極を取り出して先端面を観察したところ、細穴は塞がっていた。これらの陰極を長手方向に切断し、研磨して観察したところ、細穴の開口端は１つの結晶粒で覆われていた。
一方、ランプ３の先端面も同様に観察したところ、細穴は粒界を残して塞がっているように見えた。この陰極も同様に長手方向に切断して観察したところ、結晶が細穴の開口端を覆いつつあったが、粒界と思われる、細穴内部から陰極外部に連通する隙間が観察された。
以上のことから、１つの結晶粒内のみに細穴を設けた場合には、熱移動による結晶成長によって細穴の開口が塞がれ、エミッタが供給されず、アークが不安定になって早期に電圧変動が生じたものと思われる。
一方、細穴が２つ以上の結晶粒にまたがっている場合は、それぞれの結晶が成長して細穴が塞がるように肥大化するものの、結晶粒界が存在するために互いの結晶粒は一体化しにくく、さらに、その隙間を介してエミッタが供給されるため、アークが安定し、電圧変動が生じないものと思われる。
【００２８】
以上により、本発明において、エミッタを含有するタングステン陰極に形成される細穴は、先端面で２以上のタングステン結晶粒にまたがって形成されていることにより、細穴が完全に塞がらず、エミッタを供給してアークを安定化することができる。
【００２９】
上記のような陰極を作製する方法として、例えば以下に説明する方法でも作製できる。
まず、陰極の本体部の材料として、エミッタが添加されたタングステンロッドを所定の長さに切り出す。
次に、タングステンロッドの先端に、先端面とテーパー角を、切削により形成する。その後、先に先端面に放電加工によって先端面の中央近傍に細穴を設ける。細穴の穴径はφ０．０８〜φ1である。この段階で、陰極の本体部の形状に関しては完成する。
続いて、この本体部を真空中で保持し、２０００℃以上で熱処理を施す。すると、この熱処理によって、結晶粒が再結晶を起こしてある程度肥大化するが、熱処理前に細穴を形成するので、熱処理後も結晶粒が粒界をまたいだ状態となる。
このように、熱処理前に細穴を形成することで、細穴形成位置を調整せずとも、２以上の結晶粒にまたがる細穴を形成することが出来る。
【００３０】
図６に本発明の第ニの実施形態にかかるショートアーク型放電ランプの陰極を示す断面図である。この図においては、炭化層２７が設けられている点のみが図２（ａ）と相違するので、説明を省略する。
図６（ａ）において、陰極本体部２１に設けられた細穴２６の内周面には炭化層２７が形成されている。この炭化層２７は、陰極の材料であるタングステンを炭化することによって設けられる炭化タングステンの層である。
陰極に添加されるエミッタは酸化物であるので、エミッタとして動作するために還元される必要がある。還元は、通常、高温部で行われるが、この炭化タングステン層では炭素によって比較的低温で酸化物エミッタが還元されるので、エミッタを速やかに供給することができる。
図６（ｂ）においては、炭化層２７が細穴２６の先端近傍には形成されておらず、非炭化層２８となっている。これは、炭化タングステンは融点が低いため、アークによって溶融してしまうことを防ぐためである。
【００３１】
また、陰極本体部２１のテーパー部２４のような外表面に炭化層２７を設けることは好ましくない。外表面の炭化タングステン層で還元されたエミッタが離脱して発光空間内に放出されると、白濁の原因になるためである。
【００３２】
上記の陰極によれば、酸化物であるエミッタの酸素を還元して、アーク中に直接供給することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１          放電ランプ
１０        発光管
１１        発光部
１２        封止部
１３        外部リード
２０        陰極
２１        本体部
２２        軸部
２３        嵌入孔
２４        テーパー部
２５        先端面
２６        細穴
２７        炭化層
２８        非炭化層
３０        陽極
３１        本体部
３２        軸部
８１        本体部
８３        嵌入孔
８４        テーパー部
８５        先端面
８６        細穴
Ｇ１        結晶粒
Ｇ２        結晶粒
Ｇ３        結晶粒
ＧＢ１      粒界
Ｓ          発光空間
【図１】
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【図２】
2010232023.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010232023.tif 000007
【図６】
2010232023.tif 000008
【図７】
2010232023.tif 000009