(57)【要約】【課題】エミッタ部材中に含有されたエミッタ物質を効率よく利用することができ、従って、長い使用寿命が得られるショートアーク型放電ランプを提供する。【解決手段】本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなり、前記陰極は、電極ヘッドと、この電極ヘッドの先端部に埋設保持されたエミッタ部材とを有してなり、前記陰極における前記電極ヘッドの先端部には、当該電極ヘッドの外面から前記エミッタ部材の表面に通ずる連通路が形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
2013020703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなり、  前記陰極は、電極ヘッドと、この電極ヘッドの先端部に埋設保持された、エミッタ物質を含有してなるエミッタ部材とを有してなり、
前記陰極における前記電極ヘッドの先端部には、当該電極ヘッドの外面から前記エミッタ部材の表面に通ずる連通路が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】
前記陰極における前記電極ヘッドの先端部は、多数の孔を有する、２０℃の空気による通気率が０．００１〜１０ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）の金属焼結体よりなり、当該金属焼結体の孔によって前記連通路が形成さ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。
【請求項３】
前記エミッタ部材は、トリエーテッドタングステンよりなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項４】
前記陰極における前記電極ヘッドの先端部には、炭素または炭化物が含有されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか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、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されてなるショートアーク型放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体素子、液晶表示素子等の製造工程に用いられる露光装置や、種々の映写機においては、光源としてショートアーク型放電ランプが用いられている。このショートアーク型放電ランプは、発光管内に陽極および陰極が互いに対向して配置されると共に、当該発光管内に、水銀、キセノンガス等の発光物質が封入されて構成されている。
このようなショートアーク型放電ランプにおいては、陰極には、当該陰極から電子を放射しやすくするために、例えば酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）などのエミッタ物質が用いられている。このようなエミッタ物質は、陰極を構成する高融点金属例えばタングステン中に含有されるが、トリウム（Ｔｈ）は放射性元素であるため、その使用量を抑制することが要請されることから、例えば陰極における電極ヘッドの先端部に、エミッタ物質を含有してなる柱状のエミッタ部材が、その先端表面が当該電極ヘッドの先端面に露出した状態で埋設保持されてなるショートアーク型放電ランプが提案されている（特許文献１参照。）。
このようなショート型放電ランプにおいては、その点灯によって陰極が加熱されると、エミッタ部材中に含有されたエミッタ物質が還元されて金属原子が取り出され、この金属原子が、エミッタ部材を構成する基材中を拡散して当該エミッタ部材の表面に供給されることによってエミッタとして作用される。
【０００３】
しかしながら、上記の構成のショートアーク型放電ランプにおいては、以下のような問題がある。
陰極におけるエミッタ部材は、その周側面が電極ヘッドの先端部に覆われている、すなわち、エミッタ部材の先端表面しか放電空間に露出しておらず、また、ランプの点灯中においては、陰極はその先端から後端に向かうに従って温度が低くなるため、エミッタ部材における先端部分以外の部分に含有されたエミッタ物質が有効に機能せず、従って、エミッタ部材の先端部分に含有されたエミッタ物質が消失すると、フリッカなどが発生するため、長い使用寿命が得られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭３６−２０９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、エミッタ部材中に含有されたエミッタ物質を効率よく利用することができ、従って、長い使用寿命が得られるショートアーク型放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のショートアーク型放電ランプは、発光管と、この発光管内に互いに対向して配置された陽極および陰極とを備えてなり、
前記陰極は、電極ヘッドと、この電極ヘッドの先端部に埋設保持された、エミッタ物質を含有してなるエミッタ部材とを有してなり、
前記陰極における前記電極ヘッドの先端部には、当該電極ヘッドの外面から前記エミッタ部材の表面に通ずる連通路が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のショートアーク型放電ランプにおいては、前記陰極における前記電極ヘッドの先端部は、多数の孔を有する、２０℃の空気による通気率が０．００１〜１０ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）の金属焼結体よりなり、当該金属焼結体の孔によって前記連通路が形成されていることが好ましい。
また、前記エミッタ部材は、トリエーテッドタングステンよりなることが好ましい。
また、前記陰極における前記電極ヘッドの先端部には、炭素または炭化物が含有されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のショートアーク型放電ランプによれば、陰極の電極ヘッドにおけるエミッタ部材の周囲に位置する先端部には、当該電極ヘッドの外面から当該エミッタ部材の表面に通ずる連通路が形成されていることにより、エミッタ部材の先端部分以外の部分に含有されたエミッタ物質から取り出された金属原子が、電極ヘッドに形成された連通路を介して当該電極ヘッドの表面に供給されることによってエミッタとして作用するので、エミッタ部材中に含有されたエミッタ物質を効率よく利用することができ、従って、長い使用寿命が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のショートアーク型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。
【図２】図１に示すショートアーク型放電ランプにおける陰極の構成を示す説明用断面図である。
【図３】図２に示す陰極の製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るショートアーク型放電ランプの構成を示す説明用断面図である。
このショートアーク型放電ランプの発光管１０は、例えば石英ガラスよりなるものであって、内部に放電空間Ｓを形成する外形が略球状の発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部１２および他方の封止部１３とを有する。
【００１１】
この発光管１０における発光部１１内には、高融点金属よりなる電極芯棒２５の先端部に高融点金属よりなる略柱状の電極ヘッド２１が保持されてなる陽極２０と、高融点金属よりなる電極芯棒３５の先端部に高融点金属よりなる電極ヘッド３１が保持されてなる陰極３０とが互いに対向するよう配置されている。陽極２０における電極芯棒２５は、その基端部分が一方の封止部１２に埋設されることによって当該一方の封止部１２に支持されている。また、陰極３０における電極芯棒３５は、その基端部分が他方の封止部１３に埋設されることによって当該他方の封止部１３に支持されている。
また、発光管１０の発光部１１内には、例えば、水銀、キセノンガス等の希ガスなどの発光物質が封入されている。
【００１２】
発光管１０における一方の封止部１２および他方の封止部１３の各々の内部には、モリブデンよりなる金属箔１４，１５が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。一方の封止部１２に埋設された金属箔１４の一端には、陽極２０における電極芯棒２５の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔１４の他端には、一方の封止部１２の外端から外方に突出する外部リード１６が溶接されて電気的に接続されている。また、他方の封止部１３に埋設された金属箔１５の一端には、陰極３０における電極芯棒３５の基端が溶接されて電気的に接続されており、当該金属箔１５の他端には、他方の封止部１３の外端から外方に突出する外部リード１７が溶接されて電気的に接続されている。  また、この例のショートアーク型放電ランプには、一方の封止部１２および他方の封止部１３の各々の端部に、口金１８，１９が設けられている。
【００１３】
陽極２０において、電極ヘッド２１は、先端に向かって小径となるテーパ状の先端部２１Ｔを有する。陽極２０における電極ヘッド２１および電極芯棒２５を構成する高融点金属としては、タングステンを用いることが好ましい。
【００１４】
陰極３０において、電極ヘッド３１は、先端に向かって小径となるテーパ状の先端部３１Ｔを有し、当該先端部３１Ｔには、柱状のエミッタ部材３２が埋設されている。具体的に説明すると、エミッタ部材３２は、テーパ状の先端部３２Ｔを有し、当該先端部３２Ｔの表面が露出した状態で電極ヘッド３１の先端部３１Ｔに埋設保持されている。
【００１５】
また、陰極３０における電極ヘッド３１の先端部３１Ｔには、電極ヘッド３１の外面からエミッタ部材３２の表面に通ずる連通路３１Ｈが形成されている。具体的に説明すると、電極ヘッド３１は、多数の孔を有する金属焼結体により構成されており、この金属焼結体の有する多数の孔によって連通路３１Ｈが形成されている。
【００１６】
電極ヘッド３１を構成する金属焼結体は、２０℃の空気による通気率が０．００１〜１０ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であることが好ましく、より好ましくは０．０１〜５ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）である。この通気率が過小である場合には、連通孔を通るエミッタ物質からのガス例えばトリウムガスの速度が極端に遅くなり、その結果、陰極３０の先端へのトリウムの供給が不十分となり、アーク安定性の低下を招くこととなる。一方、この通気率が過大である場合には、電極ヘッド３１の気孔率が大きくなり、電極ヘッド３１としての強度が低くなる結果、ランプの点灯中において、電極ヘッド３１の表面からその一部が欠け落ちたり、電極ヘッド３１が高温となって変形したりすることがある。
ここで、通気率は、試料を通過したガス（２０℃の空気）の体積をＱ（ｃｍ3 ）、試料の厚み（ガスの通過距離）をＤ（ｃｍ）、試料をガスの通過方向に垂直な面で切断したときの断面積をＡ（ｃｍ2 ）、試料のガス導入面とガス排出面とのガス圧力差をＰ（ｃｍＨ2 Ｏ）、体積Ｑのガスが試料を通過するのに要した時間をＴ（ｓｅｃ）としたとき、下記の式によって求められるものである。
式：通気率＝（Ｑ×Ｄ）／（Ａ×Ｐ×Ｔ）
【００１７】
陰極３０における電極ヘッド３１および電極芯棒３５を構成する高融点金属としては、タングステンを用いることが好ましい。
また、陰極３０における電極ヘッド３１の先端部３１Ｔには、例えば１〜１０質量％の割合で炭素若しくは炭化物が含有されていることが好ましい。炭素の具体例としては、カーボンブラックが挙げられ、炭化物の具体例としては、ＷＣ、Ｗ2 Ｃ、ＴａＣ，Ｔａ2 Ｃ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ，ＭｏＣ，Ｍｏ2 Ｃなどが挙げられる。
電極ヘッド３１の先端部３１Ｔに炭素若しくは炭化物が含有されることにより、エミッタ部材３２から蒸発したエミッタ物質を構成する酸化物が、電極ヘッド３１の連通路３１Ｈを通る間に還元作用を受けて活性化したり、あるいは炭化物のＣがエミッタ部材３２の内部に拡散し、エミッタ物質を構成する酸化物を還元したりすることによって、金属原子として表面に拡散移動するため、使用寿命が一層長いランプが得られる。
【００１８】
エミッタ部材３２は、基材中にエミッタ物質が含有されてなるものである。このようなエミッタ部材３２の材質としては、タングステンなどの高融点金属中に、酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）、酸化ランタン（Ｌａ2 Ｏ3 ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）、バリウム系化合物、アルミネート系化合物、またはジルコネート系化合物などのエミッタ物質が含有されてなるものを用いることができる。これらの中では、タングステン中に、ＴｈＯ2 が含有されてなるトリエーテッドタングステンを用いることが好ましい。
エミッタ部材３２におけるエミッタ物質の含有割合は、０．５〜５質量％であることが好ましい。
【００１９】
また、エミッタ部材３２は、その表面が炭化処理されていることが好ましく、これにより、エミッタ物質を構成する金属化合物から、金属原子を高い効率で取り出して当該エミッタ部材３２の表面に安定して供給することができる。
また、エミッタ部材３２の表面には、溝または突条が形成されていてもよい。このような構成によれば、エミッタ部材３２の表面積が大きくなるため、当該エミッタ部材３２におけるエミッタ物質から取り出される金属原子を、当該エミッタ部材３２の表面に効率よく供給することができると共に、エミッタ部材３２が電極ヘッド３１から脱落することを防止することができる。
【００２０】
このような陰極３０は、例えば以下のようにして作製することができる。
先ず、図３（ａ）に示すように、形成すべき陰極３０の形状に対応する成型用凹所４１を有する陰極製造用型４０を用意し、この陰極製造用型４０の成型用凹所４１内にエミッタ部材３２を配置する。次いで、図３（ｂ）に示すように、陰極製造用型４０の成型用凹所４１内に、例えばタングステン粉末などの金属粉末およびバインダーを含有してなる電極ヘッド形成用材料３１Ｂを投入して堆積させる共に、電極芯棒３５の先端部を、堆積した電極ヘッド形成用材料３１Ｂ中に進入させ、その後、図３（ｃ）に示すように、プレス部材４５によって加圧することにより、エミッタ部材３２および電極芯棒３５が保持されてなる圧粉成型体３１Ａが形成される。
そして、圧粉成型体３１Ａに対して、必要に応じて水素ガス雰囲気下において加熱による脱脂処理を施した後、焼成処理をすることにより、図２に示す陰極３０が得られる。
【００２１】
以上において、電極ヘッド形成用材料３１Ｂを構成する金属粉末としては、平均粒径が１〜１０μｍのものを用いることが好ましい。
また、電極ヘッド形成用材料３１Ｂに含有されるバインダーとしては、ステアリン酸、ポリビニルアルコールなどを用いることができる。
また、圧粉成型体３１Ａの脱脂処理における処理温度は、例えば５００〜１０００℃である。
また、圧粉成型体３１Ａの焼結処理における処理温度は、用いられる金属粉末の材質にもよるが、タングステン粉末を用いる場合には、１５００〜２５００℃であることが好ましい。この処理温度が１５００℃未満である場合には、得られる金属焼結体はその強度が低いものとなるおそれがある。一方、この処理温度が２５００℃を超える場合には、得られる金属焼結体はその通気率が低いものとなるおそれがある。
【００２２】
このようなショートアーク型放電ランプによれば、陰極３０の電極ヘッド３１におけるエミッタ部材３２の周囲に位置する先端部には、当該電極ヘッド３１の外面から当該エミッタ部材３２の表面に通ずる連通路３１Ｈが形成されていることにより、エミッタ部材３２の先端部分以外の部分に含有されたエミッタ物質から取り出された金属原子が、電極ヘッド３１に形成された連通路３１Ｈを介して当該電極ヘッド３１の表面に供給されることによってエミッタとして作用するので、エミッタ部材３２中に含有されたエミッタ物質を効率よく利用することができ、従って、長い使用寿命が得られる。
【００２３】
以上、本発明のショートアーク型放電ランプの実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変更を加えることが可能である。
例えばエミッタ部材３２中には、その全体にわたって同一のエミッタ物質が含有されている必要はなく、例えばエミッタ部材３２における先端部に含有されるエミッタ物質と後端部含有されるエミッタ物質が異なるものであってもよい。
また、エミッタ部材３２は、柱状のものに限定されず、例えばトリエーテッドタングステンよりなる複数の線材が束ねられてなるものであってもよい。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明のショートアーク型放電ランプの具体的な実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
［陰極の作製］
〈作製例１〉
図３に示す工程に従い、以下のようにして陰極を作製した。
形成すべき陰極の形状に対応する成型用凹所（４１）を有する陰極製造用型（４０）を用意し、この陰極製造用型（４０）の成型用凹所（４１）内にエミッタ部材（３２）を配置し、この状態で、陰極製造用型（４０）の成型用凹所（４１）内に、平均粒径が３μｍのタングステン粉末およびステアリン酸を含有してなる電極ヘッド形成用材料（３１Ｂ）を投入して堆積させる共に、タングステンよりなる直径が８ｍｍの電極芯棒（３５）の先端部を、堆積した電極ヘッド形成用材料（３１Ｂ）中に進入させ、その後、プレス部材（４５）によって加圧することにより、エミッタ部材（３２）および電極芯棒（３５）が保持されてなる圧粉成型体（３１Ａ）を形成した。
以上において、エミッタ部材（３２）としては、トリエーテッドタングステン（ＴｈＯ2 の含有割合が２質量％のもの）よりなり，全長が４ｍｍ、直径が２．５ｍｍで、先端部がテーパ状に形成された円柱状のものを用いた。
そして、得られた圧粉成型体（３１Ａ）に対して、水素ガス雰囲気下で１０００℃の条件で脱脂処理を施した後、減圧下において１５００℃で３時間の条件で焼結処理を施すことにより、図２に示す構成の陰極（３０）を作製した。得られた陰極（３０）は、電極ヘッド（３１）の後端からエミッタ部材（３２）の先端までの長さが２０ｍｍ、電極ヘッド（３１）の先端部（３１Ｔ）を除く部分の径が１２ｍｍ、電極ヘッド（３１）およびエミッタ部材（３２）の各々の先端部におけるテーパのなす角が６０°のものである。
また、得られた陰極（３０）における電極ヘッド（３１）を構成する金属焼結体について、２０℃の空気による通気率を測定したところ、１０ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であった。この陰極を「陰極Ａ」とする。
【００２６】
〈作製例２〉
圧粉成型体の焼結処理における温度条件を１５００℃から２０００℃に変更したこと以外は、作製例１と同様にして陰極を作製した。得られた陰極における電極ヘッドを構成する金属焼結体について、２０℃の空気による通気率を測定したところ、１ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であった。この陰極を「陰極Ｂ」とする。
【００２７】
〈作製例３〉
圧粉成型体の焼結処理における温度条件を１５００℃から２５００℃に変更したこと以外は、作製例１と同様にして陰極を作製した。得られた陰極における電極ヘッドを構成する金属焼結体について、２０℃の空気による通気率を測定したところ、０．００１ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であった。この陰極を「陰極Ｃ」とする。
【００２８】
〈作製例４〉
圧粉成型体の焼結処理における温度条件を１５００℃から２８００℃に変更したこと以外は、作製例１と同様にして陰極を作製した。得られた陰極における電極ヘッドを構成する金属焼結体について、２０℃の空気による通気率を測定したところ、０．０００１ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であった。この陰極を「陰極Ｄ」とする。
【００２９】
〈作製例５〉
圧粉成型体の焼結処理における温度条件を１５００℃から１３００℃に変更したこと以外は、作製例１と同様にして陰極を作製した。得られた陰極における電極ヘッドを構成する金属焼結体について、２０℃の空気による通気率を測定したところ、５０ｃｍ3 ・ｃｍ／（ｃｍ2 ・ｓｅｃ・ｃｍＨ2 Ｏ）であった。この陰極を「陰極Ｅ」とする。
【００３０】
〈実施例１〉
陰極Ａを用い、図１および図２に示す構成に従って、下記の仕様のショートアーク型放電ランプを製造した。
［発光管（１０）］
材質；石英ガラス，発光部（１１）の軸方向の長さ：２２５ｍｍ、発光部（１１）の最大内径：１７５ｍｍ、発光部（１１）の内容積：２８００ｃｍ3 
［陽極（２０）］
電極ヘッド（２１）および電極芯棒（２５）の材質：タングステン，電極ヘッド（２１）の全長：６５ｍｍ，電極ヘッド（２１）の胴径：３５ｍｍ，電極ヘッド（２１）の先端径：１８ｍｍ，電極芯棒（２５）の径：１０ｍｍ
［その他］
陽極（２０）と陰極（３０）との電極間距離：７．５ｍｍ
封入物：キセノンガス
【００３１】
上記のショートアーク型放電ランプを、ランプ電力２５ｋＷ、ランプ電圧が５３Ｖの条件で点灯させ、ショートアーク型放電ランプから放射される光の光量の変動値が±２％の範囲を超えるまでの点灯時間を使用寿命として測定した。結果を下記表１に示す。
【００３２】
〈実施例２〉
陰極Ａの代わりに陰極Ｂを用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造し、その使用寿命を実施例１と同様にして測定した。結果を下記表１に示す。
【００３３】
〈実施例３〉
陰極Ａの代わりに陰極Ｃを用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造し、その使用寿命を実施例１と同様にして測定した。結果を下記表１に示す。
【００３４】
〈実施例４〉
陰極Ａの代わりに陰極Ｄを用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造し、その使用寿命を実施例１と同様にして測定した。結果を下記表１に示す。
【００３５】
〈比較例１〉
陰極Ａの代わりに、陰極Ａと同様の形状および寸法を有する、大径のトリエーテッドタングステン（ＴｈＯ2 の含有割合が２質量％のもの）の円柱状体を切削加工して得られた陰極（以下、これを「陰極Ｆ」とする。）を用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造し、その使用寿命を実施例１と同様にして測定した。結果を下記表１に示す。
【００３６】
【表１】
2013020703.tif 000003
【００３７】
表１の結果から明らかなように、実施例１〜実施例４に係るショートアーク型放電ランプによれば、長い使用寿命が得られることが確認された。
【００３８】
〈参考例〉
陰極（３０）において、陰極Ａの代わりに陰極Ｅを用いたこと以外は実施例１と同様の構成および仕様のショートアーク型放電ランプを製造し、このショートアーク型放電ランプを実施例１と同様の条件で点灯させたところ、電極ヘッドの一部が欠損して脱落したため、点灯を開始してから数時間で点灯を中止した。
【符号の説明】
【００３９】
１０  発光管
１１  発光部
１２  一方の封止部
１３  他方の封止部
１４，１５  金属箔
１６，１７  外部リード
１８，１９  口金
２０  陽極
２１  電極ヘッド
２１Ｔ  先端部
２５  電極芯棒
３０  陰極
３１  電極ヘッド
３１Ｔ  先端部
３１Ｈ  連通路
３１Ａ  圧粉成型体
３１Ｂ  電極ヘッド形成用材料
３２  エミッタ部材
３２Ｔ  先端部
３５  電極芯棒
４０  陰極製造用型
４１  成型用凹所
４５  プレス部材
Ｓ  放電空間
【図１】
2013020703.tif 000004
【図２】
2013020703.tif 000005
【図３】
2013020703.tif 000006