ショートアーク型放電ランプおよびショートアーク型放電ランプの製造方法
【課題】長期間にわたってエミッタ源が枯渇することなく、アークに面した陰極先端へ、エミッタをすみやかに、かつ安定して供給し、照度変動の増大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１０の内部に一対の陰極２０と陽極３０とが対向配置され、該陰極２０は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部２１と、軸部２２とよりなり、該本体部２１は、その先端から該陰極２０の内部を伸びる細穴２６を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、該細穴２６の内面は、開口近傍が非炭化部２８であり、該非炭化部２８よりも深い箇所に炭化層２７が設けら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。
【解決手段】発光管１０の内部に一対の陰極２０と陽極３０とが対向配置され、該陰極２０は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部２１と、軸部２２とよりなり、該本体部２１は、その先端から該陰極２０の内部を伸びる細穴２６を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、該細穴２６の内面は、開口近傍が非炭化部２８であり、該非炭化部２８よりも深い箇所に炭化層２７が設けら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。
【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】
図８は、ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
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が対向配置されている。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。陰極の材料は、例えば、タングステンである。
【０００４】
従来から、例えば、酸化トリウムを含有するタングステンにより構成された陰極など、タングステン材料にエミッタを含有させた陰極を用いたものが知られている。
また、エミッタを含有した陰極をもつランプにおいて、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７（ａ）は、特許文献１で示された従来のショートアーク型放電ランプに陰極の本体部を示す拡大断面図である。
陰極の本体部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穴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２６から外部へ放出され、アークに供給される。
本体部２１の先端近傍に形成されたテーパー部２４には、炭化タングステンよりなる炭化層２７が形成されており、低い温度であってもエミッタ酸化物を還元して、速やかにエミッタをアークに供給することが出来る。このような炭化層２７は、炭素を塗布して焼成したり、炭化タングステンを塗布して焼結したりすることによって形成されている。
【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。
すなわち、エミッタは陰極２０側面のテーパー部２４から、表面拡散によってアークが形成される先端面２５近傍まで供給されるが、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。
さらに、テーパー部２４に設けられた炭化タングステン層２７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、発光管内壁面が白濁する原因にもなる。
【０００７】
そこで、本発明者らは陰極の側面からではなく、主に細穴の内部から効率よくエミッタを供給する手段を検討した。図７（ｂ）は、参考例としての陰極本体部を示す断面図である。
図７（ｂ）において、陰極本体部２１は、その先端に開口を有する細穴２６が長手方向に形成されており、細穴２６の内面全体に炭化層２７が形成されている。この炭化層２７は炭化タングステンであり、これによって、低い温度であってもエミッタ酸化物を還元して、速やかにエミッタをアークに供給することが出来る。
細穴２６の開口は、ランプ点灯中にアークが発生する陰極先端に形成されており、この開口から供給されるエミッタは必然的にアークに面した陰極先端に供給される。また、エミッタは拡散する過程で蒸発したとしても、アーク中で電離して陰極先端に戻るので消失することがない。
しかし、このような陰極をもつランプを点灯して照度変動についての評価実験を行ったところ、細穴２６の内面に炭化層２７を設けていないランプよりも、照度変動が大きくなる時間が早いランプがあった。このランプについて、陰極を破断して細穴２６の様子を観察したところ、陰極先端付近で細穴２６が塞がっていた。これは、炭化タングステンの融点がタングステンと比べて低いため、熱移動によって変形し、細穴２６を塞いでしまったと考えられる。さらに、これによって細穴２６内からのエミッタの供給が停止され、照度変動が大きくなったと考えられる。
【０００８】
以上により、本発明は、長期間にわたってエミッタ源が枯渇することなく、アークに面した陰極先端へ、エミッタをすみやかに、かつ安定して供給し、照度変動の増大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。また、本発明のショートアーク型放電ランプを簡便に製造する方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、該細穴の内面は、開口近傍が非炭化部であり、該非炭化部より深い箇所に炭化層が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、細穴内面の炭化層は、開口から２ｍｍ以上深い箇所に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決する本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタをするタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、前記本体部の基端側から第二の細穴を形成し、該第二の細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して第二の細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から、第一の細穴を形成して、該第一の細穴の内面に非炭化部を形成すると共に、第二の細穴と連通させる工程を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層と、非炭化部とを形成する工程を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、 前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から該細穴よりも径の大きい拡張穴を形成することで非炭化部を形成する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、細穴内に設けられた炭化層により、アークが形成された陰極先端へ安定してエミッタをすみやかに供給して、照度変動を防ぐことができる。また、エミッタが消失しにくいため、長時間にわたって照度変動を防ぐことができる。
さらに、細穴の開口近傍が非炭化部であることにより、融点が高いために、熱移動により細穴が変形して塞がることがない。
【００１５】
また、本発明によれば、炭化層は開口から２ｍｍ以上深い箇所に設けられることにより、細穴が塞がるという問題をより確実に防止することができる。
【００１６】
本発明の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、簡便な方法により炭化層を設けることができる。また、第一の細穴と第二の細穴を、２段階に分けて形成することにより、細穴の先端近傍に確実かつ容易に非炭化部を形成することが出来る。
【００１７】
また、本発明の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、きわめて簡便な方法により炭化層と非炭化部とを分けて設けることができる。
【００１８】
また、本発明の製造方法によれば、充填する炭素源の量を調整する必要もなく、きわめて簡便に炭化層を形成することができ、かつ確実に非炭化部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態にかかる陰極の製造工程を説明するための断面図である。
【図３】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断面図である。
【図４】本発明の第二の実施形態にかかる陰極の製造工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第二の実施形態にかかる陰極の製造工程の他の例を説明するための図である。
【図６】本発明のショートアーク型放電ランプの実験結果について示す図である。
【図７】（ａ）は、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である。（ｂ）は、参考例としてのショートアーク型放電ランプにかかる陰極の断面図である。
【図８】ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図８は、ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
ショートアーク型放電ランプ１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３０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。
【００２１】
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。
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。
【００２２】
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。陰極に用いられるタングステン材にはエミッタを含有させる。エミッタとしては、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。これらエミッタを含有させると、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、陰極先端にはアークが形成されているため、密度の低いタングステンで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。
【００２３】
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、さらにその他にバッファガスとして希ガス、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。
【００２４】
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が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。
【００２５】
図１は、本発明のショートアーク型放電ランプにかかる陰極を示す断面図であり、陰極を長手方向に沿って切断したものである。ここで長手方向とは、陰極の先端側から基端側への方向をいう。
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。なお、先端面２５は球面であってもよい。
【００２６】
細穴２６は、径の小さい第一の細穴２６１と、径の大きい第二の細穴２６２よりなり、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。第一の細穴２６１の径（以下穴径ともいう）は、φ０．０８〜φ１ｍｍであり、例えばφ０．１ｍｍである。また、第二の細穴２６２の径（以下穴径ともいう）は、φ０．３〜φ５ｍｍであり、例えばφ２ｍｍ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。
第一の細穴２６１は、その径が大きすぎる場合には先端面２５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が嵌入されている。なお、本体部２１と軸部２２との固定は嵌入によるものでなくともよく、溶接してもよいし、螺子などで固定しても良い。
【００２７】
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を移動する。
先端面２５に設けられた細穴２６は、その内周表面が陰極の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。
しかも、細穴２６内から供給されるエミッタは、必然的にアークが形成された陰極先端に送り込まれることとなる。アーク中へ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。
【００２８】
さらに、この細穴内には炭化タングステンである炭化層２７が設けられているので、比較的低温から酸化物エミッタを還元することができ、エミッタを速やかにアークまで供給することが出来る。この炭化層２７は、後述する熱処理によって陰極２０そのものを炭化した炭化層であって、細穴内周の最表面から深さ方向に、例えば３０μｍ程度の厚みをもって形成されている。
また、細穴２６の先端開口近傍の内面には、炭化処理がされていない非炭化部２８が設けられている。非炭化部２８は、例えば細穴２６の開口から深さ方向に４ｍｍの箇所の内面まで設けられる。これは、炭化タングステンは融点が低いため、アークの熱によって細穴２６が塞がることを防止するためである。
【００２９】
上記の陰極によれば、エミッタ源が枯渇することなく、アークに対して安定してエミッタをすみやかに供給して、照度変動を防ぐことができる。また、非炭化部が設けられているため、細穴が塞がるおそれもない。
【００３０】
続いて、上記（図１）の陰極の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、陰極の本体部を製造する方法の、各工程を説明するための陰極本体部の断面図である
図２（ａ）に示すように、まず陰極本体部２１の材料として酸化物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。切り出したタングステンロッドの一方の端部を先端とし、先端側にテーパー部２４を所定の角度で切削によって形成する。
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を切削により形成する。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、陰極本体部２１の基端側から、第二の細穴２６２を切削によって形成する。
次に、この第二の細穴２６２内に炭素（黒鉛）粉末を充填して真空中で熱処理することによって、図２（ｃ）に示す箇所に炭化層２７が形成される。
第二の細穴２６２内には、塗布焼成や蒸着によって炭化層２７を形成することは困難であるが、このように穴内に炭素源を充填すると、炭素源が穴内壁と十分に接触することとなり、熱処理によって表面から深さ方向に十分な厚みの炭化層２７が形成される。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示すように、陰極先端側の先端面２５から放電加工により基端側に向かって、第二の細穴２６２よりも径の小さい第一の細穴２６１を形成していき、第二の細穴２６２と連通させる。第一の細穴２６１が形成された後は、軸部２２を嵌入して陰極が完成する。
炭化層２７を形成した後に設けた第一の細穴２６１内は確実に非炭化部２８となる。これは、先端近傍の細穴内に、非炭化部が簡単かつ確実に形成されるという点で有利である。
また、先端側と基端側の２方向から細穴を掘削して、陰極本体部内で連通させることは困難であるが、第一の細穴２６１よりも穴径の大きい第二の細穴２６２を形成しておくことにより、容易にこれらを連通させることが出来る。
【００３３】
上記の工程を有する陰極の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、簡便な方法により炭化層を設けることができる。
また、第一の細穴と第二の細穴を、２段階に分けて形成することにより、細穴の開口近傍に確実かつ容易に非炭化部を形成することが出来る。
【００３４】
図３は、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を示す断面図であり、陰極を長手方向に沿って切断したものである。
図３においては、細穴の構成のみが図１の陰極と相違するので、それ以外の構成の説明は省略する。また、本実施形態においては、細穴は本体部の先端側から形成するため、本体部と軸部とは一部材により一体に形成してもよい。
細穴２６は、先端面２５に開口を有し、陰極２０の長手方向に沿って、略一定の穴径で形成されている。穴径は、φ０．０８〜φ１ｍｍであり、例えばφ０．１ｍｍである。穴の深さは適宜設定されるものであり、基端側まで貫通していてもかまわない。
【００３５】
細穴２６内には、同様に炭化タングステンである炭化層２７が設けられている。さらに、細穴２６の先端近傍には炭化がされていない非炭化部２８が設けられている。
本実施形態における、炭化層２７および非炭化部２８の役割は、第一の実施形態にかかる陰極と同様であるが、製造方法が異なる。
【００３６】
図４（ａ）および（ｂ）は、上記（図３）の陰極の本体部を製造する方法の、各工程を説明するための陰極本体部の断面図である。
まず、所定の長さに切り出したタングステンロッドを用意し、一端を先端側としてテーパー部２４を形成する。また、基端側には嵌入孔２３を形成する。ここまでは、図２（ａ）で説明した工程と同様である。
【００３７】
次に、図４（ａ）に示すように、陰極本体部２１の長手方向に沿って、先端面２５から基端側へ伸びる細穴２６を放電加工により作成する。形成した細穴２６には、細穴２６の深さよりも短い炭素棒４０を炭素源として挿入する。なお炭素源は粉末であっても良い。または、炭素源は炭素粉末が含まれた炭素ペーストであってもよい。
【００３８】
次に、炭素棒４０を挿入した陰極本体部２１を真空中で保持し、熱処理をすることによって、図４（ｂ）に示す箇所に炭化層２７が形成される。また、炭素棒４０は、細穴２６の深さよりも短いため、先端面２５近傍の細穴２６内は非炭化部２８となる。
【００３９】
上記の工程を有する陰極の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、きわめて簡便な方法により炭化層を設けることができる。
また、充填する炭素源の量を調整することにより、細穴内に炭化層と非炭化部を分けて形成することができる。
【００４０】
また、非炭化部２８は以下のような方法によっても形成することができる。
図５（ｂ）は細穴２６内に非炭化部を形成する他の方法の工程を説明するための陰極本体部の断面図である。
図５（ａ）は、図４（ｂ）に示した陰極本体部２１において、炭化層２７が細穴２６の内周面全体にわたって形成されたものである。この炭化層２７は、細穴全体にわたって炭素源を充填して熱処理することによって得られる。
まず、この陰極本体部２１を作製し、放電加工等により作製した細穴２６内に炭化層２７を形成した後に、先端面２５の開口側から、細穴２６よりも径の大きい穴である、拡張穴２６３を、例えば放電加工により新たに形成する。
これにより、細穴２６の開口近傍に形成されていた炭化層を一部削り取ることで、図５（ｂ）に示すように、この拡張穴２６３の内周面を非炭化部とすることができる。炭化層の厚みは例えば３０μｍであるから、その場合は拡張穴２６３を形成する際に削り取る厚みは１００μｍ以下で足りる。なお、拡張穴２６３の形状は円柱状の穴に限られない。
【実施例】
【００４１】
これらの陰極の、照度変動に対する効果を確認する実験について以下に示す。試験用ランプとして、水銀封入量２ｍｇ／ｃｃ、バッファガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを０．３ＭＰａ封入した種々のランプを作製し、ランプ入力電力１０ｋＷで点灯寿命テストを実施した。試験用ランプには、比較のために細穴の内部に炭化層を設けないものも用いた。
細穴の内部に炭化層が形成されているかどうかは、陰極本体部を半分に破断し、破断面の様子を実態顕微鏡で観察し、さらに破断面を研磨して金属顕微鏡で観察し、また、Ｘ線回折法により炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ）の回折ピークを観測することにより確認した。
照度変動が点灯中に生じた場合、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。
【００４２】
試験に用いた各種ランプの陰極は、図１に示した二段階の細穴を形成して炭化層を設けたもの、図３に示した単一の細穴を形成して炭化層を設けたもの、また、比較例として、細穴内には炭化層を全く設けないもの（不図示）のいずれかであるが、具体的な炭化層の形成方法が異なるため、その製造方法とそれに対応する各ランプ番号を以下に示す。
なお、全てのランプの陰極について、陰極本体部は、酸化トリウムが２ｗｔ％添加されたタングステンロッドを先端径φ２ｍｍ、テーパー角６０°の形状に切削したものを用いた。以下に示す炭化層の形成方法は、その後の工程についてのものである。
【００４３】
＜製法Ａ＞
図７（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。細穴の中にはφ０．３ｍｍ、長さが十分な炭素棒を穴の底に突き当たるまで挿入して、細穴から突出した分を折り取った。その後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。この製法では、細穴の内面全体に炭化層が形成される。
【００４４】
＜製法Ｂ＞
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。細穴の中にはφ０．３ｍｍ、長さ９ｍｍの炭素棒を挿入して、穴の底に突き当たるまで押し込んだ。その後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。上記の例においては、細孔の開口から深さ方向に１ｍｍ以上の箇所の内面は炭化層が形成されない非炭化部であり、それよりも深い位置に炭化層が形成される。
また、非炭化部と炭化層の構成比は、挿入する炭素棒の長さを調整することにより変更することができる。例えば、穴の深さが１０ｍｍの場合、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の位置まで非炭化部を設けるには、８ｍｍの炭素棒を用いればよい。
【００４５】
＜製法Ｃ＞
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを、注射針を引き抜きながら注入した。注入量は穴底から８ｍｍの位置まで満たすように０．７６ｍｍ３とした。乾燥後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。上記の例においては、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の箇所の内面は炭化層が形成されない非炭化部であり、それよりも深い位置に炭化層が形成される。また、非炭化部と炭化層の構成比は、注入する炭素ペーストの量を調整することにより変更することができる。
【００４６】
＜製法Ｄ＞
図２（ｄ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１の基端側から、φ２ｍｍの第二の細穴２６２を先端から５ｍｍの位置まで形成し、炭素粉末を詰め込んだ。その後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。炭化層形成後、陰極の先端面２５から、φ０．２ｍｍの第一の細穴２６１を形成して第二の細穴２６２と連通させた。上記の例においては、細穴の開口から深さ方向に５ｍｍまでの第一の細穴２６１の内面が非炭化部となり、それより深い位置にある第二の細穴の内面が炭化層となる。
【００４７】
＜製法Ｅ＞
図５（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを注入し、細穴を満たした。乾燥後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。その後、さらに陰極先端側から放電加工によって、細穴２６に穴径φ０．５ｍｍの穴である拡張穴２６３を、開口から深さ方向に２ｍｍの箇所まで形成することで非炭化部を形成した。上記の例においては、細穴の開口から２ｍｍまでの第一の細穴２６１の内面が非炭化部となり、それよりも深い位置にある第二の細穴の内面が炭化層となる。
【００４８】
図６（ａ）は、試験を行ったランプについて、その番号と、上記の炭化層の形成方法と、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、細穴の塞がりの有無との関係を示す。
ランプＮｏ．１は、炭化層を形成しないランプ、ランプＮｏ．２は細穴の内面全体に炭化層を形成したランプ、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．１０は開口近傍に非炭化部を形成したランプである。
図６（ａ）に示すように、細穴内部すべてを炭化したランプＮｏ．２は点灯から５６２時間で電圧変動が大きくなり、細穴も塞がっていた。また、細穴の開口から１ｍｍの箇所までに非炭化部を設けたランプＮｏ．３は、電圧変動が大きくなるまでの時間が点灯から８８６時間後に延びたが、細穴は塞がっていた。
細穴の開口から深さ方向に２ｍｍの箇所まで非炭化部を形成したランプＮｏ．４〜１０は、その全てのランプにおいて細穴が塞がることは無く、１０００時間を経過しても電圧変動は増加しなかった。
細穴の内面に炭化層を設けたランプでは、陰極の細穴内に設けた炭化層によって、低い温度から酸化物エミッタが還元されてアークに供給されるとともに、エミッタはイオン化して陰極に帰還するため、エミッタが消失しにくくなった効果によるものといえる。
一方、開口から２ｍｍ未満の箇所に炭化層を設けたランプでは、細穴が塞がってしまうという結果となった。これは、炭化タングステンが熱移動によって変形したためと考えられる。
以上のことから、細穴の開口近傍には非炭化部を設けることで、細穴が塞がることを防止でき、エミッタが安定して供給されるので、電圧変動、つまり照度変動が大きくなるまでの時間が延びることがわかる。
【００４９】
また、封入する発光物質が異なる場合でも効果が得られることを検証するため、キセノン（Ｘｅ）ガスを２ＭＰａ封入した種々のランプを作製し、ランプ入力電力４ｋＷで点灯寿命テストを実施した。試験用ランプには、比較のために細穴の内部に炭化層を設けないものも用いた。陰極本体部は、酸化トリウムが２ｗｔ％添加されたタングステンロッドを先端径φ０．６ｍｍ、テーパー角４０°の形状に切削したものを用いた。炭化層の具体的な形成方法については以下に示す。
【００５０】
図７（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．１１ｍｍ、穴の深さ５ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを注入し、細穴を満たした。乾燥後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。
【００５１】
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、上記＜製法Ｃ＞と同様の方法を用い、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．１１ｍｍ、穴の深さ５ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを、注射針を引き抜きながら注入した。注入量は穴底から、それぞれ、３ｍｍ、２ｍｍの位置まで満たすように０．０３ｍｍ３、０．０２ｍｍ３とした。乾燥後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。
【００５２】
図６（ｂ）に、それぞれのランプにおいて、炭化層の形成方法と、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、細穴の塞がりの有無との関係を示す。
細穴内部すべてを炭化したランプＮｏ．１２は点灯から１２９時間で電圧変動が大きくなり、細穴も塞がっていた。
細穴の開口から２ｍｍ以上の箇所まで非炭化部を形成したランプは、すべて５００時間を経過しても電圧変動は増加しなかった。このように、封入する発光物質が異なる場合であっても同様の効果があることを確認することができた。
【００５３】
以上により、エミッタを含有する陰極の先端に形成した細穴の内面に、炭化層を形成することで、エミッタは必然的にアークが発生する陰極先端に拡散して、アーク中で電離したエミッタが再び陰極先端に戻るため、消失しにくく、安定して供給することができる。また、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の箇所に炭化層を設けることで、熱によって変形して穴が塞がることなく、長時間にわたってエミッタを供給することができる。
【符号の説明】
【００５４】
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
２６１ 第一の細穴
２６２ 第二の細穴
２６３ 第三の細穴
２７ 炭化層
２８ 非炭化部
３０ 陽極
３１ 本体部
３２ 軸部
Ｓ 発光空間
【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】
図８は、ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
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が対向配置されている。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。陰極の材料は、例えば、タングステンである。
【０００４】
従来から、例えば、酸化トリウムを含有するタングステンにより構成された陰極など、タングステン材料にエミッタを含有させた陰極を用いたものが知られている。
また、エミッタを含有した陰極をもつランプにおいて、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７（ａ）は、特許文献１で示された従来のショートアーク型放電ランプに陰極の本体部を示す拡大断面図である。
陰極の本体部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穴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２６から外部へ放出され、アークに供給される。
本体部２１の先端近傍に形成されたテーパー部２４には、炭化タングステンよりなる炭化層２７が形成されており、低い温度であってもエミッタ酸化物を還元して、速やかにエミッタをアークに供給することが出来る。このような炭化層２７は、炭素を塗布して焼成したり、炭化タングステンを塗布して焼結したりすることによって形成されている。
【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。
すなわち、エミッタは陰極２０側面のテーパー部２４から、表面拡散によってアークが形成される先端面２５近傍まで供給されるが、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。
さらに、テーパー部２４に設けられた炭化タングステン層２７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、発光管内壁面が白濁する原因にもなる。
【０００７】
そこで、本発明者らは陰極の側面からではなく、主に細穴の内部から効率よくエミッタを供給する手段を検討した。図７（ｂ）は、参考例としての陰極本体部を示す断面図である。
図７（ｂ）において、陰極本体部２１は、その先端に開口を有する細穴２６が長手方向に形成されており、細穴２６の内面全体に炭化層２７が形成されている。この炭化層２７は炭化タングステンであり、これによって、低い温度であってもエミッタ酸化物を還元して、速やかにエミッタをアークに供給することが出来る。
細穴２６の開口は、ランプ点灯中にアークが発生する陰極先端に形成されており、この開口から供給されるエミッタは必然的にアークに面した陰極先端に供給される。また、エミッタは拡散する過程で蒸発したとしても、アーク中で電離して陰極先端に戻るので消失することがない。
しかし、このような陰極をもつランプを点灯して照度変動についての評価実験を行ったところ、細穴２６の内面に炭化層２７を設けていないランプよりも、照度変動が大きくなる時間が早いランプがあった。このランプについて、陰極を破断して細穴２６の様子を観察したところ、陰極先端付近で細穴２６が塞がっていた。これは、炭化タングステンの融点がタングステンと比べて低いため、熱移動によって変形し、細穴２６を塞いでしまったと考えられる。さらに、これによって細穴２６内からのエミッタの供給が停止され、照度変動が大きくなったと考えられる。
【０００８】
以上により、本発明は、長期間にわたってエミッタ源が枯渇することなく、アークに面した陰極先端へ、エミッタをすみやかに、かつ安定して供給し、照度変動の増大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。また、本発明のショートアーク型放電ランプを簡便に製造する方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、該細穴の内面は、開口近傍が非炭化部であり、該非炭化部より深い箇所に炭化層が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、細穴内面の炭化層は、開口から２ｍｍ以上深い箇所に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題を解決する本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタをするタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、前記本体部の基端側から第二の細穴を形成し、該第二の細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して第二の細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から、第一の細穴を形成して、該第一の細穴の内面に非炭化部を形成すると共に、第二の細穴と連通させる工程を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層と、非炭化部とを形成する工程を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の製造方法は、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、 前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から該細穴よりも径の大きい拡張穴を形成することで非炭化部を形成する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、細穴内に設けられた炭化層により、アークが形成された陰極先端へ安定してエミッタをすみやかに供給して、照度変動を防ぐことができる。また、エミッタが消失しにくいため、長時間にわたって照度変動を防ぐことができる。
さらに、細穴の開口近傍が非炭化部であることにより、融点が高いために、熱移動により細穴が変形して塞がることがない。
【００１５】
また、本発明によれば、炭化層は開口から２ｍｍ以上深い箇所に設けられることにより、細穴が塞がるという問題をより確実に防止することができる。
【００１６】
本発明の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、簡便な方法により炭化層を設けることができる。また、第一の細穴と第二の細穴を、２段階に分けて形成することにより、細穴の先端近傍に確実かつ容易に非炭化部を形成することが出来る。
【００１７】
また、本発明の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、きわめて簡便な方法により炭化層と非炭化部とを分けて設けることができる。
【００１８】
また、本発明の製造方法によれば、充填する炭素源の量を調整する必要もなく、きわめて簡便に炭化層を形成することができ、かつ確実に非炭化部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態にかかる陰極の製造工程を説明するための断面図である。
【図３】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断面図である。
【図４】本発明の第二の実施形態にかかる陰極の製造工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第二の実施形態にかかる陰極の製造工程の他の例を説明するための図である。
【図６】本発明のショートアーク型放電ランプの実験結果について示す図である。
【図７】（ａ）は、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である。（ｂ）は、参考例としてのショートアーク型放電ランプにかかる陰極の断面図である。
【図８】ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図８は、ショートアーク型放電ランプの全体構成を示す概略図である。
ショートアーク型放電ランプ１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３０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。
【００２１】
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。
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。
【００２２】
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。陰極に用いられるタングステン材にはエミッタを含有させる。エミッタとしては、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。これらエミッタを含有させると、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、陰極先端にはアークが形成されているため、密度の低いタングステンで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。
【００２３】
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、さらにその他にバッファガスとして希ガス、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。
【００２４】
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が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。
【００２５】
図１は、本発明のショートアーク型放電ランプにかかる陰極を示す断面図であり、陰極を長手方向に沿って切断したものである。ここで長手方向とは、陰極の先端側から基端側への方向をいう。
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。なお、先端面２５は球面であってもよい。
【００２６】
細穴２６は、径の小さい第一の細穴２６１と、径の大きい第二の細穴２６２よりなり、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。第一の細穴２６１の径（以下穴径ともいう）は、φ０．０８〜φ１ｍｍであり、例えばφ０．１ｍｍである。また、第二の細穴２６２の径（以下穴径ともいう）は、φ０．３〜φ５ｍｍであり、例えばφ２ｍｍ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。
第一の細穴２６１は、その径が大きすぎる場合には先端面２５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が嵌入されている。なお、本体部２１と軸部２２との固定は嵌入によるものでなくともよく、溶接してもよいし、螺子などで固定しても良い。
【００２７】
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を移動する。
先端面２５に設けられた細穴２６は、その内周表面が陰極の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。
しかも、細穴２６内から供給されるエミッタは、必然的にアークが形成された陰極先端に送り込まれることとなる。アーク中へ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。
【００２８】
さらに、この細穴内には炭化タングステンである炭化層２７が設けられているので、比較的低温から酸化物エミッタを還元することができ、エミッタを速やかにアークまで供給することが出来る。この炭化層２７は、後述する熱処理によって陰極２０そのものを炭化した炭化層であって、細穴内周の最表面から深さ方向に、例えば３０μｍ程度の厚みをもって形成されている。
また、細穴２６の先端開口近傍の内面には、炭化処理がされていない非炭化部２８が設けられている。非炭化部２８は、例えば細穴２６の開口から深さ方向に４ｍｍの箇所の内面まで設けられる。これは、炭化タングステンは融点が低いため、アークの熱によって細穴２６が塞がることを防止するためである。
【００２９】
上記の陰極によれば、エミッタ源が枯渇することなく、アークに対して安定してエミッタをすみやかに供給して、照度変動を防ぐことができる。また、非炭化部が設けられているため、細穴が塞がるおそれもない。
【００３０】
続いて、上記（図１）の陰極の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、陰極の本体部を製造する方法の、各工程を説明するための陰極本体部の断面図である
図２（ａ）に示すように、まず陰極本体部２１の材料として酸化物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。切り出したタングステンロッドの一方の端部を先端とし、先端側にテーパー部２４を所定の角度で切削によって形成する。
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を切削により形成する。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、陰極本体部２１の基端側から、第二の細穴２６２を切削によって形成する。
次に、この第二の細穴２６２内に炭素（黒鉛）粉末を充填して真空中で熱処理することによって、図２（ｃ）に示す箇所に炭化層２７が形成される。
第二の細穴２６２内には、塗布焼成や蒸着によって炭化層２７を形成することは困難であるが、このように穴内に炭素源を充填すると、炭素源が穴内壁と十分に接触することとなり、熱処理によって表面から深さ方向に十分な厚みの炭化層２７が形成される。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示すように、陰極先端側の先端面２５から放電加工により基端側に向かって、第二の細穴２６２よりも径の小さい第一の細穴２６１を形成していき、第二の細穴２６２と連通させる。第一の細穴２６１が形成された後は、軸部２２を嵌入して陰極が完成する。
炭化層２７を形成した後に設けた第一の細穴２６１内は確実に非炭化部２８となる。これは、先端近傍の細穴内に、非炭化部が簡単かつ確実に形成されるという点で有利である。
また、先端側と基端側の２方向から細穴を掘削して、陰極本体部内で連通させることは困難であるが、第一の細穴２６１よりも穴径の大きい第二の細穴２６２を形成しておくことにより、容易にこれらを連通させることが出来る。
【００３３】
上記の工程を有する陰極の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、簡便な方法により炭化層を設けることができる。
また、第一の細穴と第二の細穴を、２段階に分けて形成することにより、細穴の開口近傍に確実かつ容易に非炭化部を形成することが出来る。
【００３４】
図３は、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を示す断面図であり、陰極を長手方向に沿って切断したものである。
図３においては、細穴の構成のみが図１の陰極と相違するので、それ以外の構成の説明は省略する。また、本実施形態においては、細穴は本体部の先端側から形成するため、本体部と軸部とは一部材により一体に形成してもよい。
細穴２６は、先端面２５に開口を有し、陰極２０の長手方向に沿って、略一定の穴径で形成されている。穴径は、φ０．０８〜φ１ｍｍであり、例えばφ０．１ｍｍである。穴の深さは適宜設定されるものであり、基端側まで貫通していてもかまわない。
【００３５】
細穴２６内には、同様に炭化タングステンである炭化層２７が設けられている。さらに、細穴２６の先端近傍には炭化がされていない非炭化部２８が設けられている。
本実施形態における、炭化層２７および非炭化部２８の役割は、第一の実施形態にかかる陰極と同様であるが、製造方法が異なる。
【００３６】
図４（ａ）および（ｂ）は、上記（図３）の陰極の本体部を製造する方法の、各工程を説明するための陰極本体部の断面図である。
まず、所定の長さに切り出したタングステンロッドを用意し、一端を先端側としてテーパー部２４を形成する。また、基端側には嵌入孔２３を形成する。ここまでは、図２（ａ）で説明した工程と同様である。
【００３７】
次に、図４（ａ）に示すように、陰極本体部２１の長手方向に沿って、先端面２５から基端側へ伸びる細穴２６を放電加工により作成する。形成した細穴２６には、細穴２６の深さよりも短い炭素棒４０を炭素源として挿入する。なお炭素源は粉末であっても良い。または、炭素源は炭素粉末が含まれた炭素ペーストであってもよい。
【００３８】
次に、炭素棒４０を挿入した陰極本体部２１を真空中で保持し、熱処理をすることによって、図４（ｂ）に示す箇所に炭化層２７が形成される。また、炭素棒４０は、細穴２６の深さよりも短いため、先端面２５近傍の細穴２６内は非炭化部２８となる。
【００３９】
上記の工程を有する陰極の製造方法によれば、陰極の先端部に開口する細穴の内周面に、きわめて簡便な方法により炭化層を設けることができる。
また、充填する炭素源の量を調整することにより、細穴内に炭化層と非炭化部を分けて形成することができる。
【００４０】
また、非炭化部２８は以下のような方法によっても形成することができる。
図５（ｂ）は細穴２６内に非炭化部を形成する他の方法の工程を説明するための陰極本体部の断面図である。
図５（ａ）は、図４（ｂ）に示した陰極本体部２１において、炭化層２７が細穴２６の内周面全体にわたって形成されたものである。この炭化層２７は、細穴全体にわたって炭素源を充填して熱処理することによって得られる。
まず、この陰極本体部２１を作製し、放電加工等により作製した細穴２６内に炭化層２７を形成した後に、先端面２５の開口側から、細穴２６よりも径の大きい穴である、拡張穴２６３を、例えば放電加工により新たに形成する。
これにより、細穴２６の開口近傍に形成されていた炭化層を一部削り取ることで、図５（ｂ）に示すように、この拡張穴２６３の内周面を非炭化部とすることができる。炭化層の厚みは例えば３０μｍであるから、その場合は拡張穴２６３を形成する際に削り取る厚みは１００μｍ以下で足りる。なお、拡張穴２６３の形状は円柱状の穴に限られない。
【実施例】
【００４１】
これらの陰極の、照度変動に対する効果を確認する実験について以下に示す。試験用ランプとして、水銀封入量２ｍｇ／ｃｃ、バッファガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを０．３ＭＰａ封入した種々のランプを作製し、ランプ入力電力１０ｋＷで点灯寿命テストを実施した。試験用ランプには、比較のために細穴の内部に炭化層を設けないものも用いた。
細穴の内部に炭化層が形成されているかどうかは、陰極本体部を半分に破断し、破断面の様子を実態顕微鏡で観察し、さらに破断面を研磨して金属顕微鏡で観察し、また、Ｘ線回折法により炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ）の回折ピークを観測することにより確認した。
照度変動が点灯中に生じた場合、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。
【００４２】
試験に用いた各種ランプの陰極は、図１に示した二段階の細穴を形成して炭化層を設けたもの、図３に示した単一の細穴を形成して炭化層を設けたもの、また、比較例として、細穴内には炭化層を全く設けないもの（不図示）のいずれかであるが、具体的な炭化層の形成方法が異なるため、その製造方法とそれに対応する各ランプ番号を以下に示す。
なお、全てのランプの陰極について、陰極本体部は、酸化トリウムが２ｗｔ％添加されたタングステンロッドを先端径φ２ｍｍ、テーパー角６０°の形状に切削したものを用いた。以下に示す炭化層の形成方法は、その後の工程についてのものである。
【００４３】
＜製法Ａ＞
図７（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。細穴の中にはφ０．３ｍｍ、長さが十分な炭素棒を穴の底に突き当たるまで挿入して、細穴から突出した分を折り取った。その後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。この製法では、細穴の内面全体に炭化層が形成される。
【００４４】
＜製法Ｂ＞
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。細穴の中にはφ０．３ｍｍ、長さ９ｍｍの炭素棒を挿入して、穴の底に突き当たるまで押し込んだ。その後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。上記の例においては、細孔の開口から深さ方向に１ｍｍ以上の箇所の内面は炭化層が形成されない非炭化部であり、それよりも深い位置に炭化層が形成される。
また、非炭化部と炭化層の構成比は、挿入する炭素棒の長さを調整することにより変更することができる。例えば、穴の深さが１０ｍｍの場合、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の位置まで非炭化部を設けるには、８ｍｍの炭素棒を用いればよい。
【００４５】
＜製法Ｃ＞
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを、注射針を引き抜きながら注入した。注入量は穴底から８ｍｍの位置まで満たすように０．７６ｍｍ３とした。乾燥後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。上記の例においては、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の箇所の内面は炭化層が形成されない非炭化部であり、それよりも深い位置に炭化層が形成される。また、非炭化部と炭化層の構成比は、注入する炭素ペーストの量を調整することにより変更することができる。
【００４６】
＜製法Ｄ＞
図２（ｄ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１の基端側から、φ２ｍｍの第二の細穴２６２を先端から５ｍｍの位置まで形成し、炭素粉末を詰め込んだ。その後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。炭化層形成後、陰極の先端面２５から、φ０．２ｍｍの第一の細穴２６１を形成して第二の細穴２６２と連通させた。上記の例においては、細穴の開口から深さ方向に５ｍｍまでの第一の細穴２６１の内面が非炭化部となり、それより深い位置にある第二の細穴の内面が炭化層となる。
【００４７】
＜製法Ｅ＞
図５（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．３５ｍｍ、穴の深さ１０ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを注入し、細穴を満たした。乾燥後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。その後、さらに陰極先端側から放電加工によって、細穴２６に穴径φ０．５ｍｍの穴である拡張穴２６３を、開口から深さ方向に２ｍｍの箇所まで形成することで非炭化部を形成した。上記の例においては、細穴の開口から２ｍｍまでの第一の細穴２６１の内面が非炭化部となり、それよりも深い位置にある第二の細穴の内面が炭化層となる。
【００４８】
図６（ａ）は、試験を行ったランプについて、その番号と、上記の炭化層の形成方法と、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、細穴の塞がりの有無との関係を示す。
ランプＮｏ．１は、炭化層を形成しないランプ、ランプＮｏ．２は細穴の内面全体に炭化層を形成したランプ、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．１０は開口近傍に非炭化部を形成したランプである。
図６（ａ）に示すように、細穴内部すべてを炭化したランプＮｏ．２は点灯から５６２時間で電圧変動が大きくなり、細穴も塞がっていた。また、細穴の開口から１ｍｍの箇所までに非炭化部を設けたランプＮｏ．３は、電圧変動が大きくなるまでの時間が点灯から８８６時間後に延びたが、細穴は塞がっていた。
細穴の開口から深さ方向に２ｍｍの箇所まで非炭化部を形成したランプＮｏ．４〜１０は、その全てのランプにおいて細穴が塞がることは無く、１０００時間を経過しても電圧変動は増加しなかった。
細穴の内面に炭化層を設けたランプでは、陰極の細穴内に設けた炭化層によって、低い温度から酸化物エミッタが還元されてアークに供給されるとともに、エミッタはイオン化して陰極に帰還するため、エミッタが消失しにくくなった効果によるものといえる。
一方、開口から２ｍｍ未満の箇所に炭化層を設けたランプでは、細穴が塞がってしまうという結果となった。これは、炭化タングステンが熱移動によって変形したためと考えられる。
以上のことから、細穴の開口近傍には非炭化部を設けることで、細穴が塞がることを防止でき、エミッタが安定して供給されるので、電圧変動、つまり照度変動が大きくなるまでの時間が延びることがわかる。
【００４９】
また、封入する発光物質が異なる場合でも効果が得られることを検証するため、キセノン（Ｘｅ）ガスを２ＭＰａ封入した種々のランプを作製し、ランプ入力電力４ｋＷで点灯寿命テストを実施した。試験用ランプには、比較のために細穴の内部に炭化層を設けないものも用いた。陰極本体部は、酸化トリウムが２ｗｔ％添加されたタングステンロッドを先端径φ０．６ｍｍ、テーパー角４０°の形状に切削したものを用いた。炭化層の具体的な形成方法については以下に示す。
【００５０】
図７（ｂ）に示した陰極を製造するために、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．１１ｍｍ、穴の深さ５ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを注入し、細穴を満たした。乾燥後、真空中で熱処理し、炭化層を形成した。
【００５１】
図４（ｂ）に示した陰極を製造するために、上記＜製法Ｃ＞と同様の方法を用い、陰極本体部２１に、放電加工を用いて先端面２５から穴径φ０．１１ｍｍ、穴の深さ５ｍｍである細穴２６を形成した。この細穴に注射針を挿入し、炭素粉末が０．１５ｍｇ／ｍｍ３含まれたペーストを、注射針を引き抜きながら注入した。注入量は穴底から、それぞれ、３ｍｍ、２ｍｍの位置まで満たすように０．０３ｍｍ３、０．０２ｍｍ３とした。乾燥後、真空中で熱処理をし、炭化層を形成した。
【００５２】
図６（ｂ）に、それぞれのランプにおいて、炭化層の形成方法と、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、細穴の塞がりの有無との関係を示す。
細穴内部すべてを炭化したランプＮｏ．１２は点灯から１２９時間で電圧変動が大きくなり、細穴も塞がっていた。
細穴の開口から２ｍｍ以上の箇所まで非炭化部を形成したランプは、すべて５００時間を経過しても電圧変動は増加しなかった。このように、封入する発光物質が異なる場合であっても同様の効果があることを確認することができた。
【００５３】
以上により、エミッタを含有する陰極の先端に形成した細穴の内面に、炭化層を形成することで、エミッタは必然的にアークが発生する陰極先端に拡散して、アーク中で電離したエミッタが再び陰極先端に戻るため、消失しにくく、安定して供給することができる。また、細穴の開口から深さ方向に２ｍｍ以上の箇所に炭化層を設けることで、熱によって変形して穴が塞がることなく、長時間にわたってエミッタを供給することができる。
【符号の説明】
【００５４】
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
２６１ 第一の細穴
２６２ 第二の細穴
２６３ 第三の細穴
２７ 炭化層
２８ 非炭化部
３０ 陽極
３１ 本体部
３２ 軸部
Ｓ 発光空間
【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、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
該細穴の内面は、開口近傍が非炭化部であり、該非炭化部より深い箇所に炭化層が設けら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】
前記細穴内面の炭化層は、開口から２ｍｍ以上深い箇所に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。
【請求項３】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の基端側から第二の細穴を形成し、該第二の細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して第二の細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から、第一の細穴を形成して、該第一の細穴の内面に非炭化部を形成すると共に、第二の細穴と連通させる工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【請求項４】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層と、非炭化部とを形成する工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【請求項５】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から該細穴よりも径の大きい拡張穴を形成することで非炭化部を形成する工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【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、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプにおいて、
該細穴の内面は、開口近傍が非炭化部であり、該非炭化部より深い箇所に炭化層が設けら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】
前記細穴内面の炭化層は、開口から２ｍｍ以上深い箇所に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。
【請求項３】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の基端側から第二の細穴を形成し、該第二の細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して第二の細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から、第一の細穴を形成して、該第一の細穴の内面に非炭化部を形成すると共に、第二の細穴と連通させる工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【請求項４】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層と、非炭化部とを形成する工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【請求項５】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、該陰極は、エミッタを含有するタングステン材よりなる本体部と、軸部とよりなり、該本体部は、その先端から該陰極の内部を伸びる細穴を備えるショートアーク型放電ランプの製造方法において、
前記本体部の先端側から細穴を形成し、該細穴に炭素源を充填し、熱処理を施して細穴の内面に炭化層を形成した後、該本体部の先端側から該細穴よりも径の大きい拡張穴を形成することで非炭化部を形成する工程を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２８２７５８（Ｐ２０１０−２８２７５８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３３３１４（Ｐ２００９−１３３３１４）
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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