JP3598941B2 - キセノン水銀ランプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光化学反応や検査、投影などの光源に使用される箔シール型のキセノン水銀ランプに関し、更には、放電容器の内壁の黒化を抑制して、長時間にわたり高光束維持率を保持する箔シール型のキセノン水銀ランプに関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外線照射処理装置などの光源に使用される箔シール型のキセノン水銀ランプは、石英ガラス製の放電容器内に、水銀および希ガスとしてキセノンガスが封入されるともに、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置されている。陰極の先端には、易電子放出材料を含む易電子放出部が形成されており、陽極と陰極の間で放電すると、遠紫外線を含む光が放射される。
【0003】
ここで、点灯時の陰極先端部は、易電子放出材料の特性に適した温度範囲にする必要がある。すなわち、陰極先端が過熱状態になると、陰極の損耗が激しくなり、一方、温度が低すぎると、易電子放出材料の電子放射分が少なくなって、水銀や希ガスが陰極に激しく当り、陰極をスパッタして発光容器が黒化してしまい、いずれにしてもランプ寿命が短くなってしまう。ことに、200〜380nmの短波長の光ほどスパッタリングの影響を受けやすいので、紫外線ランプの場合は、点灯時の陰極先端の温度範囲を適正に保持する必要性が大きい。
【0004】
図9および図10は、箔シール型の放電ランプの陰極を保持する構造の従来例を示す。図9において、石英ガラスからなる放電容器1の端部には封止管2が一体に連設されている。この封止管2の端部に封止部21が形成されている。そして、封止部21にはモリブデン箔からなる金属箔22が埋設されている。陰極4は、略円錐形の先端部41と、先端部41に続く大径の胴体部42と、胴体部42に続く小径の導通部43からなる。つまり、胴体部42を大径にして陰極4の表面積を大きくすることにより、先端部41の温度が過熱状態になるのを防止している。また、導通部42の端部が金属箔22に接続されており、外部給電棒23の端部も金属箔22に接続され、封止部21の外部に伸び出している。陰極4の先端には、易電子放出材料を含む易電子放出部44が形成されている。そして、導通部43の外周の一部にモリブデン箔が巻きつけられて応力緩衝部5が形成されており、応力緩衝部5に封止管2が溶着することにより陰極4が保持されている。
【0005】
図10は、陰極4の導通部43が大径の胴体部42を偏平状に圧潰して成形されたものであり、この導通部43の外周の一部にモリブデン箔が巻きつけられて応力緩衝部5が形成されており、応力緩衝部5が封止管2に溶着されていることは図9と同じであるが、胴体部42の外周面と封止管2の内周面との間の隙間を小さくして、陰極4のがたつきを抑える程度に支持しいる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
例えば消費電力が500Wのキセノン水銀ランプの場合、易電子放出材料に酸化トリウムを使用するときは、陰極先端の温度が2800℃程度であれば、十分な電子放射が得られ、実用的なランプ寿命が得られている。しかし、この高い温度では陰極先端の損耗が激しいため、更に長いランプ寿命を得るためには、もっと低い温度で点灯するのが望ましい。そこで、易電子放出材料に、Baなどのアルカリ土類金属を使用すると、陰極先端の温度が1800〜1900℃の場合に最適の電子放射が得られ、陰極物質の蒸発も極めて少なくなって長いランプ寿命を得られる。
【0007】
しかしながら、図9に示すように、胴体部を大径にして陰極の表面積を大きくしたものでは、陰極先端の温度は約2300℃程度までしか下がらず、陰極物質の蒸発が相変わらず激しく、十分なランプ寿命が得られない。また、図10に示すように、陰極の表面積を大きくするとともに、導通部を縮径していなものは、導通部から金属箔に熱伝導により多く熱が逃げるので、図9に示すものよりも、冷却効果は幾分大きいが、それでも陰極先端の温度は約2200℃程度までしか下がらず、この場合も十分なランプ寿命が得られない。更には、金属箔の温度が高くなって箔切れが生じやすく、また、封止管は、高温になる胴体部とのクリアランスが小さいので、破壊しやすい危険性がある。
【0008】
そこで本発明は、点灯時の陰極先端の温度を、易電子放出材料にBaなどのアルカリ土類金属を使用したときの最適温度に保持することができ、放電容器の内壁の黒化を抑制して、長時間にわたり高光束維持率を保持することが可能な箔シール型のキセノン水銀ランプを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項1の発明は、石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および/または導通部の表面にモリブデン箔からなる応力緩衝部を形成して該封止管を該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をSC、陰極の表面積をSとしたとき、0.11≦SC/S≦0.63とする。
【0010】
また、請求項2の発明は、石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および/または導通部の表面にロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかの金属膜からなる応力緩衝部を形成して該封止管を該応力緩衝部に密着し、この応力緩衝部の面積をSC、陰極の表面積をSとしたとき、0.09≦SC/S≦0.50とする。
【0011】
そして、請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、易電子放出部が、Ba、Ca、Srの少なくとも1種の易電子放出材料を含むようにする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を具体的に説明する。図1は請求項1の発明の実施例を示し、直流で点灯される箔シール型のキセノン水銀ランプを示す。このキセノン水銀ランプは、遠紫外線を多く放射する放電ランプであり、その消費電力は、例えば500W、定格電圧が25V、ランプ電流が20Aであり、垂直姿勢で点灯される。
【0013】
図1において、石英ガラスからなる楕円球状の放電容器1の両端に封止管2が一体に連設されている。封止管2の端部には、石英ガラスを溶融状態にして内部を減圧することにより縮径させて封止部21、21が形成されている。そして、封止部21、21には、それぞれ2枚のモリブデンからなる金属箔22が埋設されている。放電容器1の内容積は、例えば10cm3である。
【0014】
放電容器1内には、水銀とキセノンガスが封入されるとともに、タングステンからなる陽極3と同じくタングテンからなる陰極4が対向配置されている。水銀の封入量は、例えば90mg、キセノンガスの封入圧力は2気圧である。陽極3の電極棒31の端部は金属箔22に溶接されており、陽極側の外部給電棒23の端部も金属箔22に溶接され、封止部22の外部に伸び出している。そして、電極棒31に封止管2が密着することにより陽極3が保持されている。
【0015】
陰極4は、略円錐形の先端部41と、先端部41に続く大径の胴体部42と、胴体部42に続く小径の導通部43からなる。そして、導通部43の端部は金属箔22に溶接されており、陰極側の外部給電棒23の端部も金属箔22に溶接され、封止部22の外部に伸び出している。胴体部42の外径は、例えばφ8mmであり、導通部43の外径は例えばφ3mmであり、陰極4全体の表面積は、例えば837mm2である。
【0016】
陰極4の先端部41の頂部には易電子放出部44が設けられている。易電子放出部44は、アルカリ土類金属であるBa、Ca、Srの少なくとも1種の易電子放出材料を含む。つまり、Ba、Ca、Srの酸化物であるBaO,CaO,SrOの混合物や、これらの酸化物とWO3やAl2O3などとの化合物や混合物を含むが、放電プラズマの種類、ランプ電力の大きさ、要求されるランプ寿命などに応じて適宜選定される。
【0017】
陰極4の胴体部42と導通部43にかけて、図1において斜線で示すように、モリブデン箔が巻き付けられて応力緩衝部5が形成されている。図2は応力緩衝部5を形成する手順を示す。先ず、図2(A)に示すように、幅15mm、厚さ13μmのモリブデン箔M1を、胴体部42の後端部から1mm出して2ターン巻き付ける。次に、図2(B)に示すように、外径が胴体部42の外径と等しく、内径が導通部43の外径に等しく、厚さが13μmの円盤状のモリブデン箔M2を導通部43に差し込み、胴体部42の端面に当てる。そして、図2(C)に示すように、胴体部42の後端部からはみ出したモリブデン箔Mを折り曲げてモリブデン箔M2を保持する。次に、図2(D)に示すように、金属箔に溶接する部分を残して厚さが13μmのモリブデン箔M3を導通部43に2ターン巻き付ければよい。そして、封止管2がこの応力緩衝部5に密着することにより陰極4が保持されている。
【0018】
ここで、応力緩衝部5の面積をSC、陰極4の表面積をSとしたとき、その理由を後に説明するように、0.11≦SC/S≦0.63の関係が成り立っている。
なお、以上の実施例では、モリブデン箔を胴体部42と導通部43の両方に巻き付けて応力緩衝部5を形成したが、上記の関係式を満たすものであれば、胴体部42または導通部43のいずれかにのみモリブデン箔を巻き付けて応力緩衝部5を形成してもよい。
【0019】
次に、前記のキセノン水銀ランプにおいて、SC/Sの値を変化させて実際に点灯し、陰極先端の温度と光束維持率を測定した結果を図5および図6に示す。なお、図6の光束維持率は、750時間点灯後における250nmの光の光束維持率を示す。
【0020】
図5および図6から分かるように、SC/Sの値が大きくなるほど陰極先端の温度は低下するが、SC/S=0.06の場合は、陰極先端の温度は2300℃であり、陰極物質の蒸発が激しくて光束維持率は70%しか得られない。しかし、SC/Sの値が0.13〜0.61であれば、陰極先端の温度は1950〜1850℃であり、陰極物質の蒸発が抑制されるとともに、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射が十分に行われて陰極がスパッタリングされにくく、従って、放電容器1の内壁は長時間点灯しても黒化しにくく、85〜90%の光束維持率を得ることができる。
一方、SC/S=0.67の場合は、陰極先端の温度は1700℃になり、陰極物質の蒸発が極めて少なくなるが、易電子放出材料の電子放射が十分に行われず、陰極がスパッタリングされて放電容器1の内壁が黒化しやすく、光束維持率は60%に低下する。
そこで、モリブデン箔で応力緩衝部5を形成した場合は、十分に実用に耐える750時間点灯時において80%の光束維持率を得るには、図6のグラフから、SC/Sの値は、0.11〜0.63であればよいことが分かる。
【0021】
次に、図3は請求項2の発明の実施例を示す。この放電ランプも図1と同じ仕様のセキノン水銀ランプであるが、陰極4の形状と応力緩衝部5の材料が異なる。図4は陰極4の正面図と側面図を示すが、導通部43は、小径の丸棒ではなく、大径の胴体部42の尾端部を圧潰して偏平状にしたものである。そして、胴体部42、導通部43、および胴体部42と導通部43の境界の傾斜部45に、便宜上点々で示すように、厚さが約1μmのロジウムめっきの金属膜が施されて応力緩衝部5が形成されている。この金属膜は、レニウムめっき、またはニオブめっきであってもよい。そして、封止管2が応力緩衝部5に密着して陰極4を保持している。
ここで、この応力緩衝部の面積をSC、陰極の表面積をSとしたとき、0.09≦SC/S≦0.50の関係が成り立っている。
【0022】
次に、図3に示すキセノン水銀ランプにおいて、SC/Sの値を変化させて実際に点灯し、陰極先端の温度と光束維持率を測定した結果を図7および図8に示す。なお、図8の光束維持率は、750時間点灯後における250nmの光の光束維持率を示す。
【0023】
図7および図8から分かるように、SC/S=0、つまり、ロジウムめっきを施さない場合は、陰極先端の温度は2200℃であり、陰極物質の蒸発が激しくて光束維持率は60%しか得られない。そして、SC/Sの値が大きくなるに連れて陰極先端の温度は低くなるが、SC/Sの値が0.09〜0.48であれば、陰極先端の温度は2050〜1900℃であり、陰極物質の蒸発が抑制されるとともに、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射が十分に行われて陰極がスパッタリングされにくく、従って、放電容器1の内壁は長時間点灯しても黒化しにくく、80〜92%の光束維持率を得ることができる。
一方、SC/S=0.55の場合は、陰極先端の温度は1750℃になり、陰極物質の蒸発が極めて少なくなるが、易電子放出材料の電子放射が十分に行われず、陰極がスパッタリングされて放電容器1の内壁が黒化しやすく、光束維持率は50%に低下してしまう。
そこで、ロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかからなる金属膜で応力緩衝部5を形成した場合は、十分に実用に耐える750時間点灯時において80%の光束維持率を得るには、図8のグラフから、SC/Sの値は、0.09〜0.50であればよいことが分かる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のキセノン水銀ランプによれば、陰極先端の温度を、アルカリ土類金属からなる易電子放出材料の電子放射に適した温度範囲まで低下させることができるので、陰極物質の蒸発やスパッタリングが少なくなり、放電容器内壁の黒化が抑制されて長時間にわたり高い光束維持率を保つことができる。特に、遠紫外線を放射するキセノン水銀ランプに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1の実施例の説明図である。
【図2】モリブデン箔による応力緩衝部の作成手順の説明図である。
【図3】請求項2の実施例の説明図である。
【図4】請求項2の実施例の陰極の正面図(A)と側面図(B)である。
【図5】請求項1のSC/Sと先端温度の関係図である。
【図6】請求項1のSC/Sと光束維持率の関係図である。
【図7】請求項2のSC/Sと先端温度の関係図である。
【図8】請求項2のSC/Sと光束維持率の関係図である。
【図9】従来例の説明図である。
【図10】従来例の説明図である。
【符号の説明】
1 放電容器
2 封止管
21 封止部
22 金属箔
23 外部給電棒
3 陽極
31 電極棒
4 陰極
41 先端部
42 胴体部
43 導通部
44 易電子放出部
45 傾斜部
5 応力緩衝部
S 陰極の表面積
SC 応力緩衝部の面積
Claims (3)
- 石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および/または導通部の表面にモリブデン箔からなる応力緩衝部が形成されて該封止管が該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をSC、陰極の表面積をSとしたとき、0.11≦SC/S≦0.63であることを特徴とするキセノン水銀ランプ。 - 石英ガラスからなる放電容器内に、水銀およびキセノンが封入され、タングステンからなる陽極と陰極が対向配置され、該陰極は、略円錐形の先端部と、該先端部に続く胴体部と、該胴体部に続く導通部からなり、該放電容器の両端に連設された封止管に形成された封止部に埋設された金属箔に該導通部の端部が接続され、該先端部に易電子放出部を設けた箔シール型のキセノン水銀ランプにおいて、
前記胴体部および/または導通部の表面にロジウムめっき、レニウムめっき、ニオブめっきのいずれかの金属膜からなる応力緩衝部が形成されて該封止管が該応力緩衝部に密着し、該応力緩衝部の面積をSC、陰極の表面積をSとしたとき、0.09≦SC/S≦0.50であることを特徴とするキセノン水銀ランプ。 - 前記易電子放出部が、Ba、Ca、Srの少なくとも1種の易電子放出材料を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載のキセノン水銀ランプ。
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