JP4725389B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：デジタル・ライト・プロセッシング）技術を利用した映写機などにおいて光源として用いられる発光物質としてキセノンガスを封入した高圧放電ランプに関する。

従来、高圧放電ランプとしては、例えば図８に示す構成のものが知られている。
この高圧放電ランプ１０は、石英ガラス製の、発光管１１および封止管１２よりなるバルブと、発光管１１の内部において、互いに対向するよう設けられた陰極１９および陽極１４により構成されている。

そして、陰極１９および陽極１４のそれぞれを支持するタングステン製の電極棒１９１、１４１が、封止管１２内で固定的に配設された、その内部に軸方向に伸びる貫通孔を有する円筒状の石英ガラスよりなる保持用筒体１６に挿通されて保持されると共に、段継ぎガラス１５によって封止管１２に封着されている。この電極棒１９１、１４１は、バルブの外端部から外方に突出して伸びて、陰極１９および陽極１４の各々に電力を供給する外部リード棒を兼ねるものである。
そして、発光管１１内にキセノンガスが封入されている。

以上のような構成を有する高圧放電ランプ１０においては、陰極１９は、図９に示されるように、円柱状の胴部１９２と、この胴部１９２の一端に一体的に設けられた、陰極軸Ｌに沿って前方（図において左方）に向かうに従って次第に径が小さくなり、その先端に円形の平坦な先端面１９３が形成された円錐台形状のコーン状部１９４とにより構成されてなるものである。

そして、このような放電ランプでは、長時間にわたって安定した放射光を得るためには、電極間に生じるアーク放電を長時間安定させる必要があり、陰極１９は、二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）よりなる電子放射性物質がドープされたトリエーテッドタングステンを用い、先端側領域１９６以外の領域であるに基端側領域１９５の表面には、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）よりなる炭化層Ａを形成するものである。
このような技術は、特開平１０−２８３９２１号に記載されている。
なお、図９は陰極の平面図であり、便宜上、炭化層Ａを破線で示すものである。

この炭化層Ａでは、アーク放電動作中に拡散された酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の酸素をタングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）がトラップして、トリア（Ｔｈ）を効率よく陰極１９の先端面１９３に供給するものである。このトリア供給現象は、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）よりなる炭化層Ａが１４００℃〜１８００℃の温度で最適に起こるものであり、このトリア供給現象を化学式示すと、下記（式１）（式２）になる。
ＴｈＯ_２＋Ｗ_２Ｃ→Ｔｈ＋２Ｗ＋ＣＯ_２・・・・（式１）
ＴｈＯ_２＋２Ｗ_２Ｃ→Ｔｈ＋４Ｗ＋２ＣＯ_２・・（式２）

さらに詳しくトリア供給現象を説明すると、陰極表面に形成された炭化層は、陰極の表面だけではなく、陰極の表面から約１００μｍまでの内部にまで浸透している。
つまり、上記式１、式２の反応は、陰極の表面だけで起こるものではなく、陰極の内部でも起こるものであり、陰極の内部で発生したトリア（Ｔｈ）は、タングステンの結晶粒界を通り陰極の表面に析出するものと、タングステンの結晶粒界を通りながら、陰極内部を移動して陰極１９の先端面１９３に析出するものがある。

この結果、ランプ点灯後、長時間にわたって、確実に、トリア（Ｔｈ）を効率よく陰極１９の先端面１９３に供給することができ、安定した放射光を長時間得ることができるものであった。

なお、陰極１９の先端側領域１９６まで、炭化層を設けると、先端側領域１９６は約２９００℃になり、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）が溶融してしまい、陰極先端が早期に損耗し使用寿命が短くなる問題や、発光管が黒化して早期に放射光の強度が低下する恐れがあるため、陰極１９の先端側領域１９６は、炭化層を設けない構造になっている。

さらに、トリア供給現象は、炭化層が１４００℃〜１８００℃の温度で最適に起こるものであり、陰極に設けられた炭化層が、確実に、１４００℃〜１８００℃になるように、図１０に示すように、陰極表面に軸Ｌに対して垂直な垂直面１９７を形成し、この垂直面１９７にアークからの光を照射して、垂直面１９７上に形成された炭化層Ａを、確実に１４００℃〜１８００℃の範囲にして、さらに、一層、トリア供給現象を効果的に行うことができる陰極が提案されている。
このような技術は、特開２００５−１４２０７１号に記載されている。
なお、図１０は陰極の平面図であり、便宜上、炭化層Ａを破線で示すものである。
特開平１０−２８３９２１号 特開２００５−１４２０７１号

しかしながら、最近では、ＤＬＰ（登録商標）技術を利用した映写機分野では、高輝度、点光源のランプの要望が高まり、キセノンガスの封入量を増やしランプの動作圧力を高めるとともに、電極間距離を短くした放電ランプが開発されている。

このような放電ランプでは、陽極の温度が今まで以上に高温となり、陽極の輻射熱の影響により、陰極の温度が上昇する傾向にある。
この結果、陰極に含有されているトリア（Ｔｈ）が、早期に還元され短時間で枯渇することになる。
また、陰極先端部分が高温状態となるために、陰極先端部の結晶粒径が大きくなり、陰極内部のトリア（Ｔｈ）は、結晶粒によって進行が阻害され、陰極先端にトリア（Ｔｈ）が供給されなくなる。

つまり、ランプ点灯後、短時間で陰極先端にトリア（Ｔｈ）が供給できなくなり、フリッカー現象が発生し、スクリーン上に映像のチラツキが発生するという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、ランプ点灯後、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、フリッカー現象の発生を長時間抑制した使用寿命の長い高圧放電ランプを提供することにある。

請求項１に記載の高圧放電ランプは、バルブ内に陽極および陰極が対向して配置された高圧放電ランプであって、前記陰極は、酸化トリウムを含有したタングステンであって、陽極側の先端側を除く表面にタングステンカーバイトよりなる炭化層が形成されており、前記陰極には、酸化トリウムを含有したタングステンからなる電子放射体が、前記陰極に当触するように配置されており、前記電子放射体は、少なくとも陰極と当触する当接領域に、タングステンカーバイトよりなる炭化層が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の高圧放電ランプは、請求項１に記載の高圧放電ランプであって、特に、前記電子放射体は塊状体であって、当該電子放射体を貫通する貫通孔が形成されており、前記電子放射体の貫通孔に前記陰極が嵌合されて、前記電子放射体が前記陰極に保持されていることを特徴とする。

請求項３に記載の高圧放電ランプは、請求項１に記載の高圧放電ランプであって、特に、前記電子放射体は線状体であって、前記電子放射体は、陰極に巻回して保持されていることを特徴とする。

本発明の放電ランプによれば、陰極に保持された電子放射体から陰極表面に電子放射物質であるトリア（Ｔｈ）が供給されるので、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、フリッカー現象の発生を長時間抑制した使用寿命の長い放電ランプとなる。

本発明の高圧放電ランプを、図１を用いて説明する。
高圧放電ランプ１０は、石英ガラス製の、発光管１１および封止管１２よりなるバルブと、発光管１１の内部において、互いに対向するよう設けられた陰極１３および陽極１４を有するものである。

陰極１３および陽極１４はタングステン製の電極棒１３１、１４１によって支持されており、この電極棒１３１、１４１は、封止管１２の内部に軸方向に伸びる貫通孔を有する円筒状の石英ガラスよりなる保持用筒体１６に挿通されて保持されると共に、段継ぎガラス１５によって封止管１２に封着されている。
この電極棒１３１、１４１は、バルブの外端部から外方に突出して伸びて、陰極１３および陽極１４の各々に電力を供給する外部リード棒を兼ねるものである。
そして、発光管１１内にキセノンガスが封入されている。

陰極１３は、二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）よりなる電子放射性物質がドープされたトリエーテッドタングステンであり、９８％のタングステン（Ｗ）と、２％の二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）から、焼結電極である。
陽極１４は、二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含まないタングステンからなるものである。

図２は、陰極の拡大平面図である。
陰極１３は、円柱状の胴部１３２と、この胴部１３２の一端側に一体的に設けられた円柱状の小径胴部１３３と、電極軸Ｌに沿って前方（図において左方）に向かうに従って次第に径が小さくなり、その先端に円形の平坦な先端面１３４が形成された陽極側の先端側である円錐台形状のコーン状部１３５とから構成されている。

そして、陰極１３の小径胴部１３３の表面には、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）よりなる炭化層Ａが形成されている。
この炭化層Ａは、カーボン粉末の分散液を小径胴部１３３の表面に塗布し、真空中で熱処理することにより得られるものである。
この結果、この炭化層Ａは、小径胴部１３３の表面だけではなく、表面から約１００μｍまでの内部にも浸炭して存在するものである。

図３は、電子放射体のみ取り出した斜視図である。
電子放射体１７は、中心に貫通孔１７１を有する円盤状の塊状体であって、陰極１３と同様に、二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）よりなる電子放射性物質がドープされたトリエーテッドタングステンであり、９８％のタングステン（Ｗ）と、２％の二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）からな焼結体である。

そして、電子放射体１７は、貫通孔１７１の内表面を含む全表面に、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）よりなる炭化層Ａが形成されている。
この炭化層Ａは、陰極の炭化層と同様に、カーボン粉末の分散液を電子放射体１７の表面に塗布し、真空中で熱処理することにより得られるものである。
この結果、この炭化層Ａは、貫通孔１７１の内表面だけではなく、表面から約１００μｍまでの内部にも浸炭して存在するものである。

図４は、陰極に電子放射体が取り付けられた断面図である。
電子放射体１７の貫通孔１７１に陰極１３の小径胴部１３３が嵌合されて、陰極１３に電子放射体１７が保持されている。
そして、炭化層Ａが形成された陰極１３の小径胴部１３３の外周面と、炭化層Ａが形成された電子放射体１７の貫通孔１７１の内周面が当接した状態となっている。
つまり、電子放射体１７の陰極１３と当触する当接領域は、電子放射体１７の貫通孔１７１の内周面である。
なお、図４では、電子放射体１７の貫通孔１７１の内周面と小径胴部１３３との間の隙間を誇張して表現しているが、実際には、電子放射体１７の貫通孔１７１の内周面は小径胴部１３３の外周面に当接している。

また、必要に応じて、電子放射体１７が陰極１３の小径胴部１３３から抜けないように、小径胴部１３３には、電子放射体１７より陽極側に高融点金属からなるワイヤー、例えばモリブデンワイヤーＷが巻回されて固定されており、このモリブデンワイヤーＷにより電子放射体１７が、陰極１３から抜け落ちないようにするものである。

図５は、本発明の高圧放電ランプの陰極におけるトリア（Ｔｈ）の動きを示す模式図である。なお、トリア（Ｔｈ）の動きは矢印で模式的に示す。
陰極１３の小径胴部１３３には炭化層Ａが形成されおり、小径胴部１３３の表面及び表面から約１００μｍまでの内部に炭素が存在している。
ランプ点灯中に小径胴部１３３の温度が１４００℃〜１８００℃になると、上記式１と式２に示すように、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の酸素をタングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ）がトラップすることにより、トリア（Ｔｈ）が生成される。

そして、陰極１３の表面及内部で生成されたトリア（Ｔｈ）は、粒界拡散であるタングステンの結晶粒界を通り陰極１３の表面に析出し、陰極の先端部が高温であるため、表面拡散が起こり、すなわち、小径胴部１３３の表面に沿って移動し、さらに、コーン状部１３５の表面に沿って移動して、陰極１３の先端面１３４に供給される。
さらには、陰極１３内部で生成されたトリア（Ｔｈ）の一部は、タングステンの結晶粒界を通りながら、陰極１３内部を移動して陰極１３の先端面に供給される。

さらに、電子放射体１７の陰極１３と当接している近傍部分である、電子放射体１７の表面および表面から約１００μｍまでの内部は、陰極からの熱によって、陰極と略同じ温度になっており、つまり１４００℃〜１８００℃になっている。
この結果、電子放射体１７に炭化層Ａが形成されており、電子放射体１７の陰極１３と当接している貫通孔１７１の内表面及び内表面から約１００μｍまでの内部に存在している炭素が、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の酸素をトラップすることにより、電子放射体１７においても、トリア（Ｔｈ）が生成されることになる。

そして、電子放射体１７の貫通孔１７１の内表面に析出したトリア（Ｔｈ）が、陰極１３の小径胴部１３３の表面に供給され、このトリア（Ｔｈ）が小径胴部１３３の表面を動き、コーン状部１３５の表面に沿って移動して、陰極１３の先端面に供給される。

この結果、電子放射体１７からも陰極１３にトリア（Ｔｈ）が供給されることになり、ランプ点灯後、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、トリア（Ｔｈ）原子の枯渇に起因するフリッカー現象の発生を長時間抑制することができる。

また、点灯後、陰極１３の先端が高温になるために、陰極１３の先端の結晶粒径が大きくなって、陰極１３の内部に生成されたトリア（Ｔｈ）が結晶粒界を通って陰極内部で移動できなくなっても、電子放射体１７から陰極１３の表面にトリア（Ｔｈ）が供給されることになり、確実にしかも安定的に陰極１３の先端面１３４にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、ランプ点灯後、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、フリッカー現象の発生を長時間に渡って抑制することができる。

図６は、陰極に他の例の電子放射体が取り付けられた説明図である。
電子放射体１８は、直径６〜１２ｍｍの線状体であって、二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）よりなる電子放射性物質がドープされたトリエーテッドタングステン線であり、９８％のタングステン（Ｗ）と、２％の二酸化トリウム（ＴｈＯ_２）からなるものである。

そして、線状の電子放射体１８の表面には、タングステンカーバイド（Ｗ_２Ｃ）よりなる炭化層Ａが形成されている。
この炭化層Ａは、カーボン粉末の分散液を電子放射体１８７の表面に塗布し、真空状態で加熱処理されて得られるものである。
なお、図６では、電子放射体１８の炭化層Ａの寸法は誇張して表現しており、また、小径胴部１３３の炭化層Ａは、便宜上点線で示している。

この電子放射体１８は、予め表面に炭化層Ａが形成されている状態で、炭化層Ａが形成された陰極１３の小径胴部１３３に緊密に巻回されて、陰極１３に保持されている。

このような陰極１３では、陰極１３の小径胴部１３３には炭化層Ａが形成されおり、小径胴部１３３の表面及び表面から約１００μｍまでの内部に炭素が存在している。
ランプ点灯中に小径胴部１３３の温度が１４００℃〜１８００℃になると、上記式１と式２に示すように、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の酸素をタングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ）がトラップすることにより、トリア（Ｔｈ）が生成される。

そして、陰極１３の表面及内部で生成されたトリア（Ｔｈ）は、粒界拡散であるタングステンの結晶粒界を通り陰極１３の表面に析出し、陰極の先端部が高温であるため、表面拡散が起こり、すなわち、小径胴部１３３の表面に沿って移動し、さらに、コーン状部１３５の表面に沿って移動して、陰極１３の先端面１３４に供給される。
さらには、陰極１３内部で生成されたトリア（Ｔｈ）の一部は、タングステンの結晶粒界を通りながら、陰極１３内部を移動して陰極１３の先端面に供給される。

さらに、電子放射体１８は、陰極からの熱によって、陰極と略同じ温度になっており、つまり１４００℃〜１８００℃になっている。
この結果、電子放射体１８の陰極１３と当接している表面及び表面から約１００μｍまでの内部に存在している炭素が、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の酸素をトラップすることにより、電子放射体１８においても、トリア（Ｔｈ）が生成されることになる。

そして、電子放射体１８の表面に析出したトリア（Ｔｈ）が、陰極１３の小径胴部１３３の表面に供給され、このトリア（Ｔｈ）が小径胴部１３３の表面を動き、コーン状部１３５の表面に沿って移動して、陰極１３の先端面１３４に供給される。

この結果、電子放射体１８からも陰極１３にトリア（Ｔｈ）が供給されることになり、ランプ点灯後、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給することができ、トリア（Ｔｈ）原子の枯渇に起因するフリッカー現象の発生を長時間抑制することができる。

次に、図１及び図４に示す電子放射体を有する陰極を用いた高圧放電ランプを用いて、フリッカー発生状況を調べる実験を行った。
フリッカーは、点灯時の電圧振幅幅が１Ｖを超えると、スクリーン上の映像のチラツキが顕著になる。そこで、電圧振幅幅が１Ｖを超えた時点で、スクリーン上の映像のチラツキが問題となり、フリッカーによるランプ寿命と定義した。

この実験で使用した高圧放電ランプは、定格２４Ｖ、７８Ａ、２ｋＷで点灯するものであり、比較ランプとして、電子放射体を取り付けていない図９の陰極を用いた以外は同一仕様のランプを比較ランプとして実験した。
結果を図７に示す。

図７は、横軸に点灯時間（時間）、縦軸は電圧振幅幅（Ｖ）を示すものであり、グラフＡは本発明の高圧放電ランプのデータ、グラフＢは比較ランプのデータである。
図７からわかるように、比較ランプでは、点灯後９００時間経過した段階で電圧振幅幅が１Ｖ以上となり、スクリーン上の映像のチラツキが顕著になり、ランプの寿命が尽きたものとなっている。
一方、本発明の高圧放電ランプでは、点灯後１１００時間経過した段階で初めて電圧振幅幅が１Ｖ以上となり、スクリーン上の映像のチラツキが顕著になり、ランプの寿命が尽きたものとなっている。つまり、フリッカーによるランプ寿命を２００時間も遅らせることができた。

この結果から、本発明の高圧放電ランプは、ランプ点灯後、長時間にわたって安定的に陰極先端にトリア（Ｔｈ）を供給されており、フリッカー現象の発生を長時間抑制した使用寿命の長いランプとなっている。

本発明の高圧放電ランプの説明図である。 本発明の高圧放電ランプの陰極の説明図である。 本発明の高圧放電ランプの陰極に保持される電子放射体の説明図である。 本発明の電子放射体を保持している高圧放電ランプの陰極の説明図である。 本発明の高圧放電ランプの陰極におけるトリア（Ｔｈ）の動きを示す模式図である。 本発明の他の電子放射体を保持している高圧放電ランプの陰極の説明図である。 フリッカー発生状況を調べた実験結果のデータ説明図である。 従来の高圧放電ランプの説明図である。 従来の高圧放電ランプの陰極の説明図である。 従来の高圧放電ランプの陰極の説明図である。

符号の説明

１０ 高圧放電ランプ
１１ 発光管
１２ 封止管
１３ 陰極
１３２ 胴部
１３３ 小径胴部
１３４ 先端面
１３５ コーン状部
１４ 陽極
１５ 段継ぎガラス
１６ 保持用筒体
１７ 電子放射体
１７１ 貫通孔
１８ 電子放射体
Ａ 炭化層
Ｋ ワイヤー

Claims (3)

1. バルブ内に陽極および陰極が対向して配置された高圧放電ランプであって、
   前記陰極は、酸化トリウムを含有したタングステンであって、陽極側の先端を除く表面にタングステンカーバイトよりなる炭化層が形成されており、
   前記陰極には、酸化トリウムを含有したタングステンからなる電子放射体が、前記陰極に当触するように配置されており、
   前記電子放射体は、少なくとも陰極と当接する当接領域に、タングステンカーバイトよりなる炭化層が形成されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記電子放射体は塊状体であって、当該電子放射体を貫通する貫通孔が形成されており、
   前記電子放射体の貫通孔に前記陰極が嵌合されて、前記電子放射体が前記陰極に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記電子放射体は線状体であって、
   前記電子放射体は、前記陰極に巻回して保持されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
   

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