JP4924678B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents

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Description

本発明はショートアーク型放電ランプに関する。特に、ショートアーク型水銀ランプ、ショートアーク型キセノンランプに関する。   The present invention relates to a short arc type discharge lamp. In particular, the present invention relates to a short arc type mercury lamp and a short arc type xenon lamp.

ショートアーク型放電ランプは、発光部に陽極と陰極が数ミリ程度の間隙をもって対向配置する構造を有しており、陽極と陰極の間にアークを発生させて発光を得るランプである。このうち、ショートアーク型水銀ランプは、半導体、液晶、プリント基板など各種の露光工程に用いられる。また、ショートアーク型キセノンランプは、例えば、ディジタルシネマ用プロジェクター装置の光源に用いられる。   The short arc type discharge lamp has a structure in which an anode and a cathode are arranged opposite to each other with a gap of about several millimeters in a light emitting portion, and an arc is generated between the anode and the cathode to obtain light emission. Among these, short arc type mercury lamps are used in various exposure processes such as semiconductors, liquid crystals, and printed circuit boards. The short arc type xenon lamp is used as a light source of a projector device for digital cinema, for example.

この種の放電ランプの陰極は、通常タングステンを基体として構成されており、このタングステンには通称エミッターといわれる電子放射性物質が含有されている。このエミッターは、ランプ点灯中において陰極先端まで輸送（拡散）されることで陰極先端におけるアーク形成に寄与している。
しかしながら、ランプ点灯に伴い、エミッターが枯渇したり、あるいは先端への供給が不十分になったりすると、良好なアーク形成されなくなり、ア−クの激しい揺れやランプ電圧の著しい変動という不具合を生じる。 The cathode of this type of discharge lamp is usually composed of tungsten as a substrate, and this tungsten contains an electron-emitting material commonly called an emitter. The emitter contributes to arc formation at the cathode tip by being transported (diffused) to the cathode tip during lamp operation.
However, if the emitter is depleted or the supply to the tip becomes insufficient as the lamp is turned on, a good arc is not formed, and there is a problem that the arc oscillates and the lamp voltage fluctuates significantly.

この問題を解決するために、陰極内部にエミッターの貯蔵タンクのようなものを設けて、枯渇しないように十分な量を保持させておき、これにより安定的に先端領域まで供給させようという技術も提案されている（特開平１１−９６９６５号、特開平１１−１５４４８８号）。
しかしながら、陰極内部にエミッター用タンクを形成することは製造工程が煩雑化してしまう。特に、エミッターが陰極先端まで十分に補給されるためには、当該タンクはランプ点灯中において、エミッターが活性化するレベルの温度にまで加熱される必要があり、形成領域が著しく制約を受ける。さらには、タンクからのエミッター供給は比較的短時間に行われるため、タンクを設けない場合に比べるとアーク安定時間を長くできるものの、それ以上長時間にわたりアークを安定的に維持させることはできなかった。 In order to solve this problem, there is also a technique in which a storage tank for the emitter is provided inside the cathode so that a sufficient amount is maintained so as not to be depleted, thereby stably supplying the tip region. Have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 11-96965 and 11-154488).
However, forming the emitter tank inside the cathode complicates the manufacturing process. In particular, in order for the emitter to be sufficiently replenished to the tip of the cathode, the tank needs to be heated to a temperature at which the emitter is activated while the lamp is on, and the formation area is significantly restricted. Furthermore, since the emitter is supplied from the tank in a relatively short time, the arc stabilization time can be made longer than when no tank is provided, but the arc cannot be stably maintained for a longer time. It was.

特開平１１−９６９６５号JP-A-11-96965 特開平１１−１５４４８８号Japanese Patent Laid-Open No. 11-154488

この発明が解決しようとする課題は、長時間にわたり安定的にエミッターを先端領域に供給できるとともに、比較的容易に製造できる陰極構造を提供することである。   An object of the present invention is to provide a cathode structure that can stably supply an emitter to a tip region over a long period of time and can be manufactured relatively easily.

上記課題を達成するために、この発明に係るショートアーク型放電ランプは、電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部を有する構造において、前記陰極は、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、該細長穴の表面近傍だけ温度を上昇させて、表面近傍と陰極内部との間に急激な温度差を作り出し、熱膨張量の差によって、当該細長穴の内表面に表面近傍から陰極内部に向かう幅５μｍ以下のクラックが形成されたことを特徴とする。
To achieve the above object, a short arc type discharge lamp according to the present invention is a structure having a light emitting portion cathode and anode electron radioactive material is contained is arranged opposite the cathode, the base direction from the anode side tip An elongated hole is formed toward the surface , and the temperature is increased only in the vicinity of the surface of the elongated hole to create a sudden temperature difference between the vicinity of the surface and the inside of the cathode. A crack having a width of 5 μm or less from the vicinity of the surface to the inside of the cathode is formed on the inner surface of the substrate.

本発明に係るショートアーク型放電ランプは以下の効果を有する。
（１）陰極に形成された細長穴の内面に幅５μｍ以下のクラックが形成されているので、当該クラック表面と細長穴表面を使って表面拡散によりエミッターを陰極先端まで供給できる。
（２）当該幅５μｍ以下のクラックは、例えば、放電加工により細長穴を形成することで容易に製造することができる。
The short arc type discharge lamp according to the present invention has the following effects.
(1) Since a crack having a width of 5 μm or less is formed on the inner surface of the elongated hole formed in the cathode, the emitter can be supplied to the tip of the cathode by surface diffusion using the crack surface and the surface of the elongated hole.
(2) The crack having a width of 5 μm or less can be easily manufactured by forming an elongated hole by, for example, electric discharge machining.

本発明に係るショートアーク型放電ランプの概略構成を示す。1 shows a schematic configuration of a short arc type discharge lamp according to the present invention. 陰極の先端構造拡大図を示す。An enlarged view of the tip structure of the cathode is shown. 本願発明に係る細長穴の内表面を表す写真であってクラックが形成されている状態を示す。It is the photograph showing the inner surface of the elongate hole which concerns on this invention, Comprising: The state in which the crack is formed is shown. 比較例として細長穴の内表面を表す写真であってクラックが形成されていない状態を示す。It is a photograph showing the inner surface of the elongated hole as a comparative example, and shows a state in which no crack is formed.

図１は本発明に係るショートアーク型放電ランプの一例であるショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。放電ランプは、石英ガラスからなる発光管１０より構成され、発光管は発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には陰極２０と陽極３０が、例えば5.0ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a short arc type mercury lamp which is an example of a short arc type discharge lamp according to the present invention. The discharge lamp is composed of an arc tube 10 made of quartz glass, and the arc tube is composed of a light emitting part 11 and a rod-shaped sealing part 12 extending from the light emitting part 11 to both ends. The cathode 20 and the anode 30 are disposed opposite to each other with a gap of, for example, 5.0 mm inside the light emitting unit 11, and an arc bright spot is formed at the tip of the cathode 20. The light emitting portion 11 has a spherical shape or a spindle shape elongated in the tube axis direction.

陰極２０は、例えば、トリウムドープタングステン（トリウムが含有されたタングステン）よりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐台形状に形成されており陰極棒２３に支持される。陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状に形成されており陽極棒３３に支持される。   The cathode 20 is a cylindrical rod made of thorium-doped tungsten (tungsten containing thorium), for example, and the tip is formed in a substantially truncated cone shape and is supported by the cathode rod 23. The anode 30 is made of, for example, tungsten, and is a cylindrical rod as a whole. The anode 30 is formed in a substantially bullet shape having a flat surface at the tip, and is supported by the anode rod 33.

陰極棒２３と陽極棒３３は各々封止部１２に向かって伸びる。各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されている。陰極棒２３および陽極棒３３はそれぞれモリブデン箔と接合して気密封止構造が形成される。封止部１２の外端は外部リード１３が突出する。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なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２３、陽極棒３３と物理的に別体である必要はなく、両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。   The cathode bar 23 and the anode bar 33 each extend toward the sealing portion 12. A molybdenum foil (not shown) is embedded in each sealing portion 12. The cathode bar 23 and the anode bar 33 are bonded to a molybdenum foil to form an airtight sealing structure. An external lead 13 protrudes from the outer end of the sealing portion 12. A power supply device (not shown) is connected to the external lead 13 to supply current. Note that the cathode 20 and the anode 30 do not have to be physically separate from the cathode rod 23 and the anode rod 33, respectively, and they may be physically integrated.

発光部１１には、水銀と、アルゴンもしくはクリプトンを含む希ガスが封入される。水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり1.0〜20ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば2ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は0.2〜0.5ＭＰａであって、例えば0.3ＭＰａである。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は2.5ＭＰａ程度になる。   The light emitting unit 11 is filled with mercury and a rare gas containing argon or krypton. The amount of mercury enclosed is in the range of 1.0 to 20 mg / cc per inner volume of the light emitting space, and is included, for example, 2 mg / cc. The amount of rare gas sealed is 0.2 to 0.5 MPa, for example, 0.3 MPa. The total internal pressure during steady lighting of mercury and rare gas is about 2.5 MPa.

図２は陰極２０の拡大構造を示す。陰極２０は円錐台形状の先端部２１と、円柱形状の本体部２２より構成される。先端部２１には細長穴２４が陽極側の先端面から陰極棒２３側の根元方向に向かって形成される。細長穴２４の内表面にはクラック（亀裂）２５が形成されている。
FIG. 2 shows an enlarged structure of the cathode 20. The cathode 20 includes a truncated cone-shaped tip portion 21 and a columnar body portion 22. An elongated hole 24 is formed in the distal end portion 21 from the distal end surface on the anode side toward the root direction on the cathode rod 23 side. A crack (crack) 25 is formed on the inner surface of the elongated hole 24.

ここで、陰極２０に含有されたエミッターは、一般に、粒内拡散、粒界拡散、表面拡散と種別される３とおりの形態により先端に拡散する。拡散速度は表面拡散がもっとも早く、ついで粒界拡散、粒内拡散という順になる。本発明は、陰極２０の先端部２１に細長穴２４を形成することで、細長穴２４の内表面による表面拡散を利用するともに、さらに、細長穴２４にクラック（亀裂）２５を形成させることで、このクラック２５による表面拡散も利用するものである。すなわち、細長穴２４の内表面に存在するエミッターはそのまま表面拡散されるが、図示領域Ａのように、陰極２０の内部に存在するエミッターは、粒内拡散か粒界拡散に頼らなければならない。本発明は、細長穴２４に内表面に、通常はあえてわざわざ作ることがない、クラック（亀裂）を意図的に形成させ、このクラックによる表面拡散を利用するものである。
Here, the emitter contained in the cathode 20 generally diffuses to the tip in three forms classified as intragranular diffusion, grain boundary diffusion, and surface diffusion. The diffusion rate is the fastest surface diffusion, followed by grain boundary diffusion and intragranular diffusion. In the present invention, by forming the elongated hole 24 in the tip portion 21 of the cathode 20, surface diffusion by the inner surface of the elongated hole 24 is used, and further, a crack (crack) 25 is formed in the elongated hole 24. The surface diffusion due to the crack 25 is also used. That is, although the emitter existing on the inner surface of the elongated hole 24 is diffused as it is, the emitter existing inside the cathode 20 as shown in the region A in the figure must rely on intragranular diffusion or grain boundary diffusion. In the present invention, a crack (crack) is intentionally formed on the inner surface of the elongated hole 24, which is not usually intentionally created, and surface diffusion due to the crack is utilized.

クラックを形成する方法は、放電加工において放電条件を調整することである。例えば、放電時のピーク電流値（パルスの高さ）を大きくしたり、パルス放電におけるオン時間を短くして熱拡散長を短くしたりすることである。加工表面近傍だけ温度を上昇させて急激な温度差を作り出し、熱膨張差によってクラックを形成することができる。
 The method of forming a crack is to adjust the discharge conditions in electric discharge machining. For example, the peak current value (pulse height) during discharge is increased, or the ON time in pulse discharge is shortened to shorten the thermal diffusion length. The temperature can be raised only in the vicinity of the processing surface to create a rapid temperature difference, and cracks can be formed by the difference in thermal expansion.

図３は細長穴２４の内表面構造を示した走査電子顕微鏡写真を示す。同図はエミッターである酸化トリウムが2重量％添加されたタングステンロッドを放電加工して、放電時のピーク電流が通常より大きい条件で穴径φ0.4ｍｍの細長穴を形成させたものである。そして、熱処理を施してから細長穴の内周面が観察できるようにタングステンロッドを軸方向に破断させた。半分に割れた状態にて、走査電子顕微鏡を使って観察したものである。写真上にも尺度も追記している。   FIG. 3 shows a scanning electron micrograph showing the inner surface structure of the elongated hole 24. In the figure, a tungsten rod to which 2% by weight of thorium oxide as an emitter is added is subjected to electric discharge machining to form an elongated hole having a hole diameter of φ0.4 mm under a condition where the peak current during discharge is larger than usual. Then, after the heat treatment, the tungsten rod was broken in the axial direction so that the inner peripheral surface of the elongated hole could be observed. It was observed using a scanning electron microscope in a state of being broken in half. The scale is also added on the photo.

クラック２５は電極軸に沿って伸びるように形成されている。本実施例において、軸に垂直方向２５０μｍの長さを横切るクラックは５個程度であった。ここでいうクラックとはタングステン表面に生じた微小なヒビのことで観測されたクラックの幅は５μｍ以下であり、５μｍから３０μｍの深さがあった。なお、クラックの数があまりに多い場合、あるいは１つのクラックがあまりに大きい場合は陰極の強度そのものに悪影響を及ぼすので好ましくない。
 The crack 25 is formed so as to extend along the electrode axis. In this example, there were about 5 cracks crossing the length of 250 μm in the direction perpendicular to the axis. The crack referred to here is a micro crack generated on the tungsten surface, and the width of the crack observed was 5 μm or less, and the depth was 5 μm to 30 μm. Incidentally, if the number of cracks is too large, or because if one crack is too large, an adverse effect on the intensity itself of the cathode is not preferable.

クラックについて数値例をあげると、陰極の先端面はφ１．０ｍｍ〜φ２．０ｍｍ程度であり一例ではφ２．０ｍｍ、細長穴の径はφ０．２ｍｍ〜φ１．０ｍｍ程度であり一例ではφ０．４ｍｍ、細長穴の長さ（深さ）は２．０ｍｍ〜１０．０ｍｍであり一例では３．０ｍｍである。また、陰極はトリウムが含有されたタングステンに限定されるものではなく、ランタンを含有したタングステン、セリウムを含有したタングステン、イットリアを含有したタングステンが使われる。 Taking a numerical example of the crack , the tip surface of the cathode is about φ1.0 mm to φ2.0 mm, and in one example, φ2.0 mm, and the diameter of the elongated hole is about φ0.2 mm to φ1.0 mm, and in one example, φ0.4 mm, The length (depth) of the elongated hole is 2.0 mm to 10.0 mm, and in one example is 3.0 mm. The cathode is not limited to tungsten containing thorium, and tungsten containing lanthanum, tungsten containing cerium, and tungsten containing yttria are used.

図４は図３と比較するための図面であって、細長穴を設けるものの、クラックを有していない構造を示す。
FIG. 4 is a view for comparison with FIG. 3 and shows a structure that is provided with an elongated hole but does not have a crack .

次に、本発明の効果を示す実験について説明する。
３種類の放電ランプ（ランプＡ、ランプＢ、ランプＣ）を使ってクラックの有無と電圧変動発生までの時間の関係を観察した。電圧変動発生時間を指標とした理由は、エミッターの供給が不十分になるとアークが不安定になりランプ電圧が変動するからである。
３種類のランプは、いずれも先端径φ２ｍｍ、テーパ角６０°で切削したタングステンロッドの先端面に、φ０．４ｍｍの細長穴を加工した陰極を製作した。これらの陰極を用いて水銀封入量２ｍｇ／ｃｃ、バッファーガス圧０．３ＭＰａのランプを製作した。そして、ランプＡは機械加工により細長穴を製作しクラックは形成されておらず、ランプＢはピーク電流を１Ａ、オン時間を１０００μｓとした放電加工により細長穴を製作しクラックはほとんど形成されていなかった。これに対して、ランプＣはピーク電流を１５Ａ、オン時間を１０μｓとした放電加工により細長穴を製作し、クラックが形成されていた。３種類のランプは、いずれも１０ｋＷで点灯させた。
Next, an experiment showing the effect of the present invention will be described.
Three types of discharge lamps (Lamp A, Lamp B, and Lamp C) were used to observe the relationship between the presence of cracks and the time until voltage fluctuations occurred. The reason for using the voltage fluctuation occurrence time as an index is that when the supply of the emitter is insufficient, the arc becomes unstable and the lamp voltage fluctuates.
In each of the three types of lamps, a cathode in which an elongated hole of φ0.4 mm was formed on the tip surface of a tungsten rod cut at a tip diameter of φ2 mm and a taper angle of 60 ° was manufactured. Using these cathodes, a lamp with a mercury filling amount of 2 mg / cc and a buffer gas pressure of 0.3 MPa was manufactured. In addition, the lamp A has a slot formed by machining and no crack is formed, and the lamp B has a slot formed by electric discharge machining with a peak current of 1 A and an on-time of 1000 μs, and almost no crack is formed. It was. On the other hand, in the lamp C, an elongated hole was produced by electric discharge machining with a peak current of 15 A and an on time of 10 μs, and a crack was formed. All three types of lamps were lit at 10 kW.

実験の結果、クラックを有していないランプＡとランプＢの電圧変動発生時間がそれぞれ６２１時間、６４９時間であったのに対し、クラックが形成されているランプＣの電圧変動発生時間は７４２時間であった。すなわち、クラックの形成により、電圧変動発生時間が１００時間程度長くなったことがわかる。
As a result of the experiment, the voltage fluctuation occurrence times of the lamp A and the lamp B without cracks were 621 hours and 649 hours, respectively, whereas the voltage fluctuation occurrence time of the lamp C where cracks were formed was 742 hours. Met. That is, it can be seen that the voltage fluctuation occurrence time is increased by about 100 hours due to the formation of cracks .

なお、細長穴内面にクラックを形成させる方法として、パルス放電加工において、通常よりも高いパルスを印加する上記方法以外に、細長穴の内面にレーザ照射を行い、局所的に加熱することで熱歪を誘起することもできる。ようは、細長穴の内面にクラックが形成されることで、陰極内部に存在するエミッターが表面拡散により先端部に供給できる構造であればよい。


In addition, as a method of forming cracks in the inner surface of the elongated hole, in the pulse electric discharge machining, in addition to the above method of applying a pulse higher than usual, the inner surface of the elongated hole is irradiated with laser and locally heated. Can also be induced . As long as the crack is formed on the inner surface of the elongated hole, the emitter existing inside the cathode can be supplied to the tip by surface diffusion.


細長穴は複数個あっても良く、それらの内、少なくとも1つにクラックが形成されていれば効果を発する。また、陰極先端部の円錐台側面に細長穴が形成されていても、細長穴側面にクラックが形成されていれば、効果を発する。
There may be a plurality of elongated holes, and if a crack is formed in at least one of them, an effect is produced. Moreover, even if the elongated hole is formed on the side surface of the truncated cone of the cathode tip portion, the effect is produced if a crack is formed on the side surface of the elongated hole.

本発明は、水銀ランプに限定されるものではなく、水銀を含まないキセノンランプや、希ガスとしてキセノンを含むキセノン−水銀ランプなどショートアーク型放電ランプ全般に適用することができる。   The present invention is not limited to mercury lamps, and can be applied to general short arc discharge lamps such as xenon lamps not containing mercury and xenon-mercury lamps containing xenon as a rare gas.

１ 放電ランプ
１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 封止部
２０ 陰極
２４ 細長穴
２５ クラック
３０ 陽極

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Discharge lamp 10 Light emission tube 11 Light emission part 12 Sealing part 20 Cathode 24 Slotted hole 25 Crack 30 Anode

Claims (1)

電子放射性物質が含有された陰極と陽極が対向配置した発光部を有するショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、陽極側先端から根元方向に向けて細長穴が形成されており、該細長穴の表面近傍だけ温度を上昇させて、表面近傍と陰極内部との間に急激な温度差を作り出し、熱膨張量の差によって、当該細長穴の内表面に表面近傍から陰極内部に向かう幅５μｍ以下のクラックが形成されたことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。 In short arc type discharge lamp cathode and anode electron radioactive material is contained has a light emitting portion that is opposed,
The cathode has an elongated hole formed from the tip on the anode side toward the root direction, the temperature is increased only in the vicinity of the surface of the elongated hole, and a rapid temperature difference is created between the vicinity of the surface and the inside of the cathode, A short arc type discharge lamp characterized in that a crack having a width of 5 μm or less is formed on the inner surface of the elongated hole from the vicinity of the surface to the inside of the cathode due to a difference in thermal expansion amount .
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