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JP5233657B2 - Discharge lamp - Google Patents

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JP5233657B2
JP5233657B2 JP2008326219A JP2008326219A JP5233657B2 JP 5233657 B2 JP5233657 B2 JP 5233657B2 JP 2008326219 A JP2008326219 A JP 2008326219A JP 2008326219 A JP2008326219 A JP 2008326219A JP 5233657 B2 JP5233657 B2 JP 5233657B2
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Description

本発明は、高負荷で高輝度の放電ランプに関し、更に詳しくは、陰極材料に易電子放射性材料としてランタン(La)を含む材料を使用したことを特長とする放電ランプに関する。   The present invention relates to a high-intensity and high-intensity discharge lamp, and more particularly to a discharge lamp characterized in that a material containing lanthanum (La) as an easily electron-emitting material is used as a cathode material.

露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用される放電空間に水銀が封入されている放電ランプや、映写機などにおいて光源として使用される放電空間にキセノンガスが封入されている放電ランプにおいて、タングステン(W)を主成分とする陰極に、易電子放射性材料として酸化ランタン(La)を含有させることによって、良好な電子放射特性を示すことが知られている。 In a discharge lamp in which mercury is sealed in a discharge space used as a light source for an exposure apparatus used for exposure processing, or in a discharge lamp in which xenon gas is sealed in a discharge space used as a light source in a projector or the like, tungsten It is known that when a cathode containing (W) as a main component contains lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as an electron-emitting material, good electron emission characteristics are exhibited.

しかしながら、易電子放射性材料として酸化ランタン(La)を含有させた陰極を有する放電ランプでは、点灯時に陰極にかかる高熱負荷のために、ランタン(La)が早期に蒸発して枯渇し、安定した放電を維持することができなくなってしまうことが問題となっている。
そこで、特開2006−286236号公報に示す技術には、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)などがタングステンよりも酸素と結びつきやすいという特性を利用し、これらの金属から選ばれた少なくとも1種類の金属酸化物を共存させることによって、タングステン酸化物が形成されることを抑制できることが記載されている。融点の低いタングステン酸化物が、陰極の動作温度程度で液相化されることが抑制され、長時間に亘って安定した該易電子放射性材料の供給がなされ、安定した放電を長時間維持することができるようになる。
However, in a discharge lamp having a cathode containing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as an electron-emitting material, lanthanum (La) evaporates early and is depleted due to the high heat load applied to the cathode during lighting. The problem is that stable discharge cannot be maintained.
Therefore, in the technique shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-286236, at least one kind selected from these metals is used by utilizing the characteristic that zirconium (Zr), hafnium (Hf) and the like are more easily combined with oxygen than tungsten. It is described that the presence of a metal oxide can suppress the formation of tungsten oxide. Tungsten oxide having a low melting point is suppressed from being liquid phase at about the operating temperature of the cathode, the electron-emitting material is stably supplied over a long period of time, and stable discharge is maintained for a long period of time. Will be able to.

さらに、特表2005−519436号公報に示す技術には、酸化物またはカーバイドを添加することによって改善を達成させることが試みられたことが記載されている。
特開2006−286236号公報 特表2005−519436号公報
Furthermore, it is described in the technique shown in Japanese translations of PCT publication No. 2005-519436 that it tried to achieve the improvement by adding an oxide or a carbide.
JP 2006-286236 A JP 2005-519436 Gazette

ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)などから選ばれた少なくとも1種類の金属酸化物を共存させることによって、ランタン(La)が早期に蒸発して枯渇することは防止できるようになったが、酸化ランタン(La)として含有されている易電子放射性材料の還元が不十分で、長寿命の放電ランプを提供するにはランタン(La)がなお不足している。ランタン(La)が不足すると、陰極の先端にランタン(La)が1原子層で被覆する面積が小さくなり、仕事関数が大きくなって陰極の温度が上がって変形し、チラツキが発生するという問題がある。 By coexisting at least one metal oxide selected from zirconium (Zr), hafnium (Hf), etc., it has been possible to prevent lanthanum (La) from evaporating early and being depleted. Lanthanum (La) is still insufficient to provide a long-life discharge lamp due to insufficient reduction of the easy-electron emitting material contained as lanthanum (La 2 O 3 ). When lanthanum (La) is insufficient, the area covered with lanthanum (La) on the cathode tip becomes small, the work function increases, the temperature of the cathode rises, and deformation occurs, causing flickering. is there.

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、易電子放射性材料として酸化ランタン(La)が含有されている陰極を有する放電ランプにおいて、酸化ランタン(La)の還元を促し、ランタン(La)の供給量を増やし、長寿命の放電ランプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and in a discharge lamp having a cathode containing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as an electron-emitting material, lanthanum oxide (La It aims to promote the reduction of 2 O 3 ), increase the supply amount of lanthanum (La), and provide a long-life discharge lamp.

本願第1の発明は、放電容器の内部に当該放電容器の管軸方向において対向するように配置された陽極と陰極とを有し、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物と、ジルコニウムの金属酸化物とが含まれた材料により前記陰極が形成された放電ランプにおいて、前記陽極に炭素と酸素とが、原子数で比較したときに、炭素の数が酸素の数よりも多くなるように添加されていることを特徴とする。
The first invention of the present application has an anode and a cathode disposed inside the discharge vessel so as to face each other in the tube axis direction of the discharge vessel, and in the tungsten metal substrate, lanthanum metal oxide, zirconium In a discharge lamp in which the cathode is formed of a material containing a metal oxide , the number of carbons is larger than the number of oxygens when carbon and oxygen are compared with the number of atoms in the anode. It is characterized by being added.

本願第1の発明に係る放電ランプによれば、陽極に炭素(C)のみならず酸素(O)も添加されているので、炭素(C)が酸素(O)と結合した一酸化炭素(CO)の状態となって、発光管の内部空間に放出され、さらに炭素原子(C)を陰極の内部へ拡散させることができる。陰極の内部に拡散された炭素(C)は、陰極に含有される酸化ランタン(La)を還元し、陰極の先端がランタン(La)で被覆された状態を維持できる。これより、陰極の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、放電ランプの寿命を延ばすことができる。
さらに、陽極先端を含む陽極4の半分もの大きな部分を一酸化炭素(CO)の供給源とできるため、酸化ランタン(La)を還元する一酸化炭素(CO)が不足する心配がなく、ランタン(La)の供給も維持され、長寿命の放電ランプを提供することができる。また、タングステン基体金属中の炭素(C)の拡散速度は、酸素(O)の拡散速度より遅いため、陽極の内部に含有される炭素原子(C)の数を酸素原子(O)の数よりも多くすることによって、拡散によって陽極の表面に達する炭素(C)と酸素(O)の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素(CO)を生成することができる。
According to the discharge lamp according to the first invention of the present application, since not only carbon (C) but also oxygen (O) is added to the anode, carbon monoxide (CO) in which carbon (C) is combined with oxygen (O). ) To be emitted into the inner space of the arc tube, and carbon atoms (C) can be diffused into the cathode. The carbon (C) diffused inside the cathode can reduce the lanthanum oxide (La 2 O 3 ) contained in the cathode and maintain the state where the tip of the cathode is covered with lanthanum (La). As a result, the operating temperature of the cathode is lowered to suppress the occurrence of flickering, and the life of the discharge lamp can be extended.
Furthermore, since a large portion of the anode 4 including the anode tip can be a carbon monoxide (CO) supply source, there is no fear that carbon monoxide (CO) for reducing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) will be insufficient. Further, the supply of lanthanum (La) is also maintained, and a long-life discharge lamp can be provided. Further, since the diffusion rate of carbon (C) in the tungsten base metal is slower than the diffusion rate of oxygen (O), the number of carbon atoms (C) contained in the anode is determined from the number of oxygen atoms (O). By increasing the number, the number of carbon (C) and oxygen (O) reaching the surface of the anode by diffusion approaches, so that a sufficient amount of carbon monoxide (CO) can be generated.

図1は、本発明の放電ランプの一例として、露光処理に用いられる露光装置用の光源として使用される放電空間に水銀が封入されている放電ランプの構成を示す説明用断面図である。放電容器1の一部である発光管2だけを透過させてその内部の構造を示している。   FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing a configuration of a discharge lamp in which mercury is sealed in a discharge space used as a light source for an exposure apparatus used for exposure processing as an example of the discharge lamp of the present invention. Only the arc tube 2 which is a part of the discharge vessel 1 is allowed to pass through to show the internal structure.

放電ランプは、例えば石英ガラスなどの光透過性材料よりなり、概略球状の発光管2とその両端に連続して外方に伸びる封止管3とを有する放電容器1を備え、放電容器1の内部には、各々例えばタングステン(W)からなる陽極4および陰極5が放電容器1の管軸方向において対向配置されている。放電容器1の内部空間には、発光物質または始動補助用のガスとしての水銀およびバッファガスがそれぞれ所定の封入量で封入されている。バッファガスとしては、例えばキセノンガスが封入される。水銀の封入量は、例えば1〜70mg/cmの範囲内、例えば22mg/cmとされ、キセノンガスの封入量は例えば0.05〜0.5MPaの範囲内、例えば0.1MPaとされる。 The discharge lamp is made of a light transmissive material such as quartz glass, for example, and includes a discharge vessel 1 having a substantially spherical arc tube 2 and a sealing tube 3 extending outwardly continuously at both ends thereof. Inside, an anode 4 and a cathode 5 each made of tungsten (W), for example, are arranged facing each other in the tube axis direction of the discharge vessel 1. In the internal space of the discharge vessel 1, mercury and buffer gas as a light emitting substance or start-up assisting gas are sealed in predetermined amounts. For example, xenon gas is sealed as the buffer gas. Amount of enclosed mercury, for example in the range of 1~70mg / cm 3, for example, is a 22 mg / cm 3, it is enclosed amount of xenon gas in the range of for example 0.05 to 0.5 MPa, for example, 0.1MPa .

陽極4および陰極5の電極間に高電圧例えば20kVが印加されることにより、陰極5から陽極4に電子が飛んで電極間で絶縁破壊が生じ、それに続いて放電アークが形成され、例えば波長365nmのi線や波長435nmのg線を含む光が放射される。   When a high voltage, for example, 20 kV is applied between the electrodes of the anode 4 and the cathode 5, electrons fly from the cathode 5 to the anode 4 to cause dielectric breakdown between the electrodes, and subsequently, a discharge arc is formed, for example, a wavelength of 365 nm. Light including i-line and g-line having a wavelength of 435 nm is emitted.

陽極4は、タングステン(W)を主成分とし、炭素(C)と酸素(O)が添加されている。陰極5は、タングステンを主成分とし、タングステン含有率を98重量%弱としている。この陰極5のタングステン金属基体中に、易電子放射性材料としてランタン(La)の金属酸化物と、易電子放射性材料を安定化させる安定化材として、ジルコニウム(Zr)の金属酸化物とが含まれている。   The anode 4 contains tungsten (W) as a main component and carbon (C) and oxygen (O) are added. The cathode 5 contains tungsten as a main component and has a tungsten content of less than 98% by weight. The tungsten metal substrate of the cathode 5 contains lanthanum (La) metal oxide as an electron-emitting material and zirconium (Zr) metal oxide as a stabilizing material for stabilizing the electron-emitting material. ing.

陽極4に含有される炭素(C)は、例えば、タングステン(W)中に固溶させられて単体の状態で添加されている。陽極4に含有される酸素(O)は、金属酸化物、例えば、酸化クロム(Cr)や酸化アルミニウム(Al)の状態で添加されている。
なお、陽極4に酸化ランタン(La)などの易電子放射性材料を含有させることはない。トリウム酸化物を含有するタングステン(ThW)、いわゆるトリエーティッドタングステンに比べて、酸化ランタン(La)を含有するタングステンは耐熱温度が低いので、ランタン(La)が蒸発して放電に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。
For example, carbon (C) contained in the anode 4 is dissolved in tungsten (W) and added in a single state. Oxygen (O) contained in the anode 4 is added in the state of a metal oxide such as chromium oxide (Cr 2 O 3 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
Note that the anode 4 does not contain an easy-electron emitting material such as lanthanum oxide (La 2 O 3 ). Compared with tungsten containing thorium oxide (ThW), so-called triated tungsten, tungsten containing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) has a lower heat-resistant temperature. This is because there is a risk of effect.

一方、陰極5に含有される酸化ランタン(La)は易電子放射性材料であり、還元されて酸素が離脱し、ランタン原子としてタングステン中を移動して陰極5の先端部まで進み、陰極5の先端部を被覆して単原子層電子放射陰極が形成される。すなわち、陰極5の先端部にランタン(La)が1原子層で被覆することによって、陰極5の仕事関数が小さくなり、陰極5の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、陰極5の寿命を延ばすことができる。 On the other hand, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) contained in the cathode 5 is an electron-emissive material, and is reduced to release oxygen, move as a lanthanum atom in tungsten, and proceed to the tip of the cathode 5. A monoatomic electron emission cathode is formed covering the tip of 5. That is, when the tip of the cathode 5 is coated with a single atomic layer of lanthanum (La), the work function of the cathode 5 is reduced, the operating temperature of the cathode 5 is lowered, and the occurrence of flickering is suppressed. Can be extended.

陰極5に含有される酸化ジルコニウム(ZrO)は易電子放射性材料を安定化させる安定化材であり、タングステン酸化物が形成されて、融点が低下することによる液相化を抑制することができるものである。酸化ランタン(La)が還元されることにより発生する酸素(O)は、ジルコニウム(Zr)等がない場合には、タングステン(W)と結合してタングステン酸化物(WO)を生成する。タングステン酸化物(WO)は、ランタン酸化物(La)と融点の低い化合物を形成し、液相化することによってエミッターの輸送速度が急速に増加し、消耗されてしまうという問題を生じさせる。 Zirconium oxide (ZrO 2 ) contained in the cathode 5 is a stabilizing material that stabilizes the electron-emitting material, and it is possible to suppress liquid phase formation due to the formation of tungsten oxide and the lowering of the melting point. Is. In the absence of zirconium (Zr) or the like, oxygen (O 2 ) generated by reducing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) combines with tungsten (W) to form tungsten oxide (WO 3 ). Generate. Tungsten oxide (WO 3 ) forms a compound having a low melting point with lanthanum oxide (La 2 O 3 ), and the liquid phase makes it possible to rapidly increase the transport speed of the emitter, resulting in consumption. Cause it to occur.

そのため、酸化ジルコニウム(ZrO)を添加し、タングステン(W)よりも酸素と結びつきやすいジルコニウム(Zr)が酸素ゲッタとして機能し、タングステン酸化物(WO)が形成されることを抑制している。融点の低い化合物が形成されなくなるので、陰極5の動作温度程度で液相化されることが抑制され、ランタン(La)が早期に蒸発して枯渇することを防止できる。 Therefore, zirconium oxide (ZrO 2 ) is added to suppress the formation of tungsten oxide (WO 3 ) because zirconium (Zr), which is more easily combined with oxygen than tungsten (W), functions as an oxygen getter. . Since a compound having a low melting point is not formed, the liquid phase is suppressed from being about the operating temperature of the cathode 5, and lanthanum (La) can be prevented from evaporating early and depleted.

なお、図1に示す放電ランプについて、水銀が封入されているものとして説明したが、封入物を水銀に替えてキセノンガスのみとし、映写機などにおいて光源として使用される放電ランプにおいて、本発明の炭素(C)と酸素(O)とが添加された陽極とすることもできる。   The discharge lamp shown in FIG. 1 has been described as being filled with mercury. However, in the discharge lamp used as a light source in a projector or the like, the inclusion is replaced with mercury and only xenon gas is used. An anode to which (C) and oxygen (O) are added can also be used.

ここで、陽極4に炭素(C)と酸素(O)とを添加させた構成を適用して試験したところ、放電ランプの寿命が改善された。改善された理由としては、以下の現象が生じていることが推測される。
図2は、陽極4に添加されている炭素(C)と酸素(O)の反応を説明するための模式図である。
放電ランプの点灯中、陽極4は高温になるので、陽極4に添加されている炭素(C)は、同じく陽極4に含有されている金属酸化物に還元材として働きかけ、金属酸化物を還元して一酸化炭素(CO)を発生させる。例えば、金属酸化物として酸化アルミニウム(Al)を含有している場合、下記の化学式のような反応が起こる。
Al+3C ⇔ 2Al+3CO
一酸化炭素(CO)は、炭素(C)と酸素(O)とに分解して、陽極4を構成するタングステン基体金属中に溶解し、それぞれ陽極4に含有されている炭素(C)と共に拡散によって陽極4の表面に達する。
Here, when a test was performed by applying a configuration in which carbon (C) and oxygen (O) were added to the anode 4, the life of the discharge lamp was improved. As the reason for the improvement, it is presumed that the following phenomenon occurs.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the reaction between carbon (C) and oxygen (O) added to the anode 4.
Since the anode 4 becomes hot during the operation of the discharge lamp, the carbon (C) added to the anode 4 acts as a reducing agent on the metal oxide contained in the anode 4 and reduces the metal oxide. To generate carbon monoxide (CO). For example, when aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is contained as a metal oxide, a reaction represented by the following chemical formula occurs.
Al 2 O 3 + 3C ⇔ 2Al + 3CO
Carbon monoxide (CO) decomposes into carbon (C) and oxygen (O), dissolves in the tungsten base metal constituting the anode 4, and diffuses together with the carbon (C) contained in the anode 4. To reach the surface of the anode 4.

なお、タングステン基体金属中の炭素(C)の拡散速度は、酸素(O)の拡散速度より遅いため、陽極4の内部に含有される炭素原子(C)の数は、酸素原子(O)の数より多いことが好ましい。陽極4の内部に含有される炭素原子(C)の数を酸素原子(O)の数より多くすることによって、拡散によって陽極4の表面に達する炭素(C)と酸素(O)の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素(CO)を生成することができるためである。   Since the diffusion rate of carbon (C) in the tungsten base metal is slower than the diffusion rate of oxygen (O), the number of carbon atoms (C) contained in the anode 4 is the number of oxygen atoms (O). More than the number is preferred. By making the number of carbon atoms (C) contained in the anode 4 larger than the number of oxygen atoms (O), the number of carbon (C) and oxygen (O) reaching the surface of the anode 4 by diffusion approaches. This is because a sufficient amount of carbon monoxide (CO) can be generated.

単体の炭素(C)は蒸気圧が低いので蒸発しないものであり、陽極4に含有されている炭素(C)が発光管2の内部空間や陰極5に輸送されることはない。しかしながら、陽極4に炭素(C)のみならず酸素(O)も添加させることにより、陽極4の表面に達した炭素(C)と酸素(C)とが一酸化炭素(CO)の状態となって、発光管2の内部空間に放出される。   The simple carbon (C) does not evaporate because of its low vapor pressure, and the carbon (C) contained in the anode 4 is not transported to the inner space of the arc tube 2 or the cathode 5. However, by adding not only carbon (C) but also oxygen (O) to the anode 4, the carbon (C) and oxygen (C) reaching the surface of the anode 4 become carbon monoxide (CO). Then, it is discharged into the inner space of the arc tube 2.

発光管2の内部空間に放出された一酸化炭素(CO)は、放電気体中を拡散や対流によって一部がアーク中に輸送され、アークの高温によって炭素(C)と酸素(O)に分解すると共に、炭素は正イオン(C)に、酸素は負イオン(O)にそれぞれイオン化する。炭素イオン(C)はアーク中を電場によって移動し、陰極5の先端に達して、陰極5から放出される電子と再結合して炭素原子(C)となり、陰極5の内部へ拡散していく。 Carbon monoxide (CO) released into the inner space of the arc tube 2 is partly transported into the arc by diffusion and convection in the discharge gas, and decomposed into carbon (C) and oxygen (O) by the high temperature of the arc. At the same time, carbon is ionized into positive ions (C + ) and oxygen is ionized into negative ions (O ). The carbon ions (C + ) move in the arc by an electric field, reach the tip of the cathode 5, recombine with electrons emitted from the cathode 5 to become carbon atoms (C), and diffuse into the cathode 5. Go.

陰極5の内部に拡散された炭素(C)は、陰極5に含有される酸化ランタン(La)と以下のような反応を起こし、酸化ランタン(La)を還元する。
La+3C ⇔ 2La+3CO
還元されて生成された単体のランタン(La)は、タングステン(W)の結晶粒界を拡散して、陰極5の先端に進む。陰極5の先端にランタン(La)が1原子層で被覆することによって、陰極5の仕事関数が小さくなり、陰極5の動作温度が下がって陰極5の先端の変形が抑制され、チラツキの発生を抑制し、陰極5の寿命を延ばすことができる。
The carbon (C) diffused inside the cathode 5 reacts with lanthanum oxide (La 2 O 3 ) contained in the cathode 5 as follows to reduce lanthanum oxide (La 2 O 3 ).
La 2 O 3 + 3C ⇔ 2La + 3CO
The single lanthanum (La) produced by reduction diffuses through the crystal grain boundary of tungsten (W) and proceeds to the tip of the cathode 5. By covering the tip of the cathode 5 with a single atomic layer of lanthanum (La), the work function of the cathode 5 is reduced, the operating temperature of the cathode 5 is lowered, deformation of the tip of the cathode 5 is suppressed, and flickering occurs. The life of the cathode 5 can be extended.

放電ランプの点灯時の陽極4の温度は非常に高くなり、陽極先端を含む半分が、その内部を含めて2000℃以上になる。炭素(C)と酸素(O)との反応は、温度が約2000℃以上の部分で起こるため、陽極4に炭素と酸素とを添加することによって、陽極先端を含む陽極4の半分を一酸化炭素(CO)の発生源とすることができる。このように一酸化炭素(CO)の供給源となる部分の体積が大きいため、酸化ランタン(La)を還元する還元材となる一酸化炭素(CO)が不足する心配がなく、ランタン(La)の供給も維持され、長寿命の放電ランプを提供することができる。 The temperature of the anode 4 at the time of lighting of the discharge lamp becomes very high, and the half including the tip of the anode becomes 2000 ° C. or more including the inside. Since the reaction between carbon (C) and oxygen (O) occurs at a temperature of about 2000 ° C. or higher, by adding carbon and oxygen to the anode 4, half of the anode 4 including the anode tip is oxidized. It can be a source of carbon (CO). Since the volume of the portion serving as the supply source of carbon monoxide (CO) is large as described above, there is no fear that carbon monoxide (CO) serving as a reducing material for reducing lanthanum oxide (La 2 O 3 ) will be insufficient. The supply of (La) is also maintained, and a long-life discharge lamp can be provided.

また、易電子放射性材料として酸化ランタン(La)を用いる場合、これまでは、還元が十分に進まないためにランタン(La)が不足して陰極5の先端の温度が上昇してしまい、大電力が投入される大型の放電ランプには採用できなかった。しかしながら、陽極4に炭素(C)と酸素(O)を添加して陰極5の内部に炭素(C)を拡散するようにしたことにより、大電力が投入される大型の放電ランプに易電子放射性材料として酸化ランタン(La)を採用しても、ランタン(La)を十分に供給することができるようになった。 In addition, when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is used as the electron-emitting material, the reduction has not progressed sufficiently so far that lanthanum (La) is insufficient and the temperature at the tip of the cathode 5 rises. It could not be used for large discharge lamps with high power. However, by adding carbon (C) and oxygen (O) to the anode 4 and diffusing the carbon (C) inside the cathode 5, it is easy to emit electrons into a large discharge lamp to which high power is applied. Even when lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is adopted as a material, lanthanum (La) can be sufficiently supplied.

続いて、タングステン(W)中に炭素(C)と酸素(O)を添加している陽極4の製造方法について説明する。
陽極材料であるタングステンは、粉末冶金法によって形成される。まず、精製されたパラタンググテン酸アンモニウム溶液にクロム(Cr)またはアルミニウム(Al)の硝酸塩を添加し、蒸発、ばい焼し、ドープされた酸化タングステン粉末をつくる。これを水素還元し、調製タングステン粉末が得られる。クロム(Cr)またはアルミニウム(Al)の硝酸塩が、酸素(O)を添加するための金属酸化物となる。
Then, the manufacturing method of the anode 4 which has added carbon (C) and oxygen (O) in tungsten (W) is demonstrated.
Tungsten as an anode material is formed by powder metallurgy. First, chromium (Cr) or aluminum (Al) nitrate is added to a purified ammonium paratonguenate solution, and evaporated and roasted to produce a doped tungsten oxide powder. This is reduced with hydrogen to obtain a prepared tungsten powder. Chromium (Cr) or aluminum (Al) nitrate becomes a metal oxide for adding oxygen (O).

そして、調製タングステン粉末が適当な粒度分布を持つように平均粒径の異なる粉末を混合し、ステアリン酸などのバインダーを加え、型に充填し、加圧成形し、棒状の成形体を得る。続いて、水素中で徐々に温度を上げてバインダーをとばし、さらに温度を上げて仮焼結体を得る。この際、水素の露点が低いと、バインダー由来の炭素(C)の残留量が多くなるので、水素の露点を調節することで、炭素のドープ量をコントロールできる。   Then, powders having different average particle diameters are mixed so that the prepared tungsten powder has an appropriate particle size distribution, a binder such as stearic acid is added, the mold is filled, and pressure-molded to obtain a rod-shaped molded body. Subsequently, the temperature is gradually raised in hydrogen to skip the binder, and the temperature is further raised to obtain a temporary sintered body. At this time, if the dew point of hydrogen is low, the residual amount of carbon (C) derived from the binder increases. Therefore, the amount of carbon dope can be controlled by adjusting the dew point of hydrogen.

さらに、仮焼結棒を水素中で通電焼結することによって、焼結棒が得られる。焼結の過程で、含有する酸素量や炭素量は減少する。減少の割合は仮焼結棒の太さ、原料粉末の粒度分布、仮焼結棒のみかけ密度、焼結温度(通電電流)、焼結時間によって変化するので、減少割合に応じて、酸素量については調整粉末中のクロム(Cr)またはアルミニウム(Al)のドープ量を調整し、炭素量については仮焼結時の水素の露点を調節し、多めに入れることで、所望の酸素量、炭素量を持ったタングステン焼結棒が得られる。   Furthermore, a sintered rod can be obtained by conducting current sintering of the temporary sintered rod in hydrogen. During the sintering process, the amount of oxygen and carbon contained decreases. The rate of reduction varies depending on the thickness of the pre-sintered rod, the particle size distribution of the raw powder, the apparent density of the pre-sintered rod, the sintering temperature (conducting current), and the sintering time. Adjust the amount of chromium (Cr) or aluminum (Al) in the adjusted powder, and adjust the dew point of hydrogen during pre-sintering for the carbon amount. A tungsten sintered rod with a certain amount is obtained.

続いて、陽極材料のタングステン(W)中に炭素(C)と酸素(O)とが添加されていることを検証する分析方法について説明する。
まず、陽極材料のタングステン(W)中に添加される炭素(C)の量を分析する方法を説明する。分析方法は、タングステン・モリブデン工業会規格、タングステン及びモリブデン分析方法、16.全炭素定量方法による。全炭素の定量方法として、a)燃焼−誘電率法、b)燃焼−電量法、c)燃焼−電熱伝導法、d)燃焼−赤外線吸収法(積分法)、e)燃焼−赤外線吸収法(循環法)が挙げられているが、いずれでもよい。
ここでは、a)燃焼−誘電率法について説明する。
陰極5を砕いてタングステンの粉末状にして試料とし、試料を酸素気流中で加熱し、炭素を酸化して二酸化炭素とし、一定量の水酸化ナトリウム溶液に吸収させ、吸収前後の溶液の伝導率の変化を測定することによって、炭素の含有率を求めることができる。
Next, an analysis method for verifying that carbon (C) and oxygen (O) are added to the anode material tungsten (W) will be described.
First, a method for analyzing the amount of carbon (C) added to tungsten (W) as the anode material will be described. The analysis method is tungsten / molybdenum industry association standard, tungsten and molybdenum analysis method, 16. According to the total carbon quantification method. Quantitative methods for total carbon include a) combustion-dielectric constant method, b) combustion-coulometric method, c) combustion-electric heat conduction method, d) combustion-infrared absorption method (integral method), e) combustion-infrared absorption method ( (Circulation method) is mentioned, but any may be used.
Here, a) the combustion-dielectric constant method will be described.
The cathode 5 is crushed to form a tungsten powder sample, and the sample is heated in an oxygen stream to oxidize the carbon to carbon dioxide, which is absorbed in a certain amount of sodium hydroxide solution, and the conductivity of the solution before and after absorption. By measuring the change in the carbon content, the carbon content can be determined.

分析結果として炭素量が10wtppm以上、100wtppm以下となる範囲で、陽極材料のタングステン(W)中に炭素(C)が添加されていることが好ましい。炭素(C)は質量が軽いので、その量が10wtppmあれば、陰極5の内部に炭素(C)を供給して酸化ランタン(La)を還元するには十分な量があるといえる。
また、陽極材料のタングステン(W)中に添加される炭素(C)の量が多くなりすぎると、陽極材料のタングステン(W)の融点の低下を招き、放電ランプの点灯時に溶ける恐れが出てくる。そのため、陽極材料のタングステン(W)中に添加される炭素(C)の量は、100wtppm以下が好ましい。
It is preferable that carbon (C) is added to the anode material tungsten (W) in a range where the carbon content is 10 wtppm or more and 100 wtppm or less as an analysis result. Since the mass of carbon (C) is light, if the amount is 10 wtppm, it can be said that there is a sufficient amount for supplying carbon (C) into the cathode 5 and reducing lanthanum oxide (La 2 O 3 ). .
In addition, if the amount of carbon (C) added to tungsten (W) as the anode material becomes too large, the melting point of tungsten (W) as the anode material will be lowered, and it may be melted when the discharge lamp is turned on. come. Therefore, the amount of carbon (C) added to tungsten (W) as the anode material is preferably 100 wtppm or less.

次に、陽極材料のタングステン(W)中に添加される酸素(O)の量を分析する方法を説明する。分析方法は、タングステン・モリブデン工業会規格、タングステン及びモリブデン分析方法、15.酸素定量方法による。酸素の定量方法として、a)水素還元重量法、b)酸素重量法、c)不活性ガス融解−赤外線吸収法が挙げられているが、いずれでもよい。例えば、a)水素還元重量法では、試料を水素気流中で加熱して還元し、その減量をはかることにより酸素を定量できる。   Next, a method for analyzing the amount of oxygen (O) added to the anode material tungsten (W) will be described. 15. Analysis method is tungsten / molybdenum industry association standard, tungsten and molybdenum analysis method, 15. According to oxygen determination method. Examples of the method for quantifying oxygen include a) hydrogen reduction weight method, b) oxygen weight method, and c) inert gas melting-infrared absorption method. For example, in the a) hydrogen reduction gravimetric method, oxygen can be quantified by heating a sample in a hydrogen stream to reduce it and measuring its weight.

分析結果として得られた酸素量から算出される酸素原子(O)の数が、炭素量の分析結果から算出される炭素原子(C)の数より多くなるように、陽極材料のタングステン(W)中に酸素(O)が添加されていることが好ましい。上述したように、タングステン基体金属中の炭素(C)の拡散速度は、酸素(O)の拡散速度より遅いため、陽極4の内部に含有される炭素原子(C)の数を酸素原子(O)の数より多くすることによって、拡散によって陽極4の表面に達する炭素(C)と酸素(O)の数が近づくので、十分な量の一酸化炭素(CO)を生成することができるためである。   Tungsten (W) of the anode material so that the number of oxygen atoms (O) calculated from the amount of oxygen obtained as an analysis result is greater than the number of carbon atoms (C) calculated from the analysis result of carbon content. It is preferable that oxygen (O) is added therein. As described above, since the diffusion rate of carbon (C) in the tungsten base metal is slower than the diffusion rate of oxygen (O), the number of carbon atoms (C) contained in the anode 4 is changed to oxygen atoms (O ), The number of carbon (C) and oxygen (O) reaching the surface of the anode 4 due to diffusion approaches, so that a sufficient amount of carbon monoxide (CO) can be generated. is there.

上記の実施形態においては、炭素(C)が陽極4に固溶しているものとして説明したが、炭素(C)を他の形態として陽極4に添加させることもできる。
この他の実施形態を図3に基づいて説明する。図で示すように、陽極4の外表面に浸炭処理をして、陽極4の金属表面およびその周囲に形成された浸炭部41の炭素量を増加させている。浸炭処理は浸炭させる厚さに対応させた真空中で加熱する真空浸炭によりなされ、浸炭部41をタングステンカーバイト(WC)として構成する。
In the above embodiment, the carbon (C) is described as being dissolved in the anode 4. However, carbon (C) can be added to the anode 4 as another form.
Another embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the outer surface of the anode 4 is carburized to increase the amount of carbon in the carburized portion 41 formed on and around the metal surface of the anode 4. The carburizing process is performed by vacuum carburizing that is heated in a vacuum corresponding to the thickness to be carburized, and the carburized portion 41 is configured as tungsten carbide (W 2 C).

陽極4に添加する炭素(C)を浸炭処理によるタングステンカーバイト(WC)の形態としても、炭素(C)が酸素(O)と結合した一酸化炭素(CO)の状態となって、発光管2の内部空間に放出され、さらに炭素原子(C)を陰極5の内部へ拡散させることができる。陰極5の内部に拡散された炭素(C)は、陰極5に含有される酸化ランタン(La)を還元し、陰極5の先端がランタン(La)で被覆された状態を維持できる。これより、陰極5の動作温度が下がってチラツキの発生を抑制し、寿命を延ばすことができる。 Even when carbon (C) added to the anode 4 is in the form of tungsten carbide (W 2 C) by carburizing treatment, the carbon (C) is in a state of carbon monoxide (CO) bonded to oxygen (O), The carbon atoms (C) can be diffused into the cathode 5 by being discharged into the inner space of the arc tube 2. The carbon (C) diffused inside the cathode 5 can reduce the lanthanum oxide (La 2 O 3 ) contained in the cathode 5 and maintain the state where the tip of the cathode 5 is covered with lanthanum (La). As a result, the operating temperature of the cathode 5 is lowered, and the occurrence of flickering can be suppressed and the life can be extended.

本発明の放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図Sectional drawing for description which shows the structure in an example of the discharge lamp of this invention 本発明の放電ランプの陽極の説明用断面図Sectional drawing for demonstrating the anode of the discharge lamp of this invention 本発明の放電ランプの陽極の説明用断面図Sectional drawing for demonstrating the anode of the discharge lamp of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 放電容器
2 発光管
3 封止管
4 陽極
5 陰極
1 discharge vessel 2 arc tube 3 sealing tube 4 anode 5 cathode

Claims (1)

放電容器の内部に当該放電容器の管軸方向において対向するように配置された陽極と陰極とを有し、タングステン金属基体中に、ランタンの金属酸化物と、ジルコニウムの金属酸化物とが含まれた材料により前記陰極が形成された放電ランプにおいて、
前記陽極に炭素と酸素とが、原子数で比較したときに、炭素の数が酸素の数よりも多くなるように添加されていることを特徴とする放電ランプ。
The discharge vessel has an anode and a cathode disposed so as to face each other in the tube axis direction of the discharge vessel, and the tungsten metal substrate contains lanthanum metal oxide and zirconium metal oxide. In a discharge lamp in which the cathode is formed of a material,
A discharge lamp, wherein carbon and oxygen are added to the anode such that the number of carbons is larger than the number of oxygens when compared in terms of the number of atoms .
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