JP2004281153A - Cathode for discharge lamp and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプ用陰極及びその製造方法に関し、特にランプ寿命が長く、低コストで形成することができる放電ランプ用陰極及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の放電ランプ用陰極はトリアをエミッタ材とする陰極と、バリウム化合物をエミッタ材とする陰極に大別される。図4はトリアをエミッタ材とする陰極の一例であるトリエテッドタングステン陰極の説明図、図5はバリウム化合物をエミッタ材とする陰極の一例であるアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極の説明図、図6は陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させた陰極構造の説明図である。
【0003】
図4に示すトリエテッドタングステン陰極6は、次のような製造工程を経て形成される。まず、硝酸トリウム溶液と三酸化タングステンをスラリー状にし、熱分解、還元、成形、焼成、スエージングなどの工程を経て、ニ酸化トリウムを1〜5%程度含有させた緻密なタングステン棒状基材を形成する。その後、この棒状基材を電極の寸法に合わせて切断し、研磨加工などにより先端鋭利な形状(先端角約20°)に成形される。このように形成されるトリエテッドタングステン陰極6は、一つの基材から多くの陰極が形成できるので比較的安価となる。
【0004】
しかし、このようなトリエテッドタングステン陰極6を放電ランプに搭載する場合、陰極最高温度は3000〜3500℃に達する。3000℃を越え高温で、長時間動作させると、陰極先端形状が劣化してしまう。また、陰極降下(陰極近傍の電位降下)も比較的大きく、電離によって生じた封入ガスイオンの衝突によって陰極温度の上昇や陰極基材のスパッタを生じさせ、陰極先端形状の劣化が促進されるという欠点を有していた。
【0005】
以上のような特性により、トリエテッドタングステン陰極6は安価ではあるが、150W放電ランプの場合、約1700時間で先端形状が劣化し、陰極すなわち放電ランプの寿命となってしまう。これは、陰極先端形状の劣化が放電ランプの輝度や光出力の安定性を低下させるからである。
【0006】
一方図5に示すように、バリウム系化合物をエミッタ材とする陰極としては、アルミン酸バリウム・カルシウムを多孔質タングステンに含浸した含浸型陰極7がある。これは、タングステン粉末を加圧、成形、燒結し、または浸銅タングステンを成形加工、脱銅し、得られた気孔率約20%の先端角80°程度の多孔質タングステンに、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸させたものである。8はモリブデンリードである。
【0007】
この含浸型陰極7は、トリエテッドタングステン陰極と比較して高い熱電子放出特性とγ作用(イオンの衝突による2次電子放出)を有しており、陰極降下が比較的緩和される。このため、陰極の最高温度は3000℃以下に抑制され、封入ガスイオンによるスパッタも少なくなる。そのため含浸型陰極7では、その先端形状の劣化がトリエテッドタングステン陰極6と比較すると少なく、150W級高圧アークランプにおいてランプ寿命時間は約2500時間程度となる。
【0008】
しかし含浸型陰極7を用いたアークランプの寿命は、アルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発物がガラス管壁に付着し光透過率を低下させることによる輝度の低下が原因であり、含浸型陰極の長寿命性が最大限発揮されていないという問題があった。また、陰極基材が多孔質体であるため、トリエテッドタングステン陰極6のように、陰極先端の先鋭化が難しく、輝点が揺らぎ易いという問題があった。
【0009】
このような問題を解消するため、特開2000−156198号公報(特許文献1)には、陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させ、エミッタ材の蒸発量の減量や輝点の安定化をはかる方法が開示されている。図6に示すように金属基体11の先端部に、エミッタ材としてタングステン酸バリウムをタングステン粉と混合、プレス、焼成したエミッタ入りプレス成形体9をタングステンプレス焼成体10に圧入した後、ホットプレスあるいはスエージングなどで緻密化した構造を有する陰極が開示されている。しかし、このような複雑な陰極構造では、製造工程が複雑となり、量産性が悪く、製造コストも嵩むという問題点があった。
【0010】
【特許文献1】特開2000−156198号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のトリアをエミッタ材とするトリエテッドタングステン陰極は、量産性に優れ、低コスト化を図ることができるが、先端形状が劣化し易く短寿命であるという欠点を有していた。また、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極では、先端形状の劣化は少なくなりトリエテッドタングステン陰極よりも長寿命であるが、アルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発によりランプ管壁が汚れ、放電ランプとしての寿命が短いという問題があった。さらに、含浸型陰極は多孔質体であるために先端の先鋭化が難しく輝点が変動し易いという問題も生じていた。またさらに、バリウム化合物をエミッタ材とする陰極の中で、先端部にのみエミッタ材を局在させた構造の陰極では、低蒸発や輝点の安定化は図れるが、陰極構造が複雑なため、多くの製造工数を要しコスト高になるという問題があった。本発明は前記問題点を解消し、特に放電ランプの長寿命化および陰極の低コスト化を図ることができる陰極構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願第1の発明の放電ランプ用陰極は、タングステンまたはモリブデンからなる電極基体の中心に、アルミン酸バリウム・カルシウムが含浸した多孔質タングステンまたは多孔質モリブデンを同軸状に配置した構成としたものである。
【0013】
また、本願第2の発明の放電ランプ用陰極の製造方法は、タングステンまたはモリブデンからなる多孔質体にアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸させた含浸棒を形成する工程と、該含浸棒をタングステン管またはモリブデン管内に封入した後、スエージング加工し、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した多孔質タングステンまたは多孔質モリブデンが同軸状に配置した陰極棒材を形成する工程と、該陰極棒材を外形加工する工程とを含むことを特徴とするものである。特に、前記スエージング加工を、1400℃以上1750℃以下の温度範囲で行うように構成することで、前記アルミン酸バリウム・カルシウムが液相となり、スエージングが可能となり、含浸棒と管とが一体となって外形加工に好都合となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図1〜図3を参照して説明する。図1は本発明の実施形態である陰極構造を示した断面図である。アルミン酸バリウム・カルシウムが含浸した多孔質タングステンからなる多孔質体1を、緻密質なタングステン管からなる電極基体2の中心軸に配置、形成した構造である。本発明の構造では、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを電極基体2の中心軸に局在させているから、余分なアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発が無くなり、蒸発量を少なくできる。すなわち、ランプ管壁の汚れが少なくなり、バリウム系陰極の特徴である先端形状劣化が小さく長寿命性を有することを最大限発揮でき、放電ランプの更なる長寿命化が可能となる。さらに、このアルミン酸バリウム・カルシウムの局在は、輝点を陰極先端に集中させるので、輝点変動が小さく光出力の安定化も図ることができる。
【0015】
なお、このアルミン酸バリウム・カルシウムの局在域である多孔質体1の直径は0.2mm以上1.0mm以下になるように形成するのが好ましい。これは、輝点直径は少なくとも0.2mm以上必要であり、多孔質体1の直径が0.2mm未満では十分な輝点が得られないためである。多孔質体1の直径は、放電ランプの出力に応じて設定され、出力が大きくなるに従い多孔質体1の直径を大きくすると良い。ただし、実用的には直径1.0mmを越えると輝点の陰極先端への集中性が低下し、輝点変動は従来の含浸型陰極と有意な差がなくなる。従って、多孔質体1の直径は、1.0mm以下とするのが好ましい。
【0016】
また、その気孔率は1vol%以上25vol%以下が望ましい。1vol%未満ではエミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムの供給不足のため、放電ランプの特性が不安定となり、25vol%を越えると陰極先端形状の劣化やアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発量が増え、ランプ寿命を短くするためである。
【0017】
図2は本発明の陰極の製造工程を示す図である。まず、多孔質タングステン棒にアルミン酸バリウム・カルシウム(BaO:CaO:Al2O3=6:1:2)を還元性雰囲気内、1750℃で含浸し、含浸棒3を形成する(工程A)。続いて、図3に示すように、タングステンからなる管4の中心軸に、この含浸棒3を同軸状に配置されるようにシースする(工程B)。ここで、含浸棒3の直径や管4の内径および外径は、次工程のスエージングの加工量に合わせて決定される。また、このスエージング時の加熱でアルミン酸バリウム・カルシウムが飛散することを防止するために両端は溶封部材5を用いて、溶封する。
【0018】
次の工程はスエージング加工である(工程C)。このときの加工温度はアルミン酸バリウム・カルシウムの融点である1400℃以上としなければならない。なぜならば、融点以下の固相のアルミン酸バリウム・カルシウムは、金属のような延性がないのでスエージング加工が進まないからである。ただし、この加工温度は1750℃を越えるとアルミン酸バリウム・カルシウムの劣化が生じるので1400℃〜1750℃に設定することが望ましい。そして、このスエージングにより、含浸棒3の多孔質タングステン組織とシースしたタングステン管4の組織が一体化し、多孔質体1を陰極基体2に同軸状に配置した陰極棒材が得られる。
【0019】
また、このスエージングにより、含浸棒3の多孔質タングステンは緻密化するので気孔サイズはスエージング前よりも小さくなり、かつ単位体積あたりの気孔数が増加する。このことは、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを効率よく活性化させることに寄与するので陰極の電子放出特性面からも有利といえる。
【0020】
最後に、前記陰極棒材に外径加工、切断、先端加工などの外形加工を施して、タングステンからなる陰極基体2の中心軸に、多孔質体1を同軸状に配置した放電ランプ用陰極を得ることができる(工程D)。なお多孔質体1の直径はスエージングの加工量に応じて調整することができる。
【0021】
以上、本発明の実施形態ではアルミン酸バリウム・カルシウムを多孔質タングステン棒に含浸し、タングステンからなる管でシースした例を示したが、多孔質タングステン棒の代わりに多孔質モリブデン棒を用いることもできるし、タングステンの代わりにモリブデンからなる管を用いることもできる。また、アルミン酸バリウム・カルシウムの組成比率をBaO:CaO:Al2O3=6:1:2で説明したが、これに限定されるわけでなく、4:1:1や5:1:2または4:2:2でも同様の効果がある。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを電極基体の中心軸の先端近傍にのみ局在させることができる。これにより、余分なアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発がなくなり、蒸発量を少なくできる。すなわち、陰極先端の形状劣化が少なく長寿命陰極であるバリウム系陰極の特徴を十分に発揮でき、ランプの更なる長寿命化が可能となる。また、この陰極先端部のアルミン酸バリウム・カルシウムの局在は輝点を陰極先端に集中させるので、輝点変動が少なくなり、ランプの光出力の安定化を図ることができる。
【0023】
さらに本発明の製造方法により、電極基体の中心軸にアルミン酸バリウム・カルシウムが含浸した多孔質タングステン棒または多孔質モリブデン棒を同軸状に配置・形成した陰極棒材を低コストで製造できる。この棒はスエージングの加工量に応じて中心軸のアルミン酸バリウム・カルシウムの局在状態を調整することができる。さらに、電極寸法に応じて外径加工、切断、先端加工をすれば同一特性の陰極を連続して製造でき、プレスなどで個々に製造するような構造や工程の複雑さはなくなる。
【0024】
特にスエージング加工時の温度を1400〜1750℃に設定することで、アルミン酸バリウム・カルシウムが劣化させることなく液相となり、スエージング加工性、陰極の放射特性、外形加工性とも優れた陰極棒材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態である放電ランプ用陰極の断面構造を示した図である。
【図2】本発明の製造工程を示す図である。
【図3】本発明の製造工程におけるタングステンシースの方法を示す図である。
【図4】従来の放電ランプ用陰極の一つであるトリエテッドタングステン陰極を示す図である。
【図5】従来の放電ランプ用陰極の一つであるアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極を示す図である。
【図6】従来の放電ランプ用陰極の一つである陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させた陰極例を示す図である。
【符号の説明】
1:多孔質体
2:電極基体
3:含浸棒
4:管
5:溶封材料
6:トリエテッドタングステン陰極
7:含浸型陰極
8:モリブデンリード
9:エミッタ入プレス成形体
10:タングステンプレス焼成体
11:金属基体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a discharge lamp cathode and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a discharge lamp cathode having a long lamp life and capable of being formed at low cost, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventional discharge lamp cathodes are broadly classified into cathodes using thoria as an emitter material and cathodes using a barium compound as an emitter material. FIG. 4 is an explanatory view of a triplet tungsten cathode as an example of a cathode using thoria as an emitter material, and FIG. 5 is an illustration of an impregnated cathode impregnated with barium / calcium aluminate as an example of a cathode using a barium compound as an emitter material. FIG. 6 and FIG. 6 are explanatory views of the cathode structure in which the emitter material is localized only at the tip of the cathode.
[0003]
The
[0004]
However, when such a
[0005]
Due to the above characteristics, the
[0006]
On the other hand, as shown in FIG. 5, as a cathode using a barium-based compound as an emitter material, there is an
[0007]
The impregnated
[0008]
However, the life of the arc lamp using the
[0009]
In order to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-156198 (Patent Document 1) discloses that an emitter material is localized only at the tip of a cathode to reduce the amount of evaporation of the emitter material and stabilize a bright spot. Is disclosed. As shown in FIG. 6, a press-formed body 9 containing an emitter mixed, pressed and fired with barium tungstate as an emitter material, pressed into a tungsten press fired
[0010]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-156198
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a conventional tungsten cathode using thoria as an emitter material is excellent in mass productivity and can be reduced in cost, but has the disadvantage that the tip shape is easily deteriorated and the life is short. Was. In addition, in the impregnated cathode impregnated with barium calcium aluminate, the tip shape is less deteriorated and the life is longer than that of the thoriated tungsten cathode. There is a problem that the life as is short. Furthermore, since the impregnated cathode is a porous body, it is difficult to sharpen the tip, and there has been a problem that the luminescent spot tends to fluctuate. Further, among cathodes using a barium compound as an emitter material, a cathode having a structure in which the emitter material is localized only at the tip can achieve low evaporation and stabilization of a bright spot, but since the cathode structure is complicated, There has been a problem that a large number of manufacturing steps are required and the cost is high. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a cathode structure and a method for manufacturing the same, which can solve the above-mentioned problems, and in particular can extend the life of the discharge lamp and reduce the cost of the cathode.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a discharge lamp cathode according to the first aspect of the present invention is configured such that porous tungsten or porous molybdenum impregnated with barium calcium aluminate is coaxially arranged at the center of an electrode substrate made of tungsten or molybdenum. The configuration is as follows.
[0013]
Further, the method for producing a cathode for a discharge lamp according to the second invention of the present application includes a step of forming an impregnating rod in which barium / calcium aluminate is impregnated into a porous body made of tungsten or molybdenum; After enclosing in a molybdenum tube, it is swaged to form a cathode bar in which porous tungsten or porous molybdenum impregnated with barium calcium aluminate is coaxially arranged, and the cathode bar is externally processed. And a process. In particular, by configuring the swaging process to be performed in a temperature range of 1400 ° C. or more and 1750 ° C. or less, the barium / calcium aluminate becomes a liquid phase, swaging becomes possible, and the impregnated rod and the tube are integrated. This is convenient for external processing.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view showing a cathode structure according to an embodiment of the present invention. This is a structure in which a
[0015]
It is preferable that the diameter of the
[0016]
The porosity is desirably 1 vol% or more and 25 vol% or less. If it is less than 1 vol%, the characteristics of the discharge lamp become unstable due to insufficient supply of barium calcium aluminate as an emitter material, and if it exceeds 25 vol%, the shape of the cathode tip deteriorates and the evaporation amount of barium calcium aluminate increases, This is to shorten the lamp life.
[0017]
FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of the cathode of the present invention. First, a porous tungsten rod is impregnated with barium calcium aluminate (BaO: CaO: Al 2 O 3 = 6: 1: 2) at 1750 ° C. in a reducing atmosphere to form an impregnated rod 3 (step A). . Subsequently, as shown in FIG. 3, the impregnating
[0018]
The next step is swaging (step C). The processing temperature at this time must be 1400 ° C. or higher, which is the melting point of barium calcium aluminate. This is because barium / calcium aluminate in a solid phase having a melting point or lower has no ductility like a metal, so that swaging does not proceed. However, if the processing temperature exceeds 1750 ° C., the barium / calcium aluminate deteriorates, so it is desirable to set the processing temperature to 1400 ° C. to 1750 ° C. Then, by the swaging, the porous tungsten structure of the impregnating
[0019]
Further, since the porous tungsten of the impregnating
[0020]
Finally, the cathode rod is subjected to external processing such as outer diameter processing, cutting, and tip processing, and a discharge lamp cathode in which the
[0021]
As described above, in the embodiment of the present invention, an example is shown in which a porous tungsten rod is impregnated with barium calcium aluminate and sheathed with a tube made of tungsten, but a porous molybdenum rod may be used instead of the porous tungsten rod. Alternatively, a tube made of molybdenum may be used instead of tungsten. Further, the composition ratio of barium calcium aluminate was described as BaO: CaO: Al 2 O 3 = 6: 1: 2, but is not limited thereto, and is not limited to 4: 1: 1 or 5: 1: 2. Or, 4: 2: 2 has the same effect.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, barium / calcium aluminate as an emitter material can be localized only near the tip of the center axis of the electrode substrate. As a result, excess evaporation of barium calcium aluminate is eliminated, and the amount of evaporation can be reduced. That is, the characteristics of the barium-based cathode, which is a long-life cathode with little deterioration in the shape of the cathode tip, can be sufficiently exhibited, and the life of the lamp can be further extended. In addition, since the localization of barium calcium aluminate at the tip of the cathode concentrates the bright spot on the tip of the cathode, the variation of the bright spot is reduced, and the light output of the lamp can be stabilized.
[0023]
Further, according to the production method of the present invention, a cathode rod material in which a porous tungsten rod or a porous molybdenum rod impregnated with barium calcium aluminate is arranged and formed coaxially on the central axis of the electrode substrate can be produced at low cost. This rod can adjust the localization state of barium calcium aluminate on the central axis according to the amount of swaging. Further, if outer diameter processing, cutting and tip processing are performed in accordance with the electrode dimensions, cathodes having the same characteristics can be continuously manufactured, and the structure and process of individually manufacturing cathodes by pressing or the like are eliminated.
[0024]
In particular, by setting the temperature during swaging to 1400 to 1750 ° C., the barium / calcium aluminate becomes a liquid phase without deterioration, and is excellent in swaging workability, radiation characteristics of the cathode, and outer shape workability. Material can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a sectional structure of a discharge lamp cathode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a method of manufacturing a tungsten sheath in a manufacturing process of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a triplet tungsten cathode which is one of the conventional discharge lamp cathodes.
FIG. 5 is a diagram showing an impregnated cathode impregnated with barium calcium aluminate, which is one of the conventional discharge lamp cathodes.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a cathode in which an emitter material is localized only at the tip of the cathode which is one of the conventional cathodes for a discharge lamp.
[Explanation of symbols]
1: Porous body 2: Electrode substrate 3: Impregnated rod 4: Tube 5: Sealing material 6: Triated tungsten cathode 7: Impregnated cathode 8: Molybdenum lead 9: Press molded body with emitter 10: Tungsten pressed fired body 11 : Metal substrate
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- 2003-03-14 JP JP2003069099A patent/JP4300042B2/en not_active Expired - Fee Related
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