JP2005510033A - 放電ランプのための集積されたゲッターを有する中空カソード及びその具現化のための方法 - Google Patents

Abstract

その内面、外面又は両方の面の少なくとも一部がゲッター材層（２１；３１；４１；４１’）で被覆された中空カソード（２０；３０；４０）を記載する。さらに、本発明の該中空カソードを製造するためのいくつかの方法を記載する。

Description

本発明は、放電ランプのための集積されたゲッターを有する中空カソード、及びその具現化のためのいくつかの方法に関する。

ガス媒体中での放電の結果として、可視又は紫外であることができる放射線を放出するすべてのランプは、放電ランプとして規定される。放電は、ランプの反対側の端部に位置する２つの電極に印加された電位差によって誘発されかつ維持される。

ランプ用のカソードは、さまざまな形状、例えば、フィラメント若しくは渦巻状フィラメント、又は他の形状を有することができる。特に有利なカソード形状は中空形状である。即ち、中空カソードは、放電帯域に対面する端部が開放され、その反対側の端部が閉じている中空シリンダーの形状を一般に有する。当技術分野で周知であるように、他のカソード形状に関し、中空カソードによって得られる第１の利点は、放電を“点火する”のに必要とされるより低い電位差（約５〜１０％）である。別の利点は、カソードによる“スパッタリング”現象、即ち、近傍の部品、中でもランプのガラス壁に堆積して、そうしてランプの明度を低下させる場合のあるカソード材料からの原子又はイオンの放出が、より低い強度であるということである。中空カソードを有するランプの例は、例えば、米国特許第４，４３７，０３８号明細書、同第４，４６１，９７０号明細書、同第４，５７８，６１８号明細書、同第４，６９８，５５０号明細書、同第４，８３３，３６６号明細書、及び同第４，８８５，５０４号明細書、並びに特開２０００−１３３２０１号公報に記載されている。

この分野において、その寿命を通してランプの適切な操作を保証するためには、放電のガス媒体を形成する混合物の組成の一貫性を保証することが必要であるということがさらに知られている。これらの混合物は、アルゴン又はネオンなどの１つ又は複数の希ガスと、ほとんどの場合において数ｍｇの水銀とによって主として形成されるのが一般的である。これらの混合物の組成は、製造プロセス時にランプ中に残った不純物、及びランプを形成するか若しくはランプの壁から内部へ浸透する同じ材料によってその間に放出された不純物両方のために、所望の組成から変わる場合がある。これらの混合物中に存在する不純物によって、ランプの作用が様々な形で損なわれる場合がある。即ち、例えば、酸素又は酸素化された種は、水銀と反応してＨｇＯを形成し、そうしてランプの機能から金属を除去する場合があり、一方で、水素によって、放電の著しい障害（結果としてランプの点灯障害）が生じるか、又はランプの作動用電気パラメータが変化して、そのエネルギー消費を増大させる場合がある。

これらの不純物を除去するために、ゲッター材をランプに導入することが公知である。ゲッター材は化学反応を通して不純物を固定し、そうしてガス媒体から不純物を除去する機能を有する。この目的に対して広く用いられるゲッター材は、例えば、米国特許第３，２０３，９０１号明細書に記載されているジルコニウム−アルミニウム合金；米国特許第４，３０６，８８７号明細書に記載されているジルコニウム−鉄合金；米国特許第４，３１２，６６９号明細書に記載されているジルコニウム−バナジウム−鉄合金；及び米国特許第５，９６１，７５０号明細書に記載されているジルコニウム−コバルト−ミッシュメタル合金（ミッシュメタルは希土類金属の混合物である）である。これらの材料は、一般に、支持体に固定されている粉末材料によって形成されたゲッター素子の形態でランプに導入される。通常、ランプ用のゲッター素子は、圧延により粉末を固定した平坦な又は様々に折り重ねられた切り詰めたサイズの支持金属ストリップによって形成される。ランプ用ゲッター素子の例は、米国特許第５，８２５，１２７号明細書に記載されている。

公知であるように、ゲッター素子は、ゲッター材のピルを単にランプに挿入しただけで形成される場合もあるが、ゲッター素子がランプのいくつかの構成部材に固定される場合が非常に好ましい。即ち、固定されていないゲッターは、概してランプの高温領域に存在していないということがその理由であり、そのためゲッターのガス吸収効率が低下し、さらには、光の放出を妨げる場合がある。したがって、この素子は、例えば、カソード支持体に（一般にはスポット溶接によって）ほとんど常に固定されるのに対し、好適な支持体がランプに付加される場合もある。しかしながら、すべての場合において、付加的な工程がランプの製造プロセスに必要とされる。加えて、液晶スクリーンにバックライトを当てるのに使用するような極端に小さい直径を有するランプがあり、それは２〜３ｍｍ以下の直径を有し、この場合、ランプ内にゲッター素子の適切な配置を見出すことは困難であり、この素子の組み付け操作は、極めて困難になる場合がある。

本発明の目的は、放電ランプ用の中空カソードを提供することであり、該カソードは、残留ガスの除去作用を満足させ、そうして上に挙げた問題を克服する。

この目的は本発明に従って達せられ、本発明は、第１の態様では、第１端部が開放され、その反対側の端部が閉じている中空の円筒形部品によって形成された中空カソードであって、その円筒形表面の少なくとも外面又は内面部分の上にゲッター材層が存在している中空カソードに関する。

本発明は、図面を参照して以下に説明される。

図１は、最も一般的な形状で表されかつゲッター層から形成されたコーティングのない中空カソード１１を含有するランプ１０の端部断面を示す。カソードは金属から作製され、閉端部１３と開端部１４を有する円筒形の中空部品１２によって形成される。端部１３において、金属線により一般に形成される部品１５が取り付けられる。この部品は、例えば、熱によりガラスを軟化させて、そのガラスに該部品を挿入することによってランプの閉端部１６に一般に取り付けられ、部品１６の封止を可能にする。部品１５は、部品１２の支持と、部品１２を外部電源に接続するための導体との２つの機能を果たす。部品１２及び１５は１つのピースを形成できるが、より一般的には、例えば、部品１５の周りに部品１２をヒートシールすること、又は機械的に圧縮することによって互いに取り付けられた２つの部品である。

図２〜４は、本発明のカソード、即ち、ゲッター層で被覆した表面の一部を有するカソードの異なる実施態様を示す。特に図２は、ゲッター層２１が部品１２の外面の一部に存在しているだけの中空カソード２０を示し、図３は、ゲッター層３１が部品１２の内面に存在しているだけの中空カソード３０を示し、最後に図４は、２つのゲッター層４１、４１’が部品１２の外面の一部及び内面の一部両方に存在している中空カソード４０を示す。

当業者にとって明らかであるように、図では、いくつかの実施態様だけが示されたが、ゲッター材を備えた部品１２の２つの表面（内面及び外面）のコーティングは、全体的又は部分的であることができ、例えば、図２の場合には、層２１は部品１２の外面を全体的に被覆することができ、又は図４の場合には、内面が部分コーティングで外面が全体コーティング、若しくは他の如何なるコーティングの組み合せも起こり得る。

部品１２は、一般にニッケルから作製されるか、又は特開２０００−１３３２０１号公報の説明によれば、低減されたスパッタリング現象を示すタンタル、モリブデン、又はニオブなどの高融点金属を用いて形成できる。

ゲッター層は、ガスと高い反応性を有することが知られている金属のうち任意の１つから作製でき、この金属は、本質的にチタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、及びタンタルであり、これらの中でも、チタンとジルコニウムを使用することが好ましい。それに代わるものとしては、ゲッター合金、一般に、例えば、先に挙げた特許の合金など、遷移金属及びアルミニウムの中から選択された１つ又は複数の元素を有するジルコニウム又はチタンに基づいた合金を使用することが可能である。

ゲッター材層は、（以下に詳述するように）それを製作するのに使用する技術に従って、及び部品１２の直径に従って、数ミクロン（μｍ）から数百ミクロン（μｍ）の厚さを有することができ、部品１２が約１ｍｍの直径を有する中空カソードの場合には、ゲッター材が、ガス状不純物を吸収する機能を効果的に果たすのに十分な量である限りにおいて、ゲッター層の厚さは可能な限り小さいことが好ましい。

これらの材料は、部品１２を製造するのに用いられる金属以下の仕事関数値を有し、その結果、カソードの電子放射強度が低下しないということが観測されたので、ゲッター材層はカソードの機能性を変化させない。

第２の態様においては、本発明は、ゲッター材層を備えたカソードを製造するいくつかの方法に関する。第１実施態様によれば、ゲッター材層は、陰極堆積法、薄層製作の分野で“スパッタリング”としてよく知られる技術によって製作することができる。公知であるように、この技術においては、被覆されるべき支持体（この場合には中空カソード）と、層の形成を意図した材料から作製される“ターゲット”と呼ばれる一般に円筒形の本体とを適切なチャンバー中に配置して、該チャンバーを排気し、次いで、希ガス、通常アルゴンを約１０^−２〜１０^−３ｍｂａｒの圧力で充填し、支持体とターゲットの間に電位差をかけることにより（ターゲットは陰極電位に維持されている）、Ａｒ^＋イオンの形成とともに、アルゴン中にプラズマを作り出し、Ａｒ^＋イオンを電界によってターゲットの方へ加速させ、そうして衝突させることによりターゲットを侵食し、ターゲットから取り去った粒子（イオン、原子、又は原子の“クラスター”）を利用可能な表面、中でも支持体の表面上に堆積させて薄層を形成する。原理及び使用条件に関する更なる詳細については、非常に豊富なその分野の文献を参照されたい。単一金属、例えば、チタン又はジルコニウムによって形成されるゲッター層は、標準的な技術手順で以って得ることができる。この技術による合金層の製作は、ゲッター材のターゲットを製作する際に直面する困難のために複雑になることがあるが、その困難は、出願人の名において国際特許出願ＷＯ０２／００９５９に記載されているターゲットを使用することによって克服できる。単位時間に堆積される層厚に関してスパッタリング技術の生産性はとりわけ高くはないので、この技術は、厚さ約２０μｍ以下のゲッター層が製作されるべき場合、したがって、細い直径の中空カソードの場合には好ましいことがある。部品１２の部分的な表面コーティングは、この場合、マスキングを使用することによって、例えば、適切に成形された部品１２の支持部材であって、部品１２の表面の一部を選択的に覆うような支持部材を堆積中に使用することによって得ることができる。このような処置の適用例を、タイプ４０の中空カソードの製造に関して図５に与える。この場合には、堆積中、部品１２の円筒形表面の両方（内面及び外面）の一部をマスクする部材５０によって部品１２を支持する。図において、矢印は、堆積される材料の粒子が来る方向を示している。堆積後、ゲッターの堆積していない領域は、部品１５への取り付けのために使用されるのに対し、ゲッターで被覆した領域は、放電が起こるランプ帯域に対面する領域である。

本発明に従ったゲッター層で被覆したカソードを製造するための別の方法は、電気泳動によるものであり、この方法によるゲッター材層の製造原理は、出願人の名において米国特許第５，２４２，５５９号明細書で公開されている。この場合には、公知であるように、ゲッター材微粒子の懸濁液を用意して、被覆されるべき支持体（部品１２）をその懸濁液に浸す。被覆されるべき支持体と補助電極（補助電極もまた懸濁液に浸しているのは明らかである）との間に電位差を適切に印加して、ゲッター材粒子を支持体の方へ移動させる。次いで、そうして得た堆積物を熱処理によって剛性化する。この場合には、部品１２の部分的又は完全なコーティングは、懸濁液中に該部品を単に部分的又は全体的に浸すことによって得ることができ、この場合にも、部材５０の場合において先に説明したのと同様に、部品１２の適切な支持体を用いて、２つの表面、内面又は外面のうち一方を選択的に被覆することがさらに可能である。この技術は、数百μｍまでの厚さを有する層を容易にかつ速やかに形成できるとともに、スパッタリングによって得られるものよりも厚いゲッター層を製作するのに適している。

最後に、部品１２が、特開２０００−１３３２０１号公報に記載されているような高融点金属から形成される場合には、コーティングは、単に堆積されるべきゲッター金属又は合金に相当する組成物を有する溶融バス中に浸すことによって実施でき、実際、チタン及びジルコニウムが、それぞれ約１６５０及び１８５０℃で溶融し、先に挙げたすべてのジルコニウムに基づいた合金が、１５００℃未満で溶融するのに対し、モリブデンは約２６００℃で溶融し、ニオブは約２４７０℃、タンタルは約３０００℃で溶融するので、ゲッター金属又は合金の溶融バス中にこれらの金属から作製された部品を何ら変化させることなく浸すことが可能である。この場合にも、該バスに部品１２を全体的又は部分的に浸すことによって、ゲッター層を備えた部分的又は完全なコーティングが得られる。

ゲッター材で被覆されていない中空カソードを有する放電ランプの端部断面を示す。 本発明に従った中空カソードの種々の可能な実施態様の断面を示す。 本発明に従った中空カソードの種々の可能な実施態様の断面を示す。 本発明に従った中空カソードの種々の可能な実施態様の断面を示す。 本発明に従った中空カソードを得るための方法を示す。

Claims (11)

1. 第１端部（１３）が閉じられ、その反対側の端部（１４）が開放している円筒形中空部品（１２）によって形成された中空カソード（２０；３０；４０）であって、その円筒形表面の少なくとも外面又は内面部分の上にゲッター材層（２１；３１；４１；４１’）が存在している、中空カソード。
2. 前記円筒形中空部品が金属から作製された、請求項１に記載の中空カソード。
3. 前記金属が、ニッケル、モリブデン、タンタル、又はニオブの中から選択された、請求項２に記載の中空カソード。
4. 前記ゲッター材層が、チタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム及びタンタルの中から選択された金属、又は遷移金属及びアルミニウムの中から選択された１つ若しくは複数の元素を有するジルコニウム若しくはチタンに基づいた合金から形成された、請求項１に記載の中空カソード。
5. 前記ゲッター材層が陰極堆積法によって形成される、請求項１に記載の中空カソードを製造するための方法。
6. 前記ゲッター材層が２０μｍ未満の厚さを有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記円筒形中空部品の内面及び外面の一方又は両方の部分コーティングが、適切に成形された支持部材（５０）を用いて、前記陰極堆積法の間、該部品をマスキングすることにより行われる、請求項５に記載の方法。
8. 前記ゲッター材層が電気泳動堆積法によって形成される、請求項１に記載の中空カソードを製造するための方法。
9. 前記円筒形中空部品の内面及び外面の一方又は両方の部分コーティングが、堆積のために用いられるゲッター粒子を含有する懸濁液中に該部品を部分的に浸すことによって行われる、請求項８に記載の方法。
10. 前記円筒形中空部品が、タンタル、モリブデン、又はニオブから作製され、前記ゲッター材層が、その層が作製されるゲッター金属又は合金の溶融バス中に該部品を浸すことによって形成される、請求項３に記載の中空カソードを製造するための方法。
11. 前記円筒形中空部品の内面及び外面の一方又は両方の部分コーティングが、前記溶融バス中に該部品を部分的に浸すことによって行われる、請求項１０に記載の方法。

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