JP2013243100A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、陰極の本体部と先端部の接合強度を高めて本体部の母材であるタングステンと同等の機械的強度とすることにより、切削加工時に接合界面での脱落・破損という事故を防止した陰極構造を提供するものである。
【解決手段】前記陰極の本体部と先端部の接合界面に垂直な断面において、該接合界面に沿った５００μｍ以上の任意の領域において、該任意の領域の長さをＬ_０とし、前記接合界面に跨って存在するタングステン結晶粒の当該接合界面に沿った長さの総和をＬとしたとき、（Ｌ／Ｌ_０）≧０．１６ であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極に酸化トリウムが含有された先端部が設けられているショートアーク型放電ランプに係わるものである。

従来、水銀を封入したショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端間距離が短く、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。
また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機などにおいて可視光光源として用いられており、近年ではデジタルシネマ用光源としても重用されている。
そして、かかるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極に、酸化トリウムなどのエミッター材を含有させて、電子放出特性を高めるようにしたものが知られている。

ところで、このエミッター材として酸化トリウムを陰極全体に含有させた構造とすると、酸化トリウムを大量に使用することになり、省資源の観点から好ましいことではなく、また、トリウムが放射性物質であることから、その使用には多くの規制があって、このエミッター材として酸化トリウムを陰極全体に含有させた陰極構造とすることが実現困難となってきている。
そのような観点から、エミッター材として酸化トリウムを含有させた陰極構造とするとき、陰極本体はタングステン材料から構成し、その先端に酸化トリウムを含有したトリエーテッドタングステンからなる先端部を固相接合させた接合陰極構造が知られている。特開２０１２−０１５００７号公報（特許文献１）がそれである。

ところが、かかる固相接合構造の陰極を作成する場合、陰極本体部を構成するタングステン材料に、トリエーテッドタングステンからなる先端部を固相接合させた後に、所定の陰極形状にするために旋盤などにより切削加工する際に、加工による衝撃によって接合界面から破損する事故が発生している。
このように、接合陰極においては、接合界面での接合強度が弱く、この接合界面を起点として機械的破断が生じるという問題点がある。

特開２０１２−０１５００７号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、陰極の本体部と先端部の接合強度を高めて本体部の母材であるタングステンと同等の機械的強度とすることにより、切削加工時に接合界面での脱落・破損という事故を防止した陰極構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極の本体部と先端部の接合界面に垂直な断面において、該接合界面に沿った５００μｍ以上の任意の領域において、前記接合界面に沿った任意の領域の長さをＬ_０とし、該接合界面に跨って存在するタングステン結晶粒の当該接合界面に沿った長さの総和をＬとしたとき、（Ｌ／Ｌ_０）≧０．１６であることを特徴とする。

本発明によれば、タングステンからなる陰極の本体部に酸化トリウムが含有された先端部を固相接合させた陰極構造において、その接合界面に跨って存在するタングステン結晶粒の長さの総和、換言すれば、総面積の総和を所定割合以上とすることで、接合界面での機械的強度を十分な大きさとして、切削加工時の先端部の脱落・破損という事故を防止することができるものである。

本発明に係る放電ランプの断面図。 本発明における陰極の拡大図。 本発明における陰極の製造法の説明図 本発明における陰極の接合前の拡大断面図。 本発明における陰極の接合後の拡大断面図。 本発明における接合陰極の断面図。 本発明の効果を表す表。 本発明の効果を表すグラフ。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプ１を示し、石英ガラス製の発光管２内に陰極３と陽極４とが対向配置されており、両電極３、４はそれぞれ封止部５、６で封止支持されている。
図２は陰極構造を示し、陰極３は、タングステンからなる本体部３１と、その先端に固相拡散接合された先端部３２とからなる。ここで固相拡散接合とは、金属同士を面で重ね合わせて、融点未満の固相状態で塑性変形が生じない程度に加熱・加圧し、接合部の原子を拡散させて固相接合することをいう。
前記先端部３２は、主成分であるタングステンに、エミッター物質として酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有する、いわゆるトリエーテッドタングステン（以下、トリタンということもある）であり、酸化トリウムの含有量は、例えば２ｗｔ％である。
前記先端部３２の形状は、前記本体部３１とともに、全体としてテーパー形状に形成され、その先端面が図１に示すように陽極４と対向配置されている。
この先端部３２を構成するトリタンに含有された酸化トリウムは、ランプ点灯中に高温になることによって還元され、トリウム原子となって外表面を拡散して、温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにするものである。

かかる固相接合構造の陰極の接合装置１０が図３に示されており、接合装置１０は真空チャンバー１１を有し、真空ポンプ１２によって内部を真空状態に維持されている。該チャンバー１１内には、一対の通電端子１３、１４が設けられており、チャンバー１１外にある加熱電源１５と接続されている。
通電端子１３、１４間には、本体部を構成する純タングステン部材１６および先端部を構成するトリエーテッドタングステン部材１７が接合すべき面を重ね合わせて配置されている。このとき、接合部材である純タングステン部材１６とトリエーテッドタングステン部材１７は、カーボンなどの導電性材料からなるスペーサー１８、１９を介して通電端子１３、１４に挟持されている。該スパーサー１８、１９は、接合後に通電端子１３、１４と純タングステン部材１６、トリエーテッドタングステン部材１７の剥離を容易にする剥離部材として機能する。
このように、通電端子１３、１４間に挟持された純タングステン部材１６とトリエーテッドタングステン部材１７は、前記導電端子１３、１４によって所定圧力に加圧されるとともに、所定温度に加熱されることにより、互い拡散接合される。

上記の接合装置において、接合工程条件の一例を示すと以下の通りである。
○加熱温度：接合すべき金属部材（タングステン）の融点の絶対温度（Ｋ）の
１／３以上の温度範囲。具体的には、１，９００℃
○加圧荷重：３０ＭＰａ
○通電時間：２００ｓｅｃ
以上の工程によって、本体部３１を構成する純タングステン部材１６と、陰極３の先端部３２を構成するトリエーテッドタングステン部材１７は重ね合わせ面において固相接合される。

こうして固相接合された陰極構造の接合部の断面図が図５に示されているが、理解を助けるために接合前の断面図が図４に示されている。
タングステンからなる本体部３１の接合面３１ａおよびトリエーテッドタングステンからなる先端部３２の接合面３２ａは、切削加工や研磨加工によって平坦面とされている。図４に示す接合前の状態では、前記接合面３１ａ、３２ａでは、本体部３１および先端部３２中のタングステン結晶粒３３、３３は、上記接合面３１ａ、３２ａでは平坦形状となって露出している。
図３に示すように、これら接合面３１ａ、３２ａを互いに当接させて加圧・加熱して固相接合させる。
こうして固相接合された本体部３１および先端部３２の接合界面３４では、図５にされるように、いくつかの結晶粒は互いに成長して接合し、接合界面３４を跨って成長していく。

こうして接合された本体部３１と先端部３２との接合界面３４において、結晶粒の界面同士が互いに向き合った状態で結合しているものに比べて、前記した接合界面３４を跨ぐように成長した結晶粒になったものでは、該接合界面３４での結合力が大きくなり、耐破損性能が格段に向上する。
本発明者は、このような接合界面３４に跨る結晶粒の存在に着目し、種々のサンプルを作製して、その引張強度を測定した。この引張強度を評価する上で、前記接合界面を跨って存在するタングステン結晶粒が、接合界面３４に沿った方向で占める割合を規定した。
即ち、陰極３の本体部３１と先端部３２の接合界面３４に垂直な断面において、該接合界面３４に沿った５００μｍ以上の任意の領域を対象として、前記接合界面３４に沿った任意の領域の長さをＬ_０とし、該接合界面３４に跨って存在するタングステン結晶粒の当該接合界面に沿った長さの総和をＬとしたときに、Ｌ／Ｌ_０（以下、「接合率」という場合もある）を規定して種々のサンプルを作製して、その引張強度を測定した。
なお、種々のサンプルは、接合工程における加熱温度、加圧荷重、加熱時間を変化させて作製している。

こうして接合された各種サンプルにおいて、図５に示すように、接合界面３４に沿った任意の領域の長さＬに対して、接合界面３４を跨った結晶粒３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅにおける、接合界面３４上に沿った長さＬ１（結晶粒３５ａ）、Ｌ２（結晶粒３５ｂ）、Ｌ３（結晶粒３５ｃ）、Ｌ４（結晶粒３５ｃ）、Ｌ５（結晶粒３５ｄ）、Ｌ６（結晶粒３５ｅ）の総和Ｌ（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）の割合Ｌ／Ｌ_０を規定した。
なお、上記任意の領域の長さを５００μｍ以上としたのは、タングステン結晶粒の大きさを十分にカバーできる長さとして、領域の違いによる測定の誤差が生じない程度の長さとしたものである。

この測定をするにあたり、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、サンプルは接合界面に垂直な面で切断して、切断面を研磨し、更に、切断面上の結晶粒を際立たせるために水酸化ナトリウムとフェリシアン化カリウムの混合溶液を施してエッチング処理を行った。このエッチング後に、接合界面近傍をＳＥＭにより観察した。
また、接合界面近傍では、タングステンと電子放射効率が異なる酸化トリウムがＳＥＭ写真上で判別されるので、いずれの側がトリエーテッドタングステンであるかは判別できる。

実験対象は、５通りの接合条件（温度・荷重・通電時間）で、それぞれ同一条件で３つずつの接合サンプルを作製し、第１のサンプルによって接合率（Ｌ／Ｌ_０）を求め、第２のサンプルで引張強度を調べ、第３のサンプルで切削加工による破損の有無を調べた。また、接合率を求めるに当たっては、接合界面上の複数の領域で求めたものを平均化した。
その結果が、図７の表および図８のグラフに示されている。
接合率（Ｌ／Ｌ_０）が、０．１３のとき、引張実験では接合界面で破断し、切削加工実験では加工時の衝撃によって接合部材が接合界面から破断した。しかしながら、接合率が０．１６以上の場合には、引張実験では、破断は接合界面以外の部分を起点として発生し、破断時の引張応力も２００ＭＰａを超えており、切削加工実験でも破損はなかった。
このことから、接合率（Ｌ／Ｌ_０）≧０．１６の範囲では、母材であるタングステンと同等の機械的強度を得ることができることが判明した。

なお、接合率の上限値は特に設けないが、理論上は１（１００％）であるといえるものの、実際上、接合界面上で全ての結晶粒が該接合界面に跨って存在する粒子となることはなく、発明者が実験を繰り返して得られた上限値は、０．９６であった。

以上のように、本発明によれば、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極において、前記陰極の本体部と先端部の接合界面に垂直な断面において、該接合界面に沿った５００μｍ以上の任意の領域において、前記接合界面に沿った任意の領域の長さをＬ_０とし、該接合界面に跨って存在するタングステン結晶粒の当該接合界面に沿った長さの総和をＬとしたとき、（Ｌ／Ｌ_０）≧０．１６としたことにより、接合界面での機械的強度が十分に大きく、陰極本体の母材であるタングステンと同等の引張強度を得ることができ、接合工程後の切削加工によっても接合界面から破損することを防止できるという効果を奏するものである。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 発光管
３ 陰極
３１ 本体部（タングステン）
３２ 先端部（トリエーテッドタングステン）
３４ 接合界面
４ 陽極

Claims (1)

1. 発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極が、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成されてなる、ショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極の本体部と先端部の接合界面に垂直な断面において、該接合界面に沿った５００μｍ以上の任意の領域において、
   前記接合界面に沿った任意の領域の長さをＬ_０とし、
   該接合界面に跨って存在するタングステン結晶粒の当該接合界面に沿った長さの総和をＬとしたとき、
   （Ｌ／Ｌ_０）≧０．１６
   であることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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