JP2015005470A

JP2015005470A - 放電ランプ

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Publication number: JP2015005470A
Application number: JP2013131298A
Authority: JP
Inventors: 充夫船越; Mitsuo Funakoshi; 幸治田川; Koji Tagawa; 岩林　弘久; Hirohisa Iwabayashi; 弘久岩林; 有本　智良; Tomoyoshi Arimoto; 智良有本
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: JP5672569B2

Abstract

【課題】発光管内の陰極にトリウム以外のエミッタを添加してなる放電ランプにおいて、陰極からエミッタが過剰に蒸発して早期に枯渇してしまうことを防止するとともに、当初点灯時にも円滑な点灯ができるようにした構造を提供する。
【解決手段】陰極３における本体部３１は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、先端部３２は、エミッタ（トリウムを除く）が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、陰極に電子放射を良好にするためのエミッタを含有してなる放電ランプに関するものであり、特に、トリウム以外のエミッタを含有してなる放電ランプに係わるものである。

一般に、高入力で高輝度な放電ランプなどにおいては、その陰極には、電子放射を容易にするためにエミッタが添加されている。例えば、特開２０１２−１５００８号公報（特許文献１）には、エミッタとして酸化トリウムを含有する放電ランプ用の陰極が開示されている。
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。

そのトリウムに代わる代替物質として、希土類元素及びその化合物を用いるものが提案されている。希土類元素は、仕事関数（一般的に、物質表面から外方へ電子が飛び出す際に必要なエネルギー量を指す）が低く電子放射に優れた物質であり、トリウムの代替物質として期待されている。
特開２００５−５１９４３５号公報（特許文献２）には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などを含有させた放電ランプが開示されている。

しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい。そのため、陰極に含有させるエミッタとして酸化トリウムに代えて希土類酸化物を用いた場合、当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまい、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。このエミッタの枯渇により、陰極における電子放射機能が失われてしまい、フリッカーが生じてしまってランプ寿命が短くなるという問題がある。
また、電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであり、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、１ｋＷ以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の蒸気は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。

特開２０１２−１５００８号公報特開２００５−５１９４３５号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、陰極にトリウム以外のエミッタを添加しても、当該エミッタの早期の枯渇を防止して、電子放出機能を長時間維持し、ランプのフリッカー寿命の長期化を図るようにするとともに、当初の点灯時の点灯始動性に優れた構造を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極が、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、前記先端部は、エミッタ（トリウムを除く）が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されていることを特徴とする。
また、前記エミッタが、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする。
また、前記先端部のエミッタ濃度（ＣＦ）が０．５ｗｔ％≦ＣＦ≦５ｗｔ％であり、前記密閉空間に埋設された前記焼結体のエミッタ濃度（ＣＢ）が１０ｗｔ％≦ＣＢ≦８０ｗｔ％であって、且つ、ＣＦ＜ＣＢであることを特徴とする。
また、前記焼結体の先端が、前記先端部に当接していることを特徴とする。

また、前記密封空間において、前記焼結体と共に該焼結体に含まれるエミッタを還元する還元剤が封入されていることを特徴とする。
また、前記還元剤は箔状であって、前記焼結体の周囲に巻かれて配置されていることを特徴とする。
また、前記還元剤は粉体状態であり、前記焼結体内に分散して含有されていることを特徴とする。
また、前記還元剤は、前記焼結体の後端に沿って配置されていることを特徴とする。
また、前記還元剤は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれかであることを特徴とする。

本発明によれば、トリウムを含まない本体部の先端に、トリウム以外のエミッタが含有された先端部が接合され、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されているので、放電ランプを当初に点灯する際には、先端部に含まれたエミッタ（トリウムを除く）が先端部を被覆することにより良好な点灯性がもたらされる。
点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散供給されてくるので、先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性は安定的に長期間維持される。
この焼結体は、陰極内部に埋設されているため、放電アークに直接曝されることがなく、アークによって過熱されることが抑制されるので、過度に蒸発してエミッタが早期に枯渇してしまうようなことがない。
また、所定時間の点灯後に消灯し、陰極が冷却された際には、点灯時に焼結体から拡散してくるエミッタが先端部内で留まるために、その後の再点灯時には、この先端部内のエミッタがその点灯性を良好なものとしてくれるものである。

本発明に係る陰極構造を有する放電ランプの全体図。本発明の実施例を表す陰極構造図。本発明の陰極の製造工程図。他の複数の実施例を表す陰極構造図。

図１は、この発明の陰極構造を有する放電ランプの全体構造を示し、放電ランプ１は発光管２の内部に陰極３と陽極４とが対向配置されている。
図２に示されるように、陰極３は、本体部３１と、その先端に接合された先端部３２とからなる。
前記本体部３１は、トリウムを含まない、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料からなる。
そして、前記先端部３２は、前記本体部３１の先端側、即ち、陽極４と対向する面に固相接合、溶接などの適宜な接合手段により接合されている。当該先端部３２には、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている（以下、先端部に含まれるエミッタを第１エミッタともいう）。
このトリウム以外の第１エミッタとしては、例えば、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。

ここで、第１エミッタの含有量は、例えば、０．５重量％〜５．０重量％と低めに設定される。この第１エミッタは、ランプの当初の点灯時に始動性を確保するためのものであって、濃度が低めに設定されるのは、放電アークに曝されてエミッタが過度に蒸発することを防止するためである。
つまり、第１エミッタの含有量が、０．５重量％未満の場合、点灯初期において電子放出に必要となるエミッタ濃度を確保できず、ランプ電圧の上昇や変動の増大が、発生する。また、含有量が、５．０重量％を超えてしまうと、タングステン材料等の製造の際に、焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスウェージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなるだけでなく、仮に、製造できた場合でも、先端部に使用した場合に、エミッタの蒸発が顕著になり、バルブの黒化（白濁）を促進してしまうため好ましくない。

図２に示されるように、陰極３の内部には、密閉空間３３が形成されていて、該密閉空間３３内には、トリウム以外のエミッタが含有された焼結体３４が埋設されている。
図２（Ａ）は、密閉空間３３が本体部３１側に形成されていて、焼結体３４は実質的には、該本体部３１内に埋設されている。
図２（Ｂ）は、密閉空間３３が、本体部３１と先端部３２とに跨って形成されていて、焼結体３４はこの本体部３１と先端部３２とに跨るように埋設されている。
図２（Ｃ）は、密閉空間３３が先端部３２側に形成されていて、焼結体３４は、実質的には、該先端部３２内に埋設されている。
当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部３２の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものであり、そのいずれを選択するかは、製造面での容易性と、先端部３２の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。

前記焼結体３４には、トリウム以外のエミッタ（以下、焼結体３４に含有されるエミッタを第２エミッタともいう）が含有されていて、例えば、前記した先端部３２に有されるものと同様に、タングステン等の構成材料に、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化サマリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジムあるいは酸化ハフニウムの単体もしくはその組み合わせを混入して、焼結したものが使われる。
そして、この焼結体３４に含有される第２エミッタの濃度は、前記先端部３２に含有される第１エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、１０重量％〜８０重量％である。
この第２エミッタの濃度が、１０重量％未満であると、陰極３内部に格納できる焼結体３４のサイズの関係から、陰極先端部３２に供給するエミッタ量を確保することが難しくなってしまう。また、８０重量％を超えてしまうと、焼結体３４のタングステン等の構成材料の割合が減少してしまい、酸化物の還元による生成物が減少してしまうため、いずれの場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。

この焼結体３４中に含有する第２エミッタは、陰極３内部に埋設されていることにより、放電アークに直接曝されることがなく、必要以上に加熱されることがないので過度に蒸発することがない。また、焼結体３４はランプ点灯に伴い適宜に加熱され、該焼結体３４中の第２エミッタは濃度拡散によって先端部３２側に移動供給されていく。これにより、先端部３２ではエミッタが枯渇することがなく、安定的な点灯性が持続される。
しかして、この焼結体３４は、陰極先端側の端面が先端部３２に当接した状態であることが望ましい。こうすることにより、焼結体３４に含まれる第２エミッタがランプ点灯中に、先端部３２に当接していることにより、エミッタが粒界拡散によって先端部３２側に円滑に且つ速やかに移動して確実に供給されるようになる。

なお、前述の第１エミッタと第２エミッタとは、同材料であってもよいし、別材料であってもよい。例えば、第１エミッタと第２エミッタがともに酸化ランタンと同一材料であり、また、第１エミッタが酸化ランタンと酸化ジルコニウムからなり、第２エミッタが酸化セリウムと別材料であるというように、その組み合わせは任意である。

本発明の陰極３を構成する先端部３２と焼結体３４の機能と作用について説明する。先端部３２には、電子放出を行う先端面にエミッタを輸送する拡散経路が構成されており、当初点灯時には、この先端部３２に含有されている第１エミッタが先端面に輸送されて電子放出を行い、確実な初期点灯がなされる。この点灯により先端部３２に当初含まれていた第１エミッタは消費されるが、そのエミッタが枯渇するまでに、陰極３内に埋設された焼結体３４中の第２エミッタが、先端部３２の拡散経路を通って、先端面に供給されていくことにより、先端面でのエミッタの枯渇が生じない。

なお、前述のとおり、本体部３１はトリウムを含まないタングステンなどの高融点金属からなるものであるが、トリウム以外のエミッタを含むことを排除するものではない。その場合、高濃度の焼結体３４が存在するので、エミッタを先端部３２に供給するという点については、本体部３１にトリウム以外のエミッタを含むことに特段の利点は存在しないかもしれないが、本体部３１と先端部３２が同一の材料から構成されることで両者の接合が容易になるなどの別の利点を有する。

本発明の陰極構造について一寸法例を示すと以下の通りである。
陰極の外径：φ１５ｍｍ、軸方向の長さ：６０ｍｍ
先端部の寸法：軸方向長さ２ｍｍ、材料例：酸化ランタン（エミッタ）、酸化ジルコニウム（タングステン粒子粗大化抑制剤）をドープしたタングステン
本体部の寸法：軸方向長さ５８ｍｍ、材料例：酸化ジルコニウムをドープしたタングステン
焼結体の寸法：φ２ｍｍ、軸方向長さ：５ｍｍ、材料例：酸化セリウム、タングステンを重量比１：２で混合、成型、焼結したもの。

次いで、本発明に係る陰極の製造工程を、図３を用いて説明する。
陰極３内部の密閉空間３３内に埋設する焼結体３４は、エミッタ（ＣｅＯ_２）とタングステン（Ｗ）の配合比を、１：２で、混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレス機により成型を行う。この後、水素中で１０００℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、真空中での本焼結をタングステン炉中において、１７００〜２０００℃、好ましくは１８００〜１９００℃、１ｈで行うことで、製作する。
陰極の先端部３２は、Ｌａ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２ドープタングステンとし、本体部３１は、ＺｒＯ_２ドープタングステンである。ともに、真空中で２３００℃〜２５００℃の温度で焼結する。このようにエミッタが含有されたタングステンをより高い温度（例えば、３０００℃）で焼結すると、エミッタが蒸発して消失してしまうので、好ましくはない。
なお、本体部３１にエミッタを含有しない形態の場合には、それよりももっと高い温度、例えば２７００℃〜３０００℃で焼結することもできる。

先ず図３（Ａ）に示すように、本体部３１を構成する本体部材３１ａの先端側に密閉空間３３を構成する穴３３ａを形成し、該穴３３ａ内に焼結体３４を挿入する。次いで、先端部３２を構成する先端部材３２ａを焼結体３４に当接する。
この時、図３（Ｂ）に示すように、焼結体３４の先端は、本体部３１の表面より０．５ｍｍ程度の若干量だけ突出している。
図３（Ｃ）に示すように、先端部材３２ａを押圧して、焼結体３４を圧縮し、先端部材３２ａと本体部材３１ａとを当接する。この際、焼結体３４は、本体部３１や先端部３２の焼結温度よりも低い温度で焼結してあるので、押圧による縮み代は大きく、本体部材３１ａと先端部材３２ａの当接により、若干量だけ縮み、焼結体３４は先端部材３２ａと当接した状態となる。
この状態で、拡散接合やスポット溶接等により本体部材３１ａと先端部材３２ａを接合する。
次いで、先端部材３２ａと本体部材３１ａの接合後に、陰極３の先端を切削加工する。
これにより、図３（Ｄ）に示すように、本体部３１の先端に先端部３２が接合され、その内部の密閉空間３３内に焼結体３４が密閉埋設された陰極３の最終形状が得られる。

図４に、他の複数の実施例が示されていて、これらの実施例では、密閉空間３３内に焼結体３４とともに、エミッタの還元反応を促進するための還元剤５が封入されている。
図４（Ａ）は、還元剤の箔５１を焼結体３４に巻き付けて密閉空間３３内に封入したものである。具体的には、厚さ５〜４０μｍのＴａ箔を焼結体３４に巻き付けてある。
図４（Ｂ）は、焼結体３４に還元剤の粉末、例えば、粒径１〜１０μｍのＴａ粉末５２を混入させたものであって、焼結体構成材料であるタングステン粉末とＴａ粉末とを混合し、焼結させたものである。
図４（Ｃ）は、密閉空間３３内の焼結体３４の下方に、Ｔａ粉末などの還元剤粉末５３を配置したものである。
還元剤の封入形態はこれら以外に、還元剤のペーストを焼結体３４の外周面に塗布する等がある。

ここに用いられる還元剤としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれかであことが好ましい。そして、その封入量は、焼結体３４に含まれる第２エミッタの総量に対して、１ｗｔ％〜３０ｗｔ％である。
なお、還元剤として炭素（Ｃ）も考えられるが、炭素は、エミッタとタングステン（Ｗ）との反応で生成した酸化タングステンと反応してＣＯを生成し、このＣＯが焼結体３４から拡散して先端部３２内に至り、ここで、ＣとＯとに分解して固溶し、陰極先端面に拡散する。ここで、最終的にはＯ２やＣＯとなって放電容器中に放出される。そして、これらが陽極に到達すると、酸化タングステンや炭化タングステンが生成され、放電容器の黒化や陽極の変形を引き起こすことになる、という不具合があり、好ましいものではない。
そこで、炭素（Ｃ）以外の、前記したＴｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂなどを用いるのが好適である。

本願発明の陰極構造が適用されるのは、図１では、水銀ランプやキセノンランプなどのショートアーク型放電ランプをイメージしたが、ロングアーク型放電ランプに適用することもできる。

以上説明したように、本発明においては、陰極にトリウム以外のエミッタを添加した放電ランプにおいて、本体部に接合される先端部にエミッタを含有させてあるので、ランプの当初の始動時にこのエミッタが始動性を確保して確実な点灯が行われる。
そして、陰極内部に密封埋設した焼結体には、前記先端部の第１エミッタよりも高濃度の第２エミッタが含有されているので、ランプ点灯に伴ってこの第２エミッタが拡散して、先端部側に移動して供給されるので、先端部でエミッタが枯渇するという心配がなく、継続的なエミッタ供給による安定的な点灯が確保される。
この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の蒸気圧の低いエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。
また、密閉空間内には還元剤が封入されているので、エミッタの還元反応が促進されて、先端部へのエミッタの供給が滞ることもない。

１放電ランプ
２発光管
３陰極
３１本体部
３２先端部
４陽極
５還元剤
５１箔状還元剤
５２粉末状還元剤
５３粉末状還元剤

Claims

発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
前記先端部は、エミッタ（トリウムを除く）が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、
前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されている、
ことを特徴とする放電ランプ。
前記エミッタが、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
前記先端部のエミッタ濃度（ＣＦ）が０．５重量％≦ＣＦ≦５重量％であり、
前記密閉空間に埋設された前記焼結体のエミッタ濃度（ＣＢ）が１０重量％≦ＣＢ≦８０重量％であって、且つ、ＣＦ＜ＣＢである、
ことを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
前記焼結体の先端が、前記先端部に当接していることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
前記密封空間において、前記焼結体と共に該焼結体に含まれるエミッタを還元する還元剤が封入されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
前記還元剤は箔状であって、前記焼結体の周囲に巻かれて配置されていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
前記還元剤は粉体状態であり、前記焼結体内に分散して含有されていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ用陰極。
前記還元剤は、前記焼結体の後端に沿って配置されていることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。
前記還元剤は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の放電ランプ。