JP2015118784A - 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エミッター含有のタングステンからなる先端部とが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およびその陰極の製造方法において、極めて簡便な方法により短時間で、先端部を本体部の先端に接合することができ、作製された電極が点灯中の高温に耐えて機械的強度を保ち、かつその状態で化学的に安定である構造およびその陰極の製造方法を提供せんとするものである。
【解決手段】前記本体部と前記先端部は、バインダーを介在させて該バインダーが溶融することによりタングステンとの合金を作成して接合されてなり、該バインダーが、タンタル、ニオブ、ハフニウム、モリブデン、レニウムのいずれかであることを特徴とする。
【選択図】 図１

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。

通常、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプや、半導体露光、ＬＣＤ露光用などの光源として利用される水銀が封入されたショートアーク型放電ランプでは、直流点灯方式のランプが使用されている。
その典型的な一例が図３に示されている。放電ランプ１は発光部３とその両端の封止部４とからなる発光管２を有し、前記発光部３内には、陰極５と陽極６とが対向配置されていて、直流点灯される。
このように、放電ランプを直流点灯することで、アークの輝点を陰極先端に固定し、点光源とすることで光学系と組み合わされた時に高い光の利用効率を実現するものとされている。
ところで、このような直流点灯方式の放電ランプに用いられる陰極は、定常点灯時に常時電子を放出する役割を担うため、電子放射を容易にすべく、高融点金属にエミッター材を混入して構成されたものが多用されている。

そして、このエミッター材としては、点光源および高輝度が要求されるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極先端の動作温度を高くできるものとして酸化トリウムが一般的に使用されている。しかしながら、トリウムは放射性物質であるため、昨今ではその扱いが厳しく規制されてきており、陰極に酸化トリウムを用いざるを得ないとしても、その含有量を極限まで減らすことが要求されている。
このような観点から、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、特開２０１２−１９０６２７号公報（特許文献１）に見られるように、陰極本体部を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タングステンからなる先端部を固相接合させた陰極構造とすることが知られている。

しかしながら、陰極材料（本体部と先端部）を固相接合するためには、真空装置や加熱・加圧装置などの特別な高額な設備が必要である。
また、接合工程において、真空状態にしたり、加熱したり、冷却したりするプロセスに掛かる時間が長く、より一層の製造コスト高を招いている、という問題がある。
とは言え、単にエミッターを含有した先端部材を取り付ければいいというものではなく、点灯中の２０００〜２４００℃という高温に耐えて機械的強度を保ち、かつその状態で化学的に安定である必要性がある。

特開２０１２−１５４９２７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エミッターを含有したタングステンからなる先端部とが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およびその陰極の製造方法において、極めて簡便な方法により短時間で、先端部を本体部の先端に接合することができ、作製された電極が点灯中の２０００〜２４００℃の高温に耐えて機械的強度を保ち、かつその状態で化学的に安定である構造およびその陰極の製造方法を提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明では、タングステンからなる本体部に、エミッターを含有した先端部が接合されて形成された陰極を有するショートアーク型放電ランプおよびその陰極の製造方法において、前記本体部と前記先端部は、バインダーを介在させて該バインダーを溶融させることにより接合されてなり、該バインダーが、タンタル、ニオブ、ハフニウム、モリブデン、レニウムのいずれか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本体部とエミッターを含有したタングステンからなる先端部との間に介在させたバインダーを、溶融させてタングステンとの合金を作ることにより本体部と先端部を接合したので、固相接合のような大掛かりな設備を必要とせず、極めて簡便な設備によって、しかも短時間で接合することができるので、大幅なコストダウンを達成でき、しかも、点灯時の高温に耐えて機械的強度を保つとともに、化学的にも安定した陰極構造を得ることができるものである。

本発明のショートアーク型放電ランプの陰極構造断面図。 本発明の陰極の製造方法を示す図。 一般的なショートアーク型放電ランプの構造。

図１に示すように、陰極５はタングステンからなる本体部５１と、これに接合された酸化トリウムなどのエミッターが含有されたタングステンからなる先端部５２とからなる。前記本体部５１は、例えば純度が９９．９９％以上であるタングステン（純タングステン）から構成され、前記先端部５２は、例えば酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を２ｗｔ％含有するタングステン（トリエーテッドタングステン）から構成されている。

そして、前記本体部５１と先端部５２との間にはバインダー５３が介在している。
バインダー材料としては、ランプ点灯時の温度である２０００℃〜２４００℃以上の融点である高融点金属であることが必要で、この条件を満たす材料としては、タンタルＴａ（融点２９９８℃）、ニオブＮｂ（２４６７℃）、ハフニウムＨｆ（２２２７℃）、モリブデンＭｏ（２６１７℃）、レニウムＲｅ（３１６０℃）である。更に望ましくは、タングステンとの間で形成する合金が、２０００℃〜２４００℃以上であることが望ましい。
また、これらの金属は、ランプ点灯中の高温に耐え、タングステンとの合金をつくりやすいという性質を有している。挟み込むバインダー５３の形態は、具体的には金属箔状、粉末状（プレス成型体）、ペースト状などである。

この陰極の製造方法について、図２に基づいて説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、陰極５の本体部５１を形成する純タングステンからなる本体部材料５１ａと、先端部５２を形成するエミッターが含有されたタングステンからなる先端部材料５２ａとを用意し、その間に、例えば金属箔状のバインダー材料５３ａを挟み込む。
図２（Ｂ）に示すように、バインダー材料５３ａを挟んで本体部材料５１ａと先端部材料５２ａを加圧し、これらの間に通電して加熱する。これにより、タングステンよりも融点の低いバインダー材料５３ａが溶融して、本体部材料５１ａおよび先端部材料５２ａのタングステンとの合金が形成され、本体部材料５１ａと先端部材料５２ａが接合される。
こうして接合された本体部材料５１ａと先端部材料５２ａを、図２（Ｃ）に示すように、先端部分を点線の形状に切削加工することで、最終形状の陰極５が作成される。

また、本発明に使用するバインダー５３は、点灯時に先端部５２から発生するＣＯやＨなどの不純ガスを吸収することができ、当該先端部５２でのエミッターとしての酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の還元反応の妨げとなることを抑制できる。
つまり、ＣＯやＨなどの不純ガス濃度が高くなると、酸化トリウムの還元反応が停滞するが、これらをバインダー５３が吸蔵して取り除くために、還元反応が円滑に進むという副次的効果もある。

なお、先端部５２は、上記のように酸化トリウムを含むタングステンを用いるだけでなく、エミッターとして、酸化トリウム以外の、例えば、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）などの希土類酸化物を添加したタングステンを用いて、これを、バインダー５３を介して、本体部５１に接合してもよい。
さらに詳細をいえば、本体部５１を構成する、いわゆる純タングステンにも製造工程中に微量のエミッターが混入することがあるが、意図的に添加するというわけではない。

以下、具体的な寸法例と製造方法の２例を述べる。
＜例１＞
（１）原材料およびその寸法
本体部：タングステン（Ｋドープ） 外径１２ｍｍ、全長１８ｍｍ
先端部：ＴｈＯ_２ ドープのタングステン 外径１２ｍｍ、全長１０ｍｍ
バインダー：Ｔａ金属箔 １４ｍｍ角、厚さ２０μｍ
１０００℃での水素処理。
（２）接合条件
上記部材を、本体部−バインダー材料−先端部の順に積み重ね、加圧（１〜５ｋＮ）・接触させて、通電・加熱する（電流１０，０００Ａ、１０ｓ）。バインダー材料を溶融して、界面でＷとの合金を形成させて接合する。
（３）切削・熱処理
接合が終わった部材を、所定の寸法（外径１２ｍｍ、全長２１ｍｍ、先端角４０度）に切削して、最終形状の陰極を作成する。
切削の後、洗浄を行い、真空熱処理を行うことで、７ｋＷキセノンランプ用の陰極を製作できる。

＜例２＞
（１）原材料およびその寸法
本体部：純タングステン 外径６ｍｍ、全長４１．５ｍｍ
先端部：ＣｅＯ_２ ドープのタングステン 外径６ｍｍ、全長１０ｍｍ
バインダー：Ｔａ金属箔 １４ｍｍ角、厚さ２０μｍ
１０００℃での水素処理。
（２）接合条件
上記部材を、本体部−バインダー材料−先端部の順に積み重ね、加圧（１〜５ｋＮ）・接触させて、通電・加熱する（電流４，０００Ａ、１０ｓ）。バインダー材料を溶融して、界面でＷとの合金を形成させて接合させる。
（３）切削・熱処理
接合が終わった部材を、所定の寸法（外径６ｍｍ、全長５０ｍｍ、先端角４０度）に切削して、最終形状の陰極を作成する。
切削の後、洗浄を行い、真空熱処理を行うことで、２ｋＷ高圧ＵＶランプ用の陰極を製作できる。

以上説明したように、本発明によれば、タングステンからなる本体部とエミッターが含有されたタングステンからなる先端部とが接合されて形成された陰極において、本体部と先端部の間に、タングステンよりも低融点の金属からなるバインダーを介在させて、該バインダーを溶融させてタングステンとの合金を作ることにより本体部と先端部とを接合させるようにしたので、従来のように固相接合させる場合と比べて、極めて簡便な設備で接合でき、しかもその接合時間も短縮できて製造コストを大幅に低減できる。
更に、点灯時の高温に耐えて機械的強度を保つとともに、化学的にも安定した陰極構造を得ることができるものである。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 発光管
３ 発光部
４ 封止部
５ 陰極
５１ 本体部
５２ 先端部
５３ バインダー
６ 陽極

Claims (2)

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の先端に、エミッターを含有したタングステンからなる先端部が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、
   前記本体部と前記先端部は、バインダーを介在させて接合されてなり、
   該バインダーは、タンタル、ニオブ、ハフニウム、モリブデン、レニウムのいずれかであることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. タングステンからなる本体部と、その先端に接合されたエミッターを含有したタングステンからなる先端部と、を備えたショートアーク型放電ランプ用陰極の製造方法において、
   前記本体部と前記先端部の間に、タンタル、ニオブ、ハフニウム、モリブデン、レニウムのいずれかであるバインダーを挟む工程と、
   前記バインダーを加熱して溶融させ、タングステンとの合金を生じさせて、前記該本体部と前記先端部を接合する工程と、含むことを特徴とするショートアーク型放電ランプ用陰極の製造方法。