JP2015176837A - discharge lamp - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a discharge lamp including an emitter for improving electron emission at a cathode, and particularly to a discharge lamp including an emitter other than thorium.
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おり、そのエミッタとして酸化トリウム（ＴｈＯ２）を含有させたものが多用されていた。
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。
In general, in a high-input and high-intensity discharge lamp or the like, an emitter is added to the cathode in order to facilitate electron emission, and thorium oxide (ThO 2 ) is often used as the emitter. It had been.
However, thorium is subject to legal regulations as a radioactive substance, and careful management is required for its management and handling. Therefore, an alternative substance to replace thorium is desired.
上記トリウムの代替物質として希土類元素やその化合物をエミッタとして用いた電極が提案されている。
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２００２−１１００８９号公報（特許文献１）には、希土類や希土類複合酸化物をエミッタとして用いる陰極が記載されている。
As an alternative to thorium, an electrode using a rare earth element or a compound thereof as an emitter has been proposed.
Rare earth elements are low in work function (generally indicating the amount of energy required when electrons jump out from the surface of the material), are excellent in electron emission, and are expected as substitutes for thorium. .
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-110089 (Patent Document 1) describes a cathode using rare earth or a rare earth composite oxide as an emitter.
ところが、この希土類酸化物は、酸化トリウムより蒸気圧が高く、比較的蒸発しやすい物質であり、そのため、陰極に含有させるエミッタとし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って、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。
このようにミッタが早期に枯渇してしまうと、陰極における電子放射機能が失われてフリッカーが生じてしまい、ランプ寿命が短くなるという問題がある。
However, this rare earth oxide has a higher vapor pressure than thorium oxide and is relatively easy to evaporate. Therefore, when the rare earth oxide is used as an emitter to be included in the cathode, the rare earth oxide is excessively evaporated. The situation of being exhausted early occurs.
If the mitter is exhausted early in this way, the electron emission function at the cathode is lost, flickering occurs, and there is a problem that the lamp life is shortened.
また、陰極の電子機能は、陰極先端面に存在するエミッタによるものであって、陰極先端面でのエミッタの消耗に対して、陰極後端側から先端に向けての受給均衡の採れたエミッタの移送運搬が迅速に行われないことも早期の枯渇の一因となっている。
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、希土類元素からなるエミッタは、放電ランプを不安定な点灯に導くことが多い。
Further, the electronic function of the cathode is due to the emitter existing on the cathode front end surface, and with respect to the consumption of the emitter on the cathode front end surface, the emitter of the emitter with a balanced supply from the cathode rear end side toward the front end is adopted. Insufficient transport and transportation also contributes to early depletion.
For this reason, discharge lamps using emitter materials other than thorium have problems such as lighting becoming unstable early. In particular, in a high input discharge lamp of 1 kW or more, an emitter made of a rare earth element often leads the discharge lamp to unstable lighting.
また、エミッタとして希土類元素を使用した場合、エミッタの蒸発物が発光管内面に付着して失透の原因となるという問題もある。
図７は陰極先端部の構造の一例を示す図である。この図の陰極のように、陰極先端のうち、アークが覆い被さっている部分については、蒸発したエミッタ（希土類元素）が電離して陽イオンとなり再び陰極に帰還するというサイクルが作用する。しかしながら、アークが覆い被さっていないテーパー面、すなわち陰極の側面から蒸発するエミッタ（希土類元素）は、陰極に帰還することなく発光空間内に放出されて、発光管の内面に付着し、発光管が失透する原因となってしまう。
Further, when a rare earth element is used as the emitter, there is also a problem that the evaporated material of the emitter adheres to the inner surface of the arc tube and causes devitrification.
FIG. 7 is a view showing an example of the structure of the cathode tip. Like the cathode in this figure, a cycle in which the evaporated emitter (rare earth element) is ionized to become a cation and returns to the cathode again is applied to the portion of the cathode tip that is covered with the arc. However, the tapered surface that is not covered by the arc, that is, the emitter (rare earth element) that evaporates from the side surface of the cathode is released into the light emitting space without returning to the cathode, and adheres to the inner surface of the arc tube. It will cause devitrification.
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、電子放射機能を長時間維持し、ランプのフリッカー寿命、即ちフリッカーが発生するまでの時間の長期化を図るようにするとともに、陰極の側面からのエミッタの蒸発を抑制して発光管の失透を防止することができる、新規な構造を備えた陰極を有する放電ランプを提供しようというものである。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a discharge lamp in which a cathode and an anode are arranged opposite to each other inside an arc tube, and even if an emitter other than thorium is added to the cathode, Preventing depletion, maintaining the electron emission function for a long time, prolonging the lamp flicker life, that is, the time until flicker occurs, and suppressing the evaporation of the emitter from the side of the cathode An object of the present invention is to provide a discharge lamp having a cathode having a novel structure capable of preventing devitrification of an arc tube.
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希土類元素からなるエミッタが含有された焼結体が埋設されているとともに、前記本体部および／または先端部は、前記焼結体の周囲の領域において前記陰極の軸方向に延びる繊維状金属組織が形成されてなることを特徴とする。
また、前記焼結体の先端面が、前記密閉空間内において前記先端部に当接しており、前記繊維状金属組織は、前記焼結体の先端面から後方側５ｍｍまでの領域に形成されていることを特徴とする。
前記密閉空間が前記本体部に形成されていて、前記焼結体は実質的に前記本体部内に埋設されていることを特徴とする。
また、前記本体部は、エミッタが含有されていない純タングステンからなることを特徴とする。
また、前記エミッタが、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）のいずれかまたはこれらの組み合わせであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, in the present invention, the cathode is composed of a main body portion and a front end portion joined to the front end side thereof, and the main body portion is made of a refractory metal material not containing thorium, The tip portion is made of a refractory metal material containing an emitter (excluding thorium) and contained in the tip portion in a sealed space formed inside the body portion and / or the tip portion. A sintered body containing an emitter made of a rare earth element with a concentration higher than the emitter concentration is embedded, and the main body portion and / or the tip portion is in the axial direction of the cathode in a region around the sintered body. It is characterized in that a fibrous metal structure extending in the direction is formed.
In addition, a front end surface of the sintered body is in contact with the front end portion in the sealed space, and the fibrous metal structure is formed in a region from the front end surface of the sintered body to the
The sealed space is formed in the main body, and the sintered body is substantially embedded in the main body.
Further, the main body is made of pure tungsten containing no emitter.
The emitter is lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ), oxide It is any one of neodymium (Nd 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or a combination thereof.
本発明によれば、本体部と先端部とからなる陰極における、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により、エミッタ焼結体が直接先端面に露出することがなく、過度に蒸発することがないので、エミッタの早期の枯渇を防止できて安定的な点灯性がもたらされる。
しかも、前記焼結体の周囲の領域において前記陰極の軸方向に延びる繊維状金属組織が形成されていることにより、焼結体に含まれるエミッタ（希土類元素）が陰極の径方向には拡散し難くなって、強制的に先端側に拡散移送されるようになるので、陰極先端への供給が円滑かつ迅速に行われて、先端部でのエミッタの枯渇が防止されるとともに、陰極におけるアークの被らない側面からのエミッタの蒸発が抑制されて、発光管の失透が防止される。
また、前記焼結体を実質的に純タングステンからなる前記本体部内に埋設したことにより、アークが被らない領域を純タングステンで構成していることで、当該領域に希土類元素が露出することが更に抑制される。
According to the present invention, an emitter having a higher concentration than the emitter concentration contained in the tip portion in a sealed space formed in the body portion and / or the tip portion of the cathode composed of the body portion and the tip portion. By embedding a sintered body containing (excluding thorium), the emitter sintered body is not directly exposed to the tip surface and does not evaporate excessively. It can be prevented and stable lighting is brought about.
In addition, since a fibrous metal structure extending in the axial direction of the cathode is formed in a region around the sintered body, the emitter (rare earth element) contained in the sintered body diffuses in the radial direction of the cathode. Since it becomes difficult to forcibly diffuse and transfer to the tip side, the supply to the cathode tip is performed smoothly and quickly, and the exhaustion of the emitter at the tip is prevented and the arc at the cathode is prevented. The evaporation of the emitter from the side that is not covered is suppressed, and devitrification of the arc tube is prevented.
Further, by embedding the sintered body in the main body portion substantially made of pure tungsten, a region where the arc is not covered is made of pure tungsten, so that rare earth elements may be exposed in the region. It is further suppressed.
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（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
FIG. 1 shows the overall structure of a discharge lamp having a cathode structure according to the present invention. In a discharge lamp 1, a
As shown in FIG. 2, the
The
The
As the first emitter other than thorium, for example, lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr) 6 O 11 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or the like is used alone or in combination.
ここで、第１エミッタの含有量は、例えば、０．１重量％〜５．０重量％、さらに望ましくは０．５〜２．５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おける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、０．１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。
さらに、先端部３２にはタングステン粒の再結晶化による粒成長を抑制するための粒安定剤が添加されていてもよい。この粒安定剤は、具体的には例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）である。
Here, the content of the first emitter is set to a low value, for example, 0.1 wt% to 5.0 wt%, and more desirably 0.5 to 2.5 wt%. This first emitter is for ensuring startability when the lamp is initially turned on, and the concentration is set low so that the emitter is not excessively evaporated by exposure to the discharge arc. It is to do.
That is, when the content of the first emitter is less than 0.1% by weight, the emitter concentration required for electron emission cannot be ensured in the initial stage of lighting, and the lamp voltage increases and the fluctuation increases. In addition, if the content exceeds 5.0% by weight, the sintered body becomes brittle during the production of tungsten materials and the like, and breakage due to cracks in the sintering process and the swaging process occurs. Not only is it easy to make it, but even if it can be manufactured, when used at the tip, the evaporation of the emitter becomes noticeable and promotes blackening (white turbidity) of the valve, which is not preferable.
Furthermore, a grain stabilizer for suppressing grain growth due to recrystallization of tungsten grains may be added to the
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。この実施例では、密閉空間３３は本体部３１側に形成されていて、前記焼結体３４は実質的には、該本体部３１内に埋設されている。
前記焼結体３４には、エミッタとして希土類金属の化合物が含有されていて、例えば、タングステン等の構成材料に、希土類金属の酸化物の形態で混入して、焼結したものが使われる（以下、焼結体３４に含まれるエミッタを第２エミッタともいう）。
具体的には、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の単体またはこれらの組み合わせが用いられる。
As shown in FIG. 2, a sealed
The sintered
Specifically, lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ), neodymium oxide A simple substance of (Nd 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or a combination thereof is used.
この焼結体３４に含有される希土類酸化物の濃度は、例えば、１０重量％〜８０重量％である。
この希土類酸化物の濃度が、１０重量％未満であると、陰極３内部に格納できる焼結体３４のサイズとその濃度の関係から、陰極先端部３２にエミッタとして供給する希土類金属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。従って、希土類酸化物の濃度が、低すぎる場合も高すぎる場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。
The concentration of the rare earth oxide contained in the sintered
When the concentration of the rare earth oxide is less than 10% by weight, the amount of rare earth metal supplied as an emitter to the
この焼結体３４中に含有する希土類酸化物（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。
さらに、前記陰極３の先端と前記焼結体３４の前端との距離が１．５ｍｍ乃至５．０ｍｍとなる位置に焼結体３４が埋設されることが好ましく、これにより、陰極先端からのエミッタの脱離に対して過不足のないエミッタの供給が維持される。
また、この焼結体３４は、その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、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。
Since the rare earth oxide (second emitter) contained in the
Further, it is preferable that the
Further, it is desirable that the
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いうように同一材料であり、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。 The first emitter and the second emitter described above may be made of the same material or different materials. For example, both the first emitter and the second emitter are made of the same material such as lanthanum oxide, the first emitter is made of lanthanum oxide and zirconium oxide, and the second emitter is made of a material different from cerium oxide. The combination is arbitrary.
図３に示されるように、陰極３内に埋設される高濃度のエミッタを含む焼結体３４の長手方向の側面の周囲には、そのほぼ全長に亘って、陰極３の軸方向に延びる結晶粒からなる繊維状金属組織５が形成されている。この実施例においては、焼結体３４が実質的に本体部３１に埋設されていることから、前記繊維状金属組織５は、純タングステンからなる本体部３１に形成されている。
As shown in FIG. 3, there is a crystal extending in the axial direction of the
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、高融点金属（例えばタングステン）の粒界によって構成されており、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ことになるが、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中の希土類金属が、先端部３２の拡散経路を通って、先端面に供給される。先端面でのエミッタの枯渇が生じない。
The function and operation of the
In the
前述した焼結体３４からのエミッタの拡散は、その先端側からのみならず、その側面からもなされることになるが、その周囲に存在する陰極３の軸方向に延びる繊維上金属組織５によって、径方向への拡散が抑制されて、長手軸方向に強制的に移送される。
これにより、焼結体３４からのエミッタは専ら先端部３２側に移送されるので、先端部３２でのエミッタの消費に見合う移送供給がなされて、枯渇することがない。しかも、半径方向への移送が抑制されることから、陰極３のテーパー状側面からのエミッタの蒸発が極力抑制されて、発光管の白濁が抑制される。
The diffusion of the emitter from the
Thereby, since the emitter from the
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が接合後も同じ熱的物性を有するので点灯時の高温に曝されても一体物の熱的特性と変わらず接合部の不具合の発生が生じにくいなどの別の利点を有する。
As described above, the
このような繊維状金属組織５の作製方法について図４に基づいて以下に説明する。
陰極構成材料であるタングステン粉末に不純物（例えばポタシウム）を添加・還元し、その紛体を篩にかけ、粒度を調節配合する。配合された粉末は約１０００気圧程度の圧力で圧縮紛体になる。その圧縮紛体は高温炉内で焼結され焼結体となる。図４（Ａ）に示すように、この焼結体では、タングステン粒は縦横の長さがほぼ同じである。つまり、アスペクト比（軸方向長さ／径方向長さ）は約１である。
この焼結体を、例えば１３００℃から１５００℃の温度雰囲気下で、側面から転打（スエージ）すると、焼結体は転打方向の断面積が縮小し、軸方向に延びる。つまり、タングステンの塑性加工である転打工程の過程で、焼結体の粒形状は、図４（Ｂ）に示すように、径方向に細く且つ軸方向に長い繊維状組織となる。この転打工程を続けると焼結体の粒形状は更に細長くなり、アスペクト比は更に大きくなっていく。このように、転打工程により所望のアスペクト比を得ることができる。なお、転打工程を経る毎に焼結体を再結晶温度以下の温度に加熱し、焼鈍を行う。このようにして、軸方向に長く、径方向に短い、繊維状組織からなるタングステン基体を得ることができる。
転打工程を繰り返すことにより、タングステンの理論密度は高くなり９９％以上になる。本発明では、少なくとも繊維状組織を構成する高融点金属部分においては、理論密度９８％以上であることが好ましく、更に好ましくは９９％以上、更には９９．８％以上であるのが望ましい。
A method for producing such a
Impurities (for example, potassium) are added and reduced to tungsten powder, which is a cathode constituent material, and the powder is sieved to adjust the particle size. The blended powder becomes a compressed powder at a pressure of about 1000 atm. The compressed powder is sintered in a high temperature furnace to form a sintered body. As shown in FIG. 4A, in this sintered body, the tungsten grains have substantially the same longitudinal and lateral lengths. That is, the aspect ratio (axial length / radial length) is about 1.
When this sintered body is rolled (swaged) from the side surface in a temperature atmosphere of, for example, 1300 ° C. to 1500 ° C., the sintered body has a reduced sectional area in the rolling direction and extends in the axial direction. That is, in the course of the rolling process, which is the plastic processing of tungsten, the grain shape of the sintered body becomes a fibrous structure that is thin in the radial direction and long in the axial direction, as shown in FIG. If this rolling process is continued, the grain shape of the sintered body becomes further elongated and the aspect ratio becomes larger. Thus, a desired aspect ratio can be obtained by the rolling process. In addition, whenever it passes through a rolling process, a sintered compact is heated to the temperature below recrystallization temperature, and annealing is performed. In this way, a tungsten substrate made of a fibrous structure that is long in the axial direction and short in the radial direction can be obtained.
By repeating the rolling process, the theoretical density of tungsten is increased to 99% or more. In the present invention, at least in the refractory metal portion constituting the fibrous structure, the theoretical density is preferably 98% or more, more preferably 99% or more, and further preferably 99.8% or more.
図５には、焼結体３４の埋設位置に関する他の実施例が示されている。
図５（Ａ）では、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５（Ｂ）では、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。
FIG. 5 shows another embodiment relating to the embedded position of the
In FIG. 5A, the sealed
In FIG. 5B, the sealed
Of course, the dimensions of the
これらの実施例においても、焼結体３４の側面の周囲には、陰極３の軸方向に延びる結晶粒からなる繊維状金属組織が形成されていることは、図２の実施例と同様である。
つまり、繊維状金属組織は、図５（Ａ）のものでは、本体部３１と先端部３２とにまたがって形成され、図５（Ｂ）のものでは、先端部３１において形成されている。
すなわち、図２の実施例においては、本体部３１を形成する素材に繊維状金属組織を形成しておき、図５（Ａ）の実施例では、本体部３１を形成する素材と、先端部３２を形成する素材のそれぞれに繊維状金属組織を形成しておき、また、図５（Ｂ）の実施例では、先端部３２を形成する素材に繊維状金属組織を形成しておくものである。
Also in these examples, the fibrous metal structure composed of crystal grains extending in the axial direction of the
That is, the fibrous metal structure is formed across the
That is, in the embodiment of FIG. 2, a fibrous metal structure is formed on the material forming the
次いで、本発明に係る図２に示す実施例の陰極の製造工程の一例を、図６を参照して具体的に説明する。
陰極３内部の密閉空間３３内に埋設する焼結体３４は、酸化セリウム（ＣｅＯ２）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、Ｌａ２Ｏ３及びＺｒＯ２ドープタングステンであり、本体部３１は、ＺｒＯ２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。
Next, an example of a manufacturing process of the cathode of the embodiment shown in FIG. 2 according to the present invention will be specifically described with reference to FIG.
In the
The
In the case where the
先ず図６（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。
この本体部材３１ａは、前述したように、焼結体３４が挿入される位置、すなわち、穴３３ａの側面周囲にはその略全長に亘って繊維状金属組織が予め形成されている。
First, as shown in FIG. 6A, a
As described above, in the
焼結体３４の挿入時には、図６（Ｂ）に示すように、焼結体３４の先端が、本体部３１の表面より若干量、例えば０．５ｍｍ程度だけ突出している。
図６（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低密度に焼結してあるので、押圧による縮み代は前記突出部を許容し、本体部材３１ａと先端部材３２ａの当接により若干量縮み、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、拡散接合や抵抗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６（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。
When the
As shown in FIG. 6C, the
In this state, the
Next, after joining the
As a result, as shown in FIG. 6D, the final shape of the
本発明の図２、図５（Ａ）（Ｂ）に示される陰極構造について一材料例および一寸法例を示すと以下の通りである。
＜材料例＞
本体部：純タングステン（不純物濃度が０．１重量％未満のタングステン）
先端部：酸化ランタン、酸化ジルコニウムをドープしたタングステン
焼結体：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。
＜寸法例＞
１．陰極全体：外径φ１２ｍｍ、軸方向の長さ（全長）２１ｍｍ
２．焼結体：外径φ２ｍｍ、軸方向長さ６ｍｍ
３．先端部および本体部：
（１）図２の実施例（１）
先端部：軸方向長さ（厚さ）２ｍｍ
本体部：１９ｍｍ
（２）図５（Ａ）の実施例（２）
先端部：軸方向長さ（厚さ）５ｍｍ
本体部：１６ｍｍ
（３）図５（Ｂ）の実施例（３）
先端部：軸方向長さ（厚さ）８ｍｍ
本体部：１３ｍｍ
Examples of materials and dimensions of the cathode structure shown in FIGS. 2, 5 </ b> A, and 5 </ b> B of the present invention are as follows.
<Material examples>
Body: Pure tungsten (tungsten with an impurity concentration of less than 0.1% by weight)
Tip: Tungsten doped with lanthanum oxide and zirconium oxide Sintered body: A mixture obtained by mixing, molding and sintering cerium oxide and tungsten in a weight ratio of 1: 2.
<Dimension example>
1. Entire cathode: outer diameter φ12mm, axial length (full length) 21mm
2. Sintered body: outer diameter φ2mm, axial length 6mm
3. Tip and body:
(1) Example of FIG. 2 (1)
Tip: Axial length (thickness) 2 mm
Body part: 19mm
(2) Example (2) of FIG.
Tip: Axial length (thickness) 5 mm
Body part: 16mm
(3) Example (3) of FIG.
Tip: Axial length (thickness) 8mm
Body part: 13mm
以上のように、陰極内に埋設したエミッタ焼結体の側面周囲に、アスペクト比の大きな繊維状金属組織を形成したことによる作用効果は以下のようである。
エミッタ焼結体は、希土類酸化物と酸化タングステンの間で形成されるタングステートを含んでいる。このタングステートの融点Ｔ２は、タングステンの融点（Ｔ１≒３３４０℃）に比べ１０００Ｋ以上低く、例えば３Ｃｅ２Ｏ３・ＷＯ３はＴ２≒２０７０℃、と言われている。エミッタ焼結体は陰極先端付近に埋設されているので、ランプ点灯時には高温となり溶融状態にある。したがって、エミッタ焼結体を取り囲む陰極基体はタングステートの溶融体と接している。このため、陰極基体面はタングステート溶融体に浸食される。
As described above, the effects obtained by forming the fibrous metal structure having a large aspect ratio around the side surface of the emitter sintered body embedded in the cathode are as follows.
The emitter sintered body includes a tungstate formed between a rare earth oxide and tungsten oxide. The melting point T 2 of this tungstate is lower by 1000 K or more than the melting point of tungsten (T 1 ≈3340 ° C.). For example, 3Ce 2 O 3 · WO 3 is said to have T 2 ≈2070 ° C. Since the emitter sintered body is embedded in the vicinity of the cathode tip, it is in a molten state at a high temperature when the lamp is turned on. Therefore, the cathode substrate surrounding the emitter sintered body is in contact with the tungstate melt. For this reason, the cathode substrate surface is eroded by the tungstate melt.
溶融液体に接する固体表面に凹凸があるとすると、凸部が融けて凹部を埋めようとして固体面全体が滑らかになろうとする。また、凸部の曲率が大きいと融けも大きいことは一般に知られている（純物質の場合、Ｇｉｂｂｓ−Ｔｈｏｍｓｏｎ効果として知られている）。エミッタが陰極基体を浸食する現象もこの効果の延長線上にあるものと類推される。つまり、表面に凹凸があるとタングステート溶融体により浸食され易いことになる。
陰極基体中のタングステン粒のアスペクト比（粒の軸方向の長さ／径方向の長さ）が１以上になると径方向の凹凸が大きく、軸方向の凹凸が少なくなる。このため、浸食が径方向より軸方向の方が大きくなると考えられる。したがって、エミッタは径方向への輸送が抑制されて、専ら軸方向に輸送されるので、陰極側面方向からのエミッタ蒸発が抑えられ、発光管の白濁が抑制されるものである。
If the solid surface in contact with the molten liquid has irregularities, the convex portion melts and fills the concave portion, so that the entire solid surface becomes smooth. Further, it is generally known that melting is large when the curvature of the convex portion is large (in the case of a pure substance, it is known as the Gibbs-Thomson effect). It can be inferred that the phenomenon in which the emitter erodes the cathode substrate is also an extension of this effect. That is, if the surface has irregularities, it will be easily eroded by the tungstate melt.
When the aspect ratio of the tungsten grains in the cathode substrate (length of grains in the axial direction / length in the radial direction) is 1 or more, the radial irregularities are large and the axial irregularities are small. For this reason, it is thought that erosion becomes larger in the axial direction than in the radial direction. Accordingly, since the emitter is restrained from transporting in the radial direction and is transported exclusively in the axial direction, the evaporation of the emitter from the cathode side surface direction is restrained and the white turbidity of the arc tube is restrained.
このように、陰極内に埋設された焼結体３４の側面周囲における繊維状金属組織５は、該焼結体の略全長に亘って形成されているものであるが、実際上は、焼結体の先端面から後方側の５ｍｍまでの範囲に形成されていれば十分な効果が期待できる。
それは、焼結体が陰極のテーパー部に埋設されていて、陰極先端から後方に向かうに従がって急峻に温度が低下していく（数１００Ｋ／ｍｍ）ので、焼結体の先端から５ｍｍ以上後方では焼結体からのエミッタの拡散が顕著にみられなくなり、また、温度が低いので、焼結体が溶融することがなくなるからである。
As described above, the fibrous
This is because the sintered body is embedded in the taper portion of the cathode, and the temperature decreases sharply (several hundreds K / mm) as it goes backward from the tip of the cathode. This is because the diffusion of the emitter from the sintered body is not noticeable at the rear, and the sintered body is not melted because the temperature is low.
以上説明したように、本発明においては、トリウム以外の低濃度のエミッタを含む先端部を本体部に接合してなる陰極において、先端部および／または本体部内に高濃度のエミッタを含有した焼結体を埋設する陰極構造とすることで、埋設した焼結体からの過度のエミッタの移送蒸発を防止して早期の枯渇を防止するとともに、焼結体の周囲の領域において前記陰極の軸方向に延びる繊維状金属組織が形成されていることにより、焼結体から拡散されるエミッタが、径方向に移送されることが抑制されて、専ら軸方向に移送されるので、陰極先端へのエミッタの拡散移送が円滑かつ迅速に行われて、先端面でのエミッタの枯渇が発生せずに、安定的な点灯状態が維持される。
また、焼結体からのエミッタが径方向に拡散することが抑制されることにより、アークの被らない陰極側面からエミッタが蒸発することが抑制されて、発光管の白濁が防止される。
更には、焼結体を本体部内に埋設する構成とすることによって、アークが被さるのはエミッタが含まれる先端部のみであって、アークが被さらない本体部を純タングステンから構成することにより、その側面からエミッタが蒸発することがなく、発光管の白濁が一層抑制される。
As described above, in the present invention, in the cathode formed by joining the tip portion including a low-concentration emitter other than thorium to the main body portion, the tip portion and / or the main body portion contains a high-concentration emitter. By adopting a cathode structure in which the body is embedded, excessive emitter transport and evaporation from the embedded sintered body is prevented to prevent premature depletion, and in the area around the sintered body in the axial direction of the cathode. Since the extending fibrous metallographic structure is formed, the emitter diffused from the sintered body is restrained from being transported in the radial direction and is transported exclusively in the axial direction. The diffusion transfer is performed smoothly and quickly, and the emitter is not depleted at the tip surface, and a stable lighting state is maintained.
Moreover, by suppressing the emitter from the sintered body from diffusing in the radial direction, the emitter is prevented from evaporating from the side surface of the cathode not covered with the arc, thereby preventing the arc tube from becoming clouded.
Furthermore, by adopting a configuration in which the sintered body is embedded in the main body, the arc is covered only at the tip including the emitter, and the main body that is not covered by the arc is made of pure tungsten. The emitter does not evaporate from the side surface, and the white turbidity of the arc tube is further suppressed.
１ 放電ランプ
２ 発光管
３ 陰極
３１ 本体部
３２ 先端部
３３ 密閉空間
３４ 焼結体
４ 陽極
５ 繊維状金属組織
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
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（重量％濃度）よりも高濃度の希土類元素からなるエミッタ（酸化物エミッタ換算の重量％濃度）が含有された焼結体が埋設され、
前記本体部および／または先端部は、前記焼結体の周囲の領域において前記陰極の軸方向に延びる繊維状金属組織が形成されている、
ことを特徴とする放電ランプ。 In the discharge lamp in which the cathode and the anode are arranged opposite to each other inside the arc tube,
The cathode consists of a body part and a tip part joined to the tip side,
The main body is composed of a refractory metal material not containing thorium,
The tip is composed of a refractory metal containing an emitter (excluding thorium),
An emitter made of a rare earth element having a higher concentration than the emitter concentration (weight% concentration) contained in the tip portion in a sealed space formed inside the main body portion and / or the tip portion (weight in terms of oxide emitter) % Concentration) is embedded,
The main body part and / or the tip part is formed with a fibrous metal structure extending in the axial direction of the cathode in a region around the sintered body,
A discharge lamp characterized by that.
前記繊維状金属組織は、前記焼結体の先端面から後方側５ｍｍまでの領域に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。 The distal end surface of the sintered body is in contact with the distal end portion in the sealed space,
The fibrous metallic structure is formed in a region from the front end surface of the sintered body to the rear side 5 mm,
The discharge lamp according to claim 1.
The emitter includes lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ), neodymium oxide ( 5. The discharge lamp according to claim 1, wherein the discharge lamp is any one of Nd 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or a combination of these emitters.
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