JP2015220166A - 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として酸化トリウム（Ｔｈ０２）が添加されたものが多用されている。
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。
In general, in a high-input and high-intensity discharge lamp or the like, a cathode to which thorium oxide (Th0 2 ) is added as an emitter in order to facilitate electron emission is often used.
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.
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。
特許第４７４１１９０号公報（特許文献１）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（Ｌａ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などを含有させた放電ランプが開示されている。
As an alternative to the thorium, materials using rare earth elements and their compounds have been proposed. Rare earth elements are materials that have a low work function (generally indicating the amount of energy required when electrons are emitted from the material surface to the outside) and are excellent in electron emission, and are expected as substitutes for thorium.
Japanese Patent No. 4741190 (Patent Document 1) additionally contains lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and the like as an emitter in tungsten which is a cathode material. Discharged lamps are disclosed.
しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい一方で、還元されて陰極の先端まで供給される速度（供給速度）が遅い。
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、陰極先端で当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまうとともに、後方からのエミッタの供給がその蒸発に追いつかず、陰極先端でエミッタが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性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。
However, a rare earth oxide such as lanthanum oxide (La 2 O 3 ) has a higher vapor pressure than thorium oxide (ThO 2 ) and thus is relatively easy to evaporate, while being reduced and supplied to the tip of the cathode. (Supply speed) is slow.
Therefore, when a rare earth oxide is used as the emitter to be included in the cathode, the rare earth oxide is excessively evaporated at the cathode tip, and the supply of the emitter from the rear cannot catch up with the evaporation, and the emitter is not at the cathode tip. There will be a situation of exhaustion at an early stage.
This depletion of the emitter causes a problem that the electron emission performance at the cathode is lost, flicker occurs, and the lamp life is shortened.
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として希土類酸化物を添加しても、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延長を図った陰極構造を提供しようとするものである。 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, even if a rare earth oxide is added to the cathode as an emitter other than thorium. An object of the present invention is to provide a cathode structure that prevents early depletion of the emitter, maintains the electron emission function for a long time, and extends the flicker life of the lamp.
上記課題を解決するために、この発明では、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、陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％である、ことを特徴とする。
また、前記陰極全体が、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成されていることを特徴とする。
また、前記陰極が、タングステンからなる本体部と、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンからなり、前記本体部の先端に設けられた先端部とからなることを特徴とする。
また、前記先端部が、前記本体部の先端に埋設されていることを特徴とする。
また、前記陰極先端での電流密度が、２８０Ａ／ｍｍ２以下であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, according to the present invention, in a discharge lamp in which a cathode and an anode are disposed opposite to each other inside an arc tube, the cathode contains cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ). The content of the cerium oxide (CeO 2 ) is 1.0 to 2.0 wt%, and the content of the zirconium oxide (ZrO 2 ) is 0.05 to 0.1 wt%. It is characterized by that.
The entire cathode is made of tungsten containing the cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ).
The cathode is made of a main body portion made of tungsten, and a tip portion made of tungsten containing the cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), and a tip portion provided at the tip of the main body portion. It is characterized by that.
Moreover, the said front-end | tip part is embed | buried under the front-end | tip of the said main-body part, It is characterized by the above-mentioned.
The current density at the cathode tip is 280 A / mm 2 or less.
本発明によれば、陰極に、エミッタとして酸化セリウムと、添加剤として酸化ジルコニウムを含有させたので、酸化セリウムの拡散速度が速く、陰極先端での蒸発による消耗に対して、陰極後方からのエミッタの拡散による陰極先端への供給が迅速に行われ、先端でのエミッタの枯渇が生じることがない。
また、添加剤として含有された酸化ジルコニウムは、陰極の動作温度でもタングステンと反応することがなく、タングステン結晶粒の再結晶化による粗大化を抑制するので、エミッタの拡散経路が多数保持された状態が維持されて、この点でも、エミッタである酸化セリウムの先端への供給が円滑に行われて、先端でのエミッタの枯渇を防止する機能がある。
このように、陰極に含有するエミッタ材と添加剤として、酸化セリウムと酸化ジルコニウムの組み合わせが最も適していて、ランプのフリッカー寿命の延長に加えて、安定的な点灯性に優れた陰極構造となる。
According to the present invention, since the cathode contains cerium oxide as the emitter and zirconium oxide as the additive, the diffusion rate of cerium oxide is high, and the emitter from the back of the cathode against consumption due to evaporation at the cathode tip. Is rapidly supplied to the cathode tip by the diffusion of, so that the emitter is not depleted at the tip.
Zirconium oxide contained as an additive does not react with tungsten even at the operating temperature of the cathode, and suppresses coarsening due to recrystallization of tungsten crystal grains, so that many diffusion paths of the emitter are maintained. In this respect, too, the supply of the cerium oxide, which is the emitter, to the tip of the emitter is smoothly performed, and there is a function of preventing the exhaustion of the emitter at the tip.
As described above, the combination of cerium oxide and zirconium oxide is most suitable as an emitter material and an additive contained in the cathode, and in addition to extending the flicker life of the lamp, the cathode structure is excellent in stable lighting performance. .
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。この例では、放電ランプ１の発光管２内に発光物質としてキセノンが封入されたキセノンショートアークランプが示されている。
FIG. 1 shows the overall structure of a discharge lamp having a cathode structure according to the present invention. In a
図２には、本願発明にかかる陰極３の幾つかの構造が示されている。
図２（Ａ）は、陰極３全体が、タングステンにエミッタと添加剤が含有された例である。
図２（Ｂ）および（Ｃ）は、陰極３が、タングステンからなる本体部３１と、その先端に設けられた先端部３２とからなる例であって、先端部３２は、タングステンに、エミッタと添加剤が含有されているものである。
図２（Ｂ）は、本体部３１の先端に先端部３２が、固相接合や溶接などにより接合された例であり、図２（Ｃ）は、本体部３１の先端に先端部３２が埋設された例である。
FIG. 2 shows several structures of the
FIG. 2A shows an example in which the
2B and 2C are examples in which the
FIG. 2B shows an example in which the
上記構造の陰極３（の全体、または先端部）において、タングステン中には、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）と、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されている。
酸化セリウムの含有量はタングステンに対して１．０〜２．０ｗｔ％であり、酸化ジルコニウムの含有量はタングステンに対して０．０５〜０．１ｗｔ％である。
In the cathode 3 (entire or tip portion) having the above structure, tungsten contains cerium oxide (CeO 2 ) as an emitter and zirconium oxide (ZrO 2 ) as an additive.
The content of cerium oxide is 1.0 to 2.0 wt% with respect to tungsten, and the content of zirconium oxide is 0.05 to 0.1 wt% with respect to tungsten.
エミッタとしての酸化セリウムの含有量は、放電特性によって決定される。
酸化セリウムの濃度が１．０ｗｔ％よりも低い場合には陰極先端面でエミッタ不足が発生して輝点が動き回り電圧変動が大きくなる。一方、酸化セリウムの濃度が２．０ｗｔ％を超えて高くなりすぎると、陰極動作時にエミッタの供給が増えすぎるため、エミッタ蒸発量が増加し、バルブの黒化・白濁が増加する。このようになると、ランプから出てくる光が正常な状態より減少してしまう。
すなわち、酸化セリウムの含有量は、タングステンに対して１．０〜２．０ｗｔ％であるのがよい。
The content of cerium oxide as the emitter is determined by the discharge characteristics.
When the concentration of cerium oxide is lower than 1.0 wt%, an emitter shortage occurs on the cathode tip surface, the bright spot moves, and the voltage fluctuation increases. On the other hand, if the concentration of cerium oxide exceeds 2.0 wt% and becomes too high, the supply of emitters will increase too much during cathode operation, increasing the amount of emitter evaporation and increasing blackening and white turbidity of the bulb. In this case, the light emitted from the lamp is reduced from the normal state.
That is, the content of cerium oxide is preferably 1.0 to 2.0 wt% with respect to tungsten.
一方、酸化ジルコニウムは、電極の動作温度の付近（例えば２４００℃）までタングステンとの反応が生じないため、タングステン中に酸化ジルコニウムが存在することで、タングステンの結晶粒は再結晶化することがなく、結晶粒成長を抑制する効果がある。結晶粒成長の抑制により、タングステン中には多数の結晶粒界が維持され、先端部へのエミッタの拡散経路が維持されることになる。このような機能を発揮するためには、酸化ジルコニウムの添加量は、微量であっても効果があり、０．０５ｗｔ％以上であればよい。
また、その含有量が多くなるほど結晶粒成長の抑制に対しては効果が大きいが、一方で、その含有量が多すぎると、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が反応して化合物（Ｃｅ‐Ｚｒ‐Ｏ）が形成されてしまう。この化合物が生成されると、当該化合物は融点が低いために陰極先端に早期に移動してエミッタの供給量が一時的に増えてしまう。そして、これらが消耗すると、先端でエミッタが早期に枯渇してしまうことになる。このような観点から、酸化ジルコニウムの含有量はあまり多くすることは好ましくなく、０．１ｗｔ％以下とするのが好ましい。
すなわち、酸化ジルコニウムの含有量は、タングステンに対して０．０５〜０．１ｗｔ％であるのがよい。
On the other hand, since zirconium oxide does not react with tungsten until near the operating temperature of the electrode (for example, 2400 ° C.), the presence of zirconium oxide in tungsten prevents the tungsten crystal grains from being recrystallized. There is an effect of suppressing crystal grain growth. By suppressing the crystal grain growth, many crystal grain boundaries are maintained in tungsten, and the diffusion path of the emitter to the tip is maintained. In order to exhibit such a function, the addition amount of zirconium oxide is effective even if the amount is very small, and it may be 0.05 wt% or more.
In addition, the greater the content, the greater the effect on the suppression of crystal grain growth. On the other hand, when the content is too large, cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) react. A compound (Ce-Zr-O) is formed. When this compound is produced, since the compound has a low melting point, it quickly moves to the tip of the cathode and temporarily increases the supply amount of the emitter. When these are consumed, the emitters are depleted at the tip at an early stage. From such a viewpoint, it is not preferable to increase the content of zirconium oxide, and it is preferable to set it to 0.1 wt% or less.
That is, the content of zirconium oxide is preferably 0.05 to 0.1 wt% with respect to tungsten.
以下、本発明の効果を検証するために、エミッタの物質及び含有量、ならびに添加剤の物質及び含有量を適宜に変化させて陰極を構成し、放電ランプを作製して実験した。
＜点灯実験＞
作製した放電ランプを点灯し、電圧変動値（Ｖ）を測定してフリッカーの発生具合について評価を行うことで、エミッタが適切に供給されているか否か検証を行った。
＜実験１＞
エミッタ物質としての酸化物、及びエミッタの供給を補助する添加剤としての酸化物の選定：
エミッタ物質：酸化セリウムＣｅＯ２（本発明）、酸化ランタンＬａ２Ｏ３（比較例）
添加剤：酸化ジルコニウムＺｒＯ２（本発明）、酸化カリウムＫ２Ｏ（比較例）
以上の各エミッタと添加剤（結晶粒成長抑制剤）の組み合わせをタングステンに含有させて、陰極を構成し、図１に示したようなキセノンショートアークランプを４本作製した。
なお、エミッタ（酸化セリウム又は酸化ランタン）の添加量はいずれも１ｗｔ％として、すべてのランプにおいて同一の含有量とした。また、添加剤（酸化ジルコニウム又は酸化カリウム）の初期添加量も０．１ｗｔ％として、すべてのランプにおいて同一とした。
Hereinafter, in order to verify the effect of the present invention, a cathode was constructed by appropriately changing the substance and content of the emitter and the substance and content of the additive, and a discharge lamp was fabricated and experimented.
<Lighting experiment>
The produced discharge lamp was turned on, voltage fluctuation value (V) was measured, and the occurrence of flicker was evaluated to verify whether the emitter was properly supplied.
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Selection of oxide as emitter material and oxide as additive to assist in the supply of emitter:
Emitter materials: cerium oxide CeO 2 (present invention), lanthanum oxide La 2 O 3 (comparative example)
Additives: Zirconium oxide ZrO 2 (present invention), potassium oxide K 2 O (comparative example)
A combination of the above emitters and additives (crystal grain growth inhibitor) was contained in tungsten to form a cathode, and four xenon short arc lamps as shown in FIG. 1 were produced.
Note that the amount of emitter (cerium oxide or lanthanum oxide) added was 1 wt%, and the same content was used in all lamps. Further, the initial amount of additive (zirconium oxide or potassium oxide) was also set to 0.1 wt%, which was the same for all lamps.
図３の表１に、点灯初期の電圧変動の大きさと、電圧変動が１．２Ｖに到達するまでの時間ｔ１（ｈ）を示す。
表１中で、点灯初期における電圧変動では、０．３Ｖ未満である場合に合格（○）とし、０．３Ｖ以上１．２Ｖ未満である場合に不合格（△）として評価した。
ランプを長時間点灯すると、エミッタの供給不足が生じて電圧変動の幅が大きくなる。この電圧変動が１．２Ｖ以上になると、人間の目によってフリッカーとして視認されるようになる。すなわち、電圧変動が１．２Ｖ以上になると、ほぼランプの使用寿命となる。
Table 1 in FIG. 3 shows the magnitude of voltage fluctuation at the beginning of lighting and the time t1 (h) until the voltage fluctuation reaches 1.2V.
In Table 1, the voltage fluctuation at the beginning of lighting was evaluated as pass (◯) when it was less than 0.3V, and rejected (Δ) when it was 0.3V or more and less than 1.2V.
When the lamp is lit for a long time, the supply of the emitter is insufficient and the range of voltage fluctuation increases. When this voltage fluctuation becomes 1.2 V or more, it will be visually recognized as flicker by human eyes. That is, when the voltage fluctuation is 1.2 V or more, the service life of the lamp is almost reached.
添加剤として酸化ジルコニウムを含有させると、エミッタ材として酸化セリウムまたは酸化ランタンを添加したいずれにおいても、同一点灯条件において、電圧変動が１．２Ｖ以上になるまでの時間ｔ１が、それぞれ５００ｈおよび４００ｈと、酸化カリウムの場合に比べて大幅に延びていることが分かる。つまり、結晶粒成長抑制剤としての添加剤としては、酸化ジルコニウムのほうが、酸化カリウムよりも格段に優れていることが分かる。
そして、酸化ジルコニウムを添加した場合にあっても、エミッタ材として、酸化セリウムを含有させたものが、ｔ１＝５００時間で、酸化ランタンを含有させたものがｔ１＝４００時間であり、酸化セリウムとの組み合わせのほうがより優れていることが分かる。
つまり、結晶粒成長抑制のための添加剤として酸化ジルコニウム、エミッタ材として酸化セリウムを含有させた組み合わせのものがもっともすぐれた評価となった。
When zirconium oxide is added as an additive, the time t1 until the voltage fluctuation becomes 1.2 V or more under the same lighting conditions is 500 h and 400 h, respectively, in any case where cerium oxide or lanthanum oxide is added as the emitter material. It can be seen that the length is significantly increased as compared with the case of potassium oxide. That is, it can be seen that zirconium oxide is much better than potassium oxide as an additive as a crystal grain growth inhibitor.
Even when zirconium oxide is added, the emitter material containing cerium oxide is t1 = 500 hours, and the one containing lanthanum oxide is t1 = 400 hours. It can be seen that the combination of is better.
In other words, the combination of zirconium oxide as an additive for suppressing crystal grain growth and cerium oxide as an emitter material was the best evaluation.
その理由については以下のように推測される。
蒸気圧を考慮すると、エミッタの蒸発しやすさとしては、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）に違いは無いが、陰極の先端面に供給される速度について酸化セリウムの方が高かったものと推測される。これによって、蒸発に対しての供給が均衡に近づき、先端面でのエミッタ被覆率を維持したものと考えられる。
エミッタの供給速度について、セリウム（Ｃｅ）とランタン（Ｌａ）の場合とで比較したところ、エミッタ以外の条件が同じ場合、誤差はあるもののＣｅのほうがＬａの数倍程度の拡散速度がある。このため、Ｃｅのほうが、エミッタとしての供給は、Ｌａよりも多く行われ、先端面でのＣｅとＬａで同等程度のエミッタ蒸発が起きる場合、Ｃｅのほうが、エミッタ被覆率が高くなり、仕事関数が、Ｌａの場合よりも下がることで、Ｌａの場合より陰極先端の温度を下げることができる。このことで、陰極の寿命をＬａの場合より、延ばすことができるものと思われる。
The reason is estimated as follows.
Considering the vapor pressure, there is no difference between the cerium oxide (CeO 2 ) and the lanthanum oxide (La 2 O 3 ) as the ease of evaporation of the emitter. It is estimated that it was higher. As a result, it is considered that the supply for evaporation approaches equilibrium and the emitter coverage on the tip surface is maintained.
When the supply rate of the emitter is compared between the case of cerium (Ce) and the case of lanthanum (La), when the conditions other than the emitter are the same, there is an error, but Ce has a diffusion rate several times that of La. For this reason, Ce is supplied more as an emitter than La. When Ce and La have the same level of emitter evaporation, Ce has a higher emitter coverage and a work function. However, the temperature at the cathode tip can be lowered as compared with the case of La by lowering than that of La. Thus, it seems that the life of the cathode can be extended as compared with the case of La.
また、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）や酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）のような添加剤については、タングステン粒径の再結晶化による肥大化を抑制する効果があると考えられる。酸化カリウムでは放電ランプの陰極の動作領域である２０００℃以上の環境においての再結晶化の抑制の効果が低かったのではないかと推測される。
これに対し、酸化ジルコニウムは、動作温度でタングステンと反応することがなく、タングステンの再結晶化を抑制することで、タングステン結晶粒の粒界を保持することができ、エミッタの供給経路を多数確保することで、供給速度が高かったのではないかと考えられる。
以上の結果から、陰極のタングステン中に含有するエミッタ材と添加剤としては、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の組合せが最適である。
Further, it is considered that additives such as zirconium oxide (ZrO 2 ) and potassium oxide (K 2 O) have an effect of suppressing enlargement due to recrystallization of the tungsten particle size. It is presumed that the effect of suppressing recrystallization in the environment of 2000 ° C. or higher, which is the operating region of the discharge lamp cathode, was low with potassium oxide.
In contrast, zirconium oxide does not react with tungsten at the operating temperature, and can suppress the recrystallization of tungsten, thereby maintaining the grain boundaries of tungsten crystal grains and securing a large number of emitter supply paths. By doing so, it seems that the supply speed was high.
From the above results, the combination of cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) is optimal as the emitter material and additive contained in the tungsten of the cathode.
＜実験２＞
次いで、上記のように得られた結論から更に、酸化セリウムの母材であるタングステンに対する濃度（ｗｔ％濃度）を最適化するために、濃度を変化させて作製した陰極について、各々放電ランプ（キセノンショートアーク型放電ランプ）を作製した。なお、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）についてはいずれも０．１ｗｔ％の含有量とした。
ランプを点灯したときの電圧変動とバルブの黒化・白濁の状態（エミッタの蒸発の状態）より、放電特性を評価した。エミッタの濃度が低い場合には陰極先端面でエミッタ不足が発生し、輝点が動き回り、電圧変動が大きくなる。一方、エミッタの濃度が高すぎると、陰極動作時にエミッタの供給が増えるため、エミッタ蒸発量が増加し、バルブの黒化・白濁が増加する。黒化、白濁が増えると、ランプから放射される光が減少する。
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Next, from the conclusion obtained as described above, in order to further optimize the concentration (wt% concentration) with respect to tungsten which is a base material of cerium oxide, each discharge lamp (xenon) A short arc type discharge lamp) was produced. Incidentally, both set to 0.1 wt% of the content for zirconium oxide (ZrO 2).
The discharge characteristics were evaluated based on the voltage fluctuation when the lamp was turned on and the state of blackening and white turbidity of the bulb (the state of evaporation of the emitter). When the concentration of the emitter is low, emitter shortage occurs at the cathode tip surface, the bright spot moves around, and the voltage fluctuation increases. On the other hand, if the concentration of the emitter is too high, the supply of the emitter increases during the cathode operation, so that the amount of evaporation of the emitter increases and the blackening / white turbidity of the bulb increases. As blackening and cloudiness increase, the light emitted from the lamp decreases.
図４の表２に放電特性を評価した結果が示されている。
評価の結果、酸化セリウム（ＣｅＯ２）の濃度が１．０〜２．０ｗｔ％の場合に放電特性が良好となった。
この理由については以下のように推測される。濃度が１ｗｔ％未満である場合は、タングステンに含まれるエミッタの絶対量が少なくて陰極先端面でエミッタが枯渇したものであり、また一方で、２ｗｔ％を超える場合は、エミッタの蒸発が過多となり、バルブの黒化・白濁が生じたものと考えられる。
Table 2 in FIG. 4 shows the results of evaluating the discharge characteristics.
As a result of the evaluation, the discharge characteristics were good when the concentration of cerium oxide (CeO 2 ) was 1.0 to 2.0 wt%.
The reason is estimated as follows. When the concentration is less than 1 wt%, the absolute amount of the emitter contained in tungsten is small and the emitter is depleted at the cathode tip surface. On the other hand, when it exceeds 2 wt%, the emitter is excessively evaporated. It is thought that the valve blackened and clouded.
酸化セリウム（ＣｅＯ２）は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）よりも融点が低い。このため、エミッタとして酸化セリウムを用いた場合、酸化トリウムを用いたものよりも電極（陰極）先端の到達温度が低くなるように点灯条件を適正な範囲となるように設定する必要があり、ランプ動作時の陰極先端部の電流密度Ｊ（Ａ／ｍｍ２）が過大とならないよう制御する必要がある。電流密度は、通常、ランプ電流（Ａ）／陰極先端面積（ｍｍ２）で定義される。ただし、陰極によっては、ランプ動作時、アークが広がっていて先端から０．５ｍｍ程度まで被さっている場合があり、このような場合は、陰極先端がアークで覆われた範囲まで積算した面積が陰極先端面積となる。
適正な電流密度を求めるために以下の実験を行った。
陰極の母材としてタングステン（Ｗ）を用い、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）を２．０ｗｔ％、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を０．１ｗｔ％添加した陰極を多数製作し、同じ仕様の放電ランプ（キセノンショートアーク型放電ランプ）を作製した。かかる放電ランプについて、１６０Ａ／ｍｍ２〜４７０Ａ／ｍｍ２の範囲で電流密度を異ならせて点灯させて、フリッカーが生じ始める電圧変動値（１．２Ｖ）になるまでの時間ｔ１（ｈ）を測定した。
Cerium oxide (CeO 2 ) has a lower melting point than thorium oxide (ThO 2 ). For this reason, when cerium oxide is used as the emitter, it is necessary to set the lighting conditions within an appropriate range so that the temperature reached at the tip of the electrode (cathode) is lower than that using thorium oxide. It is necessary to control so that the current density J (A / mm 2 ) at the cathode tip during operation does not become excessive. The current density is usually defined by lamp current (A) / cathode tip area (mm 2 ). However, depending on the cathode, there is a case where the arc spreads and covers up to about 0.5 mm from the tip during lamp operation. In such a case, the area accumulated up to the range where the cathode tip is covered with the arc is the cathode. It becomes the tip area.
The following experiment was conducted in order to obtain an appropriate current density.
Many cathodes were manufactured using tungsten (W) as the base material of the cathode, 2.0 wt% of cerium oxide (CeO 2 ) as the emitter, and 0.1 wt% of zirconium oxide (ZrO 2 ) as the additive. Discharge lamp (xenon short arc type discharge lamp) was produced. With respect to such a discharge lamp, lighting is performed with different current densities in a range of 160 A / mm 2 to 470 A / mm 2 , and a time t1 (h) until a voltage fluctuation value (1.2 V) at which flicker starts to occur is measured. did.
図５の表３にその結果が示されている。
表３から分かるように、フリッカー寿命として、実用レベルで少なくとも５００ｈを超えるのは、電流密度が２８０Ａ／ｍｍ２以下の場合である。従って、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）を用い、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を用いた陰極では、電流密度を２８０（Ａ／ｍｍ２）以下の範囲で使用することで長寿命の放電ランプを得ることができる。
The results are shown in Table 3 of FIG.
As can be seen from Table 3, the flicker life exceeds at least 500 h at a practical level when the current density is 280 A / mm 2 or less. Therefore, in a cathode using cerium oxide (CeO 2 ) as an emitter and zirconium oxide (ZrO 2 ) as an additive, a long-life discharge can be obtained by using a current density in the range of 280 (A / mm 2 ) or less. A lamp can be obtained.
以上説明したように、本発明においては、陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％であることにより、エミッタとしての酸化セリウムの拡散速度が速く、陰極先端での蒸発による消耗に対して、陰極後方からのエミッタの拡散による陰極先端への供給が迅速に行われ、先端でのエミッタの枯渇が生じることがない。
また、添加剤として含有された酸化ジルコニウムは、タングステン結晶粒の再結晶化による粗大化を抑制するので、エミッタの拡散経路が多数保持された状態が維持されて、酸化セリウムの先端への供給が円滑に行われて、先端でのエミッタの枯渇を防止するものである。
As described above, in the present invention, the cathode is composed of tungsten containing cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), and the content of the cerium oxide (CeO 2 ) is 1. When the content of zirconium oxide (ZrO 2 ) is 0.05 to 0.1 wt%, the diffusion rate of cerium oxide as an emitter is high, and due to evaporation at the cathode tip. In response to depletion, the supply to the cathode tip is rapidly performed by the diffusion of the emitter from the rear of the cathode, and the emitter is not depleted at the tip.
In addition, zirconium oxide contained as an additive suppresses coarsening due to recrystallization of tungsten crystal grains, so that a state in which many diffusion paths of the emitter are maintained is maintained, and supply to the tip of cerium oxide is prevented. It is performed smoothly to prevent the exhaustion of the emitter at the tip.
１ 放電ランプ
２ 発光管
３ 陰極
３１ 本体部
３２ 先端部
４ 陽極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、
前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、
前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％である、
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 is composed of tungsten containing cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 );
The content of the cerium oxide (CeO 2 ) is 1.0 to 2.0 wt%,
The zirconium oxide (ZrO 2 ) content is 0.05 to 0.1 wt%.
A discharge lamp characterized by that.
The discharge lamp according to claim 1, wherein a current density at the cathode tip is 280 A / mm 2 or less.
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