JP2017111995A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管の内部に一対の陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極は、その少なくとも先端側の一部に酸化トリウム（ＴｈＯ２）が含有されており、前記陰極の先端表面を除く表面には炭化層が形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、炭化層の脱炭の進行を有効に抑え、陰極中の酸化トリウムの還元を長期間にわたって維持できるようにした陰極構造を提供する。【解決手段】陰極１上の炭化層２の表面に高融点金属からなる反応抑制被覆層３が形成される。【選択図】図１

Description

この発明は、酸化トリウムが含有された陰極を有するショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極に炭化層が形成されてな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、高入力・高輝度のショートアーク型放電ランプにおいては、陰極にエミッター材として酸化トリウムを含有して、電子放出特性を高めるようにしたものが多用されている。
そして、酸化トリウムを含有した陰極においては、一般に、酸化トリウムの還元反応を促進するために、先端部近傍に炭化層を形成している。例えば、特開平１０−２８３９２１号公報（特許文献１）などがそれである。

図４にその作用模式図が示されていて、陰極８０の構成材料であるタングステン８１中に酸化トリウムＴＯが含有され、陰極８０の外表面にはその最先端部を除いて炭化層８２が形成されている。
この炭化層８２は、陰極材料であるタングステンと炭素が反応して生成された炭化タングステンからなる。
２Ｗ ＋ Ｃ → Ｗ_２Ｃ
そして、ランプの点灯により、陰極８０の温度が上昇し、２０００℃程度以上から、炭化層８２において酸化トリウムが還元される。
ＴｈＯ_２ ＋ Ｗ_２Ｃ → Ｔｈ ＋ ２Ｗ + ＣＯ_２
ＴｈＯ_２ ＋ ２Ｗ_２Ｃ → Ｔｈ ＋ ４Ｗ + ２ＣＯ
炭化層８２で還元されて生成されたトリウムＴは、陰極表面を表面拡散により先端側に向かって輸送される。

ところで、陰極の外表面に形成された炭化層（Ｗ_２Ｃ）は、ランプ動作中に発光管内の不純ガス（Ｈ_２Ｏ、Ｈ等）と反応してＣＯやＣＨ等を生成することにより、炭化層中の炭素濃度の低下（以下、脱炭とも称す）を招く。このように炭化層で脱炭が進行すると、寿命に至らない点灯時間においても陰極外表面から炭素が消失し、陰極の酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の還元を維持することが困難となる。その結果、安定した点灯持続が困難となるという問題がある。
また、上記ＣＯやＣＨ等の生成ガスが放電空間内に大量に放出されると、当該生成ガスが陽極と反応し陽極表面を劣化させる恐れがあり、この場合には寿命を悪化させる一因となる。具体的には、陽極側の高温領域に炭素が付着し、タングステンカーバイト（Ｗ_２Ｃ、ＷＣ）が生成されるが、このＷ_２Ｃ及びＷＣは融点が低いため、高温に耐えられず溶融し、陽極形状が悪化してしまうという不具合を起こす。

特開平１０−２８３９２１号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に一対の陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極は、その少なくとも先端側の一部に酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有されており、前記陰極の先端表面を除く表面には炭化層が形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、炭化層の脱炭の進行を有効に抑え、陰極中の酸化トリウムの還元を長期間にわたって維持できるようにした陰極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、陰極の外表面の炭化層の表面に高融点金属からなる反応抑制被覆層が形成されていることを特徴とする。
また、前記反応抑制被覆層は、高融点金属としてタングステン（Ｗ）又はレニウム（Ｒｅ）の何れかが用いられていることを特徴とする。
また、前記反応抑制被腹層は、少なくとも１μｍ以上の厚みを有していることを特徴とする。

本発明によれば、酸化トリウムが含有されるとともに、外表面に炭化層が形成された陰極において、前記炭化層の表面に高融点金属からなる反応抑制被覆層が形成されていることにより、該炭化層と発光管内の不純ガスと前記炭化層が反応することを抑制でき、脱炭現象の進行が抑制される。これにより、陰極先端側の表面での炭素の枯渇が抑制されて、酸化トリウムの還元作用が長時間持続して、長時間に亘って安定的な点灯が維持されるという効果を奏する。

本発明の第１実施例に係る放電ランプの陰極構造の断面図。 本発明の第２実施例の断面図。 本発明の第３実施例の断面図。 従来技術の作用を説明する部分断面図。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプに用いられる陰極構造を示し、陰極１は、タングステン中に酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有されたトリエーテッドタングステン（いわゆる、トリタン）からなる。
この陰極１の先端テーパー部１ａの表面には、炭化タングステン（Ｗ_２Ｃ）からなる炭化層２が形成されている。この炭化層２は、陰極１の先端部に設けられているものではあるが、先端面１ｂを含むアークが形成される最先端部には形成されていない。
通常、この陰極１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で炭化層２中の炭素によって還元され、トリウム原子となって陰極表面を表面拡散して、温度が高い先端面１ｂ側へと移動する。これにより、陰極先端における仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにしている。

そして、前記陰極１の炭化層２の表面には、タングステン又はレニウムなどの高融点金属からなる被覆層３が積層して形成されている。この被覆層３は、炭化層２が放電空間に露出する外表面領域を覆うように形成されていて、炭化層２が放電空間内のＨ_２Ｏ、Ｈ等の不純ガスと反応することを抑制する反応抑制被覆層として機能している。
また、炭化層２は、点灯初期（始動後の立ち上がり期間）に、放電空間内のＸｅイオンなどのイオン衝撃によって飛散することがあるが、前記被覆層３によって保護されて飛散することがない。
この反応抑制被覆層３は、例えば、スパッタリング法によって形成することができる。

陰極表面にスパッタリング法によって均一なタングステン（Ｗ）被膜を形成する場合、Ｗ被膜の厚みは１μｍ以上であることが望ましい。１μｍを下回る膜厚では、例えば、被覆するタングステンが島状に偏って付着することが起こりやすく、均一なＷ被膜の形成が難しいためである。そのため、当該陰極１の炭化層２の表面に形成されるＷ被膜３の厚みは、少なくとも1μｍ以上とすることが望ましい。

前記したように、反応抑制被覆層３は、炭化層２が不純ガスと反応することを防止するものであり、図１の実施例では、炭化層２の全領域において被覆層３が形成されている。
この炭化層２と不純ガスの反応は、温度依存性があり、高温領域でその反応が進行する。そのため、反応がそれほど促進することが予想されない温度領域においては、必ずしも必要ない。
そのような実施形態を表したものが図２に示されている。
即ち、炭化層２を覆う被覆層３は、炭化層２の高温になる領域、即ち、陰極１の先端側に対応した領域のみを覆うように形成されているものである。
このように、炭化層２のどの領域を被覆すべきかは、ランプの特性（入力、封入物量、形状等）によって決定される。

図１、２の実施例に基づく陰極構造の一数値例を挙げると以下のとおりである。
＜陰極＞
陰極径：φ１０ｍｍ
全長：３５ｍｍ
先端径：φ０．６ｍｍ
先端テーパー角：５０°
陰極材料：２ｗｔ％トリア（ＴｈＯ_２）ドープタングステン
＜炭化層（Ｗ_２Ｃ）＞
先端から３ｍｍを除き、先端テーパー部に形成。
層厚：約２０μｍ
＜反応抑制被覆層＞
材料：タングステン（Ｗ）
層厚：２μｍ
先端から２ｍｍを除き、先端テーパー部の全域に、スパッタリング法によりタングステン層を形成。

図１、２の実施例では、陰極１は全体に酸化トリウムが含有されたトリエーテッドタングステンで構成されたものを示したが、図３には他の実施例が示されていて、この例では、先端部のみを酸化トリウムが含有されたトリエーテッドタングステンとする構造とされている。
陰極１は、純タングステンからなる本体部１１と、その先端に接合された先端部１２とからなり、該先端部１２は、タングステン中に酸化トリウムが含有されたトリエーテッドタングステンからなる。なお、前記本体部１１と先端部１２とは、拡散接合されていることが好ましい。
このような構造の場合、炭化層２は、酸化トリウムが含有された先端部１２の外表面に形成されている。
そして、その炭化層２の表面に反応抑制被覆層３が積層して形成されているものである。

本発明に係る図３の形態の陰極の製造方法を説明する。
（１）純タングステンからなる本体部１１と、酸化トリウムを含有するトリエーテッドタングステンからなる先端部１２とを拡散接合により接合する。
（２）陰極１の先端をテーパー状に切削加工する。
（３）硝化綿と酢酸ブチルの混合溶液に炭素粉末を加えた混合溶液を刷毛により、陰極１の先端テーパー部１ａの外表面の所定の位置、特に先端部１２の外表面に塗り、乾燥させる。溶液を乾燥させた陰極１を真空高温炉に入れ、１８００℃に昇温し、３０分保持して炭化層２を形成する。その後、室温まで冷却し、炭化した陰極を取り出す。ここで、炭化層形成の成否は、Ｘ線解析（ＸＤＲ）装置で確認することができる。
（４）陰極１表面の炭化層２の表面にスパッタリング法によってタングステン粒子を付着・堆積させて反応抑制被覆層３を形成する。

以上のように、本発明によれば、陰極表面の炭化層の表面に反応抑制被覆層を形成したので、炭化層中の炭素が発光管内の不純ガスと反応することが防止され、炭素量の減少（脱炭）が抑制されて枯渇することがなく、陰極中の酸化トリウムの還元反応が長時間に亘って維持されて、安定的な点灯が維持されるものである。

１ 陰極
１ａ 先端テーパー部
１ｂ 先端面
１１ 本体部（純タングステン）
１２ 先端部（酸化トリウム含有）
２ 炭化層
３ 反応抑制被覆層

Claims (3)

1. 発光ガスが封入された発光管の内部に一対の陰極と陽極が対向して配置され、前記陰極は、その少なくとも先端側の一部に酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有されており、前記陰極の先端表面を除く表面には炭化層が形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記炭化層の表面に高融点金属からなる反応抑制被覆層が形成されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記反応抑制被覆層は、高融点金属としてタングステン（Ｗ）又はレニウム（Ｒｅ）の何れかが用いられていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記反応抑制被腹層は、少なくとも１μｍ以上の厚みを有していることを特徴とする請求項１または２に記載のショートアーク型放電ランプ
   
   
   

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