JP4300042B2

JP4300042B2 - 放電ランプ用陰極の製造方法

Info

Publication number: JP4300042B2
Application number: JP2003069099A
Authority: JP
Inventors: 洋之宮本; 操井関
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: JP2004281153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプ用陰極及びその製造方法に関し、特にランプ寿命が長く、低コストで形成することができる放電ランプ用陰極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の放電ランプ用陰極はトリアをエミッタ材とする陰極と、バリウム化合物をエミッタ材とする陰極に大別される。図4はトリアをエミッタ材とする陰極の一例であるトリエテッドタングステン陰極の説明図、図5はバリウム化合物をエミッタ材とする陰極の一例であるアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極の説明図、図6は陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させた陰極構造の説明図である。
【０００３】
図4に示すトリエテッドタングステン陰極６は、次のような製造工程を経て形成される。まず、硝酸トリウム溶液と三酸化タングステンをスラリー状にし、熱分解、還元、成形、焼成、スエージングなどの工程を経て、ニ酸化トリウムを1〜５％程度含有させた緻密なタングステン棒状基材を形成する。その後、この棒状基材を電極の寸法に合わせて切断し、研磨加工などにより先端鋭利な形状（先端角約20°）に成形される。このように形成されるトリエテッドタングステン陰極６は、一つの基材から多くの陰極が形成できるので比較的安価となる。
【０００４】
しかし、このようなトリエテッドタングステン陰極６を放電ランプに搭載する場合、陰極最高温度は３０００〜３５００℃に達する。３０００℃を越え高温で、長時間動作させると、陰極先端形状が劣化してしまう。また、陰極降下（陰極近傍の電位降下）も比較的大きく、電離によって生じた封入ガスイオンの衝突によって陰極温度の上昇や陰極基材のスパッタを生じさせ、陰極先端形状の劣化が促進されるという欠点を有していた。
【０００５】
以上のような特性により、トリエテッドタングステン陰極６は安価ではあるが、１５０Ｗ放電ランプの場合、約１７００時間で先端形状が劣化し、陰極すなわち放電ランプの寿命となってしまう。これは、陰極先端形状の劣化が放電ランプの輝度や光出力の安定性を低下させるからである。
【０００６】
一方図5に示すように、バリウム系化合物をエミッタ材とする陰極としては、アルミン酸バリウム・カルシウムを多孔質タングステンに含浸した含浸型陰極７がある。これは、タングステン粉末を加圧、成形、燒結し、または浸銅タングステンを成形加工、脱銅し、得られた気孔率約２０％の先端角８０°程度の多孔質タングステンに、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸させたものである。８はモリブデンリードである。
【０００７】
この含浸型陰極７は、トリエテッドタングステン陰極と比較して高い熱電子放出特性とγ作用（イオンの衝突による2次電子放出）を有しており、陰極降下が比較的緩和される。このため、陰極の最高温度は３０００℃以下に抑制され、封入ガスイオンによるスパッタも少なくなる。そのため含浸型陰極７では、その先端形状の劣化がトリエテッドタングステン陰極６と比較すると少なく、１５０Ｗ級高圧アークランプにおいてランプ寿命時間は約２５００時間程度となる。
【０００８】
しかし含浸型陰極７を用いたアークランプの寿命は、アルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発物がガラス管壁に付着し光透過率を低下させることによる輝度の低下が原因であり、含浸型陰極の長寿命性が最大限発揮されていないという問題があった。また、陰極基材が多孔質体であるため、トリエテッドタングステン陰極６のように、陰極先端の先鋭化が難しく、輝点が揺らぎ易いという問題があった。
【０００９】
このような問題を解消するため、特開２０００-１５６１９８号公報（特許文献１）には、陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させ、エミッタ材の蒸発量の減量や輝点の安定化をはかる方法が開示されている。図6に示すように金属基体１１の先端部に、エミッタ材としてタングステン酸バリウムをタングステン粉と混合、プレス、焼成したエミッタ入りプレス成形体９をタングステンプレス焼成体１０に圧入した後、ホットプレスあるいはスエージングなどで緻密化した構造を有する陰極が開示されている。しかし、このような複雑な陰極構造では、製造工程が複雑となり、量産性が悪く、製造コストも嵩むという問題点があった。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１５６１９８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のトリアをエミッタ材とするトリエテッドタングステン陰極は、量産性に優れ、低コスト化を図ることができるが、先端形状が劣化し易く短寿命であるという欠点を有していた。また、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極では、先端形状の劣化は少なくなりトリエテッドタングステン陰極よりも長寿命であるが、アルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発によりランプ管壁が汚れ、放電ランプとしての寿命が短いという問題があった。さらに、含浸型陰極は多孔質体であるために先端の先鋭化が難しく輝点が変動し易いという問題も生じていた。またさらに、バリウム化合物をエミッタ材とする陰極の中で、先端部にのみエミッタ材を局在させた構造の陰極では、低蒸発や輝点の安定化は図れるが、陰極構造が複雑なため、多くの製造工数を要しコスト高になるという問題があった。本発明は前記問題点を解消し、特に放電ランプの長寿命化および陰極の低コスト化を図ることができる陰極構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明の放電ランプ用陰極の製造方法は、タングステンまたはモリブデンからなる多孔質体にアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸させた含浸棒を形成する工程と、該含浸棒をタングステン管またはモリブデン管内に封入した後、アルミン酸バリウム・カルシウムが溶融し、かつ劣化しない加工温度である１４００℃以上１７５０℃以下の温度範囲でスエージング加工し、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した多孔質タングステンまたは多孔質モリブデンが同軸状に配置させ、前記タングステン管またはモリブデン管と一体化させるとともに、前記多孔質を緻密化させ、気孔サイズをスエージング前よりも小さくし、かつ単位面積当たりの気孔数が増加した陰極棒材を形成する工程と、該陰極棒材を外形加工する工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図1〜図3を参照して説明する。図1は本発明の実施形態である陰極構造を示した断面図である。アルミン酸バリウム・カルシウムが含浸した多孔質タングステンからなる多孔質体1を、緻密質なタングステン管からなる電極基体２の中心軸に配置、形成した構造である。本発明の構造では、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを電極基体２の中心軸に局在させているから、余分なアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発が無くなり、蒸発量を少なくできる。すなわち、ランプ管壁の汚れが少なくなり、バリウム系陰極の特徴である先端形状劣化が小さく長寿命性を有することを最大限発揮でき、放電ランプの更なる長寿命化が可能となる。さらに、このアルミン酸バリウム・カルシウムの局在は、輝点を陰極先端に集中させるので、輝点変動が小さく光出力の安定化も図ることができる。
【００１５】
なお、このアルミン酸バリウム・カルシウムの局在域である多孔質体1の直径は０．２mm以上１．０mm以下になるように形成するのが好ましい。これは、輝点直径は少なくとも０．２mm以上必要であり、多孔質体1の直径が０．２mm未満では十分な輝点が得られないためである。多孔質体１の直径は、放電ランプの出力に応じて設定され、出力が大きくなるに従い多孔質体１の直径を大きくすると良い。ただし、実用的には直径１．０mmを越えると輝点の陰極先端への集中性が低下し、輝点変動は従来の含浸型陰極と有意な差がなくなる。従って、多孔質体１の直径は、１．０ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００１６】
また、その気孔率は１vol％以上２５vol％以下が望ましい。１vol％未満ではエミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムの供給不足のため、放電ランプの特性が不安定となり、２５vol％を越えると陰極先端形状の劣化やアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発量が増え、ランプ寿命を短くするためである。
【００１７】
図2は本発明の陰極の製造工程を示す図である。まず、多孔質タングステン棒にアルミン酸バリウム・カルシウム（ＢaＯ：ＣaＯ：Ａl₂Ｏ₃＝6：1：2）を還元性雰囲気内、１７５０℃で含浸し、含浸棒３を形成する（工程Ａ）。続いて、図3に示すように、タングステンからなる管４の中心軸に、この含浸棒３を同軸状に配置されるようにシースする（工程Ｂ）。ここで、含浸棒３の直径や管４の内径および外径は、次工程のスエージングの加工量に合わせて決定される。また、このスエージング時の加熱でアルミン酸バリウム・カルシウムが飛散することを防止するために両端は溶封部材５を用いて、溶封する。
【００１８】
次の工程はスエージング加工である（工程Ｃ）。このときの加工温度はアルミン酸バリウム・カルシウムの融点である１４００℃以上としなければならない。なぜならば、融点以下の固相のアルミン酸バリウム・カルシウムは、金属のような延性がないのでスエージング加工が進まないからである。ただし、この加工温度は１７５０℃を越えるとアルミン酸バリウム・カルシウムの劣化が生じるので１４００℃〜１７５０℃に設定することが望ましい。そして、このスエージングにより、含浸棒３の多孔質タングステン組織とシースしたタングステン管４の組織が一体化し、多孔質体１を陰極基体２に同軸状に配置した陰極棒材が得られる。
【００１９】
また、このスエージングにより、含浸棒３の多孔質タングステンは緻密化するので気孔サイズはスエージング前よりも小さくなり、かつ単位体積あたりの気孔数が増加する。このことは、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを効率よく活性化させることに寄与するので陰極の電子放出特性面からも有利といえる。
【００２０】
最後に、前記陰極棒材に外径加工、切断、先端加工などの外形加工を施して、タングステンからなる陰極基体２の中心軸に、多孔質体１を同軸状に配置した放電ランプ用陰極を得ることができる（工程Ｄ）。なお多孔質体1の直径はスエージングの加工量に応じて調整することができる。
【００２１】
以上、本発明の実施形態ではアルミン酸バリウム・カルシウムを多孔質タングステン棒に含浸し、タングステンからなる管でシースした例を示したが、多孔質タングステン棒の代わりに多孔質モリブデン棒を用いることもできるし、タングステンの代わりにモリブデンからなる管を用いることもできる。また、アルミン酸バリウム・カルシウムの組成比率をＢaＯ：ＣaＯ：Ａl₂Ｏ₃＝6：1：2で説明したが、これに限定されるわけでなく、4：1：1や5：1：2または4：2：2でも同様の効果がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エミッタ材であるアルミン酸バリウム・カルシウムを電極基体の中心軸の先端近傍にのみ局在させることができる。これにより、余分なアルミン酸バリウム・カルシウムの蒸発がなくなり、蒸発量を少なくできる。すなわち、陰極先端の形状劣化が少なく長寿命陰極であるバリウム系陰極の特徴を十分に発揮でき、ランプの更なる長寿命化が可能となる。また、この陰極先端部のアルミン酸バリウム・カルシウムの局在は輝点を陰極先端に集中させるので、輝点変動が少なくなり、ランプの光出力の安定化を図ることができる。
【００２３】
さらに本発明の製造方法により、電極基体の中心軸にアルミン酸バリウム・カルシウムが含浸した多孔質タングステン棒または多孔質モリブデン棒を同軸状に配置・形成した陰極棒材を低コストで製造できる。この棒はスエージングの加工量に応じて中心軸のアルミン酸バリウム・カルシウムの局在状態を調整することができる。さらに、電極寸法に応じて外径加工、切断、先端加工をすれば同一特性の陰極を連続して製造でき、プレスなどで個々に製造するような構造や工程の複雑さはなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である放電ランプ用陰極の断面構造を示した図である。
【図２】本発明の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の製造工程におけるタングステンシースの方法を示す図である。
【図４】従来の放電ランプ用陰極の一つであるトリエテッドタングステン陰極を示す図である。
【図５】従来の放電ランプ用陰極の一つであるアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した含浸型陰極を示す図である。
【図６】従来の放電ランプ用陰極の一つである陰極の先端部にのみエミッタ材を局在させた陰極例を示す図である。
【符号の説明】
１：多孔質体
２：電極基体
３：含浸棒
４：管
５：溶封材料
６：トリエテッドタングステン陰極
７：含浸型陰極
８：モリブデンリード
９：エミッタ入プレス成形体
１０：タングステンプレス焼成体
１１：金属基体

Claims

タングステンまたはモリブデンからなる多孔質体にアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸させた含浸棒を形成する工程と、該含浸棒をタングステン管またはモリブデン管内に封入した後、アルミン酸バリウム・カルシウムが溶融し、かつ劣化しない加工温度である１４００℃以上１７５０℃以下の温度範囲でスエージング加工し、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸した多孔質タングステンまたは多孔質モリブデンが同軸状に配置させ、前記タングステン管またはモリブデン管と一体化させるとともに、前記多孔質を緻密化させ、気孔サイズをスエージング前よりも小さくし、かつ単位面積当たりの気孔数が増加した陰極棒材を形成する工程と、該陰極棒材を外形加工する工程とを含むことを特徴とする放電ランプ用陰極の製造方法。