JP4708611B2

JP4708611B2 - 放電ランプ用陰極

Info

Publication number: JP4708611B2
Application number: JP2001207222A
Authority: JP
Inventors: 洋之宮本; 操井関; 親夫木村
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: JP2003022780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度発光動作を行う放電ランプ用の陰極に係り、特にその長寿命化を図る技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放電ランプは、ガラス管に封入したキセノン等の放電用ガス中でトリガーとして高圧パルスを印加すると、グロー放電し直ちにアーク放電に移行して高輝度発光動作を行う。グロー放電からアーク放電への移行は、ガス圧や陰極にかかる電界の強さに由来するプラズマ密度により決まり、放電ランプでは自動的に移行するよう設計されている。アーク放電時の陰極は、その表面に電子放出材料の単原子層を形成して電子放出を行い、アーク放電を維持する。
【０００３】
このようなガラス管内でのアーク放電により高輝度発光を得るようにした放電ランプにおいて、その陰極として、従来から酸化トリウムを電子放出材料としたタングステン陰極（通称「トリタン陰極」）が使用されている。
【０００４】
このトリタン陰極は、先端角度を２２度〜３０度程度に鋭利に成形して実用に供されている。このトリタン陰極は、アーク放電時に、タングステン粒界間に分散されている酸化トリウムがタングステンとの接触還元作用により還元され、陰極表面にトリウムの単原子層を形成することにより、電子放出動作を行う。このトリウムの単原子層の形成は、陰極先端表面へのトリウム供給量とこのトリウムの陰極先端表面からの蒸発量（電子放出量）とのバランスが保たれるように行われ、陰極寿命に大きな影響を与える。
【０００５】
ここで、トリタン陰極動作を前記したバランス面から説明する。まず、動作初期においては、陰極先端表面へのトリウムの供給量とその蒸発量のバランスはほぼ良好な状態にある。すなわち、輝点（最高輝度点）直下（直近）からトリウムが供給され充分な単原子層の形成が得られる。このときの陰極輝点温度はトリタン陰極の最適動作温度である約１８００℃程度に設定される。
【０００６】
さらにこの設定条件で動作を続けると、輝点直下の酸化トリウムはやがて使い尽くされ、次に輝点隣接部の酸化トリウムが使われ始めるが、このとき、輝点部から離れた位置の陰極温度は、輝点からの距離に応じて急激な温度勾配で低下しており（例えば、数ｍｍ離れた部分の温度は、１０００℃程度に低下している。）、このような温度では、前記した接触還元作用は生じない事から、トリウムの供給は主として輝点の極近傍からとなる。
【０００７】
そして、この後も動作を続けると、酸化トリウムの供給距離が少しずつ長くなってトリウムの供給不足に陥り、前記バランスが少しずつ崩れ始め、終局的には陰極先端に溶融変形が生じる。すなわち、トリウムの供給距離が長くなって供給量が不足してくると電子放出能力が低下し、これを補うために陰極先端温度がセルフコンシステンスに上昇し、当該先端がタングステンの融点温度に到達すると溶けて変形する。
【０００８】
以上説明した機構はアーク放電動作中逐次生じており、約１０００時間動作程度で陰極先端形状が輝点の揺らぎ等の安定動作を逸脱する程度の変形に至り、ランプ性能保証の限界を超え、寿命となる。
【０００９】
以上のように、トリタン陰極は寿命期間１０００時間程度を有する陰極であるが、高輝度陰極材料としては殆ど唯一の材料であった。しかし、このトリタン陰極に内在させてあるトリウムは放射性物質であり、廃棄等の取り扱いに厳重な注意を必要としていた。このため、環境保全が重要視されている昨今においては、これに代わる材料が望まれていた。
【００１０】
そこで本発明者等は、特願2000-262091号において、酸化トリウムに代わる電子放出材料として酸化ジルコニウム或いは酸化ハフニウムを分散して入れたタングステン陰極を提供した。
【００１１】
このトリタン陰極代替材料である酸化ジルコニウム入りタングステン陰極又は酸化ハフニウム入りタングステン陰極も、トリタン陰極同様に、ある温度以上でタングステンとの接触還元作用により、それぞれジルコニウム単原子層、ハフニウム単原子層を陰極表面に形成することにより、電子放出動作を行う。そして、ジルコニウム或いはハフニウムの供給量と蒸発量のバランスが寿命にとって重量なことも、トリタン陰極と同様である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この酸化ジルコニウム入りタングステン陰極或いは酸化ハフニウム入りタングステン陰極は、トリタン陰極と同一動作条件で比較すると、上記接触還元作用の進行が遅く、ジルコニウム或いはハフニウムの供給量が不足傾向になり易い。
【００１３】
すなわち、動作初期は輝点直下の酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムを消費するので、前記バランスは良好であり、トリタン陰極と同等の発光動作が行われるが、輝点直下の酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムを使い尽くし、輝点隣接部からの供給に移行すると、トリタン陰極の場合よりも早期に供給不足となり、陰極先端温度がセルフコンシステンスに上昇して溶融変形し易い。
【００１４】
このように、放電ランプに用いた場合、酸化ジルコニウム入りタングステン陰極及び酸化ハフニウム入りタングステン陰極は、トリタン陰極と比較すると、寿命が短いという問題があった。
【００１５】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的は、酸化ジルコニウム或いは酸化ハフニウムを電子放出材料として入れたタングステン陰極を使用する場合であっても、長寿命を実現できるようにした放電ランプ用陰極を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、少なくともジルコニウム酸化物又はハフニウム酸化物を含む電子放出材料を有する高融点金属材料からなる陰極と、該陰極の先端基点範囲を除く先端近傍の周囲を覆う遮蔽手段と、前記陰極への電圧印加用の電極リードとを有する放電ランプ用陰極において、前記陰極の前記先端と反対側の後端を、前記先端と前記後端の中間の胴部より小さい外径の小径部に形成したことを特徴とする放電ランプ用陰極とした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の１つの実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。図１において、１はタングステンの多結晶体又は多結晶多孔質体に酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムを電子放出材料として分散して入れたタングステン陰極、２は電圧印加用のモリブデン製の電極リード、３は遮蔽材である。陰極１は先端が鋭利に形成され基部は電極リード２に形成された凹部２ａの底にロウ付けにより一体化されている。遮蔽材３は電極リード２と同じモリブデン製であり、輝点範囲（放電時の最高輝度点はタングステン陰極１の先端より若干先方であるが、これを中心とするある範囲）を除く陰極先端近傍を覆うよう円筒をタングステン陰極１の先頭形状に合わせてテーパ状に絞った形状である。放電ランプは、ガラス管内において陰極１の先端と所定間隙を介して対向するように陽極（図示せず）を配置し、キセノン等の放電用ガスを封入して製造される。
【００２０】
前記した遮蔽材３は、陰極１全体の平均温度を上昇させるためのものである。すなわち、ランプ管内に封入されているキセノン等の放電用ガスは、放電動作時の対流により陰極全体を冷却させる（１０００℃〜１２００℃）が、遮蔽材３を設けることにより、このガス対流が陰極１の大部分に直接接触しないようになって、このガス対流による冷却が抑制され、陰極１全体の平均温度が１５００℃〜２０００℃程度にまで上昇する。
【００２１】
陰極１全体の温度が上昇すると、前記した接触還元作用が生じ易くなり、陰極１の表面へのジルコニウム又はハフニウムの供給量が増え、これによりジルコニウム又はハフニウムの供給と蒸発のバランスが改善され、電子放出能力を長時間に亘って維持できるようになるので、陰極１の先端の温度がセルフコンシステンスに上昇することを抑制できる。この結果、陰極１の先端の溶融変形に至るまでに要する時間を長くすることができ、長寿命を実現できる。
【００２２】
なお、遮蔽材３は図２に示すように、電極リード２の先端部分の凹部２ａをより深く形成することにより、先端の筒部分を遮蔽材３’として機能させるように変形しても、同様にガス対流による陰極１冷却の抑制を行うことができる。
【００２３】
また、図３或いは図４に示すように、陰極１の先端輝点範囲から外れた位置の周囲方向に溝１ａを形成すると、この溝１ａがヒートダムとして機能し、熱が奥方向に散逸することが防止され、陰極１全体の平均温度を接触還元作用が活発に生じる１８００℃程度に上昇させることができる。このため、効率的にジルコニウム又はハフニウムが陰極表面に供給され、その供給と蒸発とのバランスが良好となり、電子放出能力が更に向上し、より長寿命を図ることができる。
【００２４】
さらに、図５に示すように、陰極１の先端輝点範囲となる部分を除く部分１ｂ（奥側）の外径を中間の胴部よりも小径として凹部２ａ内に形成した凹部２ｂにおいて電極リード２と接合させると、その小径の部分１ｂが前記した図３や図４の溝１ａによるヒートダム作用と同様な作用を呈し、長寿命化を図ることができる。特に、陰極１が小型化してくると、図３や図４に示す溝１ａの加工が困難となるため、図５に示す構造の方が陰極の加工が容易であり、利点が大きい。
【００２５】
なお、以上では、電子放出材料としてジルコニウム酸化物又はハフニウム酸化物を入れた場合の陰極について説明したが、トリウム酸化物を入れた陰極にも同様に適用できることは勿論である。また、陰極基体としては、タングステンに限られず他の高融点金属材料、例えばモリブデンであってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、陰極の先端輝点範囲を除く先端近傍部分の周囲を覆う遮蔽手段を設けたので、放電用ガスの対流による陰極全体の温度低下を防止でき、長寿命を実現することができる。また、陰極の先端と反対側の後端を、前記先端と前記後端の中間の胴部より小さい外径の小径部に形成したので、その後端がヒートダムとして機能し、陰極全体の温度低下の防止効果がより顕著となり、より長寿命を実現できる。本発明は、電子放出材料としてジルコニウム酸化物又はハフニウム酸化物を含むようにした陰極であるので、特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。
【図２】別の実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。
【図３】別の実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。
【図４】別の実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。
【図５】別の実施形態の放電ランプ用陰極の断面図である。
【符号の説明】
１：陰極、１ａ：溝、１ｂ：小径部
２：電極リード，２ａ，２ｂ：凹部
３、３’：遮蔽材（遮蔽手段）

Claims

少なくともジルコニウム酸化物又はハフニウム酸化物を含む電子放出材料を有する高融点金属材料からなる陰極と、該陰極の先端基点範囲を除く先端近傍の周囲を覆う遮蔽手段と、前記陰極への電圧印加用の電極リードとを有する放電ランプ用陰極において、
前記陰極の前記先端と反対側の後端を、前記先端と前記後端の中間の胴部より小さい外径の小径部に形成したことを特徴とする放電ランプ用陰極。