JP5293172B2

JP5293172B2 - 放電ランプ

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Publication number: JP5293172B2
Application number: JP2008332280A
Authority: JP
Inventors: 満池内; 智良有本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010153292A

Description

本発明は、放電ランプに関し、更に詳しくは、高負荷の高輝度の放電ランプに用いられる、陰極がトリウムを含まない材料で構成された放電ランプに関する。

一般に、キセノンショートアークランプ、超高圧水銀ランプ、希ガス-水銀ショートアークランプのようなアーク安定度が高く、長寿命が求められる高負荷の高輝度放電ランプでは、電極、特に陰極材料として、タングステン（Ｗ）に酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を含有させたトリエーティッドタングステン（ＴｈＯ_２−Ｗ、以下「トリタン」とも言う。）が、アーク点弧性、耐消耗性に優れているとして、広く使用されている。
しかし、トリタンによる電極材料の原料として用いられるトリウム粉末は、放射性物質であるため、法律上その保管や取り扱いに厳重な管理が必要であると共に、これを取り扱う作業者或いは使用者に対しても、健康や安全管理に十分注意を払う必要があり、取り扱いが極めて煩雑である、という問題がある。しかも、トリウムは、環境負荷の観点から使用が減縮される傾向にあり、入手が困難になってきている。このため、トリタンに代わる電極を用いた、すなわち、トリウムを含有しないと共に、従来通りの高入力高負荷に耐えられる電極を備えた放電ランプの開発が望まれている。

このような要請に基き、トリウムを含有しない電極材料として、特定の金属元素を含有するタングステン電極材料を用いた放電ランプが、例えば特許文献１、２に開示されている。
（１）特許文献１（特開平７−１５３４２１号公報）には、放電ランプの電極材料として、第１の金属酸化物にＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、第２の金属酸化物にＹ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３が存在するものが開示されている。
（２）特許文献２（国際公開特許ＷＯ０３／０７５３１０号公報）には、Ｌａ_２Ｏ_３とＨｆＯ_２またはＺｒＯ_２を含有することが記載されている。
これらの文献には、電子放射性物質として、特定の金属酸化物を用いると共に、これにハフニウム、ジルコニウムの酸化物を加えることによって、とりわけ高温における安定化を実現する、という技術について記載されている。

上記の従来技術は、特定の金属酸化物自体の融点はＴｈＯ_２と比較して低いため、電子放射性物質が表面拡散で先端に供給される途中で蒸発によって失われ、その結果、電極先端への電子放射性物質の供給が途絶えてしまい、トリタン電極と比較し、早い段階で枯渇状態に陥ってしまうので、このような現象を抑制するため、ハフニウムやジルコニウムなどの酸化物を、特定の金属酸化物と共に電極基体に含有させ、その結果、特定の金属酸化物の蒸発を抑制して、高温における安定化を実現する、というものである。

特開平７−１５３４２１号公報国際公開特許ＷＯ０３／０７５３１０号公報

しかしながら、特定の金属酸化物と共にハフニウム、ジルコニウムの酸化物を使用した電極においても、耐熱性の点でトリウム酸化物より劣ることが確認され、十分な効果が得られるまでに至っていない。
特に、電極先端温度が２４００℃〜３０００℃という高い温度で動作させる高負荷の高輝度放電ランプ、例えば上記した、キセノンショートアークランプ、超高圧水銀ランプ、希ガス水銀ショートアークランプのような、高輝度で、高負荷の放電ランプにおいては、電極先端の磨耗が激しい。

電極先端の損耗に至る理由について、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、下記事項が主な原因であるとわかった。

（１）まず第１に、電子放射性物質の蒸発による、供給不足からもたらされる、アーク不安定である。
陰極先端付近の電子放射性物質は、粒界拡散により先端に運ばれるが、電子放射性物質の量が減少するにつれて、先端への供給量が低下する。ランプの寿命時間を通じて、陰極先端への電子放射性物質の供給の大部分は、陰極先端から少し後ろの、温度の高い領域から、粒界拡散で陰極先端部の表面に出てきた電子放射性物質が、表面拡散により先端に供給されるものである。高輝度、高負荷の条件で使用される放電ランプにおいては、陰極先端の温度が高くなるため、表面拡散により先端に輸送される途中で蒸発して、失われる電子放射性物質の割合が高くなる。そのため、電極先端部近傍にハフニウム、ジルコニウムの酸化物を特定の金属酸化物と共存させたとしても、これらの物質が電子放射性物質の安定化の機能を果たす前に、電放射性物質の供給が途絶えることになり、安定的な放電を維持することができなくなる。

（２）第２に、電子放射性物質の早期流出である。
すなわち、タングステンによって特定の金属酸化物が還元され、融点の低いタングステン酸化物を生成する。
例えばＬａ，Ｓｅ，Ｓｍなどの特定の金属元素をＲで一般化して表記すると、還元作用は下記の通りに進行する。
（式１）Ｒ_２Ｏ_３＋Ｗ → Ｒ＋ＷＯｘ
このとき、特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３が共存するＷＯ_ｘと反応し、融点の低いタングステートＲＷＯｘを生成する。
このＲＷＯｘは、Ｒ_２Ｏ_３やＷと比較して融点が低く、陰極先端付近の高温部分に存在した場合には、流動性が高くなり、電子放射性物質が早期に流出してしまう。これにより、電子放射性物質の供給が早期に減少してしまうため、アーク不安定や点灯困難になり、電極、更には放電ランプ短寿命になる。

第３に、タングステン酸化物ＷＯｎの生成、蒸発による、電極先端の損耗である。上述したように、特定の金属酸化物が電子放射性物質として作用するときにタングステンの還元作用を利用するため、タングステン酸化物（ＷＯｎ）が生成される。タングステン酸化物のうち、特に低酸素のタングステン酸化物は、金属タングステンと比較して融点が低く、容易に溶融、蒸発に至ってしまう。この結果、電極先端が早期に損耗してアークを維持できなくなり、放電ランプの短命化を招く。

従来、タングステン酸化物ＷＯｎの生成を抑制する手段の一つに、電極の炭化処理が知られている。この方法は、電子放射性物質の還元を炭素Ｃにより代替させる（すなわち、炭化酸素を生成させる）ことにより、タングステンが酸化することを抑制するというものである。しかしながら、炭化処理で形成される、タングステンカーバイトＷＣもまた、タングステンＷと比較すると融点が低いため、電極先端部近傍に炭化層を形成することができない。このため、特定の金属酸化物を、電極先端において還元する物質としては、タングステンＷに頼らざるを得ない。

以上のように、トリウムの代わりに、特定の金属の酸化物と、ハフニウムやジルコニウムの酸化物を組み合わせた電極を、電極先端の到達温度が高くなる高輝度の放電ランプに適用するには未だ課題が多く、トリタン電極に相当する長寿命、高安定性を実現できる、高負荷の高輝度の放電ランプは、未だ実現に至っていない。

そこで本発明が解決しようとする課題は、放電ランプにおいて、電極がトリウムを含まない材料よりなり、高熱負荷の点灯条件に耐えられる、高負荷の高輝度放電ランプを提供することにある。

そこで、本発明者は、下記構成を採用した。
本発明に係る放電ランプは、密閉された発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極は、基体部分が、ランタン、セリウム、ガドリニウム、イットリウムからなる金属群のうち少なくとも１つの酸化物を含有したタングステンからなり、当該陰極先端部の近傍にジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、ハフニウム、酸化ハフニウム、炭化ハフニウムの群のうち少なくとも１つの物質を備えてなる放電ランプにおいて、前記陰極の先端部を除く外表面の少なくとも一部にタングステンカーバイド層を備え、前記発光管内部に、放電ランプ動作中の該発光管内部の水素量が圧力換算で１３Ｐａ〜１３３０Ｐａとなるように水素を吸蔵している水素吸蔵体を備えていることを特徴とする。
また、前記水素吸蔵体は、水素を吸蔵する物質としてタンタル、ニオブおよびジルコニウムのいずれかより構成されたものである
のがよい。

本発明によれば、陰極後部に設けられた炭化部と水素吸蔵体の働きにより、陰極先端付近に炭素を供給することができて、特定の金属酸化物の還元にＣを用いることができるので、タングステンが特定の金属酸化物の還元に使用されることが回避され、融点の低いタングステートなどの物質が生成されるのが抑制されるため、陰極にトリタン材料を利用した場合と同様、安定した放電と長寿命を実現することができる。
その結果、放電ランプにおける電極としてトリウムを含まない材料より構成でき、高熱負荷の点灯条件にも耐えられる、高負荷の高輝度放電ランプを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超高圧放電ランプの一部を断面で示す説明用図面である。この超高圧放電ランプ１０（以下、簡単に「放電ランプ１０」という。）は、例えば水銀が封入された超高圧水銀ランプである。図１において、発光管１１は石英ガラスからなり、略球状の発光管部１２の両端に封止管部１３が一体に連続して形成されている。この発光管部１２内には、各々金属製の陽極１５および陰極１６よりなる一対の電極が、互いに対向するよう配置されており、その各々から伸びる電極棒１７が封止管部１３において保持されると共に、当該封止管部１３内において気密に設けられた金属箔（図示せず）を介して外部リード棒（図示せず）や外部端子１８に接続され、これに外部電源が接続される。発光管部１２内には、水銀、キセノン、アルゴンなどの発光物質や、始動用ガスが、所定量封入されている。なお同図において符号１４は封止管部１２に装着された口金である。
このような放電ランプ１０においては、外部電源より電力が供給されることにより、陽極１５と陰極１６との間でアーク放電が生じ、発光物質が発光して所定の波長域の光が放射される。

図２は、図１で示した放電ランプの陰極の説明用拡大断面図であり、陰極先端の動作内容を説明する図である。
図２において、陰極１６は、本体部分が先端側に向かって徐々に先細りする、略円錐形状のテーパー部１６１を備えており、このテーパー部１６１の後端に略円柱状の胴部１６２が一体的に形成されて構成され、胴部１６２の後方側の端部に電極棒１７が接続されて、構成されている。
陰極１６本体部分は、材質としては特定の金属酸化物が微少量添加された、タングステン（Ｗ）より構成される。ここに、特定の金属酸化物とは、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（Ｃｅ_２Ｏ_３）、イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）よりなる群から選択されたものであり、このような金属酸化物がタングステン中に含有する割合は、０．５〜４．０質量％の範囲である。ここで、金属元素について記号Ｒを用い、特定の酸化物を一般化して表記するとＲ_２Ｏ_３となる。
エミッタとしてランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）が選択される理由としては、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）においては実績においても十分あるものであり、アーク放電の陰極エミッタ物質であるからであり、ガドリニウム（Ｇｄ）については陰極降下電圧が低くかつアーク安定度が良好であることが本発明者らの検証によって得られたからである。

陰極１６の先端部１６ａよりやや後退した位置には、陰極先端の溶融を防止する目的で、ジルコニウムまたはハフニウムを含む物質が、被覆層２０の形態で配置されている。被覆層２０は、具体的にはジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、ハフニウム、酸化ハフニウム、炭化ハフニウムの群のうち少なくとも一つを備えて構成されるものであり、電極先端の安定化を図る物質である。本明細書においては以下これらの物質をまとめて「安定化物質」と称する。このような安定化物質を電子放射性物質としての特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３と共存させることにより、当該特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３のテーパー部からの蒸発を抑制し、電極を長寿命にすることができる。
なお、上記安定化物質を電極先端に配置する手段としては、このような被覆層２０による形態のほかに、電極本体内に混入するような手段でもよい。

安定化物質の層２０は、具体的には、陰極先端部１６ａからやや後退した位置であって、それほど遠ざからない、テーパー面上にあるのが好ましい。被覆層２０を形成する手段としては、例えば、陰極の先端部１６ａをマスクした状態で、所定の安定化物質をターゲットとしてスパッタリングするといった方法が挙げられる。
なお、本明細書において、陰極の先端部１６ａとは、放電アーク内部に取り込まれる部分において、最も輝度が高い部分であり、実用の範囲でいうと電極先端から約３ｍｍまでの範囲である。

続いて、この陰極１６の先端部１６ａを除いた、テーパー部１６１及び胴部１６２の外表面領域における少なくとも一部に、タングステンカーバイト（ＷＣ）層２１が形成される。このタングステンカーバイト層２１は、陰極先端部１６ａに炭素を提供するためのものであり、いわば「炭素貯蔵部分」である。なお、この炭素に関わる作用については後段で詳細に説明する。
タングステンカーバイト層２１は、例えば、陰極基体本体に、カーボンブラック、ニトロセルロース、酢酸ブチルなどを混練したペーストを塗付し、高温で焼成することにより、電極本体を構成するタングステンと炭素とを反応させて、タングステンカーバイトＷＣ（炭化タングステン）を生成させ、形成したものである。
タングステンカーバイトＷＣはタングステンよりも融点が低いため、陰極先端部１６ａの近傍にこの層を形成した場合には、点灯時、高温に昇温するため溶融してしまう。従って、陰極１６の先端部１６ａにはタングステンカーバイトを形成することなく、先端部１６ａを除いた部分、好ましくはテーパー部１６１と胴部１６２の境界から後方に亘る部分に形成するのがよい。
なお、このタングステンカーバイト層２１と上記した安定化物質による被覆層２０との位置関係について述べると、厳密には定義されないが、安定化物質については陰極先端１６ａの近傍であることが望ましいが、タングステンカーバイト層２１は陰極先端部１６ａを除く部分であることが必須であるため、タングステンカーバイト層２１が被覆層２０より後方であることが好ましい。電極先端１６ａに関して位置的条件を満たしていれば、タングステンカーバイト層２２上に被覆層２０を形成することも可能である。

更に、本発明に係る放電ランプでは、放電空間Ｓの内部に水素吸蔵体２２を備えている。水素吸蔵体２２は、例えばリング状に成形されたタンタルまたはニオブからなる水素吸蔵用金属を水素吸蔵処理して構成したものであり、ここでは、陰極１６本体の後方に位置された電極軸部１７部分に、高融点金属からなるバンド等で固定されている。
無論、水素吸蔵体２２はこのような形態に限定されることなく、発光管１１内部の放電空間において水素を供給できるものであれば適宜変更が可能である。また、水素吸蔵体２２が取り付けられる個所は陰極１６の近傍に限定されることなく、例えば陽極１５側の電極棒に装着されていても良い。

ここで、本発明の電極の作用、すなわちタングステンカーバイト層２１および水素吸蔵体２２による、炭素Ｃの陰極先端部（１６ａ）への供給機構（サイクル）について説明する。
放電空間Ｓ内において、水素吸蔵体２２により保持された水素（Ｈ_２）は、ランプ動作中、同じく放電空間内に存在する炭素Ｃと反応してメタン（ＣＨ_３）を生成する。メタン（ＣＨ_３）はアークによって運ばれ、アーク中で分解して炭素Ｃと水素Ｈになる。炭素Ｃはイオン化して浮遊すると、陰極先端部１６ａを含むアーク支持部１６Ａに運ばれる。なお、ここでの説明において「アーク支持部１６Ａ」とは、ランプ点灯中、陰極１６の先端近傍においてアークに包まれた部分である。

アーク支持部１６Ａにおいて分解生成した炭素Ｃ（原子状の炭素）は、陰極１６内部に侵入してエミッタの還元作用に使用される、つまり、特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３の還元作用に使用される。
（式２）Ｒ_２Ｏ_３＋Ｃ → Ｒ＋ＣＯｎ
このため、陰極先端部１６ａのタングステンＷが特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３の還元反応で使用されずに済み、タングステート（ＷＯｎ）の生成が抑えられ、タングステートと特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３とによった低融点化合物の生成もまた抑制され、エミッタの早期流出を抑制することができる。
とりわけ、本発明によれば、炭素Ｃは、メタン（ガス）の形態で陰極先端部１６ａ付近に運ばれるため、特定の金属酸化物Ｒ_２Ｏ_３の還元が停滞なく進行し、しかも、陰極先端部１６ａにタングステンカーバイド層２１を形成することなく、当該先端部１６ａに炭素Ｃを送り込むことができるので、電極先端部１６ａが溶融することを効果的に回避することができる。

ここで、水素吸蔵体の構成について詳細を説明する。
［水素吸蔵体の選定］
高負荷高輝度放電ランプの放電空間内部においては高温雰囲気が形成されるため、１０００℃〜１５００℃以上の熱に耐えられるものである必要がある。このような要求を満足する水素吸蔵体材料としては、タンタル（Ｔａ），ジルコニウム（Ｚｒ）あるいはそのいずれかの金属の合金を考えることができる。このうち、ジルコニウム（Ｚｒ）は水銀に溶ける性質を有しており、例えば放電空間内部に水銀が封入される超高圧水銀ランプにおいては、タンタル（Ｔａ）を使用するのが望ましい。

ここで、水素吸蔵体の作製方法および水素量について説明する。
［水素の吸蔵方法］
脱ガスしたシリカガラス内に０．２５φの、水素を吸蔵保持する担体としてのタンタル（Ｔａ）線、または０．１ｍ厚のタンタル（Ｔａ）板を設置する。そこに水素を必要量導入し、封止してアンプル化する。これを、約４００℃の電気炉中に入れて約１時間保持する。この加熱処理後、導入された水素はほぼすべてタンタル（Ｔａ）に吸蔵される。アンプル内に導入する水素量の必要量は、アンプルの体積、タンタルの質量を基に算出して決定したものである。具体的には、内容積１００ｃｃのアンプルに、１０ｇの物質用の金属、例えばタンタル（Ｔａ）を導入し、タンタル１ｇあたり１３３００Ｐａ・ｃｃの吸蔵量させる場合には１３３００＊１０／１００（単位：Ｐａ）、すなわち、圧力が１３３０（Ｐａ）となるよう調製してアンプルに水素を封入する。
このように、水素吸蔵物質となる金属に予め水素吸蔵処理を行っておきランプに導入する水素量に応じて切り分けて使用する。
なお、タンタルは水素を大量に吸収すると脆くなる性質を有しているので、線材を用いた場合は、水素量には注意を払う必要がある。本発明の実施の範囲、例えば１ｇのタンタルあたり１３３００Ｐａ・ｃｃ以下の割合で吸収させた場合であれば、取り扱いが難しくなるほどには脆くならない。
無論、水素吸蔵体の作製方法はここで説明した内容に限定されることなく適宜変更が可能であり、また、ここでは水素吸蔵金属としてタンタルについて説明したが、その他の金属を用いてもよい。

［水素量］
陰極の炭化部分から炭素を陰極先端に輸送するために必要な水素の圧力は１３Ｐａ〜１３３０Ｐａの範囲が良い。これは、水素の圧力が低すぎると炭素の陰極先端への輸送量が減り、炭素による還元効果が低くなるからである。一方、水素の圧力が高くなりすぎると、メタンの生成過剰となり、陰極先端に輸送される炭素の量が多くなりすぎて、比較的低融点の陰極先端にＷ_２Ｃを形成し、先端が溶融する可能性が生じる。
水素量の好ましい範囲に関しては、ランプの内容積と必要な水素圧から、予め適切な水素量を決定できる。
例えば、内容積をＶ（ｃｃ）、放電空間Ｓ中の水素の分圧をＰ（Ｐａ）、タンタル１ｇのあたりに吸蔵した水素量をＱ（Ｐａ・ｃｃ）、タンタル（Ｔａ）の質量をＭ（ｇ）とする。内容積Ｖが１５０ｃｃ，水素圧Ｐが１３３Ｐａなら、１ｇのタンタル（Ｔａ）あたりＱ１３３００Ｐａ・ｃｃの水素を吸蔵したタンタル（Ｔａ）の量Ｍは１．５ｇ必要になる。
すなわち、下記式のようになる。
（式３）Ｍ＝Ｖ＊Ｐ／Ｑ

なおこのとき、タンタル１ｇあたりの水素の吸蔵量がより少ない方が、ランプ消灯時の水素圧力を低くでき、ランプが点灯困難になるのを防止できる。

このようにして水素吸蔵体に吸収された水素は、温度の上昇にともない、水素吸蔵物質（タンタル又はニオブ）外部に放出する。
放電空間内に配置された水素吸蔵体は、ランプの動作中１０００℃以上に温度が上昇する。この温度域では吸蔵された水素の大部分は放電空間内に放出し、ランプを消灯すると温度が低下する過程で再び水素吸蔵体に吸収される。このように水素を水素吸蔵体に吸蔵させた状態で放電空間内に封入することにより、ランプの始動時、水素ガスの存在によって始動性が悪くなるということがなくなる。

なお、水素吸蔵体中の水素量を測定する方法について、この手順を簡単に説明する。
［１］（昇温脱離法）
水素吸蔵体をシリカガラス製の管の中に置き、管の内部を排気したのち、圧力が１０^−４Ｐａ以下になるまで排気する。続いて、シリカガラス管の温度を１０００℃まで、徐々に昇温し、放出ガスの流出量を測定し、時間積分によって、全放出量を算出する。このときの流出量は既知のコンダクタンスの両端の水素分圧の差を測定することで求めることができる。
［２］
また、その他の方法について下記に説明する。
容積がＶ１（ｃｃ）の容器に容積Ｖ２（ｃｃ）のシリカガラス製のアンプル中に水素吸蔵体を入れ、シリカガラス製のアンプルの温度を１０００℃まで上げて圧力Ｐ（Ｐａ）を読む。１０００℃では、水素吸蔵体に含まれる水素量は無視できるので、Ｖ１（〜数１０００ｃｃ）がＶ２（〜１０ｃｃ）に比べて十分に大きければ、吸蔵水素量はＶ１ｘＰ（Ｐａｃｃ）となる。

以上の本発明によれば、酸化ランタンなどの特定の金属酸化物から構成される易電子放射性物質を含有したタングステンからなる陰極基体を基本的に備え、更に、電極先端付近の表面にジルコニウム、ハフニウムの酸化物が存在することによって、前記特定の酸化物の蒸発を抑制することができることに加え、以下の作用効果が奏される。
陰極後部に設けられた炭化部から供給される炭素と、水素吸蔵体から供給された水素の働きによって、ランプ点灯時、放電空間内部において、メタンガス（ＣＨ_３）が生成され、このメタンガスが放電プラズマの作用によりアーク近傍に単体のＣ（炭素）とＨ（水素）に分離されて、電極先端にＣ（炭素）が供給されるので、炭素がエミッタである特定の金属酸化物の還元に用いられることにより、タングステンが易電子放射性物質の酸化物の還元に使用される割合が低くなり、融点の低いタングステートの生成が抑制されて、電極先端部が溶融することが回避される。この結果、高い入力電力で駆動させる場合や大型の該高負荷高輝度放電ランプであっても、該陰極にトリエーティッドタングステン（トリタン）材料を利用した場合と同様の安定した放電と長寿命を実現することができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこの内容に限定されるものではない。
本発明にかかる放電ランプを下記要領で作製した。
（実施例１）
特定の金属酸化物として酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を選択し、これをタングステン（Ｗ）に対して２．５質量％の割合で添加して陰極本体材料を製作した。この陰極本体材料を切削によって所定の形状に成形した後、先端を除くテーパー部の表面に、カーボンブラック、ニトロセルロース、酢酸ブチルからなる練り墨を塗布し、乾燥後、真空雰囲気中で１９５０℃で３０分熱処理を行い、テーパー部に層の厚みが約３０μｍの炭化層を形成した。
その後、先端部をマスクし、スパッタリングにより、テーパー部に炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）をターゲットとして膜厚が約８０ｎｍとなるよう被膜を形成した。その後、真空中で１６００℃１５分焼成を行い、ＺｒＣを安定化させた。
一方、上述した水素吸蔵体の水素吸蔵方法と同様の方法により、１ｇあたり１３３００Ｐａ・ｃｃの水素を吸蔵させた線径φ０．２５ｍｍのタンタル線を、約１ｇ分切り出し、陰極側電極棒に取り付けた。なお、タンタルに吸蔵された水素が全て放電空間内に放出された場合、水素量１３３００Ｐａ・ｃｃとなる。
この電極（陰極）を、図１で示したような超高圧水銀ランプに組み込み、ランプＡを作製した。
この高圧水銀ランプの仕様を下記に述べる。
定格消費電力：２ｋＷ
発光管；材質：石英ガラス、バルブ外径５５ｍｍ、全長７５ｍｍ
陽極；材質：タングステン、最大径部の直径：２０ｍｍ、全長：３０ｍｍ
電極棒；材質：タングステン
陰極；材質：酸化ランタン添加タングステン、最大径部直径：６ｍｍ、テーパー角度：４０度
電極間距離；５ｍｍ
封入物；水銀、水銀量２５ｍｍ^３、アルゴンガス；０．１２ＭＰａ
水素吸蔵体；タンタル（１．０ｇ、水素量：１３３００Ｐａ・ｃｃ）

（実施例２）
陰極材料として、上記実施例（１）と同様の方法により陰極を製作し、これを用いて定格消費電力４ｋＷのキセノンショートアークランプを作製した。このキセノンショートアークランプをランプＢという。仕様を下記に示す。
定格消費電力：４ｋＷ
発光管；材質：石英ガラス、内容積：１１２ｃｃ、全長（シール部端部まで含む）２５０ｍｍ
陽極；材質：タングステン、最大径部の直径：２２ｍｍ、全長：３１ｍｍ
電極棒；材質：タングステン
陰極；材質：酸化ランタン添加タングステン、最大径部直径：１０ｍｍ、テーパー部の頂角４０度
電極間距離；４．５ｍｍ
封入物；キセノンガス、静圧時２．５ＭＰａ
水素吸蔵体；タンタル（１．６ｇ、水素量：２１３００Ｐａ・ｃｃ）

（比較例１）
陰極の構成が、酸化ランタンの代わりに酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を２．０％の割合で含み、炭化層、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）層および水素吸蔵体を備えていないこと以外は上記実施例１と同様の構成となるよう、超高圧水銀ランプを作製した。このランプをランプＣという。

（比較例２）
陰極の構成が、酸化ランタンの代わりに酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を２．０％の割合で含み、炭化層、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）層および水素吸蔵体を備えていないこと以外は上記実施例２と同様の構成となるよう、キセノンショートアークランプを作製した。このランプをランプＤという。

（実験例１）
ランプＡ，ランプＣについて、それぞれ陽極が上となるよう、発光管の管軸を垂直方向に支持し、安定時におけるランプ電流が８０Ａ、ランプ電圧が２５Ｖ（２ｋＷ）となるよう点灯した。この結果、従来の陰極材料にトリウムを用いたランプＣは１０００〜１２００ｈでアーク不安定になった。ランプＡは、約１３００ｈでアーク不安定によるチラツキが発生した。
このように、陰極材料にトリウムを用いていないにもかかわらず、本発明に係るランプＡにおいては、従来の放電ランプと遜色ない長寿命を達成できることが確認された。

（実験例２）
ランプＢ，ランプＤについて、それぞれ発光管の管軸を水平方向に支持し、安定時におけるランプ電流が１３３Ａ、ランプ電圧が３０Ｖ（４ｋＷ）となるよう点灯した。この結果、従来の陰極材料にトリウムを用いたランプＤは約６００〜８００ｈでアーク不安定によるチラツキが発生した。ランプＢは、約６００ｈでアーク不安定によるチラツキが発生した。
チラツキが発生するまでの時間は、両ランプともほぼ同じであった。従って、発明に係るランプＢにおいては、陰極材料にトリウムを用いていないにもかかわらず、従来のトリタン電極を備えた放電ランプと同等の寿命を達成できた。

このように本発明によれば、陰極に炭化部を設け、放電空間内に水素吸蔵体を配置することにより、該陰極にトリタン材料を利用した放電ランプと同程度の寿命を実現することが可能である。

本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプの一部を断面で示す説明用図面である。図１で示した放電ランプの陰極の説明用拡大断面図であり、陰極先端の動作内容を説明する図である。

符号の説明

１０放電ランプ
１１発光管
１２発光管部
１３封止管部
１５陽極
１６陰極
１６１テーパー部
１６２胴部
１６ａ陰極先端部
１６Ａアーク支持部
１７電極棒
２０被覆層
２１タングステンカーバイト層
２２水素吸蔵体
Ｓ放電空間

Claims

密閉された発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置され、
前記陰極は、基体部分が、ランタン、セリウム、ガドリニウム、イットリウムからなる金属群のうち少なくとも１つの酸化物を含有したタングステンからなり、
当該陰極先端部の近傍にジルコニウム、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、ハフニウム、酸化ハフニウム、炭化ハフニウムの群のうち少なくとも１つの物質を備えてなる放電ランプにおいて、
前記陰極の先端部を除く外表面の少なくとも一部にタングステンカーバイド層を備え、
前記発光管内部に、放電ランプ動作中の該発光管内部の水素量が圧力換算で１３Ｐａ〜１３３０Ｐａとなるように水素を吸蔵している水素吸蔵体を備えている
ことを特徴とする放電ランプ。
前記水素吸蔵体は、水素を吸蔵する物質としてタンタル、ニオブおよびジルコニウムのいずれかより構成されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。