JP5527224B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents
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Description
そして、かかる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を設けて、電子放出特性を高めるようにしたものが知られている。
このような事情を勘案して、陰極の先端部にのみエミッター材を含有させた構造の放電ランプが種々開発されている。
特許文献1(特開2010−33825号公報)にかかる従来のショートアーク型放電ランプの陰極構造が開示されている。
図3(A)に示されるように、ショートアーク型放電ランプ1の発光管10内には、タングステンからなる陽極11と陰極12とが対向配置されている。該発光管10内には水銀やキセノン等の発光物質が封入されている。なお、同図ではショートアーク型放電ランプ1は垂直点灯される態様を示しているが、その用途によっては水平点灯されるものもある。
そして、このランプにおける陰極構造が図3(B)に示されていて、陰極12は、純度の高いタングステンからなる陰極本体部12bと、これと一体形成されたエミッター部12aとからなる。このエミッター部12aは、タングステン中に例えば酸化トリウムなどのエミッター物質を含有させたものである。
もともと、エミッター物質は陰極先端の外表面で熱によって蒸発して消耗されるが、陰極内部からの濃度拡散によって該エミッター物質が外表面に供給されてくることを期待しているものである。
しかしながら、その温度が最も高くなる外表面での消耗量に較べて、より温度の低い陰極内部からの濃度拡散による供給が十分になされず、その供給量が上記消耗量に追いつかないという現象が生じる。
その結果、陰極内部には豊富にエミッター物質を含有していたとしても、陰極表面ではエミッター物質が枯渇するという現象が出現してしまうためである。
このように、上記従来技術では、陰極先端内部にエミッター物質を含有させても、そのエミッター物質が十分に活用されず、陰極先端表面でエミッター物質が枯渇すると、電子放出特性が低下してフリッカーが生じてしまうという問題があった。
また、前記金属酸化物は、前記本体部の表面に塗布された金属酸化物層であることを特徴とする。
更には、前記金属酸化物は、前記本体部に添加されていることを特徴とする。
その結果、陰極エミッター部の表面での酸化トリウムの枯渇といった事態が発生することがなく、エミッター物質の全体の使用量を制限しても、フリッカー寿命の長いランプを実現できるという効果を奏するものである。
図2(図1のA−A部分断面図)にその一形態が示されていて、前記陰極本体部3は、例えば純度が99.99重量%以上の純タングステンより構成されており、その側表面に酸化ジルコニウム(ZrO2)・酸化セリウム(CeO2)・酸化ランタン(La2O3)・酸化イットリウム(Y2O3)などの金属酸化物が塗布されて金属酸化物層5が形成されている。
そして、この金属酸化物層5の上に炭化タングステン層6が形成されている。
通常、このエミッター部4を構成するトリタン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によって還元され、トリウム原子となって陰極外表面を拡散して、温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにするものである。
しかしながら、前記本体部3の縮径部3aの形状はこのテーパー形状に限られず、円弧形状であってもよく、また、エミッター部4もその先端が、いわゆる砲弾型の円弧形状であってもよい。
更には、エミッター部4は、本体部3の縮径部3aにおいて接合されるものを示したが、陰極全体の形状によっては、本体部3の円柱状部3bにおいて接合されるものであってもよい。
また、該炭化タングステン層6は、エミッター部4とは間隔を持って形成されたものを示したが、近接もしくは隣接し、更には一部が積層するものであってもよい。
ランプの点灯中には、エミッター部4を構成するトリタン中の酸化トリウム(ThO2)の表面では、タングステン(W)中に固溶した炭素原子(C)との間で還元反応が起こり、トリウム(Th)が生成されると同時に一酸化炭素(CO)が発生する。
ThO2+C ⇔ Th+2CO (1)
つまり、上記還元反応を促進するためには、酸化トリウムの周囲に炭素(C)が存在することが必要である。
zWxC+MyOz ⇔ zxW+yM+zCO (2)
および、ランプの点灯中に発光管内表面から放出される水蒸気(H2O)や電極から放出される酸素(O2)との反応、
WxC+H2O ⇔ xW+H2+CO (3)
2WxC+O2 ⇔ 2xW+2CO (4)
によって、一酸化炭素(CO)が発生する。ここで、Mは、ジルコニウム(Zr)・セリウム(Ce)・ランタン(La)・イットリウム(Y)等の金属元素を表す。
そして、これらのCOは、発光管内を気相状態で拡散することにより、その一部がアークの中に入る。このCOは、アークの中では高温のために分解されて、C+イオンを生成する。このC+イオンはアーク中の電界によって陰極先端面へ運ばれ、一部はそこでタングステン中に固溶し、表層部から陰極エミッター部4の内部へと拡散して、酸化トリウム表面に供給される。
こうして、本発明の陰極によれば、エミッター部4に含有された酸化トリウム表面への炭素(C)の供給量が増加することによって、上記式(1)に示す酸化トリウムの還元反応が促進されるものである。
直径10mm、厚さ5mmのトリタン、直径10mm、厚さ20mmのジルコニアタングステン(酸化ジルコニウム0.8wt%添加タングステン)を用意する。次に、トリタンとジルコニアタングステンの接合面を合わせて、真空中で軸方向に2.5kN程度の圧縮力を印加する。そして、通電加熱により接合部の温度を約2000℃にして、5分程度トリタンとジルコニアタングステンを拡散接合させる。
拡散接合後の材料を切削加工することで、先端がエミッター部4(トリタン)、後方が本体部3(ジルコニアタングステン)の陰極2となる。
次に、陰極2の先端部を除く表面、具体的には陰極2の表面、例えば先端面から軸に沿って少なくとも2mm程度後退した位置の表面には、浸炭工程によって、厚さ約30μmの炭化タングステン層6が設けられる。
なお、上記したように、この実施例では、炭化タングステン層6はエミッター部4から離れた位置に形成されている例を示したが、一部がエミッター部4に被覆されるような位置であってもよい。その設けられる位置は、後述するように、その温度によって蒸発する炭素量がどの程度かによって決定される。
これにより、エミッター物質の使用量の制限という社会的な要請にも応えることのできる陰極構造が実現でき、その具体的な構造として陰極本体部の縮径部においてエミッター部を接合する構造としても、十分長期にわたるフリッカーの防止機能が発揮できるものである。
2 陰極
3 陰極本体部
3a 縮径部
3b 円柱部
4 エミッター部
5 金属酸化物層
6 炭化タングステン層
Claims (3)
- 発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極が、タングステンからなる本体部と、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部とからなるショートアーク型放電ランプであって、
前記陰極の本体部には、トリウム(Th)以外の金属の酸化物を有し、この金属酸化物の上に炭化タングステン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。 - 前記金属酸化物は、前記本体部の表面に塗布された金属酸化物層であることを特徴とする請求項1のショートアーク型放電ランプ。
- 前記金属酸化物は、前記本体部に添加されていることを特徴とする請求項1のショートアーク型放電ランプ。
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