JP5584093B2 - ショートアーク放電灯用陰極およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はショートアーク放電灯用陰極に関し、特に、電子放射性物質を陰極先端への安定的な供給に関する。

ショートアーク放電灯の陰極として、電子放射性物質（エミッタ）を高融点金属に質量比で数％ドープした陰極が採用されている。特に、タングステン（Ｗ）に酸化トリウム（ThO₂）を含有させたトリエーティッドタングステン（通常２ｗｔ％ThO₂−Ｗ）、あるいは陰極本体を高融点金属で形成し、電子放射性物質を含んだ高融点金属を本体の先端に埋め込むようにした陰極が用いられている。これは陰極と陽極間に形成されるアーク放電を長時間安定させ、高輝度の光を長時間安定して得ることができる。

かかるエミッタを採用した陰極において、陰極が極めて高温になると、陰極表面に析出した酸化トリウムが蒸発・飛散しやすくなる。蒸発・飛散した酸化トリウムは放電空間中で酸素が離脱し、離脱した酸素が陽極先端部のタングステンと結合し、酸化タングステンを形成する。この酸化タングステンは陽極先端部のタングステンの融点を低下させ、これにより、陽極先端部の損耗、変形が生じる。

このような問題に対して、特許文献１には陰極最表面から５０μｍ〜１００μｍの深さまで酸化トリウムの欠乏層を形成することが開示されている。これにより、点灯中における表面からの酸化トリウムの蒸発を少なくすることができる。

特開２００３−２５７３６５号公報

しかし、特許文献１の陰極では、酸化トリウムの欠乏層を内部拡散してきたトリウムが前記欠乏層の表面に達し、表面拡散によって陰極先端にトリウムが供給されてしまう。したがってエミッタが短期間で枯渇してしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点を解決し、陰極内部からの電子放射性物質を陰極先端に安定的に供給できるショートアーク放電灯用陰極を提供することを目的とする。

(1)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極の製造方法においては、電子放射性物質を含有する高融点金属で構成され、先端が先細形状である陰極素形材を準備する工程、前記陰極素形材を焼結ダイ内に載置し、前記陰極素形材の周囲に充填した高融点金属の粉末を前記陰極素形材の表面に加圧焼結させ、高融点金属層を形成する加圧焼結工程、前記高融点金属層の結晶粒を粗大化するために、熱処理により前記高融点金属層を再結晶化させる結晶粒粗大化工程を備えている。したがって、前記陰極素形材よりも結晶粒の大きな高融点金属層で前記陰極素形材を覆うことにより、前記陰極素形材の側面における表面拡散を防止することができる。これにより陰極内部からの電子放射性物質を陰極先端に安定的に供給することができる。

(2)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極の製造方法は、前記結晶粒粗大化工程の前に前記高融点金属が接合焼結された陰極素形材の先端を除去して、先端を先細形状とする。したがって、陰極形状を簡易に構成することができる。

(3)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極は、電子放射性物質を含有する高融点金属によって構成され、先端部から前記電子放射性物質を放出するショートアーク放電灯用陰極であって、前記電子放射性物質を含有しない高融点金属で構成され、かつ、結晶粒が前記陰極を構成する金属よりも粗大な高融点金属層で、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域を覆っている。したがって、前記電子放射性物質の表面拡散による前記先端部への移動を防止できる。また、前記高融点金属層は、前記陰極表面と焼結されているので、前記電子放射性物質が界面拡散により、前記陰極先端部に供給される。界面拡散は表面拡散に比べると速度が遅く、かつ定速で電子放射性物質が移動する。これにより、電子放射性物質の供給制御が容易となる。

(4)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極においては、前記高融点金属層は、前記焼結接合層を再結晶化させることにより結晶粒を前記陰極よりも粗大化させている。したがって、表面拡散を防止できる。

(5)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極は、電子放射性物質を含有する高融点金属によって構成され、前記電子放射性物質が側面からの表面拡散および内部の粒界拡散により、その先端部から前記電子放射性物質を放出するショートアーク放電灯用の陰極であって、前記表面拡散を制限するために、前記電子放射性物質を含有しない高融点金属層を、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域に焼結接合させている。したがって、前記陰極素形材の側面における表面拡散を防止することができる。

本明細書においては、「高融点金属」にはタングステン、モリブデンなどを採用することができる。また、電子放射物質にはランタン、セリウム、イットリウムなどの希土類金属、バリウム、カルシウム、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属、トリウム及びそれらの酸化物の単体又は複合物質を採用することができる。

本発明が適用される陰極を備えたショートアーク型水銀放電灯の構造の一例を示す図である。 陰極電極１４の断面構造を示す図である。 上記実施形態における拡散作用を説明するための図である。 上記実施形態における加圧焼結用の装置を示す概略図である。 陰極素形材の加工工程を示す図である。

図１に、本発明にかかる陰極を有するショートアーク型水銀放電灯１を示す。石英ガラス製の封体１０は中央が略球状に膨出され、両端はシール部を介して封止され、口金１１が嵌められている。封体１０内にはアルゴン又はキセノンなどの所定のガスに加えて、水銀が所定の圧力・量で封入されている。封体１０の両端部にはタングステン棒１２が挿通されている。タングステン棒１２の先端には陽極１３及び陰極１４がそれぞれ取り付けられている。陽極１３と陰極１４の間はアーク放電がおこるよう所定の隙間が設けられる。

図２に陰極１４の詳細構造を示す。陰極１４は、本体部分１４Ａおよび本体部分１４Ａを覆う焼結接合層１４Ｂで構成されている。本体部分１４Ａは酸化トリウムを含有するタングステンで構成されている。本体部分１４Ａは円錐台形状をなしている。

焼結接合層１４Ｂは、本体部分１４Ａの結晶粒に比較して結晶粒が粗大化されている。焼結接合層１４Ｂは先端部のアーク放電領域１４Ｃを除いて本体部分１４Ａを覆っている。

トリウムを含有する本体部分１４Ａをトリウムを含まない粗大結晶粒のタングステン層で覆うことにより、以下のような効果がある。図３に示すように、本体部分１４Ａに含有されたトリウムは、本体部分１４Ａについては粒界拡散をする。焼結接合層１４Ｂに達したトリウムは、焼結接合層１４Ｂの結晶粒が大きいので、その分、粒界拡散は抑制される。よって焼結接合層１４Ｂの表面にまで拡散してくるトリウムを抑制することができる。その結果、焼結接合層１４Ｂ表面からの表面拡散を抑制することができる。これにより、エミッタの枯渇を防止できる。また、当然、焼結接合層１４Ｂ表面からの蒸発も防ぐことができる。

また、陰極１４の本体部分１４Ａと焼結接合層１４Ｂとの間に直線的な粒界１４Ｄが形成される。これにより、本体部分１４Ａから移動してきたトリウムは、本体部分１４Ａと焼結接合層１４Ｂとの間の直線的な粒界１４Ｄに沿って陰極先端のアーク放電領域１４Ｃに向けて拡散する。このように、アーク放電領域１４Ｃへのトリウム供給は、従来のように本体部分１４Ａの表面を移動する表面拡散ではなく、粒界１４Ｄを直線的に粒界拡散する。かかる粒界拡散は表面拡散よりも移動速度が遅い。したがって、長期間の点灯であっても、安定的にトリウム供給がなされる。

図４、図５を用いて、ショートアーク放電灯用陰極１の製造方法について説明する。本実施形態における製造方法は、以下の第１行程〜第６行程で構成されている。

［第１工程］
第１工程では、トリウムを含有するタングステン棒の先端を円錐状に加工し、図４に示すような陰極素形材１４０を生成する。

［第２工程］
第２工程では、複数の粒度のタングステン粉末を混合する。複数の粒度のタングステン粉末を混合することにより、原料粉末を焼結ダイに充填する際、粒子間の隙間を小さくすることができる。これにより、後の焼結行程にて、高密度な（ポアが少ない）焼結接合体を得ることができる。複数の粒度のタングステン粉末を混合するためには、ボールミルなどの公知の混合機を用いればよい。

［第３工程］
第３工程では、陰極素形材１４０の周囲にタングステン皮膜を生成する。

図４に示すパンチ１３２の上に第１工程で製作した陰極素形材１４０をセットし、これをダイ１３０の下から挿入する。ダイ１３０と陰極素形材１４０の隙間に第２工程で調製したタングステン粉１３３を充填する。ダイ１３０の上の開口部に上のパンチ１３１を挿入する。これらを放電プラズマ焼結装置１００にセットし、装置チャンバー１３４内を真空にする。

上下のパンチ電極１３５の間に、数Ｖ〜数１０Ｖ程度の低電圧で、数１００Ａ〜数万Ａのパルス状の大電流を通電する。これによりタングステン粉１３３及び陰極素形材１４０は、例えば１００K（ケルビン）／ｍｉｎの上昇率で加熱され、最終的には例えば１５００Kに達するまで加熱する。

さらに、上下のパンチ電極１３５の間に、数１０ＭＰａの圧力を数１０分間加え、タングステン粉１３３の焼結を行う。これにより、焼結したタングステン層が陰極素形材１４０に接合する。密度は理論密度の６０〜９９.５％とする。

タングステン粉末の焼結、接合はパルス状の大電流によりなされる。ここで、陰極素形材１４０とタングステン１３３との結合について、その原理は明らかではない。発明者は、両者の界面における火花放電現象により発生する放電の高エネルギー密度場とジュール熱による熱拡散、ＯＮ−ＯＦＦパルス電流の流れの方向に沿った電磁場発生による高速物質移動を促進する電界拡散効果などであると推認している。

本発明を実施するにあたっては、放電プラズマ焼結法が最適であるが、タングステン粉末の焼結と陰極素形材１４０との拡散接合ができれば、とくに限定されるものではなく、ホットプレス法やＨＩＰ（熱間等方圧加圧）法でもよい。

焼結時の温度は１３００Ｋ以上２３００Ｋ以下が望ましい。１３００Ｋ未満では所望の焼結密度が得られず、又は十分な接合ができないからである。また、２３００Ｋを超えると、陰極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなり、点灯時にトリウムの拡散が阻害されるからである。

なお、２０００Ｋを超えると、焼結時の圧力によっては黒鉛製のパンチ・ダイが強度不足となり、あるいは黒鉛の昇華が始まることもある。したがって、かかる問題を回避するために、焼結時の温度を１３００Ｋ以上２０００Ｋ以下とするようにしてもよい。

また、第２工程で複数の粒度のタングステン粉末を混合しているので、焼結後のタングステンの焼結接合層１４Ｂのポアを少なくできる。したがって、ポアの部分に溜まっているガスや不純物がアーク放電中に放出される事を防止できる。これにより、陰極１４の変形や消耗が発生を防止し、陰極１４の温度上昇に伴う蒸発を防ぎ、封体の内面が黒化を防止できる。なお、焼結接合層１４Ｂはその密度が理論密度の９０％以上になることが望ましい。

これにより、図５Ａに示す円柱形状の複合材料１５０が得られる。

［第４工程］
第４工程では、陰極としての形状加工をおこなう。第３工程により得られた複合材料１５０を、円柱の上に円錐台を結合した陰極形状に加工するとともに、先端に所定径のアーク放電領域１４Ｃを形成する。この加工は旋盤などを使った切削加工や、ワイヤーカット放電加工など、通常の金属加工法を採用できる。これにより図５Ｂに示すような陰極が得られる。

なお、焼結接合層１４Ｂの厚みは、０．０１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内とすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。０．０１ｍｍ未満では電子放射物質が表面へ達する拡散を効果的に抑制できず、２５KW程度の入力電力の陰極であれば、３．０ｍｍを超えると、陰極全体の温度が低下し、先端部が電子を放出する温度に達せず、かえってアーク放電が不安定になるからである。なお、焼結接合層１４Ｂの厚みは、陰極の大きさ（Ｗ数）によって変動させればよい。

また、焼結接合層１４Ｂの厚みは、先端になるほど薄くなるように加工するのが好ましい。これは、陰極先端径を少しでも小さくすることにより、アーク放電する箇所が集中し、輝度が向上するからである。

［第５工程］
第５工程では焼結接合層１４Ｂの結晶粒を粗大化する。第４工程で得られた焼結接合層１４Ｂを、真空雰囲気で熱処理を行うことにより、焼結接合層１４Ｂの結晶粒が粗大化する。熱処理温度は１３００Ｋ以上２３００Ｋ以下が好ましい。１３００Ｋ未満では再結晶化が起こり難く、結晶が粗大化しないからである。２３００Ｋを超えると、陰極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなりすぎ、点灯時にトリウムの粒界拡散が阻害されるからである。

一般的に、陰極１４の本体部分の結晶粒径は概ね１５〜５０μｍであり、焼結接合層１４Ｂの結晶粒径は１００μｍ以上であることが好ましい。

なお、熱処理時間は処理温度に応じて、５分〜３６０分程度の範囲内から設定すればよい。

［第６工程］
第６工程では、脱ガス処理を行う。

本実施形態においては、陰極としての形状加工の後、結晶粒粗大化している。これは、タングステンは難加工材料で、結晶粒を粗大化した後に切削加工すると、加工中に剥がれたりかけたりする。このような状況では、陰極の一部に突起部が形成され、かかる突起部からの異常放電などの問題を回避するためである。また、その後、脱ガス処理を行っているのは、脱ガス処理後による切削加工等をすると切削油や不純物がつくという問題を回避するためである。

したがって、上記問題を回避できるのであれば、第４〜６工程の順番については問わない。

本実施形態においては、被覆層として焼結接合層で構成した場合について説明したが、これに限定されるわけではない。

なお、本実施形態においては、タングステン粉１３３を円筒形状に成形した後、先細形状に加工するようにした。したがって、先細形状に切削加工するの手間がかかる。したがって、タングステン粉１３３の成形時に先細形状になるように、パンチ１３１の形状を変更してもよい。これにより加工量を削減することができる。

本実施形態においては、電子放射物質として酸化トリウムを、高融点金属としてタングステンを採用したが、これに限定されない。

本実施形態においては、装置チャンバー１３４内を真空にした場合について説明したが、水素雰囲気又は不活性ガス雰囲気でもよい。

上記実施形態においては、超高圧水銀放電灯に適用した場合について説明したが、その他のショートアーク放電灯にも適用可能である。

１４・・・・・陰極
１４Ａ・・・・本体部分
１４Ｂ・・・・焼結接合層
１４Ｃ・・・・アーク放電領域

Claims (5)

1. 電子放射性物質を含有する高融点金属で構成され、先端が先細形状である陰極素形材を準備する工程、
   前記陰極素形材を焼結ダイ内に載置し、前記陰極素形材の周囲に充填した高融点金属の粉末を前記陰極素形材の表面に加圧焼結させ、高融点金属層を形成する加圧焼結工程、
   前記高融点金属層の結晶粒を粗大化するために、熱処理により前記高融点金属層を再結晶化させる結晶粒粗大化工程、
   を備えたことを特徴とするショートアーク放電灯用陰極の製造方法。
2. 請求項１のショートアーク放電灯用陰極の製造方法において、
   前記結晶粒粗大化工程の前に前記高融点金属が接合焼結された陰極素形材の先端を除去して、先端を先細形状とする工程を有すること、
   を特徴とするショートアーク放電灯用陰極の製造方法。
3. 電子放射性物質を含有する高融点金属によって構成され、先端部から前記電子放射性物質を放出するショートアーク放電灯用陰極であって、
   前記電子放射性物質を含有しない高融点金属で構成され、かつ、結晶粒が前記陰極を構成する金属よりも粗大な高融点金属層で、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域を覆ったこと、
   を特徴とするショートアーク放電灯用陰極。
4. 請求項３のショートアーク放電灯用陰極において、
   前記高融点金属層は、前記高融点金属の焼結接合層を再結晶化させることにより結晶粒を前記陰極よりも粗大化させたこと、
   を特徴とするショートアーク放電灯用陰極。
5. 請求項３または請求項４のショートアーク放電灯用陰極を有するショートアーク放電灯。

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