JP5672576B1 - 放電ランプ - Google Patents
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Abstract
Description
特表2005−519435号公報(特許文献1)には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン(La2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)などを含有させた放電ランプが開示されている。
また、陰極に含まれるエミッタが、陰極の後端から先端に向けての移送が迅速に行われ難く、そのため、実際に電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであるということもエミッタ枯渇の一因といえる。
このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、1kW以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の早期の蒸発は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。
その構造が図8(A)に示されている。陰極3を、本体部31とその先端に接合された先端部32とから構成し、本体部31に凹所を形成して、その先端に先端部32を接合して、密閉空間33とし、この密閉空間33内に、エミッタとして高濃度の希土類酸化物を含んだタングステン焼結体(エミッタ焼結体)34を収容した構造である。
この構造によって、エミッタ焼結体34が直接放電空間に曝されることがなく、該焼結体中のエミッタが陰極先端から過度に蒸発することを抑制して、エミッタの早期の枯渇を防止して、安定的な供給を持続させようと意図するものである。
その不具合について詳細に検討したところ、エミッタ焼結体34が、ランプ点灯に伴ってその焼結度が進むことに原因するものと推測された。つまり、エミッタ焼結体は、焼結時にエミッタが蒸発してしまうことを回避するために、同じ焼結構造である陰極3の本体部31や先端部32の焼結温度よりも低い温度で焼結をするので、その焼結度が十分には進んでいない。
これが、ランプ点灯時の高温加熱によって焼結度が進行し、その密度が高くなって体積が収縮する。このとき、エミッタ焼結体34には、軸方向の両端から引っ張られる力が働き、その力に抗しきれずに、ひび割れXが生じるものと推察される。
こうしたひび割れXや空隙Sが形成されると、エミッタ焼結体34からの陰極先端部32へのエミッタの拡散移送が行われなくなり、焼結体内のエミッタの十分な活用ができず、陰極先端でのエミッタの枯渇という事態が発生する。
また、前記先端部は、エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属から構成されるとともに、前記焼結体に含有されるエミッタ濃度は、前記先端部に含有されるエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
また、前記本体部および前記先端部は、タングステンを主成分とする材料からなり、前記押圧部材は、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)などの高融点金属若しくはこれらの合金、又は酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)のいずれかよりなる酸化物、で構成されていることを特徴とする。
また、前記押圧部材は、バネ形状の部材であり、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)などの高融点金属若しくはこれらの合金で構成されていることを特徴とする。
また、先端部には、前記焼結体のエミッタ濃度よりも低濃度のトリウム以外のエミッタが含有されているので、放電ランプを当初に点灯する際には、先端部に含まれたエミッタ(トリウムを除く)が先端部を被覆することにより良好な点灯性がもたらされる。
図2に詳細が示されるように、陰極3は、本体部31と、その先端に接合された先端部32とからなる。
前記本体部31は、トリウムを含まない、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料からなる。
そして、前記先端部32は、前記本体部31の先端側、即ち、陽極4と対向する面に固相接合、溶接などの適宜な接合手段により接合されている。当該先端部32には、必要に応じて、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている(以下、先端部に含まれるエミッタを第1エミッタともいう)。
このトリウム以外の第1エミッタとしては、例えば、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
このエミッタ焼結体34には、トリウム以外のエミッタ(以下、焼結体34に含有される金属エミッタを第2エミッタともいう)が含有されていて、その具体例は例えば、前記第1エミッタと同様、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)などの単体もしくはその組み合わせを混入して、焼結したものが使われる。
この焼結体34に含有される第2エミッタの濃度は、前記先端部32に含有される第1エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、10重量%〜80重量%である。
この第2エミッタの濃度が、10重量%未満であると、陰極3内部に格納できる焼結体34のサイズの関係から、ランプ寿命時間内に陰極先端部32に供給するエミッタ量を確保することが難しくなってしまう。また、80重量%を超えてしまうと、焼結体34のタングステン等の構成材料の割合が減少してしまい、酸化物の還元による生成物が減少してしまうため、いずれの場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。
この押圧部材35は、ランプ点灯時の陰極3の到達温度よりも高い融点(例えば、融点が約2000℃(2300K)以上)を有し、かつ、陰極3の本体部31と先端部32を構成する材料よりも、線膨張係数がより大きい材料から構成される。
例えば、陰極3の本体部31と先端部32を構成する材料としては、タングステンが代表として挙げられる。この場合、押圧部材35としてはタングステンの線膨張係数よりも高い線膨張係数を有する金属であり、具体的には、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)などの高融点金属若しくはこれらの合金、又は酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)などである。
図3に示す実施例では、密閉空間33が、本体部31と先端部32とに跨って形成されていて、焼結体34はこの本体部31と先端部32とに跨るように埋設されている。
また更には、図4に示す実施例では、図3と同様に、密閉空間33が、本体部31と先端部32とに跨って形成されているが、焼結体34が、実質的には、前記先端部32内に埋設されている。
このように、焼結体34は陰極3内部に埋設されていることにより、放電アークに直接曝されることがなく、必要以上に加熱されることがないので焼結体中に含まれる第2エミッタが過度に蒸発することがない。
<寸法例>
本体部:Kドープタングステン
本体部胴径:φ10mm
先端部:W+ZrO2+La2O3(エミッタ)
先端部厚さ:3mm
密閉空間:内径φ2.1mm、深さ4mm
焼結体:W+CeO2(エミッタ)(体積比3:1)
焼結体寸法:φ2mm、全長2mm
押圧部材:タンタル
押圧部材寸法:φ2mm、全長2mm
タングステン(W)粉末と酸化セリウム(CeO2)粉末を体積比で3:1の割合で混合し、バインダ(ステアリン酸)を添加した上で、加圧プレス(約50MPa)により成形を行う。次に、この圧縮成形品を還元雰囲気中1000℃で脱脂・仮焼結し、そして、真空加熱炉内に挿入して、1800℃に加熱、焼成して、焼結体の原型を製作した。この原型焼結体の端面を切削整形して、直径約φ2mm且つ長さ2mm前後の焼結体を製作した。
成形後の焼結体のセリウムの原子の重量濃度は28%であった。
先ず図7(A)に示すように、本体部31を構成する本体部材31aの先端側に密閉空間33を構成する穴33aを形成し、該穴33a内に押圧部材35と焼結体34を挿入する。次いで、先端部32を構成する先端部材32aを焼結体34に当接する。
この時、焼結体34の先端は、本体部31の表面より0.5mm程度の若干量だけ突出しているように関係づけられている。
図7(B)に示すように、先端部材32aを押圧して、焼結体34を圧縮し、先端部材32aと本体部材31aとを当接する。この際、焼結体34は、本体部31や先端部32の焼結温度よりも低い温度で焼結してあるので、押圧による縮み代は大きく、本体部材31aと先端部材32aの当接により、若干量だけ縮み、焼結体34は先端部材32aと当接した状態となる。
この状態で、拡散接合や抵抗溶接等により本体部材31aと先端部材32aを接合する。
次いで、先端部材32aと本体部材31aの接合後に、陰極3の先端を切削加工する。
これにより、図7(C)に示すように、本体部31の先端に先端部32が接合され、その内部の密閉空間33内に焼結体34と押圧部材35が密閉埋設された陰極3の最終形状が得られる。
また、先端部にトリウム以外の低濃度のエミッタを含有させることにより、ランプの初期点灯時にこのエミッタが始動性を確保して確実な点灯が行われる。
また、点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部に高濃度のエミッタ焼結体が先端部に当接されるように封入されていることから、点灯時にはこのエミッタが陰極先端部側に確実に拡散する。これにより、陰極先端部へのエミッタの供給が円滑に行われるので、陰極先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性が安定的に長期間維持される。
このように、本発明によれば、陰極内部にトリウム以外の高濃度エミッタを含有した焼結体を収容する陰極構造を実用的に実現できるものである。
2 発光管
3 陰極
31 本体部
32 先端部
33 密閉空間
34 焼結体
35 押圧部材
4 陽極
Claims (5)
- 発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
前記陰極は、本体部とその先端面に接合された先端部とからなり、
前記本体部および前記先端部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
前記本体部および/または先端部の内部に形成された密閉空間内に、エミッタ(トリウムを除く)が含有された焼結体が埋設され、
前記焼結体の前端側は前記先端部と当接され、前記密閉空間内の前記焼結体の後端側には該焼結体を前記先端部側に押圧する押圧部材が設けられていることを特徴とする放電ランプ。
- 前記先端部は、エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属から構成されるとともに、前記焼結体に含有されるエミッタ濃度は、前記先端部に含有されるエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
- 前記押圧部材は、前記本体部および前記先端部よりも膨張率の大きな高融点材料であることを特徴とする請求項1または2に記載の放電ランプ。
- 前記本体部および前記先端部は、タングステンを主成分とする材料からなり、
前記押圧部材は、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)などの高融点金属若しくはこれらの合金、又は酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)のいずれかよりなる酸化物、で構成されていることを特徴とする請求項3に記載の放電ランプ。 - 前記押圧部材は、バネ形状の部材であり、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)などの高融点金属若しくはこれらの合金で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の放電ランプ。
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