JP5672580B1 - 放電ランプ - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。
特開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、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り、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。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蒸気は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。
また、前記エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属はタングステンであり、前記先端部には、該タングステンの結晶成長を抑制する粒安定剤(酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウム)が含有されていることを特徴とする。
また、前記エミッタは、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)、酸化イットリウム(Y2O3)の単体またはこれらのエミッタの組み合わせであることを特徴とする。
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、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散供給されてくるので、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。
この焼結体は、陰極内部に埋設されているため、放電アークに直接曝されることがなく、アークによって過熱されることが抑制されるので、過度に蒸発してエミッタが早期に枯渇してしまうようなことがない。
また、先端部に粒安定剤が含有されていることにより、ランプ点灯による先端部の粒成長が抑制されるので、焼結体からのエミッタの供給量が低下することがなく、ランプのフリッカー寿命の延長に加えて、安定的な点灯性に優れた陰極構造となる。
図2に示されるように、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、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)あるいは酸化イットリウム(Y2O3)などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
この先端部の比抵抗ρの値が高い場合は、高濃度のエミッタを含んだ焼結体から陰極先端へのエミッタ供給量が増加してしまい、エミッタの枯渇が進みやすくなる。さらには、発光管内表面へのエミッタの付着も増えてしまい、光束出力も早期に減衰してしまう。
逆に、比抵抗ρの値が低い場合は、高濃度のエミッタを含んだ焼結体から陰極先端へのエミッタ供給量が低下することで、先端部のエミッタ量が不足しやすくなり、エミッタの枯渇が生じてしまう。
ρ=ρ1(格子欠陥)+ρ2(格子振動)+ρ3(その他の要因)
上記各因子による比抵抗値を考察すると以下のようである。
格子振動による影響ρ2(格子振動)は、多くの場合、温度Tにほぼ比例して、減少する。
また、ρ3(その他の要因)は、上記の要因以外に、値は小さいものの、電子同士の散乱などによる抵抗が生じる。
これに対して、格子欠陥による影響ρ1(格子欠陥)は、結晶中の不純物や結晶粒界などにより電子が散乱されるために生じる抵抗で、温度が変わっても変化しない。
今回、絶対温度77Kで測定した比抵抗ρは、室温で測定する比抵抗の値よりも格子振動の影響が少なく、先端部の材料の格子欠陥の影響を反映している値である。
先端部における格子欠陥による比抵抗ρ1(格子欠陥)に影響を与える要因としては、当該先端部に添加された添加剤(第1エミッタや粒安定剤)の粒子や、結晶中の不純物、結晶粒界、加工歪の影響などがある。
先端部32の加工を行う場合、加工後の結晶粒界の再結晶化を抑制する材料を粒安定剤として含有させる。
例えば、タングステン粒子に再結晶化を抑制するための添加剤(粒安定剤)を含有させずに先端部を加圧・成型し、焼結・スウェージなどの加工を行った場合、例えば、ランプ点灯時の温度に相当する2200℃以上の高温に長時間曝されると、内部の結晶粒は再結晶化が進行して粗大化し、場合によっては結晶粒界がほとんど消失してしまう。このため、添加剤を添加しないと、ランプの動作に伴い結晶粒界が減少し比抵抗ρ1(格子欠陥)が減少する。
これに対して、再結晶化のための添加剤を添加するとタングステン結晶粒界に分散して、タングステン粒の再結晶化による結晶粒界の消失を抑制するピン止め効果が生じる。このため、高温で熱処理を行っても再結晶化の進行を抑制し、結晶粒の粗大化を抑制することができる。このため、ランプの動作によっても比抵抗ρ(格子欠陥)が減少しにくい。
また、先端部に含有される第1エミッタに使用される材料もタングステンと反応し、外部へ拡散するものの、先端部内部に拡散している状態では、酸化ジルコニウムと同様に再結晶化を抑制する効果がある。
つまり、第1エミッタと粒安定剤を合わせた添加剤の含有量が、5.0重量%を超えると先端部の比抵抗ρ(T=77K)の値は、0.77μΩ・cm〔上限値〕より大きくなる。これを先端部に使用した場合に、結晶粒界が増えるため、エミッタ焼結体から陰極先端に運ばれるエミッタ量が増大し、陰極のエミッションは良好であるものの、エミッタの蒸発が増加し、発光管へのエミッタ付着量が増加し、発光管の黒化・白濁を促進してしまうため好ましくない。
また、先端部を構成する焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスウェージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなる。
そして、先端部に添加する添加剤は、タングステンに比べて、室温での電気抵抗が大きく、事実上、絶縁体である。したがって、添加剤を加えると、タングステンの実効的な断面積が減少するため、比抵抗は増加する傾向となる。
図2(A)は、密閉空間33が本体部31側に形成されていて、焼結体34は実質的には、該本体部31内に埋設されている。
図2(B)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。
図2(C)は、密閉空間33が先端部32側に形成されていて、焼結体34は、実質的には、該先端部32内に埋設されている。
当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部32の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものが、いずれの形態の場合も、焼結体34の前端は、該陰極先端から1.5mm乃至3.5mmの位置に配置されるのが好ましい。また、これらのいずれの形態を選択するかは、製造面での容易性と、先端部32の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。
そして、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、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。
しかして、この焼結体34は、陰極先端側の端面が先端部32に当接した状態であることが望ましい。こうすることにより、焼結体34に含まれる第2エミッタがランプ点灯中に、先端部32に当接していることにより、エミッタが粒界拡散によって先端部32側に円滑に且つ速やかに移動して確実に供給されるようになる。
陰極の外径:φ12mm、軸方向の長さ:21mm
先端部の寸法:軸方向長さ2mm、材料例:酸化ランタン(エミッタ)、酸化ジルコニウム(粒安定剤)をドープしたタングステン
本体部の寸法:軸方向長さ19mm、材料例:酸化ジルコニウム(粒安定剤)をドープしたタングステン
焼結体の寸法:φ2mm、軸方向長さ:6mm、材料例:酸化セリウム、タングステンを重量比 1:2で混合、成型、焼結したもの。
陰極3内部の密閉空間33内に埋設する焼結体34は、エミッタとしての酸化セリウム(CeO2)とタングステン(W)の配合比を、1:2で、混合し、バインダ(ステアリン酸)を添加した上で、加圧プレス機により成型を行う。この後、水素中で1000℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、真空中での本焼結をタングステン炉中において、1700〜2000℃、好ましくは1800〜1900℃、1hで行うことで、製作する。
陰極の先端部32は、La2O3及びZrO2ドープタングステンとし、本体部31は、ZrO2ドープタングステンである。ともに、真空中で2300℃〜2500℃の温度で焼結する。このようにエミッタが含有されたタングステンをより高い温度(例えば、3000℃)で焼結すると、エミッタが蒸発して消失してしまうので、好ましくはない。
なお、本実施形態のように、本体部31にエミッタを含有しない形態の場合には、それよりももっと高い温度、例えば2700℃〜3000℃で焼結することができる。
この時、図3(B)に示すように、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。
図3(C)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3(D)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が密閉埋設された陰極3の最終形状が得られる。
以下、先端部について添加剤が比抵抗に及ぼす影響と、ランプ寿命との関係を調べた。
比抵抗を測定するにあたってのタングステン材の熱処理条件は、真空中において2400Kで15分間熱処理した。
測定は4端子法で、電圧、電流を測定し、タングステン材の寸法から、比抵抗を求める。このとき、液体窒素中(絶対温度77K)で測定を行う。
液体窒素中では、比抵抗のフォノン散乱(格子振動)による影響を、かなりの程度抑えることができるため、測定された比抵抗の値は、添加剤の添加量の影響が支配的に反映されたもの、すなわち、前述したρ1(格子欠陥)となる。
図4の結果でみられるように、ランプ寿命が100h以上となる条件は、先端部のタングステンに、添加剤を0.5〜3.5重量%添加した場合であり、2400Kで真空熱処理を行った後、測定温度T=77Kで測定した比抵抗は、0.65〜0.77μΩ・cmである。
エミッタの拡散が、確保されることが、ポイントとなるので、結晶粒界は、多いほうがよいが、エミッタを含む添加剤の添加量が多くなりすぎて、5.0重量%以上になると、粒界が増えるとともに、エミッタの濃度も高くなるため、陰極先端へのエミッタ供給量が増加してしまい、エミッタの枯渇が進みやすくなり、さらには、エミッタの蒸発による発光管内表面への付着も増えて白濁してしまい、光束出力も早期に減衰してしまう。
一方、エミッタを含む添加剤が、0.1重量%以下と少ない場合は、この逆で、粒界が減少してしまい、かつ、エミッタの濃度も低いために、エミッタの先端への拡散供給が、不足して早期にエミッタの枯渇が生じてしまい、点灯性が不良となるとともに、先端部のタングステンが蒸発して発光管に付着して黒化を招いてしまう。
また、先端部に粒安定剤が含有されていることにより、ランプ点灯による先端部の粒成長が抑制されるので、陰極内部の焼結体からのエミッタの拡散供給量が低下することがなく、前述のランプのフリッカー寿命の長期化に加えて、安定的な点灯性に優れた陰極構造となる。
更には、この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の、蒸気圧の低いエミッタを使用しても、このエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。
2 発光管
3 陰極
31 本体部
32 先端部
4 陽極
5 第1エミッタ
Claims (3)
- 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、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
前記本体部は、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、前記先端部に含有されたエミッタ濃度(重量%濃度)よりも高濃度のエミッタ(重量%濃度)が含有された焼結体が埋設され、
前記先端部の比抵抗ρ(測定温度T=77K)が0.65〜0.77μΩ・cmであることを特徴とする放電ランプ。 - 前記エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属はタングステンであり、
前記先端部には、該タングステンの結晶成長を抑制する粒安定剤(酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウム)が含有されていることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。 - 前記エミッタは、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)、酸化イットリウム(Y2O3)の単体またはこれらのエミッタの組み合わせ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。
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