JP5891697B2 - 放電ランプ用陰極の製造方法 - Google Patents

Description

この発明はショートアーク型放電ランプ用の陰極の製造方法に関し、特に、陰極先端に電子放射性物質を含有するチップが設けられた陰極の製造方法に係わるものである。

通常、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプや、半導体露光、ＬＣＤ露光用などの光源として利用される水銀を封入したショートアーク型放電ランプでは、直流点灯方式のランプが使用されている。
その典型的な一例が図３に示されている。放電ランプ１０は発光部１２とその両端の封止部１３とからなる発光管１１を有し、前記発光部１２内には、陰極１４と陽極１５とが対向配置されていて、直流点灯される。
このように、放電ランプを直流点灯することで、アークの輝点を陰極先端に固定し、点光源とすることで光学系と組み合わされた時に高い光の利用効率を実現するものとされている。
このような直流点灯方式の放電ランプに用いられる陰極は、定常点灯時に常時電子を放出する役割を担うため、電子放射を容易にすべく、高融点金属に電子放射性物質を混入して構成されたものが多用されている。

そして、この電子放射性物質としては、点光源および高輝度が要求される放電ランプにおいては、陰極先端の動作温度を高くできるものとしてトリウムが一般的に使用されている。しかしながら、トリウムは放射性物質であるため、昨今ではその扱いが厳しく規制されてきており、陰極にトリウムを用いざるを得ないとしても、トリウム含有量を極限まで減らすことが要求されている。
このような観点から、陰極先端にのみトリウムを含有したチップを設けるようにした陰極構造が、上記した昨今の要請にマッチしたものとして使用されるようになってきている。

従来、このような陰極の先端に電子放射性物質を含有させたチップを設けた構造のものとして、例えば、特開昭６２−２４１２５３号公報（特許文献１）に示されるように、電極基材に有底穴からなる凹部を形成し、この凹部に電子放射性物質を含有したチップを圧入などの手段で機械的に埋設したものが知られており、また、特開２０１１−１５４９２７号公報（特許文献２）に示されるように、電極基材に対して電子放射性物質のチップを拡散接合したものが知られている。

ところが、上記従来技術においては、それぞれ下記のような問題点がある。
特許文献１に示された陰極構造では、高融点金属の電極基材に形成された凹部に、電子放射性物質を含有した焼結体（チップ）を圧入する方法では、圧入時にチップあるいは電極基材が破損することがあり、歩留まりが悪くなるという問題がある。
また、特許文献２のものでは、高融点金属からなる電極基材と、電子放射性物質を含有した焼結体とを、高温中で加圧当接させて、拡散接合により接続する。その方法として例えば、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ焼結法）が挙げられるが、まず、この放電プラズマ装置は高価であるため、工業的に生産可能なまで設備を整えることが現実的には難しいという問題がある。
そして、その製造工程では、接合させる部材同士を当接した状態で圧力を加え、所定の焼結温度まで昇温させた後、この状態を一定時間保持しなければならない。このため、製造に多大な熱量と時間を要することになる。
この拡散接合の方法としては、上記放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ焼結法）以外にも、例えば、ホットプレス法（ＨＰ）、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）などが知られているが、いずれも、加圧しながら焼結する、つまり、高温状態で一定時間加圧保持しなければならない方法であるため、製造コストが高く、量産性に乏しいという問題がある。

特開昭６２−２４１２５３号公報 特開２０１１−１５４９２７号公報

この発明が解決しようとする課題は、先端に電子放射性物質を含有するチップを設けた放電ランプ用陰極の製造方法において、製造時の歩留まりが良好であって量産が可能な、しかも製造コストの低い陰極の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る放電ランプ用陰極の製造方法では、高融点金属よりなり、先端面に凹部を有する電極基材を高温に加熱して熱膨張させる第一の工程と；前記電極基材が高温に維持された状態で前記凹部に電子放射性物質を含むチップを挿入する第二の工程と；前記電極基材を冷却することで、当該電極基材を収縮させて前記チップを接合する第三の工程と；前記チップが頂点をなすように、前記電極基材の先端を略テーパ状に切削加工する第四の工程と；を具備していることを特徴とする。

また、前記第二の工程において、前記チップは前記電極基材の先端面より突出するように挿入されることを特徴とする。
また、前記第四の工程において、前記電極基材のチップが埋設された周縁部の端面を残留させて切削することを特徴とする。
また、前記第三の工程のあとに、前記電極基材の側面からレーザ照射することにより、前記チップと前記電極基材を拡散接合させることを特徴とする。

この発明によれば、製造段階において機械的な破損が生じることを回避して歩留まりを向上させることができる。そして、加熱時間が少なくて済み、拡散接合と同等の接合強度をもちながら製造コストを下げることができる。

この発明の製造方法の説明図。 この発明によって製造された陰極の拡大図。 従来の放電ランプの全体図。

図１は、本発明にかかる陰極の製造方法を説明するための図である。
図１（Ａ）において、円柱状の電極基材１は、陰極本体部分を構成する高融点金属、好適にはタングステンよりなり、該基材１の先端面１Ａの中心には軸方向に断面円形の有底穴からなる凹部２が形成されている。前記基材１は、例えば、その直径がφ１５ｍｍで、長さが２５ｍｍである。凹部２は、直径がφ６ｍｍよりも５〜１０μｍ程度小さく形成されており、その深さは８ｍｍである。
図１（Ｂ）に示すように、この基材１を、凹部２の開口が上を向くように電気炉の内部に載置し、ヒータＨによって約６００℃程度の温度に加熱する。

そして、電子放射性物質を含有するチップ３を用意し、加熱されて熱膨張した状態の基材１の凹部２内に挿入する。
前記チップ３は、高融点金属と電子放射性物質を適正な割合で混合して圧縮し、高温で焼成することで、製造された焼結体である。電子放射性物質は酸化トリウム（ＴｈＯ_２）であり、焼結体中に適宜の割合で含有されている。焼結体の高融点金属は例えばタングステンである。
そして、前記チップ３の直径は、φ６ｍｍであり、長さは１６ｍｍであるが、その直径は、常温において前記凹部２の直径に対して５〜１０μｍの範囲で大きいことが望ましい。また、その長さは、前記凹部２を構成する有底穴の深さ（８ｍｍ）と比較して、その全長が長く、挿入されたとき先端が基材１より突出する。

また、前記チップ３の外周面には、長さ方向に延びる複数本の溝４、４が形成されているのが好ましい。
この溝４は、レーザ加工によって形成することができ、その幅は５〜１０μｍ程度であって、好ましくは、基材１の全長に亘って設けられるのがよく、少なくとも、チップ３が基材１に埋設される領域に設けられている。
この溝４は、製造工程時に、基材１に電子放射性物質を含むチップ３を挿入する際、および、後述する基材１の収縮時に、凹部２の底部の残ガスを排除する機能を有する。

図１（Ｃ）に示すように、加熱された状態の基材１の凹部２にチップ３を挿入する。チップ３は凹部２内に完全に挿入されても、その先端は基材１の先端面１Ａから突出する。
前記チップ３を基材１に挿入する段階では、基材１は加熱されて熱膨張している状態であるので、Ｘ部拡大図に示すように、チップ３と凹部２との間には若干の間隙Ｓが形成されていて、チップ３の挿入は、圧入による必要がなく容易に挿入される。

その後、電気炉を停止させて、基材１を常温になるまで冷却する。
図１（Ｄ）に示すように、この冷却により、基材１は収縮して、そのＸ部拡大図に示すように、基材１の凹部２とチップ３とは密着し、その間には隙間はなくなり、基材１とチップ３とは焼き嵌められる。
このとき、前記したように、凹部２内の残留ガスは、チップ３の外周溝４を経て外部に排除されるので、基材１の収縮時にチップ３との間にガスが残留して両者の密着が不完全になることがない。
次いで、必要に応じて、図１（Ｅ）に示すように、基材１の側面からレーザ照射Ｙすることにより、前記チップ３と前記基材１を拡散接合させる。これにより、チップ３と基材１との接合が一層強固なものとなる。

その後、図１（Ｆ）に示すように、基材１およびチップ３の先端を略テーパ状に切削加工する。なお、該切削加工は、厳密な意味でテーパ状である必要はなく、先端側ほど直径が小さくなるように漸次縮径されていればよく、例えば、多少の丸みをもった砲弾型であってもよく、これらを含めて略テーパ状と表現している。
図２に好適な形態を示す陰極形状が示されていて、チップ３の先端には平坦面３Ａが残るように切削される。そして、基材１もその先端１Ａが残るように切削加工されるのがよく、これにより、チップ３を挿入する凹部２の開口周縁部分が薄肉になりすぎず、一定量の肉厚が確保できて、安定的なチップ３の保持ができる。

以上説明したように、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法においては、高融点金属からなる陰極基材に電子放射性物質を含有するチップを埋設するとき、基材を加熱し膨張させて焼き嵌めるので、チップを圧入するなどの手段で挿入する必要がなく、また、冷却による収縮で接合するので、チップは全周方向から圧力を受けるため、応力が局所的に集中することを抑えることができるので、チップや基材が機械的に破損することが回避されて、歩留まりが極めて良好となる。
また、先端部に拡散接合のみによってチップを取り付ける場合と比較して、加熱時間が少なく、かつ加圧手段も必要としないので、製造コストが低く抑えられるものである。

１ 電極基材
１Ａ 基材先端面
２ 凹部
３ （電子放射性物質含有）チップ
３ａ チップ先端の平坦面
４ 溝
Ｓ 間隙

Claims (4)

1. 先端に電子放射性物質を含むチップを設けてなる放電ランプ用陰極の製造方法において、
   高融点金属よりなり、先端面に凹部を有する電極基材を高温に加熱して熱膨張させる第一の工程と、
   前記電極基材が高温に維持された状態で前記凹部に電子放射性物質を含有し、その直径が前記凹部の直径よりも大きなチップを挿入する第二の工程と；
   前記電極基材を冷却することで、当該電極基材を収縮させて前記チップを焼嵌めにより接合する第三の工程と；
   前記チップが頂点をなすように、前記電極基材の先端を略テーパ状に切削加工する第四の工程と；
   を具備していることを特徴とする放電ランプ用陰極の製造方法。
   
2. 前記第二の工程において、前記チップは前記電極基材の先端面より突出するように挿入されることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
3. 前記第四の工程において、前記電極基材のチップが埋設された周縁部の端面を残留させて切削することを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
4. 前記第三の工程のあとに、前記電極基材の側面からレーザ照射することにより、前記チップと前記電極基材を拡散接合させ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用陰極の製造方法。
   
   
   

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