JP6219280B2 - 放電ランプ用陰極およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、トリウムタングステン合金から成る陰極を備えた放電ランプに関し、特に、陰極の内部構造に関する。

放電ランプの電極素材としては、ドープ剤を添加したタングステン合金が広く用いられている。特に、トリウムタングステン合金は、その機械的強度および耐熱性が優れているため、放電ランプ用陰極に使用されている（例えば、特許文献１参照）。

酸化トリウムが粒子状に分散したトリウムタングステン合金では、放電ランプ点灯中、酸化トリウムが還元されてトリウムとなり、陰極先端部にエミッタ物質として供給される。これが、電子放出促進およびアーク輝点安定化をもたらす。

また、耐熱性、機械的強度を上げる結晶構造がタングステン合金に採用されている。例えば、粒径を抑えたトリウム化合物粒子を適度に分散させる（特許文献２参照）。あるいは、タングステン電極ロッドの耐衝撃性を上げるため、表面付近にある結晶粒子の粒径を、内部の結晶粒子の粒径よりも小さくする（特許文献３参照）。

一方、放電ランプの点灯中、エミッタ物質の陰極先端部への供給能力が低下すると、アーク輝点が移動し、ゆらぎが生じて照度が一定とならない。そのため、陰極先端部における結晶構造に特徴を持たせることで、電子放出安定化を図る。

例えば、先端部から所定領域まで一次結晶、二次結晶化した組織構造をもった陰極を成形する（特許文献４参照）。あるいは、先端部の結晶粒界の個数が制限されるように結晶化した陰極を成形する（特許文献５参照）。

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照度安定化のためには、長期に渡ってエミッタ物質を安定して供給させる必要がある。従来の放電ランプ用陰極では、その観点から適した結晶構造を必ずしも得ていない。特に、陰極胴体部の径が比較的大きいトリウムタングステン合金から成る陰極を製造する場合、適切な結晶構造が考えられていない。

したがって、ランプ点灯中のトリウム安定供給を実現できる結晶構造を特徴とするトリウムタングステン合金が求められる。

本発明の放電ランプ用陰極は、柱状の胴体部と、テーパー状の先端部とを有する放電ランプ用陰極であって、陰極の少なくとも一部が、トリウム成分が粒子状に分散し、トリウム成分を酸化物換算で０．５〜３．０ｗｔ％含むタングステン合金によって構成される。少なくとも先端部がタングステン合金で構成されるのが望ましい。

本発明の陰極用放電ランプは、様々な放電ランプに対し陰極として適用可能であり、特に、希ガスが封入され、放電ランプ用陰極と放電ランプ用陽極が対向配置される放電管を備えた放電ランプに適用できる。放電ランプのサイズ、形状も任意であり、特に、大出力の大型サイズ陰極に適用可能である。例えば、胴体部が１０〜３０ｍｍの範囲、先端部の挟角／テーパー角度が４０〜１２０°（電極軸に対する傾斜角度２０〜６０°）の範囲に定められた陰極に使用される。

電極としては、先端部と胴体部をともにタングステン合金として構成することも可能であり、先端部と胴体部の一部をタングステン合金として構成することもできる。あるいは、先端部の一部であって放電面となる先端面を含む部分（以下、先端側先端部という）をタングステン合金として構成し、残りの胴体側先端部を、異なる熱伝導率をもつ金属部材で成形し、これらを接合させて陰極を構成することも可能である。

タングステン合金としては、タングステン粉末等を焼結処理することによって焼結体を生成することが可能である。特に、焼結体（タングステン合金素体）を最終的に加熱処理することによって、タングステンを再結晶化させた組織構造にすることができる。トリウム成分として、例えばトリウム酸化物の粒子が分散する。

本発明では、肥大／粗大なタングステン結晶粒がタングステン合金において実質的に存在しない結晶構造を特徴とする。すなわち、タングステン合金におけるタングステン結晶粒径を、径方向断面および側面方向断面に沿って３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、径方向断面については、粒径が１〜１００μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上、側面方向断面については、粒径が５〜１２０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上となっている。タングステン粒子の大きさの測定手法は様々であるが、例えば、タングステン粒子の対角線長さを粒径として規定することができる。このような特徴をもつ結晶構造が、少なくとも胴体部のタングステン合金に具備される。先端部においても結晶構造が少なくとも部分的に具備されてもよい。

このような特定方向、特定サイズのエリアを定義し、そのエリア内に存在する粗大なタングステン結晶粒の割合を表すことは、粗大なタングステン結晶粒が実質存在しないことを規定するのに適した表現であり、本発明の特徴を忠実に記している。平均粒径で表現した場合、粗大なタングステン結晶粒が比較的多く存在しても、微細なタングステン結晶粒が非常に多く存在すれば、平均粒径はより小さい数値となり、粗大なタングステン結晶粒が存在しないことを適切に表現できない。

さらに、上記エリアサイズは、粗大ではないとみなすタングステン結晶粒の範囲（１〜１００、５〜１２０μｍ）を基準としたとき、粗大なタングステン結晶粒が実質的に存在しないことをほぼ確実に判断できる適度な大きさをもつサイズであり、これ以上のサイズをもつエリアを定義しても意味がなく、一方で、より小さいサイズのエリアを定義すると、粗大なタングステン結晶粒が実質的に存在しないと断定することが難しい。

さらに、一般的な電極製造工程においては、スエージング加工処理、線引加工処理による細径化、圧延を経て、陰極形状、サイズが定められることを考慮し、２つの断面方向として、径方向および側面方向が規定されている。この２方向は互いに直交する方向であり、この２方向断面を見ることによって、本来３次元的なタングステン結晶粒の形状、サイズを適切に識別することが可能となる。

このように粗大なタングステン結晶粒が生じないように結晶化された構造を採用することにより、エミッタ物質の安定した供給が可能となり、照度の安定したランプ出力を長期間維持することが可能となる。特に、胴体部と先端部との温度差を広げることが可能となり、エミッタを短期間で使い果たすことを防止する一方、エミッタ物質が移動するときに障害とならない。一方、先端部の側面方向断面に沿ったエリアでは、最大径が３００μｍ以上のタングステン結晶が存在してもよい。これによって、先端部と胴体部の温度差がより一層広がる。

タングステン合金の側面方向は、電極製造工程において引き伸ばされる場合が多い。したがって、タングステン結晶粒径が、径方向断面に関してアスペクト比３未満、側面方向断面に関してアスペクト比３以上になるように結晶化させることができる。このような特性をもつタングステン結晶粒は、軸方向へのエミッタ物質の移動をスムーズにさせる。

上述した粗大でないとみなすタングステン結晶粒の中でも、よりサイズの小さいタングステン結晶の割合が大きければ、よりエミッタ物質の安定供給、ランプ長寿命化が可能となる。例えば、径方向断面について、粒径が１〜５０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上、側面方向断面について、粒径が５〜６０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上となるようにするのが望ましい。さらには、粒径が１〜２０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上、側面方向断面について、粒径が５〜４０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上としてもよい。

一方、トリウム成分においても、比較的粒径の小さいトリウム成分粒子の割合が大きければ、エミッタ物質の先端部への移動が容易となる。例えば、タングステン合金におけるトリウム成分粒子の粒径を、径方向断面、側面方向断面に沿って３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、径方向断面については、粒径が１〜１５μｍの範囲にあるトリウム成分粒子が９０％以上、側面方向断面については、粒径が１〜３０μｍの範囲にあるトリウム成分粒子が９０％以上にするのがよい。

また、例えば、タングステン合金の比重を、１７〜１９ｇ／ｃｍ^３の範囲内、あるいは、タングステン合金の表面硬さ（ＨＲ）を、５５〜８０の範囲内にすることが可能である。さらには、タングステン合金の表面粗さＲａを、５μｍ以下とすることが可能である。

一方、本発明の他の態様である放電ランプ用陰極の製造方法は、硝酸トリウム粉末を加熱することで得られる酸化トリウム粉末と、酸化タングステン粉末を還元して得られる金属タングステン粉末との混合粉末である第１粉末を調製し、酸化タングステン粉末粒径の異なる酸化タングステン粉末を還元させて得られる金タングステン粉末である第２粉末を調製し、第１粉末と第２粉末とを混合して、トリウム成分を酸化物換算で０．５〜３．０ｗｔ％含有するタングステン粉末を作り出す。さらに、タングステン粉末に対し焼結処理を施すことによって、柱状焼結体を形成し、焼結体に対し、加工率３０〜８０％の範囲で複数回に渡るスエージング加工および線引き加工処理を施す。そして、スエージング加工線引き加工処理によって生成されるタングステン合金素体に対し、１３００〜２９００℃の範囲で熱処理を施すことを特徴とする。

従来の陰極では、粗大なタングステン結晶粒が比較的多く存在し、その割合を測定した場合、本発明のような数値を満たすことはできない。これは、電極製造工程において通常スエージング加工、線引加工処理等が施されるが、このときタングステン合金が大きく軸方向、径方向に関し塑性変形するためであり、また、加工処理対象となる焼結体の元となるタングステン粉末の調製工程において、粗大なタングステン粒径をなくすような調製がなされていないことに起因する。特に、上述したような大型サイズの陰極を製造する場合、粗大なタングステン結晶粒が多く生じる。

本発明では、粒径の異なるタングステン粉末をそれぞれ用意することにより、焼結体生成の段階で粗大なタングステン結晶粒が生じることを抑える。また、最終的に上記加工率の範囲となるように複数回の加工処理を繰り返すことで、電極として適度な強度をもつ結晶構造をもち、かつ、加工処理工程において塑性変形しても、粗大なタングステン結晶粒が生じない。

このような結晶構造の特徴をもつタングステン合金素体は、上述したような結晶構造の特徴をもつ。すなわち、タングステン合金素体におけるタングステン結晶粒径を、径方向断面、側面方向断面に沿って３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、径方向断面については、粒径が１〜１００μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上、側面方向断面については、粒径が５〜１２０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上となる。

確実に粗大なタングステン結晶粒発生を防ぐことを考慮すれば、加工率４０〜６０％の範囲でスエージング加工および線引き加工処理を施すのがよい。また、少しずつ焼結体を径方向、軸方向に関して塑性変形させることを考え、少なくとも５回以上に渡って、スエージング加工および線引き加工処理を繰り返し行うのが望ましい。例えば、５〜１５回の範囲で加工処理を繰り返すことにより、同様の結晶構造をもつタングステン合金素体を得ることが可能である。

サイズの大きい陰極を製造する場合、タングステン合金素体の径が１０〜３０ｍｍの範囲になるように、スエージング加工線引き加工処理を施すのがよい。また、熱処理前に、タングステン合金素体の一端を、挟角４０〜１２０°の範囲でテーパー状に切削加工するのがよい。

例えば、タングステン合金素体の表面粗さＲａが５μｍ以下となるように、熱処理前に研磨加工を施せばよい。また、不純物をできるだけ除去するため、タングステン合金素体のＭｏ含有量が０．００５ｗｔ％以下となるように、焼結処理を施すのが望ましい。例えば、タングステン合金素体のＦｅ含有量が０．００３ｗｔ％以下となるように、焼結処理を施すのが望ましい。

本発明によれば、タングステン合金から成る陰極を備えた放電ランプにおいて、効果的にゆらぎを抑え、照度安定化を図ることができる。

第１の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。 陰極の平面図である。 陰極の側面方向に沿った模式的断面図である。 陰極の径方向に沿った模式的断面図である。 第２の実施形態である放電ランプ用陰極の平面図である。 電極表面の放射温度分布のグラフを示した図である。 実施例３の陰極を用いたランプと、比較例２の陰極を用いた従来ランプの照度維持率を示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である放電ランプの概略的断面図である。

放電ランプ１０は、石英ガラス管によって成形されたバルブ状放電管１５を備え、その内部には陰極２０、陽極３０が対向配置されている。放電管１５の両側には、相対する管状封止部１２Ａ、１２Ｂが一体的に連設されている。

封止部１２Ａ、１２Ｂの管内は、箔シール構造（以下、マウント部という）１４Ａ、１４Ｂが採用されており、マウント部１４Ａ、１４Ｂは、陰極２０、陽極３０を支持するとともに、放電管１５内の放電空間を封止して気密性を維持し、また、陰極２０、陽極３０へ電力供給する。封止部１２Ａ、１２Ｂの端部は、口金１６Ａ、１６Ｂによって覆われている。

マウント部１４Ａには、陽極３０を連結支持する電極支持棒１１Ａが設けられ、マウント部１４Ｂには、陰極２０を連結支持する電極支持棒１１Ｂが設けられており、ともに電極軸（ランプ軸）方向に沿って配設されている。

ランプ点灯中、電源部（図示せず）からマウント部１４Ａ、１４Ｂに電力が供給される。これによって、陰極２０の先端部を輝点とするアーク放電が生じる。そして、放電管１５内部に封入された水銀の蒸発により、ｉ、ｈ、ｇ線等の輝線を含む光が放射される。

図２は、陰極２０の平面図である。図３Ａ、３Ｂは、陰極２０の径方向、側面方向に沿った模式的断面図である。図２、３を用いて、陰極２０の結晶構造について説明する。

陰極２０は、円柱状の胴体部２２と円錐状の先端部２３から構成される。胴体部２２の径は、１０〜３０ｍｍの範囲にあり、先端部２３は、その挟角θが４０〜１２０°の範囲となるようにテーパー状に形成されている。

陰極２０は、トリウムタングステン合金素体を熱処理して得られたタングステン合金からなり、タングステンを再結晶化した組織になっている。トリウムタングステン合金には、エミッタ物質として酸化トリウムなどのトリウム化合物が粒子状に分散した状態で含まれており、トリウム酸化物（Ｔｈ_２Ｏ_３）換算でトリウム成分が０．５〜３．０ｗｔ％タングステン合金に含まれている。

図３Ａ、３Ｂには、タングステン合金内部における結晶状態を示している。図３Ａでは、胴体部２２の側面方向Ｎに沿った断面における結晶状態を、図３Ｂでは、胴体部２２の径方向Ｍに沿った断面における結晶状態を示している。

本実施形態では、胴体部２２において、タングステン結晶粒径が互いに垂直な２方向に関して共通する特徴をもっており、それは、比較的粗大なタングステン結晶（粗大粒）がどちらの断面方向にもほとんど（実質的に）存在しない結晶構造となっている。この特徴を、エリア内の結晶粒径の範囲に基づいて表すことができる。胴体部２２において、陰極の径方向、側面方向の任意の断面箇所で同じような結晶構造をもち、いずれの断面においても以下に示す数値条件を満たす。

具体的には、３００μｍ×３００μｍのエリアを各断面から抽出し、径方向断面については、粒径１〜１００μｍの範囲にあるタングステン結晶が９０％以上の割合であり、側面方向断面に関しては、粒径１〜１００μｍの範囲にあるタングステン結晶が９０％以上の割合になっている。ただし、タングステン粒子の対角線長さを、粒径として規定している。

３００μｍ×３００μｍのエリアは、タングステン結晶粒子の最大粒径を基準としておよそ３×３倍のエリアサイズとして定められている。このサイズは、タングステン結晶粒子が上記粒径範囲であることを確認するのに必要な最小エリアサイズとして定義されている。

このような定義に基いて結晶粒径の特徴を表現することにより、例えば、粗大粒があっても平均粒径で表すと高密度とみなせる結晶状態を省くことができる。また、後述する加工方法に従うと、径方向断面、側面方向断面の結晶状態を見ることで内部組織構造の特徴を表現することができる。

タングステンの微細化だけでなく、酸化トリウムについても、３００μｍ×３００μｍのエリアを観察したとき、微細に分散している。径方向に沿った粒径については、粒径１〜１５μｍの範囲の酸化トリウム粒子が９０％以上であり、側面方向に沿った粒径については、粒径５〜１２０μｍの酸化トリウム粒子が９０％以上になっている。

一方、先端部２３の場合、３００μｍ×３００μｍのエリアを特定の側面方向断面（特に、テーパー表面近くの断面）に沿って抽出した場合、径が３００μｍ以上のタングステン結晶粒子が存在する。タングステン合金は、後述する焼結処理によって再結晶構造になっており、焼結処理の影響を受けやすい先端部の一部では、粗大なタングステン結晶が少なくも部分的には存在する。径方向断面については、３００μｍ以上のタングステン結晶が実質的に存在しない。

なお、図３Ａ、３Ｂは、３００μｍ×３００μｍの胴体部における任意のエリアで粗大なタングステン結晶粒子、酸化トリウム粒子がないことを説明するための便宜上の図であり、実際の断面写真を図示化したものではなく、図示された結晶状態は実際の結晶状態とは違う。

このような組織断面をもつ陰極２０は、以下のような一連の工程によって製造される。

まず、硝酸トリウム粉末を加熱することで得られる酸化トリウム粉末と、酸化タングステン粉末を還元して得られる金属タングステン粉末との混合粉末（以下、第１粉末という）を調製する。

これとは別に、粒径の異なる酸化タングステン粉末を還元させて得られる金属タングステン粉末（以下、第２粉末という）を調製する。そして、第１粉末に第２粉末を添加し、トリウム酸化物（ＴｈＯ_２）が０．５〜３．０ｗｔ％の範囲で含まれるタングステン粉末を得る。

このタングステン粉末を加熱処理によって焼結させ、円柱状の焼結体（インゴット）を得る。このとき、１３００〜２５００℃の範囲で予備焼結、および通電焼結を行い、焼結体を形成する。これにより、Ｍｏ含有量が０．００５ｗｔ％以下となり、Ｆｅ含有量が０．００３ｗｔ％以下となる。

そして、加工率（断面減少率）３０〜８０％の範囲でスエージング加工（転打加工）および線引き加工処理を施す。例えば、回転する一対のハンマーダイス等、あるいは工具で焼結体を叩いて焼結体を伸展させ、その後線引き処理を行う。

ここでは、タングステン結晶粒子が上述した条件を満たすように微細化されるのを図るため、複数回に渡ってスエージング加工および線引き加工処理が行われる。ここでは、少なくとも５回の加工処理が繰り返される。また、タングステン合金の表面粗さＲａが５μｍ以下となるように、研磨処理が施される。

スエージング加工および線引き加工処理によって得られるタングステン合金素体は、上述した断面結晶状態となっている。スエージング加工によって焼結体の側面が叩かれ、また、線引き加工によって焼結体が引き延ばされるため、側面方向断面におけるタングステン結晶の最小粒径は、径方向断面に比べて大きい。タングステン結晶粒径は、径方向断面に関してアスペクト比３未満であり、側面方向断面に関してアスペクト比３以上になっている。

タングステン合金素体は粗大なタングステン結晶粒子がないため高密度であり、その比重（密度）は、１７〜１９ｇ／ｃｍ^３の範囲内となっている。また、タングステン合金素体の表面硬さ（ＨＲ）は５５〜８０の範囲内にある。

陰極形状にするため、タングステン合金素体の一端を切削加工し、上述した挟角θをもつテーパー状先端部を形成する。その後、タングステン合金素体に対し、１３００〜２９００℃の範囲で熱処理が施される。好ましくは、１５００〜２３００℃の範囲で熱処理を施すのがよい。熱処理を経て、放電ランプ用陰極が最終的に製造される。このときの陰極の断面組織は、タングステン合金素体の断面組織と実質的に同じである。

陰極２０は、径が１０〜３０ｍｍと比較的断面サイズの大きい電極である。このような肥大な電極の内部結晶構造を微細にするため、肥大なタングステン結晶粒子が胴体部には事実上存在しない一方、先端部において比較的肥大なタングステン結晶粒子が存在するように、スエージング加工、線引き加工処理が施される。

このような結晶構造、すなわち、タングステン合金が再結晶のとき高密度化され、障害となる粗大粒が存在しないことにより、過不足なくトリウムを先端側へ供給することができる。そして、陰極軸方向に沿った温度分布に関し、先端部から胴体部への温度低下率が比較的大きくなる。先端部２３の挟角θが大きいため、先端部高温分布範囲が比較的広い傾向にあるが、先端部と胴体部との間に比較的大きな温度差が生じるため、トリウムを早期に使い果たすことが防止される。また、先端部に３００μｍ以上のタングステン結晶が存在することによって、先端部と胴体部の温度差がより拡大し、先端部の熱が胴体部側に向けてより一層放熱されやすくなる。

なお、先端部において３００μｍ以上のタングステン結晶が部分的に存在しないように陰極を構成することも可能であり、スエージング加工、線引き加工処理が調整することにより、胴体部、先端部ともに任意の３００μｍ×３００μｍのエリアを径方向断面、側面方向断面に沿って抽出しても、粗大なタングステン結晶が存在しない。

次に、図４を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、複数の金属部材を接合させた陰極を構成する。

図４は、第２の実施形態である放電ランプ用陰極の平面図である。

陰極１２０は、胴体部１２２と先端部１２３とを備える。先端部１２３の先端面を含む部分（以下、先端側先端部という）１２３Ａは、第１の実施形態で示したタングステン合金から成る。一方、胴体部側部分（以下、胴体側先端部という）１２３Ｂおよび胴体部１２２は、熱伝導率の異なる純タングステン金属から成り、先端側先端部１２３Ａと接合している。

これにより、従来の陰極の電導性を確保しながら、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、陰極形状は第１、第２の実施形態に限定されず、細径化した陰極にも適用可能であり、テーパー状先端部と胴体部を備えた陰極に対して適宜適用可能である。また、先端部と胴体部を第２の実施形態のように異なる金属部材で構成し、あるいは、胴体部の一部分までトリウムタングステン合金で構成することも可能である。

以下、表１〜４、図５、６を用いて本実施例である放電ランプについて説明する。

本実施例の放電ランプ用陰極は、酸化トリウムがそれぞれ１．０ｗ％、１．５ｗｔ、２．０ｗｔ％含有のタングステン合金（以下、実施例１、実施例２、実施例３の陰極とする）を素材として成形されている。以下説明するように製造した。

まず、平均粒径５０〜１００μｍのタングステン酸アンモニウム（ＡＰＴ）粉末を大気中５００℃に加熱して、タングステン酸アンモニウム粉末を酸化タングステン粉末に変化させた。次に、酸化タングステン粉末に、平均粒径３μｍの硝酸トリウム粉末を添加し、純水を添加し、その後、１５時間以上攪拌して均一に混合した。

次に、水分を完全に蒸発させ、硝酸トリウム粉末と酸化タングステン粉末が均一に混合した混合粉末を得た。そして、大気中５００℃で加熱して硝酸トリウム粉末を酸化トリウムに変化させた。

そして、水素雰囲気中（還元雰囲気中）８００℃で熱処理して酸化タングステン粉末を金属タングステン粉末に還元した。これにより、酸化トリウム粉末と金属タングステン粉末の混合粉末（第一原料粉末）を調製した。

これとは別に、平均粒径５０〜１００μｍのタングステン酸アンモニウム（ＡＰＴ）粉末を窒素雰囲気中４５０℃に加熱して、タングステン酸アンモニウム粉末を酸化タングステン粉末に変化させた。次に、水素雰囲気中（還元雰囲気中）７００℃で熱処理して酸化タングステン粉末を金属タングステン粉末に還元した。これにより、金属タングステン粉末（第二原料粉末）を調製した。

先に用意した第一原料粉末に第二原料粉末を添加し、トリウム成分が酸化トリウム（ＴｈＯ_２）換算で１．０ｗｔ％のタングステン粉末を用意した。同様に、トリウム成分が酸化トリウム（ＴｈＯ_２）換算で１．５ｗｔ％のタングステン粉末、トリウム成分が酸化トリウム（ＴｈＯ_２）換算で２．０ｗｔ％のタングステン粉末を調製した。

次に、各実施例にかかる原料粉末を用いて表１に示す条件により、２回の加熱処理を経て円柱状焼結体（インゴット）を得た。そして、所定の加工率により、第１〜第３実施例である放電ランプ用タングステン合金素体を調製した。このとき、複数回に渡ってスエージング加工および線引き加工を行った。また、表面粗さをＲａ５μｍ以下になるように研磨した。

これら実施例を従来のタングステン合金素体と比較するため、比較例１、２のタングステン合金素体を製造した。

まず、平均粒径３μｍの酸化トリウム粉末を用意し、ボールミルおよび篩通しを行わずに平均粒径３μｍの金属タングステン粉末と混合し、混合容器に入れて容器を回転させ２５時間混合した。なお、酸化トリウム粉末（ＴｈＯ_２）の含有量は２．０ｗｔ％とした。

各比較例にかかる原料粉末を用いて表２に示す条件により、円柱状焼結体（インゴット）を得て、所定の加工率によりタングステン合金素体を調製した。このとき、実施例１〜３に関し、スエージング加工および線引加工処理を、複数回（ここでは、５〜１５回の範囲）に渡って行った。また、表面粗さをＲａ５μｍ以下になるように研磨した。

実施例１〜３および比較例１〜２に関するタングステン合金素体に対して、胴体部のタングステン結晶粒径およびアスペクト比、トリウム成分粒子の粒径、不純物Ｍｏ量およびＦｅ量、比重、硬さ（ＨＲＡ）を調べた。

胴体部のタングステン結晶粒径およびアスペクト比、トリウム成分粒子の粒径に関しては、胴体部の中心を通る径方向断面および側面方向断面を切り出し、任意の単位面積３００μｍ×３００μｍについて粒径の割合を調べた。なお、他の径方向断面、側面方向断面を切り出しても同様な結果が得られる。

また、Ｍｏ量およびＦｅ量はＩＣＰ分析法により行った。比重はアルキメデス法により計測し、硬さ（ＨＲＡ）は、１２０°ダイアモンド円錐圧子を用いて試験荷重６０ｋｇで計測した。表３−１、３−２、表４にその結果を示す。なお、表３−２は、粒径範囲の割合のみ示しており、他は表３−１と同じである。

表３−１、３−２、４に示すように、タングステン結晶粒子、トリウム成分粒子は、実施形態で示した粒径範囲の割合、硬さ等を満たしている。

次に、実施例３および比較例２に係るタングステン合金素体に対し、ともに２２００℃で熱処理を施した。このとき、熱処理前にタングステン合金素体の端部を切削加工し、挟角θが７０°となるようにし、その後、２２００℃の真空雰囲気中で熱処理を行った。

上記熱処理を行った各材料を陰極として用いた放電ランプを組み立て、発光部内に水銀、およびアルゴンガスなどの希ガスを封入した。

図５は、電極表面の放射温度分布のグラフを示した図である。

図５に示すように、先端部から胴体部へ離れるに連れて温度が降下するが、実施例の方が比較例よりも温度降下が大きい。実施例の温度先端部付近の最高温度を同じとした場合、実施例と比較例が同じ先端角度形状の電極であるにも関わらず、先端部付近と胴体部との温度差が大きくなっている。よって、実施例はゆらぎに対して好適であると考えられる。

即ち、タングステン結晶の粗大化を防ぎ、トリウムの供給を滞りなく行うために、先端角度を比較的大きくした場合であっても、先端部付近と胴体部と温度差が大きくなるので、ゆらぎを抑制することができる。

図６は、実施例３の陰極を用いたランプと、比較例２の陰極を用いた従来ランプの照度維持率を示した図である。

照度維持率は、３５０ｎｍ付近に感度を有する照度計により測定した。図６に示すように、比較例の照度維持率が８０％であるのに対し、実施例の照度維持率は９０％になり、揺らぎを効果的に抑えることが顕著であり、発光管の黒化を抑制することが確認された。

なお、加工率について、表１、表２における実施例と比較例の加工率の差、および、表３−１、３−２における比較例と実施例のタングステン結晶粒径の割合の差を考察すると、加工率３０％〜８０％の範囲においても、結晶粒径が上述した割合を満たしているとみなすことができる。この範囲であれば、焼結体を過度に伸延させず、結晶微細化も実現できる。

１０ 放電ランプ
２０ 陰極
２２ 胴体部
２３ 先端部

Claims (23)

1. 柱状の胴体部と、テーパー状の先端部とを有する放電ランプ用陰極であって、
   前記陰極の少なくとも一部が、トリウム成分が粒子状に分散し、トリウム成分を酸化物換算で０．５〜３．０ｗｔ％含むタングステン合金を有し、
   前記タングステン合金におけるタングステン結晶粒径を、前記胴体部の陰極軸に垂直な径方向断面および径方向断面に垂直であって陰極軸に平行な側面方向断面において３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、径方向断面については、粒径が１〜１００μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合、側面方向断面については、粒径が５〜１２０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合であり、
   上記割合が、エリア全面積に対する、粒径が所定の範囲にある結晶粒子が占める割合を表し、
   前記タングステン合金が、タングステンの再結晶組織構造であることを特徴とする放電ランプ用陰極。
2. 径方向断面について、粒径が１〜５０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合、側面方向断面について、粒径が５〜６０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合であ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。
3. 径方向断面について、粒径が１〜２０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合、側面方向断面について、粒径が５〜４０μｍの範囲にあるタングステン結晶粒子が９０％以上の割合であ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。
4. 前記タングステン合金におけるトリウム成分粒子の粒径を、前記胴体部の径方向断面、側面方向断面において３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、径方向断面については、粒径が１〜１５μｍの範囲にあるトリウム成分粒子が９０％以上の割合、側面方向断面については、粒径が１〜３０μｍの範囲にあるトリウム成分粒子が９０％以上の割合である請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
5. タングステン結晶粒径が、径方向断面に関してアスペクト比３未満であり、側面方向断面に関してアスペクト比３以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
6. 前記先端部と前記胴体部が、ともに前記タングステン合金から構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
7. 前記先端部の先端面を含む先端側先端部が、前記タングステン合金から成り、
   前記先端部の胴体側先端部が、前記タングステン合金とは異なる熱伝導率の金属部材で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
8. 前記胴体部が、１０〜３０ｍｍの範囲の径を有し、
   前記先端部の挟角が、４０〜１２０°の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
9. 前記先端部の径方向断面において３００×３００μｍ ^２ のエリアで観察したとき、３００μｍ以上の径を有するタングステン結晶が実質的に存在しないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
10. 前記先端部の側面方向断面において３００×３００μｍ^２のエリアで観察したとき、３００μｍ以上の径を有するタングステン結晶が存在することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
11. 前記タングステン合金の比重が、１７〜１９ｇ／ｃｍ^３の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
12. 前記タングステン合金の表面硬さ（ＨＲ）が、５５〜８０の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
13. 前記タングステン合金の表面粗さＲａが、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の放電ランプ用陰極。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載された放電ランプ用陰極を備えた放電ランプ。
15. 前記放電ランプが、希ガスが封入され、前記放電ランプ用陰極と放電ランプ用陽極が対向配置される放電管を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の放電ランプ。
16. 硝酸トリウム粉末を加熱することで得られる酸化トリウム粉末と、酸化タングステン粉末を還元して得られる金属タングステン粉末との混合粉末である第１粉末を調製し、
    前記酸化タングステン粉末とは粒径の異なる酸化タングステン粉末を還元させて得られる金属タングステン粉末である第２粉末を調製し、
    第１粉末と第２粉末とを混合して、トリウム成分を酸化物換算で０．５〜３．０ｗｔ％含有するタングステン粉末を作り出し、
    前記タングステン粉末に対し焼結処理を施すことによって、柱状焼結体を形成し、
    前記焼結体に対し、加工率３０〜８０％の範囲で複数回に渡るスエージング加工および線引き加工処理を施し、
    スエージング加工および線引き加工処理によって生成されるタングステン合金素体に対し、１３００〜２９００℃の範囲で熱処理を施す
    ことを特徴とする放電ランプ用陰極の製造方法。
17. 加工率４０〜６０％の範囲でスエージング加工および線引き加工処理を施すことを特徴とする請求項１６に記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
18. 少なくとも５回以上に渡って、スエージング加工および線引き加工処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項１６乃至１７のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
19. 前記タングステン合金素体の径が１０〜３０ｍｍの範囲になるように、スエージング加工および線引き加工処理を施すことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
20. 熱処理前に、前記タングステン合金素体の一端を、挟角４０〜１２０°の範囲でテーパー状に切削加工することを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
21. 前記タングステン合金素体の表面粗さＲａが５μｍ以下となるように、熱処理前に研磨加工を施すことを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
22. 前記タングステン合金素体のＭｏ含有量が０．００５ｗｔ％以下となるように、焼結処理を施すことを特徴とする請求項１６乃至２１のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
23. 前記タングステン合金素体のＦｅ含有量が０．００３ｗｔ％以下となるように、焼結処理を施すことを特徴とする請求項１６乃至２２のいずれかに記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
    

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