JP6292431B2 - 放電ランプ用陰極 - Google Patents

Description

この発明は、ファイバー用光源や、計測機器などの用途に用いられる光源等に利用される放電ランプの陰極に関する。

ファイバー用光源や、計測機器などの用途に用いられる光源等として従来から放電ランプを利用することが知られている（例えば、特許文献１）。

図１はこのような放電ランプ用陰極が配備されている放電ランプの一例を説明する断面図である。

石英ガラスからなるガラスバルブ１内にキセノン、クリプトンあるいはアルゴンなどの希ガスや水銀などが封入されている。ガラスバルブ１内のガス封入部には放電ランプ用陰極２（以下、単に「陰極２」と表すことがある）と、陽極３とが対向して設置される。陰極２と陽極３とは、それぞれガラスバルブ１の両端部（図１（ａ）中、左右両端部）側に配備される外部端子（不図示）に、モリブデン箔４、リードなどを介して電気的に接続される。図１では口金５、ナット６も図示している。

ガラスバルブ１の両端部（図１中、左右両端部）に配備される口金５から陰極２と陽極３との間に電圧が印加されると陰極２と陽極３との間にアーク放電が発生し光が発せられる。

図１（ｂ）は、この放電ランプ用陰極２の拡大図で、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体７（陰極先端チップ）を、高融点金属製母材である高融点金属棒８の先端に取り付けた構造を示すものである。

前記の易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体７は、多孔質の高融点金属（例えば、タングステン）に易電子放射物質（例えば、アルカリ土類金属等）を含浸させて形成するものである。あるいは、前記高融点金属の粉末と、前記易電子放射物質の粉末とをプレス成型加工し、真空中または水素雰囲気中で焼成して作製されているものである。

前記の易電子放射物質としてはＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３を混合したもの等が知られており、このように易電子放射物質（例えば、アルカリ土類金属等）としてバリウムを用い、これをタングステンのような多孔質の高融点金属に含浸させた電子放出部焼結体からなるバリウム含浸型電極が従来から放電ランプの陰極として知られている。

前述した構造からなる放電ランプ用陰極は、易電子放射物質を含浸させて放電部分を構成しているため、陰極材料から容易に電子が熱電子放射される。そこで、電極温度が上がらないので電極材料のタングステンが蒸発しにくく、放電ランプの壁面への付着が起こりにくい。そこで、放電ランプの出力光量の低下、放電ランプの寿命短縮を防ぎ長寿命ランプとなる。

このような優れた利点を有する前述した構造からなる放電ランプ用陰極に関しては、従来から種々の提案が行われている。

例えば、放電ランプの電極摩耗を小さくし、放電を安定させ、輝度を上げる、等々の方法として従来から種々の提案が行われている。特許文献２、３では電極の先端部の立体角を調整する考え方、特許文献４では電極の体積を調整する考え方、特許文献５では、陰極先端部の面積を調整する考え方が提案されている。この他に、封入ガス圧を調整する方法も提案されている。

また、特許文献６には、多孔質の高融点金属に含浸させた電子放出部焼結体からなるバリウム含浸型電極が提案されているが、特許文献６記載の提案では、放電が大きな面積で生じ、先端部全体の温度が一様に分布し、易電子放射物質も一様に分布しているために、放電輝点が大きくなり、輝度が低下するおそれがある。

特開２０１０−２０５６２７号公報 特開平１１−２１９６８２号公報 特開２００９−４２０３号公報 特開２０００−１４９８６８号公報 特開平３−８２５５号公報 特表２０００−５０５９３９号公報

前述したように、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極は、上述した優れた利点を有しているが、陰極からの安定した電子放出を実現し、長寿命で高安定な放電を維持すると伴に、高輝度の陰極を提供する上では改善の余地が残っていた。

そこで、本発明は、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極において、陰極からの安定した電子放出を実現し、長寿命で高安定な放電を維持すると伴に、高輝度の放電ランプ用陰極を提供することを目的にしている。

前記目的を達成するため、本願の請求項１記載の発明は、
一端に尖頭を有する電子放出部焼結体と高融点金属製母材とからなる放電ランプ用陰極であって、 前記電子放出部焼結体の前記一端に対向する他端が、前記高融点金属製母材の先端部に埋設あるいは溶接され、 前記放電ランプ用陰極は針状にとがっている形状・構造であって、 前記尖頭の先端は、前記尖頭の先端角度が９５°の円錐立体角を有し、 前記尖頭の先端部形状が半球状であり、かつこの半球寸法半径が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである ことを特徴とする放電ランプ用陰極である。

本発明によれば、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極において、陰極からの安定した電子放出を実現し、長寿命で高安定な放電を維持すると伴に、高輝度の放電ランプ用陰極を提供することができる。

すなわち、この発明によれば、含浸型電極を用いた放電ランプで陰極先端部の輝点が従来の放電ランプの輝点より大きくならず、かつ、安定した電子放出を実現できると共に、長寿命で安価な放電ランプ用陰極を提供することができる。

本発明の放電ランプ用陰極が採用される放電灯の一例を説明する図であって、（ａ）一部を省略して表す断面図、（ｂ）本発明の放電ランプ用陰極の先端側で、高融点金属母材に接続される電子放出部焼結体の一例を説明する図、（ｃ）本発明の放電ランプ用陰極の電子放出部焼結体の尖頭の先端部形状の拡大図。 本発明の放電ランプ用陰極の先端側で、高融点金属母材に接続される電子放出部焼結体の尖頭の先端部半球部半径と光ファイバー出口での照度との関係を表す図。

本発明の放電ランプ用陰極は、一端に尖頭を有する電子放出部焼結体と、高融点金属製母材とからなる。ここで、高融点金属製母材は、高融点金属、例えば、タングステンやモリブデンなどから形成されている。

本発明において、前記電子放出部焼結体の前記一端に対向する他端は、前記高融点金属製母材の先端部に埋設あるいは溶接されている。また、前記電子放出部焼結体の前記尖頭の先端は、円錐立体角に近似する先端立体角を備えている。

本願の発明者等は、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極において、前記電子放出部焼結体の尖頭の先端立体角頂点部分の尖頭形状・寸法を規定することによって、陰極からの安定した電子放出を実現し、長寿命で高安定な放電を維持すると伴に、高輝度の放電ランプ用陰極を提供することが可能であることを見出して、本願発明を完成させたものである。

すなわち、放電部分である易電子放射物質を含浸させた陰極先端部の形状寸法を変えて輝度との関係を検討することにより本願発明を完成させたものである。

易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極においては、従来から、放電部分の温度を最適に制御する目的で、電子放出部焼結体７の尖頭９（図１（ｂ））の先端角度１０（図１（ｃ））を規定することが試みられてきていた。

すなわち、含侵型陰極の場合、易電子放射物質（例えば、バリウム）が電子放出部焼結体７に含浸されているので電子放電部分の平均温度が下がり、かつ放電部分が広くなり、発光部分も大きくなり、これによって輝度が低下することがある。

そこで、放電部分の温度をあげる目的で先端角度１０を小さくすると高融点金属が蒸発してこの蒸発物がガラスバルブ１の内面に蒸着して光量が低下して短寿命になる。

一方、先端角度１０を大きくすると放電部分の温度が下がり、放電が不安定になり、さらに輝度が低下して光出力が低下する問題が発生する。

このように、含浸型陰極において、電子放出部焼結体７の尖頭９の先端角度１０を調整することによって、長寿命、高安定の放電を維持することは、非常に重要なことであって、なおかつ困難なことであった。

本願の発明者等は、放電部分である易電子放射物質を含浸させた陰極先端部の形状寸法を変えて輝度との関係を検討し、電子放出部焼結体７の尖頭９の頂点部分の尖頭形状・寸法を規定することによって、陰極からの安定した電子放出を実現し、長寿命で高安定な放電を維持すると伴に、高輝度の放電ランプ用陰極を提供することが可能であることを見出して、本願発明を完成させた。

すなわち、本願の発明者は、本願発明のような含浸型陰極を使用する放電ランプでは陰極先端角度あるいは直径を制御するよりは、先端部の形状半径を制御することにより長寿命、高安定でさらに輝度が低下しないことを見出した。

前述した構造の本発明の放電ランプ用陰極において、前記電子放出部焼結体の前記尖頭の先端部形状を半球状とし、かつこの半球寸法半径Ｒ（図１（ｃ））を０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍにすることが望ましい。半球寸法半径Ｒが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍになるので、この場合の、本発明の陰極先端形状（すなわち、前記尖頭の先端形状）は、針状にとがっている形状・構造になる。

本願の発明者等が、前述した構造からなる本発明の陰極先端形状の陰極を使用して実際に放電ランプを製作し、楕円鏡を用いて、第一焦点に本願の陰極先端部を配置し、第二焦点部に光ファイバーの入射部を配置して光ファイバー出口の照度を計測して輝度を評価したところ、評価用光学系の光ファイバー出力では３０００ルックス以下になる先端形状半径０．５ｍｍを越える範囲では照度不足になり実用的でなかった。

一方、先端形状半径を０．０５ｍｍより小さく安定加工することは簡単ではなく、また先端部温度が上がり過ぎることによる高融点金属の溶解蒸発が起こり、その結果ガラスバルブ内壁に蒸発物が蒸着し光量の減衰となった。

更に、易電子放射物質の蒸発が発生する結果、放電が不安定になって光出力が不安定になり、実用に供さなくなるおそれがある。

そこで、前記電子放出部焼結体の前記尖頭の先端部形状を半球状とし、かつこの半球寸法半径Ｒ（図１（ｃ））を０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍにすることが望ましい。

なお、前述した構造からなる本発明の先端形状を備えた陰極において、前記電子放出部焼結体の前記尖頭の先端が有する先端立体角を円錐立体角とすることが上述した優れた効果を発揮させる上でより望ましい。

発明者等の検討によれば、前述した構造からなる本発明の放電ランプ用陰極は、３５Ｗ〜７５０Ｗの希ガス放電ランプ、あるいは１００Ｗ〜１０００Ｗのキセノン水銀ランプに適用することができた。すなわち、前述した構造からなる本発明の放電ランプ用陰極は３５Ｗから１０００Ｗまでの含浸型電極を用いた放電ランプに適用できた。

以下、易電子放射物質としてバリウムを用い、これを多孔質の高融点金属に含浸させた電子放出部焼結体からなるバリウム含浸型陰極に本発明を適用した実施例を説明する。

上述したように、本発明の放電ランプ用陰極は３５Ｗから１０００Ｗまでの含浸型電極を用いた放電ランプに適用できるが、この実施例では、２５０Ｗのキセノン水銀放電ランプに本発明の放電ランプ用陰極を用いた。

本発明における放電ランプ用陰極は、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明している、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体からなる放電ランプ用陰極において、前記電子放出部焼結体の尖頭の先端立体角頂点部分の尖頭形状・寸法に特徴を有するものである。

そこで、本発明の放電ランプ用陰極は、本明細書の背景技術の欄において、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明した構造を含んでいるので、前述した説明と共通している部分には共通する符号を用いてその説明を省略する。

図１（ａ）〜（ｃ）図示の実施例では、本発明の放電ランプ用陰極が採用されている２５０Ｗのキセノン水銀放電ランプは、定格ランプ電力ＤＣ２５０Ｗ、定格ランプ電圧２２．５Ｖで、キセノンガスと水銀が発光部であるガラスバルブ１に封入され、陰極２と陽極３の電極間は２ｍｍとした。

本発明の放電ランプ用陰極において、電子放出部焼結体７は、先端側である一端に尖頭９を有している（図１（ｂ））。

図１（ｃ）は図１（ｂ）中の尖頭９の拡大図である。

陰極先端チップを構成する電子放出部焼結体７は、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体を作製するために従来から行なわれている方法を応用して製作される。本実施例では、以下のようにして製作した。

図１（ｂ）、（ｃ）図示の電子放出部焼結体７（陰極先端チップ）の形状に対応する金型の、電子放出部焼結体７に対応する部分に高融点金属（タングステン）の粉末を充填した。次いで、プレス成型焼結加工し、次いで、易電子放射物質（バリウム）を電子放出部焼結体７の表面に塗布し、真空中または水素雰囲気中にて溶融、含浸した。

その後、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体７の尖頭９が存在している一端に対向する他端を、高融点金属棒８の先端部に取り付けた。

なお、本発明において、電子放出部焼結体７の他端（図１（ｂ）中、左端）は、高融点金属製母材である高融点金属棒８の先端部に埋設あるいは溶接によって取り付けられており、その取り付け方法には、電子放出部焼結体７を高融点金属棒の内部に噛合、又は、溶接、若しくは、ろう付けする方法を採用できる。

電子放出部焼結体７の製作は、前述した以外に、電子放出部焼結体７の他端を高融点金属棒８の先端に取り付けてから、易電子放射物質（バリウム）を電子放出部焼結体７の表面に塗布し、含浸させ、真空中または水素雰囲気中にて溶融する方法を採用することもできる。

前記では、電子放出部焼結体７の製作に用いる高融点金属、易電子放射物質として、タングステン、バリウムをそれぞれ例示したが、これら以外に、本発明の技術分野で従来から用いられている高融点金属、易電子放射物質を用いることができる。

易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体を作製する上述した方法により、電子放出部焼結体７の尖頭９の先端（図１（ｃ）中、右端）を、円錐立体角に近似する先端立体角を有する形状にすることができる。また、この際、電子放出部焼結体７の尖頭９の先端部形状を半球状とし、かつこの半球寸法半径を０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍに設定することができる。更に、電子放出部焼結体７の尖頭９の先端が有する先端立体角を円錐立体角にすることもできる。

この実施例では、陰極２を全長２６ｍｍ、外径５ｍｍ、電子放出部焼結体７の先端角度１０（図１（ｃ））を９５°とし、後述する検討を行うため、先端部半径Ｒ（図１（ｃ））が０．０２７ｍｍ〜０．６２７ｍｍの範囲内のものを複数製作した。

こうして調製した本発明の放電ランプ用陰極が採用されている２５０Ｗのキセノン水銀放電ランプを準備し、前述したように、楕円鏡を用いて、第一焦点に本願の陰極先端部を配置し、第二焦点部に光ファイバーの入射部を配置して光ファイバー出口の照度を計測して輝度を評価した。前述したように、陰極として、先端部半径Ｒを０．０２７ｍｍ〜０．６２７ｍｍの範囲内で変化させたものを複数製作し、それぞれ評価を行った。

この結果、電子放出部焼結体７の先端部の形状と光ファイバー出口の光照度との間には図２図示のような相関があることが判った。

すなわち、先端形状半径である先端部半径Ｒが０．５ｍｍを越えると、評価用光学系の光ファイバー出力では３０００ルックス以下になり、照度不足で実用的でなくなることが判明した。

また、先端形状半径である先端部半径Ｒが０．０５ｍｍより小さくなると、ガラスバルブ１内壁に蒸発物が蒸着し光量が減衰することがあった。先端部温度が上がり過ぎることによる高融点金属の溶解蒸発が生じたためと思われた。

このように、本発明によれば、易電子放射物質を含浸させた含浸型電極である電子放出部焼結体７の先端部である尖頭９の先端（図１（ｃ）中、右端）の先端立体角及び、尖頭９の先端部形状と、半球寸法半径を制御することにより高照度、高安定、長寿命の放電ランプ用陰極を供することができた。

１ ガラスバルブ
２ 陰極
３ 陽極
４ モリブデン箔
５ 口金
６ ナット
７ 電子放出部焼結体
８ 高融点金属棒
９ 尖頭
１０ 尖頭の先端角度（先端立体角）

Claims (1)

1. 一端に尖頭を有する電子放出部焼結体と高融点金属製母材とからなる放電ランプ用陰極であって、 前記電子放出部焼結体の前記一端に対向する他端が、前記高融点金属製母材の先端部に埋設あるいは溶接され、 前記放電ランプ用陰極は針状にとがっている形状・構造であって、 前記尖頭の先端は、前記尖頭の先端角度が９５°の円錐立体角を有し、 前記尖頭の先端部形状が半球状であり、かつこの半球寸法半径が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである ことを特徴とする放電ランプ用陰極。

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