JPH10112258A - 放電ランプ用陰極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッターを含むチップ（焼結チップ）の電
極本体への挿入作業が容易に行え、かつ、その後はチッ
プが微動したりスッポ抜けをすることなく、さらには、
エミッターの蒸発が少ない放電ランプ用陰極の製造方法
を提供すること。 【解決手段】粒子状のバリウム系電子放生物質と、タン
グステン粉末を所望の割合で混合させ混合粉末を作り、
この混合粉末をタングステン等の陰極本体の先端凹部に
加圧挿入して、その後、陰極本体の凹部に混合粉末が挿
入された状態で、当該混合粉末を焼結することを特徴と
する放電ランプ用陰極の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は放電ランプ用陰極
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、放電ランプの陰極には、始動性
を容易にするため酸化トリウム等のエミッターが含まれ
ている。従来の陰極を製造する方法は以下のとおりであ
る。 ．まず、陰極本体となるタングステン又はモリブデン
の高融点金属を所望の形状に加工し、その先端部分に凹
部を形成する。 ．次に、タングステン粉末と酸化トリウム粉末を所望
の割合で混合させて、この混合粉末を焼結させることで
チップ状のものとする。 ．そして、陰極本体の凹部に上記焼結チップを嵌め込
むことで陰極ができあがる。

【０００３】しかしながら、従来の放電ランプ、およ
び、その陰極の製造方法では、以下の問題を生じる。 ．陰極からエミッターが蒸発する。陰極は、多大な熱
を発生する陽極と至近距離にて対向配置されるが、この
陽極から照り返される熱の影響で、陰極先端の焼結チッ
プ部が高温化され、その結果エミッターが蒸発するもの
である。特に、焼結チップ部は、図５に示すようにその
先端の斜面部分が、直接、陽極と対向しているので、か
かる斜面部分からのエミッターの蒸発量は図りしれない
ものがある。 ．焼結チップが小さいと製造が困難である。この点、
焼結チップを小さくすることで、陽極からの熱の影響を
軽減させることも可能ではあるが、前述のごとく、焼結
チップはタングステン等の粉末と酸化トリウム等の粉末
を混合させて焼結するものであり、全体の寸法があまり
に小さいと製造が困難になり、また、電極本体への嵌め
込む作業も困難になるという問題がある。 ．陰極本体の製造も困難である。焼結チップを陰極本
体に嵌め込む作業においては、両者の接触面に凹凸があ
ると容易に行えない。このため、嵌め込み作業の前に、
両者の表面を平滑（研磨）する作業が別途必要になって
しまう。特に、電極本体の挿入孔（凹部）表面を平滑す
る作業は、当該挿入孔の幅（中径）は、例えば、１〜２
ｍｍ程度の小さいものであるため作業の困難度は著し
い。 ．焼結チップからの放熱性が悪い。従来の陰極は、特
に、スエージ処理を施していないため、熱伝導率が低
く、焼結チップと電極本体の密着性も必ずしも良くな
く、焼結チップにおいて発生する熱を電極本体へ良好に
伝熱することができなかった。つまり、焼結チップは高
温化されやすく、エミッターが蒸発する要因にもなりか
ねない。 ．焼結チップのスッポ抜けが起こる。前述のごとく、
焼結チップと電極本体の接触面は、その挿入作業の観点
から平滑処理がなされているが、挿入後は必ずしも密着
しているわけではなく、焼結チップが微動したり、場合
によってスッポ抜けを生じてしまう。

【０００４】一方、特開平７−６５７１５号には、タン
グステン粉末と酸化トリウムの粉末の混合粉末をプレス
成形してチップ状のものとし、また別に、陰極本体とな
る高融点金属粉末を凹状構造を持つように同じくプレス
成形により製造して、両者を組み合わせて一体とした
後、さらにプレス形成を施して焼結処理をする技術が開
示される。

【０００５】この方法で製造された陰極は、混合粉末が
焼結され陰極本体に埋設された部分のうち陽極と対面す
る領域は極めて小さいので、エミッターの蒸発を最小限
に抑えることはできる。しかしながら、この陰極は、依
然、エミッターを含む混合粉末を別途成形加工し、チッ
プ状態としてから陰極本体に挿入するものであるため、
上記問題のは解決されるものでない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、エミッターを含むチップ（焼結チップ）
の電極本体への挿入作業が容易に行え、かつ、その後は
チップが微動したりスップ抜けをすることなく、さらに
は、エミッターの蒸発が少ない放電ランプ用陰極の製造
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の放電ランプ用
陰極の製造方法は、かかる課題を解決するためのもの
で、粉末状のバリウム系電子放射性物質と、タングステ
ン粉末を所望の割合で混合させ混合粉末を作り、この混
合粉末をタングステン又はモリブデンよりなる陰極本体
の先端凹部に加圧挿入して、その後、陰極本体の凹部に
前記混合粉末が挿入された状態で、当該混合粉末を焼結
することを特徴とする。

【０００８】さらに、前記焼結処理の後に前記混合粉末
の焼結体をスエージすることを特徴とする。

【０００９】前記混合粉末の焼結体をスエージする工程
において、前記混合粉末の焼結体の先端部分が高密度に
なるべくスエージ処理がされることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明は、エミッターとしてア
ルカリ土類酸化物の単体又は複合体を使うことにより、
その焼結温度が陰極本体を構成するタングステン又はモ
リブデンの融点よりも低いことに着目し、陰極本体の凹
部にエミッター粉末を含む混合粉末を挿入した後に、当
該混合粉末を焼結するものである。このため、エミッタ
ーを含む混合粉末を焼結チップとしてから陰極本体の凹
部に挿入する方法と異なり、混合粉末のまま陰極本体の
凹部に挿入できるので焼結チップを製造するという手間
が省略され陰極の製造が容易になる。また、陰極本体の
凹部についても混合粉末を粉末状態で挿入するため、凹
部内表面を平滑処理するという作業は必要なくなる。む
しろ、陰極本体の凹部内表面を平滑処理することなく混
合粉末を挿入して焼結処理を施すため、凹部内表面の凹
凸と焼結後の混合物が噛み合うように形成されるので焼
結チップのスッポ抜けや微動はなくなる。また、陰極本
体の凹部が小さく（すなわち、エミッター粉末等の混合
粉末の焼結部が小さく）なっても従来の問題は何ら生じ
ることがないので陽極からの熱の影響によるエミッター
の蒸発を抑えることもできる。かかる焼結部が陽極と対
面する部分はアーク放出との関係で放電電流等との関係
で規定されるものであるため、かかる観点から最小限に
設計することも可能である。

【００１１】

【実施例】この発明の陰極の製造方法を図１に示す。図
１（ａ）は、電極本体１を作る工程を示し、具体的に
は、タングステンやモリブデンなどの高融点材料を、所
望の形状に加工するもので、その一端にはモリブデンな
どの金属箔を溶接する部分１ａを形成する。この金属箔
は電流供給および真空気密保持の作用をする。電極本体
１は、例えば４φmm、長さ25mmの略円柱状のものであ
る。

【００１２】図１（ｂ）は、電極本体１に、後述する混
合粉末を入れるための穴を加工する工程を示し、具体的
には、電極本体１の前記金属箔を溶接する部分１ａと反
対側端部に、例えば1.0 φmm、長さ7.0 mmの穴１ｂを設
ける。なお、穴を形成した後、穴加工時に生ずる油類を
除去するために有機溶剤（アセトン等）で洗浄をする。
これにより、穴内を確実に脱脂することができる。この
ような工程を終了した後、次工程で使用するまで、穴加
工された電極本体１は不活性ガス雰囲気中で保管され
る。これは、埃が付着したり、酸化することを防止する
ためである。

【００１３】次に、エミッター作成工程について説明す
る。まず、複数の粉末状エミッター素材を秤量して混合
させる。具体的には、BaCO₃ を 1.8モル、SrCO₃ を 0.2
モル、CaCO₃ を 1.0モル、WO₃ を 1.0モルの割合で混合
させて混合粉末状態とする。また、本発明においてはエ
ミッターとして、従来使用されていた酸化トリウムとタ
ングステンの混合粉末(ThO₂-W)を使用していない。これ
により、点灯中の動作温度を約１０００℃低くすること
ができ、従って、タングステンの蒸発、磨耗、変形をな
くすることができ、長時間にわたりランプを安定に点灯
させることができる。

【００１４】この混合粉末は、例えば、アルミナ製坩堝
に入れて、約１０００℃〜１２００℃で焼成させる。焼
成は約２時間大気中で行われる。この焼成により二酸化
炭素の分解が行われ安定したエミッターを作ることがで
きる。また、温度は低すぎると焼成が不完全となり、ま
た、高すぎると混合粉末は溶けたり、あるいは分解を起
こしてしまう。

【００１５】この焼成された混合粉末は粉砕処理され
る。粉砕は、ボールミル等で行われ数μｍの粒子とな
る。この作業は、エミッターが吸水性（吸湿性）が強い
ことから湿度の低い所で行われる。このようにして形成
された数μｍの粒子は、不純物が混入しないように、真
空中、又は不活性ガス（例えば、窒素）雰囲気中で、ま
たは、ガラスアンプルの中で保管される。かかる保管作
業は重要であり、特に、水分が混入しないように厳重に
行う必要がある。

【００１６】次に、タングステン粉末の混合を行う。こ
の混合は電極先端のアーク放出部分が長時間の寿命を持
ち、また、変形することなく安定させる目的に行われる
ものであって大、中、小の粒子を混合させる。具体的に
は、大きい粒子（１０μｍ程度）を７０％、中くらいの
粒子（４μｍ程度）を２０％、小さい粒子（１μｍ程
度）を１０％の割合で秤量して混合させる。そして、こ
れらの粉末は、ボールミル等で均一に混合される。この
ようにして完成したタングステンの混合粉末も、前記エ
ミッターの混合粉末と同様に不活性ガス（例えば、窒
素）雰囲気で保管される。このタングステンの混合粉末
には、必要に応じて、タンタルやジルコニウムを入れる
こともある。

【００１７】次に、エミッタ粉末とタングステン粉末を
混合させる工程を説明する。エミッタ粉末は通常４％〜
１５％の割合で混合され、具体的には、例えば、エミッ
タ粉末を１０％重量、タングステン粉末を９０％重量の
割合で秤量させて、ボールミル等を使って充分に混合さ
れる。かかる作業においても不純物、特に、水分が混入
しないように充分に注意する必要がある。このようにし
て混合させた粉末は、水分のないところ、又は不活性ガ
ス（例えば、窒素）雰囲気の中で保管される。

【００１８】次に、このエミッタ粉末とタングステン粉
末の混合粉末を、前述の電極本体の先端穴内に挿入する
工程について説明する。かかる工程においても水分等が
混入しないように注意する必要がある。その後、この混
合粉末は圧力をかけてプレスされる。このプレスは混合
粉末の密度を高めるためのもので、例えば、約８トン／cm
² で行われる。

【００１９】そして、電極本体に混合粉末が充填、プレ
スされた状態から混合粉末の焼結処理がなされる。かか
る焼結処理は、例えば、１５００℃の高温で約１５分真
空または不活性ガス雰囲気下で行われる。この焼結温度
は、エミッターが蒸発しない範囲内で高い温度で処理さ
れ、本発明のようにバリウム系エミッターでは約１５０
０℃である。また、加熱方法は、アークによる加熱、高
周波加熱、電気炉による加熱、アークイメージ炉などが
ある。

【００２０】加熱処理がなされた電極は、次に、混合体
（混合粉末が焼結された後の部分）にスエージ処理がさ
れる。このスエージ処理は、図２に示すように、例え
ば、１５００℃の高温加熱状態のもとで、スエージ圧力
８〜１０トン／cm² 、１秒／１回の間隔で１回あたり約
０．１秒押さえ続けて行う。そして、約１００回の加圧
が行われる。この場合の加熱方法も、前述の焼結時と同
様に、アークによる加熱、高周波加熱、電気炉による加
熱、アークイメージ炉などで不活性ガス中で行われる。
このようなスエージ処理によって電極の先端部分におけ
るエミッター含有部分（すなわち、アーク放出部分）の
密度を高くすることができる。

【００２１】次に、電極先端を鋭角にすべく切削加工が
行われる。切削角度は、約４０°〜９０°でランプのア
ーク長、および電流値により選定される。このようにし
て電極が完成されるわけであるが、モリブデン箔等の金
属箔を溶接してランプとして製造するまでは、必要に応
じて、かかる電極は真空中又は窒素等の不活性ガス雰囲
気の中で保管される。

【００２２】以上の方法により製造された電極は、定格
電力５０Ｗから定格２０００Ｗの放電ランプまで広く適
用することができるが、電極先端に混合粉末が埋設され
てできた焼結体の大きさは、図３に示すように種々の値
をとる。このように混合粉末が埋設されてできた焼結体
の長さｌ、及び、径ｄは、種々の値をとるが、大入力型
ランプになるほど陰極から放出される電流量との関係で
大きくなる。一方、小入力型ランプの場合は、穴加工が
困難であり、また、小径に対して大きな穴があると割れ
てしまう。一方、混合体が埋設される部分があまりに大
きいと、スエージ処理において「ひび割れ」が生じやす
くなり、また、良好に製造できたとしても点灯中はアー
クがフラツクなど問題が生じる。

【００２３】この発明の製造方法で製造された陰極は、
高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、
キセノンマーキュリーランプなどに広く適用できる。

【００２４】次に、照度の点灯時間に対する減衰特性を
示す。図４は、この発明にかかる陰極を有する放電ラン
プ（Ａ）、エミッターを本発明と同様のBaCO₃ ：SrC
O₃ ：CaCO₃ ：WO₃ として従来の製造方法、すなわち、
混合粉末を焼結させてチップとした後に電極本体に挿入
する方法により製造された放電ランプ（Ｂ）、エミッタ
ーとして酸化トリウムとタングステンの混合を使った
（いわゆる「トリタン」）放電ランプ（Ｃ）の各々を２
０００時間点灯させて、各々のランプから放射される波
長３６５ｎｍの光を照度を測定した。縦軸は点灯初期の
照度の値を１００とした場合の照度維持率を示し、横軸
は点灯時間を示す。この発明の実験結果を図４に示すご
とく、２０００時間の点灯により、放電ランプ（Ｂ）は
９０％以下にまで減衰し、放電ランプ（Ｃ）は８０％以
下にまで減衰しているのに対し、本発明かかる放電ラン
プ（Ａ）はほぼ１００％近い照度を維持していることが
わかる。

【００２５】

【発明の効果】この発明にかかる放電ランプ用陰極の製
造方法によれば、エミッターとしてアルカリ土類酸化物
の単体又は複合体を使うので、その焼結温度が陰極本体
を構成するタングステン又はモリブデンの融点よりも低
くくなり、陰極本体の凹部にエミッター粉末を含む混合
粉末を挿入した後に、この混合粉末を焼結することがで
きる。このため、エミッターを含む混合粉末を焼結チッ
プとしてから陰極本体の凹部に挿入する方法と異なり、
混合粉末のまま陰極本体の凹部に挿入できるので焼結チ
ップを製造するという手間が省略され陰極の製造が容易
になる。また、陰極本体の凹部についても混合粉末を粉
末状態で挿入するため、凹部内表面を平滑処理するとい
う作業は必要なくなる。むしろ、陰極本体の凹部内表面
を平滑処理することなく混合粉末を挿入して焼結処理を
施すため、凹部内表面の凹凸と焼結後の混合物が噛み合
うように形成されるので焼結チップのスッポ抜けや微動
はなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の放電ランプの陰極の製造方法を示
す。

【図２】この発明の放電ランプの陰極の製造方法を示
す。

【図３】この発明の製造方法による放電ランプの陰極の
具体例を示す。

【図４】この発明の製造方法による放電ランプの照度維
持率を示す。

【図５】従来技術の説明図を示す。

【符号の説明】

１ 電極本体 １ａ 金属箔を溶接する部分 １ｂ 電極本体に設けた穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸田 光 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシオ 電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電ランプ用陰極の製造方法であって、 粉末状のバリウム系電子放射性物質と、タングステン粉
   末を所望の割合で混合させ混合粉末を作り、 この混合粉末をタングステン又はモリブデンよりなる陰
   極本体の先端凹部に加圧挿入して、 その後、陰極本体の凹部に前記混合粉末が挿入された状
   態で、当該混合粉末を焼結することを特徴とする放電ラ
   ンプ用陰極の製造方法。
2. 【請求項２】前記焼結処理の後に前記混合粉末の焼結体
   をスエージす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. 【請求項３】前記混合粉末の焼結体をスエージする工程
   において、 前記混合粉末の焼結体の先端部分が高密度になるべくス
   エージ処理がされ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。