JPH11154489A

JPH11154489A - 放電管用陰極、該陰極の製造方法およびアークランプ

Info

Publication number: JPH11154489A
Application number: JP10020345A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 高佐藤; Fumio Takamura; 文雄高村; Atsushi Inoue; 淳井上; Hiroyuki Miyamoto; 洋之宮本
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1997-09-20
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】アークランプの高出力時においても安定した
動作ができる放電管用陰極とその製造方法およびアーク
ランプを提供する。【解決手段】高融点金属材料及び電子放射材料からな
る先端鋭利な陰極基材１１を具備する放電管用陰極にお
いて、少なくとも陰極輝点となる先端を除き、前記陰極
基材１１表面を高融点炭化物金属１３でコーティングす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧にて動作させ
る放電管用陰極に関し、特に高出力動作を行うアークラ
ンプ用陰極に関する。

【０００２】

【従来技術】従来の放電管用陰極は、先端が鋭利化され
た形状をしており、その材料には、大別して、トリア入
りタングステン陰極、タングステン陰極、含浸型陰極の
３種類が使用されてきた。

【０００３】トリア入りタングステン陰極は、１〜５％
程度の二酸化トリウムをタングステン中に含有させた材
料を機械加工により、図４（ａ）に示すような先端鋭利
な形状の陰極基材１を形成し、図５（ａ）に示すよう
に、この陰極基材１をモリブデン製リボン２にロウ付
け、カシメ、または溶接などで固着して形成している。

【０００４】タングステン陰極は、９９％以上の純度を
持つタングステン材料を使用したもので、その形状は上
記と同様である。

【０００５】含浸型陰極は、多孔質タングステンを図４
（ｂ）に示すように、先端を上記の２種類のものよりや
や緩い勾配で尖らせた形状に整形し、空孔に電子放射材
料としＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃を混合した酸化物を水
素ガス中、１７００℃程度の高温下でしみこませて陰極
基材３を形成し、図５（ｂ）に示すように、陰極基材３
をモリブデン製のリード４で支持し、リード４にモリブ
デン製リボン２を接続して形成したものである。

【０００６】これらの陰極は、図６に示すように、陽極
５とともに放電ガスが充填されたガラス管６内に封止さ
れ、アークランプ７となる。

【０００７】アークランプにおいて、放電は上記３種類
の陰極のいずれかにより行われる。高圧点灯を行うと、
陰極における放電の輝点は、陰極の鋭利化された先端に
集中する。陰極の先端は、放電によって生じるガスイオ
ンにたえず叩かれ、陰極先端が高エネルギーで加熱され
る。この温度上昇は、放電電流を一定に制御して安定し
た放電をさせ、発光させるとき、その放電の陰極降下電
圧により変化する。この陰極降下電圧は、陰極の電子放
射能力により、異なりその能力が高いと陰極降下電圧は
低くなる。すなわち、電子放射能力が高いと、陰極にお
ける温度上昇は緩和され、陰極への負荷が小さくなる。

【０００８】従来のタングステン陰極では、電子放射能
力が低いため、高温に加熱され、先端が溶解し、タング
ステンの単結晶が成長して粗大化し、アーク発生点が後
方に下がり、かつ不安定に動き回る。その結果、アーク
の「ゆらぎ」が大きくなり、精密な点光源として不適当
になる。そして、さらに進んで、先端が溶解すると、放
電が停止してしまう。トリア入りタングステンにおいて
も、その程度は、緩やかではあるが、同じ現象を生じ
る。

【０００９】含浸型陰極では、その高電子放射能力によ
り溶解まではいかないが、内部に含浸しているＢａＯを
主とする化合物が溶けて陰極全体の表面に噴出し、放電
位置が不安定となる。また、蒸発したそれら化合物がラ
ンプのガラス管内壁に付着して透光率を低下させてしま
う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、アークランプの高出力時においても安定した
動作ができる放電管用陰極とその製造方法およびアーク
ランプを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の放電管用陰極は、高融点金属材料及び電子
放射材料からなる先端鋭利な陰極基材を具備する放電管
用陰極において、前記陰極基材表面が少なくとも放電輝
点となる先端を除き高融点炭化物でコーティングされて
いることを特徴とする。

【００１２】なお、前記陰極基材は、バリウム化合物含
浸タングステンとしてよい。この際、前記高融点炭化物
は、周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭化
物のいずれか若しくは組み合わせとしてよく、特に炭化
タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニ
オブ、炭化チタン、炭化タングステンのいずれか若しく
は組み合わせとして好適である。

【００１３】また、前記陰極基材は、トリア入りタング
ステンとしてもよい。この際、前記高融点炭化物は炭化
タングステンを除く周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩ
ａ族元素の炭化物のいずれか若しくは組み合わせとして
よく、特に炭化タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコ
ニウム、炭化ニオブ、炭化チタンのいずれか若しくは組
み合わせとして好適である。

【００１４】また、これらの陰極を製造する本発明の放
電管用陰極の製造方法は、前記陰極基材全面に高融点炭
化物をコーティングし、該コーティングした陰極基材を
不活性ガスまたは水素雰囲気中で陽極に対向配置して放
電させ、放電輝点となる陰極先端の高融点炭化物を除去
することを特徴とする。

【００１５】また、本発明のアークランプは上記いずれ
かの陰極と陽極を放電ガスを充填したガラス管内に封入
して構成したことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に沿って説明する。なお、複数の図面にわたって同一ま
たは相当するものには同一の符号を付し、説明の重複を
避けた。

【００１７】図１は、本発明により形成した陰極を断面
で示した図である。本図において１１は陰極基材、１２
はモリブデン製のリード、１３は陰極基材１１の表面を
コーティングした高融点炭化物（以下、炭化物と略称す
る）を示す。なお、炭化物１３は陰極基材１１の先端で
除去されており、そこから陰極基材が露出している。こ
の除去範囲は陰極の放電時、放電輝点となる範囲にわた
っている。

【００１８】図２は、本発明の放電管用陰極の製造工程
を示す図である。本図において、１４は陰極基材１１に
リード１２が固着した陰極本体を示す。本発明の放電管
用陰極の製作は、次のようにして行われる。まず、陰極
基材１１は、空孔率１８〜２０％となるようにタングス
テン粉末からプレス加工により円錐状に形成する（図２
(ａ)）。

【００１９】このようにして形成された半製品の陰極基
材１１の穴に、リード１２を嵌合し、水素炉内で仮焼結
を行い、陰極本体１４として組み上げる。続いて陰極基
材１１の先端を鋭利化後、水素炉（炉内温度：２４００
℃）により本焼結を行う（図２(ｂ)）。

【００２０】こうして多孔質タングステン焼結体となっ
た半製品の陰極基材１１に電子放射材料としてのＢａ
Ｏ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃を６：１：２のｍｏｌ比にした酸
化物粉末の混合物を水素炉で約１７００℃に加熱溶融
し、しみ込ませる。

【００２１】次に、陰極基材１１多孔質タングステン
に、電子放射材料を含浸させた陰極本体１４をスパッタ
装置内に配置し、ターゲットに炭化タンタルを使用し、
陰極本体１４の表面に炭化物１３を２〜５μｍの厚さで
コーティングする（図３(ｃ)）。

【００２２】最後に、陰極本体１４の先端に形成された
炭化物１３をグラインディング等の研磨によりφ０．１
〜０．５ｍｍ除去し、放電管用陰極を完成する（図３
（ｄ））。

【００２３】図３は他の方法で陰極先端の炭化物を除去
する様子を示す。本図において、１５は陽極、１６は真
空チャンバ、１７は直流電源を示す。まず、陰極本体１
４先端に形成された炭化物１３をグラインディングにて
僅かに傷つけ、下地の陰極基材１１を露出させる。

【００２４】その後、真空チャンバ１６内にその陰極本
体１４を陽極１５と対向配置し、真空チャンバ１６内を
排気後、不活性ガスまたは水素ガスを導入し、１〜１０
気圧に加圧する。

【００２５】次に、直流電源７をＯＮにし、陰極本体１
４と陽極１５とのギャップにアーク放電を発生させる。
アーク放電は、最初、陰極本体１４先端の下地露出部よ
り発生するが、微小な下地露出部に電流が流入するた
め、アーク放電により発生したイオンが、下地露出部周
辺の炭化物１３に衝突しこれを除去する。ちなみに、本
実施の形態では、陰極本体１４と陽極１５のギャップを
通常の放電管に対向配置させた場合と同程度の２ｍｍと
し、トリガー電圧を２０〜３０ｋＶ、以降の放電時の電
圧を１６〜２０Ｖとした。

【００２６】最後に、炭化物の除去領域がφ０．１〜
０．５ｍｍに拡大すると陰極の放電輝点が安定するの
で、その時点で直流電源１７をＯＦＦにしてアーク放電
を停止する。

【００２７】以上の操作により、安定に陰極先端に炭化
物の除去領域を形成することができた。

【００２８】以上のように構成された放電管用陰極を陽
極と組み合わせ、ガラス管の中に封入し、放電ガスを充
填してアークランプが出来上がる。このアークランプを
アーク放電動作させると、陰極先端は、仕事関数の低い
（１．２〜２．４ｅＶ）炭化物除去領域を、仕事関数の
高い（３．４〜４．４ｅＶ）炭化物が取り囲むような構
成なので、炭化物除去領域に放電輝点が集中する。

【００２９】陰極基材１１先端の炭化物除去領域は高温
になるが、バリウム等の電子放射物質が供給され続ける
ので、仕事関数が低くなり、つまりは電子放射能力が高
く、タングステン等の高融点金属の単結晶が粗大化する
温度にまで達しない。

【００３０】一方、炭化物でコーティングされた領域
は、仕事関数が高く、高温になっても電子放射能力が低
くいため、放電輝点の拡大が抑止される。したがって、
アークの「ゆらぎ」も起こらない。

【００３１】また、陰極基材１１への炭化物コーティン
グは、多孔質タングステン表面の孔目潰しも兼ねてお
り、放電に寄与しない余分なバリウム化合物がガラス管
に付着し、透光率を低下させることもなくなる。

【００３２】さらに、炭化物の熱伝導は、タングステン
の熱伝導にくらべ悪いため、陰極基材１１内部を高温に
保つ（断熱効果）ことができる。したがって、陰極基材
１１内部に含浸しているバリウム化合物を炭化物除去領
域に持続的に供給し、アークランプを長寿命化できる。

【００３３】以上、発明の実施の形態について述べた
が、本発明はこれに限らず種々の変更が可能である。例
えば、上記実施の形態では陰極基材を炭化タンタルでコ
ーティングしたが、その他の炭化物でもよい。高融点の
炭化物は周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素を
炭化したものが熱的にも機械的にも安定しており、これ
ら元素の炭化物を単体でまたは組み合わて使用してもよ
い。特に融点の高さから炭化ハフニウム、炭化ジルコニ
ウム、炭化ニオブ、炭化チタン、炭化タングステンの組
み合わせまたはいずれかとして好適である。

【００３４】また、陰極基材としてバリウム化合物含浸
型陰極の代わりに、トリア入りタングステンとしても可
能である。この際、コーティングする炭化物は上記のバ
リウム化合物含浸型陰極の場合と同様に周期律表のＩＶ
ａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素を炭化したものが使用で
き、上記の炭化タンタルの他、炭化ハフニウム、炭化ジ
ルコニウム、炭化ニオブ、炭化チタンの組み合わせまた
はいずれかとして好適である。但し、本発明の主旨のひ
とつは、陰極基材表面に炭化物をコーティングし、その
表面における仕事関数を高くすることであるから、陰極
基材がトリア入りタングステンの場合、逆に仕事関数を
低下させる炭化タングステン等のコーティングは不適で
ある。

【００３５】また、炭化物の被着はスパッタによった
が、その他ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の他の方法でも可
能である。例えば、高融点金属をスパッタ後、水素と炭
化水素の混合ガスによるプラズマ処理で炭化物を形成す
ることもできる。

【００３６】さらに、上記実施の形態では陰極基材を円
錐形としたが、電界集中をさせるに足る多角錐その他の
先端鋭利な形状でもよいことは言うまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放電管用陰極の先端には陰極基材１１内部から電子放射
物質が供給されるので、陰極先端の温度上昇を低くする
ことができる。

【００３８】また、放電管用陰極のすくなくとも先端を
除き炭化物でコーティングしたので、電子放射材料の蒸
発が抑えられ、蒸発によるガラス管への付着を防止でき
る。したがって、本発明の放電管用陰極を使用したアー
クランプは、高出力点灯時においても、「ゆらぎ」のな
い安定した発光動作ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電管用陰極の実施の形態を示す断面
図である。

【図２】図１の放電管用陰極を製造する方法の説明図で
ある

【図３】陰極先端の炭化物を除去する装置の実施の形態
である。

【図４】従来の陰極基材を示す図である。

【図５】従来の陰極を示す図である。

【図６】アークランプを示す図である。

【符号の説明】

１１陰極基材１２リード１３炭化物１４放電管用陰極１５陽極１６真空チャンバ１７直流電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本洋之埼玉県上福岡市福岡二丁目１番１号新日本無線株式会社川越製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属材料及び電子放射材料からな
る先端鋭利な陰極基材を具備する放電管用陰極におい
て、前記陰極基材表面が少なくとも放電輝点となる先端
を除き高融点炭化物でコーティングされていることを特
徴とする放電管用陰極。
【請求項２】前記陰極基材が、バリウム化合物含浸タ
ングステンからなることを特徴とする請求項１に記載の
放電管用陰極。
【請求項３】前記高融点炭化物が周期律表のＩＶａ
族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭化物のいずれか若しくは
組み合わせであることを特徴とする請求項２に記載の放
電管用陰極。
【請求項４】前記高融点炭化物が、炭化タンタル、炭
化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化チ
タン、炭化タングステンのいずれか若しくは組み合わせ
であることを特徴とする請求項３に記載の放電管用陰
極。
【請求項５】前記陰極基材がトリア入りタングステン
からなることを特徴とする請求項１に記載の放電管用陰
極。
【請求項６】前記高融点炭化物が、炭化タングステン
を除く周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭
化物のいずれか若しくは組み合わせであることを特徴と
する請求項５に記載の放電管用陰極。
【請求項７】前記高融点炭化物が、炭化タンタル、炭
化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化チ
タンのいずれか若しくは組み合わせであることを特徴と
する請求項６に記載の放電管用陰極。
【請求項８】前記陰極基材全面に高融点炭化物をコー
ティングし、該コーティングした陰極基材を不活性ガス
または水素雰囲気中で陽極に対向配置して放電させ、放
電輝点となる陰極先端の高融点炭化物を除去することを
特徴とする請求項１乃至７に記載の放電管用陰極の製造
方法。
【請求項９】陰極と陽極を放電ガスを充填したガラス
管内に封入したアークランプにおいて、前記陰極に請求
項１乃至７のいずれかの放電管用陰極を用いたことを特
徴とするアークランプ。