WO2014208393A1

WO2014208393A1 - 放電ランプ

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Publication number: WO2014208393A1
Application number: PCT/JP2014/065965
Authority: WO
Inventors: 幸治田川; 有本　智良; 充夫船越; 安田　幸夫; 優紀音嶋; 岩林　弘久
Original assignee: ウシオ電機株式会社
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-12-31
Also published as: CN105340055A; TW201515055A; CN105340055B; EP3016131B1; TWI576893B; US9633829B2; EP3016131A4; EP3016131A1; US20160155625A1

Abstract

　発光管内の陰極にトリウム以外のエミッタを添加してなる放電ランプにおいて、陰極からエミッタが過剰に蒸発して早期に枯渇してしまうことを防止するとともに、当初点灯時にも安定した点灯ができるようにする。　陰極（３）における本体部（３１）は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、先端部（３２）は、エミッタ（トリウムを除く）が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、前記本体部（３１）および／または先端部（３２）の内部に形成された密閉空間（３３）内に、前記先端部（３２）に含有されたエミッタよりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体（３４）が埋設され、前記焼結体（３４）と前記先端部（３２）とが当接されている。

Description

放電ランプ

　この発明は、陰極に電子放射を良好にするためのエミッタを含有してなる放電ランプに関するものであり、特に、トリウム以外の希土類元素等のエミッタを含有してなる放電ランプに係わるものである。

　一般に、高入力の高輝度放電ランプなどにおいては、その陰極には、電子放射を容易にするためにエミッタが添加されている。このエミッタとしては従来酸化トリウムが用いられてきたが、トリウムが放射性物質であることから取り扱いに種々の制約があり、その代替物質として、希土類元素及びその化合物を用いるものが提案されている。希土類元素は、仕事関数（一般的に、物質内部から外方へ電子が飛び出す際に必要なエネルギーを指す）が低く電子放射に優れた物質であり、トリウムの代替物質として期待されている。
　特表２００５－５１９４３５号公報（特許文献１）には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などを含有させた放電ランプが開示されている。

　しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい。そのため、陰極に含有させるエミッタとして酸化トリウムに代えて希土類酸化物を用いた場合、ランプ点灯により当該希土類酸化物が過度に蒸発して、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。エミッタが枯渇してしまうと、陰極における電子放射機能が失われて、フリッカーが生じ、ランプ寿命が短くなるという問題がある。
　また、陰極に含まれるエミッタが、陰極の後方から先端に向けて、輸送が迅速に行われ難く、そのため、実際に電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであるということもエミッタ枯渇の一因といえる。
　このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、１ｋＷ以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の早期の蒸発は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。

　また、特開２００２－１４１０１８号公報（特許文献２）には、アルカリ土類金属（酸化物）をエミッタ物質として用いた陰極構造が開示されている。図１５にその構造が示されていて、エミッタとしてアルカリ土類金属酸化物を添加した易電子放射部８１を陰極８０に埋め込み、陰極先端に露出させた構造とされている。
　この構造においても、エミッタであるアルカリ土類金属酸化物がアークに曝されるものであるために、その蒸発が一層進んでしまうことは、前記特許文献１に示す陰極と同様である。その結果、特に陰極先端において、エミッタが早期に枯渇し、陰極における電子放射機能が失われてしまい、フリッカーが生じてランプ寿命が短くなるという同様の問題がある。

特表２００５－５１９４３５号公報特開２００２－１４１０１８号公報

　この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、陰極にトリウム以外のエミッタを添加しても、当該エミッタの早期の枯渇を防止して、電子放出機能を長時間維持し、ランプのフリッカー寿命の長期化を図るとともに、当初の点灯時の始動性および点灯性に優れた構造を提供しようとするものである。

　上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極が、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、前記先端部は、エミッタ（トリウムを除く）が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタよりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されているとともに、前記焼結体が前記先端部に当接していることを特徴とする。

　また、前記密閉空間内の前記焼結体の後端側には該焼結体を前記先端部側に押圧する押圧部材が設けられていることを特徴とする。
　また、前記押圧部材は、前記本体部および前記先端部よりも膨張率の大きな高融点材料であることを特徴とする。
　また、前記押圧部材は、バネ形状の部材であり、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）のいずれかの高融点金属若しくはこれらの合金で構成されていることを特徴とする。

　また、前記焼結体は、先端部側に向けて拡径するテーパー部を有することを特徴とする。
　また、前記焼結体の外面には円周方向の凸部が形成され、前記密閉空間の内面には円周方向の凹部が形成されていて、互いに係合していることを特徴とする。
　また、前記焼結体の外面の凸部が雄ネジであり、前記密閉空間の内面の凹部が雌ネジであって、互いに螺合していることを特徴とする。

　本発明によれば、トリウムを含まない本体部の先端に、トリウム以外のエミッタが含有された先端部が接合され、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタよりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されているので、放電ランプを当初に点灯する際には、先端部に含まれたエミッタ（トリウムを除く）が先端部を被覆することにより良好な始動性および点灯性がもたらされる。
　点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散するので、先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性は安定的に長期間維持される。
　この焼結体は、陰極内部に埋設されているため、放電アークに直接曝されることがなく、アークによって過熱されることが抑制されるので、過度に蒸発してエミッタが早期に枯渇してしまうようなことがない。

　更に、前記焼結体は前記先端部に当接しているので、焼結体中のエミッタは、先端部側に円滑に拡散する。
　また、焼結体の後端側に押圧部材が設けられているので、焼結体には先端部側に押圧される力が常に作用していて、点灯時の高温によって焼結体の焼結が進行して収縮することがあっても、その前端と前記先端部との間に隙間が生じたり、或いは、焼結体にひび割れが生じたりすることがない。
　また、焼結体にテーパー部を形成することで、該焼結体が熱膨張する際、専ら先端部側に膨張するので、その前端面と前記先端部とが焼結によって接合し、焼結体が収縮しても先端部との間隙が生じることがなく、焼結体から先端部へのエミッタの拡散が一層円滑・確実となる。
　また、焼結体と密閉空間とが凸部と凹部によって係合していることで、焼結体が温度変動により膨張収縮することがあっても、常に、凸部と凹部のいずれかの箇所で当接しているので、焼結体から先端部への、もしくは、本体部を介して先端部へのエミッタの拡散経路が常に確保される。

本発明に係る陰極構造を有する放電ランプの全体図本発明の第１の実施形態の実施例１を表す陰極構造図他の実施例２を表す陰極構造図更に他の実施例３を表す陰極構造図更に他の実施例４，５を表す陰極構造図更に他の実施例６を表す陰極構造図本発明の第１の実施形態の陰極の製作工程図本発明の第２の実施形態の実施例７の陰極構造図他の実施例８の陰極構造図本発明の第３の実施形態の実施例１０～１２の陰極構造図本発明の第３の実施形態の陰極の製作工程図第３の実施形態の作用説明図図１２の拡大説明図本発明の技術課題の説明図従来技術の断面図

　図１は、この発明の第１の実施形態にかかる陰極構造を有する放電ランプの全体構造を示し、放電ランプ１は発光管２の内部に陰極３と陽極４とが対向配置されている。
　図２に詳細が示されるように、陰極３は、本体部３１と、その先端に接合された先端部３２とからなる。
　前記本体部３１は、トリウムを含まない、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料からなる。
　そして、前記先端部３２は、前記本体部３１の先端側、即ち、陽極４と対向する面に固相接合、抵抗溶接などの適宜な接合手段により接合されている。当該先端部３２には、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている（以下、先端部に含まれるエミッタを第１エミッタともいう）。
　このトリウム以外の第１エミッタとしては、例えば、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などが単体、もしくは、その組み合わせで用いられる。

　この第１エミッタは、ランプの当初の点灯時に始動性および点灯性を確保するためのものであって、その濃度は、例えば、０．５重量％～５．０重量％と低めに設定される。濃度を低めにするのは、放電アークに曝されてエミッタが過度に蒸発することを防止するためである。
　つまり、第１エミッタの含有量が、０．５重量％未満の場合、点灯初期において電子放出に必要となるエミッタ濃度を確保できず、ランプ電圧の上昇や変動の増大が、発生する。また、含有量が、５．０重量％を超えてしまうと、タングステン材料等の製造の際に、焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスエージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなるだけでなく、仮に、製造できた場合でも、先端部に使用した場合に、エミッタの蒸発が顕著になり、バルブの黒化（白濁）を促進してしまうため好ましくない。

　図２に示されるように、陰極３の内部には、密閉空間３３が形成されていて、該密閉空間３３内には、エミッタが含有された焼結体３４が埋設されている。
　このエミッタ焼結体３４には、トリウム以外のエミッタ（以下、焼結体３４に含有されるエミッタを第２エミッタともいう）が含有されていて、そのエミッタの具体例は、例えば、前記第１エミッタと同様、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などの単体もしくはその組み合わせが用いられる。
　この焼結体３４に含有される第２エミッタの濃度は、前記先端部３２に含有される第１エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、１０重量％～８０重量％である。
　この第２エミッタの濃度が、１０重量％未満であると、陰極３内部に格納できる焼結体３４のサイズの関係から、ランプ寿命時間内に陰極先端部３２に供給するエミッタ量を確保することが難しくなってしまう。また、８０重量％を超えてしまうと、焼結体３４のタングステン等の構成材料の割合が減少してしまい、酸化物の還元による生成物が減少してしまうため、いずれの場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。

　このような陰極構造によって、放電ランプを当初に点灯する際には、先端部に含まれたエミッタ（トリウムを除く）が先端部を被覆することにより良好な始動性と点灯性がもたらされる。
　また、点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散によって供給されるので、先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性は安定的に長期間維持される。
　更には、この焼結体は、陰極内部に埋設されているため、放電アークに直接曝されることがなく、アークによって過熱されることがないので、過度にエミッタが蒸発して、早期に枯渇してしまうようなことがない。
　以上のように、本発明の陰極構造とすることで、トリウム以外のエミッタを含有する陰極を用いた放電ランプを実現できるようにしたものである。

　ところで、このような陰極構造の放電ランプを実際に点灯してみたところ、点灯条件によっては、稀に焼結体にひび割れが発生したり、先端部との間に空隙が発生したりすることが判明した。
　図１４によってこれを以下に説明する。図１４（Ａ）は、本発明の前提となる陰極構造を示し、陰極３が、本体部３１と、これに接合された先端部３２とからなり、焼結体３４が陰極３内に埋設されている。
　この陰極構造をもつ放電ランプを点灯すると、その点灯条件などによって、図１４（Ｂ）に示すように、焼結体３４にひび割れＸが発生することがある。
　その不具合について詳細に検討したところ、焼結体３４が、ランプ点灯に伴ってその焼結が進むことに原因するものと推測された。つまり、焼結体は、焼結時にエミッタが蒸発してしまうことを回避するために、同じ焼結構造である陰極３の本体部３１や先端部３２の焼結温度よりも低い温度で焼結をするので、その焼結が十分には進んでいない。
　これが、ランプ点灯時の高温によって焼結が進行し、収縮する。このとき、焼結体３４には、軸方向の両端から引っ張られる力が働き、その力に耐えられずに、ひび割れＸが生じるものと推察される。

　さらには、上記のひび割れが生じないとしても、図１４（Ｃ）に示すように、焼結体３４の焼結の進行による軸方向の収縮によって、陰極先端部３２との間に空隙Ｓが形成されることがあり、場合によっては、ひび割れと空隙形成が同時に発生することもある。　こうしたひび割れＸや空隙Ｓが形成されると、焼結体３４から陰極先端部３２へのエミッタが拡散し難くなり、焼結体内のエミッタの十分な活用ができず、陰極先端でのエミッタの枯渇という事態が発生することがある。

　本発明では、このような、焼結体の焼結の進行に伴うひび割れや、先端部との間の空隙形成によるエミッタの拡散供給の不足といった不具合を抑制するために、焼結体を陰極先端部に当接する構造を採用している。
　以下説明する。
　図２に示すように、陰極３の本体部３１に形成した密閉空間３３内には、焼結体３４とともに、その後端側には押圧部材３５が配置されていて、この押圧部材３５によって前記焼結体３４は前記先端部３２側に押圧当接されている。

　この押圧部材３５は、ランプ点灯時の陰極３の到達温度よりも高い融点（例えば、融点が約２０００℃（２３００Ｋ）以上）を有し、かつ、陰極３の本体部３１と先端部３２を構成する材料よりも、線膨張係数がより大きい材料から構成される。
　例えば、陰極３の本体部３１と先端部３２を構成する材料としては、タングステンが代表として挙げられる。この場合、押圧部材３５としてはタングステンの線膨張係数よりも高い線膨張係数を有する金属であり、具体的には、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）などの高融点金属若しくはこれらの合金、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などである。

　ランプ点灯により陰極温度が上昇し、エミッタ焼結体３４は焼結が進行して軸方向に収縮する傾向にあるが、密閉空間３５内に収容した押圧部材３５が、陰極３の本体部３１や先端部３２よりも線膨張係数が大きいので、これらよりも熱膨張量が大きく、前記焼結体３４の収縮量を上まわって、これを先端部３２側に押圧して当接させる状態が維持されるとともに、該焼結体３４に引張力を働かせることがなく、ひび割れが発生することもない。

　なお、図２においては、トリウム以外のエミッタを含有する焼結体３４は、陰極３の本体部３１に形成された密閉空間３３内に埋設されるものを示したが、これに限られない。　図３に示す実施例２では、密閉空間３３が、本体部３１と先端部３２とに跨って形成されていて、焼結体３４はこの本体部３１と先端部３２とに跨るように埋設されている。　また更には、図４に示す実施例３では、図３と同様に、密閉空間３３が、本体部３１と先端部３２とに跨って形成されているが、焼結体３４が、実質的には、前記先端部３２内に埋設されている。

　当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部３２の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものであり、そのいずれを選択するかは、製造面での容易性と、先端部３２の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。
　このように、焼結体３４は陰極３内部に埋設されていることにより、放電アークに直接曝されることがなく、必要以上に加熱されることがないので焼結体中に含まれる第２エミッタが過度に蒸発することがない。

　図５には更に他の実施例４，５が示されていて、密閉空間３４内に収容されるエミッタ焼結体３４と押圧部材３５の直径がそれぞれ異なる例である。即ち、図５（Ａ）の実施例４は、押圧部材３５の直径が焼結体３４よりも小さく、また、図５（Ｂ）の実施例５は、焼結体３４より大きい例である。

　図６には更に他の実施例６が示されていて、密閉空間３４内の押圧部材３５は、バネ形状を有していて、この場合、この押圧部材３５を構成する材料は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）などの高融点金属若しくはこれらの合金である。

　図２に示された実施例の陰極構造の寸法例と製作方法を説明すると以下の通りである。
＜寸法例＞
　本体部：Ｋドープタングステン
　本体部胴径：φ１０ｍｍ
　先端部：Ｗ＋ＺｒＯ_２＋Ｌａ_２Ｏ_３（エミッタ）
　先端部厚さ：３ｍｍ
　密閉空間：内径φ２．１ｍｍ、深さ４ｍｍ
　焼結体：Ｗ＋ＣｅＯ_２（エミッタ）
　焼結体寸法：φ２ｍｍ、全長２ｍｍ
　押圧部材：タンタル
　押圧部材寸法：φ２ｍｍ、全長２ｍｍ

＜製作方法＞
　タングステン（Ｗ）粉末と酸化セリウム（ＣｅＯ_２）粉末を、重量比で２：１の割合で混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレス（約５ＭＰａ）により成形を行う。次に、この圧縮成形品を還元雰囲気中１０００℃で脱脂・仮焼結し、そして、真空加熱炉内に挿入して、１５００～１８００℃に加熱、焼成して、焼結体の原型を製作した。この原型焼結体の端面を切削整形して、直径約φ２ｍｍ且つ長さ２ｍｍ前後の焼結体を製作した。

　次いで、この焼結体を用いた陰極の製作工程を図７により説明する。
　先ず図７（Ａ）に示すように、本体部３１を構成する本体部材３１ａの先端側に密閉空間３３を構成する穴３３ａを形成し、該穴３３ａ内に押圧部材３５と焼結体３４を挿入する。次いで、先端部３２を構成する先端部材３２ａを焼結体３４に当接する。
　この時、焼結体３４の先端は、本体部３１の表面より０．５ｍｍ程度の若干量だけ突出しているように関係づけられている。
　図７（Ｂ）に示すように、先端部材３２ａを押圧して、焼結体３４を圧縮し、先端部材３２ａと本体部材３１ａとを当接する。この際、焼結体３４は、本体部３１や先端部３２の焼結温度よりも低い温度で焼結してあるので、押圧による縮み代は大きく、本体部材３１ａと先端部材３２ａの当接により、若干量だけ縮み、焼結体３４は先端部材３２ａと当接した状態となる。
　この状態で、拡散接合や抵抗溶接等により本体部材３１ａと先端部材３２ａを接合する。
　次いで、先端部材３２ａと本体部材３１ａの接合後に、陰極３の先端を切削加工する。
　これにより、図７（Ｃ）に示すように、本体部３１の先端に先端部３２が接合され、その内部の密閉空間３３内に焼結体３４と押圧部材３５が密閉埋設された陰極３の最終形状が得られる。

　なお、本願発明の第１の実施形態にかかる陰極構造が適用されるのは、図１では、水銀ランプやキセノンランプなどのショートアーク型放電ランプを対象としたが、ロングアーク型放電ランプに適用することもできる。

　以上のように、本発明の第１の実施形態においては、互いに接合された本体部と先端部とからなる陰極の内部に密閉空間を形成して、その内部にトリウム以外の高濃度のエミッタを含有した焼結体を収容するとともに、その後端側には押圧部材を収容したので、点灯による高温によって焼結体の焼結が進行して軸方向に収縮しても、前記押圧部材がこの焼結体を先端部側に押圧して当接させるので、焼結体にひび割れが生じたり、焼結体と先端部との間に空隙が形成されたりすることがなく、焼結体中のエミッタの先端部への輸送が円滑に行われて、含有エミッタの有効活用が図られて、先端部で枯渇するといったことがない。
　このように、本発明によれば、陰極内部にトリウム以外の高濃度エミッタを含有した焼結体を収容する陰極構造を実用的に実現できるものである。

　次いで、本発明の第２の実施形態について図８、９に基づいて説明する。
　図８において、陰極３は、第１の実施形態と同様に本体部３１と、この本体部３１の先端に接合された先端部３２と、本体部３１に軸方向に伸びるよう埋設されたテーパー形状の焼結体３４とにより構成されている。
　そして、前記先端部３２と焼結体３４のそれぞれに含有されるトリウム以外のエミッタは、前記図２以下に説明した第１の実施形態のものと同様である。

　焼結体３４は、先端部３２側に向かって拡径するテーパー形状とされたテーパー部３４ｃを有していて、この実施例では、焼結体３４全体がテーパー形状とされており、先端部３２側の前端面３４ａの直径が後端面３４ｂの直径より大きいものである。
　この焼結体３４における前端面３４ａの直径と後端面３４ｂの直径との比は、例えば１．００５：１～１．２：１である。
　また、焼結体３４の前端面３４ａと先端部３２の陰極先端面との距離は、例えば１～５ｍｍである。
　更に、このような陰極３の具体的な寸法の一例を挙げると、以下のようである。
　本体部３１は、最大外径が１５ｍｍ、軸方向の長さが６０ｍｍである。先端部３２は，先端面の径が１．２ｍｍ、軸方向の長さが２ｍｍである。本体部３１と先端部３２との界面の外径は６ｍｍである。焼結体３４は、前端面３４ａの直径が２．２ｍｍ、後端面３４ｂの直径が２．０ｍｍ、軸方向の長さが５ｍｍである。

　このような陰極３０は、基本的には、前記図７で説明した製作方法と同様に、以下のようにして製作することができる。
　焼結体３４が配置される密閉空間を構成するテーパー形状の穴が設けられた本体部材、先端部材、および、テーパー形状の焼結体３４をそれぞれ別個に製造する。
　ここで、焼結体３４は、以下のようにして製造することができる。先ず、高融点金属材料よりなる粉末とエミッタ物質よりなる粉末との混合物にステアリン酸などのバインダを添加することにより、焼結体用材料を調製する。次いで、焼結体用材料を加圧プレス等によって成形する。得られた成形体を、水素ガス雰囲気下において、例えば処理温度が１０００℃で処理時間が１時間の条件で加熱することにより、当該成形体に対して脱脂・仮焼結処理を行う。そして、脱脂・仮焼結処理された成形体に対して、減圧下において、処理温度が例えば１４００～２０００℃、好ましくは１５００～１８００℃、処理時間が例えば１時間の条件で、本焼結処理を行うことにより、焼結体３４が得られる。
　なお、焼結体のテーパー部は、加圧成形時の金型にテーパー形状を付けたものを使用してもよいし、成形体の熱処理後に切削加工により作製してもよい。

　前記焼結体３４を本体部材の穴内に配置し、これに先端部材を当接させて、先端部材と本体部材とを、拡散接合や抵抗溶接等により接合する。こうして接合された先端部材と本体部材とを切削加工により、所望の先端形状を有する陰極形状とする。
　そして、これを、例えば処理温度が１０００℃で、処理時間が０．５時間の条件で水素ガスでの還元処理を行う。その後、例えば処理温度が２０００～２４００℃で、処理時間が１時間の条件で真空熱処理を行う。これにより、目的とする陰極３０が得られる。

　以上において、本発明の第２の実施形態に係る陰極によれば、焼結体３４には先端部３２より高濃度のエミッタ物質が含有されているため、当該焼結体３４を構成する材料の線膨張係数は、本体部３１および先端部３２を構成する材料の線膨張係数よりも大きく、２～３倍となる。
　而して、焼結体３４は、その前端面３４ａの直径が後端面３４ｂの直径より大きいテーパー部３４ｃを有する。そのため、陰極３の製造時の真空熱処理や放電ランプの点灯時においては、昇温時に、エミッタ物質を先端部３２より高い濃度で含有した焼結体３４は、本体部３１および先端部３２より大きく膨張する。
　この焼結体３４はテーパー形状であるために、その膨張時には、専ら先端部側に向かって膨張することになり、焼結体３４の前端面３４ａは、先端部３２に押し付けられ、先端部３２と焼結体３４との間において当接が一層強固なものとなり、焼結によって接合されることとなって、剥離が生じにくくなる。このため、焼結体が収縮する場合でも、焼結体３４の前端面３４ａと先端部３２との間に間隙が形成されることがなく、焼結体３４から先端部３２に十分な量のエミッタ物質が円滑に供給されるものである。

＜実験例＞
　図８に示す構成に従い、下記の仕様の陰極を作製した。
　本体部：材質＝酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）がドープされたタングステン（ＺｒＯ_２の濃度が１ｗｔ％），最大外径＝１５ｍｍ，軸方向の長さ＝５８ｍｍ
　先端部：材質＝酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）がドープされたタングステン（Ｌａ_２Ｏ_３の濃度が１．５ｗｔ％，ＺｒＯ_２の濃度が０．０５ｗｔ％），先端面の径＝０．８ｍｍ，本体部との界面の外径＝６ｍｍ，軸方向の長さ＝２ｍｍ
　焼結体：材質＝酸化セリウム（ＣｅＯ_２）とタングステン（Ｗ）との焼結体（ＣｅＯ_２とＷとの質量比が１：２），前端面の直径＝２．２ｍｍ、後端面の直径＝２．０ｍｍ、軸方向の長さ＝５ｍｍ

　上記の陰極を用い、図１に示す構成に従って、下記の仕様の放電ランプを作製した。
　発光管：材質＝石英ガラス，最大内径＝１０９ｍｍ
　陽極：材質＝タングステン，外径＝３５ｍｍ，軸方向の長さ＝６５ｍｍ
　電極間距離：９ｍｍ
　定格入力：７ｋＷ

　上記の放電ランプを、電圧が３５Ｖ、電流が２００Ａの条件で点灯し、フリッカーが発生するまでの点灯時間を測定したところ、７００時間であった。また、点灯を開始してから７００時間経過後における放電ランプの照度維持率は８５％であった。

＜比較例＞
　比較例として、焼結体を、外径が２．２ｍｍで、軸方向の長さが５ｍｍの円柱状のものに変更し、それ以外は実験例と同様にして、陰極および放電ランプを作製した。
　上記の放電ランプを、電圧が３５Ｖ、電流が２００Ａの条件で点灯させ、フリッカーが発生するまでの点灯時間を測定したところ、５００時間であった。また、点灯を開始してから５００時間経過後における放電ランプの照度維持率は８５％であった。

　以上の結果から明らかなように、実験例に係る放電ランプによれば、フリッカーが発生するまで７００時間と長期間にわたって安定した点灯状態が達成されることが確認された。
　これに対して、比較例に係る放電ランプにおいては、点灯５００時間でフリッカーが発生し、比較的短期間で不安定となった。これは、点灯に伴う焼結体の収縮に起因して、先端部と焼結体との間に間隙が形成され、これにより、放電ランプの点灯中において、焼結体から先端部に十分にエミッタ物質が供給されなくなったためと考えられる。

　図９に、第２の実施形態における他の実施例８が示されている。
　図８の実施例７では、焼結体３４全体がテーパー形状であるのに対して、この実施例８では、焼結体３４の一部がテーパー形状をなしている。
　つまり、焼結体３４には、先端部３２側に向かって拡径するテーパー部３４ｃの先端側に、テーパー部３４ｃよりも大径の前端部３４ｄが形成されているものである。
　そして、この実施例では、テーパー部３４ｃが本体部３１内に埋設され、前端部３４ｄが先端部３１内に埋設されている。

　この実施例８の具体的な寸法の一例を挙げると、以下の通りである。
　本体部３１は、最大外径が１５ｍｍ、軸方向の長さが６０ｍｍである。先端部３２は、先端面の径が１．２ｍｍ、軸方向の長さが３ｍｍである。本体部３１と先端部３２との界面の直径は６ｍｍである。焼結体３４は、前端部分３４ｄの直径が２．２ｍｍ、軸方向の長さが１ｍｍ、テーパー部３４ｃにおける前端の直径が２．０ｍｍ、後端の直径が１．８ｍｍ、軸方向の長さが４ｍｍである。

　次いで、本発明の第３の実施形態について図１０～１３に基づいて説明する。
　この実施形態では、焼結体と密閉空間に円周方向の凸部と凹部を形成し、互いに係合する構造としたものである。
　図１０に示されるように、陰極３の内部には、密閉空間３３が形成されていて、該密閉空間３３内には、トリウム以外のエミッタが含有された焼結体３４が埋設されている。
　この図１０における陰極３の全体的な構成は、図２に示したものと基本的に同じであるから重複する箇所については説明を省略する。
　そして、前記密閉空間３３の内面には、雌ネジ３３ｅが形成されており、一方、前記焼結体３４の外面には、雄ネジ３４ｅが形成されていて、両者は互いに螺合している。
　図１０（Ａ）は、密閉空間３３が本体部３１側に形成されていて、焼結体３４は実質的には、該本体部３１内に埋設されている。
　図１０（Ｂ）は、密閉空間３３が、本体部３１と先端部３２とに跨って形成されていて、焼結体３４はこの本体部３１と先端部３２とに跨るように埋設されている。
　図１０（Ｃ）は、密閉空間３３が先端部３２側に形成されていて、焼結体３４は、実質的には、該先端部３２内に埋設されている。

　本発明の第３の実施形態に係る陰極構造のうち、図１０（Ａ）の構造のものの製造工程を、図１１を用いて説明する。
　陰極３内部の密閉空間３３内に埋設する焼結体３４は、エミッタ（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）の配合比を、重量比で１：２として、混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレス機により成形を行う。この後、水素中で１０００℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、真空中での本焼結をタングステン炉中において、１４００～２０００℃、好ましくは１５００～１８００℃、１ｈで行うことで、製作する。なお、これより以上のあまり高い温度で焼結を行うと、高濃度で添加したエミッタが蒸発して消失してしまい、高濃度で添加した意味が失われてしまうので、好ましくはない。成形後、焼結体３４の外面に雄ネジ３４ａを切削加工により形成する。

　一方、陰極３の本体部３１は、ＺｒＯ_２ドープタングステンであり、先端部３２は、Ｌａ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２ドープタングステンである。ともに、真空中で２３００℃～２５００℃の温度で焼結及びスエージを行う。このようなエミッタが含有されたタングステンをより高い温度（例えば、３０００℃）で焼結すると、エミッタが蒸発して消失してしまうので、好ましくはない。
　そして、この陰極３の本体部３１に形成された密閉空間３３の内面には雌ネジ３３ａが切削加工により形成されている。

　先ず図１１（Ａ）に示すように、本体部３１の先端側に開口する密閉空間３３の内表面の雌ネジ３３ｅに、焼結体３４の雄ネジ３４ｅを螺合しつつ該焼結体３４をネジ込んで密閉空間３３内に埋設する。
　次いで、図１１（Ｂ）に示すように、先端部３２を本体部３１に当接し、これを押圧した状態で、拡散接合や抵抗溶接等により両者を接合する。
　先端部３２と本体部３１の接合後に、図１１（Ｃ）に示すように、陰極３の先端を所定形状に切削加工する。
　これにより、図１１（Ｄ）に示すように、本体部３１の先端に先端部３２が接合され、その内部の密閉空間３３内に焼結体３４が螺合して密閉埋設された陰極３の最終形状が得られる。

　また、上記以外の製造方法として、焼結体を予め成形・焼結することなく、陰極内の密閉空間内に粉体を充填し、加圧成形した後に密閉空間内で焼結する方法によることも可能である。
　即ち、本体部および／または先端部において、密閉空間となる空所の内表面に円周方向に延在する溝状の凹部を予め形成し、該空所内に、バインダを含まないエミッタ（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）の粉末を混合して、充填する。これを加圧プレス機によって加圧成形を行うと、粉末は空所の凹部内に侵入して凸部が形成される。
　これを、水素中で１０００℃の温度で仮焼結を行った上で、本焼結を行う。本焼結は、真空中で、タングステン炉中において、１４００～２０００℃、好ましくは１５００～１８００℃、１ｈで行う。なお、エミッタ（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）との配合比は、例えば１：２（重量比）である。
　この方法で焼結体を焼結する場合、空所（密閉空間）の内面に形成される円周方向の凹部は、ネジ状（螺旋状）であってもよいし、円周方向に形成される独立溝形状であってもよい。

　こうして形成された、本発明の陰極３を構成する本体部３１および先端部３２と、焼結体３４の機能と作用について図１２および図１３に基づいて説明する。
　上記したように、高濃度にエミッタが添加された焼結体３３は、エミッタの蒸発消失を避ける意味で、本体部３１や先端部３２よりも低い温度で焼結され、しかも、本体部３１や先端部３２のようにスエージ処理が行われない。そのため、ランプ点灯によって高温になると、焼結が進み、その体積が縮小して、密閉空間３３の内壁面との接触状態が十分なものとはならない傾向にある。
　然しながら、本発明では、互いにネジによって螺合しているので、図１２に見られるように、焼結体３４が軸方向および径方向に縮小しても、その焼結体３４の雄ネジ３４ｅと、密閉空間３３の雌ネジ３３ｅとは、軸方向のいずれかでは接触状態が保たれている。

　そのため、図１３に示すように、雄ネジ３４ｅと雌ネジ３３ｅの接触面を介して、陰極本体部３１（もしくは先端部３２）からの熱伝達が十分に確保され、また、これによって焼結体３４から本体部（先端部３２）へのエミッタの拡散が滞ることなく確保される。これにより、高濃度エミッタの焼結体３４から陰極本体部３１および先端部３２へのエミッタの拡散が円滑に行われて、それが先端部３２中を粒界拡散によって陰極先端へと輸送されるので、先端部３２でのエミッタの枯渇といった事態に見舞われることがない。
　なお、この現象は、焼結体表面に形成される凸部と、密閉空間内面に形成される凹部が係合している場合においても全く同様である。

　本発明の第３の実施形態に係る陰極構造について一具体例を示すと以下の通りである。
　放電ランプ：デジタルシネマ用キセノンランプ
　電気特性：電流１６０～１７０Ａ、定格電力：約７０００Ｗ
　陰極の外径：φ１２ｍｍ、全長：２０ｍｍ
　先端部の寸法：テーパー角４０°、先端径０．６～１．０ｍｍ
　ガス圧：静圧の状態で約１．０ＭＰａ（点灯中の圧力５．０ＭＰａと推定）
　焼結体：エミッタは酸化セリウム
　　　　　酸化セリウム粉末とタングステン粉末を混合し、型に入れて加圧し円柱
　　　　　状の粉末成形体を作成。これを、１０００℃程度で仮焼結を行った後、
　　　　　再結晶温度近傍の１５００～１８００℃で焼成して、焼結体を作製。
　　　　　この焼結体の側面に雄ネジを旋盤により切削加工。

　以上説明したように、本発明の第３の実施形態においては、焼結体と陰極の密閉空間とはその外面および内面に形成した凸部と凹部が係合しているので、ランプ点灯で焼結体の焼結が進行して縮小しても、凹凸部分のいずれかでは焼結体と、本体部または先端部との接触状態が維持され、この接触部を介して本体部或いは先端部から焼結体への熱伝達が円滑になされ、また、焼結体から、本体部または先端部へのエミッタの拡散が確実になされて、先端部へのエミッタの供給が滞ることがない。

　１　　　放電ランプ
　２　　　発光管
　３　　　陰極
　３１　　本体部
　３２　　先端部
　３３　　密閉空間
　３３ｅ　凹部（雌ネジ）
　３４　　焼結体
　３４ａ　前端面
　３４ｂ　後端面
　３４ｃ　テーパー部
　３４ｄ　前端部
　３４ｅ　凸部（雄ネジ）
　３５　　押圧部材
　４　　　陽極

Claims

　発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
　前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
　前記本体部および前記先端部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
　前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタよりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設され、
　前記焼結体の前端側は前記先端部と当接されていることを特徴とする放電ランプ。
　前記密閉空間内の前記焼結体の後端側には該焼結体を前記先端部側に押圧する押圧部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
　前記押圧部材は、前記本体部および前記先端部よりも膨張率の大きな高融点材料であることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
　前記本体部および前記先端部は、タングステンを主成分とする材料からなり、
　前記押圧部材は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）などの高融点金属若しくはこれらの合金、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）のいずれかよりなる酸化物、で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
　前記押圧部材は、バネ形状の部材であり、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）のいずれかの高融点金属若しくはこれらの合金で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
　前記焼結体は、先端部側に向けて拡径するテーパー部を有することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
　発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
　前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
　前記本体部および前記先端部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
　前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタよりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設され、
　前記焼結体の外面には円周方向の凸部が形成され、前記密閉空間の内面には円周方向の凹部が形成されていて、互いに係合していることを特徴とする放電ランプ。
　前記焼結体の外面の凸部が雄ネジであり、前記密閉空間の内面の凹部が雌ネジであって、互いに螺合していることを特徴とする請求項７に記載の放電ランプ。