JP6115721B2

JP6115721B2 - 放電ランプ

Info

Publication number: JP6115721B2
Application number: JP2013174188A
Authority: JP
Inventors: 幸治田川; 充夫船越; 有本　智良; 智良有本; 安田　幸夫; 幸夫安田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: JP2015043271A

Description

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、トリウム以外の酸化物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、高入力で高輝度な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。例えば、特開２０１２−１５００８号公報（特許文献１）には、エミッタとして酸化トリウムを含有する放電ランプ用の陰極が開示されている。
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。

そのトリウムに代わる代替物質として、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、物質表面から外方へ電子が飛び出す際に必要なエネルギー量を指す）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。
特開２００５−５１９４３５号公報（特許文献２）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、当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまい、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。このエミッタの枯渇により、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しまってランプ寿命が短くなるという問題がある。
また、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り、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。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２００５−１８３０６８号公報（特許文献３）には、陰極の内部に、タングステンからなる基体に高濃度にエミッタが含有された、高濃度エミッタ部材が密閉された構造のものが示されている。
この発明においては、陰極内部に密閉されたエミッタ部材より先端側には空隙が形成されており、点灯中の温度上昇により蒸発したエミッタが空隙中の気相拡散を利用してまず先端近傍まで拡散し、その後タングステンの粒界拡散等を利用して先端まで供給されるというものである。
このように、この先行例では、陰極本体に気相拡散を利用してエミッタを供給するものであることから、エミッタの供給速度が遅く、陰極先端迄の移送が不十分となり、アークを十分に維持することができないことがある。
また、当初の点灯時には、陰極先端にエミッタが存在しないことから、その点灯性が悪く、加えて、点灯したとしても陰極本体のタングステンが蒸発することから、黒化が激しいという問題もあった。

特開２０１２−１５００８号公報特開２００５−５１９４３５号公報特開２００５−１８３０６８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安定的に維持し、ランプのフリッカー寿命の長期化を図るようにするとともに、当初の点灯時の点灯始動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濃度よりも高濃度の、金属からなるエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が封入されていることを特徴とする。
また、前記エミッタは、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、もしくは、その組み合わせであ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濃度よりも高濃度の、金属からなるエミッタ（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、陰極内部に高濃度の金属エミッタ含有焼結体が封入されていることから、点灯時にはこの金属エミッタが溶融し、この溶融状態の金属エミッタが密閉空間の内壁面に接触することにより、陰極本体側に拡散する。これにより、陰極本体側へのエミッタの供給が円滑に行われるので、陰極先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性が安定的に長期間維持される。
また、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。
また、所定時間の点灯後に消灯し、陰極が冷却された際には、点灯時に焼結体から拡散してくるエミッタが先端部内で留まるために、その後の再点灯時には、この先端部内のエミッタがその点灯性を良好なものとしてくれるものである。

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実施例を表す陰極構造図他の実施例を表す陰極構造図更に他の実施例を表す陰極構造図本発明の作用の説明図

図１は、この発明の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、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）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。

ここで、第１エミッタの含有量は、例えば、０．５重量％〜５．０重量％と低めに設定される。この第１エミッタは、ランプの当初の点灯時に始動性を確保するためのものであって、濃度が低めに設定されるのは、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、焼結工程やスウェ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。
この焼結体３４には、トリウム以外の金属からなるエミッタ（以下、焼結体３４に含有される金属エミッタを第２エミッタともいう）が含有されていて、例えば、タングステン等の構成材料に、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）の単体もしくはその組み合わせを混入して、焼結したものが使われる。
そして、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、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。

また、図２においては、トリウム以外の金属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に示す実施例では、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。
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。

このような陰極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＞
陰極径：φ１２
陰極長：２１ｍｍ
密閉空間：内径φ２．２ｍｍ、深さ５．５ｍｍ
本体部：Ｋドープタングステン
先端部：Ｌａ_２Ｏ_３（エミッタ）、ＺｒＯ_２（粒子粗大化防止）ドープタングステン
金属エミッタ：Ｃｅ
焼結体：Ｃｅ＋Ｗ（体積比１：１）
焼結体寸法：φ２ｍｍ、全長４．５ｍｍ

＜製作方法１＞
金属エミッタ（Ｃｅ）粉末とタングステン粉末を体積比で１：１の割合で混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレスにより成型を行う。この後、脱脂・仮焼結を水素中１０００℃で行った上で、融点が２０００℃以上の金属エミッタの場合は、さらに、真空中での本焼結を１７００〜２０００℃で行うことで、製作する。
本体部３１に密閉空間３３を形成し、その中に焼結体３４を収納して、本体部３１と先端部３２を溶接や拡散接合等の方法で接合する。
その後、先端部を切削加工して所定の先端形状とし、更にその後に、水素処理、真空熱処理を行うものである。

＜製作方法２＞
金属エミッタ含有焼結体の他の製作方法として、以下のものがある。
まず、陰極３に形成される密閉空間３３の大きさに合わせて、タングステンの多孔質焼結体を製作する。
この焼結体は、タングステン粉末に、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレスにより成型を行う。この後、脱脂・仮焼結を水素中１０００℃で行った上で、真空中での本焼結を１７００〜２０００℃で行うことで、製作する。

真空中で、金属エミッタ（Ｃｅ）を溶融して、この溶融金属エミッタ中に前記タングステン焼結体を浸漬するなどして、金属エミッタをタングステン焼結体に含浸させる。この際、タングステン焼結体に含浸される金属エミッタの量は、主にタングステン焼結体の空孔率に依存し、通常、焼結体の１０〜５０％程度の体積である。この金属エミッタが含浸した焼結体３４を陰極３の密閉空間３３内に封入し、本体部３１と先端部３２を接合する。

本発明の作用について図５に基づいて説明する。
放電ランプの点灯時、陰極先端部分は約２０００℃程度まで温度が上昇する。
その時、陰極３の密閉空間３３に封入されたエミッタ焼結体３４中の金属エミッタ自体が溶融する。
上記した金属エミッタのうちＣｅなどの希土類金属は、融点が１０００℃付近であるので、ランプ点灯中の到達温度である２０００℃では、溶融し、液体状態になる。また、蒸気圧では１３３Ｐａ程度に達するほど高くなる（２０００℃換算）。
一方、金属エミッタのうち、ハフニウム（Ｈｆ）は、融点が２２２７℃のため、他の金属と比較して、融点が高いが、この場合は、陰極先端の中でもより高温になる陰極の先端側にエミッタを位置させることで、温度が融点以上に上昇するため、同様の現象を生じさせることができる。

こうして溶融した金属エミッタは、密閉空間内３３でその内壁面に接触するので、そこから陰極本体側に拡散していく。そして、陰極本体内に移動したエミッタは先端に向かって拡散移動して先端面に到達する。
なお、陰極３の先端部３２には、エミッタが含有されていることから、当初点灯時においては、この先端部３２に含有されている第１エミッタが先端面に移送されて電子放出を行い、確実な初期点灯がなされる。
そして、この点灯により先端部３２に当初含まれていた第１エミッタは消費されるが、そのエミッタが枯渇するまでに、前述したように、陰極３内に埋設された焼結体３４中の第２エミッタが、陰極本体側に移動して、先端部３２の拡散経路を通って、その先端面に供給されていくことにより、先端面でエミッタが枯渇することはない。

なお、本願発明の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イメージしたが、ロングアーク型放電ランプに適用することもできる。

以上説明したように、本発明においては、陰極にトリウム以外のエミッタを添加した放電ランプにおいて、本体部に接合される先端部にエミッタを含有させてあるので、ランプの当初の始動時にこのエミッタが始動性を確保して確実な点灯が行われる。
そして、陰極内部の密閉空間には、前記先端部の第１エミッタよりも高濃度の、金属からなる第２エミッタが含有された焼結体が封入されているので、点灯時にはこの第２エミッタが溶融し、この溶融エミッタが陰極本体側に接触するので、陰極本体側へのエミッタの移送が円滑かつ確実に行われて、陰極本体内を拡散して、先端部側に移動して供給されていき、先端部でエミッタが枯渇するという心配がなく、継続的なエミッタ供給による安定的な点灯が確保される。
また、この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の蒸気圧の低いエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。

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
３４焼結体
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濃度よりも高濃度の金属からなるエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が封入されている
ことを特徴とする放電ランプ。
前記金属よりなるエミッタは、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。