(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、高輝度の放電ランプにおいて、電極先端への易電子放射物質の供給が一定になるようにし、良好な電子放射特性を保ち、安定な動作を長時間にわたって保つような電極を具備した放電ランプを提供することにある。【解決手段】  本発明の放電ランプは、密閉された光透過性の容器と、該容器内に対向する一対の電極を備え、これらの電極が光透過性の容器に気密に封着された封着部を介して電気的に接続され、前記電極のうち、陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、該易電子放射物質と該気密室における前方端面との間に空間が介在することを特徴とする【選択図】  図２
2006179226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉された光透過性の容器と、該容器内に対向する一対の電極を備えた放電ランプにおいて、
前記電極のうち、陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、該易電子放射物質と該気密室の前方端面との間に空間が介在することを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記封止部材は、その前方端面に形成された凹所に易電子放射物質が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項３】
前記気密室は、第１の空間と該第１の空間よりも小幅の第２の空間と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。
【請求項４】
前記易電子放射物質は、高融点材料からなる保護部材によって被覆され、該保護部材は、溶融した易電子放射物質が通過不可能であるよう制限された大きさの通気孔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。
【請求項５】
前記高融点金属基体は、胴部の後方側に繋がるとともに有底孔に連通する空洞を有する筒状部を有し、該筒状部の内部に嵌入された封止部材が筒状部に溶着されて前記気密室が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項６】
前記高融点金属基体は、前方に向かうに従って小径となるテーパー部を有し、前記気密室は、管軸を含む断面において、前方に向かうに従い小幅となることを特徴とする請求項１乃至５に記載の放電ランプ。
【請求項７】
密閉された光透過性の容器と、該容器内に対向する一対の電極を備えた放電ランプにおいて、
前記電極のうち、陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、該易電子放射物質と該気密室における前方端面との間に高融点材料からなる保護部材若しくは保護膜が介在することを特徴とする放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高圧水銀ランプのような高輝度放電ランプに関し、特にその電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度放電ランプの電極は、トリウムやランタン、バリウムのような易電子放射物質が電極を構成する基体金属に吸着し、仕事関数を下げることで、良好な電子放射特性を得ている。しかしながら、易電子放射物質は電極表面から蒸発し、失われるため、良好な電子放射特性を保つためには、易電子放射物質を補う必要がある。
【０００３】
従来、易電子放射性の物質は酸化物の形で高融点の基体金属内に存在し、拡散によって先端まで運ばれると考えられている。このため、易電子放射物質の電極先端への供給は、時間とともに拡散の経路が延びていくため、減少し、電極先端から失われる量より、電極内部から供給される供給量が少なくなると、アークスポットが移動したり、アークスポットの大きさが変わり、アーク不安定の現象を起こすため、寿命が制限されていた。
【０００４】
また、はじめに電極の基体金属内の易電子放射物質の含有量を高くすると、初期の易電子放射物質の供給量が多くなりすぎ、余剰に供給されたものはすぐに蒸発してしまうため、点灯開始後の初期黒化による放射照度の減衰を起こしてしまうため、易電子放射物質の含有量を高くして、寿命をのばす方法には限界があった。
【０００５】
易電子放射物質が長期間にわたって電極先端に供給されるようにするため、特許第２７３２４５１号公報や特許第２７３２４５２号公報には、陰極内部に空洞部を設け、バリウム系の易電子放射物質を充填した構造が提案されている。
【０００６】
これらの公報に開示されている技術では、電極の基体金属内に均一に易電子放射性物質を分散したものに比べると、より長期間にわたって易電子放射物質が電極先端に供給されるが、それでも結晶粒界や粒内の拡散といった固体内拡散現象を使うため、充填された易電子放射物質が消費されるとともに拡散経路がのび、電極先端への易電子放射物質の供給量が時間とともに減少するのを避けることができない。
【０００７】
アークランプの高出力点灯時、安定動作のため、特開平９−９２２０１号公報には高融点金属の芯と周辺部に易電子放射物質を含浸し、その表面を高融点金属で被覆した構造、および多孔質の高融点金属に易電子放射物質を含浸したものに先端が開いた空洞路を設ける構造が提案されている。いずれも、易電子放射性物質の先端への輸送は拡散現象であるため、時間とともに拡散経路が長くなり、供給量を一定に保つのが難しい。
【０００８】
アークランプの高出力点灯時、安定動作のため、特開平１１−１５４４８８号公報に空洞と先端貫通孔を備え、空洞に易電子放射物質を充填した構造が提案されている。易電子放射物質の電極先端への輸送について、貫通孔の拡散経路は同じであるが、充填された易電子放射物質が消費されるとともに電極先端への経路がのびるため、供給量を一定に保つのが難しい。
【特許文献１】特許第２７３２４５１号公報
【特許文献２】特許第２７３２４５２号公報
【特許文献３】特開平９−９２２０１号公報
【特許文献４】特開平１１−１５４４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の目的は、高輝度の放電ランプにおいて、電極先端への易電子放射物質の供給が一定になるようにし、良好な電子放射特性を保ち、安定な動作を長時間にわたって保つような電極を具備した放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明によれば、密閉された光透過性の容器と、該容器内に対向する一対の電極を備えた放電ランプにおいて、前記電極のうち、陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、該易電子放射物質と該気密室の前方端面との間に空間が介在することを特徴とする。
これによる技術的意義を以下に説明する。
【００１１】
高い蒸気圧をもった易電子放射物質は、気密室内で蒸発して気体となって気密室内に充満するため、気密室の前方端面の表面にも吸着層を形成する。さらに、易電子放射物質は、形成された吸着層から陰極先端に向けて濃度勾配による拡散によって輸送される。
ここで、気密室における前方端面と易電子放射物質との間に空間を介在させ、該空間における易電子放射物質の蒸気圧を高くすることにより、（１）気密室における前方端面へ向けて易電子放射物質を高速かつ大量に輸送することができる、（２）易電子放射物質が、基体金属への固溶限度まで溶け込み、また結晶粒界へも侵入するため、濃度が一定に保たれ、輸送される易電子放射物質の単位時間あたりの供給量は一定に保たれる、という利点がある。
【００１２】
しかし、放電ランプ点灯中に陰極は高温状態となり、例えば電極先端と気密室の隔壁の厚さを２ｍｍ程度とすると、気密室の前方端面の温度は約２０００K程度にもなる。従って、気密室の前方端面に、充填した易電子放射物質の凝集相が密着する場合、易電子放射物質の溶融液体中に陰極構成材料が顕著に溶解することになり、陰極が破損する原因となるおそれがある。
【００１３】
これに対し、陰極の気密室における前方端面と易電子放射物質との間に空間を介在させ、即ち、易電子放射物質を気密室の後方側に位置させることにより、易電子放射物質の周辺温度が比較的低温となるため、易電子放射物質の溶融液体に対する陰極構成材料の溶解が抑制されることになる。具体的には、上記条件下（電極先端と気密室の隔壁の厚さを２ｍｍ程度）において、気密室における前方端面より１０ｍｍ程度後方における温度は１５００Ｋ程度にまで低下する。その結果、例えば陰極構成材料としてタングステンを用い、易電子放射物質としてランタンを用いた場合、１５００Kのランタンの溶融液中に溶解するタングステン原子数は、およそ２桁も小さくなるため、陰極構成材料の溶解を大幅に抑制することができる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記封止部材が、その前方端面に形成された凹所に易電子放射物質が設けられたことを特徴とする。これによる意義を以下に説明する。
【００１５】
通常、図１２に示すように、陰極動作する電極１２０は、（ａ）円柱状の高融点金属基体１２１の端部より、電極芯棒用孔１２２とそれに続く気密室用有底孔１２３の孔加工をし、孔加工した側とは反対側の端部を円錐加工する、（ｂ）高融点金属基体１２１の電極芯棒用孔１２２の開口部を上方に向け、気密室用有底孔１２３に破片状の易電子放射物質１２４を導入し、気密室用有底孔１２３の開口部に高融点材料からなる封止部材１２５を詰める、（ｃ）電極芯棒用孔１２２の開口側からレーザー照射し、封止部材１２５を溶解して気密封止部１２６を形成して封止する、という一連の作業を経て作製する。
【００１６】
しかし、上記（ｃ）のレーザー照射時の熱により溶融した易電子放射物質１２４は、気密室１２７における前方端面１２８側に溜まり、レーザー照射終了後に液体状の易電子放射物質１２８がそのままの位置で固定されることになる。これは、たとえ、レーザー照射終了直後の易電子放射物質が液体となっている間に高融点金属基体を１８０°反転させて重力を作用させたとしても、気密室１２７の径が小さいことおよび液体となった易電子放射物質１２４の粘性および表面張力により、易電子放射物質１２４が気密室１２７の前方端面１２８に密着したままになる。このような状態で放電ランプを点灯させると、上記のように気密室内における前方端面の温度が極めて高いことに起因して、易電子放射物質の溶融液に対する高融点材料（高融点金属基体を構成する物質）の溶解が促進されるため、陰極が破損するおそれがある。
【００１７】
ここで、図１２（ｂ）において、高融点金属基体１２１を１８０°反転させ、電極芯棒用孔１２２の開口部を下側に向けた状態で封止部材１２５にレーザーを照射する方法を採用すれば、レーザーの照射の熱で易電子放射物質１２４が溶融しても、気密室１２７における前方端面１２８に易電子放射物質１２４の凝集相が密着することはないように考えられる。しかし、かかる方法を採用した場合には、（１）高融点金属基体１２１を１８０°反転させる際に、破片状の易電子放射物質１２４が気密室１２７内で引っかかることにより、気密室１２７における前方端面１２８の付近に取り残されることに起因して、結局のところ気密室１２７における前方端面１２８に易電子放射物質１２４の凝集相が密着する、（２）反転の際の振動により封止部材１２５と共に破片状の易電子放射物質１２４も抜け落ちるおそれがあり作業が困難である、（３）反転の際の振動により封止部材１２５が途中まで抜けた状態になり、気密封止部１２６の形成が不完全なものになることに起因して気密室１２７内の易電子放射物質１２４が光透過性容器内に漏れ出す、等の不具合が生じるおそれがある。
【００１８】
そこで、請求項２の発明の構成を採用することにより、高融点金属基体の気密室用有底孔に封止部材を嵌入して電極内部に気密室を形成した際に、確実に易電子放射物質の凝集相が気密室の後方側に形成されることになるとともに、上記の不具合を生じることもない。
【００１９】
さらに、前記気密室は、第１の空間と、該第１の空間よりも小幅の第２の空間とを有することを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記易電子放射物質は、高融点材料からなる保護部材によって被覆され、該保護部材は、溶融した易電子放射物質が通過不可能であるよう制限された大きさの通気孔を有することを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記高融点金属基体は、胴部の後方側に繋がるとともに有底孔に連通する空洞を有する筒状部を有し、該筒状部の内部に嵌入された封止部材が筒状部に溶着されて前記気密室が形成されたことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記高融点金属基体は、前方に向かうに従って小径となるテーパー部を有し、前記気密室は、管軸を含む断面において、前方に向かうに従い小幅となることを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明の放電ランプは、密閉された光透過性の容器と、該容器内に対向する一対の電極を備えた放電ランプにおいて、前記電極のうち、陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、該易電子放射物質と該気密室における前方端面との間に高融点材料からなる保護部材若しくは保護膜が介在することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電極内の気密室に易電子放射物質が封入されていることにより、電極先端に、長時間にわたっておよそ一定の割合で易電子放射物質を供給できることにより、長時間にわたって電子放射を安定に維持できるため、放射照度の安定した光源を提供することができる。
【００２５】
しかも、易電子放射物質と陰極の気密室における前方端面との間に空間が介在することにより、易電子放射物質が気密室の前方端面に直接密着することがないため、放電ランプ点灯時に易電子放射物質が溶融しても、該溶融液中に陰極構成材料が溶解することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１に本発明の典型的な放電ランプ１０の概略図を示す。密閉された光透過性の容器１と、該容器１内に対向する一対の陰極２と陽極３の２つの電極を備え、これらの電極が光透過性の容器に気密に封着された封着部４を介して外部と電気的に接続された放電ランプである。このような放電ランプは、通常は、陰極を下側にして垂直点灯を行なうものである。
【００２７】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、易電子放射物質と気密室における前方端面との間に空間が介在することにより、易電子放射物質と気密室における前方端面とが密着していないことを特徴とする。
以下において、「前方」とは、陰極先端側であって光透過性の容器１の中央側を意味し、「後方」とは、陰極先端の逆側であって光透過性の容器の中央から離れた側を意味するものとする。
【００２８】
図２は、陰極２の拡大断面図を示す。陰極２は、例えばタングステンからなる高融点金属基体２１内に気密室２２を備えている。高融点金属基体２１は、前方に向かうに従い小径となるテーパー部２１１を有し、気密室用有底孔２１２に対し棒状の封止部材２５を嵌入するとともに、封止部材２５の後方部分を溶融させて気密封止部２３を形成することにより、気密室２２が形成されている。図２に示す形態では、封止部材２５の先端面２５１における凹所２５２に易電子放射物質２４の凝集相が設けられ、易電子放射物質２４と気密室２２における前方端面２２１（底部２１３）との間に空間Ｓが介在している。
【００２９】
易電子放射物質２４は、１つの成分がスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ガドリニウム、トリウムのいずれかから選択される。これらの物質に対するタングステンの溶解度は、２０００Ｋにおいて１０１９〜１０２０（ａｔｏｍ／ｃｍ３）程度と無視できなくなるため、陰極先端部の温度条件によっては、その温度勾配により、高融点金属基体を構成するタングステンを溶解しながらより温度の高い先端部に移動していき、遂には前方端部２１５（高融点金属基体の前端２１６と気密室２２の前方端面２２１との間の部分）を貫通し、高融点金属基体を破損させるおそれがある。従って、図２に示すように、易電子放射物質２４を、気密室２２における前方端面２２１との間に空間Ｓが介在するよう後方側に設けるメリットが大きい。
【００３０】
図２に示す陰極２の数値例を以下に挙げる。高融点金属基体２１は、全長が２２ｍｍであり、円錐状に形成されたテーパー部２１１における前端２１６の径が１．０ｍｍであって、６０°のテーパー角を有する全長５ｍｍのテーパー部２１１を有し、最大外径が６ｍｍである。気密室２２は、その前方端面２２１が高融点金属基体２１の前端２１６から３ｍｍの位置となるよう設けられ、直径が２ｍｍ、全長が８ｍｍである。気密室２２内には、易電子放射物質２４として、５．０ｍｇのランタン（Ｌａ）からなる凝集相が設けられている。陽極３は、タングステンからなり、最大外径が１５ｍｍ、全長が３３ｍｍである。
図１に示す電極間距離（Ｌ）は、５．０ｍｍである。
【００３１】
図３は、本発明に係る陰極の作製方法の一例を説明するための図である。
本発明に係る陰極は、以下の一連の作業を経て作製される。（ａ）円柱状の高融点金属基体２１の端部より、電極芯棒を圧入するための電極芯棒用孔２１４と、それに続く気密室を形成するための気密室用有底孔２１２の孔加工をし、これとは反対側の端部を円錐加工を施しテーパー部２１１を形成する、（ｂ）封止部材２５における先端面２５１に設けられた凹所２５２に易電子放射物質の粉末を充填し、封止部材２５および粉末を真空炉中にて高周波加熱することによって、封止部材２５における凹所２５２に易電子放射物質２４の凝集相を一体的に形成する、（ｃ）高融点金属基体２１を円錐加工した側を前方側にして配置し、気密室用有底孔２１２に対し、先端面２５１と底部２１３との間に空間が形成されるよう封止部材２５を嵌入し、後方側からレーザーを照射し、封止部材２５における後方部分を溶融させて気密封止部２３を形成することにより、気密室２２を形成する、（ｄ）その後、高融点金属基体２１における電極芯棒用孔２１４に対し、高融点金属基体の後方側から電極芯棒２６を圧入する。
【００３２】
図３に示す陰極の作製方法によれば、（ｃ）のレーザー照射作業中に封止部材が高温状態となることにより溶融して液体状となるが、易電子放射物質２４の溶融液は、封止部材２５の先端面２５１に形成された凹所２５２に満たされていることにより、凹所２５２の寸法に依存して決定される表面張力が作用するため、気密室２２における前方端面２２１に向けて落下することはない。従って、易電子放射物質２４の凝集相が気密室２２における前方端面２２１に密着することがなく、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。
【００３３】
易電子放射物質の溶融液に作用する表面張力は、封止部材２５の前方端面２５１に形成された凹所の仕様および易電子放射物質２４における粘性の温度特性に依存して決定される。凹所２５２は、その断面が、曲線のみからなる形状、直線のみからなる形状、曲線と直線の組み合わせからなる形状などを採用することができ、形状は問わないが、幅方向に比して深さ方向の寸法を大きい長孔形状とすることが好ましい。
易電子放射物質は、放電ランプの点灯を長時間にわたり安定に継続させる観点から、０．１ｍｇ〜５．０ｍｇの範囲内で設けることが好ましい。また、凹所２５２は、断面形状が曲線のみからなる例を挙げると、深さ（Ｄ）が１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり、最大幅（Ｈ）が０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることが好ましく、上記の範囲においては、凹所２５２より易電子放射物質２４が落下することが無かった。
【００３４】
本発明の第１の実施形態に係る陰極は、図３に示す形状に限らず、以下の図４乃至図９に示すとおり、種々の変更を加えることができる。図４乃至図９は、管軸Ｘを含む拡大断面図である。図４乃至図９において、図１乃至図３と同一符号は対応部分を示す。
【００３５】
図４に示す例では、気密室２２は、管軸Ｘを含む断面において、前方に向かうに従い小幅となるような斜辺部４１を有し、斜辺部４１における延長線４１´と管軸Ｘとでなす角θ１が、少なくともテーパー部２１１の稜線４２における延長線４２´と管軸Ｘとでなす角θ２以上となるよう形成されている。さらに、図３に示すような、先端面２５１に設けられた凹所２５２に易電子放射物質２４が設けられた構造の封止部材２５を用い、図３に示す方法と同様にして陰極を構成していることにより、易電子放射物質２４は、作業時において溶融して液体状になった場合でも、凹所２５２において生じる表面張力の作用により溶融液が落下することが防止されるため、気密室２２における前方端面２２１に密着することがない。
こうすることにより、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。さらに、高融点金属基体２１における前方端部２１５（高融点金属基体における前端２１６と気密室における前方端面２２１との間の部分）は、点灯中、高温のため粒成長を起こし、粒界拡散による易電子放射物質の供給が少なくなるが、テーパー部２１１は、前方端部２１５に比べ温度が低いことにより粒成長が先端ほど進まず粒界拡散の経路が保たれる。従って、テーパー部２１１の肉厚を薄くすることにより、テーパー部２１１から表面への粒界拡散による易電子放射物質量を増やすことができる。そして、テーパー部２１１の表面に易電子放射物質が出たあとは、表面拡散により高融点金属基体２１における前端２１６へ易電子放射物質が供給されるので、安定な動作を長時間にわたって保つことが出来るようになる。
【００３６】
図４に示す例では、気密室２２は、管軸Ｘを含む断面において、前方に向かうに従い小幅となるよう斜辺部４１を有する形状であるが、これに限るものではない。例えば、断面形状を鋸歯状、階段状としても良く、要は、断面形状が前方に向かうに従い小幅となるよう気密室を構成すれば良い。
図４に示す例について、図２に示す例と異なる箇所について数値例を挙げると、気密室２２は、全長が１０ｍｍ、最大内径が３ｍｍ、最小内径が０．７ｍｍであり、角θ１が３５°である。尚、角θ２は３０°である。
【００３７】
図５に示す例では、陰極２を構成する高融点金属基体２１は、胴部２１７の後方側に繋がる筒状部２１８が形成され、筒状部２１８内の空洞が胴部２１７における有底孔２１２に連通している。高融点金属基体２１には、先端面２５１に易電子放射物質２４の凝集相が形成された棒状の封止部材２５が、先端面２５１と気密室用有底孔２１２における底部２１３との間に空間が形成されるよう嵌入されるとともに、後端２５３が筒状部２１８の後端２１９と溶接される。これにより、陰極２は、易電子放射物質２４が充填された気密室２２が形成され、易電子放射物質２４と気密室２２における前方端面２２１との間に空間Ｓが介在している。
そして、図５に示す形態では、陰極２は、電極芯棒２６に形成された嵌入孔２６１に圧入されることにより電極芯棒２６と一体化される。
【００３８】
図６は、図５に示す陰極の作製方法を説明する図である。具体的には以下のとおりである。
まず、（ａ）に示すように、円柱状の高融点金属基体２１の端部より、気密室を形成するための気密室用有底孔２１２の孔加工をし、胴部２１７よりも径の小さい部分（小径部）が形成されるよう周辺部分を削り落とし、胴部２１７の後方に繋がる筒状部２１８を形成した後、これとは反対側の端部をテーパー部２１１を有するよう円錐加工する。次に、（ｂ）に示すように、筒状部２１８に対し、図２に示す構造の封止部材２５を、易電子放射物質２４が設けられた先端面２５１を前方側に向けて嵌入し、筒状部２１８における後端２１９と封止部材２５における後端２５３とを溶接する。封止部材２５は、その後端２５３を筒状部２１８の後端２１９に溶接した場合、先端面２５１と気密室用有底孔２１２における底部２１３との間に気密室２２が形成される全長とする。最後に、（ｃ）に示すように、電極芯棒２６における嵌入孔２６１に陰極２を圧入することにより、陰極と電極芯棒とを一体化することができる。
【００３９】
上記（ａ）、（ｂ）の手順を経て作製された陰極は、易電子放射物質２４より遠く離れた筒状部２１８の後端２１９にて溶接することから、図３に示す方法に比して、封止部材２５に設けられた易電子放射物質２４の昇温が抑制されることにより溶融しにくく、易電子放射物質２４の溶融液が封止部材２５における凹所２５２から落下することを心配する必要がない。これにより、封止部材２５に設ける凹所２５２の寸法設計に労力をかけずとも、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２５１に密着することを防止できるため、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。さらには、高融点金属基体２１における筒状部２１８の後端２１９において封止部材２５が溶接されていることにより、高融点金属基体２１と封止部材２５との溶接が良好に行われたか否かを目視にて確認することができる、という利点がある。
【００４０】
図５に示す例について、図２に示す例と異なる箇所について数値例を挙げると以下のとおりである。
筒状部２１８は、易電子放射物質２４が高温状態になることを避ける観点から、全長が５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることが好ましく、外径は１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内である。
【００４１】
図７に示す例では、易電子放射物質２４の凝集相を備えた電極芯棒２６を用いて気密室２２を形成している点に特徴がある。詳細には、以下のとおりである。
電極芯棒２６は、先端面２６２に形成された凹所２６３に、易電子放射物質２４の
凝集相が設けられている。かかる凝集相は、凹所２６２に配置した易電子放射物質の粉末に対し、真空炉中にて高周波加熱を施すことによって形成される。陰極２は、高融点金属基体２１に気密室用有底孔２１２および電極芯棒用孔２１４が形成され、電極芯棒用孔２１４に対し、先端面２６２を前方側に向けて電極芯棒２６を嵌入することにより気密室２２が形成されている。
尚、図７に示す例では、気密封止部を形成してなく、すなわち、高融点金属基体２１における電極芯棒用孔２１４に対し電極芯棒２６を嵌入することによって気密室２２の気密性が保たれている。
【００４２】
この方法によれば、電極芯棒２６の先端面２６２にあらかじめ易電子放射物質２４を形成していることにより、図３に示す方法の如く気密封止部を形成するためにレーザー照射を行なう必要がないため、気密室２２を形成する際に易電子放射物質２４が溶融して液体状となることはない。従って、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することが防止されるため、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。
【００４３】
図８（後述の図８（ｄ））に示す例によれば、陰極２は、高融点金属基体２１に形成された気密室用有底孔２１２ａに対し、封止部材２５を嵌入することにより気密室２２が形成され、気密室２２が、易電子放射物質２４の凝集相が設けられるとともに封止部材２５に面する第１の空間８１と、第１の空間８１に連通する、第１の空間８１よりも幅の狭い第２の空間８２とからなることが特徴である。
【００４４】
このような陰極の作製方法は、具体的には以下のとおりである。
まず、（ａ）に示すように、円柱状の高融点金属基体２１の端部より、電極芯棒を圧入するための電極芯棒用孔２１４と、それに続き電極芯棒用孔２１４よりも小幅の気密室用有底孔２１２ａと、それに続き気密室用有底孔２１２ａよりも小幅の気密室用有底孔２１２ｂとを形成する孔加工を施し、孔加工した側と反対側の端部を円錐加工してテーパー部２１１を形成する。次に（ｂ）に示すように、気密室用有底孔２１２ｂよりも幅の大きい塊状の易電子放射物質２４を気密室用有底孔２１２ａに配置し、気密室用有底孔２１２ａに対し封止部材２５を嵌入する。最後に（ｃ）に示すように、円錐加工した側とは反対側から封止部材２５にレーザーを照射して気密封止部２３を形成することにより、第１の空間８１およびこれに続く第２の空間８２からなる気密室２２が形成される。この際に、塊状の易電子放射物質２４は、第１の空間８１内が高温状態となることにより溶融して液体状になった場合にも、第２の空間８２を構成する空間用孔２１２ｂの径が極めて小さいことおよび易電子放射物質の溶融液が有する粘性の作用により、第２の空間８２内へ流入することはない。そして、（ｃ）の作業終了後速やかに、（ｄ）に示すように陰極を１８０°反転させると、易電子放射物質２４の溶融液は、封止部材２５の先端面２５１上に落下して配置されるか、或いは第２の空間８２の入り口付近に凝集相を形成することになる。
【００４５】
こうすることにより、気密封止部２３を形成する際に易電子放射物質２４の溶融液が気密室２２における前方端面２２１に向けて落下することがなく、気密室２２における前方端面２２１に易電子放射物質が密着することがない。従って、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。
易電子放射物質２４の溶融液が流入することを防止するために好ましい第２の空間８２の幅は、易電子放射物質の種類、温度、量によっても異なるが、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。また、易電子放射物質２４を高融点金属基体２１における前端２１６から極力遠ざけるため、第２の空間８２の全長は、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４６】
図９（後述の図９（ｃ））に示す例によれば、高融点金属基体２１に形成された気密室用有底孔２１２に対し、封止部材２５を嵌入することにより形成された気密室２２内に、通気孔９２を有する保護部材９１によって被覆された易電子放射物質２４が配置されている点に特徴がある。通気孔９２は、易電子放射物質２４の蒸気を保護部材９１の外部へ放出させるためのものである。
【００４７】
このような陰極の作製方法は、具体的には以下のとおりである。
まず、（ａ）に示すように、円柱状の高融点金属基体２１の端部より、電極芯棒を圧入するための電極芯棒用孔２１４と、それに続く気密室を形成するための気密室用有底孔２１２を形成する孔加工を施し、孔加工した側とは反対側の端部を円錐加工する。次に、（ｂ）に示すように、あらかじめ作製した保護部材９１によって被覆された易電子放射物質２４を、高融点金属基体２１における気密室用有底孔２１２内へ落下させ、気密室用有底孔２１２における底部２１３に接して配置した後、高融点金属基体２１における気密室用有底孔２１２に対し、棒状の封止部材２５を嵌入し、後方側から封止部材２５に対しレーザーを照射し、封止部材２５における後方部分を溶融させて気密封止部２３を形成することにより、気密室２２を形成する。そして、（ｂ）の作業終了後、（ｃ）に示すように陰極２を１８０°反転させると、保護部材９１に被覆された易電子放射物質２４は、落下することにより封止部材２５上に配置されることになる。
【００４８】
保護部材９１は、（ｂ）の作業の際の発熱により溶融することのないよう、高融点材料からなることが好ましく、具体的には、モリブデン、タンタルからなることが好ましい。
【００４９】
図９に示す陰極によれば、上記（ｂ）の作業において気密封止部２３を形成する際の発熱により易電子放射物質２４が溶融するが、保護部材９１に設けられた通気孔９２の寸法が極めて小さいことおよび易電子放射物質が液体状になることで生じる粘性により、易電子放射物質２４の溶融液が保護部材９１の外部へ流出することがない。従って、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２に付着することに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。
図９に示す例について、図３に示す例と異なる部分について数値例を挙げると、保護部材９１は、外径が０．７ｍｍであり、全長が２ｍｍである。また、保護部材９１に設けられた通気孔９２は、易電子放射物質２４の溶融液が流出することを防止すべく、易電子放射物質２４の種類、温度、粘性によっても異なるが、幅が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態に係る陰極は、高融点金属基体に設けられた有底孔に封止部材を嵌入することにより気密室が設けられ、該気密室内に易電子放射物質が充填され、易電子放射物質と気密室における前方端面との間に高融点材料からなる保護部材若しくは保護膜が介在することを特徴とする。
【００５１】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る陰極の管軸を含む拡大断面図を示す。
図１０（後述の図１０（ｃ））に示すように、陰極２は、高融点金属基体２１に形成された気密室用有底孔２１２に対し封止部材２５を嵌入することにより、気密室２２が形成されている。この例では、易電子放射物質２４と気密室２２における前方端面２２１との間に保護部材１０１が介在している点が特徴である。
【００５２】
このような陰極の作製方法は、具体的には以下のとおりである。
まず、（ａ）に示すように、円柱状の高融点金属基体２１の端部より、電極芯棒を圧入するための電極芯棒用孔２１４と、それに続く気密室を形成するための気密室用有底孔２１２を形成する孔加工を施し、孔加工した側とは反対側の端部を円錐加工し、テーパー部２１１を形成する。次に、（ｂ）に示すように、保護部材１０１を気密室２２における前方端面２２１に接するように落下させて配置するとともに、塊状の易電子放射物質２４を保護部材１０１に接するように落下させて配置する。最後に、（ｃ）に示すように、高融点金属基体２１における気密室用有底孔２１２に対し封止部材２５を嵌入し、高融点金属基体２１の後方側から封止部材２５の後方部分にレーザーを照射して封止部材２５を溶融させて気密封止部２３を形成することにより気密室２２が形成される。
【００５３】
保護部材１０１は、高融点金属基体２１における前端２１６へ向けての易電子放射物質の拡散を妨げるものであってはならないこと、および、（ｃ）の作業の際の発熱により溶融しないことから、多孔質の高融点材料からなることが好ましく、具体的には、炭化ジルコニウム若しくは炭化タングステンのような炭化物焼結体、タングステン若しくは易電子放射物質の酸化物焼結体からなることが好ましい。
図１０に示す例について、図３に示す例と異なる部分について数値例を挙げると、保護部材１０１の厚みは、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００５４】
図１０に示す例の陰極によれば、（ｃ）の作業の際の発熱により易電子放射物質２４が溶融して液体状になっても、気密室における前方端面２２１との間に保護部材１０１が介在することにより、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することを回避できる。従って、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着していることに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。尚、図１０に示す例では、放電ランプ点灯時に易電子放射物質が溶融するものの、ランプ点灯時に最も高温となる前方端面２２１よりも後方側に易電子放射物質２４が位置しているため、陰極が破損する懸念はない。
【００５５】
本発明の第２の実施形態に係る陰極は、図１０に示す構成に限らず、種々の変更を加えることができる。これについて、以下、図１１を用いて説明する。図１１は、陰極の拡大断面図を示す。
【００５６】
図１１（後述の図１１（ｃ））に示す例の陰極によれば、陰極２は、高融点金属基体２１に形成された気密室用有底孔２１２に対し封止部材２５を嵌入することにより、気密室２２が形成されている。この例によれば、気密室２２の内表面が高融点材料からなる保護膜１１１によって被覆されており、易電子放射物質２４と気密室２２における前方端面２２１との間に保護膜１１１が介在している点が特徴である。
【００５７】
このような陰極の作製方法は、具体的には以下のとおりである。
まず、（ａ）に示すように、円柱状の高融点金属基体２１の端部より、電極芯棒を圧入するための電極芯棒用孔２１４と、それに続く気密室を形成するための気密室用有底孔２１２を形成する孔加工を施し、孔加工を施した側とは反対側の端部を円錐加工し、テーパー部２１１を形成する。次に、（ｂ）に示すように、気密室用有底孔２１２の表面に対し、例えば液滴下法などにより、保護膜１１１を形成している。最後に、（ｃ）に示すように、気密室用有底孔２１２内に易電子放射物質２４を充填し、気密室用有底孔２１２に対し封止部材２５を嵌入し、高融点金属基体２１の後方から封止部材２５の後方部分に対しレーザーを照射することにより、気密封止部２３を形成する。
【００５８】
保護膜１１１は、図１０に示す例における保護部材と同様の理由から、多孔質の高融点材料から構成されることが好ましく、具体的には、保護部材１０１同様に、炭化ジルコニウム、炭化タンタルなどのような金属炭化物から構成されることが好ましい。
図１１に示す例について、図３に示す例と異なる部分について数値例を挙げると、保護膜１１１の厚みは、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００５９】
図１１に示す例の陰極によれば、（ｃ）の作業の際の発熱により易電子放射物質２４が溶融して液体状になっても、気密室における前方端面２２１との間に保護膜１１１が介在することにより、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着することを回避できる。従って、放電ランプ点灯時において、易電子放射物質２４が気密室２２における前方端面２２１に密着していることに起因して生じる陰極の破損を回避することができる。
【００６０】
以下に、上記第１の実施形態および第２の実施形態に係る電極に関し、さらに好ましい条件を述べる。
【００６１】
まず、気密室が高融点金属基体における先端の直下から電極の軸方向に伸び、軸に垂直な断面の直径より長く伸びた構造とすることが好ましい。気密室が縦長であることによって、より多くの易電子放射物質が深部から供給されるため、供給量を多くできる。また、高融点金属基体の後方部における温度は先端より低く安定している。一方、先端付近は温度勾配がおよそ１０００Ｋ／ｍｍもあり、少しの位置のずれが大きな温度差になり、最冷点の温度による蒸気圧の制御が難しいため、確実に易電子放射物質の凝集相を気密室後方側に形成させることにより、蒸気圧を安定にコントロールできる。
【００６２】
また、高融点金属基体における前方端部の厚みが０．１mm以上、３．０mm以下であることが望ましい。厚みが０．１mm未満では、動作中の高融点金属の蒸発によって、気密を保つのが困難になる。一方、厚みが３．０mmを超えると、易電子放射物質の濃度勾配が小さくなり、易電子放射物質の供給量が十分でなくなると考えられる。
【００６３】
高融点金属基体が多結晶体からなり、陰極先端部の軸方向の結晶粒の大きさＳと断面方向の結晶の大きさWについて、Ｓ／W＞1であるようにすることが好ましい。易電子放射物質の供給は、陰極先端部を構成する高融点金属材料内の拡散によって律速されると考えられる。粒界拡散は粒内拡散より速いので、粒界拡散を使うと供給量を増やすことができる。Ｓ／W＞1であると、拡散に関与する粒界が多くなるため供給量を増やすことができる。
【００６４】
また、高融点金属基体における前方端部をおよそ単結晶とすることもできる。極端にアーク安定度が必要な用途の場合、点灯時間とともに前方端部を構成する高融点金属が多結晶体であると結晶が時間とともに成長し、粒界拡散の拡散路が減るため、供給量も減ってくる。単結晶では時間とともに供給量が変動しないので、安定した供給ができる。ただし、供給量は多結晶体に比べて少ないので前方端部を薄くする必要がある。
【００６５】
高融点金属基体は、タングステンが主成分であることが望ましい。タングステンは融点が高いため、高温まで使用でき、易電子放射物質とともに電子放射のための単原子層を形成し、良好な電子放射特性を実現できる。また、蒸気圧が低いので、長時間にわたって電極の損耗を低減できる。
【００６６】
高融点金属基体における前方端部は、タングステンを主成分とし、レニウムを含有することが好ましい。レニウムを含有すると、電子放射の特性が改善されるため、より長時間にわたり、電極の損耗を低減できる。
【００６７】
高融点金属基体における前方端部は、タングステンを主成分とし、カリウムの含有量を１００重量ｐｐｍ以下とすることが好ましい。前方端部にカリウムを微量ドープすることによって、前方端部のタングステン多結晶体の粒界を安定に保つことができ、粒界拡散による拡散路を安定に保つことができる。
【００６８】
高融点金属基体における前方端部は、多結晶体からなり、結晶粒の断面方向の平均粒子径を１００μm以下にすることが好ましい。前方端部において、粒界拡散による易電子放射物質の輸送量を多くすることができるからである。
【００６９】
前方端部に穴を備え、穴の底から薄い壁を隔てて気密室がある構造とすることもできる。穴の底と気密室の隔壁の位置により、隔壁の温度、隔壁の厚さをコントロールし、隔壁内を拡散する易電子放射物質の量を最適に保つことができる。穴の底から電極先端への易電子放射物質の輸送は速いため、隔壁内の拡散が律速となり、易電子放射物質の供給量を一定に保つことができる。隔壁が先端に比べ低い温度に置かれるため、隔壁の変形を抑えることができる。
【００７０】
以下に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
〔実施例〕
放電ランプは図１に示す構成に従い、陰極は図５に示す構成に従い図６に示す方法で作製した。
光透過性の容器１は、石英ガラスからなり、最大外径が５２ｍｍ、内径が４６ｍｍ、全長が２５０ｍｍである。
陰極２は、タングステンからなる高融点金属基体２１を備える。高融点金属基体２１は、全長が２２ｍｍであり、前端２１６の径が１．０ｍｍであって６０°のテーパー角を有する全長５ｍｍのテーパー部２１１を有し、胴部２１７の外径が６ｍｍ、筒状部２１８の外径が３ｍｍ、筒状部２１８の全長が７ｍｍである。気密室２２は、その前方端面２２１が高融点金属基体２１の前端２１６から３ｍｍの位置となるよう設けられ、直径が２ｍｍ、全長が８ｍｍである。気密室２２内には、易電子放射物質２４として、５．０ｍｇのランタン（Ｌａ）が封入されている。
陽極３は、タングステンからなり、最大外径が１５ｍｍ、全長が３３ｍｍである。
電極間距離（Ｌ）は、５．０ｍｍであり、
【００７１】
〔比較例〕
図１２に示す方法に従って陰極を作製、すなわち、気密室における前方端面に易電子放射物質が密着していることを除く他は全て、実施例と同じ構成・仕様を有する比較例に係る放電ランプを作製した。
【００７２】
実施例に係る放電ランプを定格電力が２ｋＷの点灯条件で点灯させたところ、点灯開始から３２９時間経過した後も、易電子放射物質であるＬａの凝集相に対して陰極を構成するタングステンが多量に溶解することに起因して気密室が浸食されることがなく、よって、光透過性容器に黒化が生じるという不具合が発生することがなかった。
一方、比較例に係る放電ランプを実施例と同じく定格電力が２ｋＷの点灯条件で点灯させたところ、点灯開始から１９１時間で気密室が浸食されることにより、光透過性容器が黒化する不具合が生じた。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の放電ランプの概略図を示す。
【図２】本発明に係る陰極の管軸を含む拡大断面図を示す。
【図３】図２に示す陰極の作製方法の一例を説明するための図である。
【図４】本発明に係る陰極の管軸を含む拡大断面図である。
【図５】本発明に係る陰極の管軸を含む拡大断面図である。
【図６】図５に示す陰極の作製方法の一例を説明するための図である。
【図７】本発明に係る陰極の管軸を含む拡大断面図である。
【図８】本発明に係る陰極および作製方法を示す管軸を含む拡大断面図である。
【図９】本発明に係る陰極および作製方法を示す管軸を含む拡大断面図である。
【図１０】本発明に係る陰極および作製方法を示す管軸を含む拡大断面図である。
【図１１】本発明に係る陰極および作製方法を示す管軸を含む拡大断面図である。
【図１２】陰極の作製方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１        光透過性の容器
２        陰極
３        陽極
４        封着部
２１      高融点金属基体
２１１    テーパー部
２１２    気密室用有底孔
２１３    底部
２１４    電極芯棒用孔
２１５    前方端部
２１６    前端
２１７    胴部
２１８    筒状部
２１９    後端
２２      気密室
２２１    前方端面
２３      気密封止部
２４      易電子放射物質
２５      封止部材
２５１    前方端面
２６      電極芯棒
２６１    嵌入孔
２７      保護部材
２８      保護膜
２９      保護部材
２９１    通気孔
４１      第１の空間
４２      第２の空間
【図１】
2006179226.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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