(57)【要約】      （修正有）【課題】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、当初点灯時にも円滑な点灯ができるようにした構造を提供する。【解決手段】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、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における焼結体収容空間内３３ａに、先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の希土類酸化物からなるエミッタが含有されたタングステン焼結体が埋設されており、密閉空間における気相拡散空間３３ｂは、先端部内に形成されている。【選択図】図２
2015230828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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）が含有されたタングステン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は、焼結体収容空間と、その先端側に形成された気相拡散空間とからなる密閉空間が形成され、
前記焼結体収容空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の希土類酸化物からなるエミッタが含有されたタングステン焼結体が埋設されおり、
前記気相拡散空間は、前記先端部内に形成されている、
ことを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記先端部には、前記焼結体の先端側への移動を規制する焼結体移動規制部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。
【請求項３】
前記焼結体移動規制部は、前記気相拡散空間の断面積が先端に向かうにしたがって縮小することにより形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。
【請求項４】
前記焼結体の前端面は、陰極先端から管軸方向に向かって４〜６ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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おり、そのエミッタとして酸化トリウム（ＴｈＯ２）を含有させたものが多用されていた。
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。
【０００３】
上記トリウムの代替物質として希土類元素やその化合物をエミッタとして用いた電極が提案されている。
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。
特開２０１２−１７８３２９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（Ｌａ２Ｏ３）を含有させた放電ランプが開示されている。
【０００４】
しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）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。
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蒸気は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。
【０００５】
また、特開２００６−１７９２２６号公報（特許文献２）には、陰極のタングステン基体の内部の気密室内にエミッタとしての金属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金属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。
【０００６】
ところが、この文献に開示された気相拡散を利用したエミッタ供給機構を有する陰極では、エミッタの供給速度が過大になるという問題があった。
それは、エミッタとして用いられるＬａやＣｅなどの金属は、一般に、それらの酸化物と比べて蒸気圧が高く、密閉空間内で過剰に蒸発するためである。
その結果、初期におけるエミッタ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という不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１５００８号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、トリウム以外のエミッタを用いた放電ランプの実現を図ろうとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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は、焼結体収容空間と、その先端側に形成された気相拡散空間とからなる密閉空間が形成され、前記焼結体収容空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の希土類酸化物からなるエミッタが含有されたタングステン焼結体が埋設されており、前記気相拡散空間は、前記先端部に形成されていることを特徴とする。
また、前記先端部には、前記焼結体の先端側への移動を規制する焼結体移動規制部が設けられていることを特徴とする。
また、前記焼結体移動規制部は、前記気相拡散空間の断面積が先端に向かうにしたがって縮小することにより形成されていることを特徴とする。
また、前記焼結体の前端面は、陰極先端から管軸方向に向かって４〜６ｍｍの範囲内にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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における焼結体収容空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の酸化セリウムなどの希土類酸化物からなるエミッタが含有されたタングステン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。
そして、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、焼結体に保持された希土類酸化物が還元されて、焼結体の先端側の気相拡散空間での気相拡散、そして先端部での粒界拡散という経路によってエミッタが適切に供給されることにより、先端部でエミッタが枯渇することなく、適切なエミッタ供給速度を設定し良好な寿命を実現できる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る陰極構造を有する放電ランプの全体図。
【図２】本発明の実施例を表す陰極構造図。
【図３】その作用説明図。
【図４】本発明の陰極の製造工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
【００１３】
ここで、第１エミッタの含有量は、例えば、０．１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おける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、０．１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。
さらに、先端部３２にはタングステン粒の再結晶化による粒成長を抑制するための粒安定剤が添加されていてもよい。この粒安定剤は、具体的には例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）である。
【００１４】
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、この密閉空間３３は、焼結体収容空間３３ａとその先端側の気相拡散空間３３ｂとから構成される。この実施例では、焼結体収容空間３３ａが本体部３１に形成され、気相拡散空間３３ｂが先端部３２に形成されている。しかし、この形態に限られず、焼結体収容空間３３ａが本体部３１から先端部３２にかけて形成され、その先端側の先端部３２に気相拡散空間３３ｂが形成されるものであってもよいし、あるいは、密閉空間３３の全体が先端部３２に形成されるものであってもよい。
また、前記密閉空間３３における気相拡散空間３３ｂは、先端側にいくほど縮径されて、前記焼結体３４の直径よりも小径となるテーパ部３３ｃを有している。これにより、後述するように、焼結体３４が先端側に移動することが規制される。
【００１５】
そして、前記密閉空間３３の焼結体収容空間３３ａ内には、前記先端部３２に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の希土類酸化物からなるエミッタが含有されたタングステン焼結体３４が埋設されている（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）。
これにより、焼結体収容空間３３ａ内に収容された焼結体３４の先端には、密閉空間３３の気相拡散空間３３ｂが存在していて、焼結体３４から第２エミッタが一旦蒸発して気相状態となり、この空間３３ｂ内を気相拡散して、この気相拡散空間３３ｂの先端から、先端部３２の粒界内を粒界拡散していくものである。
この第２エミッタは、前記第１エミッタと同様に、希土類酸化物からなり、例えば、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
【００１６】
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の、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。このように、第２エミッタの濃度が、低すぎる場合も高すぎる場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。
【００１７】
その作用をさらに詳細に図３に基づいて説明すると以下のようである。
以下の説明では、酸化セリウム（ＣｅＯ２）を例として説明するが、他の希土類酸化物の場合も同様である。
焼結体３４における酸化セリウム（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）（あるいは、還元剤を添加する場合は還元剤）との反応によって、ＣｅやＣｅＯの気体分子が生成される。これらは、先端側の気相拡散空間３３ｂ中を気相拡散によって先端部３２の内面に達する。先端部３２の気相拡散空間３３ｂの内面に達したＣｅは、ここで吸着し、そこから粒界拡散によって陰極先端面へ輸送される。
また、先端部３２の内面に達したＣｅＯは、そこでＣｅとＯとに分解して、このうちＯはタングステン（Ｗ）に固溶し、Ｃｅは粒界拡散によって陰極先端面へ輸送される。
しかも、先端部３２に気相拡散空間３３ｂを形成することで、粒界拡散での経路が短くなり、より円滑にエミッタを陰極の先端に供給することができる。
【００１８】
このように、エミッタ酸化物が、還元、蒸発、気相拡散、粒界拡散というプロセスを経て、エミッタが陰極の先端に供給されることで、エミッタの供給速度を適切に調整することができる。
他にこのようなエミッタ気相拡散の供給速度を調整する手段として、酸化物エミッタの還元剤を焼結体に含有させていてもよい。例えば、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｃ（炭素）などが好ましい。
【００１９】
本発明では、焼結体３４の前方に気相拡散空間３３ｂを設けて、焼結体３４と陰極先端部３２とが高温部において接触しない構成とした。さらに、この気相拡散空間３３ｂにはテーパ部３３ｃを形成して、焼結体３４の直径よりも縮径したので、焼結体３４が先端側に移動することが防止される。
この焼結体３４は、あまり高い温度で焼結すると、含有されたエミッタが蒸発してしまうので、比較的低い温度で焼結されており、その焼結度合は、陰極３を構成する本体部３１や先端部３２よりも低い。そのため、周囲のタングステンよりも比較的密度が低い状態で陰極内部に埋設されることになり、これがランプ点灯時の高温を経ることによって次第にその焼結度合が進んで、その密度が上昇して体積収縮が起こる。
【００２０】
そうなると、焼結体３４が陰極内部の密閉空間３３内で移動し易くなり、これが先端側に移動すると、より高温状態にある位置に移動することになる。
さらには、点灯消灯を繰り返すことにより、焼結体３４が膨張収縮を繰り返し、徐々に先端側に前進してしまうことも起こる。
このように焼結体３４が先端側へ移動してしまうと、陰極３先端面から焼結体３４の先端面までの距離が変化してしまい、温度条件が変化するので気相拡散が適切に生じなくなってしまう。
本発明では、気相拡散空間３３ｂのテーパ部３３ｃによって、焼結体３４の先端側への移動が規制されているので、先端面からの距離が適正に保たれて、温度条件が不必要に変化することがなく、適正な気相拡散が維持される。
【００２１】
また、焼結体３４の焼結時やランプ点灯時の高温により、焼結体３４中に含まれる酸化セリウム（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）が反応してセリウムタングステートが生成されるが、このセリウムタングステートは、タングステンより融点が低く、点灯時の高温によって溶融することがある。この溶融したタングステートがタングステンを侵食し、タングステンに亀裂が生じてしまう。焼結体３４の移動により、溶融したタングステートが高温となる陰極３の先端部３２に押しこまれて、先端部３２を侵食するとその影響が大である。
本発明では焼結体３４の先端側への移動が規制されるので、溶融タングステートが先端部３４の気相拡散空間３３ｂの先端側に押し出されることが防止される。
【００２２】
なお、焼結体３４の先端側移動を規制する手段として、前記テーパ部３３ｃ以外に、気相拡散空間３３の直径を焼結体３４の直径よりも小さくするものであってもよい。
ただ、図２、３に示すような先細のテーパ部３３ｃとすることで、ランプを水平点灯する場合においては、このテーパ部３３ｃが溶融したタングステートの液溜りとして機能し、陰極先端部３２の高温部に達することを防止できる。
【００２３】
なお、前述の第１エミッタと第２エミッタとは、同材料であってもよいし、別材料であってもよい。例えば、第１エミッタと第２エミッタがともに酸化セリウムと同一材料であり、また、第１エミッタが酸化ランタンと酸化ジルコニウムからなり、第２エミッタが酸化セリウムと別材料であるというように、その組み合わせは任意である。
【００２４】
本発明の陰極構造について一寸法例を示すと以下の通りである。
陰極の外形：  胴部径φ１２ｍｍ、軸方向の長さ２１ｍｍ、先端径φ０．９ｍｍ、
テーパ角５５°
先端部の寸法：軸方向長さ４ｍｍ
本体部の寸法：軸方向長さ１７ｍｍ
焼結体の寸法：φ２．１５ｍｍ、軸方向長さ：５ｍｍ
密閉空間：焼結体収容空間  φ２．２ｍｍ、軸方向長さ  ５ｍｍ
気相拡散空間    φ１ｍｍ×２ｍｍ、φ１〜φ２．２ｍｍ×１ｍｍ
【００２５】
次いで、本発明に係る陰極の製造工程を、図４を用いて説明する。
陰極３内部の密閉空間３３の焼結体収容空間３３ａ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、１：２で、混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレス機により成型を行う。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、１７００〜２０００℃、好ましくは１８００〜１９００℃、１ｈで行うことで、製作する。
陰極の先端部３２は、Ｌａ２Ｏ３及びＺｒＯ２ドープタングステンとし、本体部３１は、ＺｒＯ２ドープタングステンである。ともに、真空中で２３００℃〜２５００℃の温度で焼結する。このように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。
なお、本体部３１にエミッタを含有しない形態の場合には、それよりももっと高い温度、例えば２７００℃〜３０００℃で焼結することもできる。
【００２６】
先ず図４（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を構成する焼結体収容空間３３ａを形成し、該焼結体収容空間３３ａ内に焼結体３４を挿入する。次いで、図４（Ｂ）に示すように、先端部３２を構成する先端部材３２ａを本体部材３２ａ及び焼結体３４に当接する。この先端部材３２ａには気相拡散空間３３ｂが形成されている。
図３（Ｃ）に示すように、先端部材３２ａを押圧して、本体部材３１ａに当接した状態で、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３（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の焼結体収容空間３３ａ内に焼結体３４が密閉埋設され、その先端側の先端部３２に気相拡散空間３３ｂが形成された陰極３の最終形状が得られる。
【００２７】
なお、前述のとおり、本体部３１はトリウムを含まないタングステンなどの高融点金属からなるものであるが、トリウム以外のエミッタを含むことを排除するものではない。その場合、高濃度の焼結体３４が存在するので、エミッタを先端部３２に供給するという点については、本体部３１にトリウム以外のエミッタを含むことに特段の利点は存在しないかもしれないが、本体部３１と先端部３２が同一の材料から構成されることで両者が接合後も同じ熱的物性を有するので点灯時の高温に曝されても一体物の熱的特性と変わらず接合部の不具合の発生が生じにくいなどの別の利点を有する。
【００２８】
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トリウム以外のエミッタを含有させてあるので、ランプの初期点灯時には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、陰極内部に密封埋設した焼結体には、前記先端部の第１エミッタよりも高濃度の希土類酸化物からなる第２エミッタが含有されているので、ランプ点灯に伴ってこの第２エミッタが拡散して、先端部側に移動して供給されるので、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。
しかも、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。
更には、焼結体に含有されたエミッタとしての希土類酸化物が還元されて、焼結体の先端側の気相拡散空間での気相拡散、そして先端部での粒界拡散という経路によってエミッタが適切に供給されることにより、先端部でエミッタが枯渇することなく、適切なエミッタ供給速度を設定し良好な寿命を実現できる。
【符号の説明】
【００２９】
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
３３ａ  焼結体収容空間
３３ｂ  気相拡散空間
３３ｃ  テーパ部
３４    焼結体
４      陽極
【図１】
2015230828.tif 000003
【図２】
2015230828.tif 000004
【図３】
2015230828.tif 000005
【図４】
2015230828.tif 000006