(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、陰極先端からエミッタが過剰に蒸発して早期に枯渇してしまう一方で、後方からのエミッタの供給がその蒸発に追いつかず、陰極先端でエミッタが早期に枯渇してしまうことを防止した構造を提供する。【解決手段】前記陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％であることを特徴とする。【選択図】図２
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【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、
陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、
前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、
前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％である、
ことを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記陰極全体が、前記酸化セリウムと酸化ジルコニウムが含有されたタングステンで構成さ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】
前記陰極が、タングステンからなる本体部と、前記酸化セリウムと酸化ジルコニウムが含有されたタングステンからなり、前記本体部の先端に設けられた先端部とからな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】
前記先端部が、前記本体部の先端に埋設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。
【請求項５】
前記陰極先端での電流密度が、２８０Ａ／ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１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として酸化トリウム（Ｔｈ０２）が添加されたものが多用されている。
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。
【０００３】
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。
特許第４７４１１９０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）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）など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一方で、還元されて陰極の先端まで供給される速度（供給速度）が遅い。
そのため、陰極に含有させるエミッタとして希土類酸化物を用いた場合、陰極先端で当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまうとともに、後方からのエミッタの供給がその蒸発に追いつかず、陰極先端でエミッタが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性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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７４１１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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として希土類酸化物を添加しても、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延長を図った陰極構造を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明では、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、陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％である、ことを特徴とする。
また、前記陰極全体が、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成されていることを特徴とする。
また、前記陰極が、タングステンからなる本体部と、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンからなり、前記本体部の先端に設けられた先端部とからなることを特徴とする。
また、前記先端部が、前記本体部の先端に埋設されていることを特徴とする。
また、前記陰極先端での電流密度が、２８０Ａ／ｍｍ２以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、陰極に、エミッタとして酸化セリウムと、添加剤として酸化ジルコニウムを含有させたので、酸化セリウムの拡散速度が速く、陰極先端での蒸発による消耗に対して、陰極後方からのエミッタの拡散による陰極先端への供給が迅速に行われ、先端でのエミッタの枯渇が生じることがない。
また、添加剤として含有された酸化ジルコニウムは、陰極の動作温度でもタングステンと反応することがなく、タングステン結晶粒の再結晶化による粗大化を抑制するので、エミッタの拡散経路が多数保持された状態が維持されて、この点でも、エミッタである酸化セリウムの先端への供給が円滑に行われて、先端でのエミッタの枯渇を防止する機能がある。
このように、陰極に含有するエミッタ材と添加剤として、酸化セリウムと酸化ジルコニウムの組み合わせが最も適していて、ランプのフリッカー寿命の延長に加えて、安定的な点灯性に優れた陰極構造となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】本発明の効果を表す表１。
【図４】酸化セリウム濃度の評価を表す表２。
【図５】電流密度によるフリッカー発生の評価を表す表３。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。この例では、放電ランプ１の発光管２内に発光物質としてキセノンが封入されたキセノンショートアークランプが示されている。
【００１１】
図２には、本願発明にかかる陰極３の幾つかの構造が示されている。
図２（Ａ）は、陰極３全体が、タングステンにエミッタと添加剤が含有された例である。
図２（Ｂ）および（Ｃ）は、陰極３が、タングステンからなる本体部３１と、その先端に設けられた先端部３２とからなる例であって、先端部３２は、タングステンに、エミッタと添加剤が含有されているものである。
図２（Ｂ）は、本体部３１の先端に先端部３２が、固相接合や溶接などにより接合された例であり、図２（Ｃ）は、本体部３１の先端に先端部３２が埋設された例である。
【００１２】
上記構造の陰極３（の全体、または先端部）において、タングステン中には、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）と、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されている。
酸化セリウムの含有量はタングステンに対して１．０〜２．０ｗｔ％であり、酸化ジルコニウムの含有量はタングステンに対して０．０５〜０．１ｗｔ％である。
【００１３】
エミッタとしての酸化セリウムの含有量は、放電特性によって決定される。
酸化セリウムの濃度が１．０ｗｔ％よりも低い場合には陰極先端面でエミッタ不足が発生して輝点が動き回り電圧変動が大きくなる。一方、酸化セリウムの濃度が２．０ｗｔ％を超えて高くなりすぎると、陰極動作時にエミッタの供給が増えすぎるため、エミッタ蒸発量が増加し、バルブの黒化・白濁が増加する。このようになると、ランプから出てくる光が正常な状態より減少してしまう。
すなわち、酸化セリウムの含有量は、タングステンに対して１．０〜２．０ｗｔ％であるのがよい。
【００１４】
一方、酸化ジルコニウムは、電極の動作温度の付近（例えば２４００℃）までタングステンとの反応が生じないため、タングステン中に酸化ジルコニウムが存在することで、タングステンの結晶粒は再結晶化することがなく、結晶粒成長を抑制する効果がある。結晶粒成長の抑制により、タングステン中には多数の結晶粒界が維持され、先端部へのエミッタの拡散経路が維持されることになる。このような機能を発揮するためには、酸化ジルコニウムの添加量は、微量であっても効果があり、０．０５ｗｔ％以上であればよい。
また、その含有量が多くなるほど結晶粒成長の抑制に対しては効果が大きいが、一方で、その含有量が多すぎると、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が反応して化合物（Ｃｅ‐Ｚｒ‐Ｏ）が形成されてしまう。この化合物が生成されると、当該化合物は融点が低いために陰極先端に早期に移動してエミッタの供給量が一時的に増えてしまう。そして、これらが消耗すると、先端でエミッタが早期に枯渇してしまうことになる。このような観点から、酸化ジルコニウムの含有量はあまり多くすることは好ましくなく、０．１ｗｔ％以下とするのが好ましい。
すなわち、酸化ジルコニウムの含有量は、タングステンに対して０．０５〜０．１ｗｔ％であるのがよい。
【００１５】
以下、本発明の効果を検証するために、エミッタの物質及び含有量、ならびに添加剤の物質及び含有量を適宜に変化させて陰極を構成し、放電ランプを作製して実験した。
＜点灯実験＞
作製した放電ランプを点灯し、電圧変動値（Ｖ）を測定してフリッカーの発生具合について評価を行うことで、エミッタが適切に供給されているか否か検証を行った。
＜実験１＞
エミッタ物質としての酸化物、及びエミッタの供給を補助する添加剤としての酸化物の選定：
エミッタ物質：酸化セリウムＣｅＯ２（本発明）、酸化ランタンＬａ２Ｏ３（比較例）
添加剤：酸化ジルコニウムＺｒＯ２（本発明）、酸化カリウムＫ２Ｏ（比較例）
以上の各エミッタと添加剤（結晶粒成長抑制剤）の組み合わせをタングステンに含有させて、陰極を構成し、図１に示したようなキセノンショートアークランプを４本作製した。
なお、エミッタ（酸化セリウム又は酸化ランタン）の添加量はいずれも１ｗｔ％として、すべてのランプにおいて同一の含有量とした。また、添加剤（酸化ジルコニウム又は酸化カリウム）の初期添加量も０．１ｗｔ％として、すべてのランプにおいて同一とした。
【００１６】
図３の表１に、点灯初期の電圧変動の大きさと、電圧変動が１．２Ｖに到達するまでの時間ｔ１（ｈ）を示す。
表１中で、点灯初期における電圧変動では、０．３Ｖ未満である場合に合格（○）とし、０．３Ｖ以上１．２Ｖ未満である場合に不合格（△）として評価した。
ランプを長時間点灯すると、エミッタの供給不足が生じて電圧変動の幅が大きくなる。この電圧変動が１．２Ｖ以上になると、人間の目によってフリッカーとして視認されるようになる。すなわち、電圧変動が１．２Ｖ以上になると、ほぼランプの使用寿命となる。
【００１７】
添加剤として酸化ジルコニウムを含有させると、エミッタ材として酸化セリウムまたは酸化ランタンを添加したいずれにおいても、同一点灯条件において、電圧変動が１．２Ｖ以上になるまでの時間ｔ１が、それぞれ５００ｈおよび４００ｈと、酸化カリウムの場合に比べて大幅に延びていることが分かる。つまり、結晶粒成長抑制剤としての添加剤としては、酸化ジルコニウムのほうが、酸化カリウムよりも格段に優れていることが分かる。
そして、酸化ジルコニウムを添加した場合にあっても、エミッタ材として、酸化セリウムを含有させたものが、ｔ１＝５００時間で、酸化ランタンを含有させたものがｔ１＝４００時間であり、酸化セリウムとの組み合わせのほうがより優れていることが分かる。
つまり、結晶粒成長抑制のための添加剤として酸化ジルコニウム、エミッタ材として酸化セリウムを含有させた組み合わせのものがもっともすぐれた評価となった。
【００１８】
その理由については以下のように推測される。
蒸気圧を考慮すると、エミッタの蒸発しやすさとしては、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）に違いは無いが、陰極の先端面に供給される速度について酸化セリウムの方が高かったものと推測される。これによって、蒸発に対しての供給が均衡に近づき、先端面でのエミッタ被覆率を維持したものと考えられる。
エミッタの供給速度について、セリウム（Ｃｅ）とランタン（Ｌａ）の場合とで比較したところ、エミッタ以外の条件が同じ場合、誤差はあるもののＣｅのほうがＬａの数倍程度の拡散速度がある。このため、Ｃｅのほうが、エミッタとしての供給は、Ｌａよりも多く行われ、先端面でのＣｅとＬａで同等程度のエミッタ蒸発が起きる場合、Ｃｅのほうが、エミッタ被覆率が高くなり、仕事関数が、Ｌａの場合よりも下がることで、Ｌａの場合より陰極先端の温度を下げることができる。このことで、陰極の寿命をＬａの場合より、延ばすことができるものと思われる。
【００１９】
また、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）や酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）のような添加剤については、タングステン粒径の再結晶化による肥大化を抑制する効果があると考えられる。酸化カリウムでは放電ランプの陰極の動作領域である２０００℃以上の環境においての再結晶化の抑制の効果が低かったのではないかと推測される。
これに対し、酸化ジルコニウムは、動作温度でタングステンと反応することがなく、タングステンの再結晶化を抑制することで、タングステン結晶粒の粒界を保持することができ、エミッタの供給経路を多数確保することで、供給速度が高かったのではないかと考えられる。
以上の結果から、陰極のタングステン中に含有するエミッタ材と添加剤としては、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の組合せが最適である。
【００２０】
＜実験２＞
次いで、上記のように得られた結論から更に、酸化セリウムの母材であるタングステンに対する濃度（ｗｔ％濃度）を最適化するために、濃度を変化させて作製した陰極について、各々放電ランプ（キセノンショートアーク型放電ランプ）を作製した。なお、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）についてはいずれも０．１ｗｔ％の含有量とした。
ランプを点灯したときの電圧変動とバルブの黒化・白濁の状態（エミッタの蒸発の状態）より、放電特性を評価した。エミッタの濃度が低い場合には陰極先端面でエミッタ不足が発生し、輝点が動き回り、電圧変動が大きくなる。一方、エミッタの濃度が高すぎると、陰極動作時にエミッタの供給が増えるため、エミッタ蒸発量が増加し、バルブの黒化・白濁が増加する。黒化、白濁が増えると、ランプから放射される光が減少する。
【００２１】
図４の表２に放電特性を評価した結果が示されている。
評価の結果、酸化セリウム（ＣｅＯ２）の濃度が１．０〜２．０ｗｔ％の場合に放電特性が良好となった。
この理由については以下のように推測される。濃度が１ｗｔ％未満である場合は、タングステンに含まれるエミッタの絶対量が少なくて陰極先端面でエミッタが枯渇したものであり、また一方で、２ｗｔ％を超える場合は、エミッタの蒸発が過多となり、バルブの黒化・白濁が生じたものと考えられる。
【００２２】
酸化セリウム（ＣｅＯ２）は、酸化トリウム（ＴｈＯ２）よりも融点が低い。このため、エミッタとして酸化セリウムを用いた場合、酸化トリウムを用いたものよりも電極（陰極）先端の到達温度が低くなるように点灯条件を適正な範囲となるように設定する必要があり、ランプ動作時の陰極先端部の電流密度Ｊ（Ａ／ｍｍ２）が過大とならないよう制御する必要がある。電流密度は、通常、ランプ電流（Ａ）／陰極先端面積（ｍｍ２）で定義される。ただし、陰極によっては、ランプ動作時、アークが広がっていて先端から０．５ｍｍ程度まで被さっている場合があり、このような場合は、陰極先端がアークで覆われた範囲まで積算した面積が陰極先端面積となる。
適正な電流密度を求めるために以下の実験を行った。
陰極の母材としてタングステン（Ｗ）を用い、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）を２．０ｗｔ％、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を０．１ｗｔ％添加した陰極を多数製作し、同じ仕様の放電ランプ（キセノンショートアーク型放電ランプ）を作製した。かかる放電ランプについて、１６０Ａ／ｍｍ２〜４７０Ａ／ｍｍ２の範囲で電流密度を異ならせて点灯させて、フリッカーが生じ始める電圧変動値（１．２Ｖ）になるまでの時間ｔ１（ｈ）を測定した。
【００２３】
図５の表３にその結果が示されている。
表３から分かるように、フリッカー寿命として、実用レベルで少なくとも５００ｈを超えるのは、電流密度が２８０Ａ／ｍｍ２以下の場合である。従って、エミッタとして酸化セリウム（ＣｅＯ２）を用い、添加剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を用いた陰極では、電流密度を２８０（Ａ／ｍｍ２）以下の範囲で使用することで長寿命の放電ランプを得ることができる。
【００２４】
以上説明したように、本発明においては、陰極が、酸化セリウム（ＣｅＯ２）と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とが含有されたタングステンで構成され、前記酸化セリウム（ＣｅＯ２）の含有量が１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の含有量が０．０５〜０．１ｗｔ％であることにより、エミッタとしての酸化セリウムの拡散速度が速く、陰極先端での蒸発による消耗に対して、陰極後方からのエミッタの拡散による陰極先端への供給が迅速に行われ、先端でのエミッタの枯渇が生じることがない。
また、添加剤として含有された酸化ジルコニウムは、タングステン結晶粒の再結晶化による粗大化を抑制するので、エミッタの拡散経路が多数保持された状態が維持されて、酸化セリウムの先端への供給が円滑に行われて、先端でのエミッタの枯渇を防止するものである。
【符号の説明】
【００２５】
１      放電ランプ
２      発光管
３      陰極
３１    本体部
３２    先端部
４      陽極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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