(57)【要約】      （修正有）【課題】本体部と先端部とが接合されてなる陰極の内部に形成された密閉空間内に、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封入されている放電ランプにおいて、点灯時の高温加熱によっても、焼結体にひび割れが生じたり、その先端と先端部との間に空隙が発生したりすることのない構造を提供する。【解決手段】陰極３の密閉空間３３内に封入された焼結体３４の前端側が先端部３２に当接されるとともに、密閉空間内の焼結体の後端側には該焼結体を先端部側に押圧する押圧部材３５を設けた。【選択図】図２
2015141810.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、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、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放電ランプ。
【請求項２】
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から構成されるとともに、前記焼結体に含有されるエミッタ濃度は、前記先端部に含有されるエミッタ濃度よりも高濃度であ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１または２に記載の放電ランプ。
【請求項４】
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（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）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。
【請求項５】
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）など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１または２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。
【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（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。
【０００３】
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、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、陰極に含まれるエミッタが、陰極の後端から先端に向けての移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。
【０００４】
そこで、本発明者達は高濃度の希土類酸化物粉末とタングステン粉末とからなる焼結体を作成し、この焼結体を陰極の内部に埋設する電極構造を検討した。
その構造が図８（Ａ）に示されている。陰極３を、本体部３１とその先端に接合された先端部３２とから構成し、本体部３１に凹所を形成して、その先端に先端部３２を接合して、密閉空間３３とし、この密閉空間３３内に、エミッタとして高濃度の希土類酸化物を含んだタングステン焼結体（エミッタ焼結体）３４を収容した構造である。
この構造によって、エミッタ焼結体３４が直接放電空間に曝されることがなく、該焼結体中のエミッタが陰極先端から過度に蒸発することを抑制して、エミッタの早期の枯渇を防止して、安定的な供給を持続させようと意図するものである。
【０００５】
ところが、上記構成の陰極構造をもつランプを点灯したところ、図８（Ｂ）に示すように、往々にしてエミッタ焼結体３４にひび割れが発生することが分かった。
その不具合について詳細に検討したところ、エミッタ焼結体３４が、ランプ点灯に伴ってその焼結度が進むことに原因するものと推測された。つまり、エミッタ焼結体は、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、その焼結度が十分には進んでいない。
これが、ランプ点灯時の高温加熱によって焼結度が進行し、その密度が高くなって体積が収縮する。このとき、エミッタ焼結体３４には、軸方向の両端から引っ張られる力が働き、その力に抗しきれずに、ひび割れＸが生じるものと推察される。
【０００６】
さらには、上記のひび割れが生じないとしても、図８（Ｃ）に示すように、エミッタ焼結体３４の焼結度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、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、エミッタ焼結体３４からの陰極先端部３２へのエミッタの拡散移送が行われなくなり、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００５−５１９４３５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、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、前記本体部および／または先端部の内部に形成された密閉空間内に、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封入されている放電ランプにおいて、点灯時の高温加熱によっても、前記焼結体にひび割れが生じたり、その先端と前記先端部との間に空隙が発生したりすることのない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】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極の密閉空間内に封入された焼結体の前端側が前記先端部に当接されるとともに、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から構成されるとともに、前記焼結体に含有されるエミッタ濃度は、前記先端部に含有されるエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
【００１０】
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（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）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。
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）など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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、陰極の密閉空間内に封入され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るので、点灯時の高温加熱によって焼結度が進行して収縮することがあっても、ひび割れが生じたり、或いは、その前端と前記先端部との間に隙間が生じたりすることがない。
また、先端部には、前記焼結体のエミッタ濃度よりも低濃度のトリウム以外のエミッタが含有されているので、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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】他の実施例を表す陰極構造図
【図４】更に他の実施例を表す陰極構造図
【図５】更に他の実施例を表す陰極構造図
【図６】更に他の実施例を表す陰極構造図
【図７】本発明の陰極の製作工程図
【図８】本発明の課題を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、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、必要に応じて、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）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
【００１４】
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、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。
【００１５】
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、その具体例は例えば、前記第１エミッタと同様、酸化ランタン（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）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）など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。
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。
【００１６】
そして、前記密閉空間３３内において、前記焼結体３４の後端側には押圧部材３５が設けられていて、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（Ａｌ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などである。
【００１７】
ランプ点灯により陰極温度が上昇し、エミッタ焼結体３４は焼結度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の収縮量を補って、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。
【００１８】
また、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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
図５には更に他の実施例が示されていて、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）のものは、押圧部材３５の直径が焼結体３４よりも小さく、また、図５（Ｂ）のものは、焼結体３４より大きい例である。
【００２１】
図６には更に他の実施例が示されていて、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。
【００２２】
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＋ＺｒＯ２＋Ｌａ２Ｏ３（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＋ＣｅＯ２（エミッタ）（体積比３：１）
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
【００２３】
＜製作方法＞
タングステン（Ｗ）粉末と酸化セリウム（ＣｅＯ２）粉末を体積比で３：１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５０ＭＰａ）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、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。
成形後の焼結体のセリウムの原子の重量濃度は２８％であった。
【００２４】
次いで、この焼結体を用いて陰極部材を製作した。
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。
【００２５】
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。
【００２６】
以上説明したように、本発明においては、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、その内部に高濃度のトリウム以外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度が進行してその寸法が収縮しても、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移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。
また、先端部にトリウム以外の低濃度のエミッタを含有させることにより、ランプの初期点灯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。
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エミッタ焼結体が先端部に当接されるように封入されていることから、点灯時にはこのエミッタが陰極先端部側に確実に拡散する。これにより、陰極先端部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。
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。
【符号の説明】
【００２７】
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
３５    押圧部材
４      陽極
【図１】
2015141810.tif 000003
【図２】
2015141810.tif 000004
【図３】
2015141810.tif 000005
【図４】
2015141810.tif 000006
【図５】
2015141810.tif 000007
【図６】
2015141810.tif 000008
【図７】
2015141810.tif 000009
【図８】
2015141810.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月31日(2014.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、本体部とその先端面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、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、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放電ランプ。