(57)【要約】【課題】電極部材からのダイヤモンド部材の剥がれによる問題を解決し、熱陰極放電装置の製造歩留まりや耐久性を改善すること。【解決手段】放電用ガスが封入された外囲器１０と、外囲器１０内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極１１ａ、１１ｂと、コイル状電極１１ａ、１１ｂのコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂとを具備することを特徴とする放電装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする熱陰極。
【請求項２】
前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面にのみ接していることを特徴とする請求項１記載の熱陰極。
【請求項３】
コイル状電極と、このコイル状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられた筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする熱陰極。
【請求項４】
電極と、この電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする熱陰極。
【請求項５】
前記電極はコイル状若しくは柱状であることを特徴とする請求項４記載の熱陰極。
【請求項６】
前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱陰極。
【請求項７】
放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする放電装置。
【請求項８】
前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面にのみ接していることを特徴とする請求項７記載の放電装置。
【請求項９】
放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられた筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする放電装置。
【請求項１０】
放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、電極と、この電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする放電装置。
【請求項１１】
前記電極はコイル状若しくは柱状であることを特徴とする請求項１０記載の放電装置。
【請求項１２】
前記放電用ガスは、２００ｎｍ以下の主要発光ピークを有する元素を含むガスを含むことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の放電装置。
【請求項１３】
前記放電用ガスは希ガスと水銀とを含むことを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の放電装置。
【請求項１４】
前記放電用ガスは水素ガスを含むことを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載の放電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱陰極及びこれを用いた放電装置に係わり、特に照明等に用いられる熱陰極及びこれを用いた放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な熱陰極放電灯においては、放電により陰極から放出された電子は放電管内に封止した水銀原子と衝突し、水銀原子は衝突によりエネルギーを受け紫外線を放出する。この紫外線により蛍光体が励起され可視光線を発生する。発光色は蛍光体の種類によって異なり、白色、昼光色、青色など数々の色種の光がランプから放射される。
【０００３】
放電中のフィラメントは１０００度以上にも達し、コイルに塗布しているエミッタは蒸発したり、イオンまたは電子衝突を受けスパッタされて消耗していく。このような蒸発やスパッタにより電子放出物質はガラス管内に拡散する。拡散した電子放出物質はガラス管内面に付着し、水銀と反応してアマルガムを形成し黒化する。この現象は外見を損なうばかりでなくランプの光束低下をきたす主因ともなる。
【０００４】
電子放出物質の消耗を防ぐための手段は数々なされている。例えば、電子放出物質をスパッタされ難い物質であるダイヤモンドにする構造がある（特許文献１及び２参照。）。これらの文献に記載の発明では、電極材料にダイヤモンド粒子が塗布により付着させられている。塗布、付着させるために、例えばダイヤモンド粒子を有機溶剤に混ぜ電極材料をこの溶液に浸して超音波洗浄を行う。
【０００５】
しかしながら、本発明者の研究によれば、電子放出物質をダイヤモンドにする場合、スパッタによるダイヤモンドのエッチングあるいは消耗は少ないものの、電極材料である金属類、例えばタングステンとダイヤモンドとの間の密着性は悪く、更に応力の違いから電極からのダイヤモンドの剥がれが多発し、熱陰極放電灯等の放電装置の製造歩留まりや耐久性は著しく劣っていることが新たに判明した。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−６９８６８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０６１３０公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来、電子放出物質としてダイヤモンドを用いる熱陰極放電灯等の放電装置は、電極材料である金属類、例えばタングステンとダイヤモンドとの間の密着性が悪く、電極からのダイヤモンドの剥がれが多発し、放電装置の製造歩留まりや耐久性は著しく劣っていた。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱陰極放電装置の製造歩留まりや耐久性を改善することが可能な熱陰極及びこれを用いた放電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上述した課題を解決するために、本発明の第１の熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１０】
この本発明の第１の熱陰極において、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面にのみ接していることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の第２の熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられた筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の熱陰極は、電極と、この電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１３】
この本発明の第３の熱陰極において、前記電極はコイル状若しくは柱状であることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の第１乃至第３の熱陰極において、前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の第１の放電装置は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１６】
この本発明の第１の放電装置において、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面にのみ接していることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の第２の放電装置は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられた筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第３の放電装置は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、電極と、この電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この本発明の第３の放電装置において、前記電極はコイル状若しくは柱状であることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の第１乃至第３の放電装置において、以下の構成を備えることが望ましい。
【００２１】
（１）前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなること。
【００２２】
（２）前記放電用ガスは、２００ｎｍ以下の主要発光ピークを有する元素を含むガスを含むこと。
【００２３】
（３）前記放電用ガスは希ガスと水銀とを含むこと。
【００２４】
（４）前記放電用ガスはＸｅを含むこと。
【００２５】
（５）前記放電用ガスは水素ガスを含むこと。
【００２６】
なお、本発明において、コイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材について、「実質的に同じ大きさ」とは、コイル外径よりも０．２ｍｍ以内の大きさだけ大きな内径の筒状ダイヤモンド部材を含むことを意味する。
【００２７】
また、本発明において、電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材について、「摺動可能」とは、電極とダイヤモンド部材が化学的、物理的に固着しておらず、電極とダイヤモンド部材を別個に摺り動かすことができることを意味する。
【００２８】
（作用）
本発明によれば、コイル状等の形状を有する電極に対して、ダイヤモンドからなるダイヤモンド部材が摺動可能に設けられている。また、コイル状電極の場合は、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを備えている。
【００２９】
本発明によれば、電極部材とダイヤモンド部材とは固着されておらず、このため、電極部材とダイヤモンド部材間の応力等の違いから生じる膜剥がれが本質的に生じないので、放電装置の耐久性を大幅に向上させることが可能である。また、ダイヤモンド部材は熱伝導率が高いため、電極から十分な熱が伝わり、従来の固着させた構造と比較しても十分な熱伝導特性を得ることができる。
【００３０】
さらに、熱陰極を用いた放電装置において電子放出物質にダイヤモンドを使用する場合、ダイヤモンドはスパッタリング耐性が大きいので、放電中のプラズマによるスパッタリングに起因する電子放出物質の消耗等の問題を改善することが可能である。ダイヤモンド部材が連続膜である場合、かかる連続膜が電極全面を保護することにより上記効果が著しくなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施様態について詳細に説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の放電装置に係る熱陰極放電灯の構造を示す概略図である。図１（ａ）は熱陰極放電灯の全体図であり、図１（ｂ）は電極の構成を拡大して示す断面図である。
【００３３】
図１（ａ）に示されるように、本実施形態に係る熱陰極放電灯は、内面に蛍光体１２を塗布した外囲器としてのガラス管（放電管）１０と、ガラス管１０の両端に取り付けられた、一対の電極１１ａ、１１ｂと、一対の導入線１１ｃ、１１ｄと、一対の金具１４ａ、１４ｂと、一対の電極１１ａ、１１ｂに設けられた円筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂと、により構成されている。導入線１１ｃ及び１１ｄは電極１１ａ、１１ｂをそれぞれ保持し通電を行うためのものであり、一対の金具１４ａ、１４ｂによりそれぞれ保持される。また、ガラス管１０内には放電を容易にするために封止ガス１３としてアルゴン又は混合希ガスと微量の水銀が２〜４ｈＰａの圧力で封止されている。
【００３４】
電極部分の構成は、図１（ｂ）の拡大図に示されるように、一対の電極１１ａ及び１１ｂは、１重、２重、またはそれ以上のコイル状のフィラメント（例えば、タングステン等からなる。）となっており、これらのコイル状電極１１ａ及び１１ｂの外面に該外面と摺動可能に円筒状のダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂが設けられている。ダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂは、コイル状電極１１ａ及び１１ｂのコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有しており、コイル状電極１１ａ及び１１ｂとは固着されてはいない。
【００３５】
放電の際は、コイル状電極１１ａ、１１ｂに電流を流し予熱すると、高温になったダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂ（エミッタ）から電子が放出される。放出された電子は対極電極（陽極）に移動し、放電が開始する。ここで、一般的には放電を生じさせるために交流電圧をコイル状電極１１ａ、１１ｂに印加する構成となっており、コイル状電極１１ａ、１１ｂの片方がエミッタとして作用するときは他方は対極電極（陽極）として作用する。この放電により、放出された電子はガラス管１０内に封止された水銀原子と衝突する。或いは放出された電子は、封止されたアルゴン又は混合希ガスの原子に衝突してこれを励起し、励起された該原子が水銀原子と衝突する。水銀原子は上記衝突によりエネルギーを受け紫外線を放出する。この紫外線により蛍光体１２が励起され可視光線を発生する。発光色は蛍光体の種類によって異なり、白色、昼光色、青色など数々の色種の光がランプから放射される。
【００３６】
本実施形態の熱陰極においては、コイル状電極１１ａ及び１１ｂの外径と実質的に同じ大きさの内径を有する円筒状のダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂが設けられている。ダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂはコイル状電極１１ａ及び１１ｂと固着しておらず、コイル状電極１１ａ及び１１ｂの外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極は膜剥がれという問題から開放されている。さらに、ダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂはスパッタリング耐性が大きいため、放電装置内で熱陰極が放電ガスのスパッタリングに晒されても、連続膜としてのダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂがコイル状電極１１ａ及び１１ｂの電極材料全面を保護する役割を果たすので、熱陰極の耐久性を著しく向上させることが可能である。
【００３７】
次に、本実施形態の熱陰極放電灯における熱陰極の製造方法について説明する。図２はその製造方法を示す断面図である。
【００３８】
まず、図２（ａ）に示すようにタングステン等からなるコイル状電極１１ａ、１１ｂを用意する。このコイル状電極１１ａ、１１ｂのピッチは０である。このコイル状電極１１ａ、１１ｂに対してダイヤモンド種付け処理を行い、処理済みのコイル状電極１１ａ、１１ｂをマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に設置し、コイル状電極１１ａ、１１ｂ表面にダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂを成膜する。
【００３９】
ここで、コイル状電極１１ａ、１１ｂに対するダイヤモンド種付け処理について説明する。まず、ダイヤモンド粒子を有機溶剤、例えばアルコール等に混ぜ、この溶剤をコイル状電極１１ａ、１１ｂの表面に塗布した。コイル状電極１１ａ、１１ｂの表面にグラファイト等の炭素系薄膜を形成し、この炭素系薄膜の表面に上記溶剤を塗布してもよい。有機溶剤に混ぜたダイヤモンド粒子の粒径としては０．１ミクロン以上１ミクロン以下のものを用いた。また、塗布としては、コイル状電極１１ａ、１１ｂをダイヤモンド粒子を混ぜた有機溶剤に浸し超音波洗浄を行う方法が採用された。
【００４０】
また、ダイヤモンド粒子を塗付する際には、ダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂ（ダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂに相当。）を筒状に成膜するためにダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂを形成しない部分をマスキングすることにより余分な部分に塗付されないよう考慮した。ここで、超音波洗浄による処理時間は３０分とした。超音波洗浄することによりダイヤモンド粒子は均等にコイル状電極１１ａ、１１ｂの表面に付着した。その後、必要に応じて、例えば窒素雰囲気中、２００度の温度において６０分加熱処理を行い、有機溶剤及び不純物の除去を行った。
【００４１】
次に、コイル状電極１１ａ、１１ｂ表面にダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂを成膜する工程について説明する。図６は、この成膜工程で使用されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
【００４２】
図６に示すように、マイクロ波はマイクロ波ヘッド６２ａからマイクロ波導波路６２ｂを通り、更にマイクロ波導入用石英窓６４を経て反応室６３に導入される。一方、反応ガスは反応ガス導入口６５から反応室６３に導入される。試料６０（電極材料１１ａ、１１ｂに相当。）はヒータステージ６１上に設置する。ヒータステージ６１の支持台は上下位置の調整が可能であり、最適な位置に調整できる機構を有している。反応室６３の圧力は図示しない圧力調整バルブにより制御される。排気システム６６は、ロータリーポンプ６６ａとターボ分子ポンプ６６ｂとロータリーポンプ６６ｃとから構成されている。反応ガス等の通常の排気はロータリーポンプ６６ａにより行われる。また、真空排気はターボ分子ポンプ６６ｂとロータリーポンプ６６ｃにより行われる。６７はモータ電源であり、これによりモータが駆動され、ヒータステージ６１の回転が行われる。
【００４３】
この場合のダイヤモンド薄膜（ダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂ）の成膜条件は次の通りである。即ち、マイクロ波パワーを４ｋＷ、反応ガス圧力を１３．３ｋＰａ、水素ガス流量を４００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を８ｓｃｃｍ、基板温度を８５０℃として、成膜時間１２０分で厚み５μｍのダイヤモンド薄膜（ダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂ）を形成した。
【００４４】
本実施形態では、ダイヤモンド薄膜の形成には水素ガスとメタンガスのみを使用したが、燐、窒素、硫黄等のｎ型を示すもの、またはボロンドープしたダイヤモンドに５５０℃前後の高温下で重水素プラズマ処理したｎ型を示すもの、若しくはこの重水素プラズマ処理したものに適当な温度（例えば５２０℃）と時間（例えば３０分）でアニール処理したｎ型を示すものを用いることも可能である。また、ボロン等のｐ型を示すものを不純物としてドーピングしても差し支えない。なお、ｎ型のドーパントについては詳細に後述する。また、ダイヤモンド薄膜の成膜方法もマイクロ波プラズマＣＶＤ法に限らず、例えばＥＣＲによるＣＶＤ法、高周波（ＲＦ）によるＣＶＤ法等によっても形成可能である。
【００４５】
次に、コイル状電極１１ａ、１１ｂ上に形成したダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂをコイル状電極１１ａ、１１ｂから引き離す。引き離す方法としては、コイル状電極１１ａ、１１ｂの両端を軽く引っ張る等の方法があり、これによりピッチを０より大きくしてダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂをコイル状電極１１ａ、１１ｂから容易に分離させることが可能である。この結果、ダイヤモンド部材２５ａ、２５ｂはコイル状電極１１ａ、１１ｂの表面と固着されずに接しているだけであり、コイル状電極１１ａ、１１ｂの材料との熱膨張率、応力の違い等による膜剥がれの問題は本質的に存在しない。
【００４６】
その後、コイル状電極１１ａ、１１ｂを保持し通電を行うための導入線１１ｃ及び１１ｄをそれぞれコイル状電極１１ａ、１１ｂと接続して設け、導入線１１ｃ及び１１ｄにそれぞれ金具１４ａ、１４ｂを取り付ける。さらに、これらの金具１４ａ、１４ｂを、内面に蛍光体１２を塗布したガラス管１０に取り付け、封止ガスで封止を行って放電装置（放電灯）が完成する。
【００４７】
（第２の実施形態）
本実施形態の熱陰極は、円筒のダイヤモンド部材をコイル状電極上ではなく別に形成した後、コイル状電極をダイヤモンド部材に挿入するものである。
【００４８】
本実施形態の熱陰極の製造方法について説明する。図３はその製造方法を示す工程断面図である。
【００４９】
まず、図３（ａ）に示すように適当な径を有する金属棒、例えば直径３ｍｍ長さ１０ｍｍのタングズテン棒３１を用意する。次に、ダイヤモンド種付け処理として、第１の実施形態において説明したようにダイヤモンド粒子を含んだ有機溶剤にタングズテン棒３１を浸けて超音波洗浄を３０分行う。このとき、図３（ｂ）に示すように、タングステン棒３１の両端部にはダイヤモンド粒子が付着しないよう両端２ｍｍ幅にマスキング３２ａ、３２ｂを施す。
【００５０】
ダイヤモンド部材３３の形成には、第１の実施形態において説明したマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いた。図３（ｃ）に示すように、ダイヤモンド粒子が付着した部分にダイヤモンド部材３３を成膜した後、図３（ｄ）に示すように、タングステン棒３１及びマスキング３２ａ、３２ｂをエッチングにより完全に除去する。エッチングには王水（塩酸と硝酸の混合液）を用いた。この工程により、内径３ｍｍの円筒状のダイヤモンド部材３３が得られる。
【００５１】
次に、このダイヤモンド部材３３の内径と同じか、或いはわずかに小さい外径を有するコイル状電極３４を円筒状ダイヤモンド部材３３に挿入することにより、図３（ｅ）に示す熱陰極構造が製造される。なお、ダイヤモンド部材３３の内径よりわずかに小さい外径を有するコイル状電極３４として、筒状ダイヤモンド部材３３の内径よりも０．２ｍｍ以内の大きさだけ小さな外径のコイル状電極３４を用いることが可能である。その後、第１の実施形態と同様にして放電装置（放電灯）が完成する。
【００５２】
本実施形態の熱陰極においても、ダイヤモンド部材３３はコイル状電極３４と固着しておらず、コイル状電極３４の外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極も膜剥がれという問題から開放されている。
【００５３】
また、本実施形態の方法を用いると、電極の形状はコイル状に限られず、他の形状の電極に対して本発明を適用可能である。例えば、棒状或いは平板型の電極にも適用可能である。この形態については第３の実施形態で後述する。
【００５４】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第２の実施形態の手法を棒状の電極に対して適用した場合の熱陰極について説明する。
【００５５】
本実施形態の熱陰極の製造方法について説明する。図５はその製造方法を示す工程断面図である。
【００５６】
図５（ａ）から図５（ｄ）までは第２の実施形態と同様なので、説明を省略する。図５（ｅ）に示すように、ダイヤモンド部材３３の内径と同じか、或いはわずかに小さい外径を有する棒状電極４４を円筒状ダイヤモンド部材３３に挿入することにより、同図に示す熱陰極構造が製造される。なお、ダイヤモンド部材３３の内径よりわずかに小さい外径を有する棒状電極４４として、筒状ダイヤモンド部材３３の内径よりも０．２ｍｍ以内の大きさだけ小さな外径の棒状電極４４を用いることが可能である。
【００５７】
（第４の実施形態）
本実施形態では、前述したダイヤモンド部材にｎ型導電性を示す不純物をドーピングする例について説明する。図４は本実施形態の原理を説明する図であり、ｎ型不純物をドープしたダイヤモンドのバンド図である。ダイヤモンドはＥｖａｃで示す真空準位がＥｃで示すダイヤモンドの伝導帯の底よりも低い位置に存在し、ＮＥＡ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）と称される負の電子親和力を持つことが知られている。電子親和力は伝導帯の底にある電子を真空中に移動させるのに必要なエネルギーであり、これが負の値をもつということは電子が極めて放出されやすいことを意味している。
【００５８】
しかしながら、ｎ型にドープしたダイヤモンドは室温では抵抗が極めて高く、ダイヤモンドを冷陰極に用いる場合にはそのＮＥＡ特性を利用して効率の高い陰極を実現する試みは成功していない。これは、電子を与えるドナーの準位と伝導帯の底とのエネルギー差ＥｄがＳｉ等の通常の半導体に比較して１０倍以上あり、室温では電子が伝導帯にほとんど存在しないためである。
【００５９】
ところが、ｎ型にドープしたダイヤモンドを蛍光ランプ等の放電装置に適用し加熱して用いることにより十分優れた電子放出特性を得ることが判明した。本実施形態では、このように優れた電子放出特性を利用した熱陰極及び優れた発光特性を有する放電装置について説明する。
【００６０】
上述したようにｎ型にドープしたダイヤモンド加熱をする場合には、温度が上昇することにより電子が伝導帯に上がるため、ＮＥＡ特性を利用した電子放出が可能となる。即ち、ＮＥＡ特性のダイヤモンドにおいては、伝導帯にある電子が真空中へ放出されるのを妨げる障壁が存在しないので、結局、電子を放出するのに必要なエネルギーはＥｄ程度となる。一方、ＮＥＡ特性を有しない通常の電子放出物質においては、真空準位Ｅｖａｃは伝導帯の底Ｅｃよりも上にあり、真空中に電子を放出するのに必要なエネルギーは仕事関数程度の値となる。Ｅｄの値としては、ダイヤモンドに燐をドープした場合で０．６ｅＶ程度の値が得られており、一方、仕事関数の値は、熱電子放出用エミッタによく用いられるＢａＯにおいて１．１ｅＶ程度の値である。これらの値は熱電子放出に対し指数関数的に影響を及ぼすので、ｎ型にドープしたダイヤモンドでは低い温度で熱電子を放出できることになる。したがって、かかる熱陰極を用いた蛍光ランプ等の放電装置においては、低温で一様な熱電子放出を実現することができ、これにより発光特性が優れ長寿命の熱陰極型放電装置を提供することができる。
【００６１】
また、仕事関数は表面状態の影響に極めて敏感であり、作製プロセス、雰囲気等の影響を強く受ける。このため、電子放出面内での均一性を期待し難い。仕事関数の値は熱電子放出に対し指数関数的に影響を及ぼすので、熱電子放出の面内での不均一性は大きなものとなりやすい。
【００６２】
一方、ＮＥＡ特性のダイヤモンドにおいては、電子親和力が負である限りはその値が多少変動しても、熱電子放出に影響を与えることはなく、熱電子放出を決めるのはドナーの準位と伝導帯の底とのエネルギー差Ｅｄである。この値は表面の性質ではなく、ドーパントによって決まるバルクの性質である。このため、ｎ型のダイヤモンドにおいては面内で均一な熱電子放出が期待できる。さらに、ダイヤモンドは熱伝導率が最も大きな物質であり、ジュール熱やイオン・電子の流入、衝撃による加熱があっても熱が速やかに周囲に伝わり、温度が均一になる。ｎ型のダイヤモンドを用いるだけでも十分な効果を得ることができるが、その形態を均一な連続膜とした場合にはその効果は絶大なものとなる。
【００６３】
次に、本実施形態に係わる熱陰極及び放電装置について説明する。まず、線径が３０μｍのタングステン線をコイル状に巻いたフィラメントを準備する。このフィラメントの処理は第１の実施形態と同様に行った。このフィラメントに、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法により５ミクロン程度の厚みのダイヤモンド層を形成する。多結晶ダイヤモンド層の成長条件は、マイクロ波パワーを４ｋＷ、水素流量を２００ｓｃｃｍ、メタンガス流量を４ｓｃｃｍとし、原料ガスのメタン濃度は２％とした。原料ガスの圧力は１３．３ｋＰａ、フィラメントは８５０℃に加熱し、成膜時間は１２０分とした。ｎ型のドーパントには燐を用い、ダイヤモンド成長時にホスフィンガスを同時に供給した。メタンガスに対するホスフィンガスの割合は１０００ｐｐｍとした。
【００６４】
次に、第１の実施形態と同様にしてフィラメント上に形成した多結晶ダイヤモンド層を該フィラメントから引き離して熱陰極構造が製造される。その後、第１の実施形態と同様にして放電装置（放電灯）が完成する。
【００６５】
本実施形態の熱陰極においても、ダイヤモンド層はフィラメントと固着しておらず、フィラメントの外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極も膜剥がれという問題から開放されている。さらに、上述したようにｎ型のダイヤモンドを用いることにより、放電面内で均一な熱電子放出が期待でき、発光効率の向上や発光の安定性の向上を図ることが可能である。
【００６６】
（第５の実施形態）
本実施形態では、熱陰極放電灯に封入する放電用水素ガスについて説明する。
【００６７】
第１の実施形態のように所謂水素系ガスをキャリアガスとした化学気相成長法（ＣＶＤ）において作製したダイヤモンドでは、その表面が水素により終端されていることが一般的である。この水素終端層はダイヤモンドの特性に大きく寄与しており、前述したＮＥＡ特性を示すことについて重要な役割を担っている。このため、ダイヤモンドからは低温からの熱電子放出が可能となる。しかしながら、ある程度高温になってくるとダイヤモンドの表面を終端している水素の離脱が始まる。本実施形態では、この水素の離脱を抑制することを特徴としている。
【００６８】
次に、本実施形態の熱陰極放電灯の構成について説明する。第１の実施形態において説明したダイヤモンド部材１５ａ、１５ｂを形成した熱陰極を用いた。封入ガスとしてアルゴンガスを４ｈＰａ、水素ガスを１Ｐａの分圧比で封入して熱陰極放電灯を製造した。比較のために、水素ガスを封入しない熱陰極放電灯も作製した。両者を比較した結果、水素封入した放電灯は水素封入しない放電灯に比べて、発光効率が３倍程度向上していることが確認された。アルゴンガスに対する水素ガスの分圧比が０．１％以上３％以下の場合に発光効率向上の効果が著しかった。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、電極材料はタングステンに限定されず、他の材料、例えばモリブデンを用いることが可能である。また、電極の形状もコイル、棒状、線状に限定されず、例えば板状、膜状その他の形状を採用することが可能である。
【００７０】
また、本発明では、２００ｎｍ以下の主要発光ピークを有する元素を含む放電用ガスを用いることができ、例えば、希ガスと水銀とを含む放電用ガスを用いることが可能である。希ガスとしては、上記実施形態に限られず、例えばＸｅガスを用いることも可能であり、発光効率を著しく向上させることも可能である。
【００７１】
その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤモンド部材を電極に有する放電装置の耐久性を大幅に向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱陰極放電灯の構造を示す概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る熱陰極の形状及び製造方法を説明する断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る熱陰極の製造方法を説明する工程断面図。
【図４】ダイヤモンド薄膜にｎ型導電性を示す不純物をドーピングした場合のダイヤモンドのバンド図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る熱陰極の製造方法を説明する工程断面図。
【図６】ダイヤモンド薄膜を成膜するのに用いた成膜装置を示す断面図。
【符号の説明】
１０…ガラス管
１１ａ、１１ｂ…一対のコイル状電極
１１ｃ、１１ｄ…導入線
１２…蛍光体
１３…封止ガス
１４ａ、１４ｂ…一対の金具
１５ａ、１５ｂ…ダイヤモンド部材
３１…タングステン棒
３２ａ、３２ｂ…マスキング部分
３３…ダイヤモンド部材
３４…コイル状電極
４４…棒状電極
６０…試料
６１…ヒータステージ
６２ａ…マイクロ波ヘッド
６２ｂ…マイクロ波導波路
６３…反応室
６４…石英窓
６５…反応ガス導入口
６６…排気システム
６６ａ…ロータリーポンプ
６６ｂ…ターボ分子ポンプ
６６ｃ…ロータリーポンプ
６７…ヒータ電源
【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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【図６】
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