(57)【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、前記陰極が、タングステンを主成分とする本体部と、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部と、からなるショートアーク型放電ランプであって、
前記陰極の本体部は、エミッター部より酸素含有濃度が低いとともに、
前記陰極のエミッター部の先端面に、縞状のタングステン炭化物が形成されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
【請求項２】
前記陰極の側面に、炭化物層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項３】
前記陰極の本体部とエミッター部とは、拡散接合されていることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項４】
前記本体部は純タングステンから構成されることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極に酸化トリウムが含有されたエミッター部が設けられているショートアーク型放電ランプに係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水銀を封入したショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端間距離が短く、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機などにおいて可視光光源として用いられており、近年ではデジタルシネマ用光源としても重用されている。
そして、かかるショートアーク型放電ランプにおいては、陰極にエミッター材を設けて、電子放出特性を高めるようにしたものが知られている。
【０００３】
ところで近時では、希少資源の節約という観点からエミッター材としてのトリウムの使用に制限が設けられるようになってきており、その大量使用を避ける要請がなされてきている。加えて該トリウムが放射性物質であり、法的規制によりその取り扱いが制限されているという事情もある。
このような事情を勘案して、陰極の先端部にのみエミッター材を含有させた構造の放電ランプが種々開発されている。
特許文献１（特表２０１０−３３８２５号公報）にかかる従来のショートアーク型放電ランプの陰極構造が開示されている。
【０００４】
図４にこの従来技術が示されていて、図４（Ａ）はショートアーク型放電ランプの全体図、図４（Ｂ）はその陰極構造を示す。
図４（Ａ）に示されるように、ショートアーク型放電ランプ１の発光管１０内には、タングステンからなる陽極１１と陰極１２とが対向配置されている。該発光管１０内には水銀やキセノン等の発光物質が封入されている。なお、同図ではショートアーク型放電ランプ１は垂直点灯される態様を示しているが、その用途によっては水平点灯されるものもある。
そして、このランプにおける陰極構造が図４（Ｂ）に示されていて、陰極１２は、純度の高いタングステンからなる陰極本体部１２ｂと、これと一体形成されたエミッター部１２ａとからなる。このエミッター部１２ａは、タングステン中に例えば酸化トリウムなどのエミッター物質を含有させたものである。
【０００５】
この種のランプにおいてエミッター物質としてトリウムを用いたものでは、陰極の先端部分のトリエーテッドタングステンに含有された酸化トリウムが、陰極表面でランプ点灯中に高温になることによって還元され、トリウム原子となって陰極の外表面を拡散して温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにするものである。
【０００６】
しかしながら、上記従来技術においては、実際にはランプ点灯時に電子放出特性の改善に寄与するエミッター物質は、陰極先端の外表面からごく浅い領域までに含有されたエミッター物質に限られていた。
もともと、エミッター物質は陰極先端の外表面で熱によって蒸発して消耗されるが、陰極内部からの濃度拡散によって該エミッター物質が供給されてくることを期待しているものである。
しかしながら、その温度が最も高くなる外表面での消耗量に較べて、より温度の低い陰極内部からの濃度拡散による供給が十分になされず、その供給量が上記消耗量に追いつかないという現象が生じる。
その結果、陰極内部には豊富にエミッター物質を含有していたとしても、陰極表面ではエミッター物質が枯渇するという現象が出現してしまうためである。
このように、上記従来技術では、陰極先端にエミッター物質を含有させても、そのエミッター物質が十分に活用されず、陰極先端表面でエミッター物質が枯渇すると、電子放出特性が低下してフリッカーが生じてしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−３３８２５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、前記陰極が、タングステンを主成分とする本体部と、該本体部の先端に接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部と、からなるショートアーク型放電ランプであって、陰極先端の内部に含有されたエミッター物質の有効利用を図ることにより、陰極表面でのエミッター物質の枯渇を防ぎ、エミッター材の使用量を減らしてもエミッター物質の十分な活用によりこれを補うことによって、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した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、前記陰極が、タングステンを主成分とする本体部と、これに接合されたトリエーテッドタングステンからなるエミッター部とからなり、本体部は、エミッター部より酸素含有濃度が低く、エミッター部の先端面に、縞状のタングステン炭化物が形成されていることを特徴とする。
また、前記陰極の側面に、炭化物層が形成されていることを特徴とする。
また、前記陰極の本体部とエミッター部とは、拡散接合されていることを特徴とする。
また、前記陰極の本体部は、純タングステンからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、酸化トリウムが含有されたエミッター部の先端面にタングステン炭化物が形成されているので、該炭化物の相から炭素（Ｃ）が陰極内部、即ち、エミッター部の内部に拡散し、エミッター部中の酸化トリウムの還元反応が促進されて、陰極内部に含まれる酸化トリウムが有効的に利用される。
また、酸化トリウムの還元反応によってエミッター部中に発生する酸素が、該エミッター部と接合された酸素濃度の低い陰極本体部中にすみやかに拡散していくので、上記炭素の拡散作用と複合して、エミッター部中での前記酸化トリウムの還元反応がより一層促進される。
その結果、陰極エミッター部の表面での酸化トリウムの枯渇といった事態が発生することがなく、エミッター物質の使用を制限しても、フリッカー寿命の長いランプを実現できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る放電ランプの陰極構造の全体図。
【図２】図１の陰極の上部部分斜視図。
【図３】本発明の陰極での作用説明図。
【図４】（Ａ）従来の放電ランプの全体図、（Ｂ）その陰極構造。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１はこの発明のショートアーク型放電ランプに用いられる陰極構造を示し、陰極２は、タングステンを主成分とする本体部３と、その先端に接合されたエミッター部４とからなる。
前記本体部３とエミッター部との接合方法は、例えば、溶接、ロウ付け、摩擦圧接あるいは拡散接合などを採用できる。
しかしながら、これら接合方法のうちでは、拡散接合を用いることが最も好ましい。ここで、拡散接合とは、金属同士を面で重ね合わせて、当該金属の融点未満の固相状態で塑性変形が生じない程度に加熱・加圧し、接合部の原子を拡散させる固相接合することをいう。
この拡散接合では、加熱温度は２０００℃程度であり、溶融接合のようにタングステンの融点（約３４００℃）まで加熱する必要がないので、本体部３やエミッター部４の金属組織を維持することができるため、陰極性能に悪影響を与えることがない。さらに、陰極の金属組織が変わらないため、本体部３とエミッター部４の接合後も切削加工をすることができるという利点もある。
前記本体部３は、例えば純度が９９．９９重量％以上の純タングステンより構成されており、一方、エミッター部４は、主成分であるタングステンに、エミッター物質として酸化トリウム（ＴｈＯ２）を含有する、いわゆるトリエーテッドタングステン（以下、トリタンということもある）で構成されていて、酸化トリウムの含有量は、例えば２ｗｔ％である。
通常、このエミッター部４を構成するトリタンに含有された酸化トリウムは、ランプ点灯中に高温になることによって還元され、トリウム原子となって陰極外表面を拡散して、温度が高い先端側へと移動する。これにより、仕事関数を小さくして電子放出特性を良好なものにするものである。
【００１３】
そして、前記本体部３は、先端側ほど径が小さくなるテーパー形状からなる縮径部３ａが形成されており、その先端に、円錐台形状のエミッター部４が接合されている。これにより、陰極２の先端は、全体としてテーパー形状からなる円錐台形状とされている。
しかしながら、前記本体部３の縮径部３ａの形状はこのテーパー形状に限られず、円弧形状であってもよく、また、エミッター部４もその先端が、いわゆる砲弾型の円弧形状であってもよい。
更には、エミッター部４は、本体部３の縮径部３ａにおいて接合されるものを示したが、陰極全体の形状によっては、本体部３の円柱部分において接合されるものであってもよい。
【００１４】
そして、図２に詳細が示されているように、前記陰極２のエミッター部４の先端面における表層には、タングステン（Ｗ）の相中に縞状のタングステン炭化物５、５が形成されている。
また、前記陰極本体部３の縮径部３ａの側面には炭化物層６が形成されている。
【００１５】
図３を用いてその作用を説明すると、ランプの点灯中には、エミッター部４を構成するトリタン中の酸化トリウム（ＴｈＯ２）の表面では、タングステン（Ｗ）中に固溶した炭素原子（Ｃ）との間で還元反応が起こり、トリウム（Ｔｈ）が生成されると同時に一酸化炭素（ＣＯ）が発生する。
ＴｈＯ２＋Ｃ⇔Ｔｈ＋２ＣＯ            （１）
この還元反応により発生する一酸化炭素は周囲のタングステンに固溶する。
ＣＯ⇔［Ｃ］Ｗ＋［Ｏ］Ｗ               （２）
ただし、［Ｃ］Ｗはタングステンに固溶した炭素、［Ｏ］Ｗはタングステンに固溶した酸素を表す。
つまり、上記還元反応を促進するためには、酸化トリウムの周囲に炭素（Ｃ）が存在することが必要であり、また、発生した一酸化炭素（ＣＯ）が除去されることが必要である。
【００１６】
ここで、陰極２の先端面にタングステン炭化物（Ｗ２Ｃ）５が形成されていると、ランプの点灯中には陰極先端部は高温になるため、炭素（Ｃ）がタングステンに高い濃度で固溶し、表層部から陰極エミッター部４の内部へと拡散して、酸化トリウム表面に供給される。
こうして、酸化トリウム表面への炭素の供給量が増大し、上記式（１）に示す前記酸化トリウムの還元反応が促進されることになる。
それに加えて、本発明では、タングステンを主成分とする本体部３にトリエーテッドタングステンからなるエミッター部４が接合されているので、以下に述べる機構により酸化トリウムの還元反応がさらに促進されると考えられる。
式（２）に示されるように、酸化トリウムの還元反応（１）によって発生するＣＯはＣとＯとに分解してタングステンに固溶し、酸化トリウムの周囲から濃度拡散によってタングステン中へ散逸する。その結果、酸化トリウムの表面におけるＣＯの圧力が低下し、それに応じて前記還元反応が進む。
【００１７】
ここで、エミッター部４の内部においては、タングステン中に分散している酸化トリウム（ＴｈＯ２）の粒から［Ｃ］Ｗと［Ｏ］Ｗ とが散逸するため、タングステン中の［Ｃ］Ｗおよび［Ｏ］Ｗの濃度は、ほぼ一様になる。その結果、酸化トリウムの周囲からの［Ｃ］Ｗおよび［Ｏ］Ｗの濃度拡散は抑制されることになる。
しかしながら、本発明の陰極２においては、エミッター部４に純タングステンからなる本体部３が接合されているために、該エミッター部４と本体部３との間に［Ｏ］Ｗの濃度勾配（本体部３の方が低濃度）ができ、それに基づく濃度拡散によってエミッター部４から本体部３への［Ｏ］Ｗの散逸が活発になる。
その結果、エミッター部４中の酸化トリウムの周囲の［Ｏ］Ｗの濃度が低下するため、式（２）が示すように、Ｏの固溶反応が増え、ＣＯの圧力が低下する。これにより、エミッター部４における式（１）の酸化トリウムの還元反応が促進される。
なお、エミッター部４と本体部３との接合部が陰極先端に近いほど、言い換えると、エミッター部４が短いほど、接合部付近の温度が高くなり、［Ｏ］Ｗの拡散が活発になるので、上記の本体部３への［Ｏ］Ｗの散逸が速くなって、エミッター部における酸化トリウムの還元が促進されると考えられる。
なお、前記本体部３は、純タングステンに限定されるものではなく、トリウム、セリウム、レニウム、ランタン、その他の金属の酸化物を含有する、いわゆる、ドープドタングステンであって、酸素含有濃度がエミッター部４よりも低い材料によって構成してもよい。この場合でも、本体部３の酸素濃度がエミッター部４のそれより低いので、エミッター部４から本体部３への酸素の散逸が起きる上に、本体部３の機械加工が容易になるという利点もある。
【００１８】
以上述べたように、本発明の陰極によれば、エミッター部４に含有された酸化トリウム表面へのＣの供給が増加することと、該エミッター部４からの［Ｏ］Ｗの散逸が活発になることとが相俟って、酸化トリウムの還元反応（１）が促進されるものである。
【００１９】
本発明の陰極の作成方法の一例を説明する。
直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのトリタン、直径１０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの純タングステンを用意する。次に、トリタンと純タングステンの接合面を合わせて、真空中で軸方向に２．５ｋＮ程度の圧縮力を印加する。そして、通電加熱により接合部の温度を約２０００℃にして、５分程度トリタンと純タングステンを拡散接合させる。
拡散接合後の材料を切削加工することで、先端がエミッター部４（トリタン）、後方が本体部３（純タングステン）の陰極２となる。
次に、陰極２の先端部を除く表面、具体的には陰極２の表面、例えば先端面から軸に沿って少なくとも２ｍｍ程度後退した位置の表面には、浸炭工程によって、厚さ約３０μｍの炭化タングステン層６が設けられる。
なお、この実施例では、炭化タングステン層６はエミッター部４から離れた位置に形成されている例を示したが、一部がエミッター部４に被覆されるような位置であってもよい。その設けられる位置は、後述するように、その温度によって蒸発される炭素量がどの程度かによって決定される。
【００２０】
そして、ランプの点灯中に発光管内表面から放出される水蒸気（Ｈ２Ｏ）や電極から放出される酸素（Ｏ）と炭化タングステン層６の炭素（Ｃ）とから一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。このＣＯは、発光管内を気相状態で拡散することにより、その一部がアークの中に入る。このＣＯは、アークの中では高温のために分解されて、Ｃ＋イオンを生成する。このＣ＋イオンはアーク中の電界によって陰極先端面へ運ばれ、一部はそこでタングステン中に固溶する。あるいは、そこでタングステンと反応して、Ｗ２ＣやＷＣなどのタングステンの炭化物５を生成し、陰極先端面の高温に曝され溶融するものもある。
このようなタングステン中に固溶した炭素やタングステンの炭化物は、Ｃが気相からもたらされたものであるために極めて少ない。このうち溶融状態を経た炭化物は、ランプの消灯時には、陰極先端面に供給されるＣが少量であることによって、タングステンの陰極先端面に、複数の線状のタングステンの炭化物５、５として縞状の模様を形成する。
また、ランプの点灯中はタングステン中に固溶するＣも、ランプの消灯時には、温度の低下にともない固溶限が低くなるため、一部はタングステンの炭化物となって陰極先端面に析出するが、Ｃが少量であることによって、溶融状態を経た炭化物と同様、複数の線状のタングステンの炭化物５、５を形成する。
ここで、陰極先端面に炭化タングステンの縞状の相を形成する必要があるのは、陰極先端面が約２９００℃という高温に到達するため、融点の低い炭化タングステンが先端面を覆うほどに多量に存在すると、陰極が損耗したり、発光管が黒化して放射光の強度が低下したりして、早期にランプの寿命が到来するからである。
また、炭化タングステン層６を陰極の先端部を除く表面に設けるのも、同様の理由による。
なお、陰極先端面に形成される炭化物の縞状の相５、５は、炭化タングステン層６を設ける位置によって制御することができる。すなわち、炭化タングステン層６を設ける位置の温度が高い（陰極の先端に近い）ほど、ＣＯの生成が活発になるためＣの輸送量は増大し、多すぎる場合は、縞状ではなく陰極先端面の全域に形成されてしまい、タングステンカーバイトの溶融により不所望な陰極先端の変形をもたらす。
【００２１】
なお、陰極先端面にＣが気相を介して供給されるための炭素源は、陰極表面の炭化タングステン層に限るものではなく、陽極の表面に炭化タングステン層を設けてもよいし、発光管内に炭素の固体部材を設けてもよい。
また、ランプによっては、上記のような特別の炭素源を設けることなく、陰極を構成するタングステン中に含まれる炭素が炭素源であってもよく、その場合、陰極表面からＣＯとなって気相へ供給される炭素が利用される。
【００２２】
こうして形成された縞状のタングステン炭化物の詳細が図２に示されていて、図２（ａ）は先端部の拡大斜視図であり、図２（ｂ）は更にその拡大図である。
具体的には、同図に示すように、タングステンの炭化物が、陰極先端部の主成分であるタングステン（Ｗ）相の上に、多数の線状に並んで生成されることにより、縞状の相を形成している。この縞状のタングステンの炭化物の相５、５は、幅が約０．１〜０．５μｍであり、多数の相が約０．５〜３μｍの間隔で形成されている。
陰極先端において炭素が占める割合は、約１ｗｔ％程度であり、炭素の割合としては陰極先端の表層が最も大きく、先端から後退した位置になるほど小さくなる。これはすなわち、陰極の先端に炭素が気相中を運ばれてきたことを裏付けるものである。
【００２３】
以上のように、本発明によれば、陰極の先端面にタングステンの炭化物が形成されているので、陰極のエミッター部内部の酸化トリウムへの炭素の供給量が増大し、エミッター部中での酸化トリウムの還元反応が促進されて、エミッター部の内部に存在する酸化トリウムをも有効に機能させることができる。このため、エミッター部の表面部のみの酸化トリウムが使用されてしまうということがなく、エミッター物質の枯渇による短寿命化を防止できる。
また、前記還元反応によって生じた固溶酸素がエミッター部から本体部に濃度拡散されるので、前記炭素の供給と相俟って当該還元反応がより促進される。
これにより、エミッター物質の使用量の制限という社会的な要請にも応えることのできる陰極構造が実現でき、その具体的な構造として陰極本体部の縮径部においてエミッター部を接合する構造としても、十分長期にわたるフリッカーの防止機能が発揮できるものである。
【符号の説明】
【００２４】
１          ショートアーク型放電ランプ
２          陰極
３          陰極本体部
４          陰極エミッター部
５          縞状のタングステン炭化物
６          炭化物層
【図１】
0005126332.tif 000002
【図２】
0005126332.tif 000003
【図３】
0005126332.tif 000004
【図４】
0005126332.tif 000005