(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その先端部に設けた空洞内に、２６００℃以上の融点を持つ高融点金属および電子放射性物質の混合物からなる電子放射体が充填された放電ランプ用の陰極において、
前記高融点金属による還元温度が高い電子放射性物質を含んだ芯部と、該芯部が含む電子放射性物質よりも前記高融点金属による還元温度が低い電子放射性物質を含み、前記芯部を囲んで形成された周囲部とを用いてなる電子放射体が、先端部に設けた空洞内に充填され、先端部及び該先端部に充填された前記電子放射体が先細り状をなしていることを特徴とする放電ランプ用の陰極。
【請求項２】
前記周囲部は、前記芯部に近いほど前記高融点金属による還元温度が高く、前記芯部から遠いほど前記高融点金属による還元温度が低いことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用の陰極。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放電ランプ用の陰極を備えることを特徴とする放電ランプ。
【請求項４】
棒状の基体の先端部に設けた空洞内に、２６００℃以上の融点を持つ高融点金属および電子放射性物質の混合物からなる電子放射体を充填して放電ランプ用の陰極を製造する方法において、
前記高融点金属による還元温度が高い電子放射性物質を含んだ芯部と、該芯部が含む電子放射性物質よりも前記高融点金属による還元温度が低い電子放射性物質を含み、前記芯部を囲んで形成された周囲部とを備える電子放射体を、前記基体の先端部に設けた空洞内に充填し、前記基体の先端部及び該先端部に充填された前記電子放射体が先細り状をなすように、前記基体の先端部を鍛造することを特徴とする放電ランプ用の陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク放電に伴う発光を利用する放電ランプ用の陰極、該陰極を備える放電ランプ、及び該陰極を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、アーク放電を用いる代表的な放電ランプであるキセノンランプの構成を示す正面図である。図中８は、石英ガラス製の封体であり、石英ガラス製の円筒の長手方向の中央部を略球状に膨出させた形状になしてある。封体８の両端はモリブデン箔によって封止してあり、該両端に口金９，９を外側から嵌着してある。封体８内にはキセノンガスが所要の圧力で封入してある。
【０００３】
封体８の中央部の内部には、アーク放電中の温度に耐えられるだけの２６００℃以上の融点を持つタングステン又はモリブデンなどの高融点金属にて製造された、先端部が略円錐形状である陰極１および砲弾形状の陽極１０が、封体８の中心軸上に所定距離を隔てて対向配置してある。陰極１及び陽極１０は、導体製の支持ロッド１１，１１によって支持されており、支持ロッド１１，１１は、封体８の両端を封止しているモリブデン箔を介して口金９，９に夫々連結してある。そして、口金９，９の間に所要の電圧を印加し、陰極１及び陽極１０の間でアーク放電を起こすことによって高輝度の光を放射させる。
【０００４】
発光のためのアーク放電の安定性を向上するために、電子放射性物質粉末と高融点金属粉末との混合物からなる電子放射体を陰極の先端部に埋設して陰極を使用する技術が確立されている。この電子放射性物質には酸化トリウム等が用いられており、アーク放電中に高融点金属によって還元されて生成したトリウム等により電子が放射され、安定にアーク放電が得られる。
【０００５】
ところで、先端部が略円錐状である陰極のアーク放電中の温度分布は、対向する陽極に最も近い円錐の先端が最も温度が高く、円錐の麓に行くに従って放射状に次第に温度が低くなる。図９はアーク放電中の陰極の先端部の温度分布を示す断面図であり、破線は等温線を示す。この温度分布のため、陰極の先端でのみ電子放射性物質の還元が行われ、長時間のアーク放電を行った場合、陰極の先端の電子放射性物質が枯渇し、アーク放電の安定性が悪くなるという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、高融点金属による還元の温度が異なる複数の層より電子放射体を構成し、最も還元温度が高い層が陰極の先端に位置し、還元温度がより低い層が陰極の先端からより遠い位置に位置するように、陰極の先端部に設けた空洞内に最も還元温度が低い層から順番に電子放射体を埋設して使用する陰極が、特開平１１−２１９６８２号公報において開示されている。図１０は、還元温度が異なる三つの層より電子放射体を構成した陰極を示す断面図である。この陰極を放電ランプに用いた場合、アーク放電中の温度分布により電子放射体４を構成する全ての層において電子放射性物質が還元され、電子を放射する物質が拡散によって陰極の先端へ供給されるため、電子放射性物質の枯渇を防ぎ、アーク放電の安定性を向上することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
アーク放電が行われている間にアーク放電の起点が変動した場合、アーク放電による放射光量が減少し、また、前記起点が移動しないことを前提に設計された放電ランプの集光効率が悪くなる。このため、放電ランプの光量が減少し、また、発光が不安定になる。アーク放電の起点が移動するのを抑制するためには、陰極の先端の面積をなるべく小さくする必要がある。特開平１１−２１９６８２号公報に開示された陰極は、先端の直径を１ｍｍ以下に形成することが困難であり、陰極の先端の面積が大きくなって発光が不安定となる問題がある。また、陰極の先端の面積が大きいため、先端から電子放射性物質が放電中に蒸発する量が多く、この陰極を用いた放電ランプの寿命が短いという問題があった。
【０００８】
さらに、前記の陰極は、先端部に設けた空洞内に電子放射体を充填し、焼結又は加圧により固定して製造するため、放電ランプの点灯および消灯を繰り返した場合、温度が変化するために陰極が膨張および収縮を繰り返し、先端部に充填した電子放射体が脱落する虞があるという問題があった。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電子放射体の還元温度が異なる電子放射性物質の分布を、より陰極内の温度分布に近い構造とし、また、先端部を先細り状に形成することによって、先端の面積を小さくし、電子放射体の脱落を回避することができる放電ランプ用の陰極、該陰極を備える放電ランプ、及び該陰極の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る放電ランプ用の陰極は、その先端部に設けた空洞内に、２６００℃以上の融点を持つ高融点金属および電子放射性物質の混合物からなる電子放射体が充填された放電ランプ用の陰極において、前記高融点金属による還元温度が高い電子放射性物質を含んだ芯部と、該芯部が含む電子放射性物質よりも前記高融点金属による還元温度が低い電子放射性物質を含み、前記芯部を囲んで形成された周囲部とを用いてなる電子放射体が、先端部に設けた空洞内に充填され、先端部及び該先端部に充填された前記電子放射体が先細り状をなしていることを特徴とする。
【００１１】
第２発明に係る放電ランプ用の陰極は、前記周囲部は、前記芯部に近いほど前記高融点金属による還元温度が高く、前記芯部から遠いほど前記高融点金属による還元温度が低いことを特徴とする。
【００１２】
第３発明に係る放電ランプは、第１又は第２発明に記載の放電ランプ用の陰極を備えることを特徴とする。
【００１３】
第４発明に係る放電ランプ用の陰極の製造方法は、棒状の基体の先端部に設けた空洞内に、２６００℃以上の融点を持つ高融点金属および電子放射性物質の混合物からなる電子放射体を充填して放電ランプ用の陰極を製造する方法において、前記高融点金属による還元温度が高い電子放射性物質を含んだ芯部と、該芯部が含む電子放射性物質よりも前記高融点金属による還元温度が低い電子放射性物質を含み、前記芯部を囲んで形成された周囲部とを備える電子放射体を、前記基体の先端部に設けた空洞内に充填し、前記基体の先端部及び該先端部に充填された前記電子放射体が先細り状をなすように、前記基体の先端部を鍛造することを特徴とする。
【００１４】
第１及び第３発明においては、陰極の先端部に埋設した電子放射体を、同軸状の二層構造とし、芯部に含まれる電子放射性物質の前記高融点金属による還元温度よりも周囲部に含まれる電子放射性物質の還元温度が低い構成としたため、アーク放電中に最も温度が高くなる先端を含む芯部にて電子放射性物質の還元が行われる一方、温度が若干低くなる周囲部においても同時に電子放射性物質の還元が行われ、陰極の先端において電子放射性物質が枯渇せず、長時間の安定的なアーク放電を可能にする。
【００１５】
第２発明においては、前記周囲部に含まれる電子放射性物質の前記高融点金属による還元温度が、前記芯部に近いほど高く、前記芯部から遠いほど低くしたため、前記芯部において最も温度が高く、前記芯部から離れるに従って温度が低くなるアーク放電中の温度分布により、前記芯部にて電子放射性物質が還元されると同時に、周囲部の全域においても電子放射性物質が還元され、長時間の安定的なアーク放電を可能にする。
【００１６】
第４発明においては、電子放射体を充填させた先端部を鍛造して、陰極の先端部を先細り状に形成するため、充填させた電子放射体の脱落を防止することができる。また、陰極の先端の面積が小さくなるため、放電ランプの発光が安定化し、さらに電子放射性物質の蒸発量が少なくなって放電ランプの寿命が長くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に詳述する。
図１は、本発明に係る陰極の構成を示す断面図である。図中１は本発明に係る陰極であり、タングステンを主成分として、形成されている。ここで、主成分は、アーク放電中の温度に耐えられるだけの２６００℃以上の融点を有するモリブデン等の他の高融点金属を用いても良い。陰極１は、全体で略円柱形状に形成されており、先端部は先細りの形状をなし、先端が先鋭に形成されている。
【００１８】
陰極１は、アーク放電中に電子を安定に供給するための電子放射体４を先端部に設けている。電子放射体４は、芯部２及び周囲部３より構成されており、陰極１の先端部の内部に埋め込まれている。芯部２は、タングステンによる還元温度が高い酸化トリウム等の電子放射性物質を数％含むタングステンよりなり、やや先細りの略円柱形状をなし、先端を陰極１の先端に露出させている。周囲部３は、前記電子放射性物質よりもタングステンによる還元温度が低い酸化セリウム等の電子放射性物質を数％含むタングステンよりなり、芯部２の側周部を囲んで形成されている。
【００１９】
周囲部３は一層構造としたが、複数種類の電子放射性物質を用い、芯部２に近い層ほどタングステンによる還元温度が高く、芯部２から離れた層ほど還元温度が低い電子放射性物質を含んだ、複数層構造としても良い。又は、タングステンによる還元温度が、芯部２に近いほど高く、芯部２から離れるほど低いように、連続的に分布する構造としても良い。
【００２０】
図２は、本発明に係る放電ランプの構成を示す正面図である。図中８は、石英ガラス製の封体であり、石英ガラス製の円筒の長手方向の中央部を略球状に膨出させた形状になしてある。封体８の両端はモリブデン箔によって封止してあり、該両端に口金９，９を外側から嵌着してある。封体８内にはアルゴン又はキセノン等の所要のガスが所要の圧力にて封入してある。封体８の中央部の内部には、本発明に係る陰極１および砲弾形状をなしたタングステン製の陽極１０が、封体８の中心軸上に所定距離を隔てて対向配置してある。陰極１及び陽極１０は、導体製の支持ロッド１１，１１によって支持されており、支持ロッド１１，１１は、モリブデン箔を介して口金９，９に夫々連結してある。口金９，９の間に所要の電圧を印加し、陰極１及び陽極１０の間でアーク放電を起こすことで、高輝度の光を放射させる構成となっている。
【００２１】
次に、本発明に係る陰極１の製造方法を以下に説明する。図３は、陰極の先端部に埋設される電子放射体４の構成を示す斜視図である。酸化トリウムの粉末を、タングステンの粉末に混合する。混合した粉末を不活性雰囲気中で所要の温度まで昇温し、円柱形状に焼結して、電子放射体４の芯部２を形成する。次に、酸化セリウムおよびタングステンの混合粉末を焼結し、電子放射体４の周囲部３を形成する。この周囲部３は、芯部２よりも高さが低く外径が太い円筒形状に形成し、内径を芯部２の外径と等しくする。図３に示す如く、周囲部３に芯部２を挿入し、電子放射体４を製造する。
【００２２】
図４は、陰極基体に電子放射体を挿入した構成を示す断面図である。タングステンからなる円柱形状の陰極基体５の中心軸に沿って、先端の中央から穴を開け、図に示す如く電子放射体４を挿入する。この時、空隙部分６が生じる。
【００２３】
図５は、ローラにて陰極基体の先端部を鍛造する過程を示した断面図である。不活性ガス雰囲気中で、陰極基体５及び挿入した電子放射体４を所要の温度まで加熱し、一対のローラ７，７によって、陰極基体５の先端から電子放射体４の底部を越える適宜の領域が漸次縮径するように鍛造を行う。図６は、鍛造終了後の陰極基体を示す断面図である。ローラ７，７によって鍛造を行うことにより、空隙部分６を埋没させ、電子放射体４を含む陰極基体５の先端部を、裁頭円錐形状に形成する。そして、電子放射体４を含む陰極基体５の先端部を尖鋭に切削加工し、図１に示す陰極１が完成する。
【００２４】
以上の方法にて、本発明に係る放電ランプ用の陰極１を製造する。なお、以上の方法では、周囲部３が一層構造である場合について示したが、周囲部３を複数層構造とする場合は、電子放射性物質を混合したタングステン粉末を円筒状に焼結した複数の層を、内側の層の還元温度よりも外側の層の還元温度が常に低くなるように、順に嵌合して周囲部３を製造する。また、周囲部３をタングステンによる還元温度が連続的に分布する構造とする場合は、還元温度の異なる電子放射性物質を同軸状に分布させ、周囲部３を製造する。
【００２５】
また、本実施の形態においては、空隙部分６を、鍛造の際に埋没させる形態を示したが、タングステンの粉末にて空隙部分６を充填し、所要の温度まで昇温して焼結させ、空隙部分６を埋没させた後に鍛造を行う形態としてもよい。また、タングステンの粉末を予め焼結させたもので空隙部分６を充填し、加熱および鍛造の工程にて陰極基体５に一体化させる形態としても良い。
【００２６】
本発明に係る放電ランプ用の陰極１の製造方法を用いた場合は、陰極１の先端の直径を例えば０．３ｍｍ程度にまで小さくすることが可能であり、陰極１の先端の面積が小さいため、アーク放電の最中に放電の起点が移動せず、放電ランプの発光を安定して持続することができる。また、アーク放電中に先端から蒸発する電子放射性物質の量が少なくなり、放電ランプの寿命を長くすることができる。また、陰極基体５の先端部を先細り状に鍛造し、陰極基体５および電子放射体４を一体化して陰極１を製造するため、熱による陰極１の膨張および収縮の繰り返しによる電子放射体４の脱落を防止することができる。
【００２７】
図７は、本発明による放電ランプの、陰極１の先端部の温度分布を示す断面図であり、破線は等温線を示す。アーク放電中は、陰極１の先端が最も温度が高くなり、他の部分は放射状に温度が低くなる。タングステンによる還元温度が高い電子放射性物質を含む芯部２が前記先端を含む中心軸付近に位置し、その周囲に還元温度がより低い電子放射性物質を含む周囲部３が位置しているため、それぞれの温度で電子放射性物質の還元が行われ、トリウム又はセリウムなどの電子を放射する物質が拡散によって陰極１の先端へ順次供給される。このため、陰極１の先端で電子放射性物質が枯渇することがなく、長時間のアーク放電を安定して行うことができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る放電ランプにおいては、陰極の先端部に埋設した電子放射体を、中心軸に近いほど還元温度が高く、中心軸から離れるほど還元温度が低い構造としたため、アーク放電中に、陰極の先端部の温度分布により電子放射性物質の還元が電子放射体の全体で行われ、長時間の安定的なアーク放電を可能にする。
【００２９】
また、本発明に係る放電ランプ用の陰極の製造方法を用いた場合は、陰極の先端部を先細り状に鍛造するため、先端部に埋設した電子放射体の脱落を防止することができる。また、陰極の先端の面積を小さくすることができるため、アーク放電中に放電の起点が移動せず、本発明に係る放電ランプの発光を安定して持続することができる。また、アーク放電中に先端から蒸発する電子放射性物質の量が少なくなり、放電ランプの寿命を長くすることができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る陰極の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る放電ランプの構成を示す正面図である。
【図３】電子放射体の構成を示す斜視図である。
【図４】陰極基体に電子放射体を挿入した構成を示す断面図である。
【図５】陰極基体の先端部を鍛造する過程を示した断面図である。
【図６】鍛造終了後の陰極基体を示す断面図である。
【図７】アーク放電中の放電ランプの陰極の先端部の温度分布を示す断面図である。
【図８】キセノンランプの構成を示す正面図である。
【図９】アーク放電中のキセノンランプの陰極の先端部の温度分布を示す断面図である。
【図１０】還元温度が異なる三つの層より電子放射体を構成した陰極を示す断面図である。
【符号の説明】
１    陰極
２    芯部
３    周囲部
４    電子放射体
５    陰極基体
６    空隙部分
７    ローラ
８    封体
９    口金
１０  陽極
１１  支持ロッド
【図１】
0004436547.tif 000002
【図２】
0004436547.tif 000003
【図３】
0004436547.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004436547.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004436547.tif 000008
【図８】
0004436547.tif 000009
【図９】
0004436547.tif 000010
【図１０】
0004436547.tif 000011