(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、陰極からエミッタが過剰に蒸発して早期に枯渇してしまうことを防止するとともに、初期点灯時にも円滑な点灯ができるようにした構造を提供する。【解決手段】陰極１が本体部２と先端部３とからなり、前記先端部３は、互いに接合されたエミッタ濃度の異なる２層構造からなり、陰極先端側の第１層３１のエミッタ濃度が、前記本体部側の第２層のエミッタ濃度３２よりも高濃度であるとともに、前記陰極に形成された密閉空間４内に埋設された焼結体５に含有されたエミッタ（トリウムを除く）濃度が、前記先端部３のいずれの層のエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする。【選択図】図１
2017157293.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、
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、前記本体部は、高融点金属材料から構成され、前記先端部は、エミッタが含有された高融点金属材料から構成されるとともに、
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、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されてなる放電ランプであって、
前記先端部は、互いに接合されたエミッタ濃度の異なる２層構造からなり、陰極先端側の第１層のエミッタ濃度が、前記本体部側の第２層のエミッタ濃度よりも高濃度であるとともに、
前記密閉空間内に埋設された焼結体のエミッタ濃度が、前記先端部のいずれの層のエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記先端部の第１層のエミッタ濃度（ＣＦ１）が０．５重量％≦ＣＦ１≦５重量％であり、
前記先端部の第２層のエミッタ濃度（ＣＦ２）が０．１重量％≦ＣＦ２≦３．０重量％であり、且つ、ＣＦ１＞ＣＦ２であり、
前記密閉空間内に埋設された前記焼結体のエミッタ濃度（ＣＢ）が１０重量％≦ＣＢ≦８０重量％である、
ことを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
【請求項３】
前記焼結体に含有されたエミッタは、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）のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電ランプ。
【請求項４】
前記先端部に含有されたエミッタは、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）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放電ランプ。
【請求項５】
前記先端部には、粒子粗大化抑制剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が含有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。
【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有効利用しようとする放電ランプに係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高入力の高輝度放電ランプにおいて、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、主に酸化トリウム（ＴｈＯ２）が用いられているが、近年ではその代替物質として希土類酸化物のエミッタも期待されている。
上述の希土類酸化物系のエミッタは、酸化トリウム（ＴｈＯ２）よりも蒸気圧が高いため、比較的蒸発しやすい。そのため、希土類酸化物が添加された陰極では、ランプを点灯すると前記希土類酸化物が過度に蒸発し、エミッタが早期に枯渇してしまう、という問題がある。
【０００３】
そのような問題を解決するものとして、特開２０１５−５４７０号公報（特許文献１）では、高濃度のトリウム以外のエミッタが含有された焼結体を陰極内部に埋設し、先端部にはこれより濃度の低いエミッタを含有させた陰極構造が提案されている。
図３にその構造が示されていて、陰極１は、本体部２と、その先端面に接合された先端部３とからなり、前記本体部２は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、前記先端部３は、エミッタが含有された高融点金属材料から構成されている。そして、前記本体部２の内部には密閉空間４が形成され、この密閉空間４内に、前記先端部３に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のトリウム以外の希土類酸化物などのエミッタが含有された焼結体５が埋設されている。
【０００４】
この特許文献１によれば、高濃度エミッタ材を陰極内部に埋設したことにより、過度の蒸発を防ぎ早期の枯渇を防止するとともに、放電ランプの点灯初期においては、陰極の先端部に含有されたエミッタが作用することで良好な初期点灯性を得ることができる。また点灯時間に応じて、先端部に含有されたエミッタは消費されるが、この時点では、陰極内部に埋設された焼結体から陰極先端へエミッタが供給されることで、陰極先端のエミッタの枯渇が解消され、良好な点灯性が安定的に維持されるとしている。
【０００５】
ところで、上記構成においては、埋設された焼結体から陰極先端に供給されるエミッタ量は、陰極の先端部のエミッタ濃度によって変化する。
図４に示すように、点灯初期は、先端部３に含有されるエミッタが陰極先端に一定量供給(仮に、これを１００％の供給量と表記する)され、初期を過ぎると埋設された焼結体５からエミッタが供給され始めるが、このとき、先端部３のエミッタ濃度が高いと、供給経路となる粒界などの密度が高くなるために、焼結体５から陰極先端に供給されるエミッタが過剰になって、供給量が１００％を超えてしまう（Ａ）。
一方、先端部３のエミッタ濃度が低いと、点灯初期から先端部３から供給されるエミッタが少なくなるため、点灯に必要なエミッタ量に満たない状態となり、陰極先端の温度が過度に上昇してしまい、早期に陰極の寿命に至ってしまう（Ｂ）。
【０００６】
そこで、先端部３のエミッタ濃度は高くして、点灯初期を過ぎた後でも焼結体５からエミッタが過剰に供給されるのを防止するために、（Ａ）の場合より、焼結体５を陰極の後部側の、より低温側に埋設する対策が考えられる。
しかしこの場合、点灯初期は、先端部３に含有されるエミッタが一定量供給(供給量１００％)されるものの、初期を過ぎると、（Ａ）の場合より焼結体５が低温部に配置されているため、エミッタの供給が不足し始め、先端部３のエミッタ濃度が高いにも関わらず、このエミッタが消費された後は、焼結体５から陰極先端へのエミッタ供給量が１００％を切ってしまう事態になる（Ｃ）。特に初期点灯に必要なエミッタ供給量は、放電ランプの使用条件や電極形状によっても変わるため、最適な条件に調整することが困難である。
【０００７】
更には、先端部３のエミッタ濃度を変えず、当該先端部３の厚みを厚くすることで必要なエミッタ量を確保する対策も考えられるが、この場合は、陰極内部の焼結体５も先端部３の厚さを増した分だけ後方に埋設することになり、焼結体５と陰極先端の距離が延びてしまい、前述の（Ｃ）の場合と同様に、焼結体５からのエミッタ供給が阻害される、という問題が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−５４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、陰極内部に埋設されたトリウム以外のエミッタを含有する焼結体から陰極先端へのエミッタ供給量を適切に調整することで、点灯初期の点灯性を確保するとともに、焼結体からの過度のエミッタ供給を抑制し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長期化を図るようにするとともに、初期の点灯時の点灯始動性に優れ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】
【００１０】
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、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、前記本体部は、高融点金属材料から構成され、前記先端部は、エミッタが含有された高融点金属材料から構成されるとともに、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、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ（トリウムを除く）が含有された焼結体が埋設されてなる放電ランプにおいて、前記先端部は、互いに接合されたエミッタ濃度の異なる２層構造からなり、陰極先端側の第１層のエミッタ濃度が、前記本体部側の第２層のエミッタ濃度よりも高濃度であるとともに、前記密閉空間内に埋設された焼結体のエミッタ濃度が、前記先端部のいずれの層のエミッタ濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記先端部の第１層のエミッタ濃度（ＣＦ１）が０．５重量％≦ＣＦ１≦５重量％であり、前記先端部の第２層のエミッタ濃度（ＣＦ２）が０．１重量％≦ＣＦ２≦３．０重量％であり、且つ、ＣＦ１＞ＣＦ２であって、前記密閉空間内に埋設された前記焼結体のエミッタ濃度（ＣＢ）が１０重量％≦ＣＢ≦８０重量％であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記焼結体に含有されたエミッタは、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）のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする。
また、前記先端部に含有されたエミッタは、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）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、もしくは、その組み合わせであることを特徴とするプ。
また、前記先端部には、粒子粗大化抑制剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）又は酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が含有されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、陰極の本体部に接合された先端部を、エミッタ濃度の異なる２層構造として、陰極先端側の第１層のエミッタ濃度が、前記本体部側の第２層のエミッタ濃度よりも高濃度とし、陰極内部に形成された密閉空間内に埋設された焼結体のエミッタ濃度が、前記先端部のいずれの層のエミッタ濃度よりも高濃度としたことにより、点灯初期においては、点灯に必要なエミッタが含有された第１層により電子放出機能が確保されるとともに、エミッタ濃度の低い第２層によって焼結体から陰極先端へのエミッタの供給が過剰にならないように抑制しているので、陰極先端でのエミッタの早期の枯渇を防止できて、良好な点灯性が安定的に長期間維持されるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る陰極構造を示す全体断面図（Ａ）、部分拡大図（Ｂ）。
【図２】他の実施例を表す断面図。
【図３】従来技術の断面図。
【図４】従来技術におけるエミッタ供給の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、この発明の陰極構造を示し、陰極１は、本体部２と、その先端に接合された先端部３とからなる。前記本体部２は、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３は、エミッタが含有された高融点金属からなり、前記本体部２の先端側、即ち、陽極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。
図１（Ｂ）に示すように、当該先端部３は、陰極先端側の第１層３１と前記本体部２側の第２層３２が互いに接合された２層構造からなり、これら第１層３１および第２層３２には、それぞれエミッタが含有されている。そして、前記第１層３１のエミッタ濃度は、第２層３２のエミッタ濃度よりも高濃度とされている。
【００１６】
この先端部３に含有されるエミッタとしては、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）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、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。
【００１７】
前記第１層３１のエミッタ含有量（ＣＦ１）は、例えば、０．５重量％〜５．０重量％と低めに設定される。このエミッタは、ランプの初期の点灯時に始動性を確保するためのものであって、濃度が低めに設定されるのは、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。
また、第２層３２のエミッタ含有量（ＣＦ２）は、例えば、０．１重量％〜３．０重量％であって、且つ、前記第１層３１の含有量よりも低くされている（ＣＦ１＞ＣＦ２）。
【００１８】
また、陰極１の内部には、密閉空間４が形成されていて、該密閉空間４内には、トリウム以外のエミッタが含有された焼結体５が埋設されている。そして、このエミッタ濃度は、前記先端部３の第１層３１および第２層３２のいずれのエミッタ濃度よりも高濃度とされている。
このように、焼結体５は陰極１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過度に蒸発することがない。
なお、この実施例では、密閉空間４は本体部２側に形成されていて、焼結体５は実質的には、該本体部２内に埋設されている。
このトリウム以外のエミッタとしては、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。
【００１９】
この焼結体５のエミッタ含有量（ＣＢ）は、例えば、１０重量％〜８０重量％と、前記先端部３の第１層３１および第２層３２のエミッタ含有量よりも高く、高濃度に設定されている。
このエミッタの濃度が、１０重量％未満であると、陰極１内部に格納できる焼結体５のサイズの関係から、陰極先端部３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５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。
【００２０】
なお、図１の実施例では、密閉空間４が本体部２に形成されているものを示したが、図２には他の実施例が示されていて、図２（Ａ）では、密閉空間４が、本体部２と先端部３の第２層３２とに跨って形成されていて、焼結体５はこの本体部２と第２層３２とに跨るように埋設されている例が示されている。
また、図２（Ｂ）では、密閉空間４が、先端部３の第２層３２側に形成されていて、焼結体５はこの第２層３２内に埋設されている例が示されている。
【００２１】
また、本体部２はタングステンなどの高融点金属からなるものであるが、エミッタを含むことを排除するものではない。その場合、高濃度の焼結体５が存在するので、エミッタを先端部３に供給するという点については、本体部５にエミッタを含むことに特段の利点は存在しないかもしれないが、本体部５と先端部３が同一の材料から構成されることで両者の接合が容易になるなどの別の利点を有する。ただし、その場合においても、本体部２に酸化トリウムを含有させることは省トリエーテッドタングステン（省トリタン）の観点から好ましいものではない。先端部３にエミッタとして酸化トリウムを含ませる場合にあっても、焼結体５における酸化トリウム以外のエミッタとの比較においてその量は微量であって、全体として省トリタンとしての実効がある。
【００２２】
上記構成において、先端部３の第１層３１には、点灯初期における点灯性を担保するだけの濃度のエミッタが含まれており、電子を放出する先端面にエミッタを輸送する拡散経路が形成されているので、点灯初期には、この先端部３の第１層３１に含有されているエミッタが先端面に輸送されて電子放出特性が向上し、良好な初期点灯がなされる。
この点灯により第１層３１に当初含まれていたエミッタは消費されていくが、そのエミッタが枯渇するまでに、陰極１内に埋設された焼結体５中のエミッタが、先端部３の拡散経路を通って、先端面に供給されていくことにより、先端面でのエミッタの枯渇が生じない。
このように、ランプ点灯に伴い焼結体５は適宜に加熱されて、これに含まれるエミッタが先端部３側に拡散移送されるが、第２層３２にはエミッタが低濃度にしか含まれていないので、その拡散経路は第１層３１よりも少なく、エミッタ供給が過度になることがなく、適宜な供給量に調整されて先端面に至るものである。
【００２３】
なお、前述の焼結体５に含まれるエミッタと、先端部３の第１層３１と第２層に含まれるエミッタとは、同材料であってもよいし、別材料であってもよい。例えば、焼結体エミッタと先端部エミッタがともに酸化ランタンと同一材料であってもよいし、また、焼結体エミッタが酸化ランタンと酸化ジルコニウムからなり、先端部エミッタが酸化セリウムというように別材料であってもよく、その組み合わせは任意である。
【００２４】
そしてまた、前記先端部３には、タングステン粒の粗大化抑制剤として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）もしくは酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を含有させることが好適である。高温となる先端部３のタングステン粒子が粗大化すると、粒界が減少して拡散経路が減少し、意図しているエミッタの供給量が担保できなくなることがあるので、粒子粗大化抑制剤として添加するものである。
【００２５】
本発明の陰極構造の一寸法例を示すと以下の通りである。
陰極の外径：φ１５ｍｍ、軸方向の長さ：６０ｍｍ
先端部の寸法：
（第１層）軸方向長さ１ｍｍ、材料例：酸化ランタン（エミッタ濃度は２．５ｗｔ％）、酸化ジルコニウム（タングステン粒粗大化抑制剤）をドープしたタングステン
（第２層）軸方向長さ１ｍｍ、材料例：酸化ランタン（エミッタ濃度は１ｗｔ％）、酸化ジルコニウム（タングステン粒粗大化防止剤）をドープしたタングステン
本体部の寸法：軸方向長さ５８ｍｍ、材料例：タングステン
焼結体の寸法：φ２ｍｍ、軸方向長さ：２ｍｍ、材料例：酸化セリウム（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）を重量比３：５で混合、成型、焼結したもの。
【００２６】
次いで、図１に示された本発明の陰極の製造過程を簡単に説明する。
先ず、陰極内に埋設する焼結体は、エミッタである酸化セリウム（ＣｅＯ２）とタングステン（Ｗ）を、配合比３：５で混合し、バインダ（ステアリン酸）を添加した上で、加圧プレス機により成型する。この後、水素中で約１０００℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、タングステン炉中において、真空中で１７００〜２０００℃、好ましくは１８００〜１９００℃で、１ｈの熱処理によって本焼結する。
一方、陰極の先端部は、第１層として、エミッタとして酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）及び粗大化抑制剤として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）をドープしたタングステンで構成し、第２層として前記第１層よりも低濃度の酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）をドープしたタングステンで構成して、これらを固相接合する。
【００２７】
また、タングステンからなる本体部に密閉空間構成用の穴を形成し、この穴内に前記焼結体を挿入する。
そして、上記した第１層と第２層からなる先端部を、この本体部の先端面に当接し、これらを固相接合する。
こうすることで、図１に示された陰極構造が得られる。
なお、図２（Ａ）（Ｂ）に示す実施例についても、図１の上記製造過程に準じて製造されることは容易に理解される。
【００２８】
以上説明したように、本発明においては、陰極の本体部に接合された先端部を、エミッタ濃度の異なる２層構造として、陰極先端側の第１層のエミッタ濃度が、前記本体部側の第２層のエミッタ濃度よりも高濃度とし、陰極内部の密閉空間内に埋設された焼結体のエミッタ濃度が、前記先端部のいずれの層のエミッタ濃度よりも高濃度としたことにより、点灯初期に必要なエミッタは第１層から供給され、一方、焼結体からのエミッタは、第２層によって抑制されて供給過剰にならないようにして陰極先端に供給されるので、早期にエミッタが枯渇してしまうことがなく、良好な点灯性が安定的に長期間維持されるという効果を奏するものである。
【符号の説明】
【００２９】
１      陰極
２      本体部
３      先端部
３１    第１層
３２    第２層
４      密閉空間
５      焼結体
【図１】
2017157293.tif 000003
【図２】
2017157293.tif 000004
【図３】
2017157293.tif 000005
【図４】
2017157293.tif 000006