(57)【要約】      （修正有）【課題】発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極に酸化トリウムが含有されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、陰極の内部に含有された酸化トリウムの有効利用を図ることにより、陰極先端面でのエミッター物質の枯渇を防ぎ、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する。【解決手段】陰極１は、タングステンからなる本体部２と、酸化トリウムが含有されたタングステンからなる先端部３とで構成されており、前記本体部２の先端面２２に凹部４が形成され、該凹部４には前記先端部３が、その先端側を突出するように収容されており、前記本体部２及び／又は先端部３の内部に密閉空間５が形成されていて、該密閉空間５内に還元部材６が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2017204420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極に酸化トリウムが含有されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極は、タングステンからなる本体部と、酸化トリウムが含有されたタングステンからなる先端部とで構成されており、
前記本体部の先端面に凹部が形成され、該凹部には前記先端部が、その先端側を突出するように収容されており、
前記本体部及び／又は先端部の内部に密閉空間が形成されていて、該密閉空間内に還元部材が設けら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】
前記本体部の先端面には、前記凹部の周囲に環状平坦面部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】
前記還元部材は、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）の一つ又は複数の元素を含んだ還元剤を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項４】
前記還元部材は、前記還元剤とタングステンとの化合物であることを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項５】
前記密閉空間の内壁面に、還元部材として炭化層が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のショートアーク型放電ランプ。
【請求項６】
前記先端部には、前記本体部から突出した領域の外表面に外表面炭化層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか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、酸化トリウムが含有された陰極を有するショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極の先端部に酸化トリウムが含有されてな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、高入力で高輝度な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として酸化トリウムを含有して、電子放出特性を高めるようにしたものが多用されている。
そして、酸化トリウムを含有した陰極においては、一般に、酸化トリウムの還元反応を促進するために、先端部近傍に炭化層を形成している。例えば、特開平１０−２８３９２１号公報（特許文献１）などがそれである。
【０００３】
図７にその作用模式図が示されていて、陰極７０の構成材料であるタングステン７１中に酸化トリウムＴＯが含有され、陰極７０の外表面にはその最先端部を除いて炭化層７２が形成されている。
この炭化層７２は、陰極材料であるタングステンと炭素が反応して生成された炭化タングステンからなる。
２Ｗ  ＋  Ｃ  →  Ｗ２Ｃ
そして、ランプの点灯により、陰極７０の温度が上昇し、２０００℃程度以上から、炭化層７２において酸化トリウムが還元される。
ＴｈＯ２  ＋  Ｗ２Ｃ  →  Ｔｈ  ＋  ２Ｗ  +  ＣＯ２
ＴｈＯ２  ＋  ２Ｗ２Ｃ  →  Ｔｈ  ＋  ４Ｗ  +  ２ＣＯ
炭化層７２で還元されて生成されたトリウムＴは、陰極表面を表面拡散により先端側に向かって輸送される。
【０００４】
ところで、上記従来技術における、陰極先端近傍の外表面に形成された炭化層７２は、おおよそ数十μｍから百μｍの厚さであり、直径が数ｍｍである陰極の軸方向に垂直な断面に対し、炭化層の部分が占める面積の割合は数％未満にしか過ぎない。
そして、酸化トリウムＴＯはトリウム原子Ｔに比べ粒径が大きいために陰極内部においては殆ど拡散することがなく、炭化層以外の領域から酸化トリウムが移動してくることは、殆どない。つまり、炭化層７２で酸化トリウムＴＯが還元され尽くされると、そこへの酸化トリウムの補充がなく、その領域の酸化トリウムは消失し、エミッターとしてのトリウムの供給も絶たれてしまうことになるという問題があった。
このように、エミッターの供給が立たれると、陰極のアーク側先端面においてトリウムが不足し、ちらつきが発生したり、ランプの立消えが起こったりする。
【０００５】
このような不具合を解消するものとして、特開２０１０−２８２７５８号公報（特許文献２）では、陰極先端に開口する細穴を形成して、その細穴の後端側に炭化層を形成したものが提案されている。
図８にその概略構造が示されていて、陰極８０には、その先端面８０ａに開口する細穴８５が形成されていて、該細穴８５の先端部８５１側は非炭化部であり、これより深い箇所にある後端部８５２に炭化層８６が形成されているものである。
こうすることで、ランプ点灯時には、炭化層８６によって酸化トリウムが還元され、生成されたトリウムが先端部８５１の内表面における表面拡散および気相拡散によって陰極先端に輸送され、先端部でのエミッターの枯渇を防止しようとするものである。
【０００６】
ところで、陰極におけるトリウムの拡散の態様には、一般に、陰極表面における表面拡散と、陰極材料の粒界における粒界拡散と、粒内における粒内拡散とがあるが、その拡散係数（※出典後記）は、図９に示されるように、一般に、表面拡散＞粒界拡散＞粒内拡散の順であり、その大きさはそれぞれ、概ね１桁〜２桁ずつ異なる。
出典：N.L. Peterson, “Diffusion in Refractory Metals”, WADD TECHNICAL REPORT 60-793 (Wright Air Development Division, Air Research and Development Command, US Air Force, 1960)  p21．
【０００７】
上記特許文献２の従来技術においては、主に細穴８５における表面拡散により陰極先端へのトリウムの移送が行われるものであり、陰極先端面８０ａでのトリウム量の時間変化を考えると、点灯初期においてトリウム量は急激に上昇し、その後下降する。
図１０にそのトリウムの時間経過による変化が模式的に示されていて、陰極先端面８０ａでのトリウム量Ａは、陰極のテーパー部からの表面拡散によるトリウム量Ｂと、細穴８５からの表面拡散によるトリウム量Ｃとの合計であって、点灯直後に急激に増加し、その後、急激に下降してしまう。その結果、陰極先端において、点灯初期には十分なトリウムの供給があるが、その後には急激に減少して枯渇してしまうという不具合が依然として解決されない。
【０００８】
また、この特許文献２のものでは、酸化トリウムが還元される際に発生した一酸化炭素ＣＯや二酸化炭素ＣＯ２が細穴８５を通じて放電空間に放出されるため、点灯を継続すると従来品よりも一酸化炭素濃度や二酸化炭素濃度が増加し、始動性が悪化する可能性があるという問題もある。
【０００９】
また、特開２０１４−２２５４２３号公報（特許文献３）には、図１１に示すように、陰極９０の構造として、タングステンからなる本体部９１に、酸化トリウムが含有されたタングステンからなる先端部９２が嵌合された電極構造が示されている。
当該文献によれば、先端部９２の酸化トリウムを還元するために、当該先端部９２の外表面に還元材として炭化層９３を形成することが記載されている。
しかしながら、上記の電極構造では、還元材（炭化層）９３の形成領域が狭くなりやすく、先端部９２の外表面に還元材を形成することが困難であった。また先端部９２の内部に含有されている酸化トリウムを十分に活用できていない、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２８３９２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８２７５８号公報
【特許文献３】特開２０１４−２２５４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に一対の陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極に酸化トリウムが含有されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、陰極の内部に含有された酸化トリウムの有効利用を図ることにより、陰極先端面でのエミッター物質の枯渇を防ぎ、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】
【００１２】
上記課題を解決するために、この発明では、陰極を、タングステンからなる本体部と、酸化トリウムが含有されたタングステンからなる先端部とから構成し、前記本体部の先端面に凹部が形成され、該凹部には前記先端部が、その先端側を突出するように収容されており、前記本体部及び／又は先端部の内部に密閉空間が形成されていて、該密閉空間内に還元部材が設けられていることを特徴とする。
また、前記本体部の先端面には、前記凹部の周囲に環状平坦面部が形成されていることを特徴とする。
また、前記還元部材は、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）の一つ又は複数の元素を含んだ還元剤を備えることを特徴とする。
また、前記還元部材は、前記還元剤とタングステンとの化合物であることを特徴とする。
また、前記密閉空間の内壁面に、還元部材として炭化層が形成されていることを特徴とする
また、前記先端部には、前記本体部から突出した領域の外表面に外表面炭化層が形成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、本体部及び／または酸化トリウムが含有された先端部の内部に密閉空間が形成されており、該密閉空間内に還元部材が設けられた構成としたことにより、陰極の内部において、酸化トリウムが含有された領域、つまり、先端部の内部、あるいは、これと隣接もしくは近接した領域において、還元部材が存在するので、これまで有効利用が難しかった前記陰極の内部における酸化トリウムの還元を促進し、生成されたトリウムが粒界拡散によって陰極先端面に輸送されて、より安定した電子放射機能を長時間にわたって維持することができるという効果を奏する。
また、還元部材が密閉空間内に封じ込められているため、過剰に蒸発することがなく、より高濃度の還元剤を用いても、発光部を構成する封体に悪影響を及ぼすことがない。
また、従来のように、還元部材の形成領域が狭い領域に特定されることもない。
また、陰極先端部の外表面に炭化層を形成することで、点灯初期においては、この外表面炭化層によって、該炭化層近辺の酸化トリウムが還元されてトリウムとなり、これが陰極表面を表面拡散して陰極先端面に輸送されて、電子放出機能を担うことにより初期点灯性が良好となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例に係る放電ランプの陰極構造の断面図。
【図２】本発明の第２実施例の断面図。
【図３】本発明の第３実施例の断面図。
【図４】本発明の第４実施例の断面図。
【図５】本発明の第５実施例の断面図。
【図６】図１に基づく陰極構造の数値例。
【図７】従来技術の作用を説明する部分断面図。
【図８】従来例の断面図。
【図９】トリウムの拡散速度を表すグラフ。
【図１０】図８の従来例の時間経過による陰極先端面のトリウム量を示すグラフ。
【図１１】他の従来例の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に示すように、陰極１は、タングステンからなる本体部２と、タングステンに酸化トリウムが含有された先端部３とから構成される。本体部２は、先端側にテーパー部２１を有し、その先端面２２には有底孔の形状をとる凹部４が形成されていて、該凹部４の周囲には環状平坦面部２３が形成されている。
前記凹部４内には、酸化トリウムが含有されたタングステン（以下、トリタンということもある）からなる先端部３が、焼嵌め等によって収容されている。この先端部３は、前記凹部４内に収容されたとき、その先端側が当該凹部４から、即ち、本体部２の先端面２２から突出するように収容されている。
【００１６】
なお、先端部３を本体部２の凹部４に焼嵌めする場合、先端部３の直径を凹部の直径よりも、例えば、５〜１０μｍの範囲で大きく形成しておき、本体部２を加熱して熱膨張させ、凹部４の直径を拡開した状態で先端部３を挿入し、その後、本体部２を冷却することで焼嵌めることができる。
このとき、先端部３の凹部４の周囲に環状平坦面部２３が形成されていることにより、凹部の強度が増し、焼嵌め時の応力に対抗して、クラック等の破損が生じることがない。
【００１７】
そして、前記先端部３の内部には密閉空間５が形成されている。この密閉空間５は、先端部３の後端に開口する凹部（有底孔）を形成し、先端部３が本体部２の凹部４に収容されたとき、後端開口が密閉されることにより形成される。
この密閉空間５には、酸化トリウムをトリウムに還元するための還元部材６が収容されている。具体的には、該還元部材６には、還元剤として、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）の一つ又は複数の元素が含まれるものである。
また、還元部材６は、これらの還元剤の相互の化合物（ＺｒＣ、ＨｆＢ２など）の形態であってもよいし、還元剤以外の他の元素との化合物（ＷＣ、ＢＮなど）の形態であってもよい。このように化合物の形態とすることで、化学的な安定化が図られて、取扱い面で優れているという利点がある。
【００１８】
実際に充填される還元部材６の形態としては、例えば、炭素棒を短く切断したものや、ホウ素の棒状物、ジルコニウム・ワイヤ等の固形物が挙げられる。又は、炭素（Ｃ）粉末、ホウ素（Ｂ）粉末、タングステンカーバイト（ＷＣ）粉末、ホウ化タングステン（ＷＢ）粉末、あるいは、水素化ジルコニウム（ＺｒＨ２）粉末等の粉末体を前記密閉空間３内に充填した後にパンチで加圧し、押し固めたものを用いることもできる。
また、還元部材６は、密閉空間５の内表面に層状に形成するものであってもよく、例えば、炭化層として形成する形態であってもよく、この場合、炭化層は、陰極材料であるタングステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）との化合物（ＷＣ及び／又はＷ２Ｃ）の形態をとる。
【００１９】
図２には、陰極内部の密閉空間５が、先端部３と本体部２とに跨って形成されている例が示されている。つまり、本体部２の凹部４の底面に第２の凹部（有底孔）を形成するとともに、先端部３の後端に凹部（有底孔）を形成し、これらによって密閉空間５を形成するものであって、その内部に還元剤６が収容されている。つまり、還元部材６は、トリタンからなる先端部３とタングステンからなる本体部２とに跨って存在することになる。
【００２０】
更に、図３には、密閉空間５が本体部２に形成された例が示されていて、この例では、本体部２の凹部４の底面に更に第２の凹部が形成されており、先端部３を本体部２の凹部４に収容したとき、本体部２の内部に密閉空間５が形成される。そして、この密閉空間５内に還元部材６が収容されるものである。
なおこの実施例の場合、密閉空間５に収容される還元部材６は、先端部３に厳密に当接（隣接）していなくてもよく、近接する態様であってもよい。
【００２１】
更に、図４には、図３の実施例の変形例として、凹部４の底面に形成した第２の凹部を同径としたものが示されている。
つまり、本体部２の凹部４に先端部３を挿入収容するとき、先端部３の後端と凹部４の底面との間に間隙を持たせ、その空間を密閉空間５とするものであり、該密閉空間５内に還元部材６を収容するものである。
なおこの実施例の場合も、図３の実施例と同様に、密閉空間５に収容される還元部材６は、先端部３に厳密に当接（隣接）していなくてもよく、近接する態様であってもよい。
【００２２】
以上いずれの実施例においても、密閉空間５の形成位置および軸方向の長さは、その内部に収容される還元部材６が、酸化トリウムとの還元反応を起こすに足るだけの温度領域にあるように選択される。
【００２３】
図５に更に他の実施例が示されていて、先端部３の突出部分の外表面に炭化タングステンからなる外表面炭化層７が形成されている。この外表面炭化層７は、先端部３の先端部に設けられているものではあるが、先端面３１を含むアークが形成される最先端部には形成されていない。
この外表面炭化層７は、ランプの点灯初期において、先端部３内部の温度が十分に上昇しない時期においても、当該先端部３に含有された、特にその外表面に近い領域に含有されている酸化トリウムは、この外表面炭化層７中の炭素によって還元され、トリウム原子となって陰極外表面を表面拡散して、温度が高い先端面３１側へと移動する。これにより、点灯初期においても、良好な点灯性が担保されるものである。
【００２４】
本発明の図１に示した実施例に基づく陰極構造の具体的な一数値例が図６に示されている。
＜本体部（２）＞
材料：カリウム（Ｋ）ドープタングステン
胴径：φ１０ｍｍ
テーパー角：４５度
凹部（４）：φ６ｍｍ、深さ４ｍｍ
＜先端部（３）＞
材料：２ｗｔ％トリアドープタングステン
胴径：φ６ｍｍ、長さ１３ｍｍ
先端径：φ０．６ｍｍ
テーパー角：４５度
密閉空間（５）：φ１．４ｍｍ、長さ１０ｍｍ
＜全体＞
全長：２４ｍｍ
＜還元部材（６）＞
直径：φ１．４ｍｍ、長さ１０ｍｍ
材質：純カーボンの棒、不純物濃度１００重量ｐｐｍ以下
【００２５】
以上のように、本発明によれば、本体部と、該本体部の先端凹部に収容された、酸化トリウムが含有された先端部とで構成してなる陰極の内部に、密閉空間を形成して、これに還元部材を収容したので、陰極先端部の内部に含有された酸化トリウムが密閉空間内の還元部材により還元され、これにより生成されたトリウムが先端面に供給されてくることで、陰極先端面でのトリウムの枯渇を防止することができて、長時間にわたり、チラツキが発生することがないものである。
また、陰極の外表面に炭化層を形成することで、特に、初期点灯時における点灯性が良好であり、この外表面炭化層による還元作用で生成するトリウムが減少してきても、前記した内部の還元部材による還元作用によりトリウムが陰極先端面に継続供給されるものである。
【符号の説明】
【００２６】
１      陰極
２      本体部
２１    テーパー部
２２    先端面
２３    環状平坦面部
３      先端部（酸化トリウム含有）
３１    先端面
４      凹部
５      密閉空間
６      還元部材
７      外表面炭化層
【図１】
2017204420.tif 000003
【図２】
2017204420.tif 000004
【図３】
2017204420.tif 000005
【図４】
2017204420.tif 000006
【図５】
2017204420.tif 000007
【図６】
2017204420.tif 000008
【図７】
2017204420.tif 000009
【図８】
2017204420.tif 000010
【図９】
2017204420.tif 000011
【図１０】
2017204420.tif 000012
【図１１】
2017204420.tif 000013