JP2000067810A

JP2000067810A - 放電灯用電極および放電灯

Info

Publication number: JP2000067810A
Application number: JP10253277A
Authority: JP
Inventors: Munemitsu Hamada; 宗光浜田; Akira Takeishi; 明武石; Makoto Takahashi; 誠高橋; Masatada Yodogawa; 正忠淀川; Hiroshi Harada; 拓原田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2000-03-03
Also published as: CN1254938A; KR20000017442A; CN1154151C; EP0982758A3; EP0982758A2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱陰極型蛍光放電ランプの長寿命化をはか
る。【解決手段】本発明の放電灯用電極は、一端が開放さ
れた筒状の容器１と、この容器１内に収容された電子放
出材料２とを有し、容器１および電子放出材料２が、Ｂ
ａ、ＳｒおよびＣａの少なくとも１種からなる第１成分
と、ＺｒおよびＴｉの少なくとも１種からなる第２成分
と、ＴａおよびＮｂの少なくとも１種からなる第３成分
とを、金属元素成分として含む複合酸化物および／また
は窒素を含む複合酸化物を主成分とする。この放電灯用
電極は、容器１の開口側からみた電子放出材料２の露出
面における第１成分の含有率が、容器１の開口側の端面
における第１成分の含有率よりも高い。また、電子放出
材料２が、空隙率４５〜８０％の多孔体である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
装置のバックライト、電球形蛍光ランプ、ファクシミリ
やスキャナなどの読み取り用光源に用いられる小型の蛍
光放電ランプに用いる放電灯用電極と、この電極を有す
る放電灯とに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギー、省資源の社会的要
求が高まりつつあり、それに対応して、ディスプレイや
一般照明用光源の省エネルギー化が積極的に進められて
いる。例えば、ＣＲＴから、よりエネルギー消費量の少
ない液晶ディスプレイへの置き換えや、白熱電球から、
よりエネルギー効率が高く寿命も長い電球形蛍光ランプ
への置き換えが急速に進んでいる。それに伴って、液晶
ディスプレイのバックライト光源用や電球形蛍光ランプ
用として、細管蛍光放電ランプの利用が急速に進んでい
る。

【０００３】一般に蛍光放電ランプは、熱電子放出によ
るアーク放電を利用した熱陰極蛍光放電ランプと、二次
電子放出によるグロー放電を利用した冷陰極蛍光放電ラ
ンプとに分類される。熱陰極蛍光放電ランプは、冷陰極
蛍光放電ランプに比べ陰極降下電圧が小さいため、電力
に対する発光効率が高い。また、熱陰極蛍光放電ランプ
は、熱電子放出を利用するため電流密度を大きくとるこ
とができるので、冷陰極蛍光放電ランプに比べて高輝度
化が容易である。そのため、熱陰極蛍光放電ランプは、
大面積の液晶ディスプレイ用バックライト、電球形蛍光
ランプ、ファクシミリやスキャナ等の読みとり用光源な
ど、多量の光束が必要とされる光源に適している。

【０００４】従来の熱陰極蛍光放電ランプ用の電極とし
ては、例えば、タングステンコイルに遷移金属の一部と
バリウムとを含むアルカリ土類金属を塗布した蛍光放電
ランプ電極が知られている（特開昭５９−７５５５３号
公報）。しかし、同公報に記載された電極は、熱電子放
出を開始するために予熱が必要であるため、冷陰極蛍光
放電ランプなみの細管化は難しい。したがって、薄型、
軽量が要求されるノートパソコン用の液晶ディスプレイ
に利用することは困難であり、また、電球形蛍光ランプ
の小型化にも不適当である。

【０００５】一方、細管化するために予熱を必要としな
い構造とした電極が特開平４−７３８５８号公報に記載
されている。この電極は、タングステンのダブルコイル
にバリウム、カルシウム、ストロンチウムの酸化物から
なるエミッター物質を付着させたものである。しかし、
この構造の電極を用いた放電ランプでは、放電中に生じ
たＨｇイオンや希ガスイオンが電極に衝突し電子放出物
質を飛散させる、いわゆるイオンスパッタリングが顕著
に生じてしまう。イオンスパッタリングが顕著である
と、放電中に電子放出物質が枯渇し、安定したアーク放
電を長時間にわたって維持することができない。また、
飛散した電子放出物質によりランプのガラス管内壁が黒
化する現象（管壁黒化）が生じ、光束維持率が早期に低
下してしまう。

【０００６】また、米国特許第２，６８６，２７４号明
細書には、Ｂａ₂ＴｉＯ₄などのセラミックスを還元処理
することにより半導体化した棒状の電極が記載されてい
るが、この構造のセラミック半導体電極には、熱衝撃に
弱い、Ｈｇイオンや希ガスイオンによるスパッタリング
によって劣化しやすい、電流密度が小さい、という問題
がある。

【０００７】このような従来の熱陰極蛍光放電ランプ用
電極に対し、本発明者らは、一端が開放し一端が閉じた
円筒状の容器内にセラミック半導体を収容した構造の電
極を提案し、また、この電極について、およびこの電極
を用いた放電灯について、様々な改良を加えている（特
公平６−１０３６２７号公報、特開平１−６５７６４号
公報、特開平２−１８６５５０号公報、特開平２−１８
６５２７号公報、特開平４−４３５４６号公報、特開平
６−２６７４０４号公報、特開平９−１２９１１７号公
報、特開平１０−１２１８９号公報、特開平６−３０２
２９８号公報、特開平７−１４２０３１号公報、特開平
７−２６２９６３号公報、特開平１０−３８７９号公
報）。この構造の電極は、予熱が不要で細管化が可能で
あり、かつ、イオンスパッタリングや蒸発による劣化が
抑えられるため長寿命であるという特徴をもつ。しか
し、液晶ディスプレイのバックライトを交換不要とする
ためには、そのディスプレイが実装されている機器の寿
命よりも電極の寿命を長くする必要があり、このために
は、電極寿命をさらに向上させる必要がある。また、蛍
光放電ランプでは、オン・オフを頻繁に繰り返すと電極
の劣化が著しく進み、寿命が極めて短くなってしまうと
いう問題があるが、白熱電球を代替するためにはオン・
オフの繰り返しによる短寿命化を抑える必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱陰
極型蛍光放電ランプの長寿命化をはかることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記（１）
〜（８）のいずれかにより達成される。（１）一端が開放された筒状の容器と、この容器内に
収容された電子放出材料とを有し、容器および電子放出
材料が、Ｂａ、ＳｒおよびＣａの少なくとも１種からな
る第１成分と、ＺｒおよびＴｉの少なくとも１種からな
る第２成分と、ＴａおよびＮｂの少なくとも１種からな
る第３成分とを金属元素成分として含む複合酸化物およ
び／または窒素を含む複合酸化物を主成分とし、容器の
開口側からみた電子放出材料の露出面における第１成分
の含有率が、容器の開口側の端面における第１成分の含
有率よりも高い放電灯用電極。（２）一端が開放された筒状の容器と、この容器内に
収容された電子放出材料とを有し、容器および電子放出
材料が、Ｂａ、ＳｒおよびＣａの少なくとも１種からな
る第１成分と、ＺｒおよびＴｉの少なくとも１種からな
る第２成分と、ＴａおよびＮｂの少なくとも１種からな
る第３成分とを金属元素成分として含む複合酸化物およ
び／または窒素を含む複合酸化物を主成分とし、電子放
出材料が空隙率４５〜８０％の多孔体である放電灯用電
極。（３）容器の密度が理論密度の６０％以上である上記
（１）または（２）の放電灯用電極。（４）放電面の平均曲率半径が１０〜１５０μmであ
る上記（１）〜（３）のいずれかの放電灯用電極。（５）容器の開口側からみた電子放出材料の露出面お
よび容器の開口側の端面と、容器の外側面および／また
は底面とに、Ｔａ、ＮｂおよびＴｉの少なくとも１種を
含む炭化物および／または窒化物が存在する上記（１）
〜（４）のいずれかの放電灯用電極。（６）第１成分をＭ^I、第２成分をＭ^II、第３成分を
Ｍ^IIIで表したとき、前記容器および前記電子放出材料
が、Ｍ^I Ｍ^II Ｏ₃型結晶、Ｍ^I ₅Ｍ^III ₄Ｏ₁₅型結晶、Ｍ^I
₇Ｍ^III ₆Ｏ₂₂型結晶、Ｍ^I Ｍ^III Ｏ₂Ｎ型結晶およびＭ^I ₆
Ｍ^IIＭ^III ₄Ｏ₁₈型結晶から選択される少なくとも１種の
結晶を含む上記（１）〜（５）のいずれかの放電灯用電
極。（７）前記結晶において、Ｍ^IIIの一部がＭ^IIにより
置換され、Ｍ^IIの一部がＭ^IIIにより置換されている上
記（６）の放電灯用電極。（８）上記（１）〜（７）のいずれかの放電灯用電極
を有する放電灯。

【００１０】本発明者らは、熱陰極型蛍光放電ランプに
おける電極のイオンスパッタリングが、グロー放電のと
きに顕著に発生することをつきとめた。そして、上記本
発明を適用することにより、グロー放電からアーク放電
への速やかな移行が可能となることを見いだし、本発明
に至った。

【００１１】具体的には、電子放出材料の露出面におけ
る第１成分の含有率を、容器の開口側の端面における第
１成分の含有率よりも高く設定することにより、言い換
えると、容器の開口側の端面における第１成分の含有率
を低く設定することにより、容器の開口側の端面の導電
性が高くなると共に、電子放出材料露出面において放電
が生じやすくなる。したがって、容器が導電路として十
分な働きを示すと共に、容器の開口側の端面における不
安定な放電の発生が抑えられ、電子放出材料露出面にお
いて安定したアークスポットを迅速に形成できる。この
ため、グロー放電からアーク放電への速やかな移行が可
能となる。

【００１２】また、電子放出材料を空隙率４５％以上の
多孔体とすれば、電子放出材料中における熱伝導性が臨
界的に低くなるので部分的に温度が上昇し、グロー放電
から速やかにアーク放電に移行することが可能となる。
一方、空隙率が高すぎると、放電中に電子放出材料が脱
落して寿命が短くなってしまうが、空隙率を８０％以下
に抑えれば電子放出材料の脱落が抑えられるので、グロ
ー放電の短縮化による長寿命化を阻害することはない。

【００１３】このように本発明では、点灯時に生じる電
極の劣化を著しく抑制することが可能であり、オン・オ
フの頻繁な繰り返しによってグロー放電の回数が多くな
る場合に、特に有効である。

【００１４】

【発明の実施の形態】放電灯用電極本発明の放電灯用電極の構成例を、図１に示す。この放
電灯用電極は、一端が開放された筒状の容器１と、この
容器１内に収容された電子放出材料２とを有する。放電
灯管内において、放電に伴い発生するＨｇイオン等のイ
オンは、対向電極の方向から飛来して電極に衝突する
が、このときイオンは容器１により遮られ、電子放出材
料２に衝突するイオンの数は少なくなる。容器１は、こ
のようにイオンによる電子放出材料２のスパッタリング
を防ぐと共に、電子放出材料２へ電流を供給するための
導電路として働く。

【００１５】本発明において容器１および電子放出材料
２はいずれも、複合酸化物または窒素を含む複合酸化物
を主成分とし、金属元素成分として、Ｂａ、Ｓｒおよび
Ｃａの少なくとも１種からなる第１成分と、Ｚｒおよび
Ｔｉの少なくとも１種からなる第２成分と、Ｔａおよび
Ｎｂの少なくとも１種からなる第３成分とを含む。第１
成分を含む化合物は、低仕事関数の電子放出成分であ
る。第２成分は、電子放出材料の高融点化のために必要
な成分である。また、第２成分のうちのＴｉと第３成分
とは、後述するスパッタリング防止層構成化合物の供給
源となる。容器１を電子放出材料２と同系統の材質で構
成することにより、両者を電気的および機械的に強固に
接合することが可能となる。

【００１６】第１成分、第２成分および第３成分は、複
合酸化物または窒素を含む複合酸化物を構成している。
第１成分をＭ^I、第２成分をＭ^II、第３成分をＭ^IIIで表
したとき、電子放出材料および容器は、Ｍ^I Ｍ^II Ｏ₃
型結晶、Ｍ^I ₅Ｍ^III ₄Ｏ₁₅型結晶、Ｍ^I ₇Ｍ^III ₆Ｏ₂₂型結
晶、Ｍ^I Ｍ^III Ｏ₂Ｎ型結晶およびＭ^I ₆Ｍ^IIＭ^III ₄Ｏ₁₈
型結晶から選択される少なくとも１種の結晶を含むこと
が好ましい。なお、これらの結晶において、Ｍ^IIIの一
部がＭ^IIにより置換されていることがあり、Ｍ^IIの一部
がＭ^IIIより置換されていることがある。これらの結晶
の存在は、Ｘ線回折により確認することができる。ま
た、元素の一部が他の元素で置換されていることは、Ｘ
線回折におけるピークのシフトにより確認することがで
きる。

【００１７】容器および電子放出材料において、第１成
分、第２成分および第３成分の合計に対し、第１成分の
原子比をＸ、第２成分の原子比をＹ、第３成分の原子比
をＺとしたとき、好ましくは０．８≦Ｘ／（Ｙ＋Ｚ）≦２．０、０．０５≦Ｙ≦０．６、０．４≦Ｚ≦０．９５であり、より好ましくは０．８≦Ｘ／（Ｙ＋Ｚ）≦１．６、０．１≦Ｙ≦０．４、０．６≦Ｚ≦０．９である。Ｘ／（Ｙ＋Ｚ）が小さすぎる場合、放電により
第１成分が早期に枯渇してしまう。一方、Ｘ／（Ｙ＋
Ｚ）が大きすぎる場合、放電中に電子放出材料の蒸発お
よび飛散が生じやすくなってランプの管壁黒化が激しく
なり、ランプ輝度の低下を招く。Ｙが小さすぎると、電
子放出材料の融点が低くなって緻密化が進みやすくなる
ため、還元性雰囲気中で焼成して電子放出材料を製造す
る際に、電子放出材料の空隙率を適切な値に保つことが
難しくなる。その結果、電子放出材料を多孔体状とする
ことが困難になるので、安定した放電の維持が難しくな
る。一方、Ｙが大きすぎると、電子放出材料の抵抗が高
くなりすぎるので、安定した放電の維持が難しくなる。
Ｚが小さすぎると、還元性雰囲気中で焼成して電子放出
材料を製造する際に、容器表面および電子放出材料表面
に炭化物および／または窒化物が形成されにくくなる。
その結果、イオンスパッタリングに対する耐性が不十分
となる。一方、Ｚが大きすぎると、還元性雰囲気中で焼
成して電子放出材料を製造する際に、容器および電子放
出材料の蒸発および飛散が激しくなる。

【００１８】電子放出材料は、多孔体であることが好ま
しい。多孔体とすることにより熱伝導率を低くすること
ができ、部分的に温度が上昇しやすくなるので、グロー
放電から速やかにアーク放電に移行させることが容易と
なり、また、安定したアーク放電の維持が容易となる。
電子放出材料が多孔体である場合、その空隙率は好まし
くは４５〜８０％、より好ましくは５５〜７５％であ
る。空隙率が低すぎると、熱電子放出のための十分な蓄
熱効果が得られなくなり、グロー放電からアーク放電へ
の移行が困難になり、移行できないこともある。一方、
空隙率が高すぎると、放電中に電子放出材料が脱落しや
すくなるため、電極の寿命が短くなってしまう。

【００１９】多孔体状の電子放出材料は、後述するよう
に、例えば、顆粒状の仮焼体を圧縮成形せずに焼成する
ことによって得られる。この方法により製造された電子
放出材料は、他の粒子と少なくとも１箇所でつながった
粒子が集合した性状を示し、各粒子の形状は、一般に、
不定形状、球状または針状となる。このような多孔体状
の電子放出材料では、容器開口側の表面（露出面）に存
在する複数の粒子のうちの１つの表面が、放電面とな
る。この放電面の平均曲率半径、すなわち、露出面に存
在する粒子の曲率半径の平均値は、好ましくは１０〜１
５０μm、より好ましくは２０〜１００μmである。な
お、粒子が不定形状の場合の曲率半径は、その粒子の外
接円の半径とする。放電面の曲率半径は、電極断面の走
査型電子顕微鏡写真から求めることができる。放電面の
曲率半径を前記範囲とすることにより、安定したアーク
放電を維持することが容易となる。アーク放電が安定し
ていないと、電圧変動が生じると共に電極に温度変動が
生じ、電極寿命が短くなってしまう。なお、曲率半径を
前記範囲内とすることは、ランプ電流が５〜５００mAで
あるときに特に有効である。ランプ電流が小さいほど放
電面の好ましい平均曲率半径が小さくなるため、具体的
な平均曲率半径は、ランプ電流に応じ上記範囲から適宜
選択すればよい。なお、ランプ電流が５mA以上であれ
ば、熱電子放出には一般に十分であり、また、管径１０
mm以下の細管ランプに適用する場合には、ランプ電流を
一般に５００mA以下とする。

【００２０】容器の形状は、一端が開放された筒状、す
なわち、底部を有する筒状であればよく、そのほかは特
に限定されないが、通常、円筒状とすることが好まし
い。容器の寸法も特に限定されず、ランプの径に応じて
適宜決定すればよいが、本発明の電極は細管ランプに特
に適しているので、容器の最大径は１〜５mmとすること
が好ましい。また、容器の長さは、０．５〜５mmとする
ことが好ましい。また、容器の側壁の厚さは、０．２〜
１mmとすることが好ましい。また、容器底部の厚さは、
０．２〜２mmとすることが好ましい。

【００２１】容器の開口側からみた電子放出材料露出面
および容器の開口側の端面には、Ｔａ、ＮｂおよびＴｉ
の少なくとも１種を含む炭化物および／または窒化物が
存在することが好ましい。この炭化物および／または窒
化物は、スパッタリング防止層を構成する。このスパッ
タリング防止層は、電極に飛来したイオンから電子放出
材料を保護するためのものである。ただし、電子放出材
料の露出面には、第１成分が露出している必要があるた
め、スパッタリング防止層は、少なくとも電子放出材料
表面において、多孔質膜ないし網目状膜である必要があ
る。スパッタリング防止層の厚さは、３〜１０μm程度
であることが好ましい。スパッタリング防止層が薄すぎ
ると、イオンスパッタリングを防ぐ効果が不十分となり
やすい。一方、スパッタリング防止層が厚すぎると、電
子放出材料を露出させることが難しくなる。なお、上記
炭化物および／または窒化物は、電子放出材料の露出面
以外にも存在していてよく、また、容器の開口側の端面
以外にも存在していてよい。

【００２２】スパッタリング防止層を構成する炭化物お
よび窒化物は、容器構成材料に比べ導電性が良好であ
る。例えば、容器表面に上記したスパッタリング防止層
を形成することにより、容器表面における比抵抗を１０
〜５００μΩcmとすることができるので、容器を導電路
として十分に機能させることが可能となる。本発明の放
電灯用電極への給電は、容器の開口側の端面のほか、容
器の外側面および／または底面を介して行うことが一般
的なので、炭化物および／または窒化物は、外側面およ
び／または底面にも存在することが好ましい。

【００２３】スパッタリング防止層に含まれるＴａ、Ｎ
ｂおよびＴｉの少なくとも１種を含む炭化物および／ま
たは窒化物としては、各元素の窒化物または炭化物のほ
か、複数の金属元素成分を含む窒化物または炭化物や、
炭素および窒素を共に含むような固溶体であってもよ
い。

【００２４】本発明では、容器の開口側からみた電子放
出材料露出面における第１成分の含有率が、容器の開口
側の端面における第１成分の含有率よりも高い。第１成
分の含有率にこのような分布をもたせることにより、前
述したようにグロー放電からアーク放電に速やかに移行
させることが可能となる。

【００２５】第１成分の含有率にこのような分布をもた
せるための手段は特に限定されない。例えば、第１の手
段として、容器の原料組成と電子放出材料の原料組成と
を異なるものとする方法が挙げられる。また、第２の手
段として、スパッタリング防止層を容器表面と電子放出
材料表面とで異なる組成とする方法が挙げられる。ま
た、第３の手段として、多孔質膜ないし網目状膜である
スパッタリング防止層の開口率を、容器表面と電子放出
材料表面とで異なるものとする方法が挙げられる。な
お、第２の手段および第３の手段を利用する場合、容器
と電子放出材料とは同一組成であってもよい。また、第
１〜第３の手段のうちの２つ以上を併用してもよい。

【００２６】なお、容器の開口側からみた電子放出材料
露出面における第１成分の含有率および容器の開口側の
端面における第１成分の含有率は、電子線プローブマイ
クロアナリシス（ＥＰＭＡ）により測定することができ
る。ＥＰＭＡによる測定に際しては、それぞれの元素に
ついて任意のカウント数を閾値とし、この閾値以上のカ
ウントを示す領域にその元素が存在するとして、第１成
分の含有率を比較すればよい。

【００２７】放電灯用電極の製造方法次に、電極の製造方法を説明する。

【００２８】図２に、電極の製造工程を示す。この製造
工程の基本的な流れは、通常のセラミックスの製造工程
と同様である。

【００２９】この製造工程では、まず、容器および電子
放出材料それぞれの組成に応じて出発原料を秤量し、混
合する（ステップＳ１）。出発原料に用いる化合物は、
酸化物または焼成により酸化物となる化合物、例えば、
炭酸塩や蓚酸塩などを用いればよいが、通常、第１成分
を含む化合物には、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃およびＣａＣ
Ｏ₃を用いることが好ましく、第２成分を含む化合物に
は、ＺｒＯ₂およびＴｉＯ₂を用いることが好ましく、第
３成分を含む化合物には、Ｔａ₂Ｏ₅およびＮｂ₂Ｏ₅を用
いることが好ましい。混合には、ボールミル法、摩擦ミ
ル法、共沈法などのいずれを用いてもよい。

【００３０】次に、混合した出発原料を仮焼する（ステ
ップＳ２）。仮焼条件は特に限定されないが、通常、８
００〜１３００℃で３０分間〜５時間程度熱処理を施せ
ばよい。仮焼は、粉末の状態で行ってもよく、粉末を成
形した状態で行ってもよい。

【００３１】次いで、得られた仮焼体をボールミル法や
気流粉砕法などにより粉砕（ステップＳ３）し、仮焼粉
を得る。そして、ポリビニルアルコール、ポリエチレン
グリコール、ポリエチレンオキサイドなどの有機系バイ
ンダを含む水溶液を用いて仮焼粉を造粒し、顆粒化する
（ステップＳ４）。造粒手段は特に限定されず、例え
ば、噴霧乾燥法、押出造粒法、転動造粒法や、乳鉢、乳
棒を用いる方法などを利用することができる。この造粒
の際に添加するバインダ量によって、電子放出材料中の
前記空隙率を制御することが可能である。また、造粒後
に有機高分子化合物を添加することによっても、前記空
隙率を制御することが可能である。

【００３２】次に、容器用の顆粒を圧縮成形し、容器形
状の成形体を得る（ステップＳ５）。このときの加圧力
は２０〜５００MPaとすることが好ましい。そして、こ
の成形体内に、電子放出材料用の顆粒を充填する（ステ
ップＳ６）。この充填の際には加圧を行わないことが好
ましい。加圧すると、造粒の際に添加したバインダや他
の高分子化合物の量によらず、必要な空隙を電子放出材
料中に形成することができなくなるので、熱電子放出の
ための十分な蓄熱効果が得られなくなる。そのため、放
電開始時に予熱が必要となってしまう。ただし、放電時
の電子放出材料の脱落を防ぐためには、容器内の顆粒は
周囲の他の顆粒のほとんどすべてと接触した状態となっ
ていることが好ましいので、このような状態を実現する
ために、必要に応じ、顆粒が変形しない程度に軽く加圧
してもよい。

【００３３】次いで、容器およびこれに充填された顆粒
を同時に還元焼成（ステップＳ７）し、焼結体（電極）
を得る（ステップＳ８）。焼成雰囲気は、水素、一酸化
炭素等の還元性ガス、アルゴン、窒素等の不活性ガスま
たは中性ガス、還元性ガスをそれぞれ含む不活性ガスま
たは中性ガスとすることが好ましい。焼成後の容器の密
度は、理論密度の６０％以上、特に８５％以上であるこ
とが好ましい。電子放出材料に前記した範囲の空隙を設
ける共に容器をこのように緻密化することにより、本発
明の効果をより向上させることができ、また、後述する
ように、容器表面と電子放出材料表面とにおける炭化物
および窒化物の生成量を異なるものとすることができ
る。

【００３４】電極表面に炭化物を形成するためには、炭
素を含有する化合物のガスをそれぞれ含む不活性ガスま
たは中性ガス雰囲気中で焼成すればよい。また、焼成の
際の脱バインダを不十分にすることにより、前記バイン
ダや前記有機高分子化合物から炭素を供給して炭化物を
形成することもできる。また、少なくとも一部が炭素か
ら構成されている焼成炉を用いたり、炉中に炭素粉や有
機高分子化合物を入れたり、成形体を炭素粉や有機高分
子化合物に埋没させて焼成したりすることによっても、
炭化物の形成が可能である。また、上記各手段の２種以
上を併用してもよい。これらのうちでは、雰囲気や炉材
料、炉内の炭素粉から炭素を供給する手段が好ましい。
一方、電極表面に窒化物を形成するためには、窒素雰囲
気中または窒素を含有する化合物を含む雰囲気中で焼成
すればよく、上記炭化物形成手段と併用することによ
り、炭化物と窒化物とを形成することが可能である。

【００３５】なお、容器と電子放出材料とを同一組成と
した場合でも、容器表面の単位面積当たりの炭化物の量
は、電子放出材料表面の単位面積当たりの炭化物の量よ
りも多くなる。また、窒化物の量も同様である。これ
は、容器となる成形体が加圧されており、電子放出材料
となる顆粒が加圧されていないためである。炭化物およ
び窒化物は、容器および電子放出材料の結晶粒界付近か
ら結晶粒を覆うように成長して膜化するが、このとき、
加圧成形されている容器において成長がより迅速に進む
ため、容器では、炭化物や窒化物に被覆される面積が電
子放出材料に比べ広くなる。したがって、両者を同じ組
成としても第１成分の含有率は容器のほうが高くなるの
で、本発明では、容器と電子放出材料とを同一組成とし
て製造の手間を省くことが可能である。

【００３６】本発明では、上記各手段のほか、真空蒸着
法やスパッタリング法などを用いて、電極表面に炭化物
および／または窒化物からなるスパッタリング防止層を
形成することもできる。これらの方法を用いる場合、炭
化物および／または窒化物が電極表面を完全に覆う前に
膜形成を止めればよい。

【００３７】焼成温度は１４００〜２０００℃とするこ
とが好ましい。焼成温度が低すぎると、複合酸化物や窒
素を含む複合酸化物の生成反応が十分に進まないため、
点灯時に電子放出材料が蒸発しやすくなる。また、焼成
温度が低すぎると、上記手段による炭化物や窒化物の形
成が困難となる。一方、焼成温度が高すぎると、顆粒に
溶融が生じるため、電子放出材料を望ましい性状とする
ことが困難となる。

【００３８】放電灯図３に、本発明の電極を用いた放電灯の構成例を示す。
なお、同図には管端部付近だけを示してある。この放電
灯は、細管化が可能な構造を有するものである。

【００３９】この放電灯は、内面に蛍光体が塗布され、
気密封止されたバルブ９を有する。バルブ９内には、希
ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅの少なくとも
１種）が封入されている。バルブ９内における希ガスの
圧力は、１３３０〜２２６００Paであることが好まし
い。希ガスの圧力をこの範囲に設定することにより、高
輝度化および長寿命化が可能となる。

【００４０】バルブ９の端部には、リード線５が挿通さ
れている。バルブ９内に存在するリード線５の端部に
は、リード線拡大部６が形成されている。リード線拡大
部６には、導電性パイプ７が接続されている。なお、他
の手段によりリード線５を導電性パイプ７に接続するこ
とが可能であれば、リード線拡大部６を設けなくてもよ
い。導電性パイプ７は、電気伝導度の高い材料から構成
すればよいが、真空中においてガス放出の少ない材料、
例えばＮｉを用いれば、放電灯製造時に不純物を含むガ
スの発生が抑えられ、安定した放電が可能となるので、
好ましい。ただし、導電性パイプ７をセラミックスから
構成してもよい。導電性パイプ７内には、これと接して
容器１が配置され、容器１内には電子放出材料２が充填
されている。また、導電性パイプ７内の容器１とリード
線拡大部６との間には、水銀ディスペンサ材料３を充填
した金属パイプ４が配置されている。金属パイプ４は、
両端が開放された筒状体であり、Ｎｉ等の金属から構成
すればよい。導電性パイプ７の金属パイプ４を包囲する
部分には、スリット状の開口（図示せず）が形成されて
いる。水銀ディスペンサ材料３中の水銀は、金属パイプ
４に対する高周波加熱などにより蒸気とされ、金属パイ
プ４とリード線拡大部６との間および金属パイプ４と容
器１との間を通り、上記開口を経て放電空間１０に放出
される。なお、上記開口は、水銀蒸気の放出が可能であ
ってかつ容器１の保持を妨げないものであれば、スリッ
ト状に限らずどのような形状であってもよい。また、水
銀ディスペンサ材料３を設けることも必須ではなく、封
止の過程で水銀をバルブ内に供給する構成としてもよ
い。

【００４１】なお、本発明の電極は、図３に示す構造の
放電灯に限らず適用可能である。例えば、前記各公報に
おいて本発明者らが既に提案している各種構造の放電灯
への適用が可能である。

【００４２】

【実施例】実施例１第１成分としてＢａ、第２成分としてＺｒ、および第３
成分としてＴａを選択し、これらの出発原料としてＢａ
ＣＯ₃、ＺｒＯ₂およびＴａ₂Ｏ₅を準備した。電子放出材
料用として、Ｂａ、ＺｒおよびＴａの比率がＢａ：Ｚｒ：Ｔａ＝１．３：０．２：０．８となるように上記出発原料を秤量し、ボールミルにより
２０時間湿式混合した。また、容器用としてＢａ：Ｚｒ：Ｔａ＝１．０：０．５：０．５となるように上記出発原料を秤量し、同様に混合した。

【００４３】次いで、混合物を乾燥した後、圧力１０MP
aで成形した。得られた成形体を空気中において１１０
０℃で２時間仮焼した。得られた仮焼物をボールミルに
より２０時間湿式粉砕し、乾燥した後、ポリビニルアル
コールを含む水溶液を加え、乳鉢と乳棒とを用いて造粒
し、顆粒化した。

【００４４】次に、容器用の顆粒を圧力２００MPaで成
形し、一端が開き他端が閉じた円筒状の成形体（密度
３．６g/cm³）を得た。この成形体内に電子放出材料用
の顆粒を充填した後、窒素ガスフロー雰囲気としたカー
ボン炉中において１６００℃で２時間焼成し、表１に示
す電極サンプルNo.１０４を得た。サンプルの寸法は、
外径２．３mm、内径（顆粒収容部の直径）１．７mm、長
さ１．７mmとした。なお、容器の密度は６．８g/cm³で
あり、理論密度の９０％以上であった。このサンプルに
おいて、電子放出材料中の金属元素成分の構成比は、Ｂａ：Ｚｒ：Ｔａ＝１．０：０．２：０．７であり、容器中の金属元素成分の構成比は、Ｂａ：Ｚｒ：Ｔａ＝１．０：０．５：０．５であった。これらの構成比は、蛍光Ｘ線分析により測定
した。

【００４５】表１において、Ａは、容器の開口側からみ
た電子放出材料の露出面における第１成分の含有率であ
り、Ｂは、容器の開口側の端面における第１成分の含有
率である。したがって、Ａ／Ｂ＞１であるサンプルが本
発明サンプルである。なお、この場合の含有率とは、Ｅ
ＰＭＡで測定した第１成分の存在比率（面積比）であ
る。ＥＰＭＡによる測定に際しては、測定対象元素につ
いてカウント数を７つのレベルに区切り、カウント数が
レベル３以上である領域にその元素が存在すると判定し
た。なお、カウント数の区切りレベル数および閾レベル
の設定をどこにするかは、Ａ／Ｂ＞１を満足するか否か
の判定には影響を与えなかった。

【００４６】表１に示すサンプルNo.１０１〜１０３
は、電子放出材料の組成を異なるものとしたほかは上記
サンプルNo.１０４と同様にして製造した電極サンプル
であり、全金属元素成分に対するＢａの比率が低いほ
ど、Ａ／Ｂが小さくなっている。

【００４７】Ａ／Ｂの測定に用いたＥＰＭＡ像を、図４
〜図９に示す。これらのＥＰＭＡ像は、電極を容器の開
口側からみたものであり、図４および図５はサンプルN
o.１０４のＢａ分布およびＴａ分布をそれぞれ示し、図
６および図７はサンプルNo.１０２のＢａ分布およびＴ
ａ分布をそれぞれ示し、図８および図９はサンプルNo.
１０１のＢａ分布およびＴａ分布をそれぞれ示す。各図
において、明度が高い領域が元素濃度の高い領域であ
る。

【００４８】図４は本発明サンプルであり、容器表面の
Ｂａはわずかであり、一方、電子放出材料表面のＢａは
比較的多量である。図６は比較サンプルであり、電子放
出材料表面に加え、容器表面にも比較的多量のＢａが存
在する。図８も比較サンプルであり、容器表面のＢａは
少ないが、電子放出材料表面のＢａも少ない。一方、Ｔ
ａ分布については、図５、図７、図９のいずれにおいて
も、容器表面および電子放出材料表面の双方にＴａが存
在していることがわかる。

【００４９】表１に示す空隙率は、断面の走査型電子顕
微鏡写真から求めた各サンプルの電子放出材料の空隙率
である。この空隙率は、顆粒に加えて有機高分子化合物
（フェノール樹脂粉末）を成形体内に充填し、その充填
量を制御することにより調整した。サンプルNo.１０４
について、軸方向と平行な断面の走査型電子顕微鏡写真
を図１０に示す。同図から、電子放出材料は針状であっ
て容器と一体化していることがわかる。なお、これらの
サンプルの放電面の平均曲率半径は、１０〜５０μmで
あった。

【００５０】これらの電極サンプルを、バルブの全長１
００mm、外径５mm、封入ガスＡｒ、封入圧力９．３kP
a、封入物Ｈｇ、駆動電源周波数３０kHz、ランプ電流３
０mAの放電灯に組み込み、グロー放電からアーク放電へ
の移行時間Ｔ_GAを測定した。結果を表１に示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１から、Ａ／Ｂ＞１であれば、移行時間
Ｔ_GAが０．５秒間以下と極めて短くなることがわかる。

【００５３】サンプルNo.１０４について、粉末Ｘ線回
折を行った。また、電子放出材料の組成、容器の組成お
よび焼成条件の少なくとも１種を変更したほかはサンプ
ルNo.１０４と同様にして作製した電極サンプルについ
ても、粉末Ｘ線回折を行った。この結果、電子放出材料
および容器のいずれにおいても、Ｂａ₇Ｔａ₆Ｏ₂₂、Ｂａ
ＴａＯ₂Ｎ、Ｂａ₅Ｔａ₄Ｏ₁₅、Ｂａ₆ＺｒＴａ₄Ｏ₁₈およ
びＢａＺｒＯ₃の少なくとも１種の結晶が確認された。
また、Ｘ線回折におけるピーク位置のシフトから、各結
晶において、Ｔａの一部のＺｒによる置換、Ｚｒの一部
のＴａによる置換が生じていると推定された。この測定
により得られたＸ線回折チャートのうち、サンプルNo.
１０４の電子放出材料および容器のものを図１１および
図１２にそれぞれ例示し、また、他のサンプルの電子放
出材料のＸ線回折チャートを図１３〜図１５に例示す
る。なお、図１５はＣｒ−Ｋαによるものであり、その
ほかはＣｕ−Ｋαによるものである。

【００５４】上記粉末Ｘ線回折では、容器表面に存在す
る炭化物の存在が明瞭に確認できなかったので、組成、
成形圧力および焼成条件を同一としてディスク状の焼結
体を作製し、これについてＸ線回折を行った。結果を図
１６に示す。図１６から、焼結体表面にＴａＣ膜が形成
されていることがわかる。また、走査型電子顕微鏡によ
り観察したところ、このＴａＣ膜が結晶膜であることが
わかった。このＴａＣ膜の比抵抗を４端子法で測定した
ところ、６０〜１８０μΩcmであった。また、このＴａ
Ｃ膜の厚さは、３〜５μmであった。

【００５５】実施例２金属元素成分の構成比がＢａ：Ｚｒ：Ｔａ＝１．２：０．３：０．７となるように出発原料を配合したほかは上記サンプルN
o.１０４と同様にして、電極サンプルを作製した。すな
わち、このサンプルでは、電子放出材料と容器とで出発
原料の配合比率を同じとした。このサンプルのＡ／Ｂは
２．０であり、本発明に含まれるものであった。

【００５６】実施例３空隙率を表２に示すものとしたほかは実施例１のサンプ
ルNo.１０４と同様にして電極サンプルを作製した。こ
れらのサンプルについて、実施例１と同様に移行時間Ｔ
_GAを測定した。また、アーク放電が持続する時間を測定
することにより、寿命を調べた。結果を表２に示す。

【００５７】

【表２】

【００５８】表２から、空隙率を４５〜８０％とするこ
とにより、Ｔ_GAが０．１秒間以下と短く、かつ、４００
０時間以上のアーク放電寿命が得られることがわかる。
これに対し空隙率が４０％であると、Ｔ_GAが１０秒以上
と著しく長くなり、寿命も著しく短くなることがわか
る。また、空隙率が８５％であっても寿命が短くなるこ
とがわかる。これは、点灯中に電子放出材料が脱落した
ためである。

【００５９】なお、表２に示すサンプルのＡ／Ｂは、す
べて５以上であった

【００６０】実施例４放電面の平均曲率半径を表３に示すものとしたほかは表
２のサンプルNo.１０４と同様にして電極サンプルを作
製した。なお、放電面の平均曲率半径の変更は、造粒後
の顆粒をメッシュで分級して顆粒の粒度を制御すること
により行った。

【００６１】これらについて、ランプ電流を表３に示す
値として、アークスポットの安定性を調べた。結果を表
３に示す。なお、表３に示す評価は、 ○：アークスポットが１０時間以上移動しない、 △：アークスポットが５分間以内に移動する、 ×：アーク放電せず（電極全体が放電するグロー放電の
み）である。

【００６２】

【表３】

【００６３】表３から、ランプ電流が５〜５００mAのと
き、放電面の平均曲率半径を１０〜１５０μmの範囲か
ら選択することにより、アークスポットの移動なく放電
を長時間持続させ得ることがわかる。アークスポットが
移動すると、電圧変動が生じてイオンスパッタリングが
生じやすくなり、また、電子放出材料に熱衝撃が加わる
ので、電極の寿命が短くなってしまう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電灯用電極の構成例を示す断面図で
ある。

【図２】本発明の放電灯用電極の製造工程を説明するた
めのフローチャートである。

【図３】本発明の放電灯用電極を有する放電灯の構成例
を示す断面図である。

【図４】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＢａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図５】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＴａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図６】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＢａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図７】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＴａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図８】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＢａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図９】セラミック材料の組織を示す図面代用写真であ
って、放電灯用電極表面のＴａ分布を示すＥＰＭＡ像で
ある。

【図１０】粒子構造を示す図面代用写真であって、放電
灯用電極断面の走査型電子顕微鏡写真である。

【図１１】電子放出材料の粉末Ｘ線回折チャートであ
る。

【図１２】容器の粉末Ｘ線回折チャートである。

【図１３】電子放出材料の粉末Ｘ線回折チャートであ
る。

【図１４】電子放出材料の粉末Ｘ線回折チャートであ
る。

【図１５】電子放出材料の粉末Ｘ線回折チャートであ
る。

【図１６】容器と同条件で作製されたディスク状焼結体
のＸ線回折チャートである。

【符号の説明】

１容器２電子放出材料３水銀ディスペンサ材料４金属パイプ５リード線６リード線拡大部７導電性パイプ９バルブ１０放電空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋誠東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者淀川正忠東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者原田拓東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内Ｆターム(参考） 5C015 AA03 CC02 CC03 CC04 CC14 EE06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が開放された筒状の容器と、この容
器内に収容された電子放出材料とを有し、容器および電子放出材料が、Ｂａ、ＳｒおよびＣａの少
なくとも１種からなる第１成分と、ＺｒおよびＴｉの少
なくとも１種からなる第２成分と、ＴａおよびＮｂの少
なくとも１種からなる第３成分とを金属元素成分として
含む複合酸化物および／または窒素を含む複合酸化物を
主成分とし、容器の開口側からみた電子放出材料の露出面における第
１成分の含有率が、容器の開口側の端面における第１成
分の含有率よりも高い放電灯用電極。
【請求項２】一端が開放された筒状の容器と、この容
器内に収容された電子放出材料とを有し、容器および電子放出材料が、Ｂａ、ＳｒおよびＣａの少
なくとも１種からなる第１成分と、ＺｒおよびＴｉの少
なくとも１種からなる第２成分と、ＴａおよびＮｂの少
なくとも１種からなる第３成分とを金属元素成分として
含む複合酸化物および／または窒素を含む複合酸化物を
主成分とし、電子放出材料が空隙率４５〜８０％の多孔体である放電
灯用電極。
【請求項３】容器の密度が理論密度の６０％以上であ
る請求項１または２の放電灯用電極。
【請求項４】放電面の平均曲率半径が１０〜１５０μ
mである請求項１〜３のいずれかの放電灯用電極。
【請求項５】容器の開口側からみた電子放出材料の露
出面および容器の開口側の端面と、容器の外側面および
／または底面とに、Ｔａ、ＮｂおよびＴｉの少なくとも
１種を含む炭化物および／または窒化物が存在する請求
項１〜４のいずれかの放電灯用電極。
【請求項６】第１成分をＭ^I、第２成分をＭ^II、第３
成分をＭ^IIIで表したとき、前記容器および前記電子放
出材料が、Ｍ^I Ｍ^II Ｏ₃型結晶、Ｍ^I ₅Ｍ^III ₄Ｏ₁₅型結晶、Ｍ^I ₇Ｍ^III ₆Ｏ₂₂型結晶、Ｍ^I Ｍ^III Ｏ₂Ｎ型結晶およびＭ^I ₆Ｍ^IIＭ^III ₄Ｏ₁₈型結晶から選択される少なくとも１種の結晶を含む請求項１〜
５のいずれかの放電灯用電極。
【請求項７】前記結晶において、Ｍ^IIIの一部がＭ^II
により置換され、Ｍ^I ^Iの一部がＭ^IIIにより置換されて
いる請求項６の放電灯用電極。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかの放電灯用電極
を有する放電灯。