JP5672571B2

JP5672571B2 - 放電ランプ

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Publication number: JP5672571B2
Application number: JP2013156308A
Authority: JP
Inventors: 優紀音嶋; 岩林　弘久; 弘久岩林
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: JP2015026554A

Description

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含有してなる放電ランプに係わるものである。

一般に、高入力で高輝度な放電ランプなどにおいては、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。例えば、特開２０１２−１５００８号公報（特許文献１）には、エミッタとして酸化トリウムを含有する放電ランプ用の陰極が開示されている。
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。

そのトリウムに代わる代替物質として、希土類元素及びその化合物を用いるものが提案されている。希土類元素は、仕事関数（一般的に、物質表面から外方へ電子が飛び出す際に必要なエネルギー量を指す）が低く電子放射に優れた物質であり、トリウムの代替物質として期待されている。
特開２００５−５１９４３５号号公報（特許文献２）には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などを含有させた放電ランプが開示されている。

しかしながら、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のような希土類酸化物は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）より蒸気圧が高いために比較的蒸発しやすい。そのため、陰極に含有させるエミッタとして酸化トリウムに代えて希土類酸化物を用いた場合、当該希土類酸化物が過度に蒸発してしまい、早期に枯渇してしまうという事態が発生する。このエミッタの枯渇により、陰極における電子放射機能が失われてしまい、フリッカーが生じてしまってランプ寿命が短くなるという問題がある。
また、電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであり、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、１ｋＷ以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の蒸気は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。

特開２０１２−１５００８号公報特開２００５−５１９４３５号公報

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、陰極にトリウム以外のエミッタを添加しても、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、当初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。

上記課題を解決するために、この発明では、前記陰極が、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、前記先端部は、エミッタ（トリウムを除く）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いて、前記焼結体の外面には凸部が形成され、前記密閉空間の内面には凹部が形成されていて、互いに係合していることを特徴とする。

本発明によれば、陰極における、本体部の先端に、トリウム以外のエミッタが含有された先端部が接合され、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、前記先端部の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いるので、放電ランプを当初に点灯する際には、先端部に含まれたエミッタ（トリウムを除く）が先端部を被覆することにより良好な点灯性がもたらされる。
そして、点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散供給されてくるので、先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性は安定的に長期間維持される。
更に、前記焼結体が、陰極内部の密閉空間の内面に螺合して埋設されているので、ランプ点灯による温度上昇によって、より焼結度合いの低い方の焼結体の焼結が進行して体積が縮小しても、焼結体の雄ネジのネジ山と、密閉空間の雌ネジのネジ溝とが軸方向のいずれかでは接触状態が保たれているので、焼結体への熱伝達と、焼結体から電極本体部もしくは先端部へのエミッタの熱拡散が良好に確保されるという効果を奏するものである。

本発明に係る陰極構造を有する放電ランプの全体図。本発明の実施例を表す陰極構造図。本発明の陰極の製造工程図。本発明の陰極構造の効果を説明する断面図。図４の拡大断面図。

図１は、この発明の陰極構造を有する放電ランプの全体構造を示し、放電ランプ１は発光管２の内部に陰極３と陽極４とが対向配置されている。
図２に示されるように、陰極３は、本体部３１と、その先端に接合された先端部３２とからなる。
前記本体部３１は、トリウムを含まない、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３２は、前記本体部３１の先端側、即ち、陽極４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。当該先端部３２には、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている（以下、先端部に含まれるエミッタを第１エミッタともいう）。
このトリウム以外の第１エミッタとしては、例えば、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）あるいは酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。

ここで、第１エミッタの含有量は、例えば、０．５重量％〜５．０重量％と低めに設定される。この第１エミッタは、ランプの当初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。
つまり、第１エミッタの含有量が、０．５重量％未満の場合、点灯初期において電子放出に必要となるエミッタ濃度を確保できず、ランプ電圧の上昇や変動の増大が、発生する。また、含有量が、５．０重量％を超えてしまうと、タングステン材料等の製造の際に、焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスウェージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなるだけでなく、仮に、製造できた場合でも、先端部に使用した場合に、エミッタの蒸発が顕著になり、バルブの黒化（白濁）を促進してしまうため好ましくない。

図２に示されるように、陰極３の内部には、密閉空間３３が形成されていて、該密閉空間３３内には、トリウム以外のエミッタが含有された焼結体３４が埋設されている。
前記密閉空間３３の内表面には、雌ネジ３３ａが螺設されており、一方、前記焼結体３４の外表面には、雄ネジ３４ａが螺設されていて、両者は互いに螺合している。
図２（Ａ）は、密閉空間３３が本体部３１側に形成されていて、焼結体３４は実質的には、該本体部３１内に埋設されている。
図２（Ｂ）は、密閉空間３３が、本体部３１と先端部３２とに跨って形成されていて、焼結体３４はこの本体部３１と先端部３２とに跨るように埋設されている。
図２（Ｃ）は、密閉空間３３が先端部３２側に形成されていて、焼結体３４は、実質的には、該先端部３２内に埋設されている。
当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部３２の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものであり、そのいずれを選択するかは、製造面での容易性と、先端部３２の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。

前記焼結体３４には、トリウム以外のエミッタ（以下、焼結体３４に含有されるエミッタを第２エミッタともいう）が含有されていて、例えば、前記した先端部３２に有されるものと同様に、タングステン等の構成材料に、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化サマリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジムあるいは酸化ハフニウムの単体もしくはその組み合わせを混入して、焼結したものが使われる。
そして、この焼結体３４に含有される第２エミッタの濃度は、前記先端部３２に含有される第１エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、１０重量％〜８０重量％である。
この第２エミッタの濃度が、１０重量％未満であると、陰極３内部に格納できる焼結体３４のサイズの関係から、陰極先端部３２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３４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。

この焼結体３４中に含有する第２エミッタは、陰極３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。また、焼結体３４はランプ点灯に伴い適宜に加熱され、該焼結体３４中の第２エミッタは、本体部３１または先端部３２との接触面を介して、熱拡散、濃度拡散によって先端部３２側に移動供給されていく。これにより、先端部３２ではエミッタが枯渇することがなく、安定的な点灯性が持続される。

本発明に係る陰極の製造工程を、図３を用いて説明する。
陰極３内部の密閉空間３３内に埋設する焼結体３４は、エミッタ（ＣｅＯ_２）とタングステン（Ｗ）の配合比を、重量比で１：２として、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を行う。この後、水素中で１０００℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、真空中での本焼結をタングステン炉中において、１７００〜２０００℃、好ましくは１８００〜１９００℃、１ｈで行うことで、製作する。なお、これより以上のあまり高い温度で焼結を行うと、高濃度で混入されたエミッタが蒸発して消失してしまい、高濃度で混入した意味が失われてしまうので、好ましくはない。
その後、焼結体３４の表面に雄ネジ３４ａを切削加工する。

一方、陰極３の本体部３１は、ＺｒＯ_２ドープタングステンであり、先端部３２は、Ｌａ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２ドープタングステンである。ともに、真空中で２３００℃〜２５００℃の温度で焼結する。このようにエミッタが含有されたタングステンをより高い温度（例えば、３０００℃）で焼結すると、エミッタが蒸発して消失してしまうので、好ましくはない。
なお、本体部３１にエミッタを含有しない形態の場合には、それよりももっと高い温度、例えば２７００℃〜３０００℃で焼結することもできる。
そして、この陰極３の本体部３１および／または先端部３２に形成された密閉空間３３の内表面には雌ネジ３３ａが切削加工されている。

先ず図３（Ａ）に示すように、本体部３１の先端側に開口する密閉空間３３の内表面の雌ネジ３３ａに、焼結体３４の雄ネジ３４ａを螺合しつつ該焼結体３４をネジ込んで密閉空間３３内に埋設する。
次いで、図３（Ｂ）に示すように、先端部３２を本体部３１に当接し、これを押圧した状態で、拡散接合やスポット溶接等により両者を接合する。
先端部３２と本体部３１の接合後に、図３（Ｃ）に示すように、陰極３の先端を所定形状に切削加工する。
これにより、図３（Ｄ）に示すように、本体部３１の先端に先端部３２が接合され、その内部の密閉空間３３内に焼結体３４が螺合して密閉埋設された陰極３の最終形状が得られる。

また、上記以外の製造方法として、焼結体を予め成形・焼結することなく、陰極内の密閉空間内に粉体を充填し、加圧成型した後に密閉空間内で焼結する方法によることも可能である。
即ち、本体部または先端部において、密閉空間となる空所の内表面に円周方向に延在する溝状の凹部を予め形成し、該空所内に、バインダを含まないエミッタ（ＣｅＯ_２）とタングステン（Ｗ）の粉末を混合して、充填する。これを加圧プレス機によって加圧成型を行うと、粉末は空所の凹部内に侵入して凸部が形成される。
これを、水素中で１０００℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、本焼結を行う。本焼結は、真空中で、タングステン炉中において、１７００〜２０００℃、好ましくは１８００〜１９００℃、１ｈで行う。なお、エミッタ（ＣｅＯ_２）とタングステン（Ｗ）との配合比は、例えば１：２（重量比）である。
この方法で焼結体を焼結する場合、空所（密閉空間）の内面に形成される円周方向の凹部は、ネジ状（螺旋状）であってもよいし、円周方向に形成される独立溝形状であってもよい。

こうして形成された、本発明の陰極３を構成する本体部３１および先端部３２と、焼結体３４の機能と作用について図４および図５に基づいて説明する。
上記したように、高濃度にエミッタが混入された焼結体３３は、エミッタの蒸発消失を避ける意味で、本体部３１や先端部３２よりも低い温度で焼結され、しかも、本体部３１や先端部３２のようにスウェージ処理が行われない。そのため、ランプ点灯によって高温になると、焼結が進み、その体積が縮小して、密閉空間３３の内壁面との接触状態が十分なものとはならない傾向にある。
然しながら、本発明では、互いにネジによって螺合しているので、図４に見られるように、焼結体３４が軸方向および径方向に縮小しても、その焼結体３４のネジ山３４ａと、密閉空間３３のネジ溝３３ａとは、軸方向のいずれかでは接触状態が保たれている。

そのため、図５に示すように、ネジ山３４ａとネジ溝３３ａの接触面を介して、陰極本体部３１（もしくは先端部３２）からの熱伝達が十分に確保され、また、これによって焼結体３４から本体部（先端部３２）へのエミッタの拡散が滞ることなく確保される。これにより、高濃度エミッタの焼結体３４から陰極本体部３１および先端部３２へのエミッタの拡散が円滑に行われて、それが先端部３２に粒界拡散されていくので、先端部３２でのエミタの枯渇といった事態に見舞われることがない。
なお、この現象は、焼結体表面に形成される凸部と、密閉空間内面に形成される凹部が係合している場合においても全く同様である。

本発明の陰極構造について一具体例を示すと以下の通りである。
放電ランプ：デジタルシネマ用キセノンランプ
電気特性：電流１６０〜１７０Ａ、電圧３９〜４５Ｖ、定格電力：約７０００Ｗ
陰極の外径：φ１２ｍｍ、全長：２０ｍｍ
先端部の寸法：テーパ角４０°、先端径０．６〜１．０ｍｍ
ガス圧：静圧の状態で約１．０ＭＰａ（点灯中の圧力５．０ＭＰａと推定）
焼結体：エミッタは酸化バリウム
酸化バリウム粉末とタングステン粉末を混合し、型に入れて加圧し円柱
状の粉末成形体を作成。これを、１０００℃程度で仮焼結を行った後、
再結晶温度近傍の１５００〜１８００℃で焼成して、焼結体を作製。
この焼結体の外表面に雄ネジ山を旋盤により切削加工。

以上説明したように、本発明においては、陰極にトリウム以外のエミッタを添加した放電ランプにおいて、本体部に接合される先端部にエミッタを含有させてあるので、ランプの当初の始動時にこのエミッタが始動性を確保して確実な点灯が行われる。
そして、陰極内部に密封埋設した焼結体には、前記先端部の第１エミッタよりも高濃度の第２エミッタが含有されているので、ランプ点灯に伴ってこの第２エミッタが拡散して、先端部側に移動して供給されるので、先端部でエミッタが枯渇するという心配がなく、継続的なエミッタ供給による安定的な点灯が確保される。
この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の蒸気圧の低いエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。
更には、焼結体と陰極の密閉空間とは凹凸部が係合しているので、ランプ点灯で焼結体の焼結度合いが進行して縮小しても、凹凸部分のいずれかでは焼結体と、本体部または先端部との接触状態が維持され、この接触部を介して本体部或いは先端部から焼結体への熱伝達が円滑になされ、また、焼結体から、本体部または先端部へのエミッタの拡散が確実になされて、先端部へのエミッタの供給が滞ることがない。

１放電ランプ
２発光管
３陰極
３１本体部
３２先端部
３３密閉空間
３３ａ雌ネジ
３４焼結体
３４ａ雄ネジ
４陽極

Claims

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、
前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
前記先端部は、エミッタ（トリウムを除く）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おり、
前記焼結体の外面には円周方向の凸部が形成され、前記密閉空間の内面には円周方向の凹部が形成されていて、互いに係合していることを特徴とする放電ランプ。
前記焼結体の外面の凸部が雄ネジであり、前記密閉空間の内面の凹部が雌ネジであって、互いに螺合していることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。