JP5812053B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明はショートアーク型放電ランプに関し、特に、陰極電子放射部に電子放射性物質を含有する陰極が設けられたショートアーク型放電ランプに係わるものである。

通常、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプや、半導体露光、ＬＣＤ露光用などの光源として利用される水銀を封入したショートアーク型放電ランプでは、直流点灯方式のランプが使用されている。
その典型的な一例が図１に示されている。放電ランプ１００は発光部４０とその両端の封止部５０、５０とからなる発光管６０を有し、前記発光部４０内には、陰極１０と陽極２０とが対向配置されていて、直流点灯される。
このように、放電ランプを直流点灯することで、アークの輝点を陰極先端に固定し、点光源とすることで光学系と組み合わされた時に高い光の利用効率を実現するものとされている。
このような直流点灯方式の放電ランプに用いられる陰極は、定常点灯時に常時電子を放出する役割を担うため、電子放射を容易にすべく、高融点金属に電子放射性物質を混入して構成されたものが多用されている。

そして、この電子放射性物質としては、点光源および高輝度が要求される放電ランプにおいては、陰極先端の動作温度を高くできるものとしてトリウムが一般的に使用されている。しかしながら、トリウムは放射性物質であるため、昨今ではその扱いが厳しく規制されてきており、陰極にトリウムを用いざるを得ないとしても、トリウム含有量を極限まで減らすことが要求されている。
このような観点から、陰極先端にのみトリウムを含有したチップを設けるようにした陰極構造が、上記した昨今の要請にマッチしたものとして使用されるようになってきている。

従来、このような陰極の先端に電子放射性物質を含有させたチップを設けた構造のものとして、例えば、特開昭６２−２４１２５３号公報（特許文献１）に示されるように、電極基材に有底穴からなる凹部を形成し、この凹部に電子放射性物質を含有したチップを圧入などの手段で機械的に埋設したものが知られており、また、特開２０１１−１５４９２７号公報（特許文献２）に示されるように、電極基材に対して電子放射性物質のチップを拡散接合したものが知られている。

ところが、上記従来技術においては、それぞれ下記のような問題点がある。
特許文献１に示された陰極構造では、高融点金属の電極基材に形成された凹部に、電子放射性物質を含有した焼結体（チップ）を圧入する方法では、焼結体の密度が低く耐久も低いので、圧入時にチップあるいは電極基材が破損することがあり、歩留まりが悪くなるという問題がある。

また、特許文献２のものでは、高融点金属からなる電極基材と、電子放射性物質を含有した焼結体とを、高温中で加圧当接させて、拡散接合により接続する。その方法として例えば、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ焼結法）が挙げられるが、まず、この放電プラズマ装置は高価であるため、工業的に生産可能なまで設備を整えるのに高いコストを要するという問題がある。
そして、その製造工程では、接合させる部材同士を当接した状態で圧力を加え、所定の焼結温度まで昇温させた後、この状態を一定時間保持しなければならない。このため、製造に多大な熱量と時間を要することになる。このように、異種の材料を結合して陰極材を製造することには様々な困難がつきまとっていた。

特開昭６２−２４１２５３号公報 特開２０１１−１５４９２７号公報

この発明が解決しようとする課題は、先端に易電子放射性物質を含有する電子放射部を設けた放電ランプ用陰極において、簡便な構造により製造が容易で製造コストが低く、かつ破損しにくい構造の陰極を提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明は、発光管内に陰極および陽極が対向配置され、前記陰極は、易電子放射性物質としてトリウムが添加されたタングステンからなる電子放射部と、タングステンからなる電極本体部と、を具備するショートアーク型放電ランプにおいて、前記電極本体部の先端側に凹部と、該凹部の周囲に環状平坦面部とが形成され、前記電子放射部は、先端が円錐台形状であり、その後端側が該凹部に収容されるとともに先端側が該凹部より突出していることを特徴とする。

また、本願発明は、前記電子放射部は、先端面とその後端側に連続する第１のテーパ面部を備え、前記電極本体部は、該第１のテーパ面部のテーパ面を延長して形成される仮想テーパ面よりも内側に配置されることを特徴とする。

また、本願発明は、前記電極本体部は、環状平坦部面の後端側に連続する第２のテーパ面部を備え、
該第１のテーパ面部のテーパ面を延長して形成される仮想テーパ面と、該第２のテーパ面部のテーパ面とが一致することを特徴とする。

また、本願発明は、前記電子放射部の一部の表面には、前記環状平坦面部から先端に向かって炭化タングステン部が形成されていることを特徴とする。

また、本願発明は、前記電子放射部の先端面と、その後端側に連続する第１のテーパ面部と、その後端側に連続し前記凹部より突出している円柱状側面部と、前記電極本体部の環状平坦面部と、その後端側に連続する第２のテーパ面部の、各々の表面の総面積からなるテーパ部面積Ｓ１と、前記炭化タングステン部が形成された領域の総面積からなる炭化面積Ｓ２とが、０．１≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５の関係を満たすことを特徴とする。

前記電子放射部は、先端が円錐台形状をしており、最先端に位置する平面状の先端面部と、この先端面より後端側に連続するテーパ面状のテーパ面部と、このテーパ面部より後端側に連続する円柱状側面部を備えており、
前記電極本体部は、前記環状平坦面部の後端側にテーパ面部と、その後端側に向かって直線状に伸びる円柱状側面部を備えており、
前記電子放射部の前記円柱状側面部の直径ａと、前記環状平坦面部の幅ｂと、前記電極本体部の円柱状側面部の直径ｃの比率は、０．１６ ≦ ｂ／ａ ≦ ０．２４ 、且つ、ａ／ｃ≧０．３９ の関係を満たす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。

また、本願発明は、前記電子放射部の後端は前記電極本体部の凹部の底面と当接されるよう該凹部に収容されており、前記電子放射部の後端と前記電極本体部の間には、環状の空隙が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、陰極は電子放射部の後端側の部分が電極本体部の先端側に形成された凹部に収容され、この凹部の開口面の部分が一定の幅を有する環状平坦面部に囲まれていることにより、環状保持部が一定の肉厚を有して電子放射部を保持する構造である。これにより、簡便な構造により製造が容易で製造コストが低く、かつ破損しにくい構造の陰極を提供することができる。

また、本発明によれば、電極本体部は、第１のテーパ面部のテーパ面を延長して形成される仮想テーパ面よりも内側に配置されることにより、第１のテーパ面部の外側を通過してきた光を遮蔽することがない。

また、本発明によれば、第１のテーパ面部のなすテーパ面の延長上にある仮想テーパ面と、第２のテーパ面部１２のなすテーパ面を一致させることにより、先端温度の過度な上昇を防止し、かつ熱応力による破損を防止することができる。

また、本発明によれば、電極本体部の凹部より突出した電子放射部の一部の表面に、環状平坦面部から先端に向かって炭化タングステン部が形成されていることにより、酸化物の状態で含有されている易電子放射性物質の還元を促進するとともに、電極本体部の破損を防止することができる。

また本発明によれば、電子放射部の先端面と、第１のテーパ面部と、その後端側に連続し前記凹部より突出している円柱状側面部と、環状平坦面部と、第２のテーパ面部の各々の表面の総面積からなるテーパ部面積Ｓ１と、前記電子放射部に形成された炭化タングステン部の総面積からなる炭化面積Ｓ２との面積比率（Ｓ２／Ｓ１）が１０％以上に規定されることにより、電子放射部に含有される易電子放射性物質の還元を不足なく行えるためランプ寿命を長くすることができる。また、Ｓ２／Ｓ１が３５％以下に規定することで、過剰な炭素供給に伴う先端形状の変形や、ランプの黒化を防止することができる。

また本発明によれば、前記電子放射部の先端が円錐台形状をしており、最先端に位置する平面状の先端面部と、この先端面より後端側に連続するテーパ面状のテーパ面部と、このテーパ面部より後端側に連続する円柱状側面部を備えており、前記電子放射部の前記円柱状側面部の直径ａと環状平坦面部の幅ｂの比率（ｂ／ａ）が１６％以上に規定することにより、電極本体部と電子放射部の熱膨張差に伴う応力負荷で電極本体部にクラックや割れが生じることがなく、ｂ／ａを２４％以下に抑えることで電子放射部の直径ａが相対的に小さくならず、易電子放射性物質の供給に悪影響を来すことがない。
また上記条件に加えて、前記電子放射部の前記円柱状側面部の直径ａと電極本体部の円柱状側面部の直径ｃの比率（ａ／ｃ）が３９％以上とすることで、電極本体部に対する電子放射部の大きさが担保され、陽電子放射性物質の供給が不足することがない。

また本発明によれば、電子放射部から電極本体部への熱伝導を良好なものとするため、電子放射部の後端が電極本体部の凹部の底面と当接される。この際、電子放射部を電極本体部に嵌め合わせているため、各々の熱膨張差に伴う応力負荷が前記凹部の局部に応力集中してしまうが、前記電子放射部の後端と前記電極本体部の間に環状の空隙を形成することで、前記の応力負荷を緩和させることができる。

ショートアーク型放電ランプを示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る陰極の断面図である。 本発明に係る陰極のテーパ角度について説明する断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る陰極の図である。 本発明に係る陰極の製造工程図である。 本発明に係る環状平坦面部について説明する断面図である。 本発明における炭化面積とランプ寿命の関係を示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る陰極の図である。

以下に図を参照しながら説明する。図１にショートアーク型放電ランプを示す。
本発明に係るショートアーク型放電ランプは、主に陰極の構造に係るものであり、それ以外の構成については一般的なショートアーク型放電ランプと同様であるから、その説明には図１を用いる。
放電ランプ１００は発光部４０とその両端の封止部５０、５０とからなる発光管６０（両端の封止部５０、５０を含む）を有し、前記発光部４０内には、陰極１０と陽極２０とが対向配置されていて、直流電流にて点灯されるものである。
発光管６０内には、発光ガスとして希ガス、または希ガスおよび水銀が封入される。希ガスは具体的には例えばキセノンガスである。

図２は本発明の第一の実施形態に係る陰極を示す断面図である。
この図において、陰極１０は、電極本体部１の先端側に形成された有底円筒状の凹部２の内部に、電子放射部３の後端側の部分が嵌め合わされて収容されており、先端側の部分がこの凹部２より突出している。
電子放射部３は、円錐台形状をしており、最先端に位置する平面状の先端面部３１と、この先端面３１より後端側に連続するテーパ面状のテーパ面部３２（第１のテーパ面部３２）と、このテーパ面部３２より後端側に連続する円柱状側面部３３（第１の円柱状側面部３３）を備えている。

この電子放射部３を構成するのは、トリウムなどの易電子放射性物質（エミッタ）を備える高融点金属である。具体的には、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を２ｗｔ％含有するタングステン（トリエーテッドタングステン）である。さらには、理論密度（タングステン充填率ともいう）が９０％以上である、鍛造されたトリエーテッドタングステンである。
電子放射部３は、このような易電子放射性物質が含有されていることにより、先端面３１の仕事関数を低下させ、点灯始動が容易になるという機能を担っている。

電極本体部１は、その先端側に形成された凹部２の周囲を囲む肉厚の部分である環状保持部５を備えている。この環状保持部５は、その先端側に凹部２の開口面の周囲に形成された、これを囲む面である環状平坦面部１１を備えている。そしてこの環状平坦面部１１の後端側に、テーパ面部１２（第２のテーパ面部１２）を備えている。
テーパ面部１２の後端側は、後端側に向かって直線状に伸びる円柱状側面部１３（第２の円柱状側面部１３）である。
このように、電極本体部１は、電子放射部３を保持する機能を有しており、環状保持部５によって電子放射部３を強固に保持することができる。

電極本体部１を構成する材料は、高融点金属であり、具体的にはタングステンである。この「タングステン」とは添加物としてトリウムを添加していないタングステンを意味するものである。とりわけ、トリウムが添加されていない純度が高い純タングステンが好ましく、さらに好ましくは純度が９９．９９％以上の純タングステンである。また、電子放射部と同様に、理論密度（タングステン充填率ともいう）が９０％以上であるタングステンである。
なお、放射性を有する易電子放射性物質であるトリウムを除く易電子放射性物質、例えばランタンやセリウム等の希土類金属の酸化物であれば、放射性物質に対する規制を受けないため電極本体部１に含有されていてもよい。
また、電子放射部、電極本体部ともに密度が高いことにより、電子放射部３を電極本体部１の環状保持部により保持しても、電子放射部３が破損することがない。

電子放射部３に含有される易電子放射性物質は、通常、タングステンなどの高融点金属よりも熱膨張係数の高い材料であり、そのため、電子放射部３は電極本体部１よりも熱膨張係数が大きい材料である。
したがって、ランプの点灯中における１，０００℃以上という温度状況では、電子放射部３と電極本体部１との間に熱応力が発生する。
本発明の陰極は、電子放射部３が先端側において開放されているため、熱応力は、軸方向ではなく周方向に発生し、特に環状保持部５の凹部２と、円柱状側面部３３の間に発生する。
そのため、環状平坦面部１１の厚みが無いような形状であると耐久性が低く、応力によってかかる負荷に耐え切れず、環状保持部５が破損してしまう場合がある。
したがって、環状保持部５は、先端側の環状平坦面部１１に一定の幅があって肉厚が確保されていることが好ましい。

本発明では、上記したように電子放射部３が円柱状側面部３３と、電極本体部１の環状平坦面部１１との間による段部が形成された状態となっている。環状平坦面部１１は、一定の幅を有して段部を形成していることが好ましく、幅は例えば０．８ｍｍ〜１．０ｍｍである。

電子放射部３のうち、電極本体部１の凹部２に埋設されている後方の部分は、易電子放射性物質貯蔵部として機能する。すなわち、凹部２より突出していないこの部分に蓄えられた易電子放射性物質は、電子放射部３の先端側に含有されていた易電子放射性物質が、蒸発により陰極先端から消失した後に、漸次後端側より先端側へ供給されるというものである。

また、電極本体部１は、第１のテーパ面部３２のなすテーパ面の延長上にある仮想テーパ面ＶＴＦよりも内側に位置することが好ましい。ここで内側とは、電極中心軸に近づく方向であり、離れる方向を外側とする。
図３に本発明に係る陰極のテーパ角度を示す。第１のテーパ面部３２のテーパ角度αは、輝点Ｐより放射される光を遮蔽しないこと、一定の体積を有することで熱容量を確保し先端温度が過度に上昇しないこと、および電極本体部１が熱応力によって破損しないことを考慮して定められる。
まず、第２のテーパ面部１２が第１のテーパ面部３２の延長線上より外側に位置することとなると、輝点から放射された光を遮蔽することとなってしまう。
そのため、まず電極本体部１、例えばこの図においては第２のテーパ面部１２は、第１のテーパ面部３２のなすテーパ面の延長上にある仮想テーパ面ＶＴＦよりも内側に位置することが好ましい。
これにより、第１のテーパ面部３２の外側を通過してきた光を遮蔽せずに通過させることができる。

また、第２のテーパ面部１２は、第１のテーパ面部３２の延長線上よりも内側にあればよいが、内側に配置すればするほど電極本体部１は細くなってしまう。すなわち、電極本体部１の体積が減少して熱容量が低下するため、先端温度の過度な上昇の要因となるし、熱応力によって電極本体部１が破損しやすくなってしまう。
そこで、第１のテーパ面部３２のテーパ角度αと、第２のテーパ面部１２のテーパ角度αとを等しくし、かつ、第１のテーパ面部３２のなすテーパ面の延長上にある仮想テーパ面ＶＴＦと、第２のテーパ面部１２のなすテーパ面を一致させることがより好ましい。これにより、光の遮蔽を防止することに加えて、先端温度の過度な上昇を防止し、かつ熱応力による破損を防止することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る陰極を示す図である。本実施形態においては、後述する炭化タングステン部を形成することのみが第一の実施形態と相違するものであるから、炭化タングステン部に関する説明以外は、第一の実施形態と同様のものであるとして説明を省略する。

この図において、電子放射部３の一部の表面には、環状平坦面部１１から先端側に向かって炭化タングステン部３４が設けられている。さらに詳細には、環状平坦面部１１より先端側の領域であって、凹部２より突出している円柱状側面部３３１、および第１のテーパ面部３２の一部の表層に形成されている。
また、凹部２に収容されている円柱状側面部３３２の表面には 炭化タングステン部３４は形成されていない。
この炭化タングステン部３４は、酸化物の形態で電子放射部３に含有されている易電子放射性物質の還元を促進するとともに、先端面３１に気相を介して炭素を供給するという機能を有している。
なお、この炭化タングステン部３４は、過度な炭素の供給を防止するために少なくとも先端面３１より後端側に所定の距離Ｌ後退した領域には設けられていない。ここで所定の距離Ｌは、例えば２〜６ｍｍである。

具体的には、易電子放射性物質がトリウムであり、その酸化物が酸化トリウム（ＴｈＯ_２）である場合、炭化タングステン部３４が形成された電子放射部３の表面において、所定の温度条件の下、ＴｈＯ_２＋２Ｗ_２Ｃ→Ｔｈ＋４Ｗ＋２ＣＯという反応が生じる。この反応が生じることにより、酸化物の形態で含有されている易電子放射性物質の還元を促進するとともに、先端面３１に気相を介して炭素を供給するという効果を奏する。
しかし、この炭化タングステン部３４は、上式のとおり、酸化物が存在しない領域に形成しても、効果はあまり望めない。したがって、環状平坦面部１１より先端側であって、酸化物が含有されている電子放射部３の後端側の領域に形成することが好ましい。
ここで、凹部２に収容されている円柱状側面部３３２に炭化タングステン部を形成してしまうと、これに接触する電極本体部１の凹部の内壁の炭化が進行してしまい、強度が低下するために破損の要因となる。そのため、凹部２に収容されている円柱状側面部３３２の表面には 炭化タングステン部３４は形成されていないことが好ましい。

図５は、本発明にかかる陰極の製造方法を説明するための図である。
図５（Ａ）において、電極本体部１となる円柱状の電極基材１´は、高融点金属、好適にはタングステンよりなり、特に添加物が添加されていない純度が高い純タングステンが好ましく、さらに好ましくは純度が９９．９９％以上の純タングステンである。
該基材１´の先端面１´Ａの中心には軸方向に断面円形の有底穴からなる凹部２が形成されている。前記基材１´は、例えば、その直径がφ１２ｍｍで、長さが２５ｍｍである。凹部２は、直径がφ６ｍｍよりも４〜１２μｍ程度小さく形成されており、その深さは４ｍｍである。
図５（Ｂ）に示すように、この基材１´を、凹部２の開口が上を向くように電気炉の内部に載置し、ヒータＨによって約６００℃程度の温度に加熱する。

そして、電子放射性物質を含有するチップ３´を用意し、加熱されて熱膨張した状態の基材１´の凹部２内に挿入する。
前記チップ３´は、電子放射性物質が添加された高融点金属であり、具体的にはタングステンに対して酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が２重量％添加された、理論密度が９０％以上であるトリエーテッドタングステンである。
前記チップ３´の直径は、φ６ｍｍであり、長さは１４ｍｍであるが、その直径は、常温において前記凹部２の直径に対して４〜１２μｍの範囲で大きいことが望ましい。また、その長さは、前記凹部２を構成する有底穴の深さ（４ｍｍ）と比較して、その全長が長く、挿入されたとき先端が基材１´より突出する。

図５（Ｃ）に示すように、加熱された状態の基材１´の凹部２にチップ３´を挿入する。チップ３´は凹部２内に完全に挿入されても、その先端は基材１´の先端面１´Ａから突出する。
前記チップ３´を基材１´に挿入する段階では、基材１´は加熱されて熱膨張している状態であるので、Ｘ部拡大図に示すように、チップ３´と凹部２との間には若干の間隙Ｓが形成されていて、チップ３´の挿入は、圧入による必要がなく容易に挿入される。

その後、電気炉を停止させて、基材１´を常温になるまで冷却する。
図５（Ｄ）に示すように、この冷却により、基材１´は収縮して、そのＸ部拡大図に示すように、基材１´の凹部２とチップ３´とは密着し、その間には隙間はなくなり、基材１´とチップ３´とは嵌合される。

その後、図５（Ｅ）に示すように、基材１´およびチップ３´の先端を略テーパ状に切削加工する。
電子放射部３の先端には先端面３１が残るように切削される。そして、基材１´もその環状平坦面部１１が残るように切削加工されるのがよく、これにより、チップ３´を挿入する凹部２の開口周縁部分が薄肉になりすぎず、一定量の肉厚が確保できて、安定的な電子放射部３の保持ができる。

また、図４に示した陰極を製造する場合は、図５（Ｆ）に示すように、図に示すように炭化タングステン部３４を所定の位置に形成する。炭化タングステン部３４は、炭素を有機溶剤などのバインダと混合したものを陰極表面にハケなどにより塗布し、その後焼成することによって形成することができる。

以上説明したように、本発明の放電ランプ用陰極は、簡便な構造により、後述するように製造工程も少なく、特別な装置も必要ないので、製造コストが低く抑えられるものである。
また、冷却による収縮で接合するので、チップは全周方向から圧力を受けるため、電子放射部と電極本体部との間に応力が生じたとしても、機械的に破損することが回避することができる。

図６は、本発明に係る電子放射部の径や環状平坦面部の幅について説明したものである。電子放射部３は、先端が円錐台形状をしており、最先端に位置する平面状の先端面部３１と、この先端面３１より後端側に連続するテーパ面状のテーパ面部３２（第１のテーパ面部３２）と、このテーパ面部３２より後端側に連続する円柱状側面部３３（第１の円柱状側面部３３）を備えている。また電極本体部１は、その先端側に形成された凹部２の周囲を囲む肉厚の部分である環状保持部５と、その先端側に凹部２の開口面の周囲に形成された環状平坦面部１１とを備え、この環状平坦面部１１の後端側にテーパ面部１２（第２のテーパ面部１２）と、その後端側に向かって直線状に伸びる円柱状側面部１３（第２の円柱状側面部１３）を備えている。環状平坦面部１１の幅は、電子放射部３の前記円柱状側面部３３の直径の大小に応じて適宜変更することが望ましい。具体的には、前記円柱状側面部３３の直径ａと環状平坦面部１１の幅ｂ、前記電極本体部１の円柱状側面部１３の直径ｃの各々の比率が、０．１６≦ｂ／ａ≦０．２４であり、且つ、ａ／ｃ≧０．３９の関係を満たす形態であることが好ましい。
例えば、前記電子放射部の前記円柱状側面部の直径ａと環状平坦面部の幅ｂの比率（ｂ／ａ）が１６％以上に規定することにより、環状平坦面部の幅ｂが十分に確保されて強度が高くなり、電極本体部と電子放射部の熱膨張差に伴う応力負荷によるクラックや割れの発生を防ぐことができる。また、ｂ／ａを２４％以下に抑えることで、電子放射部が相対的に小さくなりすぎず、ランプ寿命に悪影響を及ぼすことがない。加えて、電子放射部の円柱状側面部の直径ａと電極本体部の円柱状側面部の直径ｃの比率（ａ／ｃ）が３９％以上に調整されることにより、電極本体部に対する電子放射部の大きさが担保され、陽電子放射性物質の供給を不足させず、ランプ寿命を悪化させることがない。

表１は、電子放射部の円柱状側面部の直径ａと環状平坦面部の幅ｂ、電極本体部の直径ｃのそれぞれの比率を適宜変更した９つのサンプルを比較したものである。表１に示す評価結果は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ９は７０００Ｗ、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８は４０００Ｗの点灯条件で継続点灯した場合のものである。尚、クラックの評価は、点灯後に電極本体部にクラックが在るものを「×」と判定した。また寿命の評価は、フリッカーに至るまでの点灯時間が５００時間以下であるものを「×」と判定した。

表１に示すとおり、ｂ／ａの比率が１６％以上の場合であれば、環状平坦面部の幅ｂが十分確保でき、電子放射部の膨張に伴う応力負荷が発生しても電極本体部にクラックや割れは生じない。また、ｂ／ａの比率が２４％を超える場合においては、環状平坦面部の幅ｂが必要以上に大きくなり、電子放射部３が相対的に小さくなる。そのため、電子放射部３に含有される易電子放射性物質の割合が相対的に小さくなり、電子放射部から易電子放射性物質が枯渇しやすく、点灯始動性を悪化させてしまう。そのためｂ／ａの比率は２４％以下であることが好ましい。

図７は、電子放射部に形成される炭化タングステンの形成範囲と、当該ランプの寿命の関係を示したものである。尚、テーパ部面積Ｓ１は、電子放射部３の先端面３１と、その後端側に連続する第１のテーパ面部３２と、その後端側に連続し前記凹部より突出している円柱状側面部３３１と、前記電極本体部１の環状平坦面部１１と、その後端側に連続する第２のテーパ面部１２と、からなる表面の総面積である。また炭化面積Ｓ２は、炭化タングステン部３４が形成される領域の総面積である。また図７中の破線は、従来例として陰極がトリエーテッドタングステンのみからなるランプを用いた場合の平均寿命時間である。

図７に示されるように、テーパ部面積Ｓ１における炭化面積Ｓ２は、その面積比率（Ｓ２／Ｓ１）が１０％以上であることが好ましい。これは面積比率（Ｓ２／Ｓ１）が１０％でランプ寿命時間が大きく延び、１０％以上の範囲で比較的長い寿命時間が維持されるためである。また、従来例の平均寿命時間である５００時間よりも長い寿命時間が得られる。しかしながら、炭化面積Ｓ２が増えすぎると炭素が過剰に供給され、電子放射部が歪な形状となりやすく、これはフリッカなどのちらつきの原因となり易く短寿命化してしまう。そのため、面積比率（Ｓ２／Ｓ１）は大きくとも３５％以下に抑えることが好ましい。以上の点から、面積比率（Ｓ２／Ｓ１）は、０．１≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５の範囲内で設計することが望ましい実施形態と考えられる。

図８は、本発明の第三の実施形態に係る陰極を示す図である。この実施形態においては、前記電子放射部の後端と前記電極本体部の間に環状の空隙を形成することが第一の実施形態と相違するものであり、第一の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

電極本体部１の先端側に形成された有底円筒状の凹部２の内部に、電子放射部３の後端側の部分が嵌め合わされて収容されており、先端側の部分がこの凹部２より突出している。また電子放射部３の後端は、前記凹部２の底面と当接して配置されており、前記後端の外郭と電極本体部１の間には環状の空隙７が形成されている。この環状の空隙７は、電子放射部３を電極本体部１の凹部２に嵌め合わせて収納された際に電子放射部３と電極本体部１の間に形成されるものである。
上記の環状の空隙７は、例えば、予め電子放射部３の後端の外郭を切り欠く、又は、電極本体部１の凹部内面に予め溝を設けておき、当該電子放射部３を電極本体部１に嵌め合わせることで、電極内部に形成することができる。

上記構成によれば、電子放射部３から電極本体部１への熱伝導を良好なものとするため、電子放射部３の後端が電極本体部１の凹部２の底面と当接されている。この際、電子放射部３を電極本体部１に嵌め合わせるため、各々の熱膨張差に伴う応力負荷が発生し前記凹部２の角に応力集中してしまうが、前記凹部２の角をＲ形状とし、かつそのＲ部に電子放射部３の後端が当接されないように電子放射部３の後端の外郭を切り欠くことで、前記の応力負荷を緩和させることができる。前記電子放射部３の後端と前記電極本体部１の間に環状の空隙７を形成し、当該環状の空隙７は、例えば、その断面は１０μｍ ^２ 〜４５μｍ ^２ 程度の大きさである。

１ 電極本体部
１１ 環状平坦面部
１２ 第２のテーパ面部
１３ 円柱状部
２ 凹部
３ 電子放射部
３１ 先端面部
３２ 第１のテーパ面部
３３ 円柱状部
３４ 炭化タングステン部
５ 環状保持部
１´ 電極部材
３´ チップ
Ｈ ヒータ
Ｌ 距離
Ｐ 輝点
Ｓ 間隙
ＶＴＦ 仮想テーパ面
α テーパ角度
１００ 放電ランプ
２０ 陽極
４０ 発光部
５０ 封止部
６０ 発光管
７ 環状の空隙

Claims (7)

1. 発光管内に陰極および陽極が対向配置され
   前記陰極は、易電子放射性物質としてトリウムが添加されたタングステンからなる電子放射部と、
   タングステンからなる電極本体部と、を具備するショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記電極本体部の先端側に凹部と、該凹部の周囲に環状平坦面部とが形成され、
   前記電子放射部は、先端が円錐台形状であり、その後端側が該凹部に収容されるとともに先端側が該凹部より突出していることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記電子放射部は、先端面とその後端側に連続する第１のテーパ面部を備え、
   前記電極本体部は、該第１のテーパ面部のテーパ面を延長して形成される仮想テーパ面よりも内側に配置され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。
3. 前記電極本体部は、環状平坦部面の後端側に連続する第２のテーパ面部を備え、
   該第１のテーパ面部のテーパ面を延長して形成される仮想テーパ面と、該第２のテーパ面部のテーパ面とが一致す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。
4. 前記電子放射部の、前記電極本体部の前記凹部より突出した一部の表面には、前記環状平坦面部から先端に向かって炭化タングステン部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のショートアーク型放電ランプ。
5. 前記電子放射部の先端面と、その後端側に連続する第１のテーパ面部と、その後端側に連続し前記凹部より突出している円柱状側面部と、前記電極本体部の環状平坦面部と、その後端側に連続する第２のテーパ面部の各々の表面の総面積からなるテーパ部面積Ｓ１と、前記炭化タングステン部が形成された領域の総面積からなる炭化面積Ｓ２が、
   ０．１ ≦ Ｓ２／Ｓ１ ≦ ０．３５
   の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載のショートアーク型放電ランプ。
6. 前記電子放射部は、先端が円錐台形状をしており、最先端に位置する平面状の先端面部と、この先端面より後端側に連続するテーパ面状のテーパ面部と、このテーパ面部より後端側に連続する円柱状側面部を備えており、
   前記電極本体部は、前記環状平坦面部の後端側にテーパ面部と、その後端側に向かって直線状に伸びる円柱状側面部を備えており、
   前記電子放射部の前記円柱状側面部の直径ａと、前記環状平坦面部の幅ｂと、前記電極本体部の円柱状側面部の直径ｃの比率は、０．１６ ≦ ｂ／ａ ≦ ０．２４ 、且つ、ａ／ｃ≧０．３９ の関係を満たす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。
7. 前記電子放射部の後端は前記電極本体部の凹部の底面と当接されるよう該凹部に収容されており、
   前記電子放射部の後端と前記電極本体部の間には、環状の空隙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。

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