JPH11297196A - 放電ランプ用陰極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッターを含むチップの陰極本体への挿入
作業が容易に行え、かつ、その後はチップが微動したり
スッポ抜けをすることなく、さらには、電極内で焼結さ
れたチップの電極との境界領域が不規則に乱れることが
なくて、安定したアークが得られ、加えて、エミッター
の蒸発が少ない放電ランプ用陰極の製造方法を提供する
こと。 【解決手段】 粒子状のバリウム系電子放生物質と、タ
ングステン粉末を所望の割合で混合させ混合粉末を作
り、この混合粉末からなる一次成形体をタングステン等
の陰極本体の先端凹部に挿入して、これを加圧して圧潰
し、その後、陰極本体の凹部に一次成形体が挿入された
状態で、当該一次成形体を焼結することを特徴とする放
電ランプ用陰極の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は放電ランプ用陰極
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、放電ランプの陰極には、始動性
を容易にするため酸化トリウム等のエミッターが含まれ
ている。かかる陰極を製造する従来の方法は以下のとお
りである。 ．まず、陰極本体となるタングステン又はモリブデン
の高融点金属を焼結し、これを所望の形状に加工して、
その先端部分に凹部を形成する。 ．次に、タングステン粉末と酸化トリウム粉末を所望
の割合で混合させて、この混合粉末を成形し、これを焼
結させることでチップ状のものとする。 ．そして、陰極本体の凹部に上記焼結チップを嵌め込
むことで陰極ができあがる。

【０００３】しかしながら、この従来の放電ランプの陰
極の製造方法では、以下のような問題を生じる。 ．焼結チップを陰極本体に嵌め込む作業においては、
両者の接触面に凹凸があると容易に行えない。このた
め、嵌め込み作業の前に、予め両者の表面を平滑に研磨
する作業が別途必要となる。その際、陰極本体の挿入孔
（凹部）表面を平滑にする作業は、当該挿入孔の内径
が、例えば、１〜２ｍｍ程度と小さいものであるため、
その作業の困難度は著しい。 ．前述のごとく、焼結チップと陰極本体の接触面は、
その挿入作業の観点から平滑化処理がなされているが、
挿入後は両者が必ずしも密着しているわけではない。そ
して、挿入作業を円滑に行うためには、挿入孔の内径と
焼結チップの外形とを微妙にコントロールしなければな
らず、結局は、挿入孔のほうを焼結チップよりやや大き
くしなければスムースな挿入作業ができない。その結
果、挿入された焼結チップが孔内で微動したり、場合に
よってはスッポ抜けを生じてしまうという不具合が発生
する。

【０００４】一方、特開平７−６５７１５号公報には、
タングステン粉末と酸化トリウムの粉末の混合粉末をプ
レス成形してチップ状のものとし、また別に、陰極本体
となる高融点金属粉末を先端に凹部を持つように同じく
プレス成形により製造して、これら両者を組み合わせて
一体とした後、さらに全体にプレス処理を施し、その後
に焼結処理を行う技術が開示されている。

【０００５】この方法で製造された陰極は、陰極本体の
成形体と混合粉末の成形チップ体とを組み合わせた後
に、両者をプレス成形し、焼結をするものであるため
に、陰極本体凹部の周縁部と混合粉末成形チップ体の境
界領域が、特に、プレス成形時に不規則に混ざり合い、
焼結後の混合粉末成形チップ体の境界円周部が滑らかな
円周とはならずに、不規則状態に形成されてしまう。即
ち、アーク形成を担う混合粉末成形チップ体の外周円部
が不規則な円周状となる。このため、点灯時にアークが
不規則となり、安定したアークの形成が出来にくくなる
という問題点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、エミッターを含むチップの陰極本体への
挿入作業が容易に行え、かつ、組み込み焼結後にはチッ
プが微動したりスップ抜けをするがことがなく、さらに
は、焼結チップの円周縁が規則的形状となって安定した
アークが得られ、加えてエミッターの蒸発が少ない放電
ランプ用陰極の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の放電ランプ用
陰極の製造方法は、かかる課題を解決するためのもの
で、粉末状のバリウム系電子放射性物質とタングステン
粉末との混合粉末を成形してなる一次成形体を、タング
ステン又はモリブデンよりなる焼結陰極本体の先端凹部
に挿入し、該一次成形体を凹部内で押圧して圧潰し、そ
の後、前記一次成形体が凹部内に充填された状態で該一
次成形体を焼結することを特徴とする。

【０００８】さらに、前記焼結処理の後に前記一次成形
体の焼結体をスエージし、その先端部分を高密度化する
ことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明は、焼結陰極本体の凹部
に、エミッター粉末を含む混合粉末を成形した一次成形
体を挿入した後に、当該一次成形体を押圧・圧潰し、そ
の後、これを焼結するものである。

【００１０】この一次成形体は、エミッター粉末からな
る混合粉末を、陰極本体の凹部よりやや小さい内径を有
する金型に入れて、円柱状にプレス成形したものや、プ
レス成形後に１０００℃前後で短時間、水素あるいは不
活性ガス中で加熱処理したものであり、陰極本体への挿
入作業時などにハンドリングし易い状態としてあればよ
く、ピンセットで摘めるチョーク程度の硬さを有する成
形体をいう。このため、エミッターを含む混合粉末のプ
レス成形体を焼結チップとしてから陰極本体の凹部に挿
入する従来方法と異なり、簡便に成形された一次成形体
のまま陰極本体の凹部に挿入するので、高温処理による
焼結チップの製造という手間が省略され陰極の製造が簡
単になる。

【００１１】そして、挿入された一次成形体はその後の
プレスによる押圧によって、圧潰して陰極本体の凹部内
に密に充填されることになるから、該一次成形体の寸法
は陰極本体凹部の内径より小さくしても問題がないの
で、その挿入作業が著しく改善される。しかも、一次成
形体と陰極本体との密着度も非常に向上する。

【００１２】また、陰極本体の凹部についても、凹部内
表面を平滑処理するという作業は必要なくなる。むし
ろ、陰極本体の凹部内表面を平滑処理することなく一次
成形体を該凹部内で圧潰した際には、凹部内表面の凹凸
と焼結後の混合物が噛み合うように形成されるので焼結
チップの微動やスッポ抜けはなくなる。

【００１３】

【実施例】この発明の陰極の製造方法を図１に示す。図
１（ａ）は、陰極本体１を作る工程を示し、具体的に
は、タングステンやモリブデンなどの高融点材料を焼結
したものを、所望の形状に加工するもので、その一端に
はモリブデンなどの金属箔を溶接する部分１ａを形成す
る。この金属箔は電流供給および真空気密保持の作用を
する。陰極本体１は、例えば４φmm、長さ25mmの略円柱
状のものである。

【００１４】図１（ｂ）は、陰極本体１に、後述する一
次成型体を入れるための凹部を加工する工程を示し、具
体的には、陰極本体１の前記金属箔を溶接する部分１ａ
と反対側端部に、例えば1.0 φmm、長さ7.0 mmの凹部１
ｂを設ける。なお、凹部を形成した後、凹部加工時に生
ずる油類を除去するために有機溶剤（アセトン等）で洗
浄をする。これにより、凹部内を確実に脱脂することが
できる。このような工程を終了した後、次工程で使用す
るまで、凹部加工された陰極本体１は不活性ガス雰囲気
中で保管される。これは、埃が付着したり、酸化するこ
とを防止するためである。

【００１５】次に、エミッター作成工程について説明す
る。まず、複数の粉末状エミッター素材を秤量して混合
させる。具体的には、ＢａＣＯ₃を１．８モル、ＳｒＣ
Ｏ₃を０．２モル、ＣａＣＯ₃を１．０モル、ＷＯ₃を
１．０モルの割合で混合させて混合粉末状態とする。ま
た、本発明においてはエミッターとして、従来使用され
ていた酸化トリウムとタングステンの混合粉末（ＴｈＯ
₂−Ｗ）を使用していない。これにより、点灯中の動作
温度を約１０００℃低くすることができ、従って、タン
グステンの蒸発、磨耗、変形をなくすることができ、長
時間にわたりランプを安定に点灯させることができる。

【００１６】この混合粉末は、例えば、アルミナ製坩堝
に入れて、約１０００℃〜１２００℃で焼成させる。焼
成は約２時間大気中で行われる。この焼成により二酸化
炭素の分解が行われ安定したエミッターを作ることがで
きる。また、温度は低すぎると焼成が不完全となり、ま
た、高すぎると混合粉末は溶けたり、あるいは分解を起
こしてしまう。

【００１７】この焼成された混合粉末は粉砕処理され
る。粉砕は、ボールミル等で行われ数μｍの粒子とな
る。この作業は、エミッターが吸水性（吸湿性）が強い
ことから湿度の低い所で行われる。このようにして形成
された数μｍの粒子は、不純物が混入しないように、真
空中、又は不活性ガス（例えば、窒素）雰囲気中で、ま
たは、ガラスアンプルの中で保管される。かかる保管作
業は重要であり、特に、水分が混入しないように厳重に
行う必要がある。

【００１８】次に、タングステン粉末の混合を行う。こ
の混合は電極先端のアーク放出部分が長時間の寿命を持
ち、また、変形することなく安定させる目的に行われる
ものであって大、中、小の粒子を混合させる。具体的に
は、大きい粒子（１０μｍ程度）を７０％、中くらいの
粒子（４μｍ程度）を２０％、小さい粒子（１μｍ程
度）を１０％の割合で秤量して混合させる。そして、こ
れらの粉末は、ボールミル等で均一に混合される。この
ようにして完成したタングステンの混合粉末も、前記エ
ミッターの混合粉末と同様に不活性ガス（例えば、窒
素）雰囲気で保管される。このタングステンの混合粉末
には、必要に応じて、タンタルやジルコニウムを入れる
こともある。

【００１９】次に、エミッタ粉末とタングステン粉末を
混合させる工程を説明する。エミッタ粉末は通常４％〜
１５％の割合で混合され、具体的には、例えば、エミッ
タ粉末を１０％重量、タングステン粉末を９０％重量の
割合で秤量させて、ボールミル等を使って充分に混合さ
れる。かかる作業においても不純物、特に、水分が混入
しないように充分に注意する必要がある。このようにし
て混合させた粉末は、水分のないところ、又は不活性ガ
ス（例えば、窒素）雰囲気の中で保管される。

【００２０】次にエミッター粉末とタングステン粉末の
混合粉末を、陰極本体の先端穴内に挿入するための一次
成形体を作る工程を説明する。エミッタ粉末とタングス
テン粉末の混合粉末を金型（不図示）に入れて、プレス
する。そして１０００±１００℃で水素雰囲気あるいは
不活性雰囲気で１０分間熱処理して、空孔率３０〜５０
％のピンセットで摘まめる程度でチョークと同程度の硬
さとする。一次成形体は図２に示すように、円柱状であ
り、直径は凹部径よりやや小さくなっている。例えば凹
部径の９５％程度である。なお、熱処理をしたものに比
べるとやや脆く取り扱いには注意を要するが、熱処理せ
ずにプレスのみとした一次成形体でもよい。

【００２１】次に、この一次成形体を、図３に示すよう
に、前述の陰極本体の先端凹部内に挿入する。なお、こ
の工程においても水分等が混入しないように注意する必
要がある。その後、図４に示すように、この一次成形体
は凹部内で圧力をかけてプレスされる。これにより、一
次成形体は凹部内で圧潰して広がり、該凹部内に密に充
填される。このプレスは混合粉末の密度を高めるととも
に、凹部との接合を強固にするためになされるものであ
り、その圧力は、例えば、約８トン／ｃｍ² である。ま
た、成形体の大きさにもよるが、一次成形体を複数個に
成形して、これを凹部内に挿入しプレスして充填するよ
うにしてもよい。

【００２２】そして、陰極本体に一次成形体がプレスさ
れ密に充填された状態で、該一次成形体の焼結処理がな
される。かかる焼結処理は、例えば、１５００℃の高温
で約１５分間、真空または不活性ガス雰囲気下で行われ
る。この焼結温度は、エミッターが蒸発しない範囲内で
高い温度で処理され、本発明のようにバリウム系エミッ
ターでは約１５００℃である。また、加熱方法は、アー
クによる加熱、高周波加熱、電気炉による加熱、アーク
イメージ炉などがある。

【００２３】加熱処理がなされた電極は、次いで、焼結
混合粉末成形体にスエージ処理がされる。このスエージ
処理は、例えば、１５００℃の高温加熱状態のもとで、
スエージ圧力８〜１０トン／cm² 、１秒／１回の間隔で
１回あたり約０．１秒押さえ続けて行う。そして、約１
００回の加圧が行われる。この場合の加熱方法も、前述
の焼結時と同様に、アークによる加熱、高周波加熱、電
気炉による加熱、アークイメージ炉などで不活性ガス中
で行われる。このようなスエージ処理によって電極の先
端部分におけるエミッター含有部分（すなわち、アーク
放出部分）である焼結混合粉末成形体の先端部の密度を
高くすることができる。

【００２４】次に、電極先端径が一次成形体の外周部と
おおよそ同じになるように、切削加工が行われる。即
ち、陰極先端はほぼ焼結混合粉末成形体のみが放電空間
に露出するように加工される。

【００２５】図５に本発明の陰極の一例を示す。この例
では、前述したように陰極先端径と一次成形体を挿入し
た凹部径が略一致している。

【００２６】以上の方法により製造された電極は、定格
電力５０Ｗから定格２０００Ｗの放電ランプまで広く適
用することができるが、電極先端に一次成形体が埋設さ
れてできた焼結体の大きさは、図６に示すように種々の
値をとる。このように一次成形体が埋設されてできた焼
結体の長さ（凹部深さ）Ｌ、及び、径ｄは、種々の値を
とるが、大入力型ランプになるほど陰極から放出される
電流量との関係で大きくなる。

【００２７】この発明の製造方法で製造された陰極は、
高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、
キセノンマーキュリーランプなどに広く適用できる。

【００２８】次に、照度の点灯時間に対する減衰特性を
示す。図７は、この発明にかかる陰極を有する放電ラン
プ（Ａ）、エミッターを本発明と同様のＢａＣＯ₃：Ｓ
ｒＣＯ₃：ＣａＣＯ₃：ＷＯ₃として従来の製造方法、す
なわち、混合粉末を成形後に焼結させてチップとした後
に陰極本体に挿入する方法により製造された放電ランプ
（Ｂ）の各々を２０００時間点灯させて、各々のランプ
から放射される波長３６５ｎｍの光を照度を測定した結
果を示す。縦軸は点灯初期の照度の値を１００とした場
合の照度維持率を示し、横軸は点灯時間を示す。この発
明の実験結果は図７に示すごとく、２０００時間の点灯
により、放電ランプ（Ｂ）は９０％以下にまで減衰して
いるのに対し、本発明かかる放電ランプ（Ａ）はほぼ１
００％近い照度を維持していることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】この発明にかかる放電ランプ用陰極の製
造方法によれば、焼結陰極本体の凹部にエミッター粉末
を含む混合粉末を成形してなる一次成形体を挿入した後
に、この一次成形体を押圧することにより、これを圧潰
して凹部内に密に充填し、その後に焼結するので、混合
粉末を焼結チップとしてから陰極本体の凹部に挿入する
方法と異なり、混合粉末の一次成形体のまま陰極本体の
凹部に挿入できるので、焼結チップを製造するという手
間が省略され陰極の製造が簡単になる。

【００３０】そして、一次成形体は凹部内で押圧されて
圧潰し、密に充填されるので、該混合粉末体と陰極本体
との接合が極めて強固になる。また、陰極本体の凹部に
ついても凹部内径より小径の一次成形体を挿入すること
ができるため、その作業が極めて容易になり、そのう
え、凹部内表面を平滑処理するという作業が必要なくな
る。むしろ、陰極本体の凹部内表面を平滑処理すること
なく一次成形体を挿入して焼結処理を施すことにより、
凹部内表面の凹凸と焼結後の混合物が噛み合うように形
成されるので焼結チップの微動やスッポ抜けがなくな
る。

【００３１】加えて、焼結陰極本体に非焼結状態の混合
粉末の一次成形体を挿入して、陰極凹部内でこれを押圧
・圧潰し、次いで該一次成形体を焼結するので、焼結後
の混合粉末体と陰極本体との境界領域が不規則に乱れる
ことがなく、アークの安定した電極が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の陰極本体を示す。

【図２】本発明における混合粉末一次成形体を示す。

【図３】本発明における陰極本体への一次成形体の挿入
状態を示す。

【図４】本発明における陰極本体内で一次成形体を押圧
・圧潰している状態を示す。

【図５】本発明により製造された陰極の一例を示す。

【図６】本発明により製造された陰極の定格電力に応じ
た種々の例を示す。

【図７】本発明により製造された陰極を用いた放電ラン
プの照度維持率を示す。

【符号の説明】

１ 陰極本体 １ａ 金属箔を溶接する部分 １ｂ 陰極本体に設けた凹部 ２ 一次成形体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電ランプ用陰極の製造方法であって、 粉末状のバリウム系電子放射性物質とタングステン粉末
   との混合粉末を成形してなる一次成形体を、タングステ
   ン又はモリブデンよりなる焼結陰極本体の先端凹部に挿
   入し、該一次成形体を凹部内で押圧して圧潰し、その
   後、前記一次成形体が凹部内に充填された状態で該一次
   成形体を焼結することを特徴とする放電ランプ用陰極の
   製造方法。
2. 【請求項２】 前記焼結処理の後に、前記混合粉末一次成
   形体の焼結体をスエージして、先端部分を高密度化した
   ことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用陰極の
   製造方法。