JP5949747B2 - 放電ランプ用陰極の製造方法および放電ランプ - Google Patents
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Description
本発明は、ショートアーク型放電ランプ用の陰極の製造方法に関し、特に、先端部にエミッタ物質を含む陰極の製造方法およびこの製造方法により得られた陰極を備える放電ランプに関する。
ショートアーク型放電ランプ（以下、単に「放電ランプ」ともいう。）は、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより、集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。
また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機等の光源として利用されている。
また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機等の光源として利用されている。
従来、この種の放電ランプの陰極には、点灯始動性を高める目的でトリウムなどのエミッタ物質と呼ばれる仕事関数を低下させる材料が添加されていた。特に、トリウムは始動性への貢献が優秀なエミッタ物質として長らく利用されていた。しかしながら、トリウムは放射性の強い物質であり、近年の放射性物質規制によって輸出入の量的制限がかかるようになり、比較的大型の放電ランプにおいては、陰極全体にトリウムを含有させることが困難になっている。
そこで、特許文献１には、陰極の先端部のみにトリウムを含む構造、すなわち、必要な箇所に部分的にトリウムを含有させる構造が開示されている。この陰極は、具体的には、トリウムを含むタングステンを、トリウムを含まない純タングステンと拡散接合により接合し、その後切削して円錐台形状に成形したものである。
このような陰極によれば、放電ランプの点灯中の温度条件、例えば２０００〜２４００℃においても、陰極先端が脱落しないなど機械的強度が得られる。
このような陰極によれば、放電ランプの点灯中の温度条件、例えば２０００〜２４００℃においても、陰極先端が脱落しないなど機械的強度が得られる。
しかしながら、上記のような陰極の製造方法では、陰極材料を接合するためには、真空装置や加熱・加圧装置など特別な設備が必要となり、これらの設備には高いコストがかかるという問題がある。
また、接合工程において、真空処理、加熱処理、冷却処理などのプロセスに時間を要するという問題がある。さらに、製造時間が長いことによる製造コストも高くなるという問題がある。
また、接合工程において、真空処理、加熱処理、冷却処理などのプロセスに時間を要するという問題がある。さらに、製造時間が長いことによる製造コストも高くなるという問題がある。
本発明の目的は、簡便な方法により短時間で陰極を製造することができ、得られる陰極が、点灯中の高温下においても機械的強度を維持する放電ランプ用陰極の製造方法および放電ランプを提供することにある。
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法は、タングステンからなる本体部と、エミッタ物質がドープされたタングステンからなる先端部とが接合されてなる放電ランプ用陰極の製造方法において、
タングステンからなる本体部形成材およびエミッタ物質がドープされたタングステンからなる先端部形成材の少なくとも一方の被接合面に突起部を形成する突起部形成工程と、
前記突起部の先端と前記本体部形成材または前記先端部形成材の被接合面とを対向させて当接させた状態で、前記本体部形成材と前記先端部形成材とを通電させることにより、前記突起部を溶融させ、当該本体部形成材および当該先端部形成材を溶着して接合体を形成する接合工程とを有することを特徴とする。
タングステンからなる本体部形成材およびエミッタ物質がドープされたタングステンからなる先端部形成材の少なくとも一方の被接合面に突起部を形成する突起部形成工程と、
前記突起部の先端と前記本体部形成材または前記先端部形成材の被接合面とを対向させて当接させた状態で、前記本体部形成材と前記先端部形成材とを通電させることにより、前記突起部を溶融させ、当該本体部形成材および当該先端部形成材を溶着して接合体を形成する接合工程とを有することを特徴とする。
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法においては、前記接合工程により形成された前記接合体を、前記突起部による溶着部分の少なくとも一部が残存するように切削することにより、円錐台形状の先端部を形成する切削工程を有することが好ましい。
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法においては、前記突起部が環状に形成されていることが好ましい。
特に、前記本体部形成材および前記先端部形成材の少なくとも一方に、被接合面に露出するエミッタ部材が収容されたエミッタ収容部が形成されており、
前記突起部がエミッタ収容部の開口を取り囲むように形成されていることが好ましい。
特に、前記本体部形成材および前記先端部形成材の少なくとも一方に、被接合面に露出するエミッタ部材が収容されたエミッタ収容部が形成されており、
前記突起部がエミッタ収容部の開口を取り囲むように形成されていることが好ましい。
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法によれば、簡便な方法により短時間で陰極を製造することができ、得られる陰極において、点灯中の高温下においても機械的強度が維持される。
＜放電ランプ＞
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極を備える放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。
この放電ランプは、例えば石英ガラスよりなる発光管１０を有する。この発光管１０は、内部に放電空間Ｓを形成する外形が回転楕円体状の発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部１２および他方の封止部１３とにより構成されている。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極を備える放電ランプの一例における構成を示す説明用断面図である。
この放電ランプは、例えば石英ガラスよりなる発光管１０を有する。この発光管１０は、内部に放電空間Ｓを形成する外形が回転楕円体状の発光部１１と、この発光部１１の両端の各々に一体に連設された、管軸に沿って外方に伸びるロッド状の一方の封止部１２および他方の封止部１３とにより構成されている。
この発光管１０の放電空間Ｓ内には、陽極２０および陰極３０が発光管１０の軸方向に沿って互いに対向するよう配置されている。
発光管１０における発光部１１内には、例えば、水銀、キセノンガス等の希ガスなどの発光物質が封入されている。
陽極２０および陰極３０は、それぞれ支持棒２４,３４によって保持されている。
一方の封止部１２の内部には、モリブデンよりなる金属箔（図示省略）が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。この金属箔の一端には、支持棒２４の基端が溶接されて電気的に接続されている。また、金属箔の他端には、一方の封止部１２の外端から外方に突出する外部リード（図示省略）が溶接されて電気的に接続されている。
他方の封止部１３の内部には、モリブデンよりなる金属箔（図示省略）が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設されている。この金属箔の一端には、支持棒３４の基端が溶接されて電気的に接続されている。また、金属箔の他端には、他方の封止部１３の外端から外方に突出する外部リード（図示省略）が溶接されて電気的に接続されている。
この例の放電ランプには、一方の封止部１２および他方の封止部１３の各々の端部に、口金１６，１７が設けられている。これらの口金１６，１７は、それぞれ外部リードに電気的に接続されている。
なお、本発明に係る放電ランプは、垂直点灯する場合もあれば水平点灯する場合もある。
＜陰極：第１の実施形態＞
図２は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極の一例における構成を示す説明用断面図である。
この陰極３０は、タングステンからなる本体部３１と、この本体部３１の先端面に接合された、エミッタ物質を含む先端部３２とが接合されてなるものである。
図２は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極の一例における構成を示す説明用断面図である。
この陰極３０は、タングステンからなる本体部３１と、この本体部３１の先端面に接合された、エミッタ物質を含む先端部３２とが接合されてなるものである。
この例の本体部３１は、円柱状の胴部分３１ａと、この胴部３１ａに連続して形成された、先端に向かって小径となる円錐台状の先端部分３１ｂとを有している。
この例の本体部３１は、例えば純度９９．９９質量％の純タングステンからなる。
この例の本体部３１は、例えば純度９９．９９質量％の純タングステンからなる。
この例の先端部３２は、陰極先端に向かって小径となる円錐台状に形成されている。先端部３２の先端面は平坦面とされている。
この例の先端部３２は、例えば酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）がドープされたタングステン（トリエーテッドタングステン）からなる。先端部３２は、主成分であるタングステンに、エミッタ物質としてのトリウムを酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）またはトリウム（Ｔｈ）の状態で担持している。
先端部３２におけるエミッタ物質の濃度は、０．１〜５．０質量％であることが好ましく、より好ましくは０．３〜２．５質量％である。
先端部３２に含有されるエミッタ物質としては、酸化トリウム以外のものでもよく、例えば、酸化ランタン、酸化セリウムなどの希土類酸化物などであってもよい。
先端部３２におけるエミッタ物質の濃度は、０．１〜５．０質量％であることが好ましく、より好ましくは０．３〜２．５質量％である。
先端部３２に含有されるエミッタ物質としては、酸化トリウム以外のものでもよく、例えば、酸化ランタン、酸化セリウムなどの希土類酸化物などであってもよい。
陰極３０においては、先端部３２に含有されているエミッタ物質が、ランプ点灯中に高温となることによって還元され、トリウム原子となって、タングステン粒の粒界拡散や表面拡散によって温度が高い先端面へ移動し、供給される。これによって、陰極先端面の仕事関数を低下させ、電子放出特性が良好なものとなる。
＜放電ランプ用陰極の製造方法＞
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法は、タングステンからなる本体部と、エミッタ物質を含む先端部とが接合されてなる放電ランプ用陰極の製造方法において、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方の被接合面に突起部を形成する突起部形成工程と、突起部の先端と本体部形成材または先端部形成材の被接合面とを対向させて当接させた状態で、本体部形成材と先端部形成材とを通電させることにより、突起部を溶融させ、当該本体部形成材および当該先端部形成材を溶着して接合体を形成する接合工程とを有し、接合工程の後、接合体を、突起部による溶着部分の少なくとも一部が残存するように切削することにより、円錐台形状の先端部を形成する切削工程を有することが好ましい。
以下、図２に示す陰極の製造方法の一例について具体的に説明する。
本発明の放電ランプ用陰極の製造方法は、タングステンからなる本体部と、エミッタ物質を含む先端部とが接合されてなる放電ランプ用陰極の製造方法において、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方の被接合面に突起部を形成する突起部形成工程と、突起部の先端と本体部形成材または先端部形成材の被接合面とを対向させて当接させた状態で、本体部形成材と先端部形成材とを通電させることにより、突起部を溶融させ、当該本体部形成材および当該先端部形成材を溶着して接合体を形成する接合工程とを有し、接合工程の後、接合体を、突起部による溶着部分の少なくとも一部が残存するように切削することにより、円錐台形状の先端部を形成する切削工程を有することが好ましい。
以下、図２に示す陰極の製造方法の一例について具体的に説明する。
（１）突起部形成工程
図３（ａ）に示すように、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを用意する。この本体部形成材４１は、製造すべき陰極３０の本体部３１における胴部分３１ａの径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。また、先端部形成材４２は、本体部形成材４１の径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。
次に、図３（ｂ）に示すように、先端部形成材４２の被接合面４２ｓに突起部４３を形成する。
突起部４３の形成方法としては、例えば旋盤などで切削する方法が挙げられる。
図３（ａ）に示すように、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを用意する。この本体部形成材４１は、製造すべき陰極３０の本体部３１における胴部分３１ａの径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。また、先端部形成材４２は、本体部形成材４１の径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。
次に、図３（ｂ）に示すように、先端部形成材４２の被接合面４２ｓに突起部４３を形成する。
突起部４３の形成方法としては、例えば旋盤などで切削する方法が挙げられる。
この例の突起部４３は、先端部形成材４２の被接合面４２ｓの中央領域を取り囲むように円環状に形成されており、突起部４３の端面４３ｓは平坦面とされている。
この例の突起部４３の陰極３０の軸方向に沿った断面形状は、長方形状である。
この例の突起部４３の陰極３０の軸方向に沿った断面形状は、長方形状である。
本発明においては、突起部４３は、後述する切削工程において切削される領域部分（以下、「被切削部分」ともいう。）より陰極の中心軸側に形成されることが必須である。
突起部４３の高さは、０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、突起部４３の端面４３ｓの幅は、１〜３ｍｍ程度であることが好ましい。突起部４３は、先端部形成材４２の被接合面４２ｓの中央領域を取り囲むように円環状に複数形成することもできる。
また、突起部４３の端面４３ｓの面積（Ｓｗ）は、後述する実験例からも示されるように、接合強度の観点から、本体部形成材４１または先端部形成材４２の被接合面の面積（Ｓ）の０．３倍以上であることが好ましく、より好ましくは０．５倍以上０．８倍以下である。
突起部４３の高さは、０．１〜１．０ｍｍであることが好ましく、突起部４３の端面４３ｓの幅は、１〜３ｍｍ程度であることが好ましい。突起部４３は、先端部形成材４２の被接合面４２ｓの中央領域を取り囲むように円環状に複数形成することもできる。
また、突起部４３の端面４３ｓの面積（Ｓｗ）は、後述する実験例からも示されるように、接合強度の観点から、本体部形成材４１または先端部形成材４２の被接合面の面積（Ｓ）の０．３倍以上であることが好ましく、より好ましくは０．５倍以上０．８倍以下である。
（２）接合工程
図３（ｃ）に示すように、先端部形成材４２に形成された突起部４３の端面４３ｓと本体部形成材４１の被接合面４１ｓとを、先端部形成材４２の中心軸と本体部形成材４１の中心軸とが一致した状態で対向させて当接させる。この状態を維持したまま、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを接合方向に加圧した状態で通電させることにより、突起部４３を加熱溶融させ、本体部形成材４１および先端部形成材４２を溶着して接合体４５を形成する。このとき、本体部形成材４１および先端部形成材４２を通電加熱することにより、熱容量の大きい母体の材料よりも先に、熱容量の小さい突起部４３のみが溶融することとなる。このように、突起部４３のみが溶融することにより、突起部４３と、対向する本体部形成材４１の被接合面４１ｓとが接着し、本体部形成材４１と先端部形成材４２とが溶着され、接合体４５が形成される。
ここで、形成された接合体４５においては、本体部形成材４１の被接合面４１ｓと先端部形成材４２の被接合面４２ｓとの界面（以下、「接合面」ともいう。）において、溶融された突起部４３によって溶着された部分（以下、「溶着部分」ともいう。）４３Ｘ以外の領域は、溶着されていない。
図３（ｃ）に示すように、先端部形成材４２に形成された突起部４３の端面４３ｓと本体部形成材４１の被接合面４１ｓとを、先端部形成材４２の中心軸と本体部形成材４１の中心軸とが一致した状態で対向させて当接させる。この状態を維持したまま、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを接合方向に加圧した状態で通電させることにより、突起部４３を加熱溶融させ、本体部形成材４１および先端部形成材４２を溶着して接合体４５を形成する。このとき、本体部形成材４１および先端部形成材４２を通電加熱することにより、熱容量の大きい母体の材料よりも先に、熱容量の小さい突起部４３のみが溶融することとなる。このように、突起部４３のみが溶融することにより、突起部４３と、対向する本体部形成材４１の被接合面４１ｓとが接着し、本体部形成材４１と先端部形成材４２とが溶着され、接合体４５が形成される。
ここで、形成された接合体４５においては、本体部形成材４１の被接合面４１ｓと先端部形成材４２の被接合面４２ｓとの界面（以下、「接合面」ともいう。）において、溶融された突起部４３によって溶着された部分（以下、「溶着部分」ともいう。）４３Ｘ以外の領域は、溶着されていない。
通電条件としては、各形成材の寸法や突起部の寸法によって異なるが、電流量が例えば５，０００〜１０，０００Ａ、通電時間が例えば５〜２０秒間である。
以上のような接合工程によれば、従来の拡散接合に比べて、短時間での接合が可能となり製造時間を短縮することができる。ここで、従来の拡散接合においては、各形成材の被接合面において、溶融点以下の温度で溶融させず接合させるため、１回の接合時間がおよそ１５〜２０分間程度である。
また、完全な平面同士で接合する方法ではないが、接合面の周方向に均一な溶着部分４３Ｘを形成することにより、接合面での接合に準じた接合強度を得ることができる。
さらに、接合面において、溶着されていない領域があることにより、先端部の熱が本体部に伝導し難く、先端部の温度が高温に維持されるので、エミッタ効率が維持される。
また、完全な平面同士で接合する方法ではないが、接合面の周方向に均一な溶着部分４３Ｘを形成することにより、接合面での接合に準じた接合強度を得ることができる。
さらに、接合面において、溶着されていない領域があることにより、先端部の熱が本体部に伝導し難く、先端部の温度が高温に維持されるので、エミッタ効率が維持される。
（３）切削工程
図３（ｄ）に示すように、接合工程により形成された接合体４５を、溶着部分４３Ｘの少なくとも一部が残存するように例えば旋盤などで切削することにより、円錐台形状の先端部３２を形成する（図３（ｄ）の破線部分参照）。
切削工程においては、溶着部分４３Ｘの全てが除去されないように切削することが必須であるが、得られる陰極の機械的強度の観点から、溶着部分４３Ｘよりも外側の部分を切削することが好ましい。すなわち、被切削部分が溶着部分４３Ｘと一部重なっていてもよいが、被切削部分が溶着部分４３Ｘよりも外側であることが好ましい。
図３（ｄ）に示すように、接合工程により形成された接合体４５を、溶着部分４３Ｘの少なくとも一部が残存するように例えば旋盤などで切削することにより、円錐台形状の先端部３２を形成する（図３（ｄ）の破線部分参照）。
切削工程においては、溶着部分４３Ｘの全てが除去されないように切削することが必須であるが、得られる陰極の機械的強度の観点から、溶着部分４３Ｘよりも外側の部分を切削することが好ましい。すなわち、被切削部分が溶着部分４３Ｘと一部重なっていてもよいが、被切削部分が溶着部分４３Ｘよりも外側であることが好ましい。
なお、図３（ｄ）の例では、本体部形成材４１の一部についても切削されているが、先端部形成材４２のみを切削してもよい。
＜陰極：第２の実施形態＞
図４は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極の他の例における構成を示す説明用断面図である。
この陰極３０Ａは、タングステンからなる本体部３１と、この本体部３１の先端面に接合された、エミッタ物質を含む先端部３２とが接合されてなるものである。
本体部３１には、円柱状の形状を有するエミッタ部材Ｅが収容されたエミッタ収容部４４が設けられている。
図４は、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法により得られる陰極の他の例における構成を示す説明用断面図である。
この陰極３０Ａは、タングステンからなる本体部３１と、この本体部３１の先端面に接合された、エミッタ物質を含む先端部３２とが接合されてなるものである。
本体部３１には、円柱状の形状を有するエミッタ部材Ｅが収容されたエミッタ収容部４４が設けられている。
エミッタ部材Ｅは、その先端面（図４における上面）が先端部３２の底面に密着している。
エミッタ部材Ｅは、エミッタ物質が含有されてなるものであり、具体的には、高融点金属材料およびエミッタ物質の焼結体により構成されている。
エミッタ部材Ｅを構成する高融点金属材料としては、タングステン、モリブデンなどを用いることができる。
エミッタ部材Ｅにおけるエミッタ物質の濃度は、１０〜８０質量％であることが好ましく、より好ましくは２０〜５０質量％である。
エミッタ部材Ｅは、エミッタ物質が含有されてなるものであり、具体的には、高融点金属材料およびエミッタ物質の焼結体により構成されている。
エミッタ部材Ｅを構成する高融点金属材料としては、タングステン、モリブデンなどを用いることができる。
エミッタ部材Ｅにおけるエミッタ物質の濃度は、１０〜８０質量％であることが好ましく、より好ましくは２０〜５０質量％である。
図４に示す陰極においては、本体部３１にエミッタ収容部４４が設けられていることの他は、図２に示す陰極の構成と同様であるので、その他の構成の説明は省略する。
＜放電ランプ用陰極の製造方法＞
以下、図４に示す陰極の製造方法の一例について具体的に説明する。
以下、図４に示す陰極の製造方法の一例について具体的に説明する。
（１）突起部形成工程
図５（ａ）に示すように、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを用意する。この本体部形成材４１は、製造すべき陰極３０Ａの本体部３１における胴部分３１ａの径と同等の径を有する円柱状の形状を有し、当該本体部形成材４１の中心部に中心軸に沿って円柱状の空間を有するエミッタ収容部４４が形成されている。また、先端部形成材４２は、本体部形成材４１の径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。そして、本体部形成材４１の被接合面４１ｓに露出するようにエミッタ部材Ｅをエミッタ収容部４４に配置する。
次に、図５（ｂ）に示すように、先端部形成材４２の被接合面４２ｓに突起部４３を切削などにより形成する。
図５（ａ）に示すように、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを用意する。この本体部形成材４１は、製造すべき陰極３０Ａの本体部３１における胴部分３１ａの径と同等の径を有する円柱状の形状を有し、当該本体部形成材４１の中心部に中心軸に沿って円柱状の空間を有するエミッタ収容部４４が形成されている。また、先端部形成材４２は、本体部形成材４１の径と同等の径を有する円柱状の形状を有する。そして、本体部形成材４１の被接合面４１ｓに露出するようにエミッタ部材Ｅをエミッタ収容部４４に配置する。
次に、図５（ｂ）に示すように、先端部形成材４２の被接合面４２ｓに突起部４３を切削などにより形成する。
この例の突起部４３は、エミッタ収容部４４の開口を取り囲む位置に円環状に形成されており、突起部４３の端面４３ｓは平坦面とされている。
この例の突起部４３の陰極３０Ａの軸方向に沿った断面形状は、長方形状である。
この例の突起部４３の陰極３０Ａの軸方向に沿った断面形状は、長方形状である。
本発明においては、この実施形態のように、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方に、エミッタ収容部を形成する場合において、突起部は、環状に形成されていることが好ましく、特に、突起部がエミッタ収容部の開口を取り囲む位置に環状に形成されていることが好ましい。これは、接合工程において、エミッタ部材の露出面を確保しながら、その外周を溶着することが好ましいためである。これにより、エミッタ部材が先端部の底面に接触すると共に、その外周の溶着部によって密閉されるので、エミッタ部材からのエミッタ物質を先端部に確実に供給すると共に、エミッタ物質が漏出することを抑制することができる。
（２）接合工程
図５（ｃ）に示すように、先端部形成材４２に形成された突起部４３の端面４３ｓと本体部形成材４１の被接合面４１ｓとを、先端部形成材４２の中心軸と本体部形成材４１の中心軸とが一致した状態で対向させて当接させる。この状態を維持したまま、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを接合方向に加圧した状態で通電させることにより、突起部４３を加熱溶融させ、本体部形成材４１および先端部形成材４２を溶着して接合体４５を形成する。
図５（ｃ）に示すように、先端部形成材４２に形成された突起部４３の端面４３ｓと本体部形成材４１の被接合面４１ｓとを、先端部形成材４２の中心軸と本体部形成材４１の中心軸とが一致した状態で対向させて当接させる。この状態を維持したまま、本体部形成材４１と先端部形成材４２とを接合方向に加圧した状態で通電させることにより、突起部４３を加熱溶融させ、本体部形成材４１および先端部形成材４２を溶着して接合体４５を形成する。
（３）切削工程
図５（ｄ）に示すように、接合工程により形成された接合体４５を、溶着部分４３Ｘの少なくとも一部が残存するように例えば旋盤などで切削することにより、円錐台形状の先端部３２を形成する（図５（ｄ）の破線部分参照）。
図５（ｄ）に示すように、接合工程により形成された接合体４５を、溶着部分４３Ｘの少なくとも一部が残存するように例えば旋盤などで切削することにより、円錐台形状の先端部３２を形成する（図５（ｄ）の破線部分参照）。
以上のように、本発明の放電ランプ用陰極の製造方法においては、本体部形成材と先端部形成材とを通電加熱することによって突起部が溶融され、これにより、本体部形成材と先端部形成材とが溶着して接合するので、従来の拡散接合に比べて、簡便で、短時間での接合が可能となり製造時間を短縮することができる。
本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、エミッタ収容部は、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方に形成されればよく、図６に示す陰極３０Ｂのように、先端部３２を形成するための先端部形成材にエミッタ収容部４４が形成されていてもよい。
また例えば、突起部は、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方に形成されればよく、突起部が、本体部形成材および先端部形成材の双方に形成される場合には、双方の突起部の端面(先端)同士が対向するように形成されることが好ましい。
さらに例えば、突起部は、環状に形成されていることに限定されず、例えば円盤状に形成されていてもよい。突起部が環状に形成されている場合でも、部分的に間隙がある状態でもよい。また、突起部の陰極の軸方向に沿った断面形状としては、例えば、台形状、矩形状などが挙げられるが、突起部の端面は、平坦面であることに限定されず、曲面であってもよい。
例えば、エミッタ収容部は、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方に形成されればよく、図６に示す陰極３０Ｂのように、先端部３２を形成するための先端部形成材にエミッタ収容部４４が形成されていてもよい。
また例えば、突起部は、本体部形成材および先端部形成材の少なくとも一方に形成されればよく、突起部が、本体部形成材および先端部形成材の双方に形成される場合には、双方の突起部の端面(先端)同士が対向するように形成されることが好ましい。
さらに例えば、突起部は、環状に形成されていることに限定されず、例えば円盤状に形成されていてもよい。突起部が環状に形成されている場合でも、部分的に間隙がある状態でもよい。また、突起部の陰極の軸方向に沿った断面形状としては、例えば、台形状、矩形状などが挙げられるが、突起部の端面は、平坦面であることに限定されず、曲面であってもよい。
〔実験例〕
各形成材の接合において、拡散接合によって得られた接合体と、本発明に係る突起部を溶着すること（以下、「突起溶着」ともいう。）によって得られた接合体との接合強度を測定した。
具体的には、純タングステンからなる外径φ１５ｍｍ、全長８０ｍｍのタングステン棒（本体部）と、ＴｈＯ2 をドープしたタングステン（ＴｈＯ2 の濃度：２質量％）からなる外径φ１５ｍｍ、全長８０ｍｍのトリエーテッドタングステン棒(先端部)との接合を、拡散接合と突起溶着とで行い、得られた接合体の引張強度をそれぞれ測定した。なお、突起溶着については、先端部の被接合面に高さ１ｍｍの突起部を円環状に形成した。また、突起部の端面の面積を「Ｓｗ（ｍｍ2 ）」とし、先端部の被接合面の面積を「Ｓ（ｍｍ2 ）」としたとき、突起部の端面の面積Ｓｗが、０．２×Ｓ、０．３×Ｓ、０．５×ＳおよびＳである場合について行った。
各形成材の接合において、拡散接合によって得られた接合体と、本発明に係る突起部を溶着すること（以下、「突起溶着」ともいう。）によって得られた接合体との接合強度を測定した。
具体的には、純タングステンからなる外径φ１５ｍｍ、全長８０ｍｍのタングステン棒（本体部）と、ＴｈＯ2 をドープしたタングステン（ＴｈＯ2 の濃度：２質量％）からなる外径φ１５ｍｍ、全長８０ｍｍのトリエーテッドタングステン棒(先端部)との接合を、拡散接合と突起溶着とで行い、得られた接合体の引張強度をそれぞれ測定した。なお、突起溶着については、先端部の被接合面に高さ１ｍｍの突起部を円環状に形成した。また、突起部の端面の面積を「Ｓｗ（ｍｍ2 ）」とし、先端部の被接合面の面積を「Ｓ（ｍｍ2 ）」としたとき、突起部の端面の面積Ｓｗが、０．２×Ｓ、０．３×Ｓ、０．５×ＳおよびＳである場合について行った。
表１の結果より、本発明に係る突起溶着においては、突起部の端面の面積Ｓｗが０．３×Ｓ以上である場合に、拡散接合を上回る接合強度が得られることが確認された。
〈実施例１〉
以下に示す工程を経て、陰極〔１〕を作製した。
（１）突起部形成工程
下記寸法となるように、各形成材を切削処理し、表面を研磨・洗浄処理し、水素処理を１０００℃で行った。なお、突起部は先端部形成材に形成した。
本体部形成材（４１）の寸法：外径１０ｍｍ、全長１８ｍｍ
本体部形成材（４１）の材質：純タングステン
先端部形成材（４２）の寸法：外径１０ｍｍ、全長１０ｍｍ
先端部形成材（４２）の材質：ＴｈＯ2 をドープしたタングステン（ＴｈＯ2 の濃度：２質量％）
突起部（４３）の寸法：外径７ｍｍ、幅２．４ｍｍ、高さ１ｍｍ（突起部の端面の面積が先端部形成材の被接合面の面積の０．３倍）
（２）接合工程
突起部（４３）の端面（４３ｓ）と先端部形成材（４２）の被接合面（４２ｓ）とを対向させて当接させ、本体部形成材と先端部形成材とを加圧条件：５ｋＮで加圧し、通電条件：電流１０，０００Ａ、１０秒間で通電させた。
（３）切削工程
接合工程により形成された接合体を、下記の寸法となるように切削した後、洗浄を行い、真空熱処理を行い、７ｋＷのキセノンランプの陰極〔１〕を作製した。
陰極（３０）の寸法：外径１０ｍｍ、全長２１ｍｍ、先端角４０度
以下に示す工程を経て、陰極〔１〕を作製した。
（１）突起部形成工程
下記寸法となるように、各形成材を切削処理し、表面を研磨・洗浄処理し、水素処理を１０００℃で行った。なお、突起部は先端部形成材に形成した。
本体部形成材（４１）の寸法：外径１０ｍｍ、全長１８ｍｍ
本体部形成材（４１）の材質：純タングステン
先端部形成材（４２）の寸法：外径１０ｍｍ、全長１０ｍｍ
先端部形成材（４２）の材質：ＴｈＯ2 をドープしたタングステン（ＴｈＯ2 の濃度：２質量％）
突起部（４３）の寸法：外径７ｍｍ、幅２．４ｍｍ、高さ１ｍｍ（突起部の端面の面積が先端部形成材の被接合面の面積の０．３倍）
（２）接合工程
突起部（４３）の端面（４３ｓ）と先端部形成材（４２）の被接合面（４２ｓ）とを対向させて当接させ、本体部形成材と先端部形成材とを加圧条件：５ｋＮで加圧し、通電条件：電流１０，０００Ａ、１０秒間で通電させた。
（３）切削工程
接合工程により形成された接合体を、下記の寸法となるように切削した後、洗浄を行い、真空熱処理を行い、７ｋＷのキセノンランプの陰極〔１〕を作製した。
陰極（３０）の寸法：外径１０ｍｍ、全長２１ｍｍ、先端角４０度
〈実施例２〉
以下に示す工程を経て、陰極〔２〕を作製した。
（１）突起部形成工程
下記寸法となるように、各形成材を切削処理し、表面を研磨・洗浄処理し、水素処理を１０００℃で行った。なお、突起部は先端部形成材に形成し、本体部形成材にエミッタ収容部を形成した。
本体部形成材（４１）の寸法：外径８ｍｍ、全長４１．５ｍｍ
本体部形成材（４１）の材質：純タングステン
先端部形成材（４２）の寸法：外径８ｍｍ、全長１０ｍｍ
先端部形成材（４２）の材質：ＣｅＯ2 をドープしたタングステン（ＣｅＯ2 の濃度：２質量％）
突起部（４３）の寸法：外径５．６ｍｍ、幅１．１ｍｍ、高さ１ｍｍ（突起部の端面の面積が先端部形成材の被接合面の面積の０．３倍）
エミッタ収容部（４４）の寸法：孔径２．５ｍｍ、全長３ｍｍ
エミッタ部材（Ｅ）の材料：ＣｅＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｗの焼結体
（２）接合工程
エミッタ収容部（４４）にエミッタ部材（Ｅ）を挿入し、突起部（４３）の端面（４３ｓ）と先端部形成材（４２）の被接合面（４２ｓ）とを対向させて当接させ、本体部形成材と先端部形成材とを加圧条件：３ｋＮで加圧し、通電条件：電流６，０００Ａ、１０秒間で通電させた。
（３）切削工程
接合工程により形成された接合体を、下記の寸法となるように切削した後、洗浄を行い、真空熱処理を行い、２ｋＷの高圧ＵＶランプの陰極〔２〕を作製した。
陰極（３０）の寸法：外径８ｍｍ、全長５０ｍｍ、先端角４０度
以下に示す工程を経て、陰極〔２〕を作製した。
（１）突起部形成工程
下記寸法となるように、各形成材を切削処理し、表面を研磨・洗浄処理し、水素処理を１０００℃で行った。なお、突起部は先端部形成材に形成し、本体部形成材にエミッタ収容部を形成した。
本体部形成材（４１）の寸法：外径８ｍｍ、全長４１．５ｍｍ
本体部形成材（４１）の材質：純タングステン
先端部形成材（４２）の寸法：外径８ｍｍ、全長１０ｍｍ
先端部形成材（４２）の材質：ＣｅＯ2 をドープしたタングステン（ＣｅＯ2 の濃度：２質量％）
突起部（４３）の寸法：外径５．６ｍｍ、幅１．１ｍｍ、高さ１ｍｍ（突起部の端面の面積が先端部形成材の被接合面の面積の０．３倍）
エミッタ収容部（４４）の寸法：孔径２．５ｍｍ、全長３ｍｍ
エミッタ部材（Ｅ）の材料：ＣｅＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｗの焼結体
（２）接合工程
エミッタ収容部（４４）にエミッタ部材（Ｅ）を挿入し、突起部（４３）の端面（４３ｓ）と先端部形成材（４２）の被接合面（４２ｓ）とを対向させて当接させ、本体部形成材と先端部形成材とを加圧条件：３ｋＮで加圧し、通電条件：電流６，０００Ａ、１０秒間で通電させた。
（３）切削工程
接合工程により形成された接合体を、下記の寸法となるように切削した後、洗浄を行い、真空熱処理を行い、２ｋＷの高圧ＵＶランプの陰極〔２〕を作製した。
陰極（３０）の寸法：外径８ｍｍ、全長５０ｍｍ、先端角４０度
〈比較例１〉
実施例１において、突起部形成工程において突起部を形成せず、接合工程において、真空処理、加熱処理（１８００℃、７分間）および冷却処理により拡散接合を行ったことの他は同様にして比較用陰極〔１〕を作製した。
実施例１において、突起部形成工程において突起部を形成せず、接合工程において、真空処理、加熱処理（１８００℃、７分間）および冷却処理により拡散接合を行ったことの他は同様にして比較用陰極〔１〕を作製した。
得られた陰極〔１〕，〔２〕および比較用陰極〔１〕の引張強度を測定したところ、同程度の接合強度であった。
以上の結果から明らかなように、実施例１および２に係る陰極〔１〕，〔２〕によれば、拡散接合に比べ短時間で接合することができ、得られる陰極が、拡散接合による接合の場合と同等の機械的強度を有していることが確認された。
以上の結果から明らかなように、実施例１および２に係る陰極〔１〕，〔２〕によれば、拡散接合に比べ短時間で接合することができ、得られる陰極が、拡散接合による接合の場合と同等の機械的強度を有していることが確認された。
１０ 発光管
１１ 発光部
１２ 一方の封止部
１３ 他方の封止部
１６，１７ 口金
２０ 陽極
２４ 支持棒
３０，３０Ａ，３０Ｂ 陰極
３１ 本体部
３１ａ 胴部分
３１ｂ 先端部分
３２ 先端部
３４ 支持棒
４１ 本体部形成材
４１ｓ 被接合面
４２ 先端部形成材
４２ｓ 被接合面
４３ 突起部
４３ｓ 端面
４３Ｘ 溶着部分
４４ エミッタ収容部
４５ 接合体
Ｅ エミッタ部材
Ｓ 放電空間
１１ 発光部
１２ 一方の封止部
１３ 他方の封止部
１６，１７ 口金
２０ 陽極
２４ 支持棒
３０，３０Ａ，３０Ｂ 陰極
３１ 本体部
３１ａ 胴部分
３１ｂ 先端部分
３２ 先端部
３４ 支持棒
４１ 本体部形成材
４１ｓ 被接合面
４２ 先端部形成材
４２ｓ 被接合面
４３ 突起部
４３ｓ 端面
４３Ｘ 溶着部分
４４ エミッタ収容部
４５ 接合体
Ｅ エミッタ部材
Ｓ 放電空間
Claims (4)
- タングステンからなる本体部と、エミッタ物質がドープされたタングステンからなる先端部とが接合されてなる放電ランプ用陰極の製造方法において、
タングステンからなる本体部形成材およびエミッタ物質がドープされたタングステンからなる先端部形成材の少なくとも一方の被接合面に突起部を形成する突起部形成工程と、
前記突起部の先端と前記本体部形成材または前記先端部形成材の被接合面とを対向させて当接させた状態で、前記本体部形成材と前記先端部形成材とを通電させることにより、前記突起部を溶融させ、当該本体部形成材および当該先端部形成材を溶着して接合体を形成する接合工程とを有することを特徴とする放電ランプ用陰極の製造方法。 - 前記接合工程により形成された前記接合体を、前記突起部による溶着部分の少なくとも一部が残存するように切削することにより、円錐台形状の先端部を形成する切削工程を有する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。
- 前記突起部が環状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
- 前記本体部形成材および前記先端部形成材の少なくとも一方に、被接合面に露出するエミッタ部材が収容されたエミッタ収容部が形成されており、
前記突起部がエミッタ収容部の開口を取り囲む位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ用陰極の製造方法。
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