JPH0527940B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、不飽和蒸気圧形特性を有する高圧
ナトリウムランプに使用する電極の改良に関する
ものであり、更に詳細には、これら電極に塗布さ
れる電子放射物質の改良に関するものである。

〔従来技術〕

一般に、飽和蒸気圧形の高圧ナトリウムランプ
においては、ランプ動程中のナトリウムの消失を
補償するために、発光に寄与する量よりも過剰の
量のナトリウム及び水銀が発光管内に封入されて
いる。これら過剰の量のナトリウム及び水銀は発
光管内の最冷部でアマルガムを生成している。し
たがつて発光管内の蒸気圧は、最冷部の温度及び
アマルガム組成比の変化により影響されるという
問題点がある。更にこのような飽和蒸気圧形の高
圧ナトリウムランプは、ランプ動程中にランプ電
圧が上昇し、最後には立ち消えてしまうという欠
点がある。

一方、封入ナトリウム及び水銀の量を限定し、
点灯中に封入ナトリウム及び水銀が全て蒸発気化
した状態となる、いわゆる不飽和蒸気圧形の高圧
ナトリウムランプは、最冷部の温度が変化して
も、発光管内の蒸気圧は殆ど変化しないようにな
つており、ランプ点灯時、ランプ電圧が安定して
いるものであることは既に知られている。しか
し、このような不飽和蒸気圧形の高圧ナトリウム
ランプにおいては、封入されるナトリウムの量が
微量であるため、ナトリウムが僅か消失してもラ
ンプ電圧に対して重大な影響を及ぼす。すなわち
ナトリウムの消失に伴い、ランプ電圧が徐々に下
降するという問題点がある。

このナトリウムの消失の主な原因が、ランプの
始動時及び点灯時に電極から放出されるガス、特
に酸素であることは従来から知られている。

ところで高圧ナトリウムランプの電極構成材料
としては、従来からタングステン等の高融点金属
が使用されているが、タングステンのみでは高温
度においても充分な電子放射を与えることは困難
であるので、通常、電子放射特性の優れた金属酸
化物を用いて電子放射性を補つている。

かかる電子放射性金属酸化物としては、通常、
バリウム、カルシウム等のアルカリ土類金属酸化
物、あるいは酸化トリウム等が用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上記のような金属酸化物を用いた電極
では、ランプの動作中の電極温度は、先端で約
1700℃となり末端に向かつて次第に低くなつてい
る。点灯動作中に上記の金属酸化物を主体とする
電子放射物質（エミツター）は、先端に近い部分
から徐々に蒸発飛散し、発光管の内面に付着す
る。この発光管内面への電子放射物質の付着量が
多くなると、光束の低下の大きな原因となる。

このような問題点の対策として、従来、電極芯
棒に巻回するタングステンコイルを二重コイルに
形成して、内コイルと電極芯棒との間に電子放射
物質を密に充填して、外コイルの表面には電子放
射物質を極力露出させない構造をとり、電子放射
物質の蒸発を抑制する方法などが知られている。

しかしながら、上記のようなアルカリ土類金属
酸化物は電子放射性は優れているが、高温度で蒸
気圧が比較的高く、コイル中に充填した該酸化物
の蒸発を完全に抑えることは困難である。また、
アルカリ土類金属を含む酸化物、あるいは酸化タ
ングステンとの複合酸化物等は、約1300℃前後で
一部が分解蒸発し、遊離したアルカリ土類金属、
アルカリ土類金属酸化物、及び酸素等を放出す
る。

これらの分解した蒸発成分の中で、特に酸素は
ナトリウムと反応して蒸気圧の低い安定な化合物
を生成する。

このナトリウムの酸化物の生成が、発光管内に
おけるナトリウム消失の主な原因の一つであり、
特に不飽和蒸気圧形の高圧ナトリウムランプにお
いては、このナトリウムの酸化物の生成によるナ
トリウム消失がランプ電圧降下を招きランプ寿命
を短くする要因となつているので、このナトリウ
ム消失を極力抑制することが必須である。

このナトリウム酸化物の生成によるナトリウム
消失を抑制することは、上記不飽和蒸気圧形の高
圧ナトリウムランプのみならず、点灯中に封入量
の全部ではなく80％以上が蒸発する程度のナトリ
ウムアマルガムを封入した高圧ナトリウムランプ
に対しても必要な要件である。すなわち、点灯中
に封入量の80％以上が蒸発する程度のナトリウム
アマルガムが封入されている場合には、アマルガ
ムの組成比が不飽和形のランプと同様であると、
飽和蒸気圧形特性ではなく、不飽和蒸気圧形特性
を示すものであり、しかも微量のナトリウム消失
によりランプ特性に大きな影響を与える点では不
飽和蒸気圧形のランプと同等であるから、封入量
の全部ではなく80％以上が蒸発する程度の量のナ
トリウムアマルガムが封入されている不飽和蒸気
圧形特性をもつ高圧ナトリウムランプにおいて
も、ナトリウム消失を抑制することは同様に必須
要件となるものである。

なお、酸化トリウムは、高融点を有すると同時
に、比較的小さい仕事関数を有するため、電子放
射物質として使用されている。しかし、この酸化
トリウムは放射性同位元素の酸化物であるため、
放射性物質取扱基準に準じた取り扱いをしなけれ
ばならず、作業性の点で多くの問題があり、現在
は電子放射物質として次第に使用されない方向に
なつている。

本発明は、従来の不飽和蒸気圧形特性を有する
高圧ナトリウムランプの発光管の電極に塗布され
る電子放射物質の上記問題点を解消するためにな
されたもので、ナトリウムと反応する物質を放出
しにくく、したがつてランプ動程中のランプ電圧
降下を軽減し、ランプ寿命を向上させる電子放射
物質を設けた不飽和蒸気圧形特性をもつ高圧ナト
リウムランプ用電極を提供することを目的とする
ものである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

本発明は、上記問題点を解決するために種々の
実験を行い検討を加えた結果、電極の電子放射物
質として、酸化イツトリウム（Y₂O₃）を用いる
ようにしたものである。

電極の電子放射物質として、上記の酸化イツト
リウムを選定するに際しては、本発明者らは基礎
実験として、以下に示す条件を満足する電子放射
物質用の金属酸化物を検討した。

(1) 高圧ナトリウムランプの発光管シール温度で
分解しないような、少なくとも1600℃以上の高
融点を有すること。

(2) 電極動作温度において低い蒸気圧を有するこ
と。

(3) 熱電子放射に対する仕事関数が比較的小さい
こと。

(4) ランプ点灯時の温度においてナトリウムと反
応しにくいこと。

なおこの基礎実験では、現在高圧ナトリウムラ
ンプ用の電極エミツター材料として幅広く使用さ
れている酸化バリウムBaO、酸化カルシウム
CaO等や、あるいはそれらを含む複合酸化物（例
えばタングステン酸バリウムカルシウム
Ba₂CaWO₆等）は、上記のように分解温度が低
く、ナトリウムと反応しやすい等の点を考慮し、
また酸化トリウムThO₂やそれを含む複合酸化物
も先に述べたようにトリウムが放射性元素の一つ
であること等の点を考慮して、上記金属酸化物の
対象から除外した。

上記実験検討の結果、上記(1)〜(4)の各条件を満
足する電子放射物質は、酸化スカンジウム
Sc₂O₃、酸化イツトリウムY₂O₃、酸化ランタン
La₂O₃、酸化プラセオジムPr₂O₃、酸化ネオジム
Nd₂O₃、酸化サマリウムSm₂O₃、酸化ガドリニウ
ムGd₂O₃、酸化ジスプロシウムDy₂O₃等の稀土類
元素の酸化物、及びそれらの酸化物の混合物であ
ることが判明した。

そして、これらの酸化物の融点は、次の順序で
低くなつていることがわかつた。すなわちCeO₂
（2500℃）、Y₂O₃（2420℃）、Sc₂O₃（2405℃）、
Gd₂O₃（2395℃）、Dy₂O₃（2385℃）、Sm₂O₃（2320
℃）、Nd₂O₃（2315℃）、La₂O₃（2300℃）、Pr₂O₃
（2290℃）の順である。

また、これらの酸化物の蒸発性は次の順序で増
加していることがわかつた。すなわち、Y₂O₃，
Sc₂O₃，Gd₂O₃，Dy₂O₃，La₂O₃，Sm₂O₃，
Pr₂O₃，Nd₂O₃，CeO₂の順である。

また、これらの酸化物の仕事関数は、次の順序
で増加していることが判明した。すなわち、
Y₂O₃（2.0eV），Gd₂O₃（2.1eV），Dy₂O₃（2.1eV），
Nd₂O₃（2.3eV），La₂O₃（2.8eV），Pr₂O₃（2.8eV），
Sm₂O₃（2.8eV），CeO₂（2.9eV），Sc₂O₃（3.2eV）
の順である。

これらの稀土類元素の酸化物の中で、特に酸化
イツトリウムY₂O₃を電子放射物質として使用す
ると、ランプ電圧の降下は著しく抑えられ、始動
特性も比較的良好であつた。

そこで、本発明は、不飽和蒸気圧形特性をもつ
高圧ナトリウムランプ用電極の電子放射物質とし
て、上記のように酸化イツトリウムY₂O₃を用い
るものである。この酸化イツトリウムY₂O₃を用
いることによつて、ランプ電圧の降下が著しく抑
制され、始動性も比較的良好になる理由は明確で
はないが、上記のように、融点、蒸発性及び仕事
関数の全ての面で、他の酸化物より優れており、
最も遊離の酸素を放出しにくいものであり、した
がつてナトリウムとの反応性も低く、ナトリウム
の消失の抑制効果が著しくなるためと考えられ
る。

以上のように酸化イツトリウムY₂O₃を、不飽
和蒸気圧形特性をもつ高圧ナトリウムランプ用電
極の電子放射物質とすることにより、ランプ電圧
の降下が抑制され、ランプ寿命が向上し、所期の
目的の達成が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。まず
本発明に係る電極の電極構成部材としては、第１
図に示すように、電極芯棒１の外周に接して二重
コイル２を配設し、更にその外側に一重コイル３
を配設した極く一般的な360ワツトの高圧ナトリ
ウムランプ用の電極構成部材を使用する（なお、
電極の熱容量を小さくするために、電極芯棒１の
径を0.8mmとした）。

一方、電子放射物質は市販の純度99.99％の酸
化イツトリウムの粉末にブチルアルコールと、バ
インダーとしてニトロセルロースラツカーを加え
てよく撹拌して懸濁液にする。

次いで、この懸濁液に前記電極構成部材を浸漬
して、電子放射物質４を塗布し乾燥させた後、外
側コイル３の表面の電子放射物質４を除去する。
その後、水素雰囲気中で約2200℃の温度で焼成
し、電極を作成した。この焼成工程においては、
酸化イツトリウムY₂O₃の融点は2420℃と高いの
で、電極構成部材の金属との結着性を良くするた
め、焼成温度は少なくとも2000℃以上とするのが
望ましい。なお、この焼成工程には、放電焼成を
利用することもできる。

第２図は、上記のようにして作成された電極を
組み込んだ360ワツトの高圧ナトリウムランプ用
の発光管を示す。図において、５は内径が8.0mm
の多結晶アルミナの発光管本体であり、該発光管
本体５の両端部には主電極６ａ，６ｂを具備した
導電性の耐熱金属管７ａ，７ｂを、該主電極６
ａ，６ｂ間の距離が84mmとなるように配置し、該
耐熱金属管７ａ，７ｂと発光管本体５との間の間
隙は、シーリングフリツトにより気密に封止され
ている。

そして、このような構造の発光管内には、ラン
プ動作時に封入されたナトリウム及び水銀が全て
蒸発しうる量のナトリウム0.06mg及び水銀5.5mg
と、始動用補助ガスとしてキセノン150Torrが封
入されており、いわゆる不飽和蒸気圧形の状態と
なつている。

このように構成した発光管を外球（図示せず）
に収納して、400W高圧水銀灯用安定器と組み合
わせて、入力電力360Wでランプ寿命試験を行つ
た。その結果、この電子放射物質としてY₂O₃を
塗布・焼成した電極を装着したランプにおいて
は、初期のランプ電圧は平均135Vであり、3000
時間点灯後におけるランプ電圧は、平均130Vに
なり、初期時点からのランプ電圧降下幅は5Vで
あつた。

これと対比するために、タングステン酸バリウ
ムカルシウムBa₂CaWO₆を主成分とした従来の
電子放射物質を用いた電極を装着した、同じ構造
の不飽和形高圧ナトリウムランプの寿命試験を行
つたところ、初期のランプ電圧は平均125Vであ
り、3000時間点灯後におけるランプ電圧は平均
105Vで、初期時点からのランプ電圧降下幅は
20Vであつた。なお、このランプは3000時間点灯
後においてはナトリウムの発光色が殆ど見られ
ず、水銀のみの発光となつて水銀灯化していた。

更に、電子放射物質として酸化イツトリウム
Y₂O₃以外の稀土類酸化物を使用した場合を比較
する目的で、酸化セリウムCeO₂、酸化ネオジム
Nd₂O₃及び酸化サマリウムSm₂O₃を電子放射物質
として使用したランプについて、同様に寿命試験
を行つたところ、ランプ点灯時間が500時間以内
で全てのランプのランプ電圧が、20〜30Vと大幅
に降下し、1000時間以内でナトリウム発光色が消
失した状態となつた。

この理由は明確ではないが、上記CeO₂は本発
明において用いる酸化イツトリウムY₂O₃と比較
して、融点は高いが蒸発性及び仕事関数も高く、
またNd₂O₃及びSm₂O₃は酸化イツトリウムY₂O₃
と比較して、融点は低く、且つ蒸発性が高く、し
かも仕事関数も高いので、ナトリウムとの反応性
がかなり大きいことによるものと思われる。

上記実施例では、発光管中に封入されたナトリ
ウム及び水銀が点灯動作中には全て蒸発する状態
となる不飽和蒸気圧形のランプに適用する電極に
ついて説明したが、先に述べたように、点灯動作
時に80％以上が蒸発する程度の量のナトリウムア
マルガムが封入されている不飽和蒸気圧形特性を
もつ高圧ナトリウムランプにおいても、電極から
放出される遊離酸素によるナトリウム消失が、ラ
ンプ特性に大きな影響を及ぼすものであるから、
かかる不飽和蒸気圧形特性をもつ高圧ナトリウム
ランプの電極に対しても、本発明は適用できるも
のであり、同様な効果が得られるものである。

なお、上記実施例においては、電極の電子放射
物質として、酸化イツトリウムY₂O₃みを使用し
た例について説明したが、電子放射物質とナトリ
ウムとの反応によるナトリウム消失を極力抑制し
つつ電子放射性を更に改善する目的で、酸化イツ
トリウムY₂O₃に微量の酸化トリウムThO₂や酸化
バリウムBaO、酸化カルシウムCaO、酸化スト
ロンチウムSrO等を加えることも可能である。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいて詳細に説明したように、
本発明は、発光管内部にキセノンガス、水銀と共
に微量のナトリウムが封入された不飽和蒸気圧形
特性を有する高圧ナトリウムランプにおいて、酸
化イツトリウムからなる電子放射物質を塗布して
電極を構成したので、放電の始動を困難にするこ
となしに、ナトリウム消失によるランプ電圧降下
を軽減することができ、ランプ寿命を改善するこ
とができる。

また、電子放射物質として用いる酸化イツトリ
ウムは人体に無害であるので、その取り扱いが容
易であり、電子放射物質を製造する工程が大幅に
簡略化され、コストダウンを計ることができると
いう効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、高圧ナトリウムランプ用電極の断面
図、第２図は、高圧ナトリウムランプの発光管の
平面図である。 図において、１は電極芯棒、２は内側二重コイ
ル、３は外側コイル、４は電子放射物質、５は発
光管、６ａ，６ｂは電極、７ａ，７ｂは導電性耐
熱金属管を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化イツトリウムを電子放射物質として用い
   たことを特徴とする不飽和蒸気圧形特性をもつ高
   圧ナトリウムランプ用電極。 ２ 上記不飽和蒸気圧形特性をもつ高圧ナトリウ
   ムランプは、点灯動作中に全て蒸発する量のナト
   リウムマルガムが発光管中に封入されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高圧ナ
   トリウムランプ用電極。 ３ 上記不飽和蒸気圧形特性をもつ高圧ナトリウ
   ムランプは、点灯動作中に完全に蒸発せず封入量
   の80％以上が蒸発する量のナトリウムアマルガム
   が発光管中に封入されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の高圧ナトリウムランプ
   用電極。