JPH0567451A

JPH0567451A - 放電灯電極

Info

Publication number: JPH0567451A
Application number: JP22913391A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ishihara; 原秀夫石; Masanori Kihata; 畑正法木; Keisuke Hayashi; 敬祐林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-09-09
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【構成】（イ）Ｗ、Ｍｏ、ＮｂおよびＴａからなる群
から選ばれる金属の１種またはこれらの合金と、（ロ）
仕事関数が４．２ｅＶ以下、かつ２０００℃における蒸
気圧が３×１０^-2Torr〜１×１０^-7Torrの範囲にある遷
移金属化合物とからなるサーメット１１が、電極１０の
先端部に付設されてなる放電灯電極。【効果】電極先端に電極金属に比べて熱伝導の小さい
サーメットチップを付設したので、アークスタート立上
りが瞬時に行え、しかも安定したスタートが可能とな
る。また、サーメットとして電子放射性の優れた材料を
用いるため、発光効率が向上し、しかも安定したアーク
放電を維持することができる。また、瞬時立上げが可能
でかつ照度が高いことから、自動車ヘッドランプ、携帯
用投光器などその応用範囲の拡大を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屋外照明などの高輝光
照明に用いられる放電灯の電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】放電灯、たとえば高効率ハライドランプ
は図２（ａ）に示すような構造のもので、外管１内に、
発光管支持枠２、２′で発光管３を支持し、始動用抵抗
４、バイメタル５、リード線６等を備えた構造をもち、
発光管３は図２（ｂ）に示すように透光性アルミナまた
は石英ガラスのチューブ７内に対向電極８、８′を設
け、Ｈｇ、Ｘｅなどを封入して、電極８、８′間にアー
ク放電を生じさせて光を発するもので、大光量、低消費
電力、長寿命であることが特徴である。チューブ内には
発光効率を上げるためＳｃＩ₃、ＮａＩなどの金属ハラ
イドを追加することもある。電極はＷ、Ｍｏのロッドや
そのロッドの先端部９、９′にＷ細線を巻き付けたもの
などが使用されている。

【０００３】点灯に際し、電極間に約１０００Ｖの高圧
をかけると、初期電流が瞬間的に流れた後、電圧が約１
５０Ｖまで低下してグロー放電（約８０ｍＡ）が発生す
る。グロー放電によって電極や封入ガスが加熱されて熱
イオンや熱電子が増加すると次第に低圧、大電流（約２
０Ｖ、約１Ａ）のアーク放電に移行して、定常発光状態
となる。この状態に到達するまでに数秒から数１０秒の
時間を要する。このようにＷやＭｏなどの金属電極で
は、熱伝導が高いため熱イオンや熱電子を十分に放出す
るまでに加熱されるには時間を要する。

【０００４】これを解決するために、米国特許第４５７
４２１９号明細書には、Ｗ粉末と、Ａｌ、Ｚｒ、Ｓｃ、
Ｄｙ、ＴｈおよびＹから選ばれる酸化物とからなるサー
メットを付設した電極を使用するとともに放電灯の電源
の改良によって、点灯時間の短縮化を図ることが開示さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、サーメット
の構成を改良して、さらに熱イオンや熱電子の発生の効
率を良くし、アークの安定性を高め、瞬時点灯を実現す
る放電灯電極を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】サーメットのセラミック
成分として、その仕事関数および蒸気圧に着目し、これ
らの値が所定の範囲にあるものを使用すれば、上記の課
題の解決に極めて有効であり、電源等も特に改良する必
要もなく従来用いられているものをそのまま使用して放
電灯の瞬時点灯の実現が可能となるこを見出だし、本発
明を完成した。

【０００７】すなわち、本発明の放電灯電極は、（イ）
Ｗ、Ｍｏ、ＮｂおよびＴａからなる群から選ばれる金属
の１種またはこれらの合金と、（ロ）仕事関数が４．２
ｅＶ以下、かつ２０００℃における蒸気圧が３×１０^-2
Torr〜１×１０^-7Torrの範囲にある遷移金属化合物とか
らなるサーメットが、電極の先端部に付設されてなるこ
と、を特徴としている。

【０００８】本発明の好ましい態様において、前記遷移
金属化合物（ロ）を、遷移金属の酸化物、炭化物、窒化
物および硼化物からなる群から選ばれる１種以上の化合
物とすることができる。本発明の好ましい他の態様にお
いて、前記サーメットが、前記サーメットの全量に対し
て１０〜６０重量％の範囲の前記遷移金属化合物（ロ）
と、残部が前記金属（イ）からなるものとすることがで
きる。本発明の好ましい他の態様において、前記遷移金
属化合物（ロ）をＬａ₂Ｏ₃とし、前記金属（イ）をＷ
とすることができる。

【０００９】本発明の放電灯電極の他の態様は、前記サ
ーメットが、前記金属（イ）および前記遷移金属化合物
（ロ）に加えて、（ハ）アルカリ土類金属酸化物の１種
または２種以上をさらに含んでなること、を特徴として
いる。本発明の好ましい態様において、前記サーメット
が、前記サーメットの全量に対して１０〜６０重量％の
範囲の前記遷移金属化合物（ロ）と、前記遷移金属化合
物（ロ）に対して２０重量％以下の前記アルカリ土類金
属酸化物（ハ）と、残部が前記金属（イ）からなるもの
とすることができる。

【００１０】発明の具体的説明点灯のために放電灯の電極間に電圧をかけると電極先端
のある点よりアークが発生する。この点を輝点（Ｓｐｏ
ｔ）と称する。輝点では、２０００Ｋ以上の高温にな
り、電極自身や電極近傍の物質を蒸発させて熱イオンや
熱電子を発生させアークを持続、安定させる効果が大き
いが、金属電極では熱伝導が大きいため電極全体に熱が
逃げて輝点が消滅しやすい。その結果、アークは消滅
し、グロー放電に移行して、再度アーク点灯するまでに
は時間が必要となる。

【００１１】本発明の電極では、電極先端にサーメット
を付設したので、電気伝導は維持しながら熱伝導性が低
く押さえられるため、輝点は消滅しにくくなり、上記の
ようなグロー放電状態を経ないで点灯を維持すること、
すなわち、瞬時点灯が可能となる。

【００１２】本発明において使用するサーメットの金属
成分（イ）としては、耐熱性を有し、かつ電子放出性の
比較的良好な金属であるＷ、Ｍｏ、ＮｂおよびＴａから
選ばれる１種または２種以上の合金を用いる。いずれの
金属を用いるかは、組合わせるサーメットのセラミック
成分（ロ）に応じて適宜選択する。

【００１３】また、サーメットのセラミック成分である
遷移金属化合物（ロ）としては、仕事関数が４．２ｅＶ
以下、好ましくは３．５ｅＶ以下、かつ２０００℃にお
ける蒸気圧が３×１０^-2Torr〜１×１０^-7Torr、好まし
くは１×１０^-3Torr〜１×１０^-6Torrの範囲にある化合
物を用いる。仕事関数は、ある物質の表面から真空中へ
電子が遊離されるために必要とするエネルギー量のこと
であり、したがって、仕事関数が小さい物質ほど電子放
出性が高く好ましい。蒸気圧が１×１０^-7Torr未満で
は、安定したアークの維持に必要な熱イオンを十分に発
生させることができず、一方、３×１０^-2Torrを越える
と、サーメット中のセラミック成分の消耗がはげしく寿
命が短くなる。

【００１４】このようなセラミック成分である遷移金属
化合物（ロ）としては、遷移金属の酸化物、炭化物、窒
化物および硼化物から選ばれる１種または２種以上の化
合物が挙げられる。ここで、遷移金属の酸化物として具
体的には、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｓｒ
Ｏ、ＺｒＯ₂、Ｄｙ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｈＯ₂、遷移
金属の炭化物としては、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｖ
Ｃ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｈＣ₂、遷移金属の窒化物とし
ては、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＮ、遷移金属の硼
化物としては、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＮｂＢ、Ｔａ
Ｂ₂、ＨｆＢ₂が挙げられる。これらのうち好ましい化
合物は、上記の金属成分（イ）と相性のよいものを適宜
選択すればよい。このような好ましい成分の組合わせと
して、たとえば、ＷとＬａ₂Ｏ₃の組合わせが特に好ま
しいものとして挙げられる。このＷとＬａ₂Ｏ₃の組合
わせからなるサーメットを付設した電極は、電子放出性
がよく、安定したアークの維持が可能でありかつ大きな
電流値を得ることができる。なお、Ｌａ₂Ｏ₃は蒸発し
やすいが、封入ガス圧を高くすれば良好に使用すること
ができる。

【００１５】サーメットを形成する金属（イ）と遷移金
属化合物（ロ）の成分割合は、遷移金属化合物（ロ）が
サーメットの全量に対して１０〜６０重量％、好ましく
は１５〜４０重量％、残部が金属（イ）となるような割
合とする。セラミック成分（ロ）の割合が少なすぎる
と、熱伝導度が大きくなり過ぎて熱が拡散しやすく、熱
イオンや熱電子を十分に放出するまでに加熱するのに時
間を要し、瞬時点灯を実現し難い。一方、セラミック成
分（ロ）の割合が多すぎると、サーメットの電気伝導度
を十分に大きくとれないので好ましくない。

【００１６】サーメットを構成する成分として、上記の
金属（イ）と遷移金属化合物（ロ）に加えて、（ハ）ア
ルカリ土類金属酸化物の１種または２種以上を含めるこ
とができる。このアルカリ土類金属酸化物（ハ）は、高
温で蒸発しやすく、また仕事関数が低く電子放出性が良
いため、該成分（ハ）をサーメットの構成成分として加
えることにより、熱イオンや熱電子の放出がさらに容易
となり、アーク安定性をさらに向上させることができ
る。このようなアルカリ土類金属酸化物（ハ）として具
体的には、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯなどが挙げられ、こ
れらのうちではＳｒＯが好ましい。

【００１７】このアルカリ土類金属酸化物（ハ）の成分
割合は、上記の遷移金属化合物（ロ）に対して２０重量
％以下、好ましくは１０重量％以下とする。添加量が多
すぎると、蒸発が大きくなり、電極消耗が激しくなると
共に、時には蒸発時の膨脹により電極にクラックを発生
させ寿命を著しく低下させる。

【００１８】これらのサーメットを構成する各成分
（イ）、（ロ）および（ハ）は、その平均粒径が５μｍ
以下のものが好ましく用いられる。

【００１９】サーメットを電極に付設するには、サーメ
ットの各構成成分を所定の比率で適当なバインダーとと
もに混合し、得られた混練物を電極ロッドの先端部に塗
布、乾燥後、適当な温度で加熱処理してバインダーを除
去した後、焼結して、電極の先端部にサーメットの付設
された電極とする。

【００２０】図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、この
ようにして電極の先端部にサーメットの付設された電極
（焼結後）の形状の一例を示す要部断面図であるが、こ
こに示された形状のものに限られない。電極棒１０の形
状は、一般に丸棒状であるが、これに限らず多角形棒
状、図１（ｃ）に示したような先端部を細く形成したも
のであってもよい。付設されるサーメット１１の焼結後
の厚さは、電極棒の側面側において電極棒の径ｄに対し
て０．１ｄ〜１ｄの範囲、先端側において０．２ｄ〜２
ｄの範囲とするのが好ましい。また、電極先端部が細く
形成されたもの（図１（ｃ））においては、その径がｄ
〜３ｄの範囲となるように、サーメットを付設すること
が好ましい。

【００２１】

【実施例】以下は本発明の実施例を説明するためのもの
である。本発明はこれらの実施例によりその範囲が限定
されるものではない。

【００２２】実施例１８０重量％のタングステン粉（平均粒径４μｍ）とＬａ
₂Ｏ₃粉末（平均粒径２．３μｍ）２０重量％をボール
ミルに装入し、８時間混合し、これにメチルセルロース
系バインダーを混合粉の１００分の３（重量）添加し、
再度混合する。十分混合の後溶剤として水を加えて混練
する。混合粉とバインダー、水が十分混練されたら、タ
ングステン電極ロッド（φ０．５×６ｍｍ長さ）の先端
に図１（ａ）に示したように塗布、コーティングを行
う。これを乾燥後、湿水素気流中で６００℃×３時間加
熱してバインダー除去（脱脂）を行い、その後乾水素気
流中で１７００℃×６時間加熱して焼結する。焼結後の
サーメットの厚さは約０．３ｍｍであった。

【００２３】このようにしてサーメットチップの付設さ
れた電極を石英ガラスバルブ中に取り付け（取り付け法
は従来通り）、ＳｃＩ₃、ＮａＩ、Ｈｇを含んだ５気圧
のＸｅガスを封入して放電灯（約３５Ｗ）とした。これ
をスポットモード点灯回路に接続して点灯試験を行っ
た。その結果、瞬時スタート（電源投入後１秒以内に定
格照度の５０％以上に達すること）は１００％合格、ま
た照度も４０１０ルーメン／３５Ｗで従来のタングステ
ン電極に比べ約２０％照度が向上した。

【００２４】実施例２サーメットの材料として、８０重量％のタングステン粉
（平均粒径４μｍ）、Ｌａ₂Ｏ₃粉末（平均粒径２．３
μｍ）１９重量％およびＣａＯ粉末（平均粒径１．７μ
ｍ）１重量％を用いた他は実施例１と同様にしてサーメ
ットップ付電極を作り、同様の条件で点灯試験を行っ
た。その結果、瞬時スタートは１００％合格、また照度
も４０５０ルーメン／３５Ｗで従来のタングステン電極
に比べ約２０％照度が向上した。

【００２５】

【発明の効果】本発明の放電灯電極を使用した放電灯に
よれば、電極先端に電極金属に比べて熱伝導の小さいサ
ーメットチップを付設したので、アークスタート立上り
が瞬時に行え、しかも安定したスタートが可能となる。
また、サーメットとして電子放射性の優れた材料を用い
るため、発光効率が向上し、しかも安定したアーク放電
を維持することができる。また、瞬時立上げが可能でか
つ照度が高いことから、自動車ヘッドランプ、携帯用投
光器などその応用範囲の拡大を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】その先端部にサーメットの付設された電極の形
状の一例を示す要部断面図。

【図２】高効率ハライドランプの構造の概要を示す説明
図。

【符号の説明】

１０電極棒１１サーメット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）Ｗ、Ｍｏ、ＮｂおよびＴａからなる
群から選ばれる金属の１種またはこれらの合金と、
（ロ）仕事関数が４．２ｅＶ以下、かつ２０００℃にお
ける蒸気圧が３×１０^-2Torr〜１×１０^-7Torrの範囲に
ある遷移金属化合物とからなるサーメットが、電極の先
端部に付設されてなることを特徴とする放電灯電極。
【請求項２】前記遷移金属化合物（ロ）が、遷移金属の
酸化物、炭化物、窒化物および硼化物からなる群から選
ばれる１種以上の化合物である、請求項１に記載の放電
灯電極。
【請求項３】前記サーメットが、前記サーメットの全量
に対して１０〜６０重量％の範囲の前記遷移金属化合物
（ロ）と、残部が前記金属（イ）からなる、請求項１ま
たは２に記載の放電灯電極。
【請求項４】前記遷移金属化合物（ロ）がＬａ₂Ｏ₃で
あり、前記金属（イ）がＷである、請求項１〜３のいず
れか１項に記載の放電灯電極。
【請求項５】前記サーメットが、前記金属（イ）および
前記遷移金属化合物（ロ）に加えて、（ハ）アルカリ土
類金属酸化物の１種または２種以上をさらに含んでなる
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載
の放電灯電極。
【請求項６】前記サーメットが、前記サーメットの全量
に対して１０〜６０重量％の範囲の前記遷移金属化合物
（ロ）と、前記遷移金属化合物（ロ）に対して２０重量
％以下の前記アルカリ土類金属酸化物（ハ）と、残部が
前記金属（イ）からなる、請求項５に記載の放電灯電
極。