電極材料、直流ショートアーク放電灯
【課題】陰極のスポットの広がりを抑えることで輝度の向上を図る。
【解決手段】直流ショートアーク放電灯の陰極１１の電極材料として、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンとした。これにより、陰極１１でのスポットの広がりを抑えることができ、輝度の向上を実現することができる。
【解決手段】直流ショートアーク放電灯の陰極１１の電極材料として、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンとした。これにより、陰極１１でのスポットの広がりを抑えることができ、輝度の向上を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば光化学反応の光源として用いられる直流ショートアーク放電灯用の電極材料およびこの電極材料を用いた直流ショートアーク放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直流ショートアーク放電灯は、陰極の先端の電流密度を大きくして輝度の高い陰極輝点を得るために、陰極の先端に、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムの単体または、これら複合体を含むタングステン粉末の焼結体からなるエミッターが配置されている。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特開２０００−１４９８６８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献１の技術は、陰極の先端に形成された酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムの単体またはこれら複合体を含むタングステン粉末の焼結体がエミッタ材として用いられた場合、仕事関数が低く電子放出しやすいものとなる。このため、スポットが広がって輝度が落ちる、という問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、スポットの広がりを抑えることで輝度の向上を図ることが可能な電極材料およびこの電極材料を用いた直流ショートアーク放電灯を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するために、この発明の電極材料は、直流ショートアーク放電灯の陰極として用いる電極材料において、前記陰極は、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンであることを特徴とする。
【０００６】
また、この発明の直流ショートアーク放電灯は、密封の放電空間が形成された紫外線透過性のバルブと、前記放電空間内に対向距離で配置された陰極および陽極と、前記放電空間内に封入された１ｃｃあたり５〜６０ｍｇの水銀とを具備し、前記陰極には易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、陰極のスポットの広がりを抑えることで、輝度の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
図１は、この発明の電極材料に関する一実施形態について説明するための電極構成図である。
図１において、１１は、放電空間内に破線に示す例えばタングステン製の陽極１２を対向配置させ、アーク放電を発生させる状態で配置される陰極である。陰極１１の材料としては、易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いる。陰極１１の先端は、円錐形状の尖った状態の尖頭部１３が形成されている。
【００１０】
ここで、「易電子放射性物質を実質的に含まないタングステン」とは、仕事関数を下げるために、タングステン電極にドープして用いられる酸化トリウム、酸化セリウム、酸化ランタン等の希土類酸化物を含まない物質のことである。
【００１１】
ところで、輝度を高くするには、陰極１１の尖頭部１３先端のスポットを、より小さくし、スポットを集中させることで可能となる。スポットは、陰極から出た電子が水銀やバッファーガスと衝突する部分で発生するため、陰極１１からの電子放射面積を小さくすることで、スポットの集中が可能となる。この集中が輝度を高くすることができる。
【００１２】
易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いた陰極１１は、易電子放射性物質を含まないことから、仕事関数は高くなるが、電子の放出性はトリエーテッドタングステンに劣る。このために、ランプ電流に見合った電子を放出し、イオンエネルギーによる陰極自身の自己加熱によって熱電子が放出される。ドープタングステンの場合は、電極温度をより高くする必要がある。ドープタングステンの場合は、電子放出部分の温度を上げることからスポットを絞ることができる。
【００１３】
このように、陰極に易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いた場合、電子放出部分の温度を上げてスポットが絞れ、陽極との間で発生するアークの輝度を向上させることができる。
【００１４】
ところで、ドープタングステンにはアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、カリウム（Ｋ）の少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含ませると良い。アルミニウム、シリコン、カリウムは、ドープ材として機能するものであり、陰極１１の耐変形性を向上させる効果がある。
【００１５】
このドープ材の含有量としては、０．００１質量％未満では添加の効果が充分得られない。逆に、０．０１質量％を超えた場合は、焼結や加工が困難となる問題が発生するため、０．００１〜０．０１質量％の範囲が好ましい。また、ドープ材を２種または３種用いた場合であっても、その合計量が０．００１〜０．０１質量％の範囲内になることが好ましい。
【００１６】
図２は、この発明の電極材料が陰極として用いられた場合の、この発明の直流ショートアーク放電灯に関する一実施形態について説明するための構成図である。
【００１７】
この直流ショートアーク放電灯は、密封された放電空間２１を有する石英ガラス製の発光管２２の放電空間２１内に、電極心棒２３の先端に取り付けられた陰極１１と電極心棒２４の先端に取り付けられた陽極１２が、対向して配置されている。
【００１８】
そして、放電空間２１内には水銀と希ガスとしてキセノンガスが封入されている。電極心棒２３，２４の尾端部は、それぞれモリブデン箔２５，２６に溶接され、モリブデン箔２５，２６は、発光管２２の両端にそれぞれ連設された封止管２７，２８内に埋設されて封止されている。また、封止管２７，２８の尾端にはそれぞれ口金２９，３０がそれぞれ取り付けられる。３１，３２は、電力を供給するためのリードである。
【００１９】
ここで、陰極１１は、例えば直径が６ｍｍ、長さが１８ｍｍの易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステン製の円柱体であり、先端部分は円錐形状の尖頭部１３が形成されている。陰極１１の電極心棒３１は、例えば直径が３ｍｍ、長さが１７ｍｍのタングステン棒からなる。
【００２０】
一方、陽極１２は、例えば直径が７ｍｍ、長さが２０ｍｍのドープタングステン製の円柱体であり、先端部分は台形形状をしている。陽極１２の電極心棒２４は、例えば直径が３ｍｍ、長さが２２ｍｍのタングステン棒からなる。
【００２１】
ここで、図４と図５は、図２で構成される直流ショートアーク放電灯の陰極を従来の材料の場合（図４）とこの発明の材料の場合（図５）の、図３の破線枠で示す部分の輝度の違いを相対比較して説明するものである。
【００２２】
直流ショートアーク放電灯の具体的な構成は、放電空間２１の内容積を１１ｍｍ３、陰極１１と陽極１２との極間距離を２ｍｍとし、放電空間２１内に水銀を４５ｍｇ／ｃｃ、希ガスとしてキセノンガスを１５０ｔｏｒｒでそれぞれ封入する。
【００２３】
そして、陽極は、図４、図５ともに耐熱性金属であるドープタングステンを使用している。陰極は、図４では２％のトリエーテッドタングステンを、図５では０．０５％の酸化カリウムがドープされたドープタングステンをそれぞれ使用している。
【００２４】
このように構成された直流ショートアーク放電灯を、ランプ電圧４０Ｖ、ランプ電流６．２５Ａの定格消費電力が２５０Ｗで点灯させた結果、従来のランプの中心最大輝度は８０−９０であるのに対し、この発明のランプの中心輝度は１４０−１５０であり、従来のランプの中心最大輝度に対して１.６倍程度向上している。
【００２５】
また、陰極先端部分の０．３ｍｍ２における積算輝度についてもこの発明は従来に比して１．４倍得ることができることが判った。
【００２６】
このように、この発明の構成の直流ショートアーク放電灯では、陰極１１として易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンとしたことにより、輝度の向上を図ることができる。
【００２７】
この発明の上記した実施形態に限定されるものではなく、例えば陽極としては、ドープタングステンを使用した例を示したが、純タングステンであっても構わない。また、陰極にはアルミニウム、シリコン、カリウムの少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含ませドープ材として機能させると、陰極１１の耐変形性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の電極材料に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図２】この発明の直流ショートアーク放電灯に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図３】図１に示す電極材料の構成図。
【図４】陰極を従来の電極材料とした場合の陰極と陽極の輝度について説明するための説明図。
【図５】陰極をこの発明の電極材料とした場合の陰極と陽極の輝度について説明するための説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１１ 陰極
１２ 陽極
１３ 尖頭部
２１ 放電空間
２２ 発光管
２３ 電極心棒
２４ 電極心棒
２５，２６ モリブデン箔
２７，２８ 封止管
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば光化学反応の光源として用いられる直流ショートアーク放電灯用の電極材料およびこの電極材料を用いた直流ショートアーク放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直流ショートアーク放電灯は、陰極の先端の電流密度を大きくして輝度の高い陰極輝点を得るために、陰極の先端に、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムの単体または、これら複合体を含むタングステン粉末の焼結体からなるエミッターが配置されている。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特開２０００−１４９８６８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献１の技術は、陰極の先端に形成された酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムの単体またはこれら複合体を含むタングステン粉末の焼結体がエミッタ材として用いられた場合、仕事関数が低く電子放出しやすいものとなる。このため、スポットが広がって輝度が落ちる、という問題があった。
【０００４】
この発明の目的は、スポットの広がりを抑えることで輝度の向上を図ることが可能な電極材料およびこの電極材料を用いた直流ショートアーク放電灯を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するために、この発明の電極材料は、直流ショートアーク放電灯の陰極として用いる電極材料において、前記陰極は、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンであることを特徴とする。
【０００６】
また、この発明の直流ショートアーク放電灯は、密封の放電空間が形成された紫外線透過性のバルブと、前記放電空間内に対向距離で配置された陰極および陽極と、前記放電空間内に封入された１ｃｃあたり５〜６０ｍｇの水銀とを具備し、前記陰極には易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、陰極のスポットの広がりを抑えることで、輝度の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
図１は、この発明の電極材料に関する一実施形態について説明するための電極構成図である。
図１において、１１は、放電空間内に破線に示す例えばタングステン製の陽極１２を対向配置させ、アーク放電を発生させる状態で配置される陰極である。陰極１１の材料としては、易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いる。陰極１１の先端は、円錐形状の尖った状態の尖頭部１３が形成されている。
【００１０】
ここで、「易電子放射性物質を実質的に含まないタングステン」とは、仕事関数を下げるために、タングステン電極にドープして用いられる酸化トリウム、酸化セリウム、酸化ランタン等の希土類酸化物を含まない物質のことである。
【００１１】
ところで、輝度を高くするには、陰極１１の尖頭部１３先端のスポットを、より小さくし、スポットを集中させることで可能となる。スポットは、陰極から出た電子が水銀やバッファーガスと衝突する部分で発生するため、陰極１１からの電子放射面積を小さくすることで、スポットの集中が可能となる。この集中が輝度を高くすることができる。
【００１２】
易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いた陰極１１は、易電子放射性物質を含まないことから、仕事関数は高くなるが、電子の放出性はトリエーテッドタングステンに劣る。このために、ランプ電流に見合った電子を放出し、イオンエネルギーによる陰極自身の自己加熱によって熱電子が放出される。ドープタングステンの場合は、電極温度をより高くする必要がある。ドープタングステンの場合は、電子放出部分の温度を上げることからスポットを絞ることができる。
【００１３】
このように、陰極に易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンを用いた場合、電子放出部分の温度を上げてスポットが絞れ、陽極との間で発生するアークの輝度を向上させることができる。
【００１４】
ところで、ドープタングステンにはアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、カリウム（Ｋ）の少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含ませると良い。アルミニウム、シリコン、カリウムは、ドープ材として機能するものであり、陰極１１の耐変形性を向上させる効果がある。
【００１５】
このドープ材の含有量としては、０．００１質量％未満では添加の効果が充分得られない。逆に、０．０１質量％を超えた場合は、焼結や加工が困難となる問題が発生するため、０．００１〜０．０１質量％の範囲が好ましい。また、ドープ材を２種または３種用いた場合であっても、その合計量が０．００１〜０．０１質量％の範囲内になることが好ましい。
【００１６】
図２は、この発明の電極材料が陰極として用いられた場合の、この発明の直流ショートアーク放電灯に関する一実施形態について説明するための構成図である。
【００１７】
この直流ショートアーク放電灯は、密封された放電空間２１を有する石英ガラス製の発光管２２の放電空間２１内に、電極心棒２３の先端に取り付けられた陰極１１と電極心棒２４の先端に取り付けられた陽極１２が、対向して配置されている。
【００１８】
そして、放電空間２１内には水銀と希ガスとしてキセノンガスが封入されている。電極心棒２３，２４の尾端部は、それぞれモリブデン箔２５，２６に溶接され、モリブデン箔２５，２６は、発光管２２の両端にそれぞれ連設された封止管２７，２８内に埋設されて封止されている。また、封止管２７，２８の尾端にはそれぞれ口金２９，３０がそれぞれ取り付けられる。３１，３２は、電力を供給するためのリードである。
【００１９】
ここで、陰極１１は、例えば直径が６ｍｍ、長さが１８ｍｍの易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステン製の円柱体であり、先端部分は円錐形状の尖頭部１３が形成されている。陰極１１の電極心棒３１は、例えば直径が３ｍｍ、長さが１７ｍｍのタングステン棒からなる。
【００２０】
一方、陽極１２は、例えば直径が７ｍｍ、長さが２０ｍｍのドープタングステン製の円柱体であり、先端部分は台形形状をしている。陽極１２の電極心棒２４は、例えば直径が３ｍｍ、長さが２２ｍｍのタングステン棒からなる。
【００２１】
ここで、図４と図５は、図２で構成される直流ショートアーク放電灯の陰極を従来の材料の場合（図４）とこの発明の材料の場合（図５）の、図３の破線枠で示す部分の輝度の違いを相対比較して説明するものである。
【００２２】
直流ショートアーク放電灯の具体的な構成は、放電空間２１の内容積を１１ｍｍ３、陰極１１と陽極１２との極間距離を２ｍｍとし、放電空間２１内に水銀を４５ｍｇ／ｃｃ、希ガスとしてキセノンガスを１５０ｔｏｒｒでそれぞれ封入する。
【００２３】
そして、陽極は、図４、図５ともに耐熱性金属であるドープタングステンを使用している。陰極は、図４では２％のトリエーテッドタングステンを、図５では０．０５％の酸化カリウムがドープされたドープタングステンをそれぞれ使用している。
【００２４】
このように構成された直流ショートアーク放電灯を、ランプ電圧４０Ｖ、ランプ電流６．２５Ａの定格消費電力が２５０Ｗで点灯させた結果、従来のランプの中心最大輝度は８０−９０であるのに対し、この発明のランプの中心輝度は１４０−１５０であり、従来のランプの中心最大輝度に対して１.６倍程度向上している。
【００２５】
また、陰極先端部分の０．３ｍｍ２における積算輝度についてもこの発明は従来に比して１．４倍得ることができることが判った。
【００２６】
このように、この発明の構成の直流ショートアーク放電灯では、陰極１１として易電子放射性物質を実質的に含まないドープタングステンとしたことにより、輝度の向上を図ることができる。
【００２７】
この発明の上記した実施形態に限定されるものではなく、例えば陽極としては、ドープタングステンを使用した例を示したが、純タングステンであっても構わない。また、陰極にはアルミニウム、シリコン、カリウムの少なくとも１種を０．００１〜０．０１質量％含ませドープ材として機能させると、陰極１１の耐変形性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の電極材料に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図２】この発明の直流ショートアーク放電灯に関する一実施形態について説明するための構成図。
【図３】図１に示す電極材料の構成図。
【図４】陰極を従来の電極材料とした場合の陰極と陽極の輝度について説明するための説明図。
【図５】陰極をこの発明の電極材料とした場合の陰極と陽極の輝度について説明するための説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１１ 陰極
１２ 陽極
１３ 尖頭部
２１ 放電空間
２２ 発光管
２３ 電極心棒
２４ 電極心棒
２５，２６ モリブデン箔
２７，２８ 封止管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流ショートアーク放電灯の陰極として用いる電極材料において、
前記陰極は、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンであることを特徴とする電極材料。
【請求項２】
前記易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンには、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも1種を、０．００１〜０．０１質量％が含まれることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
【請求項３】
密封の放電空間が形成された紫外線透過性のバルブと、
前記放電空間内に対向距離で配置された陰極および陽極と、
前記放電空間内に封入された１ｃｃあたり５〜６０ｍｇの水銀とを具備し、
前記陰極には易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンを用いたことを特徴とする直流ショートアーク放電灯。
【請求項４】
前記陰極には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも1種を、０．００１〜０．０１質量％含むことを特徴とする請求項３記載の直流ショートアーク放電灯。
【請求項５】
前記陽極は、純タングステンまたはドープタングステンで形成されたことを特徴とする請求項３または４記載の直流ショートアーク放電灯。
【請求項１】
直流ショートアーク放電灯の陰極として用いる電極材料において、
前記陰極は、易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンであることを特徴とする電極材料。
【請求項２】
前記易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンには、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも1種を、０．００１〜０．０１質量％が含まれることを特徴とする請求項１記載の電極材料。
【請求項３】
密封の放電空間が形成された紫外線透過性のバルブと、
前記放電空間内に対向距離で配置された陰極および陽極と、
前記放電空間内に封入された１ｃｃあたり５〜６０ｍｇの水銀とを具備し、
前記陰極には易電子放射性物質を実質的に含まないタングステンを用いたことを特徴とする直流ショートアーク放電灯。
【請求項４】
前記陰極には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋの少なくとも1種を、０．００１〜０．０１質量％含むことを特徴とする請求項３記載の直流ショートアーク放電灯。
【請求項５】
前記陽極は、純タングステンまたはドープタングステンで形成されたことを特徴とする請求項３または４記載の直流ショートアーク放電灯。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２９４４３（Ｐ２０１０−１２９４４３Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０４２８３（Ｐ２００８−３０４２８３）
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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