JPH1197166A - 高圧放電ランプ用電極とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極の高温熱処理による不純物除去の効果
と、十分な機械的強度を両立する。 【解決手段】 タングステン金属と少なくとも一種類以
上の添加物質とから成り、放電を支持する電極先端面を
含む連続した一部分である電極先端部を除いた範囲内
で、少なくとも電極根幹部３の発光管封止材料に接触し
ている部分の結晶粒形状が、Ｌ／Ｗ ＞ ５ （Ｌ：粒
径の長さ、Ｗ：粒径の幅）となっている電極を用いて高
圧放電ランプを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高圧放電ランプ用電
極、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高圧放電ランプ用電極は、電極表
面および電極材料内に存在する不純物が発光管内に混入
しないように、その製造工程中において各種洗浄、還元
処理、高温熱処理（高温真空中での脱気処理）を行って
不純物の除去に努めている。

【０００３】高圧放電ランプ用電極材料で、一般電球の
フィラメントコイルにも多用されている、特にカリウム
を添加されたドープタングステンは、添加されていない
ノンドープタングステンに比較して再結晶温度が高く、
その再結晶粒径は線軸方向に長大となるため、ノンサグ
性すなわち機械的強度に優れている。

【０００４】また、タングステンは高温熱処理を行う
と、行わない場合に比較して結晶粒径は大きく成長し、
さらに金属表面のタングステン原子の割合が増加する。

【０００５】これは高温熱処理を行うことにより金属表
面上の不純物が減少したことを意味し、これにより融点
が向上、タングステン金属の蒸発によるランプの黒化進
行が減少すると期待される。

【０００６】しかし、一方、このカリウムがランプ点灯
動作中の放電空間内に過剰に存在すると、緩衝ガスとし
てハロゲンガスを封入する超高圧水銀ランプにとっては
悪影響を及ぼす。放電を維持する電極先端面の温度は３
０００℃近くにも達し、添加されたカリウムは容易に放
電空間に放出される。ドープタングステンフィラメント
を用いたハロゲン電球において、フィラメントの過剰な
温度上昇がバルブ内部に過剰なカリウムを放出させ、そ
れがハロゲンサイクル不全の原因となりバルブ内壁の黒
化を引き起こすことが報告されている（「照明学会雑
誌」第６１巻４号２１２頁）。

【０００７】ノンドープタングステンはドープタングス
テンに比較して機械的強度は低く、これはわずかな振動
での電極破壊の原因となり、耐震性能上好ましくない。

【０００８】特に高圧放電ランプ用電極にとって発光管
封止材料と接触する電極根幹部は落下衝撃時など振動が
加わった場合、ストレスがかかりやすく折れやすい箇所
である。高温熱処理の温度は高いほど不純物除去には効
果的であるが高温度で処理すればするほど機械的強度は
低下するというわけである。

【０００９】ドープタングステンの機械的強度を生かし
ながら、不純物およびカリウムの影響を減少させた電極
およびその製造方法は未だ実現されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の項で述べ
たように、高圧放電ランプ用電極は機械的強度を維持し
つつ、発光管内に発光物質以外の不純物を混入させない
ものでないといけない。しかし、これまでは不純物を効
果的に除去できると考えられる高温で熱処理を行うと機
械的強度が低下するため、所定の機械的強度を維持でき
る範囲内でしか高温熱処理がされておらず、これでは不
純物除去の効果が不十分であるという課題があった。

【００１１】本発明は電極の高温熱処理による不純物除
去の効果と、十分な機械的強度を両立するために、ドー
プタングステンの高温熱処理における再結晶粒子の成長
の様子がカリウムの添加量に依存することを見出したこ
とにより、電極先端部は高温熱処理による不純物除去の
効果をもたせ、かつ電極根幹部は耐振性に優れた機械的
強度が維持された電極およびその製造方法を考え、それ
に基づくランプを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、次に示す手段を用いる。

【００１３】（１）タングステン金属と少なくとも一種
類以上の添加物質とから成り、放電を支持する電極先端
面を含む連続した一部分である電極先端部を除いた範囲
内で、少なくとも電極根幹部の発光管封止材料に接触し
ている部分の結晶粒形状が、Ｌ／Ｗ ＞ ５ （Ｌ：粒
径の長さ、Ｗ：粒径の幅）となっている電極を用いて高
圧放電ランプを構成する。

【００１４】（２）コイル電極において、電極先端面か
らコイル前端部までの突出部分を電極先端部として
（１）記載の高圧放電ランプを形成する。

【００１５】（３）タングステン金属と少なくとも一種
類以上の添加物質とから成り、放電を支持する電極先端
面を含む連続した一部分である電極先端部の所定部分を
切削加工した後、高温熱処理を施す工程を含んで高圧放
電ランプ用電極の製造方法を構成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の高圧放電ランプ用電極お
よびその製造方法の実施の形態について図面を参照しな
がら説明する。

【００１７】（発明の実施の形態１）電極先端部は高温
熱処理による金属表面の不純物の除去、カリウム含有量
の低減を実現し、電極根幹部は同高温熱処理下において
も機械的強度を維持するために次のような電極および製
造方法を検討した。

【００１８】本発明の実施の形態の様子を図１に示す。
図１は電極の中央部を軸方向に分割した研磨断面を示し
ている。電極先端面１は放電アーク２を支持する。電極
は径が途中で異なる同心円柱状をしており、電極根幹部
３の周辺部のみ電極軸方向に長大に再結晶化しているも
のである。再結晶粒形状は、Ｌ／Ｗ ＞ ５ （Ｌ：粒
の長さ、Ｗ：粒の幅）となっている。再結晶粒の幅は外
周表面から軸中心に向かって１００μｍ以下である。

【００１９】図２は本電極を用いて構成された高圧放電
ランプの一例である。石英ガラス管の一部が膨出した発
光管５に両側から電極を差し込み発光管の両端部で溶融
封止された構造となっている。図１中の電極根幹部３が
図２の封止端部６に接触する形で発光管は封止されてい
る。

【００２０】（表１）はドープタングステン棒における
電極表面に存在する不純物量の、熱処理温度条件を変え
て比較したものである。

【００２１】

【表１】

【００２２】熱処理温度条件は１０００℃、１６００
℃、２０００℃の３条件で、電極表面の不純物量はオー
ジェ電子分光分析法を用いて測定した。（表１）からわ
かるように処理温度を高くするほど電極表面のタングス
テン原子の割合が増加し、これは表面からタングステン
以外の不純物が除去されていることを意味する。このこ
とは処理温度を高くするほど電極表面の光沢も良くなっ
ていくことからも確認された。（表２）は同じドープタ
ングステン棒における電極材料内に存在するカリウム
の、熱処理温度条件を変えて比較したものである。

【００２３】

【表２】

【００２４】電極材料内のカリウムはフレームレス原子
吸光法を用いて測定した。熱処理温度条件は処理なしと
２３００℃の２条件の比較であるが、添加されているカ
リウムが２３００℃で熱処理を行うことにより大きく減
少していることがわかる。

【００２５】ドープタングステン電極におけるカリウム
の存在は、結晶粒子を軸方向に長大に成長させるという
機械的強度の増加のために重要な役割を果たすが、この
カリウムがランプ点灯動作中放電空間内に過剰に存在す
ると、緩衝ガスとしてハロゲンガスを封入する超高圧水
銀ランプにとっては悪影響を及ぼす。

【００２６】したがって放電アーク２を支持する電極先
端面１および電極先端部４は２０００℃以上の高温熱処
理を施し、電極表面の不純物を除去し、加えて先端部材
料内のカリウムをできるだけ除去しておく必要がある。

【００２７】図３はドープタングステンの高温熱処理に
おける再結晶粒径の成長の様子がカリウムの添加量に依
存することを示すものである。図３（ａ）はカリウム添
加量１０ｐｐｍ以下、図３（ｂ）はカリウム添加量１６
ｐｐｍ、図３（ｃ）はカリウム添加量６０〜８０ｐｐｍ
である。電極は３種類とも同じ円柱状のものを用い、高
温熱処理の温度は２２７０℃である。これらはいずれも
円柱状の電極の中央部を軸方向に分割した研磨断面を示
している。

【００２８】図３（ｃ）は再結晶粒子が線軸方向に長大
に成長していることがわかる。このような特性がノンサ
グ性すなわち機械的強度に優れる理由である。図３
（ａ）は図３（ｃ）とは逆に再結晶粒子の線軸方向への
長大化は全く進行していない。カリウム添加量が少なす
ぎるためと考えられる。

【００２９】図３（ｂ）はその中間とも表現できるのだ
が、周辺部のみ再結晶粒子が線軸方向に長大に成長する
ことがわかる。Ｌ／Ｗ（Ｌ：粒径の長さ、Ｗ：粒径の
幅）の値は５以上となっている。周辺部のみ再結晶粒子
が成長するのは添加したカリウムの局在（分散状態）に
よる影響である。ここで用いているタングステンはタン
グステン粉末を焼結し、転打加工ののち線引き加工をお
こなうプロセスを経ている。

【００３０】カリウムが添加されたタングステンを線引
き加工をおこなう際に、カリウムの分散性は外周表面か
ら高くなる。すなわち外周部に存在するカリウムは均一
に、中心に向かうほどむらを持つということである。カ
リウムが高分散状態であるほど軸方向に長大な再結晶粒
が成長しやすい。

【００３１】図４は以上述べた現象を利用することによ
り考えた電極の製造方法の手順である。まず、図４
（ａ）に示すように、所定の長さに切断したカリウム添
加量１６ｐｐｍのタングステン線材を、図４（ｂ）に示
すように切削加工する。加工量は長大方向に成長してい
る結晶層を除去する意味から外周から幅１００μｍ以上
とする。タングステン線材の断面は円形であり、切削加
工には旋盤加工機を利用する。この後処理温度２２７０
℃、真空雰囲気において高温熱処理を施す。

【００３２】図４（ｃ）は高温熱処理を施した後の電極
の中央部を軸方向に分割した研磨断面を示している。図
３（ｂ）で示したようにカリウム添加量１６ｐｐｍのタ
ングステン線材を高温熱処理した場合に周辺部のみ再結
晶粒子が線軸方向に長大に成長するのは、線材中に添加
した１６ｐｐｍのカリウムが周辺部において高分散状態
で存在するためである。

【００３３】電極先端部の周辺部を予め図４（ｂ）のよ
うに切削加工してから高温熱処理を施すと電極先端部お
よび電極根幹部の中心部は図３（ａ）に示したようなカ
リウム添加量の非常に少ない場合と同様の結晶状態を示
す。これはまたカリウム添加のないノンドープタングス
テンを高温熱処理した場合とも似ており、この結晶状態
の機械的強度は弱いと考えられる。

【００３４】しかし本方法の場合、電極根幹部は周辺部
にカリウムの局在している部分を残して高温熱処理を施
したため、この部分は結晶粒子が長大方向に成長してお
り、ちょうど電極根幹部においては機械的強度の弱い中
心軸部分を堅い殻で覆うようなかたちになっているので
ある。

【００３５】（表３）はカリウム添加量４ｐｐｍおよび
１５ｐｐｍのドープタングステン電極棒を処理温度２３
００℃、真空雰囲気において高温熱処理した場合の折れ
強度を比較したものである。

【００３６】

【表３】

【００３７】それぞれが図４（ａ）および図４（ｂ）の
結晶状態と対応している。周辺にカリウム局在による長
大な結晶層が存在することにより、機械的強度が増加す
ることがわかる。Ｌ／Ｗ（Ｌ：粒径の長さ、Ｗ：粒径の
幅）の値は５以上となっている。

【００３８】また本構造にすることにより、電極先端部
表面の不純物も除去され、再結晶化させておくことによ
っては融点の向上が見込まれ、溶融蒸発によるランプの
黒化進行の減少が期待される。さらに電極先端部のカリ
ウムの存在が減少していることからもランプの黒化進行
の減少が期待される。

【００３９】（発明の実施の形態２）またコイル電極に
おいて、電極先端部からコイル前端部までの突出部が存
在する場合には、少なくともこの突出部にはカリウムの
含有量の多い電極軸方向に長大な再結晶層を除去してお
く必要がある。この様子を図５に示す。

【００４０】突出部の周辺部のみ切削加工し、除去して
いる。コイル電極の場合コイル部より突出部の熱容量が
小さく熱伝導性に劣り電極先端面１に放電アーク２から
与えられた熱エネルギーはまず突出部に集中する。与え
られる熱エネルギーの伝導性能に対する電極形状の熱設
計の不十分さからしばしば突出部は溶融蒸発が激しくな
ることがある。

【００４１】この突出部から予めカリウムの含有量の多
い電極軸方向に長大な再結晶層を除去してしておくこと
により、たとえ突出部が蒸発したとしてもカリウムが発
光管内に放出される量を少なくすることができる。この
ような構成とすることにより電極先端部表面の不純物は
除去され、再結晶化することにより融点の向上が見込ま
れ、一層ランプの黒化進行の減少が期待される。

【００４２】なお、本発明の実施の形態においては同心
円柱状の電極を想定したが、電極先端部および電極根幹
部の発光管封止部との接触部分が、上記述べた条件を満
たしているものならば電極形状はこれに限るものではな
い。

【００４３】

【発明の効果】放電ランプの寿命低下の一大要因は、点
灯初期の管壁黒化による光束低下であり、その原因が電
極材料の蒸発であるが、本発明により電極材料中の不純
物が除去されランプ長寿命化が実現する。

【００４４】また本発明の電極は封入金属、およびラン
プ電力の異なるランプに幅広く適用することが可能であ
り、発明の実施の効果は著しく大きい。

【００４５】近年プロジェクタをはじめとするディスプ
レイ機器の基幹部品として光源が用いられるようになっ
てきており、本発明により耐震性能および光束維持率の
優れた光源が搭載されることにより、その付加価値が大
きく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における高圧放電ランプ
用電極の再結晶粒子の様子を表す断面図

【図２】本発明の電極を用いて構成された高圧放電ラン
プの一例を示す図

【図３】（ａ）〜（ｃ）ドープタングステンの高温熱処
理における再結晶粒径の成長の様子のカリウム添加量依
存を表す図

【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明の高圧放電ランプ用電極
の製造方法を示す工程図

【図５】本発明の実施の形態２における高圧放電ランプ
用コイル電極を示す図

【符号の説明】 １ 電極先端面 ２ 放電アーク ３ 電極根幹部 ４ 電極先端部 ５ 発光管 ６ 封止端部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タングステン金属と少なくとも一種類以上
   の添加物質とから成る高圧放電ランプ用電極であって、
   放電を支持する電極先端面を含む連続した一部分である
   電極先端部を除いた範囲内で、少なくとも電極根幹部の
   発光管封止材料に接触している部分の結晶粒形状が、Ｌ
   ／Ｗ ＞ ５（但し、Ｌ：粒径の長さ、Ｗ：粒径の幅）
   となっていることを特徴とする高圧放電ランプ用電極。
2. 【請求項２】電極にコイル電極を用い、前記コイル電極
   の先端面からコイル前端部までの突出部分を電極先端部
   とする請求項１記載の高圧放電ランプ用電極。
3. 【請求項３】タングステン金属と少なくとも一種類以上
   の添加物質とから成る高圧放電ランプ用電極を製造する
   工程に、放電を支持する電極先端面を含む連続した一部
   分である電極先端部の所定部分を切削加工した後、高温
   熱処理を施す工程を含むことを特徴とする高圧放電ラン
   プ用電極の製造方法。