JP2005285676A

JP2005285676A - 放電灯用電極

Info

Publication number: JP2005285676A
Application number: JP2004100886A
Authority: JP
Inventors: Takuji Shibuya; 拓司澁谷; Shuichi Teramoto; 修一寺本; Shigeru Matsuo; 松尾　　繁; Shigeya Sakaguchi; 茂也坂口
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】本発明は、従来の技術では解決できなかった頭部と足部の接合の問題、密封性を確保した上での足部の強度の問題を、トリウムなどの放射性元素を使用することなく解決することを課題とした。
【解決手段】放電灯用電極の頭部と、頭部を保持する頭部より細い足部とを継ぎ目のない一体構造とし、その材質を再結晶温度が２０００℃以上のタングステン系材料とすることで解決した。足部の強度があがり、密封性も確保でき、発光効率が高い電極が得られる。

Description

本発明は、放電灯用のタングステン電極に関する。

従来の放電灯用電極の代表的な構造は、図３に示すように使用時に電気を放出または受け取る頭部１と、頭部を保持して電流を導入する足部２とからなり、別々に製造したその両者を溶接またはその間にモリブデンの箔を介して圧入する（図４）などの手段にて一体化していた。
これらの方法では下記に示す問題があった。
（１）使用時に足が折れやすい。
放電灯の密封性の問題から、足部はできるだけ細くした方がよい。対して、一般には足部に用いられるのは圧延加工したタングステン棒なので、低温（１７００℃程度）で再結晶して脆化し、折れやすくなる。頭部が大型であるほどその重量を支える足部を太くする必要がある。
この相反する問題解決に対し、タングステン棒の材料としてタングステン−酸化トリウム材料を用いれば再結晶温度を高くすることができるが、酸化トリウムは高価である上に放射性元素であり、コスト面および環境面で選択は適当でない。
（２）足部と頭部の接合が完全でなく、電気抵抗の変化が起こり、異常発熱や電力ロスが生じる。
頭部と足部を別々に作ったあとで接合させるために、接合面積を増やす工夫などを行っても完全に接合部を足部、頭部と同じ電気的特性とすることは難しい。
そのために、特許文献１や特許文献２に示すように、予め焼結された足部材と、頭部を構成するための原料粉末とを、加圧しながら一体となるように焼結する方法も考案されている。
また、特許文献３には、頭部と足部が一体かどうかは明記されていないが、ランタンやセリウムなどの酸化物を加えて再結晶温度を１８００℃〜２０００℃まで引き上げる工夫をした技術が開示されている。

特表平１０−５０２７６１号公報特開２００３−３３８２６２号公報特開２００２−５６８０７号公報

本発明は、従来の技術では解決できなかった頭部と足部の接合の問題、密封性を確保した上での足部の強度の問題を、トリウムなどの放射性元素を使用することなく解決することを課題とした。

請求項１に記載の本発明は、電子を放出するまたは受け取る部分である頭部と、
頭部を保持して電流を頭部へ導入する頭部の径よりも細い足部とからなる放電灯用電極において、両者の組織および組成は同一であり両者には継ぎ目のない一体構造であり、その再結晶温度が２０００℃以上であることを特徴とする放電灯用電極である。

頭部と足部の接合の問題は、頭部と足部を別々に作って接合するのではなく、焼結前から一体として製作することによって解決できる。このために、頭部と足部を別々に焼結して溶接や、間にモリブデンなどの金属薄膜を挟んで圧入することなどによる一体化と違い、両者に継ぎ目は存在しない。継ぎ目を有していれば、その部分は電気抵抗、熱伝導性が周囲と違い異常発熱や電力ロスなどの原因となる。また、接合部に不純物の介在も起こる。これは、例えば焼結体の足部と粉末の頭部を同時に焼結して一体とするような特許文献１及び特許文献２に記載の方法でも完全には解決できない。

また、本発明の放電灯用電極はその再結晶温度が２０００℃以上であることを特徴とする。再結晶温度が２０００℃以上であれば、使用時に足部が再結晶を起こすことがなく、足の太さを最小限で頭部を支持することができ、足が折れるという問題と放電灯の密封性も向上の課題を同時に解決することができる。例えば、特許文献３に示されるような電極は、再結晶温度がまだ充分ではなく、放電灯の温度上昇、頭部の重量や足部の太さ次第ですぐに足部が折れる。さらに、図１中つなぎ部１１に示すように頭部と足部のつなぎの部分に角肉を設けることができ、つなぎ部１１での折れを全く製造費用の増加無く防止することができる。再結晶温度を２０００℃とするには、焼結後に鍛造などの転位の伴う塑性加工を行わなければよい。塑性加工密度が不十分な場合は、焼結前のプレス体密度、焼結温度、ＨＩＰ処理などの工夫を行い、塑性加工をなるべく行わないようにする。最良の形態は、上記処理により、塑性加工をまったく行わないのがよい。
塑性加工はその加工の程度により再結晶温度が変わり、加工の程度が大きいほど再結晶温度は降下する。本発明の放電灯用電極は塑性加工を一切禁止するものではなく、程度が小さければ行うことも可能である。その基準は再結晶温度が２０００℃以上か未満かで判断することができる。

請求項２に記載の本発明は、放電灯用電極が純度９９．９５％以上のタングステン、
タングステンにアルカリ金属を１００ＰＰＭ以下（０ＰＰＭは含まず）添加したドープタングステン、またはタングステンにセリウム、ランタン、イットリウム、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物のうち少なくとも１種を４重量％以下（０重量％を含まず）添加したタングステン系材料のいずれか１種以上からなる請求項１に記載の放電灯用電極ある。放電灯用の電極（陰極、陽極共に）として適した特性を持つのは、昇温時に不純物による灯内汚染のないタングステン系材料である。その中でも特に放電特性が優れているのが、本請求項に記載しているアルカリ金属、セリウム、ランタン、イットリウム、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物である。

本発明は以下の効果を奏する。
（１）足部の再結晶温度が高い（≧２０００℃）ために、昇温時に再結晶による脆化が起こらず、使用時に足が折れにくい。また、その太さを脆化する足と比較して細くすることができ、放電灯の密封性を向上させることができる。
（２）頭部と足部に継ぎ目がないために、継ぎ目があることに起因する電気抵抗、熱伝導性が周囲と違うためにおこる異常発熱や電力ロス、継ぎ目に存在する不純物の介在などを防ぐことができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下に示す。
まず、放電灯用電極が純度９９．９５％以上のタングステン、タングステンにアルカリ金属を１００ＰＰＭ以下（０ＰＰＭは含まず）添加したドープタングステン、またはタングステンにセリウム、ランタン、イットリウム、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物のうち少なくとも１種を４重量％以下（０重量％を含まず）添加したタングステン系材料のいずれかの粉末をプレスして、焼結を行う。放電灯用電極に使用するには、焼結体密度を高くする必要があるために、プレス圧力や焼結温度は可能な限り高くすることが望ましい。プレス後にプレス体に中間加工を行うこともできる。プレスは金型プレスや冷間静水圧プレスなどにて行うことができる。
焼結は水素炉内での通電焼結や、加圧炉、雰囲気炉などにて行うことができるが、その際の焼結温度は１７００℃以上が望ましい。焼結後に密度が充分でない場合はＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を行っても良い。焼結後の鍛造、圧延などの塑性加工は、密度を上げるには有効な手段であるが、塑性加工を行うことにより再結晶温度が低下するためになるべく行わないか、行うとしても最小限にとどめる必要がある。
焼結またはＨＩＰ処理の後の焼結体に、研削盤などによる研削加工および電気加工を施すことにより例として図１に示すような、頭部と足部で継ぎ目がなく、再結晶温度が２０００℃以上である本発明の放電灯用電極を得ることができる。
以下実際例にて本発明をより詳細に説明する。

出発原料として、純度が９９．９５％で平均粒子径が２．０μｍのタングステン粉末を、筒状のゴム型に充填し、１００ＭＰａでＣＩＰ（冷間静水圧プレス）処理を行った後に４００ＭＰａで再度ＣＩＰ処理を行いプレス体を得た。このプレス体を、図２に示すような電極の最終形状に近い形状に旋盤にて中間加工を行なった後に、水素雰囲気中１８００℃にて焼結を行った。焼結後にアルゴンガス雰囲気中２０００気圧、１９５０℃にてＨＩＰ処理を行った。

得られた焼結体に、円筒研削盤にて研削加工を行うことにより所望の電極を得ることができた。この試料を試料Ｎｏ．１とした。
次に、比較試料として従来の方法にて得られた電極の製造方法を示す。
まず、試料Ｎｏ．１と同じ原料粉末を筒状のゴム型中に充填し、１００ＭＰａにてＣＩＰ処理を行った。次にプレス体の両端に電極を取り付け、最高２３００℃にて通電焼結を行った。この状態で密度を測定したところ、約１５ｇ／ｃｍ^３であった。この試料を、スエージ機（円柱状の焼結体外周より同心円状に点打を行う熱間鍛造機）に掛け、外周側から熱間鍛造を行ったところ、密度は１９ｇ／ｃｍ^３以上まで向上した円柱状のタングステン焼結体を得た。この円柱を電極の頭部として必要な長さに切断した。足はタングステンを熱間鍛造して円筒状としたロッドを用いた。

前記頭部と足部を接合する手段として溶接により接合した試料を試料Ｎｏ．１１、間にモリブデンの箔を挟んで圧入した試料を試料Ｎｏ．１２とした。

本発明の試料および比較試料を図５に示すような、足部が直接ガラス剤にて封止されている構造を持つ放電灯に用いてさまざまな使用環境にて比較した。
その結果、本発明品である試料Ｎｏ．１の試料は以下の特徴を示した。
（１）本発明の試料である試料Ｎｏ．１は、電極の頭部と足部に継ぎ目がないために、電力ロスが最も少なかった。同じ電圧を掛けた場合でも、輝度が最も高かった。
（２）本発明の試料である試料Ｎｏ．１は、電極の頭部と足部に継ぎ目がないために、異常発熱が最も少なかった。使用開始から１時間が経過した段階で、他の試料と比較して足部が封止部より外に出た部分（図５中８）の温度を測定したところ、最も温度が低かった。
（３）本発明の試料である試料Ｎｏ．１は、再結晶温度が２０００℃以上であるために、使用時に足部が再結晶を起こさない。そのために、他の試料と比較して、同じ重さの頭部を支えるのに必要な足部の径を最も小さくすることができた。また、同じ太さの足部とした場合は、本発明の試料Ｎｏ．１は最も強い衝撃に耐え、折れにくかった。
また、試料Ｎｏ．１２および試料Ｎｏ．１３は、鍛造加工による加工度の程度により同じ径の試料でも折れ易さに差が生じており、信頼性が低かった。

さらに、足部が直接ガラス剤にて封止されている構造を持つ放電灯ではなく、足部と溶接したモリブデン板を介して外部導入線と電極が接合している図６に示すような構造の放電灯に使用した場合も、従来の電極に対して同様の優位性を示した。

出発原料として、純度が９９．９５％で平均粒子径が３．５μｍのタングステン粉末を、筒状のゴム型に充填し、１００ＭＰａでＣＩＰ（冷間静水圧プレス）処理を行い、棒状プレス体を得た。次にプレス体の両端に電極を取り付け、水素中、最高２６００℃にて通電焼結を行った。その後にアルゴンガス雰囲気中２０００気圧、２１００℃にてＨＩＰ処理を行った。この試料を試料Ｎｏ．２とした。
試料Ｎｏ．２の試料は足部の強度及びその信頼性、電力ロス、異常発熱のいずれの点についても、試料Ｎｏ．１と同様に優れた特性を示した。

出発原料として、純度が９９．９５％で平均粒子径が２．０μｍのタングステン粉末に酸化セリウムを１重量％添加した粉末を、筒状のゴム型に充填し、１００ＭＰａでＣＩＰ（冷間静水圧プレス）処理を行った後に４００ＭＰａで再度ＣＩＰ処理を行いプレス体を得た。このプレス体を、図２に示すような電極の最終形状に近い形状に旋盤にて中間加工を行なった後に、水素雰囲気中１８００℃にて焼結を行った。焼結後にアルゴンガス雰囲気中２０００気圧、１９５０℃にてＨＩＰ処理を行った。
得られた焼結体に、円筒研削盤にて研削加工を行うことにより所望の電極を得ることができた。この試料を試料Ｎｏ．３とした。
試料Ｎｏ．３の試料は酸化セリウム添加によるは放電特性の向上により、特に陰極として使用した場合に輝度の面で試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．２と同等以上の性能を示した。また、酸化セリウムによるタングステンの分散強化により、足部の強度をより引き上げることができた。

また、試料Ｎｏ．１および試料Ｎｏ．３の組成に変えて、タングステンにアルカリ金属を１００ＰＰＭ以下（０を除く）添加したドープタングステンと変え、試料Ｎｏ．３と同様の試料を作製したところ、いずれも試料Ｎｏ．１１や試料Ｎｏ．１２の試料に見られる欠点が取り除かれ、良好な諸特性を示した。
また、前記ランタン酸化物に変えて、イットリウム、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物を合計で４重量％以下とした試料も同様の傾向を示した。

本発明の放電灯用電極は、放電灯用電極の陰極および陽極として使用できる。

本発明の電極の一例を示す成形体の一例を示す従来の電極の一例を示す従来の電極の一例を示す本発明の電極用いた放電灯の一例を示す本発明の電極用いた放電灯の一例を示す

符号の説明

１電極の頭部
２電極の足部
３頭部と足部を接合するＭｏ箔
４本発明の電極
５成形体
６陽極
７ガラスおよび封止剤
８温度測定部
９Ｍｏ板
１０導入線
１１頭部と足部のつなぎ

Claims

電子を放出するまたは受け取る部分である頭部と、
頭部を保持して電流を頭部へ導入する頭部の径よりも細い足部とからなる放電灯用電極において、両者の組織および組成は同一であり両者には継ぎ目のない一体構造であり、その再結晶温度が２０００℃以上であることを特徴とする放電灯用電極。
放電灯用電極が純度９９．９５％以上のタングステン、
タングステンにアルカリ金属を１００ＰＰＭ以下（０ＰＰＭは含まず）添加したドープタングステン、またはタングステンにセリウム、ランタン、イットリウム、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物のうち少なくとも１種を４重量％以下（０重量％を含まず）添加したタングステン系材料のいずれか１種以上からなる請求項１に記載の放電灯用電極。