JP2007534127A - 高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、小型繊維構造を有し、高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する高圧ガス放電ランプを製造する方法、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する高圧ガス放電ランプ、およびそのような高圧ガス放電ランプを少なくとも一つ有する照明ユニットに関する。

Description

本発明は、高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する高圧ガス放電ランプを製造する方法、そのような酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する高圧ガス放電ランプ、およびそのような高圧ガス放電ランプを少なくとも一つ有する照明ユニットに関する。

現在まで、酸化トリウムを含むタングステン電極を有するガス放電ランプは、自動車用のヘッドライトに使用されている。特に、これをドーピングすることにより、電極の再結晶化温度が増大する。しかしながら、前記電極は、予備熱処理およびその後の封止処理に依存して、再結晶化する傾向にある。

通常の方法で、いくつかの処理ステップが行われる高圧放電ランプの製造の際、タングステン電極は、通常、封止処理または締め付け処理において石英材料等に接続される。これらの処理ステップは、しばしば熱処理を伴い、この処理によって、特に通常の方法で、電極表面から不純物が除去される。

しかしながら、酸化トリウムは、製造プロセスにおいて、少なくとも取り扱いが厄介であり、ランプ特性に悪影響を及ぼす特性を有する。トリウムは、放射性を有し、環境に有害であり、この材料の取り扱いには、特殊な方法が必要となる上、しばしばコストがかかる。

再結晶電極は、機械的には極めて脆い。このため、ランプの製造処理工程で、予め好ましくない欠陥が含まれ、その後の、特に衝撃荷重の下でのランプの作動時に、好ましくない不具合が生じる。また、そのような電極では、封止処理、または締め付け処理の後に、石英材料の周囲に破壊クラックが生じる。例えば、破壊クラックは、この石英材料内を伝播して、石英中を電極に対する接触表面から外表面まで延伸し、これにより、ランプに好ましくないリークが生じる。

特開第2002−056807号には、例えばキセノンランプのような、ショートアークランプ用のタングステンアノードが示されており、タングステンアノードは、主要成分であるタングステンの他、ランタン、イットリウムおよびセリウムの成分を含み、これらは全てが酸化物（La₂O₃、Y₂O₃およびCeO₂）の形となっている。アノードの基本材料は、純タングステン、またはその代わりにアルミニウム、カリウムおよびシリコンが添加されたタングステンである。

アノードに選定された材料組成、特に、それに含まれる高融点の酸化物は、放射空間に突出したタングステンアノードの一部、すなわちランプの作動時に、締め付け材によって厳密に封止されていない部分の再結晶化を抑制することを助長する。
締め付けによって、近接して取り囲まれない。この目的は、再結晶化温度を高めることであり、この温度は、通常のアノード材料の場合、約1600乃至1800℃であるが、本アノードでは、約1800乃至2000℃となる。ランタン、イットリウムおよびセリウムは、希少な材料であり、高価である。放電空間がガス放電時に晒される極めて高い温度によって、これらのレア材料の一部が放出されると、これらの放電空間への侵入を回避することが難しくなり、これにより、ランプの作動に悪影響が生じる。
特開第2002−056807号公報

本発明の課題は、高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極を提供することである。このランプでは、少なくともランプが作動するまで、電極の再結晶化が防止されるため、ランプの作動信頼性が高まり、このタングステン電極が利用可能となる。

本発明の別の態様は、本発明によるそのようなタングステン電極を有する高圧放電ランプ、およびその製造方法に関する。本発明によるタングステン電極、およびそのようなタングステン電極を有する関連する高圧放電ランプは、単純且つ効果的な方法で、産業的な量産を行うことができる。

本発明の課題は、請求項1の特徴的構成によって達成される。

本発明による高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法は、
前記タングステン電極が、純粋なタングステン、または少なくともカリウムがドープされたタングステンで構成され、
前記電極は、小型繊維構造を有し、前記熱処理時の最大温度は、前記タングステン電極の材料の再結晶化温度よりも低いことを特徴とする。ここで、この小型構造は、ランプの第1の作動まで、未変化のままであることが重要である。意外なことに、ランプの第1の作動までに得られる小型構造は、電極の機械的な脆さとランプの破壊クラックの傾向に大きな影響を及ぼし、ランプの作動時と同様、ランプの製造時および取り扱い時における封止または締め付けの際にも、破壊クラックを示すことがわかった。

通常、締め付け材によってタイトに取り囲まれたタングステン電極の部分は、ランプの作動の際に、本発明によるタングステン電極の再結晶化温度を超える温度には至らない。試験結果では、この場合、約1400℃を超えないことがしばしば示されている。実際、この状況は、通常の構成上の適合による単純な方法で構築される。

また意外なことに、関連する小型構造を保護する本発明による材料選定、および熱処理の際に実施される本発明による処理方法によって、酸化トリウム、酸化イットリウムおよび酸化セリウムのような添加物を排除することができる。さらに意外なことに、この問題は、古くから知られており、そのような単純な方法が、同様の長期間、要求されてきた。

本発明の高圧放電ランプは、これらが、特に希ガスおよび金属ハロゲン化物を含むイオン化充填剤を有する、真空密閉された半透明なランプ本体を有し、タングステン電極は、混合ガスの放電を助長するように配置され、ランプ作動時にガス放電用の電流が生じる場合、特に有意である。この種類の高圧放電ランプは、例えば、独国出願公開第3341846号に示されている。これには、例えば、車両のヘッドライト用のキセノンガス放電ランプが示されているが、これは、いかなる意味に限定して解釈することもできない。

従属請求項は、本発明のさらに有意な実施例に関する。

当該方法は、通常の大気圧下、酸素を含まない雰囲気において実施され、
少なくとも以下のステップ手順：
周囲温度から最大処理温度まで加熱するステップ、
前記最大処理温度に保持するステップ、および
室温まで冷却するステップ、
を有することが好ましい。
高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法は、酸素を含まない雰囲気において実施され、酸化によって新しい不純物が生じることが回避される。処理手順、すなわち、特に時間と温度プロファイルは、不純物が通常の方法で除去されるように、不純物の性質および量に適合される。

さらに、当該方法は、水素を含む雰囲気下で実施されることが好ましい。

タングステン電極の材料選定に際しては、材料は、最大500ppmのカリウム、最大300ppmのシリコンおよび最大100ppｍのアルミニウムをドーピングしたタングステンで構成されることが好ましい。

タングステン電極の前記材料は、再結晶化温度が約1800℃であり、最大約1500℃の処理温度で熱処理を行うことが好ましい。

また、本発明の課題は、酸化トリウムを含まないタングステン電極を、請求項1乃至5に記載の方法で熱処理することにより達成される。

また、本発明の課題は、酸化トリウムを含まないタングステン電極を有する高圧ガス放電ランプであって、
前記酸化トリウムを含まないタングステン電極の一部は、シール材または締め付け材によって覆われ、
前記シール材または締め付け材によって覆われた、前記酸化トリウムを含まないタングステン電極の一部は、小型繊維構造を有することを特徴とする高圧ガス放電ランプによって達成される。

本発明の別の課題は、酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する、高圧ガス放電ランプを製造する方法であって、請求項1に記載の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法を少なくとも有する方法により達成される。

本発明の他の特徴、態様および利点は、好適実施例の記載から明らかとなろう。

タングステン電極に使用される材料は、カリウムドープタングステン（AKSタングステン、またはいわゆるノンサグ（non-sag）タングステン）である。この材料には、カリウム量が0よりも多く、500ppm未満であり、シリコン量が0よりも多く、300ppm未満であり、アルミニウム量が0よりも多く、100ppm未満であるという特徴がある。
この材料は、約1600℃乃至1800℃の再結晶化温度を有する。

高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法は、通常の大気圧の水素雰囲気下で実施され、以下のステップ手順を有する：すなわち
タングステン電極を室温から最大処理温度（約1500℃）まで加熱するステップであって、5分間で約600℃に到達し、さらに10分間で1500℃に到達するステップと、
最大処理温度に30分間保持するステップと、
90分以内に、室温まで冷却するステップと、
を有する。

タングステン電極の熱処理の予備熱処理は、合計105分間の処理によって完遂する。いわゆるベーキングアウト（baking-out）または脱ガス処理の際の最大温度は、1500℃であり、大部分の安定な酸化タングステンが確実に除去され、これにより、電極表面の最適な清浄化が可能となる。小型構造の変化（すなわち再結晶化）が回避され、小型繊維構造が未変化のまま残留する。

特に、熱処理の最大温度が、対象材料の再結晶化温度に適合されている限り、すなわち、この温度を超えないように適合されている限り、いかなるタングステン材料も電極材料に使用することができる。

Claims (10)

1. 高圧放電ランプ用の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法であって、
   前記タングステン電極は、純粋なタングステン、または少なくともカリウムがドープされたタングステンで構成され、
   前記電極は、小型繊維構造を有し、前記熱処理時の最大温度は、前記タングステン電極の材料の再結晶化温度よりも低いことを特徴とする方法。
2. 当該方法は、通常の大気圧下、酸素を含まない雰囲気において実施され、
   少なくとも以下のステップ手順：
   室温から前記最大処理温度まで加熱するステップ、
   前記最大処理温度に保持するステップ、および
   室温まで冷却するステップ、
   を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 当該方法は、水素を含む雰囲気下で実施されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
4. 前記タングステン電極は、最大500ppmのカリウム、最大300ppmのシリコン、および最大100ppmのアルミニウムでドープされたタングステンで構成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. 前記タングステン電極の前記材料の前記再結晶化温度は、約1600℃乃至1800℃であり、
   前記最大処理温度は、約1500℃であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法によって処理された、酸化トリウムを含まないタングステン電極。
7. 酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有する、高圧ガス放電ランプを製造する方法であって、請求項1に記載の酸化トリウムを含まないタングステン電極の熱処理の方法を少なくとも有する方法。
8. 車両のヘッドライト用に設計された、酸化トリウムを含まないタングステン電極を少なくとも一つ有し、請求項7に記載の方法によって製造される高圧ガス放電ランプ。
9. 酸化トリウムを含まないタングステン電極を有する高圧ガス放電ランプであって、
   前記酸化トリウムを含まないタングステン電極の一部は、シール材または締め付け材によって覆われ、
   前記シール材または締め付け材によって覆われた、前記酸化トリウムを含まないタングステン電極の一部は、小型繊維構造を有することを特徴とする高圧ガス放電ランプ。
10. 請求項9に記載の高圧放電ランプを少なくとも一つ有する照明ユニット。