JP2008539332A - ３質量％より少ないレニウムを含むタングステン合金から製造された電極を有する放電ランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス充填物を有する放電室(4)及び該放電室に配置された電極(5)を含む高圧ガス放電ランプ(1)に関する。前記電極の少なくとも１つはタングステン合金電極であり、ここで該合金は(a)超高純度タングステン、及び(b)タングステンの量の0.01〜3質量％の量における、レニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも１つから製造される。本発明のタングステン合金は、電極の処理の許容及びランプの耐用年数の間の電極の黒変の減少のために十分な延性を得るために十分高く、並びにランプの操作の間、放電室の内部の黒変の原因であるレニウム蒸発量を減少するために十分に低い、レニウム又はオスミウム含量の間の適切なバランスを取り決める。本発明はさらに、該ランプの製造方法に関する。
【選択図】図３Ｂ

Description

発明の詳細な説明

（発明の分野）
本発明は、放電容器中に配置されたガス充填物及び電極を有する、光を透過する放電容器を含む、高圧ガス放電ランプに関する。

（発明の背景）
その良好な光特性のため、高圧ガス放電ランプは広く一般に知られている。これらランプは、一般的に、電極が放電容器まで、又は正しくは放電容器により取り囲まれる放電室まで延長するために、フィードスルーを有する放電容器を含む。該ランプが操作状態にある場合、アーク放電が各電極の自由端の間で励起する。
該放電室は、一般的に、スターターガス（starter gas）（例えばアルゴン）、実際の光放射材料を形成する放電ガス（例えば１以上の金属ハロゲン化物、例えばナトリウムヨージド及び／又はスカンジウムヨージド）を含むガス充填物（ランプ充填物）、及びその原理的な機能が温度又は圧力を上昇させることにより光を生成する物質の蒸発を促進しかつランプの効果及び燃焼電圧を増加することにある、電圧グラジエントジェネレーター（gradient generator）又はバッファーガス（例えば、水銀）を含む。

放電ランプの電極は、ランプの操作中厳しい条件にさらされるので、これら電極の物質及び構造に厳しい要求がなされている。
EP-A0343625は、バルブの一端に形成された密封された部分と、放電空間を囲むために他の末端に形成された囲まれた部分を含む発光管バルブを開示する。金属ホイルのペアを、密封された部分に埋める。起動のための希ガス、水銀及び金属ハロゲン化物を、該放電空間中に充填する。電極のペアは、金属ホイルに接続した電極ロッドのペア及び該ロッドの頂点で配置されるコイルを含む。これらコイルは、互いから離れて放電領域中に配置され、及び互いの方向を向いている。レニウム−タングステン合金を、該ロッドのための材料として使用しても良い。該合金のため、タングステンに対するレニウムの混合比率は、質量で0.05以上として、操作の間の電極の破損のリスクを減少させるべきである。
先行技術のタングステン−レニウム合金電極の不利な点は、ランプの操作中における、大量のレニウムの蒸発の可能性である。これは、高い温度、例えば現行の放電ランプの電極の操作温度である2800℃より高い温度に関して特に当てはまる。レニウムの蒸発は、ランプの雰囲気を阻害し、及び放電室を黒変させる。

（本発明の目的及び概要）
本発明の目的は、電極の製造及びランプの操作の場合の両方でかなりの機械的強度を有し、かつ減少した黒変の挙動を有する、電極を備えた放電ランプを提供することである。
この目的は、ガス充填物を有する放電室及び該放電室中に配置された電極を含む高圧ガス放電ランプにより達成され、ここで、前記電極の少なくとも1つは、本質的に、(a)超高純度のタングステン、及び(b)タングステンの量の0.01〜3質量％の量のレニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも1つから成る、タングステン合金電極である。

超高純度タングステンは、とりわけ焼きなまし状態においてもろく弱い材料であり、電極の処理（processing）を妨げる。タングステン材料を、例えばレニウム（Re）でドープしてタングステン−レニウム合金を得ると、得られる合金の延性が増加し、該合金は電極の処理、例えば伸線（wire drawing）及び電極を形作ること（例えば、研削、溶着）に対する、及び操作中の電極の機械的強度に対する利点をもたらす。少ない量のレニウムは、電極による放電室の黒変の効果を低下させる。少ない量のレニウムは、伸線の間の加工硬化の効果を減少させ、従って、伸線の間の付加的な焼きなまし工程の必要性を排除し又は減少させる。同様の効果が、オスミウムに関しても期待される。結論として、本発明のタングステン合金は、例えば、電極の処理を許容し、ランプの耐用年数の間の電極の破損を減少させるのに十分な延性を得るのに十分高く、かつランプの操作の間、放電室の内部の黒変の原因であるレニウムの蒸発量を減少させるために十分に低い、レニウム含量の間の適切なバランスを取り決める。
超高純度のタングステン粉末は、少なくとも99.99%のタングステン原子、好ましくは少なくとも99.999又はさらに99.9999%のタングステン（酸素、炭素及び窒素は別として）を含むことに注意しなければならない。該合金を製造するために用いる粉末は、少なくとも0.01質量％（酸素、炭素及び窒素は別として）の成分(b)を含み、該成分(b)は、レニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムから選択される。成分(b)は、少なくとも50質量％のレニウム又はオスミウム又はこれらの混合物を含む。成分(b)の50質量％までは、タンタルであってもよく、及び成分(b)の10質量％までは、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも1つであって良い。

さらに、電極が、少量の不純物又は添加剤、例えば粉末と共に導入されるものを含んでも良いことに注意すべきである。本発明のある態様において、該不純物は、該電極1g当たり10μｇ以下、好ましくは該電極1g当たり5μｇ以下、より好ましくは該電極1g当たり1μｇ以下を占める。該少量の不純物及び添加剤は、少量の成分(b)で、電極に対して適切な機械的特性を与えることを可能にする。
酸素、炭素又は窒素の量が、表面吸収で主として決まることを認識すべきである。好ましくは、これら構成物質は、該電極1g当たり30μｇより多くを占めない。酸素、炭素及び／又は窒素の量は、該電極に使用するための合金構成物質の量の定義において、考慮に入れない。
好ましい態様において、該タングステン合金電極は、ロッド及び前記ロッドの周囲に巻かれるコイルを含む。該電極の構造は、該電極に適切な熱分配を与える。該ロッドは、本発明の合金から成っても良く、及び高い温度、例えば2000℃よりも高い温度で、乾燥した水素中で焼きなましして、不純物を除去する。該コイルに対して使用するワイヤーは、好ましくは焼きなましされず、それは、焼きなましされたワイヤーは、コイルを形成するにはもろすぎるためである。ロッド及びコイルを組み立てた後、該組み立てた電極を高い温度、例えば2000℃よりも高い温度で焼きなまししても良い。

本発明のある態様において、該電極の少なくとも一部は、ランプの操作の間、2800〜3400℃の温度を有する。電極による黒変の減少は、この温度範囲において特に顕著である。
本発明のある態様において、該放電ランプは、高圧メタルハライドランプ（metal halide lamp）である。操作において、該ランプの該電極又はその一部は、特に高い温度まで加熱される。その結果として、本発明のタングステン合金の使用は、高い温度においてでさえレニウム蒸発の量を削減する一方で、該電極の加工を容易にする。
本発明は、高圧ガス放電ランプ又は前記高圧ガス放電ランプのための電極若しくは電極の一部の製造方法にも関し、該方法は、本質的に、(a)超高純度タングステン及び(b)タングステンの量の0.01〜3質量％の量のレニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも1つから成るタングステン合金電極を適用し及び／又は調製する工程を含む。本発明のある態様において、不純物は、電極1gに対して10μｇ以下、好ましくは電極1gに対して5μｇ以下、さらに好ましくは電極1gに対して1μｇ以下を占める。該少量の不純物又は添加剤は、少量の成分(b)で、電極に対して適切な機械的特性を与えることを可能にする。好ましくは、該方法は、前記タングステン合金からワイヤーを製造し、前記ワイヤーを2000〜2500℃の温度で焼きなまし、不純物の量を削減する工程を含む。

本発明のタングステン合金は、例えば、電極の処理を許容する十分な延性を与え、かつ操作の間の十分な機械的安定性を与えるために十分高く、及びランプの操作の間放電室の内部の黒変に関与するレニウムの蒸発量を減少させるために十分低い、レニウム含量の間の適切なバランスを取り決める。
レニウムタングステン部分を有する高融点金属電極が、レニウム元素が0.1〜25質量％の量で添加されたタングステンでできていることを、JP-A-09 231939が開示していることに注意すべきである。しかしながら、全体の電極の代わりにアノードのチップのみが、この合金で作られている。さらに、レニウムの量に関する特定された範囲の大部分が、間違いなく、ランプ内部の許容されない黒変をもたらすであろう。

タングステン−レニウム合金は、白熱球において使用されることで知られている。US-4413205は、実質的に、少なくとも0.1質量％のレニウムを含んだタングステンの電流導体を有する、ハロゲン白熱ランプを開示する。しかしながら、白熱ランプは、放電ランプよりもより低い温度で操作され、及びその結果として黒変の効果及び不純物の放出は、より少ない程度で起こる。該低いレニウム含量は、US-4413205において明示的に記載されているように、コストの理由のために選択されるだけである。さらに、通常の白熱ランプのタングステン材料は、本発明の放電ランプに対して使用される超高純度タングステンよりも、より遙かに大量の不純物を含む。その結果、請求するレニウムの量は、より低い純度のタングステン電極の機械的特性を顕著に向上するには低すぎるであろう。
本発明を、さらに、添付した図面を参照して説明するが、該図面は、本発明の好ましい態様を図示する。本発明が、これらの特定かつ好ましい態様に、いかなる方法によっても限定されない事が理解されるであろう。

（態様の説明）
図１は、本発明のある態様のメタルハライド高輝度放電ランプ１の断面図である。ランプ１は、石英ガラス、すなわち、少なくとも95質量％のSiO₂含量を有するガラスの、光を透過する密封された放電容器２を有するが、代わりに単結晶又は多結晶のセラミック材料であっても良く、該容器は、向かい合ったシール３を有し、及び放電室４を覆う。セラミック容器は、典型的にピンチシール（pinch-sealed）されないが、セラミックプラグを含む。図１に示されるランプはＡＣ−ランプであるが、ＤＣ−ランプも本発明の範囲内である。放電室３は、希ガス及び金属ハロゲン化物を含むガス充填物を有する。例として、放電室４は、0.87mgのNaI、0.45mgのSnI2、0.76mgのNaBr、0.21mgのTlBr、0.17mgのHgI2、2666PaのO2、44mgのHg及び10000PaのArで充填しても良い。ランプのスイッチが入った場合、酸素が反応してオキシハライド（oxyhalide）を形成する。
電極５は、放電室４の中で向かい合って配置される。電流フィードスルー導電体（current feedthrough conductor）は、放電容器２のそれぞれのシール３において配置され、放電容器２に由来する。本実施の例において、各電流フィードスルー導電体は、それぞれのシール３の内部に完全に配置される、例えばモリブデンの金属ホイル６、及び放電容器１から突き出る、例えばモリブデンの金属ロッド７から構成される。伸ばされたワイヤーの電極ロッド８は、それらを前記金属ホイル６に溶着することにより、これら金属ホイル６のそれぞれ１つに接続し、放電室４に入れ及び前記電極５のそれぞれ1つを支える。該電極ロッド８は、放電室４の中のロッド８の遠位部に配置された巻きコイル９を支える。

本発明のある側面に従って、電極５は、超高純度タングステン、及び0.01〜3質量％、好ましくは0.1〜1質量％の量のレニウムを含む、タングステン−レニウム合金で形成される。有利な例は、0.2質量％又は0.5質量％のレニウムを含む。該超高純度タングステンは、99.999%のタングステンを含む。
レニウムでタングステン材料をドープしてタングステン−レニウム合金を得ることは、得られる合金の延性を増加し、これは、電極の処理、例えば伸線、電極を形作ること及び組み立てに対して、及び操作における電極５の機械的強度に対しても有利である。レニウムの低い量は、電極５による放電室４の黒変効果を削減する。
ロッド８及びコイル９の製造のための加工作業は、実質的に同一である。最初に、粉末加工を行い、超高純度タングステン及び望ましい量のレニウムの混合物を得る。この未処理の生成物を次にプレスし、及び2700〜3200℃の温度で焼結する。圧延及びスエージング（swaging）の後、ワイヤーを製造する。ロッド８を製造するため、該ワイヤーを高い温度、例えば2000℃より高い温度で、乾燥した水素中で焼きなまし、不純物を除去する。コイル９に使用するワイヤーは、好ましくは焼きなましをしない。

図2A及び2B及び3A-3Cは、焼きなまし後のタングステン−レニウム合金の試験の実験結果を示す。図2Aの縦軸の単位は、200mmの長さを有するワイヤー断片の質量により割った力（ｇ）である。
図２Aは、175μｍの直径を有し、0〜3質量％の範囲の異なる量のレニウムでドープし、1100℃〜1500℃の異なる温度で焼きなましした超高純度タングステンロッドの最大抗張力（UTS）を示す。25℃の温度に対応する点が、変形状態、すなわちワイヤーの形成後におけるUTSの値を表す。明らかに、該UTSは、焼きなまし温度にかかわらず、レニウム含有量と共に継続的に増加する。要するに、超高純度タングステンのレニウムを用いた合金化は、該ワイヤーを顕著に強くする。該効果は、0.05質量％のレニウム量で既に顕著となっている。図2Bは、ワイヤーの延性Eに関する結果を示し、該結果は以下の式によりUTS試験から誘導される：
E［GJ/m^-3］=UTS・ε_max
（式中、ε_maxはワイヤーの一様伸び（homogeneous elongation）である。）。該延性は、レニウムの量と共に向上し、これはワイヤー過程に対して有利である。ワイヤーの形作ることは、1600℃より低い温度で典型的に行う。

図３A-3Cは、0質量％、0.05質量％、0.2質量％、1質量％及び3質量％のレニウム量でドープした、1310μｍの直径を有する超高純度タングステンワイヤーの微細構造の画像を示す。
図３Aは、変形した微細構造を示す。レニウムの効果は、伸線の強い変形効果の結果として目に見えない。
図３Bは、該試料を乾燥した水素環境下で2000℃で10分間焼きなましした後の微細構造を示す。明らかに、レニウムの単に0.2質量％の添加が、精細な微細構造、つまり粒子径の減少を得るために十分である。より精細な粒子径は、より高い延性の暗示である。
図3Cは、2500℃で焼きなましした試料の微細構造の写真を示す。レニウム添加の効果は、０．２質量％より多いレニウムを含む試料において残存する。
従って、操作の間、本発明のタングステン−レニウム電極５の延性は、レニウムの低い量により十分に向上する。

レニウムの添加は、電極５を加工する場合に有利であるワイヤーの機械的特性を向上させるが、本発明のある側面において、レニウムの量は、3質量％、好ましくは１質量％に限定し、ランプ１の内部の黒変をもたらすレニウムの蒸発量を削減する。さらに、多い量、例えば1質量％より多い量のレニウムを有するワイヤーは、伸線の間の大幅な加工硬化を示し、付加的な焼きなまし工程を要求するであろう。低い量のレニウムは、該付加的な工程の必要を避け又は減少する。
請求の範囲において、丸括弧の間に位置するいかなる引用符号も、請求項を限定するものとして解釈すべきではない。動詞“含む”の使用及びその活用は、請求項において定められたもの以外の要素又は工程を排除しない。要素に先行する不定冠詞“a”及び“an”の使用は、該要素の多数性の存在を排除しない。ある測定が相互に異なる従属項において列挙されている単なる事実は、これら測定の組み合わせが有利となるために使用できないことを示さない。

図１は、本発明のある態様のメタルハライド高輝度放電ランプの断面図である。 図２A及び２Bは、種々の温度で焼きなましした後のタングステン−レニウム合金の、最大抗張力試験の測定結果を示す。 図３A−3Cは、変形状態（図３A）及び焼きなまし状態（図３B及び３C）における、タングステン−レニウム合金の微細構造におけるレニウムの効果を示す。

Claims (10)

1. ガス充填物を有する放電室(4)及び放電室中に配置された電極(5)を含む高圧ガス放電ランプ(1)であって、前記電極の少なくとも１つが、本質的に(a)超高純度タングステン、及び(b)タングステンの量の0.01〜3質量％のレニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも１つから成るタングステン合金電極である、前記ランプ。
2. タングステン合金電極が、酸素、炭素及び窒素は別として、前記合金１グラム当たり10μｇより少ない不純物を有する、請求項１に記載の放電ランプ(1)。
3. タングステン合金電極(5)が、0.1〜1質量％の成分(b)を含む、請求項１に記載の放電ランプ(1)。
4. 成分(b)が50〜100質量％のレニウム及び／又はオスミウム、0〜50質量％のタンタル、及び0〜10質量％のハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも１つより、合計１００質量％と成るまで構成される、請求項１に記載の放電ランプ（１）。
5. タングステン合金電極(5)が、ロッド(8)及び該ロッドの周囲に巻かれるコイル(9)を含む、請求項１に記載の放電ランプ(1)。
6. 電極(5)の少なくとも一部が、操作の間2800〜3400℃の温度を有する、請求項１に記載の放電ランプ(1)。
7. 放電ランプが高圧メタルハライドランプである、請求項１に記載の放電ランプ(1)。
8. 高圧ガス放電ランプ(1)又は該高圧ガス放電ランプの電極(5)若しくは該電極の一部を製造する方法であって、本質的に(a)超高純度タングステン、及び(b)タングステンの量の0.01〜3質量％のレニウム、オスミウム、タンタル、ハフニウム、イリジウム及びジルコニウムの少なくとも１つから成るタングステン合金電極を適用し及び／又は調製する工程を含む方法。
9. タングステン合金電極が、酸素、炭素及び窒素は別として、前記合金１グラム当たり10μｇより少ない不純物を有する、請求項８に記載の方法。
10. タングステン合金からワイヤーを製造する工程、及び前記ワイヤーを2000〜2500℃の温度で焼きなましする工程を含む、請求項８に記載の方法。

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