JP2010055781A - 電極、放電ランプ、電極製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温度、高電力下においてもエミッターの一部を構成するタングステンの蒸発を抑えた電極を実現したことにより、ランプの黒化を抑えて長寿命化を図る。
【解決手段】電極１００は、エミッターとなる電極先端部１１とこの電極先端部１１と一体成形された電極基部１２から構成される。電極先端部１１はジルコニウムナイトライドおよびタングステンとの合金により形成され、電極基部１２は高融点金属である例えばタングステンで形成される。電極基部１２の電極先端部１１と反対側には細く形成したタングステン製の電極軸１３が電極基部１２に一定的に形成される。ジルコニウムナイトライドおよびタングステンとの合金で形成された電極先端部１１は、タングステンの蒸発を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、高圧放電ランプ等に用いられる電極およびこの電極を用いた放電ランプおよび電極製造方法に関する。

従来の高圧放電ランプに用いられる電極は、放電プラズマ焼結装置によって製造された希土類酸化物を添加したタングステンで形成することで、変形や蒸発を抑えることができるとともに、エミッターの急速な飛散等を抑制することを可能としている。（例えば、特許文献１）
特開２００２−１１００８９公報

上記した特許文献１の技術は、放電プラズマ焼結装置によって製造された希土類酸化物が添加されたタングステン電極を放電ランプに用いたものである。しかし、エミッターである希土類酸化物は、動作温度や必要とする電力が何れも高い。希土類酸化物添加のタングステン電極を用いた放電ランプは、高動作温度、高電力下ではエミッターおよびタングステンの蒸発が早いことからガラス黒化が生じるまでの時間が短く、結果としてランプ寿命が短くなる、という問題があった。

この発明の目的は、高動作温度、高電力下においてもエミッターおよびタングステンの蒸発を少なくしてガラス黒化現象を抑え長寿命化を図った電極、この電極を用いた放電ランプおよびこの電極の電極製造方法を提供することにある。

上記した課題を解決するために、この発明の電極は、少なくともエミッターがジルコニウム窒化物およびタングステンとの合金により形成したことを特徴とする。

また、この発明の放電ランプは、石英ガラス製のバルブと、該バルブ内に構成される放電空間に対向配置された一対の電極とを具備した放電ランプにおいて、前記一対の電極の少なくとも一方は、請求項１〜３のいずれかに記載の電極としたことを特徴とする。

さらに、この発明の電極製造方法は、エミッタ―を形成する部分となるジルコニウム窒化物の粉末とタングステン粉末を混合し、成形型に積層した状態で充填し、該成形型を加圧させながら焼結して電極を形成したことを特徴とする。

この発明によれば、電極先端をジルコニウム窒化物およびタングステンとの合金で形成したことで、タングステンの蒸発を少なくでき、タングステンによる石英ガラスの黒化を防止できることからランプの長寿命化を図ることができる。

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。

図１は、この発明の電極に関する一実施形態について説明するための概略的な構成図である。

図１において、１００は電極であり、この電極１００は、エミッターとなる電極先端部１１とこの電極先端部１１と一体成形された電極基部１２から構成される。電極先端部１１はジルコンナイトライド（ＺｒＮ）とタングステンとの合金により形成され、電極基部１２は高融点金属である例えばタングステンで形成される。電極基部１２の電極先端部１１と反対側には細く形成したタングステン製の電極軸１３が電極基部１２に一体化した形で形成される。

ジルコンナイトライドとタングステンとの合金で形成された電極先端部１１は、ジルコンナイトライドとの合金に伴い本来タングステンの蒸発が始まる温度となっても、その蒸発を抑制することができる。また、電子放出特性に優れた効率性の高いエミッターとなる。

なお、電極基部１２も電極先端部１１と同材料で形成することが可能である。この場合電極基部１２のタングステンの蒸発を抑えることができる。

図２は、この発明の放電ランプに関する一実施形態について説明するための概略的な構成図である。

この放電ランプ２００は、例えば定格消費電力が５００Ｗ、ランプ電圧が２５Ｖ、ランプ電流が２０Ａの直流型の放電ランプである。この放電ランプ２００は、内容積が１１ｍｍ^３程度であり、石英ガラスからなる発光管２１内に電極軸２２１の先端に取り付けられた陰極２２（図１の電極１００に相当）と電極軸１３の先端に取り付けられた陽極２３とが、電極間距離３ｍｍ程度で対向して配置されている。

そして、発光管２１内には所定量の水銀とキセノンガスが封入されている。電極軸１３，２２１の尾端部は、それぞれモリブデン箔２４，２５に溶接され、モリブデン箔２４，２５は、発光管２１の両端にそれぞれ連設された封止管２６，２７内に埋設されて封止されている。また、封止管２６，２７の尾端にはそれぞれ口金２８，２９がそれぞれ取り付けられる。３０，３１は、電力を供給するためのリードである。

ここで、陰極２２は、例えば直径が７ｍｍ、長さが２０ｍｍのタングステンの円柱体であり、先端部分はテーパー状に形成されて円錐形状をし、尖った部分側にエミッタ―である電極先端部１１が形成され、陰極２２側の電極軸１３は、例えば直径が３ｍｍ、長さが２２ｍｍのタングステン棒からなる。

一方、陽極２３は、例えば直径が６ｍｍ、長さが１８ｍｍのタングステンの円柱体であり、先端部分はテーパー状に成形されて台形形状をしている。陽極側の電極軸２２１は、例えば直径が３ｍｍ、長さが１７ｍｍのタングステン棒からなる。

このような構成の放電ランプでは、陰極２２のエミッターとしてジルコンナイトライドおよびタングステンとの合金で形成された電極先端部１１が形成されている。このため、エミッターからのタングステンの蒸発を抑えることができ、この蒸発に伴う発光管２１内の黒化を防止することができる。

この実施形態では、直流型の放電ランプの例としたが、交流型の放電ランプでも構わない。この場合は、両電極を直流型の陰極と同構成とすれば、温度上昇に伴う黒化現象を防止することができる。ジルコンナイトライドとタングステン合金のエミッターは、電子放出特性に優れ効率性の高いランプの実現が可能となる。

次に、図３〜図５を参照し、この発明の電極の製造方法に関する一実施形態について説明する。図３は製造プロセスについて説明するための説明図、図４は製造プロセス中の放電プラズマ焼結装置について説明するための説明図、図５は図４の一部を拡大して説明するための説明図である。

図３において、まず、電極のエミッタ―を形成する部分となるジルコンナイトライドとタングステンの粉末を準備し、ステップＳ１において、所定量の平均粒径３μｍのジルコンナイトライド粉末とタングステン粉末をボールミルで混合する。次に、ステップＳ２において電極基部となる平均粒径３μｍのタングステン粉末を準備する。ここで、ジルコニウム窒化物の粉末とタングステンの粉末の平均結晶粒径は、５μｍ以下であることが好ましい。

次に、ステップＳ３において、タングステン製の電極軸１３の一端を、図４の放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）装置のグラファイト製の焼結ダイ内に配置し、他端を上下パンチのうち下側のパンチに形成された軸孔に挿入する。

ステップＳ４において、図４の放電プラズマ焼結装置の焼結ダイ内に、ステップＳ１で混合された所定量の粉末とステップＳ２の所定量のタングステン粉末を積層の状態で充填する。

そして、放電プラズマ焼結装置の上下パンチ間に焼結ダイをセットし（Ｓ５）、ステップＳ６において、１０Ｐａ程度の真空を引いた後、昇温５０℃／分、１５００〜１７００℃×３０分で焼結を行う。

焼結温度が、１５００℃を下回ると焼結密度が低くなり、逆に１７００℃を超えるようになると、実際の焼結部は１７００℃となるが、上下パンチは焼結ダイよりも５００〜６００℃高温となり、グラファイト製の焼結ダイ自体の強度が持たない、あるいは、グラファイトが昇華し始めるため上記温度が好ましい。

ところで、ステップＳ４において、ジルコンナイトライドによるエミッターを添加したタングステン電極の製法としては、放電プラズマ焼結装置が最適である。放電プラズマ焼結装置は、低温、短時間で焼結が可能であり、タングステンの結晶粒径を小さくできることや、グラファイト型でクローズされた状態で焼結を行うため、エミッターの蒸発を抑えることができるためである。さらに、積層して原料粉末を充填することで、電極基部との一体焼結が可能であり、コスト的にも優れた電極を実現できる。

ここで、放電プラズマ焼結装置を用いた電極の作製例について、図４を参照してさらに詳しく説明する。

図４において、水冷真空チャンバー４１内には、グラファイト製の円筒状の焼結ダイ４２が配置され、その内部には電極１００を形成するためのエミッター粉末それにタングステン粉末を積層させて充填する。焼結ダイ４２の上下には内部に充填された被加工物である電極１００を、上下から加圧するための上部パンチ４４および下部パンチ４５が設けられている。これらの上部パンチ４４および下部パンチ４５には、上部パンチ台４３および下部パンチ台４６がそれぞれ接触するように配置されている。上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー４１の外部に導出されている。上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８間には、焼結用パルス電源４９から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ４４および下部パンチ２５を介して電極１００に供給され、通電される。

また、下部パンチ電極４８には、焼結用加圧機構５１により上方向の圧力Ｐが印加される。下部パンチ電極４８は、上方向に移動可能に設けられており、圧力Ｐにより上方向に移動する。上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ４２の中空部上端および下端から挿入され、上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８が伝達され、焼結ダイ４２内部に充填された電極１００を上下から圧縮する。制御装置５０は焼結用パルス電源４９および焼結用加圧機構５１を制御し、電極１００に対して供給パルス電流および加圧圧力を制御する。

ここで、図４の要部を拡大するとともに、より詳細に示した図５の断面図を参照し、エミッター粉末とタングステン粉末を焼成して電極１００を形成すると同時に、電極１００と電極軸１３を一体的に焼結形成させることについてさらに説明する。

図５に示すように、エミッター粉末とタングステン粉末がグラファイト型と反応することを防止するため、電極１００と焼結ダイ４２の間にはグラファイトペーパ５２とタンタルシート５３を介在させている。

同様に、上部パンチ４４と電極１００の間にはグラファイトペーパ５４とタンタルシート５５を、下部パンチ４５と電極１００の間にはグラファイトペーパ５６とタンタルシート５７をそれぞれ介在させている。

グラファイトペーパ５２，５４，５６は、焼結ダイ４２と上下部パンチ４４，４５と電極１００とのそれぞれの熱膨張率の違いに基づき発生する応力の緩和を目的とするものである。

このためタンタルシートとしては、反応を防止することを目的とした高融点活性金属シートであるため、これに代えて同様のモリブデンやセラミック等の金属シートを用いても構わない。

ところで、下部パンチ４５にはその上端部に開口するφ２ｍｍ程度の細孔４５１が形成されており、その内部に電極１００内に一端部が埋設された電極軸１３の他端部が挿入されている。細孔４５１には、電極１００の焼結前の段階で、予め電極軸１３の下部が細孔４５１の底部に接する形で挿入されている。

この状態において、放電プラズマ焼結装置の制御装置５０の制御に基づき、焼結用パルス電源４９および焼結用加圧機構５１が動作を開始し、電極１００の放電プラズマ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ４２の中空部の電極１００には、上部パンチ電極４７および下部パンチ電極４８を介して焼結用パルス電源４９から大電流のパルス電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ４４および下部パンチ４５を介して焼結ダイ４２の中空部に充填積層された粉末状の電極１００に供給され、通電される。

また、下部パンチ電極４８は上方向に移動可能に設けられており、圧力Ｐにより上方に移動して下部パンチ４５を介して電極１００を押し上げる。上部パンチ４４および上部パンチ電極４７は上下方向に対しては固定されているため、電極１００は下方からの圧力Ｐにより圧縮される。電極１００に大電流パルス電流を流すことにより、圧粉体粒子間隙に生ずる火花放電およびジュール熱により、加熱溶融焼結する。

これにより、電極軸１３とが一体化された図６（ａ）の電極１００が完成する。焼結終了後の図６（ａ）の電極１００の電極先端部１１を、ラインｘ−ｘ’とラインｙ−ｙ’に沿って切削加工を行い、図６（ｂ）に示す円錐形状とする。切削角度は、約３０°〜８０°程度で、放電ランプのアーク長および電流値により選定される。

なお、電極軸１３は、電極１００を形成するときと同時に埋設する例としたが、電極軸１３は、電極１００を形成した後に電極１００と溶接等の手段を用いて接着しても構わない。

（実験）
ここで、サンプルを作成し、この発明の電極による放電特性を見るための放電試験を行った結果について、図７を参照し説明する。図７（ａ）は、この発明の電極を使用した場合の、図７（ｂ）は従来の電極を使用した場合の結果をそれぞれ示している。

図７（ａ）はタングステンにこれに対して２．１７８ｗ％のジルコンナイトライドを含有した合金を、電極の先端に形成したものである。

図７（ｂ）は、タングステンに対して２．０ｗ％の酸化トリウム（ＴｈＯ_２）の合金を、電極の先端に形成したものである。

放電試験には、外径がφ１４ｍｍ、肉厚が１ｍｍの石英管を用い、陽極にはＡｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｋ（カリウム）をドープ剤として添加した標準ノンサグワイヤをベースに高温耐振性、耐黒化性等の高品質のドープタングステン電極φ２×４０ｍｍのものを用いる。

また、陰極としてはこの発明の放電プラズマ焼結で焼結した電極１００からワイヤカットし、センタレスで表面を仕上げ、洗浄、１４００℃で水素処理したφ１×Ｌ１９ｍｍの電極とした。電極は、水冷された電極ホルダーによって固定され、陽極はＬ１７ｍｍ、陰極は１４ｍｍの突き出し長で、放電を行った。なお、電極のエミッタ―の先端部は、この発明と従来の電極ともに、円錐形状にカットする前の状態である先端がフラットの図６（ａ）の形状のものを使用している。

放電条件は、１０〜４Ｐａ台まで真空引きした後、アルゴン（Ａｒ）を０．２ＭＰａ導入し、ＤＣ放電で放電を行った。放電中の電流は５Ａで一定とした。

このような条件下で点灯させた場合、図７に示すように従来の電極の（ｂ）に比して、この発明の電極で形成された（ａ）は、５Ａを一定とした電流に対し、電圧も点灯初期の数百秒程度は一定ではないが、この時間経過後は一定となり、安定した点灯を実現できる。電子放出特性に優れ効率性の高いランプの実現が可能となる。

図８は、図７の条件で点灯させ、放電開始から約３分後の陰極先端より０．３ｍｍ離れた温度の測定結果を示している。

図８に示すように、従来の酸化トリウムとタングステン合金を使用した場合の陰極先端部の温度は、２０３７℃であったのに対し、本発明のジルコンナイトライドとタングステン合金を使用した場合の陰極先端部の温度は、２１００℃を若干超えた従来よりもむしろ高い程度となった。

しかし、ジルコンナイトライドとタングステン合金をエミッターとした場合は、タングステンの蒸発を抑制することができ、蒸発したタングステンが発光管の内壁に付着することにより生じる黒化現象を抑えることができ、ランプの長寿命化に寄与する。

この発明の電極に関する一実施形態について説明するための概略的な構成図。 この発明の放電ランプに関する一実施形態について説明するための概略的な構成図。 この発明の電極の製造方法に関する一実施形態の製造プロセスについて説明するための説明図。 製造プロセスの中の放電プラズマ焼結装置について説明するための説明図。 図４の一部を拡大して説明するための説明図。 （ａ）は図４の製造方法の途中段階における電極構造図、（ｂ）は図４の製造方法で作製された電極構造図。 この発明と従来の効果について説明するための説明図。 この発明と従来の陰極先端部の温度について説明するための説明図。

符号の説明

１００ 電極
１１ 電極先端部
１２ 電極基部
１３ 電極軸
２００ 放電ランプ
２１ 発光管
２２ 陰極
２２１ 電極軸
２３ 陽極
２４，２５ モリブデン箔
２６，２７ 封止管
４２ 焼結ダイ
４４ 上部パンチ
４５ 下部パンチ
４９ 焼結用パルス電源
５０ 制御装置
５１ 焼結用加圧機構

Claims (6)

1. 少なくともエミッターをジルコニウム窒化物およびタングステンとの合金により形成したことを特徴とする電極。
2. 前記合金は、前記ジルコニウム窒化物の粉末と前記タングステンの粉末を焼成したものであることを特徴とする請求項１記載の電極。
3. 前記ジルコニウム窒化物の粉末と前記タングステンの粉末の平均結晶粒径は、５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の電極。
4. 石英ガラス製のバルブと、該バルブ内に構成される放電空間に対向配置された一対の電極とを具備した放電ランプにおいて、
   前記一対の電極の少なくとも一方は、請求項１〜３のいずれかに記載の電極としたことを特徴とする放電ランプ。
5. エミッタ―を形成する部分となるジルコニウム窒化物の粉末とタングステン粉末を、成形型に積層した状態で充填し、該成形型を加圧させながら焼結して電極を形成したことを特徴とする電極の製造方法。
6. 前記焼結は、放電プラズマ焼結装置を用いたことを特徴とする請求項５に記載の電極の製造方法。

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