JP2014102880A - 放電ランプ用電極の製造方法および放電ランプ用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、廃棄していた電極材料を再利用することができる放電ランプ用電極製造方法を提供する。
【解決手段】使用済みの陽極１００の先端部１００ａを切削加工して除去する。新規タングステンである円柱状の先端部５を、SPS法にて、本体部１００ｂに接合し、先端部５の形状を加工する。これにより、使用済みの電極で構成された円柱状の金属部材の本体部および電極先端面を含む円錐台径形状部分の先端部５を備えた陽極１が完成する。本体部は脱ガス化は十分できており、かつ、溝加工等は、一旦処理されているレーザ加工をそのまま使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は放電ランプ電極に関し、特に再利用に関する。

ショートアークランプの電極には、各種の加工がなされる。例えば、本体部分には表面積をより大きくして放熱効果向上のために、溝加工がなされる。 また、タングステンは製造工程での微量な不純物が存在するため、電極製造時に真空中または不活性雰囲気中で脱ガス処理を行う。

このような、各種の加工をした電極は、ランプの寿命に達すると、再利用することができない。なぜなら、点灯中の高温のアーク放電により、先端が損耗、変形などしているからである。

なし

発明者は、先端の損耗した部分を切削加工により除去して再利用することを検討した。しかしながら、この方法では、再利用の度、先端が除去されるので、その分だけ、電極体積が小さくなってしまう。

また、前記使用済みの電極の先端部分については、高温のアーク放電に長時間に曝されることで組織の再結晶が進行し、材料が脆化している。したがって先端の切削加工は困難であり、仮に切削加工できたとしても、加工後の表面に組織の欠落による欠けが発生するおそれがある。このような問題は、陽極だけでなく陰極でも問題となる。

本発明は、従来、廃棄していた電極材料を再利用できる電極を提供することを目的とする。

（１）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極製造方法は、ランプとして使用した使用済み電極を用意し、前記使用済み電極の先端部分を除去し、前記先端部分を除去した本体部に、この本体部と同じ材質で構成された、ランプとして未使用の金属を固相拡散接合し、前記接合した未使用部分に新規先端部を形成する。したがって、使用済み電極を再利用した電極を提供することができる。また、前記本体部は、使用済み電極を再利用できるので、溝加工などが不要となる。

（２）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極製造方法においては、前記固相拡散接合は、放電プラズマ焼結法である。したがって、簡易に使用済み電極を用いて、再利用電極を形成することができる。

（３）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極は、ランプとして使用済み電極の先端部分を除去した本体部と、前記本体部に、この本体部と同じ材質で構成された、ランプとして未使用の金属が固相拡散接合されて形成された新規先端部と、を備えている。したがって、使用済み電極を再利用した電極を提供することができる。

（４）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極は、０．１≦Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ≦１００であること、
ただし、Ｖ_Ｗ：新規先端部の体積、Ｖ_Ａ：陽極先端を上底面とし、陰極先端を下底面とした円錐台の体積である。

このように接合位置を陽極の体積および、前記円錐台の体積との関係で定義された範囲とすることにより、より有効に活用できる。

本発明にかかる陽極１の製造工程の概要を示す図である。 使用済み電極における先端部の状態を説明するため図である。 陽極１の先端部の状態を説明するため図である。 ＳＰＳ法を説明する図である。 除去する先端部の決定パラメータを説明する図である。

本発明にかかる電極の製造方法について、図面を参照して説明する。図１に製造工程の概要を示す。まず使用済みの陽極１００を用意し（図１Ａ）、点灯によって損耗・変形した先端部１００ａを切削加工して除去する。これにより陽極１００は、本体部１００ｂのみとなる（図１Ｂ）。つぎに、新規タングステンである円柱状の先端部５を、放電プラズマ焼結法(以下SPS法という)にて、本体部１００ｂに固相接合する（（図１Ｃ、Ｄ）。先端部５の形状を陽極の先端形状に加工する(図１Ｅ)。これにより、使用済みの電極で構成された円柱状の金属部材の本体部３および電極先端面を含む円錐台径形状部分の先端部５を備えた陽極１が完成する。

図２、図３に、使用済み電極の先端部と、陽極１における先端部５の違いを示す。図２Ａは、使用済み電極の先端部の断面、図２Ｂは先端平面の状態を示す。図３Ａは、陽極１の先端部の断面図、図３Ｂは先端平面の状態を示す。

既に説明したように、本体部１００ｂと先端部５はSPS法により、固相拡散接合されている。

SPS法は圧力・温度以外に、パルス通電エネルギーを接合に利用することができるため、HP法などよりも比較的低温かつ短時間での接合が可能である。そのため、固相のままでの接合が可能であり、接合前後で組織変化が少なく、接合による再結晶やクリープ変形等を抑制することができるため、当該接合方法が望ましい。

また、かかる固相拡散接合として、ホットプレス(HP)法、熱間等方圧加圧(HIP)法等でもよい。

また、固相拡散接合は、アークや電子ビームのような液相を利用した接合と比べると、電極の内部も接合できるので、電極先端部で発生した熱を後部へ効率よく伝導することができる。したがって、電極特性が変化しないというメリットがある。また、接合箇所が変形しないので、複数回の使用も可能である。

図４にSPS法による接合方法を示す。黒鉛からなるパンチ１３２、１３１間に接合するタングステンを載置する。これらを放電プラズマ焼結装置１００にセットし、装置チャンバー１３４内を真空にする。

上下のパンチ電極１３５の間に、数Ｖ〜数１０Ｖ程度の低電圧で、数１００Ａ〜数万Ａのパルス状の大電流を通電する。これにより本体部１００ｂと先端部５は、例えば１００K（ケルビン）／ｍｉｎの上昇率で加熱され、最終的には例えば１５００Kに達するまで加熱する。

さらに、上下のパンチ電極１３５の間に、数１０ＭＰａの圧力を数１０分間加え、焼結を行う。これにより、本体部１００ｂと先端部５とは接合面にて原子が相互拡散し、固相拡散接合ができる。

接合時の温度は１３００Ｋ以上２３００Ｋ以下が望ましい。１３００Ｋ未満では原子の拡散が活発でなく、十分な接合ができないからである。また、２３００Ｋを超えると、電極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなり、電極特性に影響を及ぼすからである。また電極素形材が樽状に変形するなど不具合を引き起こすことがある。

なお、２０００Ｋを超えると、接合時の圧力によっては黒鉛製のパンチ・ダイが強度不足となり、あるいは黒鉛の昇華が始まることもある。したがって、かかる問題を回避するために、接合時の温度を１３００Ｋ以上２０００Ｋ以下とするようにしてもよい。

なお、接合時間は接合温度や電極の変化量に応じて、例えば、５分〜３６０分程度の範囲内から適宜設定すればよい。

固相接合させた状態で、先端部５の形状を整えて、必要な加工を行えばよい。

具体的には、円柱の上に円錐台を結合した電極形状に加工するとともに、先端に所定径のアーク放電領域を形成する。この加工は旋盤などを使った切削加工や、ワイヤーカット放電加工など、通常の金属加工法を採用できる。これにより図１Ｅに示すような陽極１が得られる。

つぎに、陽極１の脱ガス処理をする。陽極１を不活性ガスあるいは真空雰囲気で熱処理を行うことにより、電極内部の不純物をガス化し、材料外部へと放出させる。熱処理温度は１３００Ｋ以上２３００Ｋ以下が好ましい。１３００Ｋ未満では不純物が放出されにくく、脱ガスが十分できないからである。２３００Ｋを超えると、陽極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなりすぎ、点灯時に変形などが促進されるからである。なお、熱処理時間は処理温度に応じて、５分〜３６０分程度の範囲内から設定すればよい。

本実施形態においては、陽極としての形状加工の後、脱ガス処理している。これは、タングステンは難加工材料で、脱ガスによりわずかに結晶粒が粗大化するため、脱ガス処理後に切削加工等すると、加工中にタングステン組織が欠けたりする。このような状況では、陽極の一部に突起部が形成され、かかる突起部からの異常放電、局所過熱などの問題を回避するためである。また、切削加工後、脱ガス処理を行っているのは、脱ガス処理後による切削加工等をすると切削油や不純物がつくという問題を回避するためである。

したがって、上記問題を回避できるのであれば、先端形状の形成の順番については問わない。

本実施形態においては、先端部５は、新規タングステンで構成されているので、使用済み電極と比べて、以下のメリットがある。任意の長さが選定できる。すなわち、元の大きさの電極を提供できる。また、先端部５は、ほとんど再結晶しておらず、加工が容易で、かつ変形しにくい。ドープ材を含んでいる。また、全体を新規で製造する場合と比べると、材料コストを削減できる。このように、先端部には、カリウムなどの金属やその酸化物を極少量添加した材料を採用することができるので、点灯中の再結晶を抑制でき、ランプ点灯中のアーク放電による熱変形を防止できる。

また、本体部１００ｂは、使用済みタングステンで構成されているため、以下の効果がある。全体を新規で構成する場合と比べると、使用量を削減できる。本体部１００ｂは、一旦通常使用されているため、ガス抜きが十分できている。溝加工等は、一旦処理されている部分を使用できる。複数回利用することも可能である。特に、昨今、電極の熱負荷を低減するために、タングステンなどの高融点金属からなる微粒子を電極表面に焼結させたり、フィン状の細溝加工を施すことによって、表面積を増大させたりして、放熱効果を向上させることが一般的である。特に、この細溝加工は従来の切削加工からレーザ等を用いた微細加工に移行してきており、加工コストも増加傾向にある。本電極ではこれらの放熱手段を残したままの再利用ができるため、大幅なコストの削減も可能となる。

また、本実施形態においては、図５に示すように、Ｖ_Ｗ：新規先端部体積、Ｖ_Ａ：円錐台体積（陽極と陰極で定義される空間体積であって、陽極先端を上底面とし、陰極先端を下底面とした円錐台の体積）が、０．１≦Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ≦１００となるように、除去する先端部の位置を決定した。

図５に示すＶ_Ｗ/Ｖ_Ａ比率についてランプを種々製作し、照度維持率を測定した。比較用のランプとしては、かかる接合をしていない陽極を採用した。陽極以外は同様の仕様である。照度維持率は、初期照度の７０％まで低下した時間を寿命とした。

Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ比率が０．１より小さい場合、早期に寿命となった。この場合、点灯によって損耗・変形した先端部１００ａを除去しきれない。また、組織の再結晶が進行し、材料が脆化している。したがって、点灯によって損耗・変形した先端部１００ａの切削加工は困難であり、仮に切削加工できたとしても、加工後の表面に組織の欠落による欠けが発生し、接合面に不具合が生じる。また、接合面外周部に欠けが生じてしまった場合、その部分を起点としたアークの異常放電が生じてしまい、電極やランプに悪影響がある。

Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ比率が１００より大きい場合、上述のような問題は生じず、照度維持率には影響なかったが、加工時間が長く、また、溝加工等の再利用ができない、さらに、使用量の削減ができないなど、効率やコストの観点からあまり意味をなさない。

Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ比率が０．１〜１００の場合に、従来のランプ、すなわち、陽極全体がタングステンのランプと同等の照度維持率が確認された。

本実施形態においては、先端部分として固形タングステンを固相接合する場合について説明したが、粉末から焼結することも可能である。この場合、型となるダイを使用すればよい。ダイには温度調整の役割も併せることが出来る。すなわち、接合する電極の径が大きく、表面積が多い場合や、表面に施したタングステン粉末や細溝による放熱効果が高く、接合する電極が所望の温度まで到達しない場合は、ダイを使用し、電極の温度を保温する目的で使用しても良く、適宜、所望の電極に応じて選択するようにすると良い。

なお、複数の粒度のタングステン粉末を混合することにより、原料粉末を焼結ダイに充填する際、粒子間の隙間を小さくすることができる。これにより、後の焼結行程にて、高密度な（ポアが少ない）焼結接合体を得ることができる。よって、ポアの部分に溜まっているガスや不純物がアーク放電中に放出される事を防止できる。これにより、陽極１の変形や消耗が発生するのを防止し、陽極１の温度上昇に伴う蒸発を防ぎ、封体の内面が黒化を防止できる。なお、先端部のタングステン１００ａはその密度が理論密度の９０％以上になることが望ましい。

また、タングステン粉末から製造する場合、新規タングステン素形材の形成時に先細形状になるように、形状を変更してもよい。

また、複数の粒度のタングステン粉末を混合するためには、ボールミルなどの公知の混合機を用いればよい。

本実施形態においては高融点金属としてタングステンである場合について説明したが、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタルなどの他の高融点金属についても同様に適用可能である。

本実施形態においては、陽極に採用した場合について説明したが、陰極にも同様に適用可能である。

本実施形態においては、装置のチャンバー１３４内を真空にした場合について説明したが、水素雰囲気や不活性ガス雰囲気にも同様に適用可能である。

本実施形態においては、完全に寿命となった電極を採用したが、点灯はさせたが、先端が溶解したりしたような電極を、本体部１００ｂに採用することができる。

上記実施形態においては、超高圧水銀放電灯の電極に適用した場合について説明したが、その他のショートアーク放電灯用の電極にも適用可能である。

１・・・・・・電極
３・・・・・・本体部
５・・・・・・先端部

Claims (4)

1. ショートアーク放電ランプ用の電極製造方法であって、
   ランプとして使用した使用済み電極を用意し、
   前記使用済み電極の先端部分を除去し、
   前記先端部分を除去した本体部に、この本体部と同じ材質で構成された、ランプとして未使用の金属を固相拡散接合し、
   前記接合した新品部分について、新規先端部を形成すること、
   を特徴とする電極製造方法。
2. 請求項１の電極製造方法において、
   前記固相拡散接合は、放電プラズマ焼結法であること、
   を特徴とする電極製造方法。
3. ショートアーク放電ランプ用の電極であって、
   ランプとして使用した使用済み電極の先端部分を除去した本体部と、
   前記本体部に、この本体部と同じ材質で構成された、ランプとして未使用の金属が固相拡散接合されて形成された新規先端部、
   を備えたこと特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
4. 請求項３のショートアーク放電ランプ用の電極であって、
   ０．１≦Ｖ_Ｗ/Ｖ_Ａ≦１００であること、
   ただし、Ｖ_Ｗ：新規先端部の体積、Ｖ_Ａ：陽極先端を上底面とし、陰極先端を下底面とした円錐台の体積である、
   を備えたこと特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。