JP2023048876A - 放電ランプおよび放電ランプ用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプにおいて、放熱性を高める一方で、電極表面の耐熱性、耐久性を向上させる。【解決手段】放電ランプ１０の電極３０において、溝４２から構成される放熱構造４０に対してコーティング層４４を形成し、コーティング層４４にレーザ照射することによって、電極素材とコーティング成分とが混ざり合う混合層４３を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプなどの放電ランプに関し、特に、電極の放熱に関する。

放電ランプは、点灯中に電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、放電管が黒化して、ランプ照度低下を招く。電極先端部を含めた電極の過熱を防ぐため、電極胴体部側面をネジ状の溝で表面積を大きくし、その溝の上に、タングステンの粉末を焼結させ、放熱層を形成する（特許文献１参照）。

また、電極表面の放熱層の密着性を高めるため、電極の凹凸状表面に金属酸化物の放熱層を形成する方法が知られている（特許文献２参照）。そこでは、電極表面に対して表面粗さがＲｍａｘ１０μｍ以上となる凹凸面を形成し、酸化チタンあるいは酸化クロムなどを含む酸化物粉末を溶媒に混合して電極表面に塗布し、焼結することによって多孔質の放熱層を形成する。

特開２０００－３０６５４６号公報 特開２００９－１０５０５９号公報

電極表面粗さの調整などを行っても、電極表面と放熱層との密着性を高めることには限界があり、ランプ点灯中の高温による放熱層の剥がれが生じ、放熱性を維持できないばかりか、電極表面を十分に保護することができない恐れがある。

したがって、放熱性を高める一方で、放熱層の耐熱性、耐久性を向上させ、電極表面を十分に保護することが求められる。

本発明の一態様である放電ランプは、放電管と、放電管内に対向配置される一対の電極とを備える。そして、少なくとも一方の電極が、少なくとも電極胴体部の側面において、コーティング層と、コーティング層のコーティング成分と電極素材とが混ざり合う部分（ここでは、混合層という）とを備えている。電極胴体部の側面に対して層状になっているだけでなく、部分的に混合部分が散在するような場合でも、ここでは「混合層を備える」と定義する。

混合層（混合部分）の電極素材とコーティング成分との混じり具合に関して広義に定義すれば、コーティング成分と電極素材とが混ざり合っていればよい。一方で、電極表面を十分に保護するという観点から、電極素材が主成分である混合部分を混合層として備えるようにすることが可能である。

電極胴体部の側面における混合層の形成は様々な態様が可能であり、例えば、コーティング層の一部に含まれるように構成することができる。また、電極素地表面より放射率の高い放熱構造を備えた場合、放熱構造の上に、放熱構造を設けた電極胴体部側面部分の放射率をより高めるコーティング層と、混合層とを形成することが可能である。放熱構造も様々な態様が可能であり、例えば、電極胴体部の周方向または電極軸方向に沿った溝で構成される。

コーティング層の成分は様々な成分を含むように構成することが可能であり、例えば、コーティング層は、少なくともジルコニウムおよび／またはタンタルを含む。また、電極素材と同じ種類の金属を含むようにしてもよい。

本発明の他の一態様である放電ランプ用電極の製造方法は、柱状の胴体部と先端側テーパー部を有する電極を成形し、電極の表面に対し、コーティング層を形成し、そして、コーティング層に対し、レーザ照射する。レーザ照射においては、光出力または焦点位置を調整することが可能である。例えば、レーザ照射において、焦点位置を電極素地表面側へずらすあるいは電極素地表面から離して調整する。

本発明によれば、放熱性を高める一方で、コーティング層の耐熱性、耐久性を向上させ、電極表面を十分に保護することができる。

第１の実施形態である放電ランプの概略的平面図である。 第１の実施形態の電極の概略的平面図である。 溝の形状を概略的に示した図である。 第２の実施形態である放電ランプの電極の概略的平面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の略球状放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向（同軸）配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は、電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。

図２は、電極（陽極）３０の概略的平面図である。なお、電極（陰極）２０についても同様の構造にすることが可能である。

電極３０は、電極先端面３２Ｔを有し、テーパー形状となる部分（以下、先端側テーパー部という）３２と、電極支持棒１７Ｂと繋がる柱状部分（以下、胴体部という）３４から構成されている。ここでは、電極３０が一体的に構成されているが、先端側テーパー部３２を有する部材と胴体部３４を有する部材とを、拡散接合などの固相接合によって接合し、電極３０を構成することも可能である。また、中間部材を介して接合することも可能である。電極３０は、タングステンやモリブデン、あるいはこれらの合金から構成され、ここではタングステンで構成されている。

胴体部３４の側面３４Ｓには、放熱構造４０が設けられている（図２の斜線部参照）。放熱構造４０は、胴体部３４の素地表面３４Ｔ、すなわち特別な放熱構造をあえて採用していない表面と比べて放射率が高く、放熱性を高める機能をもつ。図２において、側面３４Ｓの拡大部（符号Ｌ１参照）に示すように、放熱構造４０は、ここでは周方向（電極軸周り）に沿った溝４２を所定ピッチで形成した構成となっている。溝４２は、例えばレーザや切削などによって形成可能である。

さらに、放熱構造４０（溝４２）を設けた胴体部３４の側面３４Ｓに対し、コーティング層４４が形成されている。コーティング層４４は、ここでは、窒化ジルコニウムまたは炭化ジルコニウム、ジルコニウム化合物を含む。また、電極３０と同じ金属、すなわちタングステンやモリブデンを含有してもよい。なお、コーティング層４４に対して窒化タンタルなどのタンタル系素材やジルコニアなどのセラミック系素材を含ませてもよいし、これらを混合したものを含ませてもよい。

図２に示すように、コーティング層４４で覆った溝４２の頂部４２Ｐの高さ、すなわち、電極軸Ｃから頂部４２Ｐ（層表面）までの距離は、胴体部３４の側面３４Ｓより電極中心側に位置する。溝４２の頂部４２Ｐが胴体部３４の側面３４Ｓよりも引っ込んだ位置にあることによって、アークやフレアによるコーティングの剥がれや薄くなるのを効果的に抑制することができる。

コーティング層４４は、放熱構造４０（溝４２）の放熱機能をより高めるように機能し、ここでは溝４２よりも大きな放射率をもつ。溝４２から構成される放熱構造４０、およびコーティング層４４という２つの放熱機能を備えた部分（以下、この側面部分を放熱機能部Ｊという）が、胴体部３４の側面３４Ｓの一部に対して形成されている。溝の形成された表面の放射率εは、以下の（１）式によって近似的に表すことができる。

ε＝１／（１＋（Ｌ／Ｓ）×（１／ε₀－１）） ・・・（１）

ただし、Ｌは、溝の形成領域の軸方向（側面３４Ｓに沿った）長さを示し、Ｓは、溝断面図での溝に沿った全長（総断面長）を示す（図３参照）。材料固有の放射率ε₀を、コーティング層４４の放射率に置き換えることによって、溝の形成された表面の放射率εを導出している。ただし、コーティング層４４は溝の大きさ（深さ）と比べて非常に薄いため、その厚さを無視できるものとする。

溝４２とコーティング層４４とを組み合わせた放射率を導く上記（１）式を適用することによって、溝４２の形状およびコーティング層４４の放熱性（放射率）とを適宜組み合わせ、胴体部３４の放熱性（放射率）を効果的（協働的）に高めることができる。特に、コーティング層４４の放射率を溝４２の放射率より高く定めることにより、コーティング層４４の放熱機能を主とし、溝４２の放熱機能を従とする放熱機能部Ｊを構成することができる。

このような放熱機能部Ｊを設けた胴体部３４に対し、先端側テーパー部３２のテーパー側面（表面）３２Ｓには、溝のみを形成し、その上にコーティング層を形成しない放熱構造（非コーティング放熱構造）５０が設けられている。

本実施形態では、放熱構造４０の上にコーティング層４４が形成されるだけでなく、コーティング層４４の一部が、電極素材とコーティング成分とが混合した混合部分４３となって存在する。ただし、図２では、混合部分の一部を符号４３で表しており、図２の符号４３で示す箇所以外にも混合部分は存在する。混合部分４３は、μｍオーダーの厚さを有し、ここではコーティング層４４の合間に不規則に形成されている。また、放熱構造４０の電極素地表面３４Ｔに近い部分、すなわち溝４２の頂部４２Ｐ付近に比較的多く形成されている。以下では、この混合部分４３を混合層という。

図２の拡大部（符号Ｌ２参照）に示すように、混合層４３では、放熱構造４０の電極素材の一部とコーティング層４４の一部が混ざり合い、コーティング成分が電極素材に担持されている。混合層４３では、コーティング成分が電極素材に取り囲まれるように、電極素材が主成分で支配的である（ａｔ％）。電極素材のタングステンが多く含まれている部分を符号Ｃ１で表し、コーティング成分のジルコニウムが多く含まれている部分を符号Ｃ２で表している。

混合層４３では、コーティング成分が電極素材の母材（タングステン）と一体化した状態にあり、その一方、合金化された状態にまでは至っていない。このような混合層４３が部分的に形成されることにより、機械的強度が増すとともに耐久性が向上し、コーティング層４４の剥離を抑制することができる。コーティング層４４による放熱性が維持され、また、コーティング層が剥がれて電極表面を荒らすこともないため、電極表面を保護することができる。

また、混合層４３の主成分が電極素材であるため、コーティング成分が必要以上に溶融せず、側面３４Ｓからの放熱機能を十分発揮することができる。その一方で、混合層４３が熱容量の低い溝４２の頂部４２Ｐ付近に形成されることにより、コーティングの剥がれや薄くなるのを抑制することができる。さらに、コーティング成分に電極素材と同じ成分を含ませると、混合層４３がより強固になる。

このような放電ランプの電極３０は、以下のように製造することができる。

まず、柱状の胴体部と先端側テーパー部を有する電極を成形し、胴体部側面に対し、レーザや切削などの加工によって周方向に沿った溝を形成する。次に、塗布によってコーティング層を溝の上に形成する。このとき、コーティング層の放射率を溝の放射率より高く定めることにより、放射率の高い放熱機能部を構成することができる。なお、スプレー、蒸着、スパッタ、ＣＶＤなどの均質に塗布される手段が採用可能である。

そして、コーティング層の形成した溝に対して部分的にレーザ照射を行い、コーティング層の一部と電極表面の一部を溶融して混合層を形成する。レーザ照射によって溶融する温度は、焼結温度より低い。所望する箇所、厚さとなるように、レーザ照射場所、照射時間などを調整すればよい。また、自然冷却下では溶けたタングステンは球状に冷え固まり、強固に固着する。一方で、レーザ照射時の照射時間、冷却期間などを制御してもよい。これにより、溶融したタングステンが冷え固まるときに球状にならないようにすることができる。

また、コーティング層に対して適度な溶融を行う（溶かしすぎないようにする）ため、レーザの光強度を調整する。装置の出力設定を制御してもよいし、あるいは焦点位置を制御することができる。例えば、焦点位置を電極素地表面から離す（遠ざける）方向へずらすことにより、レーザの光強度を低下させることができるとともに、溝４２の頂部側に混合層を形成することができる。焦点位置を電極素地表面側へずらしても同様である。

なお、混合層の形成後、炉などに入れて焼結させてもよい。また、大気中でのレーザ照射を行った場合、表面の酸化除去処理を炉で行ってもよい。

次に、図４を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、溝から構成される放熱構造の上にコーティング層を重ねた放熱機能部が、先端側テーパー部と胴体部に形成される一方、溝のみ形成した放熱構造が、電極支持棒側に設けられている。

図４は、第２の実施形態である放電ランプの電極の概略的平面図である。陽極３０’は、先端側テーパー部３２と胴体部３４とを備える。溝から成る放熱構造４０’の上にコーティング層４４’が形成された放熱機能部Ｊは、胴体部３４の途中から先端側テーパー部３２に跨って連続的に形成されている。一方、胴体部３４の側面３４Ｓには、放熱機能部Ｊよりも電極支持棒１７Ｂ側に、周方向に沿った溝のみから構成される放熱構造５０’（非コーティング放熱構造）が設けられている。

上述した実施形態では、コーティング層の一部に混合層が含まれるように構成したが、電極の周方向に沿って面状に混合層を形成してもよい。また、コーティング層と混合層とを区画してもよい。例えば、比較的高温になる電極先端面に近い方の領域を耐熱性の高い混合層で構成し、電極先端面側に比べると低温の電極支持棒に近い方の領域をコーティング層で構成することができる。

第１、第２の実施形態では、周方向に沿った溝によって放熱構造を構成しているが、電極軸方向に沿った溝で構成してもよい。また、溝以外の放熱構造を採用してもよい。例えば、サンドブラストなどによる梨地粗面や、黒化抑制体を放熱構造として構成することができる。黒化抑制を主目的とするならば黒化抑制体を採用し、放熱性向上を求めるならば溝を構成する。低コストを求めるならば梨地粗面を採用することが可能である。ランプ出力、電極形状、電極素材、切削などの加工容易性などに応じて放熱構造を定めればよい。また、素材の異なるコーティング層を放熱構造として構成することも可能である。すなわち、コーティング層（放熱構造）にコーティング層を重ねることができる。この場合の混合層は、電極素材の一部とコーティング層（１層目）の一部とコーティング層（２層目）の一部が混ざり合っていればよい。

１０ 放電ランプ
３０ 電極
４０ 放熱構造
４２ 溝
４３ 混合層
４４ コーティング層
５０ 放熱構造（非コーティング放熱構造）

Claims (10)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極が、少なくとも電極胴体部の側面において、コーティング層と、前記コーティング層のコーティング成分と電極素材とが混ざり合う混合層とを備えていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記混合層において、電極素材が主成分であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記混合層が、前記コーティング層の一部に含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 電極素地表面より放射率の高い放熱構造を備え、前記放熱構造の上に、前記放熱構造を設けた電極胴体部側面部分の放射率をより高める前記コーティング層と、前記混合層とが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
5. 前記放熱構造が、電極胴体部の周方向または電極軸方向に沿った溝で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
6. 前記コーティング層が、電極素材と同じ種類の金属を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記コーティング層が、少なくともジルコニウムおよび／またはタンタルを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。
8. 柱状の胴体部と先端側テーパー部を有する電極を成形し、
   前記電極の表面に対し、コーティング層を形成し、
   前記コーティング層に対し、レーザ照射することを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
9. レーザ照射において、光出力または焦点位置を調整することを特徴とする請求項８に記載の放電ランプ用電極の製造方法。
10. レーザ照射において、焦点位置を電極素地表面側へずらすあるいは電極素地表面から離すことを特徴とする請求項８または９に記載の放電ランプ用電極の製造方法。

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