JP3565829B2 - 電極、その製造方法、及び金属蒸気放電ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属蒸気放電ランプの発光管に好ましく用いることができる電極とその製造方法に関する。また、本発明は金属蒸気放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高演色性、省エネルギーを実現するために耐熱性の高いセラミック発光管を採用した金属蒸気放電ランプが開発されており、これに伴って製造プロセスの複雑化が進んでいる。
【０００３】
以下に放電ランプに使用される電極の従来の製造方法について説明する。
【０００４】
図９は２つの棒状の電極部品を溶接する、従来の電極の製造方法の概略を示す側面断面図である。図９において、３ａ，３ｂは溶接される２つの棒状の電極部品であり、２０ａ，２０ｂは抵抗溶接機の一対の電極である。一対の電極２０ａ，２０ｂで電極部品３ａ，３ｂをそれぞれ保持し、電極部品３ａ，３ｂの各端部を互いに突き合わせる。一対の電極２０ａ，２０ｂを介して電極部品３ａ，３ｂ間に相互に押し合う方向のアプセット力Ｆ０を付与しながら、電極２０ａ，２０ｂを通じて電流を電極部品３ａ，３ｂ間に流す。両電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分の境界の抵抗発熱で突き合わせ部分が溶融し、接合される。この際、両電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分に高純度アルゴンガスを常時吹きかける。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような抵抗溶接方法は、電極部品３ａ，３ｂがともに金属からなる場合は有効であったが、少なくとも一方が金属ではないサーメットである場合、確実な接合ができないという問題があった。サーメットはアルミナと金属との焼結体であるため、セラミックの性質と金属の性質とを併せ持つ。従って、上記の抵抗溶接の瞬間的な加熱だけでは確実に境界面を溶融させて接合させることが困難であった。
【０００６】
また、上記のような抵抗溶接法とは別に、電極部品３ａ，３ｂの端部同士を突き合わせて保持した状態で、突き合わせ部分にＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザなどのレーザ光を照射して溶接する方法も提案されている。しかしながら、このようなレーザ光による溶接方法では、レーザビームの断面形状が略円形であるために、レーザ光を突き合わせ部分に照射すると周方向に加熱ムラが生じ、境界面を確実に接合することが困難であった。また、電極部品の長手方向において突き合わせ部分以外の部分まで加熱されてしまうので、電極部品の材料がタングステンを含む場合、タングステンが脆化し、電極としての強度が確保できなかった。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、金属とサーメットとを接合する場合のように、融点の異なる２つの電極部品の接合を確実に行うことができる電極の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような製造方法により得られた電極を含む放電ランプを提供することを目的とする。更に、本発明は、十分な接続強度を備えた電極とこれを備えた放電ランプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の電極の製造方法は、導電性サーメットからなる棒状の第１の電極部品と前記第１の電極部品より融点が高い棒状の第２の電極部品とを、それぞれの端部同士を突き合わせて溶接して電極を製造する方法であって、前記第１の電極部品を上側とし、前記第２の電極部品を下側として、それぞれの長手方向を鉛直方向に一致させて、前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させながら突き合わせる工程と、次いで、前記両電極部品の突き合わせ部分又はその近傍にレーザ光を照射して前記両電極部品を溶接する工程とを含み、前記レーザ光のビーム形状が、鉛直方向を短軸方向とし、水平方向を長軸方向とする細長形状であることを特徴とする。
本発明の電極の製造方法の他の構成は、棒状の第１の電極部品と前記第１の電極部品より融点が高い棒状の第２の電極部品とを、それぞれの端部同士を突き合わせて溶接して電極を製造する方法であって、前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させながら突き合わせる工程と、次いで、前記両電極部品の突き合わせ部分又はその近傍にレーザ光を照射して前記両電極部品を溶接する工程とを含み、前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より前記第２の電極部品側であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の電極は、棒状の第１の電極部品と、前記第１の電極部品より小径の棒状の第２の電極部品とを備え、前記第１及び第２の電極部品の端部同士が突き合わされて溶接されて一体化した電極であって、前記第１の電極部品は導電性サーメットからなり、前記第２の電極部品はタングステンからなり、前記第１の電極部品と前記第２の電極部品との溶接部において、前記第１の電極部品の前記導電性サーメットを構成するモリブデンと前記第２の電極部品のタングステンとからなる合金層が前記第２の電極部品の端面の全面に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の電極の製造方法では、第１の電極部品を上側とし、これより高融点の第２の電極部品を下側として、それぞれの長手方向を鉛直方向に一致させて、第１の電極部品の端部と第２の電極部品の端部とを相互に押圧させながら突き合わせる。次いで、両電極部品の突き合わせ部分又はその近傍にレーザ光を照射して前記両電極部品を溶接する。
【００１１】
レーザ光を照射して加熱することで、電極部品の突き合わせ部分の温度管理が容易になり、従来の抵抗発熱の場合のような瞬間的な加熱とは異なり、予熱、溶接、冷却という温度のプロセスを導入することができる。従って、電極部品の少なくとも一方が、アルミナと金属の焼結体であり、セラミックの性質と金属の性質とを併せ持つサーメットであっても確実に境界面を溶融させて、安定かつ確実な接合ができる。この結果、溶接不良をなくし、安定した高品質、歩留の向上が望める。
【００１２】
また、従来の抵抗発熱の場合のような、電極部品を保持するとともに電極部品に電流を流すための部材（図９の電極２０ａ，２０ｂ）が存在しない。即ち、電極部品の加熱を非接触で行なうために、従来の抵抗溶接機における溶接用電極（図９の電極２０ａ，２０ｂ）の磨耗という問題も発生せず、頻繁なメンテナンスが不要となるので高いメンテナンス性が確保できる。
【００１３】
レーザ光のビーム形状は、鉛直方向を短軸方向とし、水平方向を長軸方向とする細長形状である。これにより、レーザ光を、突き合わせ部分又はその近傍に、電極部品の周方向に広く、長手方向に狭い範囲で照射させることができる。従って、周方向の温度ムラを少なくし、突き合わせ部分のみを効率よく加熱することができる。また、レーザ照射ユニットを２台以上使用する場合には、少ない個数のレーザ照射ユニットで突き合わせ部分又はその近傍の全周を照射することができる。
【００１４】
更に、第１，第２の電極部品を鉛直方向に突き合わせて、融点の低い第１の電極部品を上側に配するので、溶融した第１の電極部品の材料が下側に移動して第２の電極部品の外周を覆うようにして接合部分が形成される。その結果、周方向において接合強度が均一になり、かつ向上する。
【００１５】
上記において、前記第２の電極部品がタングステンからなることが好ましい。また、前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より下側であることが好ましい。
本発明の電極の製造方法の他の構成において、前記第１の電極部品が導電性サーメットからなり、前記第２の電極部品がタングステンからなることが好ましい。また、前記突き合わせる工程において、前記第１の電極部品を上側とし、前記第２の電極部品を下側として、それぞれの長手方向を鉛直方向に一致させて、前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させることが好ましい。
また、上記いずれかの製造方法において、前記第１の電極部品の断面積が前記第２の電極部品の断面積より大きいことが好ましい。例えば、前記第１の電極部品及び前記第２の電極部品がいずれも円筒形状であり、前記第１の電極部品の直径が前記第２の電極部品の直径より大きいことが好ましい。これにより、溶融した第１の電極部品の材料が第２の電極部品の外周を覆いやすくなり、周方向の接合強度がより一層均一になる。
【００１７】
また、照射される前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より０．３〜１．０ｍｍ低いことが好ましい。これにより、レーザ光により下側の高融点の第２の電極部品が最初に加熱され、その熱が上側の第１の電極部品に伝達されて、第１の電極部品が溶融を開始する。従って、低融点の第１の電極部品にレーザ光を照射する場合に比べて、高融点の第２の電極部品も高温に加熱されるため、確実な接合面が形成され、接合強度を向上させることができる。
【００１８】
また、前記第２の電極部品の、少なくとも前記突き合わせ部分とは反対側の端部にコイルが巻回されていても良い。このとき、前記コイルが前記第２の電極部品の前記突き合わせ部分側の端部又はその近傍にまで巻回されていても良い。
【００１９】
また、複数のレーザ光を水平面内において異なる方向から前記突き合わせ部分又はその近傍に同時に照射することが好ましい。これにより、複数のレーザ光が電極部品の突き合わせ部分又はその近傍を異なる角度から同時に照射することで、電極部品を回転などさせることなく、突き合わせ部分を全周にわたって短時間でほぼ均一に加熱することができる。従って、突き合わせ部分の温度管理が容易となり、また、作業効率が向上する。
【００２０】
また、複数のレーザ照射ユニットを用い、前記各レーザ照射ユニットから出射された前記複数のレーザ光が他のレーザ照射ユニットのレーザ発光部を相互に照射しないように、前記複数のレーザ照射ユニットを前記突き合わせ部分の回りに配置することが好ましい。各レーザ照射ユニットから出射されたレーザ光が互いに他のレーザ照射ユニットのレーザ発光部を照射しないように配置することで、レーザ照射ユニットの損傷を防止できる。このためには、レーザ照射ユニットの数は偶数ではなく、奇数であることが好ましい。これにより、各レーザ光が他のレーザ照射ユニットのレーザ発光部を照射することなく、複数のレーザ照射ユニットを突き合わせ部分の回りに等角度間隔に配置することができ、周方向に効率よく均一に加熱することができる。
【００２１】
また、前記レーザ光を照射する際に、突き合わされた前記両電極部品を回転させても良い。これにより、レーザ照射ユニットの個数を少なくしながら、突き合わせ部分の全周をほぼ同時に加熱することができる。
【００２２】
また、前記レーザ光を照射する時、前記突き合わせ部分の周囲を不活性ガス雰囲気に維持することが好ましい。これにより、接合部分の酸化を防止できる。
【００２３】
また、不活性ガス雰囲気に維持したチャンバー内に前記第１及び第２の電極部品を配置し、前記チャンバーの外よりレーザ光を照射することが好ましい。チャンバーの外側からレーザ光を導入することにより、レーザ照射ユニットをチャンバー外に配置することができ、チャンバーの容積を小さくすることができる。その結果、不活性ガスの使用量を少なくできるので、低コスト化が可能になる。
【００２４】
また、前記第１の電極部品と前記第２の電極部品とを突き合わせたときの両電極部品間の押力が５〜２０Ｎであることが好ましい。押力がこれより小さいと良好な溶接部を形成することが困難となる。また、押力がこれより大きいと溶接部の改善効果が低減するのみならず、電極が挫屈するなどの問題が生じる場合がある。
【００２５】
また、前記第１の電極部品と前記第２の電極部品とを突き合わせる際に、前記第２の電極部品に０．７±０．２Ｎの水平方向の押圧力を付与することにより前記第２の電極部品を水平面内で位置決めすることが好ましい。押圧力がこれより小さいと両電極部品の中心軸が互いにずれた状態で溶接されてしまう場合がある。また、押圧力がこれより大きいと、両電極部品間の上記の突き合わせ押力が低下して、良好な溶接部が得られない場合がある。
【００２６】
次に、本発明の金属蒸気放電ランプは、上記本発明の製造方法により得られた電極を具備することを特徴とする。これにより、安定かつ長寿命の放電ランプを提供することができる。
【００２７】
次に、本発明の電極は、導電性サーメットからなる第１の電極部品と、これより小径でタングステンからなる第２の電極部品とを、端部同士を突き合わせて溶接一体化されている。そして、第１の電極部品と第２の電極部品との溶接部において、第１の電極部品の導電性サーメットを構成するモリブデンと第２の電極部品のタングステンとからなる合金層が第２の電極部品の端面の全面に形成されている。これにより、溶接部の溶接強度が向上するとともに、そのばらつきが低減する。
【００２８】
上記において、前記第１の電極部品の前記導電性サーメットを構成するアルミナが前記溶接部近傍の外周に析出していることが好ましい。これにより、アルミナ層が溶接部の機械的強度を更に向上させる。
【００２９】
また、本発明の金属蒸気放電ランプは、放電空間を備える本管と、前記本管の両端に接続された細管と、前記各細管にそれぞれ挿入された給電体とを備える発光管を有する金属蒸気放電ランプであって、前記給電体が上記の本発明の電極であり、前記第２の電極部品を前記本管側にして前記電極が前記細管内に挿入されていることを特徴とする。これにより、安定した品質の金属蒸気放電ランプを提供できる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３１】
図７は金属蒸気放電ランプの一例を示した正面図である。図７に示すように、外管５５内にアルミナセラミック製の発光管５１が、電力供給線５３ａ，５３ｂによって所定の位置に保持されている。外管５５内には所定圧の窒素が封入されており、封止部付近に口金５６が装着されている。
【００３２】
発光管５１は、紫外線をカットする効果を有する石英ガラス製スリーブ５２内に配置されている。スリーブ５２は、発光管５１を保温し、十分な蒸気圧を保ちつつ、発光管５１の破損時に外管５５が割れることを防止する役割も兼ねている。スリーブ５２はスリーブ支持板５４ａ，５４ｂを介して電力供給線５３ａに保持されている。
【００３３】
図８は、発光管５１の構成を示した断面図である。図８に示すように、放電空間を形成する本管（発光部）５７の両端に、細管５８ａ，５８ｂが接続されている。本管５７の放電空間内には、水銀と、希ガスと、発光金属とが封入されている。
【００３４】
細管５８ａ，５８ｂの各々には、コイル６０ａ，６０ｂ、電極ピン５９ａ，５９ｂ、及び電極支持体６１ａ，６１ｂからなる給電体６５ａ，６５ｂが挿入されている。
【００３５】
電極支持体６１ａ，６１ｂは細管５８ａ，５８ｂ内にガラスフリット（シール材）６２ａ，６２ｂによって封着されている。ガラスフリット６２ａ，６２ｂは酸化金属、アルミナ、及びシリカ等からなる。
【００３６】
コイル６０ａ，６０ｂはタングステンからなり、電極ピン５９ａ，５９ｂの先端に巻回され、本管５７の放電空間内で対向するように配置される。電極ピン５９ａ，５９ｂは、タングステンからなる。電極支持体６１ａ，６１ｂは導電性サーメットからなる。導電性サーメットとは、例えばモリブデンなどの金属粉末とアルミナ粉末とを混合し、焼結させたものであり、その熱膨張係数はアルミナとほぼ等しい。
【００３７】
本発明は、以上のような放電ランプにおいて、棒状の電極支持体（第１の電極部品）６１ａ，６１ｂと、これより融点の高い棒状の電極ピン（第２の電極部品）５９ａ，５９ｂとを溶接により接合して給電体（電極）６５ａ，６５ｂを製造する際に好ましく使用することができる電極の製造方法を提供する。また、本発明は、棒状の電極支持体６１ａ，６１ｂと棒状の電極ピン５９ａ，５９ｂとが接続された給電体６５ａ，６５ｂとして使用可能な電極を提供する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１に係る電極の製造方法に使用される装置の概略構成を示した上面図、図１Ｂは図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線での矢視断面図である。
【００３９】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、１はレーザ照射ユニット、２はレーザ照射ユニット１から照射されたレーザ光、３ａ，３ｂは溶接される第１，第２の電極部品、４は第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの端部同士を芯合わせして突き合わせた状態で、電極部品３ａ，３ｂを軸心ずれのないように精度良く保持する保持部、５は第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分がレーザ照射ユニット１からのレーザ光２の高さとほぼ一致するように、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持する保持部４を上下して位置合わせするための上下機構である。７は第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの周囲に不活性ガス充満状態の環境を提供するベルジャーであり、６はベルジャー７の外側に設置されたレーザ照射ユニット１からのレーザ光２をベルジャー７の内部に導くためのガラス窓である。８はベルジャー７に取り付けられた不活性ガスの導入口である。９はベルジャー７に取り付けられた不活性ガスの排出口であり、不活性ガスは溶接時に発生した金属蒸気とともに排出口９を介してベルジャー７の外へ排出される。１０はレーザ照射ユニット１、保持部４、ベルジャー７が取り付けられたステージである。
【００４０】
以上のように構成された装置を用いた本実施の形態１の電極の製造方法について説明する。
【００４１】
まず、溶接しようとする第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを、両者の中心軸を一致させてその各端部を上下方向から突き合わせた状態で保持部４に保持させる。このとき、融点の低い第１の電極部品３ａ（例えば、電極支持体６１ａ，６１ｂ）を上側とし、融点の高い第２の電極部品３ｂ（例えば、電極ピン５９ａ，５９ｂ）を下側とする。
【００４２】
図２Ａに保持部４の概略構成を示す。また、図２Ｂは図２Ａにおける２Ｂ−２Ｂ線での矢視断面図である。ベース４０上に、第１の電極部品３ａ及び第２の電極部品３ｂをそれぞれ保持する第１の保持機構４１ａ及び第２の保持機構４１ｂが設けられている。第２の保持機構４１ｂは、図２Ｂに示すように、Ｖ字状の溝を備えるＶ字ブロック４２ｂと、支点４４ｂの周りに揺動可能に保持された押圧板４３ｂと、押圧板４３ｂの一方の端部に付勢力を付与する圧縮コイルバネ４５ｂとを備える。第２の電極部品３ｂは、Ｖ字ブロック４２ｂのＶ字溝に当接し、押圧板４３ｂの他方の端部からの押圧力Ｆ２により、水平面内（図２Ｂの紙面と平行な面内）における所定の位置に位置決めされる。第１の保持機構４１ａも、図２Ｂに示した第２の保持機構４１ｂと同様に、Ｖ字状の溝を備えるＶ字ブロック４２ａと、支点４４ａの周りに揺動可能に保持された押圧板４３ａと、押圧板４３ａに付勢力を付与する圧縮コイルバネ４５ａ（図示せず）とを備え、第１の電極部品３ａを水平面内における所定の位置に位置決めする。図２Ａにおいて、４６は雄ねじを備えたボルト、４７はベース４０上に設けられ、ボルト４６と噛み合う雌ねじである。ボルト４６の下端に第１の電極部品３ａの上端を当接させることにより、第１の電極部品３ａを保持部４に対して軸１１（ステージ１０の開口を通る鉛直方向の中心軸、図１Ｂ参照）方向に位置決めする。４８は、軸１１方向に摺動可能に保持されたスライド部材、４９はスライド部材４８を図２Ａの紙面の上方向に付勢する圧縮コイルバネである。圧縮コイルバネ４９の付勢力Ｆ’がスライド部材４９を介して第２の電極部品３ｂに作用することにより、第１の電極部品３ａと第２の電極部品３ｂとを、両者間に所定の押力を作用させながら突き合わせることができる。具体的な数値例を示す。図２Ａにおいて、押圧板４３ａ、押圧板４３ｂの軸１１方向の幅Ｗ１，Ｗ２はいずれも４ｍｍ、第１の電極部品３ａの押圧板４３ａからの突き出し長さＬ１、第２の電極部品３ｂの押圧板４３ｂからの突き出し長さＬ２はいずれも４ｍｍである。また、図２Ｂにおいて、第２の電極部品３ｂに対して押圧板４３ｂが付与する押圧力Ｆ２は０．７±０．２Ｎが好ましく、０．７±０．１Ｎがより好ましい。押圧力Ｆ２が０．５Ｎより小さいと、第２の電極部品３ｂの水平面内の位置決め精度が低下して、第２の電極部品３ｂと第１の電極部品３ａとを、両者の中心軸を一致させて溶接するのが困難となる。また、押圧力Ｆ２が０．９Ｎを超えると、第１の電極部品３ａと第２の電極部品３ｂとの間に作用する押力が低下して、後述するような良好な溶接部が得られにくくなる。なお、上記の数値例は一例であって、使用する第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの寸法等により適宜変更してもよいことは言うまでもない。
【００４３】
図３Ａに端部同士が突き合わされて保持された第１，第２の電極部品３ａ、３ｂの側面図を示す。このとき、第１の電極部品３ａと第２の電極部品３ｂとの間には、上記の圧縮コイルバネ４９の付勢力Ｆ’による相互に押し合う力Ｆが印加されている。押力Ｆは５Ｎ〜２０Ｎが好ましい。
【００４４】
図１Ａ、図１Ｂに示すように、この保持部４は上下機構５に搭載されている。保持部４を介して電極部品３ａ，３ｂを保持固定した上下機構５を、３つのレーザ照射ユニット１とベルジャー７とが搭載されたステージ１０の中央の開口に下側から取り付ける。３つのレーザ照射ユニット１は、それぞれから射出されたレーザ光２がステージ１０の開口を通る鉛直方向の中心軸１１上の共通する一点で交差するように、中心軸１１を中心として１２０度間隔で放射状に配置されている。第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの中心軸はステージ１０の中心軸１１と略一致する。第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分の中心軸１１方向の位置（高さ）が３つのレーザ照射ユニット１からのレーザ光の交差点とほぼ一致するように、上下機構５を用いて保持部４に保持された電極部品３ａ，３ｂを中心軸１１方向に位置決めする。上下機構５の昇降機構はどのようなものでも良く、例えば、モータと送りネジによる移動機構を用いることができる。
【００４５】
次いで、不活性ガス導入口８よりベルジャー７内に不活性ガス（例えば、Ａｒ）を導入し、ベルジャー７内を不活性ガスで充満させる。このとき、ベルジャー７内の酸素濃度は２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
充満後、３つのレーザ照射ユニット１からのレーザ光２をガラス窓６を透過させて電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分又はその近傍に同時に照射する。
【００４７】
図３Ｂにレーザ光が照射されている第１，第２の電極部品３ａ、３ｂの側面図を示す。図中、斜線を付した領域１５はレーザ光の照射部分を示す。レーザ光の照射領域１５は、第１，第２の電極部品３ａ、３ｂの突き合わせ面１７と一致していても良いが、好ましくは、図示したように突き合わせ面１７よりやや下側の部分である。より詳細には、突き合わせ面１７とレーザ光の照射領域との間隔Ｄは０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。
【００４８】
レーザ照射ユニット１の出力を調整して、電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分近傍を加熱し、溶融させる。突き合わせ部分の加熱温度は、例えば２６００℃±６００℃である。
【００４９】
レーザ光の照射条件は特に限定されないが、例えば、直径（第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの直径が異なる場合は太い方の直径）約２ｍｍの電極部品３ａ，３ｂを突き合わせ溶接する場合、各レーザ照射ユニット１として波長８０８ｎｍ、出力３００Ｗの半導体レーザ光源を用い、レーザ光照射時間は約１０秒である。また、直径（第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの直径が異なる場合は太い方の直径）約０．５ｍｍの電極部品３ａ，３ｂを突き合わせ溶接する場合であれば、各レーザ照射ユニット１として波長８０８ｎｍ、出力１００Ｗの半導体レーザ光源を用い、レーザ光照射時間は約１秒である。このように、電極部品３ａ，３ｂの直径に比例してレーザ光源の出力とレーザ光の照射時間とを変更するのが好ましい。
【００５０】
また、レーザ光２の進行方向に直交する断面でのレーザビーム形状は、中心軸１１方向（鉛直方向）を短軸方向とし、これと直交する方向（水平方向）を長軸方向とする細長形状である。ここで、「細長形状」とは、長方形、楕円形、長円形、及び、長方形の対向する２対の辺のうちの少なくとも一方（即ち、一対の長辺及び／又は一対の短辺）を外側に凸の円弧又はこれに近似した曲線で置き換えたような形状を含む。このとき該細長形状の長軸方向の長さＷＬが、レーザ光が照射される第２の電極部品３ｂの直径φよりやや大きく（約２ｍｍほど大きく）設定されていることが好ましい。より好ましくはＷＬ≧１．２φ、特に好ましくは１．２φ≦ＷＬ≦２．０φである。また、細長形状の短軸方向の長さＷＳについては、その上限は上記第２の電極部品３ｂの直径φ以下であることが好ましく、またその下限は０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。ビーム形状が細長形状を有しているので、突き合わせ部分のみを効率よく加熱させることができる。また、細長形状の長軸が中心軸１１方向と直交しているので、レーザ照射ユニット１を放射状に複数個配置して同時に照射することと相まって、電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分のほぼ全周をほぼ均一に加熱することが可能になる。従って、突き合わせ部分の温度制御が容易になり、また、後述する実施の形態２のような回転駆動部が不要になる。このようなレーザビーム形状は例えば、レーザ照射ユニット１のレーザ光射出窓にレンズを付与するなどの周知の方法で実現可能である。
【００５１】
レーザ光の照射により、第２の電極部品３ｂの照射領域１５の部分が加熱され、その熱が突き合わせ面１７を介して第１の電極部品３ａに伝達される。その結果、融点が相対的に低い第１の電極部品３ａが溶融し始める。このとき、第１の電極部品３ａの材料であるサーメット中のアルミナが外方向に移動しその一部は蒸発し、残部は結晶化する。また、サーメット中のモリブデンと、第２の電極部品３ｂの材料であるタングステンとが合金を形成する。
【００５２】
また、このような溶接の過程において、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂに印加された押力Ｆにより、小径の第２の電極部品３ｂが溶融した大径の第１の電極部品３ａ内に貫入する。更に、第１の電極部品３ａが上側に配置されていることにより、突き合わせ面１７近傍の溶融した第１の電極部品３ａの材料（特にアルミナ）が下方に変形し移動する。その結果、図３Ｃに示すように、第１の電極部品３ａの下端部が下側に凸のドーム状（半球状）に変形し、その中に第２の電極部品３ｂが挿入された状態の溶接部１８が形成される。溶接部１８において、第２の電極部品３ｂの全周囲を第１の電極部品３ａの構成材料がほぼ均一に覆うので、接合強度が周方向において安定し、また向上する。
【００５３】
溶接完了後、上下機構５をステージ１０から取り外し、溶接され一体化した第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持部４から取り出す。このようにして溶接された電極（給電体）が得られる。
【００５４】
［実施例１］
実施の形態１に対応した具体的な実施例を示す。
【００５５】
第１の電極部品３ａとして、組成がアルミナ５０％、モリブデン５０％（質量比）の導電性サーメットからなる、直径１．２ｍｍ、長さ８．２５ｍｍの棒状の部品を用いた。また、第２の電極部品３ｂとして、タングステンからなる、直径０．７１ｍｍ、長さ２２．３ｍｍの棒状の部品を用いた。
【００５６】
レーザ照射ユニット１として、半導体レーザー（波長８００ｎｍ、出力１３０Ｗ）を用いて、これを、中心軸１１を中心として水平面上に１２０度間隔で放射状に３台配置した。それぞれから長方形状（ＷＬ：３ｍｍ×ＷＳ：０．５ｍｍ）の断面形状を有するレーザ光２を、第１の電極部品３ａと第２の電極部品３ｂとの突き合わせ面１７から下側に距離Ｄ＝０．５ｍｍ離れた第２の電極部品３ｂ上の位置に照射した。レーザー光の照射時間は１．３秒とした。
【００５７】
得られた電極の溶接部１８の模式的断面図を図４に示す。図４において、８１はＭｏ（モリブデン）層、８３はＭｏ（モリブデン）−Ｗ（タングステン）合金層、８５はアルミナ層である。これらは以下のようにして生成されれたと考えられる。レーザ光の照射により第２の電極部品３ｂが加熱され、その熱が第１の電極部品３ａに伝達された。その結果、第１の電極部品３ａが溶融し、サーメットがアルミナとモリブデンとに分解された。アルミナは周辺部に拡散して、溶接部１８の外周部で偏析してアルミナ層８５を形成した。一方、モリブデンは中央部で偏析してモリブデン層８１を形成するとともに、第２の電極部品３ｂとの接合界面に、第２の電極部品３ｂのタングステンとＭｏ−Ｗ合金層８３を、第２の電極部品３ｂの端面全面に形成した。細長形状のレーザ光２を３方向から突き合わせ部分の近傍の第２の電極部品３ｂに照射することにより、周方向の加熱ムラが減少するので、中心軸１１（図１参照）に対して略対称のＭｏ−Ｗ合金層８３及びアルミナ層８５が形成された。また、短時間で加熱されたので、アルミナ層８５の形成を抑えることができた。その結果、溶接部１８の外径の増大が抑えられ、電極の寸法精度（本実施例では、外径精度が１．２ｍｍ±０．２ｍｍ）を実現できた。また、電極ごとの溶接部１８の特性のばらつきも少なかった。
【００５８】
比較例として、上記の実施例と同一の第１及び第２の電極部品３ａ，３ｂを図９に示した従来の抵抗溶接法により溶接した。溶接部１８の模式的断面図を図５Ａに示す。また、図５Ａの部分５Ｂの拡大図を図５Ｂに示す。本比較例では、中央に空洞８７が形成され、この空洞８７を囲むように、モリブデン層８１と、第１の電極部品３ａから偏析したモリブデンと第２の電極部品３ｂのタングステンとから形成されたＭｏ−Ｗ合金層８３とが形成されていた。即ち、Ｍｏ−Ｗ合金層８３は、上記の実施例のように第１の電極部品３ａの端面全体に亘るものでなく、第１の電極部品３ａと第２の電極部品３ｂとは、実質的には局所的ないわゆる点接合に近い状態で接続されていることがわかった。また、第１の電極部品３ａから偏析したアルミナ層８５が、溶接部１８の外周を包囲し且つ膨らむように偏析していた。この結果、溶接部１８の外径が増大し、仕上り寸法精度（直径１．２±０．２ｍｍ）を達成できなかった。また、Ｍｏ−Ｗ合金層８３及びアルミナ層８５は中心軸に対して明らかに非対称であった。
【００５９】
上記の実施例及び比較例により得た電極の溶接部１８の機械的強度を測定した。測定方法は以下の通りである。電極を、第１の電極部品３ａの部分で片持ち支持し、第２の電極部品３ｂの側面に長手方向と直角方向の外力付与した。外力の大きさを徐々に増加させていき、溶接部１８が破損したときの外力の大きさを測定することで、溶接部１８の機械的強度を評価した。その結果、実施例で得た電極の溶接部１８の機械的強度は規格値を満足し、且つサンプル間のばらつきも少なかった。これに対して、比較例で得た電極の溶接部１８の機械的強度は各サンプル間で大きく変動し、平均強度で比較すると、比較例は実施例に比べて０．９８Ｎ以上低かった。実施例では、溶接部１８の機械的強度に大きな影響を及ぼすＭｏ−Ｗ合金層８３が第２の電極部品３ｂの端面全面に形成されたことにより、溶接部１８の溶接強度が向上し、且つ強度が安定化したと考えられる。一方、比較例では、Ｍｏ−Ｗ合金層８３が第２の電極部品３ｂの端面の一部に、中心軸に対して非対称に形成されたため、強度値及びそのばらつきともに劣っていたと考えられる。
【００６０】
以上のように、本実施の形態に示した電極の製造方法を用いることにより、溶接部の機械的強度と仕上り寸法精度とが改善し、且つ特性のばらつきを少なくすることができる。
【００６１】
（実施の形態２）
図６Ａは本発明の実施の形態２に係る電極の製造方法に使用される装置の概略構成を示した上面図、図６Ｂは図６Ａにおける６Ｂ−６Ｂ線での矢視断面図である。
【００６２】
図６Ａ及び図６Ｂにおいて、図１Ａ及び図１Ｂと同一の機能を有する部材には同一の符号を付して、それらの詳細な説明を省略する。
【００６３】
本実施の形態２の装置が実施の形態１の装置と異なるのは、レーザ照射ユニット１が１つのみであること、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持する保持部４を搭載した上下機構５を中心軸１１の回りに回転させる駆動部１２を備えることである。
【００６４】
以上のように構成された装置を用いた本実施の形態２の製造方法について説明する。
【００６５】
実施の形態１と同様に、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを上下方向から突き合わせた状態で保持部４に保持させる。保持部４を介して第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持固定した上下機構５を、レーザ照射ユニット１とベルジャー７とが搭載されたステージ１０の開口に下側から取り付ける。レーザ照射ユニット１は、これから射出されたレーザ光２がステージ１０の開口を通る中心軸１１と交差するように、中心軸１１に向かって配置されている。第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの各中心軸は中心軸１１と略一致する。第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分又はその近傍がレーザ照射ユニット１からのレーザ光で照射されるように、上下機構５を用いて保持部４に保持された第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを中心軸１１方向に位置決めする。
【００６６】
次いで、不活性ガス導入口８よりベルジャー７内に不活性ガスを導入し、実施の形態１と同様にベルジャー７内を不活性ガスで充満させる。
【００６７】
充満後、駆動部１２を駆動して、上下機構５および第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持している保持部４を回転させる。回転速度は５０〜６０ｒｐｍ程度である。そして、レーザ照射ユニット１からのレーザ光２をガラス窓６を透過させて第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分又はその近傍に照射する。このとき、実施の形態１と同様に、レーザ光の照射領域は、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ面よりやや下側の部分とするのが好ましい。保持部４の回転により第１，第２の電極部品３ａ，３ｂが中心軸１１を回転中心として回転し、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂの突き合わせ部分又はその近傍のほぼ全周にレーザ光２を照射させることができる。レーザ照射ユニット１の出力を調整して、実施の形態１と同様にして第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを接合させる。
【００６８】
その後、上下機構５をステージ１０から取り外し、溶接され一体化した第１，第２の電極部品３ａ，３ｂを保持部４から取り出す。このようにして溶接された電極（給電体）が得られる。
【００６９】
［実施例２］
実施の形態２に対応した具体的な実施例を示す。
【００７０】
実施の形態１に示した実施例１と同じ導電性サーメットからなる第１の電極部品３ａと、タングステンからなる第２の電極部品３ｂとを用いて、実施の形態２の溶接方法に従って両電極部品を溶接した。
【００７１】
得られた電極の溶接部は、実施例１の溶接部１８を模式的に示した図４と同様に、Ｍｏ−Ｗ合金層が第２の電極部品３ｂの端面全面に形成され、溶接部の外周部にアルミナ層が形成されていた。溶接部の外径は電極の寸法精度（１．２ｍｍ±０．２ｍｍ）を満足していた。また、溶接部の機械的強度及びそのばらつきは実施例１の電極と同程度であった。
【００７２】
上記の実施の形態１，２では、コイル６０ａ，６０ｂは電極ピン（第２の電極部品）５９ａ，５９ｂの一方の端部にのみ設けられ、コイル６０ａ，６０ｂが設けられていない他方の端部で電極支持体（第１の電極部品）６１ａ，６１ｂと接合した。しかしながら、本発明は、コイル６０ａ，６０ｂが電極ピン５９ａ，５９ｂのほぼ全長にわたって設けられている場合にも適用することができる。この場合、電極支持体６１ａ，６１ｂとの接合部分では、電極ピン５９ａ，５９ｂの材料（例えばタングステン）のみならず、コイル６０ａ，６０ｂの材料（例えばタングステン）が電極支持体６１ａ，６１ｂの材料（例えば導電性サーメット）と溶接される。また、この場合、電極ピン５９ａ，５９ｂのほぼ全長にわたって設けられたコイル６０ａ，６０ｂの巻回ピッチは一定でなくても良く、例えば電極支持体６１ａ，６１ｂとの溶接部側でピッチが拡大していても良い。
【００７３】
また、上記の実施の形態１，２では、第１，第２の電極部品３ａ，３ｂが中実の円柱形状である場合を説明したが、本発明の第１，第２の電極部品は「棒状」である限り上記の例に限定されない。例えば、断面形状は円形である必要はなく、各種多角形や楕円形であってもよい。また、その断面積が長さ方向に一定である必要はない。また、中空であってもよい。
【００７４】
また、上記の実施の形態１，２では、第１の電極部品３ａが導電性サーメットからなり、第２の電極部品３ｂがタングステンからなる場合を説明したが、各電極部品３ａ，３ｂの材料はこれに限定されない。第２の電極部品の材料の融点が第１の電極部品の材料の融点より高ければ、本発明の製造方法を適用することが可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電極部品の溶接方法によれば、レーザ光を照射して加熱することで、電極部品の突き合わせ部分の温度管理が容易になり、従来の抵抗発熱の場合のような瞬間的な加熱とは異なり、予熱、溶接、冷却という温度のプロセスを導入することができる。従って、電極部品の少なくとも一方が、アルミナと金属の焼結体であり、セラミックの性質と金属の性質とを併せ持つサーメットであっても確実に境界面を溶融させて、安定かつ確実な接合ができる。この結果、溶接不良をなくし、安定した高品質、歩留の向上が望める。
【００７６】
また、従来の抵抗発熱の場合のような、電極部品を保持するとともに電極部品に電流を流すための部材（図９の電極２０ａ，２０ｂ）が存在しない。即ち、電極部品の加熱を非接触で行なうために、従来の抵抗溶接機における溶接用電極（図９の電極２０ａ，２０ｂ）の磨耗という問題も発生せず、頻繁なメンテナンスが不要となるので高いメンテナンス性が確保できる。
【００７７】
また、レーザ光のビーム形状が、鉛直方向を短軸方向とし、水平方向を長軸方向とする細長形状であることにより、レーザ光を、突き合わせ部分又はその近傍に、電極部品の周方向に広く、長手方向に狭い範囲で照射させることができる。従って、周方向の温度ムラを少なくし、突き合わせ部分のみを効率よく加熱することができる。また、レーザ照射ユニットを２台以上使用する場合には、少ない個数のレーザ照射ユニットで突き合わせ部分又はその近傍の全周を照射することができる。
【００７８】
更に、第１，第２の電極部品を鉛直方向に突き合わせて、融点の低い第１の電極部品を上側に配するので、溶融した第１の電極部品の材料が下側に移動して第２の電極部品の外周を覆うようにして接合部分が形成される。その結果、周方向において接合強度が均一になり、かつ向上する。
【００７９】
また、本発明の電極によれば、第１の電極部品と第２の電極部品との溶接部において、第１の電極部品の導電性サーメットを構成するモリブデンと第２の電極部品のタングステンとからなる合金層が第２の電極部品の端面の全面に形成されているから、溶接部の溶接強度が向上するとともに、そのばらつきを低減することができる。
さらに、本発明の金属蒸気放電ランプによれば、十分な接続強度を有する電極を備えたランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａは本発明の実施の形態１に係る電極の製造方法に使用される装置の概略構成を示した上面図、図１Ｂは図１Ａにおける１Ｂ−１Ｂ線での矢視断面図である。
【図２】図２Ａは、図１Ａに示した装置の保持部の概略構成を示した一部断面正面図、図２Ｂは図２Ａにおける２Ｂ−２Ｂ線での矢視断面図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の実施の形態１の製造方法を順に示した側面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１の実施例１に従って溶接して得られた電極の溶接部の模式的断面図である。
【図５】図５Ａは従来の抵抗溶接法により溶接された電極の溶接部の模式的断面図、図５Ｂは図５Ａの部分５Ｂの拡大断面図である。
【図６】図６Ａは本発明の実施の形態２に係る電極の製造方法に使用される装置の概略構成を示した上面図、図６Ｂは図６Ａにおける６Ｂ−６Ｂ線での矢視断面図である。
【図７】本発明の金属蒸気放電ランプの一例を示した正面図である。
【図８】図７の金属蒸気放電ランプに装着される発光管の構成を示した断面図である。
【図９】従来の電極の製造方法の概略を示した断面図である。
【符号の説明】
１…レーザ照射ユニット
２…レーザ光
３ａ…第１の電極部品
３ａ…第２の電極部品
４…保持部
５…上下機構
６…ガラス窓
７…ベルジャー
８…不活性ガス導入口
９…不活性ガス排出口
１０…ステージ
１１…中心軸
１２…回転駆動部
２０ａ，２０ｂ…抵抗溶接機の電極
５１…発光管
５２…スリーブ
５４ａ，５４ｂ…スリーブ支持板
５３ａ，５３ｂ…電力供給線
５５…外管
５６…口金
５７…本管
５８ａ，５８ｂ…細管
５９ａ，５９ｂ…電極ピン
６０ａ，６０ｂ…コイル
６１ａ，６１ｂ…電極支持体
６２ａ，６２ｂ…ガラスフリット
６５ａ，６５ｂ…給電体
８１…Ｍｏ（モリブデン）層
８３…Ｍｏ（モリブデン）−Ｗ（タングステン）合金層
８５…アルミナ層

Claims (21)

1. 導電性サーメットからなる棒状の第１の電極部品と前記第１の電極部品より融点が高い棒状の第２の電極部品とを、それぞれの端部同士を突き合わせて溶接して電極を製造する方法であって、
   前記第１の電極部品を上側とし、前記第２の電極部品を下側として、それぞれの長手方向を鉛直方向に一致させて、前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させながら突き合わせる工程と、
   次いで、前記両電極部品の突き合わせ部分又はその近傍にレーザ光を照射して前記両電極部品を溶接する工程とを含み、
   前記レーザ光のビーム形状が、鉛直方向を短軸方向とし、水平方向を長軸方向とする細長形状であることを特徴とする電極の製造方法。
2. 前記第２の電極部品がタングステンからなることを特徴とする請求項１に記載の電極の製造方法。
3. 前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より下側であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電極の製造方法。
4. 棒状の第１の電極部品と前記第１の電極部品より融点が高い棒状の第２の電極部品とを、それぞれの端部同士を突き合わせて溶接して電極を製造する方法であって、
   前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させながら突き合わせる工程と、
   次いで、前記両電極部品の突き合わせ部分又はその近傍にレーザ光を照射して前記両電極部品を溶接する工程とを含み、
   前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より前記第２の電極部品側であることを特徴とする電極の製造方法。
5. 前記第１の電極部品が導電性サーメットからなり、前記第２の電極部品がタングステンからなることを特徴とする請求項４に記載の電極の製造方法。
6. 前記突き合わせる工程において、前記第１の電極部品を上側とし、前記第２の電極部品を下側として、それぞれの長手方向を鉛直方向に一致させて、前記第１の電極部品の端部と前記第２の電極部品の端部とを相互に押圧させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電極の製造方法。
7. 前記第１の電極部品の断面積が前記第２の電極部品の断面積より大きいことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電極の製造方法。
8. 照射される前記レーザ光の照射位置が、前記両電極部品の突き合わせ面より０．３〜１．０ｍｍ低いことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の電極の製造方法。
9. 前記第２の電極部品の、少なくとも前記突き合わせ部分とは反対側の端部にコイルが巻回されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の電極の製造方法。
10. 前記コイルが前記第２の電極部品の前記突き合わせ部分側の端部又はその近傍にまで巻回されていることを特徴とする請求項９に記載の電極の製造方法。
11. 複数のレーザ光を水平面内において異なる方向から前記突き合わせ部分又はその近傍に同時に照射することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の電極の製造方法。
12. 複数のレーザ照射ユニットを用い、前記各レーザ照射ユニットから出射された前記複数のレーザ光が他のレーザ照射ユニットのレーザ発光部を相互に照射しないように、前記複数のレーザ照射ユニットを前記突き合わせ部分の回りに配置することを特徴とする請求項１１に記載の電極の製造方法。
13. 前記レーザ光を照射する際に、突き合わされた前記両電極部品を回転させることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の電極の製造方法。
14. 前記レーザ光を照射する時、前記突き合わせ部分の周囲を不活性ガス雰囲気に維持することを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の電極の製造方法。
15. 不活性ガス雰囲気に維持したチャンバー内に前記第１及び第２の電極部品を配置し、前記チャンバーの外よりレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の電極の製造方法。
16. 前記第１の電極部品と前記第２の電極部品とを突き合わせたときの両電極部品間の押力が５〜２０Ｎであることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれかに記載の電極の製造方法。
17. 前記第１の電極部品と前記第２の電極部品とを突き合わせる際に、前記第２の電極部品に０．７±０．２Ｎの水平方向の押圧力を付与することにより前記第２の電極部品を水平面内で位置決めすることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の電極の製造方法。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の製造方法により得られた電極を具備することを特徴とする金属蒸気放電ランプ。
19. 棒状の第１の電極部品と、前記第１の電極部品より小径の棒状の第２の電極部品とを備え、前記第１及び第２の電極部品の端部同士が突き合わされて溶接されて一体化した電極であって、
    前記第１の電極部品は導電性サーメットからなり、
    前記第２の電極部品はタングステンからなり、
    前記第１の電極部品と前記第２の電極部品との溶接部において、前記第１の電極部品の前記導電性サーメットを構成するモリブデンと前記第２の電極部品のタングステンとからなる合金層が前記第２の電極部品の端面の全面に形成されていることを特徴とする電極。
20. 前記第１の電極部品の前記導電性サーメットを構成するアルミナが前記溶接部近傍の外周に析出していることを特徴とする請求項１９に記載の電極。
21. 放電空間を備える本管と、前記本管の両端に接続された細管と、前記各細管にそれぞれ挿入された給電体とを備える発光管を有する金属蒸気放電ランプであって、
    前記給電体が請求項１９又は２０に記載の電極であり、前記第２の電極部品を前記本管側にして前記電極が前記細管内に挿入されていることを特徴とする金属蒸気放電ランプ。

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