JP4011208B2

JP4011208B2 - 放電灯用電極に使用されるタングステン材、放電灯用電極およびそれを用いた放電灯

Info

Publication number: JP4011208B2
Application number: JP27544598A
Authority: JP
Inventors: 斉青山; 純一上村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP2000106131A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｗを用いた放電灯用電極に係り、特にレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの電極に好適な放電灯用電極、およびそれを用いた放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光用キセノン（Ｘｅ）ランプや半導体フォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの電極には、一般にタングステン（Ｗ）が用いられている。具体的には、陰極には酸化トリウムなどを添加したタングステン合金が使用されており、また陽極には純タングステンや結晶成長を抑制するためにＫ、Ｓｉ、Ａｌなどをドープしたドープドタングステンが使用されている。
【０００３】
上述したレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの大電流を流すランプ（以下、大電流型ランプと記す）に対する要求寿命は、従来は1000時間程度であったが、近年になり設備や装置の稼働率などの向上を目的として、2000時間の以上の寿命が要求されるようになってきている。
【０００４】
ところで、上記したような大電流型ランプの寿命に影響を及ぼす要因の 1つとして、ランプを構成する部材からのガス放出がある。特に、大電流型ランプの陽極は陰極からの電子放出により2500℃以上の高温となるため、そこからのガス放出が問題となる。
【０００５】
このような点に対して、従来の純タングステンやドープドタングステンでは、例えば1000時間以上の点灯で電極中の不純物元素、あるいは結晶成長を抑制するために添加したＫ、Ｓｉ、Ａｌなどのドープ剤が徐々にランプ中に放出され、ランプの黒化の原因となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの大電流型ランプにおいては、純タングステンやドープドタングステンを用いた陽極からのガス放出に起因する黒化がランプの寿命を低下させており、これが近年の高寿命化要求を損う原因になっている。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、大電流型ランプなどの放電灯の電極として用いた場合に、点灯時間の増加に伴うガス放出を抑制することを可能にしたタングステン材および放電灯用電極を提供することを目的としており、またそのような電極を用いることによって、黒化によるランプ寿命の低下を抑制することを可能にした放電灯を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記した課題を解決するために、レーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどのＷ電極からのガス放出について検討した結果、Ｗ結晶粒の粒成長に伴ってＷ電極からガス放出が生じることを見出した。すなわち、Ｗ電極中に含まれる不純物元素やＫ、Ｓｉ、Ａｌなどのドープ剤は、主としてＷの結晶粒界に多く存在しており、このような元素はランプ点灯時間の増加に伴うＷ結晶粒の粒成長に応じてランプ内に放出され、ランプの黒化の原因となる。そして、このようなＷ結晶粒の粒成長に伴うガス放出は、Ｗ電極の単位面積当りの結晶数を制御することにより抑制し得ることを見出した。
【０００９】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、本発明のタングステン材は請求項１に記載したように、タングステンを基材とする放電灯用電極に使用されるタングステン材であって、前記タングステン材の単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下かつ相対密度が９０．０％以上９９．２％以下であることを特徴としている。
【００１０】
本発明のタングステン材において、その具体的な構成材料としては、請求項２に記載したＫ、ＳｉおよびＡｌから選ばれる少なくとも１種を０．００１〜０．０１重量％の範囲で含有するドープドタングステン、請求項３に記載した純タングステンなどが用いられる。
【００１１】
本発明の放電灯用電極は、請求項５に記載したように、上記した本発明のタングステン材、より具体的にはタングステン線を用いたことを特徴としている。また、本発明の放電灯は、請求項６に記載したように、上記した本発明の放電灯用電極を具備することを特徴としている。
【００１２】
本発明の放電灯は、例えば請求項７に記載したように、上記した本発明の放電灯用電極からなる陽極と、金属酸化物を含むタングステン合金からなる陰極とを具備するものである。この際、陰極には請求項８に記載したように、酸化トリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウムおよび酸化スカンジウムから選ばれる少なくとも１種の金属酸化物を含むタングステン合金を用いることが好ましい。また、本発明の放電灯は、例えば請求項９に記載したように、レーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプとして用いられるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１４】
本発明の放電灯用電極に使用されるタングステン材は、タングステンを基材とするものであり、具体的には純タングステン、Ｋ、Ｓｉ、Ａｌなどのドープ剤を含むドープドタングステン、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）などの金属酸化物を含有するタングステン合金などからなる。本発明においては、このようなタングステン（Ｗ）材の単位面積当りの結晶個数を５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下としている。
【００１５】
ここで、上記したようなＷ材中に含まれる不純物元素、あるいはＫ、Ｓｉ、Ａｌなどのドープ剤は、主としてＷの結晶粒界に多く存在している。このような結晶粒界に存在している元素は、ランプ点灯時間の増加に伴うＷ結晶粒の粒成長に応じてランプ内に放出され、前述したようにランプの黒化の原因となる。
【００１６】
そこで、本発明の放電灯用電極に使用されるＷ材においては、Ｗ材の単位面積当りの結晶個数を５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下としている。このように、Ｗ材の結晶個数を増やすことによって、言い換えるとＷ結晶粒を微細化することによって、Ｗ結晶粒の粒成長を抑制することができ、これによりＷ結晶粒の粒成長に伴う不純物元素やドープ剤などのランプ内への放出、ひいてはそれに基づくランプの黒化を抑制することが可能となる。
【００１７】
本発明の放電灯用電極は、上記した本発明のＷ材を使用したものであり、それを用いたランプ、特にレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの大電流を流すランプ（大電流型ランプ）を、例えば１０００時間以上さらには２０００時間以上点灯した場合のランプ内へのガス放出およびそれに基づくランプの黒化を抑制し、ランプの長寿命化を達成したものである。このような条件を満足させる上で、本発明ではＷ系電極の単位面積当りの結晶個数を５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下としている。
【００１８】
Ｗ系電極の単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２未満であると、ランプ点灯中にＷ結晶粒の粒成長が起こり、例えば１０００時間以下のランプ点灯でガス放出が生じて、早期にランプの黒化が発生してしまう。
【００１９】
本発明の放電灯用電極において、Ｗ結晶粒は軸方向に伸びた形状を有することが好ましく、このようなＷ結晶粒の個数が軸方向断面において５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下であることが好ましい。このように、本発明で言うＷ系電極の単位面積当りの結晶個数は、軸方向断面において測定した結果とする。ここで言う軸方向断面とは、加工時に延伸させた方向に切断した断面を指すものとする。
【００２０】
上述した単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下のＷ系電極は、加工を抑制することに得ることができる。具体的には、Ｗ系電極の相対密度が９０．０〜９９．２％の範囲となるように、例えば焼結条件や鍛造加工時の加工率、さらには加工後の熱処理条件などを制御することによって、単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下のＷ系電極を再現性よく得ることができる。
【００２１】
このように、本発明の放電灯用電極は、Ｗ系電極の相対密度を90.0〜 99.2%の範囲に制御することが好ましい。Ｗ系電極の相対密度を 90.0%未満であると、熱伝導率が著しく低下するため、ランプ点灯中の電極温度が上昇し、周辺部材などからのガス放出によりランプが黒化するおそれが大きい。また、ガス吸収などの面からもＷ系電極の相対密度があまり低いことは好ましくない。
【００２２】
一方、Ｗ系電極の相対密度を 99.2%を超えると、加工歪みの蓄積が点灯中のＷ系電極の結晶粒成長を促進するため、ガス放出を生じさせることになる。また、相対密度を 99.2%より高くするためには高加工率が必要となるため、製造コストの増大を招くことになる。
【００２３】
本発明の放電灯用電極（Ｗ系電極）の相対密度は、95〜 98%の範囲に制御することがより好ましい。ここで、本発明で規定するＷ系電極の90.0〜 99.2%の範囲の相対密度は、Ｗの真比重を 19.25としたとき、比重が17.3〜19.1の範囲に相当するものである。
【００２４】
本発明の放電灯用電極は、特にレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの大電流を流すランプ（大電流型ランプ）の陽極に好適である。このような大電流型ランプの陽極に本発明のＷ系電極を適用する場合、その具体的な構成材料としては、Ｋ、ＳｉおよびＡｌから選ばれる少なくとも 1種を 0.001〜0.01重量% の範囲で含有するドープドタングステンを使用することが好ましい。また、本発明の放電灯用電極は、上述したようにＷ結晶粒の粒成長に伴うガス放出を結晶粒の個数を制御することにより抑制していることから、場合によっては純タングステンをＷ系電極に使用することができる。
【００２５】
上述したような本発明の放電灯用電極は例えば以下のようにして作製される。
まず、Ｗ粉末あるいは所望組成のドープドＷ粉末やＷ合金粉末などを原料粉末として用いて、粉末冶金法によりＷ系電極素材を作製する。Ｗ系電極素材は、場合によっては溶解法を適用して作製してもよい。このようなＷ系電極素材に対して鍛造、圧延などの加工を施し、所望の電極形状とする。加工工程中には必要に応じてアニール処理を施す。
【００２６】
この際、焼結条件、加工条件（例えば加工率）、さらにはアニール条件などを制御することによって、Ｗ系電極の相対密度を９５〜９８％の範囲とする。このような製造条件の制御によって、単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下のＷ材を得ることができる。その後、このＷ材を線材などの所定形状に加工することによって、本発明のＷ系電極が得られる。
【００２７】
なお、焼結条件や加工条件を制御してＷ系電極の相対密度を９５〜９８％の範囲としても、その後のアニール処理などによりＷ結晶粒を粒成長させてしまうと、Ｗ系電極の単位面積当りの結晶個数を５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下とすることができないおそれがある。このようなことから、焼結条件や加工条件に加えて、アニール条件なども制御する。
【００２８】
具体的な製造条件としては、まず平均粒径 3μm 程度のドープドタングステン粉末を成形圧力196MPaで成形し、続いてハンドリングしやすいように例えば1300℃で仮焼結した後、通電焼結で例えば相対密度約 93%の焼結体を作製する。その後、加工率10〜 30%程度で鍛造などの塑性加工を行った後、アニール処理を1500〜1800℃で行い、所定の電極形状に加工することが好ましい。
【００２９】
次に、本発明の放電灯の実施形態について説明する。
【００３０】
図１は、本発明の放電灯をレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの大電流型ランプに適用する場合の一実施形態の概略構成を示す図である。同図において、１は石英ガラスなどからなるガラス管であり、このガラス管１内には陰極２と陽極３とが対向配置されており、これらによって大電流型ランプ４が構成されている。
【００３１】
電子を放出する陰極２には、電子放出特性に優れるＷ合金を用いることが好ましい。このようなＷ合金としては、酸化トリウム（ＴｈＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）、酸化セリウム（Ｃｅ₂Ｏ₃）、酸化スカンジウム（Ｓｃ₂Ｏ₃）などから選ばれる少なくとも 1種の金属酸化物を、例えば 1〜 4重量% 程度含有するＷ合金が挙げられる。
【００３２】
一方、陽極３は前述したように、陰極２からの電子放出により２５００℃以上の高温となるため、そこからのガス放出が問題となる。そこで、このような陽極３には、前述した本発明の放電灯用電極、すなわち単位面積当りの結晶個数を５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下としたＷ系電極が用いられる。
【００３３】
このように、本発明による結晶個数を制御したＷ系電極を陽極３に適用することによって、前述したようにＷ結晶粒の粒成長に伴うガス放出を抑制することができる。従って、陽極３からのガス放出に基づく黒化を抑えることができるため、ランプの長寿命化を達成することが可能となる。
【００３４】
本発明の放電灯は、特にレーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどに好適であり、このような電極に大電流を流すランプにおいても陽極３からのガス放出に基づく黒化を抑えることができる。従って、レーザ光用Ｘｅランプやフォトエッチング用超高圧水銀ランプなどの長寿命化、例えば2000時間を超えるような寿命を実現することが可能となる。
【００３５】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３６】
実施例１
まず、平均粒径 3μm のドープドタングステン（Ｋ:90ppm、Ａｌ，Ｓｉ:20ppm）の粉末を成形圧力196MPaで成形し、直径28mmの成形体を複数作製した。これら成形体をハンドリングしやすいように1300℃で仮焼結した後、それぞれ条件を変えて通電焼結することにより焼結体を得た。
【００３７】
これらの焼結体のうち、塑性加工を施すものについては、相対密度 93%の焼結体にそれぞれ条件（加工率）を変えて鍛造加工を施した。この後、各Ｗ電極素材を機械加工により所定の電極形状に仕上げた。また、各電極に対して1500〜2000℃の温度で熱処理を施した。このようにして得た各Ｗ電極の相対密度と結晶個数を表１に示す。
【００３８】
なお、各Ｗ電極の具体的な製造条件は以下の通りである。すなわち、表１の試料Ａは所定の焼結温度で 5分間焼結することにより、表１に示す相対密度と結晶個数を有するＷ材を得た。試料Ｂについては、焼結時間を10分間とすることにより表１に示す相対密度と結晶個数を有するＷ材を得た。試料Ｃについては焼結時間を20分間とし、相対密度を 93%とした後、加工率 10%にて鍛造加工を行い、さらに1500℃で熱処理を行うことによって、表１に示す相対密度と結晶個数を有するＷ材を得た。試料Ｄ、Ｅについては焼結時間を20分間とし、相対密度を 93%とした後、加工率 30%にて鍛造加工を行い、さらにそれぞれ1800℃および2000℃で熱処理を行うことによって、それぞれ表１に示す相対密度と結晶個数を有するＷ材を得た。試料Ｆについては焼結時間を20分間とし、相対密度を 93%とした後、加工率 50%にて鍛造加工を行い、さらに2000℃で熱処理を行うことによって、表１に示す相対密度と結晶個数を有するＷ材を得た。
【００３９】
【表１】

表１に示したように、試料Ｂ〜Ｄは本発明の実施例に相当するものであり、試料Ａ、Ｅ、Ｆは本発明の比較例に相当するものである。次に、これら各Ｗ電極を陽極として用いて、超高圧水銀ランプをそれぞれ組み立てた。なお、陰極には2%トリア−タングステン合金を使用した。これら各超高圧水銀ランプの寿命を測定した。ランプ寿命は黒化により点灯しなくなった時間により判定した。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】

表２から明らかなように、相対密度および結晶個数を本発明の範囲内に制御したＷ電極を用いた超高圧水銀ランプは、本発明の範囲外のＷ電極を用いた場合に比べて、ランプ寿命を大幅に向上させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放電灯用電極に用いられるタングステン材および放電灯用電極は、例えば大電流型ランプなどの電極として用いた場合においても、点灯時間の増加に伴う電極からのガス放出を抑制することができる。従って、このような放電灯用電極を用いた本発明の放電灯によれば、黒化によるランプ寿命の低下を抑制することができる。すなわち、放電灯の長寿命化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電灯の一実施形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１……ガラス管
２……陰極
３……本発明の放電灯用電極からなる陰極
４……放電灯（大電流型ランプ）

Claims

タングステンを基材とする放電灯用電極に使用されるタングステン材であって、
前記タングステン材の単位面積当りの結晶個数が５００個／ｍｍ ^２以上８００個／ｍｍ ^２以下かつ相対密度が９０．０％以上９９．２％以下であることを特徴とするタングステン材。
請求項１記載のタングステン材において、
前記タングステン材は、Ｋ、ＳｉおよびＡｌから選ばれる少なくとも１種を０．００１〜０．０１重量％の範囲で含有するドープドタングステンからなることを特徴とするタングステン材。
請求項１記載のタングステン材において、
前記タングステン材は、純タングステンからなることを特徴とするタングステン材。
請求項１記載のタングステン材において、
粉末冶金法で得られたことを特徴とするタングステン材。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のタングステン材を用いたことを特徴とする放電灯用電極。
請求項５記載の放電灯用電極を具備することを特徴とする放電灯。
請求項６記載の放電灯において、
請求項５記載の放電灯用電極からなる陽極と、金属酸化物を含むタングステン合金からなる陰極とを具備することを特徴とする放電灯。
請求項７記載の放電灯において、前記陰極は、酸化トリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウムおよび酸化スカンジウムから選ばれる少なくとも１種の金属酸化物を含むタングステン合金からなることを特徴とする放電灯。
請求項６記載の放電灯において、
レーザ光用Ｘｅランプまたはフォトエッチング用超高圧水銀ランプであることを特徴とする放電灯。