JP4455446B2

JP4455446B2 - 放電灯用タングステン電極材及びそれを用いた放電灯

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Publication number: JP4455446B2
Application number: JP2005225181A
Authority: JP
Inventors: 孝陽櫛本
Original assignee: ALMT Corp
Current assignee: ALMT Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2007042423A

Description

本発明は、特に周期律表の２Ａ族と４Ａ族と５Ａ族の不純物元素が低減されているタングステン材料に関し、好適には放電灯に用いられるタングステン電極材に関する。

放電灯は、種々の照明器具に用いられている。

放電灯の実際の使用時において、（ア）電極間の放電によってタングステンが高温に加熱される結果、不純物およびタングステンが蒸発し透明な放電灯管ガラス内壁に付着し、管壁を黒化（黒化現象と云う）させ透過光を減少させる。（イ）上記の黒化は、放電灯使用開始の数時間後から十数時間後の初期段階に発生して進行しやすく、この初期段階の黒化発生により放電灯の寿命が左右される、という問題点がある。

このような黒化現象を抑制する技術として、本願出願人は先に、放電灯の電極材料の観点から、高純度タングステン粉を用いて作製するタングステン電極材の技術を特許文献１にて開示している。

この特許文献１に開示された技術は、タングステン粉を高度に精製することによって、タングステン内に含まれているＡｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｏ、ＵおよびＴｈ不純物元素を低減し、純度９９．９９９％のタングステン粉を得て、電極を作製するアプローチである。またタングステン電極材を真空中熱処理し、内部の残留ガス成分を除去する技術も提供している。

この特許文献１による技術は、放電灯管を構成するガラスに付着物して黒化を引き起こす不純物元素が減少する点で優れている。

しかし、この特許文献１による技術は一般的に広く使用される超硬合金やタングステン材料と比べ、タングステン中から多くの不純物元素の除去を行うため、特別な高純度化工程により高度にタングステン粉を精製することが必要であり、上記の一般的に用いられる粉末の数倍のコスト高となるという問題点がある。

また、黒化現象に影響する不純物の特定が不十分であることと酸素量低減に着目されてなく、上記を含めて一層の技術改善が求められている。

一方、放電灯管技術の観点からの黒化現象を抑制する技術として、特許文献２には、放電灯管内部に臭素などのハロゲンガスを封入して、黒化現象の原因となる蒸発したタングステンをハロゲンガスと反応させ気化して再び電極に戻す、いわゆるハロゲンサイクルを助長させる役割をもたせる技術が開示されている。

詳しくは、塩素、臭素、沃素の内のすくなくとも１つが１０^−７〜１０^−２μｍｏｌ／ｍｍ^２の間で存在し、タングステン電極に含まれる酸化カリウムの含有量が１２ｐｐｍ以下とすることにより、黒化を防止し高寿命の放電灯を提供するという技術である。

しかしながら、タングステン電極材に含まれる酸化カリウム以外の不純物元素および酸素量低減が黒化現象に及ぼす影響については言及されていない。

特許文献３には、同じく黒化現象を抑制する技術として、次のことが開示されている。電極材料のタングステンは、含まれる不純物のカリウム、鉄、アルミニウム、カルシウム、クロム、モリブデン、ニッケル及び珪素のそれぞれと合金を作り易く、その結果として電極の融点が低下してタングステン電極が昇華または蒸発し、放電灯管内部に黒化が発生し易くなる。従って、この解決には上記不純物の総和が４０ｐｐｍ以下で、鉄が２０ｐｐｍ、カリウムが１２ｐｐｍ以下にすることが良く更に、これらの含有量は少ない程よいと示されている。

この特許文献３による技術は、特許文献２よりも不純物元素が低減されているが、列挙されている以外の不純物や酸素との結合によるタングステンの昇華または蒸発に関する着目は無く、この視点からの黒化現象に及ぼす影響については言及されていない。

特開平９−１６５６４１号公報特開平１１−１４９８９９号公報特開２０００−２９９０８６号公報

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてされたもので、その技術的課題は、一般的に広く超硬合金やタングステン材料に使用されるタングステン原料において、放電灯の黒化現象を抑制し更に寿命を伸ばすために、タングステン材料中の何れの元素が黒化に作用する不純物であるかを明らかにし、それら不純物を容易に低減する技術、並びにタングステンの昇華または蒸発に影響する材料中の酸素量が低減された放電灯用タングステン電極材を提供することにある。

また、本発明の具体的な技術的課題は、金属タングステンに比較して融点および沸点が著しく低いタングステン酸化物が昇華または蒸発および不純物の昇華または蒸発が抑制された放電灯用タングステン電極材を提供することにある。

さらに、本発明の別の技術的課題は、前記タングステン電極材を用いた放電灯を提供することにある。

即ち、本発明の放電灯用タングステン電極材は、周期律表２Ａ，４Ａおよび５Ａ族のＭｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａのそれぞれの元素が０．５質量ｐｐｍ以下であり、残部が前記元素とその他不純物とを除きタングステンであることを特徴とする。

また、本発明の放電灯用タングステン電極材は、前記放電灯用タングステン電極材において、前記元素とその他の不純物およびタングステンに結合している全酸素量が１０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

ここで、本発明の放電灯用タングステン電極材としては、先の丸い円柱形状、円錐形状、棒材の先端にコイルを巻回した形状等の種々の形状やこれらの組み合わせて対向した一対の電極とするものであるが、先端にコイルを巻きまわした棒形状の一対が好ましい。

また、本発明の放電灯は、前記放電灯用タングステン電極材の一対を放電灯管内に対向配置してなることを特徴とする。ここで、本発明の放電灯用の放電灯管としては、透明材料から成ることが好ましく、石英管からなることがより好ましい。

本発明においては、周期律表２Ａ，４Ａおよび５Ａ族のＭｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａのそれぞれの元素量が０．５質量ｐｐｍ以下で、全酸素量が１０質量ｐｐｍ以下のタングステン材料を用いた電極は、黒化現象に寄与する物質の昇華又は蒸発が抑制されるため、放電灯の初期黒化発生率の低減、長寿命化に寄与する。また、タングステン材料中の特定の不純物のみを管理して電極材を作製するため作製コストが安価にできる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は放電灯の代表的な構造の概略を示す図である。図１を参照すると、放電灯１０において、封入ガス２を充填した石英封入管（放電管）３内にその一方側から電極サポート４を介してコイル巻きつけた一方のタングステン電極（以下、単に「電極」又は「電極材」とも云う）１が，その他方側から電極サポート４を介して他方のタングステン電極１がそれぞれ石英封入管（放電灯管）３内壁と非接触に配置されている。タングステン電極１は、タングステン材料からなる電極軸１ｂにタングステンコイル１ａを巻回した構成である。電極サポート４には、引き出しのための外部リード５が接続されている。

本発明の放電灯用タングステン電極材についてさらに詳しく説明する。

本発明の放電灯用タングステン電極材をなすタングステン材料は、酸素と結合し易い周期律表２Ａ族と４Ａ族と５Ａ族の不純物元素を０．５質量ｐｐｍ以下にすることによって、融点が低いタングステン酸化物の生成が抑制されて黒化現象の進行が低減できるものである。即ち、黒化の原因物質となる不純物元素およびタングステンを酸化物に変化させて昇華または蒸発を引き起こす酸素をタングステン電極材から低減することにより放電灯の長寿命化が可能になる。

本発明は、放電灯が点灯され高温に赤熱されたタングステン材料からのタングステンおよび不純物の酸化物の蒸発・飛散に注目したものである。

即ち、金属タングステンの融点は３３８７℃で、点灯された放電灯の電極材が加熱され二千数百℃〜３０００℃に対して十分高い融点を有している。タングステン電極材は痕跡の酸素が残留しており、この酸素がタングステンと結合した場合は融点が１４７３℃と低いＷＯ_３が生成し昇華または蒸発を引き起こす性質がある。

不純物として考えられる１Ａ，１Ｂおよび２Ｂ族の不純物は低融点のものが多く、タングステン電極材の製造工程の加熱処理等で蒸発・飛散して減少する。

例えば、２Ａ族のＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯの融点はそれぞれ２８００℃，２５７２℃，１９２３℃と高く、４Ａ族のＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２の融点はそれぞれ１６４０℃，２７００℃，２８１２℃と高く、また、５Ａ族のＶ_２Ｏ_３，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｔａ_２Ｏ_５の融点はそれぞれ１９７０℃，１５２０℃，１４７０℃と高く、原料のタングステン粉末に残った場合はタングステン電極材の製造工程での加熱処理等で蒸発・飛散して減少が期待できない。

そこで、粉末冶金法により製造されたタングステン電極素材を高真空の高温中で熱処理することにより、タングステン材料中の不純物を蒸発・飛散させることで減少させ、同時に酸素値も低減させ、高性能のタングステン電極材を得るものである。

尚、本明細書におけるタングステン電極材とは、コイル状フィラメント単体のほか、本体となる電極軸および該電極に巻き付けられるコイルを云う。

それでは、本発明のタングステン電極材の製造の具体例について説明する。

最初に、本発明のタングステン電極材の作製方法を説明する。

先ず、タングステン電極材に用いる材料（素材）の製造方法について説明する。

タングステン鉱石（例えば（Ｆｅ，Ｍｎ）ＷＯ_４）を湿式精錬し、純化されたパラタングステン酸アンモニュウム（５（ＮＨ_４）_２・Ｏ・１１Ｈ_２Ｏ，以下ＡＰＴと略す）とし精製される。一般的に広く超硬合金やタングステン材料に使用されるＡＰＴを高温の空気で焙焼してＷＯ_３とした後、このＷＯ_３を高温の水素気流中で加熱して平均粒径で約３μｍの金属タングステン粉末に還元した。

次いで、金属タングステン粉末を棒状にプレスした後、水素雰囲気中でこのプレス体に直接大電流を印加して約３０００℃まで加熱して焼結した。次いで、この焼結体を熱間塑性加工により所定の寸法のタングステン線材を得た。

得られたタンクステン線材を用い図１の符号１に示すコイルを巻きつけたタングステン電極材を作製した。

次いで、下記表１に示した真空度、温度および時間で加熱処理して、不純物および酸素量の低減を調べた。酸素の定量はＬＥＣＯ社のＴＣ６００型酸素窒素定量装置を用いて行なった。その結果を下記表１に示す。

上記表１から、１８００℃以上の温度で、１．０７×１０^−３Ｐａ以上の高真空の条件で１０質量ｐｐｍ以下の低酸素の材料が得られることが判明した。

上記で得られた１０質量ｐｐｍ以下の種々の低酸素材料で図１に示す放電灯を作製して初期黒化発生率（初期黒化発生とは、１０時間点灯後の照度が９８％を下回ったものを初期黒化発生とした）と純度および酸素含有量の関係を調べた。得られた結果を下記表２に示した。なお、純度の分析は、グロー放電質量分析計（ＧＤ−ＭＳ）により行なった。

比較のために、比較例１は、前記のＷＯ_３をアンモニアで溶解した水溶液を濃縮し再結晶により純化し、再結晶ＡＰＴを高温の空気で焙焼してＷＯ_３とし、以下同様の製造工程でタングステン線材に塑性加工し、本発明例と同じくコイルを巻きつけたタングステン電極材を、高温高真空の純化処理なしで酸素量が３０質量ｐｐｍのものを放電灯電極材として使用した。

また、比較例２は、再結晶工程の無い通常の製造工程でタングステン線材に塑性加工し、コイル状にしたものを、高温高真空の純化処理なしで酸素量が４０質量ｐｐｍのものを放電灯電極材として使用した。

比較例３および４は、上記表１酸素量低減が不満足の条件で、酸素量がそれぞれ２０質量ｐｐｍおよび１５質量ｐｐｍのものを放電灯電極材として使用した。

調査は、本発明例１〜５の周期律表２Ａ族と４Ａ族と５Ａ族元素が低減されている電極を用いた放電灯と、比較例１〜４のタングステン電極を用いた放電灯とを用意し、放電灯１５０Ｗ出力で初期黒化発生率を調査した。

下記表２にタングステン材料の高純度化条件と純度に対する初期黒化発生率の調査結果を示す。

上記表２のそれぞれの材料をＧＤ−ＭＳにより分析し、黒化への影響が小さいその他の不純物元素の分析結果を下記表３に示す。

以上の結果、周期律表２Ａ，４Ａおよび５Ａ族のＭｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａの各元素量が０．５質量ｐｐｍ以下で、全酸素量が１０質量ｐｐｍ以下のものが良好な初期黒化状態が得られることが判明した。

以上の説明の通り、本発明のタングステン電極材料は、各種照明用の放電灯のタングステン電極材に適用される。

本発明のタングステン電極材による放電電極を用いて作製した例に係る放電灯装置の概略構造を示した図である。

１コイル巻きつけタングステン電極
２封入ガス
３石英管
４電極サポート
５外部リード
１０放電灯

Claims

周期律表２Ａ，４Ａおよび５Ａ族のＭｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａのそれぞれの元素が０．５質量ｐｐｍ以下であり、残部が前記元素とその他不純物とを除きタングステンであることを特徴とする放電灯用タングステン電極材。
請求項１に記載の放電灯用タングステン電極材において、前記元素とその他の不純物およびタングステンに結合している全酸素量が１０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする放電灯用タングステン電極材。
請求項１又は２に記載の放電灯用タングステン電極材の一対を放電灯管内に対向配置してなることを特徴とする放電灯。