JP4758078B2 - 不純ガス除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電ランプの電極形成方法に関し、特に、不純ガスの放出に関する。

ショートアーク放電ランプは点灯した場合に、非常に高温になる。これにより残留不純ガスが放出され、黒化するという問題がある。このような問題を防止する為に、従来、電極生成時に加熱することにより、内部の不純ガスを放出することがおこなわれている。

特許文献１には、真空加熱による電極の製造方法が開示されている。

特開２００３−２３４０８３号

しかし、真空加熱法では、温度を２３００度以上に設定するために、高温に耐える特別のヒータを用意する必要がある。そのため、量産レベルではそのような高温処理ができず、上記黒化防止を達成することができなかった。

この発明は、電極の不純ガスを確実に放出できる不純ガス除去装置またはその方法を提供することを目的とする。

１）本発明にかかる不純ガス除去方法は、放電ランプ電極から不純ガスを除去する除去方法であって、トーチ電極を準備し、放電ランプ電極と前記トーチ電極との間で不純ガスが前記放電ランプ電極から放出されるようなアーク放電をおこなうことを特徴とする。前記放電ランプ電極から不純ガスを放出されるようにアーク放電をおこなうことにより、実際のランプでの放電と同等の温度まで高温処理が可能となる前記放電ランプにおける点灯時の黒化を防止することができる。

２）本発明にかかる不純ガス除去方法は、前記放電ランプ電極の少なくとも一部が２５００度以上となるような大電流が流れるようアーク放電をおこなう。したがって、前記放電ランプ電極を実際のランプでの放電と同等の温度まで高温処理が可能となるので、前記不活性ガス除去対象電極外に不純ガスを放出することができる。これにより、前記放電ランプにおける点灯時の黒化を防止することができる。

３）本発明にかかる不純ガス除去方法においては、前記アーク放電は、密封チャンバー内に不活性ガスが封入されておこなわれ、かつ、前記封入ガスの圧力は１気圧未満である。したがって、アーク放電を安定しておこなうことができるとともに、前記不純ガス除去対象電極の酸化を防止することができる。

４）本発明にかかる不純ガス除去方法においては、前記密封チャンバー内の不活性ガスの圧力は加熱時に１気圧未満である。したがって、アーク放電を安定しておこなうことができるとともに、前記不純ガス除去対象電極の酸化を防止することができる。

５）本発明にかかる不純ガス除去方法においては、前記アーク放電をおこなった後、真空引きをおこなう。このように、アーク放電後真空引きをおこなうことにより、効率的にアーク放電をおこなうとともに、前記不純ガス除去電極外に効率よく、不純ガスを放出することができる。

６）本発明にかかる不純ガス除去方法においては、前記真空引きをおこなったあと、前記不活性ガスを封入して、再度前記アーク放電をおこなう。このようにアーク放電、真空引き、再度アーク放電という処理をおこなうことにより、より効率的に不純ガスを放出することができる。

７）本発明にかかる不純ガス除去方法においては、前記真空引きをおこなったあと、第１回目と同じ圧力で不活性ガスを封入して、前記アーク放電をおこなう。したがって、より、効率的に不純ガスを放出することができる。

８）本発明にかかる不純ガス除去装置は、放電ランプ電極から不純ガスを除去する除去装置であって、1)真空引きポート、ガス封入ポート、不純ガス除去対象の放電ランプ電極を絶縁状態で保持する第１の絶縁スリーブが設けられた底板、2)前記底板との間で放電用の空間を形成するカバーであって、前記第１のスリーブと対向する位置に第２の絶縁スリーブが設けられたカバー、3)前記第２の絶縁スリーブに挿入されたトーチ電極、4)前記底板と前記カバーの間に設けられた封入部材、5)前記トーチ電極と前記放電ランプ電極間でアーク放電させる電力を供給する電源部を備えている。第１の絶縁スリーブに不純ガス除去対象の放電ランプ電極を絶縁状態で保持させ、前記真空引きポートから前記空間の空気を抜き、前記ガス封入ポートから不活性ガスを封入し、前記電源部から前記トーチ電極と前記放電ランプ電極間でアーク放電させる電力を供給することにより、前記放電用空間にてアーク放電がなされる。このアーク放電により、前記放電ランプ電極を実際のランプでの放電と同等の温度まで高温処理が可能となるので、前記放電ランプ電極外に不純ガスを放出することができる。これにより、前記放電ランプにおける点灯時の黒化を防止することができる。

９）本発明にかかる不純ガス除去装置は、放電ランプ電極から不純ガスを除去する除去装置であって、1)不純ガス除去対象の放電ランプ電極を絶縁状態で載置する密封チャンバー、2)前記密封チャンバー内に設けられたトーチ電極、3)前記放電ランプ電極を載置する載置台、4)前記トーチ電極と前記放電ランプ電極との間でアーク放電させる電力を供給する電源部を備えている。前記放電ランプ電極を絶縁状態で載置させ、前記電源部から前記トーチ電極と前記放電ランプ電極間でアーク放電させる電力を供給することにより、前記密封チャンバー内にてアーク放電が可能となる。このアーク放電により、前記放電ランプ電極を実際のランプでの放電と同等の温度まで高温処理が可能となるので、前記放電ランプ電極外に不純ガスを放出することができる。これにより、前記放電ランプにおける点灯時の黒化を防止することができる。

特許請求の範囲にて用いた用語の意義について説明する。

「密封チャンバー」とは、実施形態ではベルジャーカバー３およびベルジャー底板５、Ｏリング７が該当する。

図１に、本発明にかかる不純ガス除去装置１の外観概略図を示す。不純ガス除去装置１は、ベルジャーカバー３，ベルジャー底板５、Oリング７，第１絶縁スリーブ９，第２絶縁スリーブ１１、および制御部１７を備えている。ベルジャーカバー３はベルジャー底板５を覆うことにより、空間２５を形成する。

第１絶縁スリーブ９は、ベルジャー底板５のほぼ中央に設けられている。第１絶縁スリーブ９はランプ電極２３を空間２５内に、ベルジャー底板５と絶縁状態で載置する。なお、ベルジャー底板５には、真空引きポート１３、ガス封入ポート１５が設けられている。真空引きポート１３には真空ポンプ３６が、ガス封入ポート１５にはガス封入バルブ３８を介してガスボンベ４８が接続されている。真空引きポンプ３６にはバルブ３７が設けられている。バルブ３７およびガス封入バルブ３８は後述するように、制御部１７にて制御される。

ベルジャーカバー３のほぼ中央には、第１絶縁スリーブ９と対向するように第２絶縁スリーブ１１が設けられている。第２絶縁スリーブ１１は、溶接電極２１（トーチ電極）をランプ電極２３との距離が所定距離となるよう保持する。溶接電極２１とランプ電極２３との距離は後述するようにアーク放電が可能な距離に設定すればよい。

ベルジャーカバー３の外側には、放射温度計３９が設けられている。放射温度計３９は、ベルジャーカバー３に設けられた覗き窓４０から、ランプ電極２３の温度を計測する。
制御部１７は、溶接電極２１とランプ電極２３との間にアーク放電を起こすように、溶接電極２１を陽極として、ランプ電極２３を陰極として、アーク放電に必要な電力を供給する。

制御部１７の構成について説明する。制御部１７は図２に示すように、ＣＰＵ２３，ＲＯＭ２７、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）３１を備えている。インターフェイス３１には、電源部３４，真空引きポンプ３６，ガス封入バルブ３８、放射温度計３９が接続されている。ＲＯＭ２７には，ランプ電極の温度をほぼ一定に保つように、図３に示すプログラムが記憶されている。

図３に示すプログラムについて説明する。操作者は、まずランプ電極２３を空間２５に設置する。準備が完了すると、操作者は、操作をスタートする。ＣＰＵ２３は、真空引きポート１３に接続した真空ポンプ３６を作動させ、真空引きポート１３から空気を抜き、空間２５を真空状態としたあと、一旦真空引きポンプのバルブ３７を閉状態とする（ステップＳ１）。つぎに、ガス封入ポート１５から不活性ガスとしてアルゴンガスを封入する（ステップＳ３）。本実施形態においては、アルゴンガスを０．７２気圧で封入した。

本実施形態においては、密閉されたチャンバーの中にアルゴンガスを不活性ガスとして、０．７２気圧封入した。このように、不活性ガスを１気圧以下で封入するのは、以下のような理由による。

真空中で前記アーク放電をチャンバー内にて十分な不活性ガス雰囲気中で行うと、アーク放電の際のランプ電極の表面に酸化層が形成されるという問題がある。不活性ガスを封入してアーク放電をおこなうことにより、このような酸化を防止することができる。この場合の不活性ガスの封入圧力は、ランプ電極の不純ガス放出効果という点では少ないほど好ましい。一方、アーク放電の安定性という点では、高いほど好ましい。そこで、これらの双方の問題を解決する為に、不活性ガス封入圧力を０．１Pa以下とした。具体的には、常温で０．５〜０．８気圧が好ましい。特に、加熱されるとベルジャーカバー内に封入された不活性ガスの圧力が変化する。加熱時にも１気圧未満となるようにすることにより、不純ガスの放出が確実とすることができる。

なお、封入する不活性ガスとしてはアルゴンガス以外の他の希ガスであってもよい。

この状態で、電源オンとし（ステップＳ５）、制御部１７からアーク放電用の電力を供給する。本実施形態においては、２００Ａで電力供給するようにした。一般のＴＩＧ溶接の場合は通常は１００Ａ程度電流を用いるが、これと比べて約２倍の大電流を流すようにしている。これは、ランプ電極全体を加熱して、より確実に不純ガスを除去する為である。これにより、アーク放電がなされ、ランプ電極２３が加熱される。本実施形態においては、ランプ電極２３の直径を２５φとしたので、陰極と陽極の距離ｓを１５ｍｍとした。これにより、両電極間の電圧は２５Ｖ程度となった。

ＣＰＵ２３は、ランプ電極２３の計測温度が上限設定温度Ｔａになったかを判断する（ステップＳ７）。本実施形態においては、温度Ｔａを２７００度とした。

ランプ電極の計測温度が上限設定温度Ｔａになると、ＣＰＵ２３は、電源オフとするとともに、真空引きポンプのバルブを開状態とする（ステップＳ９）。これにより、ランプ電極の外部に放出された不純ガスをチャンバー外部に放出することができる。

なお、不純ガスを電極外に放出することだけを考慮するのであれば、アーク放電中にチャンバーを真空引きすると、効率よく不純ガスを除去することができる。しかし、その場合、真空中ではアークが途切れて持続不可能となるという問題がある。そこで、本実施形態においては、アーク放電を一旦停止したあと、真空引きを行い、電極温度が下がれば再度不活性ガスを封入し、アーク放電によりランプ電極を加熱し設定温度に到達させる。そして加熱を停止して真空引きをするようにした。これにより、アーク放電の不安定を防ぎつつ、効率よく不純ガスを除去することができる。

ＣＰＵ２３は、電源オフになった総回数が所定回数になったかを判断する（ステップＳ１１）。本実施形態においては、かかる所定回数を４回とした。この場合、０回目なので、ＣＰＵ２３は、計測温度が下限設定温度Ｔｂになったか判断し（ステップＳ１３）、計測温度が下限設定温度Ｔｂになると、真空引きポンプのバルブ３７を閉状態とするとともに、不活性ガスを封入し、電源オンとする（ステップＳ１５）。これにより、再度アーク放電がなされる。以下ステップＳ７以下を繰り返す。

ＣＰＵ２３は、ステップＳ１１にて電源オフになった総回数が所定回数になったと判断すると、処理を終了する。

このように、アーク放電停止後、一度、真空引きを行い、真空引き停止後、再度不活性ガスを封入して、アーク放電させるという加熱処理を繰り返すことにより、電極中の不純ガスをより確実に電極外に放出させることができる。

このようにして不純ガス除去をおこなった電極を用いて、通常の処理と同様に、放電ランプを製造すればよい。

図４に、上記制御部により制御される電極温度、供給電源のオンオフ、真空引きのオンオフの関係を示す。

本実施形態においては、TIG溶接と同様の方法により、ランプ電極と溶接電極との間に大電流のアークを発生させ、その熱でランプ電極を加熱させ、ランプ電極を点灯時の温度と同等又はそれ以上に（たとえば2500℃以上）、加熱することができる。これにより、ランプ電極内に存在する不純ガスを電極外に放出することができる。したがって、黒化を防止でき、ランプ寿命を長くすることができる。

図５に、従来の製造工程と、本件装置によって処理した電極のライフテスト結果を示す。このように、本件装置による処理をおこなうことにより、照度維持率の低下を防止できる。また、照度維持率の低下率勾配も緩やかとなる。

なお、本実施形態においては、電源オフになった総回数が所定回数になった場合に、加熱処理を終了させたが、これと連動する真空引きの回数、不活性ガスの封入回数などで判断するようにしてもよい。

なお、上記実施形態においては電源をオフの間中、真空引きポンプのバルブを開状態としているが、所定時間だけ真空引きポンプのバルブを開状態にしてもよい。すなわち、電極温度が下限設定温度になるまで、ずっと、真空引きポンプのバルブを開状態としているが、電極温度が上限設定温度になってから、所定時間だけバルブを開状態としたあと閉状態とし、下限設定温度になるとガスの封入をするようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、真空引きポンプを用いたが、真空にする方法であれば公知の方法、たとえば、ベンチュリー効果を利用することもできる。 また、本実施形態においては、溶接電極２１を陽極として、ランプ電極２３を陰極として、アーク放電をおこなったが、陰極と陽極を逆にしてもよい。

また、電極の温度計測は電極の大きさなどによりほぼ一定となることが予想される。したがって、電極の型ごとに、図４に示す温度グラフを計測しておき（予め上記上限下限の温度になる時間）、かかるグラフに基づいて、経過時間で真空ポンプ、電源などを制御するようにしてもよい。

なお、電流値、陰極と陽極の距離ｓは、アーク放電の大きさとアークの安定性の観点から決定すればよい。アーク放電の大きさは、ランプ電極の直径が大きくなれば大きくすることが望ましい。一方、あまり距離ｒを大きくするとアーク放電が不安定となるからである。たとえば、ランプ電極の直径が大きくなれば、アーク放電を安定させつつ、広範囲を高温処理する為に、電流を大きくすればよい。

なお、本実施形態のようにアーク放電によって、電極を高温処理して不純ガスを放出させる場合、真空加熱炉とは異なり、全体的に均一な温度にはならない。すなわち、アーク放電がなされる部分から離れるほど、温度は低くなる。ただ、前記黒化の問題は、実際に放電ランプに組み込んで点灯させた場合に高温になる部分から不純ガスが放出されるからである。したがって、当該高温部分について、予め製造工程にて、前記高温処理ができればよい。一般に、前記高温部分は他方の電極と対向する部分である。したがって、陰極、陽極とも対向する部分すなわち、その先端部分について、製造工程にてアーク放電させて、不純ガスを放出させればよい。

なお、高温処理する電極の直径が大きい場合には、製造時に、電極側を偏芯させて回転させる、またはトーチ電極を偏芯させて回転させることにより、広範囲にアーク放電がおこなわれるようにすることもできる。

また、本実施形態においては、温度計測を放射温度計を用いておこなったが、他の計測手法を用いてもよい。

本発明にかかる不純ガス除去装置１の全体図である。 ハードウェア構成の一例を示す図である。 処理のプログラムのフローチャートである。 電力供給する条件を示すテーブルである。 ライフテスト結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・・・・・不純ガス除去装置
３・・・・・・・ベルジャーカバー
５・・・・・・・ベルジャー底板
７・・・・・・・Oリング
９・・・・・・・第１絶縁スリーブ
１１・・・・・・第２絶縁スリーブ
１３・・・・・・真空引きポート
１５・・・・・・ガス封入ポート
１７・・・・・・制御部
２１・・・・・・溶接電極
２３・・・・・・ランプ電極
２５・・・・・・空間

Claims (1)

1. 放電ランプ電極から不純ガスを除去する除去装置であって、
   真空引きポート、ガス封入ポート、不純ガス除去対象の放電ランプ電極を絶縁状態で保持する第１の絶縁スリーブが設けられた底板、
   前記底板との間で放電用の空間を形成するカバーであって、前記第１のスリーブと対向する位置に第２の絶縁スリーブが設けられたカバー、
   前記第２の絶縁スリーブに挿入されたトーチ電極、
   前記底板と前記カバーの間に設けられた封入部材、
   前記トーチ電極と前記放電ランプ電極間でアーク放電させる電力を供給する電源部、
   を備えたことを特徴とする不純ガス除去装置。

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