JP4804721B2 - 低圧放電ランプ用電極およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タングステンあるいはタングステン合金から成る低圧放電ランプ用電極およびその製造方法に関する。

電極から出る電子が、電磁放射線を発するために、封入ガスの原子を励起する光源は、放電ランプと呼ばれている。放電ランプは封入圧力に応じて低圧放電ランプと高圧放電ランプとに分けられる。低圧放電ランプは、通常、蛍光ランプと低圧ナトリウムランプに分けられる。さらに、蛍光ランプは熱陰極蛍光ランプと冷陰極蛍光ランプとに分けられる。

熱陰極蛍光ランプの場合、相応の高い温度での熱放出によって、十分な放出電子密度が得られる。そのために電極材料は、高い融点と低い蒸気圧と封入ガスに対する化学的耐性とを有する必要がある。あらゆる金属材料およびセラミックス材料のうち、タングステンおよびタングステン合金が最もその要件を満たす。電子放出を高めるために、通常、タングステン電極上に酸化エミッタ物質も設けられている。タングステン電極体は、通常、ピンとして形成され、電極先端の範囲においてそのピンの周りに、タングステン線が巻回されている。その巻回コイルの範囲に酸化エミッタ物質が設けられている。

冷陰極蛍光ランプの場合、電極に衝突するイオンによって、二次電子が発生される。使用温度が比較的低いので、これまでは主に、ニッケル材料が使用されていた。冷陰極蛍光ランプは、通常、平形ディスプレイの背面照明に使用されている。特にＴＦＴ平形ディスプレイ（TFT＝Thin Film Transistor）の場合に照明定数および寿命についての高い要件およびディスプレイの大型化を実現する際の要件は、過大な電界強さを生じさせ、このためにニッケル電極において許容できない大きな飛散率を生じさせる。飛散率を減少させるために、タングステン、モリブデン、タンタルあるいはニオブの耐熱金属の使用が提案されていた。上述した材料のうちで、タングステンが最低の飛散率を有している。冷陰極蛍光ランプの型式に関係して、種々の電極形状が存在している。ピン形電極は、通常、引抜き加工線あるいは圧延加工棒あるいは鍛造加工棒から作られる。ポット形電極は板金あるいは帯板から深絞り加工によって作られる。ポット形電極は引き続いて好適にはＷ・Ｎｉピンが溶接され、ガラス化される。

低圧放電ランプにおける開発傾向は、ランプ構成要素についての要件がますます厳しくなっている。今日において有用な電極が多くはその要件を満たさないことが確認されている。なお特に、電極と封入ガス成分との相互作用が、不十分なアーク安定性および放電管の黒化を生ずる。これは例えば、ランプの使用時間中における光束の低下で明らかになる。

特許文献１に、Ｗを主成分組成とし、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｏ、Ｕ、Ｔｈを副成分組成とし、副成分組成である各元素の含有量の総和が主成分組成であるＷの含有量に対して０．００１％以下で精製した放電ランプ用のタングステン電極材料が記載されている。副成分組成の低い含有量は真空中での電極の熱処理によって得られる。しかし、そのために必要な高い熱処理温度は、粒子を際立って粗くし、その粒子の粗大化は材料を著しく脆くする。

特許文献２には、タングステンあるいは純度９９．９９％以上のタングステン合金から成る変形されたインゴットが記載されている。変形されたインゴットは、窒素、酸素、炭素の総含有量が５００μｇ／ｇ以下である。変形率が少なくとも３０％で、最終熱処理温度が２６００℃である場合、そのタングステン粒子の平均粒度は２０μｍ〜６００μｍとなっている。そこに挙げられた値は、タングステンに対する近年まで通常の標準特性に相応し、電極の使用特性を改善させない。可塑化された粉末材料を使用して例えば金属粉末ダイカストあるいは粉末射出成形のような成形加工が行われる製法技術も知られている。しかしそれらの方法は、今まで特に、そのようにして製造された部品の炭素含有量が多過ぎるために、ランプ用電極には使用されていない。
特開平９−１６５６４１号公報 特開２００１−２２６７３５号公報

本発明の課題は、使用中に封入ガスが全くあるいは殆ど汚染されず、放電管が全くあるいは殆ど黒化されない、低い飛散率を有する低圧放電ランプ用電極およびその製造方法を提供することにある。

低圧放電ランプ用電極に関する課題は、本発明に基づいて、タングステンあるいは平均炭素含有量＜５μｇ／ｇのタングステン合金から成り、電極軸線に対して直角に最大３０ｍｍ²の横断面積を有する低圧放電ランプ用電極において、その製造が少なくとも次の工程、
−０．３μｍ＜ＫＧ＜５μｍのフィッシャ平均粒度ＫＧを有するタングステン粉末あるいはタングステン合金粉末と可塑剤とから成る可塑化された粉末材料を製造する工程、可塑化された粉末材料に関する可塑剤の割合ＰＭは４０体積％＜ＰＭ＜７０体積％である、
−可塑化された粉末材料を使用しての形状付与工程、
−選択的に一回の工程あるいは別個の工程で、少なくとも次の熱処理を実施する工程、
−１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比が０．００３＜Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．１５である雰囲気内で少なくとも１００℃〜５００℃の温度範囲で行われる熱処理、少なくとも周囲温度から５００℃までの加熱速度は０．０５℃／ｓ以下である、
−１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比がＨ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．００２である雰囲気内で、あるいは選択的に圧力＜０．０００１ｍｂａｒの真空中で、１６００℃＜Ｔ＜２８００℃の熱処理温度Ｔで行われる熱処理、
を含んでいることによって解決される。

低圧放電ランプ用電極の製造方法に関する課題は、本発明に基づいて、少なくとも次の工程、
−０．３μｍ＜ＫＧ＜５μｍのフィッシャ平均粒度ＫＧを有するタングステン粉末あるいはタングステン合金粉末と可塑剤とから成る可塑化された粉末材料を製造する工程、可塑化された粉末材料に関する可塑剤の割合ＰＭは４０体積％＜ＰＭ＜７０体積％である、
−可塑化された粉末材料を使用しての形状付与工程、
−選択的に一回の工程あるいは別個の工程で、少なくとも次の熱処理を実施する工程、
−１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比が０．００３＜Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．１５である雰囲気内で少なくとも１００℃〜５００℃の温度範囲で行われる熱処理、少なくとも周囲温度から５００℃までの加熱速度は０．０５℃／ｓ以下である、
−１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比がＨ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．００２である雰囲気内で、あるいは選択的に圧力＜０．０００１ｍｂａｒの真空中で、１６００℃＜Ｔ＜２８００℃の熱処理温度Ｔで行われる熱処理、
を含んでいることによって解決される。

平均炭素含有量は、母材内に溶融ないしは析出並びに表面吸収ないしは化合された炭素成分を含んでいる。なお、試験片が分析される状態は、電極がランプに使用されている状態に相応させねばならないことに注意しなければならない。試験片は、化学分析の前に、腐食処理も酸洗い処理も行なう必要がない。これは、そのような事が表面近くの部位で考えられないからである。

今まで使用されていたタングステン部品と同様に、その母材炭素含有量は５〜１５μｇ／ｇにした。しかしこの母材炭素含有量は縁近くの部位の炭素分量を含んでいない。試験片が未腐食状態で分析されるために、平均炭素含有量が検出される。平均炭素含有量に関する縁近くの部位における分量は、試験片の直径または壁厚に左右される。試験片の直径または壁厚が小さければ小さいほど、縁近くの部位に炭素が大きく濃縮する。電気研摩状態でのタングステン製ピン形電極の代表的な平均炭素含有量は、直径１ｍｍの場合、１６μｇ／ｇであり、直径０．２ｍｍの場合、２５μｇ／ｇである。壁厚０．１ｍｍのタングステン製ポット形電極の場合、平均炭素含有量は２０μｇ／ｇ以上である。従って、母材炭素含有量に比べてかなり高い平均炭素含有量は、炭素含有潤滑材ないしは炭素含有不純物が表面近くの部位に濃縮され、通常の精製工程によってもはや完全に除去できないことを明らかにしている。また熱処理によっても、表面近く部位の十分な純度は得られない。

平均炭素含有量＜５μｇ／ｇは、請求項１に記載の工程によって得られる。通常の金属純度９９．９５％のタングステン粉末が素材として使用され、これによって経済的製造が保証される。特に厳しい要求に対して、純度＞９９．９９９％のいわゆるＵＨＰ粉末（UHP=Ultra High Purity）が使用され、この値において、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈ、Ｍｏの含有は考えられていない。さらに、それぞれフィッシャ（Fisher）に基づく０．３μｍ〜５μｍの通常の粉末粒度を有するタングステン粉末が使用される。焼結中における有効な炭素減少は、タングステン格子における拡散速度が十分大きくないので、開空孔を介して行われる。密度が高くなればなるほど、焼結中に、開空孔から閉空孔への移行が行われる。この移行点は、グリーン状態（未加工状態）における小さな密度によって、高温方向に移される。相応の小さなグリーン密度は、可塑剤の割合が４０体積％〜７０体積％である可塑化された粉末材料の加工によって得られる。電極軸線に対して直角に最大３０ｍｍ²の横断面積を有する電極の場合、本発明に基づく炭素含有量を得るために、その気体排出経路は十分に短い。

可塑化された粉末材料の最終形状に近い形状付与ないしは最終形状の形状付与は、金属粉末ダイカスト、粉末押出し成形、あるいは類似した製法で行われる。平均炭素含有量＜５μｇ／ｇの設定にとって重要なことは焼結雰囲気の作用である。焼結処理は、選択的に一回の工程あるいは別個の工程で、少なくとも次の熱処理工程を含んでいなければならない。電極成形体は、グリーン状態で、先ず、１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、水蒸気と水素との体積比Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂が０．００３＜Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．１５である第１雰囲気内で熱処理される。電極成形体が第１雰囲気で熱処理される温度は、室温から少なくとも約５００℃までの加熱速度が０．０５℃／ｓ以下で、少なくとも１００℃〜５００℃に達する。その後、１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．００２の第２雰囲気内で、熱処理が行われる。第２雰囲気として選択的に、圧力＜０．０００１ｍｂａｒの真空も使用される。電極成形体が第２雰囲気で熱処理される温度は、使用される粉末粒度に関係して、１７００℃〜２８００℃である。他の成形加工が不要であるので、炭素含有潤滑材による汚染も生じない。この工程順序で製造された電極は、例えば文献に記載されているような圧延、鍛造、引抜き、電気研摩と切削ないし圧延と深絞りによって製造された同形の電極よりも、かなり低い平均炭素含有量を有する。電極の電子を放出及び／又は吸収する部位が表面あらさ＜１．５μｍを有しているとき、局所的蒸発は最小に減少する。

冷陰極蛍光ランプ用の電極の場合、電極のポット状部位の底部にピン状延長部が設けられ、ピン状延長部にさらにＮｉピンが結合されていると特に有利である。ポット状部位とピン状延長部とは一体に形成されている。タングステンピンの一部が封入ガスと相互作用を生ずるので、その部位も低い炭素含有量のタングステンから成っているとき、ランプ特性が有利に影響される。さらに、ポット状部位とタングステンピンとの溶接が省かれるので、製造費が減少される。タングステンポットとタングステンピンとは金属粉末ダイカストによって一体に製造される。

なお、粒度を測定するためのフィッシャ（Fisher）法は平均粒度を決定するための標準化された測定方法である。このようにして決定された粒度はフィッシャに基づく粒度またはフィッシャ粒度と呼ばれている。

以下の実施例において、従来において通常使用されていた電極の平均炭素含有量が、本発明に基づく電極と対比されている。

図１および図２に示されピンを一体形成されたポット形電極は金属粉末ダイカストで製造された。そのために、フィッシャに基づく粒度２．１μｍのタングステン粉末を、ワックスをベースにした結合剤と共に、粉砕混合機によって混合し、均質にした。その結合剤の含有量は５２体積％にし、混合時間は５時間にした。この混合物をスクリュー形押出機で、粉末ダイカスト用の出発材料の形に圧縮した。この出発材料を１６０℃の温度に加熱し、５００バールの圧力で成形型（ダイ）の中に注入した。その成形型の温度は７０℃にした。型抜きされた試験片は、ポット長Ｌ１が５．３ｍｍ、ピン長Ｌ２が３．２ｍｍ、ポット外径Ｄ１が２．８ｍｍ、ピン直径Ｄ２が１．３ｍｍ、壁厚ｄが０．２ｍｍとなるように、成形型を形成した。この円筒状試験片を、抵抗加熱式冷壁炉において、Ｈ₂−Ｎ₂−Ｈ₂Ｏ雰囲気内で、０．００９℃／ｓの加熱速度で、８００℃の温度まで加熱した。Ｈ₂／Ｎ₂の体積比は５．７にし、Ｈ₂Ｏ／Ｎ₂の体積比を０．０１にした。温度Ｔ＝８００℃において、炉雰囲気を、０．０５％Ｈ₂Ｏ体積含有率のＨ₂（Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＝０．０００５）に置き換え、試験片を０．１℃／ｓの加熱速度で、２２５０℃の焼結温度に加熱した。温度Ｔ＝２２５０℃における維持時間を４時間にした。その後に炉冷却を行なった。ポット長Ｌ１は４．１ｍｍ、ピン長Ｌ２は２．５ｍｍ、ポット外径Ｄ１は２．１ｍｍ、ピン直径Ｄ２は１．０ｍｍ、壁厚ｄは０．１５ｍｍであった。さらに、平均密度９８．６％および平均粒子数５９５０個／ｍｍ²が得られた。そのように形成された試験片の平均炭素含有量は、燃焼分析によって検出され、その結果１．０〜３μｇ／ｇの値が得られた。その場合、試験片は分析前に腐食処理しなかった。圧延鋼板から深絞り加工で製造されたポットは、１８〜６３μｇ／ｇの値を有する。

延長ピンを一体成形されたタングステン製ポット形電極の正面図 図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図

符号の説明

Ｌ１ ポット長
Ｌ２ ピン長
Ｄ１ ポット直径
Ｄ２ ピン直径
Ｄ 壁厚

Claims (4)

1. タングステンあるいは平均炭素含有量＜５μｇ／ｇのタングステン合金から成り、電極軸線に対して直角に最大３０ｍｍ²の横断面積を有する低圧放電ランプ用電極を製造するために、少なくとも次の工程、
   −０．３μｍ＜ＫＧ＜５μｍのフィッシャ平均粒度ＫＧを有するタングステン粉末あるいはタングステン合金粉末と可塑剤とから成る可塑化された粉末材料を製造する工程、可塑化された粉末材料に関する可塑剤の割合ＰＭは４０体積％＜ＰＭ＜７０体積％である、
   −可塑化された粉末材料を使用しての形状付与工程、
   −選択的に一回の工程あるいは別個の工程で、少なくとも次の熱処理を実施する工程、
   −１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比が０．００３＜Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．１５である雰囲気内で少なくとも１００℃〜５００℃の温度範囲で行われる熱処理、少なくとも周囲温度から５００℃までの加熱速度は０．０５℃／ｓ以下である、
   −１０体積％＜（Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）＜１００体積％、０体積％＜（Ｎ₂及び／又は希ガス）＜９０体積％の組成を有し、Ｈ₂Ｏ／Ｈ₂の体積比がＨ₂Ｏ／Ｈ₂＜０．００２である雰囲気内で、あるいは選択的に圧力＜０．０００１ｍｂａｒの真空中で、１６００℃＜Ｔ＜２８００℃の熱処理温度Ｔで行われる熱処理、
   を含んでいることを特徴とする低圧放電ランプ用電極の製造方法。
2. 形状付与工程が可塑化された粉末材料を使用して金属粉末ダイカストによって行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 請求項１又は２の方法により製造された低圧放電ランプ用電極であって、
   電子を放出及び／又は吸収する部位が表面あらさ＜１．５μｍを有していることを特徴とする電極。
4. 電極が冷陰極蛍光ランプに使用されることを特徴とする請求項３に記載の電極。
   

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