JP6721208B2 - ショートアーク放電ランプ用電極 - Google Patents

Description

本発明はショートアーク放電ランプの電極に関し、特に電極表面に形成される微細形状の形状維持に関する。

従来、ショートアーク放電ランプの陽極は、点灯中に非常に高温になるため、通常、高融点金属であるタングステンが用いられ、陽極の温度を下げるために、各種の対策がなされている。

特許文献１には、ＣＶＤ（化学的気相成長）法によって、陽極表面に樹枝状膜を堆積形成する技術が開示されている（段落００１６）。

特表2002-522881号公報

しかしながら、特許文献1においては、形成した樹枝状膜が、ランプ点灯中の高温により、その構造が消失してしまうおそれがあった。かかる問題は、表面にPVD加工やレーザ加工にて、超微細な凹凸を形成した場合も同様である。また、陽極だけでなく陰極についても同様である。

本発明は、上記課題を解決し、電極の表面に超微細構造を形成した場合にも、点灯時の熱による微細構造の消失までの時間を長くすることができるショートアーク放電ランプ用の電極を提供することを目的とする。

（１）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極は、先端部および本体部を有するショートアーク放電ランプ用の電極であって、前記先端部は高融点金属で構成されており、前記本体部の表面には超微細構造が形成されており、前記本体部には、高融点金属である第１金属と異なる第２金属が混在されており、前記第２金属は、1400℃以上の耐熱性を有している合金、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物である。前記第2金属が混在されていることにより、点灯時における前記超微細構造の消失を抑制することができる。

（２）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記第１金属はタングステンであり、前記第２金属は、酸化トリウム、酸化イットリウム、酸化ジスプロシウム、酸化レニウム、炭化チタンまたは炭化タンタルである。したがって、点灯時における前記超微細構造の消失を抑制することができる。

（３）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記第1金属に対する前記第２金属の割合が１０％以下である。したがって、熱・電気伝導性を確保することができる。

（４）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記第1金属に対する前記第２金属の割合が５％以下である。したがって、熱・電気伝導性を確保することができる。

（５）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記第1金属に対する前記第２金属の割合が２％以下である。したがって、熱・電気伝導性を確保することができる。

（６）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記超微細構造は繊維状ナノ突起である。したがって、前記表面における微細構造を簡易に生成することができる。

（７）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極は、先端部および本体部を有するショートアーク放電ランプ用の電極であって、前記先端部および前記本体部は、高融点の第１金属で構成されており、前記本体部内部には塑性変形によりひずみエネルギーが蓄積されており、前記本体部の表面には介在層が設けられており、前記介在層の表面には超微細構造が形成されており、前記介在層は、前記第１金属に対して接合性の高い接合金属および、前記接合金属の拡散を抑制する接合金属拡散抑制物質を含んでいる。したがって、点灯時における前記超微細構造の消失を抑制することができる。これにより、熱・電気伝導性を確保することができる。

（８）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては前記拡散抑制状態は、前記接合金属が多孔質形状であることにより実現されている。したがって、熱・電気伝導性を確保することができる。

（９）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用の電極においては、前記接合金属拡散抑制物質は、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物である。したがって、点灯時における前記超微細構造の消失を抑制することができる。

放熱性の高い陰極を提供することができる。

本発明にかかる陽極１の概要を示す図である。 半融構造体の形成を示す概念図である。 プラズマ照射装置１０を示す図である。 表面にレーザ加工で凹凸加工を施した場合を示す図である。

１. 第１実施形態
図１に、本発明にかかるショートアーク放電ランプの陽極１を示す。陽極１は先端部３および本体部５を備えている。

本体部５の側面には、後述するプラズマ処理により、太さ数十nm、長さ1μm程度の繊維状ナノ突起４が多数形成されている(図１拡大写真参照)。繊維状ナノ突起４について説明する。陽極１について、電子ビームを用いて既知の熱負荷を与えその時の温度上昇により全放射率を計測した。その結果、黒色化したタングステンの全放射率は、通常のタングステンの４倍（ほぼ1.0）であった。すなわち完全黒体と同じ陽極が得られた。このように、繊維状に形成された細長いナノ突起により、実効的に、より大きな表面積および放射率を得ることができた。

本体部５の構造について説明する。先端部３は純度９９．９％のタングステンで構成されている。本体部５は、酸化トリウムを体積比で２％混在させたタングステン合金で構成されている。本体部５に酸化トリウムを数％、混在させることにより、前記超微細構造である繊維状ナノ突起４の変形に対する障壁になる。したがって、超微細構造の変形に対する耐性が向上する。

かかる要因について、発明者は、第１金属に第２金属を混在させることにより、以下に示すような現象が生じているではないかと考えた。

一般的に、微細構造が1本の場合の模式図を図２Ａに示す。同図に示すように、かかる微細構造はエネルギーの低い方向へ変形する（繊維構造３１〜３４参照。図中黒点は、その各構造に対するエネルギーの値を表すものとする。)。

図２Ｂに繊維状ナノ突起が複数絡んでいる場合の模式図を示す。この場合、図２Ｂに示すように、ナノ構造同士の接触点が核になり（繊維構造４１，４２参照）、これらが集まった収縮構造に変化する（繊維構造４３参照）。以下、図２Ｂの繊維構造４３の状態を、半融構造体という。半融構造体は、繊維状ナノ突起よりもエネルギーが低く、母材よりもエネルギーが高い。

電極は、通常、鍛造したタングステンを使用する。このタングステンは、前記加工によって塑性変形しているので、材料内部に歪が生じている。この歪は、蓄積エネルギーとして蓄えられている。この蓄積エネルギーは、電極が加熱されることで回復や再結晶が生じ、母材の歪が消滅する。すなわち、蓄積エネルギーが低くなり、半融構造体と母材のエネルギー勾配が大きくなる。よって、半融構造体は、母材側への変形が生じやすくなる。

これに対して、タングステン内に、酸化トリウムが存在すると、上記の歪が消滅しにくくなる。すなわち、蓄積エネルギーが高いまま保たれ、半融構造体と母材のエネルギー勾配が小さくなる。よって、半融構造体は、母材側への変形が生じにくくなり、上記に比べて消滅が遅くなる。

かかる現象はタングステンと酸化トリウムだけでなく、他の酸化物や金属でも生じる。すなわち、第２金属は第１金属の蓄積エネルギーの解放を妨げるので、母材のエネルギーが低くなりにくくなる。これにより繊維状ナノ突起が熱によって元に戻りにくくなる。

陽極１の製造方法について簡単に説明する。

先端部３と本体部５をＳＰＳ接合し、電極としての形状に加工する。その後、本体部５の表面に、細長いナノ突起を形成する。本実施形態における微細ナノ突起の形成手法について図３を用いて説明する。プラズマ照射装置１０は、熱陰極 １１（LaB6） と銅陽極１２の間でガス放電が行われ、10⁺¹⁸m^-3を超える高密度のプラズマを発生させる。動作ガスは、ヘリウム(He)である。プラズマ照射装置１０は、ヘリウムをプラズマ化し、ヘリウムイオンを陽極表面に照射することより、陽極１の表面に繊維状ナノ突起を形成する。

繊維状ナノ突起が陽極表面にむらなく形成されるように、一定時間（例えば１時間程度）プラズマを照射すると、陽極の面を変更するようにすればよい。

本実施形態においては、電子密度が10¹⁸m^-3、電子温度が5eV程度、入射イオンエネルギーを数十eV、照射温度を1000〜2000Kとした。これにより、ヘリウムバブルの自己成長が生じ、表面に1μm程度の長さの繊維状ナノ突起が形成される。形成のためのヘリウムイオン照射量は10²⁵ 個/m² 程度であり、タングステンの表面方位にはよらない。

なお、ヘリウムプラズマ照射の条件は、これに限定されるわけではない。

本実施形態においては、ヘリウムプラズマ照射で繊維状ナノ突起を形成したが、他の方法で繊維状ナノ突起を形成した場合であっても、同様に熱による超微細構造の消失は抑制することができる。

上記実施形態では、繊維状ナノ突起を形成した場合の消失について説明したが、レーザー加工によって、電極表面に超微細な凹凸を形成する場合についても同様である。

図４に、電極本体を第1金属だけで構成した場合と、上記実施形態のように第２金属を混在した場合の、レーザー加工による突起の変形の違いを示す。図４Ａは左側が陽極で右側が陰極である。陽極は従来と同様に、純度９９．９％のタングステンで構成されている。また、側面にレーザー加工による突起が形成されている。かかるレーザー加工による突起が形成されている部分はほとんど反射がないのでほぼ真っ黒に現れている。一方、陰極は、酸化トリウムを体積比で２％混在させたタングステン合金で構成されており、先端部を除きレーザー加工による突起が形成されている。従って、先端部を除き、ほぼ真っ黒に現れている。

かかる陽極、陰極をガラス管内で所定時間、炉で加熱させた後の状態を図４Ｂに示す。このように、陽極はほぼ真っ黒の部分がほとんど白に近い状態となっている。これに対して、陰極は先端部以外の部分は、色が陽極と比べると黒い。

この場合も、上記実施形態と同様の理由により、図４において、表面が黒いままとなったものと考えられる。

本実施形態においては、第２の金属として酸化トリウムを採用した。金属の酸化物は、金属それ自体よりも硬くかつ高温でも安定なものが多いので、上記効果が増すからである。しかしこれに限定されず、これ以外の合金、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物であってもよい。

たとえば、酸化金属としては、酸化トリウム、酸化イットリウム、酸化ジスプロシウム、酸化レニウムが、炭化金属としては、炭化チタンまたは炭化タンタルがあげられる。

また、第２金属として、これらの合金を採用してもよい。合金とは２種類以上の元素を含んだ金属をいい、固溶体、その混合物（多相体）、金属間化合物などをいう。たとえば、トリウム、イットリウム、ジスプロシウム、レニウム等の酸化物、窒化物、または炭化物、その他の希土類金属（スカンジウム（Sc）、イットリウム（Y）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、ルテチウム（Lu））であってもよい。

また、第２の金属として、金属間化合物を採用してもよい。純金属や固溶体に比べて結晶構造が複雑であり、また金属結合よりも強固な共有結合などの結合を有するものが多いため、それ自身が安定しており、上記抑制効果が増すからである。

上記実施形態では、陽極に採用した場合について説明したが、陰極に採用することもできる。陰極に採用することにより、陰極全体としては温度を低下させることができる。これにより、陰極に含まれるエミッタが蒸発により、早期に枯渇することを防止できる。

また、蒸発したエミッタが陰極側面に形成した微細構造に吸着されるので、ランプ発光管内を浮遊することはなく、管壁の白濁等による照度低下等を抑制することができる。

なお、合金を形成するか否かは、金属や酸化物等の状態図などによって知ることができる。

また、第２の金属が第１の金属と合金等を形成する場合は、全率において1400℃以下で液相を有さないことが必要である。これは状態図から知ることができる。

なお、蒸気圧も低い方がよいのは当然であるが、蒸気圧は融点との相関関係が強いため、融点が条件を満足すれば、ほぼ自動的に満足する。

また、合金を形成時に第１金属単体よりも硬くなるほうが好ましい。これは、硬い物質を用いることで、基材の変形に対する効果がより高温でも維持できるからである。一般的には、純金属や固溶体よりも、セラミックスや金属間化合物の方が硬度が高いので好ましい。

上記実施形態においては、接合の後に、微細構造を形成した。これは、接合時の昇温により熱で劣化するのを防止すること、また、ＳＰＳ装置への設置の際に、接触等による構造の損傷を防ぐためである。しかし、かかる問題が回避できるのであれば、手順は任意である。

上記実施形態においては、芯棒に電極を取り付けるタイプについて説明したが、小型ランプの電極であれば、芯棒にタングステンコイルを巻き付けることで、電極代わりに用いることもある。この場合には、コイルを第１の金属と第２の金属で構成するようにしてもよい。また、前記のように第１金属のコイルの表面に、第１の金属と第２の金属の粉末を焼結させてもよい。

上記実施形態においては、超微細構造として、プラズマによる微細繊維状加工を採用した場合について説明したが、マクロな表面積拡大加工であれば、粉末をさらに付加するパウダー焼結、レーザによる表面を荒らしたことによる超微細構造を施す加工、PVD加工など、どのような微細構造であってもよい。

なお、第２金属として、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物を採用する場合には、第１金属と混ぜる第２金属の濃度は、０．０１％〜２％程度が好ましい。あまり第２金属が多いと、その分電気抵抗が増えるからである。

特に、鍛造で製造する場合には、割れなどの問題もあるが、上記ＳＰＳで粉末を固める場合には、１０％以下、さらには５％以下でも製造可能である。

本実施形態においては、第1金属の電極として鍛造したタングステンを用いたが、高温高庄で焼結したＨＩＰタングステンを採用してもよい。

先端部の材料としてタングステンを用いる場合、99.9％の純度のタングステンを用いることが、耐熱性との関係で好ましい。

上記実施形態においては、陽極１の本体部５の側面に繊維状ナノ突起を形成したが、その一部に形成するようにしてもよい。

２．第２の実施形態
第１実施形態においては、第１の金属と第２の金属を混在させて本体部を形成したが、第１の金属で構成された電極を準備し、その表面に数百ミクロン程度の厚みで、第１金属に対して接合性の高い接合金属の粉末、および接合金属拡散抑制物質を含む粉末を塗布したあと、焼結させるようにしてもよい。本実施形態においては、１５０μmとしたが、数十μm程度であってもよい。本熱の点では、薄い方が好ましい。

これにより、電極の表面付近のみに介在層が構成される。介在層が接合金属の拡散を抑制する接合金属拡散抑制物質を含むことにより、第１実施形態と同じく、超微細構造が戻ろうとするのを防止することができる。微細構造の形成については、前記焼結処理の後、微細構造を形成すればよい。

本実施形態においては、電極としては純タングステンを、接合金属としては第1金属であるタングステンを、接合金属拡散抑制物質としては酸化イットリウムを採用した。

接合金属拡散抑制物質は、酸化物と金属との組み合わせた素材で採用する方が、超微細構造の消失抑制効果が高い。これは、金属だけである場合、時間および温度により接合金属拡散抑制物質自体が相互拡散するおそれがある。これに対して、金属酸化物であればかかる相互拡散の速度が遅いからである。これにより、第１金属の歪や欠陥の消滅、すなわち、エネルギーが低くなろうとする力に対する拘束力がより、長時間保たれるからである。

かかる拡散速度については、酸化物だけでなく、窒化物、炭化物についても同様である。

上記構造において、接合金属に対する接合金属拡散抑制物質の濃度は、ある程度高い方が好ましい。第一金属への上記の拘束力が高く（多く）なるからである。

かかる割合は、接合金属拡散抑制物質の粒子径などによって異なる。具体的には、介在層を構成するタングステンおよび酸化イットリウムについては、焼結後、タングステンがくっつかない方が好ましい。このため、タングステンも酸化イットリウムも粒子径はそろっている方が好ましい。これは粒子が異なると、大きな粒子の隙間を埋めてしまうからである。また、タングステンも酸化イットリウムもそれぞれ表面粗度が粗い方が好ましい。また各粒子の形状が、いびつの方が好ましい。

また、介在層を構成するタングステンおよび酸化イットリウムについて、球状ではない粒子、すなわち、繊維状粒子を使用する場合は、単一寸法で細長い方が好ましい。

またこの実施形態では、表面が接合金属拡散抑制物質であり、内部は通常の電極材料を用いることができる。したがって、電気抵抗を確保しつつ、表面の超微細構造の消失を少しでも遅らすことができる。

なお、金属炭化物を採用する場合、予めアウトガス処理をしておくことが好ましい。

本実施形態においては、接合金属拡散抑制物質により、そのエネルギーを高いまま保つことで、その結果消失することを遅らすようにした。しかし、これ以外に、多孔質形状（ポーラス状）の接合金属を設け、その表面に超微細構造を形成することによっても、同様の効果を奏する。これは、ポーラスが、接合金属拡散抑制物質の役割をして、多孔質状の接合金属のエネルギーが低くなるのを抑制するからである。

たとえば、接合金属としては第1金属であるタングステン粒子とタングステンと合金を形成しない金属（ＡｇやＣｕなど）を混ぜて、電極である純タングステンの表面に塗布した後、真空中で加熱して銅を蒸発除去する。これにより、ポーラス状のタングステン膜が表面に形成される。このポーラス状のタングステン膜の表面に超微細構造を形成すればよい。かかる多孔質体の接合金属は表面拡散も抑制されるし、放熱するための表面積を大きくすることもできる。

前記第1実施形態における変形例は、第2実施形態に開示した発明の本質に反しない限り、適用可能である。

１・・・・・・陽極
３・・・・・・先端部
５・・・・・・本体部

Claims (9)

1. 先端部および本体部を有するショートアーク放電ランプ用の電極であって、
   前記本体部内部には塑性変形によりひずみエネルギーが蓄積されており、
   前記先端部は、高融点金属で構成されており、
   前記本体部の表面には太さが数十nmの繊維状ナノ突起が形成されており、
   前記本体部には、高融点金属である第１金属と異なる第２金属が混在されており、前記第２金属は、1400℃以上の耐熱性を有している合金、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
2. 請求項１のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記第１金属はタングステンであり、前記第２金属は、酸化トリウム、酸化イットリウム、酸化ジスプロシウム、酸化レニウム、炭化チタンまたは炭化タンタルであること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
3. 請求項１または２のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記第1金属に対する前記第２金属の割合が１０％以下であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
4. 請求項３のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記第1金属に対する前記第２金属の割合が５％以下であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
5. 請求項３のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記第1金属に対する前記第２金属の割合が２％以下であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
6. 請求項１〜５のいずれかのショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記超微細構造は繊維状ナノ突起であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
7. 先端部および本体部を有するショートアーク放電ランプ用の電極であって、
   前記先端部および前記本体部は、高融点の第１金属で構成されており、
   前記本体部内部には塑性変形によりひずみエネルギーが蓄積されており、
   前記本体部の表面には介在層が設けられており、
   前記介在層の表面には超微細構造が形成されており、
   前記介在層は、前記第１金属に対して接合性の高い接合金属および、前記接合金属の拡散を抑制する接合金属拡散抑制物質を含んでいること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
8. 請求項７のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記拡散抑制状態は、前記接合金属が多孔質形状であることにより実現されていること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。
9. 請求項７のショートアーク放電ランプ用の電極において、
   前記接合金属拡散抑制物質は、金属酸化物、金属窒化物、または金属炭化物であること、
   を特徴とするショートアーク放電ランプ用の電極。