JP6826310B2 - 放電ランプ用電極およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、放電ランプ用電極およびその製造方法に関するものであり、特に、ショートアーク型放電ランプに用いられる電極およびその製造方法に係わるものである。

従来、水銀を封入したショートアーク型放電ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端間距離が短く、点光源に近いことから、光学系と組み合わせることにより集光効率の高い露光装置の光源として利用されている。
また、キセノンを封入したショートアーク型放電ランプは、映写機などにおいて可視光光源として用いられており、近年ではデジタルシネマ用光源としても重用されている。
この種の放電ランプには、市場からは高照度化が求められていて、ショートアーク型放電ランプからの放射光量も増加することが要求されている。
ショートアーク型放電ランプの放射光量は、放電ランプへの電気入力に比例することが従来から知られている。つまり、放電ランプへの電気入力を増加させれば放射光量も増加できる。
しかしランプ電流を増加させると、電極が加熱され、タングステンなどの電極材料の蒸発が促進され、発光管の内壁が黒化する可能性がある。特に、ランプ電流が増加すると陽極先端部が電子流の増加により加熱され、陽極部の温度が上昇してしまい、外部へ放出が不十分である場合には、陽極の温度上昇に伴う陽極材料の蒸発が促進され、ランプ寿命が短くなる等の問題があった。

このような問題を解決するために、陽極からの熱放射の効率を向上して陽極の温度を下げることが提案されている。
例えば、特開２００２−１１７８０６号公報（特許文献１）では、陽極が、先端部、コーン部、胴体部から構成され、胴体部の側面にＶ字状の溝部を形成したものが開示されている。
このような溝構造を設けることで、陽極表面からの熱放射率が向上し、ランプ点灯により発生した熱が効率的に放射され、陽極の温度が低下するとともに、陽極からのタングステンなどの飛散や蒸発も抑えることができるものである。

ところで、放電ランプの電極は、先端付近は高温のアークからの輻射に曝され、２０００℃以上の高温になるため、点灯経過中に変形しやすい。また、電極に流入した熱を放射・伝導するため、電極の材料としては、密度の高い材料が好ましく、このため、従来は、タングステンなどの高融点金属の粉末を焼結し、その後、鍛造やＨＩＰ処理（Hot Isostatic Pressing）等を行い、高密度化した焼結体（無垢材）が使用されてきた。
電極に使用する無垢材の形状は棒状(ロッド状)であり、タングステンは難削材であるため旋盤による切削加工以外は加工時間が長くなり現実的ではない。
従って、電極の形状としては円柱をベースとした、軸対称な形状に制約されることがほとんどである。
このため、電極の軽量化が困難であり、タングステンなどの電極材料の省資源化が難しいという問題がある。

特開２００２−１１７８０６号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、タングステン材料からなる放電ランプ用電極において、電極の軽量化を図り、併せて電極材料の省資源化をもたらし、かつ、放熱機能に優れた放電ランプ用電極構造およびその製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明の放電ランプ用電極では、タングステンの焼結体からなる先端部に、タングステンの粉末溶融積層体からなる本体部を積層した構造とし、前記本体部のタングステンの相対密度を前記先端部のタングステンの相対密度より小さくしたことを特徴とする。
また、前記本体部の外周部のタングステンの相対密度を中心部の相対密度より小さくしたことを特徴とする。
また、前記先端部を構成する焼結体が鍛造焼結体であって、該先端部のタングステンの結晶粒の長手方向が電極軸方向に伸びていることを特徴とする。
また、前記本体部の外周面に電極軸方向に延びる放熱溝が形成されていることを特徴とする。
また、前記放電ランプ用電極の製造方法であって、タングステンの焼結体の後端部に、タングステンの粉末溶融積層体を積層造形したことを特徴とする。

本発明によれば、アークに曝されて高温となる電極先端部は、電極に流入した熱を放射・伝導するために高密度の焼結体とし、電極後方部となる本体部を低密度の粉末溶融積層体としたので、電極全体を焼結体から構成した従来のものと比較して電極全体の軽量化が図られるとともに、電極材料であるタングステンの省資源化が促進される。
また、粉末溶融積層体はポーラスなタングステン層からなるので、電極側面からの熱放射特性が向上して電極の温度を下げることができる。
更には、電極本体部が粉末溶融積層体からなることで、その形状に自由度があり、任意の形状の電極が作成できる。

本発明の放電ランプ用電極の第１実施例（Ａ）と第２実施例の断面図。 図１のＡ部の拡大断面図。 図１のＢ部の拡大断面図。 本発明の電極を製造する積層造形装置の一例。 本発明の電極の製造工程１の説明図。 本発明の電極の製造工程２の説明図。 本発明の電極の製造工程３の説明図。 本発明の電極の製造工程４の説明図。 本発明の電極の製造工程５の説明図。 本発明の電極の製造工程６の説明図。 本発明の電極の最終工程図。 本発明の電極の第３の実施例の正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）。 本発明の電極を製造するレーザメタルデポジション装置の説明図。

図１（Ａ）（Ｂ）はこの発明の放電ランプ用電極１を示し、図１（Ａ）に示す電極１は、タングステンの焼結体（無垢体）からなる先端部１１と、この先端部１１に、タングステンの粉末溶融積層体からなる本体部１２を積層させて構成されている。この本体部１２の後端に芯線２が挿入固定されている。
なお、この例では、先端部１１の焼結体は、タングステンの焼結後に鍛造されて高密度化された（以下、焼結鍛造体ともいう）ものである。
前記粉末溶融積層体からなる本体部１２は、ポーラスなタングステン層からなり、そのタングステンの相対密度は、焼結体からなる先端部１１の相対密度より小さい。例えば、先端部１１の相対密度は９９．５％で、本体部１２の相対密度は９５％である。
なおここで、タングステンの相対密度とは、理論密度１９．３ｇ／ｃｍ^３に対する比率（％）をいう。
図１（Ｂ）に示す電極１は、本体部１２が相対密度の異なる２つの第１本体部１２ａと第２本体部１２ｂとからなり、第２本体部１２ｂの相対密度が第１本体部１２ａよりも小さい。例えば、先端部１１は９９．５％、第１本体部１２ａは９５％、第２本体部１２ｂは９０％である。

図２に、図１のＡ部、即ち、先端部１１と本体部１２の境界領域の拡大断面が示されていて、先端部１１を構成する焼結体が焼結後に鍛造された焼結鍛造体であって、そのタングステン粒子１１ａの長手方向が電極軸方向に沿って存在している。このような粒子配列は、タングステンの鍛造方向と先端部１１の切り出し方向を勘案することで得られる。即ち、鍛造方向に対して直交方向にタングステン粒子１１ａの長手方向が揃うことから、この長手方向が電極軸方向となるように先端部１１を用意すればよい。これにより、本体部１２との接合面に多くの粒界が存在することになる。
そのため、先端部１１に粉末溶融積層体である本体部１２を積層する際に、本体部１２側のタングステン粒子が、先端部１１側の多くのタングステン粒子１１ａの粒界に溶融して食い込むために、先端部（焼結鍛造体）１１と、本体部（粉末溶融積層体）１２との接合強度が強固なものとなる。

また、図３に、図１のＢ部の断面拡大図が示されていて、その外周部のタングステンの相対密度を、中心部の相対密度より小さくしてある。これにより、本体部１２の側表面における、例えば、数１０μｍ〜数１００μｍの表面層に低密度のタングステンの空孔層１２ｃが形成され、タングステン粒子間の隙間を疑似黒体として、電極表面の放射率を一層高め、電極の温度を低下させることができる。

なお、上記の実施例では、先端部１１を構成する焼結体は、焼結後に鍛造された焼結鍛造体の例を説明したが、段落０００４で先述したように、焼結体を鍛造以外のＨＩＰ処理によって高密度化したのであってもよい。

次いで、本発明の電極の製造方法について、その一例を以下に述べる。
図４に、本発明の放電ランプ用電極を製造するための積層造形装置５が示されていて、積層造形装置５は、タングステン粉末を積層して成形する積層ステージ５１、タングステン粉末Ｙを供給する粉末供給ステージ５２、タングステン粉末を紛末供給ステージ５２から積層ステージ５１に移送するスキージ５３、タングステン粉末を固化させるレーザ光Ｌを発生するファイバレーザ５４、レーザ光Ｌを反射し、タングステン紛末上を走査するガルバノミラー５５を有する。

積層ステージ５１および粉末供給ステージ５２は、上下に移動可能とされていて、スキージ５３は、この粉末供給ステージ５２から積層ステージ５１まで移動することができる。
ガルバノミラー５５は、ファイバレーザ５４から出射されたレーザ光Ｌを積層ステージ５１上のタングステン紛末に向けて反射する。ガルバノミラー５５を駆動することにより、レーザ光Ｌは所定のパターンに走査される。
なお、タングステン粉末が固化するときに酸化することを防止するため、少なくとも積層ステージ５１は不活性ガス中に配置することが好適である。

上記積層造形装置５による電極の製造方法を図５〜１１に基づいて説明する。
図５において、積層ステージ５１上には、電極先端部１１を構成する所定の形状・厚さのタングステンの焼結体Ｘが載置されており、粉末供給ステージ５２上には、タングステン粉末Ｙが積載されている。
この状態で、積層ステージ５１が所定距離だけ下降し、粉末供給ステージ５２が所定距離だけ上昇する。その結果、図６に示すように、積層ステージ５１の面は下がり、紛末供給ステージ５２では、タングステン紛末Ｙが上方に繰り出された状態になる。

次いで、図７に示すように、スキージ５３が粉末供給ステージ５２から積層ステージ５１に向けて移動し、粉末供給ステージ５２上のタングステン粉末Ｙを掻き取って、積層ステージ５１の方に移送し、焼結体Ｘ上を被覆するように積載される。図８は、スキージ５３の移動が完了した後の状態で、積載ステージ５１上の焼結体Ｘをタングステン粉末Ｙが被覆して埋設する。

これに、図９に示すように、ファイバレーザ５４からレーザ光Ｌが出射され、ガルバノミラー５５で反射されて、積載ステージ５１上のタングステン紛末Ｙに照射される。レーザ光Ｌは、本体部１２の所定の形状に則して走査され、その集光点において、タングステン粉末Ｙは溶融して固化し、図１０に示すように、先端部１１を形成する焼結体Ｘ上にタングステンによる粉末溶融積層体の薄層が形成される。ただ、この場合、タングステン粉末Ｙの全てが溶融するわけではなく、一部は焼結状態にあるものも存在する。

以下同様の手順を繰り返すことにより、図１１に示すように、焼結体からなる先端部１１上に、粉末溶融積層体からなる本体部１２が所定の形状で積層された電極１が形成される。
ここにおいて、本体部１２を積層形成する際に、被覆した粉末材料の量（厚さ）、レーザ光のエネルギー、レーザ光の走査速度などにより、粉末溶融積層体のタングステン密度を制御することができる。
これにより、先端部１１のタングステンの相対密度に対して、積層される本体部１２の相対密度を任意の小さなものとすることができる。

また、図１（Ｂ）に示すような、相対密度の異なる２つの第１本体部１２ａおよび第２本体部１２ｂによって本体部１２を構成することもできる。
更には、図３に示すような、本体部１２の外周部のタングステンの相対密度を中心部の相対密度より小さくする構造とすることもできる。こうすることで、電極本体部１２の表面の放射率を高め、電極の温度をより低下させることができる。
このような相対密度勾配は、前述したように、レーザ光のエネルギー、走査速度などの制御により達成することができる。

上記のように、本体部１２は粉末溶融積層体からなるので、その形状は任意のものが作成でき、図１２に示すように、本体部１２の外周面に管軸方向に延びる放熱溝１３を形成することもできる。電極全体が鍛造焼結体からなるものでは、このような放熱溝はレーザ加工により切削形成することが一般的であるが、本体部１２が粉末溶融積層体からなる本発明においては、本体部成形時に放熱溝も同時に形成できて作業性が極めて向上する。

ところで、本体部１２を構成する粉末溶融積層体は、前記積層造形装置５による成形の外に、レーザメタルデポジション法によっても成形することもできる。
その成形法は、例えば、特開２０１５−０３８２３７号公報に開示されていて、その要部構成が、図１３に示されている。
レーザメタルデポジション装置６は、円筒形の多重ノズルを有し、中心部のレーザ光ノズル６１からレーザ光ＬがワークＷに出射され、その周囲の材料噴出ノズル６２からタングステン粉末Ｙが供給される。供給された粉末材料Ｙは、レーザ光により焼結、あるいは溶融して所望の薄膜を形成するものである。また、材料噴出ノズル６２の外側には、シールドガス供給ノズル６３が形成されていて、酸化防止のために、例えば、アルゴンガスＧが流されている。
このレーザメタルデポジション法によれば、レーザ光ＬをワークＷに照射し、その照射領域にタングステン粉末Ｙを噴射することにより、レーザ光でタングステン粉末を肉盛りするので、積層スピードが速いという利点がある。

以上のように、本発明の放電ランプ用電極においては、焼結体からなる先端部に、ポーラスな粉末溶融積層体からなる本体部を積層した構造であるので、先端部はアークによる高熱に対応することができ、比較的低温となる後方部である本体部は、相対密度を小さくしたタングステン層であるので、電極全体の軽量化が図られるとともに、電極材料であるタングステンの省資源化が促進される。
また、本体部はポーラスなタングステン層であるので、電極側面からの熱放射特性が向上して、電極全体の温度低下に寄与する。
更には、本体部の形状に自由度があり、放熱溝の形成など任意の形状の電極が作成できる。

１ 電極
１１ 先端部（焼結体）
１１ａ タングステン粒子
１２ 本体部（粉末溶融積層体）
１２ａ 第１本体部
１２ｂ 第２本体部
１２ｃ 空孔層
１３ 放熱溝
２ 芯線
５ 積層造形装置
５１ 積層ステージ
５２ 粉末供給ステージ
５３ スキージ
５４ ファイバレーザ
５５ ガルバノミラー
６ レーザメタルデポジション装置
６１ レーザ光ノズル
６２ 材料噴出ノズル
６３ シールドガス供給ノズル
Ｘ 焼結体
Ｙ タングステン粉末
Ｌ レーザ光
Ｇ シールドガス（アルゴンガス）

Claims (3)

1. タングステンの焼結体からなる先端部と、該先端部に積層されたタングステンの粉末溶融積層体からなる本体部とからなり、
   前記先端部を構成する焼結体が鍛造焼結体であって、該先端部のタングステンの結晶粒の長手方向が電極軸方向に伸びており、
   前記本体部のタングステンの相対密度を、前記先端部のタングステンの相対密度より小さくしたことを特徴とする放電ランプ用電極。
2. 前記本体部の外周面に電極軸方向に延びる放熱溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用電極。
3. タングステンの焼結体からなる先端部と、該先端部に積層されたタングステンの粉末溶融積層体からなる本体部とからなり、前記本体部のタングステンの相対密度が、前記先端部のタングステンの相対密度より小さい放電ランプ用電極の製造方法であって、
   タングステンの焼結体の後端部に、タングステンの粉末溶融積層体を積層造形したことを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。

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