JP7013068B1 - ショートアーク放電ランプ用電極およびその生成方法 - Google Patents

ショートアーク放電ランプ用電極およびその生成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】放熱性の高いショートアーク放電ランプ用電極を提供する。【解決手段】 タングステン電極の表面にレーザ光を照射し、表面を溶解・凝固させて、水平・垂直方向において不規則な平均粗さRaが10 μm以下の、かえし構造を有する凹凸を形成する。前記凹凸が設けられた電極本体表面にセラミックスの粉末を溶媒に混ぜたペーストを塗布し、乾燥後に焼結させ、表面に微細な亀裂を有する放熱層を形成する。前記酸化ジルコニウムペーストの塗付を繰り替したのち、焼結することで放熱層を形成する。【選択図】図２

Description

本発明はショートアーク放電ランプ用電極に関し、特に、電極表面に、放熱性の高いセラミックスの放熱層を形成する技術に関する。
日本特許第4295527号公報の段落００５０には、アルミナ、酸化カルシウム、アルミナと酸化チタンの混合物、アルミナと酸化クロムの混合物の内のいずれか一種からなる放熱層について密着性を向上させるためにタングステンの表面にＲｍａｘ１０μｍ以上、好ましくはＲｍａｘ５０μｍ 以上の凹凸を設けることが開示されている。
前記アルミナ、酸化カルシウム、アルミナと酸化チタンの混合物、アルミナと酸化クロムの混合物については、融点が低いので、高温となる放電ランプについては、使用しづらい。
そこで、発明者は、ジルコニウムに着目して、タングステン電極の表面に形成できないかと考えた。
しかしながら、タングステンの表面に酸化ジルコニウムの放熱層を形成しても、それだけでは、放熱性があまり向上しないことがわかった。
この発明は、放熱性の高いセラミックスの放熱層を形成した電極およびその生成方法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電極の生産方法においては、高融点金属で構成された電極本体の表面に、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムの放熱層を備えたショートアーク放電ランプ用電極の生産方法であって、前記電極本体表面にレーザ照射して前記電極表面を溶融・凝固させることにより、平均粗さRaが21 μm以下の凹凸を形成するステップ、前記凹凸が設けられた電極本体表面にセラミックスの粉末を溶媒に混ぜたペーストを塗布し、乾燥後に焼結させて、前記放熱層の表面に微細な亀裂を有する放熱層を形成するステップ、を備えている。したがって、放熱性の高いショートアーク放電ランプ用電極を提供することができる。
（２）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用電極の生産方法においては、前記凹凸は、前記電極本体表面の水平・垂直方向のいずれにもかえし構造を有する。したがって、放熱性の高いショートアーク放電ランプ用電極を提供することができる。
（３）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用電極の生産方法においては、前記凹凸の最大粗さRz／平均粗さRaが５～９である。したがって、前記電極本体と前記放熱層との密着性を向上させることができる。

（４）本発明にかかるショートアーク放電ランプ用電極の生産方法においては、前記凹凸の平均粗さRaは10 μm以下である。したがって、前記電極本体と前記放熱層との密着性を、より長期にわたって保つことができる。

本明細書において、平均粗さRaとは、JIS B 0601における、基準長さにおけるZ(x)絶対値の平均を表した算術平均粗さをいう。また最大粗さRzとは、粗さ計で測定した粗さ曲線の一部を基準長さで抜き出し、もっとも高い部分（最大山高さ：Rp）と、もっとも深い部分（最大谷深さ：Rv）の和で求められるJIS B 0601-2001による計測パラメータをいう。
この発明の特徴、他の目的、用途、効果等は、実施形態および図面を参酌することにより明らかになるであろう。
本発明にかかるタングステン本体３０の表面に形成する凹凸の模式図である。 図２Ａは、タングステン本体３０の上に形成された放熱層３２の詳細を示す電子顕微鏡写真である。図２Ｂはさらにその一部の拡大図である。 図２Ａの矢印２０からの矢視図である。 各サンプルにおけるタングステン本体３０の表面粗さ（平均粗さRaおよび最大粗さRz）の分布を示す図である。 レーザ加工の条件を変更した場合の平均粗さRaと放熱性の関係を示す表である。 酸化ジルコニウム以外のセラミックスにおける効果を示す表である。 図４に示した９サンプルおよび追加実験をしたサンプルにおける平均粗さRaと最大粗さRzとの関係を示す表である。 各サンプルにおける平均粗さRaと最大粗さRzとの関係分布を示す図である。
１．製造工程について
本発明にかかる電極の放熱層の生成方法について、説明する。
1)不規則凹凸加工工程
タングステン電極を準備し、表面にレーザ光を照射し、これにより、タングステン表面を溶解・凝固させて、水平・垂直方向において不規則な平均粗さRaが10 μm以下の凹凸を形成する。
本実施形態においては、ファイバーレーザーマーカーTF450（グラボテック株式会社製） を採用して、以下の条件で電極のタングステン表面を凝固溶解させ、水平・垂直方向において不規則な凹凸を形成した。
レーザ出力：装置の最大出力である50 Wの80% （40 W)，
繰り返し周波数：80 kHz，
パルス幅：100 nm，
波長：1064 nm，
レーザ径：約60μm，
スキャン速度：30 mm/s，
隣接する2つのラインの間隔：約0.01 mm，
周囲の温度：室温，
周囲のガス：窒素，
圧力：大気圧，
この場合、1パルスあたりのエネルギー[J] ＝ レーザーの出力[W] /レーザーの繰り返し周波数[Hz]であるので、本実施例においては、1パルスあたりのエネルギーは、40 W/ 80 kHz = 0.5 mJとなる。
図１にタングステン表面に形成される水平・垂直方向において不規則な平均粗さRaが10 μm以下の凹凸の断面の模式図を示す。図１で明らかなように、水平・垂直方向のいずれにも、かえし構造を有する断面となっている。
2)セラミックス層形成工程
前記凹凸が設けられた電極本体表面にセラミックスの粉末を溶媒に混ぜたペーストを塗布し、乾燥後に焼結させる。これにより、表面に微細な亀裂を有するセラミックスの放熱層を形成する。
前記ペーストの生成方法について説明する。酢酸ブチル11mL（9.7g）に、ニトロセルロース1.0g及び酸化ジルコニウム粉末6.6gを混ぜた溶液を準備する。これを、スターラ―を用いて、1日程度撹拌する。攪拌前は酸化ジルコニウム粉末は凝集して大きな粒となっていることがあるが、攪拌することで、粒径が十分小さい酸化ジルコニウムペーストが得られる。本実施形態においては、前記凹凸が21μm以下であるので、酸化ジルコニウムの粒径が１μm未満となるように攪拌した。
なお、酸化ジルコニウムの粒径を小さくする方法は、これに限定されず、ふるい、または分粒器などを用いてもよい。
この酸化ジルコニウムペーストを、例えば、筆で電極表面に塗付する。
次に、焼結を行う。本実施形態においては、焼結条件として、真空中で、室温～1300℃までは、50℃/分で、1300～1800℃までは500℃/分で、1800℃で2分間キープし、電極表面の酸化ジルコニウムを焼結させた。
本実施形態においては、前記酸化ジルコニウムペーストの塗付および乾燥を複数回繰り返し、前記表面の凹凸のうち一番高い位置から5μmとしたあと、焼結させることで放熱層を形成した。なお、かかる5μmについては限定されない。
本実施形態においては、前記酸化ジルコニウムペーストの塗付および焼結を複数回繰り返し、前記表面の凹凸のうち一番高い位置から5μmとなるように、放熱層を形成した。なお、かかる5μmについては限定されない。
２． 生成された電極について
図２Ａに、本発明にかかるショートアーク放電ランプの電極１の拡大断面図（500倍）を示す。図２Ａで白い領域はタングステンであり、その上に酸化ジルコニウムの放熱層が形成されている。同図では、どの領域がタングステン、酸化ジルコニウムなのかがわかりにくいので、図２Ａの一部を更に拡大した写真を図２Ｂに示す。同図において、タングステン本体３０と酸化ジルコニウム層３２との界面に形成されている黒い部分３１は空洞である。また、酸化ジルコニウム層３２に存在する空洞の内、一部の空洞は、酸化ジルコニウム層３２の表面まで貫通している（例えば空洞３５）。
図３は、図２Ａの矢印２０からの矢視図である。同図に示すように，酸化ジルコニウム層３２の表面には、下層のタングステン本体３０の表面に形成した凹凸が原因で生じた微細な亀裂が形成されている。
電極１の放射率を計測したところ、温度1000℃にて0.8、1800℃にて0.9の計測結果が得られた。
本実施形態においては、放射率は以下の方法を用いて計測した。放熱層を形成した電極本体に、鏡面の部分を形成する。電極を酸化させないために、ガラス管の中に設置した前記電極を真空中で、鏡面の部分が所定温度(１８００℃)になるように加熱する。温度の計測は放射温度計を用いれば良い。タングステンの放射率は、鏡面、波長650μm及び温度約2000℃の場合で、約0.4である。したがって、前記鏡面部分の値を基準値として、放熱膜の温度が前記所定温度になるように、放射温度計の放射率を変更し、これを所定温度における放熱膜の放射率とする。
かかる放熱率の向上は、タングステンの微細な凹凸の隙間に、酸化ジルコニウムが潜り込むような形状となることで、酸化ジルコニウムの表面に形成される微細な凹凸によるものと発明者は推測した。
この推論を裏づけるために、発明者は、タングステンの表面に形成する凹凸の大きさが異なる電極を作成して比較した。その結果、1800℃において、実施例１（スキャン速度30mm/s）では、放射率0.9であるのに対して、参考例１（レーザ加工無し）では0.7であった。
図３に示すように、実施例１では酸化ジルコニウムの表面に亀裂が発生している。発明者は、タングステンの表面に形成する凹凸形状がこの亀裂形成に影響を与えていると考えた。
そこで、レーザの走査速度および周波数を変えた電極を９つ作成し、各々について、放射率を計測した。計測結果を図５に示す。No９の外注品については、 レーザ加工機のパワー、走査速度などは不明である。理由は以下の通りである。発明者は、レーザ加工した製品をサンプルとして渡して、同等のレーザ加工を依頼した。レーザ加工後の製品について、平均粗さRa、などを計測した。なお、レーザ加工の条件はノウハウであるとして情報提供を受けることができなかった。
図５で明らかなように、レーザの1パルスあたりのエネルギを大きくすると、表面粗さは大きくなる。また、走査速度は、通常は、速くすればするほど、表面粗さは小さくなると考えられるが，60mm/s程度では平均粗さRaには、ほとんど影響がないことがわかる。
図４に、各サンプルにおける平均粗さRa、最大粗さRzの関係を示す。各サンプルもいずれも平均粗さRaがサンプルNo９は除くと10 μm以下である。各サンプルは、図５に示すように放射率が向上している。サンプルNo９も放射率が向上している。
なお、図５における平均粗さRa、最大粗さRzはレーザ加工後、放熱層を形成する前に計測したことは、当業者であれば記載しなくても理解できることは当然であるが、念のため言及しておく。
また、実施例１では、タングステンの表面の水平・垂直方向のいずれにも、かえし構造を有する凹凸が存在する。したがって、酸化ジルコニウムの放熱層３とタングステン電極２の界面では、酸化ジルコニウムがタングステンの凹凸の隙間に潜り込むようにして密着するという効果も奏する。
本実施形態においては、放熱層３２の厚みを60μmとしたが、タングステン表面に生成した微細な凹凸が隠れる程度であれば、これに限定されない。
図７Ａに図４に示したサンプルNo１～９の最大粗さRzと平均粗さRaの関係を両者の比で表した値(以下、表面荒さ乱雑度Srという)を示す。サンプルNo１～９は表面荒さ乱雑度Srが「５．９」～「９．１」である。
図７Ｂに走査速度を150mm/s、300mm/s、600mm/s、900mm/sとした場合の平均粗さRa、最大粗さRzの関係を示す。このように走査速度を速くしても、表面荒さ乱雑度Srは、「５．７」～「８．０」となっている。
なお、図７Ｂにおいて、走査速度以外の条件は、サンプル７と同じく、出力40W、繰り返し周波数：50 kHz，エネルギーパルス0.8mJとした。
図８に、図７Ａ，Ｂの各サンプルの表面荒さ乱雑度Srの分布を示す。このように各サンプルは、ほぼ直線上に位置する関係に分布されている。なお、図８では、サンプル９については図示していない。これは、このサンプルについては表面荒さ乱雑度Srは他のサンプルと同様であるが、平均粗さRaおよび最大粗さRzの数値が大きいので、これを図示すると、他の28本の位置が複数で重なってしまい、それらの関係が見えにくくなるからである。
このように、平均粗さRaが21 μm以下で、かつ、表面荒さ乱雑度Srが５．７～８．９の微細な凹凸を形成することにより、タングステン本体とその表面に形成されるセラミックスの密着性を高くすることができる。これは図1に示すような凹凸にセラミックスのペーストがはまり込むからである。また、微細な凹凸であるので製造時に塗りやすいという効果もある。
また、平均粗さRaが10 μm以下で、かつ、表面荒さ乱雑度Srが５．７～８．９の微細な凹凸を形成することにより、長期にわたって、よりはがれにくい電極を得ることができる。また製造時にセラミックスのペーストを塗りやすいという利点もある。
なお表面荒さ乱雑度Srは10以下、具体的には5～9であってもよい。
３．他の実施形態
本実施形態においては、酸化ジルコニウムの放熱層を生成する場合について説明したが、図６に示すように、窒化ジルコニウム、炭化ジルコニウムでも、同様に、放熱率の高い放熱層を生成することができる。
なお、酸化ハウニウムについては、放射率がよくなかった。また、炭化ケイ素は放射率としては問題なかったが、アウトガスが1600℃程度で発生したため、ショートアーク放電ランプ用電極の放熱層としては好ましくない。
また、上記実施形態では、酸化ジルコニウムペースト生成に、酸化ジルコニウム (密度：5.7 g/cm3): 6.6 gとした。ここで、酸化ジルコニウムは、窒化ジルコニウム、および炭化ジルコニウムとは密度が異なるので、それぞれの密度に応じて、材料の質量を下記のように変更すればよい。
ZrC (密度：6.7 g/cm3): 7.8 g
ZrN (密度：7.0 g/cm3): 8.1 g
また、本実施形態においては、ショート放電ランプの陽極に適用した場合について説明したが、陰極に適用することも可能である。
本実施形態においては、レーザ光を用いたが電子ビームなど他の手法を採用することも可能である。
上記においては、本発明を好ましい実施形態として説明したが、限定のために用いたのではなく、説明のために用いたものであって、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、添付のクレームの範囲において、変更することができるものである。
１・・・・・・電極
３０・・・・・タングステン本体
３２・・・・・酸化ジルコニウム層

Claims (7)

  1. 高融点金属で構成された電極本体の表面に、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムの放熱層を備えたショートアーク放電ランプ用電極の生産方法であって、
    前記電極本体表面にレーザ照射して前記電極表面を溶融・凝固させることにより、平均粗さRaが21 μm以下の凹凸を形成するステップ、
    前記凹凸が設けられた電極本体表面にセラミックスの粉末を溶媒に混ぜたペーストを塗布し、乾燥後に焼結させて、前記放熱層の表面に微細な亀裂を有する放熱層を形成するステップ、
    を備え、
    前記凹凸は、前記電極本体表面の水平・垂直方向のいずれにもかえし構造を有すること、
    を特徴とするショートアーク放電ランプ用電極の生産方法。
  2. 請求項１のショートアーク放電ランプ用電極の生産方法において、
    前記凹凸の最大粗さRz／平均粗さRaが５～９であること、
    を特徴とするショートアーク放電ランプ用電極の生産方法。
  3. 請求項２のショートアーク放電ランプ用電極の生産方法において、
    前記凹凸の平均粗さRaは10 μm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電極の生産方法。
  4. 高融点金属で構成された電極本体、
    前記電極本体表面に設けられ、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウムまたは窒化ジルコニウムのセラミックス放熱層、
    を備えたショートアーク放電ランプ用電極であって、
    前記放熱層と接する側の前記電極本体側には、平均粗さRaが21 μm以下の溶融・凝固凹凸が形成されており、前記放熱層の一部は前記溶融・凝固凹凸に潜り込むような形状となっており、
    前記放熱層には、前記電極との接触面とは逆側の表面に前記溶融・凝固凹凸により生じた微細な亀裂が形成されていること、
    を特徴とするショートアーク放電ランプ用電極。
  5. 請求項４のショートアーク放電ランプ用電極において、
    前記溶融・凝固凹凸は、前記電極本体表面の水平・垂直方向のいずれにもかえし構造を有すること、
    を特徴とするショートアーク放電ランプ用電極。
  6. 請求項５のショートアーク放電ランプ用電極において、
    前記溶融・凝固凹凸の最大粗さRz／平均粗さRaが５～９であること、
    を特徴とするショートアーク放電ランプ用電極。
  7. 請求項６のショートアーク放電ランプ用電極において、
    前記溶融・凝固凹凸の平均粗さRaは10 μm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電極。


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