電極、放電ランプ、電極製造方法

【課題】エミッターの蒸発を抑えた電極を実現したことにより、ランプの長寿命化を実現する。
【解決手段】電極100は、エミッターとなる電極先端部11とこの電極先端部11と一体成形された電極基部12から構成される。電極先端部11は希土類金属を1種以上含む硼化物およびタングステンとの合金により形成され、電極基部12は高融点金属である例えばタングステンで形成される。希土類金属を1種以上含む硼化物としては、酸化バリウム、六硼化ランタン、セシウムボロンが考えられる。電極基部12の電極先端部11と反対側には細く形成したタングステン製の電極軸13が電極基部12に一定的に形成される。硼化物およびタングステンとの合金で形成された電極先端部11は、難焼結体であるとともに電子放出特性に非常に優れたエミッターとなる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、高圧放電ランプ等に用いられる電極およびこの電極を用いた放電ランプおよび電極製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の高圧放電ランプに用いられる電極は、放電プラズマ焼結装置によって製造された希土類酸化物を添加したタングステンで形成することで、変形や消耗を抑えることができるとともに、エミッターの急速な飛散等を抑制することを可能としている。(例えば、特許文献1)
【特許文献1】特開2002−110089公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
上記した特許文献1の技術は、放電プラズマ焼結装置によって製造された希土類酸化物が添加されたタングステン電極を放電ランプに用いたものである。しかし、エミッターである希土類酸化物は動作温度や必要とする電力が何れも高い。希土類酸化物添加のタングステン電極を用いた放電ランプでは、高動作温度、高電力が必要であることから電極の消耗が早く寿命か短くなる、という問題があった。
【0004】
この発明の目的は、エミッターの蒸発を抑えて長寿命化を図った電極、この電極を用いた放電ランプおよびこの電極の電極製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記した課題を解決するために、この発明の電極は、少なくともエミッターが希土類金属を1種以上含む硼化物およびタングステンとの合金により形成してなることを特徴とする。
【0006】
また、この発明の放電ランプは、石英ガラス製のバルブと、該バルブ内に構成される放電空間に対向配置された一対の電極とを具備した放電ランプにおいて、前記一対の電極の少なくとも一方は、請求項1〜5のいずれかに記載の電極としたことを特徴とする。
【0007】
さらに、この発明の電極製造方法は、エミッタ―を形成する部分となる希土類金属を1種以上含む硼化物の粉末とタングステン粉末を、成形型に積層した状態で充填し、該成形型を加圧させながら焼結して電極を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、電極先端を硼化物およびタングステンとの合金で形成したことから、エミッターの蒸発が抑えられ長寿命化のランプの実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0010】
図1は、この発明の電極に関する一実施形態について説明するための概略的な構成図である。
【0011】
図1において、100は電極であり、この電極100は、エミッターとなる電極先端部11とこの電極先端部11と一体成形された電極基部12から構成される。電極先端部11は希土類金属を1種以上含む硼化物およびタングステンとの合金により形成され、電極基部12は高融点金属である例えばタングステンで形成される。電極基部12の電極先端部11と反対側には細く形成したタングステン製の電極軸13が電極基部12に一定的に形成される。
【0012】
硼化物およびタングステンとの合金で形成された電極先端部11は、難焼結体であるとともに電子放出特性に非常に優れたエミッターとなる。
【0013】
なお、電極基部12も電極先端部11と同材料で形成することが可能である。
【0014】
図2は、この発明の放電ランプに関する一実施形態について説明するための概略的な構成図である。
【0015】
この放電ランプ200は、例えば定格消費電力が500W、ランプ電圧が25V、ランプ電流が20Aの直流型の放電ランプである。この放電ランプ200は、内容積が11mm程度であり、石英ガラスからなる発光管21内に電極軸221の先端に取り付けられた陰極22(図1の電極100に相当)と電極軸13の先端に取り付けられた陽極23とが、極間距離3mm程度で対向して配置されている。
【0016】
そして、発光管21内には所定量の水銀とキセノンガスが封入されている。電極軸221,13の尾端部は、それぞれモリブデン箔24,25に溶接され、モリブデン箔24,25は、発光管21の両端にそれぞれ連設された封止管26,27内に埋設されて封止されている。また、封止管26,27の尾端にはそれぞれ口金28,29がそれぞれ取り付けられる。30,31は、電力を供給するためのリードである。
【0017】
ここで、陰極22は、例えば直径が7mm、長さが20mmのタングステンの円柱体であり、先端部分はテーパー状に形成されて円錐形状をし、尖った部分側にエミッタ―である電極先端部11が形成され、陰極22側の電極軸13は、例えば直径が3mm、長さが22mmのタングステン棒からなる。
【0018】
一方、陽極23は、例えば直径が6mm、長さが18mmのタングステンの円柱体であり、先端部分はテーパー状に成形されて台形形状をしている。陽極側の電極軸221は、例えば直径が3mm、長さが17mmのタングステン棒からなる。
【0019】
このような構成の放電ランプでは、陰極22のエミーターとして硼化物およびタングステンとの合金で形成された電極先端部11が形成されていることから、電子放出特性に非常に優れた効率性の高いランプを実現することができる。
【0020】
この実施形態では、直流型の放電ランプの例としたが、交流型の放電ランプでも構わない。この場合は、両電極を直流型の陰極と同構成とすれば、温度上昇を抑え、電子放出特性に優れた交流点灯用の放電ランプを実現することができる。
【0021】
次に、図3〜図5を参照し、この発明の電極の製造方法に関する一実施形態について説明する。図3は製造プロセスについて説明するための説明図、図4は製造プロセス中の放電プラズマ焼結装置について説明するための説明図、図5は図4の一部を拡大して説明するための説明図である。
【0022】
図3において、まず、電極のエミッタ―を形成する部分となる原料粉末を準備し、ステップS1において、所定量の平均粒径3μmのエミッター粉末とタングステン粉末をボールミルで混合する。次に、ステップS2において電極基部となる平均粒径3μmのタングステン粉末を準備する。
【0023】
次に、ステップS3において、タングステン製の電極軸13の一端を、図4の放電プラズマ焼結(SPS:Spark Plasma Sintering)装置のグラファイト製の焼結ダイ内に配置し、他端を上下パンチのうち下側のパンチに形成された軸孔に挿入する。
【0024】
ステップS4において、図4の放電プラズマ焼結装置の焼結ダイ内に、ステップS1で混合された所定量の粉末とステップS2の所定量のタングステン粉末を積層の状態で充填する。
【0025】
そして、放電プラズマ焼結装置の上下パンチ間に焼結ダイをセットし(S5)、ステップS6において、10Pa程度の真空を引いた後、昇温50℃/分、1500〜1700℃×30分で焼結を行う。
【0026】
焼結温度が、1500℃を下回ると焼結密度が低くなり、逆に1700℃を超えるようになると、実際の焼結部は1700℃となるが、上下パンチは焼結ダイよりも500〜600℃高温となり、グラファイト製の焼結ダイ自体の強度が持たない、あるいは、グラファイトが昇華し始めるため上記温度が好ましい。
【0027】
ところで、ステップS4において、希土類硼化物を主成分とするエミッターを添加したタングステン電極の製法としては放電プラズマ焼結装置が最適である。放電プラズマ焼結装置は、低温、短時間で焼結が可能であり、タングステンの結晶粒径を小さくできることや、グラファイト型でクローズされた状態で焼結を行うため、エミッターの蒸発を抑えることができるためである。さらに、積層して原料粉末を充填することで、電極基部との一体焼結が可能であり、コスト的にも優れた電極を実現できる。
【0028】
ここで、放電プラズマ焼結装置を用いた電極の作製例について、図4を参照してさらに詳しく説明する。
【0029】
図4において、水冷真空チャンバー41内には、グラファイト製の円筒状の焼結ダイ42が配置され、その内部には電極100を形成するためのエミッター粉末とタングステン粉末を積層させて充填する。焼結ダイ42の上下には内部に充填された被加工物である電極100を、上下から加圧するための上部パンチ44および下部パンチ45が設けられている。これらの上部パンチ44および下部パンチ45には、上部パンチ台43および下部パンチ台46がそれぞれ接触するように配置されている。上部パンチ電極47および下部パンチ電極48の上端部および下端部は、水冷真空チャンバー41の外部に導出されている。上部パンチ電極47および下部パンチ電極48間には、焼結用パルス電源49から大電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ44および下部パンチ25を介して電極100に供給され、通電される。
【0030】
また、下部パンチ電極48には、焼結用加圧機構51により上方向の圧力Pが印加される。下部パンチ電極48は、上方向に移動可能に設けられており、圧力Pにより上方向に移動する。上部パンチ電極47および下部パンチ電極48のシリンダー部はそれぞれ焼結ダイ42の中空部上端および下端から挿入され、上部パンチ電極47および下部パンチ電極48が伝達され、焼結ダイ42内部に充填された電極100を上下から圧縮する。制御装置50は焼結用パルス電源49および焼結用加圧機構51を制御し、電極100に対して供給パルス電流および加圧圧力を制御する。
【0031】
ここで、図4の要部を拡大するとともに、より詳細に示した図5の断面図を参照し、エミッター粉末とタングステン粉末を焼成して電極100を形成すると同時に、電極100と電極軸13を一体的に焼結形成させることについてさらに説明する。
【0032】
図5に示すように、エミッター粉末とタングステン粉末がグラファイト型と反応することを防止するため、電極100と焼結ダイ42の間にはグラファイトペーパ52とタンタルシート53を介在させている。
【0033】
同様に、上部パンチ44と電極100の間にはグラファイトペーパ54とタンタルシート55を、下部パンチ45と電極100の間にはグラファイトペーパ56とタンタルシート57をそれぞれ介在させている。
【0034】
グラファイトペーパ52,54,56は、焼結ダイ42と上下部パンチ44,45と電極100とのそれぞれの熱膨張率の違いに基づき発生する応力の緩和を目的とするものである。
【0035】
このためタンタルシートとしては、反応を防止することを目的とした高融点活性金属シートであるため、これに代えて同様のモリブデンやセラミック等の金属シートであっても用いても構わない。
【0036】
ところで、下部パンチ45にはその上端部に開口するφ2mm程度の細孔451が形成されており、その内部に電極100内に一端部が埋設された電極軸13の他端部が挿入されている。細孔451には、電極100の焼結前の段階で、予め電極軸13の下部が細孔451の底部に接する形で挿入されている。
【0037】
この状態において、放電プラズマ焼結装置の制御装置50の制御に基づき、焼結用パルス電源49および焼結用加圧機構51が動作を開始し、電極100の放電プラズマ焼結が開始される。すなわち、焼結ダイ42の中空部の電極100には、上部パンチ電極47および下部パンチ電極48を介して焼結用パルス電源49から大電流のパルス電流が供給される。このパルス電流は、上部パンチ44および下部パンチ45を介して焼結ダイ42の中空部に充填積層された粉末状の電極100に供給され、通電される。
【0038】
また、下部パンチ電極48は上方向に移動可能に設けられており、圧力Pにより上方に移動して下部パンチ45を介して電極100を押し上げる。上部パンチ44および上部パンチ電極47は上下方向に対しては固定されているため、電極100は下方からの圧力Pにより圧縮される。電極100に大電流パルス電流を流すことにより、圧粉体粒子間隙に生ずる火花放電およびジュール熱により、加熱溶融焼結する。
【0039】
これにより、電極軸13とが一体化された図6(a)の電極100が完成する。焼結終了後の図6(a)の電極100の電極先端部11を、ラインx−x’とラインy−y’に沿って切削加工を行い、図6(b)に示す円錐形状とする。切削角度は、約30°〜80°程度で、放電ランプのアーク長および電流値により選定される。
【0040】
なお、電極軸13は、電極100を形成するときと同時に埋設する例としたが、電極軸13は、電極100を形成した後に電極100と溶接等の手段を用いて接着しても構わない。
【0041】
(実験)
ここで、サンプルを作成し、この発明の電極による放電特性を見るための放電試験を行った結果について、図7(a)〜(d)を参照し説明する。図7(a)〜(c)は、この発明の電極を使用した場合の、図7(d)は従来の電極を使用した場合の結果をそれぞれ示している。
【0042】
図7(a)はタングステンにこれに対して1.751w%の酸化バリウム(BaO)の合金を、図7(b)はタングステンにこれに対して0.801w%の六硼化ランタン(LaB)の合金を、図7(c)はタングステンにこれに対して1.471w%のセシウムボロン(CeB)の合金を、電極の先端にそれぞれ形成したものである。
【0043】
図7(d)は、タングステンに対して2.0w%の酸化トリウム(ThO)の合金を、電極の先端に形成したものである。
【0044】
放電試験には、外径がφ14mm、肉厚が1mmの石英管を用い、陽極にはAl(アルミニウム)、Si(シリコン)、K(カリウム)をドープ剤として添加した標準ノンサグワイヤをベースに高温耐振性、耐黒化性等の高品質のドープタングステン電極φ2×40mmのものを用いる。
【0045】
また、陰極としてはこの発明の放電プラズマ焼結で焼結した電極100からワイヤカットし、センタレスで表面を仕上げ、洗浄、1400℃で水素処理したφ1×L19mmの電極とした。電極は、水冷された電極ホルダーによって固定され、陽極はL17mm、陰極は14mmの突き出し長で、放電を行った。なお、電極のエミッタ―の先端部は、この発明と従来の電極ともに、円錐形状にカットする前の状態である先端がフラットの図6(a)の形状のものを使用している。
【0046】
放電条件は、10〜4Pa台まで真空引きした後、アルゴン(Ar)を0.2MPa導入し、DC放電で放電を行った。放電中の電流は5Aで一定とした。
【0047】
このような条件下で点灯させた場合、図7に示すように従来の電極の(d)に比して、この発明の電極で形成された(a)〜(c)は、5Aを一定とした電流に対し、電圧も点灯初期の数百秒程度は一定ではないが、この時間経過後は一定となり、安定した点灯を実現できる。
【0048】
図8は、図7の条件で点灯させ、放電開始から約3分後の陰極先端より0.3mm離れた温度の測定結果を示している。この結果、従来の酸化トリウムを使用した場合は2037℃であった温度が、酸化バリウム、六硼化ランタン、セシウムボロンの何れかとタングステンとの合金の場合は、1800度以下となる。この結果、放電石英管の黒化現象に低減に寄与する。
【0049】
このように、電極の温度を1800度以下に抑えることができることから、エミッタ―の蒸発を抑えて、黒化現象を低減させることで電極の寿命、延いてはランプの長寿命化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】この発明の電極に関する一実施形態について説明するための概略的な構成図。
【図2】この発明の放電ランプに関する一実施形態について説明するための概略的な構成図。
【図3】この発明の電極の製造方法に関する一実施形態の製造プロセスについて説明するための説明図。
【図4】製造プロセスの中の放電プラズマ焼結装置について説明するための説明図。
【図5】図4の一部を拡大して説明するための説明図。
【図6】(a)は図4の製造方法の途中段階における電極構造図、(b)は図4の製造方法で作製された電極構造図。
【図7】この発明と従来の効果について説明するための説明図。
【図8】この発明と従来の効果について説明するための説明図。
【符号の説明】
【0051】
100 電極
11 電極先端部
12 電極基部
13 電極軸
200 放電ランプ
21 発光管
22 陰極
221 電極軸
23 陽極
24,25 モリブデン箔
26,27 封止管
42 焼結ダイ
44 上部パンチ
45 下部パンチ
49 焼結用パルス電源
50 制御装置
51 焼結用加圧機構

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくともエミッターを希土類金属を1種以上含む硼化物およびタングステンとの合金により形成してなることを特徴とする電極。
【請求項2】
前記合金は、前記硼化物の粉末と前記タングステンの粉末を焼成したものであることを特徴とする請求項1記載の電極。
【請求項3】
前記焼結には、放電プラズマ焼結装置を用いたことを特徴とする請求項2記載の電極。
【請求項4】
前記硼化物の粉末と前記タングステンの粉末の平均結晶粒径は、5μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の電極。
【請求項5】
前記硼化物の含有量は、0.5〜2.0重量%としたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電極。
【請求項6】
石英ガラス製のバルブと、該バルブ内に構成される放電空間に対向配置された一対の電極とを具備した放電ランプにおいて、
前記一対の電極の少なくとも一方は、請求項1〜5のいずれかに記載の電極としたことを特徴とする放電ランプ。
【請求項7】
エミッタ―を形成する部分となる希土類金属を1種以上含む硼化物の粉末とタングステン粉末を、成形型に積層させた状態で充填し、該成形型を加圧させながら焼結して電極を形成したことを特徴とする電極の製造方法。
【請求項8】
前記焼結は、放電プラズマ焼結装置を用いたことを特徴とする請求項7に記載の電極の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2010−33825(P2010−33825A)
【公開日】平成22年2月12日(2010.2.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−193632(P2008−193632)
【出願日】平成20年7月28日(2008.7.28)
【出願人】(000111672)ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Fターム(参考)】