特許 7193676 放電ランプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-12

(45)【発行日】2022-12-20

(54)【発明の名称】放電ランプ

(51)【国際特許分類】

   H01J 61/073 20060101AFI20221213BHJP

   H01J 61/26 20060101ALI20221213BHJP

【ＦＩ】

H01J61/073

H01J61/26

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022170743

(22)【出願日】2022-10-25

【審査請求日】2022-10-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000128496

【氏名又は名称】株式会社オーク製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】小平 宏

(72)【発明者】

【氏名】酒井 規行

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－２３６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２１－５２１６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－４６４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９４９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２１３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４０１８１３５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ６１／０７３

Ｈ０１Ｊ ６１／０６

Ｈ０１Ｊ ６１／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放電管と、
前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
少なくとも一方の電極において、セラミックスを含み、層表面にタングステンが付着しているコーティング層が、電極胴体部表面の少なくとも一部に形成され、
前記コーティング層において、電極先端側に近い箇所に付着しているタングステンの付着量が、電極支持棒側に近い箇所に付着しているタングステンの付着量よりも相対的に多いことを特徴とする放電ランプ。

【請求項2】

前記コーティング層が、前記電極の軸方向中央部分を跨ぐように電極胴体部表面に形成され、
軸方向中央部分よりも電極先端側の層表面に付着しているタングステンの付着量が、軸方向中央部分よりも電極支持棒側の層表面に付着しているタングステンの付着量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

【請求項3】

前記コーティング層において、電極支持棒側から電極先端側に向けて、タングステンの付着量が、徐々に多くなることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

【請求項4】

前記コーティング層が、有彩色であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。

【請求項5】

前記セラミックスが、窒化物、酸化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物のうち少なくともいずれか１つから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ショートアーク型放電ランプなどの放電ランプに関し、特に、電極表面に対するコーティングに関する。

【背景技術】

【0002】

放電ランプは、点灯中に電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、放電管が黒化して、ランプ照度低下を招く。電極先端部を含めた電極の過熱を防ぐため、例えば、電極胴体部側面をネジ状の溝で表面積を大きくし、その溝の上に、タングステンの粉末を焼結させ、放熱層を形成する（特許文献１参照）。

【0003】

また、放熱部材を電極本体部に焼結させた放電ランプが知られている（特許文献２参照）。そこでは、電極本体部よりも熱電導性の高いセラミックス材料から成る中空円筒状の放熱部材を電極本体に焼結させ、電極側面側から放熱させることにより、電極温度の上昇を抑える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－３０６５４６号公報

【文献】特開２００８－１８６７９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ランプ点灯中、電極過熱によって電極材料（例えばタングステンなど）の一部が蒸発し、その蒸発物の一部は電極表面に付着する。これは、電極表面がセラミックス材料から成る放熱部材表面で形成されていても、同じである。このような電極材料の電極表面への付着は、セラミックス材料による放熱機能を低下させることに繋がる。

【0006】

したがって、ランプ点灯の間、電極表面からの放熱機能を効果的に発揮することができる放電ランプを提供することが求められる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様である放電ランプは、放電管と、放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極において、セラミックスを含み、層表面にタングステンが付着しているコーティング層が、電極胴体部表面の少なくとも一部に形成され、コーティング層において、電極先端側に近い箇所に付着しているタングステンの付着量が、電極支持棒側に近い箇所に付着しているタングステンの付着量よりも相対的に多い。

【0008】

コーティング層の形成位置は様々であり、例えば、コーティング層は、電極の軸方向中央部分を跨ぐように電極胴体部表面に形成することができる。この場合、軸方向中央部分よりも電極先端側の層表面に付着しているタングステンの付着量が、軸方向中央部分よりも電極支持棒側の層表面に付着しているタングステンの付着量よりも多くなるように、構成することが可能である。

【0009】

電極先端側と電極支持棒側との間でタングステンの付着量に相違を設ける方法は、様々な態様が可能であり、定められた濃度分布をもつようにすることが可能である。例えば、コーティング層において、電極支持棒側から電極先端側に向けて、タングステンの付着量が、徐々に多くなるようなグラデーションをもつように、タングステンの付着量を定めることが可能である。

【0010】

コーティング層としては、素材として１つまたは複数のセラミックスが含まれる単層のコーティング層と、複数のコーティング層が含まれる。また、複数のコーティング層に関しては、各層に対し、素材として１つのセラミックスが含まれる、あるいは、複数のセラミックスが含まれる構成となる。

【0011】

複数のコーティング層としての構成は様々であり、例えば、１つのコーティング層（例えば最下層）にセラミックスと電極素材（タングステン、モリブデンなど）が含まれる一方、他のコーティング層（例えば最下層の上に形成されるコーティング層）にはセラミックス成分のみ、あるいはセラミックスと電極素材以外の成分が含まれるように構成することが可能である。あるいは、ランプ軸方向に沿って電極先端側と後端側とで成分を変えた複数のコーティング層を構成することも可能である。

【0012】

コーティング層に含まれるセラミックスは、窒化物、酸化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物のうち少なくともいずれか１つから成るようにすればよい。すなわち、窒化物、酸化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物のいずれか１つのセラミックス、あるいは２つ以上のセラミックスから成るようにすることができる。

【0013】

例えば、セラミックスが、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、炭化ケイ素、珪化タンタル、ホウ化ジルコニウムの少なくともいずれか１つから成るように構成することができる。

【0014】

コーティング層については、有彩色にすることが可能である。例えば、窒化ジルコニウムの窒素とジルコニウムの原子数濃度の比が、０．２＜Ｎ／Ｚｒ＜０．９の範囲で調整することにより、有彩色にすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ランプ点灯の間、放熱機能を効果的に発揮することができる放電ランプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本実施形態である放電ランプの概略的平面図である。

【図2】本実施形態の電極を部分的に示す概略的平面図である。

【図3】実施例と比較例の照度維持率を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の略球状放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向（同軸）配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

【0018】

陰極である電極２０は、電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

【0019】

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。

【0020】

図２は、電極（陽極）３０を部分的に示す概略的平面図である。なお、電極（陰極）２０についても同様の構造にすることが可能である。

【0021】

電極３０は、電極先端面３２Ｔを有し、テーパー形状となる部分（以下、先端側テーパー部という）３２と、電極支持棒１７Ｂと繋がる柱状部分（以下、胴体部という）３４から構成されている。電極３０は、タングステンやモリブデンあるいはこれらの合金などから構成することができる。ここでは、電極３０が一体的に構成されている。

【0022】

胴体部３４の側面３４Ｓには、コーティング層４４が形成されている。ここでは、胴体部３４全体、すなわち、胴体部３４の電極先端側端部３４Ｅ１から電極支持棒側端部（図２では図示せず）に渡って、コーティング層４４が形成されている。なお、図２では、コーティングされている部分を斜線で示している。

【0023】

コーティング層４４は、熱性能（耐熱性、放熱性を含む）のあるセラミックスを含むコーティング層として構成されている。特に２０００℃以上の高融点であることが好ましく、セラミックスとしては、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの酸化物、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの炭化物、珪化タンタル（ＴａＳｉ２）などのケイ化物、または、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）などのホウ化物によって構成することが可能であり、もしくはこれらの少なくとも２つ以上の組み合わせで構成することも可能である。

【0024】

ここでは、窒化ジルコニウムまたは炭化ジルコニウムから成るセラミックス、もしくはそれら両方から成るセラミックスが、コーティング層４４に含まれている。なお、コーティング層４４には、タングステンやモリブデンなど電極３０と同じ金属を含有してもよい。

【0025】

窒化ジルコニウムの特性により、コーティング層４４は有彩色のある側面領域として視認される。すなわち、電極素地とは異なる色として識別される。そのため、色ムラや膜の具合を外観から確認することが容易となり、放射率測定、点灯実験を行うことなく、コーティング層４４が適切に形成されているか否かを検査することが可能となる。

【0026】

例えば、窒化ジルコニウムの窒素とジルコニウムの原子数濃度の比が、０．２＜Ｎ／Ｚｒ＜０．９の範囲であれば、コーティング層４４は茶系色の有彩色として形成される。なお、原子数濃度の比は、胴体部３４の表面を、例えばエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を利用して測定、分析することにより、明らかにすることができる。

【0027】

コーティング層４４の表面（以下、層表面という）には、タングステンの粒子（符号Ｗ参照）が付着している。ここでは、コーティング層４４の層表面全体に渡って、点在（散在）する。さらに、コーティング層４４の層表面におけるタングステン粒子の付着に関し、その付着量は、電極軸Ｃに沿って胴体部３４の電極支持棒側端部から電極先端側端部３４Ｅ１に向けて、徐々に多くなるように構成されている。

【0028】

別の言い方をすれば、点在（散在）するタングステンの電極軸Ｃに沿った濃度が、電極支持棒側端部から電極先端側端部３４Ｅ１に近づくほど高く、グラデーションに近い濃度分布を形成している。図２では、タングステン粒子の付着量（濃度）の違いを、拡大部（符号Ａ１、Ａ２）によって模式的に示している。

【0029】

このようなタングステン粒子の付着量を電極先端側に向けて徐々に増加させたコーティング層４４を設けることによって、ランプ点灯中におけるコーティング層４４の放熱機能の低下を抑制することができる。以下、これについて説明する。

【0030】

ショートアーク型放電ランプ１０の陽極３０は、上述したように、タングステンを電極素材として含むように構成されている。そのため、ランプ点灯中、電極３０が高温になることで、電極３０の成分であるタングステンが一部蒸発する。蒸発したタングステンは、放電管１２内におけるガス（符号Ｆ参照）の対流に沿って移動し、その中の一部はコーティング層４４の層表面に付着する。

【0031】

一方、コーティング層４４に付着させたタングステン粒子は、電極素材であるタングステンとは異なる物質であるため、素材（母材）と一体的にならず、あくまでも付着することに留まるため、結合が弱い。したがって、あらかじめコーティング層４４の層表面に濃度分布をもつよう付着させたタングステン粒子に関しても、ランプ点灯による電極３０の高温化により、その一部が蒸発する。そして、蒸発したタングステンの一部は、コーティング層４４の層表面に付着する。

【0032】

ここで、コーティング層４４の層表面に付着したタングステン粒子が結晶成長していくか否かは、熱力学的に全体の系が安定な方向に進んでいくか否かに依るものであって、安定化するか否かの境目にある臨界核が安定核となり、結晶成長を辿ることが必要となる。臨界核の中から安定核となるタングステンの発生頻度が、結晶成長に大きく関係する。

【0033】

上述したように、コーティング層４４の層表面では、電極先端側に近いほどタングステン粒子の付着量が多くなるように構成されている。したがって、電極３０から蒸発するタングステンも、電極先端側に近いほど多い。すなわち、コーティング層４４の層表面付近におけるタングステンの濃度が高い。タングステン濃度が高いほど、コーティング層４４の層表面に到達するタングステンの安定核が形成される確率が高くなる。これは、コーティング層４４の層表面において、電極先端側に近いほど安定核が多いことを意味する。

【0034】

そして、コーティング層４４の層表面に形成される安定核が多いほど、層表面に引き寄せられて吸着したタングステン粒子が再び蒸発して離れていく確率が下がり、層表面に落ち着く。その結果、結晶成長が早くなって、成長が盛んになり、タングステン濃度が高くなる。付着するタングステンの電極軸Ｃに沿った濃度分布は、ランプ点灯前と略同等の濃度分布、すなわちグラデーションのかかった濃度分布となる。

【0035】

電極３０の電極支持棒側に近いほど、タングステン粒子の付着量が少ない。そのため、コーティング層４４は、その放熱機能を発揮し、放射率の低下が抑えられる。一方、電極３０の電極先端側に近いほどタングステン粒子の付着量が多いことにより、蒸発したタングステンが放電管１２内のガスの流れに伴って放電管１２の内壁に付着して黒化するのを抑える効果をもたらす。

【0036】

以上説明したように、本実施形態の放電ランプ１０では、電極３０の胴体部３４の表面にコーティング層４４を形成し、コーティング層４４の表面にタングステン粒子を点在、散在させるように付着させている。そして、タングステン粒子の付着量が電極軸Ｃに沿って電極先端側に近いほど多くなるような濃度分布をもつ。

【0037】

本実施形態では、コーティング層４４を電極３０の胴体部３４に対して表面全体に形成しているが、一部表面にコーティング層４４を形成してもよい。ショートアーク型放電ランプ１０が直状に（鉛直方向に沿って）配置された状態でガスの対流が生じていることを考慮すれば、電極３０の胴体部３４の電極軸Ｃに沿った中央部ＣＬに跨ってコーティング層４４を形成すればよい。一方で、中央部ＣＬよりも電極先端側にコーティング層４４を形成してもよい。

【0038】

なお、グラデーションのような濃度分布をもつようにタングステンをコーティング層４４の層表面に付着させる構成だけでなく、それ以外のバリエーションも可能である。コーティング層４４の層表面の形成された表面領域において、相対的に電極先端側に近い箇所でのタングステン付着量が、相対的に電極支持棒側に近い箇所でのタングステン付着量が多くなるようにすればよい。例えば、電極支持棒側に近い箇所よりも、中央部ＣＬ付近のタングステン付着量が多い構成も可能である。なお、粒径は一定である必要はなく、例えば、約０．１～２０μｍの間で構成可能である。例えば、電極軸Ｃに沿って電極先端側に近いほど粒径の大きいタングステンを付着させ、電極支持棒側に近いほど小さいタングステンを付着させる構成にしてもよい。

【0039】

このような放電ランプの電極３０は、以下のように製造することができる。

【0040】

まず、柱状の胴体部と先端側テーパー部を有する電極を成形する。次に、塗布によってコーティング層を形成する。層表面にタングステン粒子を付着させる方法は、任意の方法で可能である。例えば、タングステン粉末を溶媒に分散させ、それを噴霧することでタングステンを付着させる。タングステン量を変えて段階的に噴霧することで、濃度分布を調整することができる。その他、タングステン粉末を振りかける方法、タングステン濃度を変えた溶剤にディッピングする方法などが可能である。

【0041】

コーティング層４４の上から別成分のコーティング層を重ねて、複数層のコーティング層を形成してもよい。例えば、窒化ジルコニウムから成る下層にタングステン粒子やモリブデン粒子などを含有させて、同じく窒化ジルコニウムから成る表層にはタングステン粒子やモリブデン粒子を含有させないように、組成を変えた複数層にしてもよいし、炭化ジルコニウムから成るコーティング層の上に窒化ジルコニウムから成るコーティング層を形成し、素材の異なる複数層にしてもよい。複数層のうちいずれかのコーティング層にセラミックスを含むように構成することも可能である。

【0042】

先端側テーパー部３２を有する部材と胴体部３４を有する部材とを、拡散接合などの固相接合によって接合し、電極３０を構成することが可能である。また、中間部材を介して接合することも可能である。

【0043】

胴体部３４の側面３４Ｓあるいはテーパー部側面３２Ｓには、放熱構造を設けてもよい。放熱構造は、素地表面、すなわち特別な放熱構造をあえて採用していない表面と比べて放射率が高く、放熱性を高める機能をもつ。放熱構造は、例えば周方向（電極軸周り）に沿った溝を所定ピッチで形成した構成とし、溝は、例えばレーザや切削などによって形成することが可能である。あるいは、電極軸方向に沿った溝で構成してもよい。また、溝以外の放熱構造を採用してもよい。

【0044】

例えば、胴体部３４の電極先端側端部３４Ｅ１からランプ軸Ｃ方向に沿って所定距離だけ離れた位置をコーティング層４４の端部とし、その端部と電極先端側端部３４Ｅ１との間では放熱構造を形成する一方、コーティング層４４を形成しないようにすることができる。アーク放電の熱によるコーティング層４４の剥がれを防止することができる。なお、所定距離の値は、電極の大きさや定格電力の値などに応じて定められる。

【実施例】

【0045】

以下、実施例を用いて、コーティング層を形成した電極の放熱性能について説明する。

【0046】

実施例の放電ランプは、上記実施形態に相当する構成の電極（陽極）を備えたショートアーク型放電ランプであり、電極は、ランプ軸方向に沿った胴体部長さが５７ｍｍ、径３５ｍｍのサイズで構成される。電極の胴体部側面の一部に、コーティング層を形成している。

【0047】

コーティング層は、窒化ジルコニウムの粉末を、エチルセルロースの含まれる溶媒に溶かして胴体部側面に塗布し、乾燥させた後、加熱処理することによって形成されている。そのコーティング層の上から、上述した方法でタングステン粒子を付着させている。

【0048】

上述した実施例と、比較例の放電ランプとの比較実験を行った。比較例の放電ランプの電極形状に関しては、実施例の電極と実質的に等しい。一方、比較例では、実施例のコーティング層による放熱機能を確認するために、コーティング層の形成されていない電極を用いた。

【0049】

図３は、実施例と比較例の照度維持率を示したグラフである。放電ランプを６００時間点灯し、放電管の黒化状態を視認した。点灯開始から６００時間経過の時点で、照度維持率が比較例６９％に対し、実施例は７６％となった。このことから、比較例と比べて、実施例の方が黒化を抑制できたことが確認された。

【0050】

実施例の電極において効果的な黒化抑制を実現できたことは、コーティング層表面上に付着させたタングステンが黒化現象に積極的に寄与していないことを示唆し、コーティング層以外の電極素材からのタングステン蒸発が抑えられている、すなわち、コーティング層による放熱機能が効果的に発揮されたことを示している。コーティング層を形成していない比較例の電極においてこのような結果が得られたことは、コーティング層のみ形成し、本実施例のようなタングステン付着のない電極と比較した場合においても、本実施例の電極の方が、放射機能に関してより効果的であるといえる。

【符号の説明】

【0051】

１０ 放電ランプ
３０ 電極（陽極）
４４ コーティング層

【要約】

【課題】ランプ点灯の間、コーティング機能を効果的に発揮することができるコーティングを電極表面に施した放電ランプを提供する。
【解決手段】放電ランプ１０において、電極３０の胴体部３４の表面にコーティング層４４を形成し、コーティング層４４の表面にタングステン粒子を点在、散在させるように付着させている。そして、タングステン粒子の付着量が電極軸Ｃに沿って電極先端側に近いほど多くなるような濃度分布をもつ。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】