(57)【要約】  【解決課題】    長時間にわたる点灯或いは長期間にわたる点灯・消灯の繰り返しにおいて、電極の消耗、変形を抑制し、黒化による照度低下やフリッカーを防止することを可能にする電極を開発することである。  【手段】        少なくともアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であること、即ち単結晶領域が電極頭部の先端から少なくとも0.5ｍｍであることを特徴とするものであり、アークによる直接的影響を受ける結晶粒界が存在しないのでタングステンの純度に対応する高い融点を示し、長時間にわたる電極頭部の変形や先端部分の蒸発損耗が抑制される。   【選択図】    図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともにアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であることを特徴とする放電灯電極。
【請求項２】
単結晶領域が電極頭部の先端から少なくとも0.5ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の放電灯電極。
【請求項３】
(a)  発光管部内に一対のタングステン電極が配置され、水銀と、稀ガスと、ハロゲンが封入された超高圧放電灯において、
(b)  タングステン電極の、少なくともにアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であり、
(c)  封入されたハロゲン量が１×10-8〜１×10-2μmol／mm-3であることを特徴とする超高圧放電灯。
【請求項４】
(a)  発光管部内に一対のタングステン電極が配置され、水銀と、稀ガスと、ハロゲンが封入された超高圧放電灯において、
(b)  タングステン電極の、少なくともにアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であり、
(c)  封入されたハロゲン量が１×10-8〜３×10-4μmol／mm-3であることを特徴とする超高圧放電灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高圧放電灯用電極と該電極を使用した超高圧放電灯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタ等の光学機器の光源として用いられる高圧放電灯は、高輝度化、短アーク化により、タングステン電極にかかる熱負荷はますます過酷なものとなっている。このような高圧放電灯の電極には高融点金属のタングステン、しかも純度の高い純タングステンが使用されるのが一般的となっている。しかし、純タングステンといっても、実際には数〜数十ppmの不純物を含んでおり、タングステン本来、換言すれば純タングステンの融点を持つ電極とは成り得ていない。さらに、電極の金属組織状態に目を向ければ、不均一な大きさのタングステン結晶粒が不規則に並んでいる(図２)。
【０００３】
タングステンは、原料となる鉱石より精製工程を経て、酸化タングステンを精製・還元し、得られたタングステン粉末を棒状に固めてこれを焼結する。そして、焼結インゴットを引き抜き、線引き等で棒更には線状に加工し、電極の原線とするのが大まかな流れである。
【０００４】
加工は再結晶温度以下で行なわれるため原線段階では再結晶状態にはなっていない。その原線を高圧放電灯に適した設計形状に切削加工などを施し、続いて熱処理などを行い、再結晶したタングステン電極を得られる。
【０００５】
そして、完成したタングステン電極は高圧放電灯に放電電極として組み立てられ、プロジェクタなどに搭載され、使用されるわけであるが、高圧放電灯内のタングステン電極は時間とともに消耗・変形を起こし、アークの起点が定まらず、フリッカー現象を起こす原因となる。
【０００６】
また、消耗の進行が激しければ、たとえ黒化防止のための最適ハロゲン量を封入したとしても、ランプは黒化してしまい、照度低下や管壁温度上昇により破裂へと至ってしまう。このような問題の根本である電極の消耗のメカニズムは、先に述べた電極のタングステン結晶組織状態（結晶粒界）が影響していることが判明した。
【０００７】
即ちこの点を詳細に説明すると、タングステン電極のアーク発生部位に図２に示すように結晶粒界が存在することにより、低融点化の原因となる不純物(即ち、不純物はタングステンと合金を形成し或いはタングステンに固溶して、タングステンを低融点化させる)、特に吸蔵ガス成分などは粒界に集中して残留する(換言すれば、結晶粒界は不純物濃度が高くそれ故融点が低い)。また、粒界の存在、即ち、粒界は結晶間の結合が弱いことにより、点灯時の高温により結晶粒界で滑りが生じ、甚だしい場合には結晶粒の脱落により形状崩れを生じたり、それ程でない場合でも、融点のより低い結晶粒界からのタングステン蒸発量の増加を引き起こす。蒸発したタングステンは発光管部の壁に付着、若しくは対向する電極に引き寄せられ析出現象を生じ、電極先端の変形に拍車をかけることになる。
【０００８】
一方、タングステン電極の先端部分の溶融・変形・蒸発の原因をタングステン原線の真密度に原因を求めるものもある(特開２００１‐２２６７３５)。
【特許文献１】特開２００１‐２２６７３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の第１の課題は、長時間にわたる点灯或いは長期間にわたる点灯・消灯の繰り返しにおいて、電極の消耗、変形を抑制し、黒化による照度低下やフリッカーを防止することを可能にする電極を開発すること、そして、第２の課題は本発明の電極を用いた超高圧放電灯において、黒化防止の目的で充填されるハロゲン量を低減すること、更に言えば、ハロゲン量を低減することにより点灯中で発光管部内での対流を減少させ、アークの揺らぎをなくすことである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１は放電灯電極に関し「少なくともアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶である」ことを特徴とする。また、請求項２は「単結晶領域が電極頭部の先端から少なくとも0.5ｍｍである」ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３は請求項１又は２に記載の電極を用いた超高圧放電灯で、    
(a)  発光管部内に一対のタングステン電極が配置され、水銀と、稀ガスと、ハロゲンが封入された超高圧放電灯において、
(b)  タングステン電極の、少なくともアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であり、
(c)  封入されたハロゲン量が１×10-8〜１×10-2μmol／mm-3であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４は請求項１又は２に記載の電極を用いた超高圧放電灯の他の例で、
(a)  発光管部内に一対のタングステン電極が配置され、水銀と、稀ガスと、ハロゲンが封入された超高圧放電灯において、
(b)  タングステン電極の、少なくともアークを生成する電極頭部の先端部分が単結晶であり、
(c)  封入されたハロゲン量が１×10-8〜３×10-4μmol／mm-3であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
電極は少なくともアークを生成する電極頭部の先端部分、換言すれば、電極頭部の先端から少なくとも0.5ｍｍの範囲が単結晶となっておればアークによる直接的影響を避けることができる。換言すれば、電極は全体が単結晶である必要は必ずしもなく、前記部分が単結晶であれば足る。本発明の電極は少なくとも前記部分が単結晶であり、結晶粒界が存在しないのでタングステンの純度に対応する高い融点を示し、長時間にわたる電極頭部の変形や先端部分の蒸発損耗が抑制される。
【００１４】
その結果、このような蒸発損耗や形状変形の少ない単結晶電極を使用することにより、ハロゲンサイクルを最小限に抑制することができ、充填ハロゲン量を１×10-8〜１×10-2μmol／mm-3と最小限に抑え組むことができる。その結果、実用上(或いは全く)黒化現象を生じることなくフリッカーの発生を抑制することができる。
【００１５】
また、ハロゲン量が１×10-8〜３×10-4μmol／mm-3の場合、点灯時に実用上 (或いは全く)黒化現象を生じることなく、且つハロゲンサイクルに起因する発光管部内の対流を抑制することができ、アークのゆらぎも解消することができた。なお、ハロゲン量が１×10-8μmol／mm-3以下の場合は1500時間点灯で薄い黒化が発生し、3000時間点灯で発光管部全体が黒化し、１×10-7μmol／mm-3で黒化が完全に解消される。従って、黒化に関し、より好ましくは１×10-7μmol／mm-3以上ということになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を図示実施例に従って詳述する。本発明に掛かる単結晶電極は、少なくとも99.99％以上の純度を有するタングステン粉末を原料として製造されたもので、従来例で述べたように高純度タングステン粉末を棒状に固めてこれを焼結し、続いて焼結インゴットを引き抜き、線引き加工等で細棒更には線状に加工し、電極の原線とする。焼結インゴットの引き抜き或いは線引き加工は、被加工材全体に均一に内部ひずみが残留するように加工することになる。
【００１７】
然る後、その原線を高圧放電灯に適した設計形状に切削加工などを施し、続いて結晶粒粗大化(極端には単結晶化)のための熱処理、更にはこれに加えて電極の先端部(更に正確にはアークが発生する先端領域)の溶融加熱処理などを行い、少なくとも先端部分、換言すれば先端からアークが発生する領域(先端から0.5ｍｍ程度)が単結晶であるタングステン電極を得る。勿論、全体が単結晶であっても構わないこと言うまでもない(なお、切削加工は結晶粒粗大化(極端には単結晶化)のための熱処理後に行ってもよい。)。
前工程である焼結インゴットの引き抜き或いは線引き加工による被加工材の内部ひずみが均一であれば、前記再結晶温度以上で行われる結晶粒粗大化熱処理工程で成長する結晶粒は電極全体でほぼ均一なものとなる。
【００１８】
続いて、結晶粒界を無くし単結晶化させるために、2000℃以上の高温で加熱して結晶粒の成長を促し、単結晶電極を完成させた。粗大化熱処理の後、全体が単結晶になっていない場合には、必要に応じて少なくともその前記先端部分を単結晶化させるために部分的加熱溶融処理を行った。
【００１９】
電極を放電灯に組み込んで使用した場合、通常、アーク発生は電極頭部の先端から0.5ｍｍの範囲内で発生するため、単結晶領域は少なくとも先端から軸方向に沿って基部側に向かって0.5ｍｍの範囲内に於いて形成すれば足る。 
【００２０】
「実験1」
単結晶電極と、従来の結晶粒界のある電極で高圧放電灯を製作し、長時間点灯における電極の形状変化とフリッカー、照度維持率、黒化を確認した。
【００２１】
高圧放電灯構成
消費電力              200Ｗ
封入水銀量            0.2mg／mm-3
電極間距離            1.1mm
封入ハロゲン量        1.0×10-8μmol／mm-3
1.0×10-7μmol／mm-3
1.0×10-4μmol／mm-3
1.0×10-2μmol／mm-3
1.0×10-1μmol／mm-3
の５種類の量
【００２２】
試験データ(図３及び表１)からわかるように、結晶粒界を持つ従来電極を組み込んだ高圧放電灯は、電極形状についてはいずれも変形を起こしており、これがフリッカーの原因となっている。なおかつ、ハロゲン量の少ない試料1と試料2については、電極蒸発量に見合うハロゲン量ではないために、つまりハロゲンサイクル不足のために1500時間以内で、発光管部全体に黒化し、破裂に至るものがあった。逆に、ハロゲン量の多い試料4、5では、電極を過剰に侵食するために、電極の変形と、ハロゲン化タングステンが最冷部に堆積することによる電極根元黒化が進行し、これについてもフリッカーと照度維持率の低下を引き起こしている。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
一方、本発明に掛かる単結晶電極を組み込んだ高圧放電灯(試料7〜9)は、ハロゲン量の多寡に拘らず、電極変形を最小限に食い止め、たとえばプロジェクタ用など精密光学機器用高圧放電灯としての性能を維持していることが分かる。しかし、単結晶電極といえども、試料6のハロゲン量1.0×10-8μmol／mm-3以下では、過少のため黒化が発生してしまい、1.0×10-7μmol／mm-3以上のハロゲン量が好ましいことがわかる。(換言すれば、1.0×10-8μmol／mm-3でも前述のように1500時間点灯で薄く黒化し、3000時間点灯で発光管部全体が黒化するので、1500時間点灯の場合、実用範囲では使用可能であるが、それ以上の場合は1.0×10-7μmol／mm-3以上であることが好ましい。)逆に、試料10のように、ハロゲン量が過剰に多い場合には、単結晶電極といえども電極侵食が発生し、照度維持率の低下となっている。
【００２５】
表2は従来電極と本発明に掛かる単結晶電極を組み込んだ高圧放電灯の点灯時間−照度維持率・耐フリッカー性の実験結果を示す表で、本発明に掛かる単結晶電極を組み込んだ高圧放電灯の場合は、7000時間を超えてもフリッカー発生は０であり、照度の低下も従来電極を組み込んだ高圧放電灯に比べて大幅に小さいことがわかる。
【００２６】
【表２】
2006079998.tif 000004
【００２７】
以上の結果から、単結晶電極は、ハロゲン量が１×10-8(好ましくは１×10-7)〜１×10-2μmol／mm-3の範囲において、プロジェクタ用高圧放電灯に要求されるフリッカー防止と高照度維持率を満たす。
【００２８】
表３は単結晶電極を組み込んだ高圧放電灯のハロゲン量とアークの揺らぎ及び黒化発生との関係を示す表である。従来のタングステン電極であれば、ハロゲン量が５×10-5μmol／mm-3以下であれば黒化が生じる。これは、タングステンの蒸発量に対してハロゲン不足となっているためであるが、単結晶電極では、前述のように低融点化を防止できているので、実用上１×10-8μmol／mm-3(好ましくは１×10-7μmol／mm-3)までは黒化せずに使用することができる。一方、ハロゲン濃度が３×10-4μmol／mm-3を越えた場合、過剰な量のためにハロゲンサイクルが激しくなり、発光管部内の対流が激しくなる。これによりアーク周辺では揺らぎとなって見えるようになり、光学系を介してスクリーンで確認できるものとして現れる。揺らぎはいずれアークを動かす原因となり、チラツキとなってさらにスクリーンではっきりと確認できるものとなる。換言すれば、ハロゲン量が１×10-8(好ましくは１×10-7μmol／mm-3)〜３×10-4μmol／mm-3の場合に黒化発生まで7000時間〜6200時間掛かり、５×10-9μmol／mm-3では黒化が僅か300時間で発生する。一方、アークの揺らぎに関しては３×10-4μmol／mm-3で初期から微小に発生し、これを超えて３×10-2μmol／mm-3で初期から激しく発生し、これ以下の２×10-4μmol／mm-3でアークの揺らぎは発生しない。従って、ハロゲン量が１×10-8〜３×10-4μmol／mm-3(好ましくは１×10-7〜２×10-4μmol／mm-3)の範囲で黒化抑制と実用上、問題がない程度(或いは全く)のアークの揺らぎのない状態が得られる。
【００２９】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、タングステン電極を単結晶とすることにより、長時間経過後でも電極の消耗、変形を抑制することができ、しかも黒化による照度低下やフリッカーを防止するものであり、加えて黒化防止の目的で充填されるハロゲン量を低減することにより点灯中で発光管部内での対流を減少させ、アークの揺らぎをなくすことができ、特に、プロジェクタ用の光源やリアプロジェクションテレビの光源に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】粒界をはっきりさせた正本発明にかかる単結晶電極の面図
【図２】粒界をはっきりさせた従来電極の正面図
【図３】従来電極と本願発明にかかる単結晶電極との比較図面
【図３】
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【図１】
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【図２】
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