JPH11219683A - 放電ランプのための電極構成部分及び該電極構成部分を有するランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単に製造することができる放電ランプのた
めの電極構成部分を提供する。 【解決手段】 本発明による電極構成部分は、金属粉末
射出成形法によって製造されている。それにより電極の
ための複雑な形を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温に耐える金
属、とくにタングステン、モリブデン、タンタル、レニ
ウム又はその合金、及びこれらの材料の炭化物から製造
される、放電ランプのための電極構成部分に関する。そ
の際、例えば光学的な目的のために利用されるような、
とくに高圧放電ランプのための電極を問題にすることが
できる。しかし他方において本発明は、電極の個々の部
分のためにも、又は電極を保持するスタンド、とくに電
極用の軸部分のためにも使用することができる。以下に
おいてこれらの部分は、概念、電極の構成部分の下にま
とめられている。

【０００２】

【従来の技術】通常ランプ構成において、電極及び電極
のための構成部分は、タングステン又はモリブデン又は
タンタルから製造される。その際、電極は、ほとんど常
に中実であり、すなわちこれは、粉末冶金学的に製造さ
れ、かつローラ−、ハンマ−及び引抜きプロセスを介し
て変形されている。焼結部材の適用は、高いコストのた
めにこれまで実施することができなかった。

【０００３】例えば最適な熱構成のために必要なような
複雑な電極の形が、これらの周知の電極構造によっては
製造できず、又は多くの切削費用によってしか、かつそ
れ故に大量消費（５０％より多くの廃棄物まで）によっ
てしか製造することができないことは、中実の電極にお
いて不利である。

【０００４】所定の目的のために、周知の電極は、２つ
の構成部分から構成される。これらは、しばしば組合わ
せ−又は挿入−電極と称する。文献、“Ｅｌｅｋｔｒｏ
ｄｅｎｗｅｒｋｓｔｏｆｆ ａｕｆ ｄｅｒ Ｂａｓｉ
ｓ ｈｏｃｈｓｃｈｍｅｌｚｅｎｄｅ Ｍｅｔａｌ
ｌ”、Ｈｒｓｇ．ＶＥＢ Ｎａｒｖａ、Ｂｅｒｌｉｎ、
１９７６、第１８３ないし１８９頁によれば、２つの構
成部分からなる電極は、すでに公知である。例として、
ここにおいてそれぞれキセノンショートアークランプの
ために、図５５ａにアノードが、かつ図５６ｃにカソー
ドが記載されている。これらの電極は、熱経済部材とし
て使われるタングステンからなる通常の焼結部材（放射
器）からなる。放電側において、ハンマ加工されたタン
グステンからなる中実の挿入片（挿入物）が、放射器の
中空空間内に取付けられている。この挿入片は、しばし
ば放射性であるエミッタによってドーピングされてい
る。タングステンピンの構成における電流供給部は、コ
イルによって放射器の穴内に焼結されている。

【０００５】同様な技術は、ドイツ連邦共和国特許出願
公開第１９６２６６２４号明細書にも記載されている。
しかしここでは挿入片は省略される。このような２部分
からなる電極の製造は、おおいに時間を浪費し、かつこ
れまで自動化することができていない。

【０００６】熱経済部材の手間のかかる加工、すなわち
挿入部材を挿入するための収容部の製造は、不経済であ
り、かつ困難なので、このような電極は、ほとんど使用
されない。

【０００７】特殊用途のために、エミッタ添加物（ほと
んどの場合、トリウム、アルカリ土類金属又は希土類金
属、とくにランタンの酸化物）を含む電極は不可欠であ
る。ただし前記公知の製造方法は、それぞれ１つのきわ
めて高度な機械加工を必要とする。しかし増大するエミ
ッタ含有量とともに、加工のために必要な変形能力の特
性は制限される。それ故に、エミッタ含有量を比較的多
く（ほぼ３〜５％）決めることは、これまで望まれてい
なかった。その代わりに、それにもかかわらず多くのエ
ミッタ含有量を実現するために、これまで複雑な構造で
間に合わせなければならなかった。例えば電極に被せた
コイルを利用することは周知であり、その際、コイルの
個々の巻き線の間の中空空間内にエミッタを含むペース
トが挿入されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前に
議論した欠点を除去した、特許請求の範囲第１項の上位
概念に記載の電極構成部分を提供することにある。とく
に複雑な形成を可能なようにする。さらに電極の尖端に
おいて熱的に高負荷を受ける範囲の電極の組織の安定性
を改善するようにする。最後に電流強度に関するさらに
高い負荷能力、改善された熱的負荷能力、及び高い輝度
も求められる。ここでは通常の技術によってそれ以上改
善は達成されず、このことは、とりわけ３００Ｗを越え
る高ワットのランプタイプにおいて不利と目に付くよう
になる。さらにアーク不安定の改善、及び寿命の延長が
望まれている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題は、特許請求の
範囲第１項の特徴部分の特徴によって改善される。とく
に有利な実施態様は、特許請求の範囲従属請求項に記載
されている。

【００１０】本発明によれば、電極構成部分は、金属粉
末射出成形法にしたがって製造されている。英語の頭文
字、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌ
ｄｉｎｇ）によりさらによく知られたこの技術は、それ
自体すでに以前から周知である。しかしこれは、従来ラ
ンプの構成には決して使用されなかった。

【００１１】金属粉末射出成形法（ＭＩＭ）の簡単な概
要は、Ｍｅｔａｌｌｈａｒｄｗｅｒｋ ＆ Ｔｅｃｈｎ
ｉｋ、１９９４、第１１８〜１２０頁：における論文、
“Ｍｅｔａｌｌｓｐｒｉｔｓｇｕｓｓ−ｗｉｒｔｓｃｈ
ａｆｔｌｉｃｈ ｆｕｒ ｋｏｍｐｌｉｚｉｅｒｔｅ
Ｂａｕｔｅｉｌｅ”に、及びＥｕｒｏｐｅａｎ Ｐｏｗ
ｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏ
ｎ、Ｓｈｒｅｗｓｂｕｒｙ（ＵＫ）の宣伝パンフレッ
ト、“Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎ
ｇ”に記載されている。さらに良好な概説は、Ａｄｖａ
ｎｃｅｄ Ｐｅｒｆｏｍａｎｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓ ３、第１２１〜１５１頁（１９９６）におけるＰ．
Ｊ．Ｖｅｒｖｏｏｒｔ他の論文、“Ｏｖｅｒｖｉｅｗ
ｏｆ Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉ
ｎｇ”に記載されている。

【００１２】金属粉末射出成形法（例えば米国特許第４
７５６９５０号明細書及び米国特許第４１１３４８０号
明細書参照）は、合成物質射出成形における形成の自由
度を粉末冶金学の広い材料可能性に結合する。これは、
切削後処理を避けて、最終的な形に近い製造（“ニア
ネット シェーピング(near net shaping)”）において
きわめて複雑に形成される構成部分の直接の製造を可能
にする。その上この時、製造方法の自動化が可能であ
る。

【００１３】製造のプロセスは、次のように簡単に要約
することができる：適当な金属粉末は、粒状物として存
在するその混合物が合成物質の流動特性を受け入れ、か
つ所望の将来の構成部分の輪郭を有する射出成形型内に
挿入することによって合成物質射出成形と同様に引続き
加工できるような量の合成物質（いわゆる結合剤）と混
合される。それから金属構成部分を得るために、基礎部
材は、射出成形型から取出され；続いて結合剤は、加熱
又は溶媒によっていわゆる基礎部材から取り除かれる。
この過程は、ワックス除去（デワクシング）と称する。
その後、構成部分は、古典的な粉末冶金学に相応して、
きわめて高い密度（少なくとも９０容積％、有利に９５
％及びそれ以上）の構成部分になるように焼結される。
たかだか１０％又は５％の残留気孔が、有利に閉じた孔
として存在するようにする。

【００１４】有機結合剤（例えば米国特許第５０３３９
３９号明細書参照）と本来の材料との間の化学反応を避
けること、及び押出された部材（例えば米国特許第４５
３４９３６号明細書参照）から結合剤を綿密に注意深く
除去することは、金属粉末射出成形法において重要であ
る。

【００１５】さらに高い焼結密度を達成するために、利
用する金属粉末の焼結活性度は十分に高くなければなら
ない。それ故に小さな平均粒度（２０μｍ以下、有利に
２μｍ以下）を有するきわめて細かい金属粉末が利用さ
れる。

【００１６】放電ランプのための本発明による電極構成
部分は、高温に耐える金属から製造されている。とくに
タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム又はそ
の合金が適しているが、これらの金属の炭化物、とくに
タンタルカーバイド（ＴａＣ）も適している。

【００１７】これまで上昇した輝度を有するランプのそ
れ以上の開発は、電極製造の従来の技術によって限界が
あった。電極は、相応する寸法を有する素材から、旋
盤、研磨、穴あけ等によって製造された。場合によって
は圧延及びハンマ加工のような適当な製造プロセスによ
って、電極材料の組織安定性を高めるために、なお追加
的に変形加工が持込まれる。この時、電極材料として例
えばＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅ又はその合金のような高温に
耐える金属が使われ、これらは、材料の組織安定性を高
めるために、一部追加的にドーピングされている。有利
に組織安定性を高めるドーピングは、例えばＫ、Ａｌ及
びＳｉのような元素によって、かつ追加的に酸化物、炭
化物、ほう化物、窒化物、及び／又は例えばＬａ、Ｃ
ｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、ＴｈであるがＳｃ、Ｔｉ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｈｆのような希土類元素、ランタノイド、アクチ
ノイドの純粋な金属（又はその合金）によって行なわれ
る。これらは、組織の安定化のためだけでなく、電子仕
事関数の低下のためにも使われる。

【００１８】とくに有利な第１の実施態様において、金
属粉末射出成形法によって一片の電極が、とくにタング
ステンから製造され、その際、射出成形型は複雑な輪郭
を有することができる。理論密度の典型的には９８％
（それどころか９９％以上まで）を有する高密度の部材
を形成することができ、これらは、すでに最終的な形に
近く形成されている。それによりとくに電極が適当に形
成された収縮部（切り欠き）及び溝等を有することによ
り、とくに電極の熱流動特性の最適化が可能である。従
来このような電極のため、ほぼ６０％までの廃棄物をが
まんしなければならなかった。それに対して金属粉末射
出成形法の適用は、廃棄物をわずかなパーセントに制限
することを可能にする。その上さらにこの時、従来そも
そも製造することができなかった最適な形を実現するこ
とができる。

【００１９】第２の実施態様において、金属粉末射出成
形法によって製造された個々の電極構成部分が利用され
る。その際、とくにモリブデン又はタングステンからな
る電極の個別部分が問題になるが、電極を保持する電極
スタンド部分、例えば電極軸も問題になる。

【００２０】第３の実施態様において、挿入物−電極の
ための本発明による電極構成部分が考えられている。挿
入物−電極は、複数の（ほとんどの場合に２つの）部品
からなる。熱経済部材として使われる前記の材料の１つ
からなる相応して形成された本発明による放射器内に、
電極尖端として挿入片（挿入物）がある。放射器は、と
くにタングステンからなる。これは、放電の方に向いた
その側に挿入物のための収容部（空洞）を有する。金属
粉末射出成形法の適用によって、前記のコイル技術によ
る挿入物と放射器の間のロウ結合、及びとくに有利に放
射器と電極軸の間の手間のかかる機械的な結合は、省略
することができる。その際、挿入物として、初めに記載
したような通常の周知の中実構成部分を利用することが
でき、そのエミッタ含有量は、例えばほぼ０．２ないし
５重量％である。さらにこの実施態様においても放射器
は、熱流動特性に関して（第１の実施態様に似て）最適
な形を有することができる。

【００２１】ロウのない結合の利点は、とりわけ放電容
積内に含まれる充填物が汚染されないという点にある。
射出された焼結部材として構成された放射器は、挿入物
上において又は軸上において収縮する。

【００２２】挿入物は、しばしばアークの不安定を減少
するために、少量の（前記参照）エミッタ（ほとんどの
場合に放射性のトリウム酸化物が利用される）によって
ドーピングされる。従来ほとんど排他的に利用された一
片からなるコンパクト−電極とは相違して、挿入物を製
造する際に、きわめてわずかしか放射性を負った廃棄物
が生じない。

【００２３】しかしこの時、挿入物は、周知のコンパク
ト−電極に対して、はっきりと小さな直径を有する。そ
れにより、従来のものよりもはるかに大きな影響をその
組織構成に及ぼすことが可能である。それどころかこの
時、電極材料の理論的密度をほとんど達成することが可
能である。このことは、組織の安定化に通じ、とくに高
い温度においても形状安定性に通じる。したがって電極
尖端は、熱的に高い負荷を受けることができ、このこと
は、さらに大きな電流負荷（耐電流能力）に相当し（１
５％まで）、又はきわめて小さなアーク不安定でさらに
長い寿命に相当する。放射器は、挿入物と同じ材料から
なることができ、しかしここでは有利にはドーピングさ
れない純粋な金属が利用され、有利にＷ、Ｔａ、Ｍｏ又
はＲｅ及びその合金が利用される。

【００２４】ＭＩＭ−技術においてすでに製造中に最終
の形に近くあらかじめ与えられた形のために、自動化が
可能である。加えて熱経済−部材の形成の際に、従来の
製造とは相違して、ほこり、チップ等の形の廃棄物はほ
とんど生じない。後者は、旋盤、穴あけ、研磨等により
集中的な後処理を必要とする。

【００２５】挿入物とは相違して熱的主負荷領域にはな
い放射器は、ＭＩＭ−技術の利用に基付いて、理論的密
度の少なくとも９０％の密度を有する。有利には密度
は、＜５％の残留気孔に相応して、９５％より上にあ
る。このように高圧縮された部材の重要な特性は、その
孔が閉じており、かつ互いに結合されていないという点
にある。したがってこれらは、表面にも結合部を持たな
い。

【００２６】加えて放射器の形成の際に、この時、相応
する射出成形型を利用することによって、きわめて簡単
に回転対称でないようにすることができる。１つの例
は、放射器のだ円形である。これは、例えば水平焦点位
置におけるアーク押上(Bogenauftrieb)を考慮するため
に使われるように、非対称（楕円）放電容器における放
射特性を考慮している。

【００２７】放射器における挿入物の及び電流供給部
（電極軸）の固定は、有利に補助手段を用いずに、すべ
ての部品の共通の最終焼結の際に収縮により直接行なう
ことができる。したがって相応する溶接−及びロウ付け
補助を必要とする溶接及びロウ付けのような結合技術は
省略される。放射器は金属射出成形法によって製造され
るので、挿入物及び電流供給部は、放射器の粒状物によ
って直接被覆鋳造することができる。したがってすでに
焼結の前に、固定が行なわれる。同じ材料からなる挿入
物及び電極軸を選択した場合、これらは、それどころか
一貫して１つの片として放射器の射出成形型内に挿入す
ることができ、このことは、電極にとくに安定性を与え
る。このことは、挿入物がエミッタを必要としないラン
プにおいて可能である。

【００２８】

【実施例】次に本発明を複数の実施例により詳細に説明
する。

【００２９】図１に、例えば水銀高圧放電ランプのため
に通常の円筒形の電極４（破線で示す）を保持するスタ
ンド部分１が示されている。これは、棒状の軸２からな
り、この軸の放電から離れた方の端部に、一体にリング
状の構成部分３（いわゆるさら）が取付けられている。
このような構成を有するランプは、例えばヨーロッパ特
許第４７９０８９号明細書（米国特許第５３０４８９２
号明細書に対応）に記載されている。スタンド部分１
は、金属粉末射出成形法にしたがってタングステン又は
モリブデンからなる構成ユニットとして製造されてい
る。従来このスタンド部分は、２つの中実の個別部分か
ら構成しなければならず、かつこの時、手間をかけて白
金によりロウ付けしなければならなかった。その際、継
目位置に破損の危険が存在する。従来代案として、中実
の素材からの手間のかかる旋盤加工が存在するだけであ
り、その際、きわめて多くの廃棄物をがまんしなければ
ならなかった。

【００３０】図２に、高負荷高圧放電ランプのための一
体の電極５が示されている。これは、円筒形の基礎部材
９及び放電側に取付けられた円すい台部８からなる。熱
流動を最適化するために、基礎部材９は、一連の回りを
囲む溝６を有し、これらの溝は、軸７における温度が比
較的低いように考慮している。この時、このような電極
は、キセノンショートアークランプ、水銀高圧ランプ、
金属ハロゲナイドランプ及びナトリウム高圧ランプのた
めに仕立てることができる。熱流動のために最適化され
た電極の形は、ＭＩＭ−技術の利用によって、それぞれ
のランプタイプの要求に正確に同調することができる。

【００３１】図３に、挿入物−電極１０が示されてい
る。これは、放電の方に向いた側に空洞を備えたタング
ステンからＭＩＭ−技術にしたがって製造された放射器
１１からなり、この空洞内に中実の挿入物１２が、ロウ
を用いずに挿入されている。挿入物１２は、２重量％の
ＴｈＯ_２の成分を含むタングステンからなる。放射器１
１は、熱流動を最適化するために、放電から離れた方の
側の後方に比較的広く回りを囲む溝１３ａを有し、かつ
前側範囲に回りを囲む切り欠き１３ｂを有する。挿入物
−電極１０は、次の寸法を有する：外径は１０ｍｍであ
り、長さは１８ｍｍである。

【００３２】図４に、キセノンショートアークランプの
ためのアノード１４が示されている。これは、放射器１
５からなり、この放射器は、ＭＩＭ−構成部分として、
したがって金属粉末射出成形法にしたがって製造されて
おり、かつ放電側の尖端を有する円筒形のタングステン
部材の形に構成されている。尖端の範囲にこれは、空洞
１６を有し、この空洞内に、エミッタを含んだ挿入物１
７がロウを用いずに挿入されている。その放電から離れ
た方の側１８に、この放射器は、穴１９を有し、この穴
内に、中実のタングステンからなる電極軸２０が挿入さ
れている。アノード１４は、次の寸法を有する：外径は
２０ｍｍであり、長さは３５ｍｍである。

【００３３】コイル−電極に対する代用として、図５
は、キセノンショートアークランプのための２部分から
なるカソード２５を示している。これは、アノードより
も著しくきゃしゃに構成されている。金属粉末射出成形
法にしたがってドーピングされエミッタを含むタングス
テンから製造された放射器２６は、前側に円すい形に先
細になっている。この放射器は、貫通した穴２７を有
し、この穴内に、軸２８がロウを用いずに挿入されてい
る。挿入物２９は、放射器２６から放電側に突出して
る。挿入物２９と軸２８は、端から端まで１つの片（中
実のドーピングされていないタングステン）から製造さ
れている。この一片の構成部分は、放射器のための粒状
物が射出成形される前に、放射器のための射出成形型内
に挿入される。このようにしてこのカソードは、あらゆ
る取付け手段（ロウ又はコイル）なしで間に合う。カソ
ード２５は、次の寸法を有する：外径は２．５ｍｍであ
り、長さは３ｍｍである。

【００３４】図６は、適用例として、１５０Ｗの出力を
有する金属ハロゲナイドランプ３２を示している。これ
は、金属ハロゲナイド充填物を含む石英ガラス容器３３
からなる。その両方の端部において圧縮部３６内に、外
側電流供給部３４及びモリブデンフィルム３５が埋め込
まれている。モリブデンフィルム３５に、金属粉末射出
成形法によって製造された円筒形電極３８の軸３７が取
付けられている。これらの電極は、放電容器３２内に突
出している。放電容器の両方の端部は、それぞれ酸化ジ
ルコニウムからなる熱を反射するコーティング４０を備
えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】水銀高圧ランプのための電極スタンド部分を示
す図である。

【図２】高負荷高圧放電ランプのための最適化された熱
流動特性を有する電極を示す図である。

【図３】挿入物−電極を示す図である。

【図４】挿入物−電極として構成されたアノードを示す
図である。

【図５】挿入物−電極として構成されたカソードを示す
図である。

【図６】本発明による電極を有するランプを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 電極スタンド部分、 ５ 電極、 １１ 放射器、
１２ 挿入物、 １３ａ 溝、 １３ｂ 切り欠き、
１４ 電極、 １５ 電極、 ２６ 個別部分、 ２
８ 軸、 ２９ 挿入物、 ３２ ランプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルフレート−ゲオルク ガーン ドイツ連邦共和国 ケーニヒスブルン シ ュペルバーシュトラーセ ８ (72)発明者 ディートマー イリッヒ ドイツ連邦共和国 アウグスブルク エー ルバッハシュトラーセ 55アー (72)発明者 ペーター シャーデ ドイツ連邦共和国 シュヴァープミュンヘ ン テーゲルベルクシュトラーセ 10

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温に耐える金属、とくにタングステ
   ン、モリブデン、タンタル、レニウム又はその合金、及
   びこれらの材料の炭化物から製造される、放電ランプの
   ための電極構成部分において、電極構成部分が、金属粉
   末射出成形法にしたがって製造されていることを特徴と
   する、放電ランプのための電極構成部分。
2. 【請求項２】 粉末の平均粒度が、２０μｍより下、有
   利に２μｍより下にある、請求項１に記載の電極構成部
   分。
3. 【請求項３】 電極構成部分の密度が、理論密度の少な
   くとも９０％、有利に理論密度の少なくとも９５％であ
   る、請求項１に記載の電極構成部分。
4. 【請求項４】 残留気孔が閉じられている、請求項３に
   記載の電極構成部分。
5. 【請求項５】 電極構成部分が、とくにモリブデン又は
   タングステンからなる電極スタンド部分（１）である、
   請求項１に記載の電極構成部分。
6. 【請求項６】 電極構成部分が、とくにタングステンか
   らなる電極（５）であり、この電極が、一片であり、か
   つその熱流動特性を最適化するように形成されている、
   請求項１に記載の電極構成部分。
7. 【請求項７】 電極（５）が、回りを囲む溝（１３ａ）
   及び／又は切り欠き（１３ｂ）を有する、請求項６に記
   載の電極構成部分。
8. 【請求項８】 電極構成部分が、とくにタングステンか
   らなる放射器（１１）であり、この放射器が、放電の方
   に向いた側に空洞を有し、この空洞内に挿入物（１２）
   が挿入されている、請求項１に記載の電極構成部分。
9. 【請求項９】 電極構成部分が、多部分からなる電極
   （１４；１５）であり、この電極において少なくとも１
   つの個別部分が、金属粉末射出成形法にしたがって製造
   されている、請求項１に記載の電極構成部分。
10. 【請求項１０】 金属粉末射出成形法によって製造され
    た個別部分が、少なくとも１つの別の部分にロウなしに
    結合されている、請求項９に記載の電極構成部分。
11. 【請求項１１】 金属粉末射出成形法によって製造され
    た個別部分（２６）が、軸（２８）と挿入物（２９）を
    含み、その際、軸と挿入物が、１つの部分からなる、請
    求項９に記載の電極構成部分。
12. 【請求項１２】 請求項１から１１までのいずれか１項
    に記載の電極構成部分を有するランプ（３２）。