JPH10188918A - 螺旋状に巻かれたフィラメント基体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単かつ短時間に実施可能であり、従って特
に良好に機械的に行うことができるような、良好な形状
安定を有する螺旋状に巻かれたフィラメント基体、特に
白熱体の製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明によれば、１２００℃以上の温度
での白熱線の熱処理が白熱線の巻回前に行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高融点材料から成
る巻回線がコア上に巻回かつ熱処理され、必要に応じて
引き続いて個別化され、コアを取外される螺旋状に巻か
れたフィラメント基体、特に白熱体の製造方法に関す
る。さらに、本発明はこの方法に基づいて製造された白
熱体に関する。この白熱体は特に白熱電球用の単コイル
又は二重コイル発光体を意味する白熱体であるが、しか
しまた高圧放電ランプのピン電極用のフィラメントでも
ある。

【０００２】

【従来の技術】ヨーロッパ特許出願公開第１４９２８２
号公報によって、螺旋状に巻かれた白熱体の製造方法が
知られている。この公報では、幾つかの白熱体が白熱線
からコア線上に螺旋状に連続的に巻回される。コア線上
に巻回された白熱線（螺旋体）は引き続いて応力を取除
くために例えばレーザ、高周波又はコア線の抵抗加熱に
よって約１９００〜２２００℃に加熱される。その際白
熱線はコア線上に固持されている。全体としてこれによ
って螺旋体内の応力は最小にされなければならない。巻
回された白熱線からコア線を引抜くために、螺旋体はコ
ア線に対して相対的に逆方向に回転させられる。螺旋体
の内径はコア線の外径に整合しており、従って螺旋体が
コア線に付着するのを回避し得ないので、このような面
倒な作業が必要である。

【０００３】応力を除去するために白熱体を熱処理し引
き続いて螺旋体からコア線を取外すようにした類似の方
法は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４３５３２３
号公報及び特開昭４９−６７４８１号公報により知られ
ている。特開昭４９−６７４８１号公報は６００〜９０
０℃の温度に螺旋体を加熱するための手段としてランプ
を使用している。

【０００４】このようにして準備された螺旋体は良好な
形状安定性を有している。しかしながら、この形状安定
性は螺旋体からコア線を簡単に取外すのを妨げる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、簡単
かつ短時間で実施可能であり、従って特に良好に機械的
に行うことのできるような、良好な形状安定性を有する
螺旋状に巻かれたフィラメント基体、特に白熱体の製造
方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明によれ
ば、 ａ）巻回線は最初に熱処理され、これによって使用材料
の再結晶温度近くの温度にもたらされ、 ｂ）巻回線はその直後にコア上に巻回されることによっ
て解決される。

【０００７】本発明による製造方法の特に有利な実施態
様は従属請求項に記載されている。

【０００８】１つの実施態様においては、螺旋状に巻か
れた白熱体を製造するための本発明による製造方法は、
高融点材料（通常タングステン）から成る白熱線がコア
線上に巻回され、熱処理され、引き続いて個別化され、
コア線を取外すようにした基本的に公知の技術を利用す
る。

【０００９】本発明による方法は、巻回線材料に巻回工
程中に既に熱的影響を与えるという考えを前提としてい
る。白熱線を同様にエンドレスコア上に巻回するような
従来の方法に比べて、本発明においては、引抜き中にコ
ア線上の白熱線を応力除去のために焼なます後続の作業
を省略することができる。特に、その場合、白熱線が熱
作用の後に続いて巻付けられるボビンの曲率半径はその
白熱線から製造されるべき白熱体の軸線方向長さに比べ
て小さいことが保証されなければならない。特に優れた
実施態様においては、螺旋体の個別化は巻回の直後に行
われ、それゆえ巻付けを省略することができる。

【００１０】一方では、巻回の際巻回材料の降伏点以上
の永久的な塑性変形が生ずる。何故ならば、巻回材料は
コア材料の円弧上で曲げられなければならず、このこと
が曲げ応力を与えることになるからである。

【００１１】他方では、巻回材料には巻回工程によって
付加的に弾性変形（いわゆるねじり応力）が巻回材料の
降伏点に至るまで与えられる。

【００１２】巻回の際に曲げ応力とねじり応力との重畳
が生ずる。弾性残留応力成分（曲げ及びねじり）は個別
化後放出され、一方では螺旋体を急激に開いて内径を拡
大させる。白熱体はその際にも形状安定性を保ち続け
る、即ち螺旋状に巻回され続ける。他方では、塑性残留
応力成分は（ばね材料の弾性領域におけるばねの緩みに
比べて）軸線方向長さを守りながら巻回ターン数を減少
させる。

【００１３】驚くべきことに、通常の巻回速度でも大き
な損傷を生ずることなく、巻回工程の直前でも巻回材料
の十分な熱処理が保証されることが判明した。特に熱処
理のためにプラズマトーチを使用すると、エネルギー伝
達は１００００ｒｐｍ（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｅｒ
ｍｉｎｕｔｅ）以上の回転速度を達成し得る程高い。
一般的な回転速度は６０００〜８０００ｒｐｍである。

【００１４】本発明による第１の工程は白熱線が熱処理
されることである。

【００１５】白熱体を製造する場合、白熱線は材料の再
結晶化温度の直ぐ近くの温度にもたらされなければなら
ない。この温度には好ましくは再結晶化温度の６０〜９
０％の温度が適する。タングステンの場合、このことは
白熱線が１２００℃以上、好ましくは１４００℃以上の
温度にもたらされることを意味する。タングステンの再
結晶化温度は約１８００℃である。

【００１６】１８００℃以上の温度の場合、タングステ
ン焼結物質が再結晶化し始める領域に達し、このことが
脆弱化を増大させる。材料はこれによって破壊され易く
なる。従って、このような材料はその後の加工（フィラ
メントへの保持リング又は端部部品の取付け、又はフィ
ラメント基体の引伸ばし）時に高い歩止まりが生じるで
あろう。

【００１７】第２の実施態様においては、電極の製造の
ために、今まで説明したのとは逆に、好ましくは再結晶
化温度の領域に位置するようなもっと高い温度が必要で
ある。何故ならば、与えられた応力はこの場合もはや放
出されてはならないからである。即ち一種の再結晶化が
望まれる。

【００１８】その直後に、加熱された白熱線もしくはフ
ィラメント基体がコア上に巻回される。このようにして
製造された螺旋体の著しい冷却を防止するために、コア
の直ぐ近くで螺旋体の加熱が行われる。この場合“コ
ア”はコア線ならびに中実なコアピンを含むものとす
る。

【００１９】次の工程で、即ち既に少し冷やされた螺旋
体が個別化される。螺旋体が個別化前にさらに加熱され
ると、着色が始まるかもしくは酸化が生じ得る。最悪の
場合、フィラメントは僅かしか開かないか又はもはや全
く開かなくなる。同様にコアのいわゆる有効寿命はそれ
に依存する。その場合完成した螺旋体は個別化の際にま
だ残留応力を持っており、この残留応力によって個別化
直後に螺旋体の内径が拡大され、それにより螺旋体はコ
ア線との密接な接触を失う。螺旋体はまだコア線に緩く
取付けられている。

【００２０】これに基づいて最後の工程でコア線は緩く
取付けられている螺旋体から簡単に取外すことができ
る。

【００２１】両実施態様のために巻回線の熱処理がプラ
ズマトーチによって行われることが好ましい。この種の
プラズマトーチの原理は例えばオランダ特許出願公開第
７１１２７６７号公報に詳細に記載されている。プラズ
マとして例えばアルゴン、ヘリウム、水素、窒素及びこ
れらの混合ガスを使用することができる。

【００２２】このために、プラズマ燃焼が自由ガス流内
で行われ、特にアルゴン、アルゴン・窒素混合ガス、又
はアルゴン・水素混合ガスが使用されると特に好適であ
ることが判明している。特に窒素は保護ガスとしても使
用することができる。プラズマトーチの陽極ならびに陰
極がトーチ容器内に配置されていると有利である。

【００２３】白熱線が巻回前に１２００℃以上の温度に
達していると有利である。

【００２４】交互使用コアは巻回工程を安定化させかつ
巻回工程中の公差を最小にするので、交互使用コア（機
械コア）はコアとして特に好適である。その場合、機械
コアを例えばばね鋼又はタングステンのような（１８０
０℃の温度範囲の）耐熱性材料から構成することが推奨
される。機械コアは１８００℃以下の温度に良好に耐え
なければならない。

【００２５】巻回線の材料は一般にタングステンである
が、このタングステンは必要に応じてカリウム、シリコ
ン、アルミニウム及び／又はトリウムのような添加物を
ドープしてもよい。

【００２６】本発明は、白熱体、又は上述の方法に基づ
いて製造されたフィラメントを備えた電極、ならびにこ
れらから製造されたランプを含む。

【００２７】本発明による方法を用いると、白熱体を製
造する際、少し前に行われた熱処理のために巻回工程に
よって螺旋体内へもたらされた応力によって、螺旋体は
個別化後蓄積された機械エネルギーのために半径方向へ
開く状態にされる。半径方向へ開かせるのは厳密に言え
ば上述した弾性残留応力成分である。この弾性残留応力
成分に基づいて螺旋体はこの工程が大きな問題を提起し
た従来技術とは逆に自動的にコア線から解離される。

【００２８】螺旋体が軸線方向へほぼ形状安定性を保ち
続けるという驚くべき特性は特に有利である。軸線方向
に開くことはばねが緩くなるのと同じように弾性的に行
われ、予め与えられた巻回長さを守りながら巻回ターン
を減少させる。本発明においては、螺旋状に巻かれた白
熱体の全長にほんの僅かなバラツキしか生ぜしめない僅
かな軸方向残留応力が現れるだけである。

【００２９】熱的前処理時の温度は、螺旋体の所望の最
終内径が個別化後半径方向へ開くことによって自動的に
生ずるように選定される。具体的な詳細例においては、
厳密な寸法は主としてコア材料及び巻回材料の直径と、
温度と、巻回速度とに依存する。

【００３０】螺旋体の内径拡大は半径方向へ開くことに
起因して型式に特有であり、２〜３０％の範囲で変動す
る。

【００３１】換言すれば、螺旋体の所望の寸法は従来技
術に比較して小さいコア線を用いて得られる。

【００３２】本発明による方法は基本的に２つの異なっ
た用途に適する。

【００３３】第１の用途では白熱ランプ用の単コイル又
は二重コイル発光体を製造することができる。単コイル
発光体の場合、本発明による方法は上述したようにして
直接適用することができる。

【００３４】二重コイル発光体の場合、本発明による方
法は、従来製造されていたエンドレス一次螺旋体（これ
はまだコア線上に巻回されている）が二次螺旋体用のコ
ア線として使用されるように変更される。上述した本発
明による方法はその場合二次螺旋体を製造するために適
用される。その後、その他の加工工程もしくは直ちに一
次コアの取外しが行われる。

【００３５】本発明による方法はコア線もしくは白熱線
の公知の全ての直径に適し、しかも公知の全てのピッチ
に適用可能である。白熱線及びコア線の直径の減少と共
に、表面付着の増大に基づいて白熱線がコア線に貼付く
傾向が観察された。この場合多数のコア線を周期的に交
互に使用することが救済になる。負荷に応じてその場合
５〜５０個又はそれ以上のコア線もしくはコアピンが使
用される。このいわゆるレボルバー技術は機械コアの長
い使用期間（有効寿命）を可能にする。

【００３６】“レボルバー技術”とは（ｎ＋１）回目の
工程の前であるが、先行するｎ回目の工程の完全な終了
後に材料の自動供給が行われることを理解する。このこ
とはレボルバーの場合一発分の発射後中味と共に次のカ
ートリッジ室へ自動供給することに相当する。

【００３７】高温度の材料を機械コア上に巻付けること
によって、機械コアの温度は機械材料、巻回材料と周囲
温度との間に定常的な温度平衡が生じるまでその使用中
上昇する。機械コアは温度の上昇と共にその安定性が減
少する。即ち機械コアは柔らかくなりかつ不安定になり
（焼結物質の場合硬くなりかつ脆くなる）、それゆえ機
械コアは全プロセスに対して傷付き易くなる。レボルバ
ー技術の適用によって、個々のコアは交互に使用される
他のコア（一般に５〜５０個のコア）を利用している間
再び冷却することが可能になる。それによって明らかに
高い有効寿命が得られると共に、螺旋体の幾何学的形状
のバラツキが僅かになる。

【００３８】第２の適用分野はフィラメントを取付けら
れたピン電極である。この種の電極は例えば米国特許第
３０６７３５７号明細書により知られている。本発明に
よる方法によれば、この種の電極は巻回線の熱処理時に
使用材料の再結晶温度の範囲内に位置する特に高い温度
が適用されることによって製造される。タングステンの
場合、この温度は好ましくは１８００℃又は１８００℃
より僅かに上の温度である。これによってフィラメント
を開かせる弾性残留応力が防止される。このようにして
巻回線はコアピンもしくは電極軸上に“嵌込む”ことが
できる。

【００３９】このような高い温度作用よって弾性残留応
力と化学的・構造的状況との間の平衡が起こる。与えら
れた応力は結合長さ、結合角度及び結合力を反映する粒
子又は結晶の結晶格子の強制的最小変化にほかならな
い。材料の温度上昇と共に、結晶格子内での原子の状態
はより一層不明になり、即ちその状態は特殊な構造にと
っては可逆的プラズマ転換（例えば結晶のα相のβ相へ
の転換）に至るまでエネルギー的に益々好ましくなくな
り、その前に支配している状況のための所定の温度から
はエネルギー的に好ましい他の構造が占めるようにな
る。微視的な格子ひずみの和が巨視的な残留応力成分を
生ずる。

【００４０】白熱線の巻回と異なり（タングステンの場
合１２００〜１８００℃）、本発明による方法に基づく
フィラメントを備えた電極を製造する際、残留応力成分
が格子ひずみによって弾性的に与えられるのではなく、
応力が天然の構造を維持しながら格子ユニットの構造上
の“組織転換”によって保証される（部分再結晶もしく
は完全再結晶）ようにするために、大きなエネルギー付
与が必要である（タングステンの場合、再結晶の範囲内
に位置する１８００℃以上の温度に相当）。一般に電極
上にフィラメントを巻回する際、プラズマ温度は好まし
くは巻回材料の温度がほぼいわゆる固相線−液相線転移
の領域になるように調整される。それゆえ材料は“柔ら
かく”変形し、格子内の結合間隔は比較的大きく、従っ
て結合力は比較的小さい。非常に迅速に実施される形状
付与の工程後、材料は、格子内へ応力を与えることなく
部分又は完全再結晶によって新しい構造を形成する時間
を十分有する。その場合、結晶格子の本来の結晶タイプ
は維持され続ける。冷却時間の増大と共に、結合状況は
再び正常な状態に戻され、フィラメントは電極軸上に応
力なく（嵌込まれて）固定される。

【００４１】従来技術の場合、ピン上でのタングステン
の保持は溶接又は圧力嵌めによって実現されなければな
らない。溶接のこの補助的に必要な作業工程は溶接区域
の範囲のみに上述の現象に似た構造変化を生ぜしめる。

【００４２】圧力嵌めでは白熱体の巻回技術が逆にな
る。つまり、弾性の電極螺旋体は外径がその電極螺旋体
の内径より大きいコアピンに後から備えられる。電極螺
旋体はその際広げられる。弾性変形がピンの引込みによ
って戻りばね力を発生する。それによって、ピンは個々
のターンとの摩擦によって固持される。

【００４３】公知の電極の場合、通常フィラメントがコ
アピン上に乗せられ、その後コアピンに溶接されるか、
又はコアピンがフィラメント内へ後から挿入される（圧
力嵌め）。しかしながら、本発明による方法の場合、フ
ィラメントは自然にコア線上に良好に保持されるので、
溶接も圧入も必要とされない。特に、溶接工程の際に回
避することのできないような電極の点状損傷（脆弱化）
はもはや生じない。

【００４４】本発明による方法を用いると、全ての工程
を考慮した場合、非常に高い能率が得られる。巻回の際
螺旋体の個別化が行われない他の機械（いわゆる投げ縄
機、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１６３９０９５号
公報参照）に比較して、巻回時の能率は低い。しかしな
がら、このために後続の工程に関しては時間が明らかに
短くなるか、もしくは一連の工程、特にコア線の手数の
掛かる取外し工程は完全に省略される。さらに、エンド
レス巻回コアの準備ならびに独立した工程としての形状
安定のための焼なまし及び後続の分離プロセスは同様に
省略される。

【００４５】

【実施例】次に、本発明を幾つかの実施例に基づいて詳
細に説明する。

【００４６】図１は巻線機の本発明のために重要な部分
を示す。ばね鋼から成る移動可能な機械コア１は一端部
が保持具２ａ内に案内されかつ他端部が対向保持具２ｂ
内に半径方向成形・保持装置１５によって案内されてい
る。機械コア１は保持具２ａ内に入出することができ
る。

【００４７】他の実施例においては、固定式機械コア及
び移動式線供給装置を使用することができる。

【００４８】白熱線３は、軸８が機械コア１に平行に配
置された貯蔵リール６から巻回材料として到来し、ピッ
チ駆動装置９によって設定された予め定められたピッチ
を守りながら螺旋体１３を形成するように線送り装置
（図示されていない）によって機械コア１上に巻回され
る。

【００４９】白熱線３の一部が機械コア１上に到達する
前の近いところで、白熱線３はプラズマトーチ４によっ
て熱処理される。プラズマ加熱はアルゴンプラズマ５に
よって自由ガス流内で行われる。プラズマトーチ４は、
巻回駆動装置１２及びピッチ駆動装置９が作動している
ときにのみ運転される。発光体の予定長さに巻回された
ら、線切断機７が動き始めて、発光体を切断する。フィ
ラメントは急激に開き、簡単に外すことができ、一方機
械コア１は戻される。その直後に、線送り装置は再び始
動し、プラズマトーチが再び運転し始める。

【００５０】当該駆動装置を備えた適当な巻線機制御装
置（ここではシーメンス標準ＣＮＣ制御装置）が、巻回
プロセスと、速度に依存してそれと同時に行われる巻回
材料の熱処理との組み合わせを保証する。

【００５１】本発明によれば複雑なフィラメントも製造
することができる。例えば、図２に示されているよう
な、４個の発光セグメント（それぞれ狭い約７０ター
ン）と、その間に位置する３個の中断部（それぞれ広い
５ターン）と、２個の端部（それぞれ広い８ターン）と
を備えた管形ランプ（ハロゲン電球）２０用の単コイル
発光体１０を製造することができる。機械コアはその場
合１．４ｍｍの直径を持つばね鋼から構成される。機械
コアが保持するフィラメントの全保持長さは５０ｍｍ以
上である。白熱線の直径は約１２０μｍである。

【００５２】図３は二次螺旋体が本発明による方法に基
づいて製造された二重コイル発光体１１の概略図を示
す。全ての実施例において、発光体はタングステンから
構成されている。

【００５３】図４はコアピン又は電極軸１８とこれに巻
回されたフィラメント１９とから構成された電極１４を
示す。フィラメント１９はコアピン１８上に嵌込まれて
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による巻回工程を示す概略図。

【図２】単コイル白熱体を備えたハロゲン電球を示す概
略図。

【図３】白熱電球用の二重コイル白熱体を示す概略図。

【図４】フィラメントを備えたピン電極を示す概略図。

【符号の説明】

１ 機械コア ２ａ 保持具 ２ｂ 対向保持具 ３ 白熱線 ４ プラズマトーチ ５ アルゴンプラズマ ６ 貯蔵リール ７ 線切断機 ８ 軸 ９ ピッチ駆動装置 １０ 単コイル発光体 １１ 二重コイル発光体 １２ 巻回駆動装置 １３ 螺旋体 １４ 電極 １５ 半径方向成形・保持装置 １８ コアピン又は電極軸 １９ フィラメント ２０ 管形ランプ

フロントページの続き (72)発明者 ユルゲン エーダー ドイツ連邦共和国 51061 ケルン チミ アンヴエーク 13 (72)発明者 ハンス リールマン ドイツ連邦共和国 51515 キユルテン ハツヒエンベルガーヴエーク 16 (72)発明者 ペーター シユミツト ドイツ連邦共和国 51688 ウイツパーフ ユルト ペフエコーフエン 11 (72)発明者 ラインハルト シユプレンガー ドイツ連邦共和国 51688 ウイツパーフ ユルト ニコラウスシユトラーセ 14

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高融点材料から成る巻回線（３）がコア
   （１）上に巻回かつ熱処理され、必要に応じて引き続い
   て個別化され、コアを取外される螺旋状に巻かれたフィ
   ラメント基体、特に白熱体の製造方法において、 ａ）巻回線（３）は最初に熱処理され、これによって使
   用材料の再結晶温度近くの温度にもたらされ、 ｂ）巻回線（３）はその直後にコア（１）上に巻回され
   ることを特徴とする螺旋状に巻かれたフィラメント基体
   の製造方法。
2. 【請求項２】 熱処理はプラズマトーチ（４）によって
   行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 プラズマ燃焼は自由ガス流（５）内で行
   われ、特にアルゴン・窒素混合ガス又はアルゴン・水素
   混合ガスが使用されることを特徴とする請求項２記載の
   方法。
4. 【請求項４】 巻回線（３）は白熱電球の発光体用の白
   熱線であり、コアはコア線又は機械コア（１）であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 工程ｂ）に続いてさらに次の別の工程、 ｃ）白熱線は引き続いて個別化され、その場合完成した
   螺旋体は個別化される際まだ残留応力を持っており、こ
   の残留応力によって個別化直後に螺旋体の内径が拡大さ
   れ、それにより螺旋体はコアへの密接な接触を失い、 ｄ）最後にコアは緩く取付けられている螺旋体から取外
   されるが行われることを特徴とする請求項４記載の方
   法。
6. 【請求項６】 白熱線は巻回前に使用材料の再結晶温度
   の僅かに下の温度、好ましくは再結晶温度の６０〜９０
   ％の温度に達していることを特徴とする請求項４記載の
   方法。
7. 【請求項７】 コアは交互使用可能な機械コアであるこ
   とを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 【請求項８】 機械コアは耐熱性材料から構成されてい
   ることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 コア線の取外しは機械コアの引戻しによ
   って行われることを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 【請求項１０】 巻回線は放電ランプの電極用のフィラ
    メントを形成し、コアはコアピンもしくは電極軸である
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 【請求項１１】 工程ａ）の際、巻回線は使用材料の再
    結晶温度の僅かに上の温度、特に固相線−液相線転移近
    くの温度にもたらされることを特徴とする請求項１０記
    載の方法。
12. 【請求項１２】 巻回線の材料はタングステンであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至１２の１つに記載された
    方法で製造されたフィラメント基体、特に白熱体又は電
    極。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至１２の１つに記載された
    方法で製造されたフィラメント基体又は電極を備えたラ
    ンプ。