JP2006040840A

JP2006040840A - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP2006040840A
Application number: JP2004223325A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Shirakawa; 宰白川
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP4413702B2

Abstract

【課題】放電空間に本質的に水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、封止部でのクラックによるリークの発生を抑止する。
【解決手段】０．１ｃｃ以下の放電空間を形成する発光管部、発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器の放電空間に、金属ハロゲン化物および希ガス、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体が封入され、封止部の内部に金属箔が封着され、金属箔の一端には放電空間内で５ｍｍ以下の距離を保って一対の電極が対向配置されている。そして、その電極の封止部と接触する電極表面の軸方向の金属結晶サイズは、１００μｍ以下に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の前照灯やプロジェクタ等に使用される放電空間に本質的に水銀を含まないメタルハライドランプに関するものである。

従来の高圧放電ランプの電極は、タングステン金属と少なくとも一種類以上の添加物質とからなり、径が大きい電極根幹部と径が小さい電極先端部で構成されており、その電極根幹部の発光管の封止材料に接触している部分の結晶粒形状が、Ｌ／Ｗ＞５（Ｌ：粒径の長さ、Ｗ：粒径の幅）となるように構成されている。（たとえば、特許文献１）
このように、電極根幹部の周辺部の結晶粒子を、外表面から軸中心に向かう幅方向に対して電極軸方向に長大化させることで、比較的脆い電極の中心部を保護でき、電極としての機械的強度を向上させる等の効果を得ることができると記載されている。ここで、実施の形態を参照すると、粒径の幅が１００μｍ以下と記載されていることから、粒径の長さは数百μｍ以上であると予想される。

特許第３２６７２１２号公報（第２〜４頁、図１）

特許文献１の高圧放電ランプ用の電極のように、電極の周辺部の結晶粒子が軸方向にこれほど長大化したものであると、電極表面において隣り合う結晶粒子同士による凹凸の形成が少なくなり、高圧放電ランプに用いた場合、電極の外表面と封止部とが互いにかみ合いにくくなって、隙間ができやすいことから、放電空間からの封入物質が電極軸と封止部との間に入り込みやすくなる。隙間に入り込んだ薬品は、電極が高温になると膨張して、封止部に応力を加え、クラックを生じさせる原因となり、そこからリークに至る可能性が高い。

また、水銀を封入するランプでは、水銀の作用により、電圧が高く保たれ、電極に流れる電流が低いために、比較的電極の直径が小さいものでもその負荷等に耐えることができる。しかし、水銀を封入しないメタルハライドランプでは、ランプ電圧が減少してしまうため、水銀を封入するランプと同等の電力を供給すると、ランプ電流が多くなる。そのため、電極が高温になりやすく、電極の溶解等が発生しやすい。そこで、一般には電極の軸径を太くし、熱により電極が溶解してしまわないように設計される。したがって、封止部と電極との隙間がさらにできやすい状態になるとともに、封止部と電極との接触面積が多くなることから、クラックの生じやすい条件となる。

本発明の目的は、放電空間に本質的に水銀を含まない条件において、封止部にクラックの生じにくいメタルハライドランプを提供することである。

０．１ｃｃ以下の放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器と、前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、前記封止部の内部に封着された金属箔と、一端は前記金属箔に接続され、他端は前記放電空間内で５ｍｍ以下の距離を保って対向配置された一対の電極とを具備し、前記電極の前記封止部と接触する電極表面の軸方向の金属結晶サイズが１００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、放電空間に本質的に水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、封止部にクラックが発生することを抑止することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態のメタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるメタルハライドランプの全体図である。

気密容器１は、例えば、透光性の石英ガラスからなり、ほぼ楕円形の形状の発光管部１１とその長手方向の両端部に発光管部１１と同材料で形成された封止部１２１、１２２からなる。発光管部１１の内部には、その長手方向にほぼ円柱状で内容積が０．１ｃｃ以下の放電空間１１１が形成されており、放電空間１１１には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、および希ガスであるキセノンが封入されている。ヨウ化ナトリウムに含有されている金属ナトリウムおよびヨウ化スカンジウムに含有されている金属スカンジウムは、主に発光金属として作用し、ヨウ化亜鉛に含まれている金属亜鉛は、主に水銀に代わるランプ電圧形成媒体として作用し、キセノンは、主に始動ガスとして作用する。また、ハロゲン化物としては、他のハロゲン化物よりも反応性が低いヨウ素が最も好適である。

ここで、発光管部１１に封入される放電媒体には、水銀は本質的に含まれていない。この「本質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、または１ｃｃあたり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀量が存在していても許容するという意味である。つまり、従来の水銀入りのショートアーク形ランプのように、水銀蒸気によってメタルハライドランプの電圧を所要に高くする場合、１ｃｃあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上封入しており、この水銀量と比較すれば、２ｍｇ未満の水銀量は圧倒的に少なく、本質的に水銀が含まれないと言える。

圧潰形成された板状の封止部１２１、１２２の内部には、例えばモリブデンからなる金属箔２１、２２が封着されている。放電空間１１１側の金属箔２１、２２の一端部には、直径が異なる大径部３１１、３２１と小径部３１２、３２２とが一体に形成され、かつ例えばタングステンにトリウムをドープした一般にトリエーテッドタングステンと呼ばれている材料からなる電極３１、３２の一端が、金属箔２１、２２とほぼ一体になるように抵抗溶接により接続され、電極３１、３２の他端は、発光管部１１付近の封止部１２１、１２２を通って、放電空間１１１に延出し、５ｍｍ以下の電極間距離を保って、その先端同士が対向するように配置されている。ここで、電極３１、３２の大径部３１１、３２１は放電空間１１１に、小径部３１２、３２２は封止部１２１、１２２内にそれぞれ位置している。

電極３１、３２の小径部３１２、３２２には、金属導線を数回、回巻して形成したコイル４１、４２が、その外周面と接触するように接続されている。このコイル４１、４２は、金属箔２１、２２側の端部から放電空間１１１に向けて所定距離巻かれ、コイル４１、４２の他端は封止部１２１、１２２に内在している。

金属箔２１、２２において、電極３１、３２が接続された部分に対して反対側の端部には、導入導体５１、５２が溶接等により接続されており、この導入導体５２の他端は、封止部１２２の外部に延出し、Ｌ字状に形成された給電端子５３の一端とほぼ直角になるように接続されている。この給電端子５３の他端は、導入導体５１の方向、かつ封止部１２１、１２２とほぼ平行に延出している。そして、封止部１２１、１２２と平行する給電端子５３には、絶縁チューブ６が取着されている。

これらを備えた気密容器１の外側には、例えば紫外線を遮断する材料からなる筒状の外管７が、その長手方向に沿って覆うように設けられている。この外管７の長手方向の両端部には、縮径部７１が形成されており、縮径部７１は封止部１２２の発光管部１１方向に対して反対側の端部付近をガラス溶着しており、図示していないもう一方の縮径部は、封止部１２１の発光管部１１方向に対して反対側の端部付近をガラス溶着している。

そして、気密容器１を内部に覆った状態の外管７は、その外周面を挟持するように形成された固定金属具８を介して、ソケット９に接続されている。このソケット９の径小部分には、金属端子９１が、その外周面に沿って形成されており、この金属端子９１は、給電端子５３とソケット９内部で電気的に接続されている。また、図示していないが、発光管部１１に対して反対方向に延出していた導入導体５１は、ソケット９内部を通って、ソケット９の底部部分に位置している。

次に、電極３１、３２について詳しく説明する。図２は、図１において、封止部と接触する電極の小径部部分を拡大して説明する断面図であり、（ａ）は電極軸方向の部分断面図、（ｂ）は電極径方向の部分断面図である。ここで、電極内部に位置する比較的結晶サイズが小さい結晶の層が１次再結晶層３１１ａであり、電極表面に位置する比較的結晶サイズが大きい結晶の層が２次再結晶層３１１ｂである。また、図中のＬは１個の２次再結晶の軸方向の結晶サイズ、Ｗは１個の２次再結晶の中心軸方向の結晶サイズ、Ｒは１個の２次再結晶の周軸方向の結晶サイズを示している。

図２（ａ）において、軸方向の結晶サイズＬは、１００μｍ以下になるように形成されている。図からわかるように、軸方向の金属結晶サイズを１００μｍ以下に形成することで、その表面には微細な凹凸が形成されている。ここで、本発明の金属結晶サイズに下限は設定していないが、可能な限り小さいものに形成しても本発明の効果を得ることができる。電極３１、３２の製造方法の一例を説明すると、まず、タングステンとトリウムが混合された粉末を溶液に浸し、均一に混ざり合った状態にする。そして、それらを型に入れて焼結、１次再結晶を形成し、さらに、作成されたトリエーテッドタングステン電極を２次再結晶させるために高温熱処理をする。このときの処理条件を１９５０℃とし、３０分間この雰囲気の中で２次再結晶させる。これにより、その２次再結晶の個々の結晶サイズを本発明の大きさに保つことができる。

本発明では、軸方向の結晶サイズＬのみを規定している。それは、次のような理由である。ランプの状態が、常温状態から点灯状態になったとき、電極と封止部は違う材料からなるために互いに異なる熱膨張をするが、この際、電極は主に軸方向に膨張し、常温状態のときの封止部との接合が解除されるようになる。このため、電極表面の軸方向の結晶サイズを小さく形成することにより、表面の微細な凹凸のため封止部と電極との接合が改善されたり、隙間が生じにくくなったりする。すなわち、電極表面の結晶の軸方向サイズを小さくすることにより、電極表面と封止部との熱膨張差で発生する相対的な位置ずれを抑制し、隙間を生じにくくすることができる。ここで、中心軸方向の結晶サイズＷ、周方向の結晶サイズＲは、本願発明のクラックの原因である封止部と電極との接合強度、隙間の発生等には関係がなく、そのサイズには影響されない。

図３は、図１のメタルハライドランプの仕様の例について説明するための発光管部付近の拡大図である。電極３１、３２の大径部３１１、３２１の直径は０．３５ｍｍ、小径部３１２、３２２の直径は０．３ｍｍ、発光管部１１の内径Ａは２．７ｍｍ、外径Ｂは６．０ｍｍ、長手方向の最大長Ｃは６．５ｍｍ、電極間距離Ｄが４．２ｍｍである。発光管部１１には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化スカンジウム−ヨウ化ナトリウム−ヨウ化亜鉛が０．２ｍｇと希ガスであるキセノンが１０ａｔｍそれぞれ封入されており、水銀は一切含まれていない。

図４は、電極の軸方向の金属結晶サイズが異なる図４のランプ仕様において、日本電球工業会に定められている自動車前照灯用メタルハライドランプの寿命試験条件であるＥＵ１２０分モードの２０００時間点滅試験後のランプの残存率を示す図であり、横軸は時間（ｈ）、縦軸は残存率（％）である。残存率は、（試験ランプ個数−封止部にクラック、リークが発生し、寿命に至ったランプ個数）÷試験ランプ個数×１００で計算している。ここで、試験ランプ数はそれぞれ１０個である。

結果より、電極の金属結晶サイズが５０μｍ及び１００μｍのランプでは、試験時間が２０００時間を越えてもクラック、リークが発生し、寿命に至ったランプはなく、すべてのランプが残存している。

対して、電極の金属結晶サイズが２００μｍのランプでは、試験時間が４００時間、８００時間と経つにつれて、ランプの封止部にクラックが入ってリークが発生、内部の封入媒体が漏れてしまう等により点灯しなくなる寿命に至っていき、試験時間が１４００時間も経たないうちにランプの残存率が０％になっている。

したがって、電極の金属結晶サイズが１００μｍ以下の場合、著しくクラックの発生を防止することができることがわかった。この結果を検証すると、電極の金属結晶サイズが１００μｍ以下の場合、封止部と接触する電極の表面は、微視的な凹凸が形成された状態となり、封止部との接合面積が増すことで互いにかみ合い、両者の接合強度が著しく増加する。この接合強度の著しい増加により、クラックにつながる原因となる放電空間からの放電媒体の侵入防止ができる。また、各金属結晶が不均一に配列されるようになるので、応力が生じた場合でも応力分散の効果が得られ、クラックが生じにくくなる。したがって、寿命に至るランプが発生しなかったと考えられる。反対に、電極結晶サイズが２００μｍのランプでは、上述のような効果が得られなかったため、ランプの寿命を早める結果となったと考えられる。

したがって、この実施の形態では、封止部と接触する電極の金属結晶サイズを１００μｍ以下にすることで、封止部と電極との接合強度が増し、放電媒体の侵入を防止でき、クラックの発生を防止できる。また、各金属結晶が不均一に配列されるようになるので、応力が生じた場合でも応力分散の効果が得られ、クラックの発生を防止できる。

また、本実施の形態では、電極にトリエーテッドタングステンを使用したため、点灯時には電極内部から酸化トリウムが表面に拡散し、そこで還元され、トリウムの単原子層が電極表面に形成されるようになる。このトリウムの単原子層により、電極表面に微細な凹凸が形成されるようになり、クラックの発生を防止できる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限られるわけではなく、例えば次のように変更してもよい。

本実施の形態では、電極３１、３２の小径部３１２、３２２にコイル４１、４２を巻いていたが、コイル４１、４２を用いないでランプを構成してもよい。ここで、コイル４１、４２を巻くと、放電媒体の金属箔部分への侵入を抑止でき、クラックの発生に効果が得られることは知られているが、コイル４１、４２を用いないで同様の実験を行っても、図４のグラフの傾向が変わらないことを確認したためである。

電極３１、３２の材料として、タングステン、ドープタングステン等を使用してもよい。

本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。図１において、封止部と接触する電極の小径部部分を拡大して説明する断面図。図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための発光管部付近の拡大図。日本電球工業会に定められている寿命試験後のランプの残存率を示す図。

符号の説明

１気密容器
１１発光管部
１１１放電空間
１２１、１２２封止部
２１、２２金属箔
３１、３２電極
４１、４２コイル
５１、５２導入導体
５３給電端子
６絶縁チューブ
７外管
８固定金属具
９口金

Claims

０．１ｃｃ以下の放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器と、
前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、
前記封止部の内部に封着された金属箔と、
一端は前記金属箔に接続され、他端は前記放電空間内で５ｍｍ以下の距離を保って対向配置された一対の電極とを具備し、
前記電極の前記封止部と接触する電極表面の軸方向の金属結晶サイズが１００μｍ以下であることを特徴とするメタルハライドランプ。