JP2007220678A - 改良型の電極配列を有する高輝度放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】シーリング域でのひび割れを防ぎ、金属ハロゲン化物充填物の量を減らし、ランプ性能を向上させる改良型の電極配列。
【解決手段】高輝度放電ランプでの使用のために提供される発光管。２つの対向する端部と両端部の間の空洞とが形作られた細長い外側エンベロープと、外側エンベロープの各端部から外向きに突き出し、各々が通路を有する電極スリーブと、電極スリーブの通路に挿入された電気フィードスルー部材であって、発光管の内部空洞の中に延びる内部ロッドと、内部ロッドのうち通路内に位置する部分を囲むセラミックスリーブとを有するフィードスルー部材とを有する。シーリング材は、通路の外側に面した方の端部に配置され、電極スリーブにフィードスルー部材をシーリングしている。当該シーリング材は、電極スリーブの通路の内部に延びているが、セラミックスリーブから空間的に隔てられている。
【選択図】図１

Description

ここに開示する内容は高輝度放電ランプに関し、より具体的には、ランプの発光管に用いる改良型の電極配列に関する。

従来の型の構造の高輝度放電ランプでは、電極配列は多結晶アルミナ発光管に機密状態でシーリングされており、その処理には、多結晶アルミナ発光管の熱膨張係数に一致する特定の組成を有したガラスフリットが用いられる。その電極の製造には、ニオブ金属、モリブデン＝アルミナサーメット、または、タングステン＝アルミナサーメットなどの材料が使われるが、それは、それらの熱膨張係数が多結晶アルミナのそれに近いからである。シーリングフリット材を慎重に設計した場合ですら、ランプ製造中やランプの製品寿命の間のシーリング領域でのひび割れの問題は、完全には防止できない。これは電極の構造のためである。大部分の電極設計では、モリブデンコイルが、タングステン電極チップとフリットシーリング領域との間に置かれたモリブデンロッドまたはタングステンロッドを囲んでいる。シーリングプロセスの間に、フリットが電極のこの中央部分の上にまでオーバーフローすると、シーリングプロセスやランプ製品寿命の間にシーリング領域においてひび割れが生じ得る。

さらに、多結晶アルミナとモリブデンとの間の熱膨張係数に差があるため、多結晶アルミナキャピラリ（capillary）の内径とモリブデンコイルとの間には、比較的大きな隙間が存在する。この隙間に加えて、モリブデンコイルの巻きと巻きとの間の空スペースにより、発光管製造中に発光管に充填する金属ハロゲン化物の化学充填物（chemical fill）の量をより多くすることが必要となる。金属ハロゲン化物の化学充填物の量がより多くなれば、発光管の中に導入される不純物の量も多くなり、それによって、スタート時の問題が引き起こされたり、多結晶アルミナ材との化学反応の率が高くなったりする。

なお、ここまでのセクションにおける記載は、単に本発明の開示に関連した背景情報を提供するものであり、先行技術を構成するわけではない。
米国特許第４，０３４，２５２号明細書

シーリング域において熱膨張係数の不一致に起因するひび割れを確実に防ぎ、金属ハロゲン化物充填物の量を減らし、そして、ランプ性能を向上させるために、改良型の電極配列を提案する。

高輝度放電ランプでの使用のために提供される発光管である。本発光管は、全体的な構成として、対向する２つの端部と両端部の間の空洞とが形作られた細長い外側エンベロープと、外側エンベロープの各端部から外向きに突き出して、各々が通路を有している電極スリーブと、そして、電極スリーブの通路内に挿入された電気フィードスルー部材と、を有しており、フィードスルー部材は発光管の空洞の中に延びた内部ロッドを有し、セラミックスリーブが、内部ロッドのうち通路の内側に位置する部分を囲んでいる。シーリング材は、通路のうち外部に面した方の端部に配置されてフィードスルー部材を電極スリーブにシーリングしているが、シーリング材は電極スリーブの通路の中にまで延びているものの空間的にセラミックスリーブから隔てられている、という状態になっている。

これにより、シーリング域において熱膨張係数の不一致に起因するひび割れを確実に防ぎ、金属ハロゲン化物充填物の量を減らし、そして、ランプ性能を向上させるために、改良型の電極配列を提案する。
上記以外の適用領域は、本文書において提供される説明から明らかになるであろう。理解すべき点として、ここでの説明および特定の例は、例示のみ目的としたものであって、本発明の開示の範囲を限定することは意図していない。

本文書で示す図面は、あくまでも説明を目的とするものであって、いかなる形であれ本発明の開示の範囲を限定する意図はない。
図１は、高輝度放電ランプにおいて使用される発光管１０に関して、例示的な構造を示している。発光管１０はおおまかに言って、細長い外側エンベロープ１２と、外側エンベロープ１２の各端部から外向きに突き出した電極スリーブ１４と、そして電極フィードスルー部材１６とから成る。外側エンベロープ１２は、閉じた放電空間を形作っており、当該空間の内部には、ランプ動作中に光を発する金属ハロゲン化物や水銀などのイオン性材料と、アルゴンやキセノンなどの開始ガス（starting gas）とがはいっている。ただし、理解すべき点として、他の材料を発光管に封入することもある。

例示的な実施の形態において、外側エンベロープは、端部の開いたシリンダ２５と、シリンダの各端部に結合された一対の密閉ディスク２２Ａ、２２Ｂとを有した形とすることができる。円筒形の電極スリーブ２１Ａ、２１Ｂは、密閉ディスク２２Ａ、２２Ｂに設けられた中央貫通穴の中に挿入されている。そうして、電極スリーブ２１Ａ、２１Ｂは、外側エンベロープの各端部から外向き（すなわち、長手方向に）に突き出た形となっている。各電極スリーブ２１Ａ、２１Ｂは更に、その長手方向軸に沿って穴（bore）を備えており、それによって、外部から発光管の内部空洞に入る通路が作られている。外側エンベロープの有するこれら各種の構成要素は、アルミナ粉を型で固めて所望の形状に成形した後、そうして作られた成形物を焼結して形成前部品を実現する、というやり方で作られる。その後、この形成前部品を焼結によって結合することで、所望の寸法を有した単一の本体を作り上げる。これと異なる種類の構造、ならびに、別の形状の外側エンベロープもまた、本発明の開示の範囲内にあると考えられる。

電気フィードスルー部材１６（電極としても言及されるもの）は、各電極スリーブの通路の中に挿入されている。通常の構造においては、電極１６は、内部タングステンロッド３１Ａ、３１Ｂに突合せ溶接された外部ニオブロッド２６Ａ、２６Ｂから成る形とすることができる。外部ロッド２６Ａは、電極スリーブ１４の外部から電極スリーブの通路に中へと延びている。一方、内部ロッド３１Ａ、３１Ｂは、通路の内部から発光管の内部空洞に中に延びている。そして、内部ロッド３１Ａ、３１Ｂのうち通路の内部に位置する部分には、モリブデンコイル３４Ａ、３４Ｂが巻かれている。それに加えて、内部ロッド３１Ａ、３１Ｂのうち発光管の空洞内に存在する方の端部には、電極コイル３２Ａ、３２Ｂが設置されている。最後に、シーリングフリット２７Ａ、２７Ｂを用いて電極１６を電極スリーブ１４に結合する。それによって発光管の放電空間は閉じられる。留意すべき点として、シーリングフリットは電極スリーブの通路の中に延びてモリブデンコイルを数回転分カバーしており、そうすることで、外部ロッド２６Ａ、２６Ｂが金属ハロゲン化充填物と接触するのを防いでいる。

シーリング位置において、ニオブを他の何らかの材料と置き換えることができていれば、電極作成および、それと共に用いられる後続のシーリングプロセスをより簡単にすることができると同時に、作動中、ハロゲンベースの化学的腐食に対する耐性も高められるであろう。金属酸化物を混合したセラミックのシーリングフリットは、対応する電極チューブの多結晶アルミナと対応するニオブロッドとの間のシーリングに影響を与える点で、高圧ナトリウムランプで使われるものよりもハロゲン化物に対する耐性が高い。しかし、耐性を有する一方で、このシーリングフリットは化学的侵食には耐えられない。よって、シーリング位置においてニオブを除去すれば、電極管の内部のシーリングフリットに関して、露出長を最小限で影響のないものにすることができるであろう。

電気フィードスルー部材を多結晶アルミナ放電管の中に信頼できる形でシーリングするためには、電気フィードスルー部材、電極スリーブ、そしてシーリング材に類似した熱膨張係数を持たせて、発光管のシーリングプロセスおよび発光管の作動の間の、シーリング領域におけるストレスを小さくする必要がある。セラミックスリーブと電極スリーブとが同じ材料であるため、セラミックスリーブを使用してモリブデンコイルを置き換えれば、結果として、その周辺での温度変化に伴う熱ストレスは大幅に小さくなるであろう。また、提案した電極配列では、許容差がはるかに密であり、それと共に、電極スリーブ内部の空きスペースははるかに小さいため、スペースに充填するために大量の金属ハロゲン化物が必要とならない。こうして金属ハロゲン化物充填物が少なくなることで、動作中の相関色温度の安定性が高まると共に、多結晶アルミナと金属ハロゲン化物充填物との間の化学反応の速度も下がるであろう。セラミックスリーブを用いてモリブデンコイルを置き換えることによる効果としては、他に、５００℃を上回る温度におけるセラミック（例：アルミナ）の熱伝導率がモリブデン金属の１０倍も低く、そのため、電極スリーブ管を通じてのタングステン電極の熱損失が大きく減らされる、ということがある。そして、セラミックスリーブを用いてモリブデンコイルを置き換えることによる、更に別の効果として、モリブデン材は、発光管の中で、特定の条件においてヨウ素または臭素と化学反応する、ということがある。

図２は、本発明の開示による電極配列の例示的な実施の形態を示す。この実施の形態において、電気フィードスルー部材１６は３部分構造を採用しており、それら３つの部分とは、円筒形の外部ロッド２６Ａ、円筒形の中央ロッド３６Ａ、そして、円筒形の内部ロッド３１Ａである。中央ロッド３６Ａは、一方の端部が電極スリーブ１４の外に出ており、その反対側の端部は電極スリーブ１４の通路に中に留まる、という状態で配置されている。中央ロッド３６Ａは、サーメット材料で作るのが好ましいが、電極スリーブの材料に近い熱膨張係数を有した他の材料も、本開示によって完了される。

外部ロッド２６Ａは、電極スリーブの外側で、同心となる形で（例えば溶接により）中央ロッド３６Ａの端部に結合されている。一方、内部ロッド３１Ａは、中央ロッド３６Ａの反対側の端部に、同心となる形で（例えば溶接により）結合されている。また、ニオブ管２３Ａが、外部ロッドと中央ロッドとの間の溶接結合部を囲むことにしてもよく、そうすれば、結合部の物理的強度を高めると共に、電極用の停止位置の役割を果たすことになる。この実施の形態では、外部ロッド２６Ａはニオブで作られており、内部ロッド３１Ａはタングステンで作られている。しかし、類似した特性を有する金属が本開示の範囲に入ることも、やはり理解されるであろう。同様に、非円筒形の形状を有するロッドも、本開示の範囲に入ると考えられる。

セラミックスリーブ３４Ａは、電極スリーブ１４の通路の中で、内部ロッド３１Ａの一部を囲んでいる。セラミックスリーブ３４Ａの外径は実質的に通路の内径に等しい。１つの例示的な実施の形態において、セラミックスリーブ３４Ａは、中央のロッド３６Ａの端部に接しると共に、電極スリーブ１４の内側に面した端部の方向へ長手方向に延びて、セラミックスリーブ３４Ａの端部は電極スリーブの端部（図示せず）と同一面上に位置する形となっている。別の実施の形態では、モリブデンまたはタングステンのワイヤ３３Ａを、セラミックスリーブ３４Ａの端部に溶接し、その内部ロッドにおける位置を固定する。この実施の形態では、図に示すように、セラミックスリーブ３４Ａは電極スリーブ１４の端部近くまで延びている。いずれにせよ、セラミックスリーブ３４Ａは内部ロッドと電極スリーブの内表面との間のスペースのほとんど全体を占有するため、ランプの製品寿命の間、金属ハロゲン化物塩が凝縮するスペースは最小限となる。セラミック材料の例としては、アルミナ酸化物、イットリア酸化物、アルミニウム窒化物、ならびに、モリブデンまたはタングステン金属とアルミナとの混合物がある。

シーリングフリット２７Ａは、電極スリーブの外側に向いた端部に配置される。注意を払って、溶けたシーリングフリットの流れが確実に、外部ロッドの周囲を完全に囲むと共にその上を覆うようにすることで、ハロゲン化物による化学反応に対する保護面が形成される。電極スリーブの内部にフリットが流れ込む長さは、非常に厳密に制御する必要がある。フリットの長さが短ければ、外部のニオブロッドはハロゲン化物による化学的侵食にさらされる。フリット長が電極スリーブ内部にあまりに深く延びると、フリットと内部ロッドとの間に大きな熱的な不一致が存在するため、その位置における多結晶アルミナまたはシーリングフリットのひび割れにつながる。従って、シーリングフリットの先端は、中央ロッドに隣接する位置までは延ばすべきだが、セラミックスリーブおよび内部ロッドの手前で止めなければならない。セラミックスリーブからシーリングフリットを空間的に隔てることによって、軸方向の熱の損失は小さくなる。理解すべきこととして、フリット以外の化合物も本発明の開示の範囲に含まれる。

発光管のシーリングプロセスは、結合位置でセラミックスリーブの端部をフリットリングと共に加熱する処理によって実行される。加熱は、制御下においてガス充填した環境で、シーリング炉において実施される。セラミックスリーブ内部のフリット材のシーリング長は、炉の内部でセラミックスリーブに施される板金熱シールド（sheet metal heat shields）の位置を調節することによって制御される。板金熱シールドは、セラミックスリーブのうち炉の発熱体によって加熱される部分を限定するものである。

本発明に関する上記説明は、本質的に単なる例示であり、従って、本発明の主旨から逸脱しない変形例は、本発明の範囲に含まれることを意図している。こうした変形例は、本発明の精神および範囲からの逸脱とは見なされない。全図面を通して、対応関係にある参照番号は、類似または対応する部品や特徴部を指すものと理解すべきである。

本発明は、高輝度放電ランプで使用される発光管に関し、シーリング域において熱膨張係数の不一致に起因するひび割れを確実に防ぎ、金属ハロゲン化物充填物の量を減らし、そして、ランプ性能を向上させるために、改良型の電極配列を提案する、という点で有用である。

高輝度放電ランプで使用される発光管に関し、例示的な構造を示す図である。 本発明の開示による発光管のための電極配列の例示的な実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０ 発光管
１２ 外側エンベロープ
１４ 電極スリーブ
１６ 電極フィードスルー部材
２６ 外部ロッド
２７ フリット
３１ 内部ロッド
３４ セラミックスリーブ
３６ 中央ロッド

Claims (15)

1. 高輝度放電ランプにおいて使用される発光管であって、
   ２つの対向する端部と両端部の間の空洞とが形作られた細長い外側エンベロープと、
   外側エンベロープの各端部から外向きに突き出した電極スリーブであって、各々、発光管の外側から内部空洞に入る通路を有した電極スリーブと、
   電極スリーブの通路に挿入された電気フィードスルー部材であって、発光管の内部空洞の中に延びる内部ロッドと、当該内部ロッドのうち通路内に位置する一部分を囲むセラミックスリーブとを有するフィードスルー部材と、そして、
   通路の外部に面した方の端部に配置され、電極スリーブにフィードスルー部材をシーリングするシーリング材であって、電極スリーブの通路の内部に延びているが、セラミックスリーブから空間的に隔てられている、というシーリング材と、
   を有することを特徴とする発光管。
2. 電気フィードスルー部材は中央ロッドを更に有し、当該中央ロッドの一方の端部は電極スリーブの外部にあり、反対側の端部は電極スリーブの内部の一点で内部ロッドに連結されており、そして、外部ロッドは電極スリーブの外部にある端部において中央ロッドに連結されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
3. 中央ロッドはサーメット材で作られていること、
   を特徴とする請求項２に記載の発光管。
4. 外部ロッドと中央ロッドとの間の結合部分を囲む管を更に有すること、
   を特徴とする請求項２に記載の発光管。
5. セラミックスリーブは、アルミナ、イットリア、アルミニウム窒化物から成るグループから選択された材料で作られていること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
6. セラミックスリーブは、アルミナとモリブデン金属またはタングステン金属のいずれかとの混合物で作られていること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
7. 電極スリーブの通路は、セラミックスリーブの外径が通路の径と実質的に等しくなる形で、円筒形の形状を有していること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
8. セラミックスリーブは、通路の内側に面した方の端部の方向に、軸方向に延びていること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
9. シーリング材はフリット材であること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光管。
10. 高輝度放電ランプにおいて使用される発光管であって、
    ２つの対向する端部と両端部の間の空洞とが形作られた細長い外側エンベロープと、
    外側エンベロープの各端部から長手方向に延びる円筒形電極スリーブであって、各々がスリーブの長手方向軸に沿って円筒形の通路を提供する、という電極スリーブと、
    各電極スリーブの通路の中に挿入された電極であって、一方の端部が電極スリーブの外側に延び、反対側の端部が電極スリーブの内部に位置している、という円筒形の中央ロッドと、当該中央ロッドに対し電極スリーブの外側の端部で同心となる形で結合された円筒形の外部ロッドと、そして、当該中央ロッドに対し、電極スリーブの内部にある反対側の端部において、同心となる形で結合された円筒形の内部ロッドと、を有する電極と、
    内部ロッドのうち通路の内部に位置している部分を囲み、通路の径に実質的に等しい外径を有したセラミックスリーブと、そして、
    通路の外側に面した方の端部に配置されて電極スリーブに電極をシーリングするシーリング材であって、中央ロッドに接するのみの形で通路の中に延びているシーリング材と、を有すること、
    を特徴とする発光管。
11. 中央ロッドはサーメット材で作られていること、
    を特徴とする請求項１０に記載の発光管。
12. 外部ロッドと中央ロッドとの間の連結部分を囲む管を更に有すること、
    を特徴とする請求項１０に記載の発光管。
13. セラミックスリーブは、通路の内側に面した方の端部の方向に、軸方向に延びていること、
    を特徴とする請求項１０に記載の発光管。
14. シーリング材はフリット材であること、
    を特徴とする請求項１０に記載の発光管。
15. 高輝度放電ランプにおいて使用される発光管であって、
    ２つの対向する端部と両端部の間の空洞とが形作られた細長い外側エンベロープと、
    外側エンベロープの各端部から長手方向に延びる円筒形電極スリーブであって、各々がスリーブの長手方向軸に沿った通路を提供する、という電極スリーブと、
    各電極スリーブの通路の中に挿入された、金属製外部ロッドと中央ロッドと金属製内部ロッドとを有する電極であって、中央ロッドはサーメット材料で作られていると共に、一方の端部が電極スリーブの外側に延び、反対側の端部が電極スリーブの内部に位置しており、外部ロッドは電極スリーブの外側にある中央ロッドの端部に対して軸方向に位置が合わされており、そして、内部ロッドは中央ロッドの反対側の端部に対して軸方向に位置が合わされている、という電極と、
    内部ロッドのうち通路の内部に位置している部分を囲むセラミックスリーブであって、通路の径に実質的に等しい外径を有し、通路の内側に向いた方の端部の方向に長手方向に延びているセラミックスリーブと、そして、
    通路の外側に面した方の端部に配置されて電極スリーブに電極をシーリングするシーリング材であって、電極スリーブの通路の中に延びているが、セラミックスリーブとは空間的に隔てられている、というシーリング材と、
    を有することを特徴とする発光管。
    

Images