JP2007501493A - 新たな種類の接続部を有する電極系、電極シートを有する関連のランプ、および該接続部を製造する方法 - Google Patents

Abstract

ランプ構成のための電極系であって、Ｍｏシート（４）および／または接合対のピン形の片割れ（２）をルテニウムによってコーティング（５，８）することにより、Ｍｏシート（４）が接合対のピン形の片割れ（２）に接続されていることを特徴とする電極系。非接触の溶接プロセスにより、環状の高温はんだ部（７）によって包囲される点状の溶接接合部（６）が形成される。このような形式の接合部は、脆化に対して耐性を有する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による新たな種類の接続部を有する電極系、電極シートを有する関連のランプ、および該接続部を製造する方法に関する。該電極系はすなわち、たとえばランプ構成用の電極系であり、少なくとも、該電極系の第１の部分であるシートと該電極系の第２の部分である金属製のピン形のリードとを有しており、該シートはモリブデンから成る金属性の基体を有し、前記モリブデンは純粋なモリブデンであるか、またはドープされたモリブデンであり、該リードは、主にモリブデンまたはタングステンから成るか、またはモリブデンまたはタングステンのみから成り、両部分は相互に接続されている形式の電極系である。ここではとりわけ、白熱ランプおよび放電ランプを封止するために通常使用される圧潰部に適用されるモリブデンシートが使用される。

従来の技術
ＵＳ‐Ａ５０２１７１１からすでに、電極系が公知である。酸化からより良好に保護するため、Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，ＴｉまたはＴａの保護層を有するシートが設けられている。この厚さは、５〜１００ｎｍである。

ＤＥ‐Ａ１９９６１５５１からは、ランプ構造にＲｕを含有するフィルムを使用することが公知になっている。ここでは、少なくとも１つのフィルム面に均質なコーティングを行うことが提案されている。ここでは接続技術として、従来の溶接接合の代わりに硬質はんだを使用することが提案されている。

本発明の説明
本発明の課題は、請求項１の上位概念による次のような電極系を提供することである。すなわち、機械的な耐性と腐食に対する耐性とを有し、高い温度負荷でも変化しない特性を有する電極系を提供することである。

前記課題は、請求項１の特徴的な構成によって解決される。すなわち、ピン形の該リードのシートに向かい合っている端部とシートとの間に、溶接とはんだとの組み合わせによって、少なくとも１つの中央の溶接領域を高温はんだ部から成るハローによって包囲することにより、接続部が形成されていることを特徴とする構成によって解決される。

別の課題は、長寿命を有するランプを提供し、かつ電極系の構成部分間に、高負荷に対して耐性を有する接続部を製造する方法を提供することである。該課題は、本発明による電極系を有するランプと、次のことを特徴とする方法とによって解決される。すなわち、電極系の両部分を接合対として形成するステップと、該接合対の片割れを相互に機械的にコンタクトするステップと、高エネルギー放射により、高温はんだ部から成るハローによって包囲された中央の点状の溶接接合部が発生するのに十分な熱入力が得られるようにして、該接合対を非接触で溶接するステップとを有する方法によって解決される。

従属請求項に、有利な実施形態が記載されている。

電極系という概念はここでは、少なくとも１つのリードおよび１つのシートを有し、これらが相互に接続されているシステムを指す。この概念はとりわけ、１つのシートおよび２つのリードを有し、両リードはそれぞれ該シートの異なる端部に接続されているシステムを指す。ここではリードは、とりわけワイヤまたはピンである。シートは通常、モリブデンシートであり、このモリブデンシートにはとりわけ、それ自体に公知であるように（たとえばＤＥ１９８３７９０４）酸化イットリウムがドープされている。それに対して給電線は、ワイヤまたは電極ピンであることが多い。給電線は通常、大抵はモリブデンおよび／またはタングステンから成り、これらは少なくとも主成分として含まれている。有利なのは、最低７０重量％の割合である。シートおよび／またはリードは、本発明ではコーティングされている。シートの場合、この層厚さは上限を有し、最大で１００ｎｍである。というのも、そうでなければ密なガラス‐金属接続を保証できないからである。それに対してリードのコーティング厚さは、０．１〜５μｍとすることができる。ここで有利なのは、２．５〜４μｍの層厚さである。

従来は、腐食ダメージに対する耐性、とりわけランプ構造等で使用される攻撃性の充填物によって引き起こされた腐食ダメージに対する耐性を向上するための解決手段が存在していなかった。したがって従来は、寿命の制限を受け入れるしかなかった。

ここで新たな接続技術によって、著しい改善を実現することができる。ここで、以下の方法が適用される。

ピン形部とシートとの間に接続部を設けるために有利なのはまず、該ピン形部に接続部のための部分で打ちつけることである。このピン形部は以下では常に簡単にピンと称され、とりわけ平坦化されるか、または異なってプレーナ化される。このピンはすなわち、ワイヤ、ピン、または真っ直ぐなワイヤリードを有するワイヤのコイルであり、シートは通常、モリブデンから成る。また、シートまたはピンは有利には、少なくとも接続部のための領域で、ルテニウムまたは別の材料によってコーティングされる。シート表面のルテニウム層の有利な層厚さは、５〜１００ｎｍである。特に有利なのは、２０〜７５ｎｍの間の層厚さである。ピンの直径は有利には、０．１〜０．６ｍｍの領域にある。プレーナ化は有利には、本来の直径の１／３〜１／６まで行われる。ここで得られる平坦化の有利な厚さは、約５０〜２５０μｍである。択一的または付加的に、リード表面にコーティングが延在する。ここではコーティング厚さは、０．１〜５μｍに選択される。ここで有利なのは、２．５〜４μｍの層厚さである。

シートはここでは、片面（また部分的に）または両面にコーティングされる。重要なのは、ピンと向かい合う面にコーティングすることである。

シートおよびピンは、シートの長辺側のコーティングされた面が、ピンのプレーナ化された面上に配置されるように、相互にコンタクトされる。

最も簡単なケースでは、すなわち基本的原理にしたがうと、高エネルギー放射を適用することによって、接合すべき２つの部分が非接触で相互に溶接される。これらはたとえば、電子ビームまたはレーザビームによって、たとえばＮｄ：ＹＡＧによって溶接される。パラメータの導出はここでは、溶接接合部のみが形成されるだけでないよう、すなわち、接合される両部分の中央の領域で点状の溶融または完全に全般的に溶融が行われるよう、熱入力が十分に高くなるように選択しなければならない。熱入力はまた、境界領域が未だ溶融しているがはんだ溶接部だけを形成するような量の熱を有するのに十分でなければならない。前記境界領域は、以下ではしばしばハローと称される。特に良好にこのことを制御するためには、コーティングを使用する。このようにして、コーティングのみが溶融して、冷却時にははんだ接合部を形成する。特に適しているのはＲｕ含有のコーティングである。Ｒｕコーティングされた面の溶融は典型的には、溶接点の周囲のゾーンで、温度が比較的低い領域で発生する。このゾーンは大抵、環状である。したがってＲｕコーティングの溶融により、ハローにおいて、高温はんだによって接合対間に付加的な接合部が形成される。以下ではこの特別な混合接合技術を、はんだ環状包囲型の接合技術と称する。この方法のパラメータは、具体的な状況に依存する。重要なのは、パルス状のエネルギー供給を行うことである。パルスは典型的にはミリ秒領域にあり、該パルスの熱入力は、溶接接合部の外部で境界ゾーンへの熱誘導が未だ保証される程度に高くされる。所定の閾値から熱入力が高くなるほど、形成される環状ゾーンは幅広になる。典型的には、点状の溶接接合部の直径は０．５ｍｍであり、境界ゾーンの幅は０．２ｍｍである。適切な光学系を使用すると、溶接領域をより大きく除去することができる。その際にはたとえば、３倍までの長細い光学系が使用される。

驚いたことにこの技術によって、これまでしばしば見られてきた通常の溶接接合の欠点の克服、すなわち強い脆化の克服が実現されたのである。というのも非接触で形成された溶接場所は、接合が高温はんだのみをベースとする環状のハローによって保護されるからである。

これに適しているのは、高い出力密度を有する非接触の接合方式だけである。この出力密度は有利には、少なくとも１０^８Ｗ／ｃｍ^２である。このような接合方式により、密に隣接する溶融が発生し、有利には、ルテニウムコーティングされた表面の変化は僅かになる。このことにより、ルテニウムによってコーティングされた無損傷のシートが有する、既存の高い耐腐食性の劣化が、ごく僅かになる。

ピンの有利なプレーナ化は、非接触の溶接を可能にする良好なコンタクトを実現するだけでなく、ＳｉＯ_２含有量が高いエンベロープガラス内の圧潰封止部において、とりわけ該エンベロープガラスがバイコールまたは水晶ガラスから成る場合に、ピンの金属と該ピンを包囲する水晶ガラスとの間の接続部において発生する張力形成の低減も実現する。

本発明による電気ランプは、水晶ガラスから成るかまたはＳｉＯ_２含有量が高い硬質ガラスから成るランプ容器を有し、該ランプ容器にはモリブデンシート貫通案内部が設けられている。このモリブデンシート貫通案内部は、ランプ容器の少なくとも１つの圧潰部の構成部分である。この少なくとも１つの圧潰封止部内に、少なくとも１つのモリブデンシートが気密に圧潰封入されている。このモリブデンシートは有利には、ドープ剤として酸化イットリウムを、０．５〜１．５％の割合で含有するべきである。

図面の簡単な説明
以下で本発明を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。

図面
図１ 電極系を示している。
図２ 放電ランプの側面図である。
図３ 白熱ランプの側面図である。
図４ 別の放電ランプの側面図である。
図５〜７ 電極系の別の実施例を示している。

本発明の有利な実施形態
図１に電極系１が示されており、この電極系１は、端部３が平坦化されたピン形部２を有する。このピン形部２は、モリブデンシート４に接続されており、該モリブデンシート４は該モリブデンシート４の下半分にある帯で、１００ｎｍの厚さのルテニウム層５によりコーティングされている。ピン形部２は、３７０μｍの直径を有するモリブデン製のリードである。これは端部３で鋤状に１００μｍで平坦化されており、この鋤状の領域でもルテニウム層８によってコーティングされている。このルテニウム層８の厚さは、２．５μｍである。これら２つの接合対の接合は、約４００μｍの直径を有する点状の溶接場所６によって確保される。この溶接場所は、高温はんだ用の材料から成るリング７によって包囲されており、ルテニウムはここでは、低融点を有するはんだとして、接合対の双方の片割れとして作用する。リングの外径は、約５５０μｍである。

図２に示されたランプのためのアプリケーションの実施例は、片側ソケット形式の高圧放電ランプである。このような高圧ランプは、片側で圧潰された水晶ガラス製の放電容器９を有しており、この放電容器９内にイオン化可能な充填物が気密封入されている。このイオン化可能な充填物は、腐食作用を有する金属ハロゲン化物を含んでいる。放電容器９内部に、軸２７を有する２つの電極２２が配置されており、これらの電極２２はそれぞれ軸２７によって、放電容器９の圧潰封止部２３に埋め込まれたモリブデンシート２４を介して、該放電容器９から突出している給電線２６それぞれ１つに導電接続されている。

放電容器９は、片側圧潰された気密封止のカバーエンベロープ２８によって包囲されている。このカバーエンベロープ２８は、約０．５重量％のＣｅがドーピングされた水晶ガラスから成る。カバーエンベロープ２８内部に窒素ガスが設けられており、この窒素ガスは室温で、６００ミリバール〜７００ミリバールの間の低温充填圧を有する。放電容器から突出している給電線２６はそれぞれ、カバーエンベロープ２８の圧潰脚部２９に埋め込まれたモリブデンシート３０を介して、該カバーエンベロープ２８から突出している給電線１２に１つずつ導電接続されている。片側圧潰された片側ソケット形式の外部エンベロープ１３が、カバーエンベロープ２８を気密に包囲する。外部エンベロープ１３は真空化されており、この外部エンベロープ１３もまた、約０．５重量％のＣｅがドーピングされた水晶ガラスから成る。カバーエンベロープ２８から突出している給電線１２はそれぞれ、外部エンベロープ１３の圧潰封止部に埋め込まれたモリブデンシート１４を介して、該外部エンベロープ１３から突出している給電線１６に導電接続されている。外部エンベロープ１３から突出している給電線１６は、ソケット１８から突出しているコンタクトピン１９と電気的にコンタクトされている。この実施例で使用されるモリブデンシートはすべて両側に、Ｍｏ‐Ｒｕ共晶合金によってコーティングされており、このコーティングの厚さは７５ｎｍである。この組成は、モリブデンが４３重量％であり、ルテニウムが５７重量％である（有利には少なくとも４０％のルテニウムであり、有利には５０％より大きい割合である）。給電線２６，１２および１６ならびにそれぞれの電極軸２７は、シート１４，２４および３０に向かい合っている端部で平坦化されており、はんだ環状包囲溶接接合部を形成することにより、それぞれ交互に「クロスして」シートに接続されている。コーティング、平坦化および溶接接合部はそれぞれ図示されていない。というのも、図の寸法が小さすぎるからである。このようにして、このような放電ランプの寿命は約２０％上昇される。

図３の実施例は、水晶ガラスから成るランプエンベロープ３６を有するハロゲン白熱ランプ３５（１００Ｗの電力で１２Ｖ）であり、これは圧潰封止部３７によって気密封止されている。ランプエンベロープの圧潰封止部に、２つのモリブデンシート３８が埋め込まれている。ランプエンベロープ内部には、２重巻された発光体３９が設けられており、この発光体３９の１重巻された端部は内部給電線４０として作用する。内部給電線４０はそれぞれ、圧潰封止部に埋め込まれたモリブデンシート３８と溶接されている。圧潰封止部３７から２つの外部給電線３４が突出しており、これらはそれぞれ、両モリブデンシートの１つに接続されている。圧潰封止部に埋め込まれた両モリブデンシートは片側で、給電線４０が固定されている側でＭｏ‐Ｒｕ共晶合金によって９０ｎｍの厚さでコーティングされている。外部給電線の端部は平坦化されており、はんだ環状包囲溶接接合部によってモリブデンシートと接続されている（図示されていない）。

別の適用領域は、自動車ヘッドランプ用の低ワットの放電ランプである。図４に示されたランプは、３５Ｗの消費電力を有する金属ハロゲンランプであり、水銀を有するかまたは有さない。このランプは、放電容量３２を有する水晶ガラス製の放電容器３１を有し、該放電容器３１は、対角線上に配置された２つの圧潰部３３を有する。これらの圧潰部３４はそれぞれ、外部給電線３４を１つずつ有する。これらは、放電容量３２で２つの電極２２に接続されている。充填物はとりわけ、キセノンを高圧で有している。放電容器は外部エンベロープ１３によって包囲されている。さらに、プラスチックソケット１０が両容器３１，１３を保持する。プラスチックソケット１０には、電気端子２０が設けられている。電極の軸２７とシート１５との間の接続、ならびにＭｏピン３４とシート１５との間の接続は、はんだ環状包囲溶接接合によって行われる。ここでは、軸２１およびＭｏピン３４の鋤状の端部領域はＲｕによって、３μｍの層厚さでコーティングされている（３９）。

接続すべき両部分であるシート（４）とピン状のリード（２）との間の接続の負荷が高い場合、図１のような多かれ少なかれ環状である中央の溶接点（６）の代わりに、異なった形状の溶接領域（１０）を使用することもできる。この溶接領域（１０）はたとえば、格段に長細くされている。ここで、図５を参照されたい。この形状にはとりわけ、卵形、楕円形、および鋭くないコーナを有する矩形の溶接領域が含まれる。この長手方向の長さはたとえば、溶接のために使用されるレーザビーム内にシリンダレンズを前置接続することにより実現される。それに相応してハロー（１１）が溶接領域の周囲で延伸されており、これも同様に長細くなっている。この例では、コーティングが省略されている。給電線２はタングステンから成るワイヤであり、この端部は平坦化されていない。

とりわけ、接続すべき部分間にもちろん１つより多くの溶接点を使用することができる。ここで図６および７を参照されたい。ここで例として、ハロー（１７）を有する２つの溶接点が相互に上下に並んで設けられている。しかし、両溶接点（４１）が１つのハロー（４２）のみによって包囲されるように、両溶接点（４１）を相互に密接に設けることもできる。このことは複焦点光学系によって実現される。複数の溶接点によって、熱誘導が良好になる。

有利には第２の部分は、第１の部分のレーザビームと向かい合う側に設けられる。このようにして、レーザは第２の部分を溶融する。したがって、接続部は特に密接になる。

溶接すべき両部分を適切に寸法決めすると、コーティングを省略することができる。

第２の部分の材料次第では、とりわけ直径が大きく、かつモリブデンのように材料が延性である場合に、平坦化は有利かつ望ましい。しかし、第２の部分の寸法が適切である場合、とりわけ第２の部分の直径が比較的小さく、タングステン等の延性の低い材料の場合、平坦化を省略することができる。

電極系を示している。 放電ランプの側面図である。 白熱ランプの側面図である。 別の放電ランプの側面図である。 電極系の別の実施例を示している。 電極系の別の実施例を示している。 電極系の別の実施例を示している。

Claims (20)

1. 電極系であって、
   たとえばランプ構成用の電極系であり、
   少なくとも、該電極系の第１の部分であるシート（４）と、該電極系の第２の部分である金属製のピン形のリード（２）とを有しており、
   該シート（４）は、モリブデンから成る金属性の基体を有し、
   前記モリブデンは純粋なモリブデンであるか、またはドープされたモリブデンであり、
   該リード（２）は、主にモリブデンまたはタングステンから成るか、またはモリブデンまたはタングステンのみから成り、
   両部分（２，４）は相互に接続されている形式のものにおいて、
   ピン形の該リード（２）のシート（４）に向かい合っている端部とシート（４）との間に、溶接とはんだとの組み合わせによって、少なくとも１つの中央の溶接領域（６）を高温はんだ部から成るハロー（７）によって包囲することにより、接続部が形成されていることを特徴とする電極系。
2. コーティングが、純粋なルテニウム、ルテニウム化合物またはルテニウム合金から成り、
   前記ルテニウム合金は、たとえばモリブデン‐ルテニウム共晶合金であり、
   層厚さは、０．０２〜５μｍの間である、請求項１記載の電極系。
3. 該シート上に前記コーティングが取り付けられており、
   層厚さは、０．０２〜０．１μｍの間である、請求項２記載の電極系。
4. 該リード上に前記コーティングが取り付けられており、
   層厚さは、０．１〜５μｍの間である、請求項２記載の電極系。
5. ピン形の該リード（２）は、シート（４）に向かい合っている端部で平坦化部（３）を有しており、
   前記平坦化部（３）の領域で、シート（４）との接続部が形成されている、請求項１記載の電極系。
6. 溶接領域は点状、環状または長細い形状である、請求項１記載の電極系。
7. 接続部を形成するために２つの溶接領域が使用されている、請求項１記載の電極系。
8. 両部分のうち少なくとも１つに、コーティング（５，８）が少なくとも部分的に取り付けられており、
   前記コーティング（５，８）はたとえば、ルテニウムを含有するコーティングである、請求項１記載の電極系。
9. 平坦化部（３）の厚さは、５０〜２００μｍである、請求項１記載の電極系。
10. ピン形の該リード（２）の直径は、０．１〜０．６ｍｍである、請求項１記載の電極系。
11. 該シート（４）に別のリードが、同様に固定されている、請求項１記載の電極系。
12. 該シート（４）に酸化イットリウムが、たとえば０．５〜１．５％の割合でドーピングされている、請求項１記載の電極系。
13. 点状の該溶接接合部（６）の直径は、ピン形の部分の直径の最大でも１５０％である、請求項１記載の電極系。
14. ハロー（７）の直径は、点状の該溶接接合部（６）の直径の最大でも１３０％である、請求項１記載の電極系。
15. ランプにおいて、
    請求項１から１４までのいずれか１項記載の電極系を有することを特徴とするランプ。
16. ランプであって、
    ＳｉＯ_２の含有量が高い硬質ガラスまたは水晶ガラスから成るランプ容器（３６）を有しており、
    該ランプ容器（３６）には少なくとも１つの端部で、圧潰封止部（３７）、内部給電線（４０）および外部給電線（３４）が設けられており、
    該ランプ容器（３６）は、発光手段（３９）と、場合によっては充填物とを含んで居る形式のものにおいて、
    該ランプには、請求項１記載の少なくとも１つの電極系が設けられており、
    該リードは、外部電極線（３４）と、内部給電線（４０）と、場合によっては電極軸とによって構成されていることを特徴とするランプ。
17. 少なくともシート（４）を第１の部分として有し、ピン形のリード（２）を第２の部分として有する電極系の部分間の接続部を形成するための方法において、
    ・両部分を接合対として形成するステップと、
    ・該接合対の片割れを相互に機械的にコンタクトするステップと、
    ・高エネルギー放射により、高温はんだ部から成るハローによって包囲された中央の点状の溶接接合部が発生するのに十分な熱入力が得られるようにして、該接合対を非接触で溶接するステップとを有することを特徴とする方法。
18. 第１の部分の放射に向かい合う側に第２の部分を配置する、請求項１７記載の方法。
19. コンタクト前にピン状のリードを、接続すべき端部で平坦化する、請求項１７記載の方法。
20. 両部分の少なくとも１つをコンタクト前に、はんだに有利な材料によって、とりわけルテニウムを含有する材料によってコーティングする、請求項１７記載の方法。

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