JP2008507091A - 高輝度放電ランプ、発光管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本出願は、高輝度放電（「ＨＩＤ」）ランプ、発光管および製造方法を開示している。本出願はＨＩＤランプ、発光管および製造方法に関するものであって、実質的に室温で発光管内に封入された封入ガスの圧力が約０．５気圧より高い圧力で正確に調整されるように、正確な量の封入ガスが発光管の発光チャンバに封入される。
【選択図】 図２

Description

〔先行特許〕
本出願は、米国仮特許出願第６０／６６９，３８０号および第６０／５８７，０４８号の優先権を主張し、これらの仮出願の全開示内容は、参照により本明細書に引用したものとする。
〔関連特許〕

本出願は、同一出願人による２００３年９月２日出願の米国特許出願第６，６１２，８９２号「高輝度放電ランプ、発光管およびその製造方法（ＨＩＧＨ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ ＬＡＭＰＳ， ＡＲＣ ＴＵＢＥＳ， ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）」、同一出願人による２００３年２月１１日出願の米国特許出願第６，５１７，４０４号「高輝度放電ランプ、発光管およびその製造方法（ＨＩＧＨ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ ＬＡＭＰＳ， ＡＲＣ ＴＵＢＥＳ， ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）」および同時係属のおよび同一出願人による２００３年６月１０日出願の米国特許出願第１０／４５７，４４２号「高輝度放電ランプ、発光管およびその製造方法（ＨＩＧＨ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ ＬＡＭＰＳ， ＡＲＣ ＴＵＢＥＳ， ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）」に関し、これらの全開示内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

本発明は、高輝度放電（「ＨＩＤ」）ランプ、発光管および製造方法に関する。より詳細には、本発明は、発光管内の封入ガスの圧力が実質的に室温で約０．５気圧より高いＨＩＤランプ、発光管および製造方法に関する。

短いアークギャップのメタルハライドランプは、光ファイバ照明システム、投写型ディスプレイおよび自動車用ヘッドランプに特に適している。高圧の封入ガスを用いるメタルハライドランプは、急速なウォームアップ、比較的長い寿命、優れた演色の白色光の生成において効率が比較的高いため、多くの用途において好都合であった。

このようなランプの製造では、実質的に室温で１気圧より高い最終の封入ガス圧力を得ることが望ましい。最終の封入ガス圧力が、約５気圧より高いのが一般的であり、封入ガス圧力が約２００気圧の場合もある。

メタルハライドランプの製造では、チャンバを密封する前に発光チャンバ内である一定量の封入ガス（従来はキセノン）を凝結することにより、超大気圧の封入ガス圧力を得ることは公知である。チャンバ内で凝結されるガスの容積（実質的に１気圧および室温において）は、チャンバ容積より大きいため、チャンバ内に密封されたガスの圧力はガスの温度が実質的に室温に戻ると１気圧より高くなる。実質的に室温でチャンバ中に密封される封入ガスの圧力は、チャンバ容積に対する（実質的に１気圧および室温で）チャンバ内で凝結されるガス容積の割合に等しい。

超大気圧の発光管の製造では、末端部の圧着封止または圧縮封止の前に、発光管の開放管状末端部が約２０００℃に加熱されるときに、密封プロセス中における発光管からの封入ガスの漏れを防止するのが困難であるため、密封される発光管に含まれる封入ガスの量を制御することは困難である。本出願者は、発光管に封入される封入ガスの量を正確に制御できる、このようなキセノンまたはクリプトンといった封入ガスを封入している、超大気圧の発光管の製造における新規の方法を見出した。

本発明は、すべての種類およびサイズのＨＩＤランプに対する発光管およびこのようなランプを一般に製造する方法における有用性を見出している。例としての目的だけで、本発明の特定の態様がチップレス石英で形成された本体の発光管に関して説明される。

図１は、石英管から形成された発光管本体を示す。発光管本体８０は、開放管状末端部８２、８４の中間に球状チャンバ８３を備える。発光管本体８０は任意の適切な従来の方法を用いて形成できる。

図２ａ、２ｂおよび２ｃは本発明の一実施形態によるいくつかのステップを示している。図２ａ、２ｂおよび２ｃを参照すると、封入ガスはプローブ８９を通してチャンバ８３に注入される。不活性ガスのブランケットを電極アセンブリ８７を覆うように維持する間、液体窒素９０を利用する（例えば、浸漬または噴射による）などの任意の従来手段により、チャンバ８３の温度を封入ガスの凝固点未満の温度に低下できる。所望の温度に達すると、ある一定量の封入ガスがチャンバに注入され、凝結される。その後、末端部８４は、圧着封止または圧縮封止といった、任意の従来の密封プロセスにより気密密封される。カバーガスがこれらのプロセスステップの間、開放末端部に供給される。本発明のこの態様によるプロセスにより、チャンバ内で封入ガスを凝結するための、変動性の許容レベルと、必要な時間の大幅な低減（すなわち、数秒またはそれ以上低減）とが得られる。

クリプトン封入ガスを有する超大気圧の発光管の製造において、キセノンに比べてクリプトンの凝固温度が低い（すなわち−１１２℃に対して−１５７℃）ため、密封プロセス中の気化損失のために、発光管内に密封されるクリプトン量を正確に制御することは困難である。上述の実施形態では、発光管の開放末端部を、密封に対する準備として温度を２０００℃に加熱すると同時に、発光管チャンバ内の温度を低下させて、チャンバ内に注入される封入ガスを凝結させる。密封プロセスから生じる熱は３つの主要な手段によって、凝結された封入ガスに移動すると推測される。第１に、放射熱は発光管加熱装置から移動するが、この影響は最小限であると理解される。第２に、石英の発光管本体は発光管チャンバに熱を伝導するが、この影響は、石英の熱伝導が低いため最小になる。第３に、チャンバ内の封入ガスは熱源から凝結された封入ガスに対流をよって熱を伝達する。

封入ガス（例えば、クリプトン）の量は、密封プロセスのための末端部の加熱の前に、発光管の内部からガス状封入物を排気することにより正確に制御される。ガス状封入物の排気は密封プロセスから凝結される封入ガスへの熱対流による移動を無くし、その結果、密封プロセス中の気化による封入ガス損失を大幅に低減する。

本発明の実施形態においては、超大気圧の封入ガス圧力（例えば、アルゴン、キセノン、クリプトンまたはそれらの混合物）を有する発光管は、発光管のチャンバ内で封入ガスを凝結する前に、真空ポンプのフラッシュプロセスを利用して得られる。

この実施形態によれば、予成形の発光管本体８０は、図１に示されているとおり、炎への露出といった従来技術を用いて加熱される。窒素などの不活性ガス流（図示せず）を用いて、発光管の温度が上昇後に発光管の表面をクリーニングする。

次に、電極リードアセンブリ８５が、図３に示されるとおり、挿入プローブ（図示せず）といった従来の手段により発光管８０の開放管状末端８２内で位置決定される。発光管ホルダ８１に接続されたフラッシュガスアセンブリ８６を用いて、発光管８０の他方の開放管状末端部８４の中にフラッシュガスを注入し、密封プロセスの間に電極リードアセンブリ８５の周りに不活性ブランケットを形成する。電極リードアセンブリ８５が末端部８２内に完全に挿入され、活性化ガスにより覆われると、末端部８２は圧着封止または圧縮封止といった任意の従来の密封プロセスにより即時に密封される。

次に、末端部８２で密封される電極リードアセンブリ８５を有する発光管８０は開放末端部８４を通して発光管のチャンバ８３内に物質を導入することによって、所望の封入物質を送り込むことができる。図４は発光管のチャンバ８３内にランプ封入ペレット９１および水銀９２を有する発光管本体８０を示す。

図４に示されているとおり、発光管８０に所望の固体封入物質が送り込まれると、発光管８０の開放末端部８４はポンプフラッシュブロック１００に結合される。図４を参照すると、ポンプフラッシュブロック１００は、開放末端部８４に連通する中心シャフト１０２を含む。電極リードアセンブリ８７はプローブ１０４を用いて末端部８４内に挿入される。ポンプフラッシュブロック１００は、真空ポンプアセンブリ（図示せず）、不活性ガス源（図示せず）、および約１トルより高い圧力の封入ガス源（図示せず）との接続のために、複数のポート１０６、１０８および１１０を含む。封入ガス圧力は充填速度を最適にし、計測可能な圧力降下を提供し、コスト有効度のために封入ガス量を最小化するように選択される。典型的な用途では、５０トル〜３５０トルの間の圧力が５ｃｃの封入ガス源に適していることが判明している。

発光管８０がポンプフラッシュブロック１００に結合されると、発光管内の不純物はいくつかの方法により除去できる。１つの方法では、発光管は真空ポンプアセンブリを使用して真空ポンプポート１０６を通して完全に排気できる。別の方法では、不純物はポンプ／フラッシュプロセスを用いて除去できる。ポンプ／フラッシュプロセスにおいては、発光管は真空ポンプアセンブリを使用して排気され、封入ガスポート１０８を通して不活性ガスで満たされ、その後再度排気される。発光管は、所定の時間期間の発光管本体および電極アセンブリの予備加熱が実行される間に、数回ポンプ／フラッシュプロセスが実行される。発光管内の不純物が所望レベルに希釈されると、封入ガスは封入ガス源から封入ガスポート１０８を通して発光管内に注入され、ポンプフラッシュブロックの発光管本体およびヘッド容積を満たす。次に、封入ガスは、チャンバ８３に液体窒素９０を吹き付けるといった、任意の従来手段により封入ガスの凝結点未満に温度を下げることにより、発光管のチャンバ８３内で凝結される。発光管内に注入される封入ガス量は、システム容積における所望の圧力降下を算出することにより正確に制御される。例えば、チャンバ内で凝結されるのに必要な封入ガス量は、２００トル〜１９０トルの発光管の圧力降下を得ることによって実現できることが確認される。この例においては、封入ガスは２００トルで発光管内に導入される。発光管およびヘッドは分離され、チャンバは、１９０トルに圧力が低下するまで、液体窒素を利用して冷却される。

所望の圧力差が達成されると、発光管を再度排気し、チャンバのガス状成分を除去し、チャンバに凝結された封入ガスだけを残すことができる。真空がチャンバに引き込まれると、末端部８４は圧着封止または圧縮封止といった任意の従来の密封プロセスにより気密密封される。

本発明によるプロセスはまた、電極が発光管の単一末端部で密封される発光管に適用することも可能である。発光管はフラッシングされ、封入ガスを送り込まれ、その後、２つの電極リードアセンブリが発光管の末端部に挿入される。次に、排気、ポンプ／フラッシュ、封入ガスの凝結、排気、および、その後の密封ステップが実行される。

本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、ここに記載の実施形態は例示だけのものであって、均等物の全範囲、本発明を読むことにより当業者によって実行可能な変形形態および修正形態に一致するとき、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義されると理解されるべきである。

予成形された発光管本体を加熱するステップを示す断面図。 発光管の第２末端部を圧着封止する工程図で、(ａ)は発光管本体のフラッシングステップを示す断面図、(ｂ)は封入ガスの注入ステップを示す断面図、(ｃ)は封入ガスの凝結ステップを示す断面図。 第１電極リードアセンブリの位置決定、発光管のフラッシング、および第１末端部の圧着封止のステップを示す断面図。 発光管本体の排気、封入ガスの注入、過剰な封入ガスの排気および第２末端部の圧着封止のステップを示す断面図。

Claims (28)

1. 高輝度放電ランプ用の発光管を製造する方法であって、前記発光管は実質的に室温で超大気圧の封入ガスを含み、前記方法は、
   （ａ）発光チャンバを有する発光管本体を設けるステップと、
   （ｂ）チャンバ内の所定量の封入ガスを凝結するステップと、
   （ｃ）チャンバからガス状封入物を排気するステップと、
   （ｄ）チャンバを気密密封するステップと、を含む方法。
2. 前記チャンバ内で封入ガスを凝結する前記ステップが、前記発光管本体の開放末端部を通して前記封入ガスを導入することを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記チャンバからガス状封入物を排気する前記ステップが、前記ガス状封入物を前記開放末端部を通して排気することを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記チャンバを気密密封する前記ステップが、前記開放末端部を圧着封止または圧縮封止することを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記封入ガスがクリプトンを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記封入ガスがほぼ完全にクリプトンだけから成る請求項５に記載の方法。
7. 実質的室温における前記封入ガスの圧力が約２気圧〜約２００気圧の間である請求項１に記載の方法。
8. 実質的室温における前記封入ガスの圧力が約２気圧〜約５０気圧の間である請求項７に記載の方法。
9. 実質的室温における前記封入ガスの圧力が約２気圧〜約１５気圧の間である請求項８に記載の方法。
10. 前記チャンバ内で所定量の封入ガスを凝結する前記ステップは、
    第１圧力の封入ガス源から前記チャンバ内に前記封入ガスを導入するステップと、
    前記チャンバの温度を前記封入ガスの凝固温度より低い温度に低減することにより、前記チャンバ内のある一定量の封入ガスを凝結するステップと、
    前記封入ガスの圧力が第２圧力まで低下すると、前記チャンバへの前記封入ガスの導入を終了するステップと、を含む請求項１に記載の方法。
11. 高輝度放電ランプ用の発光管を製造する方法であって、前記発光管は実質的に室温で超大気圧の封入ガスを含み、前記方法は、
    （ａ）発光チャンバおよび開放末端部を有する発光管本体を設けるステップと、
    （ｂ）前記開放末端部を通して前記チャンバ内に封入ガスを導入するステップと、
    （ｃ）前記チャンバ内の所定量の封入ガスを凝結するステップと、
    （ｄ）前記開放末端部を通して前記チャンバからガス状封入物を排気するステップと、
    （ｅ）前記開放末端部を密封することによって前記チャンバを気密密封するステップと、を含む方法。
12. 封入ガスを前記チャンバ内に導入し、および前記チャンバ内の所定量の封入ガスを凝結する前記ステップは、
    第１圧力の封入ガス源を設けるステップと、
    前記チャンバの温度を前記封入ガスの凝固温度より低い温度に低減するステップと、
    前記開放末端部を通して前記封入ガス源と前記チャンバとの間の流体連通を形成することによって、ある一定量の封入ガスが前記チャンバ内で凝結するようにするステップと、
    前記封入ガスの圧力が第２圧力に低減されると、前記チャンバから前記封入ガス源を分離するステップと、を含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１および第２圧力の間の圧力差が約５トル〜約５０トルの間である請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１および第２圧力の間の圧力差が約１０トルである請求項１３に記載の方法。
15. 前記封入ガスがクリプトンを含む請求項１１に記載の方法。
16. 前記封入ガスがほぼ完全にクリプトンだけから成る請求項１５に記載の方法。
17. 前記発光管本体が石英で構成される請求項１１に記載の方法。
18. 前記発光管本体が、１対の管状末端部の中間に前記発光チャンバを備える請求項１１に記載の方法。
19. 前記発光管本体が発光チャンバおよび単一末端部を備える請求項１１に記載の方法。
20. 発光管を製造する方法であって、
    （ａ）１対の開放管状末端部の中間に発光チャンバを備える発光管本体を設けるステップと、
    （ｂ）一方の開放管状末端部内で第１電極リードアセンブリを位置決定すると同時に、他方の開放管状末端部を通して導入される不活性ガスを用いて前記発光管本体の内部をフラッシュするステップと、
    （ｃ）前記一方の管状末端部を気密密封し、および、内部で位置決定された前記アセンブリの前記部分周りに前記管状末端部を圧着封止することによって、前記発光管本体に対して前記第１電極リードアセンブリの前記位置を固定するステップと、
    （ｄ）前記開放管状末端部を通して前記チャンバ内にランプ封入物質を導入するステップと、
    （ｅ）前記開放管状末端部内で第２電極リードアセンブリを位置決定するステップと、
    （ｆ）密封し、前記開放管状末端部を通して前記チャンバの前記ガス状成分を排気するステップと、
    （ｇ）第１所定圧力の封入ガス源を設けるステップと、
    （ｈ）前記チャンバの温度を前記封入ガスの凝固温度より低い温度に低減するステップと、
    （ｉ）前記開放管状末端部を通る前記封入ガス源と前記チャンバとの間の流体連通を形成し、これにより、前記チャンバに封入ガスを導入し、前記チャンバ内である一定量の前記封入ガスを凝結するステップと、
    （ｊ）前記封入ガスの圧力が第２所定圧力に低減されると、前記チャンバから前記封入ガス源を分離するステップと、
    （ｋ）前記開放管状末端部を通して前記チャンバからガス状封入物を排気するステップと、
    （ｌ）前記チャンバを気密密封し、および、内部で位置決定された前記アセンブリの前記部分周りに前記管状末端部を圧着封止することによって、前記発光管本体に対して前記第２電極リードアセンブリの位置を固定するステップと、を含む方法。
21. 密封して前記チャンバから前記ガス状成分を排気するステップ後に、１つまたは複数のポンプおよびフラッシュサイクルを実行する前記ステップをさらに含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記ポンプおよびフラッシュサイクルの間に、前記発光管本体の温度を高める前記ステップをさらに含む請求項２１に記載の方法。
23. 前記チャンバ温度を低減する前記ステップが前記チャンバの液体窒素への露出を含む請求項２０に記載の方法。
24. 前記封入ガスがクリプトンを含む請求項２０に記載の方法。
25. 前記封入ガスがほぼ完全にクリプトンだけから成る請求項２４に記載の方法。
26. 前記封入ガスが基本的にキセノンおよびクリプトンから成る請求項２４に記載の方法。
27. 発光管本体の前記発光チャンバ内で凝結される前記量のガスを制御する方法であって、前記チャンバの温度を前記封入ガスの凝固温度より低い温度に低減するステップと、
    前記チャンバと第１所定温度の封入ガス源との間の流体連通を形成することによって、前記チャンバ内にある一定量の封入ガスを導入し、凝結するステップと、
    前記封入ガスの圧力が第２所定圧力に低減されると、前記封入ガス源から前記チャンバを分離するステップと、を含む方法。
28. 前記チャンバが前記封入ガス源から分離された後に、ガス状封入物を排気する前記ステップをさらに含む請求項２７に記載の方法。

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