JP2011192388A - セラミックス発光管を用いた小型放電灯およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、信頼性を高め、バラツキを低減した小型放電ランプおよびその製造方法を提供できるようにする。
【解決手段】両端に一対の開口部を備えた透光性セラミックスからなる発光管（２）と、発光管両端に設けた放電電極（５）と、放電電極を固定する金属パイプ（３，２３）とを有し、発光管両端部には前記金属パイプを介して放電電極を固定する電極取付け部（２ｃ）が設けられ、発光管内部に封入された発光物質を有し、前記発光管（２）は、筒状形状をなしており、内径が１〜４ｍｍとした発光部（２ｂ）と、発光部よりも内径を大きくした拡径平坦部（２ｅ）と、段差部（２ｄ）を有しており、この両端から金属パイプ（３，２３）が挿入されている。挿入部先端が前記段差に当接するものとしている。これにより内部空間の容積バラツキ、金属パイプの挿入量バラツキを低減した小型放電ランプを提供できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、車両のヘッドライトの光源等に適した、消費電力を５０Ｗ近傍、或いは、それ以下とした比較的に小型の高圧放電灯の構成に関するものである。

近年、車両のヘッドライトには、メタルハライドランプを光源としたものが広く使用されている。ヘッドライトに用いられるメタルハライドランプは透明な石英管を用い、両端に電極を封止した構成とされている。

また、本出願人は、特許文献１において、自動車用ヘッドライトに適した小型の高圧放電灯を開示している。この特許文献１の記載による放電ランプは、放電電極と透光性セラミックスと封入された充填ガスを有する放電ランプであって、発光管を構成する前記透光性セラミックスは、発光部と両端に開口部を成す電極取付部が形成され、前記電極取付部には、この電極取付部の内側に金属パイプを備えた電極部が気密的に取付けられており、前記電極部は、一方の端部の外径が前記開口部内径と略一致し、他方の端部が前記電極を固定する狭径部とされている。

具体的には、高圧放電ランプの発光管として略パイプ状とした透光性セラミックスからなる発光管を用い、その両端に金属パイプおよび電極を設けている。電極は金属パイプに設けた狭径部にて固定しており、金属パイプは封着用接着剤コンパウンドにて発光管に固定する構造を開示している。

特開２００７−２２０３５０公報

しかしながら、特許文献１の放電ランプにおいては狭径部と電極との溶接前は、双方の先端電極部間の寸法を調整可能であり、個々の小型高圧放電ランプ間の生産バラツキを少なくし、均一な性能の小型高圧放電ランプの量産化を容易とすることが可能という利点を有するるが、金属パイプの挿入位置の調整については考慮されていなかった。

円筒状の透光性セラミックスからなる発光管の両端から挿入する金属パイプは、金属パイプの外径が適宜の隙間を有して透光性セラミックスの内径に挿入可能な寸法とされている。それゆえ、放電室の容積は、金属パイプの挿入量により変動することになる。
一方、放電室の容積は、高圧放電ランプのランプ特性に影響を与える。特に５０Ｗ以下の小型の放電ランプにおいては放電室の容積は発光特性に与える影響が大きい。

また、金属パイプは遮光性であるため、発光管内に過度に挿入すると透光性セラミックスに到達する光束量を低減させる。よって、発光特性を低下するという問題がある。

さらに、金属パイプと透光性セラミックスとを接着する接着剤が、放電室内に流れ出ると、放電により接着剤成分が蒸発した場合には点灯色を変化させる、などの問題も生じた。

本発明は、以上の点から、金属パイプの挿入量を所定量に保ち、発光特性のバラツキを低減した放電ランプを提供可能にすることを目的としている。

また、放電室内にもれ出る接着剤を低減して、点灯色変化が生じにくい放電ランプを提供することにある。

上記目的は、次の実施の態様により、達成される。
請求項１に記載の発明は、両端に一対の開口部を備えた透光性セラミックスからなる発光管（２）と、発光管両端に設けた放電電極（５）と、放電電極を固定する金属パイプ（３，２３）とを有し、発光管両端部には前記金属パイプを介して放電電極を固定する電極取付け部（２ｃ）が設けられ、発光管内部に封入された発光物質を有する小型放電ランプ（１）であって、
前記発光管（２）は、筒状形状をなしており、内径が１〜４ｍｍとした発光部（２ｂ）と、発光部よりも内径を大きくした拡径平坦部（２ｅ）と、段差部（２ｄ）が形成されており、
前記段差部（２ｄ）は、前記金属パイプ（３，２３）の先端が当接しており、
前記金属パイプ（３，２３）は、一方の端部が前記発光部（２ｂ）の内径（Ａ）と略一致する内径とした挿入部（３ｂ，２３ｂ）とされ、他方の端部が前記電極を固定する狭径部（３ａ，２３ａ）とされており、
前記発光管（２）と金属パイプ（３，２３）とが発光管（２）の内部空間以外の箇所にて接着固定されている、ことを特徴とする小型放電ランプ（１）、である。

請求項１に係る発明によれば、発光管に段差部および拡径平坦部が形成されているので、金属パイプを挿入する場合の位置決め精度が向上する。すなわち、金属パイプの挿入量を一定に制御することができる。また、発光管の内部空間の容積、すなわち放電室の容積のバラツキを簡易な構成にて低減することができる。
従って、発光特性のバラツキを低減した小型放電ランプを提供することができる。
さらに、段差部にて金属パイプの先端が当接するので、金属パイプと透光性セラミックスとを接着する接着剤が、放電室内に流れ出にくい構成となる。従って、放電により接着剤成分が蒸発して点灯色を変化させる
問題を生じにくくした小型放電ランプを提供することができる。

さらに、前記発光管（２）の外径が発光部の全長にわたって一定であり、放電電極（５）が金属パイプ（３，２３）先端よりも発光部に突出しているのが好適である。

このようにすることで、放電を安定させることができる。

さらに、前記発光管（２）の段差を０．０５〜０．３ｍｍとし、且つ、金属パイプ（３，２３）の挿入部の肉厚を段差以下とするのが好適である。

このようにすることで、小型放電ランプにおける発光特性のバラツキを低減することができる。

本発明の別の観点によれば、両端に一対の開口部を備えた透光性セラミックスからなる発光管（２）と、発光管両端に設けた放電電極（５）と、放電電極を固定する金属パイプ（３，２３）とを有し、発光管（２）両端部には前記金属パイプ（３，２３）を介して放電電極を固定する電極取付け部（２ｃ）が設けられ、発光管内部に封入された発光物質を有する小型放電ランプ（１）の製造方法であって、
a) 両端に開口部を有し、両端には拡径平坦部（２ｅ）および段差部（２ｄ）を備え、発光部（２ｂ）の内径（Ａ）が１〜４ｍｍとした透光性セラミックスを準備する工程と、
b) 一方の端部の内径が前記発光部の内径と略一致し、他方の端部が前記電極を固定する狭径部（３ａ，２３ａ）とされた金属パイプ（３，２３）および電極（５）を準備する工程と、
c) 前記開口部の夫々の内部に金属パイプ（３，２３）を挿入して当該金属パイプを発光管に固定するパイプ固定工程と、
d) 工程ｃ）の後に、前記発光管（２）内に発光物質を充填する工程と、金属パイプ（３，２３）の狭径部（３ａ，２３ａ）に前記電極（５）を挿入し電極（５）を仮固定する工程と、
e) 工程ｄ）の後に、狭径部（３ａ，２３ａ）における金属パイプ（３，２３）と電極（５）との隙間から充填ガスの封入を行う封入ガス充填工程と、
f) 前記仮封止部を溶接して完全封止を行う工程と、
を行うことを特徴とする小型放電ランプ（１）の製造方法、が提供される。

上記した製造方法の発明によれば、小型放電ランプの内部空間の容積のバラツキおよび電極間距離のバラツキを低減した小型放電ランプを、比較的簡易な製造装置にて効率良く量産することが可能となり、総じてコストの低減を図ることができる。

本発明に係る小型高圧放電ランプの実施形態を示すもので、（ａ）が側面図、（ｂ）が断面図である。 同じく本発明に係る小型高圧放電ランプの断面拡大図である。 同じく本発明に係る小型高圧放電ランプの製造工程を示すもので、金属パイプ取り付け工程前の状態を示す側面図である。 同じく本発明に係る小型高圧放電ランプの製造工程を示すもので、（ａ）が金属パイプ取り付け工程後の状態を示す側面図、（ｂ）が電極を示す側面図である。 同じく本発明に係る小型高圧放電ランプの製造工程を示すもので、電極取り付け工程後の状態を示す側面図である。 別の実施形態の小型高圧放電ランプの断面拡大図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１に示すものは、本発明に係る高圧放電ランプ１であり（ａ）が側面図、（ｂ）が断面図である。図２に示すものは同じ高圧放電ランプ１の断面の一部拡大図である。そして、本発明においても透光性セラミックスにより、略パイプ状として発光管２が形成されている点は従来例のものと同様である。

発光管２は、透光性のセラミックスにより形成された略パイプ形状とされている。具体的には多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用い、内径を１〜４ｍｍ、肉厚が０．３〜１．０ｍｍとしている。他の材料として、可視域の全光線透過率５０％以上のＡｌＮ，ＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３などを用いても良い。内径が発光管２の全長に渡りほぼ同一径としてあるが、金属パイプ３が挿入される電極取付部２ｃには後述する段差部２ｄおよび拡径平坦部２ｅが形成されている。

金属パイプ３は、タンタル、タングステン、モリブテンなどの高融点金属により形成されたパイプを、その一端の径を機械加工などにより適宜絞って狭径部３ａとし、他端は挿入部３ｂとしている。
なお、このときに形成される上記狭径部３ａの内側には、図示しない突起などが形成され、前記狭径部３ａに挿入した前記電極軸５ｂを突起にて仮封止するが、気体などが流通するだけの間隙を残して仮固定可能としている。突起による間隙を利用して、排気、ガスとの置換、或いは、ハロゲン化金属ガスの発光管２内へ封入が行えるようにされている。

狭径部３ａの形成には、電極軸５ｂと略同径とする絞り加工が望ましいが、プレスカシメ加工とすることもできる。金属パイプ材料として特にモリブデンなどの高融点金属を用いる場合には、狭径部３ａを形成する際に金属パイプの再結晶が生じない温度以下の加熱条件で行うことが望ましい。また狭径部３ａは発光管２の両端の何れか一方の側に形成して仮封止とし、他方の側においては仮封止を行うことなく完全封止を行っても良い。

コンパウンド４は封着用接着剤であり、本実施形態ではフリットガラスを用いる。コンパウンド４としてはサーメット（cermet）や他のセラミックスを含有する接着剤を用いることもできる。金属の炭化物や窒化物など化合物の粉末を金属の結合材と混合して焼結した複合材料であるサーメットを用いる場合には、図３に示すように、予めドーナツ形状の焼結体としていることで、組立工程における作業性が向上し好適である。

発光部２ｂの内部空間２ａには、発光物質として所定のハロゲン化金属を封入する。発光物質としてはヨウ化金属、スカンジウムハロゲン化物、ナトリウムハロゲン化物、インジウムハロゲン化物の何れかもしくはこれらの混合物等が、適宜の組成比範囲にて用いられる。
また、始動ガスとしてアルゴン、キセノン等の不活性ガス、更に必要に応じて水銀若しくは亜鉛ハロゲン化物も封入する。

電極５は、先端電極部５ａと電極軸５ｂとが同一径にて接合されており、狭径部３ａの近傍にて接合されており、電極軸５ｂが狭径部３ａにて封止されている。また、先端電極部５ａは金属パイプ挿入部３ｂよりもの内部空間２ａ側に突出する寸法とする。

本発明においては、図２に示すように発光部２ｂの内径に対し拡開した拡径平坦部２ｅおよび段差部２ｄを設けている。拡径平坦部２ｅは、発光部２ｂの内径をＡとしたとき、挿入した金属パイプ挿入部３ｂの内径がＡと同一となるように、金属パイプ挿入部３ｂの厚み分を加えた量よりも僅かに大きな内径されている。具体的には、発光部内径Ａを１〜４ｍｍとし、段差Ｂを０．０５〜０．３ｍｍ（ただし、金属パイプ挿入部３ｂの肉厚はＢ以下）とする。なお、ここで内径がＡと同一とは、完全同一ではなく、発光部の容積が同一とみなせる程度の同一をいい、発光特性に影響を与えない程度の内径の僅かな相違も含む概念である。

段差部２ｄは、金属パイプ３を挿入したときのストッパとしても機能する。段差部２ｄは金属パイプ挿入部３ｂの端面が当接したときに、隙間が生じないように全周方向において接触するように形成する。このようにすることで、金属パイプ３を挿入するときの挿入距離を制御することが可能になるとともに、コンパウンド４の発光部内への侵入を抑止することができる。また、段差Ｂを０．３ｍｍよりも大きくすると金属パイプの肉厚も厚くしないと容積を同一に保つことが難しくなり、同時に発光管の肉厚も厚くしないと強度を保てなくなくなる。そのため、放電ランプ全体の大きさが大型化し、このましくない。

図３〜図５を用いて、本実施形態の小型高圧放電ランプの製造方法について説明する。
図３は、同じく本発明に係る小型高圧放電ランプの製造工程を示すもので、金属パイプ取り付け工程前の状態を示す側面図である。図４（ａ）が金属パイプ取り付け工程後の状態を示す側面図、図４（ｂ）が電極を示す側面図である。また、図５は、電極取り付け工程後の状態を示す側面図である。

最初に透光性のパイプ状の発光管２、金属パイプ３およびコンパウンド４を用意する。金属パイプ３は一方の端部を絞り込んで狭径部３ａとしたものである。ただし、狭径部３ａはこの時点では電極５の外径よりも大きな内径としている。また、発光管２は拡径平坦部２ｅおよび段差部２ｄを予め設けておく。拡径平坦部２ｅおよび段差部２ｄは、筒状のセラミックスを切削することにより形成する。または、段差を設けた円柱棒と段差無しの円柱棒を突き合わせた状態に材料を流し込み、型から抜き取った後に焼結し形成することでパイプ状とすることができる。

次に、金属パイプ挿入工程を実施する。
図２に示すように金属パイプ３と発光管２を同一軸上に並べた状態にて金属パイプ３を発光管２内に挿入する。発光管２の拡径平坦部２ｅは金属パイプ挿入部３ｂの外径と同一もしくは僅かに大きな内径とされており、発光部２ｂは金属パイプの挿入部３ｂの内径と同一とされている。従って、金属パイプ３を発光管２内に挿入すると、その先端が段差部２ｄに当接して停止する。

続いて、金属パイプ接着工程を行なう。
最初にコンパウンド４を金属パイプ３と発光管２との嵌合位置に被せ、金属パイプ３を所定位置になるように挿入した状態を保ったまま加熱を行なう。加熱することでコンパウンド４が溶解して、金属パイプ３と発光管２との間の隙間にコンパウンド４が入り込む。隙間にコンパウンドが入り込んだ状態にて冷却することで、コンパウンド４が内部空間２ａ内に入り込む量を低減した状態にて接着される（図４（ｂ）参照）。

金属パイプ挿入工程および金属パイプ接着工程は、発光管２の両端に対して実施する。

次に、一方の側の電極５の挿入・固定工程を実施する。
図５は電極５を挿入した後の状態を示す断面図である。電極５の先端電極部５ａ側から金属パイプの狭径部３ａに電極を挿入する。電極間距離が所定の値となるように電極挿入量を調整する。
電極５を挿入した状態にて、狭径部３ａに図示しないレーザ光線を照射してレーザ溶接にて金属パイプと電極を溶接する。全周にわたってレーザ光を照射することで気密的に溶接され、電極５を固定することができる（図５参照）。なお、気密的に溶接は狭径部３ａと電極軸５ｂとの間にて実施する。電極軸５ｂとして先端電極部５ａに比べて金属パイプ３との溶接性が優れた材料を用いることで、電極固定の信頼性が向上するからである。

続いて発光物質挿入工程を行なう。
一方の端部側の電極５の挿入・仮固定工程を実施し、反対側の端部の狭径部３ａへの電極挿入・仮固定工程を行なう前に、開いているから側の狭径部３ａから所定量の発光物質を挿入する。

次に、一対の電極５のうち、反対側の電極５の挿入・仮固定工程を実施する。
反対側の端部の狭径部３ａについても、電極５の先端電極部５ａ側から金属パイプの狭径部３ａに電極を挿入する。電極間距離が所定の値となるように電極挿入量を調整する。
電極５を挿入した状態にて、狭径部３ａに図示しないレーザ光線を照射してレーザ溶接にて金属パイプと電極を部分的に溶接する。本工程では部分的な溶接とすることで、後の工程にて行なう内部空間２ａに始動ガスを充填可能にする。
前述したように、図示しない突起部を狭径部３ａの内部に部分的に設けているときには、突起部を設けた位置にレーザ光を照射する。突起部を設けていない場合には、全周とならないようにレーザ光を照射する。これにより所定位置に調整した後に、電極５を仮固定することができる。電極の仮固定は、適宜な治具を用いて電極と発光管を保持し、保持した状態で溶接やかしめ等の適宜な手段で固定する方法であっても良い。

次に、始動ガスなどのガス封入工程を実施する。
仮固定した狭径部３ａと電極５との間の隙間からアルゴンなどの始動ガスを封入し、狭径部３ａと電極５とを気密固定する。仮固定の後の気密封止にもレーザ光線を用いる。レーザ光線を狭径部３ａ外周の全周に渡り照射して溶接することで、始動ガスを封入することができる。なお、レーザ溶接法に代えて抵抗溶接法や他の周知の溶接方法を採用することもできる。

本発明によれば、簡易な製造工程にて小型高圧放電ランプをバラツキを低減して製造することが可能となる。また、製造設備として高価な設備を用いなくても良い。

図６は、他の実施形態における小型高圧放電ランプを示す断面拡大図である。先の実施の形態では金属パイプと挿入部３ｂを同一径としたが、この実施形態においては金属パイプ２３の挿入部２３ｂの先端を拡大部２３ｃとして部分的に外径を大きくしている。なお、他の点は先の実施の形態と同一であるので、ここでの説明は省略する。

金属パイプ先端に拡大部２３ｃを設けたことで段差部２ｄと金属パイプ２３の先端における発光管２を押圧力が強くなる。これにより、コンパウンド４の内部空間２ａへの侵入をより一層抑止することができる。

このようにして、本発明によれば、簡単な構成により信頼性を高めた小型放電ランプを得ることができる。なお、この発明は前述した実施形態に限られるものではない。例えば、発光部の外形を楕円球形等にしたものとしても良い。

本発明は、自動車用ヘッドランプに適した高効率で長寿命の小型放電ランプを提供することができ。自動車用ヘッドランプに限らず、街路等の屋外照明や屋内での投影装置等の光源として適用することができる。

１…小型高圧放電ランプ
２…発光管
２ａ…内部空間
２ｂ…発光部
２ｃ…電極取付部
２ｄ…段差部
２ｅ…拡径平坦部
３，２３…金属パイプ
３ａ，２３ａ…狭径部
３ｂ，２３ｂ…挿入部
２３ｃ…拡大部
４…コンパウンド
５…電極
５ａ…先端電極部
５ｂ…電極軸
Ａ…発光部の内径

Claims (4)

1. 両端に一対の開口部を備えた透光性セラミックスからなる発光管と、発光管両端に設けた放電電極と、放電電極を固定する金属パイプとを有し、発光管両端部には前記金属パイプを介して放電電極を固定する電極取付け部が設けられ、発光管内部に封入された発光物質を有する小型放電ランプであって、
   前記発光管は、筒状形状をなしており、内径が１〜４ｍｍとした発光部と、発光部よりも内径を大きくした拡径平坦部と、段差部が形成されており、
   前記段差部は、前記金属パイプの先端が当接しており、
   前記金属パイプは、一方の端部が前記発光部の内径と略一致する内径とした挿入部とされ、他方の端部が前記電極を固定する狭径部とされており、
   前記発光管と金属パイプとが発光管の内部空間以外の箇所にて接着固定されている、ことを特徴とする小型放電ランプ。
2. 前記発光管の外径が発光部の全長にわたって一定であり、放電電極が金属パイプ先端よりも発光部に突出している、ことを特徴とする請求項１に記載の小型放電ランプ。
3. 前記発光管の段差を０．０５〜０．３ｍｍとし、且つ、金属パイプの挿入部の肉厚は段差以下とする、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型放電ランプ。
4. 両端に一対の開口部を備えた透光性セラミックスからなる発光管と、発光管両端に設けた放電電極と、放電電極を固定する金属パイプとを有し、発光管両端部には前記金属パイプを介して放電電極を固定する電極取付け部が設けられ、発光管内部に封入された発光物質を有する小型放電ランプの製造方法であって、
   a) 両端に開口部を有し、両端には拡径平坦部および段差部を備え、発光部の内径が１〜４ｍｍとした透光性セラミックスを準備する工程と、
   b) 一方の端部の内径が前記発光部の内径と略一致し、他方の端部が前記電極を固定する狭径部とされた金属パイプおよび電極を準備する工程と、
   c) 前記開口部の夫々の内部に金属パイプを挿入して当該金属パイプを発光管に固定するパイプ固定工程と、
   d) 工程ｃ）の後に、前記発光管内に発光物質を充填する工程と、金属パイプの狭径部に前記電極を挿入し電極を仮固定する工程と、
   e) 工程ｄ）の後に、狭径部における金属パイプと電極との隙間から充填ガスの封入を行う封入ガス充填工程と、
   f) 前記仮封止部を溶接して完全封止を行う工程と、
   を行うことを特徴とする小型放電ランプの製造方法。

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