JP2013157100A

JP2013157100A - 高圧放電ランプ及びその製造方法

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Publication number: JP2013157100A
Application number: JP2012014784A
Authority: JP
Inventors: Kooji Komata; 亘央二古俣; Shinichi Takemasa; 信一武正; Takashi Ii; 隆史伊比
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-15

Abstract

【課題】電極軸部と金属箔の溶接部周辺のクラックを確実に防止する高圧放電ランプを高い生産効率で提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は、タングステン電極の電極軸部の表面に凹凸加工部を形成する第１の加工工程、電極軸部を金属箔に抵抗溶接して電極マウントを作製する溶接工程、溶接工程によって電極軸部に形成された溶接痕に凹凸再加工部を形成する第２の加工工程、及び一対のタングステン電極の先端を対向配置し、少なくとも凹凸再加工部を含む範囲の電極マウントが石英ガラス発光管の両端の封止部内にそれぞれ含まれるように、電極マウントを封止部内に埋設する封止工程を備える。
【選択図】図５Ｂ

Description

本発明は高圧放電ランプ及びその製造方法に関し、特に、高圧放電ランプの電極マウントの構造及びその加工に関するものである。

発光管両端の封止部に電極の芯棒部分が封止される高圧放電ランプにおいて、従来から発光管封止部のクラック対策が検討されている。このクラックは、電極軸部を構成するタングステンの熱膨張率が、発光管を構成する石英ガラスの熱膨張率よりも大きいため、ランプ点灯時の温度上昇によって電極軸部から発光管封止部に応力がかかることによって発生し得る。このクラック対策として、電極軸部の表面に凹凸を形成する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、電極軸部の表面に粗面加工を施すことにより凹凸を形成し、電極軸部と封止部の石英ガラスを強固に固着させることが開示されている。同文献には、製造時の除冷工程後に凹凸部分に残る応力が、点灯時に発生する応力を打ち消す方向に働くため、点灯時の瞬間的な応力によるクラックの発生が防止されることが記載されている。

また、特許文献２には、電極軸部の表面全周にわたって電極軸部長手方向に沿って溝を形成し、電極軸部と発光管の間で発生する応力を溝の凹凸により抑制することが開示されている。同文献には、溝があることにより、（特許文献１とは逆に）電極軸部と封止部のガラスとが強く密着することがなく適度な強度で相互に保持されるとともに、電極軸部と封止部のガラスとの間で熱膨張差による応力が適度に吸収され、これによりクラックが防止されることが記載されている。同文献では、上記溝を設ける範囲の端部が電極軸部と金属箔との重なりの部分に入るように溝が形成される。

即ち、いずれの文献にも、金属箔に溶接される電極軸部の表面に凹凸が形成されること、及び電極軸部と封止部との熱膨張率差に起因する双方間の応力の発生を上記凹凸により緩和して点灯時における封止部クラックを防止することが開示されている。

特開平１０−１０６４９２号公報特開２０１０−２８７３５９号公報特開２０００−２８８７５５号公報

しかし、特許文献２の構成によると、電極軸部のうちの溶接部周辺には実質的に溝が形成されていない。従って、点灯時における電極軸部と封止部のガラスとの間の応力が大きい場合には溶接部周辺の封止部に微小クラックが発生する可能性がある。
同文献にも開示されるような水銀封入量が０．１５ｍｇ／ｍｍ^３程度の場合の内圧であれば、溶接部周辺の微小クラックは大きな問題とはならないが、より高い圧力（０．３０ｍｇ／ｍｍ^３以上）の場合には上記の微小クラックが拡大して発光管の破壊へ進展してしまう可能性がある。

また、特許文献１の構成においても、粗面加工した電極軸部を例えば抵抗溶接によって金属箔に溶接する場合、溶接部における電極軸部表面の凹凸は溶接熱や押圧により溶融・消失し、溶接部はほぼ平らな面となってしまう。従って、溶接部周辺での封止部クラックの問題は特許文献２の構成の場合と同様である。

なお、特許文献３のように、電極軸部と金属箔の溶接に関して、双方の接触部に側方からレーザを照射して溶接するレーザ溶接を行えば電極軸部表面（特に、金属箔から遠い側の表面）の凹凸は消失しない。しかし、レーザ溶接は抵抗溶接に比べて工程に時間がかかり生産効率が低いため好ましくない。

そこで、本発明は、電極軸部と金属箔の溶接部周辺のクラックを確実に防止する高圧放電ランプを高い生産効率で提供することを課題とする。

本発明の第１の側面は高圧放電ランプの製造方法である。その製造方法は、タングステン電極の電極軸部の表面に凹凸加工部を形成する第１の加工工程（Ｓ１０）、電極軸部を金属箔に抵抗溶接して電極マウントを作製する溶接工程（Ｓ２０）、溶接工程によって電極軸部に形成された溶接痕に凹凸再加工部を形成する第２の加工工程（Ｓ３０）、及び一対のタングステン電極の先端を対向配置し、少なくとも凹凸再加工部を含む範囲の電極マウントが石英ガラス発光管の両端の封止部内にそれぞれ含まれるように、電極マウントを封止部内に埋設する封止工程（Ｓ６０）を備える。

ここで、第２の加工工程において、凹凸再加工部をレーザービーム加工によって形成することが好ましい。
また、第１の加工工程と第２の加工工程とが異なる加工方法によって実行されるようにしてもよい。

本発明の第２の側面は高圧放電ランプである。その高圧放電ランプは、両端に封止部（４）を有する石英ガラス製発光管（２）、及び封止部にそれぞれ埋設された一対の電極マウント（８）を備え、電極マウントの各々が、表面に凹凸加工部（５ｂ）が形成された電極軸部（５ａ）を有するタングステン電極（５）、及び電極軸部が溶接された金属箔（６）を備える。電極軸部は、溶接による溶接変形部（５ｄ）及び溶接変形部の表面に形成された凹凸再加工部（５ｃ）を有し、少なくとも溶接変形部を含む範囲の電極マウントが封止部内に埋設される。

ここで、凹凸再加工部がスジ状の凹凸パターン又は複数の凹部からなるドット状の凹凸パターンからなるようにしてもよい。
また、凹凸加工部と凹凸再加工部とが異なる凹凸パターンからなるようにしてもよい。
また、凹凸再加工部の凹凸パターンが周期的な形状からなることが好ましい。

本発明の実施例による高圧放電ランプを示す図である。図１Ａの高圧放電ランプの要部拡大図である。本発明の実施例による高圧放電ランプの製造工程を示すフローチャートである。本発明の実施例における電極軸部を説明する図である。本発明に変形例における電極軸部を説明する図である。本発明に変形例における電極軸部を説明する図である。本発明に変形例における電極軸部を説明する図である。本発明の実施例における電極マウントを説明する断面図である。本発明に実施例における電極マウントを説明する断面図である。本発明に実施例における電極マウントの断面図である。本発明に実施例における電極マウントの上面図である。本発明に変形例における電極マウントの上面拡大図である。本発明に変形例における電極マウントの上面拡大図である。本発明に変形例における電極マウントを上面拡大図である。

実施例．
図１Ａに本発明の実施例による高圧放電ランプ１を示す。高圧放電ランプ１は石英ガラス製発光管２（以下、「発光管２」という）及び一対の電極マウント８からなり、発光管２は放電空間３及びそれを挟んだ一対の封止部４からなり、各電極マウント８は互いに溶接されたタングステン電極５（以下、「電極５」という）、モリブデン等の金属箔６、及びリード線７からなる。図１Ｂは電極マウント８の電極５と金属箔６の接続部分を拡大する図である。電極５は先端部及び電極軸部５ａからなり、電極５の放電側（先端側）が放電空間３に露出され、電極軸部５ａに凹凸加工部５ｂが形成され、電極軸部５ａの根元側に金属箔６が溶接され封止部４に埋設される。放電空間３には、例えば０．３０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入され、点灯時の水銀蒸気圧は３００気圧以上になる。なお、本明細書において、図面は寸法通りではない。

図２は高圧放電ランプ１の製造方法を示すフローチャートである。
工程Ｓ１０は、電極５の電極軸部５ａの表面に凹凸加工部５ｂを形成する第１の加工工程である。凹凸加工部５ｂは、図３Ａに示すような電極軸部長手方向に全周にわたって延在するスジ状の凹凸パターン、図３Ｂに示すような螺旋状に設けられたスジ状の凹凸パターン、図３Ｃに示すような複数の凹部からなるドット状の凹凸パターン、図３Ｄに示すような粗面としてのドット状の凹凸パターン等であればよい。図３Ａ〜３Ｃに示すようなスジ状及びドット状の凹凸は、研削加工、レーザービーム加工等で形成することができる。図３Ｄに示すような粗面はエッチング加工により形成することができる。

なお、図３Ａ〜３Ｃに示す各パターンの凹凸において、凹部の周期は１μｍ〜１００μｍであればよく、凸部と凹部の高低差（凹部の深さ）は１μｍ〜１００μｍであればよい。なお、本実施例では、図３Ａに示すようなスジ状の凹凸加工部５ｂを形成する構成を用いるものとする。

工程Ｓ２０は、電極５の電極軸部５ａを金属箔６に抵抗溶接して電極マウント８を作製する溶接工程である。抵抗溶接は、電極軸部５ａと金属箔６を相互に加圧しながら双方間に瞬間的に電流を流し、発生したジュール熱によって双方を溶融接合するものである。図４Ａ及び４Ｂに、それぞれ溶接工程前及び溶接工程後の電極マウント８の長手方向に垂直な断面、即ち、図１Ｂの線Ａ−Ａで切った断面を示す。図４Ａに示すように溶接工程前は、電極軸部５ａの全周にわたって凹凸加工部５ｂが形成されている。図４Ｂに示すように溶接工程後は、電極軸部５ａの凹凸加工部５ｂが抵抗溶接による熱及び圧力によって溶融・消失し、溶接変形部５ｄが形成され、そこにほぼ平らな溶接痕５ｘが残る。

なお、電極軸部上の溶接位置（溶接痕５ｘが形成される位置）が予め分かっている場合には、第１の加工工程Ｓ１０において、その溶接位置に凹凸を形成しなくてもよい。また、電極軸部上の接合位置（電極軸部５ａと金属箔６が接する位置）が予め分かっている場合には、第１の加工工程Ｓ１０において、その接合位置に凹凸を形成しなくてもよい。

工程Ｓ３０は、溶接工程Ｓ２０によって形成された溶接痕５ｘに凹凸再加工部５ｃを形成する第２の加工工程である。この第２の加工工程Ｓ３０は、作業性の観点からレーザービーム加工によって実行することが好ましいが、研削加工によって実行することもできる。図５Ａ及び５Ｂは、第２の加工工程後の電極マウント８の断面図及び上面図をそれぞれ示す。各図に示すように、溶接変形部５ｄの表面には凹凸再加工部５ｃが形成される。言い換えると、第２の加工工程後には、溶接変形部５ｄは残り得るが、溶接痕５ｘは実質的に残らない。

また、第２の加工工程Ｓ３０によって形成される凹凸再加工部５ｃは、必ずしも第１の加工工程Ｓ１０によって形成された凹凸加工部５ｂと同じパターンのものでなくてもよい。特に、第１の加工工程Ｓ１０と第２の加工工程Ｓ３０が異なる加工方法によって実行される場合には、凹凸加工部５ｂと凹凸再加工部５ｃは当然に異なるパターンのものとなる。従って、凹凸再加工部５ｃは図５Ｂに示したような電極軸部５ａの長手方向に沿ったスジ状のパターンに限らない。

例えば、凹凸再加工部５ｃは、図６Ａに示すように電極軸部短手方向に沿うスジ状の凹凸パターン、図６Ｂに示すように複数の凹部からなるドット状の凹凸パターン等であってもよい。また、図６Ｃに示すように、スジ状の凹凸を一筆書きで形成することによって第２の加工工程にかかる時間が短縮され得る。ここで、凹凸再加工部５ｃは溶接変形部５ｄの範囲外に形成されてもよく（即ち、はみ出ていてもよく）、従って凹凸加工部５ｂと重なって形成されてもよい。なお、本明細書において、「スジ状」とは何らかの溝が電極軸部表面に形成されていることを意味し、その溝は必ずしも直線である必要はなく、曲線、格子パターン等であってもよい。また、各パターンの凹凸再加工部においても凹凸加工部と同様に、凹部の周期は１μｍ〜１００μｍであればよく、凸部と凹部の高低差（凹部の深さ）は１μｍ〜１００μｍであればよい。

また、電極軸部５ａの全周にわたって形成される凹凸加工部５ｂと、溶接変形部５ｄに局所的に形成される凹凸再加工部５ｃは、それぞれの加工作業に適したパターンとすればよい。言い換えると、電極軸部５ａの全周にわたって凹凸を形成する第１の加工工程Ｓ１０と、溶接痕５ｘに局所的に再凹凸を形成する第２の加工工程Ｓ３０には、ぞれぞれの作業に適した最適なものを選択すればよい。また、凹凸加工部５ｂ及び凹凸再加工部５ｃが周期的な構造であれば、応力の分散及び緩和が均一化されるのでより好ましい。

工程Ｓ４０は、リード線７を金属箔６に接続する接続工程である。なお、接続工程Ｓ４０は第１の加工工程Ｓ１０、溶接工程Ｓ２０又は第２の加工工程Ｓ３０の前に設けてもよい。

工程Ｓ５０は、電極マウント８を９００℃〜１０００℃の水素雰囲気中に約１０分曝す熱処理工程である。この熱処理工程Ｓ５０によって電極マウント８に付いた不純物が除去される。

工程Ｓ６０は、一対の電極５の先端を対向配置し、溶接部を含む部分が封止部４にそれぞれ含まれるようにして電極マウント８を封止部４内に埋設する封止工程である。この封止工程Ｓ６０において、放電空間３には、例えば０．３０ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀、希ガスおよびハロゲンガスが封入される。これにより、高圧放電ランプ１が完成する。

本発明の上記構成によると、結果として、抵抗溶接後も、封止部４に埋設される電極軸部５ａの部分のほぼ全域に凹凸パターンが形成されることになる。従って、生産効率の高い抵抗溶接を用いて電極軸部５ａと金属箔６を溶接する構成においても、電極軸部５ａの溶接部を起点とした封止部クラックの発生を防止することができる。また本発明では、レーザービーム加工は電極軸部５ａの表面加工に使用され、溶接加工には使用されない。従って、レーザービーム加工を用いても作業効率が大きく低下することはない。

実験．
上記実施例の製造方法によって作製した高圧放電ランプ（凹凸再加工部５ｃがあるもの）と、上記製造方法から第２の加工工程Ｓ３０を省略して作製した従来の高圧放電ランプ（溶接痕５ｘがそのまま残っているもの）との性能を比較する実験を行った。実験は、定格電力が２００Ｗ、水銀封入量が０．３５ｍｇ／ｍｍ^３の高圧放電ランプを用いて、２０分間ＯＮ（点灯）−５分間ＯＦＦ（消灯）を５０回繰り返す点滅試験を行った。

実験結果によると、サンプル各１００本について、従来の高圧放電ランプはクラックによる故障確率が３％（３本）であったのに対して、実施例の高圧放電ランプはその確率が０％（０本）であり、電極軸部表面の凹凸の再加工による有利な効果が確認された。

以上より、本発明の構成によると、電極軸部と金属箔の溶接部周辺のクラックが確実に防止される高圧放電ランプを高い生産効率で提供することが可能となった。

１．高圧放電ランプ
２．石英ガラス製発光管
３．放電空間
４．封止部
５．タングステン電極
５ａ．電極軸部
５ｂ．凹凸加工部
５ｃ．凹凸再加工部
５ｄ．溶接変形部
６．金属箔
７．リード線
８．電極マウント

Claims

高圧放電ランプの製造方法であって、
タングステン電極の電極軸部の表面に凹凸加工部を形成する第１の加工工程、
前記電極軸部を金属箔に抵抗溶接して電極マウントを作製する溶接工程、
前記溶接工程によって前記電極軸部に形成された溶接痕に凹凸再加工部を形成する第２の加工工程、及び
一対の前記タングステン電極の先端を対向配置し、少なくとも前記凹凸再加工部を含む範囲の前記電極マウントが石英ガラス発光管の両端の封止部内にそれぞれ含まれるように、前記電極マウントを該封止部内に埋設する封止工程
を備える製造方法。
請求項１に記載の製造方法であって、前記第２の加工工程において、前記凹凸再加工部がレーザービーム加工によって形成される製造方法。
請求項１に記載の製造方法であって、前記第１の加工工程と前記第２の加工工程とが異なる加工方法によって実行される製造方法。
高圧放電ランプであって、
両端に封止部を有する石英ガラス発光管、及び
前記封止部にそれぞれ埋設された一対の電極マウント
を備え、
前記電極マウントの各々が、表面に凹凸加工部が形成された電極軸部を有するタングステン電極、及び前記電極軸部が溶接された金属箔を備え、
前記電極軸部が、前記溶接による溶接変形部及び該溶接変形部の表面に形成された凹凸再加工部を有し、少なくとも前記溶接変形部を含む範囲の前記電極マウントが前記封止部内に埋設された高圧放電ランプ。
請求項４に記載の高圧放電ランプにおいて、前記凹凸再加工部がスジ状の凹凸パターン又は複数の凹部からなるドット状の凹凸パターンからなる高圧放電ランプ。
請求項４に記載の高圧放電ランプにおいて、前記凹凸加工部と前記凹凸再加工部とが異なる凹凸パターンからなる高圧放電ランプ。
請求項４に記載の高圧放電ランプにおいて、前記凹凸再加工部の凹凸パターンが周期的な形状からなる高圧放電ランプ。