JP4229831B2 - 高輝度放電ランプ用の発光管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高輝度放電（「ＨＩＤ」）ランプ、発光管及びそれらの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、後出の充填ガス内の圧力が実質的に室温で１気圧を超えるＨＩＤランプ用の発光管の製造方法に関する。
〔関連出願〕本出願は、本発明の譲受人に対して譲渡され、２００１年３月８日に提出された第０９／８００，６６９号の一部継続出願である。

ＨＩＤランプは、点光源として開発されたものであり、光ファイバ照明装置、投影表示装置及び自動車ヘッドランプに特に適している。充填ガスとしてキセノンを用いるメタルハライドランプは、多くの応用分野で好まれているが、それは、瞬時照明能力があり、比較的寿命が長く、演色性が良好な白色光の発生効率が比較的高いからである。

点光源用のＨＩＤランプの製造においては、実質的に室温で１気圧を超える最終的充填ガス圧力を得るのが望ましい。最終的充填ガス圧力が、約５気圧を超えるのは一般的であり、充填ガス圧力が約数６００気圧という高い値である場合もある。

キセノンメタルハライドランプの製造においては、発光チャンバ中にある分量のキセノンをフリーズした後でこのチャンバをシールすることによって大気圧を超えるキセノン圧を得る方法が周知である。チャンバ中に（実質的に１気圧、かつ室温で）フリーズされるキセノンのこの分量はチャンバの体積より大きく、これで、チャンバ中にシールされたキセノンの圧力が、キセノンの温度が実質的に室温に戻る際に１気圧より大きくなるようになっている。実質的に室温でチャンバ中にシールされる充填ガスの圧力（気圧単位）は、チャンバ中に（実質的に１気圧、かつ室温で）フリーズされるガスの体積のチャンバ体積に対する比に等しい。

超大気圧発光管を製造する周知の方法では、先行技術の教示によると、一旦固体の充填素材と水銀を発光管本体の内部に導入して、第２の電極リードアセンブリを残りの開放端部中に置くと、制御されていない雰囲気から発光管本体の内部を隔離して、第２の端部のシールプロセス中に第２の電極リードアセンブリの金属成分が酸化するのを防止するようにしなければならない。

先行技術の教示するところによれば、（ｉ）１９９２年４月２８日付けのハイダー（Ｈｅｉｄｅｒ）らに対する米国特許第５，１０８，３３３号中で教示されているように、発光管本体をグローブボックスなどの制御される雰囲気中に置くことによって又は（ｉｉ）１９９６年４月９日付けのナガサワらに対する米国特許第５，５０５，６４８号中で教示されているように必要なシール性を提供する真空装置に対して開放端を接続することによって、発光管の内部を制御されない雰囲気から隔離するようにする。

ハイダー（Ｈｅｉｄｅｒ）らの文書に開示されているように、発光管本体の一方の端部は、アセンブリがこの端部内に置かれた際に電極リード全体を取り囲むに十分な長さを持たなければならない。一旦発光管がグローブボックスの制御される雰囲気内に置かれると、その本体がキセノンで充填され、次に、端部が癒合で閉じられ、これで、電極リード全体が本体内に取り囲まれるようにする。次に、キセノンをチャンバ中にフリーズされるように、発光管をグローブボックスから取り外し、次に、第２の端部をシュリンク又はピンチすることによってシールする。次に、この端部の余分の部分を取り除いて、電極リードアセンブリの外側リードを露出させる。

この先行技術による方法には、発光管本体を制御されない雰囲気から隔離する必要があるという重大な欠点がある。こうするためには一般的に、グローブボックス又は真空装置を用いる必要があった。このような方法は複雑で自動化するのが困難である。

したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点の多くを未然に防ぎ、新規なＨＩＤランプ、発光管及び発光管の製造方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、制御された雰囲気内でなんらかのプロセスステップを実行する必要性を不要とする新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の発光管の製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、後出の発光管が、この発光管を最終的にシールするステップの間に制御されない雰囲気に対して開放されたままであるような新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の無先端発光管の製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、不活性充填ガスと大気などの制御されない雰囲気との連通が、発光管が密閉されるまで維持される新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の無先端発光管を提供することにある。

本発明の別の目的は、電極リードアセンブリの外部部分を露出するために端部の一部を取り外す必要性を不要とする新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の発光管製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、発光管本体の各端部の長さが、完成した発光管の端部の長さと実質的に同じである新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の発光管製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、発光管本体の端部によって形成される管状開口部を拡大する新規な装置と、ＨＩＤランプ用の発光管製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、充填ガスの温度が、後出の発光管を制御されない雰囲気中でシールする前に制御される新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の発光管製造方法とを提供することにある。

本発明の別の目的は、シールする際には圧力差が存在しない、大気圧を越える充填圧力を有する新規な発光管と、ＨＩＤランプ用の発光管製造方法とを提供することにある。

本発明のこれら及び他の多くの目的及び利点は、クレーム、添付図面及びこのましい実施形態の以下の詳細な説明を熟読すれば、本発明が関連する当業者には容易に明らかであろう。

本発明は、概して、あらゆるタイプとサイズのＨＩＤランプ用の発光管と、このようなランプの製造方法とに用いられて有用である。単なる例として、本発明のある態様を、両面メタルハライドランプ用の無先端石英で形成された本体を持つ発光管に関連して説明する。

図１に、石英管で形成された先行技術による発光管本体を示す。この発光管本体１０は、開放端部１４と１６間に球状発光チャンバ１２を備えている。この発光管本体１０は、なんらかの適切な従来方法を用いて形成してもよい。

形成された本体を持つ発光管は、２０００年６月１９日に提出され、本発明の譲受人に譲渡された「水平バーニングＨＩＤランプと発光管」という題名のラムーリ（Ｌａｍｏｕｒｉ）らの同時係属特許出願第０９／５９７，５４７号に記載されている仕方で製造してもよい。図２ａ〜２ｅに、石英チュービング（図２ａ）から発光管を、このチュービングを旋盤上に載置して、このチュービングを過熱し（図２ｂ）、加熱された管をこの管を軸方向に移動させることによってギャザーし（図２ｃ）、このギャザーされた管を内部圧力でモールドに対して拡張させて（図２ｄ）、所望の形状の発光管を得る（図２ｅ）。この発光管の厚さはギャザープロセスで蓄積された石英の量で調整され、発光管本体の形状はモールドの形状によって決定される。

図３ａと３ｂに示すように、第１の電極リードアセンブリ１８は開放管端部１４内に位置付けされ、端部１４は従来のピンチシールプロセスを用いてシールされる。このピンチシールプロセスの間、端部１４の一部が加熱されて、石英を軟化させ、次に、この軟化した部分を、内部にある電極リードアセンブリ１８の部分と一緒に、そしてその周りで、従来のピンチジョー（図示せず）を用いて押圧してピンチシール２０を形成する。このピンチシール２０は、アセンブリ１８の位置を発光管本体１０に対して固定し、また、チャンバ１２の内部と本体１０の外部との間を端部１４を介して密閉する。

電極リードアセンブリ１８は、図４に示すように、タングステン電極２２と、モリブデンフォイル２４と、モリブデン外部リード２６とを含むいくつかの金属性コンポーネントから成る従来のリードアセンブリである。ピンチシールプロセス中、この金属性コンポーネントは、石英を軟化させる際に２０００ Ｃ以上という高温に達する。このような高温では、これらの金属性コンポーネントは、空気などの反応性雰囲気中の湿気に暴露されるときわめて腐食しやすい。このような腐食を防止するため、ピンチシールプロセス中に、不活性ガスをチャンバ１２中に残りの開放管状端部１６を介して導入し、これがリードアセンブリ１８を過ぎて流れる。このガスは、図３ａに示すようにプローブ２８を挿入すること又はホース（図示せず）を開放端部１６に接続することなどなんらかの従来の手段によって導入される。このガスは、窒素やアルゴンなどのいずれかの不活性ガスやその混合物である。

次のステップは、発光管本体に所望の充填素材を、この素材をチャンバ１２中に残りの開放端部１６を介して導入することによって添加することである。この固体ランプ充填素材３０は、チャンバ１２中に、残りの開放端部１６を介して、ＡＰＬ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ社によって製造されたピンタイプのランプ充填ペレットディスペンサなどのなんらかの従来の手段によって導入される。所望しだいでは、水銀も、なんらかの従来の手段で端部１６からチャンバ１２中に導入される。図５に、チャンバ１２内にランプ充填ペレット３０と水銀３１とを有する発光管本体１０を示す。

このプロセスの残りのステップには、チャンバを最終的な充填ガスでフラッシングして充填するステップと、第２の電極リードアセンブリを残りの開放端部中に位置付けするステップと、残りの開放端部をシールするステップとが含まれる。第１の端部のピンチシールに関連して説明したように、電極リードアセンブリの金属性コンポーネントが高温で腐食性雰囲気に暴露されるのを防止することが重要である。

先行技術による方法は、（ｉ）発光管本体をグローブボックス中に置くか又は（ｉｉ）発光管本体の開放端を真空装置に接続した後で、発光管本体の内部を最終的充填ガスで充填して第２の電極リードアセンブリを位置付けするかして、制御されない雰囲気からこれらのコンポーネントを隔離する必要性を教示している。図６に示すように、一旦最終的充填圧力が得られると、この開放端部１６をリードアセンブリ３２の外部で癒合して閉じて、不活性雰囲気を含むチャンバ１２の内部を隔離する。このようにして、先行技術では、発光管本体の内部の不活性雰囲気中でこれらの金属性コンポーネントを隔離することによって、端部１６のピンチシール中にリードアセンブリのこれら金属性コンポーネントが腐食するのを防止する。

発光管の内部を制御されない雰囲気からグローブボックス又は真空装置を用いて隔離する動作が、開放端１６が図５と７に示すように上方に延長するように発光管本体１０を方向付けすることによって、また、空気に対する充填ガスの相対的重量に依存して、発光管本体内の不活性ガスの充填量を維持することによって、不要となることが発見されている。この最終的充填ガスは、適当な従来型のプローブ３４を挿入することによってチャンバ１２の内部に導入される。この充填ガスは、アルゴンや、ネオンや、キセノンや、クリプトンや、これらの組み合わせ物などのどのような不活性ガスでもよい。本発明の好ましい実施形態では、この充填ガスは、キセノン又はキセノンとアルゴンの混合物であるが、その双方ともが空気より重く、発光管本体１０が実質的に垂直方位にある限りこの本体の内部に残りやすく、そのため、発光管を囲む制御されない雰囲気のより軽い汚染された空気の流入を抑制する。

発光管本体１０の内部は、端部１６の先端３８まで充填ガスでフラッシングされて充填され、これで他のすべてのガスが置き換えられる。一旦発光管本体がフラッシングされて充填されると、プローブ３４が取り外され、第２の電極リードアセンブリ３２が図７に示すように端部１６中に位置付けされる。この端部１６は、リードアセンブリ３２の十分上を延長しており、これによって、端部１６の先端３８近傍で発光管本体を囲む制御されない雰囲気と充填ガスが幾分か混合するにもかかわらず、リードアセンブリ３２が端部１６内の立ち上る充填ガスに浸された状態のままでいるようにしなければならない。

図７と８に示すように、次に、第２の端部１６が従来のピンチシールプロセスでシールされる。端部１６の一部を加熱して石英を軟化させ、次に、この軟化した部分を、内部に置かれている電極のリードアセンブリ３２の部分と一緒に、そしてこの周りで、従来のピンチジョー（図示せず）を用いて押圧して、ピンチシール３６を形成する。このピンチシール３６は、アセンブリ３２の位置を発光管１０に対して固定し、また、チャンバ１２の内部と本体１０の外部との間を、端部１６を介して密閉する。別の実施形態では、この端部はシュリンクシールプロセスでシールする。

図８に更に示すように、チャンバ１２は、この時点で、発光管本体１０の外部から密閉されている。次に、端部１６の余分の部分が取り除かれて、電極リードアセンブリ３２の外部リード４２が露出される。

図９と図１０に、本発明の別の実施形態を示す。発光管本体５０は、開口部５４と５６間にチャンバ５２を有するように形成される。この端部５４と５６は、実質的に同じ長さである。この好ましい実施形態では、発光管５０の端部５４と５６の長さは実質的には、完成した発光管の端部の長さであり、これで、一旦チャンバがシールされると第２の端部の余分の部分をトリミングするステップが廃止されるようにする。しかしながら、それでも、第２の端部５６内に位置する第２の電極リードアセンブリ５８が第２の端部のピンチシールプロセス中に充填ガス中に完全に浸されるように十分長い立ち上る充填ガスを提供することが必要である。

本発明の一実施形態では、この立ち上る充填ガスを、開放端部と機械的手段とを連通させることによって、端部の長さを超えて延長させて、端部の外径と実質的に同じ直径を有する長尺のシャフトを形成している。図１１ａと１１ｂに示す実施形態では、フラッシュ／充填ブロック６０がメインシャフト６２を形成しており、これが、電極リードアセンブリ５８を位置付けするステップ中と、最終的充填ガスで本体５０をフラッシング／充填するステップ中と、端部５６をピンチシールするステップ中に、発光管本体５０の開放端部５６と連通する。

ブロック６０が、メインシャフト６２と、メインシャフト６２と周囲の雰囲気間を連通させる１つ以上の補助シャフト６４とを形成している。端部５６の開放端が、ブロック６０に対して位置付けされ、これで、端部５６によって形成される管状開口部とメインシャフト６２との連通を達成している。発光管チャンバ５２の内部と開放端５６とは、図１１ａに示すように、従来型のプローブ６６をチャンバ５２中に挿入することによって最終的充填ガスでフラッシングされて充填される。

一旦発光管本体５０が最終的充填ガスによってフラッシングされ充填されると、プローブ６６が取り外される。こで、充填ガスが端部５６とメインシャフト６２を充填し、周りの雰囲気に対する充填ガスの相対的重量の結果、シャフト６２内に残りやすくなる。次に、図１１ｂに示すような従来型のアセンブリホルダー６８を用いて、電極リードアセンブリ５８が、端部５６とメインシャフト６２内に位置付けされる。充填ガスがシャフト６２をその頂部まで充填するので、電極リードアセンブリ５８は、充填ガスに完全に浸され、これで、ピンチシールプロセス中の腐食を防止する。

本発明の一態様では、チャンバが密閉されたときに充填ガスを冷却して、実質的に室温で、超大気圧充填ガス圧力を得る。たとえば、冷却プロセス中に充填ガスを発光管中に導入し続けることによって、汚染を防止するように注意しなければならない。

図１２に、充填ガスがキセノンである本発明による実施形態を示す。図１２を参照すると、この時点でシャフト５２をその頂部まで充填しているキセノン上に一面のアルゴンが配置される。次に、液体窒素スプレー６１などのなんらかの従来の手段によって、チャンバ５２の一部の温度を、キセノンの氷点未満の温度、たとえば約−１１２ Ｃ以下という温度まで下げる。一旦本体５０とシャフト６２の内部のキセノンの全体積がチャンバ中にフリーズされると、端部５６が、ピンチシール又はシュリンクシールなどのなんらかの従来のシールプロセスでシールされる。電極リードアセンブリ５８は、キセノンをチャンバ５２中にフリーズすることによって生成された本体５０とシャフト６２の内部の空隙を充填するキセノン上に一面のアルゴンを維持することによって、シールプロセスの間、無反応性ガス中に浸された状態にとどまる。少量のアルゴンがチャンバ５２中にシールされるが、ランプの性能に影響はない。

本実施形態では、実質的に室温におけるシールされた発光管中のキセノンの最終的充填圧力は、シールされたチャンバ５２の体積に対する発光管５０とシャフト６２の内部の体積の比によって決まる。シャフト６２の体積を変化させて、所望の最終的充填圧力を得るようにしてもよい。

本発明の別の実施形態では、少なくとも２つの無反応性ガスの混合物からなるガスの流れをチャンバ５２中に導入する。このチャンバの温度は、これらガスの内の一方のガスの氷点未満にまで下げ、かつ、他方のガスの氷点を越える温度に維持し、これで、ガスが流れ続ける間に、一方のガスがチャンバ中にフリーズされて残るようにする。最終的充填圧力は、ガス混合物の組成とガスの流量とによって決定される。一旦所望の量のガスがチャンバ中にフリーズされると、この流れを停止させ、端部５８をシールし、これによって、チャンバ５２を密閉する。

たとえば、このガスはキセノンとアルゴンから成っている。チャンバの温度を、キセノンの氷点未満にまで下げ、かつ、アルゴンの氷点を越える温度に維持すると、アルゴンが流れ続けている間に、キセノンがチャンバ中にフリーズされて、発光管の残りの開放端部のピンチシール又はシュリンクシールの間に第２の電極リードアセンブリの周りに無反応性雰囲気が提供される。

本発明の好ましい実施形態を説明したが、これら説明した実施形態は単に図示目的であり、本発明の範囲は、等価物を全部認められた場合の添付クレーム並びに、それを熟読した当業者には当然思い当たる多くの変更例及び修正例によって専一に定められることを理解すべきである。

球状発光チャンバを有する発光管本体の断面図である。 図１に示す発光管本体を形成する先行技術によるプロセスステップを示す図である。 図１に示す発光管本体を形成する先行技術によるプロセスステップを示す図である。 図１に示す発光管本体を形成する先行技術によるプロセスステップを示す図である。 図１に示す発光管本体を形成する先行技術によるプロセスステップを示す図である。 図１に示す発光管本体を形成する先行技術によるプロセスステップを示す図である。 ピンチシールプロセス中において不活性ガスで本体の内部をフラッシングする間に発光管本体の端部を過熱するステップを示す図である。 電極リードアセンブリを一方の端中にピンチシールした発光管の断面図である。 電極リードアセンブリを示す略図である。 チャンバの内部に固体のランプ充填素材と水銀を導入するステップを示す図である。 長尺の端部の先端が電極リードアセンブリを超えたところで切り取られた先行技術による発光管本体の断面図である。 発光管本体の内部を周囲雰囲気に対して開放された状態に維持しながら、この本体の上端部を過熱するステップを示す図である。 本発明の一方法によって製造された発光管の断面図である。 本発明による発光管本体の一実施形態の断面図である。 図９に示す発光管本体から作られた発光管の断面図である。 本発明による最終的充填ガスで発光管本体をフラッシングして充填するステップを示す図である。 本発明の一態様にしたがって、電極リードアセンブリを位置付けするステップと、発光管の第２の端部をピンチシールするステップとを示す図である。 本発明の別の態様にしたがって、電極リードアセンブリを位置付けするステップと、発光管の第２の端部をピンチシールするステップとを示す図である。

Claims (7)

1. 発光管の発光チャンバ内に充填ガスが密閉された高輝度放電ランプ用の発光管を製造する方法であり、前記充填ガスの圧力が、実質的に室温で１気圧より高く、前記方法が：
   充填ガスの流れを前記チャンバ中に提供するステップであって、前記充填ガスが、少なくとも２つの希ガスを含むステップと；
   前記チャンバを、前記充填ガスを構成する前記ガスの内の少なくとも一方の希ガスの氷点未満であり、かつ、前記充填ガスを構成する他方の希ガスの氷点より高い温度にまで冷却し、これで、前記ガスのうちの少なくとも一方の希ガスのある量が、前記チャンバ内でフリーズするステップと；
   前記所望の量の希ガスが内部でフリーズしたら、前記チャンバを密閉するステップと；
   を含むことを特徴とする高輝度放電ランプ用の発光管の製造方法。
2. 充填ガスが、空気より重いガスである請求項１の高輝度放電ランプ用の発光管の製造方法。
3. 前記充填ガスが、一方のガスとしてキセノンを他方のガスとしてアルゴンを含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記充填ガスが、発光管の開放管端部から前記チャンバ中に流れ込む請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記チャンバを密閉するステップが：
   １つ以上の電極リードアセンブリを前記本体の開放端部中に位置付けするステップと；
   前記端部を、内部に置かれている前記１つ以上の電極リードアセンブリの周りでシールし、これで、前記１つ以上の電極リードアセンブリの位置を固定するステップと；
   前記発光管本体の前記発光チャンバを密閉するステップと；
   を含む請求項１に記載の方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発光管を製造する方法における球状チャンバと管端部とを有する発光管をシールする方法において、前記方法が：
   （ａ）第１の電極リードアセンブリを第１の端部中に、制御された雰囲気を前記端部を介して通過させながらピンチシールするステップと；
   （ｂ）ガスを含む充填素材を前記チャンバ中に他方の管端部から挿入するステップと；
   （ｃ）第２の電極リードアセンブリを部分的に、取り外し可能通路の下部端内に位置付けするステップと；
   （ｄ）前記取り外し可能通路の前記下部端を前記他方の管端部にシール可能なように突き合せて、前記端部の実効長を延長し、また、前記第２の電極リードアセンブリを前記他方端部内に位置付けするステップと；
   （ｅ）十分な量の制御された雰囲気を前記通路と前記他方の管端部とを介して前記発光管中に通し、制御されない雰囲気をそれから実質的に除去するステップと；
   （ｆ）前記通路と前記他方の管端部とを前記制御された雰囲気で充填された状態に維持しながら、前記チャンバの温度を前記制御された雰囲気中の前記ガスの内の少なくとも一方のガスの氷点未満に下げて、ある量のガスを前記チャンバ中にフリーズするステップと；
   （ｇ）前記通路の上部端を制御されない雰囲気と連通させた状態に維持しながら、前記第２の電極リードアセンブリを前記他方の端部中にシールするステップと；
   （ｈ）前記通路を取り除くステップと；
   を含む前記方法。
7. 前記チャンバ中にフリーズされた前記ガスがキセノンである請求項６に記載の方法。

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