JP4708991B2

JP4708991B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP4708991B2
Application number: JP2005354652A
Authority: JP
Inventors: 宰白川
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2007157628A

Description

本発明は、自動車の前照灯等に使用されるメタルハライドランプに関するものである。

従来技術として、モリブデンからなる金属箔が埋設された封止部を有し透光性材料からなるランプ容器と、この金属箔の一端に接続された発光機構部と、この金属箔の他端に接続された外方に伸びるリード棒からなる箔シールランプにおいて、前記封止部内の前記リード棒の外周に形成された空隙にはルビジウム酸化物あるいはセシウム酸化物からなる封着剤が充填され、前記封止部の外端面には前記空隙を塞ぐように酸化ホウ素と酸化ビスマスを主成分とするガラスを付着させた箔シールランプの発明がある（例えば、特許文献１参照）。

この発明によると、金属箔とリード棒の酸化を十分に防止することができるため、封止部にクラックなどが発生しにくくなり、長寿命を達成できると記載されている。また、同様にリード線の酸化を防止するための発明として、国際公開番号ＷＯ９８／４７１６９がある。

特開２００４−３１９１７７号公報

しかし、特許文献１のような課題解決の手段では、他の構成が追加されることによる製造工程の増加、複雑化、コストアップ等を避けられない。

そこで、本発明者等はリード線を封着する封止部部分において発生するクラックについて様々な検証を行なった結果、クラックの原因にはリード線の酸化のみならず、他の要因も大きく関係していることを発見した。そして、上記の課題を解決するためには、封止部に封着されたリード線部分の表面を滑らかにした方が良いことを見出し、提案するに至った。

本発明の目的は、リード線を封着している封止部において、クラックの発生を抑制することができるメタルハライドランプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のメタルハライドランプは、放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された一対の封止部とを有する透光性の気密容器と、前記気密容器の管軸方向に沿って、該気密容器の外側に設けられた外管と、前記気密容器内に封入され、ハロゲン化物および希ガスとを含み、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、前記封止部の内部に封着された金属箔と、一端は前記金属箔に接続され、他端は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、一端は前記金属箔に接続され、他端は前記気密容器の外部に導出されたリード線とを具備し、消灯時、前記封止部に位置し、前記封止部と直接接触する前記リード線の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、リード線を封着している封止部において、クラックを抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態のメタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図である。

気密容器１は、点灯中の高温化でも十分耐えることができる耐火性と、放電によって生じた光が極力少ない損失で透過することができる透光性を具備した材料、例えば、石英ガラスからなる。そして、気密容器１は管軸方向に細長い形状であって、その略中央部には軸方向の形状が略楕円形の発光管部１１が形成されている。また、発光管部１１の両端部には、同一材料からなり、一対の平坦なピンチ面と、厚み部分に相当する一対の側面とを有する板状の封止部１２１、１２２が形成されている。

発光管部１１の内部には、軸方向の形状において、中央部が略円筒状、その両端部がテーパ状の放電空間１３が形成されている。この放電空間１３の容積は、ショートアーク型の放電ランプでは０．１ｃｃ以下、自動車用として用途を指定する場合には、放電空間の内容積は０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃであるのが望ましい。

放電空間１３には、金属ハロゲン化物および希ガスとからなる放電媒体が封入され、そのうちの金属ハロゲン化物は、ランプ消灯時には放電空間１３の下部に堆積し、点灯時にはその大部分が蒸気化される。そして、金属ハロゲン化物としては、主に可視光を発生させる発光媒体として作用するナトリウム、スカンジウムのハロゲン化物、ランプ電圧形成媒体として作用する亜鉛のハロゲン化物および点灯中の発光色度の改善などを目的としてインジウムのハロゲン化物が封入されている。これらの金属に結合されるハロゲン化物には、ハロゲン化物の中で反応性が低いヨウ素と結合されるのが最も好適である。しかし、結合されるハロゲン化物はヨウ素に限らず、臭素や塩素などであってもよく、さらに複数のハロゲン化物を組み合わせて使用したりしてもよい。

希ガスとしては、始動直後の発光効率が高く、主に始動用ガスとして作用するキセノンが封入されている。なお、キセノンの圧力は５ａｔｍ以上、さらに好適には１０〜１５ａｔｍであるのが望ましい。また、希ガスとしては、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを使用したり、それらを組み合わせて使用したりしてもよい。

ここで、放電空間１３には、本質的に水銀は含まれていない。この「本質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、または１ｃｃあたり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀量が存在していても許容するという意味である。この量は、従来のショートアーク形の水銀入りメタルハライドランプに封入されていた１ｃｃあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上であったことを考えれば、本実施の形態のメタルハライドランプで許容する２ｍｇ未満の水銀量は圧倒的に少なく、本質的に水銀が含まれないと言える。

封止部１２１、１２２の内部には、例えばモリブデンからなる金属箔２１、２２が、その平坦面が封止部１２１、１２２のピンチ面と平行するように封止されている。

金属箔２１、２２の発光管部１１側の端部には、例えば、タングステンに酸化トリウムを混合した電極３１、３２が、溶接によって接続されている。電極３１、３２は、先端側が基端側よりも大径に形成された段付きの形状となっており、その大径の先端側は、放電空間１３内で所定の電極間距離を保って、互いの先端同士が対向するように配置されている。ここで、上記「所定の電極間距離」は、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下、自動車の前照灯に使用する場合はさらに４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。

発光管部１１に対して反対側の金属箔２１、２２の端部には、モリブデンからなるリード線４１、４２の一端が溶接等により接続されている。そして、リード線４１、４２の他端側は、封止部１２１、１２２の外部に延出している。なお、このリード線４１、４２は、封止工程前にその表面を研磨したり、不純物を取り除いたりすることにより、その表面を滑らかな状態にし、その後、封止部１２１、１２２に封着している。

上記で構成された気密容器１の外側には、筒状の外管５が管軸に沿って気密容器１の大部分を覆うように設けられ、そして、その両端部を気密容器１の両端部の外側端に溶着することによって接続されている。なお、この外管５は、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム、カリウム、バリウム等の酸化物を少なくとも一種、または複数添加することにより、透光性かつ紫外線遮断性を有している。

気密容器１と外管５とにより密閉された空間には、例えば、窒素を封入したり、ネオン、クリプトン、アルゴン、キセノン等の希ガスを一種または混合して封入したりすることができる。この構成にすることにより、ランプの始動性を改善できるとともに、製造時、該空間に水分を含みにくくする製造が可能となる。また、この外管５内に封入する希ガスは特有の熱伝導率を有しているため、複数の希ガスを混合して封入する際には、それらの混合比を調整することにより、発光管部１１の点灯時の温度を所定の温度に保つことができる。すなわち、ネオンとキセノンを混合して封入する場合では、熱伝導率が高いネオンの割合を増やせば発光管部１１の温度を低くすることができ、反対に熱伝導率が低いキセノンの割合を増やせば発光管部１１の温度が高めることができる。

気密容器１を内部に覆った状態の外管５の封止部１２１側には、ソケット６が接続される。この接続については、外管５の外側に装着された金属バンド７１を、ソケット６に形成、延出された４本の金属製の舌片７２（図１では、２本を図示）により挟持することによって行なわれている。なお、それらの接続をさらに強化するために、金属バンド７１及び舌片７２の接触点をレーザーによって溶接してもよい。

ソケット６の反発光管部１１側の端部には、点灯回路からの電力を供給するための金属端子６１がその外周面に沿って形成されている。この金属端子６１は、封止部１２２から外部に延出したリード線４２と一端が接続され、他端がソケット６方向に延出された給電端子８１と接続される。なお、給電端子８１の管軸とほぼ平行な部分には、絶縁確保のために、セラミック等からなる絶縁チューブ８２が被覆されている。

これらで構成されたメタルハライドランプは、安定時は約３５Ｗ、始動時は光束の立ち上がりを早めるために安定時の約２倍の電力の約７５Ｗで点灯される。

図２は、図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための拡大図であり、寸法、材料等は以下のとおりである。

気密容器１：石英ガラス製、放電空間１３の容積＝０．０３ｃｃ、内径Ａ＝２．６ｍｍ、外径Ｂ＝６．３ｍｍ、長手方向の最大長Ｃ＝７．８ｍｍ、
放電媒体：ヨウ化ナトリウム＝０．１２８、ヨウ化スカンジウム＝０．３５９ｍｇ、ヨウ化亜鉛＝０．１１６ｍｇ、臭化インジウム＝０．００１３ｍｇ、キセノン＝１１．３ａｔｍ、水銀＝０ｍｇ
金属箔２１、２２：モリブデン製、１．５ｍｍ×９．０ｍｍ、厚さ＝２０μｍ
電極３１、３２：トリエーテッドタングステン製、先端径＝０．３８ｍｍ、基端径＝０．３０ｍｍ、
リード線４１、４２：モリブデン製、直径＝０．４０ｍｍ、
図３は、図２のランプ仕様において、リード線表面の平均粗さＲａの異なるランプについて、日本電球工業会に定められている自動車前照灯放電ランプの寿命試験条件であるＥＵ１２０分モードの点灯試験を行なったときのクラック発生時間について説明するための図である。試験数は各１０本であり、結果はそれらのうち最初にクラックに至ったランプの寿命時間を示したものである。リード線４１、４２の表面の平均粗さＲａは、封止する前の表面を研磨することにより変化させている。封止後のリード線４１、４２の表面粗さＲａは、封止部からリード線４１、４２を取り出したあと、表面の５０μｍ^２の範囲を超深度形状測定顕微鏡（例えば、ＫＥＹＥＮＣＥ製ＶＫ−８５００）を用いて、測定したものである。

結果からわかるように、リード線４１、４２の表面粗さＲａの値が小さいほど、封止部にクラックが発生しにくいことがわかる。そして、表面粗さＲａが０．５μｍ以下であるとクラックは発生しにくくなる傾向にある。また、表面粗さＲａが０．３μｍ以下であるとさらにクラックは発生しにくくなるが、それ以降は、リード線４１、４２の表面粗さＲａの値が小さくなっても、クラックに対してはあまり効果が変わらないことがわかる。

本発明の表面粗さＲａとクラックの関係は、以下のように推測される。

高圧放電ランプにおいて、封止部１２１、１２２に表面粗さＲａが大きいリード線４１、４２を封着した場合には、ガラスと金属表面とがかみ合い、密着性が向上するため、接触が強固になる。しかし、ガラスと金属との熱膨張率には大きな差があるため、点灯時には、熱膨張率の大きな金属製のリード線４１、４２は膨張し、ガラスである封止部１２１、１２２はあまり膨張せず、つまり、膨張したリード線４１、４２により、ガラスに応力が発生する。また、ガラスと金属線との密着性が高い場合であっても、外気の浸入により、リード線４１、４２を酸化させてしまうことが確認された。結果としてリード線４１、４２は酸化し、クラックが発生する。以上から、表面粗さＲａが大きいリード線４１、４２を封着した場合には、熱膨張および酸化による応力により、クラックが発生するものと考えられる。

対して、表面粗さＲａが小さいリード線４１、４２を封着した場合には、ガラスと金属との密着性が低くなるため、封止状態において、それらには互いに応力があまりかかっていない状態となっている。そのため、点灯に伴って、リード線４１、４２が膨張しても、ガラスには強い応力がかかることはない。また、リード線４１、４２の表面が酸化しても、クラックに至るほどの応力がかかる原因とはならない。

したがって、リード線４１、４２の表面粗さＲａによって、クラックの発生率が変わり、表面粗さＲａが小さく、表面が滑らかであるほど良いといえる。そして、クラックが発生しにくい表面粗さＲａは、図３の結果より、０．５μｍ以下、さらには０．３μｍ以下であることが好ましい。なお、封止前のリード線４１、４２の表面粗さＲａにあっては、０．３μｍ以下であるのが良いことが確認された。

なお、本発明は、図１のように気密容器１が外管５を有し、かつ放電空間１３に水銀を本質的に含まないメタルハライドランプにおいて特に有利である。それは、このようなランプでは、外管５を有していることで、その内部の気密容器１が高温に保たれ、また、水銀を用いないことで、点灯中のランプに流れる電流を増大、リード線４１、４２に流れる電流密度が増加するため、リード線４１、４２および封止部１２１、１２２が高温となり、金属の膨張や酸化の影響が大きくなるためである。すなわち、本発明の課題によるクラックが発生しやすい条件下であるため、本発明を用いる価値は大きい。

したがって、本実施の形態では、消灯時、リード線４１、４２の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下であることにより、点灯中に、ガラスに強い応力がかかりにくくなるため、クラックの発生を抑制できる。なお、上記のリード線４１、４２の状態を保つためには、具体的には、封止部１２１、１２２に封止する前のリード線４１、４２の平均表面粗さＲａを０．３μｍ以下とすることで達成できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のメタルハライドランプについて説明する。本実施の形態では、リード線４１、４２の表面に付着した不純物の付着量に注目した点で異なっている。

図４は、図２のランプ仕様において、封止前のリード線表面に付着した不純物を除去することにより平均粗さＲａを変化させて、ＥＵ１２０分モードの寿命試験を行なったときのクラック発生時間について説明するための図である。ここで、試験数は各１０本であり、結果はそれらのうち最初にクラックに至ったランプの時間である。また、「不純物」とは、リード線４１、４２の材料であるモリブデン以外の材料、例えばタングステンを意味し、主にリード線４１、４２を高温処理する際に付着するものであり、エッチングや洗浄により、その表面付着量を調節可能である。そして、その付着量は、電子プローブマイクロアナライザー、いわゆるＥＰＭＡを用いて約２０００倍の倍率で測定した。

図４の結果から、リード線４１、４２の表面に付着した不純物を除去することにより、クラックが発生しにくくなっていることがわかる。特に表面に付着した不純物が１５％以下になれば、クラックが発生しにくいことがわかる。なお、この１５％以下のときは、封止部１２１、１２２内部のリード線４１、４２の表面粗さＲａは０．５μｍ以下であり、第１の実施の形態の場合とほぼ一致する。

したがって、本実施の形態では、リード線４１、４２は、封止部１２１、１２２に封止する前のリード線４１、４２の表面に付着するタングステン等の不純物が１５％以下とすることにより、第１の実施の形態と同様、クラックリークを抑制することができる。

なお、実施の形態は上記に限られるわけではなく、例えば次のように変更してもよい。

リード線４１、４２表面の十点平均粗さＲｚが、さらに２．０μｍ以下を同時に満たすことがさらに望ましい。

また、リード線４１、４２は、温度的な観点から、安定点灯時にリード線４１、４２に流れる電流密度は６．３〜８．０Ａ／ｍｍ^２であることが望ましい。さらに、発光管部１１と封止部１２１、１２２との境界から、金属箔２１、２２と接続されたリード線４１、４２の先端部までの距離が、１１〜１４ｍｍであることが望ましい。

本発明を図１に示すような自動車前照灯に採用する場合、温度が上昇しやすく、かつ空気が入り込みやすい封止部１２２側において、特にクラックが発生しやすい。したがって、少なくともリード線４２側についてのみに実施されていても構わない。

本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための拡大図。図２のランプ仕様において、リード線表面の平均粗さＲａを変化させて、寿命試験を行なったときのクラック発生時間について説明するための図。図２のランプ仕様において、封止前のリード線表面の不純物を除去することにより平均粗さＲａを変化させて、寿命試験を行なったときのクラック発生時間について説明するための図。るための図。

符号の説明

１気密容器
１１発光管部
１２１、１２２封止部
１３放電空間
２１、２２金属箔
３１、３２電極
４１、４２リード線
５外管
６ソケット
７１金属バンド
７２舌片
８１給電端子
８２絶縁チューブ

Claims

放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された一対の封止部とを有する透光性の気密容器と、
前記気密容器の管軸方向に沿って、該気密容器の外側に設けられた外管と、
前記気密容器内に封入され、ハロゲン化物および希ガスとを含み、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、
前記封止部の内部に封着された金属箔と、
一端は前記金属箔に接続され、他端は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、
一端は前記金属箔に接続され、他端は前記気密容器の外部に導出されたリード線とを具備し、
消灯時、前記封止部に位置し、前記封止部と直接接触する前記リード線の平均表面粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とするメタルハライドランプ。
前記リード線は、平均表面粗さＲａが０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
前記希ガスはキセノンであり、ガス圧を１０〜１５ａｔｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
安定点灯時に前記リード線に流れる電流密度は、６．３〜８．０Ａ／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。