JP4708991B2 - メタルハライドランプ - Google Patents

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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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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