JP4821257B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents
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Description
この放電ランプにおいて、バルブ10は、石英ガラスにより形成され、発光空間Sを囲繞する楕円球形の発光管部11と、この発光管部11の両端から外方に伸びるよう連設された筒状の封止管部12とにより構成されており、それぞれ当該発光管部11に続く封止管部12の発光管部11に接近した個所に、封止管部12の一部が縮径された状態の絞り込み部12aが形成されている。
バルブ10の発光管部11内には、陽極13および陰極14が互いに対向するよう配置されており、その各々は、封止管部12から発光管部11に管軸に沿って伸びる例えばタングステンよりなる円柱状の内部リード棒15の先端に固定されて支持されている。バルブ10の発光管部11内には、キセノン、アルゴン、クリプトン等の希ガス若しくはこれらの混合物よりなる封入ガスおよび水銀などの発光物質が封入されている。内部リード棒15の基端部は、内部リード棒保持用筒体16と封止用ガラス部材17の間に配置された集電円板21に接続される。この集電円板21の中心には、内部リード棒15の外径に適合する内径の孔が形成されており、かかる内部リード棒は挿入された状態で接続されている。
バルブ10の封止管部12内においては、発光管部11に接近した位置に、内部リード棒15の外径に適合する内径の筒孔を有する石英ガラスよりなる内部リード棒保持用筒体16が、当該内部リード棒15が挿通された状態で配置され、この内部リード棒保持用筒体16の外周面は、封止管部12の一部である絞り込み部12aの内面に溶着され、当該内部リード棒保持用筒体16の一端面16aが発光空間Sに露出している。封止管部12内における内部リード棒保持用筒体16の外端側には、封止用ガラス部材17が配置されている。この封止用ガラス部材17においては、その発光空間S側の内端部171が外端に向かうに従って大径となる円錐台状に形成され、この内端部171に続いて、封止管部12の内径に適合する外径の円柱状の胴部172が形成されている。また、この封止用ガラス部材17には、その外端面から軸方向に沿って伸びる有底孔173が形成されており、この有底孔173には、その内径に適合する外径の外部リード棒18が挿入されている。
封止用ガラス部材17の外周面には、モリブデンよりなる複数の帯状の金属箔20が、当該封止用ガラス部材17の周方向に互いに離間して配置されており、金属箔20の各々の内端部は、集電円板21に接続されて内部リード棒15と電気的に接続されており、一方、金属箔20の各々の外端部は、封止用ガラス部材17の外端面に沿って伸びて外部リード棒18に接続され、当該封止用ガラス部材17の内端から外端に向かって伸びている。また、封止用ガラス部材17の外周面は、金属箔20を介して封止管部12の内面に気密に溶着されている。
封止用ガラス部材17の外端側には、外部リード棒18の外径に適合する筒孔を有する石英ガラスよりなるリード棒保持用筒体19が、当該外部リード棒18が挿通された状態で配置されており、このリード棒保持用筒体19の外周面は、封止管部12の内面に気密に溶着されている。
(1)まず、ロウ材は、ランプ点灯時の内部リード棒が到達する温度から、約1000℃という高温下での使用に長時間耐えられる材料であることが要求される。更に、内部リード棒と集電円板の接合に用いられるよう、両部材に対して濡れ性の良好な材料であることも要求される。内部リード棒の材質は電極構成材料と同質のタングステンが、集電円板の材質には加工性と耐熱性の観点からモリブデンが使用されることが多く、これらの金属に対して濡れ性が良好で、かつ、耐熱性を有する材料として、プラチナ(Pt)が好適に使用されている。
而して、プラチナは融点がモリブデンの再結晶温度(〜1200℃)を上回る金属であり、ロウ付け工程において内部リード棒及び集電円板全体をその融点以上に加熱した場合、モリブデンの再結晶化が生じて集電円板が脆化し、割れやすくなる。その結果、集電円板に内部リード棒を介して電極の荷重などの負荷が過剰に加わった場合には、脆性破壊が引き起こされる可能性がある。
(2)また、水銀が発光管部内に封入されたランプでは、プラチナは水銀と反応して合金化し、融点が下がることがあるため、内部リード棒と集電円板の接合部が溶融する可能性がある。
(3)また、ロウ付けする工程においては、内部リード棒及び集電円板全体をロウ材の融点以上に加熱する必要がある。このため、バッチ式の炉内に未接合状態の内部リード棒及び集電円板をセットして、炉内部を真空に維持し、1800℃以上に昇温して加熱し、ロウ付けするが、その際、昇温、維持、徐冷の一連の工程に多大な時間が掛り、生産性に乏しい。
まず、円柱側面に対する溶接であるため抵抗値が安定せず、接合部強度が不安定である。更に、内部リード棒と集電円板における電気的接続の信頼性と機械的強度の確保のため多点溶接しているが、抵抗溶接では接続点の増加とともに抵抗値が変化するため、結局、接合部強度が安定しなくなる。このように接合部の強度が安定しない結果、溶接外れを引き起こしやすくなる。溶接外れを起こしてしまうと、機械的破壊に至らずとも、接合部の接触面積が小さくなり、その結果、抵抗値が大きくなり、点灯時の電流による抵抗熱が増加し、過熱し、溶融破壊に至る。特に大型の大電流タイプのランプでは過熱による破壊の可能性が高まる。
図6(a)は、内部リード棒15と集電円板21とのレーザービーム溶接法による接合部を、ランプの管軸を通る断面で切断した説明用断面図である。
本発明者らが内部リード棒15と集電円板21の、レーザービーム溶接法による接合部状態について詳細に検討した結果、以下のようなことが判明した。
電極13及び内部リード棒15の重みを支える様子は図6(a)の通りであり、すなわち、集電円板21が内部リード棒保持用筒体16に支持されることによって集電円板21に連設された内部リード棒15が電極13を保持している。その結果、内部リード棒保持用筒体16と集電円板21の接触部分には、集電円板21を図の上方に押し上げる力Fが働くことになる。
このような応力状態にさらされた結果、溶接箇所が破断すると推察される。
図7において、内部リード棒15を構成するタングステンと、集電円板21を構成するモリブデンの2種の金属が混在する層が混合層21aである。そして、同図中符号21bで示す部分は、材質としてはモリブデンにより構成されるが、溶接時の高温によって部分的に形成されたモリブデンの再結晶部である。また、符号21cは、当初のモリブデン相であり、非再結晶部である。このように溶接部に再結晶が生じるのは、融点が異なる材質同士の溶接の特徴であるが、より高融点の金属が融けるように温度を調節するため、融点の低い金属は必要以上の熱を得て再結晶してしまうためである。なお、タングステンの再結晶温度は約2000℃〜、モリブデンの再結晶温度は約1200℃〜である。
なお、こうしたLのような境界は、レーザービーム溶接法のほか、電子ビーム溶接法によった溶接部においても同様に形成される。
発光管部及び発光管部の両端に連設された封止管部とよりなるバルブと、
発光管部内に互いに対向配置された陰極及び陽極と、
陰極又は陽極を先端に有する内部リード棒と、
内部リード棒が貫通し、バルブの封止管部内に配置されたリード棒保持用筒体と、
リード棒保持用筒体の外端面に沿って前記封止管部内に配置され、その中心に形成された
リード棒挿入孔に内部リード棒の基端部が挿通されて接続された集電円板と、
当該集電円板にその一端が接続され、封止管部内に気密に埋設された金属箔と、
該金属箔の他端に接続されて封止管部外に導出された外部リード棒と、
を具備してなるショートアーク型放電ランプであって、
集電円板と内部リード棒は、レーザービーム溶接法、又は、電子ビーム溶接法によってそれぞれの構成材料が溶融して構成された混合層が、集電円板内端面のリード棒挿入孔近傍に形成されることにより、接合されており、
集電円板と内部リード棒保持用筒体との当接部の少なくとも一部が、ランプ管軸を通る断面上において集電円板の内端面と、混合層及び集電円板構成材料の境界(L)とが交わる交点(A)を越えて、混合層に達するよう形成されている
ことを特徴とする。
以上の本発明によれば、内部リード棒と集電円板とのレーザービーム溶接又は電子ビーム溶接による接合部が、上記構造のいずれかを有するよう形成することにより、接合強度が増大し、高い信頼性を有するショートアーク型放電ランプとすることができる。
図1、図2及び図5を参照して第1の実施形態を説明する。
まず、図5を参照してランプ全体の構成を説明する。同図は、バルブの管軸に沿って切断したランプの縦断面図である。
この放電ランプにおいて、バルブ10は、石英ガラスにより形成され、発光空間Sを囲繞する楕円球形の発光管部11と、この発光管部11の両端から外方に伸びるよう連設された筒状の封止管部12とにより構成されており、それぞれ発光管部11に続く封止管部12の発光管部11に接近した個所に、封止管部12の一部が縮径された状態の絞り込み部12aが形成されている。
封止管部12内における内部リード棒保持用筒体16の外方側には、封止用ガラス部材17が配置されている。この封止用ガラス部材17においては、その発光空間S側の内端部171が外端に向かうに従って大径となる円錐台状に形成され、この内端部171に続いて、封止管部12の内径に適合する外径の円柱状の胴部172が形成されている。
この封止用ガラス部材17には、その外端面から軸方向に沿って伸びる有底孔173が形成されており、この有底孔173には、その内径に適合する外径の外部リード棒18が挿入されている。
封止用ガラス部材17の外端側には、外部リード棒18の外径に適合する筒孔を有する石英ガラスよりなる外部リード棒保持用筒体19が、当該外部リード棒18が挿通された状態で配置されており、この外部リード棒保持用筒体19の外周面は、封止管部12の内面に気密に溶着されている。
ここに、図2(a)は陽極13側内部リード棒15と集電円板21近傍を拡大して示す図で、図2(b)は、図2(a)において円で囲んだ部分を更に拡大して示す図である。なお、図5のようにランプ管軸が垂直方向に支持される場合、図2(a)のように上側に位置される集電円板21では、封止用ガラス部材17は溶接部の破壊機構に関与しないため、便宜上図2(b)においては省略して記載する。
図2(b)において符号21aは内部リード棒15を構成するタングステンと、集電円板21を構成するモリブデンとが融け合って形成された混合層である。符号21b及び符号21cは、いずれも集電円板21の構成材料よりなるが、21bはモリブデンの再結晶相よりなる再結晶部、21cは集電円板を構成する当初のモリブデン相であって非再結晶相である。混合層21aと再結晶部21bの境界を、同図に示すよう曲線Lで示し、当明細書においては、かかる境界Lが集電円板21の内端側の面と交わる点を交点Aと称する。また、この点Aと内部リード棒15表面との距離をa(mm)とする。
また、内部リード棒保持用筒体16と集電円板21とが接触している当接部において、内部リード棒15にもっとも近接した部分(すなわち、最小径部)をBで示しており、この点Bと内部リード棒15表面との距離をb(mm)とする。
なお、各溶接部の少なくとも一部において上記a>bの関係が成立すれば、引き剥がす応力の緩和に効果があり強度を高くでき、とりわけ、交点Aにおける最大径部が保持用筒体16で保持された場合、モーメントが小さくなる分、内部リード棒の荷重から張力を軽減するのに大きな効果を得ることができる。
続いて、参照例を、図3を参照して説明する。図3は、前図、図2(b)に対応するバルブの管軸を通る断面図であり、内部リード棒(15)、集電円板(21)、内部リード棒保持用筒体(16)のみを拡大して示している。この実施形態において先に説明し第1の実施形態と異なるところは溶接部構造であり、溶接方法(レーザービーム溶接法)および他のランプ構成は全て第1の実施形態と同じであるので、先に説明した構成については同じ符号で示し、詳細説明については省略する。
この結果、交点Aにおいて、接線nの垂直方向と張力Tの方向が一致しなくなり、応力Gはα=90°の場合よりも分散され、境界Lの接線nに対して垂直に引き剥がそうとする力が小さくなる。直線mと直線nのなす角αの大きさが小さければ小さいほど、接線nに対して垂直方向に働く力、すなわち、引き剥がす応力Gの大きさが小さくなるので、亀裂の発生が回避され、破断の進行を抑制できるが、溶接時に内部リード棒15と集電円板21の両者にまたがる溶融部を形成することにより強度を稼ぐことから、αは10〜60°、好ましくは20〜45°、更に望ましくは30〜35°の範囲とするのがよい。
続いて、参照例を図4を参照して説明する。図4(a)は、前図、図2(b)又は図3に対応する図面であり、内部リード棒(15)、集電円板(21)、内部リード棒保持用筒体(16)のみ、拡大して示した図である。また、同図(b)は、(a)の応力状態を説明する説明図である。なおこの実施形態において、先に説明した実施形態と異なるところは溶接部構造であり、溶接方法および他のランプ構成は全て先に説明した実施形態と同じである。よって、先に説明した構成については同じ符号で示し、詳細説明については省略する。なお、直線mは交点Aを始点として集電円板21の内側の端面を通過する仮想半直線であり、直線nは、混合層と集電円板構成材料の境界線(L)の接線上を通過し、境界線(L)が集電円板の内端面と交わる交点(A)を始点とした仮想半直線である。
また、直線mと直線nにより形成される角をαとする
また、上記実施形態においては、集電円板にリード棒挿入孔が形成されて、当該孔に内部リード棒の基端部が突出して固定されたものについて説明を行ったが、溶接後に不要部分を切除したものも適用可能である。溶接個所において内部リード棒の少なくとも一部が集電円板に挿入された状態であればよい。
11 発光部
12 封止管部
12a 絞込み部
13 陽極
14 陰極
15 内部リード棒
16 内部リード棒保持用筒体
16a 一端面
17 封止用ガラス部材
171 内端部
171a 有底孔
172 胴部
173 有底孔
18 外部リード棒
19 外部リード棒保持用筒体
20 金属箔
21 集電円板
21a 混合層
21b モリブデン再結晶部
21c モリブデン非再結晶部
211 リード棒挿入孔
S 放電空間
Claims (1)
- 発光管部及び発光管部の両端に連設された封止管部とよりなるバルブと、
発光管部内に互いに対向配置された陰極及び陽極と、
陰極又は陽極を先端に有する内部リード棒と、
内部リード棒が貫通し、バルブの封止管部内に配置されたリード棒保持用筒体と、
リード棒保持用筒体の外端面に沿って前記封止管部内に配置され、その中心に形成されたリード棒挿入孔に内部リード棒の基端部が挿通されて接続された集電円板と、
当該集電円板にその一端が接続され、封止管部内に気密に埋設された金属箔と、
該金属箔の他端に接続されて封止管部外に導出された外部リード棒と、
を具備してなるショートアーク型放電ランプであって、
集電円板と内部リード棒は、レーザービーム溶接法、又は、電子ビーム溶接法によってそれぞれの構成材料が溶融して構成された混合層が、集電円板内端面のリード棒挿入孔近傍に形成されることにより、接合されており、
集電円板と内部リード棒保持用筒体との当接部の少なくとも一部が、ランプ管軸を通る断面上において集電円板の内端面と、混合層及び集電円板構成材料の境界(L)とが交わる交点(A)を越えて、混合層に達するよう形成されている
ことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
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