JP4922135B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の前照灯や液晶プロジェクター等に使用される放電ランプに関する。

自動車前照灯などの用途に使用される放電ランプは、例えば、特開２００５−３３９９９９号公報（以下、特許文献１）により知られており、内部に放電空間が形成された放電部とその両端に形成された、その内部には電極の一端側が対向配置され、他端側は電極の封止部に封着されている。このような放電ランプは比較的高負荷で点灯されることが多いため、点灯時に電極を封着している封止部においてクラックが生じ、リークに至る不具合（以下、軸リーク）が発生しやすいことが知られている。そこで、この軸リークの対策として、封止部に封着された電極軸部分にコイルを巻装する構成が採用されている。

特開２００５−３３９９９９号公報

しかしながら、電極にコイルを巻装すると確かに軸リークの発生率が低下するものの、完全に防止できるわけではなく、なかには比較的短期間で軸リークに至る場合もあった。そのため、軸リーク抑制に対する信頼性をさらに向上させる必要が生じている。

本発明の目的は、軸リークを抑制可能な放電ランプを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の放電ランプは、内部に放電空間が形成された放電部および前記放電部端に形成された封止部を有する気密容器と、前記放電空間に封入された放電媒体と、軸部を有し該軸部の周りにコイルが巻装され、かつ一端が前記コイルとともに前記封止部内に封着されたコイル巻装電極と、を具備する放電ランプであって、前記コイルが、線径が０．０５０ｍｍ以上の線材を使用して、かつ、巻きの粗密が、隣り合う線間の巻ピッチを前記線径で除したパーセント比として３００％以下になる密度で、巻かれており、前記封止部には、前記コイルの表面に向き合う位置を起点とし、前記コイル巻装電極の前記軸部の軸方向にほぼ沿う深さを有するように形成されたクラックがあり、前記クラックが、前記コイルの巻ピッチから前記コイルの線径を差し引いた値であるコイル線間距離に対して、前記コイル巻装電極の前記軸部の前記軸方向にみて５０％以上の深さを有していることを特徴とする。

本発明によれば、軸リークを抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下、放電ランプとして自動車の前照灯に使用されるメタルハライドランプを例にし、図面を参照しながら説明する。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図である。

メタルハライドランプは、耐熱性と透光性を具備した材料、たとえば石英ガラスにより気密容器１が形成されている。気密容器１はランプ軸方向に細長い形状であって、その略中央部に略楕円形の放電部１１が形成されている。放電部１１の両端部には、板状の封止部１２ａ、１２ｂが形成されており、さらにその両端には、筒状の非封止部１３ａ、１３ｂが形成されている。

放電部１１の内部には、軸方向において、中央部が略円柱状、その両端部がテーパ状の放電空間１４が形成されている。この放電空間１４の容積は、１００ｍｍ^３以下であるのが望ましく、自動車前照灯用として用いる場合は、１０ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３であるのが望ましい。

放電空間１４には、放電媒体が封入されている。放電媒体としては、金属ハロゲン化物２及び希ガスとが封入されている。金属ハロゲン化物２は、ナトリウムのハロゲン化物、スカンジウムのハロゲン化物、亜鉛のハロゲン化物、インジウムのハロゲン化物で構成されている。ハロゲンとしては、ヨウ化物又は臭化物が望ましい。また、希ガスは、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（Ｘｅ）が、室温（２５℃）において５ａｔｍ以上、望ましくは１０ａｔｍ以上の圧力で封入されている。

ここで、放電空間１４には、実質水銀は含まれていない。この「実質水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、又は従来の水銀入りのメタルハライドランプと比較してもほとんど封入されていないに等しい程度の量、例えば１ｍｌ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ことを意味するものである。

なお、金属ハロゲン化物２の金属及びハロゲン、さらに希ガスの種類、組み合わせ、水銀の有無は、上記に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

封止部１２ａ、１２ｂの内部には、電極マウント３が封止されている。この電極マウント３は、金属箔３１、コイル巻装電極３２、リード線３３とで構成されている。

金属箔３１、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。

コイル巻装電極３２は、さらに電極３２１とコイル３２２とで構成されている。

電極３２１は、タングステンに酸化トリウムをドープしたトリエーテッドタングステン電極である。その基端側は金属箔３１の放電部１１側の端部にレーザー溶接により接続され、先端側は放電空間１４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、所定の電極間距離としては、外観上における距離で５ｍｍ以下、自動車前照灯用として用いる場合は、４．１ｍｍ〜４．５ｍｍ（実際の距離では３．５ｍｍ〜３．９ｍｍ）であるのが望ましい。

コイル３２２は、例えば、ドープタングステンからなり、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３２１の軸部の軸周りに螺旋状に巻かれている。ただし、コイル３２２は金属箔３１と接続された電極３２１の軸部分には巻装しておらず、箔端から放電空間１４方向に巻装している。

リード線３３は、例えば、モリブデンからなり、放電部１１に対して反対側の金属箔３１の端部に、レーザー溶接により接続されている。リード線３３の他端側は、管軸に沿って封止部１２ａ、１２ｂの外部に延出している。なお、前端側に延出したリード線３３には、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３４の一端が接続されている。そのサポートワイヤ３４の他端は、後述するソケット６方向に延出され、その管軸と平行している部分には、セラミックからなるスリーブ４が被覆されている。

上記で構成された気密容器１の外側には、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物が添加されてなる筒状の外管５が、管軸に沿って気密容器１とほぼ同心に設けられている。それらの接続は、気密容器１両端の筒状の非封止部１３ａ、１３ｂと外管５の両端部を溶融することにより行なわれている。気密容器１と外管５との間の空間には、例えば、窒素やネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスを一種又は混合し、０．０５ａｔｍ〜０．３ａｔｍの圧力で封入することができる。

そして、気密容器１を内部に覆った状態の外管５の非封止部１３ａ側には、ソケット６が接続される。これらの接続は、外管５の非封止部１３ａ付近の外周面に装着された金属バンド７１を、ソケット６の気密容器１保持側の開口端に形成された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。そして、接続をさらに強固にするため、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いる。なお、ソケット６の底部には底部端子８ａ、側部には側部端子８ｂが形成されており、それぞれリード線３３、サポートワイヤ３４が接続されている。

これらで構成されたランプは管軸が水平になるように配置されるとともに、底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路（図示なし）が接続され、始動時は安定時の２倍以上である約７５Ｗ、安定時は約３５Ｗの電力が投入されることにより、点灯される。

ここで、コイル巻装電極３２について、図２及び図３を参照して詳しく説明する。図２は図１の一点鎖線Ｘで囲まれた範囲について説明するための拡大図、図３はほぼ同じ範囲の断面図である。

図からわかるように、封止部１２ａには、クラック９が形成されている。このクラック９は、コイル３２２の頂上付近を起点として、略電極軸方向に沿って延出し、隣接するコイル３２２に繋がっている。これにより、軸リークの発生を効果的に抑制することができる。もちろん、クラック９は一方の封止部のみならず、他方の封止部１２ｂにも同様に形成されているのが望ましい。ここで、「略電極軸方向」とは、電極軸方向に対するクラック９の角度αが±４５°以下、望ましくは±２０°以下であることを意味する。

次にクラック９の形成方法について説明する。

まず、電極３２１の軸にあらかじめ螺旋状に形成されたコイル３２２を装着・固定して、コイル巻装電極３２を形成する。このとき、電極３２１の直径Ｒが０．３０ｍｍ〜０．４０ｍｍ程度である場合、コイル３２２は直径ｒが０．０５０ｍｍ以上で、ピッチＰが３００％以下であるのが望ましい。

次に、コイル巻装電極３２を加熱炉に入れて加熱処理を行う。この処理は、金属材料中に含まれる不純ガス等を放出する目的で行う工程である。この工程では、コイル３２２の表面が長大結晶化、例えば結晶が０．００５ｍｍよりも大きくならない温度でコイル巻装電極３２を加熱処理するよう注意が必要である。

そして、このような工程を経て得られたコイル巻装電極３２と金属箔３１、リード線３３とを接合して電極マウント３を形成したのち、封止部１２ａに公知の方法で封止する。これにより、おそらくは封止部１２ａが高温から常温に冷える間に、封止部１２ａにコイル３２２の表面付近を起点として、略電極軸方向に沿って延出したクラック９を形成することができる。

図４は、図１のメタルハライドランプの一実施例について説明するための図である。なお、以下の試験は特に言及しない限り寸法、材料等はこの仕様に基づいて行っている。
（実施例）
放電容器１；石英ガラス製、放電空間１４の内容積＝２７ｍｍ^３、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物２；ＳｃＩ_３‐ＮａＩ‐ＺｎＩ_２‐ＩｎＢｒ＝０．３０ｍｇ
希ガス；キセノン＝１０ａｔｍ、
水銀；０ｍｇ、
金属箔３１；モリブデン製、
電極３２１；トリエーテッドタングステン製、直径Ｒ＝０．３３ｍｍ、電極間距離Ｄ＝３．７５ｍｍ、
コイル３２２；ドープタングステン製、直径ｒ＝０．０９ｍｍ、コイルピッチＰ＝２００％、表面を微細な結晶で構成（＝長大結晶なし）、
クラック９；図２のようなクラックがコイル巻装長のほぼ全域にわたって形成。

この実施例のランプについて自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬ２１５に定められたＥＵ１２０分モードの点滅サイクルの点灯条件で２５００時間点灯したところ、１５本中１５本について軸リークが発生せず、寿命特性が良好であることが確認された。これは、クラック９が、軸リークの原因となる電極３２１の軸と接触する封止ガラス部分を起点とし、封止部１２ａ、１２ｂの厚み方向へ伸びる縦のクラック（以下、縦クラック）の進行を阻止したためと推測される。すなわち、クラック９は縦クラックに対してほぼ垂直方向のクラックであるので、縦クラックが発生してもクラック９で止まり、それ以上は縦クラックが進行しなかったと考えられる。また、このクラック９は、コイル３２２の頂上付近等、上半分を基点としているため、コイル３２２を起点として縦クラックが生じたとしても、同様にクラックリークを抑制することができる。

ここで、本発明者はこのクラック９が封止部１２ａ、１２ｂに発生するメカニズムの解明を行った。その結果、本発明のようなクラック９の形成されやすさは、コイルの表面状態に影響されることが判明した。

図５は、図３の２点鎖線Ｙで囲まれた範囲について説明するための図、図６は、管軸方向に垂直な断面について説明するための図であり、（ａ）は本発明のランプ、（ｂ）は従来のランプである。図５は、コイル巻装電極３２、３ｂ２を封着している封止部１２ａ、１２ｂを管軸方向に沿って、図６は、管軸方向に垂直に研磨することで得ることができる。

図からわかるように、（ａ）ではコイル３２２の断面が斑点状の微細結晶部３２２１で構成されているが、（ｂ）では一部は微細結晶部３２２１であるものの、半分以上が平滑状の長大結晶部３２２２で構成されている。（ａ）のように断面が微細結晶部３２２１で構成されているということは、表面が粗い状態になっていることを意味する。一方、（ｂ）のように断面が長大結晶部３２２２で構成されているということは、当初は微細結晶部３２２１であったが熱により一部が結合して、長大な結晶が形成された結果、表面が滑らかな状態になっていることを意味する。つまり、（ａ）ではコイル表面とガラスがかみ合いやすく、（ｂ）ではかみ合いにくいため、コイル巻装電極３２が熱によって伸縮したときに、（ａ）ではクラック９が発生したが、（ｂ）では発生しなかったと推定される。

そこで、コイル表面の結晶状態を変化させて、クラック９の形成状態を観察した。その結果を図７に示す。なお、表面の結晶状態は、コイル外表面（＝電極と非接触側のコイル表面）における長大結晶の範囲で表現し、図６のような断面から算出するものとする。また、結晶状態は、加熱処理工程における加熱温度・加熱時間などの条件を調整することにより変化させた。

結果からわかるように、封止部と接触する外表面における長大結晶の割合が小さいほどクラック９が形成されやすくなり、２０％以下でクラック発生率が９０％、１０％以下でクラック発生率が１００％となる。したがって、クラック９を形成するには、コイル外表面における長大結晶の範囲は２０％以下、さらには１０％以下、最適には長大結晶が存在しないのが望ましい。

なお、クラック９のコイル間の軸方向長さＬは、縦クラックの進行を阻止する上である程度の長さが必要である。発明者の試験によれば、図８のように、途中までしか形成されていない状態であっても、コイル間距離ｄに対し、コイル間軸方向長さＬが５０％以上形成されている状態であれば好適で、図２のように隣接するコイル３２２間で繋がっている状態（コイル間距離ｄに対し、コイル間軸方向長さＬがほぼ１００％）であれば最適であることがわかった。また、検討の結果、クラック９の軸方向長さＬは、コイル３２２のピッチＰ及び直径ｒにより変化することがわかった。

図９は、コイルのピッチＰ及び直径ｒを変化させたときのクラックの形成状態について説明するための図である。なお、図中の×はコイル間距離ｄに対し、軸方向長さＬが５０％に満たない状態を、○はコイル間距離ｄに対し、コイル間軸方向長さＬが５０％以上である状態を、◎はクラック９がコイル間で繋がっている状態を示している。

結果からわかるように、コイルのピッチＰが小さいほどコイル間距離ｄに対する、コイル間軸方向長さＬが長いクラック９が形成される傾向があり、ピッチＰが３００％以下であればコイル間軸方向長さＬが長いクラック９が得られ、２００％以下であればコイル間で繋がったクラック９を高確率で得ることができる。したがって、ピッチＰは３００％以下、さらには２００％以下、最適には下限はピッチＰ＝１００％であるのが望ましい。

また、コイルの直径ｒは大きい方が望ましいことがわかる。これはコイルの直径ｒが大きいと、コイルの膨張伸縮が大きくなり、ガラスにクラック９を入りやすくさせるためである。図９によれば、コイルの直径ｒは、０．０５０ｍｍ以上、さらには０．０８０ｍｍ以上であるとクラック９が形成されやすく、かつコイル間に繋がりやすいことが確認された。ただし、電極とガラスの接触強度が低下しすぎる等の理由から、直径ｒは０．１５０ｍｍ以下であるのが望ましい。

上述のとおり、クラック９は第１にコイルの結晶状態、第２にピッチＰ、第３にコイル径ｒにより形成されるかどうか左右されるが、その他、封止部１２ａ、１２ｂの封止条件（封止時の温度や圧力）などにも多少影響されるので、適宜調整するのが望ましい。

したがって、本実施の形態では、封止部１２ａ、１２ｂに、コイル３２２の表面を起点として略電極軸方向に沿ってクラック９を形成することにより、電極軸３２１から軸リークの原因となる縦クラックが発生したとしても、その進行を止めることができるため、軸リークの発生を抑制することができる。

なお、コイル３２２の封止部１２ａ、１２ｂと接触する外表面における長大結晶の割合が２０％以下、ピッチＰが３００％以下、直径ｒが０．０５０ｍｍ以上とすることにより、クラック９の再現性を高めることができる。

なお、本発明の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。

クラック９は、図２のようにコイル３２２の全てに形成されているのが望ましいが、必ずしもコイル全長の全域に形成されている必要はなく、軸リークが発生しやすい部分に形成されていればよい。「軸リークが発生しやすい部分」とは、封着されたコイル巻装電極３２の中に生じている圧縮歪と引張歪の境界部分のことを示している。なお、圧縮歪と引張歪の境界は、鋭敏色板法（ガラスに生じている歪の状態を光の光路差により識別する方法）により確認することができ、一般にはコイル全長のうち、放電空間１１側から１／３地点付近がこの部分に該当する。

また、クラック９は図１０のようにコイル３２２の下半分を起点としてクラック９が生じていてもよく、この場合にも軸リークの発生を抑制することができる。

また、コイル３２２の結晶状態の代わりに、表面を粗すことによって、コイルとガラスの接触を強化し、クラック９を発生させてもよい。その場合、コイル３２２の平均表面粗さＲａは、接触型顕微鏡での測定値で０．００００１ｍｍ以上、０．００１ｍｍ以下であるのが望ましい。

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図。 図１の一点鎖線Ｘで囲まれた範囲について説明するための拡大図。 図１の一点鎖線Ｘで囲まれた範囲について説明するための断面図。 図１のメタルハライドランプの一実施例について説明するための図。 図３の２点鎖線Ｙで囲まれた範囲について説明するための図。 コイルの結晶状態を変化させたときのクラックの形成状態について説明するための図。 封止部と接触する外表面における長大結晶の割合を変化させたときのクラック発生率について説明するための図。 本発明の変形例１について説明するための図。 コイルのピッチＰ及び直径ｒを変化させたときのクラックの形成状態について説明するための図。 本発明の変形例２について説明するための図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 放電部
１２ａ、１２ｂ 封止部
１３ａ、１３ｂ 非封止部
１４ 放電空間
２ 金属ハロゲン化物
３ 電極マウント
３１ 金属箔
３２ コイル巻装電極
３２１ 電極
３２２ コイル
３３ リード線
３４ サポートワイヤ
４ スリーブ
５ 外管
６ ソケット
７１ 金属バンド
７２ 舌片
８ａ 底部端子
８ｂ 側部端子
９ クラック

Claims (2)

1. 内部に放電空間が形成された放電部および前記放電部端に形成された封止部を有する気密容器と、前記放電空間に封入された放電媒体と、軸部を有し該軸部の周りにコイルが巻装され、かつ一端が前記コイルとともに前記封止部内に封着されたコイル巻装電極と、を具備する放電ランプであって、
   前記コイルが、線径が０．０５０ｍｍ以上の線材を使用して、かつ、巻きの粗密が、隣り合う線間の巻ピッチを前記線径で除したパーセント比として３００％以下になる密度で、巻かれており、
   前記封止部には、前記コイルの表面に向き合う位置を起点とし、前記コイル巻装電極の前記軸部の軸方向にほぼ沿う深さを有するように形成されたクラックがあり、
   前記クラックが、前記コイルの巻ピッチから前記コイルの線径を差し引いた値であるコイル線間距離に対して、前記コイル巻装電極の前記軸部の前記軸方向にみて５０％以上の深さを有していること
   を特徴とする放電ランプ。
2. 前記コイルが、粒径０．００５ｍｍを超える結晶で構成された長大結晶部として認められる領域の割合が、粒径０．００５ｍｍ以下の結晶で構成された微細結晶部の領域を含めた全体領域の２０％以下に収まっている材質であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。

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