JP4972172B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の前照灯やプロジェクタ等に使用される放電ランプに関するものである。

自動車の前照灯に使用される放電ランプは、特開２００７−８７６８３公報（以下、特許文献１）や国際公開第２００７／０８６５２７号パンフレット（以下、特許文献２）で知られているように、両端が封止された気密容器の放電空間内に、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛などの金属のハロゲン化物とキセノン等の希ガスからなる放電媒体を封入し、封止部に封着された金属箔に接続された電極に電圧を印加することによって放電媒体を励起し、所定の光を生成するようになっている。

しかしながら、この種の放電ランプでは、電極軸とガラスとの間に形成されるわずかな隙間を介して放電空間に封入した金属ハロゲン化物が金属箔にまで侵入し、シール部を構成するガラスと金属箔とを剥離させてクラックリーク（以下、箔リーク）を発生させやすいという問題がある。なお、この問題は電極軸にコイルを巻装するとさらに顕著になる。

そこで、特許文献１では、金属箔に穴を形成し、その穴内にシール部を構成するガラスを入り込ませることによって、金属箔とシール部との密着性を向上させ、箔リークを抑制するようにしている。また、特許文献２では、金属箔の表面をレーザによって凹凸状に加工し、シール部との密着性を向上させて、箔リークを抑制するようにしている。
特開２００７−８７６８３公報 国際公開第２００７／０８６５２７号パンフレット

（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、上述のような箔リーク対策では、放電ランプのさらなる長寿命化の要請を満足することができず、更なる改良が必要となっている。

本発明の目的は、箔リークの発生を抑制することができる放電ランプを提供することにある。

（課題を解決するための手段）
上記目的を達成するために、本発明の放電ランプは、内部に空間が形成されてなる発光部、及び前記発光部の少なくとも一端に形成されたシール部を有する気密容器と、前記発光部内に封入された希ガス及び金属ハロゲン化物を含む放電媒体と、前記シール部に封着された金属箔と、一端が前記金属箔上に重畳して接合され、他端は前記発光部の前記空間に導出されて対向配置されるようにして設けられた一対の電極とを具備し、前記電極が重ね合わされた前記金属箔の裏面側の少なくとも一部に凹部が形成され、前記凹部付近の前記シール部に圧縮歪みが形成されていることを特徴とする。

（発明の効果）
本発明によれば、箔リークの発生を十分に抑制することができる。

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側面図である。 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上面図である。 金属箔と電極との接合部分付近の管軸方向に沿った断面について説明するための図である。 金属箔と電極との接合部分付近の管軸方向に垂直な断面について説明するための図である。 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。 圧縮応力の強さと箔リークの発生時間について説明するための図である。 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ための図である。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の放電ランプの一実施形態である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側面図、図２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上面図である。

メタルハライドランプは、主要部として気密容器１を有する。気密容器１はランプの管軸方向に細長い形状となっており、その略中央には略楕円形の発光部１１が形成されている。発光部１１の両端には、板状にピンチシールされたシール部１２ａ、１２ｂが形成されている。なお、気密容器１としては、例えば石英ガラスなどの耐熱性と透光性を具備した材料で構成されるのが望ましい。

この発光部１１の内部には、中央が略円柱状、その両端がテーパ状の放電空間１４が形成されている。この放電空問１４の容積は、白動車前照灯用の場合には、１０ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３であるのが望ましい。

放電空間１４には、金属ハロゲン化物２及び希ガスとからなる放電媒体が封入されている。

金属ハロゲン化物２は、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）、ヨウ化亜鉛（ＺｎＩ_２）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ）で構成されている。ただし、金属ハロゲン化物２はこの組み合わせに限らず、スズやカリウムのハロゲン化物等を追加したり、金属に結合されるハロゲンの組み合わせを変更したりして構成してもよい。

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。キセノンの圧力は常温（２５℃）において５ａｔｍ以上、自動車前照灯用として用途を指定する場合には、１０〜２０ａｔｍであるのが望ましい。なお、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することもできる。

ここで、放電空間１４には、実質的に水銀は含まれていない。この「実質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないのが最適であるが、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。

シール部１２ａ、１２ｂには、電極マウント３が封着されている。電極マウント３は、金属箔３１、電極３２、コイル３３及びリード線３４で構成されている。

金属箔３１は、例えば、モリブデンからなる薄い金属板であり、その発光部１１側の表裏面には、加工部３１１が形成されている。この加工部３１１は、レーザ照射により形成される半球状の凹みを複数配列してなるものである（詳しくは、国際公開第２００７／０８６５２７号パンフレットを参照）。この加工部３１１により、金属箔３１の幅方向端部への金属ハロゲン化物２の拡散が遅延されるため、箔リークが抑制される。

電極３２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。電極３２の直径Ｒは、実用上、例えば０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下とすることができる。その一端は金属箔３１の発光部１１側に接続され、他端は放電空問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る。所定の電極間距離としては、白動車前照灯用の場合には、見た目上、すなわち実際の距離ではなく、ランプの外観上における距離で４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。

なお、本実施の形態のような直棒状に限らず、先端の直径が大きい非直棒状の形状や直流点灯タイプのように一対の電極の大きさが異なる形状であってもよい。また、電極３２は、ドープタングステン電極やレニウムタングステン電極などであってもよい。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなり、シール部１２ａ、１２ｂに封着された電極３２の軸部の軸周りに螺旋状に巻装される。ただし、金属箔３１と接続された電極３２の軸部分にはコイル３３は巻装されない。コイル３３の設計としては、コイルピッチは３００％以下、巻装長は電極封着長に対し、６０％以上であるのが望ましい。

リード線３４は、例えば、モリブデンからなり、その一端は金属箔３１に接続される。一方、リード線３４の他端側は、管軸に沿って気密容器１の外部に延出される。そして、ランプの前端側に延出したリード線３４には、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３５の一端が接続される。そのサポートワイヤ３５の他端は、後述するソケット６の方向に延出され、管軸と平行しているサポートワイヤ３５には、セラミックからなるスリーブ４が被覆される。

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と同心状に設けられている。それらの接続は、気密容器１と外管５との両端同士を溶融することにより行なわれている。その際、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て封入してもよい。なお、外管５として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を添加することにより、紫外線遮断性を有するのが望ましい。

そして、外管５が接続された気密容器１の一端には、ソケット６が接続される。これらの接続は、ソケット６に近接配置される外管５の外周面に金属バンド７１を装着し、その金属バンド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金属製の舌片７２によって挟持することで行なわれている。また、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３４、サポートワイヤ３５が接続されている。

このようにして構成されたメタルハライドランプは、底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路を接続することにより点灯される。この自動車前照灯用の場合、管軸が略水平の状態で配置され、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力に対して２倍以上である約７５Ｗで点灯される。

ここで、金属箔３１と電極３２との接合部分付近について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。図３は、金属箔と電極との接合部分付近の管軸方向に沿った断面について説明するための図であり、図４は、金属箔と電極との接合部分付近の管軸方向に垂直な断面について説明するための図である。

図３及び４からわかるように、金属箔３１と電極３２とは、その一部同士が重ね合わせられた部分（重畳部分）に溶融部３６が形成されることにより接続されている。この溶融部３６は、金属箔３１の裏側から電極３２にＹＡＧレーザなどを用いてレーザ光を照射する、いわゆるレーザ溶接によって形成された金属の長大結晶である。

また、電極３２と金属箔３１との重畳部分における、金属箔３１の裏側、すなわち溶融部３６には凹部３１２が形成されており、その結果、シール部１２ａ、１２ｂの凹部３１２付近には、圧縮歪み９が形成されるようになる。この圧縮歪み９により、シール部１２ａ，１２ｂと金属箔３１とが剥離しにくくなり、箔リークが抑制される。

この場合、金属箔３１と電極３２との重ね合わせ長（重畳部分の長さ）Ｌ１と、凹部３１２の管軸方向長Ｌ２（複数の凹部３１２が形成されている場合はそれぞれの長さＬ２’の和）とが０．２≦Ｌ２／Ｌ１を満たしているのが望ましい。これによって、上述した作用効果が増大し、箔リークの抑制の効果が向上する。

なお、本実施の形態では、レーザ溶接を２箇所で行っているため、２箇所に凹部３１２が形成されている。そのため、圧縮歪み９も凹部３１２に応じて２箇所で形成されるようになる。したがって、圧縮歪み９の周辺に形成される引張歪みに起因した引張応力が分散され、引張応力によるクラック等の発生が抑制される。このように圧縮歪み９を複数形成するには、凹部３１２を重ならないように離して形成すればよい。

ここで、凹部３１２はシール部１２ａ、１２ｂへの電極マウント３のシール工程により形成される。その際、凹部３１２が比較的大きく、かつ深さがある場合に、特に形成されやすいことが確認されている。

具体的には、電極３２の直径Ｒが０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下の場合であって、本実施の形態のように凹部３１２が略円形状（ほぼ真円の楕円状を含むの意味）の凹みである場合、その深さをｄ、長さをＬ３としたとき、ｄ≧０．０１ｍｍ、かつＬ３≧０．１ｍｍ（好適には、ｄ≧０．０５ｍｍ、かつＬ３≧０．２ｍｍ）であれば、圧縮歪み９がシール部１２ａ、１２ｂに残留しやすい。これは圧締歪み９の形成がシール時の凹部３２１へのガラスの流れ込みと関係しているためと考えられる。

なお、深さｄの上限は、金属箔３１の厚さによって制限され、幅Ｌ３の上限は、重畳部分の長さＬ１によって制限される。

なお、圧縮歪み９の形成は、シール部１２ａ、１２ｂの厚みやシール圧力などによっても多少影響される。ちなみに、特開２００６−１９６２６７公報のように、ほとんど深さのない溶融部による凹みでは、圧縮歪み９は形成されない。また、本実施の形態では金属箔３１の表裏面に半球状の凹みの配列によって構成された加工部３１１が形成されているが、この凹み程度の大きさ、深さでは、シール部１２ａ、１２ｂに圧縮歪み９は形成されない。

図５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。
・放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の内容積＝２７．５ｍｍ^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、合計＝０．４ｍｇ、
・希ガス：キセノン＝１３．５ａｔｍ、
・水銀：０ｍｇ、
・金属箔３１：モリブデン製、長さ×幅＝６．５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚さＴ＝０．０２ｍｍ、
重ね合わせ長Ｌ１＝０．９ｍｍ、
・加工部３１１：凹みの直径＝０．０３ｍｍ、深さ＝０．００２５ｍｍ、加工面積：表裏面、
・凹部３１２：２つ形成、直径（＝Ｌ３）＝０．３ｍｍ、深さｄ＝０．１ｍｍ、
・電極３２：トリエーテッドタングステン製、直径Ｒ＝０．３８ｍｍ、
・電極問距離Ｄ＝４２ｍｍ（実際の電極間距離＝３．７５ｍｍ）、
・コイル３３：ドープタングステン製、線径＝０．０６ｍｍ、ピッチ＝２５０％、巻装長＝３．２ｍｍ、
・リード線３４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
・圧縮歪み９：凹部３１２付近のシール部１２ａ、１２ｂにそれぞれ残留、管軸方向長Ｌ２（≒Ｌ２’×２）＝０．６ｍｍ、圧縮応力＝５０ｋｇ／ｃｍ^２。

この実施例のランプでは、約３０００時間まで箔リークの発生を抑制することができ、長寿命のメタルハライドランプを実現できた。これは、金属箔３１と電極３２との溶接時に形成された凹部３１２付近のシール部１２ａ、１２ｂに圧縮歪み９が形成されていることにより、金属箔３１の重ね合わせ部分の裏面側においてガラスとの密着性が高まり、シール部１２ａ，１２ｂと金属箔３１とが剥離しにくくなったためと考えられる。

次に、凹部３１２の深さｄ及び管軸方向長Ｌ２を変えることにより、圧縮応力の強さを変化させたときの箔リークの発生時間について試験を行った。その結果を図６に示す。なお、試験条件は、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である。試験灯数は３０灯であり、箔リーク発生時間とは、その３０灯のうち、最初に箔リークに至ったランプが発生したときの時間を意味する。また、圧縮歪み９の種類及び応力値は、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）により確認した。

結果からわかるように、圧縮応力が大きいほど箔リーク発生時間は長くなり、特に、１０ｋｇ／ｃｍ^２以上、さらには１０ｋｇ／ｃｍ^２以上であれば、箔リークに対して高い効果が得られる傾向がある。この傾向は、コイル３３のピッチを変化させて金属ハロゲン化物２の侵入しやすさを変えても同じである。したがって、圧縮歪み９の応力値が１０ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように形成するとよい。ただし、圧縮応力が大きすぎると引張応力も大きくなるため、圧縮応力と引張応力の境界からクラックが発生し、リークに至る可能性が生じるため、３００ｋｇ／ｃｍ^２以下であるのが望ましい。

また、金属箔３１と電極３２との重ね合わせ長Ｌ１と、凹部３１２の管軸方向長Ｌ２の関係Ｌ２／Ｌ１が、０．２≦Ｌ２／Ｌ１、さらには望ましくは０．５≦Ｌ２／Ｌ１を満たせば、通常、ガラスとの密着性が低くなりやすい重ね合わせ部分において、広範囲にわたり高い密着性を維持できるため、さらに箔リークに対して有効である。

したがって、本実施の形態では、電極３２が重ね合わせられた金属箔３１の裏側には、凹部３１２を形成し、その凹部３１２付近のシール部１２ａ、１２ｂに、圧縮歪み９を形成することにより、シール部１２ａ、１２ｂと金属箔３１とが剥離しにくくなり、箔リークの発生を抑制することができる。

また、シール部１２ａ、１２ｂに形成された圧縮応力を１．０ｋｇ／ｃｍ^２以上にすることで、箔リークに対して高い効果を得ることができる。さらに、金属箔３１と電極３２との重ね合わせ長をＬ１、圧縮歪み９の管軸方向長をＬ２としたとき、０．２≦Ｌ２／Ｌ１を満たすことにより、密着性が低くなりやすい重ね合わせ部分において、広範囲にわたり高い密着性を維持でき、箔リークに対して高い効果を得ることができる。

なお、凹部３１２が略円形状の凹みであり、その深さをｄ、長さをＬ３としたとき、ｄ≧０．０１ｍｍ、かつＬ３≧０．１ｍｍを満たすことにより、圧縮歪み９をシール部１２ａ、１２ｂに形成しやすく、また圧縮応力も強くすることができる。

（第２の実施の形態）
図７は、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ための図である。第２の実施の形態以降の各部については、第１の実施の形態のメタルハライドランプの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

第２の実施の形態では、金属箔３１と電極３２とを抵抗溶接により接続することで、電極３２と金属箔３１との重畳部分の裏側に、管軸方向に長い凹部３１２を形成し、凹部３１２付近のシール部１２ａ、１２ｂに圧縮歪み９を形成している。この場合、凹部３１２の深さをｄ、直径をＬ３としたとき、ｄ≧０．００５ｍｍ、かつＬ３≧０．２ｍｍ（好適には、ｄ≧０．０１ｍｍ、かつＬ３≧０．４ｍｍ）を満たせば、管軸方向に長い圧縮歪み９が形成されやすい。このように大きな凹部３１２を形成すれば、大きくかつ強い圧縮歪み９を形成でき、箔リークの抑制効果が高くなる。

したがって、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様、箔リークの発生を抑制することができる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、第１の実施の形態ではレーザ溶接、第２の実施の形態では抵抗溶接によって、金属箔３１と電極３２との重ね合わせ部分に凹部３１２を形成しているが、例えば、特開２０００−２８８７５５公報に記載のレーザ溶接法のように、金属箔３１と電極３２とを重ね合わせ部分に凹部３１２が形成されないような接続方法を実施して、金属箔３１と電極３２とを接続した後、機械的手段により別途凹部３１２を形成してもよい。

Claims (6)

1. 内部に空間が形成されてなる発光部、及び前記発光部の少なくとも一端に形成されたシール部を有する気密容器と、
   前記発光部内に封入された希ガス及び金属ハロゲン化物を含む放電媒体と、
   前記シール部に封着された金属箔と、
   一端が前記金属箔上に重畳して接合され、他端は前記発光部の前記空間に導出されて対向配置されるようにして設けられた一対の電極とを具備し、
   前記電極が重ね合わされた前記金属箔の裏面側の少なくとも一部に凹部が形成され、前記凹部付近の前記シール部に圧縮歪みが形成されていることを特徴とする、放電ランプ。
2. レーザ溶接によって接合され、前記凹部が前記金属箔の裏面に複数形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記金属箔と前記電極との前記重畳部分の長さをＬ１、該重畳部分の長さ方向における前記凹部の長さをＬ２とした場合において、０．２≦Ｌ２／Ｌ１なる関係を満たすことを特徴とする、請求項１又は２に記載の放電ランプ。
4. 前記電極の直径Ｒが０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下であって、前記凹部は略円形状の凹みであり、その深さをｄ、長さをＬ３とした場合に、ｄ≧０．０１ｍｍであり、Ｌ３≧０．１ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の放電ランプ。
5. 前記凹部は、前記金属箔と前記電極との前記重畳部分の長さ方向に延在する凹みであり、その深さをｄ、長さＬ３とした場合にｄ≧０．００５ｍｍであり、Ｌ３≧０．２ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の放電ランプ。
6. 前記圧縮歪みに起因して生成される圧縮応力が、１．０ｋｇ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の放電ランプ。

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