JP5232007B2 - 亀裂制御改良型高輝度放電ランプおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、亀裂制御改良型高輝度放電ランプおよびその製造方法に関する。

概して放電ランプは、放電容器内部に放電体積を有し、放電維持に必要な不活性ガスおよび添加剤を含む放電ガスで満たされている。一般的に、放電は電極間で生じ、前記電極は、放電体積の中に位置付けられ、かつ一般的に更なる添加剤または被覆が、施されたまたは施されていない、タングステンまたはタングステン合金製である。前記電極は、シール部において放電容器のガラス材によって取り囲まれ保持されている。前記電極は、内部電極、電極本体、外部電極（導入線とも呼ばれる）の３つの部分を含む電極アセンブリとして構成されており、前記外部電極が、電極本体を、電極および前記導入線の両方に電気的に接続された、薄い金属箔製の密封箔および外部電源に接続することで、真空気密シール構造を実現している。

放電ランプは、家庭照明（メタルハライドランプ）から自動車ヘッドライト（高輝度放電ランプ）まで照明技術分野全体において使用される。

高輝度放電（ＨＩＤ）ランプには、水銀ランプ（ＨＰＭ）、ナトリウムランプ（ＨＰＳ）、メタルハライドランプ（ＭＨ）、およびキセノンランプが含まれる。キセノンランプは、高ルーメン出力であるため主に投光器に使用される。自動車産業において、寿命が長く、効率が高く、迅速に起動するランプは重要である。自動車の照明装置として好適なＨＩＤランプは、メタルハライドランプとキセノンランプを組み合わせたものである。これらの反射形ランプの起動において、ランプ内を満たすキセノンによって迅速起動が可能になり、また、ランプ内を満たすメタルハライドによって高効率の動作が実現する。ランプの起動にあたり、高電圧パルス列を用いて、電極間の放電ガスに放電を引き起こす。ランプの中を流れる電流によって、陰極は、通常２５００℃の温度に達する。陰極における激しい温度変化と、陰極材料（通常はタングステン）およびシール材（通常は石英ガラス）の熱膨張差とによって、シール材に亀裂が生じる。そのような亀裂は、外側表面に伝播し、封体内部と外気との間に経路が生じる恐れがある。一般的に、放電容器壁と電極との接触領域における時間的および空間的な熱勾配に起因する機械的応力によって、亀裂の伝播が生じ、ガス漏れ経路が形成される。その結果、放電容器の高圧充填物質および添加剤が喪失し、最終的にランプは動作しなくなる。

高輝度放電（ＨＩＤ）ランプの発光管、特に自動車の標準メタルハライドランプすなわちＨＩＤランプの発光管は元来、融解石英（石英ガラス）製である。図１に、そのような発光管の構造例を示す。例示の発光管は、中央部、およびランプ動作中に放電が生じる発光チャンバ２からなる。前記発光チャンバは、封体１によって密閉され、発光管の（単数または複数の）端部すなわち、シールまたはピンチ部３によって、前記シールを介して電流を導入する電極アセンブリと共に、真空気密式に密封される。前記電極アセンブリは一般的に、図１のように３部分で構成されることで、真空気密性を保つ。電極４の軸は通常、タングステン製であり、放電プラズマに電荷運搬体（電子）を放出する。通常モリブデン製の非常に薄い（最大数十マイクロメートル）金属密封箔６の可塑性変形および弾性変形によって、シールの真空気密は確保される。電極アセンブリの金属導入線５は、モリブデン製であっても良く、前記発光管を電源に接続する。

高い壁面熱負荷の発光管を有する高輝度放電（ＨＩＤ）ランプにおいて、金属シール領域３に対するガラス温度は、標準ＨＩＤランプ製品のガラス温度よりもかなり高い可能性がある。なお、壁面熱負荷とは、定常状態動作においてランプが消費する電力と、２つの電極端部間の発光チャンバ外側表面領域において消費される電力との比である。前記ピンチ部が高温であると、特にメタルハライドランプの場合、ランプ寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。これらのランプの寿命を制限する主な要因の１つとして、電流導入密封箔６に含まれるモリブデンなどの、シール部の金属成分と、発光チャンバからのメタルハライド照射成分とのキネティクスが挙げられる。化学反応する成分の温度が高いほど、ランプ寿命への影響は深刻になる。

概して、流入電流および／または定常状態動作時の電流が高いＨＩＤランプへの要求は高い。特に自動車のＨＩＤランプの場合、要求が高くなる。というのも、「瞬間照明」の生成および「ホット再起動」機能がさらに必要であり、ランプの起動および出力上昇時に、強電流および過負荷出力の恐れがあるからである。つまり、出力上昇時、電極本体の大部分は、定常状態に比してはるかに高い温度で動作する。その結果、放電容器壁を取り囲む温度がまだ比較的低くても、電極と発光管壁との境界領域（電極接地点）の電極温度は極めて高いという状態がもたらされる。

放電容器の真空気密性を保つシール部にある、高温の電極を取り囲む容器壁において、空間的および時間的な温度勾配が生じると、高い機械的応力が生じる。ランプの起動と停止を繰り返すと、熱により加わる機械的応力によって、層状ガラス状の電極軸を有するピンチシール部に、微細亀裂が生じる可能性がある。というのも、この微細亀裂の伝播は、電極と周囲のガラスとの間の熱膨張の不整合に起因する、微細亀裂の形状および大きさの制御が非常に難しいからである。最終的に、ガス漏れ経路が生じ、放電チャンバの充填ガスおよび照射成分が喪失し、その結果ランプが動作不能になる。そのようにランプの故障性が高いまたは寿命が短いようでは、ランプ寿命性能および信頼性が著しく損なわれる。その結果、自動車の交通安全性が危ぶまれ、保守管理費用が増大する。

充填物質がシール内のモリブデン箔４に接触しないようにするために、特許文献１では、電極軸の周りに石英ガラス層を形成しており、電極上に形成されたガラス層によって、従来の放電ランプで通常見られる、電極軸の周りの広幅の経路が排除している。前記ガラス層は、石英ガラスとタングステン製の電極軸とで熱膨張係数が異なることに起因する、電極周囲の放電容器壁の亀裂を受け、形成されている。前記ガラス層の利点は、ガラス層を有さない通常の電極軸に比して、その周りの経路における微細亀裂の幅が格段に抑えられることである。ガラス層を有するこの構造は、良好な解決手段を示しているものの、表面に伝播する亀裂を防ぐために必要であるとされる、理想的に対称的かつ規則的な構造を実現するには至っていない。しかも、この精密な形状および構造の製造には、非常に費用がかかる上、大量の廃棄物が発生する。また、ガラス層の形状および構造上の些細な凸凹でさえ、周囲のガラス壁の表面に伝播する可能性がある、好ましくない亀裂の原因となる。

また、特許文献２では、熱処理された電極を備えたＨＩＤランプが開示されている。前記電極は、高温、高気密下での長時間にわたる熱処理を経て、電極アセンブリとして組み立てられる。前記熱処理によって、電極が部分的または完全に再結晶し、また、ガス放出性成分が除去されることから、電極とシール壁材料とが良好に接着するとともにＨＩＤランプの亀裂破損が減少する。しかし、この電極およびその製造方法は、費用面で大量生産に向かず、また、前記熱処理によって時間を要する上、製造工程が複雑かつ非効率的になる。しかも、必ずしも亀裂を抑制しつつ、亀裂パターンを一定にできるわけではない。
米国特許第５，４６１，２７７号 米国特許第５，９０５，３４０号

従って、ランプ起動の繰り返しによる高い熱応力および機械応力に耐え、より高い信頼性および長い製品寿命を有する、電極シール構造を備えたＨＩＤランプが求められている。シール領域における微細亀裂そのものを防げないとしても、微細亀裂の形状および大きさを制御し、ＨＩＤランプ壁の外側表面への微細亀裂の伝播を防ぐことが望ましい。

本発明は、典型的な実施形態において、発光チャンバを密封する発光管を含む高輝度放電ランプを提供する。発光チャンバは、充填ガスを含み、発光管は少なくとも１つのシール部を端部とする。前記シール部は、少なくとも１つの電極アセンブリを封入する。前記電極アセンブリは、電極、導入線、および電気的導体箔を含む。前記電極は発光チャンバに延在する。前記導入線は、シール部から外方に延在し、電源と電気的に接触する。前記電気的伝導箔は、導入線および電極を接続し、発光管のシール部を貫通して気密電気接続を形成する。前記電極の少なくとも１つは、箔および発光チャンバ間の距離の表面に少なくとも１つの人工的凸凹を備え、以って電極を取り囲むシール壁の亀裂の形状および大きさを制御する。

本発明は、別の典型的な実施形態において、高輝度放電ランプを製造する方法も提供する。この方法による電極は、所定の長さ、形状寸法、および構造に形成される。電極の表面には、少なくとも１つの人工的凸凹を設ける。電極アセンブリは、前記電極、密封箔、および導入線を含み形成される。発光チャンバは、電極アセンブリを発光管に差し込み、発光管をシール材で塞ぎ、電極アセンブリを該発光管内に密封すると、シール部の間に形成される。電極表面の凸凹領域は、箔と発光チャンバとの間に形成される。

本発明は、さらなる別の典型的な実施形態において、電極、密封箔、および導入線を含む電極アセンブリを備えるステップ後、電極の表面に、少なくとも１つの人工的凸凹を設ける。

亀裂パターンの発生は、単数または複数の凸凹の位置と密接に関係することを発明者らは発見した。電極表面に、単数または複数の凸凹を好適な位置に形成することによって、亀裂パターンを制御できる。亀裂パターンを抑制できると効果的に、望ましくない微細亀裂が伝播する可能性を減少させ、また、亀裂パターンに沿った機械的残留応力に起因する短寿命またはランプ故障を防止できる。

本明細書に開示のＨＩＤランプによれば、ランプ周囲のガラス壁の表面に伝播し得る、望ましくない亀裂の発生を防ぐことができる。前記ＨＩＤランプおよびその製造方法は、大量生産に容易に適用可能であり、かつ著しく製造費用が増大することはない。前記電極の構造において、電極の周囲の微細亀裂の形状を確実に制御することで、ランプの短寿命の原因となり得る放電ガスの漏れを防ぎ、閉構造亀裂を実現できる。

これより、添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

図１に、自動車産業で使用される高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを示す。前記ランプは一般的に、発光管を、石英ガラスすなわちシリカグラス製の気密ランプ封体１の形で有する。アルゴン、クリプトン、またはキセノンのような好適なガスで満たされた発光チャンバ２は、封体１のシールド内部体積によって画定される。前記発光管は、両端部を有するガス気密方式を採用し、少なくとも前記端部の１つとして、電極アセンブリを密閉するシール部３を有する。前記電極アセンブリは、発光チャンバ２に延在する電極４と、シール部３から外方に延在し電源（図示せず）と電気的に接続する導入線５と、導入線５および電極４を接続するとともに、発光管のシール部３を貫通して密封電気接続を形成する密封箔６とを含む。図１では、２つの実質的に同一の電極アセンブリを対称的に有するＨＩＤランプを示す。例示する他にも、本発明の基本原理において同様に使用可能な、様々な形状のＨＩＤランプが多数存在する。ＨＩＤランプは、片側に全ての電極アセンブリを備え、ピンチすなわちシール部を１つのみ備え、片側にのみ端部を有し、起動用の補助電極を備えたまたは備えていない状態であっても良い。この対称形ＡＣ駆動ＨＩＤランプとは異なり、非対称形ＤＣ駆動ＨＩＤランプは、シール部に別の電極構造を密閉式に有しても良い。

図１のＨＩＤランプの製造において、電極アセンブリを放電管の開口端に軸方向に差し込み、軸位置に保持する一方、放電管の端部を加圧密封または圧縮密封してシール部を形成する。この密封は約２０００〜２５００℃の温度で遂行される。前記シール部形成後、ガラスは放置して冷却される。電極ロッドは、線形熱膨張係数が比較的高いので、電極ロッドが埋め込まれているガラス管のシール部が収縮するよりも速く収縮する。この収縮によって、電極ロッドの周りに微細亀裂が生じるが、一般的なモリブデン製金属箔は、箔形状であることから、周囲にそのような亀裂は生じない。このランプに点火回路から電圧が印加されると、電極を高圧電流が流れ、電極ロッドの温度は急上昇するが、シール部の石英ガラスは、この温度上昇に瞬時に追従しない。シール部において、高い温度膨張係数を有する電極は、高温によりガラス材が膨張するよりも大きく膨張する。その結果、石英ガラスには、電極が接触し、圧力がかかる。この圧力によって、シール部３の壁に微細亀裂７が生じる。これらの微細亀裂の数と幅が増大し、これに続く点火時に、シール部３の外側表面にまで伝播し、結果ランプの放電ガス漏れが生じる恐れがある。従って、先行技術のランプにおいて、短い動作時間で、特に頻繁に電源のオン／オフが繰り返された場合の寿命は短かった。

図２は、亀裂制御改良型ＨＩＤランプを部分側面断面図である。図２のＨＩＤランプは、電極を除き、図１に示した先行技術のランプと同一構造を有する。電極１４の表面には、人工的凸凹８が設けられており、以ってシール壁の微細亀裂１７の形状および大きさが制御される。図示のように、表面の凸凹８を、電極１４表面の密封箔６と発光チャンバ２との間に形成する。これら凸凹の領域は、密封箔６と発光チャンバ２との間隔の１／４〜３／４にあたる地点に設ける。この間隔は、密封箔６の内側端部から、発光チャンバ２の始端までのシール壁と電極１４との間の接触領域に延在する。これらの凸凹８は、密封箔６と発光チャンバ２との間の１／３〜２／３にあたる地点に配置されてもよい。ここでは、凸凹８を、密封箔６と発光チャンバ２との間の約１／２にあたる地点に配置する。人工的な凸凹を使用することによって、熱負荷および機械的負荷に起因して電極の周囲のガラス壁に生じる微細亀裂１７の起点が影響を受け、制御される可能性がある。発明者らが発見した通り、そのような起点の１つとして、密封箔の内側端部、すなわち、密封箔の内側端部と電極の外側端部との溶接点が挙げられる。表面の凸凹８の位置選択によって、更なる亀裂の起点が生じ、以って微細亀裂１７の形状および構造を制御し、少なくとも１つの表面の凸凹８で所望の効果を達成し得る。発明者らの発見によると、先行技術においては開構造を呈し、ランプのシール壁の外側表面に伝播し亀裂の原因となっていた微細亀裂であるが、密封箔６と発光チャンバ２との間の、発光チャンバにより近い約３／４〜２／３の地点において構造が変化し、閉構造を呈する傾向にあることがわかった。表面の凸凹８を形成する地点が密封箔６の内側端部に近いほど、微細亀裂１７が閉構造を作る距離は短くなる。一方、表面の凸凹の他方の側に第２の微細亀裂が生じる恐れがあるため、密封箔６と発光チャンバ２との間において、密封箔により近い１／４〜１／３よりも短い距離を選択できない。

次に、本発明を適用可能な実施形態として、種々の電極構造を示す。図３〜図６に、電極の一方の端部に、密封箔６を備えた電極を示す。電極の中央部には、表面の凸凹がある。

図３および図４に示した電極のように、表面の凸凹の領域は、窪み１８または出っ張り１９を有する地点であって良い。図３および図４に示すように、電極の両側に２つの地点（複数の出っ張りまたは穴）がある。表面凸凹の数は３つ、４つ、またはそれ以上であっても良い。表面の凸凹は、２つ以上の場合、円周線に沿って互いに等距離で配置されるとより効果的である。亀裂を短く閉構造にするにあたり、望ましい効果を実現するためには、少なくとも１つのそのような点を、電極の表面の、密封箔および発光チャンバ間の距離の１／４〜３／４の地点に、または望ましくは、１／３〜２／３の地点に形成する必要がある。前記地点の大きさ（幅および／または高さまたは深さ）が、電極の最大断面寸法の少なくとも１／１０であると、望ましい効果を実現できる。電極が円筒形である場合、この最大断面寸法とは、電極の直径である。

図５および図６において、電極表面は、中央領域の円周方向表面に凸凹を備えている。図５のように、電極１４は、円周溝２０を備えても良い。溝２０は、どんな断面形状であっても良いが、その表面の形状は凸凹であると効果的である。亀裂を短く閉構造にするにあたり、望ましい効果を実現するためには、円周溝２０を、電極の表面の、密封箔および発光チャンバ間の距離の１／４〜３／４の地点に、またはより望ましくは、１／３〜２／３の地点に形成する必要がある。溝２０の大きさ（幅および／または深さ）が、電極の最大断面寸法の少なくとも１／１０であると、望ましい効果を実現できる。図６のように、電極は、円周方向に外周リブ２１を備えても良い。外周リブ２１は、どんな断面形状を有しても良いが、その表面は凸凹の形状であると効果的である。亀裂を短く閉構造にするにあたり、望ましい効果を実現するためには、外周リブ２１を、電極の表面の、密封箔および発光チャンバ間の距離の１／４〜３／４の地点に、またはより望ましくは、密封箔および発光チャンバ間の距離の１／３〜２／３の地点に形成する必要がある。外周リブ２１の大きさ（幅および／または高さ）が、電極の最大断面寸法の少なくとも１／１０であると、望ましい効果を実現できる。なお、電極表面の凸凹の形成には、公知の技術のあらゆる機械的、化学的、または熱的処理を適用可能である。

本発明はまた、図１〜図６に関連して高輝度放電ランプの製造方法も開示する。この方法の典型的な実施形態において、所定の長さ、形状、および構造の電極を用いる。この電極は、ＨＩＤランプに使用可能なあらゆる形状および構造を有することができる。この目的に適用可能な電極は、先行技術において公知である。前記電極、密封箔、および導入線を含む電極アセンブリは、先行技術においても公知であるステップを経て組み立てられる。本発明に関して使用される電極は、ＨＩＤランプ内の密封箔および発光チャンバそれぞれを端部とする領域内に、少なくとも１つの人工的表面凸凹を有する。次いで、電極アセンブリを発光チャンバに差し込み、発光チャンバ内に電極アセンブリを密封することによって、発光チャンバを加圧密封または圧縮密封する。電極、密封箔、および導入線を含む電極アセンブリの組み立ては、電極に少なくとも１つの人工的表面凸凹を設けてから行われても良い。本発明の範疇において、電極を所定の形状および構造に加工するステップの間に、例えば、電極を電極素線から切り分ける間に、電極に表面凸凹を形成することも可能である。電極表面の凸凹の形成は、先行技術において公知の機械的、化学的、または熱的プロセスによって電極アセンブリを加工する前でも後でも良い。

以上、様々な実施例を説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上の実施例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、当業者には明らかな通り、例示した表面として、凸凹の形状に加え、あらゆる他の形状も好適であり得る。ＨＩＤランプで使用する電極の形状および構造についても同様に、変形、変更が可能である。

先行技術の高輝度放電ランプの上面断面図である。 改良型亀裂抑制高輝度放電ランプの部分上面断面図である。 窪み状の凸凹を備えた電極の拡大側面図である。 出っ張り状の凸凹を備えた電極の拡大側面図である。 溝状の凸凹を備えた電極の拡大側面図である。 外周突起状の凸凹を備えた電極の拡大側面図である。

Claims (16)

1. 充填ガスを含む発光チャンバを密封し、少なくとも１つのシール部を端部とする発光管と、
   前記発光チャンバに延在する少なくとも１つの電極を備える電極アセンブリを密閉する前記少なくとも１つのシール部と、
   前記シール部から外方に延在し電源と電気的接触を提供する導入線と、および
   前記導入線と前記電極とを接続するとともに、前記発光管のシール部を貫通して気密電気接続を形成する伝導箔部と、
   を含み、
   少なくとも１つの人工的凸凹が、前記伝導箔および前記発光チャンバ間の距離の前記箔から１／４〜３／４の地点でのみ前記少なくとも１つの電極の表面に設けられて、前記凸凹の領域が、前記電極を取り囲むシール壁の亀裂の起点となる、高輝度放電ランプ。
2. 前記凸凹の領域が、前記伝導箔および前記発光チャンバ間の距離の前記箔から１／３〜２／３の地点にのみにおいて前記表面上に配置されることを特徴とする請求項１記載のランプ。
3. 前記凸凹の領域が、前記伝導箔および前記発光チャンバ間の距離の１／２の地点にのみにおいて前記表面上に配置されることを特徴とする請求項１記載のランプ。
4. 前記凸凹の領域が、少なくとも１つの点から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のランプ。
5. 前記凸凹の点の大きさが、前記電極の最大断面寸法の少なくとも１／１０であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のランプ。
6. 前記凸凹の点が、前記電極の表面上の窪み又は出っ張りとして形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のランプ。
7. 前記凸凹の領域が、前記電極の円周方向線に沿って、実質的に互いに等距離に配置された複数の点からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のランプ。
8. 前記凸凹の領域が、機械的プロセス、化学的プロセス又は、熱的プロセスにより形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のランプ。
9. 所定の長さ、形状、および構造の電極を形成するステップと、
   少なくとも１つの凸凹を前記電極の表面に形成するステップと、
   前記電極、密封箔、および導入線を含む電極アセンブリを組み立てるステップと、
   前記電極アセンブリを発光管に差し込むステップと、
   前記発光管をシール材で塞ぎ、前記発光管内に前記電極アセンブリを密封することによって、前記シール部の間に発光チャンバが形成され、前記電極表面の凸凹を前記箔と前記発光チャンバとの間の距離の前記箔から１／４〜３／４の地点でのみに形成するステップとを含むことを特徴とする高輝度放電ランプを製造する方法。
10. 前記凸凹の領域が、前記箔および前記発光チャンバ間の距離の前記箔から１／３〜２／３の地点のみにおいて前記表面上に配置されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記凸凹の領域が、前記箔および前記発光チャンバ間の距離の１／２の地点のみにおいて前記表面上に配置されることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 前記凸凹の領域が、少なくとも１つの点から形成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記凸凹の点の大きさが、前記電極の最大断面寸法の少なくとも１／１０であることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記凸凹の点が、前記電極の表面に窪み又は出っ張りとして形成されることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記凸凹の領域が、円形に、実質的に互いに等距離に配置された複数の点から形成されることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記凸凹の領域が、機械的プロセス、化学的プロセス又は、熱的プロセスによって形成されることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれかに記載の方法。
    

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