JP5372921B2 - 高輝度放電ランプを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに関し、より詳細には、ランプの減光特性を強化するための改善された電極を備えるＨＩＤランプに関する。本発明はまた、このような改善された電極の製造方法に関する。

商業的に利用可能な公知のＨＩＤランプのほとんどは、幾つかの目的に使用され、例えば、低電力メタルハイドライドランプは、室内照明用途で使用される。ＨＩＤランプは、予熱機能のない電極を有する。ランプは、冷電極から確実にスタートし、初期、及び定常状態動作温度に達した後のランプ寿命全体の両方で特定の電気及び光特性を実施しなくてはならない。これらの要件は、電極設計に対して異なる条件及び多くの場合矛盾する条件を設定する。

これらの要件に加えて、減光は、ランプの光出力を何らかの制限値にまで調整しなくてはならない用途、又は実際の条件によりランプ電力及びエネルギー消費量の低減が許容される用途において、大きな利点がある。

ＨＩＤランプの最も重要なタイプは、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタルハイドライドランプ、自動車用放電ランプ、及び特殊タイプ（映写用、スタジオ用、その他）のランプである。連続モードの減光は、室内照明又は場合によっては車両用照明を目的とした低ワット数レンジのＨＩＤランプにおいて特に重要である。

従来の電極設計は通常、ワット数の約６０％だけ減光することができ、これは特定の用途では使用不能である。

米国特許第２，８８７，６０３号及び第２，９５１，１７１号で開示された解決策によれば、ランプに特殊な電極ペアが使用される。これらの電極のうちの１つは、円錐キャビティ内に酸化トリウム放出材料を含む。他のものは、放出材料の入れ子にされたコイルを備え、その損失率を低減して、結果としてランプ寿命が延びるようにする電極を開示している。

酸化トリウムをタブレット又はペレットの形態で放出材料として使用することは、放電ランプの電極に関連する米国特許第３，６１９，６９９号で示されている。アーク終端の電極キャビティへの侵入は、電流零の後のＡＣ再点弧中にプラズマ成分をキャビティ内に導入する、放出材料の蒸気通気によって支援される。このような通気は、高圧小電流ランプにおいて極めて望ましい。通気は、終端侵入深さよりも実質的に大きくない深さを有するキャビティにとって好ましい。キャビティの深部が高温であることは有利であり、キャビティ部材の前端とこれを囲むクーラー輻射シールドとの間の熱結合を強化することによって得られ、またキャビティ部材の側部とクーラーシールドとの間の断熱によっても得られる。キャビティのより下位の部分内に放出材料を配置すると、より深い終端侵入に有利に働く。輻射シールドをキャビティ部材よりも越えて突出させることは、シールド上でのスポットモードのアーク終端の形成を助けることになるので、このような突出を回避するようにされる。

この教示は、電極先端上に螺旋部材を使用することを示唆するが、螺旋部材は、実際にはキャビティを形成しない。螺旋部材は、放出材料のリザーバを形成するのに使用される。リザーバは、完全には放出材料で充填されないが、この材料を所定位置で保持する要素がキャビティを完全に充填する。また、放出材料の挿入及び多数の電極構成部品に起因して、このような電極を製造することが複雑になっている。

別の解決策は、米国公開特許出願第２００６／０２３８１２７号により知られており、ここでは、放電容器は、電極ペアを備えた互いに対向する第１及び第２のネック形部分を有し、該電極の各々は全長にわたって管状である。この文献において、ロッド及び螺旋の組み合わせは、これらの間の熱接触部の制御が困難であるなど、幾つかの欠点を有することが示されている。従って、電極は、タングステン管体を中間部材と共にタングステンロッド上に装着することにより製造される。小径のタングステン管体は、極めて高価であり、非従来的な電極生産技術を必要とし、これは、製造コストが更に増大する可能性があり、主としてミリメートル未満の大きさの電極において寸法制御の問題を伴う場合がある。

米国特許第２，８８７，６０３号公報 米国特許第２，９５１，１７１号公報 米国特許第３，６１９，６９９号公報 米国公開特許出願第２００６／０２３８１２７号公報

単純でコスト効率のよい製造技術を要する、キャビティ電極を備えたＨＩＤランプに対する必要性がある。

最近の新しい要件は、ＨＩＤランプが連続且つ広範囲のワット数で減光可能なことである。更に、好適な電極構造によってこの要件に対して適合することが特に必要とされている。

本発明の例示的な実施形態において、放電容器と、放電容器内で対向する位置で互いに面する実質的に平坦な端部を有する２つの電極ロッドとを備える高輝度放電ランプが提供される。ワイヤの螺旋コイルが、電極ロッドの少なくとも１つの表面の少なくとも一部上で巻き付けられる。螺旋コイルは、対応する電極ロッドの端部を越えて突出し、従って、ランプの減光可能ワット数範囲を拡大する中空キャビティを形成する。

本発明の別の態様の例示的な実施形態において、高輝度放電ランプ用電極が提供される。電極は、実質的に平坦な端部を有する電極ロッドを含む。ワイヤの螺旋コイルが電極ロッドの表面の少なくとも一部に巻き付けられ、螺旋コイルが、電極の端部を越えて突出し、従ってランプの減光可能ワット数範囲を拡張する中空キャビティを形成する。

最後に、このような電極を製造する方法が提供され、本方法は、電極ロッドの表面上にワイヤの少なくとも１つの螺旋コイル層の巻線を巻くステップを含み、他方、螺旋コイル層が、電極ロッドの端部を越えて突出し、従って中空キャビティを形成する。

本方法の例示的な実施形態において、螺旋コイル層及びその巻線は、シリンダ、内側コア及びリング形可動ピストンを含む加圧モールド内で互いに加圧される。

本発明は、従来技術よりも優れた幾つかの利点を有する。本発明は、公知のＨＩＤランプの減光可能ワット数範囲に対して、ＨＩＤランプの減光可能ワット数範囲を有意に広げる。ランプ電極の柔軟性のあるキャビティ形状構造は、良好な発光効率を提供し、アーク付着がより明確に定義され、結果としてより安定したランプ動作がもたらされる。本発明の電極構造は、既存の製造技術に僅かな修正を施すことによって生産することができ、この結果、ランプ生産が安価で且つ容易になる。

放電容器を含む本発明の実施形態によればＨＩＤランプの例示的な実施形態を示す側断面図。 図１の放電容器を示す側断面図。 図１のランプの電極の末端部分を示す側断面図。 本発明による電極の別の１つの実施形態を示す側断面図。 電極の別の１つの実施形態を示す側断面図。 電極の更に別の１つの実施形態を示す側断面図。 電極の製造で使用される加圧構成を概略的に示す側断面図。 電極の製造で使用される別の加圧構成を概略的に示す側断面図。 加圧後の図７の構成を概略的に示す側断面図。 公知のランプと本発明のランプの減光可能ワット数範囲を含む図表。

ここで、添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

最初に図１を参照すると、高輝度放電ランプ（又はＨＩＤランプと一般に呼ばれる）が図示されている。ランプは、放電容器２を含む外管１を有し、該放電容器は、ピンチ部分６においてリード線５により電気端子４に接続される。放電容器２は２つの電極３を備える。放電容器２は、例えば、石英ガラスで作ることができるが、他の好適な材料、例えば、多結晶アルミナ、イットリウムアルミニウムガーネット、ＡＩＮを用いることもできる。外管１は、容器内の放電によって放出されるＵＶ放射線の適度なフィルタ除去を達成するために、例えば、硬質ガラス、石英ガラス、又はこれらのドープ形態で作ることができる。

放電容器２が図２に示される。放電容器は、例えば希ガス、ナトリウム、メタルハイドライド、水銀、又は水銀代替材料（例えば、ＺｎＩ_２、ＡｌＩ_３）などＨＩＤランプで広く使用されている何れかの公知の物質で充填することができる。２つの電極３は、放電容器内で対向する位置で互いに面する自由端部を有する。この構成は、他のＨＩＤランプにおいても一般的に使用されている。

図３は、図１のランプの電極７の１つの末端部分を示す。図３には、タングステン又はタングステン合金製の電極ロッド９がある。電極ロッドは、例えば、トリウム、ハフニウム、及びセリウムを含む群から選択された１つ又はそれ以上の金属の何れかの酸化物を１〜３重量％含むことができる。このタイプの材料は、放電ランプ電極に一般的に使用されている。タングステン又はタングステン合金ワイヤの螺旋コイル１０は、電極ロッド９の少なくとも一部の表面部分に巻き付けられる。タングステン合金ワイヤは、電極ロッド９の材料と同じ付加材料を含むことができる。ワイヤが巻き付けられた表面部分は、電極ロッド９の自由端部付近であり、放電空間に向って実質的に平坦な端部１６で終端される。螺旋コイル１０は、電極ロッド９の端部１６を越えて突出している。従って、ＨＩＤランプの減光可能なワット数範囲の拡張を得るために、中空キャビティ１１が形成されている。

図４は、中空電極の別の代替の種類の末端部分を示している。これは、図３に示した形態と極めて類似するが、螺旋コイル１０が２つの層を含む点で異なる。第１の層１７は、図３の実施形態と同様の様態で電極ロッド９上に巻き付けられる。しかしながら、外側の第２の層１８は、第１の層１７に直接巻き付けられる。２つの層１７及び１８は共に、電極熱質量についての良好な設計自由度及びより大きな機械的安定性の両方を同時に提供することができる。この実施形態でもまた中空キャビティ１１が形成されており、所望の動作機能が確保される。

続いて、図５及び６においてこの２層タイプの電極の２つの修正実施形態が例示されている。

図５では、第２の層１８が、第１の層１７に対して電極の自由端部に向ってシフトしている。これは、漏斗状の拡大スロート部分を有するキャビティ１１の別の形状をもたらす。この形状はまた、入手可能な拡張減光可能範囲を大幅に向上させることが分かった。キャビティ１１の漏斗状の拡大スロート部分は、実際には、長さＬ１の内側部分と外側拡大部分とを含む。中空キャビティ１１の全長はＬ２である。スロート部分の拡大の程度は、この実施形態では、第１の層１７のワイヤの半径ｒ２によって決まる。拡大は、２つのコイルのワイヤの直径が同じであるので、この場合にはｒ２の４倍に等しい。しかしながら、この拡大は、電極ロッド９の端部１６から離れて移動させながら、第２の層１８のコイルの後続の巻線を増大させることができる。これは、円錐漏斗状拡大スロート部分をもたらすことになる。この実施可能な実施形態は、別の図面で示していない。

第２の層１８のワイヤの半径ｒ３は、第１の層１７のワイヤの半径ｒ２と実質的に同一であるか、又は異なるものであってもよい。サイズの一般的なルールとして、螺旋コイルのワイヤの半径ｒ２及びｒ３が、円筒形状の対応する電極ロッド９の半径ｒ１の５分の３未満であるように提案することができる。このルールは、最新の製造技術の制約事項に由来している。

図６は、第３の層１９で完成した図５の１つの変形形態である。この場合の第２の層１８もまた、第１の層１７よりも大きな長さを有して、対応する電極ロッドの端部１６を越えて突出している。第３の層１９は、タングステン又はタングステン合金ワイヤで作られており、第１及び第２の層１７及び１８間に巻き付けられ、第３の層のワイヤの半径は、第１及び第２の層１７及び１８のワイヤの半径よりも小さい。半径は、例えば、形状寸法によって、すなわち半径ｒ２及びｒ３によって最適化することができる。この構成により、螺旋コイル１０のワイヤ間の空間充填は、前の実施形態におけるよりも良好にすることができる。第３の層１９は、第２の層１８と重なる部分だけでなく、第１の層１７の完全に外側に延びることができる。放出材料はまた、合金の形態で電極の材料又は螺旋コイルに添加するのではなく、コイル巻線間に分配することができる。

製造の過程で、電極ロッド９の表面上にタングステン又はタングステン合金ワイヤからなる少なくとも１つの螺旋コイル層の巻線を巻くステップが実施され、結果として得られる螺旋コイル層は、電極ロッド９の端部１６を越えて突出し、すなわち中空キャビティ１１が形成されることになる。

従って、電極７の末端部分は、螺旋コイル１０で作られる。これは、コイルの隣接する巻線間の電気的及び機械的接触が場合によっては不十分になる可能性があることを意味する。接触品質を高めるために、螺旋コイル層及びその巻線は、製造中に互いに加圧することができる。図７は、この目的で使用される加圧構成を概略的に示している。シリンダ１３は、加圧中に支持できるように、第２の層１８の外径と実質的に同じ内径を有する。同じ理由により、内側コア１４は、キャビティ１１に押し付けられる。第１及び第２の層１７及び１８が、同じ長さで対応する電極ロッド９の端部１６を越えて突出する場合、唯一必要とされる加圧要素は、内側コア１４の回りに配置されるリング形ピストン１５である。リング形ピストン１５は、内側コア１４に沿って移動可能である。ピストン１５に力Ｆ_１が加わった場合、螺旋コイル１０の巻線は、図９に示すように、ある程度まで変形されることになる。この結果として得られるものは、より高密度の電極末端部分構造であり、ランプ動作中の放電に対してより耐性がある。

図５の層構造は、図９に示すような異なる加圧ツールを必要とする。突出長さＬ１及びＬ２が異なるので、内側コア１４の回りの２つの同心リング形ピストン１５’及び１５’’が適切である。対応する力Ｆ_１及びＦ_２は、互いに独立した方式でそれぞれ印加されることになる。

図１０の図表において、キャビティ１１のない公知のＨＩＤランプ（Ｄ１）と、本発明の例示的な実施形態によるキャビティ１１を備えたＨＩＤランプ（Ｄ２）の減光可能ワット数範囲を比較している。２つのＨＩＤランプは、同じ公称ワット数値を有していた。減光可能ワット数範囲は、Ｄ１よりもＤ２の場合の方がかなり低い値から始まっている。更に、ｌｍ／Ｗ効率もＤ２がより優れている。ランプの拡張減光可能ワット数範囲は、公称ワット数の少なくとも１０〜１００％を含む。公称電力の５〜１００％の全範囲で安定した動作を得ることが可能であり、公称ランプルーメン出力の１〜１００％の減光機能をもたらす。これは、何れかの公知のＨＩＤ電極を使用することでは実施することはできなかった。

図２の２つの電極は両方とも、本発明の１つの実施形態によるものである。しかしながら、一方は中空キャビティを備えない従来の電極を使用し、他方は本発明の１つの実施形態による電極を用いることも可能である。

本発明は、図示された及び開示された実施形態に限定されず、他の要素、改善点、及び変形形態もまた本発明の範囲内にある。例えば、多角形断面などの異なる断面形状の電極ロッドもまた、本発明において適用可能とすることができる点は、当業者には明らかである。

１ 外管
２ 放電容器
３ 電極
４ 電気端子
５ リード線
６ ピンチ部分

Claims (10)

1. 放電容器と、
   前記放電容器内で対向する位置で互いに面する実質的に平坦な端部を有する２つの電極ロッドと、
   前記電極ロッドの少なくとも１つの表面の少なくとも一部上で巻き付けられるワイヤの螺旋コイルと、
   を備え、
   前記螺旋コイルが、対応する前記電極ロッドの端部を越えて突出し、中空キャビティを形成する第１及び第２の層を備え、
   前記中空キャビティが対応する電極ロッドの前記端部を越えて突出する、
   高輝度放電ランプを製造する方法であって、
   前記第１の層を前記電極ロッドの前記表面に巻き付け、前記第１の層が対応する前記電極ロッドの端部を越えて突出し、中空キャビティを形成するように前記第１の層を位置付けるステップと、
   前記第２の層が前記電極ロッドと重なり、前記第２の層が対応する前記電極ロッドの端部を越えて突出し、中空キャビティを形成するように前記第１の層の少なくとも１部分に重ねて前記第２の層を巻き付けるステップと、
   前記電極ロッドに巻き付けられた前記第１の層と前記第１の層に巻き付けられた前記第２の層を加圧して、前記螺旋コイルの隣接する巻線間の電気的及び機械的接触を高めるステップと、
   を含む、方法。
2. シリンダ、内側コア及びリング形可動ピストンを含む加圧モールド内で前記螺旋コイル層及び前記巻線を共に加圧する追加のステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. シリンダ、内側コア及び２つの同心リング形可動ピストンを含む加圧モールド内で前記螺旋コイル層及び前記巻線を共に加圧するステップを含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記電極ロッドに放出材料を施工するステップを含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記螺旋コイルの巻線間のスペースに放出材料を施工するステップを含む、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記放出材料が合金の形態で添加される、
   請求項４または５に記載の方法。
7. 前記第１及び第２の層の間にワイヤの第３の層が巻き付けるステップを含み、
   前記第３の層のワイヤの半径が、前記第１及び第２の層のワイヤの半径よりも小さい、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１及び第２の層のワイヤの半径が実質的に同じであり、
   前記電極ロッドが円筒形状である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記電極ロッドがタングステン又はタングステン合金から作られる、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記電極ロッドの材料が、トリウム、ハフニウム、及びセリウムを含む金属の少なくとも１つの酸化物の１〜３重量％を含む、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
    

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