JP6295776B2 - 放電ランプ、および放電ランプの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、放電ランプ、および放電ランプの製造方法に関する。

放電空間を内部に有する発光部と、放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と、一対の電極のそれぞれに溶接された金属箔とを有する放電ランプがある。
電極と金属箔は、例えば、レーザ溶接法を用いて溶接されている。
レーザ溶接法を用いて電極と金属箔を溶接すれば、抵抗溶接法を用いて電極と金属箔を溶接する場合に比べて、電極の組み立て精度を向上させることができる。
ところが、レーザ溶接法を用いて電極と金属箔を溶接すれば、金属箔の端部を起点としたクラックリークが発生したり、金属箔に穴があいたりするおそれがある。

特開平１１−２５０８０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、金属箔の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔に穴があくこととを抑制することができる放電ランプ、および放電ランプの製造方法を提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、放電空間を内部に有する発光部と；前記発光部の端部に設けられた封止部と；一端が前記放電空間の内部に設けられ、他端が前記封止部の内部に設けられた電極と；前記封止部の内部に設けられ、溶融部において、前記電極と溶接された金属箔と；を具備している。
前記電極の直径寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
前記電極の材料は、トリエーテッドタングステン、純タングステン、ドープタングステン、およびレニウムタングステンのいずれかであり、
前記金属箔の材料は、モリブデンであり、
前記封止部の材料は、石英ガラスであり、
前記溶融部は、中央部分が前記電極側にへこんだ形状を有し、
前記溶融部の周縁近傍と、前記電極との間の領域には、少なくとも前記溶接の際に溶融した前記電極の材料を含む埋め込み部が設けられ、
前記埋め込み部には、前記封止部が密着し、
前記電極の直径寸法をＲ、前記溶融部の前記電極の軸方向と直交する方向の長さをＷとした場合に、以下の式を満足する。
Ｒ−０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｒ＋０．１０ｍｍ

本発明の実施形態によれば、金属箔の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔に穴があくこととを抑制することができる放電ランプ、および放電ランプの製造方法を提供することができる。

本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。 電極３２と金属箔３１を溶接した際に形成される溶融部３６について例示をするための模式図である。 電極３２と金属箔３１をレーザ溶接法にて溶接する様子を例示するための模式平面図である。 図３におけるＡ−Ａ線断面図である。 溶融部３６の顕微鏡写真である。 溶融部３６の断面を表す顕微鏡写真である。 領域３７に生じる空間３８を例示するための模式断面図である。 溶融部３６の幅寸法Ｗとクラックリークの発生率の関係、および、溶融部３６の幅寸法Ｗと穴あきの発生率の関係を例示するためのグラフ図である。 金属箔３１の放電空間１１１側の端部の上に、溶融部３６の中心がある場合を例示するための模式図である。 溶融部３６の幅寸法Ｌとクラックリークの発生率の関係を例示するためのグラフ図である。

実施形態に係る発明は、放電空間を内部に有する発光部と；前記発光部の端部に設けられた封止部と；一端が前記放電空間の内部に設けられ、他端が前記封止部の内部に設けられた電極と；前記封止部の内部に設けられ、溶融部において、前記電極と溶接された金属箔と；を具備し、
前記電極の直径寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
前記電極の材料は、トリエーテッドタングステン、純タングステン、ドープタングステン、およびレニウムタングステンのいずれかであり、
前記金属箔の材料は、モリブデンであり、
前記封止部の材料は、石英ガラスであり、
前記溶融部は、中央部分が前記電極側にへこんだ形状を有し、
前記溶融部の周縁近傍と、前記電極との間の領域には、少なくとも前記溶接の際に溶融した前記電極の材料を含む埋め込み部が設けられ、
前記埋め込み部には、前記封止部が密着し、
前記電極の直径寸法をＲ、前記溶融部の前記電極の軸方向と直交する方向の長さをＷとした場合に、以下の式を満足する放電ランプである。
Ｒ−０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｒ＋０．１０ｍｍ
この放電ランプによれば、金属箔の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔に穴があくこととを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本発明の実施形態に係る放電ランプは、例えば、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプとすることができる。また、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプとする場合には、いわゆる水平点灯を行うものとすることができる。

本発明の実施形態に係る放電ランプの用途は、自動車の前照灯に限定されるわけではないが、ここでは一例として、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。
なお、図１においては、放電ランプ１００を自動車に取り付けた場合に、前方となる方向を前端側、その反対方向を後端側、上方となる方向を上端側、下方となる方向を下端側としている。
図１に示すように、放電ランプ１００には、バーナー１０１とソケット１０２が設けられている。

バーナー１０１には、内管１、外管５、発光部１１、封止部１２、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、金属バンド７１が設けられている。
内管１は、円筒状を呈し、透光性と耐熱性を有した材料から形成されている。内管１は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。
外管５は、内管１の外側に内管１と同芯に設けられている。すなわち、二重管構造となっている。

外管５と内管１との接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５を溶着することにより行うことができる。内管１と外管５との間に形成された閉空間には、ガスが封入されている。封入されるガスは、誘電体バリア放電可能なガス、例えば、ネオン、アルゴン、キセノン、窒素から選択された一種のガス、またはこれらの混合ガスとすることができる。ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で０．３ａｔｍ以下とすることができ、０．１ａｔｍ以下とすることがより好ましい。

外管５は、内管１の材料の熱膨張係数に近く、かつ紫外線遮断性を有する材料から形成することが好ましい。外管５は、例えば、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加した石英ガラスから形成することができる。
発光部１１は、断面形状がほぼ楕円形を呈し、内管１の中央付近に設けられている。発光部１１の内部には、中央部分がほぼ円柱状で、両端がテーパ状にすぼまっている放電空間１１１が設けられている。

放電空間１１１には、放電媒体が封入されている。放電媒体は、金属ハロゲン化物２と、不活性ガスとを含む。
金属ハロゲン化物２は、例えば、インジウムのハロゲン化物、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などを含むものとすることができる。ハロゲンとしては、例えば、ヨウ素を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素や塩素などを用いることもできる。
なお、金属ハロゲン化物２の組成は、例示をしたものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。

放電空間１１１に封入される不活性ガスは、例えば、キセノンとすることができる。不活性ガスは、目的に応じて封入圧力を調整することができる。例えば、全光束を増加させるためには、封入圧力を常温（２５℃）で１０ａｔｍ以上、２０ａｔｍ以下にすることが好ましい。また、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを用いたり、これらを組み合わせた混合ガスを用いることもできる。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の一対の電極３２の軸方向の両端部にそれぞれ設けられている。
封止部１２は、例えば、ピンチシール法を用いて形成することができる。なお、封止部１２は、シュリンクシール法により形成され、円柱状を呈したものであってもよい。
一方の封止部１２の発光部１１側とは反対側の端部には、境界部１３を介して円筒部１４が連続的に形成されている。

電極マウント３は、封止部１２の内部に設けられている。
電極マウント３には、金属箔３１、電極３２、コイル３３、リード線３４が設けられている。
金属箔３１は、薄板状を呈し、例えば、モリブデンから形成されている。

電極３２は、断面が円形の線状を呈し、例えば、タングステンに酸化トリウムをドープした、いわゆるトリエーテッドタングステンから形成されている。なお、電極３２の材料は、純タングステン、ドープタングステン、レニウムタングステンなどであってもよい。

電極３２の一端は、金属箔３１の発光部１１側の端部近傍に溶接されている。電極３２と金属箔３１の溶接は、レーザ溶接法を用いて行うことができる。
なお、電極３２と金属箔３１を溶接した際に形成される溶融部（溶接痕）３６に関する詳細は後述する。

電極３２の他端は、放電空間１１１内に突出している。電極３２は、先端同士が所定の距離を保って互い対向するように配置されている。
すなわち、一対の電極３２は、放電空間１１１の内部にそれぞれ突出し、所定の距離を置いて対向配置されている。
電極３２の先端同士の間の距離は、例えば、３．４ｍｍ以上４．４ｍｍ以下とすることができる。

電極３２の直径寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることができる。
電極３２の直径寸法が、０．２ｍｍ未満となると、点灯時に電極３２の温度が高くなりすぎて、放電空間１１１内への電極材料の飛散（スパッタリング）が増加するおそれがある。放電空間１１１内への電極材料の飛散が増加すると、点灯中の光束維持率が低下するとともに、寿命が短くなる。
電極３２の直径寸法が、０．４ｍｍを超えると、封止部１２における歪みが増加するおそれがある。封止部１２における歪みが増加すると、放電ランプ１００の製造時や点灯時に封止部１２に割れなどが発生するおそれがある。

なお、電極３２の直径寸法は、電極３２の軸方向に一定でなくてもよい。例えば、電極３２の直径寸法は、先端部側が基端部側よりも長くなっていてもよい。また、電極３２の先端部が球形となっていてもよい。また、直流点灯タイプのように、一方の電極の直径寸法と、他方の電極の直径寸法が異なるものであってもよい。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線から形成することができる。コイル３３は、封止部１２の内部に設けられた電極３２の外側に巻きつけられている。この場合、例えば、コイル３３の線径は３０μｍ〜１００μｍ程度、コイルピッチは６００％以下とすることができる。

リード線３４は、断面が円形の線状を呈し、モリブデンなどから形成されている。リード線３４の一端側は、金属箔３１の発光部１１側とは反対側の端部近傍に溶接されている。リード線３４と金属箔３１の溶接は、レーザ溶接法を用いて行うことができる。リード線３４の他端側は、内管１の外部にまで伸びている。

サポートワイヤ３５は、Ｌ字状を呈し、放電ランプ１００の前端側から出ているリード線３４の端部に溶接されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との溶接は、レーザ溶接法を用いて行うことができる。サポートワイヤ３５は、例えば、ニッケルから形成することができる。
スリーブ４は、サポートワイヤ３５の内管１と平行に延びる部分を覆っている。スリーブ４は、例えば、円筒状を呈し、セラミックから形成されたものとすることができる。
金属バンド７１は、外管５の後端側の外周面に固定されている。

ソケット１０２には、本体部６、取り付け金具７２、底部端子８１、側部端子８２が設けられている。
本体部６は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６の内部には、リード線３４、サポートワイヤ３５、およびスリーブ４の後端側が設けられている。

取り付け金具７２は、本体部６の前端側の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６から突出しており、金属バンド７１を保持する。取り付け金具７２により金属バンド７１を保持することで、バーナー１０１がソケット１０２に保持される。

底部端子８１は、本体部６の後端部側の内部に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成され、リード線３４と電気的に接続されている。
側部端子８２は、本体部６の後端部側の側壁に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成され、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

そして、底部端子８１が高圧側、側部端子８２が低圧側になるように図示しない点灯回路と接続される。自動車の前照灯の場合には、放電ランプ１００の中心軸がほぼ水平の状態で、かつサポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように取り付けられる。そして、この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することを水平点灯という。

次に、電極３２と金属箔３１を溶接した際に形成される溶融部３６についてさらに説明する。
図２は、電極３２と金属箔３１を溶接した際に形成される溶融部３６について例示をするための模式図である。
なお、図２においては、溶融部３６の電極３２の軸方向と直交する方向の長さ（以下、溶融部３６の幅寸法と称する）をＷとしている。
また、電極３２の直径寸法をＲとしている。

図３は、電極３２と金属箔３１をレーザ溶接法にて溶接する様子を例示するための模式平面図である。
図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。

電極３２と金属箔３１をレーザ溶接する際には、図３および図４に示すように、治具９１に設けられた断面形状がＶ字状の溝９１１の内部に、電極３２およびリード線３４をセットする。続いて、電極３２およびリード線３４のそれぞれの一部に重なるようにして金属箔３１をセットする。その後、金属箔３１の四隅の近傍を押さえ部材９２により押さえつける。

次に、図４に示すように、ＹＡＧレーザ照射装置９３から、金属箔３１と電極３２が重ね合わされた部分にレーザ光を照射すると、金属箔３１と電極３２が溶接され、溶融部３６が形成される。

図５は、溶融部３６の顕微鏡写真である。
図６は、溶融部３６の断面を表す顕微鏡写真である。

図２および図５に示すように、電極３２と金属箔３１は、金属箔３１と、電極３２の少なくとも一部とが重なり合うようにした状態で複数箇所溶接されている。
なお、図２および図５に例示をしたものの場合には、２箇所溶接されている。
また、図６に示すように、溶融部３６は中央部分がへこんだ形状をしている。
また、溶融部３６の周縁近傍と、電極３２との間の領域３７は、溶接時に溶融した金属により埋められている。
レーザ溶接法を用いた溶接を行うことで、この様な形態を有する溶融部３６を形成することができる。

本発明者の得た知見によれば、溶融部３６の幅寸法Ｗを小さくしすぎると、領域３７に空間３８が生じることが判明した。
図７は、領域３７に生じる空間３８を例示するための模式断面図である。
溶融部３６の幅寸法Ｗを小さくしすぎると、領域３７に埋め込まれる金属の量が少なくなる。
ここで、前述したように、封止部１２は、ピンチシール法やシュリンクシール法を用いて形成される。
そのため、領域３７に埋め込まれる金属の量がある程度少なくなっても、軟化したガラスが埋め込まれることになる。

ところが、領域３７に埋め込まれる金属の量が少なくなりすぎると、軟化したガラスによる埋め込みがしきれずに空間３８が生じる。
空間３８が生じると、放電ランプ１００の点灯により蒸発した金属ハロゲン化物２が、電極３２を介して金属箔３１の放電空間１１１側の端部まで侵入し、形成された空間３８を介して、金属箔３１の広い範囲に広がりやすくなる。そして、金属ハロゲン化物２と金属箔３１との化学反応が進むと、金属箔３１の端部を起点として封止部１２にクラックが生じやすくなる。さらに、クラックを介したリーク（クラックリーク）が起こり、不灯に至るおそれがある。その結果、空間３８を有する放電ランプ１００は、空間３８を生じない放電ランプ１００に比べて、点灯してから早い時間で不点灯になる。

一方、溶融部３６の幅寸法Ｗを大きくしすぎると、溶融部３６の周縁近傍に穴が生じる。溶融部３６の周縁近傍に穴が生じると、電極３２と金属箔３１の接合強度が低下することになる。

図８は、溶融部３６の幅寸法Ｗとクラックリークの発生率の関係、および、溶融部３６の幅寸法Ｗと穴あきの発生率の関係を例示するためのグラフ図である。
図８中のＲは、電極３２の直径寸法であり、前述した０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲としている。
クラックリークの発生率は、２５００時間以内にクラックリークが発生した確率である。
図８から分かるように、Ｒ−０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｒ＋０．１０ｍｍとすれば、金属箔３１の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔３１に穴があくこととを抑制することができる。
溶融部３６の幅寸法Ｗの制御は、レーザ照射装置の出力を制御したり、スポット径を制御したりすることで行うことができる。

ここで、空間３８を有しない箇所が放電空間１１１側に近くなるほど、放電ランプ１００の点灯により電極３２を介して侵入してきた金属ハロゲン化物２が、金属箔３１の広い範囲に広がりにくくなると考えられる。
図９は、金属箔３１の放電空間１１１側の端部の上に、溶融部３６の中心がある場合を例示するための模式図である。
図９に例示をする溶融部３６の配置とし、空間３８を有しない箇所が金属箔３１の放電空間１１１側の端部であれば、金属箔３１の端部を起点としたクラックリークが発生しにくくなると考えられる。
なお、金属箔３１の放電空間１１１側の端部の上に設けられた溶融部３６の幅寸法（溶融部３６の電極３２の軸方向と直交する方向の長さ）は、Ｌとしている。
図１０は、溶融部３６の幅寸法Ｌとクラックリークの発生率の関係を例示するためのグラフ図である。
なお、図１０は、図９に例示をした溶融部３６の配置の場合である。
図１０中のＲは、電極３２の直径寸法であり、前述した０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲としている。
クラックリークの発生率は、２５００時間以内にクラックリークが発生した確率である。
図１０から分かるように、Ｒ−０．０２ｍｍ≦Ｌ≦Ｒ＋０．１０ｍｍとすれば、金属箔３１の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔３１に穴があくこととを抑制することができる。
すなわち、溶融部３６の幅寸法をＲ−０．０２ｍｍ以上、Ｒ＋０．１０ｍｍ以下とすれば、溶融部３６の配設位置にかかわらず、金属箔３１の端部を起点としたクラックリークの発生と、金属箔３１に穴があくこととを抑制することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 内管、５ 外管、１１ 発光部、１２ 封止部、３１ 金属箔、３２ 電極、３６ 溶融部、３７ 領域、３８ 空間、１００ 放電ランプ、１１１ 放電空間、Ｌ 溶融部の幅寸法、Ｒ 電極の直径寸法、Ｗ 溶融部の幅寸法、

Claims (4)

1. 放電空間を内部に有する発光部と；
   前記発光部の端部に設けられた封止部と；
   一端が前記放電空間の内部に設けられ、他端が前記封止部の内部に設けられた電極と；
   前記封止部の内部に設けられ、溶融部において、前記電極と溶接された金属箔と；
   を具備し、
   前記電極の直径寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
   前記電極の材料は、トリエーテッドタングステン、純タングステン、ドープタングステン、およびレニウムタングステンのいずれかであり、
   前記金属箔の材料は、モリブデンであり、
   前記封止部の材料は、石英ガラスであり、
   前記溶融部は、中央部分が前記電極側にへこんだ形状を有し、
   前記溶融部の周縁近傍と、前記電極との間の領域には、少なくとも前記溶接の際に溶融した前記電極の材料を含む埋め込み部が設けられ、
   前記埋め込み部には、前記封止部が密着し、
   前記電極の直径寸法をＲ、前記溶融部の前記電極の軸方向と直交する方向の長さをＷとした場合に、以下の式を満足する放電ランプ。
   Ｒ−０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｒ＋０．１０ｍｍ
2. 以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
   Ｒ＋０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｒ＋０．０８ｍｍ
3. 請求項１または２に記載の放電ランプを製造する方法であって、
   金属箔と電極とを重ね、前記金属箔と前記電極が重ね合わされた部分にレーザ光を照射して、中央部分が前記電極側にへこんだ形状を有する溶融部を形成する放電ランプの製造方法。
4. 請求項１または２に記載の放電ランプを製造する方法であって、
   ピンチシール法またはシュリンクシール法を用いて封止部を形成することで、溶融部の周縁近傍と電極との間の領域に設けられた埋め込み部と前記封止部を密着させる放電ランプの製造方法。