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

放電ランプ、および放電ランプの製造方法 Download PDF

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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。
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