(57)【要約】【課題】  電極に発生する亀裂や折れの不具合を低減する。【解決手段】本発明の放電ランプは、金属箔２１１、２１２の一端に電極２２１、２２２、他端に外部リード線２３１、２３２が溶接によりレーザー接続されており、その電極２２１、２２２に形成された溶接部３１の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３であるランプ用封着体２１、２２を、放電ランプの封着体として気密容器１の封止部１３１、１３２に封止する。【選択図】  図２
2006196267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の一端に電極、他端に外部リード線が溶接により接続されたランプ用封着体であって、前記電極に形成された溶接部の深さｄ（ｍｍ）と前記電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３であることを特徴とするランプ用封着体。
【請求項２】
前記金属箔の表面に、金属層がコーティングされていることを特徴とする請求項１記載のランプ用封着体。
【請求項３】
内部に放電媒体が封入される発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器と、
前記封止部に封着された請求項１または請求項２に記載のランプ用封着体とを具備したことを特徴とする放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の前照灯や液晶プロジェクター等に使用される放電ランプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放電ランプは、発光管部が形成された透光性の気密容器の両端に形成された封止部に、電極および外部リード線をそれぞれ両端部に溶接によって接続した金属箔を封着し、電極は気密容器内の放電空間内で対向して配置される構造とするのが一般的である。
【０００３】
この金属箔と電極および外部リード線との接続方法には、主として抵抗溶接が用いられてきた。しかし、抵抗溶接は電極や金属箔の材料の抵抗値や融点などの物性値によって好適な溶接条件が変化するため、接合不良や金属箔の穴あきなどが発生することがあった。そこで、レーザーによる溶接が試みられている。（例えば、特許文献１および特許文献２）
【特許文献１】特開平８−５０８８２号公報（第２〜３頁、図１、２）
【特許文献２】特開２０００−２８８７５５号公報（第３、７頁、図１１、１４、１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１の図１のように、金属箔の裏面から電極にレーザーを照射して溶接したランプ用封着体において、そのランプ用封着体を封止工程によって封止した後に、電極に亀裂が入ったり、電極が折れたりする不具合が発生している。
【０００５】
本発明の目的は、電極に発生する亀裂や折れの不具合を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のランプ用封着体は、金属箔の一端に電極、他端に外部リード線が溶接により接続されたランプ用封着体であって、前記電極に形成された溶接部の深さｄ（ｍｍ）と前記電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電極に発生する亀裂や折れの不具合を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態の放電ランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である放電ランプの全体図である。
【０００９】
気密容器１は、例えば、耐火性で透光性の石英ガラスからなり、軸方向の形状が楕円形の発光管部１１と、発光管部１１と同材料で、その長手方向の両端部に圧潰形成された板状の封止部１３１、１３２とからなる。発光管部１１の内部には、軸方向の形状が略円筒状で、内容積が０．１ｃｃ以下の放電空間１２が形成されており、放電空間１２には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、および希ガスであるキセノンが封入されている。
【００１０】
ヨウ化ナトリウムに含有されている金属ナトリウムおよびヨウ化スカンジウムに含有されている金属スカンジウムは、主に発光金属として作用し、ヨウ化亜鉛に含まれている金属亜鉛は、主に水銀に代わるランプ電圧形成媒体として作用する。これらの発光金属と結合されるハロゲン化物としては、他のハロゲン化物よりも反応性が低いヨウ素が最も好適であるが、臭素や塩素などの他のハロゲンを使用してもよい。また、希ガスであるキセノンは、始動直後の発光効率が高いため、主に始動ガスとして作用する。
【００１１】
ここで、発光管部１１に封入される放電媒体には、水銀は本質的に含まれていない。この「本質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、または１ｃｃ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という意味である。つまり、従来の水銀入りのショートアーク形ランプのように、水銀蒸気によって放電ランプの電圧を所要に高くする場合、１ｃｃあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上封入しており、この水銀量と比較すれば、２ｍｇ未満の水銀量は圧倒的に少なく、本質的に水銀が含まれないと言える。
【００１２】
封止部１３１、１３２の内部には、ランプ用封着体２１、２２が封着されている。このランプ用封着体２１、２２は、厚さが１８μｍ〜２５μｍでモリブデンからなる金属箔２１１、２１２の両端部に、タングステンからなり、先端部の直径が基端部の直径よりも大きく、その基端部の直径が０．２８ｍｍ〜０．３２ｍｍの段付き電極２２１、２２２および直径が０．３８ｍｍ〜０．４２ｍｍでモリブデンからなる外部リード線２３１、２３２からなる。
【００１３】
図２は、金属箔と電極の溶接部部分を説明するための断面図である。ここで、（ａ）は管軸方向に垂直な断面図、（ｂ）は管軸方向に平行な断面図を示している。
【００１４】
ランプ用封着体２１を管軸方向に垂直な断面で見ると、金属箔２１１上に電極２２１が配置され、金属箔２１１の電極配置面に対して反対の面から、断面が略三角形の溶接部３１が形成されている。この「溶接部」とは、他の部分よりも熱による結晶化が進んでいるために、大きな結晶の塊を形成している部分であり、再結晶部と見ることもできる。また、管軸方向に平行な断面で見ると、溶接部が軸方向に複数形成されており、それぞれ溶接部３１〜３３となっている。この溶接部３１〜３３は、断面形状がそれぞれ三角形、四角形、先端部分が延出した形状の三角形になっており、立体形状では、略円錐、略円錐台になる。これら溶接部３１〜３３の形状は、溶接する際の加熱によって、様々な形状に形成することができ、上記以外では、例えば、複数の溶接部がつながって連設された形状なども形成することができる。ここで、溶接部３１〜３３において、金属箔２１１側の溶接部の面が多少の湾曲を伴っているのは、溶接工程時に、溶解によって形成されるものである。
【００１５】
ここで、形成された溶接部３１〜３３のうち、電極２２１の軸中心方向の深さが最も深い溶接部（図２では溶接部３１）は、その深さｄ（ｍｍ）と電極２２１の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３になるように形成されている。この関係になるように、溶接部の深さｄを調節する方法としては、後述する溶接工程において、レーザー照射装置の溶接の投入エネルギーを変化させる、具体的には溶接電流や溶接時間を変化させることによって、容易に所望の深さに調節することができる。
【００１６】
このランプ用封着体の製造方法を、図３を参照して説明する。（ａ）は全体図、（ｂ）は点線Ａ−Ａ’において、矢印方向から見た断面図である。
【００１７】
第１の工程として、載置面４１１にＶ字の溝４１２が形成されたテーブル４１の溝４１２に、電極２２１および外部リード線２３１を略一直線上に置き、その上に金属箔２１１を所定の位置に合わせて配置する。そして、第２の工程として、溶接時の位置ズレを防止するために、金属箔２１１の四隅を固定具４２１〜４２４で押さえ、固定する。ここで、図３（ｂ）においては、金属箔２１１がたわんだ状態で固定される状態となっているが、これは、Ｖ字溝４１２の深さと使用する電極２２１の直径による誤差であり、この状態で溶接製造されたランプ用封着体２１であっても、製品上の問題はない。
【００１８】
その後、第３の工程として、電極２２１等を配置した面に対して、反対の金属箔２１１面から電極２２１等を貫く位置にレーザー照射装置を配置し、レーザー光を照射し、それらの金属同士の一部を溶かし込むことで、互いに接合されランプ用封着体２１が一体形成される。ここで、このレーザーによる溶接は、スポット溶接であるので、金属箔２１１と接する電極２２１および外部リード線２３１の軸方向に、例えば３箇所程度、連続または離間して溶接を行なうことで、相互の接合強度を十分に保つことができる。
【００１９】
上記のランプ用封着体の製造方法は、溶接のために他の金属等を使用する必要がなく、製造が容易で、かつ電極等の金属箔への固定を確実に行なうことができる。
【００２０】
封止部１３１、１３２に封着されたランプ用封着体２１、２２は、その電極２２１、２２２の先端部が放電空間１２内で所定の電極間距離を保って、その先端同士が対向するように配置される。ここで、上記の「所定」とは、自動車の前照灯に使用する場合は４．２ｍｍ程度、プロジェクション用に使用する場合は２ｍｍ程度である。すなわち、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下とすることが好適である。
【００２１】
また、金属箔２１１、２１２の対向端に接続されている、外部リード線２３１、２３２の他端は、封止部１３１、１３２の外部に延出し、そのうち外部リード線２３２には、Ｌ字状に形成された給電端子２３３の一端が、ほぼ直角になるように接続されている。そして、給電端子２３３の一部には、外部リード線２３２部分の電位が影響を与えないよう、例えば、セラミックからなる絶縁チューブ５が被覆されている。
【００２２】
これらを備えた気密容器１の外側には、例えば、紫外線を遮断する材料からなる透光性の筒状の外管６が、その長手方向に沿って気密容器１の大部分を覆うように設けられている。この外管６の長手方向の端部には、封止部１３２とガラス溶着により接続された溶着部６１が形成されている。（ここで、封止部１３１側の溶着部は図示していない。）気密容器１と外管６とで形成された空間は大気雰囲気にされている。また、この空間には、所望により、アルゴンを封入したり、真空雰囲気にしたりすることができる。
【００２３】
気密容器１を内部に覆った状態の外管６は、その外周面を挟持するように形成された固定金属具７によって、ソケット８に接続されている。このソケット８の端部付近には、点灯回路からの電力を供給するための金属端子８１がその外周面に沿って形成されており、金属端子８１は外部リード線２３２と給電端子２３３を介して電気的に接続されている。また、図示していないが、電力を供給するための他方の端子は、ソケット８の底部部分に形成されており、この端子は外部リード線２３１と電気的に接続されている。
【００２４】
図４は、水酸素バーナーで約１８００℃の高温に加熱した石英ガラスに、溶接部の深さを変化させたランプ用封着体を封止した後の電極折れの発生数について説明するための図である。ここで、ランプ用封着体２１には、金属箔２１１はその厚さが２０μｍ、電極２２１はその溶接部分の直径が０．３０ｍｍ、外部リード線２３１はその直径が０．４０ｍｍのものを使用し、溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒを、０．１０〜０．５０の範囲で変化させたものを各１００個作成し、試験を行なった。また、電極折れ発生の有無は、Ｘ線透過撮影により目視で確認した。
【００２５】
図４より、ｄ／ｒが大きくなるほど、電極２２１における折れの発生数が増加していることがわかる。ここで、ｄ／ｒと電極折れの発生率との関係を示した図５のグラフを見ると、電極折れの発生率は、ｄ／ｒが０．３０よりも大きくなったときに増加している傾向が見られる。このことから、溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒは、０．３０以下であることが好適である。また、さらに望ましくは、電極折れの発生率が０％にとどまっているｄ／ｒが０．１５以下であるのがよい。ちなみに、金属箔等の寸法などの条件は同じで、抵抗溶接によって製造したランプ用封着体について同様の試験を行なったところ、試験数１００個中１５個について電極折れが発生しており、ｄ／ｒが０．３０以下であれば、抵抗溶接を行なうよりも電極折れに対して効果があることも確認された。
【００２６】
溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒと電極折れ発生の原因を次のように推測する。
【００２７】
本発明の金属箔と電極（および外部リード線）との溶接方法は、レーザーによって金属箔と電極の一部分を高温状態にすることで溶解し、それらの使用材料は異なるがそれぞれが溶け合うように形成された溶接部により、金属箔と電極を接続している。したがって、この溶接工程では、少なくとも相互がつながる程度の溶接エネルギーを投入する必要があり、さらに相互のつながりを強化するためには、より多くのエネルギーを投入するほうがいいと考えられてきた。それは、エネルギーを多くかけると、その分だけ電極に深く溶接部が形成され、相互の結合が強くなるためである。しかし、封止工程の際には、エネルギーを多く投入し、溶接部が深く形成されたランプ用封着体のほうが、電極折れが発生しやすいという結果になった。
【００２８】
この原因には、電極の溶接部と非溶接部の境界に発生する、融解せずかつ機械的性質が変化した熱影響部（別名、ＨＡＺ：Ｈｅａｔ  Ａｆｆｅｃｔ  Ｚｏｎｅ）が関係していると考えられる。
【００２９】
そこで、電極折れの発生のメカニズムを、図６の模式図を参照して説明する。
【００３０】
ランプ用封着体２１の封止工程では、まず封止前の円筒状の封止部１３１にランプ用封着体２１を位置合わせして配置する。（図６（ａ））その後、ガラス管内の雰囲気を、真空に排気するとともに加熱することで、円筒状の封止部１３１をネッキングさせ、その石英ガラスをランプ用封着体２１の金属箔２１１や電極２２１に接触させ、表面が不均一な封止部１３１を形成する。（図６（ｂ））そして、ピンチャー１５により、加圧することで封止部１３１が完成されるが、このときのピンチャー１５の加圧工程では、ピンチャー１５のピンチ面と石英ガラスとの接触具合により石英ガラスが流動し、電極２２１等に微視的な曲げ応力が発生してしまう。この曲げ応力は、ランプ用封着体２１の軸方向に引っ張り応力を発生させる原因となる。（図６（ｃ））
この引っ張り応力に対しては、電極２２１の非溶接部分は繊維組織を持つために強く、溶接部３１１〜３１３も一粒の結晶粒が大きく単結晶化しているために強いが、それらの境界に存在している熱影響部は、機械的性質が変化、劣化しているために比較的弱い。したがって、溶接部３１１〜３１３と非溶接部の境界に形成された材質的に弱い熱影響部に応力がかかり、溶接部分の基端付近の熱影響部にクラックが発生し、その後、そのクラックに応力集中することになるためにクラック発生箇所を起点に電極の繊維組織を縦断するように亀裂が生じ、電極の折れにつながったと考えられる。
【００３１】
つまり、熱影響部があまり大きく形成されていない方が封止工程時の電極折れ発生を防止できるということが言える。ここで、熱影響部の大きさは、溶接部の大きさ、特に本実施の形態のように電極と金属箔とをスポット溶接をするような場合では、溶接部の深さに大きく関係するため、熱影響部の深さを浅く形成することが重要であることがわかる。
【００３２】
以上のことから、本発明では、溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３としたが、その下限は特に設定していない。それは、電極折れの低減に対しては、溶接部の深さを浅くすることが重要であるためであり、電極と金属箔とが機械的に接続される、最低限の溶接深さが形成されていれば、本発明の効果を十分に得ることができる。
【００３３】
また、金属箔の他端の溶接点である外部リード線側においても、電極側よりも少ないが封止工程時の亀裂や折れが発生することがある。そのため、外部リード線についても電極と同じように、その直径に対して、レーザー溶接による溶接部の深さを３０％以下に形成することが望ましい。
【００３４】
本実施の形態では、金属箔２１１、２１２の一端に電極２２１、２２２、他端に外部リード線２３１、２３２が溶接により接続されており、その電極２２１、２２２に形成された溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３であるランプ用封着体２１、２２を気密容器１の封止部１３１、１３２に封止することで、封止工程において発生しやすい電極折れや亀裂の不具合を低減できる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態の放電ランプについて説明するための断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の放電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、酸化チタンからなる金属層２１３を表面に被覆した金属箔２１１に電極２２１および外部リード線２３１を溶接したランプ用溶着体２１を使用している。
【００３６】
図８は、金属箔の酸化チタンコーティングの有無による放電ランプのリーク発生数を説明するための図である。ここで、一方のランプ用封着体は、表面に厚さ２０μｍの酸化チタンを被覆し、もう一方は酸化チタンの被膜のないものとし、それらを備えた放電ランプをそれぞれ３０本製作した。また、リークの発生率は、９００℃に保った高温炉で、６時間ごとに確認したものである。
【００３７】
結果から明らかなように、酸化チタンコーティングを行なったランプ用封着体を備える放電ランプは２４時間経過しても約８割が正常であったのに対して、酸化チタンコーティングを行なわなかった放電ランプでは、６時間経過後にはすでに全てのランプでリークが発生していた。すなわち、酸化チタンコーティングを行なうと、リークに対して高い効果が得られることがわかる。この効果を得られたのは、酸化チタンを金属箔に被覆することによって、封止部との封着性が向上したためと考えられる。
【００３８】
図９は、金属箔に厚さ２０μｍの酸化チタンを被覆したランプ用封着体について、図４と同様の試験を行ったときの電極折れ発生数を説明するための図である。
【００３９】
図９より、酸化チタンコーティングを行なったランプ用封着体を使用した場合でも、溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが大きくなるほど、電極２２１における折れの発生数が増加していることがわかる。ここで、ｄ／ｒと電極折れの発生率との関係を示した図１０のグラフを見ると、電極折れの発生率は、ｄ／ｒが０．３０よりも大きくなったときに増加している傾向が見られる。このことから、溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒは、０．３０以下であることが好適であり、さらに望ましくは、電極折れの発生率が０％にとどまっているｄ／ｒが０．１５以下であるのがよい。ちなみに、抵抗溶接によって製造したランプ用封着体について同様の試験を行なったところ、試験数１００個中２３個について電極折れが発生しており、この場合でも、抵抗溶接を行なうよりも電極折れに対して効果があることも確認された。
【００４０】
ここで、抵抗溶接においては、酸化チタンコーティングされたランプ用封着体の電極折れの発生数が増加している。これは、抵抗溶接が溶接する材料同士の抵抗値や融点などの物性値によって大きくその接合状態が変化する溶接であるので、電極と金属箔との間に酸化チタンを介在させたことでその接合強度が弱くなり、接合自体がうまくいかなかったためと考えられる。すなわち、酸化チタンコーティングされた金属箔を溶接する場合は、溶接材料の物性値に影響されにくいレーザー溶接を行なうことがよいことを意味している。
【００４１】
本実施の形態では、酸化チタンからなる金属層２１３が被覆された金属箔２１１、２１２の一端に電極２２１、２２２、他端に外部リード線２３１、２３２が溶接により接続されており、その電極２２１、２２２に形成された溶接部の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが、ｄ／ｒ≦０．３であるランプ用封着体２１、２２を気密容器１の封止部１３１、１３２に封止することで、第１の実施の形態と同様に封止工程において発生しやすい電極折れや亀裂の不具合を低減できる。
【００４２】
また、本実施の形態では、金属箔に金属層２１３として酸化チタンを被覆しているため、ランプ点灯中のリークの発生も低減することができる。
【００４３】
ここで、金属層２１３としては、酸化チタンの他にレニウムなどの対ハロゲン物質を塗布しても同様の効果が得られる。
【００４４】
なお、実施の形態は上記に限られるわけではなく、例えば次のように変更してもよい。
【００４５】
本ランプ用封着体２１、２２の金属箔２１１、２１２と電極２２１、２２２との製造時の溶接に関する手段としては、レーザーに限られるものではなく、電子ビームやアークによって加熱することで溶接を行なってもよい。
【００４６】
ランプ用封着体２１、２２の電極として、図１１に示すように、リークにつながるクラック発生の低減のために電極２２１、２２２の軸に覆設体としてコイル２２３を巻き、その状態で金属箔２１１、２１２に溶接を行なったものであってもよい。これは、コイル２２３を回巻しない電極の場合と同様に、最も深さのある溶接部３７の深さｄ（ｍｍ）と電極の直径ｒ（ｍｍ）との関係ｄ／ｒが０．３以上であれば、電極折れに対して同様に得られることを確認したためである。また、覆設体としてはタングステンからなる筒状の金属体などであってもよい。
【００４７】
ここで、電極２２１の軸にコイル２２３が巻かれたランプ用封着体２１を封止する際には、さらに電極折れが発生することが確認された。それは、電極２２１とコイル２２３との間に僅かに形成される隙間が関係していると予想される。すなわち、このランプ用封着体２１を封止する際にも、図６のようなメカニズムが発生するが、それに加えて、封止工程のピンチャー加圧時に、コイル２２３が巻かれた電極部分は電極−コイル間の隙間によって比較的動作することができるため、コイル２２３が巻かれていない電極部分が「てこ」の支点となり、強い曲げ応力が生じるためと考えられる。このことから、コイル２２３を巻いたランプ用封着体２１を使用する場合には、さらに本発明の実施が効果的である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。
【図２】金属箔と電極の溶接部部分を説明するための断面図。
【図３】本発明のランプ用封着体の製造方法を説明するための図
【図４】溶接部の深さを変化させたランプ用封着体を、封止した後の電極折れの発生数について説明するための図。
【図５】ｄ／ｒと電極折れ発生率との関係を説明するための図。
【図６】電極折れ発生のメカニズムを説明するための模式図。
【図７】本発明の放電ランプの第２の実施の形態について説明するための全体図。
【図８】金属箔の酸化チタンコーティングの有無による放電ランプのリーク発生率を説明するための図。
【図９】溶接部の深さを変化させたランプ用封着体を、封止した後の電極折れの発生数について説明するための図。
【図１０】ｄ／ｒと電極折れ発生率との関係を説明するための図。
【図１１】金属箔とコイル付き電極の溶接部部分を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１  気密容器
１１  発光管部
１２  放電空間
１３１、１３２  封止部
２１、２２  ランプ用封着体
２１１、２１２  金属箔
２１３  金属層
２２１、２２２  電極
２２３  コイル
２３１、２３２  外部リード線
２３３  給電端子
３１〜３９  溶接部
５  絶縁チューブ
６  外管
７  固定金属具
８  ソケット
【図１】
2006196267.tif 000003
【図２】
2006196267.tif 000004
【図３】
2006196267.tif 000005
【図４】
2006196267.tif 000006
【図５】
2006196267.tif 000007
【図６】
2006196267.tif 000008
【図７】
2006196267.tif 000009
【図８】
2006196267.tif 000010
【図９】
2006196267.tif 000011
【図１０】
2006196267.tif 000012
【図１１】
2006196267.tif 000013