(57)【要約】【課題】  電極軸にコイルを巻装したランプ仕様において、クラックリークを抑制することができるタルハライドランプを提供する。【解決手段】  本発明のメタルハライドランプは、内部に放電空間１４が形成された放電部１１、放電部１１の両端に形成された封止部１２ａ、１２ｂとを有する気密容器１と、放電空間１４に封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、軸部３ａ２２、３ｂ２２は封止部１２ａ、１２ｂ内に封着され、先端部３ａ２１、３ａ２２は放電空間１４内において対向配置された一対の電極３ａ２、３ｂ２と、封止部１２ａ、１２ｂに封着された軸部３ａ２２、３ｂ２２に巻装されたコイル３ａ３、３ｂ３とを具備する。コイル３ａ３、３ｂ３は、コイル間において封止部１２ａ、１２ｂと軸部３ａ２２、３ｂ２２とが接触するように巻装されており、軸部３ａ２２、３ｂ２２は算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に放電空間が形成された放電部、該放電部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、前記放電空間に封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、基端側は前記封止部内に封着され、先端側は前記放電空間内において対向配置された一対の電極と、前記封止部に封着された前記電極部分に巻装されたコイルとを具備し、
前記コイルは、そのコイル間において前記封止部と前記電極とが接触するように巻装されており、前記電極は、算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下であることを特徴とするメタルハライドランプ。
【請求項２】
前記コイル間における前記封止部と前記電極との接触長をＬ１としたとき、Ｌ１が３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
【請求項３】
前記コイルと前記電極との間に生じる隙間による隙間長をＬ２としたとき、接触長Ｌ１と隙間長Ｌ２との関係Ｌ１／Ｌ２が０．５以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルハライドランプ。
【請求項４】
前記電極は、算術平均粗さＲａが０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のメタルハライドランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の前照灯等に使用される本質的に水銀を含まないメタルハライドランプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水銀を含まないメタルハライドランプ（以下、水銀フリーランプ）は、例えば、特開２００５−３３９９９９号公報（以下、特許文献１）などにより公知である。この水銀フリーランプでは、金属ハロゲン化物と希ガスとを組み合わせることにより、水銀を用いないでも水銀入りのメタルハライドランプ（以下、水銀入りランプ）と同等、又はそれ以上の特性を得ることができるようになっている。
【０００３】
この特許文献１に記載のように、水銀フリーランプでは封止された電極部分でクラックが発生することによるリーク（以下、クラックリーク）および放電媒体が侵入することによる色度変化が生じやすいことが知られている。この課題に対し、この発明では所定の電極軸領域に１００％のコイルピッチでコイルを巻装している。なお、特許文献１に記載しているクラックリークは、コイルが巻装されていない電極軸に接触する封止ガラス部分で発生する軸リークを意味している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３９９９９号公報
【特許文献２】特開平１０−２２３１７５号公報
【特許文献３】特開２００１−６６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようにコイルピッチが１００％に近い場合、実際には封止部と接触する電極軸の長さに関係なく放電媒体が電極軸に沿って封止部に侵入してしまい、金属箔が封止ガラスから剥離したことによって生じるクラックによるリーク（以下、箔リーク）や色度変化が発生しやすくなることがわかった。
【０００６】
そこで、本発明者はコイルピッチ等に着目し、検証を行なった。その結果、隣り合うコイル間において封止部と電極軸とが接触するようにコイルを巻装することにより、放電媒体の侵入を抑制できることを見出した。ただし、このようなコイル仕様では、封止されたコイル間の電極においてクラックリーク（以下、コイル間リーク）が発生しやすくなることがわかった。そこで、さらなる検証の結果、コイル間において封止部と接触する電極の算術平均粗さＲａを好適な値にすればコイル間リークも同時に抑制できることを見出したため、本発明を提案するに至った。
【０００７】
なお、特開平１０−２２３１７５号公報（以下、特許文献２）には、電極軸にコイルを巻装したメタルハライドランプの発明があるが、この発明は水銀入りランプにおけるコイル設計等に関する発明であり、また封止部と接触する電極軸の算術平均粗さについての記載はない。また、特開２００１−６６１７号公報（以下、特許文献３）には、タングステン電極の表面の平均粗さが３μｍ以下とするアークチューブの発明があるが、この発明は水銀入りランプかつコイルを巻装しない場合において電極軸の表面の平均粗さを規定したものである。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みたもので、その目的は電極軸にコイルを巻装したランプ仕様において、クラックリークを抑制することができるタルハライドランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のメタルハライドランプは、内部に放電空間が形成された放電部、該放電部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、前記放電空間に封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、基端側は前記封止部内に封着され、先端側は前記放電空間内において対向配置された一対の電極と、前記封止部に封着された前記電極部分に巻装されたコイルとを具備し、前記コイルは、そのコイル間において前記封止部と前記電極とが接触するように巻装されており、前記電極は、算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極軸にコイルを巻装したランプ仕様において、クラックリークを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態のメタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図である。
【００１２】
メタルハライドランプは、主要部として気密容器１を有する。気密容器１は、耐熱性と透光性を具備した石英ガラスからなる。気密容器１はランプ軸方向に細長い形状であって、その略中央部には略楕円形の放電部１１が形成されている。放電部１１の両端部には、板状の封止部１２ａ、１２ｂが形成されており、さらにその両端には、筒状の非封止部１３ａ、１３ｂが形成されている。
【００１３】
放電部１１の内部には、軸方向において、中央部が略円柱状、その両端部がテーパ状の放電空間１４が形成されている。この放電空間１４の容積は、ショートアーク型の放電ランプでは０．１ｃｃ以下、自動車前照灯用として用途を指定する場合には、放電空間の容積は０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃであるのが望ましい。
【００１４】
放電空間１４には、金属ハロゲン化物２および希ガスとからなる放電媒体が封入される。金属ハロゲン化物２は、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛ハロゲン化物で構成されている。なお、インジウムやスズのハロゲン化物等を付加、代替させてもよい。また、これらの金属に結合されるハロゲン化物には、ヨウ素が最も好適であるが、臭素、塩素、又は複数のハロゲン化物を組み合わせて使用してもよい。
【００１５】
希ガスとしては、始動直後の発光効率が高く、主に始動用ガスとして作用するキセノンが封入されている。なお、キセノンの圧力は常温（２５℃）において５ａｔｍ以上、さらに好適には１０〜１５ａｔｍであるのが望ましい。なお、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを使用したり、それらを組み合わせて使用したりしてもよい。
【００１６】
ここで、放電空間１４には、本質的に水銀は含まれていない。この「本質的に水銀不含」とは、水銀を全く含まないか、又は従来の水銀入りの放電ランプと比較してもほとんど封入されていないに等しい程度の量、例えば１ｍｌ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ものとする。
【００１７】
封止部１２ａ、１２ｂの内部には、マウント３ａ、３ｂが封止されている。
マウント３ａ、３ｂは、金属箔３ａ１、３ｂ１、電極３ａ２、３ｂ２、コイル３ａ３、３ｂ３、外部リード線３ａ４、３ｂ４からなる。
【００１８】
金属箔３ａ１、３ｂ１、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。
【００１９】
電極３ａ２、３ｂ２は、タングステンを主体とする材料、例えばタングステンに酸化トリウムをドープした材料からなる。その基端側は金属箔３ａ１、３ｂ１の放電部１１側の端部に溶接によって接続され、他端側は放電空間１４内で所定の電極間距離を保って、互いの先端同士が対向するように配置されている。ここで、上記「所定の電極間距離」は、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下、自動車の前照灯に使用する場合はさらに４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。
【００２０】
なお、電極３ａ２、３ｂ２は、先端部３ａ２１、３ｂ２１と軸部３ａ２２、３ｂ２２とからなり、先端部３ａ２１、３ｂ２１が軸部３ａ２２、３ｂ２２よりも大径である段付きの電極である。電極先端の直径Ｒ１（ｍｍ）は、０．３５ｍｍ≦Ｒ１≦０．４０ｍｍであって、放電空間１４内に位置している。電極軸の直径Ｒ２は、０．３０ｍｍ≦Ｒ２≦０．３５ｍｍであって、主に封止部１２ａ、１２ｂ内に位置している。
【００２１】
ここで、軸部３ａ２２、３ｂ２２は、その算術平均粗さＲａが、Ｒａ≦０．２０μｍに規制されている。算術平均粗さＲａを小さくする方法としては、電極表面の結晶サイズを制御する方法がある。すなわち、比較的高温で電極を熱処理することにより、電極表面の結晶を長大化、表面を微視的に平坦にし、算術平均粗さＲａを小さくする方法である。この方法によれば、表面に１００μｍ以上の結晶を数個発生させることにより、算術平均粗さＲａを０．２０μｍ以下にすることができる。なお、算術平均粗さＲａを小さく制御する方法は上記方法に限定されず、研磨等による方法であっても良い。
【００２２】
コイル３ａ３、３ｂ３は、例えば、ドープタングステンからなり、軸部３ａ２２、３ｂ２２周りに螺旋状に巻装されている。コイル３ａ３、３ｂ３は、金属箔３ａ１、３ｂ１の端部から放電空間１４方向に向けて形成されている。なお、コイル３ａ３、３ｂ３は、封止部１２ａ、１２ｂに封止される電極長に対し、０．５５以上の範囲に巻装されているのが望ましい。
【００２３】
図２は、図１の一点鎖線Ｘ部分の断面について説明するための図である。図からわかるように、軸部３ａ２２は、巻装されたコイル３ａ３の隣り合うコイル間においては封止部１２ａと接触している。すなわち、軸部３ａ２２と封止部１２ａとは、コイル３ａ３との間に形成された隙間１５部分では非接触状態であるが、その他の部分では接触状態となっている。なお、本実施の形態では、軸部３ａ２２と封止部１２ａとの接触長Ｌ１とコイル間距離ｄとは同じ程度の長さか、Ｌ１の方が少し短い程度である。また、軸部３ａ２２に対する隙間１５の隙間長Ｌ２とコイル直径ｒとは同じ程度の長さか、Ｌ２の方が少し長い程度である。このような接触状態、特に接触長Ｌ１の長さはピンチシール条件により調節可能である。
【００２４】
外部リード線３ａ４、３ｂ４は、例えば、モリブデンからなり、放電部１１に対して反対側の金属箔３ａ１、３ｂ１の端部に、溶接等により接続されている。そして、外部リード線３ａ４、３ｂ４の他端側は、管軸に沿って封止部１２ａ、１２ｂの外部に延出している。なお、外部に延出した前端側のリード線３ｂ４には、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３ｃの一端が接続され、その他端は、後述するソケット６の方向に延出している。そして、管軸と平行するサポートワイヤ３ｃの部分には、セラミックからなる絶縁スリーブ４が被覆されている。
【００２５】
上記で構成された気密容器１の外側には、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加することにより、紫外線を遮断する作用を有する筒状の外管５が、管軸に沿って気密容器１と略同心状に設けられている。それらの接続は、気密容器１両端の筒状の非封止部１３ａ、１３ｂと外管５の両端部を溶融することにより行なわれている。そして、気密容器１と外管５とにより形成された空間には、例えば、窒素やネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスを一種又は混合して封入したりすることができる。
【００２６】
気密容器１を内部に覆った状態の外管５の非封止部１３ａ側には、ソケット６が接続される。それらの接続は、非封止部１３ａ付近の外管５の外周面に装着された金属バンド７１を、ソケット６の気密容器１保持側の開口端に形成された４本の金属製の舌片７２（図１では、２本を図示）により挟持することによって行なわれている。そして、接続をさらに強化するために、金属バンド７１及び舌片７２の接触点を溶接している。なお、ソケット６の底部には底部端子８ａが形成されており、リード線３ａ４と接続されている。また、ソケット６の側部には底部端子８ｂが形成されており、サポートワイヤ３ｃと接続されている。
【００２７】
これらで構成されたメタルハライドランプは、管軸が略水平の状態で配置され、底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路を接続することにより、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力に対して２倍以上である約７５Ｗで点灯される。
【００２８】
図３は、図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための図である。なお、以下の試験は特に言及しない限り寸法、材料等はこの仕様に基づいて行っている。
【００２９】
放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝０．０２８ｃｃ、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物：ＳｃＩ３‐ＮａＩ‐ＺｎＩ２＝０．６ｍｇ
希ガス：キセノン＝１１ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔３ａ１、３ｂ１：モリブデン製、
電極３ａ２、３ｂ２：トリエーテッドタングステン製、先端部３ａ２１、３ｂ２１の直径Ｒ１＝０．３８ｍｍ、軸部３ａ２２、３ｂ２２の直径Ｒ２＝０．３５ｍｍ、算術平均粗さＲａ＝０．１５μｍ、電極間距離Ｄ＝４．４ｍｍ、
コイル３ａ３、３ｂ３：ドープタングステン製、コイル間距離ｄ＝９０μｍ、コイル直径ｒ＝６０μｍ、コイルピッチＰ＝２５０％、
外部リード線３ａ４、３ｂ４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
接触長Ｌ１＝８５μｍ、隙間長Ｌ２＝６５μｍ、Ｌ１／Ｌ２＝１．３０
図４は、コイルピッチＰを変化させたときの箔リークの発生率について説明するための図である。試験は、３５Ｗの電力で点灯試験を行い、２０００時間以内に箔リークが発生した割合を示している。なお、本試験では、コイルピッチＰを変化させた場合、隙間長Ｌ２はほとんど変化せず、接触長Ｌ１のみが変化している。また、コイルピッチＰは、Ｐ（％）＝［（コイル間距離ｄ＋コイル直径ｒ）／コイル直径ｒ］×１００の計算式により算出し、接触長Ｌ１は、コイル直径ｒや封止状況により、測定部位ごとで異なることがあるため、コイルが規則的に配列された部分からランダムに選択した複数地点の平均により求めている。
【００３０】
結果から、コイルピッチＰが大きいと箔リークの発生率が低くなり、特に１５０％以上（接触長Ｌ１が３０μｍ以上）になると、箔リークの発生率が顕著に低下していることがわかる。また、コイルピッチＰが２００％以上（接触長Ｌ１が６０μｍ以上）であれば箔リークが発生しなくなっていることがわかる。
【００３１】
このような結果になった理由は、以下のように推測される。
【００３２】
コイル３ａ３、３ｂ３を軸部３ａ２２、３ｂ２２に巻装した場合、図２のようにコイル周辺に隙間１５が生じる。この隙間１５は、電極軸と封止ガラスとの密着を部分的に解除するため、軸リークおよびコイル間リークの抑制効果を発生させる。その反面、コイル３ａ３、３ｂ３を巻装したときに生じる隙間１５は、金属箔３ａ１、３ｂ１方向への放電媒体の通り道となる。そのため、コイル３ａ３、３ｂ３を密（例えば、１００％）に巻装すると、隙間１５がほぼ繋がってしまい、電極軸と封止ガラスの間を放電媒体が移動しやすくなるため、箔リークに至りやすくなる。これに対し、コイル３ａ３、３ｂ３を疎（例えば、２５０％）に巻装すると、隙間１５が遮断され、電極軸と封止ガラスの間を放電媒体が移動しにくくなり、２０００時間まで箔リークを抑制することができる。なお、コイルピッチＰが１５０％以上において顕著に箔リークの発生率が減少したのは、１５０％以上になればコイル３ａ３、３ｂ３間において電極軸と封止ガラスの一部とが接触状態になったためと考えられる。
【００３３】
つまり、放電媒体の侵入を防止するには、コイル間において電極軸と封止ガラスとが接触するようにコイル３ａ３、３ｂ３が巻装されていることが重要である。具体的には、接触長Ｌ１が最も重要であり、接触長Ｌ１が３０μｍ以上、好適には接触長Ｌ１が６０μｍ以上であるのが望ましい。なお、接触長Ｌ１を大きくしすぎると、接触面積が大きくなりすぎ、コイル間リークが発生しやすくなってしまうため、接触長Ｌ１は３６０μｍ以下の範囲内であるのが望ましい。また、放電媒体の侵入をさらに効果的に防止するには、接触長Ｌ１と隙間長Ｌ２との関係が重要であり、Ｌ１／Ｌ２が０．５以上、好適にはＬ１／Ｌ２が１．０以上であるのが望ましい。なお、Ｌ１／Ｌ２は６．０以下の範囲内であるのが望ましい。
【００３４】
図５は、電極軸部の算術平均粗さＲａを変化させたときのクラックの発生率について説明するための図である。試験は、３５Ｗの電力での点灯試験である。なお、本試験でのクラックとは、リークにつながるクラックを指し、具体的には図６に示しているような電極軸径に対して２倍以上の長さのクラックＺ１（軸部３ａ２２、３ｂ２２の直径Ｒ２が０．３０ｍｍの場合、０．６ｍｍを超える長さのクラック）や電極表面に対する角度が４５°以上であるクラックＺ２を意味する。
【００３５】
ここで、算術平均粗さＲａの測定部位は、コイル３ａ３、３ｂ３が巻装された軸部３ａ２２、３ｂ２２付近、例えば、図３のＹ地点である。また、測定装置としては、（株）キーエンス製「超深度形状測定顕微鏡ＶＫ−８５００」を用いており、算術平均粗さＲａの値は、この装置により１０００倍の倍率で撮影した電極表面の中から、一様な５０μｍ×５０μｍの矩形領域を選択解析したときの値である。
【００３６】
結果から、軸部３ａ２２、３ｂ２２の算術平均粗さＲａが小さいほどクラックリークの発生率が低くなり、特に算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下であればクラックの発生率が顕著に低下していることがわかる。また、算術平均粗さＲａが０．１５μｍ以下であればクラックが発生しなくなっている。
【００３７】
この試験により、図４の試験のコイル設計のみでは抑制できないコイル間リークを、算術平均粗さＲａによって抑制できることがわかる。すなわち、図４の試験によるコイル設計に加え、算術平均粗さＲａが０．２０μｍ以下、さらに好適には算術平均粗さＲａが０．１５μｍ以下にすることにより、軸リーク、箔リーク、およびコイル間リークを抑制できることを見出した。ただし、算術平均粗さＲａが小さすぎると接触部分の結合が弱くすぎて放電媒体の侵入を抑制できなくなるため、算術平均粗さＲａは０．０５μｍ以上の範囲内であるのが望ましい。
【００３８】
したがって、本実施の形態では、コイル間において封止部１２ａ、１２ｂと軸部３ａ２２、３ｂ２２とが接触するようにコイル３ａ３、３ｂ３が巻装されており、軸部３ａ２２、３ｂ２２は、算術平均粗さをＲａが０．２０μｍ以下であることにより、軸リーク、箔リーク、およびコイル間リークを抑制できる。
【００３９】
なお、コイル間における封止部１２ａ、１２ｂと軸部３ａ２２、３ｂ２２との接触長をＬ１としたとき、Ｌ１≧６０μｍにしたり、算術平均粗さＲａを０．１５μｍ以下にすることにより、さらに高い効果を得ることができる。
【００４０】
なお、本発明の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。
【００４１】
クラックリークは、コイル３ａ３、３ｂ３に接触する封止部１２ａ、１２ｂにおいても確率は低いが発生することがあるため、コイル３ａ３、３ｂ３の表面粗さもできる限り小さいものを使用するのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。
【図２】図１の一点鎖線Ｘ部分の断面について説明するための図。
【図３】図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための図。
【図４】コイルピッチＰを変化させたときの箔リークの発生率について説明するための図。
【図５】電極軸部の算術平均粗さＲａを変化させたときのクラックの発生率について説明するための図。
【図６】リークに至るクラックについて説明するための図。
【符号の説明】
【００４３】
１  気密容器
１１  放電部
１２ａ、１２ｂ  封止部
１３ａ、１３ｂ  非封止部
１４  放電空間
１５  隙間
２  金属ハロゲン化物
２ａ、２ｂ  マウント
３ａ１、３ｂ１  金属箔
３ａ２、３ｂ２  電極
３ａ２１、３ａ２２  先端部
３ａ２２、３ａ２２  軸部
３ａ３、３ｂ３  コイル
３ａ４、３ｂ４  外部リード線
３ｃ  サポートワイヤ
４  絶縁チューブ
５  外管
６  ソケット
７１  金属バンド
７２  舌片
８ａ  底部端子
８ｂ  側部端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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