(57)【要約】 【課題】  放電容器に封入した希土類金属と電極との化学反応を抑制し、ランプの寿命を大幅に改善する。【解決手段】  ＨＩＤランプ３は中央部を発光部３ａ、両端部を封止部位３ｂとし、封止部位３ｂにはフリットガラスからなる封止材料９を介して、ロットか、片側シールのパイプ(ブーツ)からなるＮｂの外部電極７、８が気密に保持され、これら外部電極７、８にはＷ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）からなる内部電極１０，１１を溶接している。Ｎｂロットか、片側シールのパイプ(ブーツ)からなる外部電極７、８の表面は発光部３ａ内に封入される希土類金属ハロゲン化物と同一の希土類金属の酸化物（例えばＤｙ２Ｏ３）からなる薄膜１４で形成されている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製放電容器の両端部に封止部位を設け、これら封止部位でフリットガラスを介して電極を保持する高輝度・高効率・高演色性放電ランプ（以降ＨＩＤランプと記す）において、前記電極のうちフリットガラスに接触する部分はニオブ（以降Ｎｂと記す）またはその合金からなり、このＮｂまたはその合金の表面、またはＮｂまたはその合金とタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）からなる電極との溶接部位表面には放電容器内に封入される希土類金属とハロゲンの化合物(以降メタルハライドと記す)を構成する希土類金属の酸化物から成る薄膜が、封止以前に予め形成されていることを特徴とするＨＩＤランプ。
【請求項２】
請求項１に記載のＨＩＤランプにおいて、前記希土類金属としてはディスプロシウム（Ｄｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユロピウム（Ｅｕ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ツリウム（Ｔｍ）またはイッテルビウム（Ｙｂ）であることを特徴とするＨＩＤランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高輝度・高効率・高演色性の灯具などのＨＩＤランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
放電ランプの一般的な構造は、特許文献１に開示されるように、放電容器の両端に電極を保持すると共に、モリブデン箔を介して外部から電極に給電するような構成をしている。
【０００３】
放電容器の材料としては、一般にシリカやアルミナセラミックスなどが用いられており、電極にはＷとＭｏやＮｂなどの組み合わせと溶接が使われている。また放電容器内にはアルゴンガス、水銀、ナトリウムの他に、高演色性を発現させる目的でＤｙなどの希土類金属のいろいろなハロゲン化合物が封入されている。
【０００４】
この種のＨＩＤランプでは、給電により電極間でグロー放電が開始されると、電極の自己熱で、まず水銀の気化が始まる。
電極間の熱電子と水銀蒸気との衝突により水銀はいったん励起され、イオンとなるが、光を放ち再び水銀に戻る。この水銀に戻る過程で水銀固有の光（紫外線から可視光から赤外線まであらゆる波長の光）を放つ。これをアーク放電と称す。この現象に伴い、放電容器内の実温度は徐々に上昇し、ナトリウム、そしてメタルハライドも順次気化する。即ち、気体としての蒸気圧、つまりそれらの各々が一定の分圧を持つ。そして熱電子との衝突により、これらのメタルハライドの分子や金属類は励起し、イオンとなり、再び元の状態、つまりメタルハライドの分子や金属類に戻る過程で当該固有の光(分子発光や原子発光)を放つ。上記の過程の総称をハロゲンサイクルと称す。
【０００５】
ＨＩＤランプにおいて、電極の実温度は入力電流や入力電圧によって支配されるが、製造工程で不可避に混入してしまう不純物が、電極先端のタングステンと化学反応を起こし、電極自体の融点を下げてしまう不具合が存在する(合金は純タングステンよりも必ず融点が低い)。融点が下がると、電極先端から合金が気化し、比較的温度の緩和な放電容器(放電管とも言う)の内壁に蒸着する、つまりランプの黒化を引き起こす。その結果、外への発光を遮ってしまう。これが光束維持率低下の原因のひとつである。
【０００６】
特許文献２には、電極を金属体で被覆する構成、具体的には、封止部内の電極の周囲にタングステン線をコイル状に巻回することで、電極が過剰に高温になることを防止する対策内容が開示されている。
【０００７】
またＨＩＤランプでは、点灯時の放電容器内壁が１０００℃に近くなるため、封止部からアルゴンガスが漏れ易い。そこで、特許文献３には、アルミナセラミックス製放電容器の両端を傾斜機能材料からなる閉塞体で封止し、この閉塞体の導電性部位にアルミナセラミックスと略熱膨張係数が等しいとされるニオブの外部電極を挿入し、導電性部位にてタングステンの内部電極と導通するなどの提案がなされている。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−５２８３０号公報
【特許文献２】特開２０００−２６８７７３号公報
【特許文献３】特開２００２−３４３３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＨＩＤランプにあっては、放電容器の封止部位において、その内壁と挿入した電極との間に不可避に隙間が存在する。この隙間にメタルハライドが停滞してしまう。その理由は、液体としてのメタルハライドの表面張力に依存するもので、つまりメタルハライドの粘性が高いことを意味する。そしていったん停滞したメタルハライドは、点灯により電極温度が上昇するに連れ、気体のハロゲンサイクルには寄与せず、電極との間で化学反応を引き起こしてしまう。
【００１０】
具体的な現象としては、Ｄｙが電極材料の一部であるＮｂと置換反応を起こし、Ｎｂが放電容器内部に移動し、ＤｙはＮｂ（電極材料）内に留まる。そして気化したＮｂはランプ消燈時にタングステン電極先端(最冷部)に付着する。更に次の点灯時に電極の発熱によりＷとＮｂの合金を形成する。この合金は純粋なタングステンよりも融点が低く、タングステン電極の先端が徐々に消耗すると言う現象を引き起こす。溶融した合金は、放電容器内壁に蒸着し、外への発光を遮ってしまう。これにより光は内壁で熱に変換され、放電容器内部の温度は、安定への期待に反して益々上昇する。これら一連の化学反応は増大の一途を辿り、最終的にランプの寿命が尽きる。
【００１１】
そこで、本原因を回避するために、Ｎｂがメタルハライドと反応しないように、Ｎｂの部位を全てフリットガラスで覆うことが一般的に用いられている。
しかしながら、メタルハライドとＤｙ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３からなるフリットガラスのとの直接接触によって、フリットガラスのうち、とくにＳｉＯ２がメタルハライドによって還元され易い。つまりメタルハライドの希土類金属はＳｉＯ２から酸素を奪い、安定な酸化物と化す。一方フリットガラス中のＳｉＯ２は、Ｓｉ、もしくはＳｉＯのハロゲン化物として、放電容器内部へ移動する。移動したＳｉ、もしくはＳｉＯのハロゲン化物は、放電容器内部で熱により乖離を起こし（ハロゲンと別れる）、Ｓｉ、もしくはＳｉＯとして振舞う。依って先のＮｂと同様に、消燈時に電極先端(最冷部)に付着し、次の点灯によってタングステンとの間で珪素化合物を形成する。これらの珪素化合物も純粋なタングステンに比べて融点が低く、タングステン電極の消耗を招いてしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するべく本発明は、根本のトリガーとなるＮｂと希土類金属との置換を抑えるために、安定なＤｙ２Ｏ３からなる薄膜を電極に設けると同時に、ＳｉＯ２の置換はフリットガラスとメタルハライドの接触温度に依存するので、できる限りこの部位の温度を下げる、つまり放電の熱中心から遠避けるようにした。
【００１３】
即ち本発明は、セラミックス製放電容器の両端部に封止部位を設け、これら封止部位でフリットガラスを介して電極を保持するＨＩＤランプにおいて、前記電極のうちフリットガラスに接触する部分はＮｂまたはその合金からなり、このＮｂまたはその合金の表面、またはＮｂまたはその合金とＷまたはＭｏからなる電極との溶接部位表面には、放電容器内に封入されるメタルハライドを構成する希土類金属の酸化物から成る薄膜が、封止以前に予め形成される構成とした。
【００１４】
ＨＩＤランプの熱サイクルによる薄膜と電極の剥離を防ぐため、経験的に薄膜の厚みは３０μｍ以下とすることが好ましい。また、前記希土類金属としてはディスプロシウム（Ｄｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユロピウム（Ｅｕ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ツリウム（Ｔｍ）またはイッテルビウム（Ｙｂ）が挙げられる。
【００１５】
希土類金属酸化物はＮｂロットの中心に向かって希土類金属酸化物の濃度が連続に薄くなる濃度傾斜が考えられ、希土類金属酸化物の連続傾斜薄膜の形成手段としては溶射法、ＣＶＤ法、ガスデポジション法などが考えられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るＨＩＤランプでは、封止部位にて保持される電極をＮｂ（Ｎｂ合金）にて構成し、このＮｂ（Ｎｂ合金）の表面、またはＮｂ（Ｎｂ合金）とＷまたはＭｏ電極との溶接部位の表面を希土類金属酸化物の薄膜で覆うことにより、ＮｂがＷ電極またはＭｏ電極と低融点の合金を形成することを防止でき、寿命を大幅に改善できる。
【００１７】
また、従来であればＮｂにて構成される部分を全てフリットガラスで覆う構成であったが、本発明では、既にＮｂ電極表面或いはＮｂ電極とＷまたはＭｏ電極との溶接部位の表面には希土類金属酸化物の薄膜が形成されているので、封入した希土類金属とこれらが反応することは無い。その結果、フリットガラスでＮｂ部位の全てを覆う必要もなくなり、放電容器内表面に露出するフリットガラスの位置を、従来よりも、低い温度側に後退させることができる。このことにより、フリットガラスに不可避的に含まれるＳｉＯ２が希土類金属によって還元され、ＳｉやＳｉＯを生成することを抑制でき、Ｎｂの場合と同様に寿命が大幅に延びることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係るＨＩＤランプを組み込んだ照明器具の全体図、図２は本発明に係るＨＩＤランプの断面図、図３は電極の分解図、図４は封止部位の拡大断面図である。
【００１９】
図１に示す照明器具は前面ガラスが不要な３重管構造をなし、外側管１内に内側管２を配置し、この内側管２の中に本発明に係るＨＩＤランプ３を組み込み、口金４から延び導電体５、６をそれぞれＨＩＤランプ３の外部電極７、８に接続している。この実施例では、外部電極７、８をＮｂ（ニオブ）にて構成している。尚、７ａ，８ａは外部電極７、８の一部を変形させて形成したストッパであり、このストッパ７ａ，８ａを図４に示すように放電容器の端部に当てて組み立てることで、ＨＩＤランプとして重要な電極間距離を正確に設定できる。
【００２０】
一般に放電ランプ３はシリカやアルミナセラミックスを材料としている。当該ＨＩＤランプ３は中央部を発光部３ａ、両端部を封止部３ｂとし、発光部３ａ内にはアルゴンガス、水銀、ナトリウムの他に希土類金属（Ｄｙ）等、複数種類のハロゲン化物（主にヨウ化物）が封入されている。
【００２１】
封止部３ｂにはフリットガラスからなる封止材料９を介して前記Ｎｂ（ニオブ）の外部電極７、８が気密に保持され、これら外部電極７、８にはＷ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）からなる内部電極１０，１１を溶接している。また、内部電極１０，１１の先端には放電用のコイル１２を中間部には放熱用のコイル１３を巻回している。
【００２２】
前記封止材９は一般に１５００℃強に融点を持つＤｙ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系フリットガラスを用いる。この封止材料９は加熱以前は図３に示すようにリング状をなしている。
【００２３】
またＮｂ製の外部電極７、８の表面は発光部３ａ内に封入されるメタルハライドと同一の希土類金属酸化物（例えばＤｙ２Ｏ３）からなる薄膜１４が形成されている。この希土類金属酸化物膜１４の代わりに希土類金属酸化物の(１００％酸化物→傾斜→１００％ニオブ)同心円状の傾斜薄膜を形成しても良い。
【００２４】
上記の薄膜を形成するには、以下の方法１〜３が考えられる。
（方法１）、
純度９９．９％以上の希土類金属酸化物にＮｂ電極を埋設し点灯時のＮｂ電極の温度以上（５００〜８００℃）に一定時間保持し、Ｎｂ電極表面を希土類金属酸化物と直接接触させ、内部から表層に向かって希土類金属酸化物の濃度が徐々に濃くなる性質の薄膜を形成する。剥離を最小にするために、この薄膜の厚みはＮｂ電極の直径が０．７ｍｍφの場合には３０μｍ以下とすることが望ましい。
【００２５】
（方法２）
希土類金属のハロゲン化物とＮｂ電極を、純度９９．９９％以上のアルゴンガス雰囲気中で、大気圧以下とし、かつ露点は−８０℃から−１００℃の範囲となるようにシリカ容器に密閉し、外から高周波加熱することで、ガス化したハロゲン化希土類金属とＮｂ電極を反応させる。つまり希土類金属とＮｂを強制的に置換させる。そして、反応後のＮｂ電極を大気中で加熱酸化させることにより、Ｎｂ電極の表面に安定な希土類金属酸化物の膜を形成する。
【００２６】
（方法３）
大気中でＮｂ電極の表面に希土類金属酸化物をアルゴンガスをキャリアガスとしながら吹き付けて高速・高温で溶射する。次いで、これを純度９９．９９％以上のアルゴンガス雰囲気中で、大気圧以下とし、露点は−８０℃から−１００℃の範囲となるようにシリカ容器に密閉し、外から高周波加熱することで、不純物を除去する。
【００２７】
本発明にあっては、Ｎｂの外部電極７、８の全部を封止材料９で覆わずに、外部電極７、８の一部は露出した状態で放電容器内に臨んでいる。従来であれば露出した部分において、封入した希土類金属とＮｂとが置換し、Ｎｂがタングステン電極の先端まで移動して融点の低い合金を創っていたが、本発明ではＮｂの外部電極７、８の表面は予めＤｙなどの希土類金属の酸化膜で覆われているため、そのような反応が起こらない。また、外部電極７、８の全部を封止材料９で覆う必要がないので封止材料９の内表面を低温の領域まで後退させることができ、還元反応によって、放電管内部にＳｉやＳｉＯが形成される不利も解消されている。
【００２８】
図５（ａ）は電極の別実施例を示す図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図であり、この実施例では内部電極１０，１１をＮｂからなるのブーツ１５に圧入し、このブーツ１５の部分を封止部で保持するようにしている。この実施例にあってもブーツ１５の内外表面には、希土類金属酸化物の薄膜１４または希土類金属酸化物の傾斜層が形成されている。
【００２９】
図６（ａ）は別実施例に係る電極の溶接前の図、（ｂ）は同電極の溶接後の図であり、Ｎｂの外部電極１６、Ｗの内部電極１７との間をＭｏの中間電極１８で連結している。Ｍｏの中間電極１８を用いると、Ｎｂとの溶接が容易であり、加工も容易で、かつ安価で、メタルハライドとの反応が乏しいので好ましい。
【００３０】
そして、この別実施例ではＮｂの外部電極１６とＭｏの中間電極１８との溶接部１９の表面まで希土類金属酸化物の薄膜１４にて覆っている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るＨＩＤランプの全体図
【図２】本発明に係るＨＩＤランプの断面図
【図３】電極の分解図
【図４】封止部の拡大断面図
【図５】（ａ）は電極の別実施例を示す図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図
【図６】（ａ）は別実施例に係る電極の溶接前の図、（ｂ）は同電極の溶接後の図
【符号の説明】
【００３２】
１…外側管、２…内側管、３…ＨＩＤランプ、３ａ…発光部、３ｂ…封止部位、４…口金、５，６…導電体、７，８…外部電極、７ａ，８ａ…ストッパ、９…封止材、１０，１１…内部電極、１２…放電用のコイル、１３…放熱用のコイル、１４…希土類金属の酸化膜、１５…ブーツ。
【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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