(57)【要約】【課題】気密容器の失透や黒化などの不具合発生を防止した高圧放電ランプ、その製造方法およびこれらに用いる高圧放電ランプ用電極を提供する。【解決手段】高圧放電ランプ１０は、耐熱性で透光性の気密容器１と、タングステン（W）を主成分とし、トリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）が含有されてなり、気密容器１の内部に離間対向して封装され、少なくとも相互に対向している表面から深さ５nmの範囲におけるトリウム（Th）の含有率が０．２５〜４．９８AC％である一対の電極１ｂ、１ｂと、気密容器１の放電空間１ｃ内に封入された放電媒体とを具備している。この構成によって、電極１ｂの仕事関数が減少し、電極温度が低下するので、トリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）の蒸発を低減することができる。これらの効果によって気密容器１の内表面に黒化が発生することが防止され、高圧放電ランプ１０の光束維持率が改善される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性で透光性の気密容器と；
タングステン（Ｗ）を主成分としトリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）が含有されてなり、気密容器内に相互に離間対向してそれぞれ封装され、少なくとも相互に対向している表面から深さ５nmの範囲におけるトリウム（Th）の含有率が０．２５〜４．９８AC％である一対の電極と；
気密容器の放電空間内に封入された放電媒体と；
を具備していることを特徴とする高圧放電ランプ。
【請求項２】
タングステン（Ｗ）を主成分とし酸化トリウム（ThO2）が含有された電極材料の表面から深さ５nmの範囲におけるトリウム（Th）の含有率が０．２５〜４．９８AC％となるように還元処理を行い、この還元処理された電極材料の表面が互いに対向するように気密容器の内部に電極材料をそれぞれ離間対向して封装し、この気密容器の放電空間内を排気して放電媒体を封入することを特徴とする高圧放電ランプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばメタルハライドランプのような高圧放電ランプ、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧放電ランプは、耐熱性で透光性の気密容器の内部に形成される放電空間内に一対の電極を封装し、希ガス、金属蒸気または金属ハロゲン化物などを主体とする放電媒体を封入している。一対の電極は、気密容器の両端に一体に形成された細長い一対の封止部の内部に気密に埋設した封着金属箔にその基端を溶接により接続し、中間部を封止部に緩く支持させ、先端の電極主部を放電空間内に突出させるなどにより放電空間に臨ませた構造とするのが一般的である。これら高圧放電ランプには、放電アークを安定的に形成するためにエミッタ物質として酸化トリウム（ThO2）をタングステン（W）に含有させた電極が使用されている。しかし、酸化トリウム（ThO2）は電極の温度が過度に上昇すると、蒸発していく量が多くなり、気密容器の黒化原因となるために、この黒化を解消する必要があった。この課題に対して、電極の温度上昇による酸化トリウム（ThO2）の蒸発を可能な限り少なくした放電ランプ用電極が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−３０６４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載されている放電ランプ用電極は、表面側の酸化トリウム（ThO2）の濃度を低くしたものであるが、酸化トリウム（ThO2）の濃度分布を変更するだけでは、ランプ寿命中の黒化を十分抑制することはできず、さらなる改善の余地があった。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、ランプ点灯中に発生する気密容器の黒化などの不具合発生を抑制した高圧放電ランプおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明の高圧放電ランプは、  耐熱性で透光性の気密容器と；タングステン（Ｗ）を主成分としトリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）が含有されてなり、気密容器内に相互に離間対向してそれぞれ封装され、少なくとも相互に対向している表面から深さ５nmの範囲におけるトリウム（Th）の含有率が０．２５〜４．９８AC％である一対の電極と；気密容器の放電空間内に封入された放電媒体と；を具備していることを特徴としている。
【０００６】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【０００７】
気密容器は、耐熱性であって透光性を備えて構成されており、内部に放電空間を形成する包囲部および一対の封止部を備えている。「耐熱性」とは、放電ランプの通常の作動温度に十分耐える意味である。したがって、気密容器は、耐熱性を備える材料であり、かつ、放電によって発生した所望波長域の光を外部に導出することができれば、どのようなもので作られていてもよいが、好適には石英ガラスなどを用いて形成する。なお、必要に応じて、気密容器の内面に耐ハロゲン性または耐ハロゲン化物性の透明性被膜を形成するか、気密容器の内面を改質することが許容される。
【０００８】
一対の封止部は、包囲部を封止するとともに、電極の軸部がここに支持され、かつ、点灯回路から電流を電極へ気密に導入するのに寄与する手段であり、包囲部の両端から一体に延在している。そして、電極を封装し、かつ、点灯回路から電流を電極へ気密に導入するために、内部に適当な気密封止導通手段、好適には封着金属箔を気密に埋設している。
【０００９】
一対の電極は、タングステン（Ｗ）を主成分とし、トリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）が含有されてなり、かつ、その相互に対向する表面におけるトリウム（Th）の構成比は０．２５〜４．９８AC%、好ましくは０．３５〜４．９８AC％、さらに好ましくは０．５〜４．９８AC%になっている。ここで、表面におけるトリウム（Th）の構成比とは、電極の表面から深さ５nmの深さにおけるトリウム（Th）のAC％をいう。「ＡＣ％」とは、atomic concentrate % の略であり、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy：Ｘ線光電子分光法）により測定され、その結果４００×４００μｍの面積において表面から深さ５nmまでの範囲中に存在するタングステン（W）、トリウム（Th）の原子数およびトリウム（Th）の酸化物の分子数等を含めた全ての原子数および分子数の合計に対するトリウム（Th）の原子数の百分率である。ＸＰＳにおいては、Ｘ線を試料に照射したときに当該照射部の原子や分子から放出される光電子を測定する。このときに放出される光電子は、原子または分子ごとに特有の結合エネルギー値（binding energy）（ｅＶ）を有しており、この値を測定することで元素の定量および定性の測定が可能になる。
【００１０】
さらに、一対の電極は、例えば軸部を備え、その軸部の基端部が封着金属箔に溶接されるなどして封止部に埋設などの手段によって固定され、中間部が好ましくは気密容器の封止部により緩く支持され、中間部の一部および先端部が気密容器の放電空間に臨むように放電空間の両端に離間対向して配設される。また、通常タングステン（Ｗ）を主成分とする耐熱金属製の電極は、アークを安定させるため、タングステン（W）にエミッタ物質として酸化トリウム（ThO2）がドープされて形成される。さらにこの電極表面から酸化タングステン（WO2）やその他不純物を取り除く目的で電極軸部製造時やランプ製造時に還元作業が行われ、電極として使用される。従来の還元作業によっても酸化トリウム（ThO2）が還元されて表面に若干トリウム（Th）が存在する。しかし、酸化トリウム（ThO2）の還元率は温度管理などによって大きく変化するので、通常の還元作業では電極表面にはそれほどトリウム（Th）は存在しない。本発明者らは、電極表面に存在するトリウム（Th）がランプの電極温度に大きくかかわることを発見し、トリウム（Th）の構成比を高めた電極を用いてランプを製造した場合に、エミッションが良好になり、ランプの電極温度上昇が緩和され、黒化が低減することに着目し本発明を見出した。例えば、特開２００５−１４２０７１号公報には、タングステン（W）を主成分とし、酸化トリウム（ThO2）をドープして形成される電極において、タングステンカーバイト（W2C）を用いた還元によってトリウム（Th）の量を増加させる方法が示されている。しかし、この方法は、エミッション効果が向上するため、ちらつきなどに対しては一定の効果を発揮するが、黒化防止については改善されていない。つまり、還元のためにタングステンカーバイト（W2C）を用いるので、電極表面に不純物として炭素（C）が残留し、これが黒化原因となるためである。本発明の電極材料は、電極軸部製造時に酸化トリウム（ThO2）を０．３６〜７．００質量％程度タングステン（W）にドープして形成され、電極軸部製造時またはランプ製造時の還元処理工程によって、電極として使用したときに、表面に存在するトリウム（Th）を、所定の構成比にしたものである。ただし、電極表面のトリウム（Th）のAC％がこの範囲であれば、還元処理以外の方法を用いた場合であっても本発明の範囲に含まれる。
【００１１】
さらにまた、電極は、交流および直流のいずれで作動するように構成してもよい。交流
【００１２】
で作動する場合、一対の電極は同一構造とするのが好ましいがこれに限らない。
【００１３】
放電媒体は、一般的には発光物質が金属蒸気および希ガス（例えばキセノンランプの場合）のいずれであってもよい。発光金属の金属蒸気源として単体の発光金属、例えば水銀（高圧水銀ランプの場合）を、または発光金属のハロゲン化物（メタルハライドランプの場合）を封入することができる。また、発光金属に加えてランプ電圧形成物質として水銀や蒸気圧が比較的高い金属のハロゲン化物（水銀フリーランプの場合）を封入することができる。さらに、上記の各ランプ共通に始動ガスおよび緩衝ガスとして希ガスを用いることができる。
【００１４】
ところで、気密容器の黒化は、主として電極の表面物質が飛散して気密容器の電極近傍部位に付着することによって発生するものであるが、黒化を抑制するためには、ある一定量以上トリウム（Th）が表面付近に含有していることが必要であることが実験の結果明らかになった。これは、トリウム（Th）はタングステン（W）、酸化トリウム（ThO2）に比べ仕事関数が低くエミッション効果が優れているので、電極の発熱量が少なくなって温度上昇が抑えられること、または電子やイオン化した放電媒体の衝突によるタングステンのスパッタによる温度上昇が抑えられることによって、トリウム（Th）、酸化トリウム（ThO2）の蒸発が低減するためと考えられる。トリウム（Th）が酸化トリウム（ThO2）を還元して形成される場合、電極表面のトリウム（Th）の構成比を増加させるためには、還元率を高める必要がある。ただし、還元率を高めてトリウム（Th）の構成比を上げるだけでは限界があるため、電極表面のトリウム（Th）の構成比をさらに増加させるためには、酸化トリウム（ThO2）のドープ量を増加させる必要がある。しかしながら、酸化トリウム（ThO2）のドープ量を増加させると、スパッタによってトリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）が飛散する量も増加してしまい、失透、黒化の原因になる。また、トリウム（Th）はある一定以上電極表面に存在しても電極温度を低下させる効果はそれほど変わらない。さらに、環境負荷の観点からThの使用量を制限する傾向がある。このような観点から酸化トリウム（ThO2）は、電極軸部の製造時にタングステン（W）に対してを０．３６〜７．００質量％程度ドープすることが望ましい。
【００１５】
また、本発明では、電極表面から少なくとも５nm以内におけるトリウム（Th）の構成比について規定しているが、トリウム（Th）の構成比が０．２５〜４．９８AC％である層は、厚い方が電極温度上昇の抑制に効果を発揮する。
【００１６】
本発明は、電極表面におけるトリウム（Th）の構成比を最適の値に規定したので、電極の仕事関数が減少し、エミッタ物質として良好に電子を放射してアークを安定させるとともに電極温度が低下するので、トリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）の蒸発を低減することができる。これらの効果によって気密容器の内表面に黒化が発生することが防止され、高圧放電ランプの光束維持率が改善される。
【００１７】
なお、高圧放電ランプが本発明の構成を具備しているか否かは、出荷可能な状態にまで完成された未点灯の高圧放電ランプについて、気密容器の放電空間内に露出している先端部を除いた中間部の一部をＸＰＳにより測定して判定するものとする。
【００１８】
また、本発明は、表面にトリウム（Th）の多い電極を具備した高圧放電ランプの製造方法を規定している。すなわち、第２の工程において、電極素材について還元処理を行うことによって、表面から少なくとも５nmにおけるトリウム（Th）の構成比を０．２５〜４．９８AC％にするものである。電極素材の還元処理は、Ｈ2雰囲気中において、電極材を所望時間の間高温加熱し、さらに真空加熱することによって行う。電極材は、これを気密容器に封装することによって電極になる。
【００１９】
本発明において、第１、第３および第４の工程は、既知の工程を採用することができる。
【００２０】
そうして、本発明においては、第２の工程の還元処理を行うことによって電極の表面に形成されている酸化トリウム（ThO2）を効果的にトリウム（Th）に還元することができる。そして、トリウム（Th）の構成比を０．２５〜４．９８AC％にした電極を封装して高圧放電ランプを製造するので、ランプ電圧が低下しランプ点灯時の電極温度が従来に比べ低下、気密容器の黒化や失透などの不具合発生が抑制されて光束維持率が改善された高圧放電ランプを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、電極の表面から少なくとも５nm以内のトリウム（Th）の構成比が０．２５〜４．９８AC％であることにより、電極の温度上昇を抑制でき、電極物質の飛散および蒸発などによる気密容器の黒化による光束維持率の低下を抑制した高圧放電ランプを提供することができる。
【００２２】
請求項２によれば、還元処理によって、表面から少なくとも５nm以内のトリウム（Th）の構成比が０．２５〜４．９８AC％にした電極を封装して高圧放電ランプを製造することにより、電極物質の飛散および電極温度の上昇に伴う電極物質の蒸発などによる光束維持率の低下を抑制した高圧放電ランプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２４】
図１および図２は、本発明の高圧放電ランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプを示し、図１はランプ全体の正面図、図２は発光管の拡大要部正面図である。本形態において、高圧放電ランプ１０は、発光管ＩＴ、絶縁チューブＴ、外管ＯＴおよび口金Ｂからなる。
【００２５】
発光管ＩＴは、気密容器１、一対の電極１ｂ、１ｂ、封着金属箔２、一対の外部リード線３Ａ、３Ｂおよび放電媒体からなる。
【００２６】
気密容器１は、包囲部１ａおよび一対の封止部１ａ１を備えている。包囲部１ａは、中空で外形が紡錘形状に成形されてなり、その両端に一対の細長い封止部１ａ１を一体に備えているとともに、内部に細長いほぼ円柱状の放電空間１ｃが形成されている。放電空間１ｃの内容積は、０．１ｃｃ以下である。包囲部１ａは、その肉厚を比較的大きくすることができる。すなわち、電極間距離のほぼ中央部の肉厚をその両側の肉厚より大きくすることができる。これにより、気密容器１の伝熱が良好になって気密容器１の放電空間の下部および側部内面に付着している放電媒体の温度上昇が早まるために、光束立ち上がりが早くなる。
【００２７】
電極１ｂは、タングステン（W）を主成分とし、その基端部Ｅｂが封止部１ａ１に埋設された後述する封着金属箔２に溶接されるとともに、中間部が封止部１ａ１に緩く支持されることによって所定の位置に配設され、さらに図２に示すように、中間部の一部Ｅｍおよび先端部Ｅｔが放電空間１ｃ内に臨んでいる。また、電極１ｂの基端部Ｅｂは、封止部１ａ１内において、封着金属箔２の一端に溶接されている。
【００２８】
また、電極１ｂは、その放電空間１ｃ内に臨んでいる先端部Ｅｔの電極１ｂ１、１ｂ同士が互いに対向する表面から少なくとも５nm以内におけるトリウム（Th）の構成比が０．２５〜４．９８AC％になっている。
【００２９】
また、自動車前照灯に用いるメタルハライドランプの場合、要すれば電極の先端部近傍を軸部より径大にしたり、電極の先端部を半球状にしたり、切頭円錐形状にしたりすることもできる。すなわち、ランプの点滅回数が非常に多くなるとともに、また始動時には定常時より大きな電流を流すので、これに対応して電極全体を径大にすると、電極軸に接触している気密容器の構成材料が点滅のたびに熱応力を受けてクラックを生じやすい。そこで、電極の先端部近傍に径大部を形成することで、電極を点滅に対応させることができるが、軸部は径大になっていないから、クラックを生じにくい。このような先端形状の場合、トリウム（Th）の構成比が０．２５〜４．９８AC％となっている表面は先端から軸径の１/２の長さまでの領域内の表面で定義される。電極の先端部を半球状にしたり、切頭円錐形状にしたりすることにより、放電アークの起点が安定しやすくなり、放電のちらつきが低減する。さらに、直流で作動する電極の場合、一般に陽極は温度上昇が激しいから、先端部近傍に径大部を形成すれば、放熱面積を大きくすることができるとともに、頻繁な点滅に対応することができる。これに対して、陰極は必ずしも径大部を形成する必要がない。
【００３０】
なお、図１において、下方の封止部１ａ１を形成した後、封止管１ａ２が切断されないで封止部１ａ１の下部から一体に延長していて、口金Ｂ内へ延在している。
【００３１】
封着金属箔２は、モリブデン箔からなり、気密容器１の封止部１ａ１内に気密に埋設されている。また、封着金属箔２は、封止部の内部に埋設されて封止部が気密容器の包囲部の内部を気密に維持するのに協働しながら電流導通導体として機能するための手段であり、気密容器が石英ガラスからなる場合、材料としてはモリブデンが最適である。モリブデンは、約３５０℃になると酸化するので、外部側の端部の温度がこれより温度が低くなるように埋設される。封着金属箔を封止部に埋設する方法は、特段限定されないが、例えば減圧封止法やピンチシール法などを採用することができる。内容積が０．１ｃｃ以下、好適には０．０５ｃｃ以下の小形で、かつ、キセノンなどの希ガスを室温で５気圧以上、さらに好ましくは８気圧以上の圧力で封入する自動車前照灯などに用いる高圧放電ランプの場合は、両者を組み合わせると好適である。
【００３２】
一対の外部リード線３Ａ、３Ｂは、その先端が気密容器１の両端の封止部１ａ１内において封着金属箔２の他端に溶接され、基端側が外部へ導出されている。図１において放電容器ＩＴから上方へ導出された外部リード線３Ａは、中間部が後述する外管ＯＴに沿って折り返されて後述する口金Ｂ内に導入されて図示しない口金端子の一方に接続している。図１において放電容器ＩＴから下方へ導出された外部リード線３Ｂは、管軸に沿って延在して口金Ｂ内に導入されて口金端子の他方に接続している。
【００３３】
気密容器１の包囲部１ａ内には、放電媒体として発光金属のハロゲン化物、ランプ電圧形成用金属のハロゲン化物および希ガスが封入されている。発光金属は、ナトリウム（Ｎａ）およびスカンジウム（Ｓｃ）、ランプ電圧形成用金属は、亜鉛（Ｚｎ）である。
【００３４】
外管ＯＴは、紫外線カット性能を備えており、内部に放電容器ＩＴを収納していて、両端の縮径部４が放電容器ＩＴの封止部１ａ１にガラス溶着している。しかし、内部は気密ではなく、外気に連通している。
【００３５】
絶縁チューブＴは、セラミックスからなり、外部リード線３Ａを被覆している。
【００３６】
口金Ｂは、自動車前照灯用として規格化されているもので、放電容器ＩＴおよび外管ＯＴを中心軸に沿って植立して支持していて、自動車前照灯の背面に着脱可能に装着されるように構成されている。
【００３７】
このランプの各構成、封入される放電媒体および電気特性について説明する。
【００３８】
気密容器１ａは、球体長７ｍｍ、最大外径６ｍｍ、最大内径２．４ｍｍ、内容積０．０２５ｃｃの石英ガラス製である。電極１ｂは、直径が０．４０ｍｍで、表面から深さ５ｎｍにおけるトリウム（Th）の構成比が０．５０AC%であるタングステン（W）線からなり、対向する電極間距離は４．２ｍｍである。放電媒体は、金属ハロゲン化物として、ＳｃＩ３−ＮａＩ−ＺｎＩ２が０．３ｍｇ、希ガスとしてキセノン（Ｘｅ）が１０気圧封入されている。外管ＯＴは、外径９ｍｍ、内径７ｍｍであって、内部雰囲気は大気圧（大気）である。電気特性は、点灯直後投入電力８５Ｗ、点灯直後投入電流２．８Ａ、安定時ランプ電圧４２Ｖ、安定時ランプ電力３５Ｗである。
【００３９】
次に、本発明の高圧放電ランプの第１の形態としての電極素材の実施例１および２について表１を参照して説明する。
【表１】
2007179849.tif 000003
【００４０】
表１から理解できるように、第１の形態における試料３および４に示すように、本発明によれば、トリウム（Th）（ＡＣ％）が０．２５以上の電極であれば黒化発生が抑制されることを示している。いずれもタングステン（W）に酸化トリウム（ThO2）を２質量％ドープして形成された電極軸で実験を行った。従来品１および従来品２は従来の還元方法で製造された電極であり、実施例１および実施例２はトリウム（Th）の構成比を増加させた電極である。黒化発生度合いはランプ点灯後３００時間での全光束で判断したものである。
【００４１】
本実施形態の高圧放電ランプ１０は、電極表面におけるトリウム（Th）の構成比を所定値以上としたので、電極の仕事関数が減少し、エミッタ物質として良好に電子を放射してアークを安定させるとともに電極温度が低下するので、トリウム（Th）および酸化トリウム（ThO2）の蒸発を低減することができる。これらの効果によって気密容器の内表面に黒化が発生することが防止され、高圧放電ランプの光束維持率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の高圧放電ランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプを示すランプ全体の正面図
【図２】同じく発光管の拡大要部正面図
【符号の説明】
【００４３】
１…気密容器
１ｂ…電極
Ｅｔ…先端部
１０…高圧放電ランプ
【図１】
2007179849.tif 000004
【図２】
2007179849.tif 000005