放電ランプ装置用アークチューブ
【課題】電極先端部を単一の結晶で構成し、放電時の輝点割れが起こらない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供する。
【解決手段】ガラス管の両端開口部がピンチシールされて、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物を希ガスとともに封入し電極棒14を対設した密閉ガラス球12を備えた水銀フリーアークチューブ10で、電極棒14の密閉ガラス球12内に突出する領域の先端部を単一の結晶Ｃ10で構成した。点消灯の繰り返しで電極棒14先端部の結晶が成長するが、単一の結晶で構成された電極先端面Ｆの形状に変化はなく、電極棒先端部に作用する熱的負荷により電極棒14先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面Ｆの形状全体がほぼ均一に消耗して、放電時の輝点割れが起こらない。
【解決手段】ガラス管の両端開口部がピンチシールされて、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物を希ガスとともに封入し電極棒14を対設した密閉ガラス球12を備えた水銀フリーアークチューブ10で、電極棒14の密閉ガラス球12内に突出する領域の先端部を単一の結晶Ｃ10で構成した。点消灯の繰り返しで電極棒14先端部の結晶が成長するが、単一の結晶で構成された電極先端面Ｆの形状に変化はなく、電極棒先端部に作用する熱的負荷により電極棒14先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面Ｆの形状全体がほぼ均一に消耗して、放電時の輝点割れが起こらない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入されかつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに（係り、特に、密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積がピンチシール部に封着された基端側領域の横断面積よりも大きい同芯段付き形状の電極棒を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに）関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は従来の放電ランプ装置であり、石英ガラス製アークチューブ５の前端部は絶縁性ベース１の前方に突出する一本のリードサポート２によって支持され、アークチューブ５の後端部はベース１の凹部１ａで支持され、アークチューブの後端部寄りが絶縁性ベース１の前面に固定された金属製支持部材４によって、把持された構造となっている。アークチューブ５から導出する前端側リード線８は、溶接によってリードサポート２に固定され、一方、後端側リード線８は、ベース１の凹部１ａ形成底面壁１ｂを貫通し、底面壁１ｂに設けられている端子３に、溶接により固定されている。符号Ｇは、アークチューブ５から発した光の中で、人体に有害な波長域の紫外線成分をカットする円筒形状のガラス製紫外線遮蔽用グローブで、アークチューブ５に溶着一体化されている。
【０００３】
そしてアークチューブ５は、前後一対のピンチシール部５ｂ，５ｂ間に、電極棒６，６を対設し発光物質（ＮａやＳｃのハロゲン化物やＨｇ）を希ガスとともに封入した密閉ガラス球５ａが形成された構造となっている。ピンチシール部５ｂ内には、密閉ガラス球５ａ内に突出する電極棒６とピンチシール部５ｂから導出するリード線８とを接続するモリブデン箔７が封着されて、ピンチシール部５ｂにおける気密性が確保されている。
【０００４】
しかし、密閉ガラス球５ａ内に封入されているＨｇは、所定の管電圧を維持し、電極への電子の衝突量を減少させて電極の損傷を緩和する非常に有用な物質であるが、環境有害物質であることから、最近では、Ｈｇを封入しない、いわゆる水銀フリーアークチューブの開発が進められている。
【０００５】
そして、水銀フリーにした場合には、管電圧が下がり、放電に必要な管電力が得られないため、管電力を上げるべくアークチューブに供給する電流（管電流）を増加させる必要があり、それだけ電極先端部が高温となる。このため、アークチューブの点消灯を繰り返すと、電極先端部近傍の結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、結晶界面位置が変化するなどして電極先端面形状が変化し、点消灯の度に輝点位置がずれる輝点ズレや安定点灯中に輝点が動く輝点変動といった、いわゆる放電時の輝点割れが起こり、自動車用前照灯における適正な配光が得られないとか中心光度が低下するなどの原因の一つとなる。
【０００６】
そこで、下記特許文献１では、図５に示すように、水銀フリーアークチューブのタングステン電極棒６の密閉ガラス球内に突出する先端側領域における縦断面結晶構造として、電極棒先端から軸部の直径ｄの大きさに等しい距離までの領域６ａ内に存在する結晶の数を５個以内で、かつ残余の先端側領域６ｂ内に存在する結晶の数を１０個以上とする構造が提案されている。
【０００７】
上記構成では、電極先端における結晶粒界が少ないため、結晶が成長し結晶界面位置が変化することに伴う電極先端面形状の変化が少なく、放電時の輝点割れが少なくなって、自動車用前照灯における配光の変化が少なく、中心光度の低下も減る、というものである。
【特許文献１】特開２００４−２２０８８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記特許文献１では、タングステン電極棒の密閉ガラス球内に突出する先端部の縦断面結晶構造は、５個以内の数の結晶で構成されている（例えば、図では、中央部の大きな結晶Ｃ１の上と下に結晶Ｃ２，Ｃ３が結合した合計３個の結晶で構成されている）が、電極棒先端の縦断面が複数の結晶で構成されている以上、放電時の輝点割れを確実に回避できるものではない。
【０００９】
即ち、アークチューブの点消灯を繰り返した場合には、電極先端部の結晶Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が成長（結晶サイズが拡大）することで結晶界面位置Ｐ１，Ｐ２が変化し、電極先端面形状が変化して放電時の輝点割れが発生し、自動車用前照灯における配光が変化したり、中心光度が低下するという問題は依然として残されている。
【００１０】
そこで、発明者は、放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの密閉ガラス球内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造を単一の結晶構造とすれば（電極棒先端部を単一の結晶で構成すれば）、電極先端面に結晶界面が露呈しないため、アークチューブの点消灯の繰り返しにより結晶が成長（結晶サイズが拡大）しても、結晶界面位置が変化するということがなく、電極先端面形状はほとんど変化しない、と考えた。
【００１１】
そして、電極棒先端の縦断面結晶構造を単一の結晶構造とする構成について、実験と考察を繰り返したところ、この構成が自動車用前照灯における配光が変化したり中心光度が低下するという問題を解消する上で有効であることが確認されたので、この度の出願に至ったものである。
【００１２】
本発明は前記した従来技術の問題点および発明者の知見に基づいてなされたもので、その目的は、電極棒の先端部を単一の結晶で構成することで、アークチューブの点消灯を繰り返したとしても放電時の輝点割れが起こらない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項１に係る放電ランプ装置用アークチューブにおいては、ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入され、かつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造を単一の結晶構造で構成するようにした。
【００１４】
なお、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造を単一の結晶構造で構成する具体的実施例としては、電極棒をカリウムドープタングステン製電極棒で構成する場合と、高純度タングステン製電極棒で構成する場合とがある。
【００１５】
（作用）水銀フリーアークチューブでは、密閉ガラス球内に水銀が封入されない点を補うために、希ガス（例えばＸｅ）の封入圧が、水銀入りアークチューブの場合（一般に、５〜８気圧）に比べて高い例えば１０〜１５気圧に設定され、放電に必要な管電力を得るべく投入電力は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、６０〜７０Ｗ）に比べて高い例えば７０〜８５Ｗに設定され、アークチューブに供給する電流（管電流）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、２．２〜２．６Ａ）に比べて高い例えば２．７〜３．２Ａに設定されており、電極棒先端部はそれだけ高温となる。このため、アークチューブの点消灯を繰り返すと、高温にさらされる電極棒先端部の結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、結晶界面位置が変化するなどして電極先端面形状が変化し、放電時の輝点割れが起こるおそれがある。
【００１６】
しかるに、本発明では、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造が既に成長（粗大化）した単一の結晶で構成されているので、それだけ電極棒は消耗し難く、また高温にさらされることで電極棒先端部の結晶がさらに成長（結晶サイズが拡大）したとしても、電極棒先端の単一の結晶構造（電極棒先端面に結晶粒界（結晶界面）が露呈しない構成）については変化がなく、したがって電極先端面形状（単一の結晶の端面形状）はほとんど変化しないため、放電時の輝点割れが起こらない。また、電極棒先端部に作用する熱的負荷が大きいために、単一の結晶で構成されている電極棒先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面形状（単一の結晶の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、放電時の輝点割れが起こらない。
【００１７】
請求項２においては、請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記電極棒を、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域が前記ピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成した。ここで、「段付き形状」とは、電極棒先端側領域と電極棒基端側領域間の段差部が実施例（図３参照）に示すような直角形状に形成されているものに限らず、段差が徐変するテーパ形状やスロープ形状といった形状も含む。
【００１８】
（作用）水銀フリーアークチューブ（水銀フリーにした場合）では、管電圧が下がり、放電に必要な管電力が得られないため、管電力を上げるべくアークチューブに供給する電流（管電流）を増加させる必要があり、それだけ電極における熱的負荷が増加し、電極が消耗（損傷）し易いという問題があるが、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域（先端側領域）を水銀入りアークチューブ対応電極棒よりも太く（電極の熱容量を大きく）することで、電極棒先端が極度の高温となることが回避されて消耗（損傷）が抑制される。一方、電極棒のピンチシール部に封着される領域（基端側領域）も先端側領域と同様に太いと、ピンチシール部における電極棒とガラス層との熱膨張量の差が大きく、点消灯を繰り返す際に生じる熱応力によって、ピンチシール部には封入物質のリークにつながる縦クラック（放射状に延びるクラック）が発生し易くなるので、電極棒のピンチシール部に封着される領域（基端側領域）は、電極棒先端側領域よりも細く構成することが望ましい。即ち、電極棒を、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域がピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成することで、電極の消耗（損傷）とピンチシール部での縦クラックの発生の双方を抑制できる。
【００１９】
請求項３においては、請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における単結晶で構成された前記先端部以外の部分の縦断面結晶構造を軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層するノンサグ状結晶構造で構成し、前記ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域の縦断面結晶構造を繊維状結晶構造で構成した。
【００２０】
なお、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における先端部を縦断面単一の結晶構造で構成し、電極棒先端側領域における先端部以外の部分を縦断面ノンサグ状結晶構造で構成し、ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域を縦断面繊維状結晶構造で構成する具体的実施例としては、電極棒をカリウムドープタングステン製電極棒で構成する場合がある。
【００２１】
（作用）電極棒先端側領域では、軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層する縦断面ノンサグ状結晶構造（軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が結束されたように結合しているノンサグ状結晶構造）を呈し、軸方向に作用する負荷に対しての強度に優れることは勿論、横方向に作用する負荷に対しての強度にも優れ、特に電極棒に上下方向の振動が伝達されても折損しない。また、ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域は、縦断面繊維状結晶構造を呈し、強度に優れ、折れ難い。
【００２２】
請求項４においては、請求項３に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記電極棒を、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施したカリウムドープタングステン製電極棒で構成するとともに、アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を電極棒に施すように構成した。
【００２３】
（作用）密閉ガラス球内に対設されている電極棒としては、従来はトリエーテッドタングステン（一般にトリタンと称呼される）製電極棒で構成されており、タングステン中に含まれているトリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い。図６は、水銀フリーアークチューブにおいて、トリエーテッドタングステン製電極棒がフリッカーを発生するメカニズム（化学反応式）を示す図で、電極の変形とトリアの消失により再点弧電圧が上昇し、フリッカーが発生するものと考えられている。さらには、段付き電極棒は、一般に円柱形状の電極棒を切削により段付き形状に加工することで得られるため、切削加工が必要な分、電極棒の表面にはそれだけ不純物が付着したり水分が吸着されることとなって、フリッカーがより発生し易い。
【００２４】
しかし、カリウムドープタングステン製電極棒では、トリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生することがない。また、電極棒には、ピンチシール前に予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されることで、電極棒表面に付着していた不純物や吸着されていた水分を除去することも可能である。このとき、電極棒全域の縦断面結晶構造は、強度に優れ、折れ難い繊維状結晶構造となっている。さらに、カリウムドープタングステン製電極棒は、アークチューブとして組み立てられた後に点消灯を繰り返すエージング処理が施されることで、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域の縦断面結晶構造は、図３（ａ）に示すように、エージング処理前の縦断面繊維状結晶構造を構成する繊維状結晶が成長（粗大化）して、軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層する縦断面ノンサグ状結晶構造となるとともに、その先端部は、ノンサグ状結晶とは明らかに異なる成長（粗大化）した単一の結晶（縦断面単一の結晶構造）となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブによれば、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造が既に成長した単一の結晶で構成されているので、アークチューブの点消灯の繰り返しにより、高温にさらされる電極棒先端部の結晶が成長したり、電極棒先端が消耗するにしても、単一の結晶で構成されている電極棒先端の端面形状を保持した形態で消耗するので、放電時の輝点割れが起こらず、自動車用前照灯における配光が変化したり中心光度が低下するという配光上の問題が確実に解消される。
【００２６】
請求項２によれば、電極の消耗（損傷）およびピンチシール部での封入物質のリークにつながる縦クラックの発生の双方が抑制されるので、長寿命の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブが得られる。
【００２７】
請求項３によれば、電極棒に上下方向の振動が伝達されても電極棒が折損しないなど、電極棒の耐久性に優れるので、長期の寿命が保証される。
【００２８】
請求項４によれば、カリウムドープタングステン製電極棒に対し所定の処理を施すことで、放電時の輝点割れが起こらず耐久性に優れ、かつフリッカーも発生し難い電極を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３０】
図１〜図３は本発明の第１の実施例を示すもので、図１は本発明の第１の実施例である放電ランプ装置用アークチューブの縦断面図、図２は同アークチューブを構成する電極棒の拡大側面斜視図、図３は予め真空熱処理を施したタングステン製電極棒を放電ランプ装置用アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を行った後の電極棒の拡大縦断面結晶構造を示す図で、（ａ）は電極棒がカリウムドープタングステン製電極棒の場合、（ｂ）は電極棒が高純度タングステン製電極棒の場合、（ｃ）は電極棒がトリエーテッドタングステン製電極棒の場合をそれぞれ示す図である。
【００３１】
これらの図において、水銀フリーアークチューブ１０の装着される放電ランプ装置は、７０〜８５Ｗ（例えば７５Ｗ）の定格電力で動作する水銀フリーの放電ランプ装置である点を除いて、その構造は、図４に示す従来構造と略同一である。
【００３２】
アークチューブ１０は、直線状延出部の長手方向途中に球状膨出部が形成された円パイプ形状の石英ガラス管の球状膨出部寄りがピンチシールされて、内容積５０μｌ以下の放電空間を形成する楕円体形状又は円筒形状のチップレス密閉ガラス球１２の両端部に横断面矩形状のピンチシール部１３，１３が形成された非常にコンパクトな構造で、密閉ガラス球１２内には、主発光物質である（ＮａＩ，ＳｃＩ３）および水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４等の緩衝用金属ハロゲン化物が始動用希ガス（例えば、Ｘｅガス）とともに封入されている。
【００３３】
また密閉ガラス球１２内には、放電電極を構成するタングステン製電極棒１４，１４が対向配置されており、電極棒１４，１４はピンチシール部１３に封着されたモリブデン箔１７に接続され、ピンチシール部１３，１３の端部からはモリブデン箔１７，１７に接続されたモリブテン製リード線１８，１８が導出している。
【００３４】
また、本実施例のアークチューブ１０では、密閉ガラス球１２内に突出する外径ｄ１の円柱状先端側領域１５とピンチシール部１３に封着された外径ｄ２（＜ｄ１）の円柱状基端側領域１６とが同芯状に連続する段付き円柱型に形成されるとともに、先端側領域１６の横断面積ａ１とピンチシール部１３に封着された基端側領域１５の横断面積ａ２の比ａ１／ａ２が１．１〜７．３の範囲とされた構成については、既に公知の特許文献（特開２００５−１８３１６４）の水銀フリーアークチューブに用いられている電極棒と同一である。
【００３５】
詳しくは、密閉ガラス球１２内の電極棒先端側領域１５は、その外径ｄ１が大きいほど、電極の熱容量が大きく、それだけ電極が消耗したり黒化するといった電極の消耗（損傷）が少ないので、外径ｄ１は、この種のアークチューブ用円柱形状電極としての外径寸法規格値の上限０．４mmを超えない範囲で、できるだけ大きい寸法（例えば０．３〜０．４mm）が望ましい。なお、外径ｄ１が大きすぎると、電極の熱容量が大きすぎて、電極先端部での熱エネルギーの消費が増え、光エネルギーとしての消費、即ち、エネルギー効率が低下するが、アークチューブ用タングステン電極としての規格値上限０．４mmを超えなければ問題はない。
【００３６】
一方、ピンチシール部１３に封着された電極棒基端側領域１６の外径ｄ２は、アークチューブの点消灯に伴ってピンチシール部１３の石英ガラス層に発生する熱応力が小さくなるように小さい寸法（例えば、０．１〜０．３mm）が望ましい。
【００３７】
即ち、水銀フリーアークチューブ１０では、密閉ガラス球１２内に水銀が封入されない点を補うために、希ガス（例えばＸｅ）の封入圧が、水銀入りアークチューブの場合（一般に、５〜８気圧）に比べて高い１０〜１５気圧に設定され、放電に必要な管電力を得るべく投入電力は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、６０〜７０Ｗ）に比べて高い７０〜８５Ｗに設定され、アークチューブ１０に供給する電流（管電流）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、２．２〜２．６Ａ）に比べて高い２．７〜３．２Ａに設定されている。このため、電極に作用する熱的負荷が増加し、電極が損傷し易くなるため、電極の総体積（容積）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、０．２５〜０．３５ｍｍ３）に比べて大きい、例えば０．４〜０．６ｍｍ３とする。損傷のおそれのある電極棒先端領域１５では径が太いので、それだけ損傷し難い。また、ピンチシール部１３に封着されている電極棒基端側領域１６では、径が大きいと、点消灯に伴って発生する熱応力によって、ピンチシール部に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生し易いが、電極棒基端側領域１６の径が先端側領域１５よりも細いので、それだけピンチシール部１３において縦クラックが発生し難い。
【００３８】
このように、電極棒１４を、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５がピンチシール部１３に封着される基端側領域１６よりも径の太い段付き形状にすることで、電極棒１４の損傷およびピンチシール部１３での縦クラックの発生をある程度は抑制できるようになっている。
【００３９】
また、電極棒１４がこの種の水銀フリーアークチューブ用の対向電極として従来一般的に広く用いられているトリエーテッドタングステン製電極棒で構成されている場合には、電極棒中に含まれているトリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い（図６参照）。さらに、アークチューブ１０について点消灯を繰り返すと、高温にさらされる電極棒先端側領域の繊維状結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、図３（ｃ）に示すように、軸方向に沿って細長い形状に拡大した複数の結晶が上下に積層する縦断面ノンサグ状結晶構造となる。このため、結晶粒界が数多く露呈している電極棒先端面において結晶界面位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３……が変化するなどして電極先端面形状が変化し、放電時の輝点割れが起こって、自動車用前照灯における適正な配光が得られないとか中心光度が低下するという問題がある。
【００４０】
しかるに、本実施例では、電極棒１４は、カリウムドープタングステン製電極棒で構成されて、フリッカーが発生し難くなるとともに、図３（ａ）に示すように、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造１５Ａが既に成長（粗大化）した単一の結晶Ｃ１０で構成されているので、それだけ電極棒１４は消耗し難い。また高温にさらされることで電極棒先端部の結晶がさらに成長（結晶サイズが拡大）したとしても、電極棒先端の単一の結晶構造（電極棒先端に結晶粒界（界面）が存在しない構成）については変化がなく、したがって電極先端面Ｆの形状（単一の結晶Ｃ１０の端面形状）はほとんど変化しない。また、電極棒先端部に作用する熱的負荷が大きく、単一の結晶Ｃ１０で構成されている電極棒先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面Ｆの形状（単一の結晶Ｃ１０の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、放電時の輝点割れが起こることはない。
【００４１】
また、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端側領域１５では、図３（ａ）に示すように、単一の結晶Ｃ１０で構成された先端部以外の部分の縦断面結晶構造が、軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が積層するノンサグ状結晶構造（軸方向に延びる細長い形状の拡大された結晶Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３…が環状に束ねられたような形態で結合しているノンサグ状結晶構造）１５Ｂで構成されて、軸方向に作用する負荷に対しての強度に優れることは勿論、横方向に作用する負荷に対しての強度にも優れ、特に電極棒１４に上下方向の振動が伝達されても折損し難い耐久性に優れた構造となっている。
【００４２】
また、図３（ａ）において、ピンチシール部１３に封着された電極棒基端側領域１６の縦断面結晶構造は、強度に優れた折れ難い繊維状結晶構造１６Ａで構成されている。
【００４３】
なお、電極棒を製造するには、粉末材料を焼結したインゴットをワイヤにし、ダイスで延ばしながら（線引き）製造していくため、電極棒を構成する結晶は引き延ばされて繊維状となる。このようにして製造された電極棒には歪み(圧縮歪み)が残留しており、熱が加わると結晶は丸く大きくなって歪みを開放しようとする。このため、ドープ材が存在するカリウムドープタングステン製電極棒やトリエーテッドタングステン製電極棒では、点消灯を繰り返すことで電極先端部が高温になると、結晶は丸く大きくなろうとするが、ドープ材によってそれが幾分抑制されるため、結晶はノンサグ状に変化しながら粗大化していく。特に、カリウムドープタングステン製電極棒では、電極先端部の結晶中にあったドープ材（カリウム）が飛散してしまうため、大きい単一の結晶Ｃ１０になると推定される（図３（ａ），（ｃ）参照）。一方、ドープ材を含有しない高純度タングステン製電極棒では、丸く大きくなろうとする結晶の変化が抑制されないので、真空熱処理によって電極棒全域で結晶がサグ状に粗大化し、さらに点消灯を繰り返すことで電極先端部が高温になると、電極先端部における結晶の粗大化が進行する（図３（ｂ）参照）。
【００４４】
次に、カリウムドープタングステン製の段付き電極棒１４を前記した縦断面結晶構造（１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ）にする方法について説明する。
【００４５】
まず、カリウムドープタングステン製の段付き電極棒１４に、予め１２００℃〜２０００℃の範囲（望ましくは１６００℃）の真空熱処理を施しておく。電極棒１４に対しこの真空熱処理を行うことで、電極棒１４の表面に付着していた水分や電極棒１４内に吸着されていた不純物が除去される。このとき、電極棒１４全域の縦断面結晶構造は、強度に優れた折れ難い繊維状結晶構造（符号１６Ａ参照）のままである。ついで、電極棒１４の基端側をリード線１８とともにモリブデン箔１７に接続一体化した電極アッシーを作っておく。ついで、図示しない従来公知の方法により、電極アッシーを挿通したガラス管の両端開口部をモリブデン箔を含む位置でピンチシールすることで、主発光物質であるＮａＩやＳｃＩ３および水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４等の緩衝用金属ハロゲン化物を始動用希ガス（例えば、Ｘｅガス）とともに封入し、かつ電極棒１４が対設された密閉ガラス球１２を備えた、水銀フリーアークチューブ１０を形成する。
【００４６】
ついで、アークチューブ１０について点消灯を２時間にわたって繰り返すエージング処理を行うと、ピンチシール部１３に封着されている電極棒基端側領域１６ではエージングの熱の影響を受けないため、その繊維状結晶構造１６Ａに変化はないが、密閉ガラス球１２内に突出している電極棒先端側領域１５ではエージングの熱の影響を受けて、繊維状結晶がそれぞれ成長して縦断面ノンサグ状結晶構造１５Ｂとなるとともに、その先端部には電極棒先端側領域１５と略同一径の単一の結晶Ｃ１０で構成された縦断面単一の結晶構造１５Ａとなる。
【００４７】
図３は、本実施例の水銀フリーアークチューブ１０において、タングステン製電極棒１４としてカリウムドープタングステン製，高純度タングステン製およびトリエーテッドタングステン製という３種類のタングステン製電極棒を用いた実験例のそれぞれの電極棒の縦断面結晶構造を示す図である。但し、電極棒１４の全長Ｌは６．５ｍｍ、電極先端側領域１５の長さＬ１は１．５ｍｍ、電極基端側領域１６の長さＬ２は５．０ｍｍ、電極先端側領域１５の外径ｄ１は０．３７ｍｍ、電極基端側領域１６の外径ｄ２は０．３０ｍｍである。また、電極棒に施す真空熱処理条件およびアークチューブ１０として組み立てられた後に点消灯を繰り返すエージング処理条件等はいずれの場合も全く同じである。
【００４８】
図３（ａ）に示すカリウムドープタングステン製電極棒では、電極先端が粗大化した単一の結晶で構成され、電極先端の単一の結晶を除く電極先端側領域１５の全域（電極先端から１．５ｍｍの領域まで）の結晶がノンサグ状に粗大化している。このノンサグ状結晶は、図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒のノンサグ状結晶よりも幾分太く見える。電極基端側領域１６の全域は繊維状結晶構造１６Ａを呈している。
【００４９】
図３（ｂ）に示す高純度タングステン製電極棒では、電極棒全域において結晶がサグ状に粗大化しており、特に電極基端側領域１６では、段差部側ほど結晶が粗大化している。
【００５０】
図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒では、電極先端側領域１５の先端から１．２ｍｍの領域の結晶がノンサグ状に粗大化している。電極基端側領域１６の全域は繊維状結晶構造である。
【００５１】
図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒では、電極棒先端側領域１５の先端部までがノンサグ状結晶構造となっているため、電極棒先端面には放電時の輝点割れの原因となる数多くの結晶界面位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３……が露出しているのに対し、図３（ａ）に示すカリウムドープタングステン製電極棒や図３（ｂ）に示す高純度タングステン製電極棒では、電極棒先端が成長（粗大化）した単一の結晶で構成されて、電極棒先端面には放電時の輝点割れの原因となる結晶界面位置（結晶粒界）が存在しないので、カリウムドープタングステン製電極棒や高純度タングステン製電極棒において電極先端部端面の形状が変化し輝点ズレや輝点変動といった放電時の輝点割れは起こらない。
【００５２】
このように、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒１４の先端の縦断面結晶構造が既に成長（粗大化）した単一の結晶で構成されて、放電時の輝点割れを防止できるという点だけに注目すれば、電極棒１４は高純度タングステン製電極棒で構成されていてもよい。
【００５３】
しかし、高純度タングステン製電極棒は、カリウムドープタングステン製電極棒に比べて高価な上に、図３（ｂ）に示すように、電極棒全域の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造や繊維状結晶構造に比べて強度的に弱いサグ状で、電極棒先端側の縦断面結晶構造はさらに結晶が成長（粗大化）したサグ状であるため、特に電極棒先端側領域での耐久性に劣ることから、水銀フリーアークチューブでは、電極棒１４がカリウムドープタングステン製電極棒で構成されているものが最適である。
【００５４】
なお、前記した実施例では、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５がピンチシール部１３に封着された基端側領域１６よりも太い同芯段付き形状に構成されたものとして説明しているが、電極棒１４は、同芯段付き形状に限られるものではなく、先端側領域１５から基端側領域１６までが均一の太さに構成されているものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例である放電ランプ装置用アークチューブの要部縦断面図である。
【図２】同アークチューブを構成する電極棒の拡大側面斜視図である。
【図３】予め真空熱処理を施したタングステン製電極棒を放電ランプ装置用アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を行った後の電極棒の拡大縦断面結晶構造を示す図で、（ａ）は電極棒がカリウムドープタングステン製電極棒の場合、（ｂ）は電極棒が高純度タングステン製電極棒の場合、（ｃ）は電極棒がトリエーテッドタングステン製電極棒の場合をそれぞれ示す図である。
【図４】従来の放電ランプ装置の縦断面図である。
【図５】特許文献１の要部である電極棒先端部の縦断面結晶構造を示す図である。
【図６】トリエーテッドタングステン製電極棒で構成された電極を備えたアークチューブにおいてフリッカー発生のメカニズム（化学反応式）を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 水銀フリーアークチューブ
１２ 密閉ガラス球
１３ ピンチシール部
１４ 段付き電極棒
１５ 段付き電極棒の先端側領域
１５Ａ 単一の結晶構造
１５Ｂ ノンサグ状結晶構造
１６ 段付き電極棒の基端側領域
１６Ａ 繊維状結晶構造
１７ モリブデン箔
１８ リード線
Ｃ１０ 電極棒先端部を構成する単一の結晶
Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３……ノンサグ状結晶構造を構成する結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入されかつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに（係り、特に、密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積がピンチシール部に封着された基端側領域の横断面積よりも大きい同芯段付き形状の電極棒を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに）関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は従来の放電ランプ装置であり、石英ガラス製アークチューブ５の前端部は絶縁性ベース１の前方に突出する一本のリードサポート２によって支持され、アークチューブ５の後端部はベース１の凹部１ａで支持され、アークチューブの後端部寄りが絶縁性ベース１の前面に固定された金属製支持部材４によって、把持された構造となっている。アークチューブ５から導出する前端側リード線８は、溶接によってリードサポート２に固定され、一方、後端側リード線８は、ベース１の凹部１ａ形成底面壁１ｂを貫通し、底面壁１ｂに設けられている端子３に、溶接により固定されている。符号Ｇは、アークチューブ５から発した光の中で、人体に有害な波長域の紫外線成分をカットする円筒形状のガラス製紫外線遮蔽用グローブで、アークチューブ５に溶着一体化されている。
【０００３】
そしてアークチューブ５は、前後一対のピンチシール部５ｂ，５ｂ間に、電極棒６，６を対設し発光物質（ＮａやＳｃのハロゲン化物やＨｇ）を希ガスとともに封入した密閉ガラス球５ａが形成された構造となっている。ピンチシール部５ｂ内には、密閉ガラス球５ａ内に突出する電極棒６とピンチシール部５ｂから導出するリード線８とを接続するモリブデン箔７が封着されて、ピンチシール部５ｂにおける気密性が確保されている。
【０００４】
しかし、密閉ガラス球５ａ内に封入されているＨｇは、所定の管電圧を維持し、電極への電子の衝突量を減少させて電極の損傷を緩和する非常に有用な物質であるが、環境有害物質であることから、最近では、Ｈｇを封入しない、いわゆる水銀フリーアークチューブの開発が進められている。
【０００５】
そして、水銀フリーにした場合には、管電圧が下がり、放電に必要な管電力が得られないため、管電力を上げるべくアークチューブに供給する電流（管電流）を増加させる必要があり、それだけ電極先端部が高温となる。このため、アークチューブの点消灯を繰り返すと、電極先端部近傍の結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、結晶界面位置が変化するなどして電極先端面形状が変化し、点消灯の度に輝点位置がずれる輝点ズレや安定点灯中に輝点が動く輝点変動といった、いわゆる放電時の輝点割れが起こり、自動車用前照灯における適正な配光が得られないとか中心光度が低下するなどの原因の一つとなる。
【０００６】
そこで、下記特許文献１では、図５に示すように、水銀フリーアークチューブのタングステン電極棒６の密閉ガラス球内に突出する先端側領域における縦断面結晶構造として、電極棒先端から軸部の直径ｄの大きさに等しい距離までの領域６ａ内に存在する結晶の数を５個以内で、かつ残余の先端側領域６ｂ内に存在する結晶の数を１０個以上とする構造が提案されている。
【０００７】
上記構成では、電極先端における結晶粒界が少ないため、結晶が成長し結晶界面位置が変化することに伴う電極先端面形状の変化が少なく、放電時の輝点割れが少なくなって、自動車用前照灯における配光の変化が少なく、中心光度の低下も減る、というものである。
【特許文献１】特開２００４−２２０８８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前記特許文献１では、タングステン電極棒の密閉ガラス球内に突出する先端部の縦断面結晶構造は、５個以内の数の結晶で構成されている（例えば、図では、中央部の大きな結晶Ｃ１の上と下に結晶Ｃ２，Ｃ３が結合した合計３個の結晶で構成されている）が、電極棒先端の縦断面が複数の結晶で構成されている以上、放電時の輝点割れを確実に回避できるものではない。
【０００９】
即ち、アークチューブの点消灯を繰り返した場合には、電極先端部の結晶Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が成長（結晶サイズが拡大）することで結晶界面位置Ｐ１，Ｐ２が変化し、電極先端面形状が変化して放電時の輝点割れが発生し、自動車用前照灯における配光が変化したり、中心光度が低下するという問題は依然として残されている。
【００１０】
そこで、発明者は、放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの密閉ガラス球内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造を単一の結晶構造とすれば（電極棒先端部を単一の結晶で構成すれば）、電極先端面に結晶界面が露呈しないため、アークチューブの点消灯の繰り返しにより結晶が成長（結晶サイズが拡大）しても、結晶界面位置が変化するということがなく、電極先端面形状はほとんど変化しない、と考えた。
【００１１】
そして、電極棒先端の縦断面結晶構造を単一の結晶構造とする構成について、実験と考察を繰り返したところ、この構成が自動車用前照灯における配光が変化したり中心光度が低下するという問題を解消する上で有効であることが確認されたので、この度の出願に至ったものである。
【００１２】
本発明は前記した従来技術の問題点および発明者の知見に基づいてなされたもので、その目的は、電極棒の先端部を単一の結晶で構成することで、アークチューブの点消灯を繰り返したとしても放電時の輝点割れが起こらない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項１に係る放電ランプ装置用アークチューブにおいては、ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入され、かつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造を単一の結晶構造で構成するようにした。
【００１４】
なお、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造を単一の結晶構造で構成する具体的実施例としては、電極棒をカリウムドープタングステン製電極棒で構成する場合と、高純度タングステン製電極棒で構成する場合とがある。
【００１５】
（作用）水銀フリーアークチューブでは、密閉ガラス球内に水銀が封入されない点を補うために、希ガス（例えばＸｅ）の封入圧が、水銀入りアークチューブの場合（一般に、５〜８気圧）に比べて高い例えば１０〜１５気圧に設定され、放電に必要な管電力を得るべく投入電力は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、６０〜７０Ｗ）に比べて高い例えば７０〜８５Ｗに設定され、アークチューブに供給する電流（管電流）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、２．２〜２．６Ａ）に比べて高い例えば２．７〜３．２Ａに設定されており、電極棒先端部はそれだけ高温となる。このため、アークチューブの点消灯を繰り返すと、高温にさらされる電極棒先端部の結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、結晶界面位置が変化するなどして電極先端面形状が変化し、放電時の輝点割れが起こるおそれがある。
【００１６】
しかるに、本発明では、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造が既に成長（粗大化）した単一の結晶で構成されているので、それだけ電極棒は消耗し難く、また高温にさらされることで電極棒先端部の結晶がさらに成長（結晶サイズが拡大）したとしても、電極棒先端の単一の結晶構造（電極棒先端面に結晶粒界（結晶界面）が露呈しない構成）については変化がなく、したがって電極先端面形状（単一の結晶の端面形状）はほとんど変化しないため、放電時の輝点割れが起こらない。また、電極棒先端部に作用する熱的負荷が大きいために、単一の結晶で構成されている電極棒先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面形状（単一の結晶の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、放電時の輝点割れが起こらない。
【００１７】
請求項２においては、請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記電極棒を、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域が前記ピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成した。ここで、「段付き形状」とは、電極棒先端側領域と電極棒基端側領域間の段差部が実施例（図３参照）に示すような直角形状に形成されているものに限らず、段差が徐変するテーパ形状やスロープ形状といった形状も含む。
【００１８】
（作用）水銀フリーアークチューブ（水銀フリーにした場合）では、管電圧が下がり、放電に必要な管電力が得られないため、管電力を上げるべくアークチューブに供給する電流（管電流）を増加させる必要があり、それだけ電極における熱的負荷が増加し、電極が消耗（損傷）し易いという問題があるが、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域（先端側領域）を水銀入りアークチューブ対応電極棒よりも太く（電極の熱容量を大きく）することで、電極棒先端が極度の高温となることが回避されて消耗（損傷）が抑制される。一方、電極棒のピンチシール部に封着される領域（基端側領域）も先端側領域と同様に太いと、ピンチシール部における電極棒とガラス層との熱膨張量の差が大きく、点消灯を繰り返す際に生じる熱応力によって、ピンチシール部には封入物質のリークにつながる縦クラック（放射状に延びるクラック）が発生し易くなるので、電極棒のピンチシール部に封着される領域（基端側領域）は、電極棒先端側領域よりも細く構成することが望ましい。即ち、電極棒を、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域がピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成することで、電極の消耗（損傷）とピンチシール部での縦クラックの発生の双方を抑制できる。
【００１９】
請求項３においては、請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における単結晶で構成された前記先端部以外の部分の縦断面結晶構造を軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層するノンサグ状結晶構造で構成し、前記ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域の縦断面結晶構造を繊維状結晶構造で構成した。
【００２０】
なお、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における先端部を縦断面単一の結晶構造で構成し、電極棒先端側領域における先端部以外の部分を縦断面ノンサグ状結晶構造で構成し、ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域を縦断面繊維状結晶構造で構成する具体的実施例としては、電極棒をカリウムドープタングステン製電極棒で構成する場合がある。
【００２１】
（作用）電極棒先端側領域では、軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層する縦断面ノンサグ状結晶構造（軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が結束されたように結合しているノンサグ状結晶構造）を呈し、軸方向に作用する負荷に対しての強度に優れることは勿論、横方向に作用する負荷に対しての強度にも優れ、特に電極棒に上下方向の振動が伝達されても折損しない。また、ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域は、縦断面繊維状結晶構造を呈し、強度に優れ、折れ難い。
【００２２】
請求項４においては、請求項３に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記電極棒を、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施したカリウムドープタングステン製電極棒で構成するとともに、アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を電極棒に施すように構成した。
【００２３】
（作用）密閉ガラス球内に対設されている電極棒としては、従来はトリエーテッドタングステン（一般にトリタンと称呼される）製電極棒で構成されており、タングステン中に含まれているトリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い。図６は、水銀フリーアークチューブにおいて、トリエーテッドタングステン製電極棒がフリッカーを発生するメカニズム（化学反応式）を示す図で、電極の変形とトリアの消失により再点弧電圧が上昇し、フリッカーが発生するものと考えられている。さらには、段付き電極棒は、一般に円柱形状の電極棒を切削により段付き形状に加工することで得られるため、切削加工が必要な分、電極棒の表面にはそれだけ不純物が付着したり水分が吸着されることとなって、フリッカーがより発生し易い。
【００２４】
しかし、カリウムドープタングステン製電極棒では、トリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生することがない。また、電極棒には、ピンチシール前に予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されることで、電極棒表面に付着していた不純物や吸着されていた水分を除去することも可能である。このとき、電極棒全域の縦断面結晶構造は、強度に優れ、折れ難い繊維状結晶構造となっている。さらに、カリウムドープタングステン製電極棒は、アークチューブとして組み立てられた後に点消灯を繰り返すエージング処理が施されることで、密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域の縦断面結晶構造は、図３（ａ）に示すように、エージング処理前の縦断面繊維状結晶構造を構成する繊維状結晶が成長（粗大化）して、軸方向に沿った細長い形状の複数（例えば１０個以上）の結晶が積層する縦断面ノンサグ状結晶構造となるとともに、その先端部は、ノンサグ状結晶とは明らかに異なる成長（粗大化）した単一の結晶（縦断面単一の結晶構造）となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブによれば、電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造が既に成長した単一の結晶で構成されているので、アークチューブの点消灯の繰り返しにより、高温にさらされる電極棒先端部の結晶が成長したり、電極棒先端が消耗するにしても、単一の結晶で構成されている電極棒先端の端面形状を保持した形態で消耗するので、放電時の輝点割れが起こらず、自動車用前照灯における配光が変化したり中心光度が低下するという配光上の問題が確実に解消される。
【００２６】
請求項２によれば、電極の消耗（損傷）およびピンチシール部での封入物質のリークにつながる縦クラックの発生の双方が抑制されるので、長寿命の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブが得られる。
【００２７】
請求項３によれば、電極棒に上下方向の振動が伝達されても電極棒が折損しないなど、電極棒の耐久性に優れるので、長期の寿命が保証される。
【００２８】
請求項４によれば、カリウムドープタングステン製電極棒に対し所定の処理を施すことで、放電時の輝点割れが起こらず耐久性に優れ、かつフリッカーも発生し難い電極を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３０】
図１〜図３は本発明の第１の実施例を示すもので、図１は本発明の第１の実施例である放電ランプ装置用アークチューブの縦断面図、図２は同アークチューブを構成する電極棒の拡大側面斜視図、図３は予め真空熱処理を施したタングステン製電極棒を放電ランプ装置用アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を行った後の電極棒の拡大縦断面結晶構造を示す図で、（ａ）は電極棒がカリウムドープタングステン製電極棒の場合、（ｂ）は電極棒が高純度タングステン製電極棒の場合、（ｃ）は電極棒がトリエーテッドタングステン製電極棒の場合をそれぞれ示す図である。
【００３１】
これらの図において、水銀フリーアークチューブ１０の装着される放電ランプ装置は、７０〜８５Ｗ（例えば７５Ｗ）の定格電力で動作する水銀フリーの放電ランプ装置である点を除いて、その構造は、図４に示す従来構造と略同一である。
【００３２】
アークチューブ１０は、直線状延出部の長手方向途中に球状膨出部が形成された円パイプ形状の石英ガラス管の球状膨出部寄りがピンチシールされて、内容積５０μｌ以下の放電空間を形成する楕円体形状又は円筒形状のチップレス密閉ガラス球１２の両端部に横断面矩形状のピンチシール部１３，１３が形成された非常にコンパクトな構造で、密閉ガラス球１２内には、主発光物質である（ＮａＩ，ＳｃＩ３）および水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４等の緩衝用金属ハロゲン化物が始動用希ガス（例えば、Ｘｅガス）とともに封入されている。
【００３３】
また密閉ガラス球１２内には、放電電極を構成するタングステン製電極棒１４，１４が対向配置されており、電極棒１４，１４はピンチシール部１３に封着されたモリブデン箔１７に接続され、ピンチシール部１３，１３の端部からはモリブデン箔１７，１７に接続されたモリブテン製リード線１８，１８が導出している。
【００３４】
また、本実施例のアークチューブ１０では、密閉ガラス球１２内に突出する外径ｄ１の円柱状先端側領域１５とピンチシール部１３に封着された外径ｄ２（＜ｄ１）の円柱状基端側領域１６とが同芯状に連続する段付き円柱型に形成されるとともに、先端側領域１６の横断面積ａ１とピンチシール部１３に封着された基端側領域１５の横断面積ａ２の比ａ１／ａ２が１．１〜７．３の範囲とされた構成については、既に公知の特許文献（特開２００５−１８３１６４）の水銀フリーアークチューブに用いられている電極棒と同一である。
【００３５】
詳しくは、密閉ガラス球１２内の電極棒先端側領域１５は、その外径ｄ１が大きいほど、電極の熱容量が大きく、それだけ電極が消耗したり黒化するといった電極の消耗（損傷）が少ないので、外径ｄ１は、この種のアークチューブ用円柱形状電極としての外径寸法規格値の上限０．４mmを超えない範囲で、できるだけ大きい寸法（例えば０．３〜０．４mm）が望ましい。なお、外径ｄ１が大きすぎると、電極の熱容量が大きすぎて、電極先端部での熱エネルギーの消費が増え、光エネルギーとしての消費、即ち、エネルギー効率が低下するが、アークチューブ用タングステン電極としての規格値上限０．４mmを超えなければ問題はない。
【００３６】
一方、ピンチシール部１３に封着された電極棒基端側領域１６の外径ｄ２は、アークチューブの点消灯に伴ってピンチシール部１３の石英ガラス層に発生する熱応力が小さくなるように小さい寸法（例えば、０．１〜０．３mm）が望ましい。
【００３７】
即ち、水銀フリーアークチューブ１０では、密閉ガラス球１２内に水銀が封入されない点を補うために、希ガス（例えばＸｅ）の封入圧が、水銀入りアークチューブの場合（一般に、５〜８気圧）に比べて高い１０〜１５気圧に設定され、放電に必要な管電力を得るべく投入電力は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、６０〜７０Ｗ）に比べて高い７０〜８５Ｗに設定され、アークチューブ１０に供給する電流（管電流）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、２．２〜２．６Ａ）に比べて高い２．７〜３．２Ａに設定されている。このため、電極に作用する熱的負荷が増加し、電極が損傷し易くなるため、電極の総体積（容積）は、水銀入りアークチューブの場合（一般に、０．２５〜０．３５ｍｍ３）に比べて大きい、例えば０．４〜０．６ｍｍ３とする。損傷のおそれのある電極棒先端領域１５では径が太いので、それだけ損傷し難い。また、ピンチシール部１３に封着されている電極棒基端側領域１６では、径が大きいと、点消灯に伴って発生する熱応力によって、ピンチシール部に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生し易いが、電極棒基端側領域１６の径が先端側領域１５よりも細いので、それだけピンチシール部１３において縦クラックが発生し難い。
【００３８】
このように、電極棒１４を、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５がピンチシール部１３に封着される基端側領域１６よりも径の太い段付き形状にすることで、電極棒１４の損傷およびピンチシール部１３での縦クラックの発生をある程度は抑制できるようになっている。
【００３９】
また、電極棒１４がこの種の水銀フリーアークチューブ用の対向電極として従来一般的に広く用いられているトリエーテッドタングステン製電極棒で構成されている場合には、電極棒中に含まれているトリア（ＴｈＯ２）が原因でフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い（図６参照）。さらに、アークチューブ１０について点消灯を繰り返すと、高温にさらされる電極棒先端側領域の繊維状結晶が成長（結晶サイズが拡大）して、図３（ｃ）に示すように、軸方向に沿って細長い形状に拡大した複数の結晶が上下に積層する縦断面ノンサグ状結晶構造となる。このため、結晶粒界が数多く露呈している電極棒先端面において結晶界面位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３……が変化するなどして電極先端面形状が変化し、放電時の輝点割れが起こって、自動車用前照灯における適正な配光が得られないとか中心光度が低下するという問題がある。
【００４０】
しかるに、本実施例では、電極棒１４は、カリウムドープタングステン製電極棒で構成されて、フリッカーが発生し難くなるとともに、図３（ａ）に示すように、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端の縦断面結晶構造１５Ａが既に成長（粗大化）した単一の結晶Ｃ１０で構成されているので、それだけ電極棒１４は消耗し難い。また高温にさらされることで電極棒先端部の結晶がさらに成長（結晶サイズが拡大）したとしても、電極棒先端の単一の結晶構造（電極棒先端に結晶粒界（界面）が存在しない構成）については変化がなく、したがって電極先端面Ｆの形状（単一の結晶Ｃ１０の端面形状）はほとんど変化しない。また、電極棒先端部に作用する熱的負荷が大きく、単一の結晶Ｃ１０で構成されている電極棒先端が徐々に消耗するにしても、電極先端面Ｆの形状（単一の結晶Ｃ１０の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、放電時の輝点割れが起こることはない。
【００４１】
また、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端側領域１５では、図３（ａ）に示すように、単一の結晶Ｃ１０で構成された先端部以外の部分の縦断面結晶構造が、軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が積層するノンサグ状結晶構造（軸方向に延びる細長い形状の拡大された結晶Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３…が環状に束ねられたような形態で結合しているノンサグ状結晶構造）１５Ｂで構成されて、軸方向に作用する負荷に対しての強度に優れることは勿論、横方向に作用する負荷に対しての強度にも優れ、特に電極棒１４に上下方向の振動が伝達されても折損し難い耐久性に優れた構造となっている。
【００４２】
また、図３（ａ）において、ピンチシール部１３に封着された電極棒基端側領域１６の縦断面結晶構造は、強度に優れた折れ難い繊維状結晶構造１６Ａで構成されている。
【００４３】
なお、電極棒を製造するには、粉末材料を焼結したインゴットをワイヤにし、ダイスで延ばしながら（線引き）製造していくため、電極棒を構成する結晶は引き延ばされて繊維状となる。このようにして製造された電極棒には歪み(圧縮歪み)が残留しており、熱が加わると結晶は丸く大きくなって歪みを開放しようとする。このため、ドープ材が存在するカリウムドープタングステン製電極棒やトリエーテッドタングステン製電極棒では、点消灯を繰り返すことで電極先端部が高温になると、結晶は丸く大きくなろうとするが、ドープ材によってそれが幾分抑制されるため、結晶はノンサグ状に変化しながら粗大化していく。特に、カリウムドープタングステン製電極棒では、電極先端部の結晶中にあったドープ材（カリウム）が飛散してしまうため、大きい単一の結晶Ｃ１０になると推定される（図３（ａ），（ｃ）参照）。一方、ドープ材を含有しない高純度タングステン製電極棒では、丸く大きくなろうとする結晶の変化が抑制されないので、真空熱処理によって電極棒全域で結晶がサグ状に粗大化し、さらに点消灯を繰り返すことで電極先端部が高温になると、電極先端部における結晶の粗大化が進行する（図３（ｂ）参照）。
【００４４】
次に、カリウムドープタングステン製の段付き電極棒１４を前記した縦断面結晶構造（１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ）にする方法について説明する。
【００４５】
まず、カリウムドープタングステン製の段付き電極棒１４に、予め１２００℃〜２０００℃の範囲（望ましくは１６００℃）の真空熱処理を施しておく。電極棒１４に対しこの真空熱処理を行うことで、電極棒１４の表面に付着していた水分や電極棒１４内に吸着されていた不純物が除去される。このとき、電極棒１４全域の縦断面結晶構造は、強度に優れた折れ難い繊維状結晶構造（符号１６Ａ参照）のままである。ついで、電極棒１４の基端側をリード線１８とともにモリブデン箔１７に接続一体化した電極アッシーを作っておく。ついで、図示しない従来公知の方法により、電極アッシーを挿通したガラス管の両端開口部をモリブデン箔を含む位置でピンチシールすることで、主発光物質であるＮａＩやＳｃＩ３および水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４等の緩衝用金属ハロゲン化物を始動用希ガス（例えば、Ｘｅガス）とともに封入し、かつ電極棒１４が対設された密閉ガラス球１２を備えた、水銀フリーアークチューブ１０を形成する。
【００４６】
ついで、アークチューブ１０について点消灯を２時間にわたって繰り返すエージング処理を行うと、ピンチシール部１３に封着されている電極棒基端側領域１６ではエージングの熱の影響を受けないため、その繊維状結晶構造１６Ａに変化はないが、密閉ガラス球１２内に突出している電極棒先端側領域１５ではエージングの熱の影響を受けて、繊維状結晶がそれぞれ成長して縦断面ノンサグ状結晶構造１５Ｂとなるとともに、その先端部には電極棒先端側領域１５と略同一径の単一の結晶Ｃ１０で構成された縦断面単一の結晶構造１５Ａとなる。
【００４７】
図３は、本実施例の水銀フリーアークチューブ１０において、タングステン製電極棒１４としてカリウムドープタングステン製，高純度タングステン製およびトリエーテッドタングステン製という３種類のタングステン製電極棒を用いた実験例のそれぞれの電極棒の縦断面結晶構造を示す図である。但し、電極棒１４の全長Ｌは６．５ｍｍ、電極先端側領域１５の長さＬ１は１．５ｍｍ、電極基端側領域１６の長さＬ２は５．０ｍｍ、電極先端側領域１５の外径ｄ１は０．３７ｍｍ、電極基端側領域１６の外径ｄ２は０．３０ｍｍである。また、電極棒に施す真空熱処理条件およびアークチューブ１０として組み立てられた後に点消灯を繰り返すエージング処理条件等はいずれの場合も全く同じである。
【００４８】
図３（ａ）に示すカリウムドープタングステン製電極棒では、電極先端が粗大化した単一の結晶で構成され、電極先端の単一の結晶を除く電極先端側領域１５の全域（電極先端から１．５ｍｍの領域まで）の結晶がノンサグ状に粗大化している。このノンサグ状結晶は、図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒のノンサグ状結晶よりも幾分太く見える。電極基端側領域１６の全域は繊維状結晶構造１６Ａを呈している。
【００４９】
図３（ｂ）に示す高純度タングステン製電極棒では、電極棒全域において結晶がサグ状に粗大化しており、特に電極基端側領域１６では、段差部側ほど結晶が粗大化している。
【００５０】
図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒では、電極先端側領域１５の先端から１．２ｍｍの領域の結晶がノンサグ状に粗大化している。電極基端側領域１６の全域は繊維状結晶構造である。
【００５１】
図３（ｃ）に示すトリエーテッドタングステン製電極棒では、電極棒先端側領域１５の先端部までがノンサグ状結晶構造となっているため、電極棒先端面には放電時の輝点割れの原因となる数多くの結晶界面位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３……が露出しているのに対し、図３（ａ）に示すカリウムドープタングステン製電極棒や図３（ｂ）に示す高純度タングステン製電極棒では、電極棒先端が成長（粗大化）した単一の結晶で構成されて、電極棒先端面には放電時の輝点割れの原因となる結晶界面位置（結晶粒界）が存在しないので、カリウムドープタングステン製電極棒や高純度タングステン製電極棒において電極先端部端面の形状が変化し輝点ズレや輝点変動といった放電時の輝点割れは起こらない。
【００５２】
このように、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒１４の先端の縦断面結晶構造が既に成長（粗大化）した単一の結晶で構成されて、放電時の輝点割れを防止できるという点だけに注目すれば、電極棒１４は高純度タングステン製電極棒で構成されていてもよい。
【００５３】
しかし、高純度タングステン製電極棒は、カリウムドープタングステン製電極棒に比べて高価な上に、図３（ｂ）に示すように、電極棒全域の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造や繊維状結晶構造に比べて強度的に弱いサグ状で、電極棒先端側の縦断面結晶構造はさらに結晶が成長（粗大化）したサグ状であるため、特に電極棒先端側領域での耐久性に劣ることから、水銀フリーアークチューブでは、電極棒１４がカリウムドープタングステン製電極棒で構成されているものが最適である。
【００５４】
なお、前記した実施例では、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５がピンチシール部１３に封着された基端側領域１６よりも太い同芯段付き形状に構成されたものとして説明しているが、電極棒１４は、同芯段付き形状に限られるものではなく、先端側領域１５から基端側領域１６までが均一の太さに構成されているものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例である放電ランプ装置用アークチューブの要部縦断面図である。
【図２】同アークチューブを構成する電極棒の拡大側面斜視図である。
【図３】予め真空熱処理を施したタングステン製電極棒を放電ランプ装置用アークチューブとして組み付けた後に、点消灯を繰り返すエージング処理を行った後の電極棒の拡大縦断面結晶構造を示す図で、（ａ）は電極棒がカリウムドープタングステン製電極棒の場合、（ｂ）は電極棒が高純度タングステン製電極棒の場合、（ｃ）は電極棒がトリエーテッドタングステン製電極棒の場合をそれぞれ示す図である。
【図４】従来の放電ランプ装置の縦断面図である。
【図５】特許文献１の要部である電極棒先端部の縦断面結晶構造を示す図である。
【図６】トリエーテッドタングステン製電極棒で構成された電極を備えたアークチューブにおいてフリッカー発生のメカニズム（化学反応式）を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 水銀フリーアークチューブ
１２ 密閉ガラス球
１３ ピンチシール部
１４ 段付き電極棒
１５ 段付き電極棒の先端側領域
１５Ａ 単一の結晶構造
１５Ｂ ノンサグ状結晶構造
１６ 段付き電極棒の基端側領域
１６Ａ 繊維状結晶構造
１７ モリブデン箔
１８ リード線
Ｃ１０ 電極棒先端部を構成する単一の結晶
Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３……ノンサグ状結晶構造を構成する結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入され、かつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造が単一の結晶構造とされたことを特徴とする放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項２】
前記電極棒は、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域が前記ピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項３】
前記密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における単一の結晶で構成された前記先端部以外の部分の縦断面結晶構造が軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が積層するノンサグ状結晶構造で構成され、前記ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域の縦断面結晶構造が繊維状結晶構造で構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項４】
前記電極棒は、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施したカリウムドープタングステン製電極棒で構成されるとともに、アークチューブとして組み付けられた後に、点消灯を繰り返すエージング処理が施されたことを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項１】
ガラス管の両端開口部がピンチシールされることで、少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が希ガスとともに封入され、かつタングステン電極棒が対設された密閉ガラス球を備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の先端部における縦断面結晶構造が単一の結晶構造とされたことを特徴とする放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項２】
前記電極棒は、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域が前記ピンチシール部に封着された基端側領域よりも太い同芯段付き形状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項３】
前記密閉ガラス球内に突出する電極棒先端側領域における単一の結晶で構成された前記先端部以外の部分の縦断面結晶構造が軸方向に沿った細長い形状の複数の結晶が積層するノンサグ状結晶構造で構成され、前記ピンチシール部に封着された電極棒基端側領域の縦断面結晶構造が繊維状結晶構造で構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項４】
前記電極棒は、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施したカリウムドープタングステン製電極棒で構成されるとともに、アークチューブとして組み付けられた後に、点消灯を繰り返すエージング処理が施されたことを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１３４０５１（Ｐ２００７−１３４０５１Ａ）
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２３０５１（Ｐ２００５−３２３０５１）
【出願日】平成１７年１１月８日（２００５．１１．８）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月８日（２００５．１１．８）
【出願人】（０００００１１３３）株式会社小糸製作所 (1,575)
【Ｆターム（参考）】
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