放電ランプ装置用アークチューブ
【課題】フリッカーの発生およびピンチシール部における縦クラックや箔浮き抑制に対して有効な放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供。
【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を備えた水銀フリーアークチューブで、電極棒14を、先端側領域15が基端側領域16より太い同芯段付き形状で、電極埋込領域16Ａの体積Ｖを0.25〜0.42mm３、電極棒14の総体積を0.4〜0.6mm３に構成した。フリッカーと箔浮きの抑制には、Ｖは0.25mm３以上、縦クラックの抑制には、Ｖは0.40mm３以下が望ましく、電極消耗の抑制には、電極棒14の総体積が0.4
mm３以上、輝点変動の抑制には、電極棒14の総体積0.6mm３以下が望ましい。
【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を備えた水銀フリーアークチューブで、電極棒14を、先端側領域15が基端側領域16より太い同芯段付き形状で、電極埋込領域16Ａの体積Ｖを0.25〜0.42mm３、電極棒14の総体積を0.4〜0.6mm３に構成した。フリッカーと箔浮きの抑制には、Ｖは0.25mm３以上、縦クラックの抑制には、Ｖは0.40mm３以下が望ましく、電極消耗の抑制には、電極棒14の総体積が0.4
mm３以上、輝点変動の抑制には、電極棒14の総体積0.6mm３以下が望ましい。
【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９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】
即ち、電極棒６としては、耐熱性および耐久性に優れたタングステン製が最も望ましいが、タングステンはアークチューブを構成する石英ガラスと線膨張係数が大きく異なり、石英ガラスとのなじみも悪く気密性に劣る。したがって、タングステン製電極棒６に、伸縮性および柔軟性に優れ、石英ガラスと比較的なじみのよいモリブデン箔７を接続し、モリブデン箔７をピンチシール部５ｂで封着することで、ピンチシール部５ｂにおける気密性を確保するようになっている。
【０００５】
しかし、アークチューブの点灯時と消灯時でピンチシール部５ｂにおける温度差が大きく、線膨張係数が大きく異なる電極棒と石英ガラス層間には、点灯時に熱応力が生じる。特に、近年のアークチューブは瞬時点灯ができるように構成されており、温度上昇率が大きく、熱応力が急激に生じる。そして、点消灯によりこの状態が繰り返されると、電極棒６を封着するピンチシール部（石英ガラス層）５ｂには、電極棒６に対し放射状に延びるクラック（以下、縦クラックという）が発生し、封入物質がリークし、点灯不良や寿命の低下につながるという問題があった。
【０００６】
この問題に対しては、アークチューブの製造過程においてピンチシール部５ｂに生じた残留圧縮歪が所定の領域にわたって残っている場合の方が、アークチューブの点灯に伴う温度上昇に伴ってピンチシール部の石英ガラス層に生じる熱応力が分散されるので、それだけピンチシール部の石英ガラス層に縦クラックが生じにくく、アークチューブの寿命が延びる、という考えの基に、下記特許文献１（特開２００１−１５０６７）が提案された。
【０００７】
即ち、特開２００１−１５０６７は、図１０に示すように、ピンチシール部５ｂにおける石英ガラス層の電極棒６との密着面に広範な所定範囲にわたって残留圧縮歪層９が形成されるとともに、残留圧縮歪層９とその周りのガラス層間にはビードクラック（残留圧縮歪層９を取り囲むように周方向および軸方向に延びるクラック）９ａが形成された構造で、アークチューブの点灯時に電極棒６と石英ガラス層の界面に発生する熱応力が残留圧縮歪層９およびビードクラック９ａによって吸収分散されて石英ガラス層側に伝達されるため、ピンチシール部５ｂの石英ガラス層には封入物質のリークにつながる縦クラックが発生しないというものである。
【０００８】
また、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。
【０００９】
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、それだけ電極の負荷が増加し、電極が損傷（消耗や黒化）し、発光効率の低下やアークの立ち消えにつながるという問題が発生した。これに対しては、電極棒６の径を太くすることで対応できるが、電極６が太すぎると、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量の差が大きく顕在化し、石英ガラス層の電極棒との界面が剥離してしまって、ピンチシール部５ｂにおける石英ガラス層の電極棒６の周りに、アークチューブ点灯時に発生する熱応力を吸収緩和できる最適な大きさの残留圧縮歪層９およびビードクラック９ａを形成することができず、アークチューブの点消灯によってピンチシール部５ｂには封入物質のリークにつながる縦クラックが発生してしまう、と考えられた。
【００１０】
そこで、下記特許文献２，３に示す水銀フリーアークチューブでは、例えば、図１１に示すように、密閉ガラス球内に突出配置される電極棒先端側領域６ａの外径をピンチシール部に封着される電極棒基端側領域６ｂの外径より太くした段付き電極棒（ピンチシール部に封着される電極棒基端側領域６ｂの外径を電極棒先端側領域６ｂの外径より細くした段付き電極棒）を採用することで、電極の損傷と縦クラックの発生という相反する問題の解決を図っている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−１５０６７
【特許文献２】特開２００５−１４２０７２
【特許文献３】特開２００５−１８３１６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、前記特許文献２，３のように、電極棒を段付き形状にしただけでは、密閉ガラス球内の希ガスの圧力が高く投入電力も高く設定することが必要な水銀フリーアークチューブにおいて、特に放電ランプ装置の起動時に、径の大きい電極先端側領域からピンチシール部に封着されている径の小さい電極基端側領域に向かう電流や熱流が急激に発生し、これがため、アークチューブの寿命低下の原因となるフリッカー（アークのちらつき）の発生やピンチシール部における縦クラックや箔浮き（モリブデン箔とガラス層間に隙間が生じること）の発生を確実に抑制する上では不十分であることがわかった。
【００１２】
そこで、発明者は、段付き電極棒のピンチシール部に封着されている径の小さい基端側領域の体積（容積）に注目してみた。そして、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積（容積）とフリッカーの発生，同領域の体積（容積）とピンチシール部における縦クラックの発生および箔浮きの発生とのそれぞれの相関関係を考察したところ、図３，４に示すような結果が得られた。
【００１３】
即ち、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）を大きくすると、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極先端側領域が極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制されるし、電極棒のピンチシール部に封着されている領域における熱容量が大きい分、電極棒に接続されているモリブデン箔の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制されることがわかった。
【００１４】
また、ピンチシール部において縦クラックの発生を抑制するには、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）が所定範囲以下であることが望ましいこともわかった。縦クラックの発生を抑制するには、ピンチシール部の電極棒周りに形成される残留圧縮歪層およびビードクラックが最適な範囲に形成されていることが望ましいが、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）が小さ過ぎると、ガラス層と電極棒間の界面の面積も小さく、ガラス層に発生する残留圧縮歪層（ビードクラック）も小さ過ぎる。一方、電極棒における同領域の体積（容積）が大きすぎると、ガラス層と電極棒間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。
【００１５】
このように、段付き電極棒のピンチシール部に封着されている径の細い基端側領域の体積（容積）を所定範囲とすれば、フリッカーの発生、ピンチシール部における縦クラックや箔浮きの発生を防止できること（アークチューブの長寿命化が可能）が確認されたので、この度の出願に至ったものである。
【００１６】
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、フリッカーの発生，縦クラックの発生および箔浮きの発生の全てを抑制する上で有効な長寿命の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】
【００１７】
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、
前記電極棒を、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積が前記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に構成するとともに、前記ピンチシール部に封着された領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成した。
【００１８】
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。
【００１９】
（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という欠点を補うために、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。また、損傷のおそれのある電極棒先端側領域では径が大きいので、それだけ損傷し難い。また、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域では、径が大きい（太すぎる）と、縦クラックの発生を抑制する最適な残留圧縮歪層やビードクラックを形成できないが、電極棒先端側領域の径よりも小さい（細い）ので、電極棒の周りに残留圧縮歪層やビードクラックが形成されて、ピンチシール部において縦クラックが発生し難い。
【００２０】
このように、特許文献３と同様に、電極棒を、密閉ガラス球内に突出する領域（先端側領域）がピンチシール部に封着される領域（基端側領域）よりも太い段付き形状（ピンチシール部に封着される電極棒基端側領域の外径を電極棒先端側領域の外径より小さくした段付き電極棒）にすることで、電極の損傷およびピンチシール部での縦クラックの発生をある程度は抑制できる。
しかし、図３，４に示すように、フリッカーの発生，ピンチシール部での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが必要になる。
【００２１】
即ち、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖの、フリッカーの発生，ピンチシール部での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）に望ましいとされる大きさについては、段付き電極棒の小径基端側領域の横断面積をＡ、同電極棒のピンチシール部に封着された領域の長さをＬ、同電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積（容積）をＶ、同電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、次のように説明できる。
【００２２】
（電極の変形やフリッカーの発生に対して）：電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極先端側領域が極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制される。そして、図３に示すＶに対するフリッカー発生時間（アークチューブ点灯後フリッカーの発生に至るまでの時間；アークチューブの平均寿命）特性において、フリッカー発生時間（アークチューブの平均寿命）の限界を一般的に望ましいとされる２５００時間に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上であることが望ましい。
【００２３】
（箔浮きに対して）：電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極棒のピンチシール部に封着されている領域における熱容量が大きい分、電極棒に接続されているモリブデン箔の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制される。そして、Ｖに対する箔浮き発生率特性（図４一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上であることが望ましい。
【００２４】
（縦クラックに対して）：ピンチシール部において縦クラックの発生を抑制するには、ピンチシール部の電極棒周りに形成される残留圧縮歪層およびビードクラックが最適範囲に形成されていることが望ましく、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）Ｖが小さ過ぎると、ガラス層と電極棒間の界面の面積も小さく、ガラス層に発生する残留圧縮歪層（ビードクラック）も小さ過ぎるため、電極棒における同領域の体積（容積）Ｖは大きいほうがよい。しかし、電極棒における同領域の体積（容積）Ｖが大きすぎると、ガラス層と電極棒間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。そして、Ｖに対する縦クラック発生率特性（図４実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．４２ｍｍ３以下であることが望ましい。
以上のことから、フリッカーの発生およびピンチシール部での縦クラックや箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが望ましい。
【００２５】
また、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、前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、Ｖ＋ｖが０．４０〜０．６０ｍｍ３、かつＶ・ｖが０．０３〜０．０９ｍｍ６の範囲内となるように構成した。
【００２６】
（作用）電極棒の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図５実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ＋ｖは０．４０ｍｍ３以上であることが望ましい。また、電極棒の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（安定点灯中におけるアークの輝点位置の変動、以下、輝点変動という）の発生率特性（図５一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ＋ｖは０．６０ｍｍ３以下であることが望ましい。
【００２７】
また、電極棒のピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖと電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積ｖとの積（Ｖ・ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図６実線参照）において、不良品（電極消耗）の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０３ｍｍ６以上であることが望ましい。また、Ｖ・ｖに対する不良品（輝点変動）の発生率特性（図６一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０９ｍｍ６以下であることが望ましい。
【００２８】
また、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、前記電極棒を、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒であって、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成するとともに、アークチューブとして構成した後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、前記密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造をノンサグ状結晶構造で構成するとともに、その先端部を電極棒先端側領域と略同一径の単一の結晶で構成するようにした。
【００２９】
（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７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。
【００３０】
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、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できる。このとき、電極棒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となっている。
【００３１】
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工程を経ることで、密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造は、図８（ａ）に示すように、エージング工程前の繊維状結晶が成長（粗大化）した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（図８（ａ）符号Ｃ１参照）で構成されている。
【００３２】
電極棒先端側領域の縦断面ノンサグ状結晶構造は、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、電極に上下方向の振動が伝達されても折損しない。
【００３３】
また、水銀フリーアークチューブでは、放電に必要な管電力が得られるように、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、アークチューブについて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、輝点ズレ（放電の輝点位置が点消灯の度に移動すること）や輝点変動（安定点灯中に輝点が移動すること）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となる。しかし、電極棒先端部は縦断面単一の結晶で構成されているので、フリッカー（アークのちらつき）発生の原因となる放電時の輝点割れが起こりにくい。
【発明の効果】
【００３４】
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、フリッカーの発生およびピンチシール部での縦クラックや箔浮きの発生が確実に抑制されて、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。
【００３５】
請求項２によれば、電極の消耗の度合いが少なく、輝点変動も少ないので、長寿命で視認性の良好な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。
【００３６】
請求項３によれば、放電時の輝点割れが起こらず、フリッカーの発生がいっそう抑制されて、さらに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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３８】
図１〜図８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は電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対するフリッカー発生時間（アークチューブの寿命）特性を示す図、図４は電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対する箔浮き発生率特性および対する縦クラック発生率特性を示す図、図５は電極棒の総体積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図、図６は電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積と電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積の積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図、図７は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、図８はカリウムドープタングステン製電極棒に真空熱処理（１２００℃〜２０００℃の範囲）を施した後にエージング処理を施した電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造（図８（ａ））を、同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造（図８（ｂ））と比較して示す図である。
【００３９】
これらの図において、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アークチューブ用の放電ランプ装置である点を除いて、その構造は、図９に示す従来構造と略同一である。
【００４０】
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、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。
【００４１】
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の電極棒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。
【００４２】
符号２０および２２は、ピンチシール部１３における電極棒１４の周りに形成された残留圧縮歪層およびビードクラックで、アークチューブの点灯時に電極棒１４（１６）と石英ガラス層の界面に発生する熱応力が残留圧縮歪層２０およびビードクラック２２によって吸収分散されて石英ガラス層側に伝達されるため、ピンチシール部１３の石英ガラス層に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生し難い。
【００４３】
また、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する外径ｄの大きい円柱状先端側領域１５とピンチシール部１３に封着された外径Ｄ（＜ｄ）の小さい円柱状基端側領域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ａとピンチシール部に封着された基端側領域１５の横断面積Ａの比ａ／Ａが１．１〜７．３の範囲とされた構成については、特許文献３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。
【００４４】
詳しくは、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端側領域１５は、その外径ｄ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損傷が少ないので、外径ｄ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ｄ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。
【００４５】
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Ｄ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。
【００４６】
即ち、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という欠点を補うために、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、電極に作用する負荷が増加し、電極が損傷し易くなるため、電極棒１４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。また、最も損傷のおそれのある電極棒先端領域１５では径が大きいので、それだけ損傷し難い。一方、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（太過ぎる）と、ピンチシール部１３における電極棒１６の周りに、アークチューブ点灯時に発生する熱応力を吸収緩和する最適な残留圧縮歪層やビードクラックを形成できない場合があって、点消灯時に伴って発生する熱応力によって、ピンチシール部１３に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生するおそれがあるが、電極棒基端側領域１６の径Ｄが先端側領域１５の径ｄよりも小さいので、電極棒１６の周りにある程度の大きさの残留圧縮歪層２０（ビードクラック２２）が形成されて、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。
【００４７】
このように、本実施例では、特許文献３の場合と同様に、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５の径ｄがピンチシール部に封着される基端側領域１６の径Ｄよりも大きい（基端側領域１６の径Ｄが先端側領域１５の径ｄよりも小さい）段付き形状に構成されることで、電極１５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構造となっている。
しかし、図３，４に示すように、フリッカーの発生，ピンチシール部１３での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、小径の電極棒基端側領域１６のピンチシール部１３に封着されている領域（以下、電極埋込領域という）１６Ａの体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが必要になる。
【００４８】
即ち、段付き電極棒１４の小径基端側領域１６（電極埋込領域１６Ａ）の横断面積をＡ、同極埋込領域１６Ａの長さをＬ、同極埋込領域１６Ａの体積（容積）をＶ、同電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域（以下、電極突出領域という）１５Ａの体積をｖとすると、電極埋込領域１６Ａの体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）が大きいほど、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極突出領域１５Ａが極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制される。そして、図３に示すＶに対するフリッカー発生時間（アークチューブ点灯後、フリッカーの発生に至るまでの時間；アークチューブの平均寿命）特性において、フリッカー発生時間（アークチューブの平均寿命）の限界を一般的に望ましいとされる２５００時間に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上が望ましいことがわかる。
【００４９】
また、電極埋込領域１６Ａの体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極埋込領域１６Ａにおける熱容量が大きい分、電極棒１４（１６）に接続されているモリブデン箔１７の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔１７間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制される。そして、Ｖに対する箔浮き発生率特性（図４一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上が望ましいことがわかる。
【００５０】
また、ピンチシール部１３において縦クラックの発生を抑制するには、電極埋込領域１６Ａの周りに形成される残留圧縮歪層２０およびビードクラック２２が最適範囲（例えば、ビードクラック２２は電極棒１６を中心とする円弧状に延在するが、ビードクラック２２は、円弧の半径の大きさがピンチシール部の横断面の短辺の幅の１／４以下）となるように形成されていることが望ましいが、電極埋込領域１６Ａの体積（容積）が大きすぎると、ガラス層と電極埋込領域１６Ａ間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部１３が冷える過程で、電極埋込領域１６Ａと石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合（例えば、ビードクラックの円弧の半径の大きさがピンチシール部の横断面の短辺の幅の１／４を超えるような場合）には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。そして、電極埋込領域１６Ａの体積（容積）Ｖに対する縦クラック発生率特性（図４実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．４２ｍｍ３以下が望ましいことがわかる。
【００５１】
このように、本実施例では、フリッカーの発生およびピンチシール部１３での縦クラックや箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）に、電極１４における電極埋込領域１６Ａの体積Ｖが０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成されている。
【００５２】
さらに、本実施例では、電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの和、即ち電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が０．４０〜０．６０で、かつ電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの積（Ｖ・ｖ）が０．０３〜０．０９の範囲内となるように構成されて、電極の消耗による不良品発生率およびアークの輝点変動による不良品発生率のいずれも０．５％以下となるように構成されている。
【００５３】
即ち、図５に示すように、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が小さ過ぎると、電極の熱容量が小さ過ぎて、電極が極端な高温度となって、電極が消耗する。一方、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が大き過ぎると、電極の熱容量が大き過ぎて、電極が安定した放電のために必要な適正温度とならず、輝点変動が発生する。電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図５実線参照）および不良品（輝点変動）の発生率特性（図５一点差線参照）の限界をそれぞれ０．５％に設定すると、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）は０．０３ｍｍ３以上、０．６０ｍｍ３以下が望ましいことがわかる。
【００５４】
また、電極の消耗と輝点変動に対する有効範囲（限界）をより明確にするために、電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの積（Ｖ・ｖ）に対する不良品（電極消耗）発生率特性（図６実線参照）および不良品（輝点変動）発生率特性（図６一点鎖線参照）を求めるとともに、電極消耗および輝点変動によるそれぞれの不良品発生率の限界をそれぞれ０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０４０ｍｍ６以上、０．０９ｍｍ６以下が望ましいことがわかる。
【００５５】
また、本実施例の段付き電極棒１４は、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒で、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成されるとともに、アークチューブ１０として構成された後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造とされるとともに、その先端部が電極棒先端側領域１５と略同一径の単一の結晶で構成された結晶構造とされて、電極棒（大径電極棒先端側領域１５）の折損が抑制されるとともに、フリッカー（アークのちらつき）の発生を一層抑制できる構造となっている。
即ち、密閉ガラス球１２内に対設されている電極棒１４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７は、トリエーテッドタングステン製電極棒を対向電極として備えた水銀フリーアークチューブにおいて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、この図に示すように、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と考えられている。また、電極棒１４を所定の段付き形状に加工する方法としては、均一な外径ｄをもつ円柱形状の電極棒の一端側（基端側領域１６）を、例えば切削によって外径Ｄの円柱形状に形成する方法が考えられるが、切削加工が必要な分、電極棒１４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。
【００５６】
しかし、本実施例における段付き電極棒１４は、トリエーテッドタングステン製電極棒ではなく、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カリウムドープタングステン製電極棒１４で構成されている。
【００５７】
さらに、カリウムドープタングステン製段付き電極棒１４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て、表面に付着していた不純物や吸着されていた水分が除去されている。そして、真空熱処理が施されることで、電極棒１４全域の縦断面結晶構造は、強度のある折れ難い繊維状結晶構造となる。さらに、真空熱処理が施されたカリウムドープタングステン製電極棒１４が、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工程を経ることで、図８（ａ）に示すように、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の縦断面結晶構造は、エージング工程前の繊維状結晶が成長（粗大化）したノンサグ状結晶構造となって、上下方向の振動などの横方向荷重に対しての強度に特に優れた結晶構造を構成する。
【００５８】
特に、エージング工程を経た電極棒先端側領域１５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）した単一の結晶構造となって、放電時の輝点割れが起こらず、それだけフリッカー（アークのちらつき）が発生し難い構造となっている。即ち、水銀フリーアークチューブでは、放電に必要な管電力が得られるように、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、アークチューブについて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、輝点ズレや輝点変動といった、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となる。しかし、電極棒先端部は、先端領域１５の外径に等しい単一の結晶Ｃ１で構成されているので、電極先端面の形状が大きく変化することがなく、電極棒先端が徐々に消耗するにしても電極先端面形状（単一結晶の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、フリッカー（アークのちらつき）発生の原因となる放電時の輝点割れが起こりにくい。
【００５９】
図８（ｂ）は、カリウムドープタングステン製段付き電極棒１４と同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製段付き電極棒（ピンチシール前に予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施した後、アークチューブとして組み付けた後にエージング工程を施したトリエーテッドタングステン製電極棒）の先端側領域の拡大縦断面結晶構造を示すが、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の先端部までの全体がノンサグ状結晶構造で構成されているため、放電時の輝点割れが起こり易く、それだけフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い。このように、図８（ａ）に示す、先端部が単一の結晶Ｃ１で構成されているカリウムドープタングステン製電極棒先端側領域の縦断面結晶構造が、先端部までノンサグ状結晶構造で構成されているトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の縦断面結晶構造（図８（ｂ）参照）とは、明らかに相違していることがわかる。
【００６０】
また、水銀フリーアークチューブ１０の製造方法については、真空熱処理（１２００℃〜２０００℃）を施した段付き電極棒１４とモリブデン箔１７とリード線１８を直線状に接続一体化した電極アッシーを予め作っておき、ガラス球の成形されたガラス管の開口端部にこの電極アッシーを挿通保持し、ガラス管の開口端部をピンチシールすることで、密閉ガラス球内にＮａ，Ｓｃのハロゲン化物，水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４などの緩衝用金属ハロゲン化物等を希ガス（Ｘｅガス）とともに封止する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【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】電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対するフリッカー発生時間（アークチューブの寿命）特性を示す図である。
【図４】電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対する箔浮き発生率特性および対する縦クラック発生率特性を示す図である。
【図５】電極棒の総体積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図である。
【図６】電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積と電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積の積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図である。
【図７】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を発生するメカニズム（化学反応式）を示す図である。
【図８】（ａ）はカリウムドープタングステン製電極棒に真空熱処理（１２００℃〜２０００℃の範囲）を施した後にエージング処理を施した電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造、（ｂ）は同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造をそれぞれ示す図である。
【図９】従来の放電ランプ装置の縦断面図である。
【図１０】従来のアークチューブ（特許文献１）のピンチシール部に形成された残留圧縮歪層およびビードクラックを示す縦断面図である。
【図１１】従来の水銀フリーアークチューブ（特許文献２，３）に用いる電極棒の拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
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 電極突出領域
１６ 段付き電極棒の基端側領域
１６Ａ 電極埋込領域
１７ モリブデン箔
１８ リード線
２０ 残留圧縮歪層
２２ ビードクラック
Ａ 電極棒の基端側領域（電極埋込領域）の横断面積
Ｌ 電極埋込領域の長さ
Ｖ 電極埋込領域の体積（容積）
ａ 電極突出領域の横断面積
ｖ 電極突出領域の体積（容積）
【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９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】
即ち、電極棒６としては、耐熱性および耐久性に優れたタングステン製が最も望ましいが、タングステンはアークチューブを構成する石英ガラスと線膨張係数が大きく異なり、石英ガラスとのなじみも悪く気密性に劣る。したがって、タングステン製電極棒６に、伸縮性および柔軟性に優れ、石英ガラスと比較的なじみのよいモリブデン箔７を接続し、モリブデン箔７をピンチシール部５ｂで封着することで、ピンチシール部５ｂにおける気密性を確保するようになっている。
【０００５】
しかし、アークチューブの点灯時と消灯時でピンチシール部５ｂにおける温度差が大きく、線膨張係数が大きく異なる電極棒と石英ガラス層間には、点灯時に熱応力が生じる。特に、近年のアークチューブは瞬時点灯ができるように構成されており、温度上昇率が大きく、熱応力が急激に生じる。そして、点消灯によりこの状態が繰り返されると、電極棒６を封着するピンチシール部（石英ガラス層）５ｂには、電極棒６に対し放射状に延びるクラック（以下、縦クラックという）が発生し、封入物質がリークし、点灯不良や寿命の低下につながるという問題があった。
【０００６】
この問題に対しては、アークチューブの製造過程においてピンチシール部５ｂに生じた残留圧縮歪が所定の領域にわたって残っている場合の方が、アークチューブの点灯に伴う温度上昇に伴ってピンチシール部の石英ガラス層に生じる熱応力が分散されるので、それだけピンチシール部の石英ガラス層に縦クラックが生じにくく、アークチューブの寿命が延びる、という考えの基に、下記特許文献１（特開２００１−１５０６７）が提案された。
【０００７】
即ち、特開２００１−１５０６７は、図１０に示すように、ピンチシール部５ｂにおける石英ガラス層の電極棒６との密着面に広範な所定範囲にわたって残留圧縮歪層９が形成されるとともに、残留圧縮歪層９とその周りのガラス層間にはビードクラック（残留圧縮歪層９を取り囲むように周方向および軸方向に延びるクラック）９ａが形成された構造で、アークチューブの点灯時に電極棒６と石英ガラス層の界面に発生する熱応力が残留圧縮歪層９およびビードクラック９ａによって吸収分散されて石英ガラス層側に伝達されるため、ピンチシール部５ｂの石英ガラス層には封入物質のリークにつながる縦クラックが発生しないというものである。
【０００８】
また、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。
【０００９】
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、それだけ電極の負荷が増加し、電極が損傷（消耗や黒化）し、発光効率の低下やアークの立ち消えにつながるという問題が発生した。これに対しては、電極棒６の径を太くすることで対応できるが、電極６が太すぎると、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量の差が大きく顕在化し、石英ガラス層の電極棒との界面が剥離してしまって、ピンチシール部５ｂにおける石英ガラス層の電極棒６の周りに、アークチューブ点灯時に発生する熱応力を吸収緩和できる最適な大きさの残留圧縮歪層９およびビードクラック９ａを形成することができず、アークチューブの点消灯によってピンチシール部５ｂには封入物質のリークにつながる縦クラックが発生してしまう、と考えられた。
【００１０】
そこで、下記特許文献２，３に示す水銀フリーアークチューブでは、例えば、図１１に示すように、密閉ガラス球内に突出配置される電極棒先端側領域６ａの外径をピンチシール部に封着される電極棒基端側領域６ｂの外径より太くした段付き電極棒（ピンチシール部に封着される電極棒基端側領域６ｂの外径を電極棒先端側領域６ｂの外径より細くした段付き電極棒）を採用することで、電極の損傷と縦クラックの発生という相反する問題の解決を図っている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−１５０６７
【特許文献２】特開２００５−１４２０７２
【特許文献３】特開２００５−１８３１６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、前記特許文献２，３のように、電極棒を段付き形状にしただけでは、密閉ガラス球内の希ガスの圧力が高く投入電力も高く設定することが必要な水銀フリーアークチューブにおいて、特に放電ランプ装置の起動時に、径の大きい電極先端側領域からピンチシール部に封着されている径の小さい電極基端側領域に向かう電流や熱流が急激に発生し、これがため、アークチューブの寿命低下の原因となるフリッカー（アークのちらつき）の発生やピンチシール部における縦クラックや箔浮き（モリブデン箔とガラス層間に隙間が生じること）の発生を確実に抑制する上では不十分であることがわかった。
【００１２】
そこで、発明者は、段付き電極棒のピンチシール部に封着されている径の小さい基端側領域の体積（容積）に注目してみた。そして、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積（容積）とフリッカーの発生，同領域の体積（容積）とピンチシール部における縦クラックの発生および箔浮きの発生とのそれぞれの相関関係を考察したところ、図３，４に示すような結果が得られた。
【００１３】
即ち、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）を大きくすると、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極先端側領域が極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制されるし、電極棒のピンチシール部に封着されている領域における熱容量が大きい分、電極棒に接続されているモリブデン箔の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制されることがわかった。
【００１４】
また、ピンチシール部において縦クラックの発生を抑制するには、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）が所定範囲以下であることが望ましいこともわかった。縦クラックの発生を抑制するには、ピンチシール部の電極棒周りに形成される残留圧縮歪層およびビードクラックが最適な範囲に形成されていることが望ましいが、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）が小さ過ぎると、ガラス層と電極棒間の界面の面積も小さく、ガラス層に発生する残留圧縮歪層（ビードクラック）も小さ過ぎる。一方、電極棒における同領域の体積（容積）が大きすぎると、ガラス層と電極棒間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。
【００１５】
このように、段付き電極棒のピンチシール部に封着されている径の細い基端側領域の体積（容積）を所定範囲とすれば、フリッカーの発生、ピンチシール部における縦クラックや箔浮きの発生を防止できること（アークチューブの長寿命化が可能）が確認されたので、この度の出願に至ったものである。
【００１６】
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、フリッカーの発生，縦クラックの発生および箔浮きの発生の全てを抑制する上で有効な長寿命の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】
【００１７】
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、
前記電極棒を、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積が前記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に構成するとともに、前記ピンチシール部に封着された領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成した。
【００１８】
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。
【００１９】
（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という欠点を補うために、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。また、損傷のおそれのある電極棒先端側領域では径が大きいので、それだけ損傷し難い。また、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域では、径が大きい（太すぎる）と、縦クラックの発生を抑制する最適な残留圧縮歪層やビードクラックを形成できないが、電極棒先端側領域の径よりも小さい（細い）ので、電極棒の周りに残留圧縮歪層やビードクラックが形成されて、ピンチシール部において縦クラックが発生し難い。
【００２０】
このように、特許文献３と同様に、電極棒を、密閉ガラス球内に突出する領域（先端側領域）がピンチシール部に封着される領域（基端側領域）よりも太い段付き形状（ピンチシール部に封着される電極棒基端側領域の外径を電極棒先端側領域の外径より小さくした段付き電極棒）にすることで、電極の損傷およびピンチシール部での縦クラックの発生をある程度は抑制できる。
しかし、図３，４に示すように、フリッカーの発生，ピンチシール部での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが必要になる。
【００２１】
即ち、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖの、フリッカーの発生，ピンチシール部での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）に望ましいとされる大きさについては、段付き電極棒の小径基端側領域の横断面積をＡ、同電極棒のピンチシール部に封着された領域の長さをＬ、同電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積（容積）をＶ、同電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、次のように説明できる。
【００２２】
（電極の変形やフリッカーの発生に対して）：電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極先端側領域が極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制される。そして、図３に示すＶに対するフリッカー発生時間（アークチューブ点灯後フリッカーの発生に至るまでの時間；アークチューブの平均寿命）特性において、フリッカー発生時間（アークチューブの平均寿命）の限界を一般的に望ましいとされる２５００時間に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上であることが望ましい。
【００２３】
（箔浮きに対して）：電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極棒のピンチシール部に封着されている領域における熱容量が大きい分、電極棒に接続されているモリブデン箔の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制される。そして、Ｖに対する箔浮き発生率特性（図４一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上であることが望ましい。
【００２４】
（縦クラックに対して）：ピンチシール部において縦クラックの発生を抑制するには、ピンチシール部の電極棒周りに形成される残留圧縮歪層およびビードクラックが最適範囲に形成されていることが望ましく、電極棒におけるピンチシール部に封着されている領域の体積（容積）Ｖが小さ過ぎると、ガラス層と電極棒間の界面の面積も小さく、ガラス層に発生する残留圧縮歪層（ビードクラック）も小さ過ぎるため、電極棒における同領域の体積（容積）Ｖは大きいほうがよい。しかし、電極棒における同領域の体積（容積）Ｖが大きすぎると、ガラス層と電極棒間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部が冷える過程で、電極棒と石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。そして、Ｖに対する縦クラック発生率特性（図４実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．４２ｍｍ３以下であることが望ましい。
以上のことから、フリッカーの発生およびピンチシール部での縦クラックや箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、ピンチシール部に封着されている電極棒基端側領域の体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが望ましい。
【００２５】
また、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、前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、Ｖ＋ｖが０．４０〜０．６０ｍｍ３、かつＶ・ｖが０．０３〜０．０９ｍｍ６の範囲内となるように構成した。
【００２６】
（作用）電極棒の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図５実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ＋ｖは０．４０ｍｍ３以上であることが望ましい。また、電極棒の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（安定点灯中におけるアークの輝点位置の変動、以下、輝点変動という）の発生率特性（図５一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ＋ｖは０．６０ｍｍ３以下であることが望ましい。
【００２７】
また、電極棒のピンチシール部に封着されている領域の体積Ｖと電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積ｖとの積（Ｖ・ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図６実線参照）において、不良品（電極消耗）の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０３ｍｍ６以上であることが望ましい。また、Ｖ・ｖに対する不良品（輝点変動）の発生率特性（図６一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０９ｍｍ６以下であることが望ましい。
【００２８】
また、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、前記電極棒を、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒であって、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成するとともに、アークチューブとして構成した後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、前記密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造をノンサグ状結晶構造で構成するとともに、その先端部を電極棒先端側領域と略同一径の単一の結晶で構成するようにした。
【００２９】
（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７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。
【００３０】
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、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できる。このとき、電極棒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となっている。
【００３１】
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工程を経ることで、密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造は、図８（ａ）に示すように、エージング工程前の繊維状結晶が成長（粗大化）した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（図８（ａ）符号Ｃ１参照）で構成されている。
【００３２】
電極棒先端側領域の縦断面ノンサグ状結晶構造は、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、電極に上下方向の振動が伝達されても折損しない。
【００３３】
また、水銀フリーアークチューブでは、放電に必要な管電力が得られるように、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、アークチューブについて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、輝点ズレ（放電の輝点位置が点消灯の度に移動すること）や輝点変動（安定点灯中に輝点が移動すること）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となる。しかし、電極棒先端部は縦断面単一の結晶で構成されているので、フリッカー（アークのちらつき）発生の原因となる放電時の輝点割れが起こりにくい。
【発明の効果】
【００３４】
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、フリッカーの発生およびピンチシール部での縦クラックや箔浮きの発生が確実に抑制されて、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。
【００３５】
請求項２によれば、電極の消耗の度合いが少なく、輝点変動も少ないので、長寿命で視認性の良好な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。
【００３６】
請求項３によれば、放電時の輝点割れが起こらず、フリッカーの発生がいっそう抑制されて、さらに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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３８】
図１〜図８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は電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対するフリッカー発生時間（アークチューブの寿命）特性を示す図、図４は電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対する箔浮き発生率特性および対する縦クラック発生率特性を示す図、図５は電極棒の総体積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図、図６は電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積と電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積の積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図、図７は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、図８はカリウムドープタングステン製電極棒に真空熱処理（１２００℃〜２０００℃の範囲）を施した後にエージング処理を施した電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造（図８（ａ））を、同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造（図８（ｂ））と比較して示す図である。
【００３９】
これらの図において、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アークチューブ用の放電ランプ装置である点を除いて、その構造は、図９に示す従来構造と略同一である。
【００４０】
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、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。
【００４１】
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の電極棒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。
【００４２】
符号２０および２２は、ピンチシール部１３における電極棒１４の周りに形成された残留圧縮歪層およびビードクラックで、アークチューブの点灯時に電極棒１４（１６）と石英ガラス層の界面に発生する熱応力が残留圧縮歪層２０およびビードクラック２２によって吸収分散されて石英ガラス層側に伝達されるため、ピンチシール部１３の石英ガラス層に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生し難い。
【００４３】
また、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する外径ｄの大きい円柱状先端側領域１５とピンチシール部１３に封着された外径Ｄ（＜ｄ）の小さい円柱状基端側領域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ａとピンチシール部に封着された基端側領域１５の横断面積Ａの比ａ／Ａが１．１〜７．３の範囲とされた構成については、特許文献３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。
【００４４】
詳しくは、密閉ガラス球１２内に突出する電極棒先端側領域１５は、その外径ｄ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損傷が少ないので、外径ｄ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ｄ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。
【００４５】
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Ｄ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。
【００４６】
即ち、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という欠点を補うために、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、電極に作用する負荷が増加し、電極が損傷し易くなるため、電極棒１４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。また、最も損傷のおそれのある電極棒先端領域１５では径が大きいので、それだけ損傷し難い。一方、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（太過ぎる）と、ピンチシール部１３における電極棒１６の周りに、アークチューブ点灯時に発生する熱応力を吸収緩和する最適な残留圧縮歪層やビードクラックを形成できない場合があって、点消灯時に伴って発生する熱応力によって、ピンチシール部１３に封入物質のリークにつながる縦クラックが発生するおそれがあるが、電極棒基端側領域１６の径Ｄが先端側領域１５の径ｄよりも小さいので、電極棒１６の周りにある程度の大きさの残留圧縮歪層２０（ビードクラック２２）が形成されて、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。
【００４７】
このように、本実施例では、特許文献３の場合と同様に、電極棒１４は、密閉ガラス球１２内に突出する先端側領域１５の径ｄがピンチシール部に封着される基端側領域１６の径Ｄよりも大きい（基端側領域１６の径Ｄが先端側領域１５の径ｄよりも小さい）段付き形状に構成されることで、電極１５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構造となっている。
しかし、図３，４に示すように、フリッカーの発生，ピンチシール部１３での縦クラックの発生および箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）には、小径の電極棒基端側領域１６のピンチシール部１３に封着されている領域（以下、電極埋込領域という）１６Ａの体積Ｖを０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内にすることが必要になる。
【００４８】
即ち、段付き電極棒１４の小径基端側領域１６（電極埋込領域１６Ａ）の横断面積をＡ、同極埋込領域１６Ａの長さをＬ、同極埋込領域１６Ａの体積（容積）をＶ、同電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域（以下、電極突出領域という）１５Ａの体積をｖとすると、電極埋込領域１６Ａの体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）が大きいほど、電極棒からピンチシール部への熱伝導が促進されて、電極突出領域１５Ａが極端に高温とならず、電極の変形やフリッカーの発生が抑制される。そして、図３に示すＶに対するフリッカー発生時間（アークチューブ点灯後、フリッカーの発生に至るまでの時間；アークチューブの平均寿命）特性において、フリッカー発生時間（アークチューブの平均寿命）の限界を一般的に望ましいとされる２５００時間に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上が望ましいことがわかる。
【００４９】
また、電極埋込領域１６Ａの体積Ｖ（＝Ａ・Ｌ）を大きくすると、電極埋込領域１６Ａにおける熱容量が大きい分、電極棒１４（１６）に接続されているモリブデン箔１７の温度が上がらず、ガラス層とモリブデン箔１７間に発生する熱応力が小さく、それだけ箔浮きの発生が抑制される。そして、Ｖに対する箔浮き発生率特性（図４一点鎖線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．２５ｍｍ３以上が望ましいことがわかる。
【００５０】
また、ピンチシール部１３において縦クラックの発生を抑制するには、電極埋込領域１６Ａの周りに形成される残留圧縮歪層２０およびビードクラック２２が最適範囲（例えば、ビードクラック２２は電極棒１６を中心とする円弧状に延在するが、ビードクラック２２は、円弧の半径の大きさがピンチシール部の横断面の短辺の幅の１／４以下）となるように形成されていることが望ましいが、電極埋込領域１６Ａの体積（容積）が大きすぎると、ガラス層と電極埋込領域１６Ａ間の界面の周方向および軸方向の面積が大きく、ピンチシール後にピンチシール部１３が冷える過程で、電極埋込領域１６Ａと石英ガラス層との熱収縮量差が大きく顕在化し、石英ガラス層に適切な残留圧縮歪層およびビードクラックを形成できない。特に、残留圧縮歪層およびビードクラックが大きい場合（例えば、ビードクラックの円弧の半径の大きさがピンチシール部の横断面の短辺の幅の１／４を超えるような場合）には、点灯時にビードクラックの周方向の端部から放射状方向に延びるクラックが発生する、即ち、縦クラックの発生につながることがわかった。そして、電極埋込領域１６Ａの体積（容積）Ｖに対する縦クラック発生率特性（図４実線参照）において、不良品の発生率の限界を０．５％に設定すると、Ｖは０．４２ｍｍ３以下が望ましいことがわかる。
【００５１】
このように、本実施例では、フリッカーの発生およびピンチシール部１３での縦クラックや箔浮きの発生を確実に抑制するため（アークチューブの長寿命化のため）に、電極１４における電極埋込領域１６Ａの体積Ｖが０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成されている。
【００５２】
さらに、本実施例では、電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの和、即ち電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が０．４０〜０．６０で、かつ電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの積（Ｖ・ｖ）が０．０３〜０．０９の範囲内となるように構成されて、電極の消耗による不良品発生率およびアークの輝点変動による不良品発生率のいずれも０．５％以下となるように構成されている。
【００５３】
即ち、図５に示すように、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が小さ過ぎると、電極の熱容量が小さ過ぎて、電極が極端な高温度となって、電極が消耗する。一方、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）が大き過ぎると、電極の熱容量が大き過ぎて、電極が安定した放電のために必要な適正温度とならず、輝点変動が発生する。電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）に対する不良品（電極消耗）の発生率特性（図５実線参照）および不良品（輝点変動）の発生率特性（図５一点差線参照）の限界をそれぞれ０．５％に設定すると、電極棒１４の総体積（Ｖ＋ｖ）は０．０３ｍｍ３以上、０．６０ｍｍ３以下が望ましいことがわかる。
【００５４】
また、電極の消耗と輝点変動に対する有効範囲（限界）をより明確にするために、電極埋設領域１６Ａの体積（容積）Ｖと電極突出領域１５Ａの体積（容積）ｖとの積（Ｖ・ｖ）に対する不良品（電極消耗）発生率特性（図６実線参照）および不良品（輝点変動）発生率特性（図６一点鎖線参照）を求めるとともに、電極消耗および輝点変動によるそれぞれの不良品発生率の限界をそれぞれ０．５％に設定すると、Ｖ・ｖは０．０４０ｍｍ６以上、０．０９ｍｍ６以下が望ましいことがわかる。
【００５５】
また、本実施例の段付き電極棒１４は、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒で、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成されるとともに、アークチューブ１０として構成された後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造とされるとともに、その先端部が電極棒先端側領域１５と略同一径の単一の結晶で構成された結晶構造とされて、電極棒（大径電極棒先端側領域１５）の折損が抑制されるとともに、フリッカー（アークのちらつき）の発生を一層抑制できる構造となっている。
即ち、密閉ガラス球１２内に対設されている電極棒１４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７は、トリエーテッドタングステン製電極棒を対向電極として備えた水銀フリーアークチューブにおいて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、この図に示すように、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と考えられている。また、電極棒１４を所定の段付き形状に加工する方法としては、均一な外径ｄをもつ円柱形状の電極棒の一端側（基端側領域１６）を、例えば切削によって外径Ｄの円柱形状に形成する方法が考えられるが、切削加工が必要な分、電極棒１４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。
【００５６】
しかし、本実施例における段付き電極棒１４は、トリエーテッドタングステン製電極棒ではなく、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カリウムドープタングステン製電極棒１４で構成されている。
【００５７】
さらに、カリウムドープタングステン製段付き電極棒１４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て、表面に付着していた不純物や吸着されていた水分が除去されている。そして、真空熱処理が施されることで、電極棒１４全域の縦断面結晶構造は、強度のある折れ難い繊維状結晶構造となる。さらに、真空熱処理が施されたカリウムドープタングステン製電極棒１４が、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工程を経ることで、図８（ａ）に示すように、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の縦断面結晶構造は、エージング工程前の繊維状結晶が成長（粗大化）したノンサグ状結晶構造となって、上下方向の振動などの横方向荷重に対しての強度に特に優れた結晶構造を構成する。
【００５８】
特に、エージング工程を経た電極棒先端側領域１５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）した単一の結晶構造となって、放電時の輝点割れが起こらず、それだけフリッカー（アークのちらつき）が発生し難い構造となっている。即ち、水銀フリーアークチューブでは、放電に必要な管電力が得られるように、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、アークチューブについて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、輝点ズレや輝点変動といった、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となる。しかし、電極棒先端部は、先端領域１５の外径に等しい単一の結晶Ｃ１で構成されているので、電極先端面の形状が大きく変化することがなく、電極棒先端が徐々に消耗するにしても電極先端面形状（単一結晶の端面形状）全体がほぼ均一に消耗するため、フリッカー（アークのちらつき）発生の原因となる放電時の輝点割れが起こりにくい。
【００５９】
図８（ｂ）は、カリウムドープタングステン製段付き電極棒１４と同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製段付き電極棒（ピンチシール前に予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理を施した後、アークチューブとして組み付けた後にエージング工程を施したトリエーテッドタングステン製電極棒）の先端側領域の拡大縦断面結晶構造を示すが、電極突出領域１５Ａを構成する電極棒先端側領域１５の先端部までの全体がノンサグ状結晶構造で構成されているため、放電時の輝点割れが起こり易く、それだけフリッカー（アークのちらつき）が発生し易い。このように、図８（ａ）に示す、先端部が単一の結晶Ｃ１で構成されているカリウムドープタングステン製電極棒先端側領域の縦断面結晶構造が、先端部までノンサグ状結晶構造で構成されているトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の縦断面結晶構造（図８（ｂ）参照）とは、明らかに相違していることがわかる。
【００６０】
また、水銀フリーアークチューブ１０の製造方法については、真空熱処理（１２００℃〜２０００℃）を施した段付き電極棒１４とモリブデン箔１７とリード線１８を直線状に接続一体化した電極アッシーを予め作っておき、ガラス球の成形されたガラス管の開口端部にこの電極アッシーを挿通保持し、ガラス管の開口端部をピンチシールすることで、密閉ガラス球内にＮａ，Ｓｃのハロゲン化物，水銀に代わるＺｎＩ２やＴｈＩ４などの緩衝用金属ハロゲン化物等を希ガス（Ｘｅガス）とともに封止する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【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】電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対するフリッカー発生時間（アークチューブの寿命）特性を示す図である。
【図４】電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積に対する箔浮き発生率特性および対する縦クラック発生率特性を示す図である。
【図５】電極棒の総体積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図である。
【図６】電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積と電極棒のピンチシール部に封着された領域の体積の積に対する不良品（電極消耗）の発生率特性および不良品（輝点変動）の発生率特性を示す図である。
【図７】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を発生するメカニズム（化学反応式）を示す図である。
【図８】（ａ）はカリウムドープタングステン製電極棒に真空熱処理（１２００℃〜２０００℃の範囲）を施した後にエージング処理を施した電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造、（ｂ）は同様の処理を施したトリエーテッドタングステン製電極棒先端側領域の拡大縦断面結晶構造をそれぞれ示す図である。
【図９】従来の放電ランプ装置の縦断面図である。
【図１０】従来のアークチューブ（特許文献１）のピンチシール部に形成された残留圧縮歪層およびビードクラックを示す縦断面図である。
【図１１】従来の水銀フリーアークチューブ（特許文献２，３）に用いる電極棒の拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
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 電極突出領域
１６ 段付き電極棒の基端側領域
１６Ａ 電極埋込領域
１７ モリブデン箔
１８ リード線
２０ 残留圧縮歪層
２２ ビードクラック
Ａ 電極棒の基端側領域（電極埋込領域）の横断面積
Ｌ 電極埋込領域の長さ
Ｖ 電極埋込領域の体積（容積）
ａ 電極突出領域の横断面積
ｖ 電極突出領域の体積（容積）
【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、
前記電極棒は、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積が前記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に構成されるとともに、前記ピンチシール部に封着された領域の体積Ｖが０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成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】
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、Ｖ＋ｖが０．４０〜０．６０ｍｍ３、Ｖ・ｖが０．０３〜０．０９ｍｍ６の範囲内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】
前記電極棒は、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒であって、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成されるとともに、アークチューブとして構成された後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、前記密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造で構成されるとともに、その先端部が電極棒先端側領域と略同一径の単一の結晶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、
前記電極棒は、前記密閉ガラス球内に突出する先端側領域の横断面積が前記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に構成されるとともに、前記ピンチシール部に封着された領域の体積Ｖが０．２５〜０．４２ｍｍ３の範囲内に構成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】
前記電極棒の密閉ガラス球内に突出する領域の体積をｖとして、Ｖ＋ｖが０．４０〜０．６０ｍｍ３、Ｖ・ｖが０．０３〜０．０９ｍｍ６の範囲内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】
前記電極棒は、カリウムがドープされたカリウムドープタングステン製電極棒であって、予め１２００℃〜２０００℃の範囲の真空熱処理が施されたもので構成されるとともに、アークチューブとして構成された後に点消灯を繰り返すエージング工程を経て、前記密閉ガラス球内に突出する径の大きい電極棒先端側領域の縦断面結晶構造がノンサグ状結晶構造で構成されるとともに、その先端部が電極棒先端側領域と略同一径の単一の結晶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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−１３４０５５（Ｐ２００７−１３４０５５Ａ）
【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２００５−３２３１３６（Ｐ２００５−３２３１３６）
【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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