JP2018508113A - 高輝度放電ランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、放電チャンバ（３）内の充填物を包囲する放電容器（２）と、トリウムを含まない材料で形成され、放電チャンバ（３）内に両側から突出する一対の電極ロッド（４、５）とを有する高輝度放電ランプ（１）に関する。放電チャンバ（３）内の電極ロッド（４、５）の直径ＥＤが式：ＥＤ≧ＥＤ０＝√（πＷ／［１＋（Ｅｄ−３）／（３Ｅｄ）］）μｍ−１０μｍを満足し、Ｗは、ｍＷ単位での定格ランプ電力の値を表し、Ｅｄは、ｍｍ単位での放電チャンバ（３）内の電極ロッド（４、５）同士の距離の値を表し、定格ランプ電力Ｗは、２０Ｗと５０Ｗとの間である。上記の式を用いることで、最適性能を達成するための時間のかかる実験なしで、異なる定格電力及び／又は電極距離を有する高輝度放電ランプを容易に設計することができる。

Description

本発明は、放電チャンバ内の充填物を包囲する放電容器と、トリウムを含まない材料で形成され、放電チャンバ内に両側から突出する一対の電極ロッドとを有する高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに関する。このようなＨＩＤランプは、例えば自動車用途、特にヘッドライトに使用され得る。

高輝度放電ランプは、長い寿命と、ランプの寿命にわたって維持される高い光出力とを有するべきである。ランプ性能は、例えば、電極のサイズ及び距離によって影響されるとともに、通常は動作中に気化するペレットの形態で導入される塩充填物と不活性ガスとを有するのが典型的である充填物の組成によって影響される。塩充填物は、特にランプの色点（カラーポイント）へのそれら寄与に関した、それらの具体的な特性に従って選択される複数のメタルハライド（金属ハロゲン化物）を有することができる。

様々な多機能要件に基づいて、特に自動車用ランプの場合には、ＨＩＤランプを最適化すること、又はランプパワー及び／又は電極距離の変更された仕様を有する新しいランプを設計することは、非常に困難であり、とてつもなく大がかりであり、且つ高くつく。電極の直径がＨＩＤランプのクリティカル寸法である。電極の直径が過大である場合、例えば、難しいピンチプロセス、ゼロ時間欠陥又はコミュテーション問題といった、幾つかの欠点が生じることがある。電極の直径が過小である場合、強い電極バーンバックに起因してランプの寿命が短くなりことがあるとともに、電磁干渉（ＥＭＩ）が発生することがあり、それにより、特に自動車用途において、例えば車内の周囲の電子システムに悪影響を及ぼし得る。

特許文献１（ＥＰ２７２５６０４Ａ１）は、放電チャンバ内の充填物を包囲する放電容器と、該放電チャンバ内に両側から突出する一対の電極ロッドとを有するメタルハライドランプを記載している。その充填物は、メタルハライド及び希ガスを含んでいる。電極及び放電チャンバの何れもが、電極の仕事関数を下げるためにエミッタ材料として使用されるのが典型的であるトリウムを含んでいない。ランプのちらつきや電極の変形を回避するために、始動電力Ｗ_Ｌが、電極の直径Ｄを含むルールに従って寸法決めされる。始動電力値Ｗ_Ｌは、ランプの始動後の或る期間中にランプに供給される電力を積算することによって得られる。始動電力は、２０Ｗと３０Ｗとの間の定格電力Ｐを有るランプに関して４３００≦Ｗ_Ｌ／Ｄ≦７４００を満足するように選択される。このルールは主に、電極内又は放電チャンバ内のエミッタの不存在に起因した始動中の電極の過熱及び／又は変形を回避することを意図している。この文献は、ランプの始動段階での問題を扱うのみであり、安定点灯期間の特性を扱っていない。

欧州特許出願公開第２７２５６０４号明細書

本発明の１つの目的は、合理的に長い寿命にわたって高輝度光出力を提供するとともに、他の定格ランプ電力及び／又は他の電極距離に関する再設計を単純な時間節約手法で可能にする、特に自動車用途向けの、高輝度放電ランプを提供することである。

この目的は、請求項１に従った高輝度放電ランプを用いて達成される。この放電ランプの有利な実施形態が、従属請求項に係る事項とであり、あるいは本明細書の後続部分にて記述される。

提案するＨＩＤランプは、好ましくは水銀を含まないものであり、放電チャンバ内の充填物を包囲する放電容器と、放電チャンバ内に両側から突出する一対の電極ロッドとを有する。放電チャンバ内のこれらトリウムフリー電極ロッドの直径ＥＤは、次式：

を満足する。この式において、Ｗは、ｍＷ単位での定格ランプ電力の値を表し、Ｅｄは、ｍｍ単位での放電チャンバ内の電極ロッド同士の距離の値を表す。電極ロッドは、如何なる適切な断面を有していてもよく、それは、好ましくは円形であるが、その他の形状も有し得る。円形ではない断面の場合、直径は、電極ロッドの長手方向軸に垂直な平面内での、電極ロッドの最大の延在を指す。上記の式には既に、実践で電極ロッドを製造することの約±１０μｍの精度が含められている。

電極の直径は、ＨＩＤランプの光出力、寿命、メンテナンス、コミュテーションなどにとって（特に、自動車用ランプのＥＭＩ挙動にとって）非常に重要であるため、ＨＩＤランプの最適化は常に電極の直径に焦点を当てている。これまでは、既存のランプとは異なる定格ランプ電力及び／又は電極距離を有する新ランプ又は改良ランプのために、最良の電極直径を、寿命を含む個別実験とそれらの分析を用いて開発しなければならなかったが、それは、非常に時間がかかるものであり、例えば、自動車分野での寿命試験では１つの実験に約８ヶ月もかかる。本発明者が驚くべく見出したことには、上記の式により、２０Ｗと５０Ｗとの間の定格ランプ電力に関して、そして、広範囲の電極距離に関して、ＥＭＩ挙動を含むＨＩＤランプの重要な全般的基準を満足する最小の電極直径を見つけることができる。この式に従った最小電極直径は、電極距離及び定格ランプ電力に依存するので、これらのパラメータの一方又は双方の変更は、広範囲で高価な新たな開発を必要とせず、むしろ短時間で、最適な電極直径を計算することができる。これまでは、電極の直径に対する、定格ランプ電力と電極距離との間の合理的な相関は知られていなかった。

提案するＨＩＤランプにおいて、電極ロッドは、トリウムを含まない材料で形成される。トリウムのようなエミッタは、電極の仕事関数を低下させるために、そしてそれ故に、より低い電極温度でカソード電子放出を可能にするために、ＨＩＤランプの電極にしばしば使用されている。これは、ランプの立ち上がり中の電極の極端な加熱を回避するものである。この目的のために、バルク電極材料は、しばしば、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）でドープされる。しかしながら、酸化トリウムに含まれる酸素はまた、ランプの化学的性質に対して欠点を有し、最終的にはランプの寿命にわたる光出力の低下につながる。故に、提案する高輝度放電ランプの電極ロッドは、トリウムを含まない材料で形成される。好適な一実施形態において、電極ロッドは、如何なるエミッタも含まない材料、又は少なくともランタン若しくはイットリウムを含まない材料で形成される。これが意味することは、酸化トリウム又は例えばランタン若しくはイットリウムのようなその他のエミッタを含むことなく、電極が製造されるということである。好ましくは、電極ロッドは主としてタングステンからなる。

電極の仕事関数を低下させるために、提案する高輝度放電ランプは好ましくは、特にはトリウム、トリウム組成物又はトリウム化合物であるエミッタを、充填物中に含む。充填物は典型的に、ランプの動作中に放電チャンバが加熱されると気化するハライド組成物を、典型的には塩の形態で含んでいる。本実施形態では、この充填物が、対応するエミッタを含む。好ましくは、充填物は、少なくとも８％のＴｈＩ_４、好ましくは１０％のＴｈＩ_４、を含んだハロゲン化物の塩を含んでいる。トリウム化合物のこの比率は、電極ロッドの仕事関数を有利に低下させ、それ故に、光出力をさらに改善するとともに、ランプの寿命を長くする。充填物は、例えば、ＮａＩ／ＳｃＩ_３／ＴｈＩ_４の混合物を含み得る。充填物の組成は、ルーメン出力や黒体線に対する色点の位置などにおけるバラつきを制御するために適切に調節される。充填物は、ランプの色点に更に影響を及ぼすために、例えば、ＺｎＩ２及び／又はＩｎＩを有するハライド組成物を更に含んでいてもよい。また、その他の化合物も含められ得る。当業者に明らかなように、例えばヨウ化トリウムに対するＴｈＩ_４といった、化学式によるメタルハライドの参照は、その金属及びハロゲンの別の金属塩の使用を排除するものではない。例えば、本発明に従った高輝度放電ランプにおいて、ハロゲン化トリウムは、臭化トリウム、塩化トリウム又はフッ化トリウムの何れともし得る。

高輝度放電ランプの電極は、放電チャンバの互いに反対側の端部の中に突出している。典型的には石英ガラスである放電容器材料の歪んだ屈折特性のために、電極の実際の距離は、外部から光学的に決定されることができず、通常、例えばＸ線技術を用いて行われる。この理由により、電極の隔たりは、光学的な隔たりと表現されるときがある。本特許出願においては、電極距離は、実際の電極距離を意味し、光学的な距離ではない。電極の厚さが、動作中に到達する電極温度を支配するので、安定なアークの維持は、特には電極の直径である電極の幾何学形状に大きい程度で依存する。代わってこれが、バラスト（安定器）パラメータに従って電極のバーンバック及びコミュテーション挙動を決定する。電極は、先端からピンチまで均一な直径の単純なロッド形状として実現されることができ、あるいはまた、放電チャンバの内部で、ピンチ内の電極部分と比較して異なる直径を有して実現されることもできる。本発明の上記の式は、放電チャンバ内部の電極ロッドの（一定の）直径ＥＤに関するものである。過大な電極直径は好ましくないので、提案するＨＩＤランプの電極ロッドの直径ＥＤは、好ましくはＥＤ０とＥＤ０＋６０μｍとの間、より好ましくはＥＤ０とＥＤ０＋４０μｍとの間の範囲内にあるように選定される。２．０ｍｍと４．０ｍｍとの間にある電極ロッドの距離で、非常に良好な結果が達成される。

提案する高輝度放電ランプは、特にＳ及びＲタイプの従来技術のＤ１−Ｄ９ヘッドランプの代わりに、自動車用途で有利に使用され得る。

以下、提案する高輝度放電ランプを、添付の図面に関連する例により説明する。
本発明の一実施形態に従ったＨＩＤランプの断面を示している。

図１は、本発明の一実施形態に従った水銀フリーの石英ガラスＨＩＤランプ１の断面を示している。ランプ１は、充填ガスを収容した放電チャンバ３を包囲する石英ガラスの放電容器２を有している。この例に示す放電チャンバ３の内径は２．０ｍｍと２．８ｍｍとの間とすることができ、外径は５．３ｍｍと６．３ｍｍとの間とすることができる。これは、１５μｌと３０μｌとの間の放電チャンバ３の容量をもたらす。２つの電極ロッド４、５が、ランプ１の両側の端部から放電チャンバ３内に突出している。製造中に、放電チャンバ３内の充填ガスを封止するため、放電容器２の石英ガラスが、両側で電極のシャフトの周りで締め付けられる（ピンチされる）。電極ロッド４、５と外部への導電リード４１、５１との間の電気接続が、ピンチ又は封止領域で包囲されたモリブデン箔４０、５０によってなされる。故に、電極ロッド４、５は、ピンチの中に或る一定の距離だけ延在する。

電極ロッド４、５は、タングステンからなり、基本的にトリウムを含まないように製造され、放電チャンバ３内に突出している。電極ロッド４、５の先端は互いに或る一定の距離だけ離間されている。この電極距離は、ランプのタイプに応じて例えば２．０ｍｍと４．０ｍｍとの間の範囲内とすることができ、例えば、Ｄ３又はＤ４の仕様を満たす。本例において、ランプ１の電極ロッド４、５は、基部から先端まで均一な厚さの単純な棒の形態で実現されている。これら電極ロッド４、５の厚さ又は直径ＥＤは、式：

に従って、≧ＥＤ_０であるように選定される。

明瞭化のため、この図は、本発明に関係する部分のみを示している。ランプの電流又は電力の制御のためにランプに必要とされる安定器、及びベースは図示されていない。これら及びその他の更なるコンポーネントは当業者には知られるものであるので、ここでは詳細には説明しない。ランプがオンに切り換えられると、安定器のイグナイタが電極ロッド４、５間に数千ボルトの点火電圧を素早く印加して、アーク放電を開始させる。放電チャンバ内の温度が急速に上昇し、金属塩が気化する。高い光度のアークが徐々に確立される間に、安定器は、例えばＤ４ランプの場合に３５Ｗといった動作レベル（定格電力）まで低下するよう電力をレギュレートする。

第１の例において、提案する高輝度放電ランプは、３５Ｗの定格電力に合わせて設計され、２７μｌの放電チャンバ容積と、３．７ｍｍの電極距離（光学的な隔たり：４．２ｍｍ）とを有する。電極ロッドの直径は、上記の式を満足する３２０μｍである。この例におけるランプの充填物におけるトータルの塩充填物の量は３００μｇである。充填物は、ＩｎＩ又はＺｎＩ_２を含む又は含まないＮａＩ／ＳｃＩ_３／ＴｈＩ_４の組成物である。充填物はまた、所望の効果に応じて他の物質を含有してもよい。

第２の例において、２５Ｗの定格ランプ電力を有する高輝度放電ランプが、２０μｌの放電チャンバ容積及び３．５ｍｍの電極距離で提供される。この例では、電極ロッドの直径は、やはり上記の式を満足する２９０μｍであるように選定されている。この例におけるトータルの塩充填物は２００μｇである。充填物は、ＩｎＩ又はＺｎＩ_２を含む又は含まないＮａＩ／ＳｃＩ_３／ＴｈＩ_４の組成物である。充填物はまた、所望の効果に応じて他の物質を含有してもよい。

第３の例において、高輝度放電ランプは、２７Ｗの定格ランプ電力、２１μｌの放電チャンバ容積及び２．６ｍｍの電極距離を有する。電極ロッドの直径は、やはり上記の式を満足する３００μｍである。この例におけるトータルの塩充填物は２５０μｇである。充填物は、ＩｎＩ又はＺｎＩ_２を含む又は含まないＮａＩ／ＳｃＩ_３／ＴｈＩ_４の組成物である。充填物はまた、所望の効果に応じて他の物質を含有してもよい。

以上の例は全て、ランプの長い寿命にわたって高強度の出力を有するのと同時に、低いＥＭＩを有し、且つコミュテーション問題を有しない、高輝度放電ランプをもたらす。このような性能に必要な電極直径は、本発明に従った上記の式を用いて容易に計算されることができ、それにより、最適性能のための電極直径を見出すための時間のかかる実験及び試験を回避することができる。

図面及び以上の説明にて本発明を詳細に図示して記述してきたが、これらの図示及び記述は、限定的なものではなく、例示的又は典型的なものと見なされるべきである。本発明は開示した実施形態に限定されるものではない。開示した実施形態へのその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、発明の範囲を限定するものとして解されるべきでない。

１ ＨＩＤランプ
２ 放電容器
３ 放電チャンバ
４ 電極ロッド
５ 電極ロッド
４０ モリブデン箔
４１ 導電リード
５０ モリブデン箔
５１ 導電リード
ＥＤ 電極ロッドの直径
Ｅｄ 放電チャンバ内の電極ロッドの距離

Claims (8)

1. 放電チャンバ内の充填物を包囲する放電容器と、トリウムを含まない材料で形成され、前記放電チャンバ内に両側から突出する一対の電極ロッドとを有する高輝度放電ランプであって、
   前記放電チャンバ内の前記電極ロッドの直径ＥＤが、式：
   

   

   を満足し、Ｗは、ｍＷ単位での定格ランプ電力の値を表し、Ｅｄは、ｍｍ単位での前記放電チャンバ内の前記電極ロッド同士の距離の値を表し、且つ
   前記定格ランプ電力Ｗは、２０Ｗと５０Ｗとの間である、
   ランプ。
2. 前記電極ロッドは、如何なるエミッタも含まない材料で形成されている、請求項１に記載のランプ。
3. 前記電極ロッドの直径ＥＤは、ＥＤ_０とＥＤ_０＋４０μｍとの間である、請求項１又は２に記載のランプ。
4. 前記放電チャンバ内の前記電極ロッド同士の前記距離は、２．０ｍｍと４．０ｍｍとの間である、請求項１又は２に記載のランプ。
5. 前記充填物はエミッタを含んでいる、請求項１又は２に記載のランプ。
6. 前記充填物は、前記エミッタとして、トリウム、又はトリウム組成物若しくはトリウム化合物を含んでいる、請求項５に記載のランプ。
7. 前記充填物は、少なくとも８％のＴｈＩ_４、好ましくは１０％のＴｈＩ_４、を含んだハロゲン化物の塩を含んでいる、請求項６に記載のランプ。
8. 前記充填物は、ＮａＩ／ＳｃＩ_３／ＴｈＩ_４の組成物を含んでいる、請求項６に記載のランプ。

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