JP4606850B2 - メタルハライドランプ - Google Patents

Description

本発明は、自動車の前照灯等に使用される放電空間に本質的に水銀を含まないメタルハライドランプに関するものである。

従来技術として、透光性の気密容器の内部に形成された放電空間に一対の電極が対向しており、この放電空間には、ナトリウムやスカンジウムのハロゲン化物、希ガス等を含む放電媒体が封入されているメタルハライドランプの発明がある。（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−３１２９９８号公報

特許文献１のような環境負荷の高い水銀を封入しないメタルハライドランプは、水銀を封入するメタルハライドランプと比較して、蒸気圧が低い水銀が存在しないために、点灯直後にすばやく光束を立ち上げるということが難しい。そのため、光束立ち上がりを早めるために、点灯直後に安定点灯時の約２倍程度の電力を数秒間投入するという方式が採られている。しかし、電極を封止した封止部部分にクラックが入るという現象が発生している。

この課題に対して、例えば、特開２０００−２２３０７０公報に記載のメタルハライドランプの発明では、陰極側の電極の温度を保護膜により高くすることで、電極の熱膨張によるクラックを防止できると記載されているが、この方法は一対の電極を陽極と陰極とに区別して使用する直流点灯において有効な手段である。

電極を封止した封止部部分のクラックの原因について追究した結果、電極を封止している封止部付近（以後、電極封止部分）において白濁が発生しているときに、クラックが発生しやすく、それが原因でリークに至る（以後、クラックリーク）ことがわかった。さらに白濁について追求した結果、電極封止部分の温度をある温度以下に保つことで、この部分付近での白濁の発生を抑止することができ、クラックリークの発生を著しく減少させることが可能であることを見出した。

本発明の目的は、本質的に水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、電極封止部分のクラックリークの発生を抑止することである。

上記目的を達成するために、本発明のメタルハライドランプは、放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する石英ガラス製で透光性の気密容器と、前記放電空間に少なくともスカンジウムの金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、一端は前記放電空間内で所定の電極間距離を保って対向配置され、他端は前記封止部に封止されたタングステンに酸化トリウムをドープした材料からなる一対の電極とを具備し、ランプ始動時、安定点灯時の電力を超える電力で点灯されるメタルハライドランプにおいて、前記封止部の前記石英ガラスが白濁するのを抑制するために、前記封止部に封止されている前記電極の部分を温度制御する構成として、前記発光管部の管軸方向の長さを７．２ｍｍ以上、８．２ｍｍ以下、前記封止部に封止された前記電極の直径を０．２７ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下、ランプ始動時に投入される最大電流を２．０Ａ以上、３．５Ａ以下に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、本質的に水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、電極封止部分のクラックリークの発生を抑止することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態のメタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるメタルハライドランプの全体図である。

気密容器１は、例えば、透光性の石英ガラスからなり、楕円形の発光管部１１とその長手方向の両端部に発光管部１１と同材料で形成された封止部１３１、１３２からなる。発光管部１１の内部には、放電空間１２が形成されており、放電空間１２には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、および希ガスであるキセノンが封入されている。ヨウ化ナトリウムに含有されている金属ナトリウムおよびヨウ化スカンジウムに含有されている金属スカンジウムは、主に発光金属として作用し、ヨウ化亜鉛に含まれている金属亜鉛は、主に水銀に代わるランプ電圧形成媒体として作用し、キセノンは、主に始動ガスとして作用する。また、ハロゲン化物としては、他のハロゲン化物よりも反応性が低いヨウ素が最も好適である。

ここで、発光管部１１に封入される放電媒体には、水銀は本質的に含まれていない。この「本質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、または１ｃｃあたり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀量が存在していても許容するという意味である。つまり、従来の水銀入りのショートアーク形ランプのように、水銀蒸気によってメタルハライドランプの電圧を所要に高くする場合、１ｃｃあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上封入しており、この水銀量と比較すれば、２ｍｇ未満の水銀量は圧倒的に少なく、本質的に水銀が含まれないと言える。

圧潰形成された板状の封止部１３１、１３２の内部には、例えばモリブデンからなる金属箔２１、２２が封着されている。放電空間１２側の金属箔２１、２２の一端部には、直径が異なる大径部３１１、３２１と小径部３１２、３２２とが一体に形成された、例えばタングステンに酸化トリウムを０．３％程度ドープした材料、すなわち一般にトリエーテッドタングステンと呼ばれる材料からなる電極３１、３２の一端側の小径部３１２、３２２が、金属箔２１、２２とほぼ一体になるように抵抗溶接により接続され、封止部１３１、１３２に封止されている。ここで、「封止されている」とは、電極３１、３２の小径部３１２、３２２と封止部１３１、１３２との間に隙間がない程度に接触している状態が望ましいが、少々の隙間が生じている状態も含んでいる。

また、電極３１、３２の他端側の大径部３１１、３２１は、発光管部１１付近の封止部１３１、１３２を通って、放電空間１２に延出し、所定の電極間距離を保って、その先端同士が対向するように配置されている。ここで、「所定」とは、自動車前照灯に使用する場合は５ｍｍ以下、さらに好適には４．２ｍｍ程度、プロジェクション用に使用する場合は２ｍｍ程度である。

電極３１、３２の小径部３１２、３２２の金属箔２１、２２方向の軸部分には、金属導線を数回、回巻して形成したコイル４１、４２が、その外周面と接触するように接続されている。このコイル４１、４２は、金属箔２１、２２側の端部から放電空間１２に向けて所定距離巻かれ、コイル４１、４２の他端は封止部１３１、１３２に内在している。

金属箔２１、２２において、電極３１、３２の接続部分に対して反対側の端部には、導入導体５１、５２が溶接等により接続されており、この導入導体５２の他端は、封止部１３２の外部に延出し、Ｌ字状に形成された給電端子５３の一端とほぼ直角になるように接続されている。この給電端子５３の他端は、導入導体５１の方向、かつ封止部１３１、１３２とほぼ平行に延出している。そして、封止部１３１、１３２と平行する給電端子５３には、絶縁チューブ６が取着されている。

これらを備えた気密容器１の外側には、例えば紫外線を遮断する材料からなる筒状の外管７が、その長手方向に沿って覆うように設けられている。この外管７の長手方向の両端部には、縮径部７１が形成されており、縮径部７１は封止部１３２の発光管部１１方向に対して反対側の端部付近をガラス溶着しており、図示していないもう一方の縮径部は、封止部１３１の発光管部１１方向に対して反対側の端部付近をガラス溶着している。

そして、気密容器１を内部に覆った状態の外管７は、その外周面を挟持するように形成された固定金属具８を介して、ソケット９に接続されている。このソケット９の径小部分には、金属端子９１が、その外周面に沿って形成されており、この金属端子９１は、給電端子５３と電気的に接続されている。また、図示していないが、発光管部１１に対して反対方向に延出していた導入導体５１は、ソケット９内部を通って、ソケット９の底部部分に位置し、接続端子となっている。

これらで構成されたメタルハライドランプは、ランプが温まっていない状態での点灯、いわゆるコールドスタート時に、ランプ始動時、安定点灯時の電力を超える電力で点灯される。具体的には、安定点灯時の電力に対して、ランプ始動時に２倍以上の電力が投入される。これは、水銀を封入しないメタルハライドランプ特有の課題である光束の立ち上がり時間を早めて実用性のあるランプを実現するためである。

この高負荷のかかるランプにおいて、ランプ点灯直後、封止部１３１、１３２に封止されている電極３１２、３２２部分の表面温度を約１１００℃以下に保つことで、電極封止部分での白濁の発生を抑止することができるため、クラックリークの発生を防止できることがわかった。以下、温度制御構成であるランプ構造や点灯条件を変更することによって、電極部分の温度を変化させた実施例を説明する。

（実施例１）
図２は、図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための発光管部付近の拡大図である。

実施例１では、放電空間１２の体積は０．０２ｃｃ、発光管部１１の内径Ａは２．６ｍｍ、外径Ｂは６．０ｍｍ、電極間距離Ｄは４．２ｍｍ、電極３１、３２の大径部３１１、３２１の直径Ｒは０．３５ｍｍ、小径部３１２、３２２の直径ｒは０．２７ｍｍである。発光管部１１には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化スカンジウム−ヨウ化ナトリウム−ヨウ化亜鉛が０．５ｍｇと希ガスであるキセノンが１０ａｔｍそれぞれ封入されており、水銀は一切含まれていない。このランプを始動時、電力７５Ｗ、電流３．５Ａ、安定時の電力３５Ｗで点灯した。

図３は、図２のランプ仕様において、発光管部の長手方向の最大長Ｃのみを変化させて、日本電球工業会に定められている自動車前照灯用メタルハライドランプの寿命試験条件であるＥＵ１２０分モードの２０００時間点滅試験後のクラックによるリークの発生率を示す図である。ここで、電極温度の測定には、物体が温度に応じて放射する赤外線の放射エネルギーを測定できる放射温度計を使用し、測定範囲を直径０．６ｍｍ、放射率を０．２８に設定し、測定範囲内の平均温度の測定を行った。また、温度を測定する電極の場所は、封止部に封止された電極の中で最も高い部分、具体的には、封止部内に封止され、放電空間に近接している電極部分とした。

球体長Ｃが６．６ｍｍ、７．０ｍｍでは、電極封止部分の電極温度は１３００℃、１１５０℃となっており、クラックリーク発生率はそれぞれ４０％、２０％と高い割合になっている。対して、球体長Ｃが７．２ｍｍ以上では、電極温度は１１００℃以下に保たれているため、クラックリーク発生率は０％となり、２０００時間を経過しても全てのランプが正常に点灯していた。このクラックリークが発生した電極温度が１３００℃、１１５０℃の場合、電極封止部分付近で白濁が発生しており、電極温度が１１００℃以下では、多少白くなっている部分はあったが、ほとんど白濁が発生していないことが確認された。

（実施例２）
実施例２のメタルハライドランプは、放電空間１２の体積は０．０２ｃｃ、発光管部１１の内径Ａは２．６ｍｍ、外径Ｂは６．０ｍｍ、長手方向の最大長Ｃは７．２ｍｍ、電極間距離Ｄは４．２ｍｍ、電極３１、３２の大径部３１１、３２１の直径Ｒは０．３５ｍｍである。発光管部１１には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化スカンジウム−ヨウ化ナトリウム−ヨウ化亜鉛が０．５ｍｇと希ガスであるキセノンが１０ａｔｍそれぞれ封入されており、水銀は一切含まれていない。このランプを始動時、電力７５Ｗ、電流３．５Ａ、安定時の電力３５Ｗで点灯した。

図４は、電極の直径ｒを変化させて、ＥＵ１２０分モードの２０００時間点滅試験後のクラックによるリークの発生率を示す図である。温度の測定は、実施例１と同様の方法で行っている。

電極軸径ｒが０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍでは、電極温度は１３００℃、１１５０℃となり、それぞれ４０％、２０％のクラックリーク発生率になっている。対して、電極軸径が０．２７ｍｍ以上では、電極温度は１１００℃以下に保たれているため、クラックリーク発生率は０％となり、全てのランプが正常に点灯していた。ここで、実施例１と同様にクラックリークが発生したランプには、電極封止部分付近に白濁が生じており、クラックリークに至らなかったランプには、ほとんど白濁が生じていないことが確認された。

（実施例３）
実施例３のメタルハライドランプは、放電空間１２の体積は０．０２ｃｃ、発光管部１１の内径Ａは２．６ｍｍ、外径Ｂは６．０ｍｍ、長手方向の最大長Ｃは７．２ｍｍ、電極間距離Ｄは４．２ｍｍ、電極３１、３２の大径部３１１、３２１の直径Ｒは０．３５ｍｍ、小径部３１２、３２２の直径ｒは０．２７ｍｍである。発光管部１１には、放電媒体として金属ハロゲン化物であるヨウ化スカンジウム−ヨウ化ナトリウム−ヨウ化亜鉛が０．５ｍｇと希ガスであるキセノンが１０ａｔｍそれぞれ封入されており、水銀は一切含まれていない。このランプを始動時の電力７５Ｗ、安定時の電力３５Ｗで点灯した。

図５は、始動時の最大投入電流値を変化させて、ＥＵ１２０分モードの２０００時間点滅試験後のクラックによるリークの発生率を示す図である。温度の測定は、実施例１と同様の方法で行っている。

始動時の最大投入電流値が４．０Ａでは、電極温度は１２５０℃となり、クラックリーク発生率は３０％と高い割合になっている。対して、最大投入電流値が３．５Ａ以下では、電極温度は１１００℃以下に保たれているため、クラックリーク発生率は０％となり、全てのランプが正常であった。ここで、実施例１と同様にクラックリークが発生したランプには、電極封止部分付近に白濁が生じており、クラックリークに至らなかったランプには、白濁がほとんど生じていないことが確認された。

ここで、白濁の発生とクラックリークの関係を説明する。
水銀を封入しないランプでは、始動時、光束の立ち上がりを早めるためにランプに安定時の２倍程度の電力が投入されるため、電極は過大な電流による抵抗熱により温度が上昇する。この電極の温度上昇は急激なものであり、これに伴って、電極に接している封止部部分でも、急激に温度が上昇する。そして、主にちらつき低減のために使用されるトリエーテッドタングステン電極内の酸化トリウムと、放電空間内のヨウ化スカンジウムとが反応することによって生成された酸化スカンジウムが、電極封止部分に隙間や電極内部を通って侵入すると、封止部が高温化しているために酸化スカンジウムと石英ガラスとが反応して、石英ガラスの一部が白濁化する。ここで、従来、放電空間に水銀を封入しないメタルハライドランプにおいて、封止部内で白濁が発生していることがあったが、この部分の白濁は、光の透過率の低下を招くものでもないため、特に悪影響を及ぼす現象とは考えられていなかった。

発生した白濁は、電極軸周りに形成されているのが確認された。そして、この白濁は石英ガラス部分よりも体積が大きくなるため、白濁が生じていない状態で封止している場合よりも、電極軸周りの封止部に強い引っ張り歪を形成してしまう。そのため、引っ張り応力に耐えられなくなった封止部には、電極軸と垂直方向に、封止部の外部にまで延出するクラックが生じ、リークに至ることがわかった。リークが発生すると、放電媒体が外部に漏れてしまうため、ランプの不灯に至ってしまう。

したがって、クラックリークを防止するために、白濁の発生を抑止することに至った。そこで、白濁の発生に関係する要因として、電極先端部から伝わってくる熱と、電極に流れる電流による抵抗熱とが電極封止部分の温度に影響を与えると考えられたため、それらの熱量を変化させることにした。そして、実施例１乃至３において、白濁発生を抑制する温度制御構成によって、電極封止部分の温度を変化させる実験を行った結果、その部分の温度を適度な温度に制御する、具体的には１１００℃以下にすることで、クラックリークの発生を激減させることができることを見出した。

したがって、本実施の形態では、放電空間１２に本質的に水銀を含まず、ランプ始動時に投入される電力が安定点灯時の電力を超えて投入されるメタルハライドランプにおいて、発光管１１の球体長が７．２ｍｍ以上、電極３１、３２の小径部３１２、３２２の直径が０．２７ｍｍ以上、ランプ始動時に投入される最大電流値が３．５Ａ以下とすることで、封止部１３１、１３２に封止されている電極３１、３２部分の温度を１１００℃以下に保つことができるので、電極封止部分の白濁の発生を抑止することができる。これにより、封止部１３１、１３２のクラックリークを防止することができる。

ここで、本発明では、温度制御構成による電極封止部分の温度の下限を設定していない。それは、電極封止部分の温度が低くなっても、本発明の効果を得られることに変わりはなく、低ければ低いほど良いと考えているためである。しかし、電極封止部分の温度が低すぎると、電極先端部の温度も低下してしまう可能性があり、それによりちらつきが発生する恐れがあるため、電極封止部分の最低温度は８００℃以上であるのが好適である。

そこで、上記理由や設計限界範囲に伴って、温度制御構成の範囲は、球体長Ｃは８．２ｍｍ以下、封止部１３１、１３２に封止された電極３１、３２の直径は０．４０ｍｍ以下、ランプ始動時に投入される最大電流値は２．０Ａ以上であるのが望ましい。

本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。 図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための発光管部付近の拡大図。 図２のランプ仕様において、発光管部の長手方向の最大長Ｃのみを変化させて、点滅試験を行った後のクラックリーク発生率を説明する図。 電極の直径ｒを変化させて、点滅試験を行った後のクラックリーク発生率を説明する図。 始動時の最大投入電流値を変化させて、点滅試験を行った後のクラックリーク発生率を説明する図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 発光管部
１２ 放電空間
１３１、１３２ 封止部
２１、２２ 金属箔
３１、３２ 電極
４１、４２ コイル
５１、５２ 導入導体
５３ 給電端子
６ 絶縁チューブ
７ 外管
８ 固定金属具
９ 口金

Claims (2)

1. 放電空間を形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する石英ガラス製で透光性の気密容器と、
   前記放電空間に少なくともスカンジウムの金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ本質的に水銀を含まない放電媒体と、
   一端は前記放電空間内で所定の電極間距離を保って対向配置され、他端は前記封止部に封止されたタングステンに酸化トリウムをドープした材料からなる一対の電極とを具備し、ランプ始動時、安定点灯時の電力を超える電力で点灯されるメタルハライドランプにおいて、
   前記封止部の前記石英ガラスが白濁するのを抑制するために、前記封止部に封止されている前記電極の部分を温度制御する構成として、前記発光管部の管軸方向の長さを７．２ｍｍ以上、８．２ｍｍ以下、前記封止部に封止された前記電極の直径を０．２７ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下、ランプ始動時に投入される最大電流を２．０Ａ以上、３．５Ａ以下に設定したことを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 前記温度制御する構成により、前記封止部に封止されている前記電極の部分の温度が１１００度以下に制御されることを特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。

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