JP4750550B2

JP4750550B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP4750550B2
Application number: JP2005367627A
Authority: JP
Inventors: 誠出口
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007172959A

Description

本発明は、自動車の前照灯等に使用されるメタルハライドランプに関するものである。

現在、環境負荷の高い水銀を本質的に封入しないメタルハライドランプ（以後、水銀フリーランプ）の開発が進んでいる。この水銀フリーランプでは、水銀の代わりに、様々な金属ハロゲン化物を封入することで点灯を可能にしている（例えば、特許文献１）。

ところで、メタルハライドランプを自動車の前照灯用として用いる場合、安全性を考慮して、点灯開始した後、速やかに光束が立ち上がる必要がある。しかし、金属ハロゲン化物は水銀と比較して蒸気化しにくいため、水銀フリーランプでは、光束の立ち上がりに時間を要してしまう。そこで、始動時には、安定時電力に対して、十分に高い電力を供給して光束を早く立ち上げる方法が一般的に採用されている。

特開平１１−２３８４８８号公報

しかしながら、上記のように始動時に大きなランプ電力を投入する方式は、同時に大きな電流が流れるということを意味している。したがって、電極に高負荷がかかることによる電極飛散等により、発光管内壁には黒化が発生しやすい。発生した黒化は発光管からの光の出射を妨げ、光束維持率の低下等をもたらしてしまう。

そこで、本発明者は、上記課題の解決手段として、当社先願の特願２００５−２１９７１６と同様、始動時、速やかに電圧を上昇させることを目指した。そのための手段として、本出願では、金属ハロゲン化物を速やかに蒸気化させることに注目した。そしてそのためには、消灯時に金属ハロゲン化物が発光管内部である範囲以上広がっていることが重要であることを実験的に見出し、提案するに至った。

本発明は、始動時の電圧の立ち上がりを早めることで、黒化の発生を抑制し、もって光束維持率の高いメタルハライドランプを提供することを目的とする。

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、内径が２．４ｍｍ以上で容積が０．０１〜０．０４ｃｃの放電空間を内部に形成するとともに、肉厚が１．９ｍｍ以下である発光管部、該発光管部の両端に形成された一対の封止部とを有する透光性の気密容器と、前記放電空間に総封入量が０．４ｍｇ以上の金属ハロゲン化物および封入圧が９〜１５ａｔｍの希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、一端側は前記封止部内に封着されるとともに、他端側は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、前記発光管部の最大外径部分に対して、１．０ｍｍ以下の隙間を介して前記気密容器を囲繞する外管とを具備し、始動時は安定時に対して２倍以上の点灯電力で、かつ管軸が略水平の状態で点灯されるメタルハライドランプにおいて、前記金属ハロゲン化物は、前記発光管部を下方から見たときの面積が消灯時、１６ｍｍ^２以上であることを特徴とする。

本発明によれば、始動時の電圧の立ち上がりを早めることで、黒化の発生を抑制し、高い光束維持率を達成できる。

（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である。

気密容器１は、耐熱性と透光性を具備した石英ガラスからなる。気密容器１は細長い形状であって、その略中央部には略楕円形の発光管部１１が形成されている。発光管部１１の両端部には、板状の封止部１２１、１２２、筒状の非封止部１３１、１３２が連続形成されている。

発光管部１１の内部には、軸方向において、中央部が略円筒状、その両端部がテーパ状の放電空間１４が形成されている。特に発光管部１１下部の底面の形状は、フラットに形成されている。この放電空間１４の容積は、ショートアーク型の放電ランプでは０．１ｃｃ以下、自動車用として用途を指定する場合には、放電空間の容積は０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃであるのが望ましい。

放電空間１４には、放電媒体が封入されている。放電媒体には、金属ハロゲン化物１５および希ガスとが使用されている。そのうちの金属ハロゲン化物１５は、ランプ消灯時には放電空間１４の側下部〜下部に堆積しており、ランプ点灯時にはその大部分が蒸気化される。

金属ハロゲン化物１５としては、主に可視光を発生させる発光媒体として作用するナトリウム、スカンジウムのハロゲン化物、ランプ電圧形成媒体として作用する亜鉛のハロゲン化物および点灯中の発光色度の改善などを目的としてインジウムのハロゲン化物が封入されている。これらの金属に結合されるハロゲン化物には、ハロゲン化物の中で反応性が低いヨウ素と結合されるのが最も好適である。しかし、結合されるハロゲン化物はヨウ素に限らず、臭素や塩素などであってもよく、複数のハロゲン化物を組み合わせて使用したりしてもよい。

希ガスとしては、始動直後の発光効率が高く、主に始動用ガスとして作用するキセノンが封入されている。なお、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを使用したり、それらを組み合わせて使用したりしてもよい。その際、希ガスの封入圧は、９〜１５ａｔｍであるのが望ましい。

ここで、放電空間１４には、本質的に水銀は含まれていない。この「本質的に水銀を含まない」とは、１ｃｃあたり２ｍｇ以下、好ましくは１ｍｇ以下、さらに好ましくは０ｍｇの水銀量の範囲を含むものである。この水銀量は、従来のショートアーク形の水銀入りメタルハライドランプに封入されていた１ｃｃあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上であったことを考えれば、本質的に水銀が含まれない量であると言える。

封止部１２１、１２２の内部には、例えばモリブデンからなる金属箔２１、２２が封止されている。金属箔２１、２２の発光管部１１側の端部には、例えば、タングステンに酸化トリウムを混合した電極３１、３２が、溶接によって接続されている。電極３１、３２は、先端側が基端側よりも大径に形成された段付きの形状となっており、その大径の先端側は、直径が０．４ｍｍ以下であり、放電空間１４内で所定の電極間距離を保って、互いの先端同士が対向するように配置されている。ここで、上記「所定の電極間距離」は、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下、自動車の前照灯に使用する場合はさらに４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。

発光管部１１に対して反対側の金属箔２１、２２の端部には、モリブデンからなる外部リード線４１、４２の一端が溶接等により接続されている。そして、外部リード線４１、４２の他端側は、管軸に沿って封止部１２１、１２２の外部に延出している。

上記で構成された気密容器１の外側には、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム、カリウム、バリウム等の酸化物を添加することにより紫外線遮断性を具備する筒状の外管５が管軸に沿って気密容器１の大部分を覆うように設けられている。なお、気密容器１と外管５との接続は、気密容器１両端の筒状の非封止部１３１、１３２と外管５両端部を溶融することにより行なわれている。

気密容器１と外管５とにより密閉された空間には、例えば、窒素を封入したり、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスを一種または混合して封入したりすることができる。

気密容器１を内部に覆った状態の外管５の封止部１２１側には、ソケット６が接続される。この接続については、外管５の外側に装着された金属バンド７１を、ソケット６に形成された４本の金属製の舌片７２（図１では、２本を図示）により挟持することによって行なわれている。そして、それらの接続をさらに強化するために、金属バンド７１及び舌片７２の接触点をレーザーによって溶接している。

ソケット６の反発光管部１１側の端部には、点灯回路からの電力を供給するための帯状端子６１がその外周面に沿って形成されている。この帯状端子６１は、サポートワイヤ８１と外部リード線４２を介して接続される。なお、サポートワイヤ８１の管軸とほぼ平行な部分には、セラミックからなる絶縁チューブ８２が被覆されている。

これらで構成されたメタルハライドランプは、管軸が略水平の状態で配置され、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力に対して２倍以上である約７５Ｗで点灯される。

図２は、図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための拡大図である。以下の試験は特に言及しない限り寸法、材料等はこの仕様に基づいて行っている。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝０．０２ｃｃ、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、肉厚＝１．８５ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
発光管部１１と外管５との距離Ｄ＝０．４ｍｍ
金属ハロゲン化物１４＝ＳｃＩ３：ＮａＩ：ＺｎＩ２：ＩｎＢｒ
＝１：１．４７：０．２５：０．０１、
総封入量＝０．６０ｍｇ
希ガス：キセノン＝１０ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔２１、２２：モリブデン製、
電極３１、３２：トリエーテッドタングステン製、先端径＝０．４０ｍｍ、基端径＝０．３０ｍｍ、電極間距離Ｅ＝４．２ｍｍ、
外部リード線４１、４２：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
上記のランプにおいて、発光管部１１の下方から金属ハロゲン化物１５の面積を測定し、その面積に対する黒化の状況および光束維持率を測定する試験を行った。なお、金属ハロゲン化物１５の面積の測定方法は、下記に示す方法を用いている。

図３は、金属ハロゲン化物の面積の測定方法について説明するための図であり、図のランプは、図１に示した電極３１、３２間の中央を通り、かつ管軸に対して垂直なＸ−Ｘ’軸の切断面を矢印方向から見た断面図である。Ｙ−Ｙ’軸は、この断面において、水平かつ放電空間１４の中央を通る軸であり、Ｚ−Ｚ’軸は、Ｙ−Ｙ’軸に対して垂直かつ放電空間１４の中央を通る軸である。なお、測定の際には、サポートワイヤ８１および絶縁スリーブ８２は取り外して行う。

金属ハロゲン化物１５の面積の測定は、ＣＣＤカメラ９１およびディスプレイ９２を用いて行う。まず、ＣＣＤカメラ９１を発光管部１１の下方、図においてはＺ−Ｚ’軸線上のＺ’側に配置する。ＣＣＤカメラ９１と外管５との距離は、約６０ｍｍである。そして、３５倍程度のレンズを用いてＣＣＤカメラ９１で画像を取り込み、その画像をディスプレイ９２に映し出し、そのディスプレイ９２上で金属ハロゲン化物１５の面積を測定した。なお、実際の測定で使用した測定装置は、ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ８０００Ｃである。

図４は、図３の測定方法で、発光管部内の金属ハロゲン化物を見た一図であり、（ａ）は発光管部をＺ’方向から見た図、（ｂ）は発光管部をＹ’方向から見た図である。なお、図４は、点灯後、十分に時間が経過し、金属ハロゲン化物１５が固体化したときのランプを測定したものである。

図のように、金属ハロゲン化物１５は、放電空間１４に広がって堆積している。そして、本発明における金属ハロゲン化物１５の面積は、その最大存在範囲を意味している。また、面積は実際のランプに対する大きさとして計算する。なお、ランプによっては、金属ハロゲン化物１５の範囲内に一部、金属ハロゲン化物１５が存在していなかったり、ひび割れたりして、空洞１６が生じていることがあるが、その場合、本発明では金属ハロゲン化物１５の広がりが重要であるので、面積に含めるものとする。

図５は金属ハロゲン化物の封入量、図６は発光管部の肉厚を変化させることにより、発光管部下方から見たときの金属ハロゲン化物の面積を変化させたランプについて、試験を行ったときの黒化の発生の有無および光束維持率の変化の値を示す図である。なお、今回の試験は、自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬ２１５に定められたＥＵ１２０分モードの点滅サイクルを１０００時間行ったものである。図７は、図５および図６の金属ハロゲン化物の面積と光束維持率の関係をグラフに示した図であり、実線が図５、破線が図６の結果である。

図５および図６の結果とも、金属ハロゲン化物１５の面積が大きいほど、発光管部１１内部に黒化は発生しにくくなり、また、光束維持率は高くなることがわかる。なお、黒化は、金属ハロゲン化物１５の面積が１６ｍｍ^２以上になると、黒化は発生しなくなっている。また、図７より、光束維持率は黒化が発生しなくなる金属ハロゲン化物１５の面積が１６ｍｍ^２を境にして光束維持率が変化し、１６ｍｍ^２未満であると光束維持率が急激に低下している。

上記のような結果から、光束維持率の悪化は黒化が影響していると考えられ、図５などで発生した黒化は、始動時、電極に大電流が流れ続けることによる飛散等により、発生したものと考えられる。点灯中のランプに黒化が発生してしまうと、黒化部分では光が透過しなくなって直接的に光束維持率に影響を与えるとともに、黒化が発生箇所の周辺では、黒化が光を吸収してしまうために温度が高くなり、白濁が発生し、発光管部１１の透過性をさらに下げる原因となる。したがって、寿命中に黒化が発生してしまったランプにおいては、光束維持率が著しく低下してしまう。

ここで、図５および図６においては、発光管部１１の下方から見た金属ハロゲン化物１５の面積を変化させることで、黒化の発生および光束維持率が変化している。これは、金属ハロゲン化物１５の広がりによって、金属ハロゲン化物１５の蒸気化に要する時間が変化し、これによって得られた結果である。例えば、消灯時に金属ハロゲン化物１５が発光管部１１の内壁面に広がって存在しているランプにおいては、金属ハロゲン化物１５がアークからの直接的な熱および発光管部１１からの間接的な熱を広い範囲で受けることになる。そのため、金属ハロゲン化物１５が短時間で温まって速やかに気体となり、それらがランプ電圧に寄与するようになるために電圧は上昇する。電圧が上昇すると、定電力供給化であるため、反対に電流は低下する。以上のように、金属ハロゲン化物１５の面積を大きくすることによって、電極３１、３２にかかる負荷が軽減され、電極の飛散等による黒化が抑制される。

上記のような作用効果は、金属ハロゲン化物１５の広がりがある範囲以上の場合に得られるものである。そのため、図５〜図７の結果より、発光管部１１下方から見た金属ハロゲン化物１５の面積が１６ｍｍ^２以上である必要があり、さらに好ましくは１８ｍｍ^２以上であるのが良い。またさらには、金属ハロゲン化物１５は、水平方向から見たときの消灯時の面積が、７ｍｍ^２以上を満たすことが望ましい。

なお、発光管部１１の下方から見た金属ハロゲン化物１５の面積は、主に図５に示したような金属ハロゲン化物１５の総封入量と、発光管部１１のうち、最も温度が低くなる底部部分（以後、最冷部）の温度により、変化させることが可能である。前者の金属ハロゲン化物１５の総封入量については、直接的にその面積を大きくする要因である。また、本発明で規定する金属ハロゲン化物１５の面積を達成するためには、最低限の量が必要である。また、後者の最冷部の温度については、詳しいメカニズムは不明であるが、その温度によって結果的に金属ハロゲン化物１５の堆積範囲が異なることが確認されている。

この最冷部の温度を上げる要因としては様々あるが、図６に示したような発光管部１１の肉厚、内径、放電空間１４内の希ガスの封入圧、発光管部１１と外管５との距離が最も影響を与えると考えられる。

上記の要因によって、本発明で規定する発光管部１１の下方から見た金属ハロゲン化物１５の面積を満足するには、金属ハロゲン化物１５の総封入量が０．４ｍｇ以上、キセノンの封入圧が９〜１５ａｔｍ、発光管部１１の内径が２．４ｍｍ以上、肉厚が１．９ｍｍ以下、発光管部１１の最大外径部分と外管５との距離が１．０ｍｍ以下であるのが良い。

したがって、本実施の形態では、管軸が略水平の状態で点灯されるメタルハライドランプにおいて、発光管部１１を下方から見たときの金属ハロゲン化物１５の面積が１６ｍｍ２以上であることで、始動時の電圧上昇が早められる。そのため、始動時、電極に流れる電流が抑制され、電極飛散等による黒化の発生を防止でき、高い光束維持率を達成することができる。

また、電圧立ち上がりが早くなったため、発光管における温度のオーバーシュートの発生を防止できる。そのため、白濁の発生を防止でき、高い光束維持率を達成することができる。

さらに、発光管部１１の最冷部の温度を向上させる構成であるため、安定時の全光束が高くなるとともに、ランプ電圧が上昇するという効果も得ることができる。

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一仕様について説明するための拡大図。金属ハロゲン化物の面積の測定方法について説明するための図。図３の測定方法で、発光管部内の金属ハロゲン化物を見た図。金属ハロゲン化物の封入量により、発光管部下方から見たときの金属ハロゲン化物の面積を変化させたランプについて試験を行ったときの結果を示す図。発光管部の肉厚により、発光管部下方から見たときの金属ハロゲン化物の面積を変化させたランプについて試験を行ったときの結果を示す図。図５および図６の金属ハロゲン化物の面積と光束維持率の関係をグラフに示した図。

符号の説明

１気密容器
１１発光管部
１２１、１２２封止部
１３１、１３２非封止部
１４放電空間
１５金属ハロゲン化物
２１、２２金属箔
３１、３２電極
４１、４２外部リード線
５外管
６ソケット
７１金属バンド
７２舌片
８１サポートワイヤ
８２絶縁チューブ

Claims

内径が２．４ｍｍ以上で容積が０．０１〜０．０４ｃｃの放電空間を内部に形成するとともに、肉厚が１．９ｍｍ以下である発光管部、該発光管部の両端に形成された一対の封止部とを有する透光性の気密容器と、
前記放電空間に総封入量が０．４ｍｇ以上の金属ハロゲン化物および封入圧が９〜１５ａｔｍの希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、
一端側は前記封止部内に封着されるとともに、他端側は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、
前記発光管部の最大外径部分に対して、１．０ｍｍ以下の隙間を介して前記気密容器を囲繞する外管とを具備し、
始動時は安定時に対して２倍以上の点灯電力で、かつ管軸が略水平の状態で点灯されるメタルハライドランプにおいて、
前記金属ハロゲン化物は、前記発光管部を下方から見たときの面積が消灯時、１６ｍｍ^２以上であることを特徴とするメタルハライドランプ。