JP6850434B2

JP6850434B2 - 放電ランプ

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Publication number: JP6850434B2
Application number: JP2017087151A
Authority: JP
Inventors: 昌弘土居
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: CN108807134B; TW201839796A; JP2018185976A; TWI728234B; CN108807134A

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

放電媒体が封入された放電空間を内部に有する発光部と、放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極とを備えた放電ランプがある。
従来、放電媒体は、金属ハロゲン化物、不活性ガス、および水銀を含んでいた。しかしながら、近年においては環境保護の観点から、放電媒体には水銀を含めないようにしている。

また、省電力化の要求から、例えば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプが求められている。しかしながら、２８Ｗ（ワット）以下の電力で放電ランプを点灯させると３５Ｗ（ワット）程度の電力で放電ランプを点灯させる場合に比べて発光部の温度が低くなる。そのため、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプは、３５Ｗ（ワット）程度の電力で点灯させる放電ランプに比べて発光効率が低くなるという問題がある。

この場合、金属ハロゲン化物の成分比を調整すれば発光効率を高くすることができる。例えば、金属ハロゲン化物に含まれるスカンジウムのハロゲン化物の比率を増やせば、発光効率を高くすることができる。しかしながら、単に、金属ハロゲン化物に含まれるスカンジウムのハロゲン化物の比率を増やすと、管電圧が高くなりチラツキが生じやすくなる。
また、金属ハロゲン化物の成分比によっては、遊離ヨウ素が増加していわゆる箔リークが生じ寿命が短くなったり、色味が所望の範囲内に収まらなくなったりするおそれもある。
そのため、低電力で点灯させる放電ランプであっても、発光効率の向上、管電圧の上昇の抑制、長寿命化、および所望の色味の光を照射することができる放電ランプの開発が望まれていた。

特表２０１３−５１１１１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、低電力で点灯させる放電ランプであっても、発光効率の向上、管電圧の上昇の抑制、長寿命化、および所望の色味の光を照射することができる放電ランプを提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯可能である。放電ランプは、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、を含み、水銀を実質的に含んでいない放電媒体が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。前記金属ハロゲン化物は、スカンジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、インジウムのハロゲン化物、および亜鉛のハロゲン化物を含んでいる。前記スカンジウムのハロゲン化物の重量をＭｓとし、前記ナトリウムのハロゲン化物の重量をＭｎとした場合に、０．８≦Ｍｎ／Ｍｓ≦１．３である。前記金属ハロゲン化物に対する前記インジウムのハロゲン化物の重量比は０．３ｗｔ％以上、２．０ｗｔ％以下である。前記一対の電極の、それぞれの太さは、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下である。前記一対の電極の先端同士の間の距離は、３．４ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下である。始動時の管電圧は、４８Ｖ以下である。

本発明の実施形態によれば、低電力で点灯させる放電ランプであっても、発光効率の向上、管電圧の上昇の抑制、長寿命化、および所望の色味の光を照射することができる放電ランプを提供することができる。

本実施の形態に係る放電ランプを例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。
本発明の実施形態に係る放電ランプは、例えば、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプとすることができる。また、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合には、いわゆる水平点灯を行うものとすることができる。

本発明の実施形態に係る放電ランプの用途は、自動車の前照灯に限定されるわけではないが、ここでは一例として、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。
なお、図１においては、放電ランプ１００を自動車に取り付けた場合に、前方となる方向を前端側、後方となる方向を後端側、上方となる方向を上端側、下方となる方向を下端側としている。

図１に示すように、放電ランプ１００には、バーナー１０１およびソケット１０２が設けられている。
バーナー１０１には、外管５、内管１、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、および金属バンド７１が設けられている。

外管５は、内管１の外側に内管１と同芯に設けられている。すなわち、バーナー１０１は、外管５と内管１とによる二重管構造を有している。外管５は、内管１の円筒部１４付近に接合（溶着）されている。
内管１と外管５との間に形成された閉空間には、ガスが封入されている。封入されるガスは、誘電体バリア放電が可能なガスとすることができる。封入されるガスは、例えば、ネオン、アルゴン、キセノン、窒素から選択された一種のガス、またはこれらの混合ガスとすることができる。ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で０．３ａｔｍ以下とすることができる。なお、ガスの封入圧力は、常温（２５℃）で０．１ａｔｍ以下とすることがより好ましい。

外管５は、内管１の材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、且つ、紫外線遮断性を有する材料から形成することが好ましい。外管５は、例えば、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物が添加された石英ガラスから形成することができる。

内管１は、発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４を有する。発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４は、一体に形成することができる。
内管１（発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４）は、透光性と耐熱性を有する材料から形成されている。内管１は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。

発光部１１は、ほぼ楕円体状の外形形状を有している。発光部１１は、内管１の中央付近に設けられている。内管１の軸方向における発光部１１の寸法（球体長）は、例えば、８ｍｍ程度とすることができる。内管１の軸方向に直交する方向における発光部１１の寸法は、例えば、６ｍｍ程度とすることができる。

発光部１１の内部には、放電空間１１１が設けられている。放電空間１１１の中央部分は、ほぼ円柱状を呈している。放電空間１１１の両端部分は、ほぼ円錐状を呈している。

放電空間１１１には、放電媒体が封入されている。放電媒体は、金属ハロゲン化物２と、不活性ガスとを含む。

また、本実施の形態に係る放電ランプ１００においては、環境保護の観点から、放電媒体は、実質的に水銀を含まないものとしている。なお、本明細書において、「実質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないだけではなく、水銀が不純物程度に含まれる場合も許容される。例えば、放電媒体は、放電空間１１１中において、２ｍｇ／ｃｃ未満となるのであれば水銀を含むことができる。

金属ハロゲン化物２は、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）のハロゲン化物、インジウム（Ｉｎ）のハロゲン化物、ナトリウム（Ｎａ）のハロゲン化物、亜鉛（Ｚｎ）のハロゲン化物を含むものとすることができる。ハロゲンとしては、例えば、ヨウ素（Ｉ）を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素（Ｂｒ）や塩素（Ｃｌ）などを用いることもできる。
なお、金属ハロゲン化物２の組成に関する詳細は後述する。

放電空間１１１に封入される不活性ガスは、例えば、キセノンとすることができる。また、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを用いたり、これらを組み合わせた混合ガスを用いることもできる。
ただし、不活性ガスは、キセノンとすることがより好ましい。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の両端部のそれぞれに接合されている。封止部１２は、例えば、ピンチシール法を用いて形成することができる。なお、封止部１２は、シュリンクシール法により形成され、円柱状を呈したものであってもよい。一方の封止部１２には、境界部１３を介して円筒部１４が接合されている。

境界部１３および円筒部１４は、封止部１２の、発光部１１側とは反対側の端部に接合されている。

電極マウント３は、封止部１２の内部に設けられている。
電極マウント３は、金属箔３１、電極３２、コイル３３、およびリード線３４を有する。

金属箔３１は、封止部１２の内部に設けられている。金属箔３１は、電極３２の、放電空間１１１側とは反対側の端部の近傍に接合されている。
金属箔３１は、薄板状を呈し、例えば、モリブデン、レニウムモリブテン、タングステン、レニウムタングステンなどから形成することができる。

電極３２は、線状を呈している。電極３２の断面形状は、例えば、円形とすることができる。電極３２の太さ（断面形状が円形の場合には直径）は、例えば、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下とすることができる。

なお、電極３２の太さは、電極３２が延びる方向において一定でなくてもよい。例えば、電極３２の太さは、先端部側が基端部側よりも太くなっていてもよい。また、電極３２の先端部が球形となっていてもよい。また、直流点灯タイプのように、一方の電極の太さと、他方の電極の太さとが異なるものであってもよい。

電極３２の一方の端部は、放電空間１１１内に突出している。すなわち、電極３２の一端は放電空間１１１の内部に設けられ、他端は封止部１２の内部に設けられている。一対の電極３２は、所定の距離を置いて互いに対向するように設けられている。一対の電極３２の先端同士の間の距離（電極間距離）は、例えば、３．４ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下とすることができる。電極３２の他方の端部は、金属箔３１の、発光部１１側の端部近傍に接合されている。電極３２と金属箔３１の接合は、例えば、レーザ溶接により行うことができる。

電極３２は、例えば、純タングステン、ドープタングステン、レニウムタングステンなどから形成することができる。なお、電極３２は、トリウムを含有していてもよいし、トリウムを含有していなくてもよい。

コイル３３は、封止部１２にクラックが発生するのを抑制するために設けられている。コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線から形成することができる。コイル３３は、封止部１２の内部に設けられている。コイル３３は、電極３２の外側に巻きつけられている。例えば、コイル３３の線径は３０μｍ〜１００μｍ程度、コイルピッチは６００％以下とすることができる。

リード線３４は、線状を呈している。リード線３４の断面形状は、例えば、円形とすることができる。リード線３４は、例えば、モリブデンなどから形成することができる。リード線３４の一方の端部側は、金属箔３１の、発光部１１側とは反対側の端部近傍に接合されている。リード線３４と金属箔３１の接合は、レーザ溶接により行うことができる。リード線３４の他方の端部側は、内管１の外部にまで延びている。

サポートワイヤ３５は、Ｌ字状を呈し、放電ランプ１００の前端側から出ているリード線３４の端部に接合されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との接合は、レーザ溶接により行うことができる。サポートワイヤ３５は、例えば、ニッケルから形成することができる。

スリーブ４は、サポートワイヤ３５の、内管１と平行に延びる部分を覆っている。スリーブ４は、例えば、円筒状を呈している。スリーブ４は、例えば、セラミックスから形成することができる。

金属バンド７１は、外管５の後端側の端部近傍に固定されている。

ソケット１０２は、本体部６１、取り付け金具７２、底部端子８１、および側部端子８２を有する。
本体部６１は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６１の内部には、リード線３４の後端側、サポートワイヤ３５の後端側、およびスリーブ４の後端側が設けられている。

取り付け金具７２は、本体部６１の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１の前端側に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１から突出している。取り付け金具７２は、金属バンド７１を保持する。取り付け金具７２により金属バンド７１を保持することで、バーナー１０１がソケット１０２に保持される。

底部端子８１は、本体部６１の内部に設けられている。底部端子８１は、本体部６１の後端側に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成されている。底部端子８１は、リード線３４と電気的に接続されている。

側部端子８２は、本体部６１の側壁に設けられている。側部端子８２は、本体部６１の後端側に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成されている。側部端子８２は、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

底部端子８１と側部端子８２は、図示しない点灯回路と電気的に接続される。この場合、底部端子８１は、点灯回路の高圧側と電気的に接続される。側部端子８２は、点灯回路の低圧側と電気的に接続される。

放電ランプ１００が自動車の前照灯に用いられるものである場合には、放電ランプ１００は、中心軸（管軸）がほぼ水平の状態で、且つ、サポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように取り付けられる。なお、この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することは、水平点灯と称される。

ここで、近年においては、省電力化の要求から、より低電力で点灯可能な放電ランプが求められている。例えば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させることができる放電ランプが求められている。
この様な低電力で放電ランプを点灯させると、３５Ｗ（ワット）程度の電力で放電ランプを点灯させる場合に比べて発光部１１の温度が低くなる。発光部１１の温度が低くなると、発光効率が低くなるので明るさが暗くなるという問題がある。

この場合、金属ハロゲン化物２に含まれるスカンジウムのハロゲン化物の比率を増やせば、発光効率を高くすることができる。ところが、単に、スカンジウムのハロゲン化物の比率を増やすと、管電圧が高くなりチラツキが生じやすくなる。

本発明者は検討の結果、スカンジウムのハロゲン化物の重量Ｍｓ（μｇ）に対するナトリウムのハロゲン化物の重量Ｍｎ（μｇ）の比（Ｍｎ／Ｍｓ）を所定の範囲内にすれば、低電力で点灯させる放電ランプ１００であっても、発光効率の向上と管電圧の上昇の抑制とを図ることができるとの知見を得た。
表１は、スカンジウムのハロゲン化物の重量Ｍｓに対するナトリウムのハロゲン化物の重量Ｍｎの比（Ｍｎ／Ｍｓ）と、発光効率および管電圧との関係を例示するための表である。

なお、発光効率の評価においては、８０ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上を「○」とし、８０ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）未満を「×」としている。
管電圧の評価においては、始動時の管電圧が４８Ｖ以下の場合を「○」とし、４８Ｖを超えた場合を「×」としている。
安定点灯時の印加電圧は２５Ｗ（ワット）程度、始動時の印加電圧は５５Ｗ（ワット）程度とした。
また、一例として、スカンジウムのハロゲン化物はヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）とし、ナトリウムのハロゲン化物はヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）とした。
この場合、金属ハロゲン化物２は、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化インジウム、およびヨウ化亜鉛を含むものとした。
また、金属ハロゲン化物２の重量は、４００μｇとした。
発光部１１の材料は、石英ガラスとした。
放電空間１１１の容積は、２２μＬとした。
放電空間１１１に封入される不活性ガスはキセノンとし、封入圧力は１２ａｔｍとした。
電極３２の直径は０．２８ｍｍとした。

表１から分かるように、０．８≦Ｍｎ／Ｍｓ≦１．３とすれば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプ１００であっても、発光効率の向上と、管電圧の上昇の抑制とを図ることができる。

ここで、ヨウ化ナトリウムの価数は１価であるが、ヨウ化スカンジウムの価数は３価となる。そのため、ヨウ化スカンジウムの比率を増やすと、遊離ヨウ素が増加しやすくなる。遊離ヨウ素が増加すると、金属箔３１の材料とヨウ素が反応しやすくなり、金属箔３１の腐食に伴うリーク（箔リーク）が発生しやすくなる。箔リークが発生しやすくなると、放電ランプ１００の寿命が短くなるおそれがある。
すなわち、Ｍｎ／Ｍｓが小さくなると放電ランプ１００の寿命が短くなるおそれがある。

本発明者は検討の結果、金属ハロゲン化物２に含まれるインジウムのハロゲン化物の比率を増やせば遊離ヨウ素の増加を抑制することができるとの知見を得た。
このことは以下のように説明することができる。
インジウムのハロゲン化物の価数は１価〜３価となる。そのため、インジウムは遊離ヨウ素のゲッターとなり得るので、インジウムのハロゲン化物の比率を増やせば遊離ヨウ素の増加を抑制することができる。
すなわち、インジウムのハロゲン化物の比率を増やせば、箔リークの発生を抑制することができ、ひいては放電ランプ１００の長寿命化を図ることができる。

ところが、本発明者の得た知見によれば、インジウムのハロゲン化物の比率を増やせば、ＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図における色度ｘおよび色度ｙがともに低下することが判明した。この場合、色度ｙの低下は色度ｘの低下よりも大きくなることも判明した。
特に、放電ランプ１００の始動時は、発光部１１の温度が低いので融点の低いインジウムが先に蒸発し、インジュウムによる発光が支配的になる。インジュウムによる発光が支配的になると色度ｙがさらに低下して、赤味を帯びた光が放電ランプ１００から照射されるようになる。
すなわち、インジウムのハロゲン化物の比率を増やせば、長寿命となるが、所望の色味の光を照射することが困難となるおそれがある。

放電ランプ１００の用途によっては、始動時に赤味を帯びた光が放電ランプ１００から照射されても問題はない。しかしながら、例えば、放電ランプ１００が自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合には、始動時および安定点灯時において白色の光が放電ランプ１００から照射されるようにすることが好ましい。

本発明者は更なる検討の結果、インジウムのハロゲン化物の比率を所定の範囲内とすれば、長寿命化と所望の色味の光（例えば、白色の光）を照射することができるとの知見を得た。

表２は、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の重量比と、寿命および始動時における光の色味との関係を例示するための表である。

なお、寿命の評価においては、３０００時間以上箔リークが発生しなかった場合を「○」とし、３５００時間以上箔リークが発生しなかった場合を「◎」としている。
また、始動時における光の色味は、ｙの最小値が０．２８以上の場合を「○」とし、ｙの最小値が０．２９以上の場合を「◎」としている。ここで、ｙの最小値とは、始動時から安定時までの期間において、光の色味が経時変化する際の、最も低いｙの値である。
なお、始動時におけるｙの最小値が０．２８以上となれば、安定点灯時における光の色味は、０．３５５＜ｘ＜０．４００、０．６４０ｘ＋０．１３０≦ｙ≦０．６４ｘ＋０．１５０となることを確認している。
なお、ｘはＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図における色度ｘであり、ｙは色度ｙである。
また、一例として、インジウムのハロゲン化物はヨウ化インジウム（ＩｎＩ）とした。その他の評価条件は、表１の場合と同様とした。

表２から分かるように、インジウムのハロゲン化物の重量比を０．３ｗｔ％以上、２．０ｗｔ％以下とすれば、始動時においても白色の光を照射することができる。
また、インジウムのハロゲン化物の重量比を０．５ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下とすれば、始動時においても白色の光を照射することがさらに容易となる。

以上に説明したように、０．８≦Ｍｎ／Ｍｓ≦１．３とし、且つ、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の重量比を０．３ｗｔ％以上、２．０ｗｔ％以下とすれば、低電力で点灯させる放電ランプ１００であっても、発光効率の向上、管電圧の上昇の抑制、長寿命化、および所望の色味の光（例えば、白色の光）を照射することができる。
またさらに、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の重量比を０．５ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下とすれば、所望の色味の光（例えば、白色の光）を照射することがさらに容易となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１内管、２金属ハロゲン化物、５外管、１１発光部、１２封止部、３２電極、１００放電ランプ、１０１バーナー、１０２ソケット、１１１放電空間

Claims

安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯可能な放電ランプであって、
金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、を含み、水銀を実質的に含んでいない放電媒体が封入された放電空間を内部に有する発光部と；
前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；
を具備し、
前記金属ハロゲン化物は、スカンジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、インジウムのハロゲン化物、および亜鉛のハロゲン化物を含み、
前記スカンジウムのハロゲン化物の重量をＭｓとし、前記ナトリウムのハロゲン化物の重量をＭｎとした場合に、０．８≦Ｍｎ／Ｍｓ≦１．３であり、
前記金属ハロゲン化物に対する前記インジウムのハロゲン化物の重量比は０．３ｗｔ％以上、２．０ｗｔ％以下であり、
前記一対の電極の、それぞれの太さは、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であり、
前記一対の電極の先端同士の間の距離は、３．４ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下であり、
始動時の管電圧は、４８Ｖ以下である放電ランプ。
前記金属ハロゲン化物に対する前記インジウムのハロゲン化物の重量比は０．５ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下である請求項１記載の放電ランプ。
安定点灯時に、以下の式を満足する色度の光を照射可能な請求項１または２に記載の放電ランプ。
０．３５５＜ｘ＜０．４００、
０．６４０ｘ＋０．１３０≦ｙ≦０．６４ｘ＋０．１５０
なお、ｘはＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図における色度ｘであり、ｙは色度ｙである。
始動時に、以下の式を満足する色度の光を照射可能な請求項１〜３のいずれか１つに記載の放電ランプ。
ｙ≧０．２８
なお、ｙはＣＩＥ１９３１ｘｙ色度図における色度ｙである。