JP2003303571A

JP2003303571A - 水銀不含の放電ランプおよびこの放電ランプの電圧を制御する方法

Info

Publication number: JP2003303571A
Application number: JP2003101810A
Authority: JP
Inventors: Susan L Callahan; エルキャラハンスーザン; Sharon L Ernest; エルアーネストシャロン; Robert J Karlotski; ジェイカルロツキロバート; Walter P Lapatovich; ピーラパトヴィッチウォルター
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2003-10-24
Also published as: DE60320701D1; ES2306821T3; US6853140B2; KR20030079779A; US20030189408A1; ATE394790T1; EP1351276B1; EP1351276A3; EP1351276A2; CA2415015A1; CA2415015C

Abstract

(57)【要約】【課題】沃化亜鉛が水銀の代わりに使用されているよ
うな新規の水銀不含の放電ランプを提供する。【解決手段】１８〜４２ｍｍ^３の密閉容積を定義する
両口金形石英エンベロープと；石英エンベロープを通じ
てシールされかつ密閉容積と接触する第１の電極と；石
英エンベロープを通じてシールされかつ密閉容積と接触
する第２の電極と；０．６〜１．２２メガパスカルの冷
却圧力を有する密閉容積中の不活性の封入ガスと；金属
ハロゲン化物および沃化亜鉛を含む密閉容積中の封入成
分とからなり、この場合沃化亜鉛は、密閉容積１ｍｍ^３
当たり２〜６μｇの濃度を有し、密閉容積は、その中に
水銀も水銀ハロゲン化物も有していない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願人は、沃化亜鉛を有する水銀不含の
放電ランプに関連して２００２年４月４日に出願した、
出願番号６０／３６９７３１の暫定出願の恩恵の特許保
護を請求するものである。

【０００２】

【発明の属する技術分野】本発明は、電球、よりいっそ
う詳述すれば、水銀を含有せずかつ沃化亜鉛ドーパント
を含有する放電ランプに向けられている。

【０００３】政府関係機関および自動車工業界は、１９
９０年初頭以来自動車に水銀が使用されていることに関
心をもっていた。１９９５年に、９９％を上廻る自動車
の水銀量について、当初は、フードおよびトランクの照
明において、また、アンチロックブレーキシステムにお
いても水銀スイッチに原因であるものと決定された。To
xic in Vehicles: Mercury, A report by the Ecology
Center, Great LakesUnited, University of Tennessee
Center for Clean Products and Clean Technologies,
January 2001参照。結果として、自動車メーカーは、
自主的に２、３年内に水銀スイッチを段階的に廃止し、
自動車の再生業者に存在する自動車からスイッチを如何
にして排除するかについての教育を行なうことに同意し
た。便宜上、照明用スイッチへの水銀の使用は、１９９
６年以降著しく衰退したが、一方で、ＡＢＳ用途への水
銀の使用は、少なくとも２倍、恐らくは３倍に増加した
ものと思われる。また、自動車における水銀の他の用
途、例えば強力放電ヘッドランプ、ナビゲーションシス
テム用ディスプレイおよび家庭用エンターテイメントシ
ステムも増加傾向にあるように思われる。

【０００４】高輝度放電（HID）ヘッドランプは、自動
車における水銀の新たな用途である。このヘッドランプ
は、改善された視程、標準のタングステンハロゲンヘッ
ドランプよりも長い寿命および少ないエネルギー使用量
を提供する。それぞれのＨＩＤ光源は、水銀約０．５ｍ
ｇを含み、有害廃棄物に関する米国連邦ＴＣＬＰ試験に
パスしている。欧州連合（EU）ＥＬＶ（自動車の寿命末
期についての）宣言は、自動車における水銀に関する禁
止令から水銀含有電球を免除している。ＨＩＤヘッドラ
ンプの使用は、殆んど高価でなく、よりいっそう大きい
容積のモデルを紹介するものとしてますます増加するこ
とが予想されている。

【０００５】何故、水銀が自動車のＨＩＤランプ中に存
在しているのかという疑問は妥当なことである。水銀
は、恒常状態の動作の間、可視スペクトルには殆んど貢
献しない。それというのも、この水銀の最も低い励起レ
ベルは、白色光を生じさせるために添加される金属ハロ
ゲン化物添加剤のイオン化ポテンシャルよりも高いエネ
ルギー状態にあるからである。水銀は、ランプ内での化
学反応によって常に形成される過剰の沃素のための金属
イオン封鎖剤の場合を除外して、ハロゲン作業周期の動
作にとって本質的なことではない。ランプ内で生じるヨ
ウ化水銀は、主に可視光線に対して透過性である。しか
し、水銀を極端に有用なものにする水銀の幾つかの付加
的な機能も存在する。

【０００６】水銀蒸気は、アークの電気抵抗を定め、く
びれたアークチャンネルを包囲する熱絶縁体である。比
較的高圧の金属蒸気を有するＨＩＤランプの効率的な動
作は、アークコアから管壁への分離された金属原子およ
び沃素原子の急激な拡散を阻止するために、高い全圧封
入を必要とする。分離が最初にアークコア中で起こり、
再結合が最初に壁面上で起こった場合には、この分離過
程によるエネルギー損失は、極めて高く、非効率的なラ
ンプを生じる。水銀は、イグニションの際になお低い圧
力を有しているけれども、動作のために高い全圧を達成
させる有利な方法であり、したがって適正な始動電圧を
得ることができる。

【０００７】任意の遊離沃素蒸気がイグニション時にラ
ンプ内に存在する場合には、始動電圧は極めて高い。そ
れというのも、沃素（Ｉ_２）の強力な電子付着特性は、
タウンゼントなだれの形成を妨害するからであり、この
場合、沃素（Ｉ_２）の蒸気圧は、環境条件下で比較的高
い（０．４トル）。W.P. LapatovichおよびA.B. Buding
er, Winkout in HID Discharges, Paper O1I4, IEEE Co
nference Record-Abstracts, 28^ｔｈ Conference on Pl
asma Science, PPPS-2001, June 17-22, 2000,Las Vega
s, NV参照。更に、過剰量での水銀の存在は、ヨウ化水
銀（ＨｇＩ_２）だけが始動時に存在することを保証す
る。また、ヨウ化水銀（ＨｇＩ_２）は、電子付着ガスで
あるけれども、このヨウ化水銀の蒸気圧は、実質的に低
く（１０⁻ ^３トル未満）、始動電圧時に中程度の上昇の
みを引き起こす。

【０００８】水銀の利点−陽光柱の大きなポテンシャル
勾配、非価格的に低い熱損失、環境条件下での低い蒸気
圧および比較的低い費用−は、自動車のＨＩＤランプに
適した緩衝ガスを提供するであろう他の材料についての
探求を不要にする。

【０００９】水銀を安易に除去することは、不適切であ
る。それというのも、アークの電気的伝導性および熱的
伝導性は、制御されなければならない。水銀にとって理
想的な代用は、大きな運動量断面積、温度および高い励
起の際の高い中性粒子密度ならびにイオン化エネルギー
を有するであろう。

【００１０】水銀の代用をするための前記目標のなかの
最初の２つは、プラズマ抵抗を十分に上昇させることに
よって、所定のランプ出力で放電電流を制限することが
必要とされることに注意を向けている。この代用は、可
視スペクトルを殆んど支配しない、即ち高い位置エネル
ギーレベルの間の転位のみが可能であるので、高い励起
エネルギー量およびイオン化エネルギー量が必要とされ
る。前記の物理的性質以外に、金属ハロゲン化物塩の化
学的安定性、電極および石英は、二三千時間の間、保証
されなければならない。最後に、代用品は、環境保護的
であるべきである。

【００１１】通常、ＥＵおよび日本エレクトリカル・ラ
イトニング・マニュファクチャーラーズ・アソシエーシ
ョン（Japan Electrical Lighting Manufacturers Asso
ciation (JELMA)）は、自動車の水銀不含のＨＩＤラン
プを含む規則９９を修正することを考えている。自動車
の水銀型の”Ｒ型”ＨＩＤ光源、Ｄ１Ｒ、Ｄ２Ｒについ
て提案されたＥＵおよびＪＥＬＭＡの規格は、次の提案
された特性を有する：バラスト１２ボルトのレーテッド
ボルテージ３５ワット；目的のランプ電圧８５ボルト、
＋／−１７ボルト；ランプのワット数＋／−３ワット；
光束２８００ルーメン＋／−４５０ルーメン；（ｘ≧
０．３４３５、ｙ≦０．１５０＋０．６４０ｘ）および
（ｘ≧０．４０５、ｙ≦０．０５０＋０．７５０ｘ）の
許容差を有する色座標（ｘ＝０．３７５、ｙ＝０．３７
５）。相応する水銀不含のＤ３ＲおよびＤ４Ｒランプ
は、目的のランプ電圧が４２ボルト＋／−９ボルトであ
ることを除外して、そのつど同様である。自動車の水銀
型”Ｓ型”ＨＩＤ光源、Ｄ１Ｓ、Ｄ２Ｓに対して提案さ
れたＥＵおよびＪＥＬＭＡの規格は、光束が３２００ル
ーメンであることができることを除外して、そのつどＤ
１ＲおよびＤ２Ｒと同様である。相応する水銀不含のラ
ンプ、Ｄ３Ｓ、Ｄ４Ｓは、光束が３２００ルーメンであ
ることができることを除外して、Ｄ３ＲおよびＤ４Ｒ
（ランプ電圧４２ボルト＋／−９ボルト）とそのつど同
様である。判断することができるように、水銀不含のラ
ンプに対して提案された性能要件は、動作電圧を除外し
て、水銀含有ランプと同一である。アークの曲りおよび
拡散が同様であるという要件は、電圧を上昇させる化学
薬品の選択を著しく制限しうる。Ｄ１／Ｄ２（水銀含
有）ランプとＤ３／Ｄ４（水銀不含）ランプとの他の相
違は、（よりいっそう高い電流を見込んでおくために）
電極直径が０．３ｍｍ未満から０．４ｍｍ未満に増加す
ることであり、光源を保証するためのベースのキーイン
グは、交換不可能である。

【００１２】潜在的な水銀の代わりに使用するためのス
クリーニングツールは、公知である。イオン化ポテンシ
ャル（Ｖ_ｉ）が５〜１０ｅＶでありかつ蒸気圧がランプ
動作温度で少なくとも１０^−５大気圧であるような金属
ハロゲン化物が封入されていることにより、希ガス圧力
を著しく上昇させることなく、自動車のＨＩＤランプの
動作電圧が上昇することは、評価された。K. Takahash
i, M. Horiuchi, M. Takeda, T. SaitoおよびH. Kiryu,
米国特許第６２６５８２７号明細書（２００１）。更
に、電極損失が減少され、電極のスパッタリングによる
アーク管の黒化は、抑制される。金属ハロゲン化物添加
剤が５ｅＶ未満のイオン化ポテンシャルを有する場合に
は、ランプの動作電圧は、減少し；イオン化ポテンシャ
ルが１０Ｅｖを上廻る場合には、ランプ効率は減少し；
動作温度での蒸気圧が１０^−５大気圧を上廻る場合に
は、動作電圧の上昇は、観察されていない。

【００１３】水銀の代用品を探すための１つの場所は、
同じ周期律系統中にある：カドミウムおよび亜鉛。カド
ミウムは、実行可能な有力な候補ではない。それという
のも、カドミウムは、毒性であり、車両の照明、例えば
黄色の方向指示器の段階的廃止が為されているからであ
る。亜鉛を含有するランプの寿命は、十分に高い蒸気圧
（粒子密度）を得るために必要とされるよりいっそう高
い動作温度で石英上への強い攻撃のために減少するであ
ろう。よりいっそう高いワット数のセラミックメタルハ
ライドランプでの作業は、約８％の効率での還元、より
低いアークコア温度での２５％のランプ動作電圧の減少
および亜鉛を水銀に置換した際のよりいっそう高い壁面
温度を示す。M. Born, Mercury-Free High Pressure Di
schargeLamps, Paper 002:L, 9^ｔｈ International Sym
posium on the Science and Technology of Light Sour
ce, Cornell University, Ithaca, NY, Aug. 12-16, 20
01参照。付加的に、沃素に対する亜鉛の強い親和力は、
効率的に沃素を金属ハロゲン化物から取り除き、この金
属ハロゲン化物を元素状金属に還元する。M. Bornおよ
びU. Niemann, Interaction of zinc with Rare Earth
Halides Under Conditions of High Pressure Discharg
e Lamps, 10^ｔｈ International IUPAC Conf. on High
Temp. Materials Chemistry, April 10-14, 2000, Fors
chungzentrum, Julich, Germany参照。攻撃的金属（ス
カンジウムまたは希土類）の存在下での高められた温度
でのランプの寿命は、自動車への適用について十分に長
時間であることは予想されていない。

【００１４】１つの代用品を探すための別の場所は、金
属ハロゲン化物にある。一般に、選択は、２つの幅広い
範疇を生じる：アークを収斂させる添加剤およびアーク
を肥大化させる添加剤。自動車ＨＩＤランプ中のアーク
の品質および安定性は、通常のメタルハライドランプよ
りも危険性を有している。自動車ＨＩＤランプは、アー
クの位置、アークの曲りおよびアークの拡散について厳
しい要件を有する光源である。アークを収斂させる化学
薬品は、ランプの動作電圧を上昇させる傾向にあるとい
う利点を有する。しかし、収斂されたアークにおいて
は、対流によりアークがアーク管の頭頂部に向かって運
ばれ、この頭頂部で激しく局在化した熱が発生する可能
性があり、著しく収斂したアークは、不安定になる傾向
にある。沃化トリウム（ThI_４）および過剰の沃素
（I_２）は、歴史的にもたらされた収斂されたアークを
有する。スペクトル的に富んだ金属の多くは、僅かに壁
面安定化されたアークを有するランプを生じる。このア
ークの貧しい品質は、多くのエネルギーレベルを有する
金属から生じ、この金属の多くは、全く低位であり、し
たがって平均励起ポテンシャルは、イオン化ポテンシャ
ルと比較して全く低い（V_ａ _ｖｇ＜V_ｉ/2）。アルカリ金
属沃化物は、典型的なアーク肥大化添加剤である。アル
カリ金属は、低いイオン化ポテンシャルを有し、これ
は、アークの低温領域内で電子を有効にする効果を有し
ている。この電子の存在は、電流の流れを可能にし、ま
たさらにこの電流の流れは、電力の消散、ひいては熱の
発生を前記領域内で生じる。真の効果は、温度を局部的
に上昇させることができ、アークの高温領域の直径およ
び導電性領域の直径を増加させる。１つの結果として、
所定のワット数についてのアーク電流は、増加し、動作
電圧は、減少する。石英アーク管へのアルカリ金属の添
加量は、沃化物としてのみが実現可能である。それとい
うのも、金属は、ランプ動作温度で壁面と激しく反応す
るであろうからである。

【００１５】沃化ガリウム、沃化インジウムおよび沃化
タリウムの添加は、単独でかまたは組合せ物で、一般に
収斂されたアークを生じない。これらの金属のエネルギ
ーレベルは、これらの金属の相対的に若干数において水
銀のエネルギーレベルと同様であり、これらの金属の大
部分は、イオン化ポテンシャルよりも大きいエネルギー
を有するかまたはイオン化ポテンシャルの半分に等しい
エネルギーを有する。このことから、壁面で安定化され
たアークが予想され、また、電圧の上昇を期待すること
ができる。

【００１６】ランプ内に化学錯体を生じさせるために、
高蒸気圧添加剤を希土類ハロゲン化物と組み合わせて使
用することができる。化学的錯化は、放射線種の数を増
加させ、壁面での反応に対して幾つかの緩衝を提供し、
また、柱を横切って電圧降下を増大させることができ
た。W.P. LapatovichおよびJ.A. Baglio, Chemical Com
plexing and Effects on Metall Halide Lamp Performa
nce, Paper 026:I, 9^ｔ ^ｈ International Symposium on
the Science and Technology of Light Source, Corne
ll University, Ithaca, NY, Aug. 12-16, 2001参照。
結果は、希土類錯体化学、例えばＩｎＩを有するＤｙＩ
_３であろう。しかし、錯化剤の添加は、意図しなかった
結果、例えば図１に示されているように色座標における
シフトを有することができる。図１は、水銀不含の希土
類化学の色座標上で金属沃化物の効果を示す。多角形部
分は、ＳＡＥ白色領域の境界を表わす。

【００１７】高電圧で動作する水銀不含のランプを製造
するために、最近において多大な努力が払われており、
即ちこの水銀不含のランプは、既存のバラストを有する
レトロフィットとして使用されることができる。電圧を
高めるために金属添加剤の高い用量が使用されている形
式の例は、Ishigami他によって欧州特許出願公開第０８
８３１６０号明細書Ａ１に、Takeda他によって欧州特許
出願公開第１０３２０１０号明細書Ａ１に、およびUemu
ra他によって欧州特許出願公開第１１５０３３７号明細
書Ａ１に教示されている。他の電圧上昇添加剤の例は、
Takahashi他によって欧州特許出願公開第１１７２８３
９号明細書Ａ２に、およびTakahashi他によって米国特
許第６２６５８２７号明細書に教示されている。耐蝕性
の性質または毒性の性質を高い効率で満たす例は、Kane
ko他によって欧州特許出願公開第１１７２８４０号明細
書Ａ２に教示されている。

【００１８】放電ランプ中の沃化亜鉛の使用は、公知で
ある。例えば、米国特許第４７６６３４８号明細書；米
国特許第５０１３９６８号明細書；米国特許第４９９２
７００号明細書；米国特許第４６７８９６０号明細書；
および米国特許第４３６０７５８号明細書参照。しか
し、前記引用文献には、特殊な量の沃化亜鉛をランプ中
の水銀の代用品として使用することは、全く示唆されて
いない。

【００１９】

【特許文献１】米国特許第６２６５８２７号明細書

【特許文献２】欧州特許出願公開第０８８３１６０号明
細書Ａ１

【特許文献３】欧州特許出願公開第１０３２０１０号明
細書Ａ１

【特許文献４】欧州特許出願公開第１１５０３３７号明
細書Ａ１

【特許文献５】欧州特許出願公開第１１７２８３９号明
細書Ａ２

【特許文献６】米国特許第６２６５８２７号明細書

【特許文献７】欧州特許出願公開第１１７２８４０号明
細書Ａ２

【特許文献８】米国特許第４７６６３４８号明細書

【特許文献９】米国特許第５０１３９６８号明細書

【特許文献１０】米国特許第４９９２７００号明細書

【特許文献１１】米国特許第４６７８９６０号明細書

【特許文献１２】米国特許第４３６０７５８号明細書

【非特許文献１】Toxic in Vehicles: Mercury, A repo
rt by the Ecology Center, Great Lakes United, Univ
ersity of Tennessee Center for Clean Products and
Clean Technologies, January 2001

【非特許文献２】W.P. LapatovichおよびA.B. Budinge
r, Winkout in HID Discharges, Paper O1I4, IEEE Con
ference Record-Abstracts, 28^ｔｈ Conference on Pla
sma Science, PPPS-2001, June 17-22, 2000, Las Vega
s, NV

【非特許文献３】M. Born, Mercury-Free High Pressur
e Discharge Lamps, Paper 002:L, 9^ｔ ^ｈ Internationa
l Symposium on the Science and Technology of Light
Source, Cornell University, Ithaca, NY, Aug. 12-1
6, 2001

【非特許文献４】M. BornおよびU. Niemann, Interacti
on of zinc with Rare Earth Halides Under Condition
s of High Pressure Discharge Lamps, 10^ｔｈ Interna
tional IUPAC Conf. on High Temp. Materials Chemist
ry, April 10-14, 2000, Forschungzentrum, Julich, G
ermany

【非特許文献５】W.P. LapatovichおよびJ.A. Baglio,
Chemical Complexing and Effects on Metall Halide L
amp Performance, Paper 026:I, 9^ｔｈ International
Symposium on the Science and Technology of Light S
ource, Cornell University, Ithaca, NY, Aug. 12-16,
2001

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、沃化
亜鉛が水銀の代わりに使用されているような新規の水銀
不含の放電ランプを提供することである。

【００２１】更に、本発明の目的は、密閉容積1mm^３当
たり２〜６μｇの量の沃化亜鉛が水銀の代わりに使用さ
れているような、自動車に使用するための新規の水銀不
含の放電ランプを提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の前記目的および
他の目的は、次の構成要素：１８〜４２ｍｍ^３の密閉容
積を定義する光透過性石英エンベロープと；密閉容積と
接触するシールされた形式でエンベロープを通じて延在
する第１のタングステン電極と；密閉容積と接触するシ
ールされた形式でエンベロープを通じて延在する第２の
タングステン電極と、この場合タングステン電極の直径
は、０．２０〜０．４０ｍｍの間にあり；密閉容積中に
位置した封入材料とを有し、この場合この封入材料は、
沃化亜鉛；沃化ナトリウム；沃化スカンジウムおよび不
活性の封入ガスを含むが、しかし、水銀または水銀化合
物を含まず、この場合沃化亜鉛は、２〜６μｇ／ｍｍ^３
の濃度を密閉容積中で有し、その際、３〜４μｇ／ｍｍ
^３が好ましく；この場合沃化ナトリウムは、５．０〜
５．７μｇ／ｍｍ^３の濃度を密閉容積中で有し；この場
合沃化スカンジウムは、２．７〜３．３μｇ／ｍｍ^３の
濃度を密閉容積中で有し；かつこの場合不活性の封入ガ
ス（好ましくはキセノン）は、０．６〜１．２２メガパ
スカルの冷却（環境）封入圧力を密閉容積中に有する、
融合シリカから形成された放電ランプを用いて達成され
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明は、電圧上昇添加剤のため
に沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）を特殊な量で使用する。

【００２４】発明者の実験および環境保護的な封入剤を
選択しなければならないという妥協に基づいて、本発明
には、水銀の代わりに使用するために添加される沃化亜
鉛（ＺｎＩ_２）の正確な量と一緒にＮａ−Ｓｃ沃化物を
封入することが規定されている。電球の寸法は、実質的
に名目上４．２ｍｍの電極チップ間のアーク間隙を有す
る現在のＤ２寸法のランプ（内径約２．７ｍｍ、本体の
外径約６ｍｍおよび内部の長さ約７．２ｍｍ）と同様の
ままである。Ｎａ：Ｓｃのモル比は、４：１〜６：１の
範囲内にあり、この場合好ましい比は、４：５：１およ
び６：１である。モル比を低くすることは、ルーメンの
増加を生じるが、しかし、壁面反応が促進され、維持が
短くなることを生じる。モル比を増加させた場合には、
壁面反応速度は減少するが、しかし、色はシフトし、光
束は減少する。

【００２５】ランプ中での塩の量は、Kaneko等によって
欧州特許出願公開第１１７２８４０号明細書Ａ２中に討
議されているように、ランプの内面上に溶融縮合物が漏
出しかつ容器内での高輝度アークへの目視による視線で
の干渉を回避させるために低く維持されていなければな
らない。また、塩の薄膜は、光を吸収することができ、
ランプ中で望ましくない色のシフトをまねく。好ましい
Ｎａ−Ｓｃ沃化物塩用量は、約２５ｍｍ^３の体積の石英
容器中で０．２〜０．２５ｍｇの範囲内にある。

【００２６】Ｄ２寸法のランプについては、沃化亜鉛
（ＺｎＩ_２）は、０．０５〜０．１５ｍｇの量で供給さ
れ、この場合好ましい量は、０．１ｍｇである。一般
に、沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）は、２〜６／ｍｍ^３で供給さ
れる。不活性ガス、例えばキセノンは、室温での封入圧
力が０．６〜１．２２メガパスカルである程度にランプ
中に供給される。

【００２７】本発明において、電極は、典型的にはＴｈ
Ｏ_２０．５〜２．０質量％でドープされている。好まし
いレベルは、約１質量％である。純粋なタングステン電
極を使用することができた。

【００２８】１つの好ましい実施態様において、図２に
示されているように、放電ランプ１０は、融合シリカか
ら形成されており、次の構成要素を有する：１８〜４２
ｍｍ^３の密閉容積１４を定義する光透過性石英エンベロ
ープ１２と；密閉容積１４と接触するシールされた形式
でエンベロープ１２を通じて延在する第１のタングステ
ン電極１６と；密閉容積１４と接触するシールされた形
式でエンベロープ１２を通じて延在する第２のタングス
テン電極１８と、この場合タングステン電極１６、１８
の直径は、０．２０〜０．４０ｍｍの間にあり；密閉容
積中に位置した封入材料２０とを有し、この場合この封
入材料は、沃化亜鉛；沃化ナトリウム；沃化スカンジウ
ムおよび不活性の封入ガスを含むが、しかし、水銀また
は水銀化合物を含まず、この場合沃化亜鉛は、２〜６μ
ｇ／ｍｍ^３の濃度を密閉容積中で有し、その際、３〜４
μｇ／ｍｍ^３が好ましく；この場合沃化ナトリウムは、
５．０〜５．７μｇ／ｍｍ^３の濃度を密閉容積中で有
し；この場合沃化スカンジウムは、２．７〜３．３μｇ
／ｍｍ^３の濃度を密閉容積中で有し；かつこの場合不活
性の封入ガス（好ましくはキセノン）は、０．６〜１．
２２メガパスカルの冷却（環境）封入圧力を密閉容積中
に有する。

【００２９】ＮａＩ−ＳｃＩ_３−ＺｎＩ_２化学薬品が水
銀不含の自動車ＨＩＤランプの好ましい実施態様である
ことは、明らかではない。図３は、通常のランプの実施
態様の試料の実行からのデータを示す。意外なことに、
スペクトルの出力は、水銀含有のランプ（図３）および
色座標とほぼ同一であるが、一方で、なお規則９９の限
定要件（図３）内の場合には、基準位置からシフトさ
れ、この場合色座標は全体が、多角形部分を定義する規
則９９の要件内にあると認識される。厳格に色点要件を
満足させるための可能性は、本発明の独特で予想されな
かった特徴である。例えば、希土類水銀不含の錯体は、
よりいっそう高いＣＲＩｓを有することができるが、し
かし、変動しうるＣＣＴｓおよびＮａＩ−ＳｃＩ_３−Ｚ
ｎＩ_２化学薬品に対して転位された色点を有することも
できる。

【００３０】ＮａＩ−ＳｃＩ_３−ＺｎＩ_２化学薬品は、
ランプをよりいっそう冷却して運転させる傾向にあり、
寿命に亘っての電圧の上昇は、希土類錯体を用いた場合
よりもよりいっそう小さくなるように思われ、試験され
た希土類錯体化学薬品よりも反応性が少なくなりうる。
しかし、化学薬品を制限することは、光束の出力を上昇
させる傾向にあるが、しかし、化学薬品は、化学的によ
りいっそう攻撃的になる傾向もあり、よりいっそう変動
し、不安定になる傾向になりうる。

【００３１】本発明者の実験は、水銀不含のＨＩＤラン
プの電圧が水銀含有ランプのための基準動作電圧である
８５ボルトに達するように調節されうることを示す。し
かし、電圧の上昇は、光束出力に相応する減少を伴なっ
て達成される。これは、主に水銀と比較される純粋な沃
化亜鉛（ＺｎＩ_２）蒸気の熱的伝導性が上昇することに
基づく。高い熱的伝導性は、アークコアを冷却し、これ
は、放射光率を減少させる。W.P. LapatovichおよびJ.
A. Baglio, Chemical Complexing and Effectson Metal
Halide Lamp Performance, Paper 026:I, 9th Interna
tional Symposium on the Science and Technology of
Light Sources, Cornell University, Ithaca, NY, Au
g. 12-16, 2001参照。この熱は、アークランプの壁面に
運搬され、水銀不含のランプを同出力レベルで水銀含有
相当品よりもよりいっそう高温で運転させることを引き
起こす。

【００３２】図５および６は、水銀不含のＮａＩ−Ｓｃ
Ｉ_３−ＺｎＩ_２の計算された熱的伝導性および電気的伝
導性と水銀を有する標準化学との比較を示す。図５は、
沃化亜鉛との一連の水銀不含の沃化ナトリウム沃化スカ
ンジウム比の場合の熱的伝導性を示す。図５において、
３０００゜Ｋから３５００゜Ｋへの傾斜が小さいことお
よびアークコア温度での熱的伝導性が沃化亜鉛（ＺｎＩ
_２）化学薬品に関連して著しく高いことに注目すべきで
ある。図６は、沃化亜鉛との一連の水銀不含の沃化ナト
リウム沃化スカンジウム比の場合の電気的伝導性を示
す。図６は、水銀を有する標準化学と比較される、水銀
不含のＮａＩ−ＳｃＩ_３−ＺｎＩ_２化学薬品のアークコ
ア温度での電気的伝導性における上昇の規模の程度を示
す。この電気的伝導性は、それ自体よりいっそう低い電
圧として明示されている。

【００３３】本発明者は、沃化亜鉛がアークを冷却する
ことを見出したが、この沃化亜鉛は、一般に生じる光束
数を減少させる。それ故、沃化亜鉛の量を制御すること
は、なお必要とされる光束数を維持しながら、正確な電
圧を得るために必要とされる。沃化亜鉛を用いない場合
には、ランプは、２５または３０ボルトの動作電圧を有
する。Ｄ２寸法のランプの電圧は、沃化亜鉛約０．４μ
ｇを用いた場合には、約９５ボルトに急速に上昇する。

【００３４】自動車ＨＩＤランプは、光源であるので、
アークの位置、形状および安定性は、著しく重要であ
る。

【００３５】典型的なＤ２Ｓアークは、十分に安定化さ
れているが、しかし、”飛散性”ではない。

【００３６】これは、アークプレゼンテーションを行な
う自動車ランプ製造業者の期待するところである。

【００３７】水銀ランプにおいて、ＮａＩ−ＳｃＩ_２化
学から希土類錯体化学への変更は、アークを肥大化させ
ることを引き起こす。水銀を除去することにより、なお
受け入れ可能なアークプレゼンテーションが提供される
が、しかし、ランプの寿命に亘ってのアーク輝度、光
束、色およびアーク安定性は、等しく重要であり、この
場合このような水銀不含のランプは、要件を達成するに
は到っていない。

【００３８】図７は、ＮａＩＳｃＩ_３の電圧および光束
に関する添加剤の効果を示す。沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）を
水銀不含のＮａＩ−ＳｃＩ_３化学薬品に添加することの
効果は、図７に示されているように、動作電圧を上昇さ
せることのみにあるのではなく、ランプの効率を減少さ
せることにもある。この場合には、水銀を除去すること
によって動作電圧が約６０ボルトに減少することが判
る。沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）の効果は、電圧を上昇させる
ことにあるが、しかし、この場合には、光の出力を犠牲
にしており、したがって本発明の沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）
の特殊な範囲は、特に重要であると思われる。これは、
部分的には望ましくないスペクトル領域内のＺｎからの
放射に基づくものであり、部分的には、上記に討議した
ような減少されたコア温度に基づくものである。Ｄ２寸
法のランプのための電圧に対する沃化亜鉛（ＺｎＩ２）
の用量の効果は、図８に示されている。５００Ｈｚでス
イッチされたＤＣで動作される試験ランプにより、本発
明によるランプの受容性が確認される。

【００３９】他の簡単に蒸発される塩、例えばハロゲン
化ＴＩＩ、ハロゲン化Ｃｄおよびハロゲン化Ｓｂは、電
圧を上昇させるために使用されることができたが、しか
し、環境保護的なランプを提供することができる本発明
の対象とは異なるものである。

【００４０】ＮａＩ−ＳｃＩ_３化学薬品が希土類錯体を
上廻って享受されるという１つの利点は、利用可能な組
成物の範囲にあることであり、この範囲に亘っての電圧
上昇添加剤の性能を予測することができることである。
図９は、標準の自動車用化学薬品を有する水銀不含のラ
ンプのための光束維持を示す。図１０は、標準の自動車
用化学薬品を有する水銀不含のランプのための色維持を
示す。ＮａＩ−ＳｃＩ３化学薬品の光束維持は、図９に
示されているような有利な傾向および図１０に示されて
いるような色維持を示す。多くの希土類錯体は、急速な
化学反応および劣化した光束維持を示した。

【００４１】プロジェクター光学素子およびリフレクタ
ー光学素子の双方における予備評価により、ヘッドラン
プの主な再設計はＮａＩ−ＳｃＩ_３−ＺｎＩ_２の水銀不
含の化学薬品にとって不要であることが示される。試験
は、規則９８の”アイスホッケー用スティック（hockey
stick）”カットオフに適合していることが示され；グ
レアの要件は満足されていたけれども、試験点の１つ
は、規格以下である。同様の結果は、Ｄ４ＲおよびＤＯ
Ｔ規格に準拠したヘッドランプを用いて観察された。

【００４２】しかし、ビームパターンに基づいて、光学
素子を水銀不含のランプに適応させるように再設計する
ことは不要であることは、明らかなことである。それと
いうのも、アークの幾何学的寸法における微細な変化の
ために、ヘッドランプ光学素子は、一定の試験点でカン
デラを改善するために調節されることができるからであ
る。こうして、既存の光学素子中への簡単な代用よりも
良好なビームパターンが達成されうるであろう。

【００４３】本発明によるランプの１例は、２５ｍｍ^３
の体積を有する純粋な石英の予め形成された円筒状の石
英エンベロープ中に、６対１のナトリウム対スカンジウ
ムモル比でナトリウムスカンジウム沃化物（ＮａＳＣＩ
_４）ドーパントを有するアーク放電ランプである。封入
物は、８気圧（環境温度）のキセノンを含む。この封入
物は、希ガス、例えばキセノンとアルゴンとの混合物で
あってもよい。電極は、４．２ｍｍの標準の電極間隙を
有する、直径約０．０２５４ｃｍ（０．０１インチ）の
タングステンロッドである。水銀は、ランプ中に含まれ
ていない。沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）約０．１〜０．４ｍｇ
が含まれている。このランプは、３５ボルトで３０００
ルーメンを提供する。溶融温度は、約８００℃である。
添加される沃化亜鉛は、上昇された熱的伝導性およびア
ルゴンの封入で相殺されうるより熱い壁面を惹起する。

【００４４】生じた可視スペクトルの実質的な変化なし
に水銀不含のメタルハライドランプの電圧を制御する方
法は、次の工程：１８〜４２ｍｍ^３の密閉容積を定義す
る両口金形石英エンベロープを準備する工程；第１の電
極を石英エンベロープによってシールし、密閉容積と接
触させる工程；第２の電極を石英エンベロープによって
シールし、密閉容積と接触させる工程；キセノンの不活
性の封入ガスを０．６〜１．２２メガパスカルの冷却圧
力を有する密閉容積中に準備する工程；密閉容積１ｍｍ
^３当たり５．０〜５．７μｇの濃度を有する沃化ナトリ
ウムおよび密閉容積１ｍｍ^３当たり２．７〜３．３μｇ
の濃度を有する沃化スカンジウムを含むが、しかし、水
銀または水銀ハロゲン化物を含まず、他の点では３５０
〜８００ｎｍの第１のスペクトル領域を有する第１の可
視スペクトルを生じる第１の封入成分を密閉容積中に準
備する工程；およびランプの電圧が相応して４２ボルト
と８５ボルトの間で変動しかつ第１のスペクトル領域の
５％を超えても第１のスペクトル領域と区別されない３
５０ｎｍ〜８００ｎｍのスペクトル領域を有する第２の
可視スペクトルを準備する程度に密閉容積中の沃化亜鉛
の濃度を密閉容積１ｍｍ^３当たり２〜６μｇに調節する
工程を含む。

【００４５】スペクトルは、可視領域（約３５０〜８０
０ｎｍ）に亘ってのスペクトルの絶対差の平方を積算す
ることによって比較される。これは、百分率での差を測
定するためにドープされていないスペクトルの積分によ
って割られる。０％の差が存在する場合には、スペクト
ルは同じである。スペクトルに小さな差が存在する場合
には、百分率での差は、数パーセントにすぎない。スペ
クトルに実質的に差がある場合には、百分率での差は、
大きい。

【００４６】本発明の実施態様は、前記の明細書中およ
び図中に記載されているけれども、明細書および図に照
らして読んだ場合には、本発明は、特許請求の範囲に定
義されているものと理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】水銀不含の希土類化学の色座標（ＣＣＸ、ＣＣ
Ｙ）上で金属沃化物の効果を示すグラフ。この場合、多
角形部分はＳＡＥホワイト（white）の境界線を示す。

【図２】本発明のランプの代表例を示す略図。

【図３】本発明の１つの実施態様と水銀を有する標準の
自動車ランプの化学とのスペクトルによる比較を示すグ
ラフ。

【図４】本発明の１つの実施態様の試料の実行からのデ
ータを示すグラフ。この場合、色座標は、規則９９の要
件内にあることに注意。

【図５】沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）との一連の水銀不含のＮ
ａＩ−ＳｃＩ_３との比を有する熱的伝導率を示すグラ
フ。

【図６】沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）との一連の水銀不含のＮ
ａＩ−ＳｃＩ_３との比を有する電気的伝導率を示すグラ
フ。

【図７】ＮａＩ−ＳｃＩ_３の電圧およびルーメンに対す
る添加剤の効果を示すグラフ。

【図８】本発明のランプにおける沃化亜鉛（ＺｎＩ_２）
用量と電圧（ｒｍｓ）との関係を示すグラフ。

【図９】水銀不含の標準の自動車ランプの化学のための
光束維持データを示すグラフ。

【図１０】水銀不含の標準の自動車ランプの化学のため
の色維持データを示すグラフ。

【符号の説明】

１０放電ランプ、１２光透過性石英エンベロー
プ、１４密閉容積、１６第１のタングステン電
極、１８第２のタングステン電極、２０封入材料

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 61/16 Ｈ０１Ｊ 61/16 Ｂ 61/88 61/88 Ｃ (72)発明者シャロンエルアーネストアメリカ合衆国ニューハンプシャーフックセットバーバンクウェイ７ (72)発明者ロバートジェイカルロツキアメリカ合衆国ニューハンプシャーヒルズボロスカンクファームロード 17 (72)発明者ウォルターピーラパトヴィッチアメリカ合衆国マサチューセッツボックスフォードパイブルックレーン 51 Ｆターム(参考） 5C012 JJ01 QQ06 SS01 5C015 JJ06 PP05 PP07 QQ03 QQ14 QQ52 RR02 RR05 5C039 HH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１８〜４２ｍｍ^３の密閉容積を定義する
両口金形石英エンベロープと；石英エンベロープを通じ
てシールされかつ密閉容積と接触する第１の電極と；石
英エンベロープを通じてシールされかつ密閉容積と接触
する第２の電極と；０．６〜１．２２メガパスカルの冷
却圧力を有する密閉容積中の不活性の封入ガスと；金属
ハロゲン化物および沃化亜鉛を含む密閉容積中の封入成
分とからなり、この場合沃化亜鉛は、密閉容積１ｍｍ^３
当たり２〜６μｇの濃度を有し、密閉容積は、その中に
水銀も水銀ハロゲン化物も有していないことを特徴とす
る、水銀不含の放電ランプ。
【請求項２】沃化亜鉛の濃度が密閉容積１ｍｍ^３当た
り３〜４μｇである、請求項１記載のランプ。
【請求項３】封入物が密閉容積１ｍｍ^３当たり５〜
５．７μｇの濃度を有する沃化ナトリウムからなる、請
求項１記載のランプ。
【請求項４】封入物が密閉容積１ｍｍ^３当たり２．７
〜３．３μｇの濃度を有する沃化スカンジウムからな
る、請求項１記載のランプ。
【請求項５】不活性の封入ガスがキセノンからなる、
請求項１記載のランプ。
【請求項６】封入物が沃化ナトリウム（ＮａＩ）およ
び沃化スカンジウム（ＳｃＩ_３）からなり、沃化亜鉛が
ＺｎＩ_２である、請求項１記載のランプ。
【請求項７】約４２ボルトのＡＣで動作させるための
水銀不含の放電ランプにおいて、１８〜４２ｍｍ^３の密
閉容積を定義する両口金形石英エンベロープと、但し、
この場合密閉容積は、水銀も水銀ハロゲン化物も含有し
ておらず；石英エンベロープを通じてシールされかつ密
閉容積と接触する第１の電極と；石英エンベロープによ
ってシールされかつ密閉容積と接触する第２の電極と；
０．６〜１．２２メガパスカルの冷却圧力を有する密閉
容積中のキセノン封入ガスと；５．０〜５．７μｇ／ｍ
ｍ^３の濃度を有する沃化ナトリウムおよび２．７〜３．
３μｇ／ｍｍ^３の濃度を有する沃化スカンジウムを含む
密閉容積中の第１の封入成分と；２〜６μｇ／ｍｍ^３の
濃度を有する沃化亜鉛を含む密閉容積中の第２の封入成
分とを有することを特徴とする、約４２ボルトのＡＣで
動作させるための水銀不含の放電ランプ。
【請求項８】水銀不含のメタルハライドランプの可視
スペクトルを実質的に変化させることなく水銀不含のメ
タルハライドランプの電圧を制御する方法において、次
の工程：１８〜４２ｍｍ^３の密閉容積を定義する両口金
形石英エンベロープを準備する工程；第１の電極を石英
エンベロープによってシールし、密閉容積と接触させる
工程；第２の電極を石英エンベロープによってシール
し、密閉容積と接触させる工程；キセノンの不活性の封
入ガスを０．６〜１．２２メガパスカルの冷却圧力を有
する密閉容積中に準備する工程；密閉容積１ｍｍ^３当た
り５．０〜５．７μｇの濃度を有する沃化ナトリウムお
よび密閉容積１ｍｍ^３当たり２．７〜３．３μｇの濃度
を有する沃化スカンジウムを含むが、しかし、水銀また
は水銀ハロゲン化物を含まず、他の点では３５０〜８０
０ｎｍの第１のスペクトル領域を有する第１の可視スペ
クトルを生じる第１の封入成分を密閉容積中に準備する
工程；およびランプの電圧が相応して４２ボルトと８５
ボルトの間で変動しかつ第１のスペクトル領域の５％を
超えても第１のスペクトル領域と区別されない３５０ｎ
ｍ〜８００ｎｍのスペクトル領域を有する第２の可視ス
ペクトルを準備する程度に密閉容積中の沃化亜鉛の濃度
を密閉ランプ１ｍｍ^３当たり４２〜８５μｇに調節する
工程を有することを特徴とする、水銀不含のメタルハラ
イドランプの可視スペクトルを実質的に変化させること
なく水銀不含のメタルハライドランプの電圧を制御する
方法。
【請求項９】生じた可視スペクトルを実質的に変化さ
せることなく水銀不含のメタルハライドランプの電圧を
制御する方法において、次の工程：密閉容積を定義する
両口金形石英エンベロープを準備する工程；第１の電極
および第２の電極を石英エンベロープによってシール
し、密閉容積と接触させる工程；不活性の封入ガスを
０．６メガパスカルを上廻る冷却圧力を有する密閉容積
中に準備する工程；金属ハロゲン化物を含むが、しか
し、水銀または水銀ハロゲン化物を含まず、他の点では
３５０ｎｍ〜８００ｎｍの第１のスペクトル領域を有す
る第１の可視スペクトルを生じる封入成分を密閉容積中
に準備する工程；およびランプの電圧が相応して沃化亜
鉛なしでの動作電圧（ドープされていない場合の電圧）
からこのドープされていない場合の電圧のほぼ半分に変
動しかつ第１のスペクトル領域の５％を超えても第１の
スペクトル領域と区別されない３５０ｎｍ〜８００ｎｍ
の第２のスペクトル領域を有する第２の可視スペクトル
を準備する程度に密閉容積中の沃化亜鉛の濃度を２〜６
μｇ／ｍｍ^３に調節する工程を有することを特徴とす
る、生じた可視スペクトルを実質的に変化させることな
く水銀不含のメタルハライドランプの電圧を制御する方
法。