JP2005517269A - 無水銀高圧ガス放電ランプ - Google Patents

Abstract

自動車技術で用いるために設けた無水銀高圧ガス放電ランプ（ＨＩＤランプ：高輝度放電ランプ）を提供する。ランプ特性を改善するために、特に、同じ出力で無水銀のガス充填剤を有するランプと比較してほぼ等しい視感度効率を達成するとともに、可能な限り最大の点灯電圧を達成するために、放電容器（１）の点灯位置で最下部の壁部領域（１０）に、点灯中発生される赤外線放射の少なくとも一部分を反射する被膜を設け、最冷却スポットの温度、特にここに集められた光発生物質の温度を高め、その結果光発生物質が、水銀なしでも、特に金属ハロゲン化物を電圧勾配ジェネレータとして用いて充分な量で気相になりうるようにする。

Description

本発明は、特に水銀を用いず且つ自動車技術に用いるのに適した高圧ガス放電ランプ（ＨＩＤランプ：高輝度放電ランプ）に関するものである。

通常の高圧ガス放電ランプは、事実上の発光材料（光ジェネレータ）である放電ガス（通常、ヨウ化ナトリウム又はヨウ化スカンジウムのような金属ハロゲン化物）と、主として電圧勾配を形成する作用をするとともにランプの効率及び点灯電圧を高める主たる機能を有する水銀とを収容している。

この種類のランプは、その特性が良好である為に広く利用されるようになっており、自動車技術の分野にも益々適用されている。しかし、特にこの適用分野では、環境的な理由でランプに水銀を含めてはならないことも一部で要求されている。

無水銀ランプに対する一般的な問題は、所定の出力のランプを連続的に点灯させることにより、点灯電圧が低くなり、従ってランプ電流が高くなり、視感度効率が低くなるということである。

米国特許第 5,952,768号明細書には、紫外線放射を吸収し、好ましくは赤外線放射を反射し、放電ランプの最冷却領域をより高い温度にする透明な、好ましくは二色性とした被膜が設けられた当該放電ランプが開示されている。この米国特許の目的は、金属ハロゲン化物の蒸気圧をより高く保つとともに、ランプの効率、寿命及び色特性を改善することにある。

この放電ランプの欠点のうちの１つは、この放電ランプのガス充填剤に依然として水銀が入っており、従ってこの放電ランプは自動車技術に用いることに関する上述した条件を満足していないということである。

本発明の目的は、無水銀ガス充填剤を有し、水銀を含むランプの視感度効率にほぼ一致する視感度効率を達成しうる高圧ガス放電ランプを提供することにある。

本発明の他の目的は、無水銀ガス充填剤を有し、点灯電圧が一般に無水銀ランプにより達成しうる点灯電圧よりも高い高圧ガス放電ランプを提供することにある。

本発明の目的は、特に、上述した２つの目的（視感度効率及び点灯電圧を高くする目的）のうちの少なくとも１つを、ランプ出力を高めたり又はランプの外側バルブの外形寸法を大きくしたりすることなしに達成しうる高圧ガス放電ランプを提供することにある。

本発明の目的は更に、自動車の分野にとって光束が通常のように維持される、すなわちランプの寿命に亘る輝度の低下が、水銀を含むランプにおけるのと同様な変化を呈する無水銀高圧ガス放電ランプを提供することにある。

終局的には、本発明の目的は特に、自動車技術に用いるのに適した高圧ガス放電ランプを提供することにある。

本発明の目的は、請求項１により、放電容器を有する無水銀高圧ガス放電ランプであって、前記放電容器は、点灯位置で最下部にあるこの放電容器の壁部部分上に少なくともほぼ赤外線を反射する被膜を有し、この被膜の特徴は、ランプをスイッチオンさせた後に、被膜を有する壁部部分上に集められた光発生物質の温度が、この物質が少なくとも殆ど気相状態になる程度に増大するように選択されている無水銀高圧ガス放電ランプにより達成される。

この温度の増大は、光アーク放電により生じる赤外線放射を、被膜が設けられた壁部部分に入射させるとともにここで反射させ、従ってこの赤外線放射が光発生物質を二度通過し、その結果これに応じてこの光発生物質がより強く加熱されるようにすることによりほぼ達成される。この加熱は、赤外線放射のいくらかの部分が被膜により吸収されることにより、被膜が設けられた壁部部分が、従ってこの壁部部分上に堆積された光発生物質も付加的に加熱されることにより、追加的に生ぜしめることができる。

ランプ特性を最適にし、点灯電圧及び視感度効率をできるだけ高くするためには、光発生物質ができるだけ多く、好ましくは完全に気相状態となるように被膜を特徴付ける。

このようにすることにより、特に、いかなる場合にも光発生物質が、最冷却スポットで達成されるより高い温度の為に充分な量で気相になり、これによりランプの視感度効率及び点灯電圧が更に高められれば、水銀の代わりに環境的により不都合でない電圧勾配ジェネレータ、例えば適切な金属ハロゲン化物を用いるか、或いは水銀を他のものに代えることなく省略することもできる。このことは、希ガス（特にキセノン）を導入し、これにより放電空間内のガス圧力を高めることにより更に支援することができる。

この解決策による更なる利点は、この解決策をガス充填剤に水銀を有する放電ランプにも適用して、この放電ランプの効率をかなり高めうるということである。

高圧ガス放電ランプは米国特許第 4,281,267号明細書から既知であり、この場合放電容器にほぼ半円形の反射被膜が設けられ、この被膜は電極の領域で、すなわち軸方向端部で酸化ジルコニウムを有している。この被膜の目的は、複数の内部反射を減少させることにある。平坦なつまみを有するランプの場合、これらのつまみの上に設けられた被膜は更に熱放射を減少させる作用をする。これにより、ランプの効率及び光束を増大させる、すなわちランプ内に適切な蒸気圧を維持する必要がある。

しかし、この米国特許明細書では、水銀を省略することに関する問題を考慮も示唆もしていない。更に、自動車技術に用いる場合で導入状態に関して重要なこと、すなわち、ランプの被膜をいかに反射器と協働させるかや（光アーク、特にホットスポットや、電極の自由端を反射器から遮蔽してはならない）、ランプの外形をできるだけ一定にする条件が考慮されていない為、この米国特許明細書は本発明と関連性がないものである。

本発明の特許請求の範囲の従属項は、本発明の他の有利な例に関するものである。

請求項２に述べた被膜の特徴により温度バランスを所望通りに調整しうる。この場合、温度上昇個所は、被膜の個所すなわち広がり範囲（光発生物質が少なくとも殆ど堆積されている個所）により決定され、温度上昇度は被膜材料における粒子の集合密度及び粒子の寸法や、被膜の厚さにより調整される。

請求項３の例には、例えば金属被膜の場合に、一次反射器及び二次反射器のように放射光を改善して集束させるのを追加の主反射器と協働して達成しうるような光反射特性を得ることができるという特別な利点がある。

請求項４の例には、ランプ自体の製造処理を変えずに、追加の製造工程を用いてランプ上に被膜を設けるが、それ以外ではランプを通常のように製造するという特別な利点がある。更に、反射赤外線放射は光発生物質を二度通過するばかりではなく、被膜が設けられ上述したように最冷却スポットも属する壁部領域をも二度通過し、その温度が上昇する。

請求項５の例によれば、ランプのスイッチオン時及びこれに伴う加熱時に光発生物質がつまみ内に移動して、ここでそれぞれの電極に接続されたモリブデン箔を腐食するのを防止しうる。

請求項６は、好適で特に有効な被膜を有する例を開示する。

請求項７及び８は、水銀の代わりに用いて好ましく、ランプの視感度効率を特に良好にしうる電圧勾配ジェネレータに関するものであり、請求項９は本発明の目的を達成する、特に効率及び点灯電圧を高める他の可能性を記載している。

本発明の詳細、特徴及び利点は、以下の図面に関する好適実施例に関する説明から明らかとなるであろう。
図１〜３は、本発明による高圧ガス放電ランプを点灯位置で示す。各ランプは、放電空間２を囲む石英ガラスの放電容器１を有し、この放電容器はその互いに対向する端部で石英ガラス部分（つまみ）５に合体している。

放電空間２は、励起又は放電により光放射を放出する放電ガスと、好ましくは電圧勾配ジェネレータとより成るガスが充填されており、これらの双方は金属ハロゲン化物の群から選択しうる。

光発生物質は、例えばヨウ化ナトリウム及びヨウ化スカンジウムの双方又は何れか一方であり、使用する電圧勾配ジェネレータは、例えば水銀に代わるヨウ化亜鉛及びその他の物質の双方又は何れか一方とすることができる。

電圧勾配ジェネレータの代わりに、又はこれに加えてある量の希ガス（例えば、キセノン）を放電空間２内に導入して、ガス圧力を、従って効率や点灯電圧を高めることができる。

溶融電圧ができるだけ高い、例えばタングステンのような材料から形成した電極３の自由端部が、放電空間２の互いに対向する端部からこの放電空間２内に突出している。

電極３の他の端部はそれぞれ導電性テープすなわち導電性箔４、特にモリブデン箔に接続されており、この箔を介して放電ランプの接続端子６と電極３との間の電気接続が達成される。電極３のこれらの他の端部と導電性箔４とはつまみ５内に埋め込まれている。

つまみ５は放電容器１に対し対称的に配置する、すなわち放電容器の長手軸線上に位置するようにするのが好ましい。このようにすることにより、本発明によるランプの外側管の外側寸法を変える必要がないという利点が得られ、このことは、これらのランプを特に自動車のヘッドライトに用いる場合に特に重要なことである。更に、つまみを対称的にしたランプの製造は簡単であり、費用の面でより効果的である。

アーク放電（アーク光）は、ランプの点灯状態で電極３の先端間で励起される。

上述したように、本発明による高圧ガス放電ランプのガス充填剤は、水銀の代わりに、電圧勾配ジェネレータとして１つ又は数種の金属ハロゲン化物を有するのが好ましい。しかし、金属ハロゲン化物は比較的低い分圧の蒸気圧を有し、従って放電容器１内の温度バランスを変えて水銀を用いた場合とほぼ同じ視感度効率（光束）及び可能な限り最大の点灯電圧を達成するようにする必要を生ぜしめる。ランプがスイッチオンしている際には、実際に、スイッチオフ時のランプの動作位置で最下部の壁部領域１０上で固体状態で蓄積されている光発生物質の温度を特に、この光発生物質がスイッチオン後にできるだけ高い視感度効率及び点灯電圧を達成するのに充分な量で放電空間２内で気相となる程度に高める必要がある。この場合の他の問題は、最下部の壁部領域１０がランプの点灯状態において最冷却領域であることである。

温度バランスの変化は、この場合、可能ならランプ出力を増大させずに達成させる必要がある。

これらの目的は、以下に説明する被膜１５（斜線を付してある）によりほぼ達成され、これらの被膜は放電容器２の外面上とつまみ５の一部上とに、又は放電容器を囲む外側管（図示せず）の内面或いは外面上に設けるのが好ましい。

被膜１５は放電容器２上に設けるのが好ましい。その理由は、被膜の縁部をより正確に電極先端位置と電極間に形成されるアーク放電の位置とに適合させることができる為である。電極先端は（所望の放射方向で）被膜により遮蔽してはならない。

図１〜４に示すように、被膜１５は、ほぼ、動作位置で最下部にある壁部領域１０と放電容器１の側壁の一部とのみに亘って延在し、一方、上側の壁部領域１３には被膜が存在しない。これに対し、放電容器２に隣接するつまみ５の部分にはその全周に亘って被膜５が設けられている。

詳細に説明するに、図１の第１実施例における被膜１５は、放電容器１の下側壁部領域１０及び側壁上に延在し、被膜の縁部は２つの電極３間の接続ラインの下側で且つこの接続ラインに平行に延在する。この被膜の縁部は次に、各電極先端の領域で放電容器１とつまみ５との間の遷移部に向かう方向で上方に延在し、最終的にこのつまみは完全に被膜１５により囲まれる。

図２に示す第２実施例では、被膜１５の縁部が放電容器１の側壁に亘り、放電容器１とつまみ５との間の最上側の遷移点から放電容器１の最下側点に向かう方向でほぼＶ字状に延在する。

図３及び４に示す第３実施例では、被膜１５の縁部が放電容器１の側壁において前記最上側の遷移点から離れる方向でより一層急峻に延在し、下側壁部領域１０の一部が被膜により被覆されないようにする。このことは、ランプの下側の平面図である図４において特に明らかとなる。

被膜に対する縁部の勾配としては、上述した３つの実施例の図示の勾配以外に変更することができること明らかであり、例えば、電極間の接続ラインまでの図１における被膜の縁部の距離をより長く又はより短くすることができ、図２及び３における被膜の縁部の勾配の峻度をより大きく又はより小さくすることができ、被膜の縁部を直線状ではなく、曲線状にすることができる。

更に被膜の形状に関しては、特に被膜を可視光に対しほぼ不透明とする必要がある場合には、特に最も熱い位置（ホットスポット）と電極先端とを反射器に対し隠さない、すなわち遮蔽しないようにする必要がある。

被膜はほぼ酸化ジルコニウム（ZrＯ₂ ）より成っている。しかし、ZrＯ₂ よりも赤外線の反射力が良いが、比較的高価な他の材料、例えばNb₂ Ｏ₅ 及びTa₂ Ｏ₅ を用いることができる。又、結晶形態のSiＯ₂ を用いることもできる。

アーク放電により生ぜしめられる赤外線放射はその大部分が被膜により反射され、わずかしか或いは全く吸収されない。従って、被膜で被覆された壁部やその上に堆積された光発生物質は、ランプの点灯中赤外線が二度通過することにより、被膜のない部分よりも強く加熱される。反射率、従って加熱の程度は主として、被膜の組成、特にその粒子の集合密度や粒子の寸法により、又多くは被膜の厚さにより決定される。

被膜１５は、最下部の壁部領域１０上に蓄積された光発生物質や最冷却スポットであるこの壁部領域がランプのスイッチオン後にできるだけ強く加熱されるような領域上に且つこのようにできるだけ強く加熱すうような粒子集合密度、粒子寸法及び厚さで設ける。

このような寸法の被膜１５により、特にこれまでほぼ水銀を含むガス充填剤でのみ達成しうるようなランプの視感度効率を達成しうる。更に、発生される光のスペクトル特性及び色点や、光束維持率が、水銀を含むランプのものにほぼ一致し、このことは特に自動車分野にとって重要である。

被膜１５によれば、ランプの点灯電圧も、水銀のない既知のランプに比べてかなり増大し、この増大も被膜の層厚、粒子寸法及び粒子集合密度に依存する。

層厚、粒子集合密度及び粒子寸法を異ならせることのできる適切な被膜をある領域に被着することにより、放電容器１の壁部及びつまみ５に亘る温度分布を特に均一にするようにすることもできる。

本発明によるランプで達成しうる改善点を明瞭にするために、電圧勾配ジェネレータとしてヨウ化亜鉛を含む無水銀高圧ガス放電ランプの種々の比較可能例を以下に説明する。以下に掲げる測定値は外側管のないランプから得たものである。第４列に掲げた増分値は外側管を用いた場合でもほぼ同じとなる。

表１は、種々の型のランプの視感度効率を、酸化ジルコニウムが図１〜３に応じて設けられている場合と、設けられていない場合とで比較して示すとともに、これら視感度効率の差をもそれぞれ示している。

表２は、上述した種類のランプの点灯電圧を、本発明により被膜が設けられている場合と、設けられていない場合とで併記しているとともに、これらの２つの点灯電圧間の差をも併記している。

表３は、上述した種類のランプに対する最冷却点の温度を、上述した本発明により被膜が設けられている場合と、設けられていない場合とで掲げているとともに、その結果の温度差をも掲げている。

ある分野にとって満足な視感度効率及び点灯電圧の双方又はいずれか一方は、水銀を所望に応じ置換せずに、すなわち電圧勾配ジェネレータを用いることなしに省略した場合にも、或いはある量の希ガス（例えば、キセノン）を電圧勾配ジェネレータの代わりとして放電空間２内に導入してガス圧力を高める場合にも、本発明による被膜１５により達成しうる。

放電容器の最冷却スポットの温度を高める本発明の原理は、水銀を含んでおり水銀による環境上の欠点を許容しうるランプにも適用しうること明らかである。この場合、このような温度の上昇は例えば、視感度効率を増大させるか、又は所定の視感度効率に対するランプ出力を減少させる作用をしうる。

本発明による放電ランプの第１実施例の線図的側面図である。 本発明による放電ランプの第２実施例の線図的側面図である。 本発明による放電ランプの第３実施例の線図的側面図である。 本発明による放電ランプの第３実施例の線図的底面図である。

Claims (10)

1. 放電容器を有する無水銀高圧ガス放電ランプであって、前記放電容器は、点灯位置で最下部にあるこの放電容器の壁部部分上に少なくともほぼ赤外線を反射する被膜を有し、この被膜の特徴は、ランプをスイッチオンさせた後に、被膜を有する壁部部分上に集められた光発生物質の温度が、この物質が少なくとも殆ど気相状態になる程度に増大するように選択されている無水銀高圧ガス放電ランプ。
2. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、被膜の特徴は、その表面積、その厚さ、粒子の寸法及び粒子の集合密度の何れか１つ又は任意の組合わせにより与えられている無水銀高圧ガス放電ランプ。
3. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、前記被膜が可視光に対し少なくともほぼ不透過である無水銀高圧ガス放電ランプ。
4. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、前記被膜が放電容器の外面上に、又は放電容器を囲む外側管の内面或いは外面上に設けられている無水銀高圧ガス放電ランプ。
5. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、前記被膜は、放電容器に隣接するつまみの領域上に設けられている無水銀高圧ガス放電ランプ。
6. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、前記被膜は酸化ジルコニウムから形成されている無水銀高圧ガス放電ランプ。
7. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、この無水銀高圧ガス放電ランプがそのガス充填剤中に１種又は数種の金属ハロゲン化物の形態の電圧勾配ジェネレータを有している無水銀高圧ガス放電ランプ。
8. 請求項７に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、電圧勾配ジェネレータがヨウ化亜鉛を有している無水銀高圧ガス放電ランプ。
9. 請求項１に記載の無水銀高圧ガス放電ランプにおいて、ガス充填剤がキセノンのようなある添加量の希ガスを有し、ランプのガス圧力及び視感度効率を高めてある無水銀高圧ガス放電ランプ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の無水銀高圧ガス放電ランプを具える、特に自動車ヘッドライト用とした照明ユニット。

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