JP2006286384A - 自動車用放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 水銀を本質的に使用しない自動車用放電ランプにおいて、黒化の発生を抑制する。
【解決手段】本発明の自動車用放電ランプは、気密容器１は、発光管部１１、その内部に形成された表面積が４５ｍｍ^２以上の放電空間１３、発光管部１１の両端に形成された封止部１２１、１２２とからなり、放電空間１３には金属ハロゲン化物および希ガスが封入されているが、水銀は本質的に含まない放電空間が封入されており、封止部１２１、１２２には、一端が放電空間１３内で所定の電極間距離を保って対向配置された直径が０．４０ｍｍ以下である一対の電極が封止されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の前照灯に使用される放電媒体として本質的に水銀を封入しない放電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

放電ランプを自動車前照灯に使用する場合、安全面を考慮して光束が早く立ち上がることが要望される。しかし、特許文献１のような環境負荷の高い水銀を封入しない放電ランプでは、水銀を封入する放電ランプと比較して、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ことが難しい。そのため、このような放電ランプでは、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、上記点灯方式は、始動直後の電極に過剰な負荷がかかることになるため、電極が飛散しやすく、発光管に黒化が発生、発生した黒化は光束維持率の低下などを招いてしまう。なお、同様に黒化の発生を課題とした発明には、特開２００３−５１２８３号公報、特開２０００−２６８７７３号公報、ＷＯ００／１６３６０号公報等がある。

本発明の目的は、水銀を本質的に使用しない自動車用放電ランプにおいて、黒化の発生を抑制することである。

上記目的を達成するために、本発明の自動車用放電ランプは、発光管部、前記発光管部の内部に形成された表面積が４５ｍｍ^２以上の放電空間、前記発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器と、前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ水銀は本質的に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直径が０．４０ｍｍ以下である一対の電極とを具備していることを特徴とする。

本発明によれば、黒化の発生を抑制することができる。

（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、耐火性で透光性の石英ガラスからなり、中央部に位置し、軸方向の形状が略楕円形の発光管部１１と、その両端部に位置する板状の封止部１２１、１２２とで構成されている。発光管部１１の内部には、軸方向の形状が略円筒状で、内容積は０．１ｃｃ以下の放電空間１３が形成されており、その表面積は４５ｍｍ^２以上である。その放電空間１３には、放電媒体として金属ハロゲン化物のヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、および希ガスのキセノンが封入されている。

放電空間１３に封入された放電媒体について説明すると、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する。これらの金属には、他のハロゲン化物よりも反応性が低いヨウ素と結合されているが、その他に臭素や塩素などを使用したり、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。なお、ヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムの封入バランスを調節すると、色温度の違うランプを作成することが可能となる。例えば、スカンジウムに対するナトリウムの比率を２．０程度にすると、発光色が白色系の４０００Ｋの色温度を達成でき、比率を０．４程度にすると、発光色が青色系の５５００Ｋの色温度を達成でき、比率を４．５程度にすると、発光色が黄色系の２７００Ｋの色温度を達成できる。

キセノンは、始動直後の発光効率が高いため、主に始動ガスとして作用する。なお、封入圧を高くした場合には、点灯中の発光管部１１の温度を上昇させるため、発光効率を改善することができるが、封入圧を高くしすぎると、始動時に高い電圧が必要となってしまう傾向がある。

ここで、放電空間１３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、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。この量は、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の水銀量（場合によっては５０ｍｇ以上封入されることもある）と比較すれば、本実施の形態のメタルハライドランプで許容する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からである。

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、その平坦面が封止部１２１、１２２の平坦面と平行するように封止されている。金属箔２１、２２の一端には、タングステンに酸化トリウムを混合し形成されたトリエーテッドタングステン電極３１、３２がその基端側にコイル４１、４２が巻回された状態で、抵抗溶接によって接続されている。なお、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、その大径の先端部は直径が０．４０ｍｍ以下のものであって、放電空間１３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以下が好適であり、さらに自動車の前照灯に使用する場合は４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。

ここで、電極軸の設計は、点灯始動時の電極の飛散等に対する耐性と安定点灯時のアーク放電の安定性とを考慮して行われるが、水銀を封入しない放電ランプでは、点灯始動時と安定点灯時とで電極軸にかかる負荷に大きな差があるために、耐性と安定性の両方を満たす設計は難しい。なお、本発明においては、放電を行なう電極３１、３２の先端部の直径が０．４０ｍｍ以下と電極軸径を比較的細く設計しているため、安定点灯時の放電を安定させやすくすることを意図しているが、反面、始動時には電極の飛散により、黒化が発生しやすい。しかし、表面積が４５ｍｍ^２以上の放電空間１３との組み合わせにより、後述するように黒化の発生を抑制しつつ、放電の安定化を維持できるようになる。ちなみに、電極３１、３２の先端部の直径が０．４０ｍｍを超えるような場合は、電極３１、３２の飛散が発生しにくいため、黒化が起こりにくいが、放電の安定性低下によって生じるちらつきの対策が別途必要になる。

金属箔２１、２２の他端には、例えば、モリブデンからなる外部リード線５１、５２の一端が抵抗溶接等により接続されている。外部リード線５１、５２の他端側は、封止部１２１、１２２の外部に延出しており、封止部１２２の外部方向に延出した外部リード線５２には、Ｌ字状に形成された給電端子５３の一端が接続されている。そして、給電端子５３の一部には、外部リード線５２部分の電位が影響を与えないように、セラミック等からなる絶縁チューブ６が被覆されている。

これらを備えた気密容器１の外側には、例えば、石英ガラスに酸化アルミナや酸化チタンを添加することにより透光性かつ紫外線遮断性を有するように形成された筒状の外管７が、その長手方向に沿って設けられている。この外管７の長手方向の両端部には、気密容器１の封止部１２１、１２２とガラス溶着により、溶着部７１が形成されている。（他端側の溶着部は図示していない。）そして、この外管７と気密容器１とで密閉された空間には、例えば大気等を封入することができる。

気密容器１を内部に覆った状態の外管７の封止部１２１側には、ソケット８が外管７の外周面に取着された固定金属具９により、接続されている。このソケット８の端部には、点灯回路からの電力を供給するための金属端子８１がその外周面に沿って形成されており、金属端子８１は外部リード線５２に給電端子５３を介して電気的に接続されている。また、図示していないが、外部リード線５１側と電気的に接続される他方の端子は、ソケット８の底部部分に形成されている。

これらで構成されたメタルハライドランプは、安定時は約３５Ｗ、始動時は光束の立ち上がりを早めるために安定時の約２倍の電力の約７５Ｗで点灯される。

図２は、図１のＸ方向から見た放電ランプについて説明するための図であり、図中の１４は黒化を示している。

黒化１４はその形状は略ドーナツ型の形状であり、放電ランプを水平点灯したときに、発光管部１１内側の上部に集中して発生している。この原因は定かではないが、放電によって飛散した微細な電極が、点灯中、上方に湾曲するアークによって対流され、発光管部１１内部の上部に集中して付着するのではないかと考えられている。なお、黒化１４は図２のように目視ではっきりと確認できるものだけでなく、目視では確認できないような微細なものも存在するが、本発明では、目視で確認できる状態のものを特に黒化としている。

図３は、図１のメタルハライドランプの仕様の例について説明するための拡大図である。放電空間１３の体積は０．０３ｃｃ、発光管部１１の外径Ｂは６．２ｍｍ、長手方向の最大長Ｃは７．８ｍｍ、電極間距離Ｄは４．４ｍｍ、電極３１、３２の先端部の直径は０．３８ｍｍ、基端部の直径は０．３０ｍｍ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０．６ｍｇと希ガスであるキセノンが１１ａｔｍそれぞれ封入されており、水銀は一切含まれていない。

図４は、図３のランプ仕様において、放電空間の表面積を変化させたときの黒化の発生について説明するための図である。ここで、今回行なった試験は、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分モードの点滅試験である。なお、この実施の形態では、発光管部の内径Ａを大小させることで、放電空間１３の表面積を変化させている。

放電空間１３の表面積が小さいランプでは、約５００時間以前に図２のような目視で確認できる黒化が確認されたが、放電空間１３の表面積が大きい発光管部１１では、黒化は確認されなかった。すなわち、黒化に対しては、放電空間１３の表面積が大きいほど効果があり、特に表面積が４５ｍｍ^２よりも大きいときにその効果を得ることができる。このように放電空間１３の表面積を大きくしたことで黒化の発生を抑制できたのは、表面積を大きくしたことで、単位面積あたりの黒化量が低減されたことにより、その黒化が目視で確認できる程度にならなかったものによると予想される。

なお、単に放電空間１３の表面積を大きくすると、ランプが暗くなる傾向が確認された。これは、放電空間１３の表面積が大きくなったことにより、放電媒体にアークの熱が伝わりにくくなったことが主な原因と考えられるが、放電空間１３の表面積を、例えば、１００ｍｍ^２を超えるような構造にしなければ、ランプが暗くなる程度は問題にはならない程度であった。なお、このランプが暗くなる課題については、ヨウ化ナトリウムやヨウ化スカンジウム、キセノン等の放電媒体の量を増やしたり、電極３１、３２の放電空間１３内の突出長さを変化させたりする等の設計変更を行なえば、改善できるものである。

ここで、発光管部１１に発生した黒化の影響を説明する。図５は、黒化の有無による寿命時間中の発光管の温度変化を説明するための図であり、温度測定部位は、放電中に湾曲したアークが近接する発光管の外表面の上部である。

全体的に、点灯時間が経過すると、放電ランプの発光管温度が高くなる傾向が見られるが、黒化が発生したランプは、黒化が発生していない放電ランプと比較して、発光管温度が高い。注目すべきは、放電空間１３の表面積が４４ｍｍ^２の放電ランプでは、黒化が発生する５００時間経過前後で、発光管トップ温度が急激に上昇している点であり、このことから、温度上昇の原因が黒化によるものであると予想できる。なお、黒化によって発光管温度が上昇する原因は、発光管部１１の外部に出射しようとする光を黒化が遮光してしまうことによって、発光管部１１に熱が発生してしまうためと考えられている。

この寿命中の発光管部１１の温度上昇は、発光効率が良くなって放電ランプが明るくなるという利点があるが、以下に示すようにランプに様々な不具合をもたらす。

第１に、封止部１２１、１２２にクラックリークを発生させる原因となる。すなわち、放電空間１３の表面積が小さな放電ランプでは、図６に示した図５の各放電ランプにおけるクラックリークの発生について説明するための図からわかるように、黒化が発生した放電空間１３の表面積が４４ｍｍ^２以下のランプでは、１０００時間に満たない時間で電極軸封止部部分からクラックリークが発生しているが、表面積が４５ｍｍ^２以上のランプでは、２０００時間が経過してもクラックリークは確認されなかった。すなわち、黒化は発光管部１１のみならず、封止部１２１、１２２の温度上昇を招くものとされる。

第２に、寿命中の発光管部１１の温度上昇は、光束維持率の低下を招く原因となる。図７は、図４の各放電ランプにおける光束維持率の変化を説明するための図である。放電空間１３の表面積が４４ｍｍ^２以下の放電ランプは、表面積が４５ｍｍ^２以上のランプと比較して、光束維持率が低下している。光束維持率の低下には、約２００〜３００時間で発生した黒化が影響しているが、さらに黒化が発生した放電ランプでは約７００〜８００時間で黒化の周囲に白濁が発生していることが確認でされており、その白濁も光束維持率の低下に影響を与えている。

第３に、寿命中の発光管部１１の温度上昇は、発光管部１１の膨らみの原因となる。気密容器１を構成する石英ガラスは、ガラス材料の中では耐火性が高い材料ではあるが、発光管部１１の外表面温度が１０００乃至１０４０℃を超えたあたりから、発光管部１１において膨らみが発生しやすい環境となってしまう。図５によると、黒化が発生した放電ランプの寿命中の発光管温度は、黒化が発生していないランプよりも顕著に高いため、早期に発光管部１１に膨らみが発生してしまうことになってしまう。

本実施の形態では、放電空間１３に本質的に水銀を含まない自動車用放電ランプにおいて、発光管部１１内部の放電空間１３の表面積を４５ｍｍ^２以上とすることで、黒化に対して高い効果を得ることができ、さらに黒化の発生によってランプに生じる様々な不具合の発生を抑制できる。

なお、実施の形態は上記に限られるわけではなく、例えば次のように変更してもよい。

本発明において放電空間１３の表面積の上限は特に設定していないが、それは放電空間１３の表面積が大きいほど黒化の抑制効果は大きくなるためである。なお、現在の自動車前照灯の規格であるＲｅｇ．９９に規定された最大ランプ長、外管の最大外径等から放電空間１３の限界表面積は１３０ｍｍ^２程度であることを求めることができるが、そのランプについて同様の試験を行なったところ、本願発明の効果が得られることが確認されている。

第１の実施の形態では、発光管部１１の内径Ａを大小させることで、放電空間１３の表面積を変化させているが、その他に放電空間１３の形状を変形させたり、軸方向の長さを変化させたりするなどにより、放電空間１３の表面積を変化させても、同様の効果が得られる。

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Ｘ方向から見た放電ランプについて説明するための図。 図１のメタルハライドランプの仕様の例について説明するための拡大図。 図３のランプ仕様において、放電空間の表面積を変化させたときの黒化の発生について説明するための図。 黒化の有無による寿命時間中のバルブ温度変化について説明するための図。 図５の各放電ランプにおけるクラックリークの発生について説明するための図。 図４の各放電ランプにおける光束維持率の変化について説明するための図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 発光管部
１２１、１２２ 封止部
１３ 放電空間
１４ 黒化
２１、２２ 金属箔
３１、３２ 電極
４１、４２ コイル
５１、５２ 外部リード線
５３ 給電端子
６ 絶縁チューブ
７ 外管
８ ソケット
９ 固定金属具

Claims (1)

1. 発光管部、前記発光管部の内部に形成された表面積が４５ｍｍ^２以上の放電空間、前記発光管部の両端に形成された封止部とを有する透光性の気密容器と、
   前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入され、かつ水銀は本質的に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直径が０．４０ｍｍ以下である一対の電極とを具備していることを特徴とする自動車用放電ランプ。
   
   
   

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