JP2007042369A - メタルハライドランプおよび照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプの始動性を改善する。
【解決手段】本発明のメタルハライドランプは、放電空間１４を形成する発光管部１１、該発光管部１１の両端に形成された一対の封止部１２１、１２２とを有する透光性の気密容器１と、放電空間１４に金属ハロゲン化物および希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体１５と、封止部１２１、１２２に封着された金属箔２１、２２と、基端側は金属箔２１、２２に接続され、先端側は放電空間１４内で対向配置された一対の電極３１、３２とを具備しており、発光管部１１の外表面には、発光管部１１と一対の封止部１２１、１２２との境界から、他方の境界まで略連続的に、導電膜５が形成されている。
【選択図】 図１

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および照明装置に関するものである。

従来技術として、両端のピンチシール部に挟まれた密閉ガラス球内に電極が対設され、主発光用金属ハロゲン化物および始動用希ガスが封入された、水銀を含まない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブであって、前記始動用希ガスの封入圧が８〜２０気圧に設定されたことを特徴とする放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの発明がある。この発明に見られるように、水銀を用いないメタルハライドランプでは、従来の水銀入りのメタルハライドランプの特性に近づけるために、キセノンなどの希ガスを比較的高い封入圧力で放電空間に封入する必要がある。（例えば、特許文献１）
特開２００３−１６８３９１号公報

しかし、放電空間内に高い圧力で希ガス等を封入すると、電極間の絶縁破壊のための始動電圧が高くなってしまうため、ランプが始動し難くなってしまうという課題が生じてしまう。そこで、始動性を改善する方法として、特許第３５９６８１２号に見られるように発光管と外管との間の空間に希ガス等を封入し、始動時に誘電体バリア放電をさせて始動補助させる方法が知られている。しかし、この方法では、封入ガス特有の熱伝導率に伴って発光管の温度が変化するため、特性が大きく変化してしまったり、バリア放電のガスがリークしてしまった場合には、始動性改善の効果がなくなってしまったりするなどの欠点がある。

また、特表２００３−５２９１９４号公報には、発光管部分に一対の補助電極を形成し、この補助電極に高周波電圧を印加して、誘電体バリア放電により始動性を改善するという発明がある。しかし、この方式では、補助電極に電圧を印加するための配線等が別途必要となってしまう。

そこで、発明者等によって様々な試験が行なわれた結果、簡単な構成で、かつ他の始動メカニズムによって始動性を改善することができることを見出し、提案するに至った。

本発明の目的は、ランプの始動性を改善することができるメタルハライドランプを提供することにある。

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、放電空間を形成する発光管部、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、前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、前記封止部に封着された金属箔と、基端側は前記金属箔に接続され、先端側は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、前記発光管部外面の管軸方向に、略連続的に形成された導電体とを具備していることを特徴とする。

本発明によれば、ランプの始動性を改善することができる。

（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、放電ランプの点灯中の高温化でも十分耐えることができる耐火性と、発生した光が極力少ない損失で透過することができる透光性を具備した材料、例えば、石英ガラスからなり、管軸方向の略中央部には軸方向の形状が略楕円形の発光管部１１が形成され、その両端部には板状の封止部１２１、１２２が形成されている。そして、発光管部１１と封止部１２１、１２２の境界部分には、くびれ部１３１、１３２が形成されている。

発光管部１１の内部には、軸方向の形状において、中央部が略円筒状で両端部がテーパ状の放電空間１４が形成されている。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、特に自動車用として用途を指定する場合には、放電空間の内容積は０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃであるのが望ましい。

放電空間１４には、金属ハロゲン化物および希ガスとからなる放電媒体１５が封入される。放電媒体１５は、ランプ消灯時には放電空間１４の下部に堆積しており、点灯時にはその大部分が蒸気化する。金属ハロゲン化物としては、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、さらに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、キセノンの圧力は５ａｔｍ以上であり、さらに好適には１０〜１５ａｔｍであるのが望ましい。また、希ガスとしては、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。

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、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、場合によっては５０ｍｇ以上であったことと比較すれば、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。

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、例えば、酸化トリウムを混合したタングステン金属からなる電極３１、３２が、溶接によって接続されている。この電極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、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。

金属箔２１、２２の他端には、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、外部リード線４１、４２の他端側は、封止部１２１、１２２の外部に延出している。

上記構成を具備した気密容器１の発光管部１１の外面には、導電体として導電膜５が形成されている。導電膜５としては、導電性を有する材料であればどのような材料をどのような方法で形成しても良く、例えば、インジウムの酸化物、スズの酸化物、亜鉛の酸化物、インジウムとスズの酸化物であるＩＴＯ、酸化亜鉛に酸化アルミニウムをドープしたＡＺＯ、酸化亜鉛に酸化ガリウムをドープしたＧＺＯなどを塗布したり、銀を蒸着したり、アルミニウムの薄膜を貼り付けたりする等によって形成することができる。ただし、導電膜５は可視光の発生する発光管部１１に形成するため、可視光透過率が７０％をこえるような光透過性と、点灯中、８００℃程度になる発光管部１１の外表面温度に耐えられる耐熱性の高い材料であるのがさらに望ましい。

また、導電膜５は、本発明の効果がより高く得られるよう、その表面抵抗率が１ｋΩ／ｃｍ^２以下となることが望ましい。導電膜５の抵抗値は、例えば、膜厚によって変化させることができ、膜が厚いほど抵抗値が低くすることができる。ただし、膜が薄い場合には膜面においてクラックが発生しやすく、最悪の場合、本発明の効果が得られなくなってしまうため、４００ｎｍ以下であるのがよい。

導電膜５の形成場所については、図２を用いて説明する。図２は図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ’において、矢印方向から見た発光管部１１の周方向断面を説明するための図である。

導電膜５は、発光管部１１下部の外表面において、その管軸方向では、発光管部１１と封止部１２１、１２２との両境界から連続的に形成されている。本実施の形態では、くびれ部１３１、１３２が形成されているため、一方のくびれ部から他方のくびれ部に連続的に形成される構成となっている。周方向の断面では、図２に示すように、水平点灯するときに、発光管部１１の外表面円周上の下側半周以内の範囲に形成されていることが望ましい。さらに望ましくは導電膜５による配光妨害や光の遮断の影響が極力少なくなるように、放電空間１４の底面に沿って円弧状に固着している放電媒体１５の広がりに対して、狭い範囲で形成されるのが良い。

ところで、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少なくとも一種、または複数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６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。この外管６は、外管６の両端部を封止部１２１、１２２の外側端に溶着することによって接続される。

気密容器１と外管６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、クリプトン、アルゴン、キセノン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。この構成にすることにより、該空間に水分を含みにくくすることができるとともに、始動性を改善できる。また、この外管６内に封入するガスの熱伝導率を調整することで、発光管部１１の点灯時の温度を、所定の温度に保つことができる。すなわち、熱伝導率が高いネオンを封入したときは発光管部１１の温度を低くすることができ、熱伝導率が低いキセノンを封入したときは発光管部１１の温度が高めることができる。

気密容器１を内部に覆った状態の外管６の封止部１２１側には、ソケット７が接続される。この接続については、外管６の外側に装着された金属バンド８１を、ソケット７に形成、延出された４本の金属製の舌片８２により挟持することによって行なわれている。なお、ソケット７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７１がその外周面に沿って形成されており、封止部１２２の外部方向に延出した外部リード線４２と一端が接続され、他端がソケット７の方向に延出された給電端子９１とソケット７内部で接続される。そして、管軸とほぼ平行な給電端子９１の大部分には、点灯中の外部リード線４２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９２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、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３は、図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための拡大図であり、寸法、材料等は以下のとおりである。ここで、気密容器１への導電膜５の形成は、有機物が十分に燃焼するように空気中で例えば３５０℃以上の高温で焼成している。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝０．０２６７ｃｃ、内径Ａ＝２．６ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の最大長Ｃ＝７．８ｍｍ、
放電媒体１５：ヨウ化ナトリウム＝０．２６９ｍｇ、ヨウ化スカンジウム＝０．１４６ｍｇ、ヨウ化亜鉛＝０．０８５ｍｇ、臭化インジウム＝０．０００５ｍｇ、キセノン＝１１．４ａｔｍ、水銀＝０ｍｇ
金属箔２１、２２：モリブデン製、表面積＝１．５ｍｍ×７．０ｍｍ、厚さ＝０．０２ｍｍ、
電極３１、３２：トリエーテッドタングステン製、先端径＝０．３５ｍｍ、基端径＝０．３０ｍｍ
外部リード線４１、４２：モリブデン製、直径＝０．４０ｍｍ
導電膜５：インジウム、スズ系のＩＴＯインク、厚さ＝２００ｎｍ
上記のランプ仕様において、導電膜５を形成していないランプと導電膜５を形成したランプとで、始動性の違いを比較した。

その結果、導電膜５を形成していないランプでは、初期の始動電圧では１４．５ｋＶ程度と比較的低い値を示していたが、２００時間経過以降の始動電圧は１８ｋＶ〜１９ｋＶと非常に高い値を示していた。この２００時間以降の始動電圧は、自動車前照灯用放電ランプの始動電圧の規格である１９ｋＶに対してギリギリの値であるので、望ましくない。対して、導電膜５を形成したランプでは、初期〜試験を実施した１０００時間まで１５ｋＶを越えない始動電圧を示し、かつほぼ一定の始動電圧であった。また、本実施の形態の導電膜５は、熱によって消失したり、剥がれたりということは試験中、確認されなかった。

以下、導電膜５によって得られた作用効果のメカニズムを説明する。

放電ランプにおいては、主放電であるアーク放電に移行するまでに、電極３１、３２間で絶縁破壊が発生しなければならないが、この絶縁破壊のための始動電圧は水銀を封入しない放電ランプでは、放電空間１４内の希ガスの内部圧力の関係で極めて高くなり、放電が開始されにくい。そこで、この放電ランプの発光管部１１下部の軸方向に連続的な導電膜５を形成し、かつ導電膜５と電圧供給状態の金属箔２１、２２や電極３１、３２といった電力供給導体との距離が近接していれば、始動性が改善される。詳細には、絶縁破壊のための高電圧供給時において、電力供給導体と導電膜５との間で、誘電体である封止部１２１、１２２を介して放電が発生（本実施の形態では、くびれ部１３１、１３２付近のガラスを介して、一対の電極３１、３２と導電膜５の間で放電が発生）し、一方の封止部に封着されている電力供給導体→導電膜５→他方の封止部に封着されている電力供給導体へと通じる電流路を形成する。これにより、導電膜５側の発光管部１１の下部と放電空間１４側の発光管部１１とで分極状態が形成され、発光管部１１下部のインピーダンスが低下、発光管部１１内で沿面放電等が発生しやすくなるため、始動電圧が低下したと推測される。すなわち、本発明では、導電膜５と電力供給導体間で電流路→導電膜５形成側の発光管部１１において分極→沿面放電→一対の電極３１、３２間で放電という始動メカニズムで始動性が改善される。

なお、この方式による始動性改善の効果は、導電膜５と金属箔２１、２２、電極３１、３２および外部リード線４１、４２等の封止部１２１、１２２に封着された電力供給導体とのガラスを介しての距離が短い方が高くなる傾向があることが分かった。例えば、本実施の形態では、導電膜５と電極３１、３２との距離は１．２〜１．４ｍｍ程度にしているが、その距離は２．０ｍｍ以下であれば、高い効果が得られることが試験的に確認された。

また、導電膜５を形成したランプにおいては、光束立ち上がりが早まる傾向があることが分かった。これは、導電膜５が発光管部１１の下部に対して保温する役割をし、発光管部１１の下部の温度上昇を早めたため、放電媒体１５の蒸気化のスピードが早まったためと考えられる。

さらに、本実施の形態における酸化インジウム、酸化錫からなる導電膜５は、目視においてほぼ透明であり、透過率は８５％以上である。すなわち、導電膜５は可視光の透過性が高い材料で構成されているため、発光管部１１に塗布したことによる遮光の影響等はほとんど発生しておらず、全光束や配光特性を害することを防止することができる。

したがって、本実施の形態では、導電膜５が放電開始の始動補助を行なうことによって電極３１、３２間の絶縁破壊を補助し、始動電圧を低下させることになるため、始動性を改善することができる。また、外管６内のガスがリーク等をしたとしても、導電膜５が消失しない限り継続して安定した始動性改善の効果を得ることができる。

また、導電膜５を形成したことによって、発光管部１１の下部の保温作用を得ることができるため、光束立ち上がりや発光効率向上の効果を得ることができる。

さらに、酸化インジウム、酸化錫系のＩＴＯの導電膜５は、可視光の透過率が高いため、全光束等をほとんど低下させることなく、始動性改善の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電極について説明するための図であり、（ａ）は軸方向の図、（ｂ）は一点鎖線Ｙ−Ｙ’において、矢印方向から見た図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態のメタルハライドランプの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態では、導電膜５は、（ａ）のように放電空間１４側の金属箔２１、２２の側端部付近に近接する一対の封止部１２１、１２２の外面まで略連続的に形成されており、さらに（ｂ）のように金属箔２１、２２に対して略垂直の関係になっている。

この構成は、金属箔２１、２２、電極３１、３２および外部リード４１、４２の何れかの電力供給導体と導電膜５との距離が最も短くなるように意図した構成である。すなわち、導電膜５と金属箔２１、２２の側端部に近接する距離が、第１の実施の形態での電極３２、４２までの距離よりも短くなる構成となるため、始動時にさらに導電膜５に電流路が形成されやすくなるので、高い始動性改善の効果が期待できる。

したがって、この実施の形態では、第１の実施の形態での効果に加え、さらに始動性を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る照明装置の一形態を説明するための図である。

本実施の形態の照明装置は、照明装置本体１０１、リフレクタ１０２、フロントレンズ１０３、ランプ１０４、シェード１０５、点灯回路であるイグナイタ１０６およびバラスト１０７、外部接続端子１０８からなる。

照明装置本体１０１は、内部に半球状のリフレクタ１０２、光取り出し部分にはフロントレンズ１０３を備えている。リフレクタ１０２の略中央にはランプ１０４が配置され、光を効率よく取り出すとともに、配光を制御する。そして、ランプ１０４の前方には、配光特性の悪化を防止するためのシェード１０５が取り付けられている。

ランプ１０４は、イグナイタ１０６が有する開口部分にソケット７を嵌め込むことによって機械的、電気的に接続される。そして、イグナイタ１０６はリード線を介してバラスト１０７に接続され、さらに、バラスト１０７は、リード線を介して、自動車に電気的に接続するための外部接続端子１０８と接続される。

ここで、点灯回路について、図６の点灯回路について説明するための回路図を用いて説明する。点灯回路は、バラスト１０７とイグナイタ１０８とからなり、例えば、十数Ｖから数十Ｖの自動車用バッテリーである電源２０１から入力された電力を、ランプ１０４に入力する。

バラスト１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２、電圧検出回路２０３、電流検出回路２０４、比較回路２０５、ＤＣ−ＡＣインバータ２０６を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２は、主としてスイッチング素子、トランス、ダイオード等を有する昇圧チョッパ回路で構成され、その入力側には電源２０１が接続され、出力側には複数のスイッチング素子を有するブリッジ回路からなるＤＣ−ＡＣインバータ２０６が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２と、ＤＣ−ＡＣインバータ２０６の間には、電圧検出回路２０３が並列的に、電流検出回路２０４が直列的に接続されている。なお、これらの検出回路はＤＣ−ＤＣコンバータ２０２の出力を制御するために設けられているので、フィードバック回路として比較回路２０５が出力側に接続され、比較回路２０５の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２のスイッチング素子のベースに入力されるように接続される。

イグナイタ１０６は、コンデンサやコイルトランスを有し、入力側はＤＣ−ＡＣインバータ２０６と接続され、出力側はランプ１０４と接続される。

次に、この回路の動作を説明する。電源２０１からの電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２によって昇圧され、その出力値は電圧検出回路２０３および電流検出回路２０４によって検出される。検出された結果は、比較回路２０５によってＤＣ−ＤＣコンバータ２０２のスイッチング素子にフィードバックされ、出力の調整が行なわれる。所望の電力値等に制御された後は、ＤＣ−ＡＣインバータ２０６によって交流に変換され、イグナイタ１０６に入力される。イグナイタ１０６では、ランプ１０４の絶縁破壊電圧である１５ｋＶ以上の電圧が印加できるようコンデンサによって電化が蓄積され、十分な値になると一気にランプ１０４に電圧がかかり、絶縁破壊する。以後は、ランプ１０４の光束の立ち上がりをはやめるべく、約７５Ｗの電力を数秒間かけ続け、その後は定格電力に徐々に近づける電力制御がされる。

したがって、本実施の形態では、導電膜５が形成されたメタルハライドランプを使用することで、絶縁破壊のための始動電圧が低くすることができるため、点灯回路やランプへの負担が少ない照明装置を提供することができる。

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の一点鎖線Ｘ−Ｘ’において、矢印方向から見た発光管部の周方向断面を説明するための図。 図１のメタルハライドランプの仕様について説明するための拡大図。 本発明のメタルハライドランプの第２の実施の形態について説明するための図。 本発明の第３の実施の形態に係る照明装置の一形態を説明するための図。 点灯回路について説明するための回路図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 発光管部
１２１、１２２ 封止部
１３１、１３２ くびれ部
１４ 放電空間
１５ 放電媒体
２１、２２ 金属箔
３１、３２ 電極
４１、４２ 外部リード線
５ 導電膜
６ 外管
７ ソケット
８１ 金属バンド
８２ 舌片
９１ 給電端子
９２ 絶縁チューブ

Claims (4)

1. 放電空間を形成する発光管部、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、
   前記放電空間に金属ハロゲン化物および希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、
   前記封止部に封着された金属箔と、
   基端側は前記金属箔に接続され、先端側は前記放電空間内で対向配置された一対の電極と、
   少なくとも前記発光管部と前記一対の封止部との境界から、他方の境界まで略連続的に、前記発光管部の外表面に形成された導電体とを具備していることを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 前記導電体は、前記金属箔の前記放電空間側の側端部に近接する前記一対の封止部の外面まで略連続的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
3. 前記導電体は、水平点灯するときに、前記発光管部の円周上の下側半周以内の範囲に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプ。
4. 照明装置本体と、
   前記照明装置本体内に配置された請求項１または請求項３の何れか一に記載のメタルハライドランプと、
   前記メタルハライドランプに電気的に接続された点灯回路とを具備していることを特徴とする照明装置。
   
   
   
   

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