JP2007179998A - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプ特性、寿命特性を良好に保つとともに、始動性を改善する。
【解決手段】
放電空間１３を内部に形成する発光管部１１、発光管部１１の両端に形成された封止部１２１、１２２とを有する気密容器と、放電空間１３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、基端側は封止部１２１、１２２に封着され、先端側は放電空間１３内で対向配置された一対の電極３１、３２と、気密容器１を囲繞する外管５とを具備し、気密容器１と外管５との間の空間には、少なくとも一種の希ガスを含む混合ガスが封入されており、混合ガス中の希ガスは２０％以上を占めるとともに、混合ガスの熱伝導率は０．０５８０≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８４５であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の前照灯やプロジェクター等に使用されるメタルハライドランプ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。（例えば、特許文献１）
この発明のように、環境的配慮から使用を制限すべきである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封入する必要がある。このため、ランプの始動時において、絶縁破壊のための放電開始電圧が高くなってしまい、ランプが始動しにくくなってしまうという課題が生じている。

そこで、内管を外囲する外管とを備えたメタルハライド放電灯において、内管と外管の間の空間に、希ガス等を封入したメタルハライド放電灯の発明が提案されている。（例えば、特許文献２）この発明によれば、内管の放電開始電圧よりも低い放電開始電圧をもつガスを外管内に封入したため、始動時に誘電体バリア放電が発生し、これにより、放電開始電圧を下げることができると記載されている。また、特開２００４−６３１５８号公報（特許文献３）にも同様に、放電開始電圧を下げることができるという効果が記載されている。

特開２００３−１６８３９１号公報 特開第３５９６８１２号公報 特開２００４−６３１５８号公報

しかしながら、放電開始電圧を低下させるために、内管と外管との間に単に希ガス等を封入した場合において、ランプが暗くなったり、寿命中にリークが発生したりする不具合が発生することがわかった。この原因について本発明者等が様々な検証を行なった結果、封入するガスによって発光管等の温度が大きく変化してしまうためであることがわかった。そこで、外管内に封入するガスを混合ガスとし、始動性を改善しつつ、ランプ特性や寿命特性を好適に保つことができる条件を見出したため、提案するに至った。

本発明は、上記のような課題に鑑みたもので、その目的はランプ特性、寿命特性を良好に保つとともに、始動性の優れた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、放電空間を内部に形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、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、基端側は前記封止部に封着され、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、前記気密容器を囲繞する外管とを具備し、前記気密容器と前記外管との間の空間には、少なくとも一種の希ガスを含む混合ガスが封入されており、前記混合ガス中の前記希ガスは２０％以上を占めるとともに、前記混合ガスの熱伝導率は０．０５７８≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８５であることを特徴とする。

本発明によれば、ランプ特性、寿命特性を良好に保つとともに、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放電ランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の放電ランプの第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、細長形状をしている。気密容器１の管軸方向の略中央部には軸方向が長径である略楕円形の発光管部１１が形成されている。発光管部１１の両端部には同一材料で連続形成された、一対の平坦なピンチ面、厚み部分に相当する一対の側面とを有する板状の封止部１２１、１２２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、中央部は略円筒状で、その両端部はテーパ状の放電空間１３が形成されている。この放電空間１３の容積は、ショートアーク型の放電ランプでは１００μｌ以下に設定されているが、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１０μｌ〜４０μｌであるのが望ましい。

放電空間１３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が封入される。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が封入されている。また、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さらに封入されている。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を選択するのが最も好適であるが、結合されるハロゲン化物はヨウ素に限定されるものではなく、臭素、塩素、または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、キセノンの圧力は常温（２５℃）において５ａｔｍ以上、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１３には、本質的に水銀は含まれていない構成としている。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１ｍｌ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ものとする。この上記に規定した水銀量は、従来のショートアーク形の水銀入り放電ランプに封入されていた水銀量が１ｍｌあたり２０〜４０ｍｇ、場合によっては５０ｍｇ以上であったことを考えれば、本実施の形態の放電ランプで許容する２ｍｇ未満の水銀量は圧倒的に少ないため、本質的に水銀が含まれないと言えるだろう。

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のピンチ面と平行するように封止されている。

金属箔２１、２２の発光管部１１側の端部には、タングステンを主体に酸化トリウムがドープされた材料からなる電極３１、３２が、レーザー溶接等によって接続されている。この電極３１、３２の形状は、先端側が基端側よりも大径に形成された段付き形状となっており、電極３１、３２の先端側は放電空間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」については、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。

また、発光管部１１に対して反対側の金属箔２１、２２の端部には、モリブデンからなる外部リード線４１、４２の一端がレーザー溶接等によって接続されている。そして、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。

上記で構成された気密容器１の外側には、管軸に沿って気密容器１の大部分を覆うように筒状の外管５が設けられている。これらの接続は、外管５の両端部を気密容器１の両端部の外側端に溶着することによって行なわれている。なお、この外管５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している。

気密容器１と外管５とにより密閉された空間５１には、混合ガスが封入されている。混合ガスとしては、２種類以上の希ガスからなる場合と、希ガスと希ガス以外のガスからなる場合とがある。例えば、希ガスとしては、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅを選択することができ、希ガスと希ガス以外のガスとしては、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２を選択することができる。なお、空間５１に封入されるこれらの混合ガスの封入圧は、圧力が低いほど始動性が良好となるため、０．７ａｔｍ以下、さらには０．５ａｔｍ以下であるのが望ましい。

気密容器１を内部に保持する外管５の封止部１２１側には、ソケット６が接続されている。この接続は、ソケット６側の外管５の外周に装着された金属バンド７１を、ソケット６の発光管部１１側に形成、延出された４本の金属製の舌片７２（図１では、そのうちの２本を図示）により挟持し、さらにそれらの金属をレーザー溶接することによって行なわれている。また、ソケット６には、点灯回路からの電力を供給するための金属端子６１がその外周面に沿って形成され、外部リード線４２と一端が接続された給電端子８１と接続されている。（図示していない）そして、管軸とほぼ平行な給電端子８１の大部分には、絶縁確保や酸化防止のために、セラミック等からなる絶縁チューブ８２が被覆されている。また、図示していないが、外部リード線４１はソケット６の底部で金属製の端子と接続されている。

これらで構成された放電ランプは、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のメタルハライドランプの寸法、材料等の仕様について説明するための拡大図であり、以下の試験は特に言及しない限りこの仕様に基づいて行なっている。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１３の容積＝２６μｌ、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の最大長Ｃ＝７．８ｍｍ、
放電媒体：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＝１１．８ａｔｍ、水銀＝０ｍｇ
電極３１、３２：酸化トリウムをドープしたタングステン材料、先端径＝０．３８ｍｍ、基端径＝０．３０ｍｍ、電極間距離Ｄ＝４．４ｍｍ
空間５１：希ガスを含む混合ガス、封入圧＝０．５ａｔｍ
図３は、ガスの種類およびその封入比を変えて、気密容器と外管との間の空間にガスを封入したときの放電開始電圧の時間的変化を説明するための図である。

図３の結果から、空間５１にＮ_２を１００％封入したランプの場合、放電開始電圧は初期は低いが、２００時間以降１９ｋＶ弱まで上昇する。Ｎ_２にＡｒを混合し、Ａｒ−Ｎ_２＝２０％：８０％としたランプの場合では１７ｋＶ程度であり、希ガスを封入すれば寿命中も放電開始電圧を低く維持できることがわかる。また、Ａｒ−Ｎｅの希ガスのみからなる混合ガスについて着目すると、混合ガス全体に対するＡｒの封入比が１００％、７０％、４０％のランプでは、放電開始電圧は何れも１５ｋＶ程度であり、始動電圧にはほとんど差がなく、全体的に低い。このように空間５１に希ガスを封入することで、放電開始電圧が下がった理由としては、空間５１に封入した希ガスが、始動時にガラスを介して誘電体バリア放電を引き起こし、それがＵＶエンハンサー、もしくは補助電極の役割を果たし、電極３１、３２間の絶縁破壊を補助したためと考えられる。なお、Ａｒが１００％のランプでは、クラックにより外管からＡｒガスが抜けてしまったため、寿命中に急激に放電開始電圧が悪化する結果となっている。

図４は、Ｎｅベースの混合ガスにおいて、Ｎｅの封入比を変化させたときの全光束について説明するための図である。ここで、実線はＡｒ−Ｎｅからなる混合ガス、点線はＫｒ−Ｎｅからなる混合ガスを示している。

結果から、Ｎｅベースの混合ガスにおいてＮｅの封入比率を変化させることにより、全光束が大きく変化することがわかる。詳細には、Ｎｅが０％（つまり、ＡｒまたはＫｒが１００％）のときに全光束が最も高く、Ｎｅが１００％のときに全光束が最も低くなっている。そのときの全光束の差は２００ｌｍ以上にもなっている。なお、図４によればＡｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約６０％、Ｋｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約７０％を上回ると、全光束は大きく低下する傾向がある。

図５は、Ｎｅベースの混合ガスにおいて、Ｎｅの封入比を変化させたときの１５００時間経過後のリーク発生率について説明するための図である。試験したランプは図４の場合と同じである。

結果から、Ｎｅの封入比が高くなるほど、リークの発生率が低下することが伺える。これは、金属箔が封止部から剥がれ、その部分から外部に向けてクラックが進行したことにより発生したものであると考察される。さらに図５によると、Ａｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約２０％、Ｋｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約４０％を下回ると、特にリークの発生率が高くなることがわかる。

また、上記の試験のように、Ａｒ−Ｎｅ、Ｋｒ−ＮｅのランプＮｅの封入比を変えて、寿命中の光束維持率の変化についてＥＵ１２０分モードの点灯消灯試験を行なったところ、Ｎｅの封入比が増すにつれて光束維持率が改善し、Ｎｅの封入比が減るにつれて光束維持率が悪化することがわかった。なお、この試験の結果、Ａｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約２０％、Ｋｒ−ＮｅにおいてはＮｅの封入比が約４０％を上回れば、高い光束維持率を達成できることが確認された。

以上のように、封入するガスの封入比によってランプ特性や寿命特性が変化したのは、空間５１内の混合ガスの熱伝導率が大きく影響している。図６に、８００℃におけるガスの熱伝導率を示しているが、Ｋｒ、Ａｒ、Ｎｅとでは、それぞれ熱伝導率は大きく異なり、Ｋｒ、Ａｒは熱伝導率が比較的低く、Ｎｅは比較的高い。すなわち、ＫｒやＡｒを封入すれば断熱作用が得られるため発光管部１１や封止部１２１、１２２の温度は上昇し、Ｎｅを封入すれば熱がランプ外部に伝達されやすくなるため発光管部１１等の温度は下降する。具体的に図２に示すＸ地点の金属箔２１について、点灯中の温度を放射温度計によって測定してみると、Ａｒが１００％のときは、約７７０℃、Ａｒ−Ｎｅ＝３０％：７０％のときは約７６０℃、Ａｒ−Ｎｅ＝６０％：４０％のときは約７５０℃、Ｎｅが１００％のときは約７３０℃であった。このように、空間５１に封入されたガスの熱伝導率は、発光管部１１等の温度を変化させ、種々の特性に影響を与える。

ここで、ｉ種類のガスが混合されてなる混合ガスの熱伝導率ｋ_ＭＩＸは、外管５内の空間５１の圧力が０．００１ａｔｍ〜１０．０ａｔｍである場合においては、図６の各ガスの熱伝導率の値と下記の計算式とを用いて計算することができる。

なお、上式中のｋ_ｉはｉ番目のガスの熱伝導率、Ｖ_ＭＩＸは混合ガス量、Ｖ_ｉはｉ番目のガス量を示している。

図７は、この数式（１）を用いて計算した混合ガスの熱伝導率と全光束およびリーク発生率について説明するための図である。この結果は、Ａｒ−Ｎｅ、Ｋｒ−Ｎｅ、Ｋｒ−Ａｒ−Ｎｅを封入したランプで得られた結果を平均したものである。

結果から、混合ガスの熱伝導率ｋ_ＭＩＸがある範囲のとき、全光束およびリーク発生率を好適に保つことができることがわかる。この熱伝導率ｋ_ＭＩＸの範囲は、０．０５８０≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８４５であった。

ここで、水銀を封入しないメタルハライドランプにおいては、この空間５１に封入するガスの熱伝導率のベストモードは、大気または窒素の熱伝導率に近い熱伝導率であるのが望ましいことが実験的に確認された。すなわち、混合ガスの熱伝導率ｋ_ＭＩＸは、８００℃において０．０６５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのが良い。そこで、本実施の形態では、大気または窒素の熱伝導率より、熱伝導率が高いＮｅと熱伝導率が低いＡｒ等の希ガスを組み合わせ、熱伝導率を上記の好適な値に調節して混合ガスとすることで、始動性の改善とともに、ランプ特性や寿命特性を図ることができる。

したがって、本実施の形態では、気密容器１と外管５との間の空間５１に、Ａｒ−Ｎｅ等の熱伝導率の低い第１の希ガスと熱伝導率の高い第２の希ガスとからなる混合ガスを封入し、その混合ガスの熱伝導率ｋ_ＭＩＸを、０．０５８０≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８４５とすることにより、全光束、光束維持率が良好で、リーク等が発生しにくい、すなわち、ランプ特性および寿命特性を良好にすることができるとともに、希ガスの封入量が多いため、始動性を顕著に改善することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態の各部について、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。

第２の実施の形態では、空間５１内部に封入する混合ガスが、熱伝導率が比較的低い希ガスと、熱伝導率が比較的高い希ガス以外のガスとで構成されている。ここで、「比較的」とは「大気や窒素の熱伝導率と比較して」という意味であり、「熱伝導率が比較的低い希ガス」としては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、「熱伝導率が比較的高い希ガス以外のガス」としては、例えば、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２が挙げられる。

図８は、希ガスと希ガス以外のガスとで構成された混合ガスにおいて、希ガスの封入量を変化させたときの放電開始電圧を示す図である。ここで、図中の放電開始電圧は、約２００時間点灯したときの電圧値を示している。

図８より、Ａｒ−Ｎ_２の混合ガスにおいて、Ａｒの封入比を高くするほど放電開始電圧が低下していることがわかる。つまり、全体に対する希ガスの封入比を高くすることにより、始動性が改善される。これは３種類以上のガスを混合した場合にも同様である。ここで、自動車用の放電ランプでは、ランプのソケット等の耐電圧は２０〜２２ｋＶ程度であるため、それ以上の電圧をランプに印加しても、電極間で絶縁破壊が発生しないで他の部分に電圧が漏れて点灯しなくなることがある。このような現象を抑制するために、ランプの放電開始電圧は１８〜１９ｋＶ以下であることが望まれる。したがって、空間５１に封入される混合ガス中の希ガスの封入量は、２０％以上であることが好適である。

ここで、本実施の形態は、空間５１内に封入する混合ガスを、熱伝導率が比較的低い希ガスによって始動性を改善し、熱伝導率が比較的高い希ガス以外のガスによって熱伝導率を調節する構成としているため、長時間この混合ガスの封入比等が変化しにくいという効果を得ることができる。つまり、空間５１内に原子番号が小さい希ガスを封入した場合、外管５を透過して外部に抜けやすいという性質があるが、本実施の形態ではガスの外管５外への透過が発生しにくい組み合わせとなっている。

例えば、熱伝導率が比較的高いＨｅやＮｅと、熱伝導率が低いガスとで混合ガスの熱伝導率を好適にした場合、点灯初期は好適な熱伝導率が保たれるが、ＨｅやＮｅは外管５の外部に抜けやすいため、寿命中に混合ガスの封入比が変化してしまう。寿命中に混合ガスの封入比が変化すれば、放電開始電圧の増加や発光管部１１等の温度上昇をもたらしてしまう。これに対し、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅを始動性改善のために封入し、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２を熱伝導率の調節のために組み合わせて混合ガスを構成すれば、両方とも外管５外に透過しにくいガスであるため、寿命中の封入比の変化等を抑制することができる。

したがって、本実施の形態では、気密容器１と外管５との間の空間５１に、Ａｒ−Ｎ_２等の熱伝導率の低い希ガスと熱伝導率の高い希ガス以外のガスからなる混合ガスを封入し、その混合ガスの熱伝導率ｋ_ＭＩＸを、０．０５８０≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８４５とすることにより、全光束、光束維持率が良好で、リーク等が発生しにくい、すなわち、ランプ特性および寿命特性を良好にすることができるとともに、始動性を改善することができる。また、本実施の形態は、外管５外に透過しにくいガスの組み合わせであるため、それらの効果を長時間維持することができる。

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。

本発明は、発光管部１１および外管５とが石英ガラスからなるメタルハライドランプのみに限られず、それらが多結晶アルミナ等、セラミックからなるメタルハライドランプに採用されても良い。セラミック部材からなる場合、セラミックは石英ガラスと比較して、封入したガスが外部に透過しにくい特性があるため、ガス抜け等による寿命中の内部雰囲気の変化が少なくなり、さらに有利な構成とすることができる。

本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。 図１の放電ランプの仕様について説明するための拡大図。 気密容器と外管との間の空間に、ガスの種類および封入比を変えて封入したときの放電開始電圧について説明するための図。 Ｎｅベースの混合ガスにおいて、Ｎｅの封入比を変化させたときの全光束について説明するための図。 Ｎｅベースの混合ガスにおいて、Ｎｅの封入比を変化させたときの１５００時間経過後のリーク発生率について説明するための図。 ８００℃におけるガスの熱伝導率を示す図。 混合ガスの熱伝導率と全光束およびリーク発生率について説明するための図。 希ガスと希ガス以外のガスとで構成された混合ガスにおいて、希ガスの封入量を変化させたときの放電開始電圧を示す図。

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
２１、２２ 金属箔
３１、３２ 電極
４１、４２ 外部リード線
５ 外管
５１ 空間
６ ソケット
７１ 金属バンド
７２ 舌片
８１ 給電端子
８２ 絶縁チューブ

Claims (5)

1. 放電空間を内部に形成する発光管部、該発光管部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、
   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、
   基端側は前記封止部に封着され、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、
   前記気密容器を囲繞する外管とを具備し、
   前記気密容器と前記外管との間の空間には、少なくとも一種の希ガスを含む混合ガスが封入されており、前記混合ガス中の前記希ガスは２０％以上を占めるとともに、前記混合ガスの熱伝導率は０．０５８０≦ｋ_ＭＩＸ≦０．０８４５であることを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 前記混合ガスは、その大部分が２種類以上の希ガスからな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. 前記混合ガスは、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅから選択された一または複数の希ガスからなる第１の希ガスとＮｅからなる第２の希ガスとからなることを特徴とする請求項２に記載のメタルハライドランプ。
4. 前記混合ガスは、熱伝導率が比較的低い希ガスと、熱伝導率が比較的高い希ガス以外のガスとからな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。
5. 前記混合ガスは、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅから選択された一または複数の希ガスと、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２から選択された一または複数のガスからなることを特徴とする請求項４に記載のメタルハライドランプ。
   
   
   

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