JP2007234265A - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 寿命中のランプ電圧の上昇を抑制し、ちらつきや立ち消えの発生を抑制する。
【解決手段】
本発明のメタルハライドランプは、放電空間１４を内部に形成する発光管部１１、該発光管部１１の両端に形成された封止部１２ａ、１２ｂとを有する気密容器１の放電空間１４には、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され、封止部１２ａ、１２ｂには、一対の電極２ａ２、２ｂ２の基端側が封着され、その先端側は放電空間１４内で対向配置されている。そして、気密容器１には囲繞するように外管３が取着され、外管３にはカリウムが２０ｐｐｍ以上添加されている。
【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に関するものである。

水銀を封入しないメタルハライドランプは、例えば、特開平１１−２３８４８８号公報などにより、既に知られている。このような水銀を封入しないメタルハライドランプは、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛、インジウム等のハロゲン化物とキセノンを組み合わせることにより、水銀を用いなくても従来と同等、又はそれ以上の特性を得ることができるようになっている。

特開平１１−２３８４８８号公報

しかしながら、このような水銀を封入しないメタルハライドランプでは、寿命中にランプ電圧が上昇するという現象が発生している。これは、水銀入りのメタルハライドランプと比較して、点灯中の発光管の温度が高いことやランプ電流が高いことなどから、電極の飛散やナトリウムが発光管から抜けてしまう等の影響によるものと考えられている。寿命中にランプ電圧が上昇すると、定電力点灯下ではランプ電流が低下してしまい、明るさのちらつきが発生しやすくなるとともに、最悪の場合、立ち消えが発生してしまう。

この課題に対し、ランプ電圧の上昇を抑制するためにカリウムに注目した。カリウムには、ランプ電圧を下げる作用があるためである。このカリウムを外管に好適な量添加することにより、寿命中のランプ電圧の上昇を抑制できることを見出したため、提案するに至った。

なお、特開２００３−１０９５３６号公報には、カリウムの濃度を最大で１０ｐｐｍ、好適には６ｐｐｍとした外管を有する放電灯の発明がある。しかし、この発明には、カリウムがランプ電圧を低下させるという記載はないほか、カリウムの量を規制しようとする発明であるため、本発明の技術思想とは全く異なるものである。

本発明は、上記のような課題に鑑みたもので、その目的は寿命中のランプ電圧の上昇を抑制することで、ちらつきや立ち消えの発生を抑制す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、前記外管にはカリウムが２０ｐｐｍ以上添加されていることを特徴とする。

本発明によれば、寿命中のランプ電圧の上昇を抑制することで、ちらつきや立ち消え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、耐熱性と透光性を具備した石英ガラスからなる。気密容器１はランプ軸方向に細長い形状であって、その略中央部には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、板状の封止部１２ａ、１２ｂ、筒状の非封止部１３ａ、１３ｂが連続形成されている。

発光管部１１の内部には、軸方向において、中央部が略円柱状、その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、自動車前照灯用として用途を指定する場合には、放電空間の容積は０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃであるのが望ましい。

放電空間１４には、放電媒体が封入されている。放電媒体には、金属ハロゲン化物および希ガスとが使用されている。

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、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。その際、希ガスの封入圧は、９〜１５ａｔｍであるのが望ましい。

ここで、放電媒体は、本質的に水銀不含である。この「本質的に水銀不含」とは、１ｃｃあたり２ｍｇ以下、好ましくは１ｍｇ以下、さらに好ましくは０ｍｇの水銀量の範囲を含むものである。この水銀量は、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以上であったことを考えれば、本質的に水銀が含まれない量であると言える。

封止部１２ａ、１２ｂの内部には、マウント２ａ、２ｂが封止されている。
マウント２ａ、２ｂは、金属箔２ａ１、２ｂ１、電極２ａ２、２ｂ２、コイル２ａ３、２ｂ３、外部リード線２ａ４、２ｂ４からなる。

金属箔２ａ１、２ｂ１、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。

電極２ａ２、２ｂ２は、例えば、タングステンに酸化トリウムを混合した材料からなり、金属箔２ａ１、２ｂ１の発光管部１１側の端部に、溶接によって接続されている。その形状は、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、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、小径の基端側は封止部１２ａ、１２ｂの内部に封止される。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。

コイル２ａ３、２ｂ３は、例えば、ドープタングステンからなり、電極２ａ２、２ｂ２の周面に螺旋状に巻かれている。コイル２ａ３、２ｂ３が巻かれている領域は、金属箔２ａ１、２ｂ１の端部から、発光管部１１の方向におよそ３．０ｍｍである。

外部リード線２ａ４、２ｂ４は、例えば、モリブデンからなり、発光管部１１に対して反対側の金属箔２ａ１、２ｂ１の端部に、溶接等により接続されている。そして、外部リード線２ａ４、２ｂ４の他端側は、管軸に沿って封止部１２ａ、１２ｂ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、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加することにより、紫外線を遮断性する作用を有する筒状の外管３が、管軸に沿って気密容器１と同心状に設けられている。それらの接続は、気密容器１両端の筒状の非封止部１３ａ、１３ｂと外管３の両端部を溶融することにより行なわれている。また、外管３には、カリウムが２０ｐｐｍ以上添加されている。カリウムは、寿命中にランプ電圧の上昇を抑制する目的で添加している。また、さらにナトリウムを添加することもできる。これらカリウムやナトリウムは、元素の状態で添加された場合のみならず、酸化された状態で添加された場合なども含むものとする。なお、外管３に添加されたカリウム等は、例えばプラズマ分光分析法を用いることで測定することが可能である。

気密容器１と外管３とにより形成された空間は、完全に気密に保たれている。なお、その空間には、例えば、窒素を封入したり、ネオン、アルゴン、キセノン等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。

気密容器１を内部に覆った状態の外管３の封止部１２ａ側には、ソケット４が接続される。この接続については、非封止部１３ａ付近の外管３の外周面に装着された金属バンド５１を、ソケット３の気密容器１保持側の開口端に形成された４本の金属製の舌片５２（図１では、２本を図示）により挟持することによって行なわれている。そして、それらの接続をさらに強化するために、金属バンド５１及び舌片５２の接触点をレーザーによって溶接している。

ソケット４の反発光管部１１側の端部には、点灯回路からの電力を供給するための帯状端子４１がその外周面に沿って形成されている。この帯状端子４１は、外部リード線４２とサポートワイヤ６１を介して接続されている。なお、サポートワイヤ６１の管軸とほぼ平行な部分には、セラミックからなる絶縁チューブ６２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、管軸が略水平の状態で配置され、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力に対して２倍以上である約７５Ｗで点灯される。

図２は、図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための拡大図である。以下の試験は特に言及しない限り寸法、材料等はこの仕様に基づいて行っている。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝０．０２ｃｃ、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
発光管部１１と外管３との距離Ｄ＝０．４ｍｍ
金属ハロゲン化物＝ＳｃＩ３：ＮａＩ：ＺｎＩ２：ＩｎＢｒ、総封入量＝０．６０ｍｇ
希ガス：キセノン＝１０ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔２ａ１、２ｂ１：モリブデン製、
電極２ａ２、２ｂ２：トリエーテッドタングステン製、先端径＝０．４０ｍｍ、基端径＝０．３０ｍｍ、電極間距離Ｅ＝４．２ｍｍ、
外部リード線２ａ４、２ｂ４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
外管３：酸化チタン＝４００ｐｐｍ、酸化セリウム＝４５００ｐｐｍ、カリウム
気密容器１と外管との間の空間：窒素、圧力＝０．１ａｔｍ
図３は、外管に添加されたカリウムの量を変化させたときのランプ電圧の変化を示す図、図４は、２０００時間点灯時について図３をグラフ化した図である。なお、点灯条件は、自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬ２１５に定められたＥＵ１２０分モードの点滅サイクルである。

結果からわかるように、外管３のカリウム添加量が増えるほど、ランプ電圧はあまり上昇していないことがわかる。言い換えれば、カリウム添加量が増えるほど、０時間のランプ電圧に対する、２０００時間のランプ電圧の変化が少ない。つまり、カリウムの添加量が多いランプは、寿命中、点灯初期とあまり変わらない電圧条件で点灯することができるため、ちらつきや立ち消えが発生しにくかった。これに対し、外管３にカリウムを添加しなかったランプは早い段階から、カリウムを１０ｐｐｍ添加したランプは１０００時間前後から、ランプ電流量の低下に伴うちらつきが発生した。そして、カリウムを添加しなかったランプは９００時間、カリウムを１０ｐｐｍ添加したランプは１５００時間で、ランプ電圧が６０Ｖ以上となり、最終的には立ち消えてランプが不灯に至った。

このように、外管３にカリウムを添加することによって、寿命中のランプ電圧の上昇が抑制された背景には、カリウムの発光管部１１内への侵入が関係すると考えられる。つまり、カリウムを多く添加したランプについては、その点灯後に発光管部１１内の放電媒体を調べるとカリウムが検出されている。どのようなメカニズムで発光管部１１内部に侵入したかは不明であるが、カリウムは先に説明したように、電離電圧が低いためランプ電圧を下げる作用がある。したがって、カリウムの添加量に比例して、寿命中のランプ電圧の上昇が抑制されたと考えられる。

そのため、外管３へのカリウムの添加量は、図３の結果などから、２０ｐｐｍ以上であるのが望ましく、さらに最良の実施形態としては、１００ｐｐｍ以上または１０００ｐｐｍ以上であるのが良い。なお、本発明の目的によれば、カリウムの添加量について上限は不要であるが、添加量が多すぎると寿命中のランプ電圧が逆に低下したり、発光色が変化したりするという問題が生じると予想されるため、５０００ｐｐｍ以下の範囲であるのが良い。

なお、カリウムを最初から発光管部１１内に封入したり、他の部分に添加するのは好適ではない。それは、本発明の目的とする寿命中にランプ電圧を抑制するという作用効果を得られないためである。カリウムの発光管部１１への侵入は、点灯中の材料の温度上昇、発光管部１１との距離等の条件に関係し、それら条件を満たす部分として外管３が最も好適であるのを確認している。

また、外管３にカリウムを２０ｐｐｍ以上添加するとともに、ナトリウムを７０ｐｐｍ以上添加する構成とするのがさらに良い。それは、ナトリウムにもカリウムほどではないが、ランプ電圧を低下させる効果があり、また同時に可視域の発光も得られ、ランプの全光束に寄与するためである。

したがって、本実施の形態では、水銀を封入しないメタルハライドランプにおいて、外管３にカリウムを２０ｐｐｍ以上添加することにより、寿命中のランプ電圧の上昇を抑制できる。そのため、ランプ電圧の減少に伴う明るさのちらつきや立ち消えを防止することができる。

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のメタルハライドランプの一仕様について説明するための拡大図。 外管に添加されたカリウムの量を変化させたときのランプ電圧の変化を示す図。 ２０００時間点灯時について図３をグラフ化した図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 発光管部
１２ａ、１２ｂ 封止部
１３ａ、１３ｂ 非封止部
１４ 放電空間
１５ 金属ハロゲン化物
２ａ、２ｂ マウント
２ａ１、２ｂ１ 金属箔
２ａ２、２ｂ２ 電極
２ａ３、２ｂ３ コイル
２ａ４、２ｂ４ 外部リード線
３ 外管
４ ソケット
５１ 金属バンド
５２ 舌片
６１ サポートワイヤ
６２ 絶縁チューブ

Claims (2)

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、
   前記外管にはカリウムが２０ｐｐｍ以上添加されていることを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 前記外管にはナトリウムが７０ｐｐｍ以上添加されていることを特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。
   
   
   

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