JP2008533664A - 高輝度放電ランプ用の透明度の高いセラミック発光管 - Google Patents
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Abstract
高輝度放電ランプ用のセラミック発光管。この発光管は、アークを囲むセラミック光透過管を含む。この光透過管は、（ａ）２．６ｍｍ未満の内径、（ｂ）１．４ｍｍ未満の壁厚、（ｃ）２０ミクロンを上回るかまたは５ミクロン未満の平均粒子サイズあるいは２０％を上回る真のインライン透過（ＲＩＴ）、および（ｄ）１００ｎｍ未満のＲａ値を有する内側面または外側面から成る群から選択された２つ以上の特徴を有する。これらの特徴は、アーク光源のより小さな見かけの寸法および光散乱の低減に繋がり、反射形ランプ内の発光管の性能改善をもたらす。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本出願は、２００５年３月９日出願の米国特許仮出願第６０／６５９，９５０号の利益を主張するものであり、その内容を参照により本明細書に合体する。
本発明は、一般にセラミック発光管放電ランプに関し、より詳細には、高輝度放電ランプ用の改善されたセラミック発光管に関する。
従来、石英は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ用発光管を作製するのに使用される材料であった。石英は、１．４６と低い屈折率を有し、一般に滑らかな表面を有し、光が材料を通過するとき実質的に光の散乱がなく完全にガラス質であり、その結果、石英は、非常に明瞭な無歪みのアーク像を透過するので反射形ランプ内で優れた性能を有する。石英発光管と比較して、セラミック発光管は、（ａ）より高い温度で動作するはずであり、このことは、より高効率、よりよい色、およびより高性能を可能にするより高い蒸気圧をもたらし、（ｂ）化学的腐食に対する耐性および物理強度が向上しており、このことが動作寿命をより長くする。しかし、セラミックは、光学的性質が石英より劣っており、一般的な光学セラミックアルミナおよびイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）は、それぞれ１．７７および１．８４の屈折率を有して発光管の内側面および外側面の両方でフレネル反射の増加をもたらし、また多結晶セラミックは、部分的に表面粗さが原因であるセラミック表面からの光散乱と、残留多孔率および粒界散乱が原因である有限の体積散乱とを有する。多結晶アルミナ（ＰＣＡ）の半透明性は、粒子サイズに高度に依存することが当技術において知られている。
米国特許出願第２００５／０００７０２０Ａ１号公報
米国特許出願第２００４／０１７４１２１Ａ１号公報
米国特許第５，９９８，９１５号公報
米国特許出願第２００４／０１０８８１４Ａ１号公報
米国特許第６，４０４，１２９Ｂ１号公報
国際公開２００４／０５１７００Ａ２公報
米国特許第５，２５３，１５３号公報
米国特許第５，９５７，５７１号公報
米国特許第６，６９８，９１３Ｂ２号公報
米国特許第６，９１０，７９２Ｂ２号公報
米国特許第６，９４８，８３７Ｂ２号公報
米国特許第６，９５３，２７２Ｂ２号公報
自動車の高輝度放電前照灯などの放電ランプにおいて、セラミック発光管が、好ましくは石英発光管と同等の改善された光学性能をもたらすことができるように、改善されたセラミック発光管の必要性がある。
高輝度放電ランプ用にセラミック発光管が提供される。この発光管は、セラミック光透過管および一対の相隔たる電極を含む。この光透過管は、（ａ）２．６ｍｍ未満の内径、（ｂ）１．４ｍｍ未満の壁厚、（ｃ）２０ミクロンを上回るかまたは５ミクロン未満の平均粒子サイズあるいは２０％を上回る真のインライン透過（ＲＩＴ）、および（ｄ）１００ｎｍ未満のＲａ値を有する内側面または外側面から成る群から選択された２つ以上の特徴を有する。
本明細書で、５〜２５または５から２５などの範囲が与えられるとき、これは、好ましくは少なくとも５であって、別にそれとは無関係に、好ましくは２５以下であることを意味する。
図１を参照すると、当技術で知られている反射器１２を備える反射形ランプすなわち前照灯１０およびガラスシュラウド１６の内部にあってよいセラミック発光管１４が示されており、反射器は、放物線状、自由形状、楕円状、または非結像反射器または任意の他の光学システムでよい。ランプ１０は、電極２２、２４に電気的に接続される電流導体１８、２０も含む。電流導体１８は、従来のやり方で底部に結合されたリード支持物２６の曲がっている端部に固定される。発光管１４は、セラミック光透過管２８を備え、この光透過管は好ましくは円筒状であるが、両端が開いている任意の延長された形状の中空の管球でよく、前記開口は、第１の脚体３０および第２の脚体３２によって少なくとも部分的に塞がれており、両脚体は好ましくは円筒状である。脚体３０、３２は、セラミックでよいが、モリブデンまたは他の高融点金属など他の材料またはそれらの合金、あるいはサーメットなど、セラミックと金属の組合せでよい。電流導体１８、２０は、当技術で知られているように、タングステン、モリブデン、ニオブおよび／または他の材料で作製された部分を有することができる。図１は、概略図であって光透過管２８に関するもの以外であり、従来型で既知の反射形ランプ、シュラウド、セラミック発光管および、米国特許出願第２００５／０００７０２０Ａ１号、米国特許出願第２００４／０１７４１２１Ａ１号、米国特許第５，９９８，９１５号、米国特許出願第２００４／０１０８８１４Ａ１号、米国特許第６，４０４，１２９Ｂ１号および国際公開２００４／０５１７００Ａ２において知られているものなど関連した構造体を示し、これら特許文献の内容は参照により合体される。脚体３０、３２および電流導体１８、２０は、全て当技術で知られているように、異なる材質、部品、構造および配置であり得て、追加の部品および特徴を含んでよく、別のやり方で密閉することができる。例えば、脚体３０、３２は、モリブデンで作製することができる（米国特許出願第２００５／０００７０２０Ａ１号の図３を参照されたい）か、またはモリブデン管を含むことができる（米国特許出願第２００５／０００７０２０Ａ１号の図７、図９および図１３を参照されたい）。本発明は、管２８およびその直径、厚さ、セラミック材料、および表面平滑度を対象とする。
図２のセラミック発光管３４は、反射形ランプ１０の中で使用することができる。発光管３４は、光透過管２８に相当するセラミック光透過管４０、第１の脚体３０に相当する第１の脚体３６、第２の脚体３２に相当する第２の脚体３８、電流導体１８、２０に相当する電流導体４２、４４、電極２２、２４に相当する電極４６、４８を有する。当技術において知られているように、脚体内部の電流導体を密閉するために、セラミック封止用コンパウンド５０を使用することができる。管２８および４０は、好ましくは多結晶アルミナ（ＰＣＡ）または、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、イットリア、スピネル、またはＡｌＯＮなどの非常に高密度な一般に等方性の多結晶セラミック、あるいはサファイアまたは単結晶ＹＡＧなどの単結晶セラミックである。
光透過管２８および４０に関して、壁厚および内径が小さいと、それぞれ散乱する量および発光源の有効サイズを低減し、したがって反射形ランプ内の発明されたセラミック発光管の性能を改善する。光透過管の直径を各０．２ｍｍ縮小すると、標準の光学システムにおける標準石英ランプと比較して、自動車前照灯の集束した輝点の輝度が約３％、フルビーム出力が約１％改善される。図３ａおよび図３ｂは、標準光学システムにおける石英発光管と比較して、ＰＣＡ発光管の発光管直径と発光管壁厚の関係を示す。管２８および４０の内径は、熱および応力上の設計要件によって許容される限り小さくするべきであり、好ましくは３．０、２．８、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１ｍｍ未満で、また、好ましくは少なくとも０．８、０．９または１ｍｍである。
管２８、４０の壁厚は、熱および応力上の設計要件によって許容される限り小さくするべきであり、好ましくは１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３ｍｍ未満で、また、好ましくは少なくとも０．２５ｍｍである。当技術で知られているように、アークギャップは、例えば４．２ｍｍまたは他の間隔であり得る。より小さな壁厚および内径（および／または本明細書に開示された他の改善）の利点を組み合わせると、内径２．６ｍｍ、壁厚１．８ｍｍ、アークギャップ４．２ｍｍの公称寸法を有するヨーロッパのＥＣＥ規格９９、ランプ型式番号Ｄ２の標準的な石英ＨＩＤ自動車前照灯と比べて、（ａ）運転ビームの場合、ＥＣＥ規格９８の規格項目３および７によって規定された２５ｍ離れて最小２０ルクスを必要とする、ビームの主効果領域における集束した輝点の輝度（以下、および特許請求の範囲において「集束した輝点の輝度」）、および（ｂ）総ビーム出力すなわち道路上に投射された前照灯システムからの総ルーメン、が同等な（少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９２％、９４％、９５％、９６％、９８％、９９％、またはより好ましくは１００％）セラミック発光管をもたらすことができる。
多結晶セラミック材料は、元来多数の体積散乱位置を有し、これは残留多孔率および粒界から生じることがあり得る。体積散乱位置が多くなると、セラミックを通過するアーク像の透過がいっそう悪化し、このことは光学システムにおけるセラミック発光管の性能に有害な影響を及ぼすことになる。約５ミクロン未満の非常に小さな粒子を用いたり、大きな粒子を用いたりすると、単結晶に近づくのでＰＣＡ透過が改善することも当技術で知られている。粒子サイズが約５〜２０ミクロンの範囲で最悪のＰＣＡ透過が生じることが、図６の、ＰＣＡの場合の、透過対ミクロン単位の粒子サイズのグラフに示されている。一般に、半透明のＰＣＡは、２０〜４０μｍの平均粒子サイズを有し、個々の粒子のサイズは６０μｍまで変化する。ＰＣＡ中の体積散乱は、２０、４０、５０、８０、１００、または１３０ミクロンを上回るかまたは５ミクロン未満の平均粒子サイズを有するセラミックを使用することにより低減することができる。粒子サイズが増加するのにつれて、体積散乱位置の数が減少し、粒界の断面積が縮小して、セラミックの大部分がより散乱しづらくなる。粒子サイズが小さいと、粒界での屈折の影響が緩和され、体積散乱が低下する。焼結温度またはその近くの温度で追加熱処理を施すかまたはアルミナのドーパントを変えることによって、多結晶セラミックの粒子サイズを増加させ得ることが当技術において周知である。焼結温度で追加熱処理を施すと、ＰＣＡの平均粒子サイズを２５μｍから約１００または１３０μｍまで増加させることができ、サイズの分布は均質であり、過大な粒子の成長がない。図７は、５０μｍの平均粒子サイズを有するＰＣＡ発光管のＭＢＣＰ性能を示す。図３ｂと比較して、これは、一般的な前照灯反射システムで、ＩＤ＝２．０ｍｍかつ壁厚＝０．４ｍｍの一般的なＰＣＡ管の場合の標準ＰＣＡと比較して、自動車の前照灯ビームパターン性能において、集束した輝点の輝度における１５％の向上およびフルビーム出力における５％の向上に相当する。平均粒子サイズも、当技術で知られている様々な処理方法によって５ミクロン未満に生成することができる。好ましくは、管２８、４０においてセラミック多結晶アルミナＰＣＡの粒子サイズまたは平均粒子サイズは５ミクロン未満であり、より好ましくは３ミクロン未満、より好ましくは１ミクロン未満、あるいは２０ミクロンを上回り、より好ましくは、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０ミクロンを上回る。
ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）またはイットリア（Ｙ２Ｏ３）など等方性の物理的性質を有する非常に高密度な多結晶セラミック発光管材料を選択すると、セラミックの体積内の散乱を低減することもでき、したがって、これらの材料も発光管用に使用することができる。アルミナでは、ランダムに配向された粒子構造における異材質の屈折率結晶学的方位間の光の複屈折によって、体積散乱が部分的に駆動される。全方向にほぼ一定かまたは一定の屈折率を有するセラミック材料を使用すると、この体積散乱の原因を低減することができる。高密度セラミックが製作されると、多結晶ＹＡＧの使用が、粒子サイズを制御したＰＣＡより、通常さらに散乱を低減することになる。これは２０％を上回る真のインライン透過測定値（ＲＩＴ）をもたらすことができる（これは好ましい）。ここで、ＲＩＴは、単色波長の入射光を用いて厚さ０．８ｍｍの供試体を約０．５°の開口角にわたって測定したものである。本発明で使用される等方性の物理的性質を有する好ましい非常に高密度の多結晶セラミック発光管材料のＲＩＴは、好ましくは２０％を上回り、より好ましくは３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、または８０％を上回る。前照灯用途に、低体積散乱の多結晶ＹＡＧを使用することの向上した利益が図４に示されており、この図は、前照灯システムにおける様々な寸法の研磨ＹＡＧ発光管の性能を、同じシステムにおける石英発光管の性能の百分率として示す。
単結晶セラミック材料から作製された発光管は、実質的に体積散乱位置を含まず、完全に高密度であって、粒界を含まないはずなので、光透過発光管の材料に有効であり得る。サファイアまたは単結晶ＹＡＧなど、可視光線透過性のあらゆる単結晶セラミックは、セラミック光透過性発光管の材料として使用することができる。サファイアセラミック発光管を使用して、半透明のＰＣＡ発光管に対してＭＢＣＰの約２０％の向上を達成できることが示されている。図８は、前照灯システムにおける様々な寸法の研磨サファイア発光管のＭＢＣＰ性能を、同じシステムにおける石英発光管の性能の百分率として示す。
管２８、４０の光が通過するところ（内側面および外側面の両方）の表面粗さは、セラミック多結晶の下部構造（表面での粒子のランダム配向を含み得る）ならびに形成および処理からくる表面形状のアーチファクトによってもたらされ、表面粗さは、アーク像を歪める表面での光散乱の原因になり得て性能に有害である。表面粗さは、表面フィーチャの高さの算術平均寸法であるＲａ値によって表すことができる。Ｒａ値を低減すること、したがって表面粗さを低減すること、したがって表面散乱を低減することが望ましく、性能を改善する。光が発光管から出る際に通過するセラミック管２８、４０の内側面および外側面のＲａ値は、好ましくは５００、４００、３００、２００、１５０、１２０、１１０、１００、８０、７５、７０、６０、５０、４０、３０、２５、２０、１０または５ｎｍ未満である。表面の形状測定および透過測定は、様々な表面粗さレベルに研磨されたＹＡＧディスクから得られ、Ｒａが７５ｎｍ未満の粗さレベルでかなりの透過損失（約１０％）が防がれることを示した。その測定では、Ｒａが０．７８ｎｍ、９．６０ｎｍ、６８．１１ｎｍ、１３６．４７ｎｍおよび１１７１．１７ｎｍの粗さレベルは、それぞれ８４．２２％、８３．８８％、７６．０２％、６３．９８％および１．１８％の透過百分率を有していた。光度測定がこれを後ろだてし、内側面および外側面の両方をＲａ＜１００ｎｍに研磨すると、研磨されていないＲａ＞３００ｎｍを有する表面と比較して、収集効率、すなわち発光管のエタンデュー（ｅｔｅｎｄｕｅ）制限測定システム内へ光を集束させるセラミック発光管内部の標準光源を使用して光学システムから収集された光を、広いエタンデュー範囲にわたって５〜２０％改善することができることを示す。光学的光線追跡モデリングが、この改善は、一般的な前照灯反射システムで、ＩＤ＝２．０ｍｍかつ壁厚＝０．４ｍｍの自動車用ＨＩＤ前照灯用途の一般的なＰＣＡ管の場合、集束した輝点の輝度における５〜１０％の向上およびフルビーム出力における２〜４％の向上に繋がることを示す。図５は、標準的な前照灯システムにおいて、研磨ＰＣＡ発光管のＭＢＣＰ性能を石英発光管との比較で示す。
管２８および４０の表面は、研磨する表面と強く接触させられる研磨剤粒子を使用する機械研磨法、または表面欠陥を溶解するかまたは除去することができる酸または溶剤を使用する化学研磨法など様々な機械研磨法、化学研磨法、および他の研磨法によって、滑らかにするかまたは研磨してＲａ値を低減することができる。ＰＣＡなどの固いセラミックを研磨する有効な機械研磨法は、変動磁場を使用して回転される溶液中に浮遊した研磨剤の磁粉を使用するものである。研磨剤粒子を表面に接触させる力が、外部との物理接触を必要とせずに磁気的に加えられるので、この方法は、小さな形状または複雑な形状の内側面を研磨するのに非常に有効である。磁気研磨法は、当技術で知られている。Yamaguchi and Shinmura, “Study on a New Internal Finishing Process by the Application of Magnetic Abrasive Machining”, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Vol. 60, No. 578,1994を参照されたい。セラミック発光管を製作するために採用されたセラミックの形成方法／処理方法が、自由表面かさもなければ非常に滑らかな表面を使用して発光管の内側面を形成する場合、セラミック発光管の内側面は、製造中に１００ｎｍ未満のＲａを与えられ得る。セラミック発光管の外側面を研磨するための方法が簡単かつ柔軟なものになるので、これは有効なはずである。
本発明のセラミック発光管は、自動車のＨＩＤ前照灯、ビデオの映写用電球、医療ランプ、展示照明、光ファイバ照明、および、散乱光が望ましくなく十分にコントロールされたビームパターンが望まれる他の用途で、あるいは光源の有効サイズの縮小によって光学システムの寸法または重量またはコストを低減することができる用途で、特に有効である。
本発明が、好ましい実施形態を参照しながら説明されてきたが本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされ得ること、および本発明の諸要素が等価物で置換され得ることが当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況または材料を適合させるために、多くの変更形態が作製され得る。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良の様式として開示された特定の実施形態に限定されるのでなく、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むように意図されている。
Claims (14)
- 多結晶アルミナセラミック光透過管および一対の相隔たる電極を備え、前記セラミック光透過管が、（ａ）２．６ｍｍ未満の内径と、（ｂ）１．４ｍｍ未満の壁厚と、（ｃ）２０ミクロンを上回るかまたは５ミクロン未満の平均粒子サイズと、（ｄ）１００ｎｍ未満のＲａ値を有する内側面または外側面とから成る群から選択された２つ以上の特徴を有する高輝度放電ランプ用のセラミック発光管。
- 前記光透過管が、前記群から選択された３つ以上の特徴を有する請求項１記載の発光管。
- 前記光透過管が、前記群の４つの特徴全てを有する請求項１記載の発光管。
- 前記光透過管の第１の終端を少なくとも部分的に塞ぐ第１の脚体と、前記光透過管の第２の終端を少なくとも部分的に塞ぐ第２の脚体とをさらに備える請求項１記載の発光管。
- 内径２．６ｍｍ、壁厚１．８ｍｍ、アークギャップ４．２ｍｍの公称寸法を有するヨーロッパのＥＣＥ規格９９、ランプ型式番号Ｄ２の標準的な石英高輝度放電自動車前照灯と比べて、集束した輝点の輝度または総ビーム出力の少なくとも９０％を提供する請求項１記載の発光管。
- 請求項１記載の発光管および反射器を備える反射形ランプ。
- セラミック光透過管および一対の相隔たる電極を備え、前記セラミック光透過管が、非常に高密度で一般に等方性の多結晶のセラミックで作製され、前記セラミック光透過管が、（ａ）２．６ｍｍ未満の内径と、（ｂ）１．４ｍｍ未満の壁厚と、（ｃ）２０％を上回る真のインライン透過（ＲＩＴ）と、（ｄ）１００ｎｍ未満のＲａ値を有する内側面または外側面とから成る群から選択された２つ以上の特徴を有する高輝度放電ランプ用のセラミック発光管。
- 前記セラミック光透過管が、ＹＡＧ、イットリア、スピネルまたはＡｌＯＮで作製される請求項７記載の発光管。
- 前記光透過管が、前記群から選択された３つ以上の特徴を有する請求項７記載の発光管。
- 前記光透過管が、前記群の４つの特徴全てを有する請求項７記載の発光管。
- セラミック光透過管および一対の相隔たる電極を備え、前記セラミック光透過管が、（ａ）２．６ｍｍ未満の内径と、（ｂ）１．４ｍｍ未満の壁厚と、（ｃ）１００ｎｍ未満のＲａ値を有する内側面または外側面とから成る群から選択された２つ以上の特徴を有する高輝度放電ランプ用のセラミック発光管。
- 前記セラミック光透過管が単結晶セラミック光透過管である請求項１１記載の発光管。
- 前記単結晶セラミックがサファイアまたは単結晶ＹＡＧである請求項１２記載の発光管。
- 前記光透過管が、前記群の３つの特徴全てを有する請求項１１記載の発光管。
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