JP2009517851A - 無水銀ハロゲン化金属放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】改良された無水銀ハロゲン化金属放電ランプを提供する。
【解決手段】ハロゲン化金属放電ランプ（１０）が、ランプ本体（１１）と、この本体（１１）の内部に形成されたチャンバ（１４）とを備える。１対の電極（１５）および（１６）が、チャンバ（１４）の中へ延び、相互から離間された電極先端（１５Ａ）および（１６Ａ）を有する。可視光を生成するプラズマを発生させる放電媒体組成物がチャンバ（１４）の内部に封入される。この組成物は、希ガスと、光束を発生させる第１のハロゲン化金属と、望ましいランプ動作電圧を生成する第２のハロゲン化金属と含む。この組成物は、チャンバ（１４）の内部封入された、元素形態にあり、かつ第１のハロゲン化金属または第２のハロゲン化金属に由来しない金属も含みうる。第２のハロゲン化金属は、望ましいランプ電圧を生成する目的のために水銀の代用物としての役目を果たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに関する。さらに具体的には、本発明は石英またはセラミックハロゲン化金属放電ランプに関する。

典型的なハロゲン化金属放電ランプ１０が図１に例示されており、本体１１と、本体１１に一体に取り付けられた第１の脚部１２および第２の脚部１３とを具備する。各脚部１２および１３が、本体１１の対向側から延びる。脚部１２および１３ならびに本体１１は通常、石英−材料またはアルミナ系セラミック材料（例えば、多結晶アルミナ、サファイヤ、またはイットリウムアルミナガーネット）から製造される。第１の電極１５および第２の電極１６は、第１の脚部１２および第２の脚部１３のそれぞれを貫通し、ランプ１０の本体１１の中に形成されたチャンバ１４の中で終わる。電極の先端１５Ａおよび１６Ａは、チャンバ１４の内部で約１ｍｍから約２０ｍｍの範囲にわたる所定の距離に離間されて、電極先端１５Ａと１６Ａとの間にアーク領域を形成する。チャンバ１４の容積は、典型的に約０．０１ｃｃから約３ｃｃの範囲内である。チャンバ１４は、チャンバから遠位の脚部１２および１３の端部において圧力下で封止される。

チャンバ１４が封止される前に、不活性ガス、ハロゲン化金属ドーズ、および水銀を含む組成物が、制御された気圧の下で放電ランプのチャンバの中に注入されかつ封入される。ハロゲン化金属ドーズは典型的に、ヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムとのような、またはヨウ化ナトリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ジスプロシウム、ヨウ化ホルミウムとヨウ化ツリウムのようなハロゲン化金属の組合せである。ハロゲン化金属は発光元素としての役目を果たす。水銀は青色域における放電ランプの発光されたスペクトルにわずかに寄与するが、それは主として、電圧を望ましい値に高めるためにアーク領域における電気抵抗を増大させる役目を果たす。電圧を望ましい値に高めることは、２つの効果、すなわち、１）ランプ動作電流が、より適切なルーメンの維持およびランプ寿命のために、電極の腐食を最小限にするように低い値に維持されうること、および２）より適切なランプ効率のために端部損失を最小限にすること、を有する。高輝度放電ランプに望ましい動作電圧は、ランプの種類および所望の電力に応じて、電流が約０．２アンペアから約３．５アンペアまでに維持されうるように、典型的には７０Ｖから１５０Ｖである。

電力が電極に供給されるとき、電気アークが電極先端１５Ａと１６Ａとの間で衝突して、チャンバ１４の内部でプラズマ放電を引き起こす。最初にアーク放電が、約７０００Ｋの温度に達する希ガス（典型的にはアルゴンまたはキセノン）によって引き起こされる。アーク放電はチャンバ１４を加熱して、その温度を約１０００°Ｋ以上の温度に上昇させる。次いで、水銀およびハロゲン化金属ドーズが蒸発し始める。ランプは、この予熱段階の後で定常動作状態に達し、そこでプラズマ放電は、希ガス原子（アルゴンまたはキセノン）と、Ｈｇ原子およびイオンと、ハロゲン化金属ドーズに由来する金属原子および分子ばかりでなくそれらのイオンおよび電子との混合物になる。プラズマ放電の温度は、典型的には約１０００°Ｋから約６０００°Ｋの範囲にわたりうる。

ランプ電圧は、アークを形成するガス混合物の導電率に強く依存する。典型的なＨＩＤランプでは、水銀が、ある一定の望ましいランプ動作電圧を維持することによって緩衝ガスとしての役目を果たす。水銀は、その相対的に低い導電率（それは、原子密度（または蒸気圧）、電子密度（またはイオン化エネルギー）、およびいわゆる緩衝ガスに関する電子−原子運動量移転断面積を含めて、幾つかのパラメータの関数である）の故に望ましい電圧を実現することができる。

水銀は、緩衝ガスとして、アーク領域に十分な電気抵抗を与え、したがって望ましいランプ電圧を与えるのに足りる高い電子−原子運動量移転断面積および高い蒸気圧を有する。電子とハロゲン化金属化合物との間の衝突は金属原子の励起を引き起こし、それは光子エネルギーを可視スペクトル範囲内の光の形態で放出する。

水銀の有効性にも関わらず、この金属の使用には欠点が存在する。もっとも注目すべきことに、水銀は非常に毒性があり、健康および環境上の懸念をもたらす。すべての製品で水銀の使用を制限するか、または幾つかの場合では排除する法規および法令が、世界中で採択および／または提案されてきた。したがって、高輝度放電ランプで光を発生させる目的のために、水銀と同様の特性を有する他の元素または化合物によって水銀を置き換えようとする努力が注がれている。

石英ランプにおいてハロゲン化金属添加剤のヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）およびヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ３）が存在する下で、ヨウ化亜鉛が水銀の代用物として開示されている。しかし、スカンジウムは、次世代の自動車用前照灯で使用されるべき封入材料であるアルミナ系セラミックに対してアグレッシブでありかつ反応性がある。

ヨウ化ジスプロシウムおよびヨウ化ネオジムのような希土類ハロゲン化金属が、石英ランプにおける水銀の代用物である第２のハロゲン化金属と組み合わせて、ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ３）の代用物として開示されている。第２のハロゲン化金属には、ヨウ化アルミニウム、ヨウ化鉄、ヨウ化亜鉛、ヨウ化アンチモン、ヨウ化マンガン、ヨウ化クロム、ヨウ化ガリウム、ヨウ化ベリリウム、およびヨウ化チタンが含まれる。

本発明では、発光添加剤としての１つまたは複数の希土類ハロゲン化金属、ヨウ化ナトリウム、およびヨウ化タリウムと組み合わせた、水銀の代用物としての、限定するものではないがヨウ化亜鉛を含めて、ハロゲン化金属の様々な組合せが、セラミックハロゲン化金属ランプの中で組み合わされかつ試験された。これらの化合物の性能は、発光元素としての希土類ハロゲン化金属、ヨウ化ナトリウム、およびヨウ化タリウムの同じ組合せと組み合わされた水銀の組成物を有するハロゲン化金属セラミックランプと比較された。実験的な試験によって裏付けられた理論的計算は、水銀代用物ハロゲン化金属が、アーク領域内部で金属原子および自由ヨウ素原子に解離し、自由ヨウ素原子の高い圧力を引き起こすことを証明した。ヨウ素は、非常に電気的陰性であることが知られている。すなわち、アーク領域内部の自由電子はヨウ素原子に相対的に結びつきやすく、ヨウ素の陰イオンを生み出す。この効果は、アーク領域内部の電子密度の大幅な低減を引き起こす。しかも、ヨウ素は希土類金属と反応して安定した化合物、すなわち、ヨウ化ジスプロシウムを形成し、これは希土類金属原子（発光化学種）の密度の低減を引き起こす。自由ヨウ素の高い圧力によって引き起こされた電子密度および発光化学種原子（希土類）の低減は、可視域での放射電力量（ランプルーメン）を低減させることによってランプ性能にマイナスの様態で直接影響する。

ＺｎＩ_２ドーズのランプにおけるヨウ素およびヨウ素陰イオンの圧力は、水銀ドーズのランプにおけるよりも殆ど１桁大きい。これは、アーク領域における電子密度ばかりでなく発光原子密度も、例えば、水銀ランプにおけるよりもＺｎＩ_２ドーズのランプにおける方が大幅に低いことを意味する。正味効果は、電子および発光原子が発光金属原子の励起状態を創出する役割を担うので、ルーメンの低減である。
米国特許第６，８７３，１０９号公報 米国特許第６，８５３，１４０号公報 米国特許第６，８１５，８９４号公報 米国特許第６，５２８，９４６号公報 米国特許第６，３５３，２８９号公報 米国特許第４，９９２，７００号公報 米国特許出願公開第２００３／０２０９９８６Ａ１号公報 欧州特許出願公開第１３５１２７６Ａ２号公報 国際公開第２００４／０２３５１７号パンフレット

本発明は、無水銀ハロゲン化金属放電ランプおよび／または同ランプの組成に関する。

この放電ランプは、発光放電を引き起こす第１のハロゲン化金属と、水銀の代用物としてランプ電圧を生成する第２のハロゲン化金属とを有する放電媒体組成物を含む。１つの実施形態では、この組成物は、第１のハロゲン化金属または第２のハロゲン化金属のいずれにも由来しない金属も純粋な形態で含有する。

放電ランプの動作中、第１および第２のハロゲン化金属が解離してハロゲン原子および金属原子を生成する。第１のハロゲン化物の金属原子はランプの望ましい光出力を与え、第２のハロゲン化物の金属原子は望ましいランプ電圧を与える。第２のハロゲン化物のハロゲン原子の一部は、電子に結びついて陰イオンを形成し、別の一部は、第１のハロゲン化物の金属と反応する。この現象は、衝突に利用可能な電子および第１のハロゲン化金属原子がより少なくなり、より低いルーメン出力をもたらすので、低減したルーメン量をもたらす。純粋な形態の過剰な金属はハロゲンを引き付け、すなわち、ハロゲンと反応して、ランプの動作中に光束を発生させる形態で、電子および第１のハロゲン化金属を利用可能にする。換言すれば、純粋な形態の過剰な金属は、過剰なハロゲン自由原子の「ゲッター」としての役目を果たす。

上で簡単に記述された本発明のより詳細な説明が、添付の図面に例示される本発明の特定の実施形態を参照することによって供される。これらの図面は本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎず、したがってその範囲を限定しているものと考えられるべきではないという理解の下に、本発明が、添付の図面を使用することによって、さらに具体的かつ詳細に記述および説明される。

無水銀高輝度ハロゲン化金属放電ランプに関する本発明は、希ガス（例えば、ＡｒまたはＸｅ）と、光スペクトルの望ましい領域内にありかつ望ましいルーメン量を有する光を放出する発光元素または添加剤としての第１のハロゲン化金属とを含む放電媒体を包含する。この媒体は、ランプの望ましい動作電圧を維持するために、水銀に取って換わる第２のハロゲン化金属も含む。放電ランプ構造は、図１に例示されかつ先に説明された放電ランプの典型的な要素を備える。

１つの実施形態では、本発明は、放電ランプの動作中に生成されるハロゲンおよび／またはハロゲンイオンと反応性のある金属も含む。上で言及された、希ガス、第１のハロゲン化金属、および第２のハロゲン化金属の放電媒体を封じ込める放電ランプの動作中に、両方のハロゲン化金属の分子が、アーク領域内部で金属原子およびハロゲン原子に解離する。自由ハロゲン原子の最大部分は、第２のハロゲン化金属、すなわち、電圧押上げ物質ハロゲン化物の解離に由来することが突き止められている。ハロゲン化金属の解離から生じたハロゲン原子は、第１のハロゲン化金属の金属と反応して、光を生成するために必要な光子を放出できないかまたは放出することがない安定した分子化合物を形成し、それによってランプのルーメン出力を低減させる。

図１に例示されたランプと同様な構造を有し、自動車用前照灯に使用されたセラミックハロゲン化金属ランプを代表する放電ランプが、放電媒体の様々な組成を使用して試験された。放電ランプは、多結晶アルミナ（ＰＣＡ）セラミックから製造されたアーク管を有する７０ワット（７０Ｗ）セラミックハロゲン化金属ランプであった。放電ランプのチャンバ容積は、０．２８立方センチメートル（ｃｃ）であり、電極先端間の距離は７ミリメートル（７ｍｍ）であった。電極は、電極先端を形成した、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）を含む導電性金属の組合せから構成された。しかし、本発明の放電媒体は、石英、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、もしくはサファイヤのような他の材料から製造されたランプ、または異なるサイズのランプで使用されうる。例えば、この放電媒体は、一般的な照明に使われた、約０．０１ｃｃから約３ｃｃの範囲にわたる容積を有するランプで使用されてもよく、電極先端間の距離が約１ｍｍから約２０ｍｍの範囲にわたってもよく、ワット数が約２０ワット（２０Ｗ）から約４００ワット（４００Ｗ）の範囲にわたってもよい。自動車またはビデオで使用するような光学的用途では、ランプチャンバの容積が、約０．０１ｃｃから約０．１ｃｃの範囲にわたってもよく、電極先端間の間隔が約１ｍｍから約６ｍｍの範囲にわたってもよい。

試験されたランプは、発光物質としての役目を果たす第１のハロゲン化金属の同じ分量と、電圧「押上げ物質」または水銀代用物としての役目を果たす第２のハロゲン化金属の様々な組合せおよび分量とを使用する放電ランプを含んだ。これらの試験は、第２のハロゲン化金属のドーズの種類、分量、密度、および組成、ランプ動作電流、ならびに電力のような様々な要因を考慮して、ランプ動作電圧およびルーメンの観点でランプの性能を監視した。これらの試験結果は、電圧押上げ物質として水銀を含んだ標準的なセラミックハロゲン化金属ランプ（Ｈｇ−ＣＭＨランプ）に対して行われた同様の試験と比較された。試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨランプは共に、発光元素または第１のハロゲン化金属の同一の組合せおよび分量ばかりでなく、希ガスの分量または圧力も含んだ。さらに具体的には、すべてのランプは、ＮａＩならびに希土類ハロゲン化金属ＴｌＩ、ＤｙＩ_３、ＨｏＩ_３、およびＴｍＩ_３ばかりでなく、２００トールのＡｒも含んだ。第１のハロゲン化金属は、１つまたは複数の発光元素または添加剤を指すべきである。１つの実施形態では、発光元素の合計ドーズは、６６．８重量パーセントのＮａＩ、９．２重量パーセントのＴｌＩ、１２重量パーセントのＤｙＩ_３、６重量パーセントのＨｏＩ_３、および６重量パーセントのＴｍＩ_３を含めて、１０ｍｇ、または約３６ｍｇ／ｃｃを含む。しかし、ドーズ比率、分量、または化合物は、使用された放電ランプの種類に従って異なりうることを当業者は理解しよう。さらには、すべてのランプが２００トールでチャンバの中に封入された不活性ガスアルゴンを封じ込めた。ランプ中のアルゴンの圧力は、約１００トールから約３００トールの範囲にわたりうる。

試験を行う前に、水銀に匹敵する特性、すなわち、高い蒸気圧（または高い原子密度）、高いイオン化エネルギー（または低い電子密度）、および大きな電子−原子運動量移転断面積を有する様々なヨウ化金属が選択された。様々なヨウ化金属の蒸気圧は、自動車のセラミックハロゲン化金属ランプ用の１２００°Ｋコールドスポット温度に関して計算された。蒸気圧を計算するために選択されたパラメータは、試験で使用された特定の放電ランプによって決まったが、これらのパラメータは、試験されるべき放電ランプの種類に応じて異なりうる。さらには、許容可能なハロゲン化金属を提供するために、臭素および塩素のような他のハロゲンが使用されてもよい。

水銀に取って換わる候補として選択されたこれらのハロゲン化金属は、１２００°Ｋのコールドスポット温度で、少なくとも１気圧の蒸気圧と少なくとも６ｅＶのイオン化エネルギーとを有するハロゲン化金属を含んだ。これらの選択された金属には、亜鉛、アルミニウム、インジウム、ガリウム、ジルコニウム、ハフニウム、アンチモン、ニッケル、チタン、鉄、マグネシウム、銅、およびベリリウムが含まれた。ハロゲン化金属化合物の最低蒸気圧または最小イオン化エネルギーのような選択パラメータは、試験または使用されたランプの種類に従って異なることになる。

動作電圧およびルーメンの観点における試験ランプの性能が、許容可能な電流における許容可能な電圧およびルーメンの維持という観点で、ハロゲン化金属水銀代用物のどれが水銀に匹敵する性能を発揮したかを判定するために、Ｈｇ−ＣＭＨランプの性能と比較された。

下の表Ｉは、Ｈｇ−ＣＭＨランプの電力域と同様の約６６ワットから約７１ワットまでの電力域内で動作した試験ランプの性能を示すサンプル試験ランプのドーズ量および試験結果を含む、ヨウ化金属の一覧表である。

例として、Ｈｇ−ＣＭＨランプは、４．４ｍｇドーズの水銀を含み、６６ワットの電力で動作し、６９ボルトの電圧を生成し、８４ルーメン毎ワットの効率を維持した。試験ランプ６６０は、第２のハロゲン化金属水銀代用物として４．３ｍｇドーズ量のヨウ化インジウム（ＩｎＩ_３）を含んだ。試験ランプ６６０は、６７．１５ワットの電力で、３９ワットの電圧および４６ルーメン毎ワットの効率を維持した。

試験ランプ６２９は、第２のハロゲン化金属水銀代用物として３．８ｍｇドーズ量のＺｎＩ_２および３．５ｍｇドーズ量のＡｌＩ_３を含んだ。この試験ランプは、６９ワットで動作し、４９ボルトの動作電圧および４８ルーメン毎ワットの効率を生成した。

ＭｇＩ_２、ＳｎＩ_４、ＣｕＩ、ＳｂＩ_３、ＦｅＩ_３、またはＮｉＩ_２を含む試験ランプは、水銀の許容可能な代用物としての役目を果たすほどに十分に高い電力でルーメン出力を生成するようには動作しなかった。

第２のハロゲン化金属の分量または密度を増大すると、確かにランプ動作電圧を増大する助けにはなるが、必ずしも試験放電ランプのルーメン毎ワットを増大することにはならないことが判明した。実際に、第２のハロゲン化金属の分量に伴って電圧が増大すると、ルーメンが低下した。表ＩＩでは、試験結果は、各々が異なる分量のＧａＩ_２を封じ込める８個の試験ランプに関して列挙されている。

表ＩＩに示されているように、第２のハロゲン化金属水銀代用物として４．０ｍｇドーズのＧａＩ_２または１６．２ｍｇ／ｃｃの密度を有する試験ランプ５８１は、３７ルーメン毎ワットという最高ルーメン出力を生成した。試験ランプ５８２は、４．５ｍｇドーズのＧａＩ_２を封じ込め、ルーメン出力は３５ルーメン毎ワットにわずかに降下した。ルーメン出力は、６．２ｍｇドーズまたは２２．３ｍｇ／ｃｃのＧａＩ_２を封じ込めた試験ランプ５６７ではより大幅に降下して、３０ルーメン毎ワットを生成した。行われた試験に基づいて、第２のハロゲン化金属水銀代用物のドーズ量は、約１ｍｇ／ｃｃから約１００ｍｇ／ｃｃの範囲にわたり、ハロゲン化金属放電ランプの動作に十分な電圧およびルーメンを生成しうることが測定された。ドーズ量の好ましい範囲は、約５ｍｇ／ｃｃから約２０ｍｇ／ｃｃであり、好ましいドーズ量は約１８ｍｇ／ｃｃである。

試験ランプはＨｇ−ＣＭＨランプほど高いルーメン出力を生成しなかったけれども、ランプチャンバのコールドスポット温度を上昇させると、ルーメンを増大させることができる。これは、チャンバの幾何学的形状の変更、すなわち、チャンバの長さ、直径、および／もしくは容積の低減によって、および／または発光ハロゲン化金属（第１のハロゲン化物）のドーズに関するパラメータを変更することによって達成されうる。コールドスポット温度を上昇させることによって、第１ハロゲン化金属および第２のハロゲン化金属の両方のチャンバ内部蒸気圧が増大可能であり、ルーメン出力の増大につながる。同様に、発光ハロゲン化金属元素の適切なドーズ種類および組成の選択がルーメンを向上させうる。

上で説明された試験に加えて、ヨウ素、ヨウ素陰イオン、電子、ジスプロシウム化学種に関する分圧が、ハロゲン化金属（ＺｎＩ_２）試験ランプおよび標準Ｈｇ−ＣＭＨランプに関して、約１０００°Ｋから約６０００°Ｋにわたる温度範囲で計算された。これは、温度が測定されるアーク領域内部の箇所に応じる、アーク領域の動作温度範囲である。図２では、ランプチャンバ内部のヨウ素の圧力が、ランプチャンバ内部の温度に対してグラフに描かれている。上で留意されたように、ランプ中のハロゲン化金属水銀代用物はＺｎＩ_２であった。ヨウ素圧力は、水銀Ｈｇ−ＣＭＨランプと比較して、ＺｎＩ_２試験ランプでは実質的にかつ一貫して高い。

同じように、ＺｎＩ_２試験ランプのチャンバ中のヨウ素陰イオンの分圧は、Ｈｇ−ＣＭＨランプにおけるよりも高かった。図３では、ランプチャンバ内部のヨウ素陰イオンの分圧が、ランプチャンバ内部の温度に対してグラフに描かれている。ヨウ素陰イオン分圧は、約３０００°Ｋから約６０００°Ｋまでの温度では、水銀Ｈｇ−ＣＭＨランプと比較して、ＺｎＩ_２試験ランプにおける方が一貫して高い。

試験ランプ中の増大したヨウ素分圧は、ＺｎＩ_２が解離すると、ヨウ素の生成が行われ、その後にヨウ素陰イオンの生成が行われる。ヨウ素の高い電気的陰性の性質を前提として、電子分圧が約３０００°Ｋから約６０００°Ｋまでの温度範囲で計算された。図４は、ランプチャンバ内部の温度に対する電子分圧を描くグラフである。ＺｎＩ_２試験ランプ中の電子圧力は、Ｈｇ−ＣＭＨ試験ランプの電子圧力よりも一貫して低い。ヨウ素はアーク領域内の電子を引き付け、それによって第１のハロゲン化金属の金属（発光元素）を励起するためにアーク領域内で利用可能な電子の数を減少させることが結論付けられた。これは、ハロゲン化金属水銀代用物試験ランプの低減したルーメン出力をもたらした。

さらには、この温度範囲内でジスプロシウム化学種の分圧が計算された。このような高い温度では、ヨウ化ジスプロシウムがヨウ化亜鉛と同様に解離する。ヨウ素はジスプロシウム原子と反応して、光を放出しないかまたはジスプロシウム原子ほど光を放出しない、より安定したＤｙＩ、ＤｙＩ_２、およびＤｙＩ_３分子を形成する。図５および６では、ジスプロシウム化学種の分圧が、ハロゲン化金属試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨ試験ランプに関して約１０００°Ｋから約６０００°Ｋまでの温度範囲内で計算された。図５および６に示されているように、例えば、４０００°Ｋでは、ＺｎＩ_２試験ランプ中のジスプロシウムの分圧は、Ｈｇ−ＣＭＨ試験ランプにおけるよりも実質的に低い。対照的に、その同じ温度で、ＤｙＩ_３、ＤｙＩ_２、およびＤｙＩの分圧が、Ｈｇ−ＣＭＨランプにおけるよりもＺｎＩ_２試験ランプにおける方が実質的に高い。

ＺｎＩ２ランプ中の発光元素の分圧の低減に対する自由ヨウ素の高い圧力の効果が、本明細書でジスプロシウムに関して例示されたが、同じ効果は、他の発光元素、すなわち、ナトリウム、タリウム、ホルミウム、およびツリウムでも見られた。

電子および発光元素の圧力および／または量の低減におけるヨウ素およびヨウ素陰イオンの効果を克服するために、金属が、その純粋な形態で（ハロゲン化金属ではなく）、ハロゲン化金属試験ランプの放電媒体組成に追加された。例えば、亜鉛がヨウ化亜鉛ドーズと共に含まれた。追加された他の金属には、アルミニウム、ガリウム、およびインジウム、またはこれらの金属の２つ、３つ、もしくは４つの組合せが含まれた。下の表ＩＩＩは、水銀代用物としてのヨウ化亜鉛のドーズと、亜鉛のドーズとを含んだサンプル試験ランプを列挙する。同じドーズ量にある同じ発光元素（第１のハロゲン化金属）が、すべての他の試験ランプにおける場合と同様に、これらの試験ランプにおいて使用された。さらには、アルゴンも同じ圧力でチャンバの中へ注入された。

亜鉛のドーズ量は、ヨウ化亜鉛と組み合わされるとき、約４ｍｇから約１４．５ｍｇまでの範囲にわたったが、異なる分量の亜鉛、他の金属、および組合せが、１つまたはハロゲン化金属水銀代用物と組み合わせて利用可能である。

Ｈｇ−ＣＭＨランプと同様の電圧で、または約６５ワットから約７１ワットの範囲内で動作したこれらの試験ランプの試験結果が、ハロゲン化金属水銀代用物を有するその他の試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨランプの試験結果と比較された。下の表ＩＶは、１つまたは複数のハロゲン化金属水銀代用物のドーズと組み合わせた金属ドーズを有するサンプル試験ランプを列挙する。亜鉛が「ヨウ素コレクター」として追加された。すなわち、利用可能なヨウ素およびヨウ素イオンと反応してモノヨウ化亜鉛および他のヨウ化亜鉛化学種を形成する亜鉛であり、それによって、ヨウ素原子のかなりの部分が、発光放電の生成に利用可能な第１のハロゲン化金属の自由電子および金属原子を収集すること、またはそれらと反応することを防止する。

過剰な金属を有する試験ランプは、許容可能な電流でより高い電圧およびルーメン値を一貫して生成した。金属のドーズを含まないハロゲン化金属水銀代用物ドーズを有するこれらの試験ランプに関する最高のルーメン出力は、試験ランプ６２９からであった。この試験ランプは、それぞれに３．８ｍｇおよび３．５ｍｇのドーズ量のＺｎＩ_２とＡｌＩ_３との組合せを含んでいた。ルーメン出力は４８ルーメン毎ワットであったが、電圧は相対的に低い４９ボルトであった。このような試験ランプの最高電圧出力は、試験ランプ５６５からであった。このランプは、水銀代用物として１１．２ｍｇドーズのＧａＩ_２を含み、７９ボルトの電圧を生成したが、ルーメンは相対的に低い１９ルーメン毎ワットであった。

比較では、試験ランプ６７７が、１３．５ｍｇドーズのＺｎおよび６．１ｍｇドーズのＺｎＩ_２を含んでいた。このランプは、７５ボルトの電圧および５５ルーメン毎ワットのルーメンを生成した。実際に、１つまたは複数の第２のハロゲン化金属のドーズ量と組み合わせた亜鉛のドーズ量を含んだ試験ランプ６９５および７０５の各々は、第２のハロゲン化金属と組み合わせた過剰な金属を含まない試験ランプよりも、高い電圧およびルーメンを生成した。チャンバ内の過剰な金属のドーズ量は、約１ｍｇから約１５ｍｇの範囲にわたりうるか、または約３．６ｍｇ／ｃｃから約７２ｍｇ／ｃｃの範囲にわたる密度を有しうる。好ましくは、過剰な金属のドーズ量が約２ｍｇから約５ｍｇの範囲にわたりうるか、または密度が約７．２ｍｇ／ｃｃから約１８ｍｇ／ｃｃの範囲にわたりうる。

ジスプロシウムに関する分圧は、１０００°Ｋから６０００°Ｋの温度範囲内で計算された。図７では、チャンバ内部の温度に対するジスプロシウムの圧力を描くグラフが示されている。このグラフは、選択された温度範囲内で、過剰な亜鉛を有する試験ランプのジスプロシウム分圧が、金属を含まない試験ランプよりも一貫して高かったことを示している。より多くのジスプロシウムが発光元素として利用可能であり、それによってより高いルーメン値をもたらした。したがって、亜鉛、アルミニウム、ガリウム、またはインジウムのハロゲン化金属は、ハロゲン化金属放電ランプ中の水銀の許容可能な代用物としての役目を果たしうることが判明した。発光放電用に発光元素および電子を利用可能にするために、ランプの動作中に生成されるハロゲンまたはハロゲンイオンと反応性がある金属を追加すると、ランプの効率が向上する。

一般に照明に使用された殆どの水銀セラミックハロゲン化金属は、典型的に電流正弦波形を生成する安定器を使って動作する。試験ランプがセラミックハロゲン化金属ランプのレプリカであるので、使用された安定器は電流正弦波形を生成した。試験ランプは、電流正弦波形を利用して安定した様態で動作できないか、または全く動作できないことが判明した。殆どのランプは、動作後に約３０秒から約１分で消えた。

再点火電圧は、電流正弦波形では高すぎた。これは、ハロゲンの高い圧力およびその電気的陰性効果によるものであった。ＡＣ電流波形ではいずれも、印加された電流が極性変化時にゼロを通過し、それによってプラズマ温度および電子密度が大幅に低減される。極性変化の直後に、プラズマは再び「再点火」し、電子密度が再び高められる。この現象は通常、「再衝突電圧」と呼ばれているスパイクを有するランプ動作電圧の波形に現れる。ヨウ素の高い圧力の存在下では、Ｈｇがハロゲン化金属ドーズによって代用される無水銀ランプの場合におけるように、電子密度は、ヨウ素の電気的陰性効果によって極性変化時にさらに低減される。これは、プラズマの「再点火」（それは極端に高い「再衝突電圧」スパイクにつながる）を困難にする。その正味効果は、正弦波形で動作する無水銀ランプが不安定であるか、またはそれが動作開始後に約３０秒から６０秒で消えることである。

本発明に関する研究で、この問題は、電流波形を正弦形から矩形に変更することによって解決されうることが判明した。図８Ａおよび８Ｂでは、第１の半周期および第２の半周期における最大電流の絶対値間の遷移時間が、正弦形の電流波形では矩形の電流波形よりもかなり大きい。例えば、６０Ｈｚの動作周波数では、この遷移時間が正弦形の波形に関して約８．３ミリ秒であり、矩形の波形に関して約５０マイクロ秒である。したがって、矩形波形では、遷移時間が大幅に削減されうる。そうすることによって、プラズマ温度が低下し、かつ電子が再結合する機会を得る時間が大幅に削減される。要約すると、無水銀ランプでは矩形波形を有する「再衝突電圧」が水銀ランプのそれに匹敵し、本発明に関する研究で試験された、矩形波形で動作したすべての無水銀ランプは、安定した様態で動作した。

本発明の好ましい実施形態が本明細書に示されかつ説明されたが、このような実施形態は例示として提供されているに過ぎないことが明白であろう。本明細書では本発明から逸脱することなく、数多くの変型、変更、および代用が当業者に想起されよう。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されることが企図されている。

ハロゲン化金属放電ランプの模式図である。 ハロゲン化金属試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨランプにおけるヨウ素の分圧を描くグラフである。 ハロゲン化金属試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨランプにおけるヨウ素陰イオンの分圧を描くグラフである。 ハロゲン化金属試験ランプおよびＨｇ−ＣＭＨランプにおける電子の分圧を描くグラフである。 ハロゲン化金属試験ランプにおけるジスプロシウム化学種の分圧を描くグラフである。 Ｈｇ−ＣＭＨランプにおけるジスプロシウム化学種の分圧を描くグラフである。 ＺｎＩ_２試験ランプ、過剰Ｚｎドーズ含有ＺｎＩ_２試験ランプ、およびＨｇ−ＣＭＨランプにおけるジスプロシウム原子の分圧を描くグラフである。 正弦波形電流のグラフである。 矩形波形電流のグラフである。

符号の説明

１０ ハロゲン化金属放電ランプ
１１ 本体（アーク管）
１２ 第１の脚部
１３ 第２の脚部
１４ チャンバ
１５ 第１の電極
１５Ａ 第１の電極先端
１６ 第２の電極
１６Ａ 第２の電極先端

Claims (35)

1. 無水銀ハロゲン化金属放電ランプ１０であって、
   封止されたチャンバ１４を有するアーク管１１と、
   前記チャンバ１４の内部に位置決めされ、相互から所定の距離に離間された電極先端１５Ａおよび１６Ａを有して前記先端間にアーク領域を形成する１対の電極１５および１６と、
   圧力下で前記チャンバ１４の内部に封入された不活性ガスと、
   光束を発生させる、前記チャンバ１４の内部に封入された第１のハロゲン化金属と、
   アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から成る群から選択された金属を有する、前記チャンバ１４の内部に封入された第２のハロゲン化金属と、
   元素形態にあり、かつ前記第１のハロゲン化金属または第２のハロゲン化金属に由来しない、前記チャンバ１４の内部に封入された金属と、
   を備える放電ランプ。
2. 前記第２のハロゲン化金属の前記金属は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から成る群から選択される、請求項１記載の放電ランプ。
3. 前記第１のハロゲン化金属は、ジスプロシウム、タリウム、ツリウム、プラセオジム、スカンジウム、セリウム、およびホルミウムから成る群から選択される金属を含む、請求項１記載の放電ランプ。
4. ヨウ化ナトリウムのドーズ量をさらに含み、前記第１のハロゲン化金属は、ヨウ化ジスプロシウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ツリウムと、ヨウ化ホルミウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化セリウム、ヨウ化プラセオジム、またはヨウ化ネオジムとの組合せを含む、請求項１記載の放電ランプ。
5. 前記第１のハロゲン化金属の前記ドーズ量は約３６ｍｇ／ｃｃであり、６６．８％のヨウ化ナトリウム、９．２％のヨウ化タリウム、１２％のヨウ化ジスプロシウム、６％のヨウ化ホルミウム、および６％のヨウ化ツリウムである各々の前記ハロゲン化金属の重量パーセントを含む、請求項１記載の放電ランプ。
6. ヨウ化ナトリウムのドーズをさらに含む、請求項１記載の放電ランプ。
7. 前記第１のハロゲン化金属のハロゲンは、ヨウ素、臭素、または塩素から成る群から選択される、請求項１記載の放電ランプ。
8. 前記第１のハロゲン化金属は、約５ｍｇ／ｃｃから約１００ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
9. 前記第１のハロゲン化金属は、約１０ｍｇ、または３６ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
10. 前記第２のハロゲン化金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約７２ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
11. 前記第２のハロゲン化金属は、約６ｍｇ／ｃｃから約１８ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
12. 前記金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約１８ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
13. 前記金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約５４ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１記載の放電ランプ。
14. 電流が、矩形波形を有する電流を生成する安定器から前記ランプ１０に供給される、請求項１記載の放電ランプ。
15. 無水銀ハロゲン化金属放電ランプ１０であって、
    封止されたチャンバ１４を有するアーク管１１と、
    前記チャンバの内部に位置決めされ、相互から所定の距離に離間された電極先端１５Ａおよび１６Ａを有して前記先端間にアーク領域を形成する１対の電極１５および１６と、
    前記チャンバ１４の内部に封入された不活性ガスと、
    光束を発生させる、前記チャンバ１４の内部に封入された第１のハロゲン化金属と、
    ランプ動作電圧を生成するために前記チャンバ１４の内部に封入された第２のハロゲン化金属と、
    前記ランプ光束を発生させるために、前記第２のハロゲン化金属から生成されたハロゲン原子またはイオンの一部と反応して、前記ハロゲン原子が、自由電子および前記第１のハロゲン化金属の前記金属と反応するのを防止する、前記チャンバ１４の内部に封入された金属と、
    を備える放電ランプ。
16. 前記不活性ガスは、アルゴンおよびキセノンから成る群から選択された１つまたは複数のガスである、請求項１５記載の放電ランプ。
17. 前記第１のハロゲン化金属は、希土類金属から成る群から選択された金属を有する、請求項１５記載の放電ランプ。
18. 前記第２のハロゲン化金属は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から成る群から選択された金属を含む、請求項１５記載の放電ランプ。
19. 前記第２のハロゲン化金属のハロゲンは、ヨウ素、臭素、および塩素から成る群から選択される、請求項１５記載の放電ランプ。
20. 前記第１のハロゲン化金属は、ジスプロシウム、タリウム、ツリウム、およびホルミウムから成る群から選択された金属を含む、請求項１５記載の放電ランプ。
21. ヨウ化ナトリウムのドーズをさらに含む、請求項１５記載の放電ランプ。
22. 前記第１のハロゲン化金属のハロゲンは、ヨウ素、臭素、または塩素から成る群から選択される、請求項１５記載の放電ランプ。
23. 前記第１のハロゲン化金属は、約５ｍｇ／ｃｃから約１００ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
24. 前記第１のハロゲン化金属は、約１０ｍｇ、または３６ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
25. 前記第２のハロゲン化金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約７２ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
26. 前記第２のハロゲン化金属は、約６ｍｇ／ｃｃから約１８ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
27. 前記金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約１８ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
28. 前記金属は、約３ｍｇ／ｃｃから約５４ｍｇ／ｃｃのドーズ量で前記チャンバ１４の内部に存在する、請求項１５記載の放電ランプ。
29. 電流が、電流矩形波形を生成する安定器物質から前記ランプ１０に供給される、請求項１５記載の放電ランプ。
30. 無水銀ハロゲン化金属放電ランプ１０であって、
    封止されたチャンバ１４を有するアーク管１１と、
    前記チャンバの内部に位置決めされ、相互から所定の距離に離間された電極先端１５Ａおよび１６Ａを有して前記先端間にアーク領域を形成する１対の電極１５および１６と、
    圧力下で前記チャンバ１４の内部に封入された不活性ガスと、
    光束を発生させる、前記チャンバ１４の内部に封入された第１のハロゲン化金属と、
    ランプ動作電圧を生成するために前記チャンバ１４の内部に封入され、アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から成る群から選択された金属を有する第２のハロゲン化金属と、
    ランプ電圧を生成するために前記チャンバ１４の内部に封入され、前記第１のハロゲン化金属の前記金属と同じではない、アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から選択された金属を有する第３のハロゲン化金属と、
    を備える放電ランプ。
31. 元素形態にあり、かつ前記第１のハロゲン化金属、第２のハロゲン化金属、または第３のハロゲン化金属に由来しない、前記チャンバ１４の内部に封入された金属をさらに含む、請求項３０記載の放電ランプ。
32. 無水銀ハロゲン化金属放電ランプ１０であって、
    封止されたチャンバ１４を有するアーク管１１と、
    相互から所定の距離に離間された電極先端１５Ａおよび１６を有して前記先端間にアーク領域を形成する１対の電極１５および１６であって、前記電極の各々が電力源と電流矩形波形を生成する安定器物質とに接続する、前記チャンバ１４の内部に位置決めされた１対の電極と、
    圧力下で前記チャンバ１４の内部に封入された不活性ガスと、
    光束を発生させる、前記チャンバ１４の内部に封入された第１のハロゲン化金属と、
    ランプ動作電圧を生成するために前記チャンバ１４の内部に封入された第２のハロゲン化金属と、
    を備える放電ランプ。
33. 元素形態にあり、かつ前記第１のハロゲン化金属または第２のハロゲン化金属に由来しない、前記チャンバ１４の内部に封入された金属をさらに含む、請求項３２記載の放電ランプ。
34. 前記第２のハロゲン化金属は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、および亜鉛から成る群から選択された金属を有する、請求項３２記載の放電ランプ。
35. 前記ランプ１０は自動車用前照灯として使用され、ランプ本体および脚部がセラミック材料から構成される、請求項３２記載の放電ランプ。

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