JP2010525505A - 高圧放電灯および高圧放電灯を備えた車両ヘッドランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、気密に閉鎖された放電管（１０）が設けられており、該放電管内に、複数の電極（１１，１２）、および、ガス放電を形成するためにイオン化される充填物が存在しており、該充填物は、水銀フリーであって、キセノンと、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛およびインジウムの金属ハロゲン化物とを有している、高圧放電灯に関する。本発明によれば、前記亜鉛のハロゲン化物および前記インジウムのハロゲン化物の重量比は２０〜１００の範囲であり、前記キセノンの冷間圧は１．３ＭＰａ〜１．８ＭＰａの範囲である。

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の高圧放電灯、ならびに、当該の高圧放電灯を備えた車両ヘッドランプに関する。

従来技術
こうした高圧放電灯は例えば欧州公開第１４６５２３７号明細書に記載されている。また、水銀フリーのイオン化可能な充填物としてヨウ化亜鉛およびヨウ化インジウムを有する高圧放電灯は、欧州公開第１４６５２３７号明細書に記載されている。ここでは、ヨウ化亜鉛およびヨウ化インジウムの重量比１２．５，キセノンの冷間圧１．１８ＭＰａ，放電管容積２４ｍｍ^３である。当該の高圧放電灯は車両ヘッドランプの光源として用いられる。

発明の開示
本発明の課題は、高い光束が維持され、長い耐用期間の得られる高圧放電灯を提供することである。

この課題は、請求項１に記載された特徴を有する高圧放電灯により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、気密に閉鎖された放電管が設けられており、当該の放電管内に複数の電極とガス放電を形成するためにイオン化される充填物とが存在しており、当該の充填物は、水銀フリーであって、キセノンと、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛およびインジウムを含む金属のハロゲン化物とを有している、高圧放電灯に関しており、亜鉛のハロゲン化物およびインジウムのハロゲン化物の重量比は２０〜１００の範囲であり、特に有利には５０であり、キセノンの冷間圧は１．３ＭＰａ〜１．８ＭＰａの範囲であることを特徴とする。

本発明の有利な実施例の高圧放電灯の側面図である。 従来技術の高圧放電灯と本発明の高圧放電灯とにおいて、駆動時間と光束の低下との関係を表したグラフである。 従来技術の高圧放電灯と本発明の高圧放電灯とにおいて、駆動時間と燃焼電圧の増大との関係を表したグラフである。 本発明の高圧放電灯において、駆動時間と発光される光の色座標のずれとの関係を表した図である。

本発明によれば、高圧放電灯の駆動時間の経過にともなう光束の低下および燃焼電圧の増大が低減されることが判明している。つまり、従来の高圧放電灯に比べて光束が良好に維持され、駆動時間が経過しても燃焼電圧の増大の程度が小さく、耐用期間の延長が期待される。また、本発明の高圧放電灯では、駆動中、発光される光の色座標のずれが小さい。特に、色座標は、図４の破線の囲みによって示されているＥＣＥ規則９９条にしたがった許容限界内でしか変動しない。図２，図３には、本発明の高圧放電灯と従来技術の高圧放電灯とについて、駆動時間の経過にともなう光束の低下および燃焼電圧の増大の様子が示されている。図４には、本発明の高圧放電灯につき、駆動時間３０００ｈにわたる色座標のずれの様子が示されている。

キセノンの冷間圧と亜鉛のハロゲン化物の重量成分とが高いことにより、本発明の高圧放電灯の燃焼電圧、すなわち、点弧フェーズの終了後の定常的な駆動状態において放電区間にわたってかかる電圧が調整される。インジウムのハロゲン化物の重量成分はきわめて小さく、発光される光の色座標の調整には寄与するが、燃焼電圧の調整にはほとんど寄与しない。インジウムハロゲン化物は、ナトリウムないしスカンジウムと同様に、主として発光に用いられる。

有利には、亜鉛のハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり０．８８μｇ〜２．６７μｇの範囲であり、インジウムのハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり０．０２６μｇ〜０．０８９μｇの範囲である。ハロゲン化物として、ヨウ化物、臭化物または塩化物が用いられる。

また有利には、ナトリウムのハロゲン化物の重量成分が放電管容積１ｍｍ^３当たり６．６μｇ〜１３．３μｇの範囲であり、スカンジウムのハロゲン化物の重量成分が放電管容積１ｍｍ^３当たり４．４μｇ〜１１．１μｇの範囲であることにより、本発明の高圧放電灯が色温度約４０００Ｋの白色光を形成し、高圧放電灯の耐用期間全体にわたって、色座標が白色光の領域、有利には図４の破線の囲みの範囲内にとどまることが保証される。重量成分がこれより小さいと、放電管の管壁を通した拡散によるナトリウムの損失および放電管の石英ガラスとの化学反応によるスカンジウムの損失が補償されなくなり、また、重量成分がこれより大きいと、色座標および色温度が変化してしまう。

また有利には、放電管容積は２３ｍｍ^３より小さく、点光源の理想形態に近い。車両ヘッドランプまたは他の光学装置において点光源として使用するために、放電管の発光部分、すなわち、放電室およびその内部の電極はできるだけ小さい寸法を有しているべきである。理想的には、光源は、光学結像系の焦点に配置可能な点光源である。本発明の高圧放電灯は、その放電管が小さい容積を有するため、従来技術の高圧放電灯よりもこうした理想形態に近づいている。本発明の高圧放電灯の放電管容積は、特に有利には２０ｍｍ^３以上２３ｍｍ^３未満の範囲内である。容積が２０ｍｍ^３より小さくなってしまうと、放電管の石英ガラスが放電灯の動作中に発生する高い壁負荷によって脱ガラス化（Entglasung）してしまうおそれがある。

本発明の高圧放電灯の各電極間の距離は有利には５ｍｍより小さく、点光源の理想形態に近い。車両ヘッドランプの光源として使用される高圧放電灯での電極間の距離は、有利には４．１ｍｍである。こうした構造により、本発明の高圧放電灯は、車両ヘッドランプの結像特性に対して最適に適合化されている。

また有利には、本発明の高圧放電灯の各電極の厚さまたは径は０．２７ｍｍ〜０．３６ｍｍの範囲である。当該の範囲の厚さを有する電極は、放電管の石英ガラスに充分に埋め込むことができるうえ、高圧放電灯のいわゆる始動フェーズにおいて定格電力の３倍から５倍の電力で駆動される際に重要となる充分な電流負荷耐性を有している。電極が前述した値よりも薄い場合、水銀フリーの高圧放電灯では充分な電流負荷耐性が保証されず、逆に、電極が前述した値よりも厚い場合、放電管材料（石英ガラス）の熱膨張係数と電極材料（タングステンあるいはトリウムないしトリウム酸化物のドープされたタングステン）の熱膨張係数とのいちじるしい差から生じる機械的応力のために放電管に亀裂が発生するおそれが出てくる。

さらに有利には、各電極はそれぞれ放電管材料内に埋め込まれたモリブデンシートに接続されており、気密の電流供給が可能となる。また、各モリブデンシートから放電管の内室へ突出している各電極の端部までの最小距離は少なくとも５．５ｍｍであり、各モリブデンシートと放電管内に突出している電極頂部のガス放電部との距離が保持されることが保証される。モリブデンシートとガス放電部との最小距離が比較的大きく保持されるので、熱負荷耐性および腐食耐性の小さいモリブデンシートをイオン化可能な充填物のハロゲン化物に曝すことができ、有利である。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

有利な実施例の説明
有利な実施例では、本発明の高圧放電灯は電力消費量３５Ｗの水銀フリーの金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯である。こうした放電灯は車両ヘッドランプにおいて用いられる。放電灯は両側を封止された石英ガラス製の放電管１０を有しており、この放電管は容積２２．５ｍｍ^３であって、内部にイオン化可能な充填物が気密に封入されている。放電室１０６の領域での放電管１０の内部輪郭は円筒状であり、外部輪郭は楕円体状である。放電室１０６の内径は２．６ｍｍであり、外径は６．５ｍｍである。放電管１０の両端部１０１，１０２はそれぞれモリブデンシートの溶着部１０３，１０４によって封止されている。モリブデンシート１０３，１０４はそれぞれ長さ６．５ｍｍ，幅２ｍｍ，厚さ２５μｍを有する。放電管１０の内室には２つの電極１１，１２が存在しており、放電灯の動作中、発光をもたらす放電アークが電極間に形成される。２つの電極１１，１２はタングステンから成る。電極１１，１２は、厚さないし径０．３０ｍｍ，長さ７．５ｍｍ，電極間の距離４．１ｍｍを有する。第１の電極１１はモリブデンシートの溶着部１０３，ソケットの反対側の給電線１３および電流戻し線１７を介して、また第２の電極１２はモリブデンシートの溶着部１０４およびソケット側の給電線１４を介して、主としてプラスティックから成るランプソケット１５の電気端子へ電気的に接続されている。第１の電極１１とこれに接続されている第１のモリブデンシート１０３との重畳部分は長さ１．３ｍｍ±０．１５ｍｍである。第１のモリブデンシート１０３から放電管１０の内室へ突出した第１の電極１１の端部までの最小距離は６．２ｍｍ±０．１５ｍｍである。つまり、第１のモリブデンシート１０３から放電灯の動作中に放電管１０内で形成される放電アークまでの距離は６．２ｍｍ±０．１５ｍｍである。同様の数値が第２のモリブデンシート１０４と第２の電極１２との組についても当てはまる。こうした数値の詳細については国際公開第２００５／１１２０７４号明細書に説明されている。放電管１０はガラス外管１６によって包囲されている。ガラス外管１６はソケット１５に係止された延長部１６１を有する。放電管１０はソケット側に石英ガラスから成る管状延長部１０５を有しており、この管状延長部１０５内にソケット側の給電線１４が延在している。

電流戻し線１７の近傍の放電管１０の表面領域には透光性かつ導電性のコーティング１０７が設けられている。コーティング１０７は、放電灯の長手方向で見て、放電室１０６の長さ全体および封止端部１０１，１０２の長さの一部、特にその長さの約５０％にわたって延在している。コーティング１０７は放電管１０の外側に被着され、放電管１０の周の約５％〜約１０％にわたって延在している。ただし、コーティング１０７を放電管１０の周の５０％以上にわたって延在させてもよい。コーティング１０７をこのように幅広にすると、放電によって形成される赤外光の一部が反射されて放電管内に戻り、金属ハロゲン化物の集中する電極下方の低温領域が選択的に加熱され、高圧放電灯の効率が増大するので有利である。コーティング１０７はドープされた亜鉛酸化物、例えばフッ素またはアンチモンのドープされた亜鉛酸化物、あるいは、ホウ素またはリチウムのドープされた亜鉛酸化物から成る。こうした高圧放電灯は水平に置かれた状態で駆動される。つまり、放電灯は、電極１１，１２が同一の水平平面に位置し、電流戻し線１７が放電管１０およびガラス外管１６の下方に延在するように配向されるのである。点弧補助手段として作用するコーティング１０７の詳細は欧州公開第１６３２９８５号明細書に説明されている。ガラス外管１６は紫外光を吸収する物質のドープされた石英ガラス、例えばセリウム酸化物およびチタン酸化物から成る。ガラス外管の適切な材料の組成については欧州公開第０７００５７９号明細書に説明されている。

放電管に封入されるイオン化可能な充填物は、冷間圧（室温２２℃で測定された充填圧）１．６ＭＰａのキセノンと、０．２３ｍｇのヨウ化ナトリウム、０．１６５ｍｇのヨウ化スカンジウム、０．０５ｍｇのヨウ化亜鉛および０．００１ｍｇのヨウ化インジウムから成る。放電灯の燃焼電圧は約４３Ｖ，色温度は約４０００Ｋである。充填物のうち、放電管容積１ｍｍ^３当たりのヨウ化物成分［μｇ］は、
ヨウ化ナトリウム： １０．２μｇ／ｍｍ^３
ヨウ化スカンジウム： ７．３μｇ／ｍｍ^３
ヨウ化亜鉛： ２．２μｇ／ｍｍ^３
ヨウ化インジウム:： ０．０４４μｇ／ｍｍ^３
である。ここで、ヨウ化亜鉛とヨウ化インジウムとの重量比は５０である。金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯の色再現指数は６５であり、光効率は９０ｌｍ／Ｗであり、壁負荷は約８０Ｗ／ｃｍ^２である。

本発明の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯は、充填物のうち金属ハロゲン化物の迅速な気化が保証されるよう、放電管内でのガス放電の点弧直後には、定格電力（定格電流）の３倍〜５倍の電力で駆動される。ガス放電の点弧直後には、放電管内ではキセノンしか気体として存在していないため、点弧はもっぱらキセノンによって行われる。高圧放電灯はこの時点からいわゆる始動フェーズで動作し、つまり、金属ハロゲン化物が気化しはじめる。したがって、キセノン高圧放電灯の始動フェーズでは、発光特性および放電の電気的特性、特に放電区間での電圧降下特性の双方がキセノンのみによって定められる。上述したヨウ化物が気化して放電に関与するようになると、放電灯は定常動作へ移行し、定格出力３５Ｗ，燃焼電圧４３Ｖで駆動される。燃焼電圧とは高圧放電灯の燃焼電圧が定常動作しはじめてからの電圧である。

図２〜図４のグラフの基礎となる測定は、すべて、ほぼ定常的なランプ動作中に行われた。

図２には、本発明の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯と従来技術の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯とを比較して、光束と駆動時間との関係を表したグラフが示されている。曲線１は本発明の放電灯の特性を表しており、曲線２は従来技術の放電灯の特性を表している。双方とも初期的な光束は約３２００ｌｍである。駆動時間１５００ｈ後、従来技術の放電灯の光束は２４００ｌｍをかなり下回っているが、本発明の放電灯の光束は２４００ｌｍをいまだ所定の値だけ上回っている。駆動時間３０００ｈを過ぎると相違がさらに顕著となる。本発明の放電灯は駆動時間３０００ｈ後に光束約２３００ｌｍを有しているが、従来技術の放電灯は光束約２１００ｌｍまで低下している。

図３には、本発明の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯と従来技術の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯とを比較して、燃焼電圧と駆動時間との関係を表したグラフが示されている。曲線３は本発明の放電灯の特性を表しており、曲線４は従来技術の放電灯の特性を表している。本発明の放電灯の初期的な燃焼電圧は約４３Ｖであり、駆動時間３０００ｈ後に約５６Ｖまで増大している。つまり、本発明の放電灯での燃焼電圧の増大率は約３０％である。一方、従来技術の放電灯の初期的な燃焼電圧は約４７Ｖであり、駆動時間３０００ｈ後には約６３Ｖまで増大している。したがって、従来技術の放電灯での燃焼電圧の増大率は約４０％である。燃焼電圧の増大は、ナトリウムイオンおよびスカンジウムイオンの損失、ひいては、イオン化可能な充填物におけるヨウ素の過剰化をまねく。

図４には、本発明の金属ハロゲン化物蒸気高圧放電灯において、発光された光の色座標のずれと駆動時間との関係を表したグラフが示されている。最初、本発明の高圧放電灯の色座標はｘ＝０．３８３，ｙ＝０．３９であり、色温度は約４０００Ｋである。駆動時間が経過していくにつれて、発光された光の色座標のｘ，ｙの値はしだいに小さくなり、色温度はしだいに高くなる。駆動時間３０００ｈを過ぎると、本発明の高圧放電灯の色座標はｘ＝０．３７，ｙ＝０．３６９となり、色温度は約４３００Ｋとなる。こうした色座標のずれおよび色温度の変化は、前述したように、ナトリウムおよびスカンジウムの損失に起因するイオン化可能な充填物の組成の変化によって生じる。しかし、図４から見て取れるように、本発明の高圧放電灯での色座標は、測定された駆動時間の全体にわたって、破線の囲みによって示されている白色光の色座標の範囲内にとどまる。つまり、本発明の高圧放電灯は全耐用期間にわたって白色光を発光することができるのである。

本発明は前述した実施例に限定されない。例えば、イオン化可能な充填物の各元素の重量成分は前述した値の範囲から変化してもよい。また、例えば、電極およびモリブデンシートの幾何学的形状ないし寸法も変更可能である。特に、電極１１，１２の厚さは、高い電流強度に適合するように、例えば０．３３ｍｍの値まで増大することもできる。さらに、電極１１，１２とこれに接続されるモリブデンシート１０３，１０４との重畳部分が、前述した値に代えて、他の値、有利には１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の値を有していてもよい。放電管１０の容積も有利な実施例として挙げた値から異なっていてよく、約１０％の精度で決定される。

Claims (8)

1. 気密に閉鎖された放電管（１０）が設けられており、該放電管内に、複数の電極（１１，１２）と、ガス放電を形成するためにイオン化される充填物とが存在しており、
   該充填物は、水銀フリーであって、キセノンと、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛およびインジウムの金属ハロゲン化物とを有している、
   高圧放電灯において、
   前記亜鉛のハロゲン化物および前記インジウムのハロゲン化物の重量比は２０〜１００の範囲であり、
   前記キセノンの冷間圧は１．３ＭＰａ〜１．８ＭＰａの範囲である
   ことを特徴とする高圧放電灯。
2. 前記放電管容積は２３ｍｍ^３より小さい、請求項１記載の高圧放電灯。
3. 前記亜鉛のハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり０．８８μｇ１〜２．６７μｇの範囲であり、前記インジウムのハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり０．０２６μｇ〜０．０８９μｇの範囲である、請求項１または２記載の高圧放電灯。
4. 前記ナトリウムのハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり６．６μｇ〜１３．３μｇの範囲であり、前記スカンジウムのハロゲン化物の重量成分は放電管容積１ｍｍ^３当たり４．４μｇ〜１１．１μｇの範囲である、請求項１から３までのいずれか１項記載の高圧放電灯。
5. 各電極間の距離は５ｍｍより小さい、請求項１から４までのいずれか１項記載の高圧放電灯。
6. 各電極の厚さまたは径は０．２７ｍｍ〜０．３６ｍｍの範囲である、請求項１から５までのいずれか１項記載の高圧放電灯。
7. 各電極はそれぞれ前記放電管の材料内に埋め込まれたモリブデンシート（１０３，１０４）に接続されており、各モリブデンシートから前記放電管の内室（１０６）へ突出している各電極の端部までの最小距離は少なくとも５．５ｍｍである、請求項１から６までのいずれか１項記載の高圧放電灯。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の高圧放電灯を備えていることを特徴とする車両ヘッドランプ。

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