JP2012038612A - 車両用の水銀フリーメタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】２５Ｗの電力で点灯しても高色温度で、かつ高光束な新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを提供する。
【解決手段】本発明は、安定点灯時に２５Ｗの電力で点灯される車両用の水銀フリーメタルハライドランプであって、内部に放電空間１１１を有する発光部１１を備えた気密容器１と、放電空間１１１に封入されたインジウムのハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物２およびキセノンを含む希ガスと、放電空間１１１内で先端部が対設された電極３２と、を具備し、発光部１１の放電空間１１１の容積は１６〜２２ｍｍ^３であり、インジウムのモル数［ｍｏｌ］をＱ、キセノンの圧力［ａｔｍ］をＰとしたとき、０．９７×１０^−７≦Ｑ≦２．９×１０^−７、かつ８．５≦Ｐ≦１３を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などの前照灯に使用される水銀フリーメタルハライドランプに関する。

現在、自動車前照灯には、ショートアーク高圧放電タイプのメタルハライドランプが使用されるようになってきている。このメタルハライドランプには、内部に金属ハロゲン化物や希ガスが封入されており、約３５Ｗの電力を投入することで、安定点灯時に全光束は約３０００ｌｍ、色温度は約４０００Ｋの高光束な白色系の発光を得ることができる。

このランプに対し、最近では低電力化の市場ニーズが高まっている。具体的には、電力を従来の３５Ｗから２５Ｗに低減することが望まれている。特許文献１〜３には、電力を低減しても高光束のランプを実現することを主目的とした発明が提案されている。

上記で説明したメタルハライドランプはいわゆる標準的な白色のランプであるが、青みがかった白色系の発光を得られる色温度の高いメタルハライドランプもユーザーから要望がある。ランプの発光色を青みがかった白色系にするには、色温度を５０００Ｋ程度に高める必要がある。このような高色温度のランプは、３５Ｗ用のランプでは特許文献４や特許文献５などで実現されているが、２５Ｗ用のランプでは実現されていない。

国際公開第２００８／１１０９６７号 国際公開第２００９／１２７９９３号 国際公開第２０１０／５４８７２号 特開２００８−９８０４５号公報 特開２００８−１２３７４２号公報

本発明の目的は、２５Ｗの電力で点灯しても高色温度で、かつ高光束な新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを提供することにある。

本発明は、安定点灯時に２５Ｗの電力で点灯される車両用の水銀フリーメタルハライドランプであって、
内部に放電空間を有する発光部を備えた気密容器と、前記放電空間に封入されたインジウムのハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物およびキセノンを含む希ガスと、前記放電空間内で先端部が対設された一対の電極と、を具備し、前記発光部の放電空間の容積は１６〜２２ｍｍ^３であり、前記インジウムのモル数［ｍｏｌ］をＱ、前記キセノンの圧力［ａｔｍ］をＰとしたとき、０．９７×１０^−７≦Ｑ≦２．９×１０^−７、かつ８．５≦Ｐ≦１３を満足することを特徴とする。

本発明によれば、２５Ｗの電力で点灯しても高色温度で、かつ高光束な新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の放電ランプを説明するための図である。 図１で示した放電ランプの要部を拡大した部分断面図である。 インジウムの封入量Ｑと、全光束・色温度の関係を示す図である。 キセノンの圧力Ｐと、全光束・色温度の関係を示す図である。 インジウムの封入量Ｑ・キセノンの圧力Ｐと、全光束・色温度の関係を示す図である。 実施例１、２および比較例１、２の色度を示す図である。 インジウムの封入量Ｑ・キセノンの圧力Ｐと、全光束・色温度・色度の関係を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１および図２を参照して、本発明の実施形態の一例について説明する。図１は、本発明に係る放電ランプの一実施形態を説明するための全体図であり、図２は、図１に示した放電ランプの要部断面を拡大した部分断面図である。

本形態のメタルハライドランプは、自動車などの前照灯用の光源として用いることができるもので、気密容器として内管１を備えている。内管１は細長い形状であり、その中央付近には略楕円形の発光部１１が形成されている。発光部１１の両端には、ピンチシールにより形成された板状のシール部１２、その両端には境界部１３を介して円筒部１４が連続形成されている。この内管１としては、例えば石英ガラスなどの耐熱性と透光性を具備した材料で構成されるのが望ましい。また、シール部１２はシュリンクシールにより形成されることにより円柱状の形状であってもよい。

発光部１１の内部には、中央が略円柱状で、両端に向かってテーパ状となっている放電空間１１１が形成されている。放電空間１１１には、金属ハロゲン化物２および希ガスが封入されている。

金属ハロゲン化物２は、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、臭化インジウムで構成されている。ただし、金属ハロゲン化物２の組合せはこれに限らず、スズ、セシウムのハロゲン化物等を追加するなどしてもよい。放電空間１１１に存在するハロゲン原子は、本実施の形態のようにその大部分をヨウ素原子と臭素原子とで構成するのが望ましい。「大部分」とは、放電空間１１１に存在するハロゲン原子金属ハロゲン化物２に結合されたハロゲン原子の個数のうち、ヨウ素原子の個数と臭素原子の個数が全体の８０％以上を占めていることを意味するものであり、上記のような割合であれば、塩素原子等を一部混在させることもできる。なお、金属ハロゲン化物２の総封入量は、ランプ電圧を好適な数値とするために、０．１５〜０．３５ｍｇであるのが望ましい。

希ガスは、キセノンが使用されている。また、希ガスとしてはキセノンとネオン、アルゴン、クリプトンなどを組み合わせた混合ガスで使用することもできる。

ここで、本実施の形態のランプは、水銀フリーメタルハライドランプである。この「水銀フリー」とは、水銀を実質的に含んでいないという意味である。本明細書における「水銀を実質的に含んでいない」とは、水銀の封入量が０ｍｇである場合に限られず、従来の水銀入りの放電ランプと比較してほとんど封入されていないに等しい程度の量、例えば１ｍｌあたり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀量を封入している場合を含む意味に解釈すべきである。

発光部１１の両側に形成されたシール部１２には、それぞれ電極マウント３が封着されている。電極マウント３は、金属箔３１、電極３２、コイル３３およびリード線３４により構成されている。

金属箔３１は、例えば、モリブデンからなる薄板状の部材である。

電極３２は、例えば、タングステンに酸化トリウムをドープした、いわゆるトリエーテッドタングステンから構成された棒状の部材である。その一端は金属箔３１の発光部１１側の端部に載置される形態で溶接されており、他端は放電空間１１１内に突出し、所定の距離を保って互いの先端部同士が対向するように対設されている。自動車前照灯の用途の場合には、電極３２同士の先端間の距離を、外管５を通して観察したときに３．７〜４．４ｍｍの範囲に位置決めするのが好ましい。なお、電極３２の形状は、径が管軸方向に略一定の直棒状に限らず、先端部の径を基端部の径よりも大きくした非直棒状のもの、先端が球体であるもの、直流点灯タイプのように一方の電極径と他方の電極径が異なる形状であってもよい。また、電極材料は、純タングステン、ドープタングステン、レニウムタングステンなどであってもよい。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線であって、シール部１２に封着される電極３２の軸部の軸周りに螺旋状に巻装されている。

リード線３４は、例えば、モリブデンからなる金属線である。リード線３４の一端は、発光部１１から遠位側の金属箔３１の端部に載置される形態で接続されており、他端は内管１の外部まで管軸に略平行に延出されている。ランプの前端側、すなわちソケット６から遠位側に延出されたリード線３４には、例えば、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３５の一端がレーザ溶接により接続されている。このサポートワイヤ３５には、内管１と平行に延在する部位に、例えば、セラミックからなるスリーブ４が装着されている。

上記で構成された内管１の外側には、発光部１１を覆うように筒状の外管５が内管１とほぼ同心状に設けられている。これら内外管の接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５の端部をそれぞれ溶着することにより行なわれている。内管１と外管５との間に形成された閉空間５１には、ガスが封入されている。このガスには、誘電体バリア放電可能なガス、例えばネオン、アルゴン、キセノン、窒素から選択された一種のガスまたは混合ガスを使用することができる。ガスの圧力は０．３ａｔｍ以下、特に０．１ａｔｍ以下であるのが望ましい。なお、外管５としては、内管１に熱膨張係数が近く、かつ紫外線遮断性を有する材料で構成するのが望ましく、例えば、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加した石英ガラスを使用することができる。

外管５が接続された内管１の一端には、ソケット６が接続されている。これらの接続は、外管５の外周面に金属バンド７１を装着し、その金属バンド７１をソケット６から突出形成させた金属製の舌片７２で把持することで行なっている。また、ソケット６の底部には底部端子８１、側部には側部端子８２が形成されており、底部端子８１と側部端子８２には、それぞれリード線３４とサポートワイヤ３５が接続されている。

これらで構成された放電ランプは、底部端子８１が高圧側、側部端子８２が低圧側になるように点灯回路と接続される。自動車前照灯として使用する場合は、ランプの管軸が略水平の状態で、かつサポートワイヤ３５が下方に位置するように取り付けられて点灯される。

ここで、本形態のメタルハライドランプは、２５Ｗの電力で点灯しても高色温度で、かつ高光束な新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを実現することを目的とするものである。そのためには、まず電力を２５Ｗに下げても、点灯中の発光部１１の温度を従来の３５Ｗのときと同程度の約９２０℃に維持する必要がある。電力を下げると発光部１１の温度が低下する傾向があるため、発光部１１を好適な温度に維持するには、放電空間１１１の容積を３５Ｗ用のランプよりも小さくすればよい。放電空間１１１の容積を小さくすれば、発光部１１の温度が上昇するためである。ただし、放電空間１１１の容積は小さすぎると寿命特性が低下する。そこで、３５Ｗ用のランプの放電空間１１１の容積は約２５ｍｍ^３であるのに対して、２５Ｗで点灯する場合のランプの放電空間１１１の容積は、１６〜２２ｍｍ^３、特には１７〜２１ｍｍ^３に設定するのがよい。

ただし、発光部１１の温度は放電空間１１１の容積のみならず、キセノンの圧力や、発光部１１の肉厚、内径にも影響する。発光部１１の温度は、キセノンの圧力は高いほど、発光部１１の肉厚、内径は小さいほど高くなる。発明者等の検討の結果、上記のような放電空間１１１の容積の大きさに加え、安定点灯時に供給される電力をａ［Ｗ］、放電空間内に封入されたキセノンの圧力Ｐ［ａｔｍ］、発光部の肉厚が最大となる部位の厚さをｔ［ｍｍ］、発光部の肉厚が最大となる部位の内径をｄ［ｍｍ］としたとき、−２０≦（ａ−３５）×５．５＋（Ｐ−１３．５）×１０＋（１．８５−ｔ）×１００＋（２．５−ｄ）×１００≦２０を満足するように設計すれば、点灯中の発光部１１の温度をさらに好適に保ちやすいことがわかった（上記数式の詳細は、特願２０１０−５２８９０号を参照）。

次に、高色温度で、かつ高光束なランプを実現するにはインジウムの封入量とキセノンの封入圧力が重要である。それらは、図３、図４に示すように、全光束及び色温度に大きな影響を与えるためである。インジウムの量を増やしたり、キセノンの圧力を減らしたりすると、安定点灯中にランプから発せられる光の全光束は減少し、色温度は増加する。発明者等の検討の結果、後述するように、インジウムのモル数［ｍｏｌ］をＱとしたとき、０．９７×１０^−７≦Ｑ≦２．９×１０^−７を満足するとともに、常温（２５℃）のときのキセノンの圧力をＰ［ａｔｍ］としたとき、８．５≦Ｐ≦１３を満足するように設計すれば、実用的な全光束および色温度を得ることができることがわかった。なお、キセノンの圧力Ｐは、水中で発光部１１とシール部１２の境界を破壊して放電空間１１１内部のガスを収集、測量し、その後に放電空間１１１の容積を測定することにより、算出することができる。

インジウムの封入量とキセノンの封入圧力を変更して、ランプから所望の全光束および色温度を得るため、次の仕様の車両用放電ランプを基本設計の実施例として特性試験をおこなった。
（実施例１）
発光部１１；石英ガラス製、放電空間１１１の内容積＝１８．４ｍｍ^３、最大内径＝２．２ｍｍ、最大外径ｄ＝５．２ｍｍ、最大肉厚ｔ＝１．５ｍｍ、長手方向の球体長ｂ＝７．８ｍｍ、
シール部１２；肉厚＝２．８ｍｍ、幅＝４．１ｍｍ、
金属ハロゲン化物２；ＳｃＩ_３、ＮａＩ、ＺｎＩ_２、ＩｎＢｒ（＝１．０：０．６：０．１２：０．３４、インジウムのモル数Ｑ＝１．７×１０^−７ｍｏｌ）、合計＝０．２ｍｇ、
希ガス；キセノン、ガス圧Ｐ＝１２ａｔｍ、
水銀；０ｍｇ、
金属箔３１；モリブデン製、長さ×幅＝６．５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚さ＝０．０２ｍｍ、
電極３２；トリエーテッドタングステン製、直径＝０．２８ｍｍ、外観上の電極間距離＝３．９ｍｍ、
コイル３３；ドープタングステン製、線径＝０．０９ｍｍ、ピッチ＝２００％、電極軸におけるコイル巻装長Ｌ＝３．５ｍｍ、
リード線３４；モリブデン製、直径＝０．４ｍｍ、
外管５；内径＝７．０ｍｍ、肉厚＝１．０ｍｍ、
この仕様では始動時電力５５Ｗ、安定時電力２５Ｗで点灯した場合、全光束は１９５２ｌｍ、色温度は４８３０Ｋであった。

次に、インジウムの封入量とキセノンの圧力を変化させたときの全光束および色温度について試験した。その結果を図５に示す。ここで、この図において全光束が１７００〜２３００ｌｍ、かつ色温度が４５００〜５２００Ｋである場合を○、少なくとも一方が上記範囲外である場合を×で示している。

結果から、インジウムの封入量Ｑとキセノンの圧力Ｐによって、全光束と色温度が変化し、全光束と色温度が望ましい場合と望ましくない場合があることがわかる。例えば、Ｑ＝１．７×１０^−７ｍｏｌ、Ｐ＝１０ａｔｍとしたランプ（実施例２）は、全光束は１９８５ｌｍ、色温度は５０１１Ｋであり、望ましい特性を備えている。一方、Ｑ＝２．５×１０^−９ｍｏｌ、Ｐ＝１２．５ａｔｍとしたランプ（比較例１）は、全光束は２０２７ｌｍ、色温度は４３０３Ｋであり、色温度が低く、Ｑ＝５．０４×１０^−７ｍｏｌ、Ｐ＝１０．５ａｔｍとしたランプ（比較例２）は、全光束は１６２７ｌｍ、色温度は５８７９Ｋであり、全光束が低く、色温度は高すぎるため、望ましい特性ではない。同様にインジウムの封入量Ｑとキセノンの圧力Ｐを変化させた複数のランプについて試験した結果、インジウムの封入量Ｑ（ｍｏｌ）とキセノンの圧力Ｐ（ａｔｍ）が少なくとも、０．９７×１０^−７≦Ｑ≦２．９×１０^−７、かつ８．５≦Ｐ≦１３を満足すれば、２５Ｗの電力で点灯しても高色温度で、かつ高光束な新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを実現可能であることがわかった。

次に、実施例１、２および比較例１、２の安定点灯中の色度について試験した。その結果を図６に示す。なお、図中に実線で示した平行四辺形状の範囲は、ＪＥＬ２１５で定められている自動車前照灯の白色範囲（色度（ｘ、ｙ）＝（０．３４５、０．３０８５）、（０．３４５、０．３７０８）、（０．４０５、０．４０９２）、（０．４０５、０．３５３７５）の４点で囲まれた範囲）、破線で示した複数の斜線は色温度を示している。

結果から、実施例１、２および比較例１、２のうち、白色範囲にも入る、すなわち、図中に太線で示した範囲内に入るランプは、実施例１と実施例２だけであることがわかる。また、実施例１と実施例２とは、キセノンの圧力Ｐが２ａｔｍ違うだけであるが、実施例２は白色範囲ぎりぎりの色度であることがわかる。つまり、高色温度、高光束で、かつ白色範囲に入るランプを実現するには、インジウムの封入量Ｑとキセノンの圧力Ｐをさらに厳しく規制する必要がある。図５で作成したランプについて色度を測定した結果、図７の◎で示したランプであれば、上記特性を満たすことがわかった。すなわち、インジウムの封入量Ｑ（ｍｏｌ）とキセノンの圧力Ｐ（ａｔｍ）が少なくとも、１．３×１０^−７≦Ｑ≦２．５４×１０^−７、かつ９≦Ｐ≦１３を満足すれば、２５Ｗの電力で点灯しても高色温度、高光束で、かつ白色範囲に入る新規の車両用の水銀フリーメタルハライドランプを実現することができる。

なお、本発明のようなインジウムハロゲン化物を多量に封入する低電力のランプにおいて、寿命や特性をより向上させるため、次のような構成をさらに適用するのが望ましい。

（１）放電空間１１１内の全ハロゲン原子に対する臭素原子のモル比を３％以上、３０％以下にする。

放電空間１１１にインジウムハロゲン化物を多く封入したり、キセノンの圧力を高めたりすると、アークの幅が細くなりやすい。アークの幅が細くなると、配光に悪影響を及ぼしかねない。これに対し、放電空間１１１に封入するハロゲン原子のうち、臭素原子の割合を多くすると、アークの幅が太くなる傾向がある。例えば、放電空間１１１中のハロゲン原子の全てがヨウ素原子である場合と比較して、臭素原子のモル比を３％にすれば、アークの幅は約３％太くなる。さらに、臭素原子を１０％にすれば、アークの幅は約５％太くなり、３０％にすればアークの幅は約１０％太くなる。このようなことから、放電空間１１１内の全ハロゲン原子に対する臭素原子のモル比を３％以上、特に１０％以上とするのが望ましい。ただし、臭素原子の個数の割合が多くなるとランプ電圧が低くなりやすいので、上限は３０％以下であるのが望ましい。なお、放電空間１１１内の全ハロゲン原子の個数等は、例えばイオンクロマトグラフ測定法により、放電空間１１１中の陰イオンを定量分析することにより測定できる。ちなみに、実施例１では、インジウムを臭化物、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛をヨウ化物とすることで、全ハロゲン原子に対する臭化原子のモル比を１２．９％としているが、例えばスカンジウムを臭化物としたり、同じ金属でも大部分はヨウ化物、一部は臭化物としたり、ハロゲンを単体で封入するなどにより、臭化原子の封入量を調整しても構わない。

（２）コイル３３の巻装長Ｌ１（ｍｍ）を電極封着長さＬ２（ｍｍ）に対して０．５５〜０．９０、コイル径を０．０５ｍｍ〜０．１１ｍｍ、コイルピッチを１００％〜３００％、コイル３３の外表面における長大結晶の割合を２０％以下に設定する。

放電空間１１１にインジウムハロゲン化物が多く封入されたランプでは、インジウムハロゲン化物が電極３２軸に沿ってシール部１２内に入り込みやすくなる。シール部１２内にインジウムハロゲン化物が入り込むと電極３２が封着されているシール部１２においてリークに繋がるクラックが発生する可能性が高まる。このクラックを防止するには、シール部１２内に封着される電極３２にコイル３３を巻装すると効果的であるのは公知である。が、本発明のようなランプでは、単にコイルを巻装するだけではクラックを有効に防止できないので、コイル巻装長Ｌ１（ｍｍ）と電極封着長さＬ２（ｍｍ）の関係Ｌ１／Ｌ２を、従来よりも長い０．５５≦Ｌ１／Ｌ２にした方がよい（ただし、Ｌ１／Ｌ２≦０．９０）。さらに上記のように電極３２にコイル３３を巻装しても、コイル３３を巻装した部分においてクラックが発生しやすい。そこで、コイル径は太めの０．０５ｍｍ以上（ただし、０．１１ｍｍ以下）、コイルピッチは小さめの３００％以下（ただし、１００％以上）、コイル３３の外表面における長大結晶の割合は少なめの２０％以下にすることで、リークには至らないクラックをコイル３３を起点とするように封止ガラスに故意に形成し、リークの原因となるクラックの成長を阻止するのが望ましい。長大結晶とは、再結晶することで長大化した結晶のことであり、長大結晶の割合とはコイル３３の径方向の断面における、ガラスと接触する部分（＝電極と接触する部分は除く）のコイル外周長に対する長大結晶部分のコイル外周長の割合を意味するものである。

本発明は、車両用ヘッドランプ、フォグランプその他車両用照明など種々の用途の照明装置として利用することができる。

１ 内管
１１ 発光部
１１１ 放電空間
２ 金属ハロゲン化物
３ 電極マウント
３１ 金属箔
３２ 電極
５ 外管

Claims (3)

1. 安定点灯時に２５Ｗの電力で点灯される車両用の水銀フリーメタルハライドランプであって、
   内部に放電空間を有する発光部を備えた気密容器と、前記放電空間に封入されたインジウムのハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物およびキセノンを含む希ガスと、前記放電空間内で先端部が対設された一対の電極と、を具備し、
   前記発光部の放電空間の容積は１６〜２２ｍｍ^３であり、
   前記インジウムのモル数［ｍｏｌ］をＱ、前記キセノンの圧力［ａｔｍ］をＰとしたとき、０．９７×１０^−７≦Ｑ≦２．９×１０^−７、かつ８．５≦Ｐ≦１３を満足することを特徴とする車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
2. 前記インジウムのモル数Ｑ［ｍｏｌ］と前記キセノンの圧力Ｐ［ａｔｍ］が、１．３×１０^−７≦Ｑ≦２．５４×１０^−７、かつ９≦Ｐ≦１３を満足することを特徴とする請求項１に記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
3. 前記金属ハロゲン化物に結合されたハロゲン原子には臭素原子が含まれており、前記全ハロゲン原子に対する前記臭素原子のモル比が３％以上、３０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。

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