JP2016066444A

JP2016066444A - 放電ランプ

Info

Publication number: JP2016066444A
Application number: JP2014193632A
Authority: JP
Inventors: 昌弘土居; Masahiro Doi
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-04-28

Abstract

【課題】始動性に優れた放電ランプを提供することである。
【解決手段】実施形態に係る放電ランプは、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。
この放電ランプは、前記一対の電極が延びる方向と直交する方向であって、前記放電空間の最も長い部分の寸法をＤ（ｍｍ）、前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＡ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
３７（Ａ−３．７）＋５．８（Ｘ−１０．１）−１１０（Ｄ−２．５０）≦４０
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

放電空間を内部に有する発光部と、放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極とを備えた放電ランプがある。
この様な放電ランプを点灯させる際には、まず、点灯回路により、２０ＫＶ程度のパルス電圧を電極に印加して一対の電極間に絶縁破壊を生じさせる。
続いて、点灯回路により、所定の電流を電極に供給してアーク放電を生じさせる。
ところが、点灯回路により、所定の電流を電極に供給してもアーク放電が生じない場合がある。
アーク放電が生じない場合には、アーク放電が生じるまで、点灯回路により、パルス電圧の印加と、所定の電流の供給とが繰り返し行われることになる。
この場合、繰り返し数が余り多くなると異常と判断され、点灯回路により強制的に点灯動作が停止されることになる。
そのため、始動性に優れた放電ランプの開発が望まれていた。

特開２００４−８７３１５号公報

本発明が解決しようとする課題は、始動性に優れた放電ランプを提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。
この放電ランプは、前記一対の電極が延びる方向と直交する方向であって、前記放電空間の最も長い部分の寸法をＤ（ｍｍ）、前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＡ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
３７（Ａ−３．７）＋５．８（Ｘ−１０．１）−１１０（Ｄ−２．５０）≦４０

本発明の実施形態によれば、始動性に優れた放電ランプを提供することができる。

本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。

実施形態に係る発明は、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備した放電ランプである。
この放電ランプは、前記一対の電極が延びる方向と直交する方向であって、前記放電空間の最も長い部分の寸法をＤ（ｍｍ）、前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＡ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
３７（Ａ−３．７）＋５．８（Ｘ−１０．１）−１１０（Ｄ−２．５０）≦４０
この様にすれば、始動性に優れた放電ランプとすることができる。

この場合、前記一対の電極の先端同士の間の距離は、以下の式を満足するようにすることができる。
３．０ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．８ｍｍ
この様にすれば、適正な立ち上がり時の光束と、アーク転移のし易さを得ることができる。

また、前記一対の電極の先端同士の間の距離は、以下の式を満足するようにすることができる。
３．１ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．５ｍｍ
この様にすれば、さらに適正な立ち上がり時の光束と、アーク転移のし易さを得ることができる。

また、前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力は、以下の式を満足するようにすることができる。
１０ａｔｍ≦Ｘ（ａｔｍ）≦１４ａｔｍ
この様にすれば、適正な安定点灯時の全光束および寿命を得ることができる。

また、前記放電空間の最も長い部分の寸法は、以下の式を満足するようにすることができる。
２．６ｍｍ≦Ｄ（ｍｍ）≦２．２ｍｍ
この様にすれば、適正な安定点灯時の全光束および寿命を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本発明の実施形態に係る放電ランプは、例えば、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプとすることができる。また、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプとする場合には、いわゆる水平点灯を行うものとすることができる。

本発明の実施形態に係る放電ランプの用途は、自動車の前照灯に限定されるわけではないが、ここでは一例として、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。
なお、図１においては、放電ランプ１００を自動車に取り付けた場合に、前方となる方向を前端側、その反対方向を後端側、上方となる方向を上端側、下方となる方向を下端側としている。
図１に示すように、放電ランプ１００には、バーナー１０１、ソケット１０２が設けられている。

バーナー１０１には、内管１、外管５、発光部１１、封止部１２、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、金属バンド７１が設けられている。
内管１は、円筒状を呈し、透光性と耐熱性を有した材料から形成されている。内管１は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。
外管５は、内管１の外側に内管１と同芯に設けられている。すなわち、二重管構造となっている。

外管５と内管１との接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５を溶着することにより行うことができる。内管１と外管５との間に形成された閉空間には、ガスが封入されている。封入されるガスは、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、またはこれらの混合ガスとすることができる。ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で０．３ａｔｍ以下とすることができ、０．１ａｔｍ以下とすることがより好ましい。

外管５は、内管１の材料の熱膨張係数に近く、かつ紫外線遮断性を有する材料から形成することが好ましい。外管５は、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から形成することができる。
発光部１１は、断面形状がほぼ楕円形を呈し、内管１の中央付近に設けられている。発光部１１の内部には、中央部分がほぼ円柱状で、両端がテーパ状にすぼまっている放電空間１１１が設けられている。

ここで、本発明者の得た知見によれば、一対の電極３２が延びる方向と直交する方向であって、放電空間１１１の最も長い部分の寸法Ｄ（ｍｍ）は、始動性に影響を及ぼす。
放電空間１１１の最も長い部分の寸法Ｄ（ｍｍ）と、始動性との関係に関する詳細は後述する。
なお、寸法Ｄ（ｍｍ）は、例えば、発光部１１の内部（放電空間１１１）の中央部分の内壁間の寸法である。発光部１１の内部の中央部分が円柱状である場合には、寸法Ｄ（ｍｍ）は直径寸法となる。

放電空間１１１には、放電媒体が封入されている。放電媒体は、金属ハロゲン化物２と、不活性ガスとを含む。
金属ハロゲン化物２は、例えば、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、スカンジウムのハロゲン化物、亜鉛のハロゲン化物などを含むものとすることができる。ハロゲンとしては、例えば、ヨウ素を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素や塩素などを用いることもできる。
なお、金属ハロゲン化物２の組成は、例示をしたものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。

放電空間１１１に封入される不活性ガスは、例えば、キセノン、ネオン、アルゴン、クリプトンなどや、これらを組み合わせた混合ガスなどとすることができる。
ここで、本発明者の得た知見によれば、放電空間１１１に封入される不活性ガスの圧力Ｘ（ａｔｍ）は、始動性に影響を及ぼす。
放電空間１１１に封入される不活性ガスの圧力Ｘ（ａｔｍ）と、始動性との関係に関する詳細は後述する。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の軸方向の両端部にそれぞれ設けられている。封止部１２は、例えば、ピンチシール法を用いて形成することができる。なお、封止部１２は、シュリンクシール法により形成され、円柱状を呈したものであってもよい。
一方の封止部１２の発光部１１側とは反対側の端部には、境界部１３を介して円筒部１４が連続的に形成されている。

電極マウント３は、封止部１２の内部に設けられている。
電極マウント３には、金属箔３１、電極３２、コイル３３、リード線３４が設けられている。
金属箔３１は、薄板状を呈し、例えば、モリブデンから形成されている。

電極３２は、断面が円形の線状を呈し、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形成されている。なお、電極３２の材料は、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。

電極３２の一端は、金属箔３１の発光部１１側の端部近傍に溶接されている。電極３２と金属箔３１の溶接は、レーザ溶接により行うことができる。

電極３２の他端は、放電空間１１１内に突出している。電極３２は、先端同士が所定の距離Ａ（ｍｍ）を保って互いに対向するように設けられている。
すなわち、一対の電極３２は、放電空間１１１の内部にそれぞれ突出し、所定の距離Ａ（ｍｍ）をおいて対向配置されている。
ここで、本発明者の得た知見によれば、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ａ（ｍｍ）は、始動性に影響を及ぼす。
一対の電極３２の先端同士の間の距離Ａ（ｍｍ）と、始動性との関係に関する詳細は後述する。

電極３２の直径寸法は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることができる。
電極３２の直径寸法が、０．２ｍｍ未満となると、点灯時に電極３２の温度が高くなりすぎて、放電空間１１１内への電極材料の飛散（スパッタリング）が増加するおそれがある。放電空間１１１内への電極材料の飛散が増加すると、点灯中の光束維持率が低下するとともに、寿命が短くなる。
電極３２の直径寸法が、０．４ｍｍを超えると、封止部１２における歪みが増加するおそれがある。封止部１２における歪みが増加すると、放電ランプ１００の製造時や点灯時に封止部１２に割れなどが発生するおそれがある。

なお、電極３２の直径寸法は、電極３２の軸方向に一定でなくてもよい。例えば、電極３２の直径寸法は、先端部側が基端部側よりも長くなっていてもよい。また、電極３２の先端部が球形となっていてもよい。また、直流点灯タイプのように、一方の電極の直径寸法と、他方の電極の直径寸法が異なるものであってもよい。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線から形成することができる。コイル３３は、封止部１２の内部に設けられた電極３２の外側に巻きつけられている。この場合、例えば、コイル３３の線径は３０μｍ〜１００μｍ程度、コイルピッチは６００％以下とすることができる。

リード線３４は、断面が円形の線状を呈し、モリブデンなどから形成されている。リード線３４の一端側は、金属箔３１の発光部１１側とは反対側の端部近傍に溶接されている。リード線３４と金属箔３１の溶接は、レーザ溶接により行うことができる。リード線３４の他端側は、内管１の外部にまで延びている。

サポートワイヤ３５は、Ｌ字状を呈し、放電ランプ１００の前端側から出ているリード線３４の端部に溶接されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との溶接は、レーザ溶接により行うことができる。サポートワイヤ３５は、例えば、ニッケルから形成することができる。
スリーブ４は、サポートワイヤ３５の内管１と平行に延びる部分を覆っている。スリーブ４は、例えば、円筒状を呈し、セラミックから形成されたものとすることができる。
金属バンド７１は、外管５の後端側の外周面に固定されている。

ソケット１０２には、本体部６、取り付け金具７２、底部端子８１、側部端子８２が設けられている。
本体部６は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６の内部には、リード線３４、サポートワイヤ３５、およびスリーブ４の後端側が設けられている。

取り付け金具７２は、本体部６の前端側の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６から突出しており、金属バンド７１を保持する。取り付け金具７２により金属バンド７１を保持することで、バーナー１０１がソケット１０２に保持される。

底部端子８１は、本体部６の後端部側の内部に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成され、リード線３４と電気的に接続されている。
側部端子８２は、本体部６の後端部側の側壁に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成され、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

そして、底部端子８１が高圧側、側部端子８２が低圧側になるように図示しない点灯回路と接続される。自動車の前照灯の場合には、放電ランプ１００の中心軸がほぼ水平の状態で、かつサポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように取り付けられる。そして、この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することを水平点灯という。

次に、放電ランプ１００の始動性についてさらに説明する。
前述したように、放電空間１１１の一対の電極３２が延びる方向と直交する方向であって、放電空間１１１の最も長い部分の寸法Ｄ（ｍｍ）と、放電空間１１１に封入される不活性ガスの圧力Ｘ（ａｔｍ）と、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ａ（ｍｍ）とは、始動性に影響を及ぼす。
本発明者の得た知見によれば、寸法Ｄ（ｍｍ）、圧力Ｘ（ａｔｍ）、および距離Ａ（ｍｍ）の関係が以下の式を満足するようにすれば始動性に優れた放電ランプ１００とすることができる。
α＝３７（Ａ−３．７）＋５．８（Ｘ−１０．１）−１１０（Ｄ−２．５０）≦４０
表１は、上記の式のαと、始動性との関係を例示するための表である。

表１に例示をしたものは、寸法Ｄ（ｍｍ）と圧力Ｘ（ａｔｍ）を所定の値とし、距離Ａ（ｍｍ）を変化させて始動性を評価したものである。
この場合、寸法Ｄ（ｍｍ）は２．４ｍｍとし、放電空間１１１に封入されるキセノンの圧力Ｘ（ａｔｍ）は常温（２５℃）で１３ａｔｍとした。
また、内管１と外管５との間に封入するアルゴンの圧力は常温（２５℃）で０．１ａｔｍとした。
金属ハロゲン化物２の組成は、以下のようにした。
ＳｃＩ_３：ＮａＩ：ＺｎＩ_２：ＩｎＢｒ＝１．００：１．５：０．３：０．００７
金属ハロゲン化物２の封入量は０．３ｍｇとした。
また、雰囲気温度は−４０℃とし、入力電圧は９Ｖとした。

ここで、放電ランプ１００を点灯させる際には、まず、点灯回路により、２０ＫＶ程度のパルス電圧を電極３２に印加して一対の電極３２間に絶縁破壊を生じさせる。
続いて、点灯回路により、所定の電流を電極３２に供給してアーク放電を生じさせる。アーク放電が生じない場合には、アーク放電が生じるまで、点灯回路により、パルス電圧の印加と、所定の電流の供給とが繰り返し行われることになる。すなわち、点灯回路による再点灯が繰り返し行われることになる。
この場合、繰り返し数が余り多くなると異常と判断され、点灯回路により強制的に点灯動作が停止されることになる。例えば、繰り返し数が３０回以上となると異常と判断される。
また、１回の再点灯に要する時間は、例えば、２０ミリ秒程度である。
そのため、再点灯の回数が３０回未満であっても、再点灯の回数が余り多くなると操作者が違和感を覚えるようになる。
例えば、再点灯の回数が１０回となれば、０．２秒の間点灯ができないことになり、操作者が違和感を覚え始める。

表１から分かるように、αの値が４０以下となるようにすれば、再点灯の回数が１０回以下となるようにすることができる。
すなわち、寸法Ｄ（ｍｍ）、圧力Ｘ（ａｔｍ）、および距離Ａ（ｍｍ）の関係が前述した式を満足するようにすれば、始動性に優れた放電ランプ１００とすることができる。

ここで、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ａ（ｍｍ）は、始動性のみならず、立ち上がり時（点灯開始時）の光束にも影響を及ぼす。
すなわち、距離Ａ（ｍｍ）が短くなり過ぎると最低管電圧が低下して、立ち上がり時の電流制限値に達してしまう。
立ち上がり時の電流値が制限されると、放電ランプ１００に投入される電力は最低管電圧で決まることになる。
そして、最低管電圧が低くなりすぎると、所望の光束が得られなくなる。
また、距離Ａ（ｍｍ）は、絶縁破壊からアーク放電への転移（アーク転移）のし易さにも影響を及ぼす。
すなわち、距離Ａ（ｍｍ）が長くなりすぎるとアーク転移が行いにくくなる。
そこで、寸法Ｄ（ｍｍ）、圧力Ｘ（ａｔｍ）、および距離Ａ（ｍｍ）の関係が前述した式を満足するとともに、距離Ａ（ｍｍ）の値が所定の範囲内にあるようにすることが好ましい。

表２は、距離Ａ（ｍｍ）と、立ち上がり時の光束およびアーク転移のし易さとの関係を例示した表である。

表２から分かるように、距離Ａ（ｍｍ）を、３．０ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．８ｍｍとすれば、適正な立ち上がり時の光束と、アーク転移のし易さを得ることができる。
また、距離Ａ（ｍｍ）を、３．１ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．５ｍｍとすれば、さらに適正な立ち上がり時の光束と、アーク転移のし易さを得ることができる。

また、放電空間１１１に封入される不活性ガスの圧力Ｘ（ａｔｍ）は、始動性のみならず、安定点灯時の全光束および寿命にも影響を及ぼす。
すなわち、圧力Ｘ（ａｔｍ）が低くなりすぎると、安定点灯時の全光束が少なくなる。一方、圧力Ｘ（ａｔｍ）が高くなりすぎると、寿命が短くなる。
そこで、寸法Ｄ（ｍｍ）、圧力Ｘ（ａｔｍ）、および距離Ａ（ｍｍ）の関係が前述した式を満足するとともに、圧力Ｘ（ａｔｍ）の値が所定の範囲内にあるようにすることが好ましい。
表３は、不活性ガスの常温（２５℃）における圧力Ｘ（ａｔｍ）と、安定点灯時の全光束および寿命との関係を例示した表である。

表３から分かるように、不活性ガスの常温（２５℃）における圧力Ｘ（ａｔｍ）を、１０ａｔｍ≦Ｘ（ａｔｍ）≦１４ａｔｍとすれば、適正な安定点灯時の全光束および寿命を得ることができる。

また、放電空間１１１の最も長い部分の寸法Ｄ（ｍｍ）は、始動性のみならず、安定点灯時の全光束および寿命にも影響を及ぼす。
すなわち、寸法Ｄ（ｍｍ）が短くなりすぎると、寿命が短くなる。
一方、寸法Ｄ（ｍｍ）が長くなりすぎると安定点灯時の全光束が少なくなる。
そこで、寸法Ｄ（ｍｍ）、圧力Ｘ（ａｔｍ）、および距離Ａ（ｍｍ）の関係が前述した式を満足するとともに、寸法Ｄ（ｍｍ）の値が所定の範囲内にあるようにすることが好ましい。

ここで、自動車の前照灯に用いられる放電ランプ１００は、一般的には、安定点灯時に２０Ｗ以上４０Ｗ以下で点灯するようになっている。
ところが、安定点灯時に３０Ｗ以上４０Ｗ以下で点灯する放電ランプ１００の場合には、寸法Ｄ（ｍｍ）が安定点灯時の全光束および寿命に及ぼす影響が大きくなる。
そのため、以下の表４に例示をするものは、安定点灯時に３０Ｗ以上４０Ｗ以下（例えば、３５Ｗ）で点灯させる放電ランプ１００の場合としている。

表４は、寸法Ｄ（ｍｍ）と、安定点灯時の全光束および寿命との関係を例示した表である。

表４から分かるように、寸法Ｄ（ｍｍ）を、２．６ｍｍ≦Ｄ（ｍｍ）≦２．２ｍｍとすれば、適正な安定点灯時の全光束および寿命を得ることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１内管、２金属ハロゲン化物、３電極マウント、５外管、６本体部、１１発光部、１２封止部、３２電極、１００放電ランプ、１０１バーナー、１０２ソケット、１１１放電空間

Claims

金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；
前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；
を具備し、
前記一対の電極が延びる方向と直交する方向であって、前記放電空間の最も長い部分の寸法をＤ（ｍｍ）、
前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）、
前記一対の電極の先端同士の間の距離をＡ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する放電ランプ。
３７（Ａ−３．７）＋５．８（Ｘ−１０．１）−１１０（Ｄ−２．５０）≦４０
前記一対の電極の先端同士の間の距離は、以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
３．０ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．８ｍｍ
前記一対の電極の先端同士の間の距離は、以下の式を満足する請求項１または２に記載の放電ランプ。
３．１ｍｍ≦Ａ（ｍｍ）≦３．５ｍｍ
前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力は、以下の式を満足する請求項１〜３のいずれか１つに記載の放電ランプ。
１０ａｔｍ≦Ｘ（ａｔｍ）≦１４ａｔｍ
前記放電空間の最も長い部分の寸法は、以下の式を満足する請求項１〜４のいずれか１つに記載の放電ランプ。
２．６ｍｍ≦Ｄ（ｍｍ）≦２．２ｍｍ