JP2016181381A

JP2016181381A - 放電ランプ

Info

Publication number: JP2016181381A
Application number: JP2015060642A
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: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-10-13

Abstract

【課題】放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる放電ランプを提供する。
【解決手段】放電ランプ１００は、金属ハロゲン化物が封入された放電空間１１１を内部に有する発光部１１と；放電空間１１１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３２と；を具備している。金属ハロゲン化物は、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、およびスカンジウムのハロゲン化物を含んでいる。金属ハロゲン化物の重量をＷ（μｇ）、インジウムのハロゲン化物の重量をＩ（μｇ）、ナトリウムのハロゲン化物の重量をＮ（μｇ）、およびスカンジウムのハロゲン化物の重量をＳ（μｇ）とした場合に以下の式を満足する。０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２、０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５、０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

金属ハロゲン化物が封入された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。
放電ランプが自動車の前照灯などに用いられる場合には、放電ランプから放射された光の色温度（点灯色）は、一般的には４０００Ｋ程度となっている。
近年においては、色温度がより高い光（例えば、青白い光）を放射する放電ランプが好まれる傾向にある。
そのため、色温度が５５００Ｋの光を放射可能な放電ランプが提案されている。
放電ランプから放射される光の色温度は、金属ハロゲン化物の組成により変化させることができる。
ところが、金属ハロゲン化物の組成を変えることで色温度を高くすると、発光効率が低下したり、光束維持率が低下したりするおそれがある。
そのため、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる放電ランプの開発が望まれていた。

特開２００８−９８０４５号公報

本発明が解決しようとする課題は、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる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。
前記金属ハロゲン化物は、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、およびスカンジウムのハロゲン化物を含んでいる。
前記金属ハロゲン化物の重量をＷ（μｇ）、前記インジウムのハロゲン化物の重量をＩ（μｇ）、前記ナトリウムのハロゲン化物の重量をＮ（μｇ）、および前記スカンジウムのハロゲン化物の重量をＳ（μｇ）とした場合に以下の式を満足する。
０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２
０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５
０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５

本発明の実施形態によれば、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる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。
前記金属ハロゲン化物は、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、およびスカンジウムのハロゲン化物を含んでいる。
前記金属ハロゲン化物の重量をＷ（μｇ）、前記インジウムのハロゲン化物の重量をＩ（μｇ）、前記ナトリウムのハロゲン化物の重量をＮ（μｇ）、および前記スカンジウムのハロゲン化物の重量をＳ（μｇ）とした場合に以下の式を満足する。
０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２
０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５
０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５
この放電ランプによれば、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる。

また、前記放電空間の容積をＶ（μＬ）とした場合に、以下の式を満足するようにすることができる。
７（μｇ／μＬ）≦Ｗ／Ｖ≦１５（μｇ／μＬ）
この様にすれば、発光効率の向上と、放電ランプ１００の長寿命化を図ることができる。

また、前記金属ハロゲン化物は、亜鉛のハロゲン化物をさらに含むことができる。
そして、前記亜鉛のハロゲン化物の重量をＺｎ（μｇ）とした場合に以下の式を満足するようにすることができる。
０．０３≦Ｚｎ／Ｗ
この様にすれば、電極３２の消耗を抑制することができる。

また、安定点灯時において、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上の放電ランプとすることもできる。

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、放電ランプが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およびソケット１０２が設けられている。
バーナー１０１には、外管５、内管１、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、および金属バンド７１が設けられている。
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との接合は、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る。なお、ガスの封入圧力は、常温（２５℃）で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が添加された石英ガラスから形成することができる。

内管１は、透光性と耐熱性を有する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。
内管１は、発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４を有する。

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。

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。
本実施の形態に係る放電ランプ１００においては、環境保護の観点から、金属ハロゲン化物２は水銀を含んでいない。
なお、金属ハロゲン化物２の組成に関する詳細は後述する。

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。
不活性ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で１０ａｔｍ以上、１５ａｔｍ以下とすることが好ましい。

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は、金属箔３１、電極３２、コイル３３、およびリード線３４を有する。

金属箔３１は、封止部１２の内部に設けられている。
金属箔３１は、電極３２の放電空間１１１側とは反対側の端部の近傍に接合されている。
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、線状を呈している。電極３２の断面形状は、例えば、円形とすることができる。
電極３２の太さ寸法（断面形状が円形の場合には直径寸法）は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることができる。
一対の電極３２の先端同士の間の距離（電極間距離）は、例えば、３．４ｍｍ以上４．４ｍｍ以下とすることができる。

電極３２は、例えば、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から形成することができ、また、トリウムを含有することもできる。なお、電極３２はトリウムを含有していない構成でも良い。

電極３２の一端は、放電空間１１１内に突出している。一対の電極３２は、先端同士が所定の距離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、所定の距離をおいて対向配置されている。
電極３２の他端側は、金属箔３１の発光部１１側の端部近傍に接合されている。電極３２と金属箔３１の接合は、レーザ溶接により行うことができる。

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、線状を呈している。リード線３４の断面形状は、例えば、円形とすることができる。リード線３４は、例えば、モリブデンなどから形成することができる。
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接合されている。リード線３４と金属箔３１の接合は、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の端部に接合されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との接合は、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は、本体部６、取り付け金具７２、底部端子８１、および側部端子８２を有する。
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が低圧側となるように図示しない点灯回路とそれぞれ接続される。放電ランプ１００が自動車の前照灯の場合には、放電ランプ１００は、中心軸（管軸）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。この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することは、水平点灯と称される。

ここで、放電ランプ１００から放射される光の色温度は、金属ハロゲン化物２の組成により変化させることができる。
本発明者の得た知見によれば、金属ハロゲン化物２にインジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、およびスカンジウムのハロゲン化物が含まれている場合に、スカンジウムのハロゲン化物に対するナトリウムのハロゲン化物の比率を減少させたり、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の比率を高めたりすれば、放電ランプ１００から放射される光の色温度を高くすることができる。

ところが、単に、ナトリウムのハロゲン化物に対するスカンジウムのハロゲン化物の比率を高めると、放電空間１１１におけるスカンジウムの量が多くなりすぎる。放電空間１１１におけるスカンジウムの量が多くなると、発光部１１の材料である石英と、スカンジウムとが反応しやすくなり発光部１１に白濁が生じる場合がある。
発光部１１に白濁が生じると、光の透過が阻害されるので、光束維持率が低下してしまう。

また、単に、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の比率を高めると、ナトリウムのハロゲン化物およびスカンジウムのハロゲン化物の比率がその分低くなる。
ナトリウムおよびスカンジウムは、発光に寄与する元素であるため、ナトリウムおよびスカンジウムの量が減ると、発光量が減少し、ひいては発光効率が低下してしまう。

本発明者は検討の結果、スカンジウムのハロゲン化物に対するナトリウムのハロゲン化物の重量比、金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の重量比、および金属ハロゲン化物２に対するスカンジウムのハロゲン化物の重量比を適正化すれば、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができるとの知見を得た。

表１は、スカンジウムのハロゲン化物に対するナトリウムのハロゲン化物の重量比（Ｎ／Ｓ）、および金属ハロゲン化物２に対するインジウムのハロゲン化物の重量比（Ｉ／Ｗ）と、色温度および発光効率との関係を例示するための表である。

表１は、以下の構成を有する放電ランプ１００を評価した結果である。
金属ハロゲン化物２は、ＳｃＩ_３、ＮａＩ、ＺｎＩ_２、およびＩｎＢｒを含むものとした。
金属ハロゲン化物２の重量は、３００μｇとした。
放電空間１１１に封入される不活性ガスは、キセノンとした。キセノンの封入圧力は、常温（２５℃）で１２ａｔｍとした。
発光部１１の内径（放電空間１１１の中央部分の直径寸法）は、２．５ｍｍとした。
発光部１１の外径は、６．２ｍｍとした。
放電空間１１１の容積は、２６μＬ（ｍｍ^３）とした。
そして、未使用の放電ランプ１００を用い、使用開始から所定の時間経過後に色温度および発光効率を測定した。
色温度の評価においては、色温度が４６００Ｋ以上の場合を「○」とし、色温度が４６００Ｋ未満の場合を「×」とした。
発光効率の評価においては、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上の場合を「○」とし、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ未満の場合を「×」とした。

また、金属ハロゲン化物２の重量をＷ（μｇ）、インジウムのハロゲン化物の重量をＩ（μｇ）、ナトリウムのハロゲン化物の重量をＮ（μｇ）、およびスカンジウムのハロゲン化物の重量をＳ（μｇ）としている。
表１から分かるように、０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２、０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５とすれば、色温度が４６００Ｋ以上、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ以上となるようにすることができる。

表２は、金属ハロゲン化物２に対するスカンジウムのハロゲン化物の重量比（Ｓ／Ｗ）と、発光効率および光束維持率との関係を例示するための表である。

評価対象の放電ランプ１００は、表１の場合と同様である。
また、０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２、０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５としている。
発光効率の評価基準は、表１の場合と同様である。
光束維持率は、未使用の放電ランプ１００を複数用い、使用開始から２０００時間の間において評価した。
点灯２０００時間時点での放電ランプ１００の全光束値が、初期値の７０％以上の場合には「◎」、６０％以上７０％未満の場合には「○」、６０％未満の場合には「×」とした。

表２から分かるように、０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５とすれば、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ以上となるようにすることができ、且つ、光束維持率を向上させることができる。

表２における評価は、表１において説明した条件（０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２、０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５）を前提としている。
そのため、０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２、０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５、０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５とすれば、放射される光の色温度が高く、且つ、発光効率の向上と光束維持率の向上を図ることができる放電ランプ１００とすることができる。

また、本発明者の得た知見によれば、亜鉛のハロゲン化物の重量をＺｎ（μｇ）とした場合に、０．０３≦Ｚｎ／Ｗとすれば、電極３２の消耗を抑制することができる。

また、本発明者の得た知見によれば、放電空間１１１の容積（発光部１１の内容積）をＶ（μＬ）、金属ハロゲン化物２の重量をＷ（μｇ）とした場合に、７（μｇ／μＬ）≦Ｗ／Ｖ≦１５（μｇ／μＬ）とすれば、発光効率の向上と、放電ランプ１００の長寿命化を図ることができる。
この場合、７（μｇ／μＬ）＞Ｗ／Ｖとすれば、発光効率が低下する。Ｗ／Ｖ＞１５（μｇ／μＬ）とすれば、放電ランプ１００の寿命が短くなる。

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、１１発光部、１２封止部、３１金属箔、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、
前記金属ハロゲン化物は、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、およびスカンジウムのハロゲン化物を含み、
前記金属ハロゲン化物の重量をＷ（μｇ）、前記インジウムのハロゲン化物の重量をＩ（μｇ）、前記ナトリウムのハロゲン化物の重量をＮ（μｇ）、および前記スカンジウムのハロゲン化物の重量をＳ（μｇ）とした場合に以下の式を満足する放電ランプ。
０．７≦Ｎ／Ｓ≦１．２
０．０４≦Ｉ／Ｗ≦０．１５
０．３≦Ｓ／Ｗ≦０．４５
前記放電空間の容積をＶ（μＬ）とした場合に、以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
７（μｇ／μＬ）≦Ｗ／Ｖ≦１５（μｇ／μＬ）
前記金属ハロゲン化物は、亜鉛のハロゲン化物をさらに含み、
前記亜鉛のハロゲン化物の重量をＺｎ（μｇ）とした場合に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。
０．０３≦Ｚｎ／Ｗ
安定点灯時において、発光効率が８０ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の放電ランプ。