JP2018185921A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】低電力で点灯させる放電ランプであっても、配光特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、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯可能である。放電ランプは、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、を含む放電媒体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する一対の電極と；を具備している。放電ランプは、以下の式を満足する。Ｗｂ＞Ｗｔなお、Ｗｂは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。Ｗｔは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側とは反対側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。【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する一対の電極とを備えた放電ランプがある。
近年においては省電力化の要求から、例えば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプが求められている。しかしながら、２８Ｗ（ワット）以下の電力で放電ランプを点灯させると３５Ｗ（ワット）程度の電力で放電ランプを点灯させる場合に比べて発光部の温度が低くなる。そのため、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプは、３５Ｗ（ワット）程度の電力で点灯させる放電ランプに比べて発光効率が低くなり、明るさが暗くなるという問題がある。

そのため、発光部を小さくすることで放熱を抑制し、明るさが暗くなるのを抑制した放電ランプが提案されている。ところが、発光部を小さくすると、金属ハロゲン化物と電極との間の距離が短くなり、照射面において最も明るくなる領域が放電ランプが取り付けられた灯具の中心軸上からずれて所望の配光特性が得られなくなるという新たな問題が生じる。
そこで、低電力で点灯させる放電ランプであっても、配光特性に優れた放電ランプの開発が望まれていた。

特開２００４−１７２０５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、低電力で点灯させる放電ランプであっても、配光特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、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯可能である。放電ランプは、金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、を含む放電媒体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する一対の電極と；を具備している。放電ランプは、以下の式を満足する。
Ｗｂ＞Ｗｔ
なお、Ｗｂは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。
Ｗｔは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側とは反対側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。

本発明の実施形態によれば、低電力で点灯させる放電ランプであっても、配光特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を例示するための模式図である。 発光部の模式断面図である。 灯具の筐体に取り付けられた放電ランプを例示するための模式断面図である。 他の実施形態に係る電極を例示するための模式図である。

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ランプである場合には、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、後方となる方向を後端側、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２は、発光部１１の模式断面図である。

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、バーナー１０１は、外管５と内管１とによる二重管構造を有している。外管５は、内管１の円筒部１４付近に接合（溶着）されている。
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、誘電体バリア放電が可能なガスとすることができる。封入されるガスは、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い熱膨張係数を有し、且つ、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、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、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４は、一体に形成することができる。
内管１（発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４）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。

図２に示すように、発光部１１は、ほぼ楕円体状の外形形状を有している。発光部１１は、内管１の中央付近に設けられている。内管１の軸方向における発光部１１の寸法（球体長）は、例えば、８ｍｍ程度とすることができる。内管１の軸方向に直交する方向における発光部１１の寸法は、例えば、６ｍｍ程度とすることができる。

発光部１１の内部には、放電空間１１１が設けられている。放電空間１１１の中央部分は、ほぼ円柱状を呈している。放電空間１１１の両端部分は、ほぼ円錐状を呈している。

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。

また、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、放電媒体は、実質的に水銀を含まないものとしている。なお、本明細書において、「実質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないだけではなく、水銀が不純物程度に含まれる場合も許容される。例えば、放電媒体は、放電空間１１１中において、２ｍｇ／ｃｃ未満となるのであれば水銀を含むことができる。

金属ハロゲン化物２は、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）のハロゲン化物、インジウム（Ｉｎ）のハロゲン化物、ナトリウム（Ｎａ）のハロゲン化物、亜鉛（Ｚｎ）のハロゲン化物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（Ｉ）を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素（Ｂｒ）や塩素（Ｃｌ）などを用いることもできる。

放電空間１１１に封入される不活性ガスは、例えば、キセノンとすることができる。また、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを用いたり、これらを組み合わせた混合ガスを用いることもできる。
ただし、不活性ガスは、キセノンとすることがより好ましい。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の両端部のそれぞれに接合されている。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には、境界部１３を介して円筒部１４が接合されている。

境界部１３および円筒部１４は、封止部１２の、発光部１１側とは反対側の端部に接合されている。

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、レニウムモリブテン、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（断面形状が円形の場合には直径）は、例えば、０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下とすることができる。

なお、電極３２の太さは、電極３２が延びる方向において一定でなくてもよい。例えば、電極３２の太さは、先端部側が基端部側よりも太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、一方の電極の太さと、他方の電極の太さとが異なるものであってもよい。

電極３２の一方の端部は、放電空間１１１内に突出している。すなわち、電極３２の一端は放電空間１１１の内部に設けられ、他端は封止部１２の内部に設けられている。一対の電極３２は、所定の距離を置いて互いに対向するように設けられている。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の他方の端部は、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、例えば、レーザ溶接により行うことができる。

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る。なお、電極３２は、トリウムを含有していてもよいし、トリウムを含有していなくてもよい。

コイル３３は、封止部１２にクラックが発生するのを抑制するために設けられている。 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の内部に設けられている。コイル３３は、電極３２の外側に巻きつけられている。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の一方の端部側は、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の他方の端部側は、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、円筒状を呈している。スリーブ４は、例えば、セラミックスから形成することができる。

金属バンド７１は、外管５の後端側の端部近傍に固定されている。

ソケット１０２は、本体部６１、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６１は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６１の内部には、リード線３４の後端側、サポートワイヤ３５の後端側、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６１の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１の前端側に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１から突出している。取り付け金具７２は、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６１の内部に設けられている。底部端子８１は、本体部６１の後端側に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成されている。底部端子８１は、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６１の側壁に設けられている。側部端子８２は、本体部６１の後端側に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成されている。側部端子８２は、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

底部端子８１と側部端子８２は、点灯回路２０１と電気的に接続される。この場合、底部端子８１は、点灯回路２０１の高圧側と電気的に接続される。側部端子８２は、点灯回路２０１の低圧側と電気的に接続される。

図３は、灯具２００の筐体２０２に取り付けられた放電ランプ１００を例示するための模式断面図である。
図３に例示をした灯具２００は、自動車の前照灯に用いられるものである。
図３に示すように、灯具２００には、放電ランプ１００、点灯回路２０１、筐体２０２、遮光制御板２０３、レンズ２０４が設けられている。

点灯回路２０１は、放電ランプ１００の始動および点灯の維持を行うための回路である。点灯回路２０１は、例えば、イグナイタ回路２０１ａとバラスト回路２０１ｂとを備えたものとすることができる。
点灯回路２０１の入力側には、バッテリーなどの直流電源が電気的に接続されている。点灯回路２０１の出力側には、放電ランプ１００が電気的に接続されている。

イグナイタ回路２０１ａは、例えば、トランス、コンデンサ、抵抗、半導体素子などから構成されている。イグナイタ回路２０１ａは、３０ｋＶ程度の高圧パルスを生成し、生成された高圧パルスを放電ランプ１００に印加する。３０ｋＶ程度の高圧パルスを放電ランプ１００に印加することで、一対の電極３２の間において絶縁破壊が生じ、放電が生じる。すなわち、イグナイタ回路２０１ａにより放電ランプ１００が始動する。

バラスト回路２０１ｂは、イグナイタ回路２０１ａにより、始動した放電ランプ１００の点灯を維持する。バラスト回路２０１ｂは、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路、電流・電圧検出回路および制御回路などを有している。

筐体２０２の前端側の端部と後端側の端部は開口している。筐体２０２は、リフレクタの機能と、放電ランプ１００を保持する機能とを有する。
筐体２０２は、放電ランプ１００から照射された光を前端側に反射させる。筐体２０２は、例えば、反射率の高い金属などから形成されている。筐体２０２の内部には空間が設けられ、筐体２０２の内面は放物線形状を呈している。

放電ランプ１００は、筐体２０２に取り付けられる。放電ランプ１００のソケット１０２は、筐体２０２の後端側の開口付近に取り付けられる。放電ランプ１００のバーナー１０１は、筐体２０２の内部の空間に設けられる。
放電ランプ１００は、中心軸（管軸）がほぼ水平の状態で、且つ、サポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように筐体２０２に取り付けられる。なお、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。

遮光制御板２０３は、筐体２０２の内部であって、バーナー１０１の前端側、かつ、バーナー１０１の下端側に設けられている。
遮光制御板２０３は、金属などの遮光性材料から形成されている。遮光制御板２０３は、カットラインと呼ばれる配光を形成するために設けられている。遮光制御板２０３は、可動式とすることができる。

レンズ２０４は、筐体２０２の前端側の開口を塞ぐように設けられている。レンズ２０４は、凸レンズとすることができる。レンズ２０４は、放電ランプ１００から直接入射した光、筐体２０２により反射され入射した光を集光させて所望の配光を形成する。

ここで、近年においては、省電力化の要求から、より低電力で点灯可能な放電ランプが求められている。例えば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させることができる放電ランプが求められている。
この様な低電力で放電ランプを点灯させると、３５Ｗ（ワット）程度の電力で放電ランプを点灯させる場合に比べて発光部１１の温度が低くなる。発光部１１の温度が低くなると発光効率が低くなるので、明るさが暗くなるという問題がある。

この場合、発光部１１を小さくすれば、発光部１１からの放熱量が少なくなるので発光部１１の温度が低くなるのを抑制することができる。そのため、発光効率の低下、ひいては明るさが暗くなるのを抑制することができる。
ところが、発光部１１を小さくすると、筐体２０２に取り付けられた放電ランプ１００を点灯させた際に、照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれるという新たな問題が生じることが判明した。照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれると、意図しない領域に光が照射されることになる。

本発明者の得た知見によれば、照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれる原因は、電極３２の先端同士の間に生じた弧状の放電Ｓ１の形状が変化したためであることが判明した。
また、放電Ｓ１の湾曲が大きくなると（放電Ｓ１の位置が発光部１１の内壁面側に移動すると）、照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上から大きくずれることが判明した。
そして、電極３２の先端と、金属ハロゲン化物２が設けられる側の発光部１１の内壁面との間の距離が短くなれば、放電Ｓ１の湾曲が大きくなることが判明した。

そのため、以下の式を満足するようにすれば、放電Ｓ１の湾曲が大きくなるのを抑制することができ、ひいては照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれるのを抑制することができる。
Ｗｂ＞Ｗｔ
なお、Ｗｂは、電極３２の放電空間１１１側の端面の中心と、金属ハロゲン化物２が設けられる側の発光部１１の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。
Ｗｔは、電極３２の放電空間１１１側の端面の中心と、金属ハロゲン化物２が設けられる側とは反対側の発光部１１の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。

また、本発明者はさらなる検討の結果、距離Ｗｂ（ｍｍ）に対する距離Ｗｔ（ｍｍ）の比（Ｗｔ／Ｗｂ）と、不活性ガスの常温（２５℃）における圧力Ｐ（ａｔｍ）との積を所定の範囲内にすれば、放電Ｓ１の湾曲が大きくなるのをさらに抑制することができ、ひいては照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれるのをさらに抑制することができるとの知見を得た。
表１および表２は、（Ｗｔ／Ｗｂ）×Ｐと、照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれることとの関係を例示するための表である。

なお、判定においては、灯具２００（レンズ２０４）の先端から１０ｍ離れた位置を照射面とした。そして、照射面において、筐体２０２の中心軸２０２ａ上の照度が、最も明るくなる領域の照度の７５％以上となった場合を「○」とし、７５％よりも低くなった場合を「×」とした。
安定点灯時の印加電圧は２５Ｗ（ワット）程度、始動時の印加電圧は５５Ｗ（ワット）程度とした。
金属ハロゲン化物２の組成比は、ＳｃＩ_３：ＮａＩ：ＺｎＩ_２：ＩｎＢｒ＝４５ｗｔ％：４９ｗｔ％：４．９ｗｔ％：０．１ｗｔ％とした。
金属ハロゲン化物２の重量は、２００μｇとした。

発光部１１の内容積（放電空間１１１の体積）は、２２μＬとした。
発光部１１の材料は、石英ガラスとした。
電極３２の直径は０．２８ｍｍ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。
不活性ガスの常温（２５℃）における圧力Ｐは、１０ａｔｍ以上、１５ａｔｍ以下とした。
なお、一例として、表１は圧力Ｐが１２ａｔｍの場合、表２は圧力Ｐが１４ａｔｍの場合とした。
また、１．１５ｍｍ≦Ｗｂ≦１．６５ｍｍ、０．７ｍｍ≦Ｗｔ≦１．２ｍｍとした。

表１および表２から分かるように、以下の式を満足するようにすれば、照射面において最も明るくなる領域が筐体２０２の中心軸２０２ａ上からずれるのを抑制することができる。
６．２≦（Ｗｔ／Ｗｂ）×Ｐ≦１１．５

なお、図１および図２に例示をした電極３２の中心軸３２ａは、放電ランプ１００の中心軸（管軸）１００ａと平行となっているがこれに限定されるわけではない。
図４は、他の実施形態に係る電極３２を例示するための模式図である。
図４に示すように、電極３２の中心軸３２ａは、放電ランプ１００の中心軸（管軸）１００ａと交差していてもよい。

この場合、電極３２の中心軸３２ａと、放電ランプ１００の中心軸（管軸）１００ａとがなす角度θは以下の式を満足するようにすることができる。
２．７°≦θ≦１５．０°
電極３２の中心軸３２ａが、放電ランプ１００の中心軸（管軸）１００ａと交差するようにすれば、Ｗｂ＞Ｗｔとなるようにするのが容易となる。そのため、製造コストの低減と、生産性の向上とを図ることができる。

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、５ 外管、１１ 発光部、１２ 封止部、３２ 電極、３２ａ 中心軸、１００ 放電ランプ、１００ａ 中心軸、１０１ バーナー、１０２ ソケット、１１１ 放電空間、２００ 灯具、２０２ 筐体

Claims (5)

1. 安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯可能な放電ランプであって、
   金属ハロゲン化物と、不活性ガスと、を含む放電媒体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する一対の電極と；
   を具備し、
   以下の式を満足する放電ランプ。
   Ｗｂ＞Ｗｔ
   なお、Ｗｂは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。
   Ｗｔは、前記電極の前記放電空間側の端面の中心と、前記金属ハロゲン化物が設けられる側とは反対側の前記発光部の内壁面との間の距離（ｍｍ）である。
2. 以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
   ６．２≦（Ｗｔ／Ｗｂ）×Ｐ≦１１．５
   なお、Ｐは、前記不活性ガスの圧力（ａｔｍ）である。
3. 前記電極の中心軸は、前記放電ランプの中心軸と交差している請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 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。
   １．１５ｍｍ≦Ｗｂ≦１．６５ｍｍ
5. 前記不活性ガスはキセノンであり、
   前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力は、１０ａｔｍ以上、１５ａｔｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の放電ランプ。

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