JP3759498B2

JP3759498B2 - 自動車前照灯用メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP3759498B2
Application number: JP2002580375A
Authority: JP
Inventors: 正人吉田; 英明桐生
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JPWO2002082500A1; DE10291427B4; WO2002082500A1; US6809478B2; DE10291427T1; CN1460279A; CN1235260C; US20030178940A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車前照灯用メタルハライドランプの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車前照灯用として従来のハロゲン電球に代わる新しい小形メタルハライドランプが開発・展開されている。このランプは、従来のハロゲン電球の５５Ｗに対して３５Ｗと低いランプ電力で約３倍の高光束が得られるという特長を有し、特に夜間での自動車の一層の安全走行が可能となる次世代の高照度・省エネルギーランプとして普及化が進められている。
【０００３】
図９は、かかる自動車前照灯用のメタルハライドランプの発光管の構成を示す。ランプの発光管１９の構成は、その容囲器２０が石英からなり、管両端部には一対のタングステン棒からなる電極２１、２２が設けられている。タングステン電極２１、２２の後端部のそれぞれは、容囲器封止端部２３、２４に気密封着されているモリブデン箔２５、２６の一端に溶接・接続され、モリブデン箔２５、２６の他端にはそれぞれモリブデンからなる外部リード線２７、２８が溶接・接続されている。管内には、発光物質２９の主成分としてナトリウム・スカンジウム沃化物（ＮａＩ＋ＳｃＩ₃）０.０１〜１.０ｍｇと、緩衝ガス３０として水銀０.１〜１.０ｍｇ及びキセノン０.１〜１.５ＭＰａが封入されている。発光管１９の典型的寸法は、電極間距離Ｌｅが４.２ｍｍ、発光管内径φｉが２．８ｍｍ、管内容積が最大３０ｍｍ³である。なお、管内にはＴｈＩ₄、ＬｉＩ、ＴｌＩなどの他の金属ハライド物質が封入されることもある。
【０００４】
上記ランプの点灯は、通常の一般照明用メタルハライドランプとは異なり、自動車前照灯用としてより頻繁にいわゆる瞬時再始動も含めた点滅が繰返されて点灯動作され、また点灯直後でも規定のランプ光束を得るために、点灯直後のランプ電流が定常点灯時の０.４Ａに対して約７倍の２.６Ａで点灯動作されるなど、特有のより厳しい点灯方式でなされる。
【０００５】
図９の従来のメタルハライドランプの開発当初における第１の問題は、発光管１９の容囲器封止端部２３、２４の特にタングステン電極２１、２２の封着部分で、５００時間以下の比較的短時間のうちに石英にクラック・破損が発生して、ランプが短寿命に至ることであった。これは、上記のような特有の点灯方式に関連した問題といえる。
【０００６】
その後、上記問題に関する種々の検討がなされて、その解決手段が例えば特開平７−２８２７１９号公報、特開平７−２１９８１号公報、特開平１０−２２３１７５号公報、特開平１０−２６９９４１号公報などに開示されている。
【０００７】
上記電極封着部分の石英のクラック・破損を防止する一つの手段として、特に１〜２質量％の酸化トリウム（ＴｈＯ₂）が添加剤として含有されたいわゆるトリエーテッドタングステン材料からなる電極２１、２２が採用されている。これにより、電極・石英の接着強度が増大し、図１０に拡大して示すように、タングステン電極２１周縁（電極２２も同じ）には容囲器封止端部２３の石英とは機械的に連結されていない石英被膜３１が形成される。
【０００８】
この結果、容囲器封止端部２３の石英には、発光管１９の点滅時におけるタングステン電極と石英の熱膨張差による応力歪みが存在しなくなるので、上記石英のクラック・破損は防止されることになる。この手段は、石英クラック・破損の防止に極めて有効であることから、図９の従来のランプでは通常採用されている主要な技術である。
【０００９】
もう一つの有効な手段としては、図１１に示すように、発光管１９のタングステン電極２１の封着部分周縁に新たにタングステンコイル３２が巻き付けられている。これにより、容囲器封止端部２３におけるタングステン電極２１とその周縁石英との接着が、上記トリエーテッドタングステン電極を用いる手段とは逆に極めて緩くなり、この場合でも発光管点滅時での周縁石英における応力歪みは小さくなり、石英のクラック・破損は防止できる。なお、同様の手段は、従来のハロゲン電球にも適用されている技術である。
【００１０】
図９の従来のランプの開発における第２の問題は、ランプの点灯時間の経過とともに生じる発光管１９の光束維持率低下である。上記のように、容積の小さい小形発光管１９が、ランプ電力３５Ｗで定常動作され、その上に瞬時再始動や点灯直後の高電流動作などの厳しい点灯方式で動作されるので、特に石英からなる容囲器２０の動作温度が１０００℃以上にも上昇し、またタングステン電極２１、２２の蒸発・損耗が激しく、これらに起因する容囲器２０の失透及び黒化現象によるランプの光束維持率低下は避けられない問題であった。
【００１１】
第２の問題に関しては、例えば特開平７−２１９８１号公報でも開示されているように、上記第１の問題の解決手段でもあるＴｈＯ₂添加のトリエーテッドタングステン電極２１、２２は、第２の問題解決にも有効であると見なされ採用されてきた。即ち、従来からトリエーテッドタングステン電極を用いた高圧放電ランプでは、ランプ動作でのＴｈ単原子層の形成によりタングステン電極先端部の仕事関数が低下し、その動作温度が著しく低下して、特にタングステン電極からのタングステンの蒸発に起因する発光管黒化が抑制されることは、通説としてよく知られている。事実、一般照明用の従来のＮａＩ−ＳｃＩ₃系メタルハライドランプにおいても、ランプ寿命中の発光管黒化による光束維持率低下を抑制するために、トリエーテッドタングステン電極が通常採用されている。
【００１２】
第２の問題の具体的な解決手段としては、封入発光物質や容囲器の石英に含まれるＨ₂Ｏなどの不純物や製造工程でも混入されるＨ₂Ｏ、Ｏ₂などの不純物を十分除去した高純度の製造工程が開発・導入された。これにより、図９の従来のメタルハライドランプの平均光束維持率として、開発当初での規定寿命時間１５００時間において規定値７０％のレベルが達成された。なお、光束維持率は、エイジング時間１５時間での初期光束値に対する光束値の％比率で規定した。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
最近、自動車前照灯用のメタルハライドランプに対する新たな課題として、ランプの長寿命化が挙げられる。即ち、上記メタルハライドランプの当初寿命時間１５００時間は、主に発光管の容囲器封止端部での前記石英クラック・破損の面から規定されていた。ところが、前記手段によりこの問題が解決されると、当初値１５００時間から２０００時間以上のランプ寿命時間が顧客から要望されてきた。この寿命時間は、自動車の約１０万ｋｍ以上の平均走行距離に相当するものであり、これによりランプはほぼメンテナンスフリー部品としての取扱いが可能となる。これは、顧客にとり大きな利点である。
【００１４】
ところで、実際に従来のメタルハライドランプについて１５００時間以上に亘る寿命試験を行なうと、かかる１５００時間以上の寿命特性における問題として、（ａ）前記平均光束維持率が規定値７０％以下に低下するほかに、新たに（ｂ）ランプ発光の色温度・色度座標の変化、（ｃ）水平点灯される発光管における放電アーク領域の拡散による中心アーク輝度の低下、（ｄ）点灯時の熱による発光管膨れ（容囲器内径の増大）、などが顕著に発生し出すことが判明した。
【００１５】
以上のように、自動車前照灯用メタルハライドランプにおいて、顧客要望に応えて２０００時間以上の長寿命を実現するためには、かかるランプの寿命時間における前記平均光束維持率を規定値７０％以上に高め、その他の上記寿命諸特性もより改善することが、主要な具体的技術課題である。
【００１６】
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたもので、点灯時間２０００時間以上におけるランプの光束維持率をはじめとする寿命諸特性をより改善することができる長寿命な自動車前照灯用メタルハライドランプを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、管両端には一対のタングステン電極が設けられ、且つ管内には発光物質の主成分である金属ハライドと、緩衝ガスであるキセノンとが封入された発光管を備えたメタルハライドランプであって、前記タングステン電極が酸化トリウムを含み、前記タングステン電極中の酸化トリウムの含有量が０.４質量％以下の範囲にあり、前記金属ハライドが沃化スカンジウムを含んでいることを特徴とする。
【００１８】
これにより、寿命時間２０００時間における平均光束維持率として規定値７０％以上のレベルを達成することができ、しかも色温度変化、点灯時の熱による発光管膨れ、また中心アーク輝度の低下をそれぞれ抑制することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプを得ることができる。
【００１９】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記キセノンの封入圧力が０.４ＭＰａ以上の範囲にあることを特徴とする。
【００２０】
これにより、特にタングステン電極中の酸化トリウム（ＴｈＯ₂）添加量の減少にもかかわらず、点灯中のタングステン電極の蒸発・損耗による発光管黒化が抑制され、結果として寿命時間２０００時間におけるランプの平均光束維持率として規定値７０％以上のレベルを達成することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプを得ることができる。
【００２１】
なお、発光管の耐圧性を考慮して、キセノンの封入圧力は１．０ＭＰａ以下が好ましい。もちろん、発光管の肉厚等が異なればその封入圧力の上限値は異なる。
【００２２】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、始動直後から定常点灯に至るまでの間にランプ電流が定常点灯時の３倍以上となることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記発光管の内容積をＶ（ｍｍ³）、前記タングステン電極の発光管内部に突出した部分に含まれる全てのトリウム元素の質量をｍ_e（ｍｇ）、前記タングステン電極を除いた発光管の空間内に存在する全てのトリウム元素の質量をｍ_x（ｍｇ）とした場合、関係式：（１／１２×ｍ_e＋ｍ_x）／Ｖ≧５（ｍｇ／ｍｍ³）が成立することがより好ましい。
【００２４】
これにより、発光管の容囲器封止端部のモリブデン箔の電極側先端付近で２０００時間以上において多発する石英クラック・破損を防止することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプを得ることができる。
【００２５】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記タングステン電極中の酸化トリウムの添加量が、さらに０.２質量％以下の範囲にあることが好ましい。
【００２６】
これにより、点灯時間２０００時間以上におけるランプの光束維持率をはじめとするその他の寿命諸特性をより改善することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命で一層高品位のランプを得ることができる。
【００２７】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記金属ハライドが沃化ナトリウムを含んでいることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記タングステン電極と前記発光管との間には、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材が設けられていることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記緩衝部材の熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい中間ガラスであることが好ましい。
【００３０】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記緩衝部材が前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分周縁に巻き付けられたタングステンコイルであることが好ましい。
【００３１】
これにより、特にタングステン電極中の酸化トリウム（ＴｈＯ₂）添加量の減少にもかかわらず、点灯消灯によるタングステン電極の容囲器封止端部における石英クラック・破損を防止することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプを得ることができる。
【００３２】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分が、レニウム、白金、ロジウム、ルテニウム及び金からなる群から選択される少なくとも一つにより被覆されていることが好ましい。
【００３３】
これにより、特にタングステン電極中の酸化トリウム（ＴｈＯ₂）添加量の減少にもかかわらず、点灯消灯によるタングステン電極の容囲器封止端部における石英クラック・破損を防止することができ、顧客要望に応えた寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプを得ることができる。
【００３４】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記発光管の容囲器封止端部には金属箔が封着され、前記タングステン電極と前記金属箔とは、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材を介して電気的に接続されていることが好ましい。
【００３５】
また、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプは、前記緩衝部材の熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい導電部材であることが好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図８を用いて説明する。
【００３７】
図１は、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプ３５Ｗの発光管の構成図を示す。これは、基本的には前記従来のメタルハライドランプの発光管の構成と同様である。また、図２は、本発明のメタルハライドランプの全体構成図を示す。
【００３８】
ランプの発光管１の構成は、その容囲器２が石英からなり、管両端部には一対のタングステン棒からなる電極３、４（電極棒の直径０.２５ｍｍ、全長７ｍｍでうち封着長ｄｓ６.０ｍｍ）が設けられている。タングステン電極３、４の後端部のそれぞれは、容囲器封止端部５、６に気密封着されているモリブデン箔７、８（幅１．５ｍｍ、全長７ｍｍ）の一端に溶接・接続され、モリブデン箔７、８の他端にはそれぞれモリブデンからなる外部リード線９、１０（直径０.４ｍｍ）が溶接・接続されている。この場合、容囲器封止端部５、６におけるタングステン電極３、４の封着部分には緩衝部材としてタングステンコイル１１、１２（コイル線径０.１０ｍｍ、ピッチ０.２０ｍｍで巻数２０ターン）が巻付け設けられている。管内には、発光物質１３の主成分として少なくとも沃化ナトリウムと沃化スカンジウム（ＮａＩ＋ＳｃＩ₃）が封入され、また緩衝ガス１４として水銀０.８ｍｇ及びキセノン０.７ＭＰａが封入されている。発光管１の寸法は、電極間距離Ｌｅが４.２ｍｍ、発光管内径φｉが２．８ｍｍ、管内容積が最大３０ｍｍ³である。なお、上記タングステンコイル１１、１２に代えて、前記タングステン電極３、４の容囲器封止端部における封着部分をレニウム、白金、ロジウム、ルテニウム、金等により被覆してもよい。
【００３９】
完成したランプ１５の構成としては、前記発光管１が紫外線カットガラスからなる外管容囲器１６内に設置され、外管容囲器１６には口金１７が装着されている。また、口金１７の端子には発光管１の外部リード線９、１０が連結導体線１８等を介してそれぞれ接続されている。
【００４０】
上記ランプ１５は、自動車前照灯用の反射ミラー付灯具内に発光管１が水平位置になるように設置され、電子安定器により定常点灯時の周波数がおよそ１００から４００Ｈｚの矩形波で点灯動作される。ここでランプ１５は、前記のように、瞬時再始動時には約２０ｋＶの高圧パルス電圧の印加により点灯され、また始動直後には定常点灯時の０.４Ａに対して約７倍の大電流で点灯動作される。
【００４１】
本発明者は、先ず図１の構成からなる発光管１のタングステン電極３、４として従来技術によるＴｈＯ₂１.０質量％及び１.５質量％をそれぞれ添加したトリエーテッドタングステン材料を用いた２種類のランプ１５に関して、１５００時間以上に亘る灯具内点灯での寿命試験を行ない、その寿命特性を調べた。この場合、発光物質１３としては組成がＮａＩ：７０質量％／ＳｃＩ₃：２９質量％／ＴｈＩ₄：１質量％のナトリウム・スカンジウム・トリウム沃化物０.２ｍｇを封入した。
【００４２】
この結果、ランプ１５の目標寿命時間２０００時間における平均光束維持率は５９％まで低下し（規定値は７０％）、発光色の色度座標値ｘ、ｙともにプラス方向に変位（即ちピンク領域へ変位）し、且つ、発光色の平均色温度が４０００Ｋから約５００ｄｅｇ低下した。また、水平点灯での発光管の容囲器２の上側部分が温度上昇により膨れて、これにより発光管内径が増大するとともに、発光管１の放電アーク領域幅（輝度１００％値を中心として±２０％値の幅で規定）が拡散して、その相対中心アーク輝度が初期値の３０％レベルまで低下することがわかった。一方、寿命試験中のランプ１５の発光スペクトル分布の観測から、図７に示すように、点灯時間１００時間経過時点でＳｃスペクトル強度が減衰しており、即ち発光管内からＳｃＩ₃が消失していることがわかった。そして、これに併行して特に発光管１の容囲器２における石英の失透が激しくなることが観測された。
【００４３】
本発明者は、最初は上記のように従来のトリエーテッドタングステン電極を用いたランプ１５の寿命特性を改善するための検討を行なった。
【００４４】
例えば、上記結果において点灯時間の経過につれてＳｃスペクトル強度が減衰して発光色がピンク領域に変位していることから、発光物質１３中のＳｃＩ₃の封入絶対量が目標寿命時間２０００時間に対して不足していると想定して、前記発光物質１３の封入量を０.２〜１.０ｍｇの範囲で増量して検討を行なった。この結果、確かにＳｃスペクトル減衰や発光色変位は抑制されたが、特にＳｃＩ₃の封入絶対量が０．１ｍｇ以上の範囲まで増量されると、発光管１の容囲器封止端部５、６におけるモリブデン箔７、８の電極側先端付近で新たな石英クラック・破損が、特に点灯時間１５００時間以上になると多発し出して、ランプ寿命終了に至る、という新たな問題が発生することが判明した。また、ＳｃＩ₃の増量により最重点の光束維持率は逆に低下し、特にＳｃＩ₃の封入絶対量が上記０．１ｍｇ以上の範囲では発光管１の容囲器２の再結晶化による失透現象が激しく、規定値７０％以上の平均光束維持率が到底達成されないこともわかった。これは、増量されたＳｃＩ₃がランプ点灯に未蒸発の液相状態で存在し、石英からなる容囲器２と反応してその失透現象を加速するからである。
【００４５】
以上のように、ＳｃＩ₃を増量することによっては本発明が目的とする目標寿命時間２０００時間のランプを得ることは難しいことが明らかとなった。
【００４６】
次いで本発明者は、上記従来のトリエーテッドタングステン電極を用いたランプ１５の寿命特性が悪くなる基本的な要因を調べた。この結果、以下のように、最終的にタングステン電極に添加された前記ＴｈＯ₂そのものが要因であることが確認された。
【００４７】
本発明者は、図１の発光管１のタングステン電極３、４として添加剤ＴｈＯ₂を１.０質量％から順次０質量％まで減少させたランプ１５に関して、上記と同様にしてその寿命特性を調べた。この場合、発光物質１３としては前記と同じ組成のＮａＩ：７０質量％／ＳｃＩ₃：２９質量％／ＴｈＩ₄：１質量％のナトリウム・スカンジウム・トリウム沃化物０.２ｍｇを封入した。その結果、ＴｈＯ₂の添加量減少につれて、（ａ）光束維持率、（ｂ）色温度変化、（ｃ）発光管内径変化及び（ｄ）アーク最大輝度維持率のいずれの寿命特性も改善されることが分かった。また、図８に示すように、点灯時間１００時間経過時点でのＳｃスペクトル強度の減衰も抑えられている。上記（ａ）〜（ｄ）の寿命特性とタングステン電極へのＴｈＯ₂の添加量との関係を、点灯時間２０００時間の特性値で比較した図３〜図６で示す。先ず、図３からわかるように、目標寿命時間２０００時間における最重点の寿命特性である平均光束維持率として規定値７０％以上のレベルを達成するには、ＴｈＯ₂添加量は０.４質量％以下の範囲に規定されることが必要条件である。更に、図４〜図６からわかるように、その他の寿命諸特性も含めて一層改善された高品位のランプを得るには、ＴｈＯ₂添加量は０.２質量％以下の範囲がより好ましい、といえる。
【００４８】
以上から、前記従来技術によるＴｈＯ₂の添加で寿命特性が悪くなるのは、特に（１）寿命中にＴｈＯ₂から酸素Ｏ₂が解離・放出されて発光物質１３中のＳｃＩ₃と反応し、これにより発光管１内からＳｃＩ₃が消失し、併せて（２）生成されたＳｃ₂Ｏ₃が石英からなる容囲器２と反応してその再結晶化による失透現象及び発光管内径の増大を加速させる、という機構によるといえる。本発明によるＴｈＯ₂添加量の減少は、上項（１）及び（２）の反応を基本的に抑えて、ＳｃＩ₃消失や石英からなる容囲器の失透現象を抑制するものである。
【００４９】
一方、本発明によりＴｈＯ₂添加０質量％のタングステン電極３、４を用いて、前記発光物質１３の封入量を０.２〜１.０ｍｇの範囲で増量したランプ１５について、同様の寿命試験を行なった。その結果、前記と同じようにＳｃＩ₃の増量につれて、モリブデン箔７、８の電極側先端部における新たな石英クラック・破損が発生し、また石英からなる容囲器２の失透現象も激しくなることがわかった。
【００５０】
図１の本実施形態である発光管１の構成において、本発明によりＴｈＯ₂の添加量を減少させると、前記従来技術に関連して述べたように、タングステン電極３、４の容囲器封止端部５、６での封着部分における石英クラック・破損が発生し易くなる。従って、本発明ではこれを防止するための手段を組合せることがより好ましい。図１の本実施形態の構成では、特に有効な手段としてタングステン電極３、４の封着部分周縁には、タングステン電極と発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材としてタングステンコイル１１、１２が巻き付けられている。その他の方法として、前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分をレニウム、白金、ロジウム、ルテニウム、金等により被覆する方法もある。
【００５１】
さらに、前記緩衝部材として、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい中間ガラスを用いることができる。図１４は、タングステン電極３３に緩衝部材として中間ガラス３４を設けたランプの発光管の容囲器封止端部３５の拡大断面図である。図１４において、中間ガラス３４の層の厚さｄは、製造を容易にするため０．１ｍｍ以上とするのが好ましい。この中間ガラスとしては、例えば、超硬質ガラス（熱膨張係数：３２×１０^-7／℃）、ジェネラル・エレクトリック社（General Electric Company）製（ＧＥ社製）のＧＳＣ−Ｎｏ１（熱膨張係数：１２．８×１０^-7／℃）、ＧＥ社製のＧＳＣ−Ｎｏ３（熱膨張係数：１７×１０^-7／℃）、ショット・グラス社（Schott Glass Ltd.）製の８２２８（熱膨張係数：１３×１０^-7／℃）、石英ガラスやバイコールガラスの微結晶に、モリブデンやタングステンが混合された焼結体、又は石英ガラスやバイコールガラスの微結晶に、モリブデンやタングステンが混合された焼結体において、タングステン電極に近いほど、モリブデンやタングステンの成分が多い傾斜材料等を用いることができる。
【００５２】
加えて、前記タングステン電極と前記金属箔とを、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材を介して電気的に接続することもできる。この緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい導電部材であることが好ましい。図１５は、タングステン電極３３に導電部材３６を設けたランプの発光管の容囲器封止端部３５の拡大断面図である。この導電部材としては、レニウム、ルテニウム、白金等が好ましい。
【００５３】
また、本発明によるＴｈＯ₂の添加量を減少させたランプにおいても、タングステン電極の蒸発・損耗による発光管黒化が抑制されて目標とする寿命特性が得られたのは、基本的に緩衝ガス１４としてのキセノンが０.７ＭＰａという高圧で封入されているからである。従来、一般照明用ＮａＩ−ＳｃＩ₃系ランプでは、アルゴン（Ａｒ）が約２５ｋＰａ封入されているにすぎない。事実、例えば図１においてタングステン電極３、４のＴｈＯ₂の添加量を０質量％に設定し、キセノンガスの封入圧力のみを順次低下させて他は同一構成の発光管１を用いたランプ１５では、封入圧力０．４ＭＰａを下回ると電極蒸発・損耗による発光管黒化が激しく、点灯時間２０００時間でのランプ平均光束維持率は規定値７０％が達成されなかった。
【００５４】
また、前記発光管の内容積をＶ（ｍｍ³）、前記タングステン電極の発光管内部に突出した部分に含まれる全てのトリウム元素の質量をｍ_e（ｍｇ）、前記タングステン電極を除いた発光管の空間内に存在する全てのトリウム元素の質量をｍ_x（ｍｇ）とした場合、ＴｈＩ₄の封入量を変化させることにより（１／１２×ｍ_e＋ｍ_x）／Ｖの値を変化させて２０００時間点灯後の光束維持率とアーク最大輝度維持率を測定した。その結果を図１２、図１３に示す。図１２及び図１３から明らかなように、（１／１２×ｍ_e＋ｍ_x）／Ｖ≧５（ｍｇ／ｍｍ³）の範囲において、光束維持率７０％以上及びアーク最大輝度維持率６０％以上を達成できることがわかる。
【００５５】
図１２、図１３において、Ａはタングステン電極中のＴｈＯ₂の添加量が０質量％のもの、Ｂはタングステン電極中のＴｈＯ₂の添加量が０．００１質量％のもの、Ｃはタングステン電極中のＴｈＯ₂の添加量が０．２質量％のもの、Ｄはタングステン電極中のＴｈＯ₂の添加量が０．４質量％のものである。また、上記に使用したタングステン電極棒の直径は０．２５ｍｍ、タングステン電極の発光管内部に突出した部分の長さは１．０ｍｍ、発光管の内容積は２５ｍｍ³である。
【００５６】
なお、タングステン電極中のトリウム元素は、固体中を拡散した後に電極先端に到達して効果を発揮する。即ち、電極中の全てのトリウム元素が効果を発揮するものではないため、これを考慮して上記関係式において係数１／１２が必要となる。
【００５７】
また、上記本実施形態である発光管１の構成において、管内に封入される発光物質１３としてＬｉＩ、ＴｌＩなどの他の金属ハライド物質が付加されてもよい。
【００５８】
以上の結果から、従来技術で通説として高圧放電ランプの寿命特性改善に有効であるとされてきたＴｈＯ₂の添加は、本発明が目的とする自動車前照灯用の小形メタルハライドランプにおいては寿命特性を逆に悪化させることが実証された。これは、基本的に従来の一般照明用ＮａＩ−ＳｃＩ₃系メタルハライドランプとは異なり、発光管内容積が最大３０ｍｍ³と小さく、ＳｃＩ₃の封入絶対量がＴｈＯ₂からのＯ₂放出量に比べて相対的に少ないことに関連するものである。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、管両端には一対のタングステン電極が設けられ、且つ管内には発光物質の主成分である金属ハライドと、緩衝ガスであるキセノンとが封入された発光管を備えたメタルハライドランプであって、前記タングステン電極中の酸化トリウムの添加量が０.４質量％以下の範囲にあり、前記金属ハライドが沃化スカンジウムを含んでいる自動車前照灯用メタルハライドランプとすることにより、ランプの光束維持率を初めとする寿命諸特性が改善されて、寿命時間２０００時間以上の長寿命のランプが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプの発光管の断面図である。
【図２】本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプの要部断面図である。
【図３】２０００時間点灯後の光束維持率とタングステン電極中のＴｈＯ₂添加量との関係を示す図である。
【図４】２０００時間点灯後の色温度変化とタングステン電極中のＴｈＯ₂添加量との関係を示す図である。
【図５】２０００時間点灯後の発光管内径増加率とタングステン電極中のＴｈＯ₂添加量との関係を示す図である。
【図６】２０００時間点灯後のアーク最大輝度維持率とタングステン電極中のＴｈＯ₂添加量との関係を示す図である。
【図７】メタルハライドランプのタングステン電極へのＴｈＯ₂添加量による寿命中の分光分布を示す図である。
【図８】メタルハライドランプのタングステン電極へのＴｈＯ₂添加量による寿命中の分光分布を示す図である。
【図９】従来の自動車前照灯用メタルハライドランプの発光管の断面図である。
【図１０】従来のタングステン電極にＴｈＯ₂を添加したランプの発光管の容囲器封止端部の拡大断面図である。
【図１１】従来のタングステン電極にタングステンコイルを巻き付けたランプの発光管の容囲器封止端部の拡大断面図である。
【図１２】２０００時間点灯後の光束維持率と発光管内のトリウム元素量との関係を示す図である。
【図１３】２０００時間点灯後のアーク最大輝度維持率と発光管内のトリウム元素量との関係を示す図である。
【図１４】タングステン電極に中間ガラスを設けたランプの発光管の容囲器封止端部の拡大断面図である。
【図１５】タングステン電極に導電部材を設けたランプの発光管の容囲器封止端部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１発光管
２容囲器
３，４電極
５，６容囲器封止端部
７，８モリブデン箔
９，１０外部リード線
１１，１２タングステンコイル
１３発光物質
１４緩衝ガス

Claims

管両端には一対のタングステン電極が設けられ、且つ管内には発光物質の主成分である金属ハライドと、緩衝ガスであるキセノンとが封入された発光管を備えたメタルハライドランプであって、
前記タングステン電極が酸化トリウムを含み、前記タングステン電極中の酸化トリウムの含有量が０．４質量％以下の範囲にあり、
前記金属ハライドが沃化スカンジウムを含み、
前記発光管の内容積をＶ（ｍｍ ³ ）、前記タングステン電極の発光管内部に突出した部分に含まれる全てのトリウム元素の質量をｍ _e （ｍｇ）、前記タングステン電極を除いた発光管の空間内に存在する全てのトリウム元素の質量をｍ _x （ｍｇ）とした場合、下記関係式
（１／１２×ｍ _e ＋ｍ _x ）／Ｖ≧５（ｍｇ／ｍｍ ³ ）
が成立することを特徴とする自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極中の酸化トリウムの添加量が、さらに０．２質量％以下の範囲にある請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記金属ハライドが、沃化ナトリウムを含んでいる請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極と前記発光管との間には、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材が設けられている請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい中間ガラスである請求項４に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材が、前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分周縁に巻き付けられたタングステンコイルである請求項４に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分が、レニウム、白金、ロジウム、ルテニウム及び金からなる群から選択される少なくとも一つにより被覆されている請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記発光管の容囲器封止端部には金属箔が封着され、前記タングステン電極と前記金属箔とは、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材を介して電気的に接続されている請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい導電部材である請求項８に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
管両端には一対のタングステン電極が設けられ、且つ管内には発光物質の主成分である金属ハライドと、緩衝ガスであるキセノンとが封入された発光管を備えたメタルハライドランプであって、
前記タングステン電極が酸化トリウムを含み、前記タングステン電極中の酸化トリウムの含有量が０．４質量％以下の範囲にあり、
前記金属ハライドが沃化スカンジウムを含み、
前記キセノンの封入圧力が０．４ＭＰａ以上の範囲にあり、
前記発光管の内容積をＶ（ｍｍ ³ ）、前記タングステン電極の発光管内部に突出した部分に含まれる全てのトリウム元素の質量をｍ _e （ｍｇ）、前記タングステン電極を除いた発光管の空間内に存在する全てのトリウム元素の質量をｍ _x （ｍｇ）とした場合、下記関係式
（１／１２×ｍ _e ＋ｍ _x ）／Ｖ≧５（ｍｇ／ｍｍ ³ ）
が成立することを特徴とする自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極中の酸化トリウムの添加量が、さらに０．２質量％以下の範囲にある請求項１０に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記金属ハライドが、沃化ナトリウムを含んでいる請求項１０に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極と前記発光管との間には、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材が設けられている請求項１０に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい中間ガラスである請求項１３に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材が、前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分周縁に巻き付けられたタングステンコイルである請求項１３に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分が、レニウム、白金、ロジウム、ルテニウム及び金からなる群から選択される少なくとも一つにより被覆されている請求項１０に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記発光管の容囲器封止端部には金属箔が封着され、前記タングステン電極と前記金属箔とは、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材を介して電気的に接続されている請求項１０に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい導電部材である請求項１７に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
管両端には一対のタングステン電極が設けられ、且つ管内には発光物質の主成分である金属ハライドと、緩衝ガスであるキセノンとが封入された発光管を備えたメタルハライドランプであって、
前記タングステン電極が酸化トリウムを含み、前記タングステン電極中の酸化トリウムの含有量が０．４質量％以下の範囲にあり、
前記金属ハライドが沃化スカンジウムを含み、
始動直後から定常点灯に至るまでの間にランプ電流が定常点灯時の３倍以上となり、
前記発光管の内容積をＶ（ｍｍ ³ ）、前記タングステン電極の発光管内部に突出した部分に含まれる全てのトリウム元素の質量をｍ _e （ｍｇ）、前記タングステン電極を除いた発光管の空間内に存在する全てのトリウム元素の質量をｍ _x （ｍｇ）とした場合、下記関係式
（１／１２×ｍ _e ＋ｍ _x ）／Ｖ≧５（ｍｇ／ｍｍ ³ ）
が成立することを特徴とする自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極中の酸化トリウムの添加量が、さらに０．２質量％以下の範囲にある請求項１９に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記金属ハライドが、沃化ナトリウムを含んでいる請求項１９に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極と前記発光管との間には、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材が設けられている請求項１９に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい中間ガラスである請求項２２に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材が、前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分周縁に巻き付けられたタングステンコイルである請求項２２に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記タングステン電極の容囲器封止端部における封着部分が、レニウム、白金、ロジウム、ルテニウム及び金からなる群から選択される少なくとも一つにより被覆されている請求項１９に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記発光管の容囲器封止端部には金属箔が封着され、前記タングステン電極と前記金属箔とは、前記タングステン電極と前記発光管との熱膨張差による応力歪を緩和する緩衝部材を介して電気的に接続されている請求項１９に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。
前記緩衝部材は、熱膨張係数がタングステンよりも小さく、且つ石英よりも大きい導電部材である請求項２６に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。