JP4455576B2

JP4455576B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP4455576B2
Application number: JP2006334695A
Authority: JP
Inventors: 誠出口; 康介上田
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: JP2008147085A

Description

本発明は、自動車の前照灯等に使用される本質的に水銀不含のメタルハライドランプに関するものである。

水銀を含まないメタルハライドランプ（以下、水銀フリーランプ）は、例えば、特開２００４−２８８６２９号公報（特許文献１）などにより公知である。現在、水銀フリーランプの放電媒体は、主にナトリウム−スカンジウム系の金属ハロゲン化物とキセノンにより構成されている。この他、ナトリウム−スカンジウム系の水銀フリーランプの発明としては、特開平１１−２３８４８８号公報（特許文献２）、特開２００２−９３３６８号公報（特許文献３）、特表２００４−５２８６８６（特許文献４）が知られている。

上記特許文献１〜４に記載の水銀フリーランプは、４０００Ｋ前後の色温度において、水銀入りのメタルハライドランプと同等、またはそれ以上の特性が得られることを目的としてなされた発明である。一方、最近では５０００Ｋを超えるような高色温度のランプのニーズがあり、高色温度で特性の良い水銀フリーランプの研究開発が進められている。

特開２００４−２８８６２９号公報特開平１１−２３８４８８号公報特開２００２−９３３６８号公報特表２００４−５２８６８６号公報

ナトリウム−スカンジウム系の水銀フリーランプにおいて、高い色温度を実現するためには、スカンジウムハロゲン化物とナトリウムハロゲン化物の封入バランスが最も重要である。しかしながら、色温度が５０００Ｋ以上になるようにナトリウムとスカンジウムの封入バランスを調節すると、封止部にクラックが生じ、リーク（以下、クラックリーク）に至るランプが多発することが確認された。

本発明は、上記のような課題に鑑みたもので、その目的は色温度が高く、クラックリークが発生しにくい本質的に水銀不含のメタルハライドランプを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のメタルハライドランプは、内部に放電空間が形成された放電部を有する気密容器と、前記放電空間に少なくともスカンジウムハロゲン化物、ナトリウムハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物および希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、先端が前記放電空間内で対向配置された一対の電極とを具備し、スカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比が１．５以下であり、前記金属ハロゲン化物はさらに１．０重量％以上、５．０重量％以下の亜鉛ハロゲン化物を含むことを特徴とする。

本発明によれば、色温度が高い本質的に水銀不含のメタルハライドランプにおいて、クラックリークの発生を抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態のメタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図である。

メタルハライドランプの放電容器を構成する気密容器１は、石英ガラスからなる細長い形状であって、その略中央部には略楕円形の放電部１１が形成されている。放電部１１の両端部には、板状の封止部１２ａ、１２ｂが形成されており、さらにその両端には、筒状の非封止部１３ａ、１３ｂが形成されている。なお、気密容器１は石英ガラスのみならず、セラミック等の耐熱性や透光性に優れた材料で構成してもよい。

放電部１１の内部には、軸方向において、中央が略円柱状、両端がテーパ状の放電空間１４が形成されている。この放電空間１４の容積は、自動車の前照灯用として用途を指定する場合、１０〜４０μｌであるのが望ましい。

放電空間１４には、金属ハロゲン化物２および希ガスを含む放電媒体が封入されている。

金属ハロゲン化物２は、スカンジウムハロゲン化物、ナトリウムハロゲン化物、インジウムハロゲン化物、亜鉛ハロゲン化物により構成されている。なお、スカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比は、色温度を５０００Ｋ以上にするために１．５以下でなければならない。また、亜鉛ハロゲン化物は電極溶解を抑制する目的で封入しており、その封入量は微量であるのが望ましい。本発明における亜鉛ハロゲン化物の好適な封入量は、１．０重量％以上、５．０重量％以下である。

ここで、金属ハロゲン化物２に結合されるハロゲンとしては、ハロゲンの中で反応性が低いヨウ素を選択するのが最も好適である。ただし、金属ハロゲン化物の全てをヨウ素と結合させて放電空間１４に封入した場合、点灯中に電極溶融が発生しやすくなるため、臭素等のヨウ素以外のハロゲンをヨウ素と組み合わせるのが望ましい。

希ガスとしては、始動直後の発光効率が高く、主に始動用ガスとして作用するキセノンが封入されている。なお、希ガスの圧力は、光束立ち上がりに少なからず影響を与えるため、常温（２５℃）において８〜１８ａｔｍであるのが望ましい。なお、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを使用したり、それらを組み合わせて使用したりしてもよい。

ここで、放電空間１４には、本質的に水銀は含まれていない。この「本質的に水銀不含」とは、水銀を全く含まないか、または従来の水銀入りの放電ランプと比較しても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以下の水銀量が存在していても許容するものとする。

封止部１２ａ、１２ｂの内部には、マウント３ａ、３ｂが封止されている。
マウント３ａ、３ｂは、金属箔３ａ１、３ｂ１、電極３ａ２、３ｂ２、コイル３ａ３、３ｂ３、外部リード線３ａ４、３ｂ４からなる。

金属箔３ａ１、３ｂ１、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。

電極３ａ２、３ｂ２は、直棒状で、タングステンを主体とする材料、例えばタングステンに酸化トリウムをドープした材料からなる。その先端は放電空間１４内で所定の電極間距離を保った状態で、対向配置されている。ここで、上記「所定の電極間距離」は、見た目の電極間距離において、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下、自動車の前照灯に使用する場合はさらに４．５ｍｍ程度であるのが望ましい。また、電極３ａ２、３ｂ２の先端部の直径Ｒは、０．２５ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であるのが望ましい。

一方、基端側は金属箔３ａ１、３ｂ１の放電部１１側の端部に、溶接によって接続されている。すなわち、金属箔３ａ１、３ｂ１との接合部分から放電空間１４までの電極部分は、封止部１２ａ、１２ｂの石英ガラスに封着されている。

コイル３ａ３、３ｂ３は、例えば、ドープタングステンからなり、金属箔３ａ１、３ｂ１の端部から放電空間１４方向に向けて電極３ａ２、３ｂ２に螺旋状に巻装されている。

外部リード線３ａ４、３ｂ４は、例えば、モリブデンからなり、放電部１１に対して反対側の金属箔３ａ１、３ｂ１の端部に、溶接等により接続されている。そして、外部リード線３ａ４、３ｂ４の他端側は、管軸に沿って封止部１２ａ、１２ｂの外部に延出している。なお、外部に延出した前端側のリード線３ｂ４には、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３ｃの一端が接続され、その他端は、後述するソケット６の方向に延出している。そして、管軸と平行するサポートワイヤ３ｃの部分には、セラミックからなる絶縁スリーブ４が被覆されている。

上記で構成された気密容器１の外側には、石英ガラスにチタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加することにより、紫外線を遮断する作用を有する筒状の外管５が、管軸に沿って気密容器１と略同心状に設けられている。それらの接続は、気密容器１両端の筒状の非封止部１３ａ、１３ｂと外管５の両端部を溶融することにより行なわれている。なお、気密容器１と外管５により形成された空間には、例えば、窒素やネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスを一種または二種以上混合して封入したりすることができる。

気密容器１を内部に覆った状態の外管５の非封止部１３ａ側には、ソケット６が接続される。それらの接続は、非封止部１３ａ付近の外管５の外周面に装着された金属バンド７１を、ソケット６の気密容器１保持側の開口端に形成された４本の金属製の舌片７２（図１では、２本を図示）により挟持することによって行なわれている。そして、接続をさらに強化するために、金属バンド７１および舌片７２の接触点を溶接している。なお、ソケット６の底部には底部端子８ａが形成されており、リード線３ａ４と接続されている。また、ソケット６の側部には底部端子８ｂが形成されており、サポートワイヤ３ｃと接続されている。

これらで構成されたメタルハライドランプは、管軸が略水平の状態で配置され、底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路（図示なし）が電気的に接続され、始動時、安定時電力に対して２倍以上の電力、例えば始動時が約７５Ｗ、安定時が約３５Ｗの電力が供給され、点灯される。

図２を参照して、本発明のメタルハライドランプの一実施例を説明する。なお、以下に示す様々な試験は、特に言及しない限り寸法、材料等はこの仕様に基づいて行っている。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝２５μｌ、内径Ａ＝２．５ｍｍ、外径Ｂ＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物２：ＳｃＩ_３＝０．２０ｍｇ、ＮａＩ＝０．０８ｍｇ、ＩｎＢｒ＝０．１４ｍｇ、ＺｎＩ_２＝０．０１ｍｇ、（スカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比＝１．１４）
希ガス：キセノン＝１０．０ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔３ａ１、３ｂ１：モリブデン製、
電極３ａ２、３ｂ２：トリエーテッドタングステン製、直径Ｒ＝０．３３ｍｍ、電極間距離Ｄ＝４．２ｍｍ、
コイル３ａ３、３ｂ３：ドープタングステン製、コイル直径＝０．０６ｍｍ、コイルピッチ＝２５０％、
外部リード線３ａ４、３ｂ４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
点灯条件：点灯直後７５Ｗ（２．８Ａ）、安定時３５Ｗ（０．７Ａ）、
上記実施例では、色温度は５４００Ｋ、ランプ電圧は５１Ｖ、全光束は２２５０ｌｍというランプ特性を実現している。

図３は、ＳｃＩ_３に対するＮａＩのモル比を変化させたときの色温度およびランプ電圧の変化を説明するための図である。

結果からわかるように、ＳｃＩ_３に対するＮａＩのモル比が低くなるほど色温度は高くなっていき、１．５のときに５０００Ｋの色温度を達成できることがわかる。すなわち、５０００Ｋ以上の色温度を得るには、ＳｃＩ_３に対するＮａＩのモル比を１．５以下にすれば良い。また、ランプ電圧もＳｃＩ_３に対するＮａＩのモル比が低くなるほど高くなる傾向があり、１．５以下ではランプ電圧は５０Ｖ以上になる。

次に、ヨウ化亜鉛の封入量を変化させる試験を行った。結果を図４に示す。なお、図中のクラックリークの有無は、自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬに定められた定格寿命試験モード（ＥＵモード）の点滅サイクルを行い、１０００時間以内にクラックが封止部に発生し、リークしていないかを確認した結果である。

図４より、ヨウ化亜鉛の封入量が１．０重量％よりも少ない場合、クラックリークが発生しているが、１．０重量％以上であればクラックリークが発生しないことがわかる。一方、図４の結果を図示した図５からも明らかなように、ヨウ化亜鉛の封入量が増えるほど全光束は低く、ランプ電圧は高くなっている。そして、ヨウ化亜鉛の封入量が５．０重量％よりも多くなるとランプ電圧が上昇しすぎたことが原因となって、ちらつきが発生している。したがって、ヨウ化亜鉛の封入量は１．０重量％以上、５．０重量％以下であるのが望ましい。なお、図３や図４の結果は、金属ハロゲン化物に結合されるハロゲンの種類が異なってもほぼ同様の結果になる。

上述のクラックリークの発生原因と亜鉛ハロゲン化物の封入効果については以下のように考えられる。

図６は、ＥＵモードで４３時間点灯後の電極付近のＸ線写真を示す図であり、（ａ）がランプ１（ＺｎＩ_２＝０重量％）、（ｂ）がランプ４（ＺｎＩ_２＝１．０重量％）である。図からわかるように、ランプ１では電極先端部が激しく溶解しているのに対し、ランプ４では電極先端部に溶解は見られず、ほぼ点灯初期の状態を維持している。このことから、クラックリークには電極先端部の溶解が関係しているものと考えられる。発明者の検討の結果、ランプ１のように電極先端部が溶解すると、第１にアークスポットが形成されにくくなり、電子放射性が下がることにより、電極軸の温度が上昇したこと、第２にアークスポットが形成される位置が封止部側に近づくことにより、封止部の温度が上昇したことがクラックリークの発生原因と推測している。一方、ヨウ化亜鉛を微量に封入したランプ４において電極が溶解しにくかったのは、アークスポットが電極先端部に安定的に形成されたためと考えられる。

ここで、特許文献２などからも公知のように、亜鉛ハロゲン化物は水銀に代わるランプ電圧形成媒体として、従来、水銀フリーランプに封入されてきた。これに対し、本発明のようなスカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比が１．５以下である水銀フリーランプでは、水銀フリーランプとして好適な４５〜５０Ｖ前後のランプ電圧であるので、設計上、亜鉛ハロゲン化物は不要である。また、亜鉛ハロゲン化物は図５のように全光束を下げ、ランプを暗くする副作用があることから、色温度の高い水銀フリーランプでは亜鉛ハロゲン化物を封入する必要はないと考えられていた。しかし、上述したように、亜鉛ハロゲン化物に電極先端部の溶解を抑制する作用があることを発見したことで、ランプ電圧、全光束の特性が低下しても、あえて亜鉛ハロゲン化物を微量封入する必要性が生じ、本発明に至っている。

ここで、電極先端部の溶解およびそれによるクラックリークを抑制するためには、電極先端部の直径Ｒおよび金属ハロゲン化物に結合するハロゲンも好適に組み合わせるのが良い。

図７は、電極先端部の直径Ｒを変化させたときの電極溶解およびクラックリークの有無について説明するための図である。

結果から、電極先端部の直径Ｒが小さくても大きくても好ましくないことがわかる。従来、電極先端部の直径Ｒが小さい場合、先端部が高温になりすぎるため望ましくないことは知られていた。そのため、電極先端部の直径Ｒが大きいほど先端部が低温になり、溶解しにくくなると考えられていたが、電極先端部の直径Ｒが大きくても、先端部が溶解しやすくなることが確認された。これは、アークスポットが電極先端部に安定形成される時間が遅くなることが原因であると考えられる。したがって、電極先端部の直径Ｒは、０．２５ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であれば好適である。

また、金属ハロゲン化物に結合するハロゲンは反応性が低いヨウ素で構成するのが好適であるが、ヨウ素のみで構成せず、臭素等の他のハロゲンも組み合わせて構成するのが望ましい。これはヨウ素のみで金属ハロゲン化物を構成すると、理由は定かではないが電極が溶解したランプが多発したためである。これに対して、多少のヨウ素以外のハロゲン、例えばヨウ素に対して臭素を１０％以上、５０％以下、金属ハロゲン化物に結合させることで、電極溶解が抑制されることが確認された。

したがって、本実施の形態では、スカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比が１．５以下であり、さらに１．０重量％以上、５．０重量％以下の亜鉛ハロゲン化物を含むことにより、色温度が５０００Ｋ以上の水銀フリーランプを実現でき、かつその構成にした際に生じやすい電極溶解によるクラックリークを抑制することができる。また、電極３ａ２、３ｂ２の先端部の直径Ｒを０．２５ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下、金属ハロゲン化物２に結合されたハロゲンをヨウ素と他のハロゲンとで構成することにより、さらに電極溶解に効果的な構成となり、さらにクラックリークを抑制することができる。

本発明のメタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。本発明のメタルハライドランプの一実施例を説明するための図。ＳｃＩ_３に対するＮａＩのモル比を変化させたときの色温度およびランプ電圧の変化を説明するための図。ＺｎＩ_２の封入量を変化させたときのさまざまなランプ特性の変化を説明するための図。図４のＺｎＩ_２の封入量に対する全光束およびランプ電圧の変化についてグラフ化した図。ＥＵモードで４３時間点灯後の電極付近のＸ線写真を示す図。電極先端部の直径を変化させたときの電極溶解およびクラックリークの有無について説明するための図。

符号の説明

１気密容器
１１放電部
１２ａ、１２ｂ封止部
１３ａ、１３ｂ非封止部
１４放電空間
２金属ハロゲン化物
３ａ、３ｂマウント
３ａ１、３ｂ１金属箔
３ａ２、３ｂ２電極
３ａ３、３ｂ３コイル
３ａ４、３ｂ４外部リード線
３ｃサポートワイヤ
４絶縁チューブ
５外管
６ソケット
７１金属バンド
７２舌片
８ａ底部端子
８ｂ側部端子

Claims

内部に放電空間が形成された放電部を有する気密容器と、前記放電空間に少なくともスカンジウムハロゲン化物、ナトリウムハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物および希ガスが封入された本質的に水銀不含の放電媒体と、先端が前記放電空間内で対向配置された一対の電極とを具備し、
スカンジウムハロゲン化物に対するナトリウムハロゲン化物のモル比が１．５以下であり、前記金属ハロゲン化物はさらに、前記金属ハロゲン化物の総封入量に対して１．０重量％以上、５．０重量％以下の亜鉛ハロゲン化物を含むことを特徴とするメタルハライドランプ。
前記電極の先端部の直径Ｒが０．２５ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
前記金属ハロゲン化物に結合されたハロゲンは、ヨウ素と他のハロゲンとからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプ。