JP5090244B2

JP5090244B2 - 放電ランプおよび放電ランプ装置

Info

Publication number: JP5090244B2
Application number: JP2008118232A
Authority: JP
Inventors: 誠出口; 周平阿部; 亮伊藤; 寿吉田; 昌弘土居
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: JP2009266767A

Description

本発明は、自動車の前照灯などに使用される放電ランプおよび放電ランプ装置に関するものである。

自動車の前照灯などに使用される放電ランプは、特許第３５９６８１２号公報（以下、特許文献１）や特開２００１−１１０３５８号公報（以下、特許文献２）で知られているように、内管と外管とを具備する二重管構造となっている。この内管は、発光部とその両端に形成されたシール部とで構成されており、発光部内には希ガスや金属ハロゲン化物が封入され、シール部には金属箔および電極が封着されてなる。

この種の放電ランプでは、ランプを始動させるためには、数ｋＶ〜数十ｋＶの電圧が必要であり、始動が困難であることが知られている。そこで、特許文献１に記載のように、内管と外管とで構成された空間に誘電体バリア放電可能なガスを封入し、始動時に誘電体バリア放電を発生させることで、始動電圧を低減し、始動しやすくする発明が提案されている。

特許第３５９６８１２号公報特開２００１−１１０３５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明を採用しても、始動性改善の再現性が悪いことがわかった。そこで、本発明者が試験・検討した結果、始動性改善の再現性を高めるには、発光部の最大外径部分と当該部分に近接する外管の内側部分との間隔が重要であることを見出したので、提案するに至った。

本発明の目的は、始動性に優れた放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の放電ランプは、内部に第１の空間を有する発光部、前記発光部に形成されたシール部を有する内管と、前記第１の空間に封入された第１のガスを含む放電媒体と、前記シール部に封着された金属箔と、一端は前記金属箔に接続され、他端は前記第１の空間に導出された電極と、前記内管との間に第２の空間を形成するように、前記内管に接続された外管とを具備し、前記第２の空間には第２のガスが封入されており、前記発光部の最大外径部分と当該部分に近接する前記外管の内側部分との間隔をＤ（ｍｍ）としたとき、少なくとも一箇所がＤ≧０．５５を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、始動性に優れた放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の放電ランプについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための側面図、図２は、本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための断面図、図３は、図１の発光部の最大外径部分を通るＡ−Ａ’の断面を矢印方向から見た図である。

図１の放電ランプは自動車の前照灯に用いられる、いわゆるＤ４タイプの放電ランプであり、主要部として内管１を有している。内管１は細長い形状であり、その中央付近には略楕円形の発光部１１が形成されている。発光部１１の両端には、板状のシール部１２、その両端には境界部１３を介して円筒部１４が連続形成されている。なお、内管１としては、例えば石英ガラスなどの耐熱性と透光性を具備した材料で構成されるのが望ましい。

この発光部１１の内部には、中央が略円柱状、両端がテーパ状の第１の空間１５が形成されている。この第１の空間１５の容積は、自動車前照灯用の場合には、１０ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３、さらには２０ｍｍ^３〜３０ｍｍ^３であるのが望ましい。

第１の空間１５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と第１のガスとで構成されている。

金属ハロゲン化物２は、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）、ヨウ化亜鉛（ＺｎＩ_２）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ）で構成されている。ただし、金属ハロゲン化物２はこの組み合わせに限らず、スズやセシウムのハロゲン化物などを追加してもよい。また、金属に結合させるハロゲンの種類や組み合わせを変更してもよい。

第１のガスは、キセノンが使用されている。第１のガスは、目的によってその封入圧力を調整することができる。例えば、全光束等の特性を高めるためには、封入圧力を常温（２５℃）において１３ａｔｍ以上にするのが望ましい。ただし、上限は製造上、現状は２０ａｔｍ程度である。なお、第１のガスの圧力は、水中で発光部１１とシール部１２の境界を破壊して第１の空間１５内部のガスを収集、測量し、その後に第１の空間１５の容積を測定することにより、算出することができる。また、第１のガスとしては、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することもできる。

ここで、放電媒体は、水銀を実質的に含まない。この「水銀を実質的に含まない」とは、水銀の封入量が０ｍｇであるのが最適であるが、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以下の水銀量を封入していても許容するという意味である。

シール部１２には、電極マウント３が封着されている。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により構成されている。

金属箔３１は、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。

電極３２は、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なる電極である。その一端は金属箔３１の発光部１１側端部に接続され、他端は第１の空間１５内で所定の電極間距離を保って、互いの先端同士が対向するように配置される。その電極間距離としては、自動車前照灯用の場合には、外観上における距離で４．０ｍｍ〜４．４ｍｍであるのが望ましい。なお、形状は、直棒状に限らず、先端の直径が大きい非直棒状の形状や直流点灯タイプのように一対の電極の大きさが異なる形状であってもよい。また、材料は、純タングステンや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。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線であって、シール部１２に封着される電極３２の軸部の軸周りに螺旋状に巻装される。このコイル設計としては、コイルピッチは３００％以下、巻装長は電極封着長に対して、６０％以上とし、かつ金属箔３１と接続される電極３２の軸部分には巻装しないのが望ましい。

リード線３４は、例えば、モリブデンからなる金属線である。その一端は、発光部１１に対して反対側の金属箔３１に接続され、他端は管軸に沿って内管１の外部に延出される。そのうち、ランプの前端側に延出したリード線３４には、例えば、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３５の一端がレーザー溶接により接続されている。このサポートワイヤ３５には、内管１と平行する部分に、例えば、セラミックからなるスリーブ４が装着されている。なお、このスリーブ４の一端は、後述するソケット６に形成された穴に挿入されるが、そのときに圧入または接着などの方法により、ソケット６に固定してもよい。これにより、振動や搬送などによりスリーブ４が管軸方向にスライドし、サポートワイヤ３５のＬ字部分に衝突することを防止できるため、リード線３４とサポートワイヤ３５の接続が外れるのを防止することができる。

上記で構成された内管１の外側には、筒状の外管５が内管１と同心状に設けられている。それらの接続は、内管１の円筒部１３付近に外管５の両端を溶着することにより行なわれ、これにより、内管１と外管５との間には気密な第２の空間５１が形成される。第２の空間５１には、第２のガスが封入されている。第２のガスには、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混合ガスを使用することができる。ガス圧は０．３ａｔｍ以下であるのが望ましい。なお、外管５としては、例えば、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した、紫外線遮断性を有する材料で構成するのが望ましい。また、所望により、外管５の外面に配光制御のための遮光膜を形成してもよい。

ここで、図３からわかるように、内管１は外管５に対して下側にオフセットしており、発光部１１の最大外径部分と当該部分に近接する外管５の内側との間隔Ｄは上側が最も広く、反対に下側が最も狭くなっている。また、その間隔Ｄ（ｍｍ）は、Ｄ≧０．５５を満している。

そして、外管５が接続された内管１の一端には、ソケット６が接続される。これらの接続は、外管５の外周面に金属バンド７１を装着し、その金属バンド７１をソケット６から突出形成させた金属製の舌片７２で挟持することで行なっている。また、ソケット６の底部には底部端子８ａ、側部には側部端子８ｂが形成されており、それぞれリード線３４、サポートワイヤ３５が接続されている。

これらで構成された放電ランプは、底部端子８ａが高圧側、側部端子８ｂが低圧側になるように点灯回路が接続され、管軸が略水平の状態に配置されて点灯される。その点灯回路の出力は、例えば、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力に対して２倍以上である約７５Ｗに設定することができる。

下記に本発明の放電ランプの実施例の一仕様を示す。
（実施例）
発光部１１：石英ガラス製、第１の空間１５の内容積＝２６ｍｍ^３、最大内径＝２．５ｍｍ、最大外径＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長＝７．８ｍｍ、
シール部１２：幅＝４．１ｍｍ、厚み＝２．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物２：ＳｃＩ_３、ＮａＩ、ＺｎＩ_２、ＩｎＢｒ（＝１：１．５：０．４：０．０１）、合計＝０．４ｍｇ、
第１のガス：キセノン、ガス圧＝１３ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔３１；モリブデン製、
電極３２：トリエーテッドタングステン製、直径＝０．３８ｍｍ、電極長＝７．５ｍｍ、外観上の電極間距離＝３．７４ｍｍ（実際の電極間距離＝４．３２ｍｍ）、
コイル３３：ドープタングステン製、ピッチ＝２００％、
リード線３４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
外管５：内径＝７．０ｍｍ、肉厚＝１．０ｍｍ、
第２のガス：窒素、ガス圧＝０．１ａｔｍ、
発光部１１の最大外径部における外管５との最大間隔Ｄ＝０．６０ｍｍ、最小間隔Ｄ’＝０．２０ｍｍ。

この実施例のランプに、図４に示したような、始動パルス電圧は２３．４ｋＶ、ライズタイム（始動パルス電圧の１０％〜９０％になる間での時間）は２５０ｎｓｅｃである一般的な電圧波形を連続出力する点灯回路を使用し、始動するかどうかの試験を行った。その結果、通常であれば１８ｋＶ前後の始動電圧が必要なランプであっても、１５ｋＶ前後で絶縁破壊し、始動することが確認された。また、ランプが絶縁破壊したのは、一発目のパルスを投入したときであった。自動車前照灯の用途では、ランプに図４のような電圧波形のパルスを所定回数投入し、それでも点灯しなければ、安全性の面からランプの始動が中止されるのが一般的であるため、本実施例のように一発目のパルスで点灯するのは、とても有義な結果である。

次に、間隔Ｄと間隔Ｄ’およびライズタイムを変化させたときの始動ＮＧ発生率について試験を行った。その結果を図５、結果を図示したものを図６に示す。試験本数は各５０本である。なお、始動ＮＧ発生率とは、高圧パルスの印加しても点灯しなかった、または２０ｋＶ前後の高い始動電圧で点灯した場合を示す。

結果からわかるように、間隔Ｄが大きくなるほど、始動ＮＧ発生率が低くなる傾向がある。特に図６から明らかなように間隔Ｄが０．５５ｍｍ以上になると、始動ＮＧ発生率がかなり低下し、さらに間隔Ｄが０．６０ｍｍ以上になると、ライズタイムを短くしても、ＮＧが発生することなく始動可能であることがわかる。また、ライズタイムが短いほど、始動ＮＧ発生率が高くなる傾向がある。

このように間隔Ｄによって始動ＮＧ発生率が変化した原因は、始動直後の誘電体バリア放電の発生の有無が関係している。実施例のランプでは、ＣＣＤカメラで撮影した図７からわかるように、始動直後に隙間の広い上側で誘電体バリア放電がほぼ確実に発生していたが、間隔Ｄ＝間隔Ｄ’＝０．４０ｍｍの従来例のランプでは誘電体バリア放電が発生しない場合が確認されたためである。この傾向は、第２のガスの種類を変えても同様である。つまり、この図のように、誘電体バリア放電は高圧側のシール部１２付近から、発光部１１を経由して低圧側のシール部１２に発生するため、発光部１１の最大外径部分と外管５との間隔Ｄがある程度広くないと、当該部分を経由しにくくなると考えられる。以上から、間隔Ｄは０．５５ｍｍ以上、好適には０．６０ｍｍ以上であるのが望ましい。ただし、間隔Ｄが大きくなると発光部１１の温度が低くなり、発光効率が低下するため、１．５ｍｍ以下の範囲内で設計を行うのが望まれる。

なお、間隔Ｄは、発光部１１の上側に限られない。例えば下側や側部であってもよい。始動直後の誘電体バリア放電の発生箇所は発光部の上側に限られないためである。したがって、要は発光部１１の最大外径部分と当該部分に近接する外管５の内側部分との間隔Ｄ（ｍｍ）のうち、少なくとも一箇所がＤ≧０．５５を満たしていればよい。ただ、実施例のように外管５に対して内管１をオフセットさせて隙間Ｄの調整をする場合は、寿命中の発光部上部の膨らみ、アークの浮きによる光学特性の影響の問題を同時に解決するために、内管１を下側にオフセットさせて、発光部１１の上側が間隔Ｄ≧０．５５ｍｍを満たすように構成するのが望ましい。また、第２のガスの圧力が低いほど誘電体バリア放電の発生確率が向上するため、ガス圧は０．７ａｔｍ以下、さらには０．３ａｔｍ以下であるのが望ましい。

なお、始動性をさらに高めるために、次のような構成を組み合わせるのが望ましい。

高圧側のシール部１２部分に位置する外管５の内周面、外周面または内蔵するように補助電極を設けるのが望ましい。局所的に電界集中させて、高圧側と低圧側に誘電体バリア放電を発生させやすくするためである。特に、図８に示したように、高圧側の金属箔３１とリード線３４の接続部分Ｐから±２．０ｍｍ以内に位置する外管５の外周面にニッケルからなる金属線１０を巻きつけ、さらに金属線１０の端部をソケット６内部の円筒壁と外管５の間の空間にまで引き伸ばすことにより、従来よりも２ｋＶ以上の始動電圧の低減効果を得ることができる。なお、金属線１０としては、ニッケルのほかに、アルミニウム、銅、鉄、銀、金などの金属を使用してもよい。また、金属材料の貼り付け、蒸着などによって補助電極を形成してもよい。また、外管５の外側に遮光膜を形成した放電ランプの場合において、その遮光膜の材料に導電性を有する材料を混ぜても同様の効果を得ることができる。

また、サポートワイヤ３５と外管５の外表面までの距離Ｌを短くするのが望ましい。シール部１２のガラス表面と、外管５のガラス表面の電位差を大きくし、始動時の誘電体バリア放電を発生させやすくするためである。発明者の試験によれば、距離Ｌが４．２ｍｍでは５０％程度の確率でしか一発始動しないが、距離Ｌが３．５ｍｍではほぼ確実に一発始動可能であることが確認された。したがって、距離Ｌは３．５ｍｍ以下とするのが特に望ましい。

したがって、本実施の形態では、第２の空間５１に窒素を封入するとともに、内管１を外管５に対して下側にオフセットさせ、発光部１１と外管５との間隔を上側が最も広くし、かつその間隔Ｄ（ｍｍ）が、Ｄ≧０．５５を満たすように構成したことにより、放電媒体として水銀を含まず、第１のガスとして１３ａｔｍ以上のキセノンを封入したような、始動性が悪い自動車用放電ランプであっても、始動直後の誘電体バリア放電の発生確率が高まり、始動性を改善することができる。また、内管１を外管５に対して下側にオフセットさせたことにより、寿命中に発光部１１の上部が膨らんで外管５と接触する不具合、および水銀フリーランプにおいて特に顕著になるアークの浮きによる光学特性の悪化の問題を同時に防止することができる。

（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施の形態の放電ランプ装置について説明するための断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の放電ランプの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

本実施の形態は、放電ランプＤＬと始動器ＩＧとが一体で使用される、いわゆるＤ３タイプの放電ランプ装置である。放電ランプＤＬは、第１の実施の形態の放電ランプと主要部はほぼ同じ構造である。始動器ＩＧは、始動時に高圧パルスをランプに供給するための装置であり、トランス、抵抗、ギャップ、コンデンサなどで構成されている。

ここで、始動器ＩＧでは、始動時に２０ｋＶ前後、数十〜数百ｎｓｅｃのライズタイムの高圧パルスを発生させる。このライズタイムが短い（特に２００ｎｓ以下、さらには１００ｎｓ以下）と、図５の結果からわかるように、誘電体バリア放電が発生しにくくなり、始動ＮＧ発生率が高くなる傾向があった。そのため、ライズタイムが長くなる回路設計を行っていた。しかし、本発明を採用することにより、ライズタイムが２００ｎｓ以下であるような始動器ＩＧと組み合わせても、問題なく始動させることが可能となる。

本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための側面図。本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための断面図。図１の発光部の最大外径部分を通るＡ−Ａ’の断面を矢印方向から見た図。点灯回路の出力電圧波形とこれによる実施例の絶縁破壊時の電圧波形について説明するための図。間隔Ｄと間隔Ｄ’およびライズタイムを変化させたときの始動ＮＧ発生率について説明するための図。図４の結果をグラフ化した図。実施例のランプの始動時の誘電体バリア放電について説明するための図。さらに好適な実施形態について説明するための図。本発明の放電ランプ装置の第２の実施の形態について説明するための側面図。

符号の説明

１内管
１１発光部
１２シール部
１３境界部
１４円筒部
１５第１の空間
２金属ハロゲン化物
３電極マウント
３１金属箔
３２電極
３３コイル
３４リード線
３５サポートワイヤ
４スリーブ
５外管
５１第２の空間
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

内部に第１の空間を有する発光部，前記発光部に形成されたシール部を有し，石英からなる内管と，
前記第１の空間に封入され，１３ａｔｍ以上，２０ａｔｍ以下の圧力のキセノンガスを含み，水銀を実質的に含まない，放電媒体と，
前記シール部に封着された金属箔と，
一端は前記金属箔に接続され，他端は前記第１の空間に導出された電極と，
前記内管との間に第２の空間を形成するように，前記内管に接続された外管とを具備し，管軸が略水平の状態で点灯される放電ランプにおいて，
前記第２の空間には，０．３ａｔｍ以下の圧力の誘電体バリア放電可能なガスが封入されており，
前記発光部の最大外径部分と当該部分に近接する前記外管の内側部分との間隔のうち，少なくとも一箇所が０．５５ｍｍ以上，１．５ｍｍ以下であることを特徴とする放電ランプ。
前記シール部は，前記発光部の両端に一対形成され，
前記電極は，前記第１の空間において先端同士が対向するように一対設けられ，
前記一対の電極間に高圧パルスを印加したときに，一方の前記シール部付近から，前記発光部の最大外径部分と当該部分に近接する前記外管の内側部分との間隔を経由して，他方の前記シール部に至る誘電体バリア放電が，前記第２の空間で発生することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
前記内管は前記外管に対して下側にオフセットしており，前記発光部の上側の最大外径部分と当該部分に近接する前記外管の内側部分との間隔をＤ（ｍｍ）としたとき，Ｄ≧０．５５を満たすことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
請求項１乃至３の何れかに記載の放電ランプと，
前記放電ランプに電気的に接続された，始動時に投入される高圧パルスのライズタイムが２００ｎｓ以下である始動器とを具備することを特徴とする放電ランプ装置。