JP5416411B2 - 高輝度放電ランプ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に照明装置の分野に関し、具体的には高輝度放電ランプに関する。

自動車産業では、ヘッドランプ用の光として高輝度放電（ＨＩＤ）ランプが従来の白熱ハロゲン光に取って代わろうとしている。ＨＩＤランプの場合、光は、両端が密封された石英製エンベロープ内に封入された２つの金属電極間で起こる放電によって生成する。ＨＩＤランプの主たる利点は高い光束出力、より良好な有効性及びより長い寿命である。現在利用可能なＨＩＤヘッドランプは、一般の照明としても使用される石英メタルハライドランプである。

石英メタルハライドランプの放電媒体はキセノン、水銀、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及び／又はヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）の混合物からなり、周囲のエンベロープ、すなわちアーク管は石英製で、タングステン電極がエンベロープ内に突き出ている。作動時、ランプサイズは光学カップリングの目的に十分なように小さく保たれる。さらに、これらのランプは、スイッチを入れた時点から４秒以内にその定常状態の８０パーセント以上の光束を放出するという自動車産業の速い始動規格を満たす必要がある。この小さいランプサイズと速い始動要件の結果として壁の熱負荷がより高くなり、そのため石英エンベロープ材料に幾らかの制限が生じると共に、アーク管内、殊に電極の根元付近にかなりの熱応力がかかる。これらの制限の結果、ランプ寿命が短縮され、またランプの信頼性も低下する。

改良された信頼性と性能のため、ＨＩＤランプの石英が、多結晶質アルミナ（ＰＣＡ）やイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のようなセラミック材料で置き換えられつつある。セラミックアーク管はより高い温度に耐えることができ、セラミックランプ内のコールドスポット温度は、メタルハライドの適量(dose)を気化させ発光素子とバッファーガスの両方に十分な蒸気圧を生成するのに十分な高い値にすることができる。しかし、セラミック材料に変更するには、ランプの熱的及び構造的完全性(integrity)を最適化するためにＨＩＤランプの設計を変更する必要がある。
米国特許第６４０４１２９号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１１９４１３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１２４７７６号明細書 米国特許第６７９１２６７号明細書

本発明は、充分に高いコールドスポット温度を提供すると同時に、充分な程低いホットスポット温度、また十分に高い電極先端温度を提供して、ランプ内で電子放出と低い応力を提供する高輝度放電ランプに関する。この目的で、内部に形成されたそれぞれの第１の開口を有する第１の端部と、内部に形成されたそれぞれの第２の開口を有する第２の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含むランプが開示される。容器の第１の端部の第１の開口を通って延びる第１の電極と、容器の第２の端部の第２の開口を通って延びる第２の電極とを有しており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している２つの放電電極も開示されている。

発光容器は、１〜３ｍｍの範囲の内径と、５〜１０ｍｍの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は、０．３〜０．８ｍｍの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は０．２〜０．５５ｍｍの範囲のシャンク径を有する。容器内に位置する電極の末端間のギャップは４ｍｍより小さい。

別の代表的な実施形態では、ランプ内で電子放出と低い応力を提供するのに充分に高いコールドスポット温度と、同時に充分に低いホットスポット温度、さらにまた十分に高い電極先端温度を提供する高輝度放電ランプが開示される。このランプは、内部に形成されたそれぞれの第１の開口を有する第１の端部と、内部に形成されたそれぞれの第２の開口を有する第２の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含んでいる。第１の電極が容器の第１の端部の第１の開口を通って延びており、第２の電極が容器の第２の端部の第２の開口を通って延びており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している２つの放電電極も開示されている。

さらに、容器の端部付近で容器の外面の近傍には反射コーティングが設けられている。発光容器は、１．５〜２．１ｍｍの範囲の内径と、６〜１０ｍｍの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は０．４〜０．６５ｍｍの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は０．３〜０．５ｍｍの範囲のシャンク径を有している。容器内に位置する電極の末端間のギャップは４〜５ｍｍの範囲である。

別の代表的な実施形態では、高輝度放電ランプは、内部に形成されたそれぞれの第１の開口を有する第１の端部と、内部に形成されたそれぞれの第２の開口を有する第２の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含んでいる。さらにまた２つの放電電極も含んでおり、第１の電極は容器の第１の端部の第１の開口を通って延びており、第２の電極は容器の第２の端部の第２の開口を通って延びており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している。

発光容器は、１〜１．７ｍｍの範囲の内径と、５〜８ｍｍの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は０．３〜０．６ｍｍの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は０．２５〜０．５ｍｍの範囲のシャンク径を有している。さらにまた、容器内に位置する電極の末端間のギャップは３ｍｍより小さい。

添付の図面に示す特定の実施形態を参照して、概略を上記した本発明をさらに詳細に説明する。これらの図面は本発明の典型的な実施形態を示すのみであり、従ってその範囲を限定するものと解してはならないという点を了解した上で、添付の図面を用いて本発明を添付の図面を用いてさらに特定して詳細に記載し説明する。

ここで、図を参照して本発明の代表的な実施形態を説明する。以下に述べるように、本発明の種々の局面に対して寸法範囲が与えられる。明確に記載されていなくても、これらの範囲はそれを規定する値を包含する。すなわち、特定の寸法は以下に述べる実際の範囲限界を保有し得る。さらに、これらの範囲限界は単なる近似値である。この目的で、これらの限界は２つの有効数字で与えられているので、これらの限界外で、次の有意な２桁の数字に切り上げられ得る値も与えられた範囲限界内に包含されるものと考えるべきである。また、本明細書には、実際の計算データも挙げられている。本明細書には計算データが挙げられているけれども、本発明の範囲に関して限界するものと考えてはならない。当業者には容易に認識されるように、ケースによって正確に同じにはできない可能性がある実験条件に応じて、与えられた結果が常に正確に再現されるとは限らない。

さらに、本明細書に開示されている寸法は、それらの寸法が特定の要素に対して均一であるかのように記載されているが、ある要素内のこれらの寸法は位置によって変化し得る。例えば、アーク管脚部とアーク管本体を含むアーク管は、１つの代表的な実施形態では均一な壁厚を有していてもよい。ところが、別の代表的な実施形態では、アーク管本体はアーク管脚部とは異なる壁厚を有していてもよい。

さらにまた、本明細書を通じてセラミックＨＩＤ自動車用ランプについて述べるが、本発明は他のセラミックＨＩＤランプにも応用可能である。例えば、本発明は、飛行機の着陸装置の場合のように運搬用車両で使用する他のセラミックＨＩＤランプ、並びに一般に使用されるセラミックＨＩＤランプに応用可能である。さらに、石英の代わりにセラミックエンベロープ材料が使われているので、本明細書に開示したＨＩＤランプは石英ランプより高い温度で作動する。このため、より効率的な水銀なしのランプが提供され得る。

セラミックＨＩＤランプを設計する際には、ランプの作動中にアーク管の外側部分に生じ得る円周方向及び軸方向の引張応力を考慮しなければならない。これらの応力は、放電から壁への熱流束によりアーク管内に生じる大きな温度勾配の結果形成され得る。この問題に鑑みて、本明細書に記載する１つの設計目標は、アーク管内、及びアーク管の長さに沿った温度勾配が低下したランプの開発である。別の設計目標は、アーク管の内部での応力及び温度の増大を制限することである。応力及び温度を制限すると、アーク管内のクリープ変形の可能性が低減する。この目的で、ＨＩＤランプの温度は少なくとも大部分がアーク管と電極の寸法によって調節されるので、これらの要素の寸法を同時に互いに対して最適化することができる。

図１は、コーティングをもたない本発明のＨＩＤランプの代表的な実施形態の概略図である。図に示されているように、セラミックＨＩＤランプ５は、エンベロープ又は容器ともいわれる直線状の円筒型アーク管本体１０を有している。アーク管の中央部分は優先的に円筒状の形状であるが、楕円形、球状、又は中間の形状であってもよい。共焼結した円筒状のセラミック脚部１２がアーク管本体１０の両端に配置されている。別の代表的な実施形態では、一体型のセラミックアーク管を使用することができ、この場合脚部１２はこの一体型のセラミックアーク管の一部となっている。ＨＩＤランプ５内には、通例タングステン製の金属電極２０が各脚部１２内に挿入され密封されており、アーク管本体１０中に延びている。

ＨＩＤ自動車用ランプの入力は一般に２０〜５０Ｗ、好ましくは２５〜４５Ｗ、最も好ましくは３５Ｗである。一実施形態では、本発明の教示に従うＨＩＤ自動車用ランプの入力は約３５Ｗである。しかし、この入力は所望のランプ寿命及び光出力に応じて変化することができる。例えば、入力を低減することにより、ランプの寿命を延ばすことができるが、その代わり光出力が低下する。逆に、入力を増大することにより、光出力を増大することができるが、その代わりにランプの寿命が低減する。

アーク管本体１０は２．０ｍｍ以下、好ましくは１．７ｍｍ未満の内径１５と、０．３〜０．６ｍｍの壁厚１８を有する。内径１５の低下はランプ内に生じる軸方向及び輪方向の両方の応力の低下にとって有益である。この利益は以下の表１から明らかであり、さらに図４及び５に示されている。これらの図は本発明を利用したときの軸方向応力と輪方向応力に対する流体力学及び構造解析の代表的な計算結果を示す。

詳細な流体力学（ＣＦＤ）及び構造的解析計算により、アーク管の外側頂部中心での最大引張応力の位置（図２にＴ４で示す位置。図中Ｔは温度を表す）におけるアーク管の輪方向及び軸方向の両方の応力は、次の関係式によって重要な温度差及び圧力と関連することが分かる。

式中、Ｓ_３４、Ｓ_３２、Ｓ_３３’及びＳｐはそれぞれＴ_３４、Ｔ_３２、Ｔ_３３’及び圧力の単調関数である。輪方向及び軸方向両方の応力に対する正確な関数形はＣＦＤ及び構造的解析の結果から得られる。これらの表示で、Ｔ_３４＝Ｔ３−Ｔ４、Ｔ_３２＝Ｔ３−Ｔ２、Ｔ_３３’＝Ｔ３−Ｔ頂部−コーナー（Ｔｔｐ）である。アーク管本体１０のＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ頂部＿コーナー及びＴ底部＿コーナーの概略の位置を図２に示す。例えば、２．４ｍｍ及び１．６ｍｍのｉｄに対して、軸方向応力に寄与するＳ_３４、Ｓ_３２、Ｓ_３３’及びＳｐの対応する値が表１に示されている。表１から分かるように、内径ｉｄ１５が１．６ｍｍに低下するとＴ_３２、従って軸方向応力が実質的に低下し、一般にＴ_３２及びＴ_３３’の低下は応力低下に有効である。解析により、また図４及び５に示されているように、殆どの場合内径、ましてバルブの壁厚はランプ内の軸方向及び輪方向の両方の応力に影響することも示されている。特に、内径を２ｍｍから１．４ｍｍに低下すると、最大軸方向応力を１０％より多く、また最大輪方向応力を約３０％低下するのに役立つ。

セラミック脚部１２を共焼結すると、アーク管本体中へのその挿入長さは０．５〜３ｍｍである。電極先端間のギャップ２２は２．８〜３ｍｍといったように５ｍｍより小さい。自動車に関して、現行の電極ギャップは４〜４．５ｍｍに規格化されている。しかし、有利なことに、本明細書に開示された他のランプ及び電極寸法に関連して電極先端ギャップ２２を低減すると改良されたＨＩＤ自動車用ランプ５が得られることが認められた。

図３は、アーク放電と電極を介した伝導との間の概略アーク管加熱区画の代表的な実施形態である。図に示されているように、セラミックバルブエンベロープは直接アーク放電により、また電極を介して伝導された熱の両方によって加熱されるので、電極寸法はアーク管寸法に依存する。脚部１２の矢印２１は、さらに、熱が脚部１２内の電極の位置からアーク管５に伝導されることを示している。例えば、より大きい電極シャンク径２４はより大きい内径を有するランプ内で使用され、これは好ましくは０．５ｍｍ未満であるが０．２ｍｍより大きい。

また、車両の前方照明用途では、その光学系を可能な限り小さくすることにより系のコストを低下させると共にその全体性能（輝度）を高めるために高い輝度を有するより明るいランプが要求される。輝度は、ランプの光束量と「エタンデュ(etendue)」、すなわちその用途のＥ（光学範囲(optical extent)）との比として定義される（Ｌ＝光束／Ｅ）。エタンデュはアークギャップとアーク直径の積に比例することが知られている。この理由で、通例、アークギャップ（アーク長さ）が短くなればなるほど、ランプ輝度はそれだけ高くなる。同様に、壁で安定化されたアークの場合、バルブ内径が小さいほど、ランプ輝度は高い。

代表的な設計基準が開発されている。これらの基準は、ＨＩＤランプが、メタルハライドガスの高い蒸気圧を有するのと同等な充分に高いコールドスポット温度を有するように構築される。これらの設計基準により、充分に低いホットスポット温度と、十分に高い電極先端温度が得られる。従って、これらの設計基準により、電子熱イオン(thermoionic)放出が可能になる。特に、アーク管本体１０の壁厚１８は内径１５に依存することが決定されている。従って、壁厚１８は、内径１５が減少すると増大しなければならない。例えば、本発明の一実施形態では、０．３ｍｍより大きく０．４５ｍｍより小さい壁厚が、１．６ｍｍの内径を有するアーク管１０に適している。しかし、アーク管１０が１．１ｍｍの内径を有する場合、壁厚は０．６ｍｍより小さく、例えば０．４８ｍｍでなければならない。同様に、最小電極シャンク径２４は、内径１５が増大したら増大しなければならない。従って、最も好ましい設計空間は、内径１５が１．１〜１．７ｍｍ、壁厚１８が０．３〜０．６ｍｍ、シャンク径２４が０．２８〜０．５２ｍｍ、アーク管内側バルブ長さ（ｉｂｌ）２６が６〜１０ｍｍである。全ての寸法測定範囲は包括的であり、効率的なＨＩＤランプ５を提供するために同時に満足されなければならない。

図２は、コーティングを有する本発明のＨＩＤランプの代表的な実施形態の概略図である。コーティング３０は幾つかの機能を有する。まず、アーク管からの熱輻射の量を低減することによって、メタルハライドの適量が通例存在する脚部の温度を調節し、従ってより多くの発光量を気化させるのに役立つ。次に、コーティングは軸方向のアーク管温度勾配を低下させる。この利益を、Ｔ３−Ｔ頂部＿コーナーの差の観点からさらに表２に示す。

軸方向のアーク管温度勾配の低減はまた、表１に示した熱応力の低下、従ってランプのより長い寿命にとっても有益である。第三に、アーク管本体の末端を覆う不透明なコーティングによって、舗装道路のような地面のカバーに向けられたときのように投射されたビームにギラギラとした輝きを生じさせる光の望ましくない部分が排除される。

１つの代表的な実施形態では、コーティングは高温不透明酸化物（例えば、ジルコニア又はアルミナ）製である。別の代表的な実施形態では、適切な腐食特性を有する高温金属のような薄い（例えば、厚さ２００μｍ未満）反射コーティング３０をアーク管カバーの外面上に設ける。例えば、白金（Ｐｔ）を、アーク管本体１０の各末端上に約０．５ｍｍ、また脚部が設けられる場合は各脚部表面１２上に約１〜３ｍｍ付ける。

コーティング３０を使用する場合の本発明の設計基準には、好ましくは２．３ｍｍ未満の内径を有することが含まれる。これらの設計基準はさらに、アーク管壁厚１８が内径１５の関数であり、内径１５が減少したらアーク管壁厚１８が増大しなければならないことを示している。例えば、０．４ｍｍの壁厚１８は２．２５ｍｍの内径１５を有するアーク管本体１０に適している。しかし、内径１５が１．６ｍｍのアーク管本体１０の場合、壁厚１８は０．６９ｍｍより大きい。別の例として、内径１５が１．８ｍｍのアーク管本体１０の場合、壁厚１８は０．５４ｍｍより大きい。

設計基準はさらに、アーク管本体１０の内径１５が１．１〜２ｍｍの範囲であれば、電極２０のシャンク径２４が０．２５〜０．５ｍｍでなければならないことを示している。表３に、電極シャンク径、バルブ内径及び壁厚がバルブ温度に及ぼす総合効果を示す。

加熱エネルギーの大きな部分、すなわち入力の約２３％が電極２０を介してアーク管１０に達するので、アーク管本体１０の内径１５が小さいほど、電極２０のシャンク径２４も小さくなる必要がある。例えば、内径１５が１．７５ｍｍの場合、電極２０のシャンク径２４は０．３５ｍｍより小さい。一方、アーク管本体１０の内径１５が１．８５ｍｍの場合、電極２０のシャンク径２４は０．４５ｍｍより小さい。好ましい設計規格は、内径１５が１．５〜２．１ｍｍ、壁厚１８が０．４〜０．６５ｍｍ、シャンク径２４が０．３〜０．５ｍｍ、ｉｂｌ２６が６〜１０ｍｍである。

現在のところ好ましい実施形態と考えられる実施形態について本発明を説明して来たが、当業者には多くの変形及び修正が明らかであろう。従って、本発明は特定の具体的な実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の思想と範囲内で解釈されるものである。

図１は、コーティングのない本発明のＨＩＤランプの代表的な実施形態の概略図である。 図２は、コーティングを有する本発明のＨＩＤランプの代表的な実施形態の概略図である。 図３は、アーク放電と電極を介する伝導との間の概略アーク管加熱区画の代表的な実施形態である。 図４は、アーク管の壁厚とその直径がアーク管で生じる最大の定常状態軸方向応力に及ぼす相対的効果の代表的な表示である。 図５は、アーク管の壁厚とその直径がアーク管で生じる最大の定常状態輪方向応力に及ぼす相対的効果の代表的な表示である。

符号の説明

５ ＨＩＤランプ
１０ アーク管
１２ セラミック脚部
１５ 内径
１８ 壁厚
２０ 電極
２２ ギャップ
２４ シャンク径
２６ 内側バルブ長さ（ｉｂｌ）
３０ コーティング

Claims (9)

1. ヘッドランプ用高輝度放電ランプであって、
   ａ）内部に形成されたそれぞれの第１の開口を有する第１の端部及び内部に形成されたそれぞれの第２の開口を有する第２の端部をもつ内部空間を画成する、セラミック材料製の壁を有する発光容器、
   ｂ）容器の第１の端部の第１の開口を隙間を持って通って延びる第１の電極及び容器の第２の端部の第２の開口を隙間を持って通って延びる第２の電極をもち、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成する、２つの放電電極、
   ｃ）前記開口の各々の周りに密封された端部を有する第１及び第２の脚部、
   ｄ）容器の端部付近で前記第１及び第２の脚部及び前記容器の外面の近傍の反射コーティング、
   を含んでおり、
   ｅ）前記発光容器は、１〜３ｍｍの範囲の内径及び５〜１０ｍｍの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、
   ｆ）前記容器の壁は、０．３〜０．８ｍｍの範囲の厚さを有しており、
   ｇ）前記容器内の電極の各先端は、０．２〜０．５５ｍｍの範囲のシャンク径を有しており、
   ｈ）前記容器内に位置する電極の末端間のギャップの間隔は２．８〜４ｍｍの範囲である、
   高輝度放電ランプ。
2. 前記容器の壁は、０．３〜０．６ｍｍの範囲の厚さを有しており、前記発光容器は、１．７〜１．１ｍｍの範囲の内径を有している、請求項１記載のランプ。
3. 前記シャンク径は、０．２８〜０．５２ｍｍの範囲であり、前記発光容器は、１．７〜１．１ｍｍの範囲の内径を有している、請求項１記載のランプ。
4. 前記第１及び第２の電極は、半径方向の隙間を持って前記脚部の内部通路を通って延び、前記第１及び第２の電極は、前記内部通路の遠位端に対して密封される、請求項１乃至３のいずれかに記載のランプ。
5. ヘッドランプ用高輝度放電ランプであって、
   内部に形成されたそれぞれの第１の開口を有する第１の端部及び内部に形成されたそれぞれの第２の開口を有する第２の端部をもつ内部空間を画成する、セラミック材料製の壁を有する発光容器、
   容器の第１の端部の第１の開口を半径方向の隙間を持って通って延びる第１の電極及び容器の第２の端部の第２の開口を半径方向の隙間を持って通って延びる第２の電極をもち、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間のギャップを形成する、２つの放電電極、
   前記開口の各々の周りに密封された端部を有する第１及び第２の脚部、
   容器の端部付近で前記第１及び第２の脚部及び前記容器の外面の近傍の反射コーティング、
   を含んでなる高輝度放電ランプであって、
   前記発光容器は、１〜１．７ｍｍの範囲の内径及び５〜８ｍｍの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、
   前記容器の壁は、０．３〜０．６ｍｍの範囲の厚さを有しており、
   前記容器内の電極の各先端は、０．２５〜０．５ｍｍの範囲のシャンク径を有しており、
   前記容器内に位置する電極の末端間のギャップの間隔は２．８〜３ｍｍの範囲である、
   前記高輝度放電ランプ。
6. 前記発光容器は、円筒形の内部空間を画成している、請求項１乃至５のいずれかに記載のランプ。
7. 前記第１及び第２の電極は、前記末端におけるシャンク径が、前記第１及び第２の開口付近でのシャンク径よりも太い、請求項１乃至６のいずれかに記載のランプ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のランプを製造する方法であって、
   前記容器の内径が増大すると前記電極のシャンク径が増大し、前記容器の内径が減少すると前記電極のシャンク径が減少するように、前記電極のシャンク径を規定する段階を含む、方法。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載のランプを製造する方法であって、
   前記容器の内径が増大すると前記容器の壁厚を減少し、前記容器の内径が減少すると前記容器の壁厚を増大するように、前記容器の壁厚を規定する段階を含む、方法。