JP5534641B2 - メタルハライドランプ - Google Patents
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Description
本発明は、すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、キセノン(Xe)等の不活性ガス及びイオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端部の間に放電路を規定するような相互間隔(EA)を持つランプ、とりわけ、メタルハライドランプに関する。
本願明細書及び特許請求の範囲において、セラミック壁部は、サファイア又は高密度焼結多結晶Al2O3等の金属酸化物の壁部、及びAlN等の金属窒化物の壁部の両方を意味すると理解されたい。最先端技術によれば、これらセラミックは、透光性の放電容器壁部を形成するのに適している。
斯かるランプは一般に知られている。両電極は各々、放電容器に入る電流導体により支持される。電流導体は、Mo-Al2O3サーメット等の耐ハロゲン化物材料製の第１部分及びニオブ製の第２部分からなる。ニオブは、この材料が放電容器の熱膨張係数に相当する熱膨張係数を持つため、ヘッドランプの漏れを防ぐために選択される。
既知のランプの不利な点は以下である。当該ランプの放電容器の中央部は、両側に、焼結により放電容器の中央部に結合され、電流導体を囲む小径の端部、すなわち、延長プラグ（すなわち、長尺の端部）を持つ。しかしながら、前記プラグは、放電路から離れているため冷却フィンとして作用し、それゆえ、ランプ充填物の一部（すなわち、塩）が、各電流導体と延長プラグ（の壁部）との間の空隙において凝結する恐れがある。この凝結は、ヘッドランプの色の不安定(color instability)を招く恐れがある。塩成分の分離(de-mixing)は、一般に、色の不安定を招く（例えば、充填物がNaCeのヨウ化物を含む場合、CeよりもNaのほうが多く前記空隙に入り込むであろう）。できる限り高い光効率(light efficacy)を得るため、好ましくはCeI3、PrI3、LuI3及び／又はNdI3等の希土類金属のヨウ化物が充填物に加えられる。しかしながら、これらの塩は（特に、大きなモル分率が適用される場合）侵攻的(aggressive)であり、放電容器のセラミック壁部を侵食するであろう。更に、放電路近傍でのこの壁部の侵食は、全ての負の結果が配光に関与する光の散乱／吸収を招く恐れがある。最後に、時間の関数として光出力はできる限り安定していなければならない。塩が他のランプ部分と反応し、斯くて消失してしまう場合、例えば、上記光出力（斯くして維持率）は低下するであろう。
国際特許出願公開第WO99/53522号及びWO99/53523号から、ランプ動作中のタングステン−ハロゲン化物サイクル(W-halide cycle)の存在により光束維持率が改善されたメタルハライドランプが知られている。それ自体非常に複雑な性質であり、充填物にCaの存在を不可避とするこのタングステン−ハロゲン化物サイクルによれば、電極の高温の先端部から蒸発したタングステンが、放電容器の壁部に付着する代わりに、いくらか低温である電極の部分に戻って付着する。斯くして、タングステン−ハロゲン化物サイクルは壁部の黒化を防止する。しかしながら、既知のランプは、比較的小さな光束出力しか持たない。
本発明の目的は、これらの不利な点を取り除くこと、とりわけ、前記の延長プラグ（の壁部）の腐食及び色の不安定を来たさないように動作するメタルハライドランプを提案することにある。
上記目的を果たすため、本発明による冒頭で述べたタイプのランプは、前記イオン化可能な塩がNaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物を含み、Xは希土類金属を含む群から選択される１つ以上の元素であることを特徴とする。斯かるXは、単一元素によって、または２つ以上の元素の混合物によって形成され得る。好ましくは、Xは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu及びNdを含む群から選択される。より好ましくは、Xは、Ce、Pr及びNd、すなわち、セリウム、プラセオジム及びネオジウムを含む群から選択される。広範な研究が、驚くべきことに、NaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物を含む塩は、例えば前述の空隙の位置において、侵攻的ではなく、ランプ電力の大きな変化、斯くして、最冷点部温度の大きな変化の影響を僅かしか受けず、そして、これらの塩は、例えばこれら塩の輸送又は腐食に起因する最冷点部におけるセグリゲーション(segregation)、すなわち、塩混合比が変化する傾向が比較的低く、斯くして、当該ランプを、セグリゲーションに起因して色ずれを起こす影響を比較的受けないものにすることを示した。完全を期して、Na、Tl、Ca及びIは、それぞれ、ナトリウム、タリウム、カルシウム及びヨウ素を表すことに留意されたい。
本発明によるランプの好ましい実施例においては、Xが希土類の総量として、モル百分率比(molar percentage ratio) Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI2＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10%、とりわけ、0.5%から7%の間、よりとりわけ、1%から6%の間である。Xの量が少なすぎると、電極が、満足いく動作には高すぎる値の温度に達することを実験から学んだ。上述の最大値を越えるXの量では、ランプ点灯中放電容器内でタングステン−ハロゲン化物サイクルを維持できないことが判明した。
好ましくは、Xが希土類の総量として、モル百分率比 CaI2／（NaI＋TlI＋CaI2＋Xのヨウ化物）が、10%から95%の間である。CaI2の量がこの範囲外で選択される場合、タングステン−ハロゲン化物サイクルが、ランプ点灯中放電容器内で適切に生じないであろう。
本発明によるランプの他の好ましい実施例においては、NaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物の量が、0.001g/cm3から0.5 g/cm3の間、とりわけ、0.025 g/cm3から0.3 g/cm3の間である。放電容器の容積は、とりわけ、0.008 cm3から2.5 cm3の間である。
本発明によるランプの好ましい実施例においては、充填物が、水銀(Hg)を含む。他の例では、ランプ充填物は、水銀を欠いている。
安定した公称動作中3500Kを超える色温度Tcを持つ光を放つランプを実現するため、本発明によるランプの好ましい実施例の充填物は、Mn及びIrから選択されたハロゲン化物も含む。Mn及びIrのハロゲン化物を付加すると、ランプにより放たれる光の、X、Y座標を持つ色三角における色点(color point)が、主として該色三角のX軸に沿って調整され得ることを実験から学んだ。充填物におけるTlハロゲン化物の量を変えることが、Y軸に沿った調整に大きな影響を与える。この点において、安定した公称動作とは、ランプが、当該ランプの設計上の電力及び電圧で動作されることを意味する。ランプの設計電力(designed power)は、公称電力と称される。
適切なタングステン−ハロゲン化物サイクルを維持するためランプの公称動作中に要求される環境を設けることに関し、放電ランプの壁部の温度が最低レベルにあることを必要とする。実験によれば、この要求条件は、好ましくは、ランプが安定した公称動作中少なくとも30W/cm2の壁負荷を持つ場合に満たされる。ここで定義される壁負荷は、ランプ電力を電極距離EAにわたって測定される放電容器の内壁表面で割った比である。
その他の点では、電極によって生成される光が、好ましくは、放電容器の端部を少なくともランプ動作中要求される温度レベルに保つために用いられる。１つの側面は、適切なタングステン-ハロゲン化物サイクルのために必要な要求レベルである。更なる側面は、定常ランプ動作中飽和する充填物成分のために最冷点部温度を規定することである。この点において、本発明による好ましいランプは、放電容器の壁部と電極の先端部との間で電極先端−根元距離(electrode tip to bottom distance)(t-b)をなす長さにわたって放電容器内で延在する少なくとも１つの電極を持ち、先端−根元距離(t-b)は最大4.5mmである。とりわけ、放電路に沿って矩形断面を持つ放電容器を持つ本発明によるランプに対して、t-bは、好ましくは、最大3.5mmである。好ましくは、各電極が、普遍の点灯位置を備えるランプを設計する際の非常に効果的な手段としてt-b要求条件を満たす。先端−根元距離の更なる増加は、ランプの発光効率の大きな減少をもたらすであろう。また、一般に、ランプにより放たれる光の結果としての演色の低下ももたらすであろう。これらは、ランプを、その特定の用途に対して不適当なものにする。
電極の先端部は、Xの存在、好ましくは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu又はNdの存在、より好ましくは、Ce、Pr又はNdの存在に起因して比較的低い値で定常動作中に回復する(resume)であろう。結果として、t-bの有利な減少が達成され、熱平衡制御(heat balance control)、斯くして、電極近傍の放電容器の壁部の温度を改善する。また有利なことに、放電容器全体の小型化を助長する。
本発明はまた、本発明による車両ヘッドランプで用いられるべきメタルハライドランプに関する。
最後に、本発明は、本発明によるランプを製造する方法であって、前記ランプは、すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、キセノン(Xe)等の不活性ガス及びイオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端部の間に放電路を規定するような相互間隔を持ち、前記イオン化可能な塩がNaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物を含み、Xは希土類金属を含む群から選択されることを特徴とする方法に関する。
本発明は、図面を参照してより詳細に説明されるであろう。
図１は、イオン化可能充填物を含む放電空間１１を囲むセラミック壁部を持つ放電容器３を備えるメタルハライドランプを示す。相互距離EAで先端部４ｂ、５ｂを持つ２つのタングステン電極４、５が、これら先端部間に放電路を規定するように、放電空間内に配設されている。放電容器は、少なくとも距離EAにわたって内径Diを持つ。各電極４、５は、放電容器の壁部と電極の先端部４ｂ、５ｂとの間で先端−根元距離（図２：t-b）をなす長さにわたって放電容器３内で延在する。放電容器は、狭い介在空間(intervening space)をもって放電容器内に位置する電極４、５への電流リードスルー導体（図２：４０、４１、５０、５１）を囲み、放電空間から離れている側の端部で溶融セラミック結合（図２：１０）によって気密にこの導体に接続されるセラミック突出プラグ３４、３５によって両側で閉じられている。放電容器は、一方の端部に口金２が設けられた外側バルブ１によって囲まれている。放電は、ランプが動作している際電極４、５の間に延びるであろう。電極４は、電流導体８を介して口金２の第１電気接点形成部に接続される。電極５は、電流導体９を介して口金２の第２電気接点形成部に接続される。放電容器は、図２（縮尺通りではない）により詳細に示されていて、セラミック壁部を持ち、内径Diを持つ円筒部から形成されている。この円筒部は、焼結結合Sにより当該円筒部に気密に固定されるセラミック突出プラグ３４、３５により両端部で境界付けられる。セラミック突出プラグ３４は、先端部４ｂを持つ電極４の電流リードスルー導体４０、４１を狭く囲み、セラミック突出プラグ３５は、先端部５ｂを持つ電極５の電流リードスルー導体５０、５１を狭く囲む。電流リードスルー導体は、放電空間から離れている側で溶融セラミック結合１０によって気密にセラミック突出プラグ３４、３５に接続される。電極先端部４ｂ、５ｂは相互距離EAで配設されている。電流リードスルー導体はそれぞれ、例えばMo-Al2O3サーメットの形態の耐ハロゲン化物部分４１、５１、及び対応するエンドプラグ３４、３５に溶融セラミック結合１０によって気密に固定される部分４０、５０を有する。溶融セラミック結合は、Moサーメット４０、４１上をいくらかの距離にわたって、例えば、略々1mmにわたって延びる。部分４１、５１は、Mo-Al2O3サーメットに代わる代替的なやり方で形成されることも可能である。他のとり得る構造は、例えば、欧州特許出願公開第EP 0 587 238号から知られている。とりわけ適した構造は、耐ハロゲン化物材料であることが分かった。部分４０、５０は、膨張係数がエンドプラグの膨張係数によく相当する金属から作られる。例えば、Nbがこの目的に非常に適した材料である。部分４０、５０は、詳細には示されていないが電流導体８、９に接続されている。電極４は、先端部４ｂを備える電極ロッド４ａを有し、電極５は、先端部５ｂを備える電極ロッド５ａを有する。
図３（縮尺通りではない）に、本発明によるランプのさらに好ましい実施例が示されている。図１及び２に示されるランプ部分に対応するランプ部分には同様の参照数字が設けられている。放電容器３は、放電空間１１を囲む成形された壁部２を持つ。図示の場合、成形された壁部は楕円体をなす。代替的には、例えば球体(pheroid)等の別の形状も同様に可能である。
図に表されるランプの実用化において、各々30Wの定格電力を持つ多数のランプが製造された。これらランプは、自動車のヘッドランプ用である。個々のランプの放電容器３のイオン化可能充填物は、NaI、TlI、CaI2及びCeI3を含む、100mg/cm3のヨウ化物を含む。充填物はさらに、室温で16barの充填圧を持つXeを含む。電極先端部４ａ、５ａ間の距離EAは4mmであり、内径Diは1.3mmであり、ゆえに、比EA/Di=3.1である。各電極の先端−根元距離t-bは1mmである。放電容器３の壁部の厚さは0.4mmである。ここで述べられるランプは、定格電力での安定動作中184W/cm2の壁負荷を持つ。ここで、壁負荷は、ランプ電力を電極距離EAにわたって測定される放電容器の内壁表面で割った比として定義される。
本発明による実施例の多数のランプが作成され、テストされた。第１シリーズでは、4mmの内径Diを持ち、水銀及びキセノンの他に71.4mol%のNaI、2.4mol%のTlI、23.6mol%のCaI2及び2.7mol%のCeI3を含む充填物を備える円筒状放電容器を持つランプがテストされた。ランプ特性及びテスト結果を以下一覧表示する。
“発光効率”及び“色温度Tc”の欄の値は、ランプを１００時間動作させた後の結果に関する。最後の欄に示される光束維持率(lumen maintenance)(%)は、“寿命”の欄に示される寿命に関連する。
表Ｉに示される結果から、本発明は、長期間安定した光出力を持つランプをもたらすことが明らかである。ランプの寿命の間、放射光の色特性の大きな変化は起こらなかった。
表ＩＩでは、更なる実施例のシリーズのメインデータが示されている。
ランプ番号１０〜１３のランプについて電極距離EAは7mmである。表ＩＩに示されるランプの寿命にわたって、これらランプは、放射光の色特性の大きな変化を示さなかった。
また、多数の高ワットのランプが作成され、テストされた。これらランプは、400Wの公称電力を持ち、円筒状の放電容器を備えた。メインデータを表ＩＩＩに一覧表示する。
ランプ番号１７のランプでは、充填物がさらに0.25mgのInIを含んだ。放電容器の容積は、2.1mm3（ランプ番号１５）から2.4mm3（他のランプ）であった。全てのランプが、表に示される寿命にわたって非常に安定した色特性を示した。
全般照明(general lighting)を特に対象とした、本発明による他の実施例のデータ及び結果を以下に列挙する。
Claims (19)
- すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及びイオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI2＋Xのヨウ化物）が、0.5%より大きく最大 7%の間であることを特徴とするメタルハライドランプ。 - モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI2＋Xのヨウ化物）が、1%から6%の間であることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
- モル百分率比CaI2／（NaI＋TlI＋CaI2＋Xのヨウ化物）が、10%から95%の間であることを特徴とする請求項１又は２の何れか一項に記載のランプ。
- NaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物の量が、0.001g/cm3から0.5g/cm3の間であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のランプ。
- NaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物の量が、0.025g/cm3から0.3g/cm3の間であることを特徴とする請求項４に記載のランプ。
- 安定した公称動作中3500Kを超える色温度Tcを持つ光を放ち、前記放電空間の前記充填物は、Mn及びInから選択されたハロゲン化物も含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のランプ。
- 前記充填物は水銀を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のランプ。
- 前記ランプは、定格電力での安定動作の際に少なくとも30W/cm2の壁負荷を持つことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のランプ。
- 少なくとも１つの電極は、放電容器の壁部と電極の先端部との間で先端−根元距離をなす長さにわたって前記放電容器内で延在し、前記先端−根元距離は最大4.5mmであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のランプ。
- 前記放電容器は、前記放電路に沿って矩形断面を持ち、前記先端−根元距離は最大3.5mmであることを特徴とする請求項９に記載のランプ。
- 前記放電容器の前記充填物はCsを欠いていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のランプ。
- すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間であり、
NaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物の量が、0.025g/cm 3 から0.3g/cm 3 の間であることを特 徴とするメタルハライドランプ。 - すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間であり、
安定した公称動作中3500Kを超える色温度T c を持つ光を放ち、前記放電空間の前記充填 物は、Mn及びInから選択されたハロゲン化物も含むことを特徴とするメタルハライドラン プ。 - すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間であり、
前記ランプは、定格電力での安定動作の際に少なくとも30W/cm 2 の壁負荷を持つことを 特徴とするメタルハライドランプ。 - すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間であり、
少なくとも１つの電極は、放電容器の壁部と電極の先端部との間で先端−根元距離をな す長さにわたって前記放電容器内で延在し、前記先端−根元距離は最大4.5mmであること を特徴とするメタルハライドランプ。 - すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプにおいて、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間であり、
前記放電容器の前記充填物はCsを欠いていることを特徴とするメタルハライドランプ。 - 請求項１乃至１６の何れか一項に記載のメタルハライドランプを用いた車両ヘッドラン プ。
- すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及び イオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容 器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端 部の間に放電路を規定するような相互間隔を持つメタルハライドランプであって、
前記イオン化可能な塩はNaI、TlI、CaI 2 及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群 から選択される１つ以上の希土類金属であり、
モル百分率比Xのヨウ化物／（NaI＋TlI＋CaI 2 ＋Xのヨウ化物）が、0%より大きく最大10 %の間である、
メタルハライドランプを用いた車両ヘッドランプ。 - 請求項１乃至１６の何れか一項に記載のメタルハライドランプを製造する方法であって、
該メタルハライドランプは、すき間を空けて外側エンベロープによって囲まれる放電容器であって、不活性ガス及びイオン化可能な塩を含む充填物が充填された放電空間を囲むセラミック壁部を持つ放電容器を有し、前記放電空間内に２つの電極が配設され、これら電極の先端部は、これら先端部の間に放電路を規定するような相互間隔を持ち、前記イオン化可能な塩がNaI、TlI、CaI2及びXのヨウ化物を含み、XはCe、Pr及びNdの群から選択さ れる１つ以上の希土類金属であることを特徴とする方法。
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