JP6331884B2 - 放電ランプおよび車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、放電ランプおよび車両用灯具に関する。

近年、環境面から、水銀を用いず、且つ、消費電力が低い放電ランプが求められている。しかしながら、水銀を用いず、且つ、低消費電力とすると、放電が不安定となったり、明るさが足りなくなったりするおそれがある。
この場合、放電ランプの発光部の放電空間に封入される不活性ガスの圧力を高くすれば、放電ランプの明るさを明るくすることができる。
また、発光部のサイズを小さくすれば、放電ランプの明るさを明るくすることができる。
ところが、発光部の放電空間に封入される不活性ガスの圧力を高くすると、必要な明るさを確保することできるが、機械的な振動により弧状の放電が上下に振れやすくなるという新たな問題が生じる。
機械的な振動により弧状の放電が上下に振れやすくなると、配光にちらつきが発生したり、放電空間に封入されている金属ハロゲン化物が巻き上げられて発光色が変化したりするおそれがある。
また、発光部のサイズを小さくすれば、下方に振れた弧状の放電と、金属ハロゲン化物との間の距離が短くなるので、発光色がより変化しやすくなる。
そこで、低消費電力（例えば、安定点灯時における消費電力が２０Ｗ以上３０Ｗ以下）であっても、必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる放電ランプの開発が望まれていた。

特開２００４−１７２０５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、低消費電力であっても、必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる放電ランプおよび車両用灯具を提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、金属ハロゲン化物と、ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。
前記一対の電極の先端同士の間の距離は３．７ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下である。
安定点灯時における消費電力が、２０Ｗ以上３０Ｗ以下である。
前記放電空間に封入されたガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）とし、前記電極の中心軸と、前記金属ハロゲン化物の表面と、の間の距離をｍ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
０．０８５≦ｍ／Ｘ≦０．１２

本発明の実施形態によれば、低消費電力であっても、必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる放電ランプおよび車両用灯具を提供することができる。

本実施形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。 車両用灯具２００の構成を例示するための模式図である。 車両用灯具２００の回路を例示するための模式図である。

実施形態に係る発明は、金属ハロゲン化物と、ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備した放電ランプである。
前記一対の電極の先端同士の間の距離は３．７ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下である。
安定点灯時における消費電力は、２０Ｗ以上３０Ｗ以下である。
前記放電空間に封入されたガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）とし、前記電極の中心軸と、前記金属ハロゲン化物の表面と、の間の距離をｍ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
０．０８５≦ｍ／Ｘ≦０．１２
この放電ランプによれば、低消費電力であっても、必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる。
また、この放電ランプは、０．１０≦ｍ／Ｘ≦０．１２となるようにすることもできる。
この様にすれば、放電の振れをさらに抑制することができる。
また、前記放電空間に封入されたガスは、キセノンガス、または、キセノンガスを主成分とする混合ガスとすることができる。

また、他の実施形態に係る発明は、上記の放電ランプと；前記放電ランプに電気的に接続された点灯回路と；を具備した車両用灯具である。
この車両用灯具によれば、自動車の走行に伴う機械的な振動が放電ランプに加えられたとしても、配光にちらつきが発生したり、発光色が変化したりするのを抑制することができる。
また、点灯直後から必要な明るさを得ることができる。
この場合、前記放電ランプに設けられた一対の電極が水平となるように前記放電ランプを取り付けることができる。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本発明の実施形態に係る放電ランプは、例えば、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプとすることができる。また、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプとする場合には、いわゆる水平点灯を行うものとすることができる。 なお、本発明の実施形態に係る放電ランプの用途は、自動車の前照灯に限定されるわけではないが、ここでは一例として、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。
なお、図１においては、放電ランプ１００を自動車に取り付けた場合に、前方となる方向を前端側、その反対方向を後端側、上方となる方向を上端側、下方となる方向を下端側としている。
図１に示すように、放電ランプ１００には、バーナー１０１、ソケット１０２が設けられている。

バーナー１０１には、内管１、外管５、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、金属バンド７１が設けられている。
内管１は、発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４を有する。
内管１は、透光性と耐熱性を有した材料から形成されている。内管１は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。
発光部１１は、断面形状が楕円形を呈し、内管１の中央付近に設けられている。発光部１１の内部には、中央部分が円柱状で、両端がテーパ状にすぼまっている放電空間１１１が設けられている。
放電空間１１１には、放電媒体が封入されている。放電媒体は、水銀を含まない金属ハロゲン化物２と、所定の不活性ガスとを含む。
すなわち、発光部１１は、水銀を含まない金属ハロゲン化物２と、所定の不活性ガスとが封入された放電空間１１１を内部に有する。

金属ハロゲン化物２は、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛、インジウムなどのハロゲン化物を含む。ハロゲンとしては、例えば、ヨウ素を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素や塩素などを用いることもできる。
なお、環境面から、金属ハロゲン化物２には水銀を含めないようにしている。

放電空間１１１に封入されるガスは、例えば、キセノンを含むガスである。
キセノンを含むガスは、キセノンガス単体、または、キセノンガスを主成分とする混合ガスである。キセノンガスを主成分とする混合ガスは、例えば、キセノンガスを７０ｖｏｌ％以上含む混合ガスである。キセノンガスに混合するガスは、例えば、アルゴンガスである。
なお、放電空間１１１に封入されるガスの圧力Ｘに関する詳細は後述する。
また、本明細書において、放電空間１１１に封入されるガスの圧力Ｘ（ａｔｍ）は、常温（２５℃）における圧力である。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の両端に設けられている。封止部１２は、例えば、ピンチシール法を用いて形成することができる。なお、封止部１２は、シュリンクシール法により形成され、円柱状を呈したものであってもよい。
封止部１２の発光部１１側とは反対側の端部には、境界部１３を介して円筒部１４が連続的に形成されている。

外管５は、内管１の外側に内管１と同芯に設けられている。すなわち、二重管構造となっている。
外管５と内管１との接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５を溶着することにより行うことができる。内管１と外管５との間に形成された閉空間には、ガスが封入されている。封入されるガスは、誘電体バリア放電可能なガス、例えば、ネオンガス、アルゴンガス、キセノンガス、窒素ガスから選択された一種類のガス、またはこれらの混合ガスとすることができる。ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で０．３ａｔｍ以下とすることが好ましく、０．１ａｔｍ以下とすることがより好ましい。

外管５は、内管１の材料の熱膨張係数に近く、かつ紫外線遮断性を有する材料から形成することが好ましい。外管５は、例えば、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加した石英ガラスから形成することができる。

電極マウント３は、封止部１２の内部に設けられている。
電極マウント３には、金属箔３１、電極３２、コイル３３、リード線３４が設けられている。
金属箔３１は、薄板状を呈し、例えば、モリブデンから形成されている。

電極３２は、円柱状を呈し、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形成されている。なお、電極３２の材料は、純タングステン、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。

電極３２の一端は、金属箔３１の発光部１１側の端部に溶接されている。電極３２の他端は、放電空間１１１内に突出している。電極３２は、先端同士が所定の距離を保って互い対向するように配置されている。
すなわち、一対の電極３２は、放電空間１１１の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置されている。

電極３２の先端同士の間の距離は、例えば、３．７ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下とすることができる。
電極３２の中心軸３２ａと、発光部１１の内壁との間の距離は、０．９ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下とすることができる。
電極３２の中心軸３２ａと、金属ハロゲン化物２の表面（上面）との間の距離ｍ（ｍｍ）は、電極３２の中心軸３２ａと発光部１１の内壁との間の距離から金属ハロゲン化物２の厚みを引いた距離である。
金属ハロゲン化物２の厚みは、後述する放電の振れの抑制や、光学的・電気的特性の観点から調整され、１．０μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。また、金属ハロゲン化物２の厚みは、例えば、水平に配置した放電ランプ１００の発光部１１をＸ線写真で撮影することにより測定することができる。
なお、電極３２の中心軸３２ａと、金属ハロゲン化物２の表面（上面）との間の距離ｍ（ｍｍ）に関する詳細は後述する。

また、電極３２の形状は、径が管軸方向に一定の円柱状でなくてもよい。例えば、電極３２の形状は、先端部の径を基端部の径よりも大きくした非円柱状であってもよいし、先端が球体であってもよいし、直流点灯タイプのように一方の電極径と他方の電極径が異なる形状であってもよい。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線から形成することができる。コイル３３は、封止部１２の内部に設けられた電極３２の外側に巻きつけられている。この場合、例えば、コイル３３の線径は３０μｍ以上１００μｍ以下、コイルピッチは６００％以下とすることができる。

リード線３４は、例えば、モリブデンからなる金属線とすることができる。リード線３４の一端は、金属箔３１の発光部１１側とは反対側の端部に載置されている。リード線３４の他端は、内管１の外部にまで延びている。

サポートワイヤ３５は、Ｌ字状を呈し、放電ランプ１００の前端側から出ているリード線３４の端部に接続されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との接続は、レーザ溶接により行うことができる。サポートワイヤ３５は、例えば、ニッケルから形成することができる。
スリーブ４は、サポートワイヤ３５の内管１と平行に延びる部分を覆っている。スリーブ４は、例えば、円筒状を呈し、セラミックから形成されたものとすることができる。
金属バンド７１は、外管５の後端側の外周面に固定されている。

ソケット１０２には、本体部６、取り付け金具７２、底部端子８１、側部端子８２が設けられている。
本体部６は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６の内部には、リード線３４、サポートワイヤ３５、およびスリーブ４の後端側が設けられている。

取り付け金具７２は、本体部６の前端側の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６から突出しており、金属バンド７１を保持する。取り付け金具７２により金属バンド７１を保持することで、バーナー１０１がソケット１０２に保持される。

底部端子８１は、本体部６の後端部側の内部に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成され、リード線３４と電気的に接続されている。
側部端子８２は、本体部６の後端部側の側壁に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成され、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

そして、底部端子８１が高圧側、側部端子８２が低圧側になるように点灯回路２０５（図３を参照）と接続される。自動車の前照灯の場合には、放電ランプ１００は、放電ランプ１００の中心軸がほぼ水平の状態で、かつサポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように取り付けられる。そして、この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することを水平点灯という。

ここで、例えば、自動車用の前照灯に用いる放電ランプ１００は、安全上の観点から、点灯直後から明るくなることが要求される。
従来は、金属ハロゲン化物２に水銀が含まれていたため、点灯直後から明るくすることができた。
しかしながら、近年においては、環境面から金属ハロゲン化物２に水銀を含めないようにしている。

そのため、点灯直後から明るくなるようにすることが難しくなってきている。
また、近年においては、環境面から放電ランプ１００の低消費電力化が図られている。 例えば、従来、安定点灯時における消費電力が３５Ｗ程度であったものを２０Ｗ以上３０Ｗ以下に低減させるようになってきている。
そのため、放電が不安定となったり、明るさが足りなくなったりするおそれがある。

本発明者の得た知見によれば、発光部１１の放電空間１１１に封入されるガスの圧力Ｘを高くすれば、放電ランプ１００の明るさを明るくすることができる。

ところが、封入されるガスの圧力Ｘを高くすると、放電ランプ１００が設けられた自動車の走行に伴う機械的な振動により弧状の放電が上下に振れやすくなるという新たな問題が生じる。
機械的な振動により弧状の放電が上下に振れやすくなると、配光にちらつきが発生したり、放電空間１１１に封入されている金属ハロゲン化物２が巻き上げられて発光色が変化したりするおそれがある。発光色が変化し易くなると、放電ランプ１００の商品性が著しく低くなる。

また、発光部１１のサイズを小さくすれば、放電ランプの明るさを明るくすることができる。
しかしながら、発光部１１のサイズを小さくすれば、電極３２の中心軸３２ａと、金属ハロゲン化物２の表面との間の距離ｍが短くなる。
そのため、弧状の放電が下方に振れると、弧状の放電と金属ハロゲン化物２が接触しやすくなる。その結果、放電空間１１１に封入されている金属ハロゲン化物２が、さらに巻き上げられ易くなる。

本発明者は、更なる検討の結果、水銀を用いず、且つ、低消費電力であっても必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる放電ランプを開発した。
以下、本発明者が得た知見について説明する。

前述したように、明るさ及び放電の振れ易さは、放電空間１１１に封入されるガスの圧力Ｘの影響を受ける。
すなわち、封入されるガスの圧力Ｘを低くすれば放電の振れを抑制することができる。しかしながら、封入されるガスの圧力Ｘを低くすれば明るさが不足することになる。
一方、封入されるガスの圧力Ｘを高くすれば、必要な明るさを確保することができる。しかしながら、封入されるガスの圧力Ｘを高くすれば、放電の振れが大きくなる。

また、電極３２の中心軸３２ａと、金属ハロゲン化物２の表面との間の距離ｍを短くすると、金属ハロゲン化物２が巻き上げられやすくなる。そのため、発光色が変化し易くなる。
一方、電極３２の中心軸３２ａと、金属ハロゲン化物２の表面との間の距離ｍを長くすると、発光部１１の強度が低くなりすぎるおそれがある。

また、明るさ及び放電の振れ易さは、放電空間１１１に封入されるガスの種類や混合比の影響を受けるとも思われる。
しかしながら、封入されるガスは、キセノンガスなどの不活性ガスに限られている。また、混合ガスを用いる場合にも、キセノンガスとアルゴンガスなどのように、不活性ガス同士の組み合わせに限られる。
そのため、放電空間１１１に封入されるガスの種類や混合比などの影響は小さなものとなる。
例えば、キセノンガス単体と、キセノンガスを主成分とする混合ガス（例えば、キセノンガスを７０ｖｏｌ％以上含むキセノンガスとアルゴンガスの混合ガス）とでは、明るさ及び放電の振れ易さは同程度のものとなる。

また、放電の振れ易さは、電極３２の先端同士の間の距離の影響を受けるとも思われる。
しかしながら、電極３２の先端同士の間の距離には規格があるので、電極３２の先端同士の間の距離は限られたものとなる。
そのため、電極３２の先端同士の間の距離の影響は小さなものとなる。

また、明るさは、金属ハロゲン化物２の成分比の影響を受けるとも思われる。
しかしながら、明るさに最も影響を与える水銀が含まれていない場合には、金属ハロゲン化物２の成分比の影響は小さなものとなる。

本発明者の得た知見によれば、ガスの圧力Ｘに対する電極３２の中心軸３２ａと金属ハロゲン化物２の表面との間の距離ｍの比（ｍ／Ｘ）を所定の範囲内とすれば、水銀を用いず、且つ、低消費電力であっても必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる。

表１は、本発明者が行った実験の結果を示す表である。
実験は、以下の条件で行った。
消費電力は２５Ｗとした。
この場合、点灯開始時に６０Ｗ、安定点灯時に２５Ｗとなるように、安定器（electrical ballast）を用いて制御した。
放電空間１１１に封入するガスは、キセノンガス単体とした。
電極３２の先端同士の間の距離は、３．７ｍｍ程度とした。

金属ハロゲン化物２は、ヨウ化スカンジウムを含み、水銀を含まないものとした。
発光色の変化は、目視観察によるものとした。
点灯直後の光束は、点灯開始後４秒における光束を測定し、光束が１０００ｌｍ以上となるか否かで良否を判断することにした。

表１から分かるように、圧力Ｘに対する距離ｍの比（ｍ／Ｘ）を大きくしすぎると、発光色の変化がなくても、必要な光束を確保することができない。
すなわち、圧力Ｘに対する距離ｍの比（ｍ／Ｘ）を大きくしすぎると、放電の振れを抑制することができても、必要な明るさを確保することができない。
また、圧力Ｘに対する距離ｍの比（ｍ／Ｘ）を小さくしすぎると、必要な光束を確保することができても、発光色の変化が生じてしまう。
すなわち、圧力Ｘに対する距離ｍの比（ｍ／Ｘ）を小さくしすぎると、必要な明るさを確保することができても、放電の振れが大きくなってしまう。

この場合、表１から分かるように、０．０８５≦ｍ／Ｘ≦０．１２とすれば、水銀を用いず、且つ、低消費電力であっても必要な明るさを確保することができ、且つ、放電の振れを抑制することができる。
また、表１から分かるように、０．１０≦ｍ／Ｘ≦０．１２とすれば、放電の振れをさらに抑制することができる。

次に、本実施の形態に係る放電ランプ１００を備えた車両用灯具２００について例示する。
図２は、車両用灯具２００の構成を例示するための模式図である。
なお、図２中の「前方」は放電ランプ１００を取り付けた自動車の前方、「後方」は放電ランプ１００を取り付けた自動車の後方、「上方」は放電ランプ１００を取り付けた自動車の上方、「下方」は放電ランプ１００を取り付けた自動車の下方である。
図２は、放電ランプ１００に設けられた一対の電極３２が水平となるように放電ランプ１００を取り付けた場合である。つまり、水平点灯をさせる放電ランプ１００の場合を例示するものである。
図３は、車両用灯具２００の回路を例示するための模式図である。

図２に示すように、車両用灯具２００には、放電ランプ１００、リフレクタ２０２、遮光制御板２０３、レンズ２０４、点灯回路２０５が設けられている。
リフレクタ２０２は、放電ランプ１００から照射された光を前方側に反射させる。リフレクタ２０２は、例えば、反射率の高い金属などから形成されている。リフレクタ２０２の内部には空間が設けられ、内面が放物線形状を有している。

リフレクタ２０２の前方側と後方側の端部は開口している。
放電ランプ１００のソケット１０２は、リフレクタ２０２の後方側の開口付近に取り付けられている。放電ランプ１００のバーナー１０１は、リフレクタ２０２の内部の空間に位置している。

遮光制御板２０３は、リフレクタ２０２の内部であって、バーナー１０１の前方側、かつ、バーナー１０１の下方側に設けられている。
遮光制御板２０３は、金属などの遮光性材料から形成されている。遮光制御板２０３は、カットラインと呼ばれる配光を形成するために設けられている。遮光制御板２０３は、可動式とされており、遮光制御板２０３を下方側に倒すことで、ロービームからハイビームへの切り替えが可能となっている。

レンズ２０４は、リフレクタ２０２の前方側の開口を塞ぐようにして設けられている。レンズ２０４は、凸レンズとすることができる。レンズ２０４は、放電ランプ１００から直接入射した光、リフレクタ２０２により反射され入射した光を集光させて所望の配光を形成する。

点灯回路２０５は、放電ランプ１００の始動および点灯の維持を行うための回路である。
図３に示すように、点灯回路２０５は、例えば、イグナイタ回路２０５ａとバラスト回路２０５ｂとを備えたものとすることができる。
点灯回路２０５の入力側には、バッテリーなどの直流電源ＤＳとスイッチＳＷとが電気的に接続されている。点灯回路２０５の出力側には、放電ランプ１００が電気的に接続されている。

イグナイタ回路２０５ａは、例えば、トランス、コンデンサ、ギャップ、抵抗などから構成されている。イグナイタ回路２０５ａは、３０ｋＶ程度の高圧パルスを生成し、放電ランプ１００に印加する。３０ｋＶ程度の高圧パルスを放電ランプ１００に印加することで、一対の電極３２間において絶縁破壊が生じ、放電が生じる。すなわち、イグナイタ回路２０５ａにより放電ランプ１００が始動する。

バラスト回路２０５ｂは、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路、電流・電圧検出回路および制御回路などから構成されている。バラスト回路２０５ｂは、イグナイタ回路２０５ａにより、始動した放電ランプ１００の点灯を維持する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 内管、３ 電極マウント、４ スリーブ、５ 外管、１１ 発光部、１１ａ 内壁、１２ 封止部、３２ 電極、３２ａ 中心軸、３４ リード線、３５ サポートワイヤ、７１ 金属バンド、１００ 放電ランプ、１０１ バーナー、１０２ ソケット、１１１ 放電空間、２００ 車両用灯具、２０２ リフレクタ、２０３ 遮光制御板、２０４ レンズ、２０５ 点灯回路、２０５ａ イグナイタ回路、２０５ｂ バラスト回路

Claims (5)

1. 金属ハロゲン化物と、ガスと、が封入された放電空間を内部に有する発光部と；
   前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；
   を具備し、
   前記一対の電極の先端同士の間の距離は３．７ｍｍ以上、４．４ｍｍ以下であり、
   安定点灯時における消費電力が、２０Ｗ以上３０Ｗ以下であり、
   前記放電空間に封入されたガスの常温（２５℃）における圧力をＸ（ａｔｍ）とし、
   前記電極の中心軸と、前記金属ハロゲン化物の表面と、の間の距離をｍ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する放電ランプ。
   ０．０８５≦ｍ／Ｘ≦０．１２
2. 以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
   ０．１０≦ｍ／Ｘ≦０．１２
3. 前記放電空間に封入されたガスは、キセノンガス、または、キセノンガスを主成分とする混合ガスである請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１つ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点灯回路と；
   を具備した車両用灯具。
5. 前記放電ランプに設けられた一対の電極が水平となるように前記放電ランプが取り付けられた請求項４記載の車両用灯具。

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