JPWO2009025119A1 - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

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、及び前記放電部の両端に形成された一対の封止部を有する気密容器と、前記放電空間に封入された希ガス及びスカンジウムハロゲン化物を有する金属ハロゲン化物を含み、水銀を実質含まない放電媒体と、前記封止部に封着された金属箔と、一端が前記金属箔に接続され、他端が前記放電空間内で対向配置されるようにして設けられた一対の電極と、前記封止部内の前記電極に巻装されたコイルとを具備し、前記スカンジウムハロゲン化物の重量比が３０％以上であって、前記コイルの外径Ｒが０．４５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下である。

Description

本発明は、白動車の前照灯等に用いられるメタルハライドランプに関するものである。

水銀を用いないメタルハライドランプ（以下、水銀フリーランプ）は、特開２００５−３３９９９９号公報（以下、特許文献１）などで知られており、両端が封止された気密容器の放電空間内に、ナトリウム、スカンジウム、亜鉛などの金属ハロゲン化物とキセノン等の希ガスからなる放電媒体を封入し、前記封止部に封着された金属箔に接続された電極に電圧を印加することによって前記放電媒体を励起し、所定の光を生成するようになっている。

なお、前記電極にはコイルを被覆し、前記コイルと前記封止部との間に局部的に隙間を形成することによって、前記電極と前記封止部との接触面積を減少させ、前記封止部にクラックが形成されるのを防止している。
特開２００５−３３９９９９公報

（発明が解決しようとする課題）
現在、このような水銀フリーランプでは、全光束及びランプ電圧などの特性をさらに良好にするために、スカンジウムのハロゲン化物を多量に封入する試みがされている。しかしながら、重量比にして３０％以上のスカンジウムハロゲン化物を封入すると、上述のようにコイルで電極を被覆した場合においても、封止部においてクラックが発生して放電媒体のリークに至る、いわゆる軸リークが発生しやすくなるという問題が生じていた。

本発明の目的は、重量比で３０％以上のスカンジウムハロゲン化物が封入されたメタルハライドランプにおいて、軸リークを抑制可能なメタルハライドランプを提供することにある。

（課題を解決するための手段）
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、及び前記放電部の両端に形成された一対の封止部を有する気密容器と、前記放電空間に封入された希ガス及びスカンジウムハロゲン化物を有する金属ハロゲン化物を含み、水銀を実質含まない放電媒体と、前記封止部に封着された金属箔と、一端が前記金属箔に接続され、他端が前記放電空間内で対向配置されるようにして設けられた一対の電極と、前記封止部内の前記電極に巻装されたコイルとを具備し、前記スカンジウムハロゲン化物の重量比が３０％以上であって、前記コイルの外径Ｒが０．４５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下であることを特徴とする。

（発明の効果）
本発明によれば、重量比で３０％以上のスカンジウムハロゲン化物が封入されたメタルハライドランプにおいて、軸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一例を説明するための概略構成図である。 図１に示すメタルハライドランプの封止部近傍を拡大して示す図である。 図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための図である。 ヨウ化スカンジウムの重量比を変化させたときの２０００時間、点灯後の軸リーク発生率について説明するための図である。 点灯後の電極電端部の様子を示す図である。 コイル外径Ｒを変化させたときの軸リーク発生時間について説明するための図である。 コイル外径Ｒと軸リーク発生時間との関係を示すグラフである。 電極の長さＬ１とコイルの巻装長さＬ２との比Ｌ２／Ｌ１と軸リーク発生率との関係を示すグラフである。 コイルの巻装長さＬ２と電極封着長さＬ３との比Ｌ２／Ｌ３と、軸リーク発生時間との関係を示すグラフである。

以下に、本発明のメタルハライドランプの一実施形態について、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一例を説明するための概略構成図であり、図２は、図１に示すメタルハライドランプの封止部近傍を拡大して示す図である。

図１及び２に示すように、本態様における、メタルハライドランプは、耐熱性と透光性を具備した材料、たとえば石英ガラスからなる気密容器１を有している。気密容器１はランプ軸方向に細長い形状であって、その略中央部に略楕円形の放電部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。

放電部１１の内部には、軸方向において、中央部が略円柱状、その両端部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、白動車前照灯用として用いる場合は、１０ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３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及び希ガスとからなる放電媒体が封入されている。金属ハロゲン化物２は、ナトリウム（Ｎａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）のハロゲン化物で構成されている。そのうち、スカンジウムハロゲン化物の重量比は、全光束、ランプ電圧などを上昇させるために３０重量%以上としている。ただし、スカンジウムハロゲン化物の重量比が高すぎると、電極先端部の温度が過剰に上昇してしまうため、５０重量％以下であるのが望ましい。

なお、金属ハロゲン化物に結合されているハロゲンは、ヨウ素、臭素、塩素、又は複数のハロゲンを組み合わせて使用してもよく、例えばヨウ化ナトリウム（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）などの組み合わせで使用することができる。

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（Ｘｅ）が封入されている。キセノンの封入圧力は、室温（２５℃）において１０ａｔｍ以上、さらには１３ａｔｍ以上であるのが望ましく、上限は特にないが、現状では２０ａｔｍ程度が封入限界である。

ここで、放電空間１４には、実質水銀は含まれていない。この「実質水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないか、又は従来の水銀入りのメタルハライド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ことを意味するものである。

封止部１２ａ、１２ｂの内部には、図１に示すように電極マウント３ａ、３ｂが封止されている。この電極マウント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は、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、例えば、タングステンに酸化トリウムをドープしたトリエーテッドタングステン電極であり、その直径ｒ１は、実用上、例えば０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下とすることができる。その一端は封止部１２ａ、１２ｂ内で金属箔３ａ１、３ｂ１に接続され、他端は放電空間１４内で所定の電極間距離を保って、互いに対向するように配置されている。

ここで、対向する電極間の距離としては、外観上における距離で４．１ｍｍ〜４．５ｍｍ (実際の距離では３．５ｍｍ〜３．９ｍｍ)であるのが望ましい。

コイル３ａ３、３ｂ３は、例えば、ドープタングステンからなり、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２の軸部の軸周りに螺旋状に巻かれている。ただし、コイル３ａ３、３ｂ３は、金属箔３ａ１、３ｂ１と接続された電極３ａ２、３ｂ２の軸部分には巻装しておらず、ほぼ箔端から放電空間１４方向に巻装している。

コイルピッチは１５０%以上、３００%以下での使用が望ましい。また、コイルの直径ｒ２は０．０４ｍｍ以上、０．１２ｍｍ以下を使用でき、電極軸とのマッチングを考慮すると、電極径ｒ１とコイル径ｒ２とは、０．１５≦ｒ２／ｒ１≦０．３０の関係を満たすのが望ましい。

ここで、コイル３ａ３、３ｂ３の外径Ｒ（≒電極径ｒ１＋コイル径ｒ２×２）は、０．４５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下であることが必要であり、好ましくは、０．５０ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下である。

これは、以下に具体的に説明するように、電極３ａ２、３ｂ２の対向する先端部の温度が低下して、かかる部分の溶融度合いが減少し、アークスポットの形成箇所が封止部１２ａ、１２ｂから離隔して、封止部１２ａ、１２ｂが前記アークスポットの熱的影響を受ける度合いが減少するためと考えられる。

また、色度変化を抑制し、本発明の効果の再現性および安定性を高めるためには、電極長Ｌ１とコイル巻装長Ｌ２とは、０．３７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４７の関係を満たすのが望ましい。さらに、コイル巻装長Ｌ２と電極封着長Ｌ３とは、０．５０≦Ｌ２／Ｌ３≦０．９０の関係を満たすのが望ましい。なお、これらの結果は、以下に説明するように、具体的な実験事実に基づいて導出されたものである。

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、溶接により接続されている。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、前端側に延出したリード線３ｂ４には、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３ｃの一端が接続されている。そのサポートワイヤ３ｃの他端は、後述するソケット６の方向に延出し、その管軸と平行している部分には、セラミツクからなるスリーブ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が添加されてなる筒状の外管５が、管軸に沿って気密容器１と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。気密容器１と外管５との間の空間には、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又は混合して０．０５ａｔｍ〜０．３ａｔｍの圧力で封入することができる。

そして、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。これらの接続は、外管５の非封止部１３ａ付近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、接続をさらに強固にするため、金属バンド７１及び舌片７２の接触点をレーザーによって溶接している。

なお、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３ａ４、サポートワイヤ３ｃが接続されている。

これらで構成されたランプの底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路を接続することにより、安定時は約３５Ｗ、始動時はその２倍以上である約７５Ｗの電力で水平点灯される。

図３は、図１のメタルハライドランプの一仕様について説明するための図である。なお、以下の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の内容積:２７ｍｍ^３、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−ＮａＩ−ＺｎＩ_２−ＩｎＢｒ＝０．０４ｍｇ（そのうち、ＳｃＩ_３は３５重量％）、
・希ガス；キセノン＝１３ａｔｍ、
・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ｒ１＝０．３８ｍｍ、電極長Ｌ１＝７．５ｍｍ、封着長Ｌ３＝４．６５ｍｍ、電極間距離Ｄ＝３．７５ｍｍ、
・コイル３ａ３、３ｂ３；ドープタングステン製、直径ｒ２＝０．０６ｍｍ、コイルピッチ＝２００％、コイル巻装長Ｌ２＝３．２ｍｍ、外径Ｒ＝０．５０ｍｍ、Ｌ２／Ｌ１＝０．４２７、Ｌ２／Ｌ３＝０．６８８。

図４は、ヨウ化スカンジウムの重量比を変化させたときの２０００時間、点灯後の軸リーク発生率について説明するための図であり、試験本数はそれぞれ１０本、試験条件は自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬ２１５に定められたＥＵ１２０分モードの点滅サイクルである。ただし、本試験においては、外径Ｒ＝０．４２ｍｍ（直径ｒ１＝０．３０ｍｍ、直径ｒ２＝０．０６ｍｍ）である。

図４からわかるように、ヨウ化スカンジウムの重量比が増加し、特に３０重量%以上になると、軸リークが発生しやすくなる傾向がある。この傾向はヨウ化物以外のスカンジウムハロゲン化物でも同様である。これは電極先端部の溶融が関係しているものと考えられる。

図５は、点灯後の電極電端部の様子を示す図である。スカンジウムハロゲン化物の重量比が２５重量％である図５Ａでは、電極先端部はあまり溶融していないが、４５重量％である図５Ｂでは、電極先端部が著しく溶融している。図５Ｂのように電極先端部が溶融してしまうと、アークスポット９ａ、９ｂの形成場所が封止部１２ａ、１２ｂ側に移動し、ガラスに封着された電極３ａ２、３ｂ２の温度が上昇するため、軸リークが発生しやすくなってしまう。つまり、軸リーク抑制の観点では、スカンジウムハロゲン化物の封入量は少ない方が望ましい。

しかしその一方で、例えば、ヨウ化スカンジウムの重量比を２５重量%から４５重量％に変化させると、全光束は約５０１ｍ、ランプ電圧は約５Ｖ上昇させることができる。つまり、ランプ特性向上の観点では、スカンジウムハロゲン化物を多量に封入した方がよい。以上のようなことから、ランプ特性を向上させるためにスカンジウムハロゲン化物を３０重量％以上封入するような場合には、軸リークを抑制する対策を同時に講じる必要がある。

このような経緯から、本発明者は電極溶融を抑制するために、電極先端部の温度を低減することが重要であると考え、電極３ａ２、３ｂ２に巻装されるコイル３ａ３、３ｂ３の外径Ｒを大きくするという発想に至った。なお、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２にコイル３ａ３、３ｂ３を巻装することは、特開２００１−７６６７６公報、国際公開第２００６／０５８５１３号パンフレットなどで公知である。しかし、これらはコイルによりガラスと電極軸との密着性を程よく低下させることで軸リークを抑制するものであり、電樋先端部の温度を低減するためにコイル外径Ｒを大きくしようとする教示はない。

図６は、コイル外径Ｒを変化させたときの軸リーク発生時間について説明するための図である。なお、軸リーク発生時間とは、１０本中、最初の一本が軸リークに至った時間を意味する。図６から明らかなように、コイル外径Ｒが大きいほど軸リークが発生しにくくなる傾向がある。具体的には、電極３ａ２、３ｂ２の直径ｒ１が０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下の場合において、コイル３ａ３、３ｂ３の外径Ｒが０．４５ｍｍ以上の場合に軸リークが発生しにくいことが分かる。

図７は、コイル外径Ｒと軸リーク発生時間との関係を示すグラフである。図７から分かるように、コイル外径Ｒが０．４５ｍｍ以上では軸リークの抑制効果が特に高くなり、２５００時間以上軸リークの発生を抑制することができる。さらに、コイル外径Ｒが０．５０ｍｍ以上であれば３０００時間以上軸リークの発生を抑制することができる。したがって、コイル外径Ｒは、０．４５ｍｍ以上、さらには０．５０ｍｍ以上であるのが望ましい。

ただし、コイル外径Ｒが大きくなると金属ハロゲン化物２が電極軸に沿って封止部に侵入しやすくなり、寿命中の色度変化が大きくなってしまう。例えば、コイル外径Ｒ＝０．６０ｍｍよりも大きいと、初期点灯時と比較して１０００時間点灯後の色度が色度ｘで−０．０２、色度yで−０．０２程度変化してしまい、目視でも色の変化が明らかになってしまう。したがって、コイル外径Ｒは０．６０ｍｍ以下であるのが望ましい。

なお、電極の長さＬ１、コイルの巻装長さＬ２、電極封着長さＬ３等を好適に設計することで、上記効果の再現性及び安定性を高めることができる。すなわち、コイル外径Ｒが０．４５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下であっても、電極長とコイル巻装長のバランスによっては電極先端部の温度の低減効果が低くなり、所望の効果を得ることはできない場合がある。

図８は、電極の長さＬ１とコイルの巻装長さＬ２との比Ｌ２／Ｌ１と軸リーク発生率との関係を示すグラフである。図８から明らかなように、Ｌ２／Ｌ１が大きくなると軸リーク発生率は減少している。ただし、Ｌ２／Ｌ１が大きすぎると寿命中の色度変化が大きくなる傾向がある。したがって、０．３７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４７であるのが望ましい。

図９は、コイルの巻装長さＬ２と電極封着長さＬ３との比Ｌ２／Ｌ３と、軸リーク発生時間との関係を示すグラフである。図９から明らかなように、軸リーク発生時間を考慮すると、Ｌ２／Ｌ３は大きい方が好ましい。ただし、Ｌ２／Ｌ３が大きすぎると同様に寿命中の色度変化が大きくなる傾向がある。したがって、０．５０≦Ｌ２／Ｌ３≦０．９０、さらには０．６０≦Ｌ２／Ｌ３≦０．８０であるのが望ましい。

同様の観点から、コイルピッチを１５０％以上、３００％以下とするのが望ましい。

したがって、本実施の形態では、金属ハロゲン化物２中のスカンジウムハロゲン化物の重量比を３０％以上としたメタルハライドランプであっても、コイル３ａ３、３ｂ３の外径Ｒ（ｍｍ）を０．４５≦Ｒ≦０．６０を満たすことにより、スカンジウムハロゲン化物の多量封入に伴う軸リークの発生を抑制しつつ、全光束・ランプ電圧等のランプ特性を向上させることができる。

その際、電極長さＬ１とコイル巻装長さＬ２の関係Ｌ２／Ｌ１が、０．３７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４７、コイル巻装長さＬ２と電極封着長さＬ３の関係Ｌ２／Ｌ３が、０．５０≦Ｌ２／Ｌ１≦０．９０を満たすように設計することで、上記効果の再現性及び安定性を高めることができる。また、コイルピッチを１５０％以上、３００％以下とするのが望ましい。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

Claims (6)

1. 内部に放電空間が形成された放電部、及び前記放電部の両端に形成された一対の封止部を有する気密容器と、
   前記放電空間に封入された希ガス及びスカンジウムハロゲン化物を有する金属ハロゲン化物を含み、水銀を実質含まない放電媒体と、
   前記封止部に封着された金属箔と、
   一端が前記金属箔に接続され、他端が前記放電空間内で対向配置されるようにして設けられた一対の電極と、
   前記封止部内の前記電極に巻装されたコイルとを具備し、
   前記スカンジウムハロゲン化物の重量比が３０％以上であって、前記コイルの外径Ｒが０．４５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ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。
2. 前記コイルの外径Ｒが０．５０ｍｍ以上、０．６０ｍｍ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。
3. 前記電極の直径ｒ１が０．３０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のメタルハライドランプ。
4. 前記電極の長さをＬ１、前記コイルの巻装長さをＬ２とした場合に、０．３７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４７なる関係を満足することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のメタルハライドランプ。
5. 前記コイルの巻装長さをＬ２、前記電極の封着長さをＬ３とした場合に、０．５０≦Ｌ２／Ｌ３≦０．９０なる関係を満足することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のメタルハライドランプ。
6. 前記コイルのピッチが、１５０％以上、３００％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のメタルハライドランプ。

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