KR20070031929A - 메탈 핼라이드 램프, 메탈 핼라이드 램프 점등장치 및전조등 - Google Patents

Abstract

발광의 명멸의 발생을 억제하고, 또한, 시동 직후의 광속 기동을 개선한, 보다 실용적이고 전조등용으로서 특히 적합한 수은 프리의 메탈 핼라이드 램프, 이것을 이용한 메탈 핼라이드 램프 점등장치 및 전조등을 제공한다.

본 발명의 메탈 핼라이드 램프는, 내용적이 0.1cc 이하인 투광성 기밀용기와, 5mm 이하의 전극간 거리를 두고 대향하여 봉입 장착 된 한 쌍의 전극과, 스칸듐(Sc), 나트륨(Na), 인듐(In), 아연(Zn) 및 희토류 금속의 그룹으로부터 선택된 복수의 금속의 할로겐화물 및 희가스를 함유하고 수은(Hg)을 본질적으로 함유하지 않는 방전 매체를 구비하고, 관벽 부하가 60W/cm² 이상인 동시에, 시동 후 0.3∼1.2초간의 평균 램프 전압을 Vo로 하고, 또한, 안정시의 평균 램프 전압을 Vl로 했을 때의 Vo/Vl이 수식 0.45≤Vo/Vl≤0.72를 만족한다.

전조등, 점등장치, 램프, 핼라이드, halide

Description

메탈 핼라이드 램프, 메탈 핼라이드 램프 점등장치 및 전조등{METAL HALIDE LAMP, LIGHTING DEVICE FOR METAL HALIDE LAMP AND HEADLIGHT}

본 발명은, 수은이 없는 메탈 핼라이드 램프(mercury-free halide lamp), 이것을 이용한 메탈 핼라이드 램프 점등장치 및 전조등에 관한 것이다.

수은을 본질적으로 봉입하지 않는, 소위 수은이 없는 메탈 핼라이드 램프(이하, 편의상 「수은 프리 램프(mercury-free lamp)」라고 한다)는 이미 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 수은 프리 램프는, 종래의 램프 전압 형성용 완충 물질로서 봉입되어 있던 수은에 대신하여 아연(Zn) 등의 증기압이 비교적 높고 가시역으로 발광하기 어려운 금속의 할로겐화물을 봉입하고 있는 것이 일반적이다.

수은 프리 램프는, 특히 환경 부하 물질의 사용을 완전히 폐지하고자 하는 자동차의 전조등용 메탈 핼라이드 램프로서 기대되어, 개발이 이루어지고 있다. 이 메탈 핼라이드 램프의 경우, 규격에 따라 기동 4초후에 정격 광속의 80%의 광속을 발생할 필요가 있다(비특허문헌 1 참조). 이 조건을 만족시키기 위해서 종래 몇가지 제안이 이루어지고 있다. 예를 들면, 발광관(發光管)의 내용적, 두께 및 Xe가스의 압력을 소정 범위로 선택하고, 또한, 저융점의 금속 할로겐화물을 봉입하는 것을 특징으로 하는 제안이 있다(특허문헌 2 참조). 또한, 발광관의 안지름, 전극 돌출 길이, 두께, 투입 전력 및 Xe 봉입압 등을 소정 범위로 선택하는 제안도 있다(특허문헌 3 참조). 또한, 발광관 안지름과 아크의 직경의 관계로부터 광속 기동(initial rising of a light flux)을 개선하고자 하는 것도 제안되어 있다(특허문헌 4 참조.).

특허문헌 1 : 일본 특개평11-238488호 공보

비특허문헌 1 : 일본 전구 공업회 규격 JEL 215「자동차 전조등 HID 광원」

특허문헌 2 : 일본 특개2001-006610호 공보

특허문헌 3 : 일본 특개2001-313001호 공보

특허문헌 4 : 일본 특개2003-187742호 공보

본 발명자는, 수은 프리의 메탈 핼라이드 램프를 연구하는 가운데, 수은 프리의 메탈 핼라이드 램프, 특히 자동차용 메탈 핼라이드 램프에 있어서, 시동 직후의 평균 램프전압 Vo와 안정시의 램프전압 Vl와의 비 Vo/Vl이 발광의 명멸 (flicker)에 크게 영향을 주는 것을 발견하였다. 본 발명은, 이 발견에 기초하여 이루어진 것이다.

본 발명은, 발광의 명멸의 발생을 억제하고, 또한, 시동 직후의 광속 기동을 개선한, 보다 실용적이고 전조등용으로서 특히 적합한 수은 프리의 메탈 핼라이드 램프, 이것을 이용한 메탈 할래이드 램프 점등장치 및 전조등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 시동 직후 즉 시동 후 0.3∼1.2 초간의 평균 램프 전압 Vo를 안정시의 램프 전압 Vl에 대한 비 Vo/Vl을 소정 범위내로 들어가도록 구성하는 것이다. 즉, 본 발명의 메탈 핼라이드 램프는, 내용적이 0.1cc 이하의 투광성 기밀용기와; 투광성 기밀용기내에 5mm 이하의 전극간 거리를 두고 대향하여 봉입 장착된 한 쌍의 전극과; 스칸듐(Se), 나트륨(Na), 인듐 (In), 아연(Zn) 및 희토류 금속의 그룹로부터 선택된 복수의 금속 할로겐화물 및 희가스(rare gas)를 함유하고 수은(Hg)을 본질적으로 함유하지 않고 투광성 기밀용기 내에 봉입 된 방전 매체를 구비하여, 관벽 부하(tube wall load)가 60W/㎠ 이상인 동시에, 시동 후 0.3∼1.2초간의 평균 램프 전압을 Vo로 하고, 또한, 안정시의 평균 램프전압을 Vl로 했을 때의 Vo/Vl이 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하고 있다.

0.45≤Vo/Vl≤0.72

본 발명의 메탈 할래이드 램프 점등장치는, 청구항 1에 기재된 메탈 할래이드 램프와; 메탈 할래이드 램프를 점등하는 점등회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 전조등은, 전조등 본체와; 전조등 본체에 배열설치된 청구항 1에 기재된 메탈 할래이드 램프와; 메탈 할래이드 램프를 점등하는 점등회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

도 1은 본 발명을 자동차 전조등용의 메탈 핼라이드 램프로서 실시하기 위한 하나의 형태의 전체를 나타내는 정면도이다.

도 2는 비 Vo/Vl과 시동 직후에 있어서의 발광 명멸 발생율과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 메탈 핼라이드 램프 점등장치를 실시하기 위한 한 형태를 나타내는 회로도이다.

도 4는 본 발명의 전조등을 실시하기 위한 하나의 형태로서의 자동차 전조등을 나타내는 개념도이다.

[부호의 설명]

1 : 투광성 기밀용기 1a : 포위부

1a1 : 씰링부 1a2 : 씰링관

1b : 전극 1c : 내부 공간

2 : 봉입 장착 금속박 3A : 외부 리드선

3B : 외부 리드선 IT : 발광관

아래에 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명한다.

도 1에 나타내는, 본 발명을 실시하기 위한 하나의 형태에 있어서의 자동차 전조등용 메탈 핼라이드 램프(MHL)는, 발광관(IT), 절연 튜브(T), 외관(OT) 및 꼭지쇠(mouth ring, B)를 구비하고 있다.

[발광관(IT)에 대하여] 발광관(IT)는, 투광성 기밀용기(1), 한 쌍의 전극 (1b,1b), 한 쌍의 외부 리드선(3A,3B) 및 방전 매체를 구비하고 있다.

<투광성 기밀용기(1)에 대하여> 투광성 기밀용기(1)는, 내화성이고 투광성인 동시에, 내용적이 0.1cc 이하의 내부 공간(1c)을 형성하는 포위부(1a)를 구비하고 있다. 전조등용의 경우, 내용적은 바람직하게는 0.05cc 이하이다. 내부 공간 (1c)은, 그 형상이 거의 원주형상을 이루고 있다. 이에 대해서, 투광성 기밀용기 (1)의 포위부(1a)의 바깥면은, 타원 구형상이나 방추형상 등의 회전 2차 곡면형상을 이루고 있다. 또한, 포위부(1a)의 두께는, 전체적으로 두껍고, 관축방향의 중앙부의 두께가 가장 크고, 양끝단 방향으로 점차 두께가 얇아지고 있다. 이에 따라, 투광성 기밀용기(1)의 전열(傳熱)이 양호하게 되어 그 내부 공간(1c)의 저면 및 측부 내면에 부착하고 있는 방전 매체의 온도 상승이 빨라지기 때문에, 광속 기동이 빨라지는 데에 효과적으로 작용한다.

또한, 투광성 기밀용기(1)가 「내화성이고 투광성」이란, 적어도 포위부(1a)의 외부에 발광을 도출하고자 하는 부위인 도광부분이 투광성으로서, 또한, 메탈 핼라이드 램프(MHL)의 통상의 작동 온도에 충분히 견딜 정도의 내열성을 적어도 구비하고 있다고 하는 의미이다. 따라서, 투광성 기밀용기(1)는, 내화성을 구비한 재료이고, 또한, 그 소요의 도광부분이 방전에 의해서 발생한 원하는 파장역의 가시광을 외부로 도출할 수 있으면, 어떠한 것으로 만들어져 있어도 좋다. 예를 들면, 투광성 세라믹스나 석영 유리 등을 이용할 수 있다. 한편, 전조등용 메탈 핼라이드 램프의 경우, 일반적으로 직선 투과율이 높은 석영 유리가 이용되고 있다. 또한, 투광성 기밀용기(1)가 석영 유리제인 경우, 필요에 따라서, 투광성 기밀용기(1)의 포위부(1a)의 내면에 내할로겐성 또는 내할로겐화물성의 투명성 피막을 형 성하거나, 투광성 기밀용기(1)의 내면을 개질하는 것이 허용된다.

투광성 기밀용기(1)가 석영 유리로 이루어지는 경우, 포위부(1a)의 관 축방향의 양끝단에 한 쌍의 씰링부(sealing portion, 1a1,1a1)를 형성할 수 있다. 한 쌍의 씰링부(1a1,1a1)는, 포위부(1a)를 씰링함과 함께, 후술하는 전극(1b)의 축부 (shaft portion)가 여기에 매설되고, 또한, 도시하지 않은 점등 회로로부터 전류를 전극(1b)에 기밀로 도입하는 데에 기여하는 수단이며, 포위부(1a)의 양끝단으로부터 일체로 연장되어 있다. 그리고, 전극(1b)을 봉입 장착하고, 또한, 점등회로로부터 전류를 전극(1b)에 기밀로 도입하기 위해서, 내부에 적당한 기밀 씰링 도통 수단{바람직하게는 봉입 장착 금속박(2)}을 기밀(氣密)로 매설하고 있다.

한편, 봉입 장착 금속박(2)은, 씰링부(1a1)의 내부에 기밀하게 매설되어 씰링부(1a1)가 투광성 기밀용기(1)의 포위부(1a)의 내부를 기밀하게 유지하는 것에 함께 작용하면서, 전류 도통 도체로서 기능하기 위한 수단으로서, 투광성 기밀용기(1)가 석영 유리로 이루어지는 경우의 재료로서는 몰리브덴(Mo) 또는 레늄-텅스텐 합금(W-Re) 등을 이용할 수 있다. 몰리브덴은, 약 350℃가 되면 산화하므로, 외부쪽 끝단부의 온도가 이보다 온도가 낮아지도록 매설된다.

봉입 장착 금속박(2)을 씰링부(1a1)에 매설하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 감압 씰링법, 핀치 씰링법 등을 단독으로, 또는 조합하여 채택할 수 있다. 내용적이 0.1cc 이하의 소형이고 크세논(Xe) 등의 희가스를 실온으로 5기압 이상 봉입하는 전조등 등에 이용하는 메탈 핼라이드 램프의 경우는, 후자가 적합하다.

또한, 도 1에 있어서, 왼쪽의 씰링부(1a1)를 형성한 후, 씰링관(sealing tube, 1a2)이 절단 제거되지 않고 씰링부(1a1)의 바깥측 끝단부로부터 일체로 연장되어 있으며, 후술하는 꼭지쇠(B) 내에 연장되어 있다.

<한 쌍의 전극(1b,1b)에 대하여> 한 쌍의 전극(1b,1b)은, 투광성 기밀용기 (1)의 포위부(1a)의 양끝단 내부에 떨어져 대향하여 봉입 장착되어 있다. 메탈 핼라이드 램프(MHL)의 내부 공간(1c)의 내용적이 0.1ccc에 이르도록 내부 공간(1c)의 양끝단에 떨어져 대향하여 배치되어 있다.

또한, 한 쌍의 전극(1b,1b)은, 그 축부의 직경이 일반적으로는 0.25∼0.5mm, 바람직하게는 0.25∼0.35mm의 범위내에서, 적당한 값으로 설정되는 것이 좋다.

또한, 한 쌍의 전극(1b,1b)은, 텅스텐(W), 도프된(doped) 텅스텐, 레늄(Re), 텅스텐-레늄 합금(W-Re) 등의 내화 금속제의 축부를 구비하고, 그 축부의 기단 (proximal end)이 봉입 장착 금속박(2)에 용접 등이 되어 씰링부(1a1)에 매설되고, 중간이 투광성 기밀용기(1)의 씰링부(1a1)에 의해 느슨하게 지지되고, 선단이 투광성 기밀용기(1)의 내부 공간(1c)에 이르도록 내부 공간(1c)의 양끝단에 떨어져 대향하여 배치되어 있다.

또한, 한 쌍의 전극(1b,1b)은, 메탈 핼라이드 램프(MHL)가 전조등용인 경우, 그 축부를 그대로 선단부까지 그 지름이 커지는 경우 없이 연장하여, 선단 형상을 꼭대기가 잘린 원추형, 반구형상 또는 반타원 구형상으로 함으로써, 방전 아크의 기점이 안정되기 쉬워진다. 또한, 이에 더하여 선단부에 작은 돌기가 형성됨으로써 상승적으로 효과가 증대한다. 한편, 본 형태에 있어서, 전극(1b)의 선단은, 도 시를 생략하고 있지만, 전극축의 직경의 1/2의 곡률의 반구형상을 이루고 있다.

그러나, 요약하면 전극(1b)의 선단부 근방을 축부보다 지름이 큰, 예를 들면 거의 구형상 내지 타원 구형상으로 할 수도 있다. 즉, 램프의 점멸 횟수가 매우 많아지는 동시에, 또한 시동시에는 정상시보다 큰 전류가 흐르므로, 이에 대응하여 전극(1b) 전체를 지름을 크게 하면, 전극축에 접촉하고 있는 투광성 기밀용기(1)의 구성 재료가 점멸시마다 열응력을 받아 크랙을 일으키기 쉽다. 따라서, 전극(1b)의 선단부 근방에 큰지름부를 형성함으로써, 전극(1b)을 점멸에 대응시킬 수 있지만, 축부는 지름이 크게 되어 있지 않기 때문에, 크랙이 발생하기 어렵다.

또한, 전극(1b)은, 교류 및 직류 중의 어느 하나로 작동하도록 구성해도 좋다. 교류로 작동하는 경우, 한 쌍의 전극(1b)은 동일 구조로 한다. 직류로 작동하는 경우, 일반적으로 양극은 온도 상승이 심하기 때문에, 선단부 근방에 큰지름부를 형성하면, 방열 면적을 크게 할 수 있는 동시에, 빈번한 점멸에 대응할 수 있다. 이에 대해서, 음극은 반드시 큰 지름부(large-diameter portion)를 형성할 필요가 없다.

<한 쌍의 외부 리드선(3A,3B)에 대하여> 한 쌍의 외부 리드 선(3A,3B)은, 그 선단이 투광성 기밀용기(1)의 양끝단의 씰링부(1a1)내에서 봉입 장착 금속박(2)의 다른 끝단에 용접되고, 기단측이 외부로 도출되어 있다. 도 1에서 발광관(IT)으로부터 오른쪽으로 도출된 외부 리드선(3A)은, 중간부가 후술하는 외관(OT)을 따라서 되접혀 후술하는 꼭지쇠(B)내로 도입되어 도시하지 않은 꼭지쇠 단자의 한쪽 (t1)에 접속하고 있다. 도 1에서 발광관(IT)으로부터 왼쪽으로 도출된 외부 리드 선(3B)은, 씰링관(1a2)내를 관축을 따라 연장하여 꼭지쇠(B) 내에 도입되어 꼭지쇠 단자의 다른쪽(도시되어 있지 않다)에 접속하고 있다.

<방전 매체에 대하여> 방전 매체는, 금속 할로겐화물 및 희가스를 함유하고, 수은을 본질적으로 함유하지 않는다.

금속 할로겐화물은, 스칸듐(Sc), 나트륨(Na), 인듐(In), 아연(Zn) 및 희토류 금속의 그룹으로부터 선택된 복수의 금속의 할로겐화물을 함유하고 있다. 그러나, 방전 매체는, 상기 그룹에 속하는 금속 할로겐화물만으로 이루어지는 구성에 한정되는 것은 아니고, 보조적으로 그룹 이외의 금속 할로겐화물을 함유하는 것이 허용된다. 예를 들면, 주(主)발광물질로서 타륨(Tl)의 할로겐화물을 첨가함으로써, 발광 효율을 한층 높일 수 있다.

또한, 아연(Zn)에 더하여 다음 그룹으로 이루어지는 램프 전압 형성용 금속 할로겐화물을 첨가할 수 있다. 즉, 마그네슘(Mg), 코발트(C), 크롬(Cr), 망간 (Mn), 안티몬(Sb), 레늄(Re), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 티탄 (Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)의 그룹으로부터 선택된 1종 또는 복수종의 금속 할로겐화물을 첨가함으로써, 램프 전압을 원하는 대로 조정할 수 있다. 상기 그룹의 금속은, 모두 증기압이 높아서 가시역에서 발광하지 않거나, 또는 발광이 비교적 적은 금속, 즉 광속을 얻는 발광 금속으로서는 기대되지 않지만, 주로 램프 전압을 형성하기에 바람직한 금속이다.

희가스는, 시동 가스(starting gas) 및 완충 가스로서 작용하고, 아르곤 (Ar), 크립톤(Kr) 및 크세논(Xe) 등의 1종 또는 복수종을 이용할 수 있다. 또한, 자동차 전조등용 메탈 핼라이드 램프로서는, 크세논을 5기압 이상, 바람직하게는 7∼18 기압의 범위, 더 바람직하게는 9∼15 기압의 범위에서 봉입하거나, 혹은 점등시의 내부 공간내의 압력이 50기압 이상이 되도록 봉입함으로써, 시동 직후의 발광 금속의 증기압이 낮을 때에, 기동시의 광속으로서 Xe의 백색 발광을 기여시킬 수 있다.

<수은에 대하여> 본 발명에서, 「본질적으로 수은을 함유하지 않는」이란, 수은(Hg)을 전혀 봉입하고 있지 않을 뿐만 아니라, 기밀용기의 내용적 1cc당 2mg미만, 바람직하게는 1mg 이하의 수은이 존재하고 있는 것을 허용한다는 의미이다.

그러나, 수은을 전혀 봉입하지 않는 것은 환경상 바람직한 것이다. 종래와 같이 수은 증기에 의해서 방전 램프의 램프 전압을 필요로 높게 할 경우, 짧은 아크형에서는 기밀용기의 내용적 1㎤당 20∼40mg, 또한 경우에 따라서는 50mg 이상 봉입하고 있던 것으로 보면, 수은량이 실질적으로 매우 작다고 할 수 있다.

<할로겐의 종류에 대하여> 할로겐화물을 구성하는 할로겐의 종류로서는, 반응성에 관해서 할로겐중에서, 요오드가 가장 적당하고, 적어도 상기 주발광금속은, 주로 요오드화물로서 봉입된다. 그러나, 요약하면, 요오드화물 및 브롬화물과 같이 다른 할로겐의 화합물을 병용할 수도 있다.

[절연 튜브(T)에 대하여] 절연 튜브(T)는, 세라믹스로 이루어지고, 절연 튜브(T)는, 외부 리드선(3A)을 피복하고 있다.

[외관(OT)에 대하여] 외관(OT)은, 석영 유리 또는 고실리케이트 유리 등으로 이루어지고, 그 내부에 발광관(IT)의 적어도 주요부를 수납하는 수단이다. 그 리고, 발광관(IT)으로부터 외부에 방사되는 자외선을 차단하고, 기계적으로 보호하고, 또한, 발광관(IT)의 투광성 기밀용기(1)를 손으로 닿아 사람의 지문이나 지방이 묻어 실투(devitrification)의 원인이 되지 않도록 하거나, 혹은 투광성 기밀용기(1)를 보온하기도 한다.

또한, 외관(OT)의 내부는, 그 목적에 따라 외기에 대하여 기밀하게 씰링해도 좋고, 외기와 동일한 정도 또는 감압된 공기 또는 불활성 가스가 봉입되어 있어도 좋다. 또한, 요약하면, 외기에 연이어 통하고 있어도 좋다.

또한, 외관(OT)의 외면 또는 내면에 차광막을 배치할 수도 있다.

도시한 형태에서는, 외관(OT)을 형성할 때에, 그 양끝단을 투광성 기밀용기 (1)의 양끝단으로부터 관축방향으로 연장되는 씰링부에 유리 용착 (glass- depositing)시킴으로써 외관(OT)을 투광성 기밀용기(1)에 지지하도록 구성할 수 있다. 외관(OT)은, 자외선 차단 성능을 구비하고 있으며, 내부에 발광관(IT)을 수납하고 있고, 양끝단의 축경부(4)가 방전 용기(IT)의 씰링부(1a1)에 유리 용착하고 있다. 그러나, 내부는 기밀이 아니고, 외부 공기에 연이어 통하고 있다.

[꼭지쇠(B)에 대하여] 꼭지쇠(B)는 메탈 핼라이드 램프(MHL)를 도시하지 않은 점등회로에 접속하거나, 더불어 기계적으로 지지하거나 하는 데에 기능을 하는 수단으로서, 도시한 형태에서는, 자동차 전조등용으로서 규격화되어 있는 것으로, 발광관(IT) 및 외관(OT)을 중심축을 따라서 직립하여 지지하고 있으며, 자동차 전조등의 배면에 착탈할 수 있게 장착되도록 구성되어 있다.

[평균 램프 전압 Vo에 대하여] 시동 후 0.3∼1.2초간은, 램프 전압이 낮고, 정전력 점등을 실시하기 위해서는 램프 전류가 증가하는 기간이기 때문에, 메탈 핼라이드 램프(MHL)에 대한 폐해가 발생하기 쉽다.

그러나, 본 발명자의 연구에 의하면, 이 기간중의 램프 전압을 적절히 설정함으로써, 발광 명멸이 억제되는 것을 알 수 있었다. 또한, 이 기간중의 램프 전압은, 시간의 경과와 함께 변화하므로, 평균 램프전압 Vo으로서 관측하는 것이 좋다. 평균 램프 전압 Vo는, 변화하는 램프 전압을 시간에 대해서 적분함으로써 구할 수 있다. 실제적으로는, 오실로스코프(oscilloscope)의 조작에 의해 평균 램프 전압 Vo를 용이하게 얻을 수 있다.

상기 기간에 있어서의 시동 직후의 평균 램프전압 Vo는, 한 쌍의 전극 (1b,1b)의 선단 사이에 설정되는 지점의 전극간 거리, 투광성 기밀용기(1)에 봉입하는 희가스의 봉입 압력 및 투광성 기밀용기(1)의 내부 공간(1c)의 형상 등에 주로 영향을 받는다. 전극간 거리를 크게 하면 평균 전압 Vo가 높아지지만, 전조등용의 메탈 핼라이드 램프(MHL)의 경우, 규격에 의해 그 중심치가 4.2mm로 규정되어 있다.

희가스의 봉입압을 크게 하면 평균 전압 Vo가 높아지고, 예를 들어 전조등용의 메탈 핼라이드 램프(MHL)의 경우, 크세논(Xe)을 7∼18기압의 범위로 설정하는 것이 좋다. 또한, 투광성 기밀용기(1)의 내부 공간(1c)의 형상으로서는, 만곡을 가능한 한 줄이면 평균 램프전압 Vo가 저하한다.

한편, 안정시의 램프 전압 Vl은, 투광성 기밀용기(1)의 내부 공간(1c) 내에 봉입하는 방전 매체의 금속 할로겐화물의 종류, 그 배합비 및 그들 봉입량이 크게 영향을 주고, 더하여 한 쌍의 전극(1b,1b)의 선단 사이에 형성되는 전극간 거리, 투광성 기밀용기(1)에 봉입하는 희가스의 봉입 압력 및 투광성 기밀용기(1)의 특히 내부 공간(1c)의 형상 등도 영향을 받는다.

따라서, 상기의 각 영향 인자를 적절히 선택함으로써, 비 Vo/Vl을 소정 범위내로 설정하는 것이 가능하다.

[본 발명의 작용에 대하여]

Vo/Vl비가 상기 수식을 만족하는 범위 내이면, 정전력 점등의 경우, 시동 직후에 흐르는 램프전류가 적당한 범위내의 값이 되어 시동 직후의 광속 기동이 향상한다.

따라서, 전조등용 메탈 핼라이드 램프(MHL)에서는, 시동 4초 후의 광속 기동을 정격 광속(rated light flux)의 80%이상으로 하는 것이 가능하게 된다. 또한, 수명 중(life duration)을 포함해서 발광 명멸이 효과적으로 억제되어 안정된 점등을 얻을 수 있다. 또한, 램프 전류가 적당한 범위 내의 값에 의해, 점등회로 및 메탈 핼라이드 램프(MHL)의 부담이 줄어드므로, 설계와 같은 수명을 얻을 수 있다.

이에 대해서, Vo/Vl비가 0.45 미만이 되는 경우에 대하여 이하에 설명한다. 즉, 이 경우는, 이론상 평균 램프 전압 Vo가 낮은 상태이고 램프 전압 Vl이 높은 상태라고 생각할 수 있다.

그러나, 램프 전압 Vl은, 어느 정도의 허용 범위(정격 램프 전력이 35W의 램프에서는 약 35∼55V)가 사실상 존재하므로, 이 범위에서 고찰하게 된다. 먼저, 상기 램프 전압 Vl의 범위의 근거에 대하여 설명한다. 램프 전압 Vl이 현저하게 낮은(정격 램프 전력이 35W의 램프에서는 약 35V 미만의) 경우, 램프 전류가 너무 커져서, 점등회로중의 밸러스트(한류 인덕터)가 대전류에 견딜 수 있는 설계로 할 필요로부터, 결과적으로 대형화, 고비용화하는 폐해가 현저하게 된다.

또한, 안정시의 큰 램프 전류에 견딜 수 있는 전류 도입 부재(전극, 봉입 장착 금속박 및 외부 도입체 등)가 큰 단면적화하고, 그 때문에 씰링부가 대형화하여 램프가 커지는 폐해가 나타난다. 반대로, 램프 전압이 높은(정격 램프 전력이 35W인 램프에서는 55V를 넘는) 경우, 전압을 증가시키기 위해서, 다음의 방책을 생각할 수 있지만, 각각 폐해를 수반한다.

(1) 금속 할로겐화물의 봉입량을 많게 하여 증기압을 높게 하면, 발광 효율이 저하한다.

(2) 투광성 기밀용기(1)를 소형화하면, 투광성 기밀용기(1)가 고온화하여 단수명이 된다.

(3) 희가스 압력을 증대하면, 투광성 기밀용기(1)가 새거나 파열하기 쉬워지거나 한다.

그런데, Vo/Vl비가 0.45 미만이 되는 경우, 램프 전압이 상술한 범위이면, 평균 램프 전압 Vo는, 최저로 15V 이하가 된다. 이와 같이, 15V 이하가 되면, 전조등용 메탈 핼라이드 램프(MHL)에서 일반적으로 채택되고 있는 정전력 점등에서는, 시동시의 대전력(만일 안정시의 2배인 75W로 한다)일 때에는 약 5A 이상의 램프 전류가 흐르게 되어, 안정시의 전류 0.8A 정도의 6배 이상이 된다. 이것은 평균 램프 전압 Vo가 26V일 때의 2.9A보다 60% 이상 큰 값이다.

그 결과, 전극 온도가 상승하여, 현저한 전극 손모가 발생하여 발광 명멸을 초래해 버린다. 또한, 현저한 전극 손모가 발생하면, 메탈 핼라이드 램프의 수명이 단축된다.

다음에, Vo/Vl비가 0.72를 넘는 경우에 대하여 설명한다. 이 경우, 하한치를 밑돌 경우와 같은 방식에 의해, 평균 램프 전압 Vo가 최대 40V를 넘게 된다. 평균 램프 전압 Vo가 40V를 넘으면, 시동시의 큰 전력(잠정적으로 안정시의 2배 이상인 75W로 한다)일 때에는 램프 전류가 1.9A 이하까지 감소한다. 이때의 램프 전류는, 평균 램프 전압 Vo가 26V일 때의 2.9A보다 35% 이상 작아진다.

그 결과, 시동 직후의 전극 온도가 램프 전압 Vl 26V일 때보다 상대적으로 낮아진다. 그 때문에, 시동 직후의 전극의 전자 방사성이 저감하고, 발광 명멸을 일으킨다. 이유는 분명하지 않지만, 시동 직후에는 안정시보다 전극 온도가 고온임에도 불구하고, 발광 명멸이 발생하기 쉬운 것이 시험에 의해 판명되고 있다. 이로부터도, 시동 직후의 전극 온도의 저하는, 발광 명멸을 일으키기 쉬운 것을 알 수 있다.

다음에, 본 발명에 있어서, Vo/Vl의 요건에 더하여 (1) 전극간 거리가 5mm 이하, (2) 방전 매체의 금속 할로겐 화물이 스칸듐(Sc), 나트륨(Na), 인듐(In), 아연(Zn) 및 희토류 금속의 그룹으로부터 선택된 복수의 금속 할로겐화물일 것, 및 (3) 방전 매체가 본질적으로 수은을 함유하지 않을 것 (4) 기밀용기의 단위 내 표면적당의 램프전력, 즉 관벽 부하가 60(W/㎠) 이상일 것도, 각각 요건으로서 규정하고 있는 이유는 이하와 같다. 즉,

(1) 전극간 거리가 5mm 이하의 메탈 핼라이드 램프는, 전조등 및 프로젝션용 등 시동 직후부터의 광속 기동이 양호한 것이 필요하거나 바람직한 용도에 사용되고 있으므로, 본 발명이 효과적이기 때문이다. 한편 자동차 전조등용 메탈 핼라이드 램프로서는 전극간 거리 4.2mm가 규격화되어 있고, 프로젝션용으로서는 2mm 이하가 적합하다.

(2) 방전 매체의 금속 할로겐화물이 상기 그룹으로부터 선택된 복수종인 것에 의해 다양한 용도에 적응하는 메탈 핼라이드 램프를 얻을 수 있다. 상기 그룹중의 금속중에서, 스칸듐(Sc) 및 나트륨(Na)은, 특히 그들 조합에 있어서, 백색계의 발광을 고효율로 발생하므로, 가시광의 주발광물질로서 채택할 수 있다.

인듐(In) 및 아연(Zn)은, 청색계의 발광을 실시하므로 색도 조정용으로서 채택할 수 있다. 또한, 아연은, 그 증기압이 비교적 높기 때문에, 램프 전압 형성용으로서 채택할 수 있다.

희토류 금속은, 주로 가시광 발광 및 색도 조정용으로서 채택할 수 있다. 한편 램프 전압 형성용으로서의 작용도 몇가지 있다.

따라서, 상기 그룹의 금속 할로겐화물의 복수를 적절히 선택함으로써, 전조등용, 프로젝션용 등의 소형이고 고출력 타입의 각종 메탈 핼라이드 램프를 얻을 수 있다.

(3) 방전 매체가 본질적으로 수은을 함유하지 않는 점에 관해서, 수은(Hg)은, 전혀 함유하지 않는 것이 환경 부하 물질 삭감을 위해서 바람직하지만, 본 발명의 작용 효과에 본질적인 영향이 없을 정도, 바꾸어 말하면 불순물 정도로 함유 하고 있어도 허용된다.

(4) 관벽 부하가 60(W/㎠) 이상인 것은, 전조등용, 프로젝션용 등의 소형이고 고출력 타입의 각종 메탈 핼라이드 램프에 대해서 본 발명이 효과적인 것을 명확하게 하기 위해서이다.

다음에, 실시예를 비교예 1 및 비교예 2와 함께 설명한다. 한편 비교예 1은, 시판되고 있는 자동차 전조등용 메탈 핼라이드 램프, 비교예 2는 본 발명의 구성을 구비하지 않은 자동차 전조등용 수은 프리 램프이다.

실시예

투광성 기밀용기(1) : 내부 공간의 내용적 0.020cc, 안지름 2.6mm, 포위부 길이 7.0mm, 포위부 바깥지름 6.0mm

전극간 거리 : 4.2mm

방전 매체 : 금속 할로겐 화물 ScI₃-NaI-ZnI₂-InI-CsI, 합계 0.5mg, 희가스 Xe 10atm

시동 직후 투입 전력 : 75W

시동 직후 투입 전류 : 3.0A

시동 직후의 평균 램프 전압 Vo : 25V

안정시 램프 전압 Vl : 42V

비 Vo/Vl : 0.60

안정시 램프 전류 : 0.8A

안정시 램프 전력 : 35W

시동 4초 후의 광속 : 1400lm

[비교예 1]

투광성 기밀용기(1) : 내부 공간의 내용적 0.020cc, 안지름 2.6mm, 포위부 길이 7.0mm, 포위부 바깥지름 6.0mm

전극간 거리 : 4.2mm

방전 매체 : 금속 할로겐화물 ScI₃-NaI-Hg, 희가스 Xe 약 4 atm

시동 직후 투입 전력 : 65W

시동 직후 투입 전류 : 3.0A

시동 직후의 평균 램프 전압 : 22V

안정시 램프 전압 : 90V

비 Vo/Vl : 0.24

안정시 램프 전류 : 0.4A

안정시 램프 전력 : 35W

시동 4초 때의 광속 : 2900lm

[비교예 2]

투광성 기밀용기(1) : 내부 공간의 내용적 0.045cc, 안지름 4.0mm, 포위부 길이 7.0mm, 포위부 바깥지름 6.0mm

전극간 거리 : 4.2mm

방전 매체 : 금속 할로겐화물 ScI₃-NaI-ZnI, 합계 1.3mg, 희가스 Xe 5atm

시동 직후 투입 전력 : 80W

시동 직후 투입 전류 : 4.0A

시동 직후의 평균 램프 전압 : 19V

안정시 램프 전압 : 50V

비 Vo/Vl : 0.38

안정시 램프 전류 : 0.7A

안정시 램프 전력 : 35W

시동 4초 때의 광속 : 1200lm

다음에, 도 2를 참조하여 실시예에서 투광성 기밀용기의 비 Vo/Vl을 여러 가지로 변화시켰을 경우에 있어서의 비 Vo/Vl과 시동 직후에 있어서의 발광 명멸 발생율의 관계에 대하여 설명한다. 한편 도면에서, 가로축은 비 Vo/Vl을, 세로축은 명멸 발생율(%)을 각각 나타낸다. 명멸 발생율은, 시각에 의한 판정에 의해 구하였다.

도면으로부터 이해할 수 있듯이, 비 Vo/Vl가 0.45 미만 및 0.72를 넘으면, 모두 명멸 발생율이 상술한 이유에 의해 급격하게 증가하므로 불가하다.

도 3은, 본 발명의 메탈 핼라이드 램프 점등장치를 실시하기 위한 하나의 형태의 회로도이다. 즉, 메탈 할래이드 램프 점등장치는, 주점등회로(12) 및 시동기 (12B)를 구비하고 있다. 주점등회로(12A)는 후술하는 바와 같이 구성되어, 후술하 는 전조등 본체(11)에 부착할 수 있다.

메탈 핼라이드 램프(13)는 도 1에 나타내는 본 발명의 메탈 핼라이드 램프로 이루어진다.

상기 주점등 회로(12A)는, 직류 전원(21), 승압 쵸퍼(boosting chopper, 22), 인버터(23) 및 제어 회로(24)로 이루어지고, 메탈 핼라이드 램프(13)를 점등한다.

직류전원(21)은, 전지 전원, 정류화 직류 전원 등으로 이루어지고, 직류 출력단 사이에 접속된 평활 콘덴서(C1)를 가지고 있다.

승압 쵸퍼(22)는, 직류 전원(21)으로부터 공급되는 직류 전압을 필요한 전압까지 승압하고, 또한, 평활화하여 후술하는 인버터(23)에 입력 전압을 공급한다. 한편 부호 22a는 구동 회로로서, 승압 초퍼(22)의 스위칭 소자를 구동한다.

인버터(23)는, 풀 브릿지형 인버터(full-bridge type inverter)로 이루어진다. 그리고, 4개의 스위칭 소자(Q1∼Q4)를 브릿지 접속하고, 그 대향 2변을 구성하는 한 쌍의 스위칭 소자(Q1,Q3)와 다른 대향 2변을 구성하는 한 쌍의 스위칭 소자(Q2,Q4)를 교대로 스위칭시키고, 그 출력단 사이에 구형파 교류 전압을 출력한다. 한편, 부호 23a는 구동 회로로서, 인버터(23)의 각 스위칭 소자(Q1∼Q4)를 구동한다.

제어회로(24)는, 승압 초퍼(22) 및 인버터(23)를 필요에 따라, 예를 들면 메탈 핼라이드 램프(13)가 냉각 상태일 때에는, 메탈 핼라이드 램프(13)를 시동 직후의 몇초간 정격 램프 전력의 약 2배 이상, 예를 들면 2.3배 정도로 점등하고, 그렇 게 서서히 저감시켜 안정 점등시의 정격 램프 전력으로 이행시키도록 제어한다.

시동기(12B)는, 메탈 핼라이드 램프(13)의 시동시에 고전압 펄스를 출력하여 메탈 핼라이드 램프(13)에 인가하여, 이것을 순간적으로 시동시킨다.

그렇게 해서, 메탈 핼라이드 램프 점등장치는, 메탈 핼라이드 램프(13)를 시동하고, 또한, 안정적으로 점등시킨다. 또한, 자동차 전조등용의 메탈 핼라이드 램프 점등장치로서는, 메탈 핼라이드 램프(13)를 시동하고, 또한, 점등 개시 직후에 정격 램프 전력의 2배 이상의 전력을 몇초간 연속적으로 투입하고, 그 후 할로겐화물이 급격하게 증발할 때에 일정 비율로 램프 전력을 저감시키고, 계속해서 저감율을 큰 값으로부터 차례로 감소시키면서 서서히 정격 램프 전력까지 저감하면서 안정적인 점등으로 이행시키도록 메탈 핼라이드 램프를 제어하면서 점등하도록 동작을 한다.

도 4는, 본 발명의 전조등을 실시하기 위한 하나의 형태로서의 자동차 전조등을 나타내고 있다. 도면에 있어서, 11은 전조등 본체, 12는 점등 회로, 13은 메탈 핼라이드 램프이다.

본 발명에 있어서, 전조등 본체(11)란, 전조등으로부터 메탈 핼라이드 램프 (13) 및 점등 회로(12)를 제외한 나머지 부분을 말한다. 또한, 전조등 본체(11)는, 용기형상을 이루고, 내부에 반사경(11a), 전면에 렌즈(11b) 및 도시를 생략하고 있는 램프 소켓 등을 구비하고 있다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 비 Vo/Vl을 소정 범위 내로 구성함으로써, 시동 직후의 광속 기동이 개선됨과 함께, 수명 중을 포함해서 발광의 명멸 발생이 효과적으로 억제되고, 그 결과 실용적이고 전조등용으로서 적합한 수은 프리의 메탈 핼라이드 램프, 메탈 핼라이드 램프 점등장치 및 전조등을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 내용적이 0.1cc 이하의 투광성 기밀용기와;

   투광성 기밀용기내에 5mm 이하의 전극간 거리를 두고 대향하여 봉입 장착된 한 쌍의 전극과;

   스칸듐(Sc), 나트륨(Na), 인듐(In), 아연(Zn) 및 희토류 금속의 그룹으로부터 선택된 복수의 금속 할로겐화물 및 희가스를 함유하고 수은(Hg)을 본질적으로 함유하지 않으며 투광성 기밀용기내에 봉입된 방전 매체를 구비하고,

   관벽 부하가 60W/㎠ 이상인 동시에, 시동 후 0.3∼1.2초간의 평균 램프전압을 Vo로 하고, 또한, 안정시의 평균 램프 전압을 Vl로 했을 때의 Vo/Vl이 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 메탈 핼라이드 램프.

   0.45≤Vo/Vl≤0.72
2. 제 1 항에 기재된 메탈 핼라이드 램프와;

   메탈 핼라이드 램프를 점등하는 점등회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 메탈 핼라이드 램프 점등장치.
3. 전조등 본체와;

   전조등 본체에 배치된 청구항 제 1 항에 기재된 메탈 핼라이드 램프와;

   메탈 핼라이드 램프를 점등하는 점등회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하 는 전조등.

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