JP2004206980A - Metal halide lamp, and headlight device for automobile - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタルハライドランプおよびこれを用いた自動車用前照灯装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
相対向する一対の電極を備えた発光管内に希ガス、発光金属のハロゲン化物および水銀を封入したメタルハライドランプは、比較的高効率で、高演色性であるため広く使用されている。自動車の前照灯用においても、メタルハライドランプの使用が普及してきている。自動車の前照灯用を含めて、現在実用されているメタルハライドランプは、水銀を必須としている。なお、自動車の前照灯用のメタルハライドランプの仕様においては、約2〜15mgの水銀の封入が不可欠とされている(例えば特許文献1参照。)。
【0003】
しかしながら、環境問題が深刻化してきている現在、照明分野においても、環境負荷が大きい水銀をランプから減少させ、さらに廃絶することは非常に重要なことと考えられている。
【0004】
この課題に対して、メタルハライドランプにおいても、水銀を用いないための提案が既にいくつかなされている(例えば特許文献2、3参照。)。特許文献2においては、水銀に代えてZnI2などの蒸気圧の高い物質を発光物質のハロゲン化物、例えばScI3−NaIに加えて封入することにより、水銀入りランプと同等の電気特性と発光特性が得られている。
【0005】
また、特許文献3においては、発光管内容積、内径および放電媒体封入量などが開示されているが、外管を具備していない。
【0006】
【特許文献1】
特開平2−7347号公報
【特許文献2】
特開平11−238488号公報
【特許文献3】
特開2000−164171号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところが、水銀を含まないメタルハライドランプ(以下、便宜上「水銀フリーランプ」という。)の場合、アークの立ち消えや明るさのちらつきにつながるアークの不安定化が、水銀を含むメタルハライドランプ(以下、便宜上「水銀入りランプ」という。)の場合に比較して、極端に生じやすくなる。
【0007】
明るさのちらつき発生の原因の一つにアークの径の問題がある。すなわち、水銀入りランプは、水銀原子が放射光を自己吸収することによりアークが太くなるが、水銀フリーランプでは、この作用が生じないため、アークが細くなる。そして、アークが細くなると、明るさのちらつきが発生する。明るさのちらつきが発生すると、照射光がちらついて見え方が悪くなる。また、点灯回路によるランプ電力の制御が困難になる。さらには、アークの立ち消えに至る、といった不具合がある。
【0008】
しかし、特許文献2、3においては、明るさのちらつきに対する対策が行われていない。
【0009】
本発明者は、この問題について種々検討の結果、金属ハロゲン化物の封入量と気密容器の温度とを所定範囲にすることで上記の問題が緩和することを見出した。
【0010】
本発明は、水銀を本質的に用いないで環境に配慮するとともに、アークが細くなることによる明るさのちらつき発生を抑制した自動車前照灯用として好適なメタルハライドランプおよびこれを用いた自動車用前照灯装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を達成するための手段】
請求項1の発明のメタルハライドランプは、内部に内容積0.1cc以下の放電空間が形成された耐火性で透光性の気密容器および気密容器内の放電空間の両端に離間対向して封装されて電極間距離が5mm以下の一対の電極を備えた放電容器と;ナトリウムNaおよびスカンジウムScを主体とする発光金属および亜鉛Znを主体とするランプ電圧形成用金属のハロゲン化物を含み気密容器の内容積に対して2.0〜36.0mg/cm2の金属ハロゲン化物、ならびに希ガスを含み、気密容器内に封入されて水銀を本質的に含まない放電媒体と;放電容器の少なくとも主要部を内部に収納する外管と;を具備し、安定点灯時における管壁負荷が60W/cm2以上であり、かつ、水平点灯時における気密容器の下部中央表面温度が530±30℃であることを特徴としている。
【0012】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【0013】
<放電容器について> 放電容器は、気密容器および一対の電極を備えて構成されている。
【0014】
(気密容器について) 気密容器は、耐火性で透光性である。「耐火性」とは、放電ランプの通常の作動温度に十分耐える意味である。したがって、気密容器は、耐火性を備える材料であり、かつ、放電によって発生した所望波長域の可視光を外部に導出することができれば、どのようなもので作られていてもよい。例えば、石英ガラスや透光性アルミナ、YAGなどのセラミックスまたはこれらの単結晶などを用いて形成することができる。なお、必要に応じて、気密容器の内面に耐ハロゲン性または耐ハロゲン化物性の透明性被膜を形成するか、気密容器の内面を改質することが許容される。
【0015】
また、気密容器は、その内部に適当な形状をなした放電空間、例えば細長い放電空間が形成されている。なお、細長い放電空間としては、例えば放電空間を円柱状にすることができる。これにより、アークが水平点灯においては上方へ湾曲しようとするために、放電容器の上側の内面に接近するので、放電容器の上部の温度上昇が早くなる。
【0016】
さらに、放電空間を包囲する部分の肉厚を比較的大きくすることができる。すなわち、電極間距離のほぼ中央部の肉厚をその両側の肉厚より大きくすることができる。これにより、放電容器の伝熱が良好になって放電容器の放電空間の下部およぶ側部内面に付着している放電媒体の温度上昇が早まるために、光束立ち上がりが早くなる。
【0017】
(一対の電極について) 一対の電極は、気密容器の両端内部に離間対向して封装され、その電極間距離が5mm以下に設定されているものとする。
【0018】
なお、電極は、交流および直流のいずれで作動するように構成してもよい。交流で作動する場合、一対の電極は同一構造とする。また、自動車前照灯用のメタルハライドランプの場合、電極の先端部近傍を軸部より径大にすると好都合である。すなわち、ランプの点滅回数が非常に多くなるとともに、また始動時には定常時より大きな電流を流すので、これに対応して電極全体を径大にすると、電極軸に接触している気密容器の構成材料が点滅のたびに熱応力を受けてクラックを生じやすい。そこで、電極の先端部近傍に径大部を形成することで、電極を点滅に対応させることができるが、軸部は径大になっていないから、クラックを生じにくい。直流で作動する場合、一般に陽極は温度上昇が激しいから、先端部近傍に径大部を形成すれば、放熱面積を大きくすることができるとともに、頻繁な点滅に対応することができる。これに対して、陰極は必ずしも径大部を形成する必要がない。
【0019】
<放電媒体について> 本発明において、放電媒体は、前述したように金属のハロゲン化物および希ガスを含み、水銀を本質的に含まない。
【0020】
(ハロゲン化物について) ハロゲン化物は、ナトリウムNaおよびスカンジウムScを主体とする発光金属および亜鉛Znを主体とするランプ電圧形成用金属のハロゲン化物を含み気密容器の内容積に対して2.0〜36.0mg/cm2の金属ハロゲン化物である。上記ナトリウムNaおよびスカンジウムScは、高効率な発光物質である。なお、要すれば、インジウムInや希土類金属のハロゲン化物を添加封入することが許容される。インジウムInは、発光物質およびランプ電圧形成のいずれにも寄与する。
【0021】
亜鉛Znは、蒸気圧が高いので、ランプ電圧形成用金属として好適であるとともに、色度調整用としても寄与させることができる。ランプ電圧形成用金属としては、亜鉛ZnまたはおよびインジウムInに加えて、所望によりMg、Co、Cr、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、ZrおよびHfのグループから選択された一種または複数種のハロゲン化物を添加することができる。これらの金属ハロゲン化物を選択的に適量封入することにより、ランプ電圧を所要範囲に高めることができる。それにより、比較的少ないランプ電流で所要のランプ電力を投入することが可能になる。
【0022】
金属ハロゲン化物の封入量は、本発明において上記のように所定範囲内であることが必要である。金属ハロゲン化物の封入量が2.0mg/cm2未満になると、アークの太さは問題ないが、発光量が低下しすぎて全光束が不足しすぎる。また、36.0mg/cm2を超えると、アークが細くなりすぎて、明るさのちらつきが顕著に発生するとともに、液相で気密容器の内面に付着する金属ハロゲン化物が増加しすぎて全光束が不足する。よって、アークを所要の太さに維持して明るさのちらつきを低減するためには、金属ハロゲン化物の封入量を気密容器の内容積に対して2.0〜36.0mg/cm2の範囲にする必要がある。
【0023】
次に、ハロゲン化物を構成するハロゲンについて説明する。すなわち、反応性については、ハロゲンの中でヨウ素が最も適当であり、少なくとも上記主発光金属は、主としてヨウ化物として封入される。しかし、要すれば、ヨウ化物および臭化物のように異なるハロゲンの化合物を併用することもできる。
【0024】
(希ガスについて) 希ガスは、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用する。希ガスは、キセノン、アルゴンまたはクリプトンなどを用いることができる。なお、希ガスとしてキセノンを3気圧以上封入すると、上記に加えて始動直後に主発光を担当するように作用させることができる。キセノンの封入圧力は3気圧以上、好適には5〜15気圧であり、これによりメタルハライドランプのランプ電圧が高くなり、同一ランプ電流に対してランプ入力を大きくして、光束立ち上がり特性を向上させることができる。光束立ち上がり特性が良好であることは、どのような使用目的であっても好都合であるが、特に自動車用前照灯装置および液晶プロジェクタなどにおいて極めて重要である。
【0025】
(水銀について) 本発明において、「本質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く封入していないだけでなく、気密容器の内容積1cc当たり2mg未満、好ましくは1mg以下の水銀が存在していることを許容するという意味である。しかし、水銀を全く封入しないことは環境上望ましいことである。従来のように水銀蒸気によって放電ランプの電気特性を維持する場合には、短アーク形においては気密容器の内容積1cc当たり20〜40mg、さらに場合によっては50mg以上封入していたことからすれば、本発明は水銀量が実質的に頗る少ないといえる。
【0026】
<外管について> 外管は、石英ガラスまたはハイシリケートガラスなどからなり、その内部に放電容器の少なくとも主要部をその収納する手段である。そして、外管、発光管から外部へ放射される紫外線を遮断し、機械的に保護し、かつ、発光管の気密容器を手で触れることで人の指紋や脂肪が付いて失透の原因とならないようにしたり、あるいは気密容器を保温したりたりする。また、外管の内部は、その目的に応じて外気に対して気密に封止してもよいし、外気と同程度または減圧された空気または不活性ガスが封入されていてもよい。さらに、要すれば、外気に連通していてもよい。さらに、外管の外面または内面に遮光膜を配設することもできる。
【0027】
また、外管を形成する際に、外管の両端を気密容器の両端から管軸方向に延在する封止部にガラス溶着することができる。
【0028】
<管壁負荷について> 本発明において、管壁負荷は、メタルハライドランプの安定点灯時に60W/cm2以上でなければならない。なお、本発明において、「管壁負荷」とは、気密容器の単位内表面積(1cm2)当たりのランプ電力をいう。放電媒体の蒸気圧を高くして、全光束を大きくするために、管壁負荷は、上記の条件を満足しなければならない。
【0029】
<気密容器の下部中央表面温度について> 気密容器の下部中央表面温度は、530±30℃の範囲内に維持する必要がある。なお、「下部中央表面温度」とは、気密容器外面の管軸方向における電極間中央部の表面温度をいう。また、メタルハライドランプを水平点灯した状態における上記温度を規定しているものである。気密容器の下部中央表面温度が530±30℃未満であると、放電媒体の蒸気圧が低くなりすぎて発光効率が低下し、全光束が小さくなる。反対に下部中央表面温度が530±30℃を超えると、蒸気圧が高くなりすぎてアークが細くなり、明るさのちらつきが生じる。よって、気密容器の下部中央表面温度は、530±30℃の範囲内でなければならない。
【0030】
また、気密容器の下部中央表面温度を上記の範囲に維持するには、外管を配設して、少なくとも気密容器の主要部である放電空間を形成している部位をその内部に収納する必要がある。
【0031】
<本発明のその他の構成について> 以下に示す構成を選択的に付加することにより、高圧放電ランプの性能が向上したり、機能が増加したりする。
【0032】
1.口金について 口金は、高圧放電ランプを点灯回路に接続したり、加えて機械的に支持したりするのに機能する。
【0033】
2.イグナイタについて イグナイタは、パルス状の高電圧を発生し、これを高圧放電ランプに印加して、その始動を促進する手段であり、口金の内部に収納するなどにより、高圧放電ランプと一体化することができる。
【0034】
3.始動補助導体について 始動補助導体は、電極近傍における電界強度を高くして、高圧放電ランプの始動を支援する手段であり、その一端を他方の電極と同電位個所に接続し、他端を一方の電極近傍における気密容器の外面に配設する。
【0035】
<本発明の作用について> 本発明においては、以上の説明から明らかなように、水銀を本質的に含まないことからアークが細くになって明るさのちらつきが生じ、アークの立ち消えに至ることがあるなどの不具合があるところ、金属ハロゲン化物の封入量、管壁負荷および気密容器の下部中央表面温度を上記の範囲にすることにより、アークが太くなって明るさのちらつきが効果的に抑制されて、上記不具合がなくなるとともに、所要値の全光束を確保することができる。
【0036】
請求項2の発明の自動車用前照灯装置は、自動車用前照灯装置本体と;放電容器の軸が自動車用前照灯装置本体の光軸に沿って自動車用前照灯装置本体内に配設された請求項1記載のメタルハライドランプと;メタルハライドランプの点灯直後4秒までの最高入力電力を安定時のランプ電力の2〜4倍とした点灯回路と;を具備していることを特徴としている。
【0037】
本発明の自動車用前照灯装置は、請求項1のメタルハライドランプを光源として備えているので、光束立ち上がりが早くて安全であるとともに、メタルハライドランプが環境負荷の大きな水銀を封入していないので、環境対策上すこぶる好ましい。なお、「自動車用前照灯装置本体」とは、自動車用前照灯装置からメタルハライドランプおよび点灯回路を除いた残余の全ての部分を意味する。
【0038】
点灯回路は、メタルハライドランプの点灯直後4秒までの最高入力電力を安定時のランプ電力の2〜4倍、好適には2.5〜4倍とすることにより、光束立ち上がりを自動車前照灯用として必要な範囲内に入るように早くすることができる。なお、希ガスとしてのキセノンの封入圧を3〜15気圧の範囲でX(気圧)とし、メタルハライドランプの点灯直後4秒までの最高入力電力をAA(W)としたとき、AAが下式を満足するように構成することにより、点灯直後4秒までの光束立ち上がりを早めて自動車用前照灯に必要な前照灯前面の代表点での光度8000cdを得ることができる。
【0039】
AA>−2.5X+102.5
上記のようにキセノン封入圧と最高入力電力とが直線的な関係になるのは、蒸気圧の低い放電媒体のみであるから、始動後4秒後の時点ではキセノンの発光が圧倒的になっているからである。キセノンの発光量は、キセノンの封入圧とその時の電力とで決まるので、キセノン圧が低ければ、入力電力を多くすればよい。反対に、キセノン圧が高ければ、入力電力を少なくすればよい。なお、本発明において、メタルハライドランプの点灯は、交流点灯および直流点灯のいずれであってもよい。
また、点灯回路は、所要により無負荷出力電圧を200V以下に構成することができる。本発明に用いるメタルハライドランプは、一般に水銀封入のメタルハライドランプに比較して、ランプ電圧が低いので、点灯回路の無負荷出力電圧を200V以下にすることができる。これにより、点灯回路の小形化が可能になる。なおて、水銀を封入したメタルハライドランプにおいては、400V程度の無負荷出力電圧を必要としている。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0041】
図1および図2は、本発明のメタルハライドランプにおける第1の実施の形態としての自動車前照灯用メタルハライドランプを示し、図1はランプ全体の正面図、図2は放電容器の拡大要部正面図である。各図において、ITは放電容器すなわち発光管、2は封着金属箔、3A、3Bは一対の外部リード線、OTは外管、Tは絶縁チューブ、Bは口金である。
【0042】
放電容器ITは、気密容器1aおよび一対の電極1b、1bからなる。気密容器1aは、中空の紡錘形状に成形されてなり、その両端に一対の細長い封止部1a1を一体に備えているとともに、内部に細長いほぼ円柱状の放電空間1cが形成されている。電極1bは、その基端が封止部1a1に埋設されることによって所定の位置に支持されている。また、電極1bの基部は、封止部1a1内において、封着金属箔2の一端に溶接されている。なお、図1において、下方の封止部1a1を形成した後、封止管1a2が切断されないで封止部1a1の下部から一体に延長していて、口金B内へ延在している。
【0043】
封着金属箔2は、気密容器1aの封止部1a1内に気密に埋設されている。
【0044】
一対の外部リード線3A、3Bは、その先端が気密容器1aの両端の封止部1a1内において封着金属箔2の他端に溶接され、基端側が外部へ導出されている。図1において放電容器ITから上方へ導出された外部リード線3Aは、中間部が後述する外管OTに沿って折り返されて後述する口金B内に導入されて図示しない口金端子の一方に接続している。図1において放電容器ITから下方へ導出された外部リード線3Bは、管軸に沿って延在して口金B内に導入されて口金端子の他方に接続している。
【0045】
気密容器1a内には、放電媒体として金属ハロゲン化物および希ガスが封入されている。金属ハロゲン化物は、ナトリウムNaおよびスカンジウムScを主体とする発光金属、ならびに亜鉛Znを主体とするランプ電圧形成用金属のハロゲン化物を含んでいる。希ガスは適当な圧力で封入されている。
【0046】
外管OTは、紫外線カット性能を備えており、内部に放電容器ITを収納していて、両端の縮径部4が放電容器ITの封止部1a1にガラス溶着している。しかし、内部は気密ではなく、外気に連通している。
【0047】
絶縁チューブTは、外部リード線3Aを被覆している。
【0048】
口金Bは、自動車前照灯用として規格化されているもので、放電容器ITおよび外管OTを中心軸に沿って植立して支持していて、自動車前照灯の背面に着脱可能に装着されるように構成されている。
【実施例】
次に、本発明によらない場合の実施例を以下に示す。なお、本発明の実施例と同一部分は省略してある。
【0049】
放電媒体
金属ハロゲン化物:ScI3−NaI−ZnI2=1.0mg
アーク太さの相対値:0.98
図3は、図1および図2に示す構成のメタルハライドランプにおいて、金属ハロゲン化物の封入量を種々変化させ、かつ、ランプを水平点灯して気密容器の下部中央表面温度が530±30℃の範囲内にある場合のアークの幅および全光束の変化を示すグラフである。図において、横軸は金属ハロゲン化物の封入量(mg/cc)を、縦軸は左側がアークの幅の相対値、右側が全光束の相対値を、それぞれ示す。また、曲線Aはアークの幅、曲線Bは全光束、をそれぞれ示す。
【0050】
図から理解できるように、金属ハロゲン化物の封入量が本発明の範囲である2〜36mg/ccの内であれば、アークの幅が1を超え、全光束がランプ効率の低下が顕著でない範囲であるところの90%以上を確保することができる。なお、アークの幅が1以下であると、明るさのちらつきが生じる。また、アークの幅は、放電容器を側方から観察により測定した。
【0051】
図4および図5は、本発明の自動車用前照灯装置における一実施の形態を示し、図4は装置全体の背面斜視図、図5は点灯回路の回路図である。各図において、自動車用前照灯装置HLは、自動車用前照灯装置本体21、メタルハライドランプHPDLおよび2つの点灯回路OLにより構成されている。
【0052】
自動車用前照灯装置本体21は、前面透過パネル21a、リフレクタ21b、21c、ランプソケット21dおよび取付部21eなどから構成されている。前面レンズ21aは、自動車の外面と合わせた形状をなし、所要の光学的手段たとえばプリズムを備えている。リフレクタ21b、21cは、各メタルハライドランプHPDLごとに配設されていて、それぞれに要求される配光特性を得るように構成されている。ランプソケット21dは、点灯回路OCの出力端に接続し、メタルハライドランプHPDLの口金21dに装着される。取付部21eは、自動車用前照灯装置本体21を自動車の所定の位置に取り付けるための手段である。
【0053】
メタルハライドランプHPDLは、図1に示す構造を備えている。ランプソケット21dは、口金に装着されて接続する。そうして、2灯のメタルハライドランプKPDLが自動車用前照灯装置本体21に装着されて、4灯式の自動車用前照灯装置が構成される。各メタルハライドランプHPDLの発光部は、自動車用前照灯装置本体21のリフレクタ21b、21cの焦点にほぼ位置する。
【0054】
2つの点灯回路OLは、それぞれ後述する回路構成を備えていて、金属製容器22内に収納されているとともに、メタルハライドランプHPDLを付勢して点灯させる。
【0055】
点灯回路OLは、図5に示すように、直流電源11、チョッパ12、制御手段13、ランプ電流検出手段14、ランプ電圧検出手段15、イグナイタ16、メタルハライドランプHPDL、フルブリッジインバータ17により構成されていて、メタルハライドランプHPDLを交流点灯する。
【0056】
直流電源11は、後述するチョッパ12に対して直流電源を供給する手段であって、バッテリーまたは整流化直流電源が用いられる。自動車の場合には、一般的にバッテリーが用いられる。しかし、交流を整流する整流化直流電源であってもよい。必要に応じて電解コンデンサ11aを並列接続して平滑化を行う。
【0057】
チョッパ12は、直流電圧を所要値の直流電圧に変換するDC−DC変換回路であって、後述するフルブリッジインバータ17を介してメタルハライドランプHPDLを所要に制御する。直流電源電圧が低い場合には、昇圧チョッパを用い、反対に高い場合には降圧チョッパを用いる。
【0058】
制御手段13は、チョッパ12を制御する。たとえば、点灯直後にはメタルハライドランプHPDLに定格ランプ電流の3倍以上のランプ電流をチョッパ22からフルブリッジインバータ17を経由して流し、その後時間の経過とともに徐々にランプ電流を絞っていき、やがて定格ランプ電流にするように制御する。また、制御手段13は、ランプ電流とランプ電圧と相当するそれぞれの検出信号が後述するように帰還入力されることにより、定電力制御信号を発生して、チョッパ22を定電力制御する。さらに、制御手段13は、時間的な制御パターンが予め組み込まれたマイコンが内蔵されていて、点灯直後には定格ランプ電流の3倍以上のランプ電流をメタルハライドランプHPDLに流し、時間の経過とともにランプ電流を絞るようにチョッパ12を制御するように構成されている。
【0059】
ランプ電流検出手段14は、フルブリッジインバータ17を介してランプと直列に挿入されていて、ランプ電流に相当する電流を検出して制御手段13に制御入力する。
【0060】
ランプ電圧検出手段15は、同様にフルブリッジインバータ17を介してメタルハライドランプHPDLと並列的に接続されていて、ランプ電圧に相当する電圧を検出して制御手段23に制御入力する。
【0061】
イグナイタ16は、フルブリッジインバータ17とメタルハライドランプHPDLとの間に介在していて、始動時に約20kV程度の始動パルス電圧をメタルハライドランプHPDLに供給できるように構成されている。
【0062】
フルブリッジインバータ17は、4つのMOSFETQ1、Q2、Q3およびQ4からなるブリッジ回路、ブリッジ回路17aのMOSFETQ1およびQ3と、Q2およびQ4とを交互にスイッチングさせるゲートドライブ回路28bおよび極性反転回路INVから構成されていて、チョッパ12からの直流電圧を上記スイッチングにより矩形波の低周波交流電圧に変換して、メタルハライドランプHPDLに印加して、メタルハライドランプHPDLを低周波交流点灯させる。
【0063】
そうして、点灯回路OCを用いてメタルハライドランプHPDLを矩形波の低周波交流で点灯すると、点灯直後から所要の光束を発生する。これにより、自動車用前照灯として必要な電源投入後1秒後に定格に対して光束25%、4秒後に光束80%の点灯を実現することができる。
【0064】
【発明の効果】
請求項1によれば、内容積0.1cc以下の気密容器および電極間距離が5mm以下の一対の電極を備えた放電容器と、ナトリウムNa、スカンジウムSc、インジウムInおよび亜鉛Znのグループのハロゲン化物から選択された少なくとも2種を含み気密容器の内容積に対して2.0〜36.0mg/cm2の金属ハロゲン化物、ならびに希ガスを含み、気密容器内に封入されて水銀を本質的に含まない放電媒体と、外管とを具備し、安定点灯時における管壁負荷が60W/cm2以上であり、かつ、水平点灯時における気密容器の下部中央表面温度が530±30℃であることにより、水銀を本質的に用いないで環境に配慮するとともに、アークが細くなることによる明るさのちらつき発生を抑制した自動車前照灯用として好適なメタルハライドランプを提供することができる。
【0065】
請求項2の発明によれば、自動車用前照灯装置本体と、自動車用前照灯装置本体に配設された請求項1または2記載のメタルハライドランプと、メタルハライドランプの点灯直後4秒までの最高入力電力を安定時のランプ電力の2〜4倍とした点灯回路とを具備していることにより、請求項1の効果を有する自動車用前照灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のメタルハライドランプにおける第1の実施の形態としての自動車前照灯用メタルハライドランプのランプ全体を示す正面図
【図2】同じく放電容器の拡大要部正面図
【図3】図1および図2に示す構成のメタルハライドランプにおいて、金属ハロゲン化物の封入量を種々変化させ、かつ、ランプを水平点灯して気密容器の下部中央表面温度が530±30℃の範囲内にある場合のアークの幅および全光束の変化を示すグラフ
【図4】本発明の自動車用前照灯装置における一実施の形態を示す斜視図
【図5】同じく点灯回路の回路図
【符号の説明】
1a…気密容器、1a1…封止部、1a2…封止管、1b…電極、1c…放電空間、2…封着金属箔、3A…外部リード線、3B…外部リード線、4…縮径部、B…口金、HPDL…メタルハライドランプ、IT…放電容器、OT…外管、T…絶縁チューブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal halide lamp and an automotive headlight device using the same.
[0002]
[Prior art]
A metal halide lamp in which a rare gas, a luminescent metal halide, and mercury are sealed in an arc tube provided with a pair of electrodes facing each other has been widely used because of its relatively high efficiency and high color rendering. The use of metal halide lamps has also become widespread for automotive headlights. Metal halide lamps currently in practical use, including those for automobile headlights, require mercury. In the specification of a metal halide lamp for a headlight of an automobile, it is essential that about 2 to 15 mg of mercury be enclosed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
However, as environmental problems are becoming more serious, it is considered very important in the lighting field to reduce mercury, which has a large environmental load, from lamps and further eliminate them.
[0004]
In order to solve this problem, some proposals have been made not to use mercury even in a metal halide lamp (for example, see
[0005]
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2-7347
[Patent Document 2]
JP-A-11-238488
[Patent Document 3]
JP 2000-164171 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a metal halide lamp that does not contain mercury (hereinafter referred to as “mercury-free lamp” for convenience), the instability of the arc that leads to the extinguishing of the arc and the flickering of the brightness is caused by the metal halide lamp containing mercury (hereinafter referred to as “for convenience”). This is extremely easy to occur as compared to the case of “a lamp containing mercury”.
[0007]
One of the causes of brightness flicker is the problem of the arc diameter. That is, in a mercury-containing lamp, the arc becomes thick because mercury atoms self-absorb radiated light, but in a mercury-free lamp, this effect does not occur, and the arc becomes thin. When the arc becomes thin, flickering of brightness occurs. When the flicker of brightness occurs, the illuminating light flickers and the visibility becomes poor. Further, it becomes difficult to control the lamp power by the lighting circuit. Further, there is a problem that the arc disappears.
[0008]
However,
[0009]
As a result of various studies on this problem, the present inventor has found that the above problem can be alleviated by setting the amount of the metal halide enclosed and the temperature of the hermetic container within a predetermined range.
[0010]
The present invention relates to a metal halide lamp suitable for an automotive headlamp, which is environmentally friendly without using mercury essentially and suppresses the occurrence of flickering in brightness due to a thinner arc, and a vehicle headlamp using the same. An object is to provide an illumination device.
[0011]
[Means for achieving the object]
The metal halide lamp according to the first aspect of the present invention is sealed in a fire-resistant and translucent airtight container having a discharge space with an inner volume of 0.1 cc or less formed therein and opposite ends of the discharge space in the airtight container. Discharge vessel provided with a pair of electrodes having a distance between the electrodes of 5 mm or less; contents of an airtight container containing a luminescent metal mainly composed of sodium Na and scandium Sc and a halide of a metal for forming a lamp voltage mainly composed of zinc Zn 2.0 to 36.0 mg / cm based on the product 2 A discharge medium containing a metal halide, and a rare gas, sealed in an airtight container and containing essentially no mercury; and an outer tube containing at least a main part of the discharge container inside, and stable lighting. Tube wall load is 60 W / cm 2 In addition, the temperature of the lower central surface of the airtight container at the time of horizontal lighting is 530 ± 30 ° C.
[0012]
In the present invention and each of the following inventions, definitions and technical meanings of terms are as follows unless otherwise specified.
[0013]
<About Discharge Vessel> The discharge vessel includes an airtight vessel and a pair of electrodes.
[0014]
(About the airtight container) The airtight container is fire-resistant and translucent. "Fire resistance" means sufficiently resistant to the normal operating temperature of the discharge lamp. Therefore, the airtight container may be made of any material as long as it is a material having fire resistance and can emit visible light of a desired wavelength range generated by electric discharge to the outside. For example, it can be formed using quartz glass, translucent alumina, ceramics such as YAG, or a single crystal thereof. If necessary, it is permissible to form a halogen-resistant or halide-resistant transparent coating on the inner surface of the hermetic container or to modify the inner surface of the hermetic container.
[0015]
In the hermetic container, a discharge space having an appropriate shape, for example, an elongated discharge space, is formed. The elongated discharge space may be, for example, a cylindrical discharge space. This causes the arc to bend upward during horizontal lighting, so that the arc approaches the inner surface on the upper side of the discharge vessel, so that the temperature of the upper portion of the discharge vessel rises faster.
[0016]
Further, the thickness of the portion surrounding the discharge space can be made relatively large. That is, the thickness at the substantially central portion of the distance between the electrodes can be made larger than the thickness at both sides. As a result, the heat transfer of the discharge vessel becomes good, and the temperature rise of the discharge medium attached to the lower part and the inner surface of the side of the discharge space of the discharge vessel becomes faster, so that the light flux rises faster.
[0017]
(Regarding a pair of electrodes) The pair of electrodes is sealed inside the both ends of the airtight container so as to be spaced apart from each other, and the distance between the electrodes is set to 5 mm or less.
[0018]
Note that the electrodes may be configured to operate with either AC or DC. When operating with alternating current, the pair of electrodes have the same structure. In the case of a metal halide lamp for a vehicle headlight, it is convenient to make the vicinity of the tip of the electrode larger than the shaft. In other words, the number of times the lamp blinks becomes extremely large, and a large current flows at the time of starting. Therefore, if the diameter of the entire electrode is correspondingly increased, the material of the hermetic container in contact with the electrode shaft is increased. Is subject to thermal stress each time it flashes, and cracks easily occur. Thus, by forming a large-diameter portion near the tip of the electrode, the electrode can be made to respond to flickering, but the shaft portion is not large in diameter, so that cracks are less likely to occur. In the case of operating with a direct current, the temperature of the anode generally rises sharply. Therefore, if a large diameter portion is formed in the vicinity of the front end portion, the heat radiation area can be increased and frequent blinking can be dealt with. On the other hand, the cathode does not necessarily need to form a large diameter portion.
[0019]
<Regarding Discharge Medium> In the present invention, the discharge medium contains a metal halide and a rare gas as described above, and does not substantially contain mercury.
[0020]
(Regarding the halide) The halide contains a luminescent metal mainly composed of sodium Na and scandium Sc and a halide of a metal for forming a lamp voltage mainly composed of zinc Zn, and is 2.0 to 36 with respect to the inner volume of the hermetic container. 0.0mg / cm 2 Is a metal halide. The above-mentioned sodium Na and scandium Sc are highly efficient luminescent substances. In addition, if necessary, addition and encapsulation of a halide of indium In or a rare earth metal is allowed. Indium In contributes to both the luminescent material and the lamp voltage formation.
[0021]
Since zinc Zn has a high vapor pressure, it is suitable as a metal for forming a lamp voltage and can also contribute to chromaticity adjustment. The metal for forming the lamp voltage is selected from the group consisting of Mg, Co, Cr, Mn, Sb, Re, Ga, Sn, Fe, Al, Ti, Zr and Hf, if desired, in addition to zinc Zn or indium In. One or more halides can be added. By selectively encapsulating these metal halides in appropriate amounts, the lamp voltage can be increased to a required range. This makes it possible to supply required lamp power with a relatively small lamp current.
[0022]
In the present invention, the amount of the metal halide to be charged needs to be within a predetermined range as described above. 2.0 mg / cm of metal halide 2 If it is less than 1, the thickness of the arc is not a problem, but the light emission amount is too low, and the total luminous flux is too short. In addition, 36.0 mg / cm 2 When it exceeds, the arc becomes too thin, and the flicker of brightness is remarkably generated, and the amount of metal halide adhering to the inner surface of the hermetic container in the liquid phase is excessively increased, so that the total luminous flux is insufficient. Therefore, in order to reduce the flicker of brightness by maintaining the arc at a required thickness, the amount of the metal halide to be enclosed is set to 2.0 to 36.0 mg / cm with respect to the inner volume of the airtight container. 2 Must be within the range.
[0023]
Next, the halogen constituting the halide will be described. That is, with respect to reactivity, iodine is most suitable among halogens, and at least the main luminescent metal is mainly encapsulated as iodide. However, if necessary, different halogen compounds such as iodide and bromide can be used in combination.
[0024]
(Rare gas) The noble gas acts as a starting gas and a buffer gas. As the rare gas, xenon, argon, krypton, or the like can be used. In addition, when xenon is filled as a rare gas at 3 atm or more, in addition to the above, it is possible to act so as to take charge of main light emission immediately after starting. The sealing pressure of xenon is 3 atm or more, preferably 5 to 15 atm. This increases the lamp voltage of the metal halide lamp, increases the lamp input for the same lamp current, and improves the luminous flux startup characteristics. Can be. Good luminous flux rising characteristics are advantageous for any purpose of use, but they are extremely important especially in automotive headlamp devices and liquid crystal projectors.
[0025]
(Regarding Mercury) In the present invention, “essentially contains no mercury” means that not only no mercury is sealed but also less than 2 mg, preferably 1 mg or less of mercury per 1 cc of the inner volume of the airtight container. Means to allow However, it is environmentally desirable not to encapsulate any mercury. In the case where the electric characteristics of the discharge lamp are maintained by mercury vapor as in the past, in the case of the short arc type, 20 to 40 mg per 1 cc of the inner volume of the airtight container, and in some cases more than 50 mg are enclosed, In the present invention, it can be said that the amount of mercury is substantially very small.
[0026]
<Regarding Outer Tube> The outer tube is made of quartz glass, high silicate glass, or the like, and is a means for housing at least a main part of the discharge vessel therein. Then, the ultraviolet rays radiated from the outer tube and the arc tube to the outside are shielded, mechanically protected, and by touching the airtight container of the arc tube by hand, human fingerprints and fats are attached and cause devitrification. Or keep the airtight container warm. Further, the inside of the outer tube may be hermetically sealed with respect to the outside air depending on the purpose, or may be filled with air or an inert gas which has been reduced to the same degree or reduced pressure as the outside air. Further, if necessary, it may communicate with the outside air. Further, a light-shielding film may be provided on the outer surface or the inner surface of the outer tube.
[0027]
Further, when forming the outer tube, both ends of the outer tube can be glass-welded to sealing portions extending in the tube axis direction from both ends of the airtight container.
[0028]
<Regarding tube wall load> In the present invention, the tube wall load is 60 W / cm when the metal halide lamp is stably turned on. 2 Must be at least. In the present invention, "tube wall load" refers to the unit internal surface area (1 cm 2 ) Per lamp power. In order to increase the vapor pressure of the discharge medium and increase the total luminous flux, the tube wall load must satisfy the above conditions.
[0029]
<About the lower central surface temperature of the airtight container> The lower central surface temperature of the airtight container needs to be maintained within the range of 530 ± 30 ° C. The “lower central surface temperature” refers to the surface temperature of the central portion between the electrodes in the tube axis direction on the outer surface of the airtight container. Further, the above-mentioned temperature is defined when the metal halide lamp is lit horizontally. If the lower central surface temperature of the hermetic container is lower than 530 ± 30 ° C., the vapor pressure of the discharge medium becomes too low, the luminous efficiency decreases, and the total luminous flux decreases. Conversely, if the lower central surface temperature exceeds 530 ± 30 ° C., the vapor pressure becomes too high, the arc becomes thinner, and the brightness flickers. Therefore, the lower central surface temperature of the hermetic container must be within the range of 530 ± 30 ° C.
[0030]
Further, in order to maintain the lower central surface temperature of the hermetic container in the above range, it is necessary to arrange an outer tube and house at least a portion forming a discharge space which is a main portion of the hermetic container therein. There is.
[0031]
<Other Configurations of the Present Invention> By selectively adding the configurations described below, the performance of the high-pressure discharge lamp is improved or the functions thereof are increased.
[0032]
1. About the base The base serves to connect the high-pressure discharge lamp to the lighting circuit and additionally to mechanically support it.
[0033]
2. About the igniter The igniter is a means to generate a pulsed high voltage and apply it to the high-pressure discharge lamp to promote its start.The igniter should be integrated with the high-pressure discharge lamp by being housed inside a base. Can be.
[0034]
3. Regarding the starting auxiliary conductor The starting auxiliary conductor is a means for increasing the electric field strength near the electrodes to support the starting of the high-pressure discharge lamp. One end is connected to the same potential as the other electrode, and the other end is connected to one end. It is arranged on the outer surface of the airtight container near the electrode.
[0035]
<Regarding the operation of the present invention> In the present invention, as is apparent from the above description, since the mercury is not essentially contained, the arc becomes thinner, the brightness flickers, and the arc disappears. By setting the amount of metal halide enclosed, tube wall load, and lower central surface temperature of the hermetic container within the above ranges, the arc becomes thick and the flicker of brightness is effectively suppressed. As a result, the above problem is eliminated, and the required total luminous flux can be ensured.
[0036]
An automobile headlamp apparatus according to the second aspect of the present invention includes: an automobile headlamp apparatus main body; wherein the axis of the discharge vessel is provided in the automobile headlamp apparatus main body along the optical axis of the automobile headlamp apparatus main body. 2. The metal halide lamp according to
[0037]
Since the vehicle headlight device of the present invention includes the metal halide lamp of
[0038]
The lighting circuit uses a maximum input power of up to 4 seconds immediately after the lighting of the metal halide lamp to be 2 to 4 times, preferably 2.5 to 4 times the lamp power at the time of stability, so that the rising of the luminous flux is for a vehicle headlight. As fast as possible to get within the required range. In addition, when the filling pressure of xenon as a rare gas is X (atmospheric pressure) in the range of 3 to 15 atm and the maximum input power up to 4 seconds immediately after the lighting of the metal halide lamp is AA (W), AA is expressed by the following equation. With this configuration, it is possible to accelerate the rise of the luminous flux up to 4 seconds immediately after lighting, and obtain a luminous intensity of 8000 cd at a representative point on the front of the headlight required for a vehicle headlight.
[0039]
AA> -2.5X + 102.5
Since only the discharge medium having a low vapor pressure has a linear relationship between the xenon filling pressure and the maximum input power as described above, the xenon emission becomes overwhelming at 4 seconds after the start. Because there is. Since the amount of xenon light emission is determined by the xenon sealing pressure and the power at that time, the input power may be increased if the xenon pressure is low. Conversely, if the xenon pressure is high, the input power may be reduced. In the present invention, lighting of the metal halide lamp may be either AC lighting or DC lighting.
Further, the lighting circuit can be configured to have a no-load output voltage of 200 V or less as required. The metal halide lamp used in the present invention generally has a lower lamp voltage than a mercury-filled metal halide lamp, so that the no-load output voltage of the lighting circuit can be 200 V or less. Thus, the lighting circuit can be downsized. Incidentally, a mercury-filled metal halide lamp requires a no-load output voltage of about 400V.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0041]
1 and 2 show a metal halide lamp for a vehicle headlight as a first embodiment of the metal halide lamp of the present invention. FIG. 1 is a front view of the entire lamp, and FIG. 2 is a front view of an enlarged main part of a discharge vessel. FIG. In each figure, IT is a discharge vessel or arc tube, 2 is a sealing metal foil, 3A and 3B are a pair of external lead wires, OT is an outer tube, T is an insulating tube, and B is a base.
[0042]
The discharge vessel IT includes an airtight vessel 1a and a pair of
[0043]
The sealing
[0044]
The pair of
[0045]
In the airtight container 1a, a metal halide and a rare gas are sealed as a discharge medium. The metal halide includes a luminescent metal mainly composed of sodium Na and scandium Sc, and a halide of a metal for forming a lamp voltage mainly composed of zinc Zn. The rare gas is sealed at an appropriate pressure.
[0046]
The outer tube OT has a function of cutting off ultraviolet rays, accommodates the discharge vessel IT therein, and the reduced
[0047]
The insulating tube T covers the
[0048]
The base B is standardized for a vehicle headlight, and supports the discharge vessel IT and the outer tube OT along the central axis, and is detachably attached to the back of the vehicle headlight. It is configured to be mounted.
【Example】
Next, examples in which the present invention is not applied will be described below. The same parts as those of the embodiment of the present invention are omitted.
[0049]
Discharge medium
Metal halide: ScI 3 -NaI-ZnI 2 = 1.0mg
Relative value of arc thickness: 0.98
FIG. 3 shows a metal halide lamp having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 in which the amount of metal halide charged is varied and the lamp is horizontally lit so that the lower central surface temperature of the hermetic container is in the range of 530 ± 30 ° C. 7 is a graph showing changes in the width of the arc and the total luminous flux when it is within the range. In the figure, the horizontal axis represents the amount of metal halide enclosed (mg / cc), the vertical axis represents the relative value of the arc width on the left side, and the relative value of the total luminous flux on the right side. Curve A indicates the width of the arc, and curve B indicates the total luminous flux.
[0050]
As can be understood from the figure, if the amount of the metal halide to be charged is within the range of the present invention, which is within the range of 2 to 36 mg / cc, the arc width exceeds 1, and the total luminous flux is not significantly reduced in lamp efficiency. 90% or more can be secured. If the width of the arc is 1 or less, brightness flickers. The width of the arc was measured by observing the discharge vessel from the side.
[0051]
4 and 5 show an embodiment of the automotive headlight device of the present invention. FIG. 4 is a rear perspective view of the entire device, and FIG. 5 is a circuit diagram of a lighting circuit. In each figure, the vehicle headlight device HL includes a vehicle headlight device
[0052]
The vehicle headlamp apparatus
[0053]
The metal halide lamp HPDL has the structure shown in FIG. The
[0054]
Each of the two lighting circuits OL has a circuit configuration to be described later. The two lighting circuits OL are housed in the
[0055]
As shown in FIG. 5, the lighting circuit OL includes a DC power supply 11, a
[0056]
The DC power supply 11 is a means for supplying DC power to a
[0057]
The
[0058]
The control means 13 controls the
[0059]
The lamp current detecting
[0060]
The lamp
[0061]
The
[0062]
The full-
[0063]
Then, when the metal halide lamp HPDL is lit by the rectangular wave low-frequency alternating current using the lighting circuit OC, a required luminous flux is generated immediately after the lighting. As a result, it is possible to achieve lighting of 25% of the luminous flux with respect to the rating one second after the power is turned on, which is necessary for a vehicle headlamp, and 80% of the luminous flux after 4 seconds.
[0064]
【The invention's effect】
According to
[0065]
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an entire metal halide lamp for a vehicle headlight as a first embodiment of the metal halide lamp of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged front view of a main part of the discharge vessel.
FIG. 3 shows a metal halide lamp having the structure shown in FIGS. 1 and 2 in which the amount of metal halide charged is changed variously, and the lamp is horizontally lit so that the lower central surface temperature of the hermetic container is in the range of 530 ± 30 ° C. Graph showing the change of arc width and total luminous flux when it is inside
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment of the automotive headlight device of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram of a lighting circuit.
[Explanation of symbols]
1a: airtight container, 1a1: sealed portion, 1a2: sealed tube, 1b: electrode, 1c: discharge space, 2: sealed metal foil, 3A: external lead wire, 3B: external lead wire, 4: reduced diameter portion , B: base, HPDL: metal halide lamp, IT: discharge vessel, OT: outer tube, T: insulating tube
Claims (2)
ナトリウムNaおよびスカンジウムScを主体とする発光金属および亜鉛Znを主体とするランプ電圧形成用金属のハロゲン化物を含み気密容器の内容積に対して2.0〜36.0mg/cm2の金属ハロゲン化物、ならびに希ガスを含み、気密容器内に封入されて水銀を本質的に含まない放電媒体と;
放電容器の少なくとも主要部を内部に収納する外管と;
を具備し、安定点灯時における管壁負荷が60W/cm2以上であり、かつ、水平点灯時における気密容器の下部中央表面温度が530±30℃であることを特徴とするメタルハライドランプ。A refractory and translucent airtight container having a discharge space with an inner volume of 0.1 cc or less formed therein, and a pair of electrodes sealed at opposite ends of the discharge space in the airtight container with a distance between electrodes of 5 mm or less. A discharge vessel with electrodes;
2.0-36.0 mg / cm 2 metal halide containing a halide of a luminescent metal mainly composed of sodium Na and scandium Sc and a metal for forming a lamp voltage mainly composed of zinc Zn based on the inner volume of the hermetic container And a discharge medium containing a rare gas and enclosed in an airtight container and essentially free of mercury;
An outer tube containing at least a main part of the discharge vessel therein;
Wherein the tube wall load during stable lighting is 60 W / cm 2 or more, and the lower central surface temperature of the airtight container during horizontal lighting is 530 ± 30 ° C.
放電容器の軸が自動車用前照灯装置本体の光軸に沿って自動車用前照灯装置本体内に配設された請求項1記載のメタルハライドランプと;
メタルハライドランプの点灯直後4秒までの最高入力電力を安定時のランプ電力の2〜4倍とした点灯回路と;
を具備していることを特徴とする自動車用前照灯装置。A headlight unit for an automobile;
2. The metal halide lamp according to claim 1, wherein the axis of the discharge vessel is disposed in the vehicle headlamp main body along the optical axis of the vehicle headlamp main body;
A lighting circuit in which the maximum input power up to 4 seconds immediately after the lighting of the metal halide lamp is 2 to 4 times the lamp power in a stable state;
An automotive headlight device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002373219A JP2004206980A (en) | 2002-12-24 | 2002-12-24 | Metal halide lamp, and headlight device for automobile |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017016966A (en) * | 2015-07-06 | 2017-01-19 | 岩崎電気株式会社 | Microwave electrodeless lamp and light irradiation device employing the same |
-
2002
- 2002-12-24 JP JP2002373219A patent/JP2004206980A/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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