JP2008098045A - 自動車用メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 軸リークや電極の消耗を抑制しつつ、光束立ち上がりが早い自動車用メタルハライドランプを提供する。
【解決手段】
本発明の自動車用メタルハライドランプは、内部に放電空間１４が形成された放電部１１、放電部１１の両端に形成された封止部１２ａ、１２ｂとを有する気密容器１と、放電空間１４に封入された、金属ハロゲン化物２および希ガスを含み、水銀は本質的に含まない放電媒体と、基端側は封止部１２ａ、１２ｂ内に封着され、先端側は放電空間１４内において対向配置された一対の電極３ａ２、３ｂ２とを具備し、金属ハロゲン化物２は少なくともハロゲン化インジウムを含み、ハロゲン化インジウムは含有モル数が２．０×１０^−７以上、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２の直径Ｒは０．３２ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であり、始動時、安定時電力に対して２倍以上の電力が供給され、点灯される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の前照灯に使用される本質的に水銀を含まない自動車用メタルハライドランプに関するものである。

水銀を含まないメタルハライドランプ（以下、水銀フリーランプ）は、例えば、特開２００１−６６１０号公報（特許文献１）などにより公知である。水銀フリーランプは、金属ハロゲン化物と希ガスとを組み合わせることにより、水銀入りのメタルハライドランプ（以下、水銀入りランプ）と同等、またはそれ以上の特性が得られるようになっている。なお、特許文献１では、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化スカンジウム、ハロゲン化インジウムおよびキセノンにより、ランプが構成されている。

特開２００１−６６１０号公報

メタルハライドランプを自動車の前照灯に使用する場合、安全性に留意して点灯直後、速やかにランプの明るさが得られること、いわゆるランプの光束立ち上がりが早いことが要求されている。しかし、水銀フリーランプは、水銀を封入していないために、始動開始から速やかに発光を得ることが困難である。そこで、特許文献１に光束の立ち上がり時間を短縮することができると記載されているハロゲン化インジウムに着目し、試験を行ったところ、ハロゲン化インジウムの封入量を調節することにより、確かに光束立ち上がりが早い傾向のある水銀フリーランプを作成できることがわかった。

しかしながら、このような光束立ち上がりを早めた水銀フリーランプにおいて、封止部に封着された電極部分でクラックが生じてリークに至る、いわゆる軸リークが発生したり、電極が著しく消耗したりする現象が見られた。

この問題について発明者が検討した結果、水銀フリーランプにおいて光束立ち上がりを早めようとした場合、好適に設計された電極と組合さなければならないことを発見した。そこで、電極に着目してさらに試験を行なった結果、軸リークや電極の消耗を抑制しつつ、光束立ち上がりを早めることができる条件を見出したため、本発明を提案するに至った。

本発明は、上記のような課題に鑑みたもので、その目的は軸リークや電極の消耗を抑制しつつ、光束立ち上がりが早い自動車用メタルハライドランプを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の自動車用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、前記放電部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、前記放電空間に封入された、金属ハロゲン化物および希ガスを含み、水銀は本質的に含まない放電媒体と、基端側は前記封止部内に封着され、先端側は前記放電空間内において対向配置された一対の電極とを具備し、前記金属ハロゲン化物は少なくともハロゲン化インジウムを含み、前記ハロゲン化インジウムは含有モル数が２．０×１０^−７以上、前記封止部に封着された前記電極の直径Ｒは０．３２ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であり、始動時、安定時電力に対して２倍以上の電力が供給されることを特徴とする。

本発明によれば、軸リークや電極の消耗を抑制しつつ、光束立ち上がりが早い自動車用メタルハライドランプを提供することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の実施の形態の自動車用メタルハライドランプについて図面を参照して説明する。図１は、本発明の自動車用メタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図である。

自動車用メタルハライドランプは、放電容器として気密容器１を有している。気密容器１は例えば、石英ガラスで構成することができるが、耐熱性と透光性に優れた材料であれば適用できる。気密容器１はランプ軸方向に細長い形状であって、その略中央部には略楕円形の放電部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、自動車の前照灯用として用途を指定する場合、０．０１ｃｃ〜０．０４ｃｃ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およ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、ハロゲン化スカンジウム、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化インジウムで構成されている。具体的には、ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ）である。なお、ハロゲン化亜鉛やハロゲン化スズを付加することができる。また、これらの金属に結合されるハロゲンとしては、ヨウ素、臭素、塩素のハロゲンを一種または複数組み合わせて使用することもできる。

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が封入されている。なお、希ガスの圧力は、光束立ち上がりに少なからず影響を与えるため、常温（２５℃）において８〜１８ａｔｍであるのが望ましい。なお、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを使用したり、それらを組み合わせて使用したりしてもよい。

ここで、放電空間１４には、本質的に水銀は含まれていない。この「本質的に水銀不含」とは、水銀を全く含まないか、または従来の水銀入りの放電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ものとする。

封止部１２ａ、１２ｂの内部には、マウント３ａ、３ｂが封止されている。
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、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、直棒状で、タングステンを主体とする材料、例えばタングステンに酸化トリウムをドープした材料からなる。その先端は放電空間１４内で所定の電極間距離を保った状態で、対向配置されている。ここで、上記「所定の電極間距離」は、ショートアーク形ランプでは５ｍｍ以下、自動車の前照灯に使用する場合はさらに４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。

一方、基端側は金属箔３ａ１、３ｂ１の放電部１１側の端部に溶接によって接続されている。すなわち、金属箔３ａ１、３ｂ１との接合部分から放電空間１４までの電極部分は、封止部１２ａ、１２ｂの石英ガラスに封着されている。

コイル３ａ３、３ｂ３は、例えば、ドープタングステンからなり、金属箔３ａ１、３ｂ１の端部から放電空間１４方向に向けて電極３ａ２、３ｂ２に螺旋状に巻装されている。

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、溶接等により接続されている。そして、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、外部に延出した前端側のリード線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、その他端は、後述するソケット６の方向に延出している。そして、管軸と平行するサポートワイヤ３ｃの部分には、セラミックからなる絶縁スリーブ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を添加することにより、紫外線を遮断する作用を有する筒状の外管５が、管軸に沿って気密容器１と略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。そして、気密容器１と外管５とにより形成された空間には、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または混合して封入したりすることができる。

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。それらの接続は、非封止部１３ａ付近の外管５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、接続をさらに強化するために、金属バンド７１および舌片７２の接触点を溶接している。なお、ソケット６の底部には底部端子８ａが形成されており、リード線３ａ４と接続されている。また、ソケット６の側部には底部端子８ｂが形成されており、サポートワイヤ３ｃと接続されている。

これらで構成された自動車用メタルハライドランプは、管軸が略水平の状態で配置され、底部端子８ａ、側部端子８ｂに点灯回路（図示なし）が電気的に接続され、始動時、安定時電力に対して２倍以上の電力が供給され、点灯される。例えば、図２に示したように、始動時が約７５Ｗ、安定時が約３５Ｗの電力で点灯される。なお、始動時とはランプへの電力投入直後、安定時とは始動時から十分に時間が経過し、ランプ電力が変動しなくなったとき、例えば始動後１分経過後を示す。

図３に基づき、本発明の自動車用メタルハライドランプの一仕様を説明する。

放電容器１：石英ガラス製、放電空間１４の容積＝０．０２８ｃｃ、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‐ＩｎＢｒ＝１：０．３６４：０．５０６、総封入量＝０．３５ｍｇ
希ガス：キセノン＝１０ａｔｍ、
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Ｒ＝０．３５ｍｍ、電極間距離Ｄ＝４．４ｍｍ、
コイル３ａ３、３ｂ３：ドープタングステン製、コイルピッチ＝２５０％
外部リード線３ａ４、３ｂ４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
点灯条件：点灯直後７５Ｗ（２．８Ａ）、安定時３５Ｗ（０．７Ａ）
上記仕様においては、全光束は２６００ｌｍ、４秒後の光束立ち上がり率は８０％、色温度は５５００Ｋというランプ特性を実現している。なお、以下に示す様々な試験は、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。

図４は、ハロゲン化インジウム含有モル数を変化させたときの４秒後の光束立ち上がり率を示す図である。

結果からわかるように、ハロゲン化インジウム含有モル数により、光束立ち上がり時間が変化しており、ハロゲン化インジウム含有モル数が多いほど４秒後の光束立ち上がり率が高くなっている。なお、ハロゲン化インジウム含有モル数が２．０×１０^−７以上であれば、光束立ち上がりの早いランプを実現可能であることがわかる。

ここで、封止部１２ａ、１２ｂに封着されている電極３ａ２、３ｂ２の直径Ｒを変化させても、図３とほぼ同様の結果が得られた。しかし、直径Ｒによっては、寿命中にランプの不灯が多発しやすいことが確認された。このようなランプの不灯は、インジウムの封入量が少ないランプにおいてはほとんど発生しないことから、インジウムを多量に封入した場合に特に多く見られる課題であると考えられる。

図５は、電極径Ｒを変化させたときのランプ残存率を示す図である。ランプ残存率とは、試験したランプ本数（ｎ＝６本）に対し、点灯し続けたランプ本数の割合である。なお、点灯条件は、自動車前照灯ＨＩＤ光源の規格であるＪＥＬに定められた定格寿命試験モード（ＥＵモード）の点滅サイクルである。

結果からわかるように、電極径Ｒが０．３２〜０．３８ｍｍでは点灯１０００時間の間に不灯に至ったランプはないが、Ｒ＝０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍでは、点灯時間を経るにつれて徐々にランプ残存率が低くなっている。

不灯の原因は、Ｒ＝０．３０ｍｍでは主に軸リーク、Ｒ＝０．４０ｍｍでは軸リークおよび立ち消えによるものである。軸リークについては、点灯中の電極温度が関係していると考えられるが、詳細は不明である。一方、Ｒ＝０．４０ｍｍで発生した立ち消えは、電極の消耗に原因があり、電極の消耗は、電極先端に形成されるアークの起点（以下、アークスポット）が関係している。

減光フィルタを介してアークの状態を観察することにより、図５の試験に用いた各ランプのアークスポットの形成時間を測定すると、直径Ｒが０．３０〜０．３８ｍｍではアークスポットの形成時間が１０秒程度であったが、直径Ｒが０．４０ｍｍでは約４０秒であった。自動車用メタルハライドランプでは、電極にアークスポットが形成されると放電が安定し、電極の温度が低下する。一方、電極にアークスポットが形成されるまでは、拡散モードと呼ばれ、電極は高温状態が維持される。すなわち、アークスポットが形成される時間が遅ければ、その分、電極に大きな負担がかかり、特に電極先端が激しく消耗する。電極先端が消耗すると、ランプ電圧が上昇したり、ちらつきが発生したりするため、Ｒ＝０．４０ｍｍでは立ち消えが発生したと考えられる。なお、アークスポットの形成時間と光束立ち上がりとはほぼ無関係であり、アークスポットの形成時間が遅いからといって、光束立ち上がりが遅いわけではない。

以上のようなことから、光束立ち上がりの早いランプにおいて不灯に至りにくい自動車用メタルハライドランプを実現するには、電極の直径Ｒが０．３２ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下でなければならない。

なお、軸リークを抑制するためには、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２にコイル３ａ３、３ｂ３を巻装することが有効である。電極３ａ２、３ｂ２にコイル３ａ３、３ｂ３を巻装すると、軸リークの発生率を減少させることが可能となるためである。その際、光束立ち上がり時間は実質変化しない。なお、コイル３ａ３、３ｂ３の設計は、コイルピッチは１００〜６００％、コイルの直径は３０〜９０μｍ、巻装長は箔端から放電空間１４方向に２．０ｍｍ〜４．０ｍｍであると効果的である。

ここで、本実施の形態のメタルハライドランプについて、さらに実用的な特性を要求する場合、金属ハロゲン化物の総封入量を好適な量にすべきである。

図６は、金属ハロゲン化物の総封入量を変化させたときのランプ電圧の変化を示す図である。

図からわかるように、金属ハロゲン化物の封入量が多いほど、初期のランプ電圧が高くなっている。また、点灯時間が経過するとランプ電圧が上昇する傾向がある。ランプ電圧が高くなると、ランプ電流値が低くなるため、ある時点からランプがちらついてしまうほか、最悪の場合、立ち消え現象が発生し、ランプが消えてしまうことがある。実際、金属ハロゲン化物の封入量が０．５ｍｇ、０．５５ｍｇの場合にはちらつきが発生しており、さらに０．５ｍｇでは６本中１本に立ち消え、０．５５ｍｇでは６本中３本に立ち消えの現象が見られた。一方、金属ハロゲン化物の封入量が０．４０ｍｇではそれらの現象は確認されなかった。したがって、金属ハロゲン化物の封入量は０．４０ｍｇ以下（ただし、寿命中の光束維持率の低下を考えると、０．１０ｍｇ以上の範囲）であることが望ましい。

したがって、本実施の形態では、ハロゲン化インジウムは含有モル数が２．０×１０^−７以上、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２の直径Ｒは０．３２ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であり、始動時は略７５Ｗ、安定時は略３５Ｗで点灯することにより、軸リークおよび電極の消耗を抑制しつつ、光束立ち上がりが早めることができる。

また、封止部１２ａ、１２ｂに封着された電極３ａ２、３ｂ２に、コイル３ａ３、３ｂ３を巻装することにより、軸リークの発生をさらに抑制することができる。

さらに、金属ハロゲン化物２は、総封入量が０．４ｍｇ以下であることにより、寿命中のランプ電圧を低く抑えることができ、ちらつきや立ち消えの発生を抑制することができる。

本発明の自動車用メタルハライドランプの第１の実施の形態について説明するための全体図。 ランプ電力の入力例について説明するための図。 自動車用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。 ハロゲン化インジウム含有モル数を変化させたときの４秒後の光束立ち上がり率について説明するための図。 電極径の違いによるランプ残存率について説明するための図。 金属ハロゲン化物の総封入量を変化させたときのランプ電圧の変化について説明するための図。

符号の説明

１ 気密容器
１１ 放電部
１２ａ、１２ｂ 封止部
１３ａ、１３ｂ 非封止部
１４ 放電空間
２ 金属ハロゲン化物
２ａ、２ｂ マウント
３ａ１、３ｂ１ 金属箔
３ａ２、３ｂ２ 電極
３ａ３、３ｂ３ コイル
３ａ４、３ｂ４ 外部リード線
３ｃ サポートワイヤ
４ 絶縁チューブ
５ 外管
６ ソケット
７１ 金属バンド
７２ 舌片
８ａ 底部端子
８ｂ 側部端子

Claims (3)

1. 内部に放電空間が形成された放電部、前記放電部の両端に形成された封止部とを有する気密容器と、前記放電空間に封入された、金属ハロゲン化物および希ガスを含み、水銀は本質的に含まない放電媒体と、基端側は前記封止部内に封着され、先端側は前記放電空間内において対向配置された一対の電極とを具備し、
   前記金属ハロゲン化物は少なくともハロゲン化インジウムを含み、前記ハロゲン化インジウムは含有モル数が２．０×１０^−７以上、前記封止部に封着された前記電極の直径Ｒは０．３２ｍｍ以上、０．３８ｍｍ以下であり、
   始動時、安定時電力に対して２倍以上の電力が供給されることを特徴とする自動車用メタルハライドランプ。
2. 前記封止部に封着された前記電極には、コイルが巻装されていることを特徴とする請求項１に記載の自動車用メタルハライドランプ。
3. 前記金属ハロゲン化物は、総封入量が０．４ｍｇ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動車用メタルハライドランプ。

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