JP2008262855A - 自動車前照灯用メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 白濁を抑制し、良好な寿命特性を保つことができる自動車前照灯用メタルハライドランプを提供する。
【解決手段】
本発明の自動車前照灯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一対の封止部１２ａ、１２ｂを有する気密容器１と、放電空間１４に封入されたキセノンおよび金属ハロゲン化物２と、封止部１２ａ、１２ｂに一端が封着され、他端は放電空間１４に対向配置された、直径Ｒ（ｍｍ）が０．３２≦Ｒ≦０．４０である直棒状の一対の電極３ａ２、３ｂ２とを具備し、管軸が水平配置された状態で、始動時に安定時よりも略２倍以上の電力が供給点灯されるものであって、キセノンの封入圧が１３ａｔｍ以上であるとともに、水銀は本質的に含んでおらず、始動直後の最大電流値をＩ_ＳＭＡＸ（Ａ）としたとき、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）が７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４の関係を満たしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、略水平の状態で点灯される自動車前照灯用メタルハライドランプに関するものである。

略水平の状態で点灯される自動車前照灯に用いられるメタルハライドランプは、特開２００１−６６１０号公報（以下、特許文献１）や特開２００３−１７３７６３号公報（以下、特許文献２）などにより知られている。このメタルハライドランプは、放電媒体としてキセノンと金属ハロゲン化物が封入され、水銀は封入されていない、いわゆる水銀フリーランプである。この水銀フリーランプは、従来の水銀入りのランプよりも明るさが得られにくい傾向があるため、全光束をアップさせるために放電空間内に高圧キセノンを封入しようとする試みがされている。

特開２００１−６６１０号公報特 特開２００３−１７３７６３号公報

しかしながら、キセノンを高圧封入した水銀フリーランプにおいて、寿命中の光束が急激に低下するという問題が生じている。この問題は、キセノンの封入圧が１３ａｔｍ以上になると、特に深刻になることがわかった。

この問題について、発明者によって様々な検討が行われた結果、始動直後の高電力投入時に白濁が発生することが原因であることがわかった。すなわち、自動車前照灯に用いられるメタルハライドランプでは、点灯開始後、速やかに光束が立ち上がることを要求されているため、始動直後に安定時よりも高電力が投入されるが、この高電力供給時にこの問題が発生することをつきとめた。そこで、さらなる検討の結果、始動直後に電極に流れる電流値を規制することで、キセノンを高圧封入しても白濁を抑制でき、寿命特性を良好に保つことができることを見出したため、本発明を提案するに至った。

本発明の目的は、白濁を抑制し、良好な寿命特性を保つことができる自動車前照灯用メタルハライドランプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の自動車前照灯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キセノンおよび金属ハロゲン化物を含む放電媒体と、前記封止部に一端が封着され、他端は前記放電空間に対向配置された一対の電極とを具備し、管軸が略水平に配置された状態で、始動時に安定時よりも略２倍以上の電力が供給点灯される自動車前照灯用メタルハライドランプにおいて、前記放電媒体中のキセノンの封入圧は１３ａｔｍ以上であるとともに、水銀は本質的に含んでおらず、始動直後の最大電流値をＩ_ＳＭＡＸ（Ａ）、前記電極の直径をＲ（ｍｍ）としたとき、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）が７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４の関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、白濁を抑制でき、良好な寿命特性を保つことができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の自動車前照灯用メタルハライドランプの一実施形態である自動車前照灯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、本発明の自動車前照灯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図である。

自動車前照灯に用いられるメタルハライドランプは、主要部として気密容器１を有する。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。なお、気密容器１としては、耐熱性と透光性を具備した材料、たとえば石英ガラスによって形成することができる。

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の容積は自動車前照灯用としては、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、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）で構成されている。なお、ヨウ化スカンジウム以外の金属ハロゲン化物に結合されているハロゲンについては、上記に限定されるものではなく、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い。

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。キセノンの封入圧力は、高くするほど明るさが増すため、１３ａｔｍ以上封入している。上限は特にないが、現状においては２０ａｔｍ程度が封入限界と考えられる。なお、キセノンの圧力は、水中で放電部１１と封止部１２ａ（又は封止部１２ｂ）の境界を破壊して放電空間１４内部のキセノンを収集、測量し、その後に放電部１１の内容積を測定することにより、算出することができる。

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。
このマウント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を一体的に構成してなる。

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、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る。その基端側は金属箔３ａ１、３ｂ１の放電部１１側の端部にレーザー溶接によって接続されている。一方、先端側は放電空間１４内で所定の電極間距離を保って、互いの先端同士が対向するように配置されている。ここで、所定の電極間距離としては、見た目上、すなわち実際の距離ではなく、ランプの外観上における距離で４．２ｍｍ程度であるのが望ましい。また、電極３ａ２、３ｂ２の直径Ｒは、０．３２ｍｍ〜０．４０ｍｍが好適である。なお、電極３ａ２、３ｂ２は、本実施の形態のような直棒状であるのが望まれる。

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、金属箔３ａ１、３ｂ１と接続された電極３ａ２、３ｂ２の軸部分にはコイル３ａ３、３ｂ３は巻装しておらず、箔端から放電空間１４方向に巻装している。

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、非封止部１３ａ、１３ｂの略中央に位置しながらさらに外部方向に延びている。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の方向に延出している。そして、管軸と平行しているサポートワイヤ３ｃには、セラミッ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を添加することにより、紫外線を遮断性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。すなわち、気密容器１と外管５の両端には、溶着部５１ａ、５１ｂが形成されている。なお、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封入したりすることができる。

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に点灯回路を接続し、電力を投入することにより、電極間においてアーク９が形成され、点灯状態となる。その際、自動車前照灯に用いられるメタルハライドランプでは、その使用上、ランプの管軸が略水平になるように配置される。「管軸が略水平」とは、点灯中に形成されるアーク９が浮力や対流の影響によって上方向に湾曲する程度に水平配置されている状態を意味する。なお、ランプの点灯電力は始動後の光束立ち上がりを早めるべく、図２に示したように安定時が約３５Ｗであるのに対し、始動時はその２倍以上である約７５Ｗに設定している。

ここで、本発明のメタルハライドランプは、その課題を解決するために、始動直後の最大電流値をＩ_ＳＭＡＸ（Ａ）、電極３ａ２、３ｂ２の直径をＲ（ｍｍ）としたとき、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）が７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４の関係を満たすように点灯される。この「始動直後」とは、電極間で放電が開始されたときから、その４秒後までを意味する。自動車用のメタルハライドランプでは、上述したように始動４秒間は高電力・高電流が投入され、放電部１１に最も負荷がかかるためである。このＩ_ＳＭＡＸは、図２では始動後約０．５秒時であるが、４秒光束をさらに高めるために始動４秒後の直前に一時的に高い電力を投入したような場合には、Ｉ_ＳＭＡＸは始動後４秒弱に現れる。つまり、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒは、用いる電極の直径のみならず、投入電力または電力制御などによっても変化させることが可能である。なお、図２のような時間的な電力・電流の変化は、オシロスコープにより得ることができ、Ｉ_ＳＭＡＸの値は同図から求めることができる。

図３は、図１の自動車前照灯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＝２６．９ｍｍ^３、内径Ａ＝２．４９ｍｍ、外径Ｂ＝６．１９ｍｍ、長手方向の球体長Ｃ＝７．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物２：ＳｃＩ_３＝０．１３６ｍｇ、ＮａＩ＝０．２１８ｍｇ、ＺｎＩ_２＝０．０４５ｍｇ、ＩｎＢｒ＝０．００１ｍｇ、
希ガス：キセノン＝１３．５ａｔｍ、
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＝０．３８ｍｍ、電極間距離Ｄ＝４．３４ｍｍ（実際の電極間距離＝３．７４ｍｍ）、
コイル３ａ３、３ｂ３：ドープタングステン製、
外部リード線３ａ４、３ｂ４：モリブデン製、直径＝０．４ｍｍ、
始動直後の最大投入電力＝７４Ｗ、始動直後の最大電流値Ｉ_ＳＭＡＸ＝２．９Ａ、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ＝７．６３（Ａ／ｍｍ）、安定時電力＝３４．５Ｗ。

図４は、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒを変化させたときの１０００時間点灯後の照度維持率および４秒光束について説明するための図、図５は、図４をグラフ化した図である。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。なお、照度維持率とは、放電部１１上部から放出される光束の時間的変化を示すものであり、ＪＩＳ Ｃ ７６１２の「照度測定方法」に基づいて測定している。

結果からわかるように、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒの値が大きいほど、照度維持率が低下する。照度維持率の低下の原因は、放電部１１上部の内壁に発生した白濁が関係しており、また、白濁発生の原因は、アーク９による放電部１１上部内壁面の加熱が考えられる。すなわち、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒの値が大きいと、アーク９のエネルギーが大きくなり、放電部１１上部の内壁面が強く熱され、白濁が発生すると推測される。図５によれば、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒが９．４（Ａ／ｍｍ）よりも大きくなると、照度維持率の低下が大きくなっているので望ましくない。一方、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒの値が小さいほど、放電部１１の温度上昇が遅くなるために４秒光束が低くなってしまう。図５によれば、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒが７．５（Ａ／ｍｍ）よりも小さくなると、４秒光束の低下が大きくなっているので望ましくない。したがって、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）は、７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４に設定する必要がある
また、放電部１１上部の白濁を抑制するために、アーク９の湾曲等の影響も考慮することが望ましい。すなわち、キセノンの封入圧Ｐ（ａｔｍ）、電極間距離Ｄ（ｍｍ）、アーク９が形成される電極３ａ２、３ｂ２の上端から放電部１１の軸方向中央部分の上内壁までの距離Ｌ（ｍｍ）を好適に設計したものを組み合わせるとさらに効果的である。ただし、自動車前照灯の用途においては、電極間距離Ｄはほとんど変更することができない不変の値であるので、キセノンの封入圧Ｐと電極上端から放電部１１上部の内壁面までの距離Ｌについてのみ考えればよい。そこで、発明者が試験を行った結果、距離Ｌが大きくなれば、キセノンの封入圧Ｐを高めても１０００時間点灯後の白濁を抑制できるという傾向が得られた。そして、試験本数を増やしてキセノンの封入圧Ｐと距離をＬの関係を調べたところ、図６に示したようにＰ≦６０．２５Ｌ−４８．９０を満たせば、１０００時間点灯後の白濁が少なく、照度維持率が良好であることがわかった。なお、距離Ｌは設計の観点から１．２０ｍｍが限界であり、キセノン封入圧Ｐは１３ａｔｍ以上であるから、実際に実施可能な範囲は限られている。

したがって、本実施の形態では、始動直後の最大電流値をＩ_ＳＭＡＸ（Ａ）、前記電極の直径をＲ（ｍｍ）としたとき、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）が７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４の関係を満たすことにより、白濁を抑制し、寿命特性を良好にしつつ、４秒光束の立ち上がりを早めることができる。

また、キセノンの封入圧をＰ（ａｔｍ）、前記電極の上端から前記放電部の軸方向中央部分の上内壁までの距離をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｐ≦６０．２５Ｌ−４８．９０の関係を満たすことにより、さらに白濁を抑制することができ、良好な寿命特性を実現することができる。

なお、本発明の実施の形態は上記に限られるわけではなく、例えば次のように変更してもよい。

放電空間１４の形状は、略楕円形であってもよい。

電極３ａ２、３ｂ２は、トリエーテッドタングステン電極に限らず、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からなる電極であっても良い。

本発明の自動車前照灯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図。 電力と電流の時間的変化について説明するための図。 図１の自動車前照灯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。 Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒを変化させたときの１０００時間点灯後の照度維持率および４秒光束について説明するための図。 図４をグラフ化した図。 キセノンの封入圧Ｐと電極の上端から放電部の軸方向中央部分の上内壁までの距離Ｌとの関係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
３ａ、３ｂ 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 スリーブ
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
９ アーク

Claims (2)

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キセノンおよび金属ハロゲン化物を含む放電媒体と、前記封止部に一端が封着され、他端は前記放電空間に対向配置された一対の電極とを具備し、管軸が略水平に配置された状態で、始動時に安定時よりも略２倍以上の電力が供給点灯される自動車前照灯用メタルハライドランプにおいて、
   前記放電媒体中のキセノンの封入圧は１３ａｔｍ以上であるとともに、水銀は本質的に含んでおらず、
   始動直後の最大電流値をＩ_ＳＭＡＸ（Ａ）、前記電極の直径をＲ（ｍｍ）としたとき、Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ（Ａ／ｍｍ）が７．５≦Ｉ_ＳＭＡＸ／Ｒ≦９．４の関係を満たすことを特徴とする自動車前照灯用メタルハライドランプ。
2. キセノンの封入圧をＰ（ａｔｍ）、前記電極の上端から前記放電部の軸方向中央部分の上内壁までの距離をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｐ≦６０．２５Ｌ−４８．９０の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の自動車前照灯用メタルハライドランプ。

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