JP2010086742A - 放電ランプおよび放電ランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トリアフリー電極を用いても、ちらつきおよび電磁ノイズの発生を抑制可能な放電ランプおよび放電ランプ装置を提供する。
【解決手段】
本発明の放電ランプは、内部に放電空間１５が形成された発光部１１、発光部１１に形成されたシール部１２を有する内管１と、放電空間１５に封入された、実質的に水銀は含まない放電媒体と、一端はシール部１２に封着され、他端は放電空間１５に導出された電極３２とを具備し、電極３２はトリアフリー電極であって、その断面積をＳ（ｍｍ２）、ランプ電流をＩ（Ａ）としたとき、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６を満たすとともに、放電媒体はセシウムのハロゲン化物を含んでいることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の前照灯などに使用される放電ランプおよび放電ランプ装置に関するものである。

自動車の前照灯などに使用される放電ランプは、放電空間内に希ガスや金属ハロゲン化物などの放電媒体を封入した発光部内に電極を対設し、その電極に電力を供給することでアーク放電が行われる構造となっている。この種の放電ランプでは、点灯中に電極表面に形成されるアークの起点が移動するなどにより、ちらつきが発生することが知られている。このちらつきの問題は、実質的に水銀を含まない放電ランプ（以下、水銀フリーランプ）において特に深刻である。水銀フリーランプは、水銀を含むランプと比較してアークが細くなり、アークが不安定となるからである。従来、このちらつきとしては、特開２００８−１６４３４号公報（以下、特許文献１）に記載のように、酸化トリウムを含んだ電極を用いるのが一般的であった。

しかし、酸化トリウムは放射性物質であることから、使用を控えるのが望まれている。そこで、特開２００７−１３４０５５号公報（以下、特許文献２）では、トリアフリーでも、ちらつきなどの問題を解決できるとする水銀フリーランプの発明が提案されている。

特開２００８−１６４３４号公報 特開２００７−１３４０５５号公報

本発明者によっても、ちらつきを抑制可能なトリアフリー電極を用いた水銀フリーランプの開発が行われている。この結果、ちらつきを抑制するには電子放出性を安定させる必要があり、そのためには電流密度が特に重要なパラメーターであることを見出した。

また、この開発の過程において、トリアフリー電極を用いた水銀フリーランプでは、始動時に電磁ノイズが発生しやすいという問題も発生している。この電磁ノイズは、例えば、自動車内に取り着けられたカーナビゲーションのモニターやＴＶモニターなどをちらつかせる原因になるため、それらの商品価値を低下させるという問題に発展する。

本発明の目的は、トリアフリー電極を用いても、ちらつきおよび電磁ノイズの発生を抑制可能な放電ランプおよび放電ランプ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の放電ランプは、内部に放電空間が形成された発光部、前記発光部に形成されたシール部を有する内管と、前記放電空間に封入された、実質的に水銀は含まない放電媒体と、一端は前記シール部に封着され、他端は前記放電空間に導出された電極とを具備し、前記電極はトリアフリー電極であって、その断面積をＳ（ｍｍ２）、ランプ電流をＩ（Ａ）としたとき、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６を満たすとともに、前記放電媒体はセシウムのハロゲン化物を含んでいることを特徴とする。

本発明によれば、トリアフリー電極を用いても、ちらつきおよび電磁ノイズの発生を抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の放電ランプについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための側面図、図２は、本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための断面図である。

図１の放電ランプは自動車の前照灯に用いられる放電ランプであり、主要部として内管１を有している。内管１は細長い形状であり、その中央付近には略楕円形の発光部１１が形成されている。発光部１１の両端には、板状のシール部１２、その両端には境界部１３を介して円筒部１４が連続形成されている。なお、内管１としては、例えば石英ガラスなどの耐熱性と透光性を具備した材料で構成されるのが望ましい。

この発光部１１の内部には、中央が略円柱状、両端がテーパ状の放電空間１５が形成されている。この放電空間１５の容積は、自動車前照灯用の場合には、１０ｍｍ^３〜４０ｍｍ^３、さらには２０ｍｍ^３〜３０ｍｍ^３であるのが望ましい。

放電空間１５には、放電媒体が封入されている。放電媒体は、金属ハロゲン化物２と希ガスとで構成されている。

金属ハロゲン化物２は、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、臭化インジウムが封入されている。また、始動時、特にアークが安定するまでの電磁ノイズの発生を防止するために、ヨウ化セシウムが封入されている。このセシウムのハロゲン化物の封入量は、０．１％以上、１．０％以下であるのが望ましい。なお、金属ハロゲン化物２は上記の組み合わせに限らず、スズのハロゲン化物などをさらに追加するなどしてもよいが、トリウムのハロゲン化物を含まないのが望ましい。また、金属に結合させるハロゲンの種類や組み合わせを変更してもよい。

希ガスには、キセノンが使用されている。希ガスは、目的によってその封入圧力を調整することができる。例えば、全光束等の特性を高めるためには、封入圧力を常温（２５℃）において１０ａｔｍ以上、好適には１３ａｔｍ以上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することもできる。

ここで、放電媒体は、水銀を実質的に含んでいない。この「水銀を実質的に含まない」とは、水銀の封入量が０ｍｇであるのが最適であるが、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以下の水銀量を封入していても許容するという意味である。

シール部１２には、電極マウント３が封着されている。電極マウント３は、金属箔３１、電極３２、コイル３３およびリード線３４により構成されている。

金属箔３１は、例えば、モリブデンからなる薄い金属板である。

電極３２は、その一端は金属箔３１に接続され、他端は放電空間１５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る。その電極間距離としては、自動車前照灯用の場合には、外観上における距離で４．０ｍｍ〜４．４ｍｍであるのが望ましい。

ここで、電極３２はトリアフリー電極である。つまり、電極にはトリウムや酸化トリウムなどは含まれていない。このような電極としては、例えばタングステン電極、ドープタングステン電極などが挙げられる。なお、ちらつきの発生をより効果的に抑制するためには、３０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍのカリウムを含有するのが望ましい。

また、電極３２は、その断面積をＳ（ｍｍ２）、ランプ電流をＩ（Ａ）としたとき、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６を満たすように設計されている。これによって、長期にわたってちらつきを抑制することができる。ここで、断面積とは、アークのスポットが形成されやすい部分の断面積、具体的には電極先端から０．３ｍｍの部分の断面積である。一方、ランプ電流は、安定点灯時の電流値である。

コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線であって、シール部１２に封着される電極３２の軸部の軸周りに螺旋状に巻装される。このコイル設計としては、コイルピッチは３００％以下、巻装長は電極封着長に対して６０％以上とし、かつ金属箔３１と接続される電極３２の軸部分には巻装しないのが望ましい。

リード線３４は、例えば、モリブデンからなる金属線である。その一端は、発光部１１に対して反対側の金属箔３１に接続され、他端は管軸に沿って内管１の外部に延出される。そのうち、ランプの前端側となるリード線３４には、例えば、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ３５の一端がレーザー溶接により接続されている。このサポートワイヤ３５には、内管１と平行する部分に、例えば、セラミックからなるスリーブ４が装着されている。

上記で構成された内管１の外側には、筒状の外管５が内管１と同心状に設けられている。それらの接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５の両端を溶着することにより、行なわれている。この溶着により、内管１と外管５の間には、気密な空間が形成される。この空間には、例えばネオン、アルゴン、キセノン、窒素から選択された一種のガスまたは混合ガスなど、誘電体バリア放電可能なガスを封入することができる。なお、このガス圧としては、負圧、好適には０．３ａｔｍ以下であるのが望ましい。また、外管５としては、例えば、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した、紫外線遮断性を有する材料で構成するのが望ましい。

そして、外管５が接続された内管１の一端には、ソケット６が接続される。これらの接続は、外管５の外周面に金属バンド７１を装着し、その金属バンド７１をソケット６から突出形成させた金属製の舌片７２で挟持することで行なっている。また、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３４、サポートワイヤ３５が接続されている。

下記に本発明の放電ランプの実施例の一仕様を示す。
（実施例）
発光部１１：石英ガラス製、放電空間１５の内容積＝２６ｍｍ^３、最大内径＝２．５ｍｍ、最大外径＝６．２ｍｍ、長手方向の球体長＝７．８ｍｍ、
金属ハロゲン化物２：ＳｃＩ_３、ＮａＩ、ＺｎＩ_２、ＩｎＢｒ、ＣｓＩ、合計＝０．４ｍｇ（うちＣｓＩは０．４重量％）、
希ガス：キセノン、ガス圧＝１３ａｔｍ、
水銀：０ｍｇ、
金属箔３１；モリブデン製、
電極３２：カリウム＝７０ｐｐｍを含むタングステン製、直径＝０．３５ｍｍ、断面積Ｓ＝０．０９６２ｍｍ^２、外観上の電極間距離＝３．７４ｍｍ（実際の電極間距離＝４．３２ｍｍ）、
コイル３３：ドープタングステン製、ピッチ＝２００％、
リード線３４：モリブデン製、直径＝０．６ｍｍ、
外管５内のガス：窒素、ガス圧＝０．１ａｔｍ。

始動時電力：７５Ｗ、（３．０Ａ、２５Ｖ）、
安定時電力：３５Ｗ、（０．７８Ａ、４５Ｖ）、
電流密度Ｉ／Ｓ＝８．０９（Ａ／ｍｍ^２）。

この実施例のランプでは、初期〜２０００時間、さらに２０００時間を越えてもアークが安定し、トリアフリーでも長期にわたってちらつきが発生しないことが確認された。また、放電ランプの近くにＴＶモニターを配置しても、ＴＶモニターがちらつくことはなかった。

次に、電流密度Ｉ／Ｓを変化させて、寿命中のちらつきの発生の有無を確認した。その結果を図３に示す。ここで、電流密度Ｉ／Ｓは、電流値を０．７１Ａ〜０．９２Ａ、電極径を０．３０ｍｍ〜０．３８ｍｍに変化させることで調整した。また、ちらつきは、ランプが安定状態となってから５分間目視で観察したときに、ちらつきを認識できない場合を○、目を凝らすとちらつきを認識できる場合を△、ちらつきを認識できない場合を×と判定した。

結果から、電流密度Ｉ／Ｓが低いと初期のちらつきが発生しやすいことがわかる。これは、電流密度Ｉ／Ｓと電子放射性とは関係があり、電流密度Ｉ／Ｓが低いと電極温度が低くなって電子放射が不安定となり、アークスポットが移動しやすくなったためと考えられる。一方、電流密度Ｉ／Ｓが高いと寿命中にちらつきが発生しやすくなることもわかる。これは、電流密度Ｉ／Ｓが高いと点灯中に絶えず電極溶融が起こって形状が変化し、アークスポットが移動したためと考えられる。以上から、トリアフリーの電極でも、初期〜寿命中のちらつきを抑制するためには、電流密度Ｉ／Ｓ(Ａ／ｍｍ^２)を、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６、さらに望ましくは７．４≦Ｉ／Ｓ≦８．７を満たすように設計すればよい。

ここで本発明者は、このようなトリアフリー電極を具備する放電ランプの開発過程において、始動時に電磁ノイズが発生しやすいという新たな問題が発生していることを発見した。この始動時に発生する電磁ノイズはＵＨＦ帯（およそ４７０Ｈｚ〜７７０Ｈｚ）を含んでおり、自動車に搭載したカーナビゲーションやＴＶモニターの画像をちらつかせる原因になるので、このＵＨＦ帯の電磁ノイズの発生を防止する対策が必要である。そこで、この電磁ノイズを防止する方法を発明者が検討した結果、セシウムのハロゲン化物が有効であることが確認された。

図４は、ヨウ化セシウムの封入量を変化させときの電磁ノイズの発生の有無と全光束の関係について説明するための図である。なお、電磁ノイズの判定は、スペクトルアナライザを用いて波形を観測したときに、ＵＨＦ帯に異常波形が現れている場合をノイズありと判定した。

まず、従来のトリア入りのランプにおいては、ヨウ化セシウムを封入しなくても電磁ノイズは発生していないが、トリアフリーでヨウ化セシウムを含まないランプにおいては電磁ノイズが発生していことがわかるる。これは、トリア入り電極では、始動時のアークの拡散モードからスポットモードへの移行が安定して行われるのに対し、トリアフリー電極ではそれが不安定となるからと予想される。次に、ヨウ化セシウムの封入量を変化させたトリアフリー電極のランプでは、微量含有させただけで電磁ノイズの発生が抑制されている。しかし、ヨウ化セシウムは、発光に寄与しないために全光束を低下させてしまう。したがって、トリアフリー電極では、０．１％以上、１．０％以下のヨウ化セシウムを封入するのが望ましいといえる。なお、試験ではヨウ化セシウムを用いたが、他のハロゲンであっても同様の結果を得ることができる。

なお、本発明では、以下のような構成を採用するとさらに効果的である。

ちらつきをさらに抑制するには、電極にカリウムをドープするのが好適である。カリウムをドープすることにより、電極先端部の再結晶が管軸方向に長大に成長することにより、電極先端部に微小な突起が形成されやすくなり、当該部分でアークスポットが安定しやすくなるためである。このような効果を得、かつ電極の強度を維持するには、カリウムのドープ量は３０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍであるのが望ましい。

本発明では電極先端部の温度が比較的高くなる設計となるが、それ以外の部分は封止部のクラックや箔リークの原因となるため、温度は低い方がよい。そこで、図５のように先端にテーパー部３２１を形成した電極を使用したり、図６のように突起３２２が形成された電極を使用してもよい。また、電極軸に比較的長く（例えば、電極封着長に対して６０％以上）コイルを巻装したり、放電空間側の箔端との距離を電極先端部から７．０ｍｍ以上離す設計を採用するのが望ましい。

したがって、本実施の形態では、断面積をＳ（ｍｍ２）、ランプ電流をＩ（Ａ）としたとき、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６を満たす電極３２を用いるとともに、放電媒体に０．１％以上、１．０％以下のヨウ化セシウムを封入することにより、トリアフリー電極であっても、点灯初期から長期にわたりちらつきの発生を抑制できるとともに、電磁ノイズの発生を抑制することができる。なお、電極３２にカリウムをドープするとさらにちらつきを抑制することができる。
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態の放電ランプ装置について説明するための断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態の放電ランプの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

本実施の形態の放電ランプ装置は、第１の実施の形態の放電ランプＤＬ、リフレクタ９１、シェード９２、レンズ９３、イグナイタ９４およびバラスト９５とで構成されている。

リフレクタ９１は、リフレクタ９１は断面が略双曲線形状の反射鏡であり、その底部には穴が形成され、下側にはシェード９２が設けられている。その穴にはランプの先端がシェード９２に覆われるように放電ランプＤＬが挿入され、管軸が略水平の状態で固定されている。また、リフレクタ９１の開口部分には、配光を制御するためのレンズ９３が設けられている。

放電ランプＤＬのソケット６には、ランプに高電圧を印加して始動させるためのイグナイタ９４が取り着けられている。これにより、放電ランプＤＬの底部端子８ａ、側部端子８ｂとイグナイタ９４とは電気的に接続されている。また、イグナイタ９４は配線を介してランプを点灯するためのバラスト９５と接続されている。このバラスト９５の出力は、安定時は約３５Ｗ、始動時は安定時電力よりも大きい、例えば２倍以上である約７５Ｗに設定される。

これらで構成された放電ランプ装置は、点灯初期から長期にわたりちらつきの発生を抑制できるとともに、電磁ノイズの発生を抑制することができる。

本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための側面図。 本発明の放電ランプの第１の実施の形態について説明するための断面図。 電流密度Ｉ／Ｓを変化させたときの初期と寿命中のちらつきの発生の有無について説明するための図。 ヨウ化セシウムの封入量を変化させときの電磁ノイズの発生の有無と全光束の関係について説明するための図。 電極の第１の変形例。 電極の第２の変形例。 本発明の放電ランプ装置の第２の実施の形態について説明するための図。

符号の説明

１ 内管
１１ 発光部
１２ シール部
１３ 境界部
１４ 円筒部
１５ 放電空間
２ 金属ハロゲン化物
３ 電極マウント
３１ 金属箔
３２ 電極
３３ コイル
３４ リード線
３５ 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

Claims (4)

1. 内部に放電空間が形成された発光部、前記発光部に形成されたシール部を有する内管と、前記放電空間に封入された、実質的に水銀は含まない放電媒体と、一端は前記シール部に封着され、他端は前記放電空間に導出された電極とを具備し、
   前記電極はトリアフリー電極であって、その断面積をＳ（ｍｍ^２）、ランプ電流をＩ（Ａ）としたとき、６．５≦Ｉ／Ｓ≦９．６を満たしているとともに、前記放電媒体はセシウムのハロゲン化物を含んでいることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記セシウムのハロゲン化物の重量比は、０．１％以上、１．０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記電極にはカリウムがドープされていることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の放電ランプと、
   前記放電ランプに接続された、始動時に安定時よりも大きな電力を供給する点灯回路とを具備することを特徴とする放電ランプ装置。

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