JP2017208216A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】低電力で点灯させる放電ランプであっても、明るさの向上と、「白濁」の抑制とを図ることができる放電ランプを提供することである。【解決手段】実施形態に係る放電ランプは、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプである。放電ランプは、金属ハロゲン化物と不活性ガスとが封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。前記発光部の肉厚が最大となる部分の肉厚寸法は、１．０ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である。放電ランプは、前記放電空間に封入された前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＰ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＬ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。４０１（ｍｍ・ａｔｍ）≦８．８×Ｌ×Ｐ（ｍｍ・ａｔｍ）≦５００（ｍｍ・ａｔｍ）【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放電ランプに関する。

金属ハロゲン化物と不活性ガスとが封入された放電空間を内部に有する発光部と、放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極とを備えた放電ランプがある。
この様な放電ランプは、安定点灯時に３５Ｗ（ワット）程度の電力で点灯させている。 しかしながら、近年においては、省電力化の要求から、安定点灯時に２８Ｗ（ワット）以下（例えば、２５Ｗ（ワット））の電力で点灯させる放電ランプが求められている。
この様な低電力で点灯させる放電ランプは、３５Ｗ（ワット）程度の電力で点灯させる放電ランプに比べて明るさが暗くなるという問題がある。この場合、発光部の温度を高くすれば、明るさを明るくすることができる。
ところが、発光部の温度を高くすると、電極がスパッタリングされやすくなる。電極がスパッタリングされると、電極の成分からなる膜が発光部の内壁に形成されて「白濁」が生じる。「白濁」が生じると放電空間の内部において発生した光が遮光されるので、明るさが暗くなるという新たな問題が生じる。
そのため、低電力で点灯させる放電ランプであっても、明るさの向上と、「白濁」の抑制とを図ることができる放電ランプの開発が望まれていた。

特許第５４２８９５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、低電力で点灯させる放電ランプであっても、明るさの向上と、「白濁」の抑制とを図ることができる放電ランプを提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプである。放電ランプは、金属ハロゲン化物と不活性ガスとが封入された放電空間を内部に有する発光部と；前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；を具備している。前記発光部の肉厚が最大となる部分の肉厚寸法は、１．０ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下である。
放電ランプは、前記放電空間に封入された前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＰ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＬ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する。
４０１（ｍｍ・ａｔｍ）≦８．８×Ｌ×Ｐ（ｍｍ・ａｔｍ）≦５００（ｍｍ・ａｔｍ）

本発明の実施形態によれば、低電力で点灯させる放電ランプであっても、明るさの向上と、「白濁」の抑制とを図ることができる放電ランプを提供することができる。

本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。
本発明の実施形態に係る放電ランプは、例えば、自動車の前照灯に用いられるＨＩＤ（High Intensity Discharge）ランプとすることができる。また、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合には、放電ランプは、いわゆる水平点灯を行うものとすることができる。

本発明の実施形態に係る放電ランプの用途は、自動車の前照灯に限定されるわけではないが、ここでは一例として、放電ランプが自動車の前照灯に用いられるＨＩＤランプである場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施の形態に係る放電ランプ１００を例示するための模式図である。
なお、図１においては、放電ランプ１００を自動車に取り付けた場合に、前方となる方向を前端側、後方となる方向を後端側、上方となる方向を上端側、下方となる方向を下端側としている。

図１に示すように、放電ランプ１００には、バーナー１０１およびソケット１０２が設けられている。
バーナー１０１には、外管５、内管１、電極マウント３、サポートワイヤ３５、スリーブ４、および金属バンド７１が設けられている。

外管５は、内管１の外側に内管１と同芯に設けられている。すなわち、バーナー１０１は、外管５と内管１とによる二重管構造を有している。外管５は、内管１の円筒部１４付近に接合（溶着）されている。
内管１と外管５との間に形成された閉空間には、ガスが封入されている。封入されるガスは、誘電体バリア放電が可能なガスとすることができる。封入されるガスは、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、またはこれらの混合ガスとすることができる。ガスの封入圧力は、例えば、常温（２５℃）で０．３ａｔｍ以下とすることができる。なお、ガスの封入圧力は、常温（２５℃）で０．１ａｔｍ以下とすることがより好ましい。

外管５は、内管１の材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、且つ、紫外線遮断性を有する材料から形成することが好ましい。外管５は、例えば、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物が添加された石英ガラスから形成することができる。

内管１は、発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４を有する。発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４は、一体に形成することができる。
内管１（発光部１１、封止部１２、境界部１３、および円筒部１４）は、透光性と耐熱性を有する材料から形成されている。内管１は、例えば、石英ガラスなどから形成することができる。

発光部１１は、ほぼ楕円体状の外形形状を有している。発光部１１は、内管１の中央付近に設けられている。内管１の軸方向における発光部１１の寸法（球体長）は、例えば、８ｍｍ程度とすることができる。
なお、発光部１１の肉厚寸法に関する詳細は後述する。

発光部１１の内部には、放電空間１１１が設けられている。放電空間１１１の中央部分は、ほぼ円柱状を呈している。放電空間１１１の両端部分は、ほぼ円錐状を呈している。 ここで、内管１の軸方向に直交する方向における放電空間１１１の中央部分の寸法を小さくすると、電極３２の先端同士の間に生じた放電と発光部１１の内壁１１ａとの間の距離が短くなるので、放電による損傷が発光部１１の内壁１１ａに発生しやすくなる。一方、放電空間１１１の中央部分の寸法を大きくすると、発光部１１の温度が低くなるので明るさが低下するおそれがある。
そのため、内管１の軸方向に直交する方向における放電空間１１１の中央部分の寸法は、２．０ｍｍ以上、２．４ｍｍ以下とすることが好ましい。

放電空間１１１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、不活性ガスとを含む。

また、本実施の形態に係る放電ランプ１００においては、環境保護の観点から、放電媒体は、実質的に水銀を含まないものとしている。なお、本明細書において、「実質的に水銀を含まない」とは、水銀を全く含まないだけではなく、水銀が不純物程度に含まれる場合も許容される。例えば、放電媒体は、放電空間１１１中において、２ｍｇ／ｃｃ未満となるのであれば水銀を含むことができる。

金属ハロゲン化物２は、例えば、スカンジウムのハロゲン化物、インジウムのハロゲン化物、ナトリウムのハロゲン化物、亜鉛のハロゲン化物などを含むものとすることができる。
ハロゲンとしては、例えば、ヨウ素を例示することができる。ただし、ヨウ素の代わりに臭素や塩素などを用いることもできる。

放電空間１１１に封入される不活性ガスは、例えば、キセノンとすることができる。また、キセノンの他に、ネオン、アルゴン、クリプトンなどを用いたり、これらを組み合わせた混合ガスを用いることもできる。
ただし、不活性ガスは、キセノンとすることがより好ましい。
なお、放電空間１１１に封入された不活性ガスの常温（２５℃）における圧力（封入圧力）Ｐに関する詳細は後述する。

封止部１２は、板状を呈し、発光部１１の両端部のそれぞれに接合されている。封止部１２は、例えば、ピンチシール法を用いて形成することができる。なお、封止部１２は、シュリンクシール法により形成され、円柱状を呈したものであってもよい。一方の封止部１２には、境界部１３を介して円筒部１４が接合されている。

境界部１３および円筒部１４は、封止部１２の、発光部１１側とは反対側の端部に接合されている。

電極マウント３は、封止部１２の内部に設けられている。
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を有する。

金属箔３１は、封止部１２の内部に設けられている。金属箔３１は、電極３２の、放電空間１１１側とは反対側の端部の近傍に接合されている。
金属箔３１は、薄板状を呈し、例えば、モリブデン、レニウムモリブテン、タングステン、レニウムタングステンなどから形成することができる。

電極３２は、線状を呈している。電極３２の断面形状は、例えば、円形とすることができる。
ここで、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で放電ランプ１００を点灯させると、ちらつきが生じ易くなる。本発明者の得た知見によれば、電極３２の太さ寸法を小さくして電流密度を高めれば、ちらつきの発生を抑制することができる。そのため、電極３２の太さ寸法（断面形状が円形の場合には直径寸法）は、０．２０ｍｍ以上、０．３３ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、電極３２の太さ寸法は、電極３２が延びる方向において一定でなくてもよい。例えば、電極３２の太さ寸法は、先端部側が基端部側よりも大きくなっていてもよい。また、電極３２の先端部が球形となっていてもよい。また、直流点灯タイプのように、一方の電極の太さ寸法と、他方の電極の太さ寸法が異なるものであってもよい。
なお、前述した「０．２０ｍｍ以上、０．３３ｍｍ以下」は、電極３２の太さ寸法がほぼ一定の場合である。

一対の電極３２は、所定の距離を置いて互いに対向するように設けられている。
なお、一対の電極３２の先端同士の間の距離（電極間距離）Ｌに関する詳細は後述する。
電極３２の一方の端部は、放電空間１１１内に突出している。すなわち、電極３２の一端は放電空間１１１の内部に設けられ、他端は封止部１２の内部に設けられている。電極３２の他方の端部は、金属箔３１の、発光部１１側の端部近傍に接合されている。電極３２と金属箔３１の接合は、例えば、レーザ溶接により行うことができる。

電極３２は、例えば、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形成することができる。なお、電極３２は、トリウムを含有していてもよいし、トリウムを含有していなくてもよい。

コイル３３は、封止部１２にクラックが発生するのを抑制するために設けられている。 コイル３３は、例えば、ドープタングステンからなる金属線から形成することができる。コイル３３は、封止部１２の内部に設けられている。コイル３３は、電極３２の外側に巻きつけられている。例えば、コイル３３の線径は３０μｍ〜１００μｍ程度、コイルピッチは６００％以下とすることができる。

リード線３４は、線状を呈している。リード線３４の断面形状は、例えば、円形とすることができる。リード線３４は、例えば、モリブデンなどから形成することができる。リード線３４の一方の端部側は、金属箔３１の、発光部１１側とは反対側の端部近傍に接合されている。リード線３４と金属箔３１の接合は、例えば、レーザ溶接により行うことができる。リード線３４の他方の端部側は、内管１の外部にまで延びている。

サポートワイヤ３５は、Ｌ字状を呈し、放電ランプ１００の前端側から出ているリード線３４の端部に接合されている。サポートワイヤ３５とリード線３４との接合は、例えば、レーザ溶接により行うことができる。サポートワイヤ３５は、例えば、ニッケルから形成することができる。

スリーブ４は、サポートワイヤ３５の、内管１と平行に延びる部分を覆っている。スリーブ４は、例えば、円筒状を呈している。スリーブ４は、例えば、セラミックスから形成することができる。

金属バンド７１は、外管５の後端側の端部近傍に固定されている。

ソケット１０２は、本体部６１、取り付け金具７２、底部端子８１、および側部端子８２を有する。
本体部６１は、樹脂などの絶縁性材料から形成されている。本体部６１の内部には、リード線３４の後端側、サポートワイヤ３５の後端側、およびスリーブ４の後端側が設けられている。

取り付け金具７２は、本体部６１の端部に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１の前端側に設けられている。取り付け金具７２は、本体部６１から突出している。取り付け金具７２は、金属バンド７１を保持する。取り付け金具７２により金属バンド７１を保持することで、バーナー１０１がソケット１０２に保持される。

底部端子８１は、本体部６１の内部に設けられている。底部端子８１は、本体部６１の後端側に設けられている。底部端子８１は、導電性材料から形成されている。底部端子８１は、リード線３４と電気的に接続されている。

側部端子８２は、本体部６１の側壁に設けられている。側部端子８２は、本体部６１の後端側に設けられている。側部端子８２は、導電性材料から形成されている。側部端子８２は、サポートワイヤ３５と電気的に接続されている。

底部端子８１と側部端子８２は、図示しない点灯回路と電気的に接続される。この場合、底部端子８１は、点灯回路の高圧側と電気的に接続される。側部端子８２は、点灯回路の低圧側と電気的に接続される。

放電ランプ１００が自動車の前照灯に用いられるものである場合には、放電ランプ１００は、中心軸（管軸）がほぼ水平の状態で、且つ、サポートワイヤ３５がほぼ下端側（下方）に位置するように取り付けられる。なお、この様な方向に取り付けられた放電ランプ１００を点灯することは、水平点灯と称される。

また、本実施の形態に係る放電ランプ１００は、低電力仕様の放電ランプである。
そのため、点灯回路は、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で放電ランプ１００を点灯させる。

ここで、放電ランプ１００に供給される電力が小さくなると、光束の低下や発光効率の低下が生じる。そのため、放電ランプ１００に供給される電力が小さくなると、明るさが暗くなる。この場合、発光部１１の肉厚寸法を小さくすれば、明るさが暗くなるのを抑制することができる。

このことは、以下のように説明することができる。つまり、発光部１１の肉厚寸法を小さくすれば、発光部１１の温度、ひいては放電空間１１１の温度が高くなり、金属ハロゲン化物２の蒸気圧が高くなる。

金属ハロゲン化物２の蒸気圧が高くなれば、電極３２から放出された電子と、金属ハロゲン化物２の分子とが衝突する割合が増える。電子と金属ハロゲン化物２の分子とが衝突する割合が増えると、全光束が増加し、発光効率も高くなる。
そのため、放電ランプ１００に供給される電力が小さい場合であっても、発光部１１の肉厚寸法を小さくすれば、明るさが暗くなるのを抑制することができる。

この場合、発光部１１の肉厚寸法を小さくしすぎると発光部１１の強度が不足するおそれがある。発光部１１の肉厚寸法を大きくしすぎると発光部１１の温度が低くなり、規定の明るさが得られなくなるおそれがある。
本発明者の得た知見によれば、発光部１１の、肉厚が最大となる部分の肉厚寸法Ｔは、１．０ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。この様にすれば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で放電ランプ１００を点灯させる場合であっても、７４ ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）程度の明るさを得ることが可能となる。
なお、発光部１１の、肉厚が最大となる部分は、一般的には、内管１の軸方向における発光部１１の中央部分である。

ところが、放電空間１１１の温度が高くなると、電極３２がスパッタリングされやすくなる。電極３２がスパッタリングされると、電極３２の成分からなる膜が発光部１１の内壁１１ａに形成されて「白濁」が生じる。「白濁」が生じると放電空間１１１の内部において発生した光が遮光されるので、明るさが暗くなる。また、「白濁」が生じると放熱がし難くなるので放電空間１１１の温度がさらに上昇して、「白濁」がさらに進むようになる。そのため、明るさの低下が急激に進むおそれがある。
すなわち、発光部１１の肉厚寸法を小さくすることで規定の明るさを得ることができたとしても、得られた明るさを維持することが困難となるおそれがある。

また、本発明者の得た知見によれば、低電力で点灯させる放電ランプ１００の場合には、始動時に「白濁」が生じ易くなる。
このことは、以下のように説明することができる。
低電力で点灯させる放電ランプ１００は、点灯させにくい。そのため、始動時に放電ランプ１００に印加する電力が大きくなる。例えば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプ１００の場合には、始動時に印加する電力は５５Ｗ（ワット）程度となる。そのため、低電力で点灯させる放電ランプ１００の場合には、始動時に放電空間１１１の温度が上昇し易くなる。
その結果、低電力で点灯させる放電ランプ１００の場合には、始動時に「白濁」が生じ易くなる。

本発明者は更なる検討の結果、放電空間１１１に封入される不活性ガスの圧力Ｐと、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ｌとは、放電ランプ１００の始動性に影響を及ぼすとの知見を得た。
そのため、不活性ガスの圧力Ｐと、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ｌとにより始動時に印加する電力を低減させることができれば、始動時に放電空間１１１の温度が上昇するのを抑制することができる。始動時に放電空間１１１の温度が上昇するのを抑制することができれば、始動時に「白濁」が生じるのを抑制することができる。

この場合、本発明者の得た知見によれば、以下の式を満足するようにすれば、「白濁」の発生を効果的に抑制することができる。
４０１（ｍｍ・ａｔｍ）≦８．８×Ｌ×Ｐ（ｍｍ・ａｔｍ）≦５００（ｍｍ・ａｔｍ） なお、Ｐは放電空間１１１に封入された不活性ガスの常温（２５℃）における圧力（封入圧力）、Ｌは一対の電極３２の先端同士の間の距離である。

表１は、不活性ガスの封入圧力Ｐ（ａｔｍ）、および、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ｌ（ｍｍ）と、「白濁」の発生との関係を例示するための表である。

なお、「白濁」の評価においては、発光部１１から出射した光の発光効率が７４ ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上を「○」とし、７４ ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）未満を「×」としている。
また、「白濁」の評価は、ＥＵ１２０分モードの点滅サイクルで点滅させるとともに、放電ランプ１００を２０００時間点灯させた後に行った。
発光効率は、「全光束／ランプ電力（安定点灯時における印加電力）」である。
また、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ｌが長くなりすぎると、ランプ電圧（安定点灯時における印加電圧）が高くなりすぎるおそれがある。
そのため、ランプ電圧の評価においては、点灯回路に設けられた安全装置が誤作動するほどランプ電圧が高くなった場合を「×」とし、安全装置が誤作動しなかった場合を「○」としている。
総合判定においては、「白濁」の評価およびランプ電圧の評価がともに「○」の場合を「○」とし、「白濁」の評価およびランプ電圧の評価の少なくともいずれかが「×」の場合を「×」としている。

また、安定点灯時の印加電力は２５Ｗ（ワット）程度、始動時の印加電力は５５Ｗ（ワット）程度とした。
金属ハロゲン化物２の組成は、以下のようにした。
ＳｃＩ_３：ＮａＩ：ＺｎＩ_２：ＩｎＢｒ＝１．００：１．５：０．３：０．００７
金属ハロゲン化物２の封入量は０．４ｍｇ程度とした。
内管１の軸方向に直交する方向における放電空間１１１の中央部分の寸法は、２．０ｍｍ以上、２．４ｍｍ以下とした。
発光部１１の肉厚が最大となる部分（例えば、発光部１１の中央部分）の肉厚寸法Ｔは、１．０ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下とした。
発光部１１の材料は、石英ガラスとした。
なお、放電空間１１１の中央部分の寸法、発光部１１の肉厚が最大となる部分の肉厚寸法Ｔ、および、一対の電極３２の先端同士の間の距離Ｌは、例えば、発光部１１のＸ線写真を撮影し、撮影されたＸ線写真における寸法から計算することができる。
また、放電空間１１１に封入した不活性ガスは、キセノンとした。

表１から分かるように、４０１（ｍｍ・ａｔｍ）≦８．８×Ｌ×Ｐ（ｍｍ・ａｔｍ）≦５００（ｍｍ・ａｔｍ）とすれば、安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプ１００であっても、発光効率が７４ ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）以上となるようにすることができる。すなわち、低電力で点灯させる放電ランプであっても、明るさの向上と、「白濁」の抑制とを図ることができる。
またさらに、ランプ電圧が適切な値となるようにすることができる。

この場合、表１から分かるように、１２ａｔｍ≦Ｐ≦１５．０ａｔｍとすることが好ましい。
また、表１から分かるように、３．４ｍｍ≦Ｌ≦３．８ｍｍとすることが好ましい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 内管、２ 金属ハロゲン化物、５ 外管、１１ 発光部、１１ａ 内壁、１２ 封止部、３２ 電極、１００ 放電ランプ、１０１ バーナー、１０２ ソケット、１１１ 放電空間

Claims (3)

1. 安定点灯時に２２Ｗ（ワット）以上、２８Ｗ（ワット）以下の電力で点灯させる放電ランプであって、
   金属ハロゲン化物と不活性ガスとが封入された放電空間を内部に有する発光部と；
   前記放電空間の内部に突出し、所定の距離を置いて対向配置させた一対の電極と；
   を具備し、
   前記発光部の肉厚が最大となる部分の肉厚寸法は、１．０ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下であり、
   前記放電空間に封入された前記不活性ガスの常温（２５℃）における圧力をＰ（ａｔｍ）、前記一対の電極の先端同士の間の距離をＬ（ｍｍ）とした場合に以下の式を満足する放電ランプ。
   ４０１（ｍｍ・ａｔｍ）≦８．８×Ｌ×Ｐ（ｍｍ・ａｔｍ）≦５００（ｍｍ・ａｔｍ）
2. 前記圧力は、以下の式を満足する請求項１記載の放電ランプ。
   １２ａｔｍ≦Ｐ≦１５．０ａｔｍ
3. 前記距離は、以下の式を満足する請求項１または２に記載の放電ランプ。
   ３．４ｍｍ≦Ｌ≦３．８ｍｍ

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