JP5888607B2

JP5888607B2 - メタルハライドランプ

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Publication number: JP5888607B2
Application number: JP2012198315A
Authority: JP
Inventors: 昌弘土居
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN104350578B; EP2894656B1; EP2894656A1; WO2014038363A1; JP2014053237A; EP2894656A4; CN104350578A

Description

本発明の実施形態は、自動車等の車両の前照灯等に使用されるメタルハライドランプに関するものである。

メタルハライドランプは、発光管に金属ハロゲン化物や希ガスが封入されてなるものであり、自動車の前照灯などに使用される。この種のランプは、従来は、３５Ｗの安定点灯時の電力で点灯されるのが一般的であったが、最近では２５Ｗで点灯されるランプが開発されている。また、ランプを始動するイグナイタやランプを安定点灯するバラストと一体化された、いわゆるＤ５タイプのランプも開発されている。

イグナイタ・バラスト一体型のＤ５タイプのようなメタルハライドランプは、非常にコンパクトであるため、発光管と回路との距離が短くなる。その結果、熱負荷が増え、放熱スペースが減ることにより、温度的に厳しい設計になる。車両用のメタルハライドランプでは、始動時に安定点灯時よりも高い電力を供給することで立ち上がりを早める点灯方法が採用されているが、その始動時に投入できる電流値が制限されたことで、所定の電力が供給されず、ランプの光束立ち上がりが遅くなるという問題が生じている。

特表２０１０−５２１７７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、光束立ち上がりの早いメタルハライドランプを提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態のメタルハライドランプは、内部に放電空間を有する発光部、前記発光部の両端に形成された一対のシール部を備える発光管と、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と、一端側は前記シール部内に封着され、他端側は前記放電空間内で対向するように配設された一対の電極と、を具備し、安定点灯時に、前記一対の電極間に２３〜２７Ｗの電力が供給される水銀不含の車両用のメタルハライドランプであって、前記放電空間は、円筒状部と、前記円筒状部の両端部に形成され、前記円筒状部から前記シール部の方向に向かって縮径してなる一対の円錐状部と、を備えており、前記発光部の最大外径部の肉厚をｄ１、前記発光部と前記シール部との境界点から、前記円錐状部に対して垂線を引いたときの前記円錐状部上の点と前記境界点との間の前記発光部の肉厚をｄ２としたとき、１．６ｍｍ≦ｄ１≦１．８ｍｍ、かつ０．７５≦ｄ２／ｄ１≦０．９５を満たす。

第１の実施形態のメタルハライドランプについて説明するための図である。第１の実施形態のメタルハライドランプの断面について説明するための図である。図２のメタルハライドランプの発光部付近について説明するための図である。第１の実施形態のメタルハライドランプの発光部付近について説明するための外観図である。第１の実施形態のメタルハライドランプの始動直後のランプ電圧について説明するための図である。発光部の肉厚ｄ１、ｄ２を変化させたときの始動直後のランプ電圧、光束立ち上がり、寿命について説明するための図である。メタルハライドランプの他の実施形態について説明するための図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の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、第１の実施形態のメタルハライドランプについて説明するための図、図２は、第１の実施形態のメタルハライドランプの断面について説明するための図、図３は、図２のメタルハライドランプの発光部付近について説明するための図である。なお、本発明においては、便宜上、車両に配置した場合に前方となる、図２に示した矢印Ｆの方向を前端、矢印Ｂの方向を後端と称して説明する。

図１のメタルハライドランプは、自動車などの前照灯用の光源として用いることができるＨＩＤランプであり、バーナーＢＮとフランジＦＬとを備えている。

バーナーＢＮは、二重管構造であり、その内部には内管として発光管１が設けられている。発光管１は細長い形状であり、その長手方向の中央付近には点灯中に発光する部分となる発光部１１が形成されている。発光部１１は略楕円状であり、その両端にはピンチシールにより形成された板状のシール部１２、そのさらに両端には境界部１３を介して円筒部１４が連続形成されている。この発光管１は前述のとおり、発光する部分を含んでいるとともに点灯中に高温になるため、石英ガラスなどの透光性と耐熱性を具備した材料で構成されるのが望ましい。

発光部１１の内部には、放電空間１１１が形成されている。放電空間１１１は、管軸Ａ−Ａ’に沿って細長い形状をしており、その長手方向の中央部に円柱状部１１１１、両端部に一対の円錐状部１１１２を備えている。円錐状部１１１２は、円柱状部１１１１の端部からシール部１２の方向に向かって、具体的には円筒状部１１１１から後述する電極の軸表面に向かって縮径してなる形状である。放電空間１１１の内径ｒ１は１．９〜２．３ｍｍ、容積は、１６〜２１ｍｍ^３、好適には１７〜２０ｍｍ^３である。

放電空間１１１には、金属ハロゲン化物１５と希ガスが封入されている。金属ハロゲン化物１５は、ナトリウムのハロゲン化物、スカンジウムのハロゲン化物、亜鉛のハロゲン化物、インジウムのハロゲン化物で構成されている。具体的には、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム、ヨウ化亜鉛、臭化インジウムである。これら金属ハロゲン化物１５の総封入量は、０．１〜０．３ｍｇあるのが望ましい。

希ガスは、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１２ａｔｍ以上、好適には１３ａｔｍ以上に設定するのがよい。ただし、上限は製造上、現状で２０ａｔｍ程度である。

ここで、本実施形態のランプは、水銀不含のメタルハライドランプである。この「水銀不含」とは、水銀を実質的に含んでいないという意味である。本明細書における「水銀を実質的に含んでいない」とは、水銀の封入量が０ｍｇである場合に限らず、従来の水銀入りの放電ランプと比較して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る場合を含む意味に解釈すべきである。

シール部１２には、電極マウント２が封着されている。電極マウント２は、金属箔２１、電極２２、コイル２３およびリード線２４により構成されている。

金属箔２１は、例えば、モリブデンからなる薄い金属板であり、その板状の面がシール部１２の板状の面と平行するように配置されている。

電極２２は、例えば、タングステンに酸化トリウムをドープした、いわゆるトリエーテッドタングステンにより構成された棒状の部材である。その直径Ｒは、０．２３〜０．３３ｍｍ、特には０．２６〜０．３１ｍｍである。その一端は金属箔２１の発光部１１側の端部に載置された状態で溶接されており、他端は放電空間１１１内に突出され、所定の距離を保って互いの先端部同士が対向するように配設されている。この所定の距離とは、外管５を通して観察したときに３．７〜４．２ｍｍの範囲である。なお、電極２２の形状は、径が管軸方向に略一定の直棒状に限らず、先端部の径を基端部の径よりも大きくした非直棒状のもの、先端が球体であるもの、直流点灯タイプのように一方の電極径と他方の電極径が異なる形状であってもよい。また、電極材料は、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であってもよい。

コイル２３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２２の軸部の軸周りに螺旋状に巻装されている。

リード線２４は、例えば、モリブデンからなる金属線である。リード線２４の一端は、発光部１１から遠方側の金属箔２１の端部に載置された状態で接続されており、他端は発光管１の外部まで管軸に略平行に延出されている。ランプの前端側に延出されたリード線２４には、例えば、ニッケルからなるＬ字状のサポートワイヤ２５の一端がレーザ溶接により接続されている。このサポートワイヤ２５には、発光管１と平行に延在する部位に、例えば、セラミックからなるスリーブ３が装着されている。

上記で構成された発光管１の外側には、発光管１と同心状に筒状の外管４が設けられている。これら内外管の接続は、発光管１の円筒部１４付近に外管４を溶着することにより行なわれている。すなわち、バーナーＢＮの両端部には、溶着部４１が形成されており、発光管１と外管４との間には気密に保たれた空間が形成されている。この空間には、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が１ａｔｍ以下、望ましくは０．２ａｔｍ以下の圧力で封入されている。なお、外管４としては、チタン、セリウム、アルミニウム等の酸化物を添加した石英ガラスなど、発光管１に熱膨張係数が近く、かつ紫外線遮断性を有する材料を使用するのが望ましい。

これらで構成されたバーナーＢＮの後端側には、金属バンド５が設けられている。この金属バンド５は、例えばステンレスからなる金属板を外管４の外周面に沿うように成形したものであり、重なり合う金属部分を溶接することで、バーナーＢＮに固定されている。

金属バンド５付近には、直径が約３１ｍｍ、厚みが約２．５ｍｍである円盤状のフランジＦＬが配置されている。このフランジＦＬは、樹脂部６と金属部７とで構成されている。

樹脂部６は、ＰＰＳ、ＰＥＩなどの樹脂により成形されてなるものであり、フランジＦＬの周縁に位置している。このフランジＦＬの前端側の表面には、ポッチ部６１が３つ形成されている。ポッチ部６１は、寸法を測定する際の基点となる部分である。例えば、ポッチ部６１の先端から発光部１１内の電極間中心までの距離Ｄ１は、ランプのＬＣＬ（Light Center Length）として規定されている。距離Ｄ１は、例えば１８．０ｍｍである。従来は２７．１ｍｍであるので、短く設定されている。

金属部７は、ステンレスなどからなる金属板であり、樹脂部６に埋め込み形成されている。金属部７には、突片部７１、スリーブ保持部７２が形成されている。突片部７１は、金属部７の中央に設けられた空間の方向に突出形成された突片であり、等間隔で４つ形成されている。この突片部７１は、後端方向に斜めに折り曲げられており、その先端部において金属バンド５と溶接される。つまり、バーナーＢＮは突片部７１を介してフランジＦＬに保持されることになる。スリーブ保持部７２は、金属部７の中央方向に突出形成された金属板であり、その中央には円形の穴が形成されていて、その穴にはスリーブ３が挿通されている。

フランジＦＬの後端側にはベース８が配置されている。ベース８は、例えばステンレス、鉄、ニッケル、アルミニウムなどからなる中空の筐体であり、その前端側にはフランジＦＬが接続されている。その接続は、ベース８の前端側に突出するように設けられたリング８１とフランジＦＬの金属部７とを、例えばレーザ溶接することで行われている。ベース８の内部には、イグナイタと呼ばれる始動点灯回路とバラストと呼ばれる安定点灯回路が配置される（図示なし）。始動点灯回路や安定点灯回路は、放電ランプの始動および放電ランプの安定点灯に必要なトランスやコンデンサなどの回路素子や金属端子を内部に備えた公知の回路である。

このように構成されたメタルハライドランプは、ランプの管軸Ａ−Ａ’が略水平になるように、またサポートワイヤ２５が下方に位置するように灯具（図示なし）に取り付けられて、始動時は安定点灯時の２倍以上の電力、安定時は電力は２３〜２７Ｗ、特に２５Ｗで点灯される。

ここで、本実施形態では、発光部１１の最大外径部の肉厚をｄ１、端部の肉厚をｄ２としたとき、１．６ｍｍ≦ｄ１≦１．８ｍｍ、かつ０．７５≦ｄ２／ｄ１≦０．９５を満たす構造になっている。この構造により、発光部１１によるレンズ効果を低減することができる。レンズ効果とは、例えば、図３に示す実際の電極間距離（以下、実質ギャップ）Ｇ１を３．７ｍｍとしたときに、図４に示す外観の電極間距離（以下、外観ギャップ）Ｇ２は４．２ｍｍになるような効果のことである。つまり、本実施形態では、実質ギャップＧ１と外観ギャップＧ２の長さの差を小さくすることで、外観ギャップＨ２を規格上限内の長さにしながら、実質ギャップＧ１をできる限り広げることができる。なお、肉厚ｄ２は、発光部１１とシール部１２との境界点をＰ１、境界点Ｐ１から円錐状部１１１２に対して垂線を引いたときの円錐状部１１１２上の点をＰ２としたとき、その境界点Ｐ１と点Ｐ２との間の発光部１１の肉厚であり、例えばＸ線写真から測定することができる。

以下に、本実施形態の一実施例を示す。
（実施例）
発光部１１；石英ガラス製、放電空間１１１の内容積＝１８．４ｍｍ^３、最大内径ｒ１＝２．２ｍｍ、最大外径＝５．５ｍｍ、肉厚ｄ１＝１．６５ｍｍ、肉厚ｄ２＝１．２４ｍｍ（∴ｄ２／ｄ１＝０．７５）、長手方向の球体長＝７．８ｍｍ、円筒状部１１１１の長さＬ３＝３．９５ｍｍ、円錐状部１１１２の長さＬ４＝１．８５ｍｍ（∴Ｌ４／Ｌ３＝０．４７）、円錐状部１１１２の角度α＝１８°、
シール部１２；肉厚＝２．８ｍｍ、幅＝４．１ｍｍ、
金属ハロゲン化物１５；ＳｃＩ_３、ＮａＩ、ＺｎＩ_２、ＩｎＢｒ（＝４７．５：４７．５：４．７５：０．２５）、合計＝０．２ｍｇ、
希ガス；キセノン、ガス圧＝１３ａｔｍ、
水銀；０ｍｇ、
金属箔３１；モリブデン製、長さ×幅＝６．５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚さ＝０．０２ｍｍ、
電極３２；トリエーテッドタングステン製、直径Ｒ＝０．３０ｍｍ、実質ギャップＧ１＝３．７５ｍｍ、外観ギャップＧ２＝４．２ｍｍ、（∴Ｇ２／Ｇ１＝１．１２）
コイル３３；ドープタングステン製、線径＝０．０９ｍｍ、ピッチ＝２００％、電極軸におけるコイル巻装長＝３．５ｍｍ、
リード線３４；モリブデン製、直径＝０．４ｍｍ、
外管５；内径＝７．０ｍｍ、肉厚＝１．０ｍｍ、
外管５の内部に封入されたガス＝窒素、封入圧力＝０．１ａｔｍ。

上記構成のメタルハライドランプ（以下、実施例）を点灯したところ、始動直後のランプ電圧Ｖ_０は２４Ｖ、始動時電力は６０Ｗが供給され、始動４秒後の光束は１０００ｌｍを超えており、光束立ち上がりが早いことが確認された。なお、始動直後のランプ電圧Ｖ_０とは、図５に示すように、絶縁破壊直後のランプ電圧が最も低くなったときの電圧である。

この実施例のランプのように、始動時におけるランプの光束立ち上がりを早めるには、発光部温度を速やかに上昇させるべく、高電力を供給することが重要である。しかし、発光管と回路との距離が短いメタルハライドランプは、温度的に厳しい設計になるため、大電流を流すことが困難になる。電流値が制限されると、始動時に高電力を供給できなくなり、光束立ち上がりが遅くなる。このような電流値が制限されたランプにおいて、高電力を供給するには、そのときのランプ電圧、特に始動直後のランプ電圧Ｖ_０を高くすればよい。

始動直後のランプ電圧を高くする方法の一つとして、実質ギャップＧ１を広げる方法がある。例えば、実質ギャップＧ１を０．５ｍｍ広げると、始動直後のランプ電圧Ｖ_０を０．５Ｖ程度上昇させることができる。しかし、外観ギャップＧ２は、規格で上限が決まっているため、実質ギャップＧ１もその範囲内でしか設計することはできない。そこで、発光部１１のレンズ効果を変化させるべく、発光部１１の中央の肉厚ｄ１と端部の肉厚ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）の異なるランプを作成し、試験を行った。その結果を図６に示す。

まず、発光部１１の中央の肉厚ｄ１と端部の肉厚ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）に着目した場合、ｄ２／ｄ１が０．６５以下では、始動直後のランプ電圧Ｖ_０が低くなる傾向がみられる。これは、レンズ効果の低減効果が低いために、実質ギャップＧ１を広くできず、外観ギャップＧ２／実質ギャップＧ１が大きいためである。始動直後のランプ電圧Ｖ_０が低いと、始動時に高電力を供給するには、高電流を供給する必要がある。その電流値がランプに供給可能な電流値の制限を超える場合には、所定の電力を供給できなくなり、光束立ち上がり等に影響を及ぼす可能性がある。

一方、ｄ２／ｄ１が１．０５以上では、光束立ち上がりが遅くなる傾向がみられる。これは、発光部１１全体の肉量が多くなり、始動時の発光部１１の温度上昇が遅くなるためである。なお、肉厚ｄ１が１．９ｍｍ以上では、ｄ２／ｄ１に関係なく、光束立ち上がりが遅い。また、発光部１１の肉厚ｄ１に着目した場合、肉厚ｄ１が１．５ｍｍ以下であると、短寿命の傾向がみられる。これは、当該肉厚部分は点灯中に最も高温となる箇所であり、肉厚ｄ１が１．５ｍｍ以下であると、温度が上がりすぎるためである。

以上から、発光部１１の最大外径部の肉厚をｄ１、端部の肉厚をｄ２としたとき、１．６ｍｍ≦ｄ１≦１．８ｍｍ、かつ０．７５≦ｄ２／ｄ１≦０．９５を満たすことが重要である。この関係を満たすことで、始動直後のランプ電圧Ｖ_０を高め、光束立ち上がりを早めつつ、寿命を長くすることができる。

なお、本実施形態の発明においては、次のような構成と組み合わせるとさらに良い。

円錐状部１１１２の角度αは、１６°≦α≦３５°、特には１６°≦α≦２１°であるのが望ましい。これは、一般的に角度αが小さいほどレンズ効果が大きくなる傾向があり、よって角度αはレンズ効果に影響を与えるためである。なお、同様の理由から、円筒状部１１１１と円錐状部１１１２の長さの比であるＬ４／Ｌ３は、０．４≦Ｌ４／Ｌ３≦０．６であるのが望ましい。また、電極１２の先端部は、円筒状部１１１１と円錐状部１１１２の境界部分と同等の位置、具体的にはその境界部分に対して±１．０ｍｍに配置するのが望ましい。

発光部１１の肉厚ｄ２は、１．０ｍｍ≦ｄ２≦１．４ｍｍであるのが望ましい。また、放電空間１１１の内径ｒ１は１．９〜２．３ｍｍ、容積は１６〜２１ｍｍ^３であり、希ガスであるキセノンの圧力は１２〜２０ａｔｍであり、発光部１１と一対のシール部１２との境界間における発光部１１の長さＬ１は、７．５〜８．２ｍｍであるのが望ましい。これらの構成も発光部１１の肉厚ｄ１と同様、光束立ち上がりや寿命に影響を与えるためである。

この実施形態では、放電空間は、円筒状部１１１１と、円筒状部１１１１の両端部に形成され、円筒状部１１１１からシール部１２の方向に向かって縮径してなる一対の円錐状部１１１２と、を備えており、発光部１１の最大外径部の肉厚をｄ１、発光部１１とシール部１２との境界点Ｐ１から円錐状部１１１２に対して垂線を引いたときの円錐状部１１１２上の点Ｐ２と、境界点Ｐ１との間の発光部１１の肉厚をｄ２としたとき、１．６ｍｍ≦ｄ１≦１．８ｍｍ、かつ０．７５≦ｄ２／ｄ１≦０．９５を満たすことで、光束立ち上がりが早く、かつ点灯直後のランプ電圧Ｖ_０が高く、長寿命なメタルハライドランプを提供することができる。その際、円錐状部１１１２の角度αは、１６°≦α≦３５°、発光部１１の肉厚ｄ２は、１．０ｍｍ≦ｄ２≦１．４ｍｍを満たすのが望ましい。

本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、メタルハライドランプは、イグナイタのみを備えるタイプのランプであったり、図７のように、点灯回路を含まないタイプのランプであったりしてもよい。また、フランジＦＬは、実質的に金属のみからなるものであったり、実質的に樹脂のみからなるものであったりしてもよい。

円錐状部１１１２は、完全な円錐状である必要はなく、弧状であったり、段階的に数回曲がるような形状であったり、多少凸凹があるような形状であってもよい。要は、境界点Ｐ１から垂線を引くことが可能な程度に、縮径する形状であればよい。

金属ハロゲン化物１５の組合せは実施例のものに限らず、さらにスズ、セシウムのハロゲン化物等を追加してもよいし、亜鉛のハロゲン化物を削除するなどしてもよい。また、金属ハロゲン化物に結合されるハロゲンとしてはヨウ素や臭素に限らず、塩素などを組み合わせてもよい。また、希ガスとしては、キセノンに限らず、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。

この発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。

ＢＮバーナー
１１発光部
１１１放電空間
１１１１円筒状部
１１１２円錐状部
１２シール部
１５金属ハロゲン化物
２２電極

Claims

内部に放電空間を有する発光部、前記発光部の両端に形成された一対のシール部を備える発光管と、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と、一端側は前記シール部内に封着され、他端側は前記放電空間内で対向するように配設された一対の電極と、を具備し、安定点灯時に、前記一対の電極間に２３〜２７Ｗの電力が供給される水銀不含の車両用のメタルハライドランプであって、
前記放電空間は、円筒状部と、前記円筒状部の両端部に形成され、前記円筒状部から前記シール部の方向に向かって縮径してなる一対の円錐状部と、を備えており、
前記発光部の最大外径部の肉厚をｄ１、前記発光部と前記シール部との境界点から前記円錐状部に対して垂線を引いたときの前記円錐状部上の点と、前記境界点との間の前記発光部の肉厚をｄ２としたとき、１．６ｍｍ≦ｄ１≦１．８ｍｍ、かつ０．７５≦ｄ２／ｄ１≦０．９５を満たすメタルハライドランプ。
前記電極の軸に対する前記円錐状部の母線の角度をαとしたとき、１６°≦α≦３５°を満たす請求項１に記載のメタルハライドランプ。
前記発光部の肉厚ｄ２は、１．０ｍｍ≦ｄ２≦１．４ｍｍである請求項１または請求項２に記載のメタルハライドランプ。
前記放電空間の円筒状部の内径ｒ１は１．９〜２．３ｍｍ、前記放電空間の容積は１６〜２１ｍｍ^３であり、前記希ガスの圧力は１２〜２０ａｔｍであり、前記発光部と前記一対のシール部との境界間における前記発光部の長さＬ１は、７．５〜８．２ｍｍである請求項１〜３の何れか一に記載のメタルハライドランプ。