(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともキセノンガスおよび金属ハロゲン化物が封入された放電空間を有する放電管と、前記放電空間に突出して対向する一対の電極と、前記電極に電流を供給する電流供給導体と、前記発光管を外囲する外管とを備えたメタルハライド放電灯において、
前記放電空間には、水銀を実質的に含まず、
前記放電管と外管の間の空間には、放電管の放電開始電圧よりも低い開始電圧をもつ誘電体バリア放電が可能なガスを封入している、ことを特徴とするメタルハライド放電灯。
【請求項２】
前記誘電体バリア放電が可能なガスが、
Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２、Ｎ２から選択された少なくとも１種のガスまたは複数種の混合ガスであることを特徴とする請求項１記載のメタルハライド放電灯。
【請求項３】
前記誘電体バリア放電が可能なガスの圧力が、
常温において４０［ｋＰａ］から８０［ｋＰａ］の範囲であることを特徴とする請求項１、２記載のメタルハライド放電灯。
【請求項４】
前記放電管が石英ガラスからなり、
前記誘電体バリア放電が可能なガスが、誘電体バリア放電により１７０ｎｍ以上の波長の光を発生することを特徴とする請求項１に記載のメタルハライド放電灯。
【請求項５】
前記誘電体バリア放電が可能なガスは、キセノンガスであり、前記放電空間には前記キセノンガスを３気圧以上として封入していることを特徴とする請求項４に記載のメタルハライド放電灯。
【請求項６】
前記外管は紫外線を吸収し、前記放電管は紫外線を透過することを特徴とする請求項１または請求項４に記載のメタルハライド放電灯。
【請求項７】
少なくともキセノンガスおよび金属ハロゲン化物が封入された放電空間を有する放電管と、前記放電空間に突出して対向する一対の電極と、前記電極に電流を供給する電流供給導体と、前記発光管を外囲する外管とを備えたメタルハライド放電灯であって、前記放電空間には、水銀を実質的に含まず、前記放電管と外管の間の空間には放電管の放電開始電圧よりも低い開始電圧をもつ誘電体バリア放電が可能なガスを封入しているメタルハライド放電灯の始動方法において、
前記一対の電極への電界の印加により、前記放電空間での放電開始による発光の前に、前記誘電体バリア放電可能なガスを放電させることを特徴とするメタルハライド放電灯の始動方法。
【請求項８】
前記誘電体バリア放電により発生した光を前記発光管の放電空間に突出した電極表面に入射させ、光電効果により前記電極表面から電子を放出させることを特徴とする請求項７記載のメタルハライド放電灯の始動方法。
【請求項９】
前記電子が初期電子として電子なだれを誘起して放電を開始することを特徴とする請求項７記載のメタルハライド放電灯の始動方法。
【請求項１０】
前記メタルハライド放電灯が、前記放電管と外管の間の空間に空気を封入した場合にくらべて低い開始電圧で点灯することを特徴とする請求項７に記載のメタルハライド放電灯。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明による高圧放電灯は、始動電圧の低い光源として幅広い用途に用いられる。特に、バッテリー電圧を高圧に変換して用いなければならない車両用の光源に適している。
【従来の技術】
【０００２】
一般に、自動車の前照灯などに用いられるメタルハライドランプなどの高圧放電灯は、発光管の内部に水銀、少なくとも１種類の金属ハロゲン化物および始動ガスを封入し、紫外線吸収性の材料からなる外管によって発光管を外囲する２重管構造として構成されている。
【０００３】
日本特開平６−２０６４５号公報には、ダブルエンドタイプの発光管を片側のみに設けた口金で取り付ける構造が示されている。直管状の外管が、口金と反対側の封止部から口金に回帰する電流供給導線を外囲せず、狭い間隙をもって発光管を外囲する構造とすることによって、耐振性や耐衝撃性に優れた２重管構造が得られている。外管は必ずしも気密に封じられる必要はなく、外管と発光管の間の空間には空気が存在している。
【０００４】
自動車の前照灯などに用いられるメタルハライドランプにおいては、始動の直後から有効な光束を発生する必要から、始動ガスとしてＸｅなどの希ガスを室温において約７気圧から１０数気圧の圧力で封入している。それにより、始動直後からＸｅガスによる発光が得られるとともに、高温のアークが発光管を急速に加熱して水銀や金属ハロゲン化物の蒸発を促進して、素早い光束の立上りを実現している。また、キセノンランプでは、始動ガスも兼ねるキセノンガスが約２０気圧で封入され、素早い光束の立上りを実現している。
【０００５】
【発明が解決するための課題】
しかしながら、キセノンを含む高圧放電灯において、自動車用で７気圧から１０数気圧、キセノンランプで約２０気圧の高い始動ガスの圧力は、必然的に少なくとも１０数ｋＶ以上の高い駆動電圧を必要とするため、駆動電源は２０ｋＶ以上もの高い始動電圧を発生させている。このような高い電圧は、駆動回路のコストアップをもたらし、また、発光管の各部や接続されるハーネスなどに高い絶縁耐圧を要求し、さらには、口金付近からのノイズの発生により外部機器に障害を与えることもある。
【０００６】
また、高い始動電圧を印加し、始動ガスを利用して点灯させる放電灯においては、始動電圧が高ければ、再始動電圧も必然的に高くなってしまう。そのため、始動電圧を低下させる手段が検討されてきたが、始動電圧を大幅に低減できるような方法はこれまで見出されて来なかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、放電灯に関するもので特に前記した問題を解決するために、高圧放電灯の始動電圧及び再始動電圧を著しく低下させることのできるランプ構造及び点灯方法を提供する。これにより、駆動装置のコストを低下させることができ、また、口金やハーネスの絶縁耐圧を抑制することができる。
【０００８】
本発明の高圧放電灯は、始動電圧のバラツキ、例えば点灯時間による経時変化、を著しく抑えることが可能である。また、低く一定した始動電圧により、不点灯不良が低減し、製造歩留まりも向上する。
【０００９】
本発明は、少なくともキセノンおよび金属ハロゲン化物が封入された放電空間を有する放電管と、前記放電空間に突出して対向する一対の電極と、前記電極に電流を供給する電流供給導体と、前記発光管を外囲する外管とを備えたメタルハライド放電灯において、前記放電空間には、水銀を実質的に含まず、前記放電管と外管の間の空間には、放電管の放電開始電圧よりも低い開始電圧をもつ誘電体バリア放電が可能なガスを封入している、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記誘電体バリア放電が可能なガスが、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２、Ｎ２から選択された少なくとも１種のガスまたは複数種の混合ガスであることを特徴としてもよい。
【００１１】
また、本発明は、前記誘電体バリア放電が可能なガスの圧力が、常温において４０［ｋＰａ］から８０［ｋＰａ］の範囲であることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、本発明は、放電管が石英ガラスからなり、前記誘電体バリア放電が可能なガスが、誘電体バリア放電により１７０ｎｍ以上の波長の光を発生することを特徴としてもよい。
【００１３】
また、本発明は、前記誘電体バリア放電が可能なガスが、キセノンガスであり、前記放電空間には前記キセノンガスを３気圧以上として封入していることを特徴としてもよい。また、本発明は、前記外管は紫外線を吸収し、前記放電管は紫外線を透過することを特徴としてもよい。
【００１４】
また、本発明は、少なくともキセノンガスおよび金属ハロゲン化物が封入された放電空間を有する放電管と、前記放電空間に突出して対向する一対の電極と、前記電極に電流を供給する電流供給導体と、前記発光管を外囲する外管とを備えたメタルハライド放電灯であって、前記放電空間には、水銀を実質的に含んでいず、前記放電管と外管の間の空間には放電灯の始動電圧を低下させるべく放電管の放電開始電圧よりも低い開始電圧をもつ誘電体バリア放電が可能なガスを封入しているメタルハライド放電灯の始動方法において、前記一対の電極への電界の印加により、前記放電空間での放電開始による発光の前に、前記誘電体バリア放電可能なガスを放電させることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、本発明は、前記誘電体バリア放電により発生した光を前記発光管の放電空間に突出した電極表面に入射させ、光電効果により前記電極表面から電子を放出させることを特徴としてもよい。また、本発明は、前記電子が初期電子として電子なだれを誘起して放電を開始することを特徴としてもよい。
【００１６】
さらに、本発明は、前記メタルハライド放電灯が、前記放電管と外管の間の空間に空気を封入した場合にくらべて低い開始電圧で点灯することを特徴としてもよい。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下本発明の望ましい実施形態に対して説明する。図１及び図２に示されるのは本発明の全ての実施例において使用された高圧放電灯である。１は、発光管であり、２は、発光管内の放電空間である。また、３ａ、３ｂは、放電空間２内の一対の電極であり、一方を陽極とすると他方は陰極である。５ａ、５ｂは、３ａ、３ｂの電流供給導体を示し、４ａ、４ｂは、夫々の封止部である。６は、発光管１から延びる電極を口金に回帰する電流供給導線である。また、７は口金であり、外部電極６がセラミックパイプ１０を通し口金７まで延びている。なお、８の外管と１の発光管で囲まれる空間を９としている。図１の高圧放電灯の定格電力は３５Ｗ，放電空間２には、少なくとも一種類の希ガスとしてキセノンガス、及び少なくとも一種類のメタルハライドを含んでいる。放電空間の内容積は約０．０２６ｃｃである。
【００１８】
発光管１と外管８の間の空間９内には誘電体バリア放電を発生させる物質Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２、Ｎ２から選択された少なくとも１種のガスまたは複数種の混合ガスが充填されている。
【００１９】
以下本発明の高圧放電灯の始動方法を説明する。高圧放電灯に起動パルスが印加されると、発光管１の放電空間に突出した一対の電極間に起動パルスが印加されるが、同時に、発光管の封止部４ａ、４ｂに埋設された電流供給導体５ａ、５ｂから封止部４ａ、４ｂを構成する石英ガラスなどの誘電体を介して、空間９にも電界が印加される。
【００２０】
空間９には、誘電体バリア放電の発生に好適なガスが封入されている。発光管１の放電開始電圧よりも、誘電体バリア放電の開始電圧が低ければ、放電空間２内の放電よりも先に、誘電体バリア放電が発光管１と外管８の間の空間９内で、例えば数［ｋＶ］の低電圧で開始される。
【００２１】
誘電体バリア放電が発生すると、その放電空間に封入したガス種によって異なる波長の紫外線や可視光が発生する。ガスの種類と発生する光の波長は公知であり、表１に示す。
0003596812.tif 000002
なお、封入されたガスが、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２から選択された１種のガスまたは複数種からなるガスの混合ガスである場合には、発生する誘電体バリア放電はエキシマ放電と推定される。表１の※は励起子であることを示す。Ｎ２ガスの放電機構については不明であるが、発明者の実験によれば、誘電体バリア放電を発生させる物質として知られているＸｅ，Ｎｅ等と同様の効果が得られた。
【００２２】
高圧放電灯の発光管１の材料は誘電体が用いられるが、例えば、３５Ｗメタルハライドランプに用いられる高純度の石英ガラスの場合、短波長側の吸収端は約１７０［ｎｍ］であり、誘電体バリア放電により発生した光の波長がこれより長ければ、光は発光管１の管壁を透過して電極３ａ，３ｂの表面に到達することができる。なお、外管８は紫外線を吸収する材料をドープした石英ガラスなどで構成されるため、短波長の紫外線が高圧放電灯の外部に放出されることはない。
【００２３】
一対の電極３ａ、３ｂは、酸化トリウムなどを含んだタングステンで構成され、その仕事関数は約２．５［ｅＶ］程度である。このエネルギーに相当する光の波長は、４９６［ｎｍ］と計算され、これより波長の短い光であれば、光電効果により電極から電子を放出させることができる。実際には、電極３ａ、３ｂの表面に発光材料が付着したり、酸化トリウムの分散が適切でないなどの理由で仕事関数が増加することもあるため、光の波長は短い方が好ましい。また、光子のエネルギーから仕事関数に相当するエネルギーを差し引いた分のエネルギーは、発生した電子の運動エネルギーとして与えられるため、短波長の光は一層好適である。
【００２４】
誘電体バリア放電は自続放電（ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ではないため、放電が開始されても放電電圧はほとんど下がらず、発光管１の電極間には数［ｋＶ］の電圧が印加され続ける。この状態で外側の誘電体バリア放電で発生した光が陰極である電極３ａに入射して電子（初期電子）が発生すると、電子は電界によって陽極である電極３ｂ側に加速される。このとき、初期電子の数や運動エネルギーが十分であれば、電子なだれが発生して、放電空間内の希ガス中に放電路（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｃｈａｎｎｅｌ）が開かれる。
【００２５】
すなわち、発光管１の放電が空間９の誘電体バリア放電の放電開始電圧で開始されることになり、発光管１と外管８の間の空間９に空気が存在する従来の場合よりも、著しく始動電圧を低下させることができる。なお、再始動時においても、空間９での誘電体バリア放電を介して放電空間２内で放電が開始されるため、同様に再始動電圧も低くなる。
【００２６】
また、金属ハロゲン化物などを含む高圧放電灯においては、繰り返し点灯したときの始動電圧、および経時変化により同一個体でも始動電圧が大きくばらつくことが問題となるが、誘電体バリア放電の開始電圧はほとんど変動しないため、本発明の高圧放電灯は、始動電圧をほぼ一定の値に抑えることができる。
【００２７】
本発明の高圧放電灯の始動方法は、発光管１の封止部４ａ、４ｂに埋設された電流供給導体５ａ、５ｂから、前記封止部の石英ガラスまたは透光性セラミックスなどの誘電体を介して発光管１と外管８の間の空間９に電界を印加して、前記空間９に誘電体バリア放電を発生させ、発生した光を前記発光管１の放電空間２に突出した陰極となる電極３ａの表面に入射させ、光電効果により前記電極３ａ表面から電子を放出させ、この電子を初期電子として電子なだれを誘起して放電を開始することを特徴としている。
【００２８】
次に本実施例に関わる実験の結果について述べる。図１に示す構造において放電空間２に沃化ナトリウム（ＮａＩ）、及び沃化スカンジウム（ＳｃＩ３）を重量比で２：１の割合で含み、始動ガスとしてＸｅを約１０気圧で封入し、発光管１と外管８の間の空間９にはＸｅガスを約１０［ｋＰａ］の圧力で封入したサンプルを製作した。また、放電灯の定格電力は３５［Ｗ］とした。
【００２９】
この放電灯の始動電圧及び再始動電圧を測定し、その後外管８の一部に穴を開け、発光管と外管の間の空間９を空気に置換して再度始動電圧及び再始動電圧を測定した。再始動電圧は、放電灯の定常点灯状態から１０秒間の消灯を行い再点灯した場合について測定を行った。なお、放電開始電圧は起動パルスの立上り曲線によって影響されることが判明しており、ここではパルス立上りの傾き（注：起動パルス電圧上昇率のこと）を１５［ｋＶ／μｓ］で一定として実験を行った。上記条件で、放電空間２に水銀が含まれていない場合の、始動電圧の測定結果を表２（ａ）に、再始動電圧の測定結果を表２（ｂ）に示す。
0003596812.tif 000003
【００３０】
発光管１と外管８の間の空間９にＸｅガスを封入した場合には、始動電圧が空気の場合よりも著しく低下した。
【００３１】
また、発光管１と外管８の間の空間９にＮ２ガスを約７９［ｋＰａ］の圧力で封入した以外は上記と同一のサンプルを製作し、同様の実験を行った。この条件で、放電空間２に水銀が含まれていない場合の、始動電圧の測定結果を表３（ａ）に、再始動電圧の測定結果を表３（ｂ）に示す。
0003596812.tif 000004
【００３２】
発光管１と外管８の間の空間９にＮ２ガスを封入した場合には、Ｘｅガスを封入した場合には劣るものの、始動電圧を低減する上で十分な効果があった。さらに、発光管１と外管８の間の空間９にＸｅ／Ｎｅの混合ガスを封入比２０：８０、合計約７９［ｋＰａ］の圧力で封入した以外は上記と同一のサンプルを製作し、同様の実験を行った。この条件で、放電空間２に水銀が含まれていない場合の、始動電圧の測定結果を表４（ａ）に、再始動電圧の測定結果を表４（ｂ）に示す。
0003596812.tif 000005
また、発光管１内の封入物としてさらに水銀を含む以外は上記と同一のサンプルを製作し、その実験結果を表５に示す。
0003596812.tif 000006
0003596812.tif 000007
0003596812.tif 000008
【００３３】
封入物としてさらに水銀を加えたサンプルでは、発光管１と外管８の間の空間９にＸｅガス、Ｎ２ガス、Ｘｅ／Ｎｅガスを封入した場合には再始動電圧が空気の場合よりも低下した。
【００３４】
また、表２、表３、表４の、放電空間２内に水銀を含まない実施例において、放電灯の再始動電圧は発光管１と外管８の間における空間９のガスの種類によらず、約６〜８［ｋＶ］であり、同様に、再始動電圧の低下傾向を示した。しかし、水銀を含む放電灯と比較して、その効果は小さい。これは、放電灯消灯後も高い圧力で存在する水銀が放電空間２内に無いため、放電空間２内に存在する電子に、再始動の際の再始動電圧は大きく影響されるためと考えられる。消灯後、放電空間２内に残っている電子は、再始動時初期電子として作用する。放電灯の再始動にあたって、放電空間２内において、そのような電子は、空間９の誘電体バリア放電によって発生し電極３ａもしくは３ｂに入射する初期電子と同等の量で存在することも有り得る。
【００３５】
また、表５の水銀を含む放電灯の始動電圧は、表２、表３、表４に示す水銀を含まない放電灯の始動電圧と同等であった。よって、放電空間２に水銀を含むか否かにかかわらず、誘電体バリア放電を起こす物質として知られているＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２から選択した１種のガスまたは複数種からなるガスの混合気体を、発光管１と外管８の間の空間９に封入した場合も、Ｘｅ，Ｎ２の場合と同様、発光管１の始動電圧及び再始動電圧を下げる効果が得られる。なお、誘電体バリア放電は、その開始から放電空間２内の放電が開始されるまでの時間が極めて短時間（１ｍｓｅｃ未満）のため、問題となるような放電空間２内の放電開始の遅れは発生しない。また、本発明の誘電体バリア放電を用いた高圧放電灯の始動方法によれば、始動電圧の経時変化を低減することができる。図３に、放電空間２内に水銀を含まず、空間９に封入されるガスがそれぞれＸｅ，Ｎ２，Ｘｅ／Ｎｅの図１の放電灯における始動電圧の経時変化の測定結果を示す。空間９に空気を含む従来例と比べて、空間９に誘電体バリア放電を起こすガスを封入した高圧放電灯では、始動電圧の経時変化は小さく、低減効果が持続することが確認された。
【００３６】
発光管１と外管８の間の空間９に封入されるガスの封入圧力については、空間９で誘電体バリア放電を効率良く発生させ、かつ誘電体バリア放電開始電圧が放電空間２内での放電開始電圧より低くなるよう適宜設定される。誘電体バリア放電を効率良く発生させるガスの封入圧力については、１．３［ｋＰａ］以上１００［ｋＰａ］以下の圧力範囲が好適である。誘電体バリア放電は、１．３［ｋＰａ］以下だと発光効率が悪いことが知られている。また、封入圧力が１００［ｋＰａ］以上の場合は負圧でなくなるため、外管８と封止部４の封着が困難である。空間９に封入されるガス種およびガス圧力の選定にあたっては、発光管の温度バランスや発光効率などを考慮して、最適なガス種およびガス圧力を選定することができる。発明者の実験の結果によれば、より好適には、空間９に封入されるガス圧力は、４０〜８０［ｋＰａ］の範囲であることが望ましい。４０［ｋＰａ］未満であると、ガスによる熱の伝達が減少するので、発光管１の温度が高くなり、化学反応が促進され、短寿命となってしまう。また、８０［ｋＰａ］を越えなければ特別な方法を使わなくても容易に外管８と封止部４ａ、４ｂの封着ができる。
【００３７】
発光管１内の放電空間２に封入される希ガスの圧力に関しては、キセノンガスが放電空間２に封入される場合、放電空間２内のＸｅガス圧力が３気圧未満の場合には、発光管の始動電圧が誘電体バリア放電の開始電圧と同等のレベルとなってしまうため、十分に始動電圧低下の効果が得られない。
【００３８】
このように、誘電体バリア放電を利用することで、低電圧の印加で発光管１内のアーク放電を引き起こし、始動電圧の低い高圧放電灯が得られる。なお、始動電圧が低く押さえられるため、放電安定性等の制御も容易になる。
【００３９】
以上は、発光管１を透光性セラミックスなどの誘電体などで構成した場合にも同様の効果を得ることができる。本発明は、希ガスを封入した発光管を有する高圧キセノン放電灯や高圧メタルハライド放電灯などの高圧放電灯に広く適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、希ガスを含む高圧放電灯の始動電圧を著しく低下させることができる。それに伴って、駆動装置のコストを低下させることができ、また、口金やハーネスの絶縁耐圧を下げて、さらにコストを抑制することができる。加えて、始動時に高電圧を印加することにより口金付近から生じるノイズも低下するため、周囲機器への影響を防ぐことができる。
【００４１】
一方で、本発明の高圧放電灯は、始動電圧のバラツキを抑えることが可能でありまた、低く一定した始動電圧により、万一の不点灯などの事故の発生を未然に防ぐことができる。不点灯不良が低減することにより製造歩留まりも向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する高圧放電灯及び高圧放電灯の第一の実施形態を示す側面図である。
【図２】第１図のＡ−Ａ断面図の要部拡大図を示す図である。
【図３】本発明の高圧放電灯において、外管と発光管の間に形成される空間に異なるガスを封入した場合の始動電圧の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１、・・・発光管
２、・・・放電空間
２ａ・・・口金付近の封止部
２ｂ・・・封止部
３、・・・一対の電極
３ａ・・・一次電極（陰極）
３ｂ・・・二次電極（陽極）
４、・・・封止部
４ａ・・・一次封止部
４ｂ・・・二次封止部
５、・・・電流供給導体
５ａ・・・一次電流供給導体
５ｂ・・・二次電流供給導体
６、・・・電流供給導線
７、・・・口金
８、・・・外管
９、・・・空間
【図１】
0003596812.tif 000009
【図２】
0003596812.tif 000010
【図３】
0003596812.tif 000011