(57)【要約】  本発明の車両用の水銀フリーメタルハライドランプは、内部に放電空間（１１１）を有する発光部（１１）を備えた気密容器（１）と、放電空間（１１１）に封入された金属ハロゲン化物（２）および希ガスと、放電空間（１１１）内で先端部が対設された一対の電極（３２）と、を具備しており、電極（３２）および放電空間（１１１）はトリウムを含んでおらず、安定点灯時にランプに供給される電力をＰ（Ｗ）、ランプ始動後１秒から４０秒までにランプに供給される電力の積算値をＷＬ（Ｗ）、電極３２の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｐ（Ｗ）が、２０≦Ｐ≦３０、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が、４３００≦ＷＬ／Ｄ≦７４００を満足する。これにより、ちらつきおよび電極変形を抑制可能な、従来よりも低電力で、かつトリウム等の放射性物質を含まない車両用の水銀フリーメタルハライドランプを提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に放電空間を有する発光部を備えた気密容器と、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、前記放電空間内で先端部が対設された一対の電極と、を具備し、  前記電極および前記放電空間はトリウムを含んでおらず、  安定点灯時にランプに供給される電力をＰ（Ｗ）、ランプ始動後１秒から４０秒までにランプに供給される電力の積算値をＷＬ（Ｗ）、前記電極の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｐ（Ｗ）が、２０≦Ｐ≦３０、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が、４３００≦ＷＬ／Ｄ≦７４００を満足する車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
【請求項２】
ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が、４９００≦ＷＬ／Ｄ≦６７００を満足する請求項１に記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
【請求項３】
ＷＬは１２００Ｗ〜１６００Ｗ、Ｄは０．２２ｍｍ〜０．３０ｍｍである請求項１または請求項２に記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
【請求項４】
前記発光部の内径Ｒは１．５〜２．３ｍｍ、前記発光部の肉厚Ｔは１．２〜１．８ｍｍ、前記発光部の内容積は１５〜２３ｍｍ３、前記金属ハロゲン化物の総封入量は０．０５〜０．２５ｍｇである請求項１〜請求項３の何れかに記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
【請求項５】
前記発光部の内径Ｒは１．８〜２．２ｍｍ、前記発光部の肉厚Ｔは１．４〜１．７ｍｍ、前記発光部の内容積は１７〜２１ｍｍ３、前記金属ハロゲン化物の総封入量は０．１０〜０．２０ｍｇである請求項１〜請求項３の何れかに記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプ。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れかに記載の車両用の水銀フリーメタルハライドランプと、  前記車両用の水銀フリーメタルハライドランプに、始動時は５０〜６０Ｗ、安定時は２０〜３０Ｗの電力を供給する点灯回路と、を具備するメタルハライドランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の実施形態は、自動車などの車両の前照灯に使用される水銀フリーメタルハライドランプおよびメタルハライドランプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  現在、車両の前照灯には、ショートアーク高圧放電タイプのメタルハライドランプが使用されるようになってきている。メタルハライドランプは、金属ハロゲン化物や希ガスが封入された発光管の内部に一対の電極が対設された構造である。【０００３】  このメタルハライドランプでは、ちらつきを抑制するために、放射性物質が使用される場合があった。例えば、トリウムを金属ハロゲン化物として放電空間中に封入したり、酸化トリウムを電極に混合したりしてきた。しかし、トリウムは環境負荷物質であるため使用しないのが望まれており、トリウムを使用しない、いわゆるトリウムフリー化が求められている。また、最近では、省電力化の要求もあり、ランプ電力が従来の３５Ｗから２５Ｗに低減された低電力のランプの提案がなされている。【０００４】  このように車両に用いられるランプにおいては、低電力かつトリウムフリーのランプが求められているが、このようなランプでは、トリウムを使わないことでちらつきが発生しやすくなるだけでなく、電極が変形しやすいことがわかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８６７４２号公報
【特許文献２】特表２０１０−５４１１２９号公報
【特許文献３】特表２０１０−５２１７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明が解決しようとする課題は、ちらつきおよび電極変形を抑制可能な、従来よりも低電力で、かつトリウム等の放射性物質を含まない車両用の水銀フリーメタルハライドランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を達成するために、実施形態の水銀フリー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を備えた気密容器と、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、前記放電空間内で先端部が対設された一対の電極と、を具備し、前記電極および前記放電空間はトリウムを含んでおらず、安定点灯時にランプに供給される電力をＰ（Ｗ）、ランプ始動後１秒から４０秒までにランプに供給される電力の積算値をＷＬ（Ｗ）、前記電極の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｐ（Ｗ）が、２０≦Ｐ≦３０、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が、４３００≦ＷＬ／Ｄ≦７４００を満足する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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。
【図２】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３】第１の実施形態のメタルハライドランプのランプ始動から５０秒までのランプ電力の変化について説明するための図である。
【図４】ＷＬ／ＤとちらつきＯＫ確率について説明するための図である。
【図５】ＷＬ／Ｄと４０秒以内にスポットが電極に発生する確率について説明するための図である。
【図６】電極の他の形状について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  （第１の実施形態）  図１および図２を参照して、第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第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り、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である。
【００１０】  本実施形態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もので、気密容器として内管１を備えている。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、ピンチシールにより形成された板状のシール部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。この内管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。また、シール部１２はシュリンクシールにより形成されることにより円柱状の形状であってもよい。
【００１１】  発光部１１の内部には、中央が略円柱状で、両端に向かってテーパ状となっている放電空間１１１が形成されている。放電空間１１１には、金属ハロゲン化物２および希ガスが封入されている。
【００１２】  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、臭化インジウムで構成されている。ただし、放射性物質であるトリウムのハロゲン化物等は含まれていない。金属ハロゲン化物２の総封入量は、ランプ電圧を好適な数値とする等のために、０．１ｍｇ〜０．３ｍｇとしている。なお、この金属ハロゲン化物２の組合せはこれに限らず、スズ、セシウムのハロゲン化物を追加するなどしてもよい。
【００１３】  希ガスは、キセノンが使用されている。この希ガスの圧力は、１２ａｔｍ〜１５ａｔｍである。なお、希ガスとしてはキセノンとネオン、アルゴン、クリプトンなどを組み合わせた混合ガスで使用することもできる。
【００１４】  ここで、本実施形態のランプは、水銀フリーメタルハライドランプである。この「水銀フリー」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である場合に限られず、従来の水銀入りのメタルハライド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。
【００１５】  発光部１１の両側に形成されたシール部１２には、それぞれ電極マウント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。
【００１６】  金属箔３１は、例えば、モリブデンからなる薄板状の部材である。
【００１７】  電極３２は、例えばアルミニウム、珪素、カリウムを微量にドープしたタングステン、いわゆるドープタングステンからなる棒状の部材である。その一端は金属箔３１の発光部１１側の端部に載置される形態で溶接されており、他端は放電空間１１１内に突出し、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対設されている。直径Ｄは、例えば０．２５ｍｍである。自動車前照灯の用途の場合には、電極３２同士の先端間の距離を、外管５を通して観察したときに３．７ｍｍ〜４．４ｍｍの範囲に位置決めするのが好ましい。
【００１８】  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ている。
【００１９】  リード線３４は、例えば、モリブデンからなる金属線である。リード線３４の一端は、発光部１１から遠位側の金属箔３１の端部に載置される形態で接続されており、他端は内管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、すなわちソケット６から遠位側に延出されたリード線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と平行に延在する部位に、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。
【００２０】  上記で構成された内管１の外側には、発光部１１を覆うように筒状の外管５が内管１とほぼ同心状に設けられている。これら内外管の接続は、内管１の円筒部１４付近に外管５の端部をそれぞれ溶着することにより行なわれている。内管１と外管５との間に形成された閉空間５１には、ガスが封入されている。このガスには、誘電体バリア放電可能なガス、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を使用することができる。ガスの圧力は０．３ａｔｍ以下、特に０．１ａｔｍ以下であるのが望ましい。なお、外管５としては、内管１に熱膨張係数が近く、かつ紫外線遮断性を有する材料で構成するのが望ましく、例えば、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を使用することができる。
【００２１】  外管５が接続された内管１の一端には、ソケット６が接続されている。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で把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８１、側部には側部端子８２が形成されており、底部端子８１と側部端子８２には、それぞれリード線３４とサポートワイヤ３５が接続されている。
【００２２】  これらで構成されたメタルハライドランプは、底部端子８１が高圧側、側部端子８２が低圧側になるように点灯回路（図示なし）と接続され、始動時はランプ電力（ランプに供給される電力）Ｐが５５Ｗ、安定点灯時はＰ＝２５Ｗとなるように点灯される。
【００２３】  本実施形態のメタルハライドランプの始動から５０秒までのランプ電力の変化を図３に示す。この図は、ランプと点灯回路間の電流と電圧を測定し、電力に換算したものである。この図では、ランプ始動後１秒から４０秒までのランプ電力を、１秒間隔で積算した値ＷＬ（＝Ｗ１ｓ＋Ｗ２ｓ＋Ｗ３ｓ＋・・・＋Ｗ４０ｓ）は１４７２Ｗと算出できる。なお、ランプ始動後、１秒間はランプに１０ｋＶ以上の高圧パルスが印加され、絶縁破壊される時間であるので、ＷＬの積算には考慮しない。電極の直径Ｄが０．２５ｍｍである場合、このランプのＷＬ／Ｄは、５８８８Ｗ／ｍｍである。このランプではちらつきや電極変形が発生せず、放電が安定していた。一方、ＷＬ／Ｄ＝４０００Ｗ／ｍｍとしたランプ（比較例１）ではちらつきが発生し、ＷＬ／Ｄ＝８０００Ｗ／ｍｍとしたランプ（比較例２）では電極が大きく変形することが確認された。
【００２４】  比較例１のランプで初期にちらつきが発生したのは、電極にアークの起点であるスポットが安定して形成されなかったことが原因である。比較例１はランプ電力の積算値ＷＬが小さく、電極の直径Ｄが大きい場合であるため、電極温度が低くなる傾向となる。電極温度が低いとスポットが形成されても電子放出性が低いため、スポットは安定しない。そのため、スポットの移動により、ちらつきが発生する。
【００２５】  比較例２のランプで電極が大きく変形したのは、電極の溶融が原因である。比較例２はランプ電力の積算値ＷＬが大きく、電極の直径Ｄが小さい場合であるため、電極温度が高くなる傾向となる。しかし、スポットは電極温度が高すぎると発生しにくい。このスポットが発生しない状態は、電極温度が高温に維持されるため、長く続くと電極に負担がかかり、電極が熱変形してしまう。
【００２６】  このような結果から、発明者がさらに検討したところ、ランプ始動から２０〜３０秒でスポットが発生すれば問題ないが、４０秒を越えてもスポットが形成されない場合には電極に大きな負担となること、スポットを安定して形成するには、始動後ランプ電力が立ち下がったときの電極温度が重要であること、を見出した。スポットを安定形成するための温度は、電極先端部から直径Ｄだけ離れた地点での放射温度計による電極温度において２０００℃程度であり、１８００℃であると不安定なスポットが発生しやすく、２２５０℃であると４０秒以内にはスポットが発生しにくい。
【００２７】  そこで、ランプ始動時のランプ電力の変化と電極温度が重要と考え、ランプ始動後１秒から４０秒までのランプ電力の積算値ＷＬと電極の直径Ｄの関係式、ＷＬ／Ｄを変化させたときのスポットとちらつきの発生について試験した。結果を図４、図５に示す。図４は、ＷＬ／ＤとちらつきＯＫ確率について説明するための図であり、図５はＷＬ／Ｄと４０秒以内にスポットが電極に発生する確率について説明するための図である。試験したランプ本数は２０本である。
【００２８】  図４、図５からわかるように、ＷＬ／Ｄが４３００Ｗ／ｍｍ以上であればちらつきの発生を大幅に抑制でき、ＷＬ／Ｄが７４００Ｗ／ｍｍ以下であればランプ始動後４０秒が経過する前にスポットを電極に高確率で発生させることができるため、電極の変形を抑制できる。したがって、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）は、４３００≦ＷＬ／Ｄ≦７４００であればよく、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が、４９００≦ＷＬ／Ｄ≦６７００であれば、さらに高い効果を得ることができる。
【００２９】  なお、ＷＬ／Ｄ、特にランプ始動後１秒から４０秒までのランプ電力の積算値ＷＬは、ランプ電力の立ち下げ方により調整することが可能である。すなわち、図３に示したように、始動時には、定格電力で点灯される安定時よりも高電力が供給されるが、その電力を低下させる割合やタイミングによりＷＬを増減できる。具体的には、ランプ電力が立ち下がる＝発光管温度が高くなり、金属ハロゲン化物が十分に蒸発する、ということであるので、発光部１１や金属ハロゲン化物２の設計によりＷＬの値は変化する。例えば、ＷＬの値を小さくしたい場合、発光部１１の内径や肉厚や内容積を小さくしたり、金属ハロゲン化物２の封入比率を変えたり、総封入量を増やせばよい。なお、点灯回路により電力を低減させるタイミングや割合を調整することによってもＷＬを増減できる。ただし、始動時や安定時のランプ電力は光束の立ち上がりやランプ寿命の観点から、それぞれ始動時は５０Ｗ〜６０Ｗ、安定時は２０Ｗ〜３０Ｗの範囲となるように設定するのが望ましい。なお、ＷＬは１２００Ｗ〜１６００Ｗ、Ｄは０．２２ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲内で調整するのが望ましい。発光部１の管軸方向の略中央部分における内径Ｒは１．５〜２．３ｍｍ、発光部１の管軸方向の略中央部分における肉厚Ｔは１．２〜１．８ｍｍ、発光部１の内容積は１５〜２３ｍｍ３、金属ハロゲン化物２の総封入量は０．０５〜０．２５ｍｇ（０．００２５〜０．０１２５ｍｇ／ｍｍ３）が望ましい。発光部１の内径Ｒは１．８〜２．２ｍｍ、発光部１の肉厚Ｔは１．４〜１．７ｍｍ、発光部１の内容積は１７〜２１ｍｍ３、金属ハロゲン化物２の総封入量は０．１０〜０．２０ｍｇ（０．００５〜０．０１０ｍｇ／ｍｍ３）が最適である。
【００３０】  第１の実施形態においては、ランプ始動後１秒から４０秒までにランプに供給される電力の積算値をＷＬ（Ｗ）、電極３２の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、ＷＬ／Ｄ（Ｗ／ｍｍ）が４３００≦ＷＬ／Ｄ≦７４００、好適には４９００≦ＷＬ／Ｄ≦６７００を満足することにより、水銀を含まない、電極３２および放電空間１１１にトリウムを含まない、安定点灯時に２０Ｗ〜３０Ｗの低電力で点灯されるランプであっても、ちらつきおよび電極変形を抑制することができる。
【００３１】  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。
【００３２】  例えば、メタルハライドランプは、始動点灯回路と一体構成されたランプや、始動点灯回路および安定点灯回路と一体構成されたランプなどであってもよい。
【００３３】  電極３２の形状は、例えば図６に示したような、先端の径を基端の径よりも大きくした段付き状であるもの、先端が径大の球状であるもの、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。なお、図６のように先端と基端の直径が異なる電極形状の場合、基端側、すなわち軸部分の直径をＤ（ｍｍ）とする。また、電極材料は、純タングステン、レニウムタングステンなどであってもよく、要は放射性物質である酸化トリウム等を含まない電極であればよい。
【００３４】  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。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図６】
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【国際調査報告】
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