WO2003032363A1

WO2003032363A1 - Lampe a decharge a haute tension, phare pour automobile et tube a arc pour ladite lampe a decharge a haute tension

Info

Publication number: WO2003032363A1
Application number: PCT/JP2001/008674
Authority: WO
Inventors: Norikazu Niimi
Original assignee: Ngk Insulators, Ltd.
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-17

Description

明細書高圧放電灯、自動車用ヘッドランプおよび高圧放電灯用発光管発明の属する技術分野

本発明は、自動車用へッドランプ等に適した高圧放電灯に関するものである。背景技術

自動車用へッドライトとして、石英製の放電管を使用した高圧放電灯が、その明るさや発光効率の高さのために、広く使用されてきている。このような石英管を用いた放電灯は、放電管が透明であるため、放電管内の発光ガスによる発光部をそのまま放電灯の点光源として扱うことができる。

特開平 5— 7 4 2 0 4号公報に記載の自動車用へッドランプにおいては、放電バルブを紫外線遮蔽用容器内に収容し、リフレクタ一によつて放電バルブからの発光を反射し、投影している。特開平 5— 8 6 8 4号公報に記載の放電灯へッドランプにおいては、へッドランプ用の光源としてメタルハライドランプと高圧ナトリゥムランプとを併用することを開示している。

また、本出願人は、特開 2 0 0 1— 7 6 6 7 7号公報において、自動車用へッドランプの疑似点光源として使用可能な高圧放電灯を開示している。この公報の記載によると、石英製の発光管を使用した場合には、発光管の内部に発光体を収容し、発光させると、透明な石英発光管の外部から内部の発光体が見えるので、発光体が点光源として機能する。しかし、透光性の多結晶アルミナからなる発光管を使用した高圧放電灯は、半透明であることから、外部から見ると、発光管の全体が一体の発光体をなしているように見える。従って、発光管それ自体を充分に小型化することによって疑似点光源として使用可能な状態としている。具体的には、発光管の長さを 6— 1 5 m mとし、放電灯内のアーク長を 1— 6 m mとしている。そして、このような小型の発光管を用いた高圧放電灯を実現可能とする構造を開示している。発明の開示

例えば自動車用へッドランプにおいては、所定位置に発光管を設置し、発光管からの発光をリフレクタ一（反射板）によって反射させ、前方に投射する。この際、投射後の集光位置にズレが生じないようにするために、点光源とリフレクタ一との三次元的な位置関係や、リフレクタ一の表面形状は厳密に定まっている。更に、自動車用ヘッドランプの場合には、 2つの点灯モード、即ち走行モードとすれ違いモードとがある。周知のとおり、走行モードの場合にはへッドランプからのビームを集光して前方に投射し、すれ違いモードの場合には、ビームを斜め下方へと投射する。高圧放電灯を疑似点光源として利用した自動車用へッドランプの場合には、相異なる点灯モードに対応して、高圧放電灯とリフレクタ —との位置関係を変更することによって、投射ビームの集光位置を変更する必要がある。

しかし、高圧放電灯の発光管を疑似点光源として利用した場合には、相異なる点灯モ一ドに対応して、発光管とリフレクタ一との位置関係を変更し、投射ビームの集光位置を変化させると共に、各集光位置に高効率で投射ビームの焦点を合わせることが、設計上は現実的には難しいことが判明してきた。即ち、発光管にある程度の大きさがあることから、例えば走行モードにおいて発光管とリフレクターとをほぼ完全に位置合わせし、集光位置に焦点が合うようにすると、すれ違いモードにおいてリフレクタ一を動かしたときに、集光位置へと投射ビームの焦点を完全に合わせることが設計上難しい。この問題を解決するためには、発光管の寸法を小さくすることが有効であるが、発光管を更に小型化すると、製造が困難となり、製造コス卜が上昇するおそれがある。

本発明の課題は、高圧放電灯を疑似点光源として使用したときに、投射ビームの焦点への集光効率を向上させ得るような設計を容易化することである。

本発明は、半透明な透光性セラミックスからなり、一対の開口部と発光部とを備えており、内部空間にイオン化発光物質および始動ガスが充填されている発光管、発光管の内部空間に収容されている一対の放電用電極、および放電用電極が取り付けられており、発光管の開口部に固定されている電極保持材を備えており、発光部が肉厚部と肉薄部とを備えており、肉薄部の横断面の断面積が、肉厚部の横断面の断面積の 3 5 % 以上、 8 0 %以下であり、発光部の輝度中心が肉薄部に存在することを特徴とする、高圧放電灯に係るものである。

また、本発明は、前記の高圧放電灯を疑似点光源として備えていることを特徴とする、自動車用ヘッドランプに係るものである。

また、本発明は、半透明な透光性セラミックスからなり、一対の開口部と発光部とを備えており、内部空間にイオン化発光物質および始動ガスが充填されるべき高圧放電灯用発光管であって、発光部が肉厚部と肉薄部とを備えており、肉薄部の横断面の断面積が、前記肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %以上、 8 0 %以下であることを特徴とする、発光管に係るものである。本発明者は、発光部において発光管に肉厚部と肉薄部とを設け、肉薄部の横断面の断面積を肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %以上、 8 0 %以下とすることによって、発光部の輝度中心を肉薄部に配置することを想到した。

即ち、いわゆる石英管のように透明な発光管を使用した場合には、発光管の内部の発光体が外部から見えるので、この発光体が点光源として機能する。この場合には、石英管内部の発光体の位置とリフレクタ一との相対的位置を決定することによって、リフレクタ一による反射後の投射ビームの焦点の位置を定めることができる。

本発明者は、この方法とは異なり、半透明な透光性セラミックスからなる発光管を前提とし、発光管の全体を疑似点光源とした。これと共に、発光管の発光部に肉薄部を設けることによって、肉薄部からの光束を肉厚部からの光束に比べて多くし、肉薄部を輝度中心とすることを想到した。こうした肉薄部の発光部内における位置と寸法とは比較的自由に設定できる。従って、発光管の肉薄部の位置と寸法とを適宜設定することによって、発光管における輝度中心の位置と輝度の分布とを適宜設定できる。

高圧放電灯を疑似点光源として利用する場合には、発光管からの発光を利用して投射ビームを得る場合に、上記のようにして予め設定された輝度中心の位置を点光源とみなし、各光学部品の位置と形状とを設計することによって、投射ビームの焦点への集光の度合いを向上させることが容易になる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態に係る高圧放電灯 1 Aを概略的に示す縦断面図であり、発光部 2 bに肉厚部 2 gと一つの肉薄部 2 cとが設けられている。

図 2は、図 1の高圧放電灯の発光管 2 Aの要部を示す縦断面図である。図 3は、本発明の他の実施形態に係る高圧放電灯 1 Bを概略的に示す縦断面図である。

図 4は、図 3の高圧放電灯の発光管 2 Bの要部を示す縦断面図である。図 5は、石英管 1 8を使用した自動車用へッドランプ 1 5を示す模式図である。

図 6は、高圧放電灯 2 A、 2 Bを使用した自動車用ヘッドランプ 2 0 を示す模式図である。

図 7は、本発明外の高圧放電灯 1 1を概略的に示す縦断面図である。図 8は、本発明の高圧放電灯の製造例において、発光管と電極保持材との接合部分の拡大図を示す縦断面図である。発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明の一実施形態に係る高圧放電灯 1 Aの縦断面図であり、図 2は、発光管 2 Aの要部を示す縦断面図である。

発光管 2 Aは、一対の開口部 2 aと、一対の開口部 2 aによって挟まれた発光部 2 bとを備えている。各開口部 2 aの内側開口には、接合材 3を介して電極保持材 4が挿入され、固定されている。発光管 2 Aの内部空間 6にはイオン化発光物質、始動ガスが封入されている。メタルハライド高圧放電灯の場合には、放電管の内部空間に、アルゴン ■ キセノン等の不活性ガスとメタルハライドとを封入し、更に必要に応じて水銀もしくは金属亜鉛を封入する。

電極保持材 4は、円筒部 4 cと、円筒部 4 cの末端に溶接された基部 4 bと、基部 4 bから内側へと向かって突出する電極保持部 4 aとを備えている。電極保持部 4 aは、本例では円柱形状をしている。電極保持部 4 aの内側末端には電極 5が突出し、電極 5の先端にコイル 5 aが巻き付けられている。なお、本例では電極 5の先端にコイル 5 aを設けたが、コイル 5 aは必ずしも必要ない。

図 2に示すように、発光管 2 Aの外周面 2 eには凹部も凸部も設けられていない。従って、発光部 2 bにおける発光管 2 Aの外径は略一定である。発光管 2 Aの内周面 2 f 側には凹部 2 dが設けられており、凹部 2 dに対応して肉薄部 2 cが設けられている。本例では発光部 2 bに一つの連続した肉薄部 2 cを設けた。

この高圧放電灯 1 Aに電力を供給すると、一対の電極 5間で放電ァークが発生し、イオン化発光物質が発光する。この発光によって、発光管の発光部 2 cの全体から光束が発生する。ここで、肉薄部 2 cの光透過率は、肉厚部 2 gの光透過率よりも高いので、肉薄部 2 cから主として発光する。この結果、発光部 2 bの肉薄部 2 cには、相対的に光束の多い明部 7が発生し、肉厚部 2 gには、相対的に光束の少ない暗部 8が発生する。肉薄部 2 cのうち最も肉厚の小さい点 9が輝度中心となる。この輝度中心は、発光管 1 Aの外周に沿ってリング状に延びる。

図 3の高圧放電灯 1 Bにおいては、図 1 と同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。

高圧放電灯 1 Bの発光管 2 Bの発光部 2 bには、 2個所の肉薄部 2 c が設けられており、 2個所の肉薄部 2 cの間および各肉薄部 2 cの外側に、それぞれ肉厚部 2 gが設けられている。発光管 2 Bの外周面 2 eには凹部も凸部も設けられておらず、発光部 2 bにおける発光管 2 Bの外径は略一定である。発光管 2 Bの内周面 2 f側には、 2個所に凹部 2 d が設けられており、各凹部 2 dに対応して肉薄部 2 cが設けられている。この高圧放電灯 1 Bに電力を供給すると、発光管の発光部 2 bの全体から光束が発生する。ここで、各肉薄部 2 cの光透過率は、各肉厚部 2 gの光透過率よりも高いので、各肉薄部 2 cから主として発光する。特に、各肉薄部 2 cのうち最も肉厚の小さい点 9が輝度中心となる。各輝度中心 2 dは、発光管 1 Aの外周に沿ってリング状に延びる。

図 5は、石英管 1 8を使用した自動車用へッドランプ 1 5を示す模式図である。石英管 1 8は容器 1 9に収容されており、容器 1 9が、リフレクタ一を備えた容器 1 6の基部 1 7に取り付けられている。ランプ 1 5の前面側には窓 1 4が取り付けられている。石英管 1 8の内部には発光体 2 2が設けられている。

図 6は、高圧放電灯を装備した自動車用へッドランプ 2 0を示す模式図である。 2 1は電気的接続手段である。

図 5においては、石英製の発光管 1 8が透明であるので、発光体 2 2 が、点光源として機能するような外径と長さとを有していればよい。図 6の自動車用ヘッドランプにおいては、発光管 2 A、 2 Bの発光部の全体が発光するので、発光部の全体を疑似点光源化させる。従って、発光管 2 A、 2 Bの発光部 2 bの外径および長さが、発光体 2 2 (図 5 ) と同程度であることが望ましい。

この観点から、具体的には、発光管の発光部 2 bの長さ L 0を 1 5 m m以下とし、直径 ø 0を 6 m m以下とすることが望ましい（図 1〜図 4 参照）。また、放電アーク長は 1 m n！〜 5 m m程度は必要とされている。発光管の長さ L 0を 6 m m以上とすることによって、発光管の内部空間 6のアーク長を 1 m m以上とすることが可能である。

ここで、本発明に従い、発光部 2 bの一部を輝度中心 9とし、輝度中心 9およびその近傍に光束を集中させることによって、輝度中心 9を点光源として、リフレクターやその他の投射ビーム発生用光学部品の位置と形状とを設計することができる。これによつて、従来よりも投射ビームの焦点位置への集光効率を向上させるような設計が容易になる。発光管を構成する半透明な透光性セラミックスとしては以下を例示できる。

多結晶 A1203、A1N、A10N。又は表面粗度 Ra l.O i mの単結晶 A12O3、 YAG、 Y203等。

また、半透明とは、以下の光透過率を意味している。

全光線透過率 85%以上かつ直線透過率 30%以下

放電用電極や電極保持材の材質は限定されないが、タングステン、モリブデン、ニオブ、レニウムおよびタンタルからなる群より選ばれた純金属が好ましく、あるいはタングステン、モリブデン、ニオブ、レニゥムおよびタンタルからなる群より選ばれた二種以上の金属の合金が好ましい。特に、タングステン、モリブデンまたはタングステン一モリブデン合金が好ましい。また、これらの純金属または合金とセラミックスとの複合材料が好ましい。

前記肉厚部とは、発光部内において相対的に肉厚の大きい部分を言い、肉薄部とは、発光部内において相対的に肉厚の小さい部分を言う。

本発明においては、肉薄部の横断面の断面積を、肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %以上、 8 0 %以下とする。これが 8 0 %を超えると、肉厚部と肉薄部との間の輝度の相違が少なくなり、本発明の作用効果が得られなくなる。この観点からは、肉薄部の横断面の断面積を肉厚部の横断面の断面積の 7 0 %以下とすることが更に好ましい。また、肉薄部の横断面の断面積が肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %未満であると、発光時に肉薄部において割れが発生しやすくなるので、肉薄部の強度を確保するという観点からは 3 5 %以上とすることが必要である。この観点からは、肉薄部の横断面の断面積が肉厚部の横断面の断面積の 5 0 %以上とすることが更に好ましい。

ここで、図 1 —図 4の例においては、肉薄部 2 cの横断面の断面積が、肉厚部 2 gの近傍では大きく、輝度中心（最も肉厚の小さい部分） 9で最小になる。このように肉薄部の横断面の断面積が段階的あるいは傾斜的に変化するような場合には、前述した「肉薄部の横断面の断面積」は、肉薄部の横断面の断面積の最小値をとる。

また、肉薄部 2 cの肉厚を、肉薄部の全体にわたって略一定とすることもできる。この場合には、肉薄部の横断面の断面積は、肉薄部の全長にわたつて略一定となる。しかし、この場合には、肉厚部と肉薄部との境界において肉厚が非連続的に変化するために、点灯時にこの境界の近傍において発光管に割れが発生しやすくなるものと考えられる。従って、肉薄部の横断面の断面積は、肉厚部と肉薄部との境界から輝度中心へと向かって、連続的に変化していることが好ましい。

前記輝度中心とは、発光部において輝度の最も高い部分を意味する。輝度中心は一点である必要はなく、縦断面の方向に向かって延びていても良い。

輝度中心 9からの単位面積当たりの光束は、暗部 8からの単位面積当たりの光束の 1.5倍以上とすることが好ましく、 2倍以上とすることが更に好ましい。

好適な実施形態においては、発光管の外径が発光部の全長にわたって略一定である。このように発光管の外径を略一定とすることによって、発光管を疑似点光源として使用したときに、投射ビームの対称性が高くなる。

好適な実施形態においては、発光管の内壁面に凹部を設けることによつて、肉薄部を形成する。これによる作用効果について述べる。

図 7は、本発明外の高圧放電灯 1 1を概略的に示す縦断面図である。発光管 1 2は、発光部 1 2 bと、発光部 1 2 bを挟む一対の開口部 1 2 aとを備えている。発光部 1 2 bにおいて、発光管 1 2の外周面 1 2 e、内周面 1 2 f には凹部や凸部は設けられていない。従って、発光管 1 2の発光部 1 2 bの外径および内径は略一定である。

この高圧放電灯に電力を供給すると、一対の電極 5間に放電アーク 1 0が発生する。高圧放電灯 1 1を水平方向に保持すると、放電アーク 1 0は、若干上方に向かって膨らむ傾向がある。この結果、発光管 1 2の上部の温度が、下部の温度に比べて相対的に上昇する。こうなると、発光停止時に上部が下部よりも急速に冷却され、収縮するので、下部には引張応力が加わる傾向がある。こうした引張応力はセラミックスの割れの原因となるおそれがある。

このような問題点を回避するためには、上部の温度が過度に上昇しないように、上部の最高温度について、大きい裕度をもって低めに設定する必要がある。しかし、この場合には、発光管の下部の両端において温度が低下し、イオン化発光物質の液化が生じやすくなり、これによつて発光効率の低下が生ずる。

これに対して、発光管の内周面に凹部を形成すると、凹部においては放電アークから発光管への熱伝達が少なくなり、発光管の温度上昇が抑制される。従って、前述したように放電アークが発光管の内周面へと向かって膨らんだ場合に、発光管の局所的な温度上昇を抑制できる。

特に好適な実施形態においては、例えば図 1、図 2に示すように発光管に肉薄部を一つ設ける。特に好ましくは凹部 2 dを一つ設ける。この凹部 2 dは発光管の内部空間 6に面する。この場合には、内部空間 6および凹部 2 dによって形成される空間の形状が、放電アーク 1 0の形状と類似するので、発光管の局所的な温度上昇が一層抑制される。

図 2、図 4を参照しつつ、発光管における好適な寸法について述べる。本発明の作用効果の観点からは、肉薄部 2 cの長さ mは短いことが好ましく、具体的には発光部 2 bの全長 L 0の 0.7倍以下であることが好ましく、 0.5 倍以下であることが更に好ましい。ただし、肉薄部 2 cの長さ mが小さすぎると、肉薄部からの光束が少なくなり、かえって肉薄部を設けた意味が乏しくなるので、 mは L 0の 0.2倍以上であることが好ましい。

肉厚部の厚さ Tと肉薄部の厚さ t との比率 T / tは、前述したような横断面の断面積の比率から一義的に算出できる。

肉厚部の厚さ Tは、発光管に強度を付与して長期間使用時の寿命を高くするという観点からは 0.8m m以上が好ましく、 l.lm m以上が更に好ましい。また、肉厚部の厚さ Tが大きくなると、発光管からの発光効率が低下する。従って、発光管の発光効率を高くするという観点からは、肉厚部の厚さ Tを 0.85m m以下とすることが好ましく、 0.55m m以下とすることが更に好ましい。

肉薄部の厚さ tは、発光管に強度を付与して長期間使用時の寿命を高くするという観点からは 0.6m m以上が好ましく、 0.9m m以上が更に好ましい。また、肉薄部の厚さ tが大きくなると、輝度中心における光束が低くなる。従って、本発明の作用効果の観点から、肉薄部の厚さ tを 0.7m m以下とすることが好ましく、 0.4m m以下とすることが更に好ましい。

接合材 3の材質は特に限定されないが、以下のものを例示できる。 ( 1 ) アルミナ、マグネシア、イットリア、ランタニアおよびジルコニァからなる群より選ばれたセラミックス、あるいは、アルミナ、マグネシァ、イットリア、ランタニアおよびジルコニァからなる群より選ばれた複数種のセラミックスの混合物

( 2 ) サーメット。サーメヅトを構成するセラミックスとしては、ァルミナ、マグネシア、イットリア、ランタニアおよびジルコニァからなる群より選ばれた一種以上のセラミックス単独またはその混合物を例示できる。

このサーメットの金属成分は、タングステン、モリブデン、レニウム、またはタングステン、モリブデンおよびレニウムからなる群より選ばれた二種以上の金属の合金が好ましい。これによつて、メタルハライドに対する高い耐食性を閉塞材に対して付与することができる。このサーメットにおいては、セラミックス成分の比率は 5 5重量％以上、更には 6 0重量％以上とすることが好ましい（金属成分の比率は残部である）。

( 3 ) 多孔質に形成した金属（多孔質骨格）にセラミック組成物を含浸させて得られた接合材。

図 8を参照しつつ、この接合材 3について述べる。この接合材は、特開 2 0 0 1— 7 6 6 7 7号公報に記載のものである。

接合材 3を作製するには、金属粉末の焼結体からなる多孔質骨格にガラスを含浸させる。この焼結体は開気孔を有している。

この金属粉末の材質としては、モリブデン、タングステン、レニウム、ニオブ、タンタル等の純金属、及びこれらの合金を例示できる。

金属焼結体に含浸させるべきセラミック組成物は、 A 1₂ 0₃、 S i 0 ₂、 Y₂ 0₃ 、 D y₂ 〇₃ 、 B₂ 0₃ 及び Mo〇₃から成る群より選ばれた材質によって構成されることが好ましく、特に A 1₂ 0₃を含有していることが好ましい。特に好ましくは、酸化ジスプロシウム 6 0重量％、ァルミナ 1 5重量％、シリカ 2 5重量％の組成を有する。

この含浸プロセスによって、図 8に示すように、含浸セラミック組成物層 3 aと界面セラミック組成物層 3 bとが生成する。含浸セラミック組成物層 3 aにおいては、金属焼結体の開気孔にセラミック組成物が含浸している。界面セラミック組成物層 3 bは、前述した組成からなり、金属焼結体は含んでいない。

なお、上記実施形態では、本発明の高圧放電灯を自動車用ヘッドランプへの利用した実施形態について述べた。しかし、本発明の高圧放電灯は、 O H P (オーバ一へヅドプロジェクター）、液晶プロジェクターなど、疑似点光源を適用可能な他の照明装置に適用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 半透明な透光性セラミックスからなり、一対の開口部と発光部とを備えており、内部空間にイオン化発光物質および始動ガスが充填されている発光管、前記内部空間に収容されている一対の放電用電極、および前記放電用電極が取り付けられており、前記開口部に固定されている電極保持材を備えており、前記発光部が肉厚部と肉薄部とを備えており、前記肉薄部の横断面の断面積が前記肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %以上、 8 0 %以下であり、前記発光部の輝度中心が前記肉薄部に存在することを特徴とする、高圧放電灯。

2 . 前記発光管の外径が前記発光部の全長にわたって略一定であることを特徴とする、請求項 1記載の高圧放電灯。

3 . 前記肉薄部において前記発光管の内壁面に凹部が設けられていることを特徴とする、請求項 1 または 2記載の高圧放電灯。

4 . 前記発光部が複数の前記肉薄部を備えていることを特徴とする、請求項 1〜 3のいずれか一つの請求項に記載の高圧放電灯。

5 . 前記発光管が疑似点光源として動作し得る寸法を備えていることを特徴とする、請求項 4記載の高圧放電灯。

6 . 前記請求項 1〜 5のいずれか一つの請求項に記載の高圧放電灯を疑似点光源として備えていることを特徴とする、自動車用ヘッドランプ。

7 . 半透明な透光性セラミックスからなり、一対の開口部と発光部とを備えており、内部空間にイオン化発光物質および始動ガスが充填されるべき高圧放電灯用発光管であって、

前記発光部が肉厚部と肉薄部とを備えており、前記肉薄部の横断面の断面積が前記肉厚部の横断面の断面積の 3 5 %以上、 8 0 %以下であることを特徴とする、高圧放電灯用発光管。

8 . 前記発光管の外径が前記発光部の全長にわたって略一定であることを特徴とする、請求項 7記載の発光管。

9 . 前記肉薄部において前記発光管の内壁面に凹部が設けられていることを特徴とする、請求項 7または 8記載の発光管。

1 0 . 前記発光部が複数の前記肉薄部を備えていることを特徴とする、請求項 Ί〜 9のいずれか一つの請求項に記載の発光管。

1 1 . 前記発光管が疑似点光源として動作し得る寸法を備えていることを特徴とする、請求項？〜 1 0のいずれか一つの請求項に記載の発光管。