説明

セラミック製自動車用高輝度放電ランプ

【課題】 高輝度放電ランプ。
【解決手段】 本発明のランプは、内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部及び内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部によって内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器と、容器の第1の端部の第1の開口を通って延びている第1の電極及び容器の第2の端部の第2の開口を通って延びている第2の電極が一緒に容器内に位置する2つの放電電極の末端間にギャップを形成している2つの放電電極とを含んでおり、前記発光容器は、1〜3mmの範囲の内径と5〜10mmの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、前記容器の壁は0.3〜0.8mmの範囲の厚さを有しており、前記容器内の電極の各先端は0.2〜0.55mmの範囲のシャンク径を有しており、前記容器内に位置する電極の末端間のギャップは4mmより小さい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に照明装置の分野に関し、具体的には高輝度放電ランプに関する。
【背景技術】
【0002】

自動車産業では、ヘッドランプ用の光として高輝度放電(HID)ランプが従来の白熱ハロゲン光に取って代わろうとしている。HIDランプの場合、光は、両端が密封された石英製エンベロープ内に封入された2つの金属電極間で起こる放電によって生成する。HIDランプの主たる利点は高い光束出力、より良好な有効性及びより長い寿命である。現在利用可能なHIDヘッドランプは、一般の照明としても使用される石英メタルハライドランプである。
【0003】
石英メタルハライドランプの放電媒体はキセノン、水銀、ヨウ化ナトリウム(NaI)及び/又はヨウ化スカンジウム(ScI)の混合物からなり、周囲のエンベロープ、すなわちアーク管は石英製で、タングステン電極がエンベロープ内に突き出ている。作動時、ランプサイズは光学カップリングの目的に十分なように小さく保たれる。さらに、これらのランプは、スイッチを入れた時点から4秒以内にその定常状態の80パーセント以上の光束を放出するという自動車産業の速い始動規格を満たす必要がある。この小さいランプサイズと速い始動要件の結果として壁の熱負荷がより高くなり、そのため石英エンベロープ材料に幾らかの制限が生じると共に、アーク管内、殊に電極の根元付近にかなりの熱応力がかかる。これらの制限の結果、ランプ寿命が短縮され、またランプの信頼性も低下する。
【0004】
改良された信頼性と性能のため、HIDランプの石英が、多結晶質アルミナ(PCA)やイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)のようなセラミック材料で置き換えられつつある。セラミックアーク管はより高い温度に耐えることができ、セラミックランプ内のコールドスポット温度は、メタルハライドの適量(dose)を気化させ発光素子とバッファーガスの両方に十分な蒸気圧を生成するのに十分な高い値にすることができる。しかし、セラミック材料に変更するには、ランプの熱的及び構造的完全性(integrity)を最適化するためにHIDランプの設計を変更する必要がある。
【特許文献1】米国特許第6404129号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2004/0119413号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第2004/0124776号明細書
【特許文献4】米国特許第6791267号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、充分に高いコールドスポット温度を提供すると同時に、充分な程低いホットスポット温度、また十分に高い電極先端温度を提供して、ランプ内で電子放出と低い応力を提供する高輝度放電ランプに関する。この目的で、内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部と、内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含むランプが開示される。容器の第1の端部の第1の開口を通って延びる第1の電極と、容器の第2の端部の第2の開口を通って延びる第2の電極とを有しており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している2つの放電電極も開示されている。
【0006】
発光容器は、1〜3mmの範囲の内径と、5〜10mmの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は、0.3〜0.8mmの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は0.2〜0.55mmの範囲のシャンク径を有する。容器内に位置する電極の末端間のギャップは4mmより小さい。
【0007】
別の代表的な実施形態では、ランプ内で電子放出と低い応力を提供するのに充分に高いコールドスポット温度と、同時に充分に低いホットスポット温度、さらにまた十分に高い電極先端温度を提供する高輝度放電ランプが開示される。このランプは、内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部と、内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含んでいる。第1の電極が容器の第1の端部の第1の開口を通って延びており、第2の電極が容器の第2の端部の第2の開口を通って延びており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している2つの放電電極も開示されている。
【0008】
さらに、容器の端部付近で容器の外面の近傍には反射コーティングが設けられている。発光容器は、1.5〜2.1mmの範囲の内径と、6〜10mmの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は0.4〜0.65mmの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は0.3〜0.5mmの範囲のシャンク径を有している。容器内に位置する電極の末端間のギャップは4〜5mmの範囲である。
【0009】
別の代表的な実施形態では、高輝度放電ランプは、内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部と、内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部とにより内部空間を画成するセラミック材料製の壁を有する発光容器を含んでいる。さらにまた2つの放電電極も含んでおり、第1の電極は容器の第1の端部の第1の開口を通って延びており、第2の電極は容器の第2の端部の第2の開口を通って延びており、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成している。
【0010】
発光容器は、1〜1.7mmの範囲の内径と、5〜8mmの内部長とにより特徴付けられる内部空間を画成している。容器の壁は0.3〜0.6mmの範囲の厚さを有している。容器内の電極の各先端は0.25〜0.5mmの範囲のシャンク径を有している。さらにまた、容器内に位置する電極の末端間のギャップは3mmより小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
添付の図面に示す特定の実施形態を参照して、概略を上記した本発明をさらに詳細に説明する。これらの図面は本発明の典型的な実施形態を示すのみであり、従ってその範囲を限定するものと解してはならないという点を了解した上で、添付の図面を用いて本発明を添付の図面を用いてさらに特定して詳細に記載し説明する。
【0012】
ここで、図を参照して本発明の代表的な実施形態を説明する。以下に述べるように、本発明の種々の局面に対して寸法範囲が与えられる。明確に記載されていなくても、これらの範囲はそれを規定する値を包含する。すなわち、特定の寸法は以下に述べる実際の範囲限界を保有し得る。さらに、これらの範囲限界は単なる近似値である。この目的で、これらの限界は2つの有効数字で与えられているので、これらの限界外で、次の有意な2桁の数字に切り上げられ得る値も与えられた範囲限界内に包含されるものと考えるべきである。また、本明細書には、実際の計算データも挙げられている。本明細書には計算データが挙げられているけれども、本発明の範囲に関して限界するものと考えてはならない。当業者には容易に認識されるように、ケースによって正確に同じにはできない可能性がある実験条件に応じて、与えられた結果が常に正確に再現されるとは限らない。
【0013】
さらに、本明細書に開示されている寸法は、それらの寸法が特定の要素に対して均一であるかのように記載されているが、ある要素内のこれらの寸法は位置によって変化し得る。例えば、アーク管脚部とアーク管本体を含むアーク管は、1つの代表的な実施形態では均一な壁厚を有していてもよい。ところが、別の代表的な実施形態では、アーク管本体はアーク管脚部とは異なる壁厚を有していてもよい。
【0014】
さらにまた、本明細書を通じてセラミックHID自動車用ランプについて述べるが、本発明は他のセラミックHIDランプにも応用可能である。例えば、本発明は、飛行機の着陸装置の場合のように運搬用車両で使用する他のセラミックHIDランプ、並びに一般に使用されるセラミックHIDランプに応用可能である。さらに、石英の代わりにセラミックエンベロープ材料が使われているので、本明細書に開示したHIDランプは石英ランプより高い温度で作動する。このため、より効率的な水銀なしのランプが提供され得る。
【0015】
セラミックHIDランプを設計する際には、ランプの作動中にアーク管の外側部分に生じ得る円周方向及び軸方向の引張応力を考慮しなければならない。これらの応力は、放電から壁への熱流束によりアーク管内に生じる大きな温度勾配の結果形成され得る。この問題に鑑みて、本明細書に記載する1つの設計目標は、アーク管内、及びアーク管の長さに沿った温度勾配が低下したランプの開発である。別の設計目標は、アーク管の内部での応力及び温度の増大を制限することである。応力及び温度を制限すると、アーク管内のクリープ変形の可能性が低減する。この目的で、HIDランプの温度は少なくとも大部分がアーク管と電極の寸法によって調節されるので、これらの要素の寸法を同時に互いに対して最適化することができる。
【0016】
図1は、コーティングをもたない本発明のHIDランプの代表的な実施形態の概略図である。図に示されているように、セラミックHIDランプ5は、エンベロープ又は容器ともいわれる直線状の円筒型アーク管本体10を有している。アーク管の中央部分は優先的に円筒状の形状であるが、楕円形、球状、又は中間の形状であってもよい。共焼結した円筒状のセラミック脚部12がアーク管本体10の両端に配置されている。別の代表的な実施形態では、一体型のセラミックアーク管を使用することができ、この場合脚部12はこの一体型のセラミックアーク管の一部となっている。HIDランプ5内には、通例タングステン製の金属電極20が各脚部12内に挿入され密封されており、アーク管本体10中に延びている。
【0017】
HID自動車用ランプの入力は一般に20〜50W、好ましくは25〜45W、最も好ましくは35Wである。一実施形態では、本発明の教示に従うHID自動車用ランプの入力は約35Wである。しかし、この入力は所望のランプ寿命及び光出力に応じて変化することができる。例えば、入力を低減することにより、ランプの寿命を延ばすことができるが、その代わり光出力が低下する。逆に、入力を増大することにより、光出力を増大することができるが、その代わりにランプの寿命が低減する。
【0018】
アーク管本体10は2.0mm以下、好ましくは1.7mm未満の内径15と、0.3〜0.6mmの壁厚18を有する。内径15の低下はランプ内に生じる軸方向及び輪方向の両方の応力の低下にとって有益である。この利益は以下の表1から明らかであり、さらに図4及び5に示されている。これらの図は本発明を利用したときの軸方向応力と輪方向応力に対する流体力学及び構造解析の代表的な計算結果を示す。
【0019】
【表1】

詳細な流体力学(CFD)及び構造的解析計算により、アーク管の外側頂部中心での最大引張応力の位置(図2にT4で示す位置。図中Tは温度を表す)におけるアーク管の輪方向及び軸方向の両方の応力は、次の関係式によって重要な温度差及び圧力と関連することが分かる。
【0020】
【数1】

式中、S34、S32、S33’及びSpはそれぞれT34、T32、T33’及び圧力の単調関数である。輪方向及び軸方向両方の応力に対する正確な関数形はCFD及び構造的解析の結果から得られる。これらの表示で、T34=T3−T4、T32=T3−T2、T33’=T3−T頂部−コーナー(Ttp)である。アーク管本体10のT1、T2、T3、T4、T頂部_コーナー及びT底部_コーナーの概略の位置を図2に示す。例えば、2.4mm及び1.6mmのidに対して、軸方向応力に寄与するS34、S32、S33’及びSpの対応する値が表1に示されている。表1から分かるように、内径id15が1.6mmに低下するとT32、従って軸方向応力が実質的に低下し、一般にT32及びT33’の低下は応力低下に有効である。解析により、また図4及び5に示されているように、殆どの場合内径、ましてバルブの壁厚はランプ内の軸方向及び輪方向の両方の応力に影響することも示されている。特に、内径を2mmから1.4mmに低下すると、最大軸方向応力を10%より多く、また最大輪方向応力を約30%低下するのに役立つ。
【0021】
セラミック脚部12を共焼結すると、アーク管本体中へのその挿入長さは0.5〜3mmである。電極先端間のギャップ22は2.8〜3mmといったように5mmより小さい。自動車に関して、現行の電極ギャップは4〜4.5mmに規格化されている。しかし、有利なことに、本明細書に開示された他のランプ及び電極寸法に関連して電極先端ギャップ22を低減すると改良されたHID自動車用ランプ5が得られることが認められた。
【0022】
図3は、アーク放電と電極を介した伝導との間の概略アーク管加熱区画の代表的な実施形態である。図に示されているように、セラミックバルブエンベロープは直接アーク放電により、また電極を介して伝導された熱の両方によって加熱されるので、電極寸法はアーク管寸法に依存する。脚部12の矢印21は、さらに、熱が脚部12内の電極の位置からアーク管5に伝導されることを示している。例えば、より大きい電極シャンク径24はより大きい内径を有するランプ内で使用され、これは好ましくは0.5mm未満であるが0.2mmより大きい。
【0023】
また、車両の前方照明用途では、その光学系を可能な限り小さくすることにより系のコストを低下させると共にその全体性能(輝度)を高めるために高い輝度を有するより明るいランプが要求される。輝度は、ランプの光束量と「エタンデュ(etendue)」、すなわちその用途のE(光学範囲(optical extent))との比として定義される(L=光束/E)。エタンデュはアークギャップとアーク直径の積に比例することが知られている。この理由で、通例、アークギャップ(アーク長さ)が短くなればなるほど、ランプ輝度はそれだけ高くなる。同様に、壁で安定化されたアークの場合、バルブ内径が小さいほど、ランプ輝度は高い。
【0024】
代表的な設計基準が開発されている。これらの基準は、HIDランプが、メタルハライドガスの高い蒸気圧を有するのと同等な充分に高いコールドスポット温度を有するように構築される。これらの設計基準により、充分に低いホットスポット温度と、十分に高い電極先端温度が得られる。従って、これらの設計基準により、電子熱イオン(thermoionic)放出が可能になる。特に、アーク管本体10の壁厚18は内径15に依存することが決定されている。従って、壁厚18は、内径15が減少すると増大しなければならない。例えば、本発明の一実施形態では、0.3mmより大きく0.45mmより小さい壁厚が、1.6mmの内径を有するアーク管10に適している。しかし、アーク管10が1.1mmの内径を有する場合、壁厚は0.6mmより小さく、例えば0.48mmでなければならない。同様に、最小電極シャンク径24は、内径15が増大したら増大しなければならない。従って、最も好ましい設計空間は、内径15が1.1〜1.7mm、壁厚18が0.3〜0.6mm、シャンク径24が0.28〜0.52mm、アーク管内側バルブ長さ(ibl)26が6〜10mmである。全ての寸法測定範囲は包括的であり、効率的なHIDランプ5を提供するために同時に満足されなければならない。
【0025】
図2は、コーティングを有する本発明のHIDランプの代表的な実施形態の概略図である。コーティング30は幾つかの機能を有する。まず、アーク管からの熱輻射の量を低減することによって、メタルハライドの適量が通例存在する脚部の温度を調節し、従ってより多くの発光量を気化させるのに役立つ。次に、コーティングは軸方向のアーク管温度勾配を低下させる。この利益を、T3−T頂部_コーナーの差の観点からさらに表2に示す。
【0026】
【表2】

軸方向のアーク管温度勾配の低減はまた、表1に示した熱応力の低下、従ってランプのより長い寿命にとっても有益である。第三に、アーク管本体の末端を覆う不透明なコーティングによって、舗装道路のような地面のカバーに向けられたときのように投射されたビームにギラギラとした輝きを生じさせる光の望ましくない部分が排除される。
【0027】
1つの代表的な実施形態では、コーティングは高温不透明酸化物(例えば、ジルコニア又はアルミナ)製である。別の代表的な実施形態では、適切な腐食特性を有する高温金属のような薄い(例えば、厚さ200μm未満)反射コーティング30をアーク管カバーの外面上に設ける。例えば、白金(Pt)を、アーク管本体10の各末端上に約0.5mm、また脚部が設けられる場合は各脚部表面12上に約1〜3mm付ける。
【0028】
コーティング30を使用する場合の本発明の設計基準には、好ましくは2.3mm未満の内径を有することが含まれる。これらの設計基準はさらに、アーク管壁厚18が内径15の関数であり、内径15が減少したらアーク管壁厚18が増大しなければならないことを示している。例えば、0.4mmの壁厚18は2.25mmの内径15を有するアーク管本体10に適している。しかし、内径15が1.6mmのアーク管本体10の場合、壁厚18は0.69mmより大きい。別の例として、内径15が1.8mmのアーク管本体10の場合、壁厚18は0.54mmより大きい。
【0029】
設計基準はさらに、アーク管本体10の内径15が1.1〜2mmの範囲であれば、電極20のシャンク径24が0.25〜0.5mmでなければならないことを示している。表3に、電極シャンク径、バルブ内径及び壁厚がバルブ温度に及ぼす総合効果を示す。
【0030】
【表3】

加熱エネルギーの大きな部分、すなわち入力の約23%が電極20を介してアーク管10に達するので、アーク管本体10の内径15が小さいほど、電極20のシャンク径24も小さくなる必要がある。例えば、内径15が1.75mmの場合、電極20のシャンク径24は0.35mmより小さい。一方、アーク管本体10の内径15が1.85mmの場合、電極20のシャンク径24は0.45mmより小さい。好ましい設計規格は、内径15が1.5〜2.1mm、壁厚18が0.4〜0.65mm、シャンク径24が0.3〜0.5mm、ibl26が6〜10mmである。
【0031】
現在のところ好ましい実施形態と考えられる実施形態について本発明を説明して来たが、当業者には多くの変形及び修正が明らかであろう。従って、本発明は特定の具体的な実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の思想と範囲内で解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】図1は、コーティングのない本発明のHIDランプの代表的な実施形態の概略図である。
【図2】図2は、コーティングを有する本発明のHIDランプの代表的な実施形態の概略図である。
【図3】図3は、アーク放電と電極を介する伝導との間の概略アーク管加熱区画の代表的な実施形態である。
【図4】図4は、アーク管の壁厚とその直径がアーク管で生じる最大の定常状態軸方向応力に及ぼす相対的効果の代表的な表示である。
【図5】図5は、アーク管の壁厚とその直径がアーク管で生じる最大の定常状態輪方向応力に及ぼす相対的効果の代表的な表示である。
【符号の説明】
【0033】
5 HIDランプ
10 アーク管
12 セラミック脚部
15 内径
18 壁厚
20 電極
22 ギャップ
24 シャンク径
26 内側バルブ長さ(ibl)
30 コーティング

【特許請求の範囲】
【請求項1】
a)内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部及び内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部をもつ内部空間を画成する、セラミック材料製の壁を有する発光容器、
b)容器の第1の端部の第1の開口を通って延びる第1の電極及び容器の第2の端部の第2の開口を通って延びる第2の電極をもち、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間にギャップを形成する、2つの放電電極
を含んでおり、
c)前記発光容器は、1〜3mmの範囲の内径及び5〜10mmの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、
d)前記容器の壁は、0.3〜0.8mmの範囲の厚さを有しており、
e)前記容器内の電極の各先端は、0.2〜0.55mmの範囲のシャンク径を有しており、
f)前記容器内に位置する電極の末端間のギャップの間隔は4mm未満である
高輝度放電ランプ。
【請求項2】
内径が減少すると壁の厚さが増大する、請求項1記載のランプ。
【請求項3】
内径が増大するとシャンク径が増大する、請求項1記載のランプ。
【請求項4】
容器の内径が減少すると電極のシャンク径が減少する、請求項1記載のランプ。
【請求項5】
さらに、容器の端部付近で容器の外面の近傍に反射コーティングを含んでいる、請求項1記載のランプ。
【請求項6】
a)内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部及び内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部をもつ内部空間を画成する、セラミック材料製の壁を有する発光容器、
b)容器の第1の端部の第1の開口を通って延びる第1の電極及び容器の第2の端部の第2の開口を通って延びる第2の電極をもち、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間のギャップを形成する、2つの放電電極、
c)容器の端部付近の容器の外面の近傍の反射コーティング
を含んでおり、
d)前記発光容器は、1.5〜2.1mmの範囲の内径及び6〜10mmの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、
e)前記容器の壁は、0.4〜0.65mmの範囲の厚さを有しており、
f)前記容器内の電極の各先端は、0.3〜0.5mmの範囲のシャンク径を有しており、
g)前記容器内に位置する電極の末端間のギャップの間隔は4〜5mmの範囲である
高輝度放電ランプ。
【請求項7】
容器の内径が減少すると壁の厚さが増大する、請求項6記載のランプ。
【請求項8】
容器の内径が増大すると電極のシャンク径が増大する、請求項6記載のランプ。
【請求項9】
容器の内径が減少すると電極のシャンク径が減少する、請求項6記載のランプ。
【請求項10】
内部に形成されたそれぞれの第1の開口を有する第1の端部及び内部に形成されたそれぞれの第2の開口を有する第2の端部をもつ内部空間を画成する、セラミック材料製の壁を有する発光容器、
容器の第1の端部の第1の開口を通って延びる第1の電極及び容器の第2の端部の第2の開口を通って延びる第2の電極をもち、一緒に容器内に位置する放電電極の末端間のギャップを形成する、2つの放電電極
を含んでなる高輝度放電ランプであって、
前記発光容器は、1〜1.7mmの範囲の内径及び5〜8mmの内部長により特徴付けられる内部空間を画成しており、
前記容器の壁は、0.3〜0.6mmの範囲の厚さを有しており、
前記容器内の電極の各先端は、0.25〜0.5mmの範囲のシャンク径を有しており、
前記容器内に位置する電極の末端間のギャップの間隔は3mmより小さい
前記高輝度放電ランプ。
【請求項11】
内径が減少すると壁の厚さが増大する、請求項10記載のランプ。
【請求項12】
内径が増大するとシャンク径が増大する、請求項10記載のランプ。
【請求項13】
容器の内径が減少すると電極のシャンク径が減少する、請求項10記載のランプ。
【請求項14】
さらに、容器の端部付近で容器の外面の近傍に反射コーティングを含んでいる、請求項10記載のランプ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2009−518780(P2009−518780A)
【公表日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−543442(P2008−543442)
【出願日】平成18年11月30日(2006.11.30)
【国際出願番号】PCT/US2006/045799
【国際公開番号】WO2007/064766
【国際公開日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】GENERAL ELECTRIC COMPANY
【Fターム(参考)】