メタルハライドランプおよび照明装置
【課題】
発光のちらつきの発生を抑制する水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置を提供する。
【解決手段】
メタルハライドランプＭＨＬは、内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器１と；透光性気密容器１内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極１ｂ、１ｂと；スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足する。
Ａ／√ｆ≦４．５
発光のちらつきの発生を抑制する水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置を提供する。
【解決手段】
メタルハライドランプＭＨＬは、内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器１と；透光性気密容器１内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極１ｂ、１ｂと；スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足する。
Ａ／√ｆ≦４．５
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀を本質的に封入しないいわゆる水銀フリーのメタルハライドランプ（以下、便宜上「水銀フリーランプ」という。）は既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。水銀フリーランプは、従来のランプ電圧形成用の緩衝物質として封入されている水銀に代えて亜鉛（Ｚｎ）などの蒸気圧が比較的高くて可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物を封入しているのが一般的である。
【０００３】
水銀フリーランプは、特に環境負荷物質の使用を全廃しようとしている自動車の前照灯用の光源として期待され、開発が行われている。このメタルハライドランプは、水銀入りのメタルハライドランプ（以下、便宜上「水銀入りランプ」という。）に比べて一般にアークが細いことから、放電アークが不安定になりやすいために、発光のちらつきが発生しやすいという課題を伴っている。このため、水銀入りランプの場合には不要であった特別の対策を付加することが必要になる。
【０００４】
ところで、高圧放電ランプの透光性気密容器の内部に存在する不純物を低減することは、従来から知られている（例えば、特許文献２ないし５などを参照。）。特許文献２は、水銀ランプやメタルハライドランプ製造において、３ｍＡの電流を供給してグロー放電させる際に発光部内に存在する水素、酸素およびそれら化合物の分光スペクトルの最大強度を、希ガスの主発光の分光スペクトル強度の１／１０００以下にすることにより、上記不純物を低減して、黒化や失透を抑制し、ランプ寿命を高めようとしている。特許文献３および４においては、水銀入りランプの製造において、プロパン酸素バーナーやプラズマトーチを使用してガラス加工したり、加工後真空中で高温加熱してＨ２Oとして放出させたりして、上記不純物を低減して、黒化や失透を抑制し、ランプ寿命を高めようとしている。特許文献５においては、水銀、ハロゲンおよび希ガスを封入する高圧放電ランプの製造において、１２００℃、６時間の高温真空熱処理を行っている。
【特許文献１】特開平１１−２３８４８８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２９３５０号公報
【特許文献３】特開平０９−１０２２７７号公報
【特許文献４】特開平０９−１０２２７８号公報
【特許文献５】特開平０２−２２０３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、水銀フリーランプにおいて、透光性気密容器の内部に存在する水分量と矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数とが所定条件を満足するように構成することにより、発光のちらつきを効果的に抑制できることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【０００６】
本発明は、発光のちらつきの発生を抑制する水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明のメタルハライドランプは、内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器と；透光性気密容器内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極と；スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足することを特徴としている。
【０００８】
Ａ／√ｆ≦４．５
本発明において、透光性気密容器内の水分Ａ（ｎｇ）は、ＡＰＩ−ＭＳ分析法によるガス分析によって測定することができる。すなわち、透光性気密容器を密閉空間内で２００℃に加熱して破壊した際に放出されたガス中の水分系ガスの重量を測定する。得られた検出値は、透光性気密容器の内部に存在する全水分量と相関があるので、金属ハロゲン化物中に取り込まれた水分については検出できないものの透光性気密容器内の水分量を規定する指標とすることができる。
【０００９】
一方、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数は、点灯回路からメタルハライドランプに対して供給される矩形波交流電圧の周波数であり、好ましくは４ｋＨｚ以下である。なお、本発明において、メタルハライドランプを点灯するのに矩形波電圧を印加する理由は、矩形波電圧は正弦波電圧より発光のちらつきが発生しにくいばかりでなく、点灯回路の回路構成が簡単になるからである。また、矩形波電圧は、完全な矩形波だけでなく、部分的にパルス部分が重畳しているなど部分的に段階状をなしているような波形を含む。
【００１０】
次に、本発明の作用について説明する。本発明において、発光のちらつきは、上記数式から透光性気密容器の内部の水分に比例し、かつ、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数の１／２乗に反比例することと、前者の後者に対する比が４．５以下のときに発光のちらつきが許容範囲内に抑制されることが理解できる。したがって、ある上記点灯周波数に対して相対的に水分量を低減するか、またはある水分量に対して上記周波数を高くすることにより、発光のちらつきを許容範囲内に抑制することができる。反対に、水分が多くなるか、または上記点灯周波数が低くなると、発光のちらつきが発生しやすくなる。この発光のちらつき発生のメカニズムは以下のように推測される。
【００１１】
すなわち、水分が多い場合、放電を阻害する水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）およびＯＨなどのガスが多く発生するため、放電が不安定になり、物理的に放電アークがうねるため、発光のちらつきとなって見える。また、これらガスにより透光性気密容器内部の放電媒体のそれを含むガスの絶縁破壊電圧が増すため、一対の電極間に流れる交流電流の極性反転時の電流ゼロ期間に一度アークが消滅し、再度逆極性になってから点弧（再点弧）する現象が発生する。この現象は、交流のランダムな周期で発生することが多く、その発生タイミングにより発光のちらつきとして視感される場合がある。また、瞬間的にアークが消滅するので、次に再点弧する際にそれまでとは別の電極位置にアークスポットが形成されて、結果的にアークスポットが移動する現象が起こりやすく、これを原因とする発光のちらつきが発生する。このように水分が多い場合には、いくつかのメカニズムにより発光のちらつきも発生する。
【００１２】
次に、矩形波交流電圧が印加されてメタルハライドランプが点灯する際の点灯周波数が低い場合、極性反転に関連して発生する上述した発光のちらつきが視感されやすくなる。すなわち、極性反転周期が長いため、発生するちらつきの周期が大きくなって、目が感応し得る周期に近づくためと考えられる。加えて、点灯周波数が低くなると、極性反転時の電流ゼロ期間が長いか、または何らかの要因によりアーク消滅期間が長くなるものと考えられる。
【００１３】
ところで、本発明において、透光性気密容器の内部に存在する水分の除去は、既知の各種手段を適宜採用してこれを行うことができる。しかしながら、水分を完全に除去することは実際上困難であり、１ｎｇ未満は達成できない。最小水分量の１ｎｇの場合において、前記数式のＡ／√ｆが０．０１６より小さいときの上記点灯周波数は４ｋＨｚより大きくなる。しかしながら、これより高い周波数では、安価なスイッチング素子を用いて矩形波交流電圧を発生させる場合、後述するスイッチング損失が増大するために、点灯回路を含んだ発光効率が無視できない程度に低下するので、前記数式に下限値を付加して０．０１６≦Ａ／√ｆ≦４．５とすることが好ましい。
【００１４】
次に、本発明において、上述の要件に加えて（１）透光性気密容器の内容積が０．５ｃｃ以下、（２）電極間距離が５ｍｍ以下、（３）放電媒体の金属ハロゲン化物がスカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物であること、（４）放電媒体が本質的に水銀を含まない、ならびに（５）気密容器の単位内表面積当たりのランプ電力すなわち管壁負荷が６０（Ｗ／ｃｍ２）以上であることをも、それぞれ要件として規定しているが、その理由は以下のとおりである。すなわち、
（１）透光性気密容器の内容積が０．５ｃｃ以下であることは、定格ランプ電力が自動車前照灯用などの小形のメタルハライドランプばかりでなく、例えば液晶プロジェクション用などの比較的定格ランプ電力の大きなメタルハライドランプにおいても本発明が効果的であるからである。なお、液晶プロジェクション用のメタルハライドランプの場合、内容積０．４ｃｃ以下、定格ランプ電力８０〜１５０Ｗ程度である。
【００１５】
（２）電極間距離が５ｍｍ以下のメタルハライドランプは、前照灯およびプロジェクション用など始動直後からの光束立ち上がりが良好であることが必要な、ないしは好ましい用途に用いられているので、本発明が効果的である。なお、自動車前照灯用のメタルハライドランプとしては電極間距離４．２ｍｍが規格化されている。一方、液晶プロジェクション用としては２ｍｍ以下が好適である。
【００１６】
（３）放電媒体の金属ハロゲン化物が上記グループから選択された複数種であることにより多様な用途に適応するメタルハライドランプを得ることができる。上記グループ中の金属のうち、スカンジウム（Ｓｃ）およびナトリウム（Ｎａ）は、特にそれらの組み合わせにおいて、白色系の発光を高効率で発生するので、可視光の主発光物質として採用することができる。インジウム（Ｉｎ）および亜鉛（Ｚｎ）は、青色系の発光を行うので色度調整用として採用することができる。また、亜鉛は、その蒸気圧が比較的高いので、ランプ電圧形成用として採用することができる。希土類金属は、主として可視光発光および色度調整用として採用することができる。なお、ランプ電圧形成用としてもいくらか作用する。
【００１７】
したがって、上記グループの金属ハロゲン化物の複数を適宜選択することにより、前照灯用、プロジェクション用などの小形で高光出力タイプの各種メタルハライドランプを得ることができる。
【００１８】
（４）放電媒体が本質的に水銀を含まない点に関して、水銀（Ｈｇ）は、全く含まないのが環境負荷物質削減のために好ましいことであるが、本発明の作用効果に本質的な影響のない程度、換言すれば不純物程度に含んでいても許容される。
【００１９】
（５）管壁負荷が６０（Ｗ／ｃｍ２）以上であるのは、前照灯用、プロジェクション用などの小形で高光出力タイプの各種メタルハライドランプに対して本発明が効果的であることを明確にするためである。
【００２０】
請求項２に係る発明の前照灯は、前照灯本体と；前照灯本体に配設された請求項１記載のメタルハライドランプと；メタルハライドランプを点灯する点灯回路と；を具備していることを特徴としている。
【００２１】
本発明において、前照灯本体とは、前照灯からメタルハライドランプおよび点灯回路を除いた残余の部分をいう。また、点灯回路は、メタルハライドランプを始動し、かつ、点灯開始直後に定格ランプ電力の２倍以上の電力を数秒間連続的に投入し、その後徐々に定格ランプ電力まで低減しながら安定点灯へと移行させるようにメタルハライドランプを制御しながら点灯するように構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明によれば、Ａ／√ｆ≦４．５を満足することにより、発光のちらつき発生が効果的に抑制される水銀フリーのメタルハライドランプを提供することができる。
【００２３】
請求項２の発明によれば、請求項１の効果を有する前照灯を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明のメタルハライドランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプの全体を示す側面図である。本形態において、メタルハライドランプＭＨＬは、発光管ＩＴ、絶縁チューブＴ、外管ＯＴおよび口金Ｂを具備している。
【００２６】
〔発光管ＩＴについて〕 発光管ＩＴは、透光性気密容器１、一対の電極１ｂ、１ｂ、一対の外部リード線３Ａ、３Ｂおよび放電媒体備えている。
【００２７】
（透光性気密容器１について） 透光性気密容器１は、耐火性で透光性であるとともに、内容積が０．５ｃｃ以下の内部空間１ｃを形成する包囲部１ａを備えている。前照灯用の場合、内容積は好適には０．０５ｃｃ以下である。そして、内部空間１ｃは、その形状がほぼ円柱状をなしている。これに対して、透光性気密容器1の包囲部１ａの外面は、楕円球状や紡錘状などの回転２次曲面状をなしている。また、包囲部１ａの肉厚は、全体に肉厚で、管軸方向の中央部の肉厚が最も大きく、両端方向に順次肉厚が小さくなっている。これにより、透光性気密容器１の伝熱が良好になってその内部空間１ｃの底面および側部内面に付着している放電媒体の温度上昇が早まるために、光束立ち上がりが早くなるのに効果的に作用する。一方、液晶プロジェクション用の場合の内容積は０．４ｃｃ以下である。そして、内部空間１ｃは、回転楕円状をなしている。包囲部１ａの外面は、球体状ないし楕円球体状をなしている。
【００２８】
また、透光性気密容器１が「耐火性で透光性である」とは、少なくとも包囲部１ａの外部へ発光を導出しようとする部位である導光部分が透光性であって、かつ、メタルハライドランプＭＨＬの通常の作動温度に十分耐える程度の耐熱性を少なくとも備えているという意味である。したがって、透光性気密容器１は、耐火性を備える材料であり、かつ、その所要の導光部分が放電によって発生した所望波長域の可視光を外部に導出することができれば、どのようなもので作られていてもよい。例えば、透光性セラミックスや石英ガラスなどを用いることができ、前照灯用のメタルハライドランプの場合、好適には直線透過率の高い石英ガラスである。なお、後者の場合、必要に応じて、透光性気密容器１の包囲部１ａの内面に耐ハロゲン性または耐ハロゲン化物性の透明性被膜を形成するか、透光性気密容器１の内面を改質することが許容される。
【００２９】
透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合、包囲部１ａの管軸方向の両端に一対の封止部１ａ１、１ａ１を形成することができる。一対の封止部１ａ１、１ａ１は、包囲部１ａを封止するとともに、後述する電極１ｂの軸部がここに埋設され、かつ、図示しない点灯回路から電流を電極１ｂへ気密に導入するのに寄与する手段であり、包囲部１ａの両端から一体に延在している。そして、電極１ｂを封装し、かつ、点灯回路から電流を電極１ｂへ気密に導入するために、内部に適当な気密封止導通手段、好適には封着金属箔２を気密に埋設している。
【００３０】
なお、封着金属箔２は、封止部１ａ１の内部に気密に埋設されて封止部１ａ１が透光性気密容器１の包囲部１ａの内部を気密に維持するのに協働しながら電流導通導体として機能するための手段であり、透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合の材料としてはモリブデン（Ｍｏ）が最適である。モリブデンは、約３５０℃になると酸化するので、外部側の端部の温度がこれより温度が低くなるように埋設される。封着金属箔２を封止部１ａ１に埋設する方法は、特段限定されないが、例えば減圧封止法、ピンチシール法などを単独で、または組み合わせて採用することができる。内容積が０．１ｃｃ以下の小形でキセノン（Ｘｅ）などの希ガスを室温で５気圧以上封入する前照灯などに用いるメタルハライドランプの場合は、後者が好適である。また、液晶プロジェクション用のメタルハライドランプの場合は、減圧封止法が好適である。
【００３１】
また、図１において、左方の封止部１ａ１を形成した後に、封止管１ａ２が切除されないで封止部１ａ１の外側端部から一体に延長していて、後述する口金Ｂ内へ延在している。
【００３２】
（一対の電極１ｂ、１ｂについて） 一対の電極１ｂ、１ｂは、透光性気密容器１の包囲部１ａの両端内部に離間対向して封装されている。メタルハライドランプＭＨＬの内部空間１ｃの内容積が０．５ｃｃ以下と小形のため、電極間距離は５ｍｍ以下であり、前照灯用の場合には規格化されている４．２±０．１ｍｍに設定される。また、一対の電極１ｂ、１ｂは、その軸部の直径が一般的には０．２５〜０．５ｍｍ、好適には０．２５〜０．３５ｍｍの範囲内で適当な値に設定されるのがよい。
【００３３】
さらに、一対の電極１ｂ、１ｂは、タングステン（Ｗ）、ドープドタングステン、レニウム（Ｒｅ）、タングステン−レニウム合金（Ｗ−Ｒｅ）などの耐火金属製の軸部を備え、その軸部の基端が封着金属箔２に溶接されるなどして封止部１ａ１に埋設され、中間が透光性気密容器１の封止部１ａ１により緩く支持され、先端が透光性気密容器１の内部空間１ｃに臨むように内部空間１ｃの両端に離間対向して配設されている。
【００３４】
さらにまた、メタルハライドランプＭＨＬが前照灯用の場合、電極１ｂの軸部をそのまま先端部までその径が大きくなることなく延長して、切頭円錐形、半球状または半楕円球状にすることにより、放電アークの起点が安定しやすくなる。また、これに加えて先端部に小さな突起が形成されていることにより相乗的に効果が増大する。なお、本形態において、電極１ｂの先端は、図示を省略しているが、電極軸の直径の１／２の曲率の半球状をなしている。しかし、要すれば電極１ｂの先端部近傍を軸部より径大の例えばほぼ球状ないし楕円球状にすることもできる。すなわち、ランプの点滅回数が非常に多くなるとともに、また始動時には定常時より大きな電流を流すので、これに対応して電極１ｂ全体を径大にすると、電極軸に接触している透光性気密容器１の構成材料が点滅のたびに熱応力を受けてクラックを生じやすい。そこで、電極１ｂの先端部近傍に径大部を形成することで、電極１ｂを点滅に対応させることができるが、軸部は径大になっていないから、クラックを生じにくい。
【００３５】
さらにまた、電極１ｂは、交流および直流のいずれで作動するように構成してもよい。交流で作動する場合、一対の電極１ｂは同一構造とする。直流で作動する場合、一般に陽極は温度上昇が激しいから、先端部近傍に径大部を形成すれば、放熱面積を大きくすることができるとともに、頻繁な点滅に対応することができる。これに対して、陰極は必ずしも径大部を形成する必要がない。
【００３６】
（一対の外部リード線３Ａ、３Ｂについて） 一対の外部リード線３Ａ、３Ｂは、その先端が透光性気密容器１の両端の封止部１ａ１内において封着金属箔２の他端に溶接され、基端側が外部へ導出されている。図１において発光管ＩＴから右方へ導出された外部リード線３Ａは、中間部が後述する外管ＯＴに沿って折り返されて後述する口金Ｂ内に導入されて図示しない口金端子の一方に接続している。図１において発光管ＩＴから左方へ導出された外部リード線３Ｂは、封止管１ａ２内を管軸に沿って延在して口金Ｂ内に導入されて口金端子の他方に接続している。
【００３７】
（放電媒体について） 放電媒体は、金属ハロゲン化物および希ガスを含み、水銀を本質的に含まない。金属ハロゲン化物は、スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物を含んでいる。しかし、放電媒体は、上記グループに属する金属のハロゲン化物のみからなる構成に限定されるものではなく、補助的にグループ以外の金属のハロゲン化物を含有することが許容される。例えば、主発光物質としてタリウム（Ｔｌ）のハロゲン化物を添加することにより、発光効率を一層高めることができる。また、亜鉛（Ｚｎ）に加えて次のグループからなるランプ電圧形成用の金属ハロゲン化物を添加することができる。すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）、コバルト（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、レニウム（Ｒｅ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）のグループから選択された一種または複数種の金属のハロゲン化物を添加することにより、ランプ電圧を所望に調整することができる。上記のグループの金属は、いずれも蒸気圧が高くて可視域に発光しないか、または発光が比較的少ない金属すなわち光束を稼ぐ発光金属としては期待されないが、主としてランプ電圧を形成するのに好適な金属である。
【００３８】
希ガスは、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用し、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）などの一種または複数種を用いることができる。また、自動車前照灯用のメタルハライドランプとしては、キセノンを５気圧以上、好ましくは７〜１８気圧の範囲で封入するか、あるいは点灯時の内部空間内の圧力が５０気圧以上になるように封入することにより、始動直後の発光金属の蒸気圧が低いときに、立ち上がり時の光束としてＸｅの白色発光を寄与させることができる。
【００３９】
さらに、水銀について言及しておく。本発明において、「本質的に水銀を含まない」と
は、水銀（Ｈｇ）を全く封入していないだけでなく、気密容器の内容積１ｃｃ当たり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀が存在していることを許容するという意味である。しかし、水銀を全く封入しないことは環境上望ましいことである。従来のように水銀蒸気によって放電ランプのランプ電圧を所要に高くする場合、短アーク形においては気密容器の内容積１ｃｍ３当たり２０〜４０ｍｇ、さらに場合によっては５０ｍｇ以上封入していたことからすれば、水銀量が実質的に頗る少ないといえる。
【００４０】
ハロゲン化物を構成するハロゲンは、反応性に関してハロゲンの中でヨウ素が最も適当であり、少なくとも上記主発光金属は、主としてヨウ化物として封入される。しかし、要すれば、ヨウ化物および臭化物のように異なるハロゲンの化合物を併用することもできる。
【００４１】
〔絶縁チューブＴについて〕 絶縁チューブＴは、セラミックスからなり、絶縁チューブＴは、外部リード線３Ａを被覆している。
【００４２】
〔外管ＯＴについて〕 外管ＯＴは、石英ガラスまたはハイシリケートガラスなどからなり、その内部に発光管ＩＴの少なくとも主要部を収納する手段である。そして、発光管ＩＴから外部へ放射される紫外線を遮断し、機械的に保護し、かつ、発光管ＩＴの透光性気密容器１を手で触れることで人の指紋や脂肪が付いて失透の原因とならないようにしたり、あるいは透光性気密容器１を保温したりする。また、外管ＯＴの内部は、その目的に応じて外気に対して気密に封止してもよいし、外気と同程度または減圧された空気または不活性ガスが封入されていてもよい。さらに、要すれば、外気に連通していてもよい。さらに、外管ＯＴの外面または内面に遮光膜を配設することもできる。
【００４３】
また、図示の形態においては、外管ＯＴを形成する際に、その両端を透光性気密容器１の両端から管軸方向に延在する封止部にガラス溶着させることによって外管ＯＴを透光性気密容器１で支持するように構成することができる。外管ＯＴは、紫外線カット性能を備えており、内部に発光管ＩＴを収納していて、両端の縮径部４が放電容器ＩＴの封止部１ａ１にガラス溶着している。しかし、内部は気密ではなく、外気に連通している。
【００４４】
〔口金Ｂについて〕 口金Ｂは、メタルハライドランプＭＨＬを図示しない点灯回路に接続したり、加えて機械的に支持したりするのに機能する手段であって、図示の形態においては、自動車前照灯用として規格化されているもので、発光管ＩＴおよび外管ＯＴを中心軸に沿って植立して支持していて、自動車前照灯の背面に着脱可能に装着されるように構成されている。
【００４５】
次に、実施例を比較例１および比較例２とともに説明する。なお、比較例１は、市販の自動車前照灯用のメタルハライドランプ、比較例２は本発明の構成を備えていない自動車前照灯用の水銀フリーランプである。
【実施例１】
【００４６】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.2mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-NaI-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：50ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：2.75
ちらつき発生率 ：0％
【実施例２】
【００４７】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.2mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-NaI-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：20ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：1.1
ちらつき発生率 ：0％
【実施例３】
【００４８】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.15cc、内径6.0mm、包囲部長さ8.0mm、
包囲部外径10mm
電極間距離 ：5.0mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InBr-CsI、合計3.5mg、希ガスXe12atm
安定時ランプ電圧：50V
安定時ランプ電力：150W
点灯周波数 ：1000Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：100ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：3.16
ちらつき発生率 ：0％
〔比較例１〕
【００４９】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.0mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：90ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：4.95
ちらつき発生率 ：21％
〔比較例２〕
【００５０】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.0mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：100Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：50ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：5.0
ちらつき発生率 ：25％
次に、図２および図３を参照してＡ／√ｆと発光のちらつき発生率および点灯回路を含んだ発光効率の関係について説明する。
【００５１】
図２は、Ａ／√ｆと発光のちらつき発生率の関係を示すグラフである。図において、横軸はＡ／√ｆを、縦軸はちらつき発生率（％）を、それぞれ示す。図から理解できるように、Ａ／√ｆの値が大きいほどちらつき発生率が大きくなり、Ａ／√ｆが４．５以下になるとちらつきが殆ど発生しなくなる。
【００５２】
図３は、Ａ／√ｆと点灯回路を含んだ発光効率の関係を示すグラフである。図において、横軸はＡ／√ｆを、縦軸は相対発光効率を、それぞれ示す。なお、ここで「相対発光効率」とは、点灯回路を含んだ総合的な発光効率を示している。図から理解できるように、Ａ／√ｆの値が小さいほど発光効率が低くなり、Ａ／√ｆが０．０１６以下になると、相対発光効率が急激に低下する。
【００５３】
図４および図５は、本発明の照明装置を実施するための一形態としての自動車前照灯を示し、図４は概念図、図５は点灯回路を示す回路図である。各図において、１１は前照灯本体、１２は点灯回路、１３はメタルハライドランプである。
【００５４】
前照灯本体１１は、容器状をなし、内部に反射鏡１１ａ、前面にレンズ１１ｂおよび図示を省略しているランプソケットなどを備えている。
【００５５】
点灯回路１２は、図５に示す回路構成を備えていて、主点灯回路１２Ａおよび始動器１２Ｂを具備している。主点灯回路１２Ａは後述するように構成され、前照灯本体１１に取り付けることができる。
【００５６】
メタルハライドランプ１３は、図１に示すメタルハライドランプからなる。
【００５７】
前記主点灯回路１２Ａは、図５に示すように、直流電源２１、昇圧チョッパ２２、インバータ２３および制御回路２４からなり、メタルハライドランプ１３を点灯する。直流電源２１は、電池電源、整流化直流電源などからなり、直流出力端間に接続された平滑コンデンサＣ１を有している。昇圧チョッパ２２は、直流電源２１から供給される直流電圧を所要の電圧まで昇圧し、かつ、平滑化して後述するインバータ２３に入力電圧を供給する。なお、符号２２ａは駆動回路で、昇圧チョッパ２２のスイッチング素子を駆動する。インバータ２３は、フルブリッジ形インバータからなる。そして、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をブリッジ接続し、その対向２辺を構成する一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と他の対向２辺を構成する一対のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４とを交互にスイッチングさせて、その出力端間に矩形波交流電圧を出力する。なお、符号２３ａは駆動回路で、インバータ２３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動する。制御回路２４は、昇圧チョッパ２２およびインバータ２３を所要に、例えばメタルハライドランプ１３が冷却状態のときには、メタルハライドランプ１３を始動直後の数秒間定格ランプ電力の約２倍以上、例えば２．５倍程度で点灯し、その徐々に低減させて安定点灯時の定格ランプ電力に移行させるように制御する。
【００５８】
始動器１２Ｂは、メタルハライドランプ１３の始動時に高電圧パルスを出力してメタルハライドランプ１３に印加して、これを瞬時に始動させる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明のメタルハライドランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプの全体を示す側面図
【図２】Ａ／√ｆと発光のちらつき発生率の関係を示すグラフ
【図３】Ａ／√ｆと点灯回路を含んだ発光効率の関係を示すグラフ
【図４】本発明の照明装置を実施するための一形態としての自動車前照灯を示す概念図
【図５】同じく点灯回路を示す回路図
【符号の説明】
【００６０】
１…透光性気密容器、１ａ…包囲部、１ａ１…封止部、１ａ２…封止管、１ｂ…電極、１ｃ…内部空間、２…封着金属箔、３Ａ…外部リード線、３Ｂ…外部リード線、ＩＴ…発光管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀を本質的に封入しないいわゆる水銀フリーのメタルハライドランプ（以下、便宜上「水銀フリーランプ」という。）は既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。水銀フリーランプは、従来のランプ電圧形成用の緩衝物質として封入されている水銀に代えて亜鉛（Ｚｎ）などの蒸気圧が比較的高くて可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物を封入しているのが一般的である。
【０００３】
水銀フリーランプは、特に環境負荷物質の使用を全廃しようとしている自動車の前照灯用の光源として期待され、開発が行われている。このメタルハライドランプは、水銀入りのメタルハライドランプ（以下、便宜上「水銀入りランプ」という。）に比べて一般にアークが細いことから、放電アークが不安定になりやすいために、発光のちらつきが発生しやすいという課題を伴っている。このため、水銀入りランプの場合には不要であった特別の対策を付加することが必要になる。
【０００４】
ところで、高圧放電ランプの透光性気密容器の内部に存在する不純物を低減することは、従来から知られている（例えば、特許文献２ないし５などを参照。）。特許文献２は、水銀ランプやメタルハライドランプ製造において、３ｍＡの電流を供給してグロー放電させる際に発光部内に存在する水素、酸素およびそれら化合物の分光スペクトルの最大強度を、希ガスの主発光の分光スペクトル強度の１／１０００以下にすることにより、上記不純物を低減して、黒化や失透を抑制し、ランプ寿命を高めようとしている。特許文献３および４においては、水銀入りランプの製造において、プロパン酸素バーナーやプラズマトーチを使用してガラス加工したり、加工後真空中で高温加熱してＨ２Oとして放出させたりして、上記不純物を低減して、黒化や失透を抑制し、ランプ寿命を高めようとしている。特許文献５においては、水銀、ハロゲンおよび希ガスを封入する高圧放電ランプの製造において、１２００℃、６時間の高温真空熱処理を行っている。
【特許文献１】特開平１１−２３８４８８号公報
【特許文献２】特開平１１−３２９３５０号公報
【特許文献３】特開平０９−１０２２７７号公報
【特許文献４】特開平０９−１０２２７８号公報
【特許文献５】特開平０２−２２０３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、水銀フリーランプにおいて、透光性気密容器の内部に存在する水分量と矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数とが所定条件を満足するように構成することにより、発光のちらつきを効果的に抑制できることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【０００６】
本発明は、発光のちらつきの発生を抑制する水銀フリーのメタルハライドランプおよびこれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明のメタルハライドランプは、内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器と；透光性気密容器内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極と；スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足することを特徴としている。
【０００８】
Ａ／√ｆ≦４．５
本発明において、透光性気密容器内の水分Ａ（ｎｇ）は、ＡＰＩ−ＭＳ分析法によるガス分析によって測定することができる。すなわち、透光性気密容器を密閉空間内で２００℃に加熱して破壊した際に放出されたガス中の水分系ガスの重量を測定する。得られた検出値は、透光性気密容器の内部に存在する全水分量と相関があるので、金属ハロゲン化物中に取り込まれた水分については検出できないものの透光性気密容器内の水分量を規定する指標とすることができる。
【０００９】
一方、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数は、点灯回路からメタルハライドランプに対して供給される矩形波交流電圧の周波数であり、好ましくは４ｋＨｚ以下である。なお、本発明において、メタルハライドランプを点灯するのに矩形波電圧を印加する理由は、矩形波電圧は正弦波電圧より発光のちらつきが発生しにくいばかりでなく、点灯回路の回路構成が簡単になるからである。また、矩形波電圧は、完全な矩形波だけでなく、部分的にパルス部分が重畳しているなど部分的に段階状をなしているような波形を含む。
【００１０】
次に、本発明の作用について説明する。本発明において、発光のちらつきは、上記数式から透光性気密容器の内部の水分に比例し、かつ、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数の１／２乗に反比例することと、前者の後者に対する比が４．５以下のときに発光のちらつきが許容範囲内に抑制されることが理解できる。したがって、ある上記点灯周波数に対して相対的に水分量を低減するか、またはある水分量に対して上記周波数を高くすることにより、発光のちらつきを許容範囲内に抑制することができる。反対に、水分が多くなるか、または上記点灯周波数が低くなると、発光のちらつきが発生しやすくなる。この発光のちらつき発生のメカニズムは以下のように推測される。
【００１１】
すなわち、水分が多い場合、放電を阻害する水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）およびＯＨなどのガスが多く発生するため、放電が不安定になり、物理的に放電アークがうねるため、発光のちらつきとなって見える。また、これらガスにより透光性気密容器内部の放電媒体のそれを含むガスの絶縁破壊電圧が増すため、一対の電極間に流れる交流電流の極性反転時の電流ゼロ期間に一度アークが消滅し、再度逆極性になってから点弧（再点弧）する現象が発生する。この現象は、交流のランダムな周期で発生することが多く、その発生タイミングにより発光のちらつきとして視感される場合がある。また、瞬間的にアークが消滅するので、次に再点弧する際にそれまでとは別の電極位置にアークスポットが形成されて、結果的にアークスポットが移動する現象が起こりやすく、これを原因とする発光のちらつきが発生する。このように水分が多い場合には、いくつかのメカニズムにより発光のちらつきも発生する。
【００１２】
次に、矩形波交流電圧が印加されてメタルハライドランプが点灯する際の点灯周波数が低い場合、極性反転に関連して発生する上述した発光のちらつきが視感されやすくなる。すなわち、極性反転周期が長いため、発生するちらつきの周期が大きくなって、目が感応し得る周期に近づくためと考えられる。加えて、点灯周波数が低くなると、極性反転時の電流ゼロ期間が長いか、または何らかの要因によりアーク消滅期間が長くなるものと考えられる。
【００１３】
ところで、本発明において、透光性気密容器の内部に存在する水分の除去は、既知の各種手段を適宜採用してこれを行うことができる。しかしながら、水分を完全に除去することは実際上困難であり、１ｎｇ未満は達成できない。最小水分量の１ｎｇの場合において、前記数式のＡ／√ｆが０．０１６より小さいときの上記点灯周波数は４ｋＨｚより大きくなる。しかしながら、これより高い周波数では、安価なスイッチング素子を用いて矩形波交流電圧を発生させる場合、後述するスイッチング損失が増大するために、点灯回路を含んだ発光効率が無視できない程度に低下するので、前記数式に下限値を付加して０．０１６≦Ａ／√ｆ≦４．５とすることが好ましい。
【００１４】
次に、本発明において、上述の要件に加えて（１）透光性気密容器の内容積が０．５ｃｃ以下、（２）電極間距離が５ｍｍ以下、（３）放電媒体の金属ハロゲン化物がスカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物であること、（４）放電媒体が本質的に水銀を含まない、ならびに（５）気密容器の単位内表面積当たりのランプ電力すなわち管壁負荷が６０（Ｗ／ｃｍ２）以上であることをも、それぞれ要件として規定しているが、その理由は以下のとおりである。すなわち、
（１）透光性気密容器の内容積が０．５ｃｃ以下であることは、定格ランプ電力が自動車前照灯用などの小形のメタルハライドランプばかりでなく、例えば液晶プロジェクション用などの比較的定格ランプ電力の大きなメタルハライドランプにおいても本発明が効果的であるからである。なお、液晶プロジェクション用のメタルハライドランプの場合、内容積０．４ｃｃ以下、定格ランプ電力８０〜１５０Ｗ程度である。
【００１５】
（２）電極間距離が５ｍｍ以下のメタルハライドランプは、前照灯およびプロジェクション用など始動直後からの光束立ち上がりが良好であることが必要な、ないしは好ましい用途に用いられているので、本発明が効果的である。なお、自動車前照灯用のメタルハライドランプとしては電極間距離４．２ｍｍが規格化されている。一方、液晶プロジェクション用としては２ｍｍ以下が好適である。
【００１６】
（３）放電媒体の金属ハロゲン化物が上記グループから選択された複数種であることにより多様な用途に適応するメタルハライドランプを得ることができる。上記グループ中の金属のうち、スカンジウム（Ｓｃ）およびナトリウム（Ｎａ）は、特にそれらの組み合わせにおいて、白色系の発光を高効率で発生するので、可視光の主発光物質として採用することができる。インジウム（Ｉｎ）および亜鉛（Ｚｎ）は、青色系の発光を行うので色度調整用として採用することができる。また、亜鉛は、その蒸気圧が比較的高いので、ランプ電圧形成用として採用することができる。希土類金属は、主として可視光発光および色度調整用として採用することができる。なお、ランプ電圧形成用としてもいくらか作用する。
【００１７】
したがって、上記グループの金属ハロゲン化物の複数を適宜選択することにより、前照灯用、プロジェクション用などの小形で高光出力タイプの各種メタルハライドランプを得ることができる。
【００１８】
（４）放電媒体が本質的に水銀を含まない点に関して、水銀（Ｈｇ）は、全く含まないのが環境負荷物質削減のために好ましいことであるが、本発明の作用効果に本質的な影響のない程度、換言すれば不純物程度に含んでいても許容される。
【００１９】
（５）管壁負荷が６０（Ｗ／ｃｍ２）以上であるのは、前照灯用、プロジェクション用などの小形で高光出力タイプの各種メタルハライドランプに対して本発明が効果的であることを明確にするためである。
【００２０】
請求項２に係る発明の前照灯は、前照灯本体と；前照灯本体に配設された請求項１記載のメタルハライドランプと；メタルハライドランプを点灯する点灯回路と；を具備していることを特徴としている。
【００２１】
本発明において、前照灯本体とは、前照灯からメタルハライドランプおよび点灯回路を除いた残余の部分をいう。また、点灯回路は、メタルハライドランプを始動し、かつ、点灯開始直後に定格ランプ電力の２倍以上の電力を数秒間連続的に投入し、その後徐々に定格ランプ電力まで低減しながら安定点灯へと移行させるようにメタルハライドランプを制御しながら点灯するように構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明によれば、Ａ／√ｆ≦４．５を満足することにより、発光のちらつき発生が効果的に抑制される水銀フリーのメタルハライドランプを提供することができる。
【００２３】
請求項２の発明によれば、請求項１の効果を有する前照灯を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明のメタルハライドランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプの全体を示す側面図である。本形態において、メタルハライドランプＭＨＬは、発光管ＩＴ、絶縁チューブＴ、外管ＯＴおよび口金Ｂを具備している。
【００２６】
〔発光管ＩＴについて〕 発光管ＩＴは、透光性気密容器１、一対の電極１ｂ、１ｂ、一対の外部リード線３Ａ、３Ｂおよび放電媒体備えている。
【００２７】
（透光性気密容器１について） 透光性気密容器１は、耐火性で透光性であるとともに、内容積が０．５ｃｃ以下の内部空間１ｃを形成する包囲部１ａを備えている。前照灯用の場合、内容積は好適には０．０５ｃｃ以下である。そして、内部空間１ｃは、その形状がほぼ円柱状をなしている。これに対して、透光性気密容器1の包囲部１ａの外面は、楕円球状や紡錘状などの回転２次曲面状をなしている。また、包囲部１ａの肉厚は、全体に肉厚で、管軸方向の中央部の肉厚が最も大きく、両端方向に順次肉厚が小さくなっている。これにより、透光性気密容器１の伝熱が良好になってその内部空間１ｃの底面および側部内面に付着している放電媒体の温度上昇が早まるために、光束立ち上がりが早くなるのに効果的に作用する。一方、液晶プロジェクション用の場合の内容積は０．４ｃｃ以下である。そして、内部空間１ｃは、回転楕円状をなしている。包囲部１ａの外面は、球体状ないし楕円球体状をなしている。
【００２８】
また、透光性気密容器１が「耐火性で透光性である」とは、少なくとも包囲部１ａの外部へ発光を導出しようとする部位である導光部分が透光性であって、かつ、メタルハライドランプＭＨＬの通常の作動温度に十分耐える程度の耐熱性を少なくとも備えているという意味である。したがって、透光性気密容器１は、耐火性を備える材料であり、かつ、その所要の導光部分が放電によって発生した所望波長域の可視光を外部に導出することができれば、どのようなもので作られていてもよい。例えば、透光性セラミックスや石英ガラスなどを用いることができ、前照灯用のメタルハライドランプの場合、好適には直線透過率の高い石英ガラスである。なお、後者の場合、必要に応じて、透光性気密容器１の包囲部１ａの内面に耐ハロゲン性または耐ハロゲン化物性の透明性被膜を形成するか、透光性気密容器１の内面を改質することが許容される。
【００２９】
透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合、包囲部１ａの管軸方向の両端に一対の封止部１ａ１、１ａ１を形成することができる。一対の封止部１ａ１、１ａ１は、包囲部１ａを封止するとともに、後述する電極１ｂの軸部がここに埋設され、かつ、図示しない点灯回路から電流を電極１ｂへ気密に導入するのに寄与する手段であり、包囲部１ａの両端から一体に延在している。そして、電極１ｂを封装し、かつ、点灯回路から電流を電極１ｂへ気密に導入するために、内部に適当な気密封止導通手段、好適には封着金属箔２を気密に埋設している。
【００３０】
なお、封着金属箔２は、封止部１ａ１の内部に気密に埋設されて封止部１ａ１が透光性気密容器１の包囲部１ａの内部を気密に維持するのに協働しながら電流導通導体として機能するための手段であり、透光性気密容器１が石英ガラスからなる場合の材料としてはモリブデン（Ｍｏ）が最適である。モリブデンは、約３５０℃になると酸化するので、外部側の端部の温度がこれより温度が低くなるように埋設される。封着金属箔２を封止部１ａ１に埋設する方法は、特段限定されないが、例えば減圧封止法、ピンチシール法などを単独で、または組み合わせて採用することができる。内容積が０．１ｃｃ以下の小形でキセノン（Ｘｅ）などの希ガスを室温で５気圧以上封入する前照灯などに用いるメタルハライドランプの場合は、後者が好適である。また、液晶プロジェクション用のメタルハライドランプの場合は、減圧封止法が好適である。
【００３１】
また、図１において、左方の封止部１ａ１を形成した後に、封止管１ａ２が切除されないで封止部１ａ１の外側端部から一体に延長していて、後述する口金Ｂ内へ延在している。
【００３２】
（一対の電極１ｂ、１ｂについて） 一対の電極１ｂ、１ｂは、透光性気密容器１の包囲部１ａの両端内部に離間対向して封装されている。メタルハライドランプＭＨＬの内部空間１ｃの内容積が０．５ｃｃ以下と小形のため、電極間距離は５ｍｍ以下であり、前照灯用の場合には規格化されている４．２±０．１ｍｍに設定される。また、一対の電極１ｂ、１ｂは、その軸部の直径が一般的には０．２５〜０．５ｍｍ、好適には０．２５〜０．３５ｍｍの範囲内で適当な値に設定されるのがよい。
【００３３】
さらに、一対の電極１ｂ、１ｂは、タングステン（Ｗ）、ドープドタングステン、レニウム（Ｒｅ）、タングステン−レニウム合金（Ｗ−Ｒｅ）などの耐火金属製の軸部を備え、その軸部の基端が封着金属箔２に溶接されるなどして封止部１ａ１に埋設され、中間が透光性気密容器１の封止部１ａ１により緩く支持され、先端が透光性気密容器１の内部空間１ｃに臨むように内部空間１ｃの両端に離間対向して配設されている。
【００３４】
さらにまた、メタルハライドランプＭＨＬが前照灯用の場合、電極１ｂの軸部をそのまま先端部までその径が大きくなることなく延長して、切頭円錐形、半球状または半楕円球状にすることにより、放電アークの起点が安定しやすくなる。また、これに加えて先端部に小さな突起が形成されていることにより相乗的に効果が増大する。なお、本形態において、電極１ｂの先端は、図示を省略しているが、電極軸の直径の１／２の曲率の半球状をなしている。しかし、要すれば電極１ｂの先端部近傍を軸部より径大の例えばほぼ球状ないし楕円球状にすることもできる。すなわち、ランプの点滅回数が非常に多くなるとともに、また始動時には定常時より大きな電流を流すので、これに対応して電極１ｂ全体を径大にすると、電極軸に接触している透光性気密容器１の構成材料が点滅のたびに熱応力を受けてクラックを生じやすい。そこで、電極１ｂの先端部近傍に径大部を形成することで、電極１ｂを点滅に対応させることができるが、軸部は径大になっていないから、クラックを生じにくい。
【００３５】
さらにまた、電極１ｂは、交流および直流のいずれで作動するように構成してもよい。交流で作動する場合、一対の電極１ｂは同一構造とする。直流で作動する場合、一般に陽極は温度上昇が激しいから、先端部近傍に径大部を形成すれば、放熱面積を大きくすることができるとともに、頻繁な点滅に対応することができる。これに対して、陰極は必ずしも径大部を形成する必要がない。
【００３６】
（一対の外部リード線３Ａ、３Ｂについて） 一対の外部リード線３Ａ、３Ｂは、その先端が透光性気密容器１の両端の封止部１ａ１内において封着金属箔２の他端に溶接され、基端側が外部へ導出されている。図１において発光管ＩＴから右方へ導出された外部リード線３Ａは、中間部が後述する外管ＯＴに沿って折り返されて後述する口金Ｂ内に導入されて図示しない口金端子の一方に接続している。図１において発光管ＩＴから左方へ導出された外部リード線３Ｂは、封止管１ａ２内を管軸に沿って延在して口金Ｂ内に導入されて口金端子の他方に接続している。
【００３７】
（放電媒体について） 放電媒体は、金属ハロゲン化物および希ガスを含み、水銀を本質的に含まない。金属ハロゲン化物は、スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物を含んでいる。しかし、放電媒体は、上記グループに属する金属のハロゲン化物のみからなる構成に限定されるものではなく、補助的にグループ以外の金属のハロゲン化物を含有することが許容される。例えば、主発光物質としてタリウム（Ｔｌ）のハロゲン化物を添加することにより、発光効率を一層高めることができる。また、亜鉛（Ｚｎ）に加えて次のグループからなるランプ電圧形成用の金属ハロゲン化物を添加することができる。すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）、コバルト（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、レニウム（Ｒｅ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）のグループから選択された一種または複数種の金属のハロゲン化物を添加することにより、ランプ電圧を所望に調整することができる。上記のグループの金属は、いずれも蒸気圧が高くて可視域に発光しないか、または発光が比較的少ない金属すなわち光束を稼ぐ発光金属としては期待されないが、主としてランプ電圧を形成するのに好適な金属である。
【００３８】
希ガスは、始動ガスおよび緩衝ガスとして作用し、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）などの一種または複数種を用いることができる。また、自動車前照灯用のメタルハライドランプとしては、キセノンを５気圧以上、好ましくは７〜１８気圧の範囲で封入するか、あるいは点灯時の内部空間内の圧力が５０気圧以上になるように封入することにより、始動直後の発光金属の蒸気圧が低いときに、立ち上がり時の光束としてＸｅの白色発光を寄与させることができる。
【００３９】
さらに、水銀について言及しておく。本発明において、「本質的に水銀を含まない」と
は、水銀（Ｈｇ）を全く封入していないだけでなく、気密容器の内容積１ｃｃ当たり２ｍｇ未満、好ましくは１ｍｇ以下の水銀が存在していることを許容するという意味である。しかし、水銀を全く封入しないことは環境上望ましいことである。従来のように水銀蒸気によって放電ランプのランプ電圧を所要に高くする場合、短アーク形においては気密容器の内容積１ｃｍ３当たり２０〜４０ｍｇ、さらに場合によっては５０ｍｇ以上封入していたことからすれば、水銀量が実質的に頗る少ないといえる。
【００４０】
ハロゲン化物を構成するハロゲンは、反応性に関してハロゲンの中でヨウ素が最も適当であり、少なくとも上記主発光金属は、主としてヨウ化物として封入される。しかし、要すれば、ヨウ化物および臭化物のように異なるハロゲンの化合物を併用することもできる。
【００４１】
〔絶縁チューブＴについて〕 絶縁チューブＴは、セラミックスからなり、絶縁チューブＴは、外部リード線３Ａを被覆している。
【００４２】
〔外管ＯＴについて〕 外管ＯＴは、石英ガラスまたはハイシリケートガラスなどからなり、その内部に発光管ＩＴの少なくとも主要部を収納する手段である。そして、発光管ＩＴから外部へ放射される紫外線を遮断し、機械的に保護し、かつ、発光管ＩＴの透光性気密容器１を手で触れることで人の指紋や脂肪が付いて失透の原因とならないようにしたり、あるいは透光性気密容器１を保温したりする。また、外管ＯＴの内部は、その目的に応じて外気に対して気密に封止してもよいし、外気と同程度または減圧された空気または不活性ガスが封入されていてもよい。さらに、要すれば、外気に連通していてもよい。さらに、外管ＯＴの外面または内面に遮光膜を配設することもできる。
【００４３】
また、図示の形態においては、外管ＯＴを形成する際に、その両端を透光性気密容器１の両端から管軸方向に延在する封止部にガラス溶着させることによって外管ＯＴを透光性気密容器１で支持するように構成することができる。外管ＯＴは、紫外線カット性能を備えており、内部に発光管ＩＴを収納していて、両端の縮径部４が放電容器ＩＴの封止部１ａ１にガラス溶着している。しかし、内部は気密ではなく、外気に連通している。
【００４４】
〔口金Ｂについて〕 口金Ｂは、メタルハライドランプＭＨＬを図示しない点灯回路に接続したり、加えて機械的に支持したりするのに機能する手段であって、図示の形態においては、自動車前照灯用として規格化されているもので、発光管ＩＴおよび外管ＯＴを中心軸に沿って植立して支持していて、自動車前照灯の背面に着脱可能に装着されるように構成されている。
【００４５】
次に、実施例を比較例１および比較例２とともに説明する。なお、比較例１は、市販の自動車前照灯用のメタルハライドランプ、比較例２は本発明の構成を備えていない自動車前照灯用の水銀フリーランプである。
【実施例１】
【００４６】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.2mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-NaI-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：50ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：2.75
ちらつき発生率 ：0％
【実施例２】
【００４７】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.2mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-NaI-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：20ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：1.1
ちらつき発生率 ：0％
【実施例３】
【００４８】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.15cc、内径6.0mm、包囲部長さ8.0mm、
包囲部外径10mm
電極間距離 ：5.0mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InBr-CsI、合計3.5mg、希ガスXe12atm
安定時ランプ電圧：50V
安定時ランプ電力：150W
点灯周波数 ：1000Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：100ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：3.16
ちらつき発生率 ：0％
〔比較例１〕
【００４９】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.0mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：330Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：90ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：4.95
ちらつき発生率 ：21％
〔比較例２〕
【００５０】
透光性気密容器 ：内部空間の内容積0.023cc、内径2.6mm、包囲部長さ7.0mm、
包囲部外径6.0mm
電極間距離 ：4.2mm
放電媒体 ：金属ハロゲン化物ScI3-Na-ZnI2-InI-CsI、合計0.5mg、希ガスXe11atm
安定時ランプ電圧：44V
安定時ランプ電力：35W
点灯周波数 ：100Hz（矩形波交流）
透光性気密容器内水分：50ng（AP-MS法）
Ａ／√ｆ ：5.0
ちらつき発生率 ：25％
次に、図２および図３を参照してＡ／√ｆと発光のちらつき発生率および点灯回路を含んだ発光効率の関係について説明する。
【００５１】
図２は、Ａ／√ｆと発光のちらつき発生率の関係を示すグラフである。図において、横軸はＡ／√ｆを、縦軸はちらつき発生率（％）を、それぞれ示す。図から理解できるように、Ａ／√ｆの値が大きいほどちらつき発生率が大きくなり、Ａ／√ｆが４．５以下になるとちらつきが殆ど発生しなくなる。
【００５２】
図３は、Ａ／√ｆと点灯回路を含んだ発光効率の関係を示すグラフである。図において、横軸はＡ／√ｆを、縦軸は相対発光効率を、それぞれ示す。なお、ここで「相対発光効率」とは、点灯回路を含んだ総合的な発光効率を示している。図から理解できるように、Ａ／√ｆの値が小さいほど発光効率が低くなり、Ａ／√ｆが０．０１６以下になると、相対発光効率が急激に低下する。
【００５３】
図４および図５は、本発明の照明装置を実施するための一形態としての自動車前照灯を示し、図４は概念図、図５は点灯回路を示す回路図である。各図において、１１は前照灯本体、１２は点灯回路、１３はメタルハライドランプである。
【００５４】
前照灯本体１１は、容器状をなし、内部に反射鏡１１ａ、前面にレンズ１１ｂおよび図示を省略しているランプソケットなどを備えている。
【００５５】
点灯回路１２は、図５に示す回路構成を備えていて、主点灯回路１２Ａおよび始動器１２Ｂを具備している。主点灯回路１２Ａは後述するように構成され、前照灯本体１１に取り付けることができる。
【００５６】
メタルハライドランプ１３は、図１に示すメタルハライドランプからなる。
【００５７】
前記主点灯回路１２Ａは、図５に示すように、直流電源２１、昇圧チョッパ２２、インバータ２３および制御回路２４からなり、メタルハライドランプ１３を点灯する。直流電源２１は、電池電源、整流化直流電源などからなり、直流出力端間に接続された平滑コンデンサＣ１を有している。昇圧チョッパ２２は、直流電源２１から供給される直流電圧を所要の電圧まで昇圧し、かつ、平滑化して後述するインバータ２３に入力電圧を供給する。なお、符号２２ａは駆動回路で、昇圧チョッパ２２のスイッチング素子を駆動する。インバータ２３は、フルブリッジ形インバータからなる。そして、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をブリッジ接続し、その対向２辺を構成する一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と他の対向２辺を構成する一対のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４とを交互にスイッチングさせて、その出力端間に矩形波交流電圧を出力する。なお、符号２３ａは駆動回路で、インバータ２３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動する。制御回路２４は、昇圧チョッパ２２およびインバータ２３を所要に、例えばメタルハライドランプ１３が冷却状態のときには、メタルハライドランプ１３を始動直後の数秒間定格ランプ電力の約２倍以上、例えば２．５倍程度で点灯し、その徐々に低減させて安定点灯時の定格ランプ電力に移行させるように制御する。
【００５８】
始動器１２Ｂは、メタルハライドランプ１３の始動時に高電圧パルスを出力してメタルハライドランプ１３に印加して、これを瞬時に始動させる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明のメタルハライドランプを実施するための一形態としての自動車前照灯用のメタルハライドランプの全体を示す側面図
【図２】Ａ／√ｆと発光のちらつき発生率の関係を示すグラフ
【図３】Ａ／√ｆと点灯回路を含んだ発光効率の関係を示すグラフ
【図４】本発明の照明装置を実施するための一形態としての自動車前照灯を示す概念図
【図５】同じく点灯回路を示す回路図
【符号の説明】
【００６０】
１…透光性気密容器、１ａ…包囲部、１ａ１…封止部、１ａ２…封止管、１ｂ…電極、１ｃ…内部空間、２…封着金属箔、３Ａ…外部リード線、３Ｂ…外部リード線、ＩＴ…発光管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器と；
透光性気密容器内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極と；
スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；
を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足することを特徴とするメタルハライドランプ。
Ａ／√ｆ≦４．５
【請求項２】
照明装置本体と；
照明装置本体に配設された請求項１記載のメタルハライドランプと；
メタルハライドランプに矩形波交流電圧を印加して点灯する点灯回路と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【請求項１】
内容積０．５ｃｃ以下の透光性気密容器と；
透光性気密容器内に５ｍｍ以下の電極間距離をもって対向して封装された一対の電極と；
スカンジウム（Ｓｃ）、ナトリウム（Ｎａ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および希土類金属のグループから選択された複数の金属のハロゲン化物ならびに希ガスを含み水銀（Ｈｇ）を本質的に含まないで透光性気密容器内に封入された放電媒体と；
を具備し、管壁負荷が６０Ｗ／ｃｍ２以上であるとともに、透光性気密容器内の水分をＡ（ｎｇ）とし、矩形波交流電圧が印加されて点灯する際の点灯周波数をｆ（Ｈｚ）としたとき、下式を満足することを特徴とするメタルハライドランプ。
Ａ／√ｆ≦４．５
【請求項２】
照明装置本体と；
照明装置本体に配設された請求項１記載のメタルハライドランプと；
メタルハライドランプに矩形波交流電圧を印加して点灯する点灯回路と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１９０５４（Ｐ２００６−１９０５４Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９３０６５（Ｐ２００４−１９３０６５）
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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