JP4062234B2 - メタルハライドランプとそれを用いた点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、屋外照明や高天井照明などに用いられるセラミック製発光管のメタルハライドランプに関する。

近年、メタルハライドランプの発光管材料として、セラミックを用いたセラミックメタルハライドランプの開発が盛んである。セラミック製の発光管は、石英製の発光管と比較して、発光材料との反応が少ないという特徴がある。

この特長を生かして、石英との反応が比較的大きく、石英製の発光管では使用が困難であったハロゲン化物を使ったセラミックメタルハライドランプが検討されている（以降、セラミックメタルハライドランプのことを単に「メタルハライドランプ」と称する）。

セラミック製の発光管を用いたメタルハライドランプのうち、発光管内にＣｅ（セリウム）を含んだメタルハライドランプがある（例えば、特許文献１）。このメタルハライドランプは、セラミック製の放電管内にＣｅとＮａ（ナトリウム）のヨウ化物を含み電極の先端部の間隔をＥＡ、放電管の内径をＤｉとしたとき、ＥＡ／Ｄｉ＞５である構成を開示している。特許文献１によると、上記構成によって発光効率１１０〜１７７ＬＰＷで、演色評価数Ｒａが４５〜６４のランプが得られることが記載されている。ここで、「ＬＰＷ」とは、「ｌｕｍｅｎ ｐｅｒ Ｗａｔｔ」の略であり、「ｌｍ／Ｗ」のことである。このメタルハライドランプは、比較的高い発光効率を得ているものの、光色が緑に偏りやすく、色の見え方を評価する演色評価数Ｒａも低い値を示している。

また、演色性を改善する手段として、発光管内に希土類金属とＣａ（カルシウム）を含んだメタルハライドランプがある（例えば、特許文献２）。特許文献２には、セラミック製の放電容器内に水銀の他に、Ｎａ（ナトリウム）、Ｔｌ（タリウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）およびＨｏ（ホルミウム）の要素の少なくとも１つの要素のハロゲン化物を有し、前記ハロゲン化物の全モル量の３０から５０％の間にあるモル量のＣａＩ_２（ヨウ化カルシウム）を有する。この構成によって、再点火電圧とアーク電圧との比である波高率が低くなることが記載されている。
特表２０００−５０１５６３号公報（第８−９ページ） 特表２０００−５１１６８９号公報（第６−８ページ）

しかしながら、特許文献１の技術と特許文献２の技術とを組み合わせ、セリウムとナトリウムとカルシウムのハロゲン化物を様々な縦横比を持つセラミック製の発光管内に封入したメタルハライドランプを試作したところ、点灯中にセラミック製の発光管の一部にクラックが入りリークしてしまい、不点になる問題が発生することが新たにわかった。

現在商品化されているナトリウム（Ｎａ）、タリウム（Ｔｌ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）およびホルミウム（Ｈｏ）などを含むセラミック製の発光管を用いたメタルハライドランプでは、このような発光管にクラックが発生する現象は見られていない。この現象は、Ｃｅのハロゲン化物とＮａのハロゲン化物とにＣａのハロゲン化物（例えばＣａＩ_２）を含んだ場合に顕著に発生している。

本発明は上記課題に気づいてなされたもので、本発明の目的とするところは、点灯中にクラックが生じない、セラミックから形成された発光管にＣｅのハロゲン化物とＣａのハロゲン化物とが封入されたメタルハライドランプとそれを用いた点灯装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のメタルハライドランプは、透光性セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極と、前記発光管に封入された、Ｃｅ（セリウム）のハロゲン化物とＮａ（ナトリウム）のハロゲン化物とＣａ（カルシウム）のハロゲン化物との封入物と、を備えたメタルハライドランプであって、前記発光管の内径をＤ（ｍｍ）、前記電極の先端間距離をＬ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄは、

の関係を満たし、前記Ｃａのハロゲン化物の封入量をＨ_ｃａ（ｍｏｌ）、前記Ｃｅのハロゲン化物の封入量をＨ_ｃｅ（ｍｏｌ）とした場合に、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅは、

の関係を満たし、

前記封入物のうち、前記Ｃａのハロゲン化物以外の総封入量をＨ _ｔ （ｍｏｌ）とした場合に、Ｈ _ｃａ ／Ｈ _ｔ は、

の関係を満たす。

の関係を満たすことが好ましい。

好適な実施の形態として、本発明は、前記発光管の外に設けられた、硬質ガラス製の外管を更に備え、３００Ｋにおいて、前記外管の内側と前記発光管の外側の空間の気圧が、５×１０^４（Ｐａ）以下である。

また、好適な実施の形態として、本発明は、前記発光管の管壁負荷（単位発光管内表面積あたりの定格消費電力）が、２８〜３３（Ｗ／ｃｍ^２）である。

本発明のメタルハライドランプの点灯装置は、前記メタルハライドランプと、前記メタルハライドランプの定格電力の２５％から１００％までの電力で前記メタルハライドランプを調光点灯する点灯回路とを備える。

また、本発明の前記点灯回路は、前記メタルハライドランプを１００Ｈｚから５００Ｈｚの略矩形の電流で点灯する電子安定器である。

本発明は、透光性セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極と、発光管に封入されたハロゲン化物とを備えたメタルハライドランプにおいて、発光管の内径をＤ（ｍｍ）、電極の先端間距離をＬ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄを４以上１０以下とし、Ｃａのハロゲン化物の封入量をＨ_ca（ｍｏｌ）、Ｃｅのハロゲン化物の封入量をＨ_ce（ｍｏｌ）とした場合にＨ_ca／Ｈ_ceを０．４以上１５以下とすることによって、クラックを抑制し、かつ、ランプ効率を向上させることができる。更に、前記Ｃａのハロゲン化物以外のハロゲン化物の総封入量をＨ_t（ｍｏｌ）とした場合にＨ_ca／Ｈ_tを０．０３よりも大きく０．３よりも小さくすることによって、調光したときに色変化を少なくすることができる。

以下、発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態のメタルハライドランプ１０の部分断面図を示す。メタルハライドランプ１０は、発光管２０と、発光管の外に設けれた外管１１と、外管１１にはめ込まれた口金１２とに構成が大きく分かれる。

外管１１は、略球形状であり、硬質ガラスであるホウケイ酸ガラスからなる。外管１１の内側と発光管２０の外側との空間の気圧は減圧状態であり、３００Ｋで１×１０^−１（Ｐａ）である。

口金１２は、ニッケルまたは軟鋼で形成された引き込み電極ワイヤ１４および１５が電気的に接続されている。ワイヤ１４とワイヤ１５とは、ホウケイ酸ガラス製のフレア１６の中を貫通して接続されている。フレア１６は、口金１２の位置に配置され、発光管２０の長軸方向の中心軸（図１の破線１０４）に沿って外管１１の内部へと延びている。

中心軸１０４と平行なワイヤ１５の部分は、ランプの動作時に、ワイヤ１５の表面から光電子が発生しないように、酸化アルミニウムセラミックチューブ１８内を通っている。また、ワイヤ１５の中心軸１０４と平行な部分には、ガス不純物を補足するゲッター１９が支持されている。

また、ワイヤ１４とワイヤ１５とのそれぞれには、発光管２０から取り出された一対のリード線２６に溶接され、発光管２０がワイヤ１４とワイヤ１５とで固定されている。

また、ワイヤ１５の先端（図１中の口金１２と反対方向の端）はリング状になっており、外管１１に設けられた凹部にかみ合い、固定されている。

続いて、発光管２０について、図２を利用して詳細に説明する。

発光管２０の拡大断面図を図２に示す。発光管２０は、封入物を封入して発光空間（または、「放電空間」とも呼ぶ）となる発光管中央部２５と、一対の円筒形状のチューブ２１とを有する。チューブ２１は、発光管中央部２５の２つの開口端部それぞれ対応する端部に焼き嵌めされている。

発光管２０は、透光性のセラミックから構成される。本実施形態では多結晶のアルミナからなる。なお、発光管２０は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（いわゆるＹＡＧ）、窒化アルミ、イットリア、ジルコニアなどから選択された材料より構成されてもよい。

発光管中央部２５は、円筒形状の第１円筒シェル部分１０１と、両端部に設けられた極めて小さい直径を有する円筒形状の第２円筒シェル部分１０２と、第１シェル部分１０１端部と第２シェル部分１０２の端部とを結合して発光空間を形成する円錐シェル部分１０３を有している。

発光管中央部２５の発光空間には、タングステンからなる主電極３１とタングステンからなる電極コイル３２とが溶接によって一体化された一対の電極の一部が配置されており、電極コイル３２は発光空間内で対向するように配置されている。

主電極３１のそれぞれの一端にはモリブテンからなる一対の引き込みワイヤ２９がそれぞれ接続さており、それぞれの引き込みワイヤ２９はチューブ２１内に配置されている。

また、ぞれぞれの引き込みワイヤ２９の主電極３１の接続された一端とは反対側の他端には、ニオビウムからなる一対のリード線２６が接続されており、リード線２６は発光管２０の外部に取り出されている。さらに、リード線２６は、チューブ２１の熱膨張特性と比較的近い熱膨張特性を有するガラスフリット２７で封着されている。また、一方のリード線２６は、ワイヤ１４に溶接され、他方のリード線２６は、ワイヤ１５に溶接されている。これらの溶接により、発光管２０は、ワイヤ１４およびワイヤ１５に配置且つ支持される。

上記構成によって、口金１２から投入される電力は、ワイヤ１４およびワイヤ１５とを通って発光管２０へと提供される。

なお、リード線２６の直径は、典型的には０．９ｍｍである。また、主電極軸３１の直径は、典型的には、０．５ｍｍである。

本実施形態では、一対の対向した電極の先端間距離Ｌは３２ｍｍであり、電極の先端間の中央に位置する発光管中央部２５の発光管中央部２５の内径Ｄは４ｍｍである。すなわち、Ｌ／Ｄ＝８である。また、電極が挿入された場合の実質的な発光管２５の内容積は、約０．４５ｃｃである。また、発光管２０の管壁負荷は、約２０〜３５Ｗ／ｃｍ^２である。

ここで、発光管２０に封入する封入物として、セリウム（Ｃｅ）のハロゲン化物であるヨウ化セリウム、ナトリウム（Ｎａ）のハロゲン化物であるヨウ化ナトリウム、カルシウム（Ｃａ）のハロゲン化物であるヨウ化カルシウムとを使用し、それぞれの封入量を変化させたものを試作（サンプル１〜１５）した。さらに発光管２０内には、室温で約２０ｋＰａの圧力でキセノン（Ｘｅ）ガスが封入されている。なお、サンプル１〜１５では、ヨウ化ナトリウムを３〜１２ｍｇ封入し、ヨウ化カルシウムとヨウ化セリウムとのモル比を０から１８．０まで変化させた。この時、ヨウ化セリウムは、０〜４ｍｇ、ヨウ化カルシウムは０．５〜１５ｍｇの間で封入量を変化させてある。

本実施形態のメタルハライドランプを電子安定器で点灯し、定格電力１５０Ｗで周波数１５０Ｈｚの矩形波の交流電流で点灯させ、一定のＯＮ／ＯＦＦサイクルで繰り返しながら点灯試験を行った。

点灯試験評価の結果、点灯中に発光管中央部２５の端部付近にクラック発生し、リークした結果、不点になるメタルハライドランプがあることがわかった。

その結果を図３に示す。図３の表は、それぞれに試作品の発光管２０に封入するヨウ化セリウムのモル数をＨ_ｃｅ、ヨウ化カルシウムのモル数をＨ_ｃａとした場合のＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ、封入されたハロゲン化物の総封入量（ｍｇ）、クラックの有無、演色評価数Ｒａとを示す。

図３の結果からわかるように、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが１６以上になるように封入したランプがクラックを起こしていることがわかった。それに対し、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが１５以下のランプは、点灯試験の末期までクラックが発生することがなかった。

加えて、定格点灯した場合のＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅに対する光束と演色評価数Ｒａを調べた結果を図４に示す。横軸がＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅであり、縦軸の右がランプ効率［ＬＰＷ］（黒菱形マーク）、縦軸の左が演色評価数Ｒａ（白四角マーク）である。なお、演色評価数Ｒａの調べた結果のデータは図３に記載されたものである。図４の結果から演色評価数ＲａがＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが増加するにしたがって増加していることがわかる。よって、演色評価数ＲａはＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅに相関があることが新たにわかった。

なお、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ＝０のランプは、カルシウムのヨウ化物を含まないランプを意味する。ここで、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが０．４以上になると、演色評価数Ｒａがおよそ７０以上となり、カルシウムのヨウ化物を含まないランプが演色評価数Ｒａ６４であるので、その差が約１０％以上となるので、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが０．４以上がより好ましい。この程度になるとはっきりと演色性の良化を感じることができる。また、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅを増加させていくと、演色評価数Ｒａは向上し、９０を超えることも可能である。これは、セリウムとナトリウムの発光では比較的弱かった赤領域の発光が、カルシウムの赤領域により補完され、演色性を向上させたものと考えられる。

また、図４からＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅを増加させていくと、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが１０まではランプ効率がなだらかに低下しているが、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅが１０を越えたあたりからランプ効率が急減に低下することがわかる。これは、カルシウムの封入量がセリウムの封入量よりも増えることによって、カルシウムの比視感度の低い赤領域の発光が増え、逆にセリウムの発光が減少するため、発光効率が急激に低下したと考える。図４から発光効率の変曲点はＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ比が約１５なので、発光効率の急激な低下を抑制するにははＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ比が１５以下であることが好ましい。

以上の結果より、点灯中のクラックを防止でき、かつ高効率で高い演色性を持つランプを得るためには、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅは、

の関係を満たすことが好ましい。

なお、上記効果は、封入物がヨウ化物だけでなく、臭化物であっても、すなわち、ハロゲン化物でも同様な効果が得られた。ただし、電極の侵食の防止の観点からは、ヨウ化の方が好ましい。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について、以下に説明する。

実施の形態１に示したランプと同様のメタルハライドランプで、発光管２０内の封入物と発光管２０の形状のみが異なるランプを試作し、評価した。変更点は以下のとおりである。

発光管２０内には、水銀０．５ｍｇ、封入ハロゲン化物として、ヨウ化セリウムとヨウ化ナトリウムとヨウ化カルシウムがそれぞれモル比で１．０：１０．５：２．０封入されており、Ｃａハロゲン化物のｍｏｌ量をＨ_ｃａ、Ｃｅハロゲン化物のｍｏｌ量をＨ_ｃｅとすると、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅは２である。また、ハロゲン化物の総量はおよそ１４ｍｇである。

発光管２０の内容積をほぼ一定（約０．４５ｃｃ）に保ちながら、電極先端間距離Ｌと発光管内径Ｄとの比、Ｌ／Ｄを１から２０まで種々変化させた試作ランプを種々用意し、それぞれのランプの光出力特性を測定した。参考までに、Ｌ／Ｄ＝８のランプは、Ｌ＝３２ｍｍ、Ｄ＝４ｍｍである。このとき、発光管の管壁負荷は、およそ２０〜３５Ｗ／ｃｍ^２である。

これらの試作したランプを、実施の形態１と同様の条件で点灯試験を行った結果、本実施の形態のランプは実施の形態１で示したＨ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ≦１５の条件を満たしているにもかかわらず、点灯中にクラックを生じるものが発生した。

そこで、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ以外でクラックが発生するランプの共通する特徴を調査したところ、Ｌ／Ｄが１より小さいものはクラックを生じることが新たにわかった。以降、他のパラメータについてもクラックとの相関を調査したが、クラックとの相関のあるものはなかった。以上の結果より、発光管２０のクラックを防止するためには、（式１）以外に

を満たす必要があることがわかった。

以下、クラックの発生メカニズムについて、考察した結果を示す。

まず、Ｌ／Ｄについては以下のように考察できる。

セリウムとナトリウムとカルシウムのハロゲン化物を含む、本実施の形態のランプは、Ｌ／Ｄが１より小さくなるようなランプの場合、アークの上方への湾曲が顕著となることを確認している。そのため、発光管２０の発光管中央部２５の表面とアークとの距離が部分ごとに大きく差があることとなる。そのため、発光管表面の部分ごとの温度差が大きくなり、歪が生じた結果、クラックが発生するものと考えられる。しかし、Ｌ／Ｄが１以上となると、管安定型のアークとなり、アークの湾曲が抑制される。そのため、発光管表面に生じる温度差が小さくなるものと考えられる。

次に、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｃｅ比については以下のように考察できる。

カルシウム（Ｃａ）は、セリウム（Ｃｅ）、ナトリウム（Ｎａ）と比較して蒸気圧が低いため、発光管内で蒸発したカルシウムハロゲン化物は、比較的高温でもヨウ化物の液体となって存在する傾向があると考えられる。そのため、セリウム、ナトリウムと比較して、発光管２０内面の高温部分に集中して存在していると考えられる。このカルシウムの局在化によって、発光管内のハロゲン化物量の分布が大きくなり、ハロゲン化物の量によって、熱伝導性が変化するため、発光管部分によっての温度差が大きくなり、歪が生じた結果、クラックが生じると考えられる。

以上の様なメカニズムから考察すると、クラックに大きな影響を及ぼすのは、上記２つのパラメータ以外にはないと推定される。

実施の形態１および２の結果をまとめると、セリウムハロゲン化物、ナトリウムハロゲン化物、カルシウムハロゲン化物を封入したセラミック製のメタルハライドランプにおいては、ある条件で発光管にクラックを生じるといった新たな問題が生じることがわかった。この問題は、特許文献１，２では、なんら開示されていない新たな問題である。この問題を、本発明者は、ある特定の条件でこの問題点が解決できることを見出した。その条件とは、（式１）かつ（式２）を満たすことである。

加えて、本実施の形態２のランプは以下の特徴も有する。

また、上記の実施の形態２に示したランプは、Ｌ／Ｄを規定することによって、新たな特徴を持ったランプを得ることができる。上記ランプを、定格１５０Ｗ、点灯周波数１５０Ｈｚの矩形波電流で点灯したときの、ランプの発光効率と演色評価数を、図５に示す。

図５より、ランプの発光効率は、Ｌ／Ｄに依存し、Ｌ／Ｄが１以上になると１０５ＬＰＷを超える。これは、現在市販されている高効率・高演色タイプのメタルハライドランプ（市販されている代表的なメタルハライドランプは、Ｌ／Ｄが２のセラミック製発光管であり、発光管内にはＣｅＩ_３、ＮａＩ、ＫＩ、ＳｃＩ_３、ＩｎＩが封入されている。以下「従来ランプ」という。）の一般的な値は、１５０Ｗは９０〜９５ＬＰＷであり、Ｌ／Ｄが１以上の場合、光束にして約１０％以上のアップとなる。同じＷで点灯した場合、１０％の光束アップは、人間が若干の明るさ増加を感じることができるレベルであると考えられる。よって、この光束アップによって、より高効率ランプの効果を実感できる。加えて、演色評価数Ｒａは、８０という比較的高い値を示し、高効率と高演色を両立している。ＣｅとＮａを含み、Ｃａを含まないメタルハライドランプのＲａは６４程度であったことから考えると、画期的なＲａの改善が行えることを意味している。

加えて、好ましくは、Ｌ／Ｄが４以上になると、１１５ＬＰＷを超える。これは、従来の高効率ランプの一般的な値である９５ＬＰＷの約２０％高い値を示している。この２０％アップという値は、人間がはっきりと明るさの向上を感じることができる量である。従来ランプより２０％の効率アップは画期的な効率であることを意味する。また、加えて、このランプのＲａは９０と非常に高い値を示している。

加えて、好ましくは、Ｌ／Ｄが１０以下であることが好ましい。この範囲に規定することによって、ライフ中の発光管の黒化が非常に少ないランプを得ることができるからである。これに対して、特許文献１に示されているＣｅハロゲン化物とＮａハロゲン化物を含み、Ｃａハロゲン化物を含まないランプにおいては、黒化の発生状況とＬ／Ｄの間には関係がなかった。

高効率で黒化を抑制するには、Ｌ／Ｄは、

の範囲に規定することが好ましい。

また、図５からＬ／Ｄが７から９の間には、発光効率がピークとなり、およそ１３０ＬＰＷよりも高い値を示す。これは、従来ランプの９５ＬＰＷの３５％もの高い値となり、非常に高い発光効率を得ることができる。また、加えて、このランプのＲａは、およそ９０程度であり、非常に高い発光効率と演色性を兼ね備えたランプである。

したがって、高効率でかつ演色性の高いランプを実現するには、Ｌ／Ｄは７以上で９以下であることが好ましい。

また、図５には示していないが、Ｌ／Ｄが２０のとき、発光効率が９５ＬＰＷとなり、２０を超えると、９５ＬＰＷ以下となるため、ランプ効率の点で従来の高効率ランプのレベルと同等になる。また、２０を超えるとランプの始動電圧も高くなり好ましくない。よって、Ｌ／Ｄは実質２０までの値が好ましい範囲となる。

上記のように、Ｌ／Ｄの値によってランプ効率が変化するものの、演色評価数Ｒａすべて８０以上となり、Ｃａを含まないランプの６４から大幅に改善されている。よって、Ｌ／Ｄが上記範囲であれば、高い発光効率と高い演色性を両立したランプを得ることができる。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３について、以下に説明する。

実施の形態１および実施の形態２で試作したメタルハライドランプを、メタルハライドランプの定格電力の２５％から１００％までの電力でランプを調光点灯できる点灯回路を使用して調光点灯し、調光時のランプの光出力特性測定を行った。

数々の検討の結果、以下に示す関係式を満たしたランプは、調光に適するランプであることがわかった。以下に詳しく述べる。発光管２０内に封入されるＣａハロゲン化物であるヨウ化カルシウムの封入量をＨ_ｃａ（ｍｏｌ）として、カルシウム以外のハロゲン化物の封入量をＨ_ｔ（ｍｏｌ）とした場合、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｔが

の関係を満たすことによって、調光したときに色変化が少なくなるという新たな効果を有する。本実施の形態のランプは、実施の形態１および２において、定格１５０Ｗで点灯したときの特性について説明したが、本実施の形態のランプは、クラックを生じない、高効率、高演色などの特徴の他に、調光したとき、色温度の変化が非常に少ないという特別な効果を持っている。

本実施の形態のランプは、定格１５０Ｗから調光を始めて、定格の２５％であるおよそ３８Ｗまで連続的に入力を低下させても、色温度の変化が±３００Ｋ以下である。３００Ｋ以下の変化ならほとんど気にならないレベルであるといえる。これに対して、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｔが上記範囲から外れたランプは、色温度変化が急激に大きくなり、およそ５００Ｋ以上の色変化を示し、色変化を感じてしまうランプとなってしまった。

例として、Ｈ_ｃａ／Ｈ_ｔ＝０．１、Ｌ／Ｄ＝８の本発明ランプと従来ランプの調光時の色温度変化の測定結果を、図６に示す。図６の横軸はランプへ投入される電力であるランプ電力（Ｗ）、縦軸は色温度（Ｋ）である。従来のランプはランプ電力が１２０Ｗ以下になると色温度が大きく上がっているのに対し、本発明ランプは１２０Ｗ以下になると大きな変化がないことがわかる。

なお、定格２５％のおよそ３８Ｗ以下の点灯では、アークのゆれが大きくチラツキが発生してしまう場合や、点灯維持が出来ず立ち消えとなってしまうことがあり、実質的に定格２５％以上の電力で点灯することが好ましい。

また、本実施の形態３のランプは、点灯周波数１００Ｈｚから５００Ｈｚで点灯することが好ましい。なぜならば、演色評価数Ｒａがほとんど（５程度）低下することがなく、調光しても良好な演色性を得られることがわかったからである。１００Ｈｚよりも低い周波数、もしくは５００Ｈｚより高い周波数で点灯すると、調光時のＲａ変化の低下幅が急激に大きくなり、１０以上となってしまう。

また、調光する場合は、電子安定器を用いた略矩形波電流で点灯することが好ましい。なぜならば、従来の一般的な磁気安定器で入力を減少させて、調光しようとすると、点灯維持が困難となるためである。というのも、点灯維持のためには、交流点灯時の再点弧電圧より安定器の２次側開放電圧のほうが高い必要があるが、磁気安定器の場合、調光のため入力電圧を低くすると、前記再点弧電圧が前記２次側開放電圧より低くなってしまう場合があるためである。

（実施の形態４）
以下、実施の形態４について、以下に説明する。

実施の形態１および実施の形態２で試作したメタルハライドランプを、定格１５０Ｗで周波数１５０Ｈｚの矩形波の交流で点灯させ、５．５時間の点灯と０．５時間の消灯とを繰り返すという点灯試験の条件で試験し、寿命特性の測定を行った。

数々の検討の結果、以下に示す関係式を満たしたランプは、ライフ特性が良好であることがわかった。実施の形態３で示すＨ_ｃａとＨ_ｔの関係が、

の関係を満たすランプは、点灯中の電極の形状変化が少ないランプとなることがわかった。さらに、（式５）の範囲では、加えて、点灯中にチラツキが発生することなく良好な特性を示した。

なお、発光管内容積あたりのカルシウム封入量が２０ｍｇ／ｃｃ以上のものは、２０ｍｇ／ｃｃ以下のランプと比較して始動電圧が１０％以上高くなることがわかった。

これは、以下のように推測できる。カルシウムハロゲン化物は、水分吸着が激しく、他のハロゲン化物よりも発光管内に水分などの不純物を持ち込みやすい。そのため、カルシウムハロゲン化物封入量は、始動電圧に極端に影響すると考えられる。よって、カルシウムハロゲン化物の封入量は、２０ｍｇ／ｃｃ以下にすることが好ましい。

また、上記の全実施の形態では、発光管２０の外側と外管１１の内側との空間には、３００Ｋにおいて、減圧状態（具体的には、１×１０^−１（Ｐａ）の気圧）でのランプの例を示したが、この空間内に窒素ガスを封入し、ガス圧を変化させた。その結果、ガス圧が３００Ｋでおよそ、１×１０^３Ｐａ（＝約０．０１気圧）以下の範囲では、同等の性能が得られた。しかし、１×１０^３Ｐａ以上となると、発光効率が低下する傾向が見られた。これは、発光管の熱が空間内のガスを伝導して、外管に伝わるために熱ロスが増大しためと考えられる。特に、５×１０^４Ｐａ（＝約０．５気圧）以上となると急激に発光効率が低下し始め、５×１０^４Ｐａ（＝約０．５気圧）のとき、５ＬＰＷ程度の発光効率低下が確認された。

この結果からわかるように、本実施の形態のランプは、熱設計をコントロールすることで発光効率などのランプ性能をさらに高めることができる。よって、発光管２０の外側と外管１１の内側との空間は、３００Ｋでおよそ５×１０^４Ｐａ以下であることが望ましいし、より好ましくは、１×１０^３Ｐａ以下であることが好ましい。

なお、上記の全実施の形態では、水平点灯（発光管を略水平方向にして点灯する点灯方法）、垂直点灯（発光管を略垂直方向にして点灯する点灯方法）を問わず点灯できる。ただし、水平点灯のほうが、垂直点灯とくらべて、光束維持率が若干高いため好ましい。水平点灯すると、垂直点灯とくらべて、ランプ寿命（光束が７０％に低下する時間）にすると２００〜４００時間程度、寿命が長くなる。上記、寿命を延ばす効果は、本実施の形態にしめすランプ封入物の組み合わせ、封入比では、時に顕著な効果がある。対して、実施の形態１に示す、従来のメタルハライドランプなどでは、このような差は生まれることがない。ただし、垂直点灯においても問題なく点灯でき、実用上十分な寿命を得ることが出来るので差し支えない。

これらの現象は、水平に点灯することで、発光管の両端部に位置する細管部に点灯中に入り込むメタルハライドが少ないため、点灯中にアーク中に供給できるメタルハライドの蒸気圧を高く保つことができること、加えて、細管部に入り込んだメタルハライドと細管との化学反応が抑制できるなどのことが考えられる。

加えて、上記の全実施の形態では驚くべきことに、希土類ハロゲン化物のヨウ化セリウムを加えた本発明ランプは、ランプ寿命を短くすることなく良好な寿命特性を示すことがわかった。

さらに、上記の全実施の形態では、発光管２０の定格点灯時の管壁負荷は、最大約３５Ｗ／ｃｍ^２程度までに制限されることが好ましい。なぜならば、管壁負荷が高くなるほど、通常、活性材料塩と発光管２０の管壁およびフリット材料との化学反応が深刻な問題となり、このようなランプから十分に有用な動作寿命を得るのは実質的に困難であるからである。また、下限は、２０Ｗ／ｃｍ^２以上が好ましい範囲である。この範囲に設計することによって、良好な効率と演色性を両立したランプを得ることができる。

その中でも、特に好ましい範囲は、２８〜３３Ｗ／ｃｍ^２であり、この範囲内に規定することによって、ランプの寿命、発光効率、Ｒａのバランスが最良となるランプを得ることが出来る。

なお、本明細書中のハロゲン化物の封入量とは、金属ハロゲン化物の金属のみのｍｏｌ量のことを指す。例えば、ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）が１ｍｏｌとは、Ｃｅ原子が１ｍｏｌであることを示している。なお、参考までにＩ原子は、３ｍｏｌある。

なお、実施の形態１および２について、定格１５０Ｗのランプの場合を説明したが、このＷに限定されるものではない。

ただし、一般的に、Ｗが高いランプは、全消費電力に対する電極ロスなどのロス電力の割合が減少するために、ランプの発光効率は上昇する。これに対して、Ｗが低いランプは、ロス電力の割合が増加するため発光効率は低下する傾向にある。よって、本実施の形態の発光効率は、１５０Ｗ程度のランプの値であり、ランプのＷによって、その値は異なるが、効果には関係なく相対的に従来ランプと比較して発光効率が改善されたランプを得ることが出来る。

なお、上記の全実施の形態について、発光管２０を図１および図２の構成とは異なる形状であってもよい。各ランプ形状によって、特徴があるので用途によってランプ形状を設計することも可能である。

以下、可能な発光管形状の例の概略図を図７から図１３までに示す。図面は、発光管の内壁形状を略図面で示しており、発光管両端に形成される電極が挿入される細管部などを設けてもよいが、本図面では省略されている。図１および図２ならびに図７〜図１３に示すそれぞれの例において、管壁内表面および管壁外表面は発光管の長軸を回転軸とする回転体の表面であるが、ここでは必ずしも必要でないので図示しない。回転体でない管壁内表面の有効直径Ｄは、電極間の（すなわち、電極間距離Ｌにわたる）断面図の内面積を求めて、この面積をＬで除算することにより求めることができる。他の種類の内表面は、その有効直径を求めるために、より煩雑な平均化手順を必要とする場合があり得る。なお、回転体である場合には、Ｄは電極先端間の中央部に位置する発光管の内径である。

図７は、図１の発光管中央部２５に相当する部分（以下、単に「発光管中央部」と記す）の断面が楕円形である発光管を示す。

図８は、発光管中央部の両端が平坦となるように切断された、直円柱の断面を有する発光管を示す。この発光管形状は、点灯中の色温度の変化が小さいといった特徴を持つ。よって、発光色の変化が気になる場合に特に有効である。

図９は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が凹状となる断面を有する発光管を示す。

図１０は、発光管中央部の両端が半球となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。

図１１は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が楕円形である断面を有する発光管を示す。

図１２は、実施の形態１および２で使用した形状である。

図１３は、発光管中央部の両端の直径が大きく、かつ、平坦となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。

以下、各発光管形状の特徴を示す。

図７と図１１の発光管は、大量に生産した場合の色温度の個々ばらつきが特に少ないといった特徴を持つ。そのため、大量に天井照明などで使用され、色温度バラツキが目立つ場合は、特に好ましい発光管形状となる。

図９と図１３の発光管は、始動時の光立ち上がりが早いといった特徴を持つ。設計にもよるが、定格光出力に達するまでの時間が１０〜２０％程度短くできる。また、水平点灯時のアーク湾曲が特に少なく、点灯時のちらつきが特に少ないランプを得ることができる。

図１０と図１２の発光管は、点灯中の色温度の変化がもっとも少ないランプを得ることができる。

図８の発光管は、構造が簡単なため生産コストが低いといった特徴がある。

本願発明のセラミック発光管を使用したメタルハライドランプは、屋外照明や高天井照明等に有用である。

本発明の実施の形態であるメタルハライドランプの正面図 図１に示すメタルハライドランプの発光管部分の断面正面図 本実施の形態１のランプにおけるクラックの有無とＲａのＨｃａ／Ｈｃｅ依存を示す図 本実施の形態１のランプにおける発光効率とＲａのＨｃａ／Ｈｃｅ依存を示す図 本実施の形態２のランプにおける発光効率のＬ／Ｄ依存を示す図 本実施の形態３のランプにおける色温度の電力依存を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図 発光管中央部の変形の一例を示す図

符号の説明

１０ メタルハライドランプ
１０１ 第１円筒シェル部分
１０２ 第２円筒シェル部分
１０３ 円錐シェル部分
１１ 外管
２０ 発光管
２１ チューブ
２５ 発光管中央部

Claims (1)

1. 透光性セラミックから形成された発光管と、
   一対の対向する電極と、
   前記発光管に封入された、Ｃｅ（セリウム）のハロゲン化物とＮａ（ナトリウム）のハロゲン化物とＣａ（カルシウム）のハロゲン化物との封入物と、を備えたメタルハライドランプであって、
   前記発光管の内径をＤ（ｍｍ）、前記電極の先端間距離をＬ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄは、
   

   

   の関係を満たし、
   前記Ｃａのハロゲン化物の封入量をＨ_ca（ｍｏｌ）、前記Ｃｅのハロゲン化物の封入量をＨ_ce（ｍｏｌ）とした場合に、Ｈ_ca／Ｈ_ceは、
   

   

   の関係を満たし、
   前記封入物のうち、前記Ｃａのハロゲン化物以外のハロゲン化物の総封入量をＨ_t（ｍｏｌ）とした場合に、Ｈ_ca／Ｈ_tは、
   

   

   の関係を満たす、メタルハライドランプ。

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