JP2005174795A - メタルハライドランプ、およびこれを用いた照明装置 - Google Patents

メタルハライドランプ、およびこれを用いた照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高い発光効率を有しながらも、点灯中にランプ電圧が上昇するのを抑制し、不点灯になるのを防止するとともに、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを抑える。
【解決手段】外囲器が透光性セラミックからなる発光管6内に、一対の電極18が配置されているとともに、セリウム(Ce)とプラセオジウム(Pr)のうち少なくとも一方を含むランタノイド系のハロゲン化物と、ナトリウム(Na)のハロゲン化物と、水銀(Hg)のハロゲン化物とがそれぞれ封入されており、発光管6の内径をD(mm)、電極18間の距離をL(mm)としたとき、L/D≧1なる関係式を満たす。
【選択図】図1

Description

本発明は、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ものである。
メタルハライドランプは一般的に屋外照明や高天井照明等に使用されており、近時、その発光管の外囲器を形成している材料として透光性セラミックを用いたメタルハライドランプ(以下、「セラミックメタルハライドランプ」という)の開発が盛んに行われている。
外囲器が透光性セラミックからなる発光管は、外囲器が石英ガラスからなる発光管に比して、封入物であるハロゲン化物との反応が小さく、その結果、管壁負荷を上げることができるので、高い発光効率を得ることができるという利点がある。
特に、発光管内にヨウ化セリウム(CeI3)とヨウ化ナトリウム(NaI)とを封入し、発光管の形状を細長く(発光管の内径をD、電極間の距離Lとしたとき、L/D>5)したセラミックメタルハライドランプでは、111〜177LPW(=lm/W)という極めて高い発光効率が得られるとされている(例えば特許文献1参照)。
しかも、このセラミックメタルハライドランプでは、発光管の形状が細長いために封入する液体の金属水銀量が通常より少量、例えば定格ランプ電力150Wの場合で0.7mg(<1.6mg/cm3)でも80V〜100Vのランプ電圧を得ることができ、環境にやさしいという利点も有している。
特表2000−501563号公報
しかしながら、このようなセラミックメタルハライドランプを実際に試作したところ、比較的高い発光効率を得ることが確認されたものの、点灯中にランプ電圧が上昇し、商用周波数の正弦波で点灯した場合はもちろんのこと、電子安定器を用いた矩形波点灯においても、放電が維持できずに不点灯(立消え)になるという予期せぬ問題が起こった。
この原因について検討したところ、L/Dを大きくすると、発光管の形状が細長くなるので、点灯中、発光管の内面とアークとの距離が近くなって発光管内面の温度が極めて高くなり、その結果、セラミックといえどもハロゲン化物と徐々に反応して放電に寄与する発光金属が減少する一方、その分、遊離したハロゲン量が多くなり、ハロゲンの蒸気圧が異常に高くなったためであることがわかった。
また、上記したセラミックメタルハライドランプを一般的な磁気安定器で点灯させ、調光させた場合、入力電圧の変動により、ランプ電力が変化してしまうことがあった。このようにランプ電力が変化した場合、セラミックとハロゲン化物とが激しく反応し、その結果、ランプ電圧が著しく上昇し、不点灯に至るという問題があった。
ところで、一般的に使用されている液体の金属水銀を封入する水銀ドーサーでは、液体の水銀を取り扱っているという関係上、封入量にばらつきが生じてしまう。
封入量そのものが多い場合、そのばらつきは相対的に微差であったが、封入する水銀量が微量ですむセラミックメタルハライドランプでは、水銀の封入量を削減することができる反面、上記したような製造工程における封入量のばらつきが設計上の封入量に対して相対的に大きくなり無視できなくなる。つまり、このばらつきに起因して、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくという問題が新たに生じた。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高い発光効率を有しながらも、点灯中にランプ電圧が上昇するのを抑制することができ、不点灯になるのを防止することができるとともに、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを抑えることができるメタルハライドランプ、およびこれを用いたメタルハライドランプを提供することを目的としている。
本発明の請求項1記載のメタルハライドランプは、外囲器が透光性セラミックからなる発光管内に、一対の電極が配置されているとともに、セリウム(Ce)とプラセオジウム(Pr)のうち少なくとも一方を含むランタノイド系のハロゲン化物と、ナトリウム(Na)のハロゲン化物と、水銀(Hg)のハロゲン化物とがそれぞれ封入されており、前記発光管の内径をD(mm)、前記電極間の距離をL(mm)としたとき、L/D≧1なる関係式を満たす構成を有している。
なお、本発明で言う「発光管の内径D」とは、発光管のうち電極間の距離Lにわたる部分の内面積を求めて、この内面積を距離Lで除算することにより求めることができる。もちろん、発光管の内面形状が複雑な場合はその内径Dを求めるために、煩雑な平均化手順を必要とする場合があり得る。
また、本発明の請求項2記載のメタルハライドランプは、前記水銀のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、前記ランタノイド系のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHln(mol)としたとき、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たす構成を有している。
また、本発明の請求項3記載のメタルハライドランプは、前記水銀のハロゲン化物がハロゲン化第一水銀である構成を有している。
また、本発明の請求項4記載のメタルハライドランプは、4≦L/D≦10なる関係式を満たす構成を有している。
また、本発明の請求項5記載のメタルハライドランプは、管壁負荷が28W/cm2〜33W/cm2である構成を有している。
また、本発明の請求項6記載のメタルハライドランプは、前記発光管全体を包囲する硬質ガラス製の外管を有しており、前記外管の内側と前記発光管の外側との間の空間の気圧が300Kにおいて5×104Pa以下である構成を有している。
また、本発明の請求項7記載の照明装置は、請求項1〜請求項6のいずれかに記載されたメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプを点灯させるための電子安定器とを備えている。
また、本発明の請求項8記載の照明装置は、請求項1〜請求項6のいずれかに記載されたメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプを定格ランプ電力の25%から100%までの間で調光点灯することができる電子安定器とを備えている。
また、本発明の請求項9記載の照明装置は、前記メタルハライドランプにおいて、前記水銀のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、封入された金属ハロゲン化物のうち、前記水銀のハロゲン化物以外の各金属ハロゲン化物に含まれる金属量の合計をHt(mol)としたとき、0.004<Hhg/Ht<0.22なる関係式を満たす構成を有している。
さらに、本発明の請求項10記載の照明装置は、前記メタルハライドランプが矩形波電流によって点灯される構成を有している。
本発明の請求項1記載のメタルハライドランプの構成によれば、高い発光効率を得ることができるとともに、点灯中、ランプ電圧が上昇して不点灯になるのを防止することができ、また個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを防止することができる。
また、本発明の請求項2記載のメタルハライドランプの構成によれば、ランプ電圧の上昇に起因する不点灯の発生を確実に防止することができ、かつ電極が折損するのを防止することができる。
また、本発明の請求項3記載のメタルハライドランプの構成によれば、水銀の封入量を一層削減することができる。
また、本発明の請求項4記載のメタルハライドランプの構成によれば、極めて高い発光効率を得ることができるとともに、ランプ電圧の上昇を一層抑えることができ、また発光管の内面が黒化して外観品質が損なわれるのを防止することができる。
また、本発明の請求項5記載のメタルハライドランプの構成によれば、高い発光効率、ランプの長寿命化、および高い演色性のいずれも向上させることができる。
また、本発明の請求項6記載のメタルハライドランプの構成によれば、発光効率が低下するのを防止することができる。
また、本発明の請求項7記載の照明装置の構成によれば、高い発光効率を得ることができるとともに、点灯中、ランプ電圧の上昇に起因してランプが不点灯になるのを防止することができ、また個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを抑えることができる。
また、本発明の請求項8記載の照明装置の構成によれば、高い発光効率を得ることができるとともに、点灯中、ランプ電圧の上昇に起因してランプが不点灯になるのを防止することができ、また個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを抑えることができ、さらに、調光時の入力ランプ電力の変化に対するランプ電圧の変動を抑制することができるとともに、色温度の変化を抑制することができる。
また、本発明の請求項9記載の照明装置の構成によれば、調光時のランプ電圧の変動、および色温度の変化を確実に防止することができる。
さらに、本発明の請求項10記載の照明装置の構成によれば、ランプ電圧の変動に対してランプ電力の変動を小さくすることができ、発光管の温度を安定化させることができるとともに、その温度分布を均一化することができる。その結果、発光管内の封入物の蒸気圧を安定化させることができ、ランプ電圧の上昇を抑制することができる。
以下、本発明の最良な実施の形態を、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態である定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ(セラミックメタルハライドランプ)1は、一端部が閉塞され、かつ他端部に例えばホウケイ酸ガラスからなるフレア2が封着された例えば硬質ガラス製やホウケイ酸ガラス等からなる外管3と、一部がこのフレア2に封止され、かつ一端部がこのフレア2から外管3内に引き込まれた例えばニッケルまたは軟鋼からなる二本の電力供給線4,5と、外管3内にこれら電力供給線4,5によって支持された発光管6と、外管3の他端部に固着されたねじ込み式(E形)の口金7とを備えている。
なお、外管3内は、300Kでの気圧が1×10-1Pa程度の真空状態にある。
一方の電力供給線4の他端部は口金7のアイレット部8に、他方の電力供給線5の他端部は口金7のシェル部9にそれぞれ電気的に接続されている。また、一方の電力供給線4のうち、外管3内に引き込まれた部分の一部には、点灯中、この電力供給線4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からなるチューブ10が被覆されている。さらに、一方の電力供給線4には、外管3内のガス不純物を補足するためにゲッター11が取り付けられている。
発光管6は、図2に示すように、内径Dが4mmの円筒部12とこの円筒部12の両端部に連接されているテーパ部13とこのテーパ部13の端部のうち、円筒部12とは反対側の端部に形成されているリング部14とからなる本管部15と、リング部14に焼きばめられた細管部16とから構成された多結晶アルミナからなる外囲器17を有している。
なお、図2に示した例では、本管部15における円筒部12、テーパ部13およびリング部14はそれぞれ一体成形されており、繋ぎ目はない。もちろん、各部材12,13,14がそれぞれ焼きばめによって一体化されていてもよい。
また、外囲器17を構成する材料としては、多結晶アルミナ以外にイットリウム−アルミニウム−ガーネット(YAG)、窒化アルミ、イットリア、またはジルコニア等の透光製セラミックを用いることができる。
発光管6内には、ヨウ化プラセオジウム、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化第二水銀が総量として10mg、キセノン(Xe)が室温で20kPaとなるようにそれぞれ封入されている。特に、ヨウ化第二水銀の封入量は0.7mg、その内の水銀量が0.3mgである。また、ハロゲン化第二水銀に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、ヨウ化プラセオジウムに含まれるハロゲン量をHln(mol)としたときのHhg/Hlnは1.00である。
発光管6の内容積は、後述する電極18が挿入された状態で0.45ccである。
本管部15内には、一対の電極18が略同一軸(図2中、Aで示す)上で略対向するように配置されており、放電空間19が形成されている。電極18間の距離Lは32mmである。ここで、L/Dは8となる。
電極18は、直径0.5mmのタングステン製の電極軸20とこの電極軸20の先端部に設けられたタングステン製の電極コイル21とを有している。
細管部16内には、一端部に電極18が電気的に接続された電極導入体22が挿通され、かつ本管部15とは反対側の端部、つまり後述する電極導入体22の第二の部材24bとで形成される隙間に流し込まれたガラスフリット23によって封着されている。
電極導入体22は、電極軸20が接続されている例えばモリブデンや導電性サーメットからなる第一の部材24aと例えばニオビウムからなる第二の部材24bとを有しており、各部材24a,24bの直径が0.9mmである。第二の部材24bの端部のうち、第一の部材24aとは反対側の端部は、細管部16の外部に導出しており、それぞれ電力供給線4,5に電気的に接続されている。
次に、このような本発明の第1の実施の形態である定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ1(以下、「実施例1」という)について、公知の電子安定器を用いて周波数150Hzの矩形波の交流電流で点灯させ、一定のON/OFFサイクルを繰り返しながら寿命試験を行った。
なお、サンプル数は5本である。
また、比較のため、発光管6内にヨウ化第二水銀の代わりに液体の金属水銀が封入されている点を除いては実施例1と同じ構成を有している定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ(以下、「比較例1」という)についても、実施例1と同様に、同じ公知の電子安定器を用いて周波数150Hzの矩形波の交流電流で点灯させ、一定のON/OFFサイクルを繰り返しながら寿命試験を行った。
寿命試験の結果、実施例1では、全サンプルにおいて、1000時間点灯経過時までランプ電圧の上昇はほとんど見られず、定格寿命時間である12000時間点灯経過時でもランプ電圧の上昇は実使用上問題のない20V以下であった。
一方、比較例1は、500〜1000時間点灯経過時でのランプ電圧の上昇が30V以上にもなり、また点灯時の再点弧電圧も著しく高い値となり、しかも、5本中2本のものが不点灯になった。また、比較例1のうち不点灯になったものを分析した結果、本管部15におけるテーパ部13の内面のうち、電極18の近傍部分においてヨウ化物との激しい反応の痕跡が見られた。
このような結果となった原因について検討したところ、次のように考えられる。
まず、比較例1において、ヨウ化物との激しい反応の痕跡が見られるとともに、点灯時の再点弧電圧が著しく高い値になっていたが、これは点灯中、発光管6内のヨウ素の蒸気圧が異常に高くなっていることを意味していると考えられる。そして、この過剰のヨウ素は前記反応による生成物であると考えられる。これに対して、実施例1では、あらかじめ発光管6内に過剰のヨウ素を意図的に含めた状態になっているので、点灯初期から前記反応の平衡バランスがヨウ素生成の方向へ進まず、遊離したヨウ素が極めて過剰に多くなるのを抑えることができ、その結果、発光管6内のヨウ素の蒸気圧が比較例1のように異常に高くなるのを防止することができたためであると考えられる。
次に、後述の表1に示すとおりヨウ化プラセオジウム、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化第二水銀の各封入量を合計した総封入量を変化させるとともに、比率Hhg/Hlnを種々変化させた点を除いて実施例1と同じ構成を有している定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ(実施例2〜実施例11)を作製した。そして、実施例1および比較例1とともに、作製した実施例2〜実施例11について、点灯初期(点灯経過時間100時間)におけるランプ電圧を測定したところ、次のとおりの結果が得られた。
実施例1〜実施例11、つまり水銀をハロゲン化物として封入したものでは、個々のランプにおいて、いずれもそのランプ電圧が80V〜100Vの範囲内であった。これは、水銀のハロゲン化物が固体であるので、その取り扱いやすさから製造工程における封入量の精度を向上させることができ、その結果、個々のランプにおいてその封入量を安定化させることができたためであると考えられる。
そして、驚くべきことに、ランプ電圧が80V〜100Vの範囲となるようにするために必要なハロゲン化第二水銀の封入量は0.7mg、その内の水銀量が0.3mgであり、比較例1、つまり液体の金属水銀を封入する場合(同じランプ電圧を得るのに必要な水銀量は0.7mg)に比して、半分以下に削減することができることがわかった。
一方、比較例1、つまり水銀を液体の金属として封入したものでは、個々のランプにおいて、そのランプ電圧が60V〜115Vの範囲でばらつきが生じた。これは、液体の金属水銀の封入量(設計値)が0.7mgと少ないので、水銀ドーサーの封入精度のばらつき自体がわずかであったとしても、この少量の封入量(0.7mg)に対してはそのばらつきが相対的に大きくなってしまい、その結果、個々のランプで見れば、その封入量がそれぞれで大きくばらついたためであると考えられる。
次に、発光管6の内容積(0.45cc)を一定にした状態で、発光管6の内径Dと電極18間の距離Lとの比L/Dを1〜20まで種々変化させた点を除いて実施例1と同じ構成を有している定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプを作製し、作製した各ランプの発光効率(lm/W)を測定したところ、図3に示すとおりの結果が得られた。
市販されている高効率で、かつ高演色タイプの定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプは、一般的にその発光効率が90lm/W〜95lm/Wである。また、一般的に、発光光束(lm)が10%以上増加した場合に人間が視覚的にその明るさの増加を感じ取ることができると言われている。
そこで、図3から明らかなようにL/D≧1なる関係式を満たすことにより、発光効率を105lm/W以上にすることができ、従来のメタルハライドランプに比して、人間が視覚的にその明るさの増加を感じ取ることができる程度に発光効率を向上させることができることがわかった。
また、図3から明らかなようにL/D≧4なる関係式を満たすことにより、発光効率を115lm/W以上にすることができ、従来のメタルハライドランプに比して、人間が視覚的にその明るさの増加をはっきりと感じ取ることができるように発光効率を一層向上させることができることがわかった。しかも、12000時間点灯経過時のランプ電圧の上昇値が18Vであり、ランプ電圧の上昇を一層抑制することができることがわかった。したがって、従来のメタルハライドランプに比して、人間が視覚的にその明るさの増加をはっきりと感じ取ることができるように発光効率を一層向上させるとともに、ランプ電圧の上昇を一層抑えるために、L/D≧4なる関係式を満たすことが好ましい。
しかし、L/D>10なる関係式を満たすとき、発光管6の内面が著しく黒化するという現象が起こった。この黒化は発光光束を低下させるとともに、外観品質上好ましくない。
なお、この黒化は電極材料であるタングステンが飛散し、発光管6の内面に付着して発生しているものであることがわかった。これは、L/Dの値が大きくなりすぎ、始動時にアーク放電へ移行しにくくなり、そのときのスパッタによってタングステンが飛散したと考えられる。
そこで、高い発光効率を得るとともに、外観品質を低下させないために、L/D≦10なる関係式を満たすことが好ましい。
さらに、図3から明らかなように7≦L/D≦9なる関係式を満たすことにより、発光効率を130lm/W以上にすることができ、発光効率をより一層向上させることができることがわかった。しかも、12000時間点灯経過時のランプ電圧の上昇値が13Vであり、ランプ電圧の上昇をより一層抑制することができることがわかった。したがって、発光効率をより一層向上させるとともに、ランプ電圧の上昇をより一層抑えるために、7≦L/D≦9なる関係式を満たすことが好ましい。
なお、L/D<1なる関係式を満たす場合であって、特に水平点灯させた場合、アークが浮力によって発光管6の上方部へ湾曲して発光管6の内面に近接する。そのため、発光管6の上方部内面の温度が極めて高温になり、発光管6の外囲器17の構成材料である多結晶アルミナとハロゲン化物との反応が大きくなる。その結果、前記反応によって生成された遊離ヨウ素等の影響でアークが収縮され、アークが発光管6の上方部へ一層近接することになる。そして、前記反応が加速されてアークが一層収縮され、遊離ヨウ素が増大し、ついには不点灯に至るおそれがある。また、前述したとおりアークが発光管6の上方へ湾曲した結果、発光管6の上方部内面が局所的に高温となるため、発光管6の部分ごとに大きな温度差を生じる。そのため、この温度差に起因して発光管6の外囲器17を構成する多結晶アルミナに歪が生じ、クラックが発生するおそれがある。
しかし、L/D≧1なる関係式を満たすことにより、アークの湾曲が抑制され、上記した不点灯の発生やクラックの発生を防止することができる。
また、図3には示していないが、L/D>20なる関係式を満たす場合、発光効率が95lm/W以下、つまり従来のメタルハライドランプの発光効率と同程度になり、また始動電圧が高くなることがわかった。したがって、実質的にはL/D≦20なる関係式を満たすことが好ましい。
さらに、発光管6の管壁負荷(発光管内面の単位面積当たりの定格ランプ電力)は、高い発光効率と良好な演色性とを両立させるとともに、ハロゲン化物とガラスフリット23との化学反応を抑制するために、20W/cm2〜35W/cm2に設定されることが好ましい。管壁負荷が20W/cm2未満の場合では、高い発光効率と良好な演色性とを両立することができないおそれがある。一方、管壁負荷が35W/cm2を超える場合では、ハロゲン化物とガラスフリット23とが化学反応してリークが発生するおそれがある。特に、高い発光効率を得るとともに、ランプの寿命および演色性を向上させるために、管壁負荷を28W/cm2〜33W/cm2に設定されることが好ましい。
以上のとおり本発明の第1の実施の形態にかかるメタルハライドランプ1の構成によれば、高い発光効率を得るためにL/D≧1なる関係式を満たす、例えばL/Dを8とした場合であっても、つまり発光管6の形状が細長く、点灯中、発光管6の内面とアークとの距離が近くなって発光管6の温度が極めて高くなったとしても、あらかじめ過剰なヨウ素が封入されているため、発光管6の外囲器17の構成材料である多結晶アルミナとヨウ化物との反応の平衡バランスがヨウ素生成の方向へ進まず、発光管6内のヨウ素の蒸気圧が異常に高くなるのを防止することができる。その結果、ランプ電圧が上昇して不点灯になるのを防止することができる。また、水銀を固体であるハロゲン化物の状態で封入しているので、製造工程における封入量の精度を向上させることができ、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを防止することができる。しかも、ランプ電圧を適正な値(80V〜100V)にするために、液体の金属水銀で封入する場合では0.7mg必要であったのに対し、水銀のハロゲン化物、例えばヨウ化第二水銀で封入する場合では0.7mg、その内の水銀量が0.3mgと半分以下ですみ、よって水銀自体の封入量を削減することができ、環境負荷を低減することができる。
特に、4≦L/D≦10なる関係式を満たしているので、従来のメタルハライドランプの発光効率(90lm/W〜95lm/W)に比して、極めて高い発光効率を得ることができるとともに、ランプ電圧の上昇を一層抑えることができ、また発光管の内面が黒化して外観品質が損なわれるのを防止することができる。
ここで、水銀のハロゲン化物として、ヨウ化第二水銀の代わりにヨウ化第一水銀を封入した場合、ランプ電圧が80V〜100Vの範囲となるようにするために必要なヨウ化第一水銀の封入量は0.4mg、その内の水銀量が0.2mgですみ、水銀の封入量を一層削減することができることを見出した。したがって、水銀の封入量を一層削減するため、水銀のハロゲン化物として、ヨウ化第一水銀を用いることが好ましい。
また、封入すべき水銀のハロゲン化物の最適量について検討したところ、水銀のハロゲン化物、例えばヨウ化第二水銀に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、ランタノイド系のハロゲン化物、例えばヨウ化プラセオジウムに含まれるハロゲン量をHln(mol)としたとき、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たすことが好ましいことがわかった。以下、その理由について説明する。
まず、表1に示すとおりヨウ化プラセオジウム、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化第二水銀の各封入量を合計した総封入量を変化させるとともに、比率Hhg/Hlnを種々変化させた点を除いて実施例1と同じ構成を有している定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ(実施例2〜実施例11)を作製した。次に、実施例1および比較例1とともに、作製した各ランプについて、公知の電子安定器を用いて周波数150Hzの矩形波の交流電流で点灯させ、一定のON/OFFサイクルを繰り返しながら寿命試験を行い、点灯経過時間12000時間までにおいて、ランプ電圧の上昇に起因する不点灯発生の確率、および電極18が折損する確率について調べたところ、表1に示すとおりの結果が得られた。
なお、各実施例および比較例において、サンプル数はそれぞれ5本である。また、表1における「不点灯の発生確率」および「電極折損の発生確率」において、分母は全サンプルの数を、分子は不点灯になったサンプルまたは電極が折損したサンプルの数をそれぞれ示している。
Figure 2005174795
表1から明らかなように、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たす場合、例えば実施例1、および実施例4〜実施例9では、全サンプルにおいて、ランプ電圧の上昇に起因する不点灯が発生したものはなく、電極18が折損したものもなかった。
一方、Hhg/Hln<0.05なる関係式を満たす場合、例えば実施例2および実施例3では、5本中1本のものにおいて、ランプ電圧の上昇に起因して不点灯になるものが発生した。これは、あらかじめ封入すべきヨウ素量が幾分か不十分であったためであると考えられる。逆に、Hhg/Hln>2.00なる関係式を満たす場合、例えば実施例10および実施例11では、ランプ電圧の上昇による不点灯は発生しなかったものの、ランプとしての適切なランプ電圧(80V〜100V)が保持できなくなり、点灯初期から不点灯になるものが発生するとともに、寿命試験中、電極18が折損するものがあった。この電極18折損の発生原因については、発光管6内のヨウ素量が過剰になりすぎたため、点灯時間の経過とともに電極軸20が過剰のヨウ素によって浸食され、ついには折損してしまったためであると考えられる。
以上のとおり、ランプ電圧の上昇に起因する不点灯の発生を確実に防止し、かつ電極18の折損を防止するために、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たすことが好ましいことがわかった。
なお、前記関係式はヨウ化第二水銀だけではなく、例えば臭化第二水銀やヨウ化第一水銀等の水銀のハロゲン化物であっても成立し、またヨウ化プラセオジウムだけでなく例えば臭化プラセオジウムや後述するヨウ化セリウム等のランタノイド系のハロゲン化物であっても成立することが確認された。
また、前記メタルハライドランプ1において、外管3が硬質ガラス製である場合、発光効率が低下するのを防止するために、その外管3と発光管6との間の空間の気圧が300Kにおいて5×104Pa以下に規定することが好ましいことがわかった。その気圧が300Kにおいて5×104Paを越える場合、例えば実施例1(300Kにおいて1×103Pa)の場合に比して、発光効率が5lm/W以上低下することがわかった。これは、発光管6の熱がその空間内のガスを介して外管3に伝わり、外部へ放出されるためであると考えられる。より好ましくは、その気圧を300Kにおいて1×103Pa以下に規定することである。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態である定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプは、封入物として、ヨウ化プラセオジウムの代わりにヨウ化セリウムが封入されている点を除いては本発明の第1の実施の形態である定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ1と同じ構成を有している。
ヨウ化セリウム、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化第二水銀の各封入量を合計した総封入量は10mgであり、ヨウ化セリウム、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化第二水銀はmol比でそれぞれ1:10.5:0.72である。ただし、ここで言う「mol比」は、金属ハロゲン化物における金属のみのmol比のことを示している。
また、ヨウ化第二水銀に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、ヨウ化セリウムに含まれるハロゲン量をHln(mol)としたとき、Hhg/Hlnは0.72である。
以上のとおり本発明の第2の実施の形態にかかるメタルハライドランプの構成によっても、本発明の第1の実施の形態にかかるメタルハライドランプと同様に、高い発光効率を得るためにL/D≧1なる関係式を満たす、例えばL/Dを8とした場合であっても、つまり発光管6の形状が細長く、点灯中、発光管6の内面とアークとの距離が近くなって発光管6の温度が極めて高くなったとしても、あらかじめ過剰なヨウ素が封入されているため、発光管6の外囲器17の構成材料である多結晶アルミナとヨウ化物との反応を抑制することができ、発光管6内のヨウ素の蒸気圧が異常に高くなるのを防止することができる。その結果、ランプ電圧が上昇して不点灯になるのを防止することができる。また、水銀を固体であるハロゲン化物の状態で封入しているので、製造工程における封入量の精度を向上させることができ、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを防止することができる。しかも、水銀自体の封入量を削減することができ、環境負荷を低減することができる。
特に、4≦L/D≦10なる関係式を満たしているので、従来のメタルハライドランプの発光効率(90lm/W〜95lm/W)に比して、極めて高い発光効率を得ることができるとともに、ランプ電圧の上昇を一層抑えることができ、また発光管の内面が黒化して外観品質が損なわれるのを防止することができる。
また、水銀の封入量を一層削減するために、水銀のハロゲン化物としてヨウ化第二水銀の代わりにヨウ化第一水銀を用いることが好ましい。
また、ランプ電圧の上昇に起因する不点灯の発生を防止し、かつ電極18の折損を防止するために、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たすことが好ましい。
また、高い発光効率と良好な演色性とを両立させるとともに、ハロゲン化物とガラスフリット23との化学反応を抑制するために、発光管6の管壁負荷を20W/cm2〜35W/cm2に設定されることが好ましい。特に、高い発光効率を得るとともに、ランプの寿命および演色性を向上させるために、管壁負荷を28W/cm2〜33W/cm2に設定されることが好ましい。
さらに、発光効率が低下するのを防止するために、外管と前記発光管との間の空間の気圧は300Kにおいて5×104Pa以下に設定されることが好ましい。特に、300Kにおいて1×103Pa以下に設定されることがより好ましい。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態である照明装置は、図4に示すとおり、第1の実施の形態にかかる定格ランプ電力150Wのメタルハライドランプ(実施例1)1と、このメタルハライドランプ1を、その入力ランプ電力を定格ランプ電力の25%から100%までの間で変化させて調光点灯させることができる電子安定器25とを備えている。
この電子安定器25には、60HzのAC電源26に接続されており、このAC電源26から固定電圧において60Hzの交流電流が供給される。
電子安定器25は、AC電源26に接続された力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部27と、電力調整回路部(降圧チョッパ部)28と、フルブリッジ回路部(フルブリッジインバータ)29と、イグナイタ30と、調光制御回路部31とを有している。
力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部27は、AC電源26から電力を受け取っており、ライン電圧と同相の単一周波電流を維持しつつ、極性が交互に変化するライン電圧を、ピークライン電圧よりもかなり大きな値の一定の極性の電圧に変換する。また、力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部27はこの間の電磁発光を制限する。
電力調整回路部28は、力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部27から単一周波電流と一定の極性の電圧とを受け取っており、調整された一定の極性の電圧および電流を生成して出力する。このような調整は電力調整回路部28に接続された調光制御回路部31が行う。また、電力調整回路部28は、メタルハライドランプ1の始動時には100%の電圧を出力し、アーク放電を行う。
フルブリッジ回路部29は、電力調整回路部28から出力された一定の電圧の波形を低周波数の方形波に変換する。
イグナイタ30は、例えば4kVの始動電圧パルスを生成する。その後、イグナイタ30は、フルブリッジ回路部29から出力された低周波数の方形波電圧をメタルハライドランプ1に供給し、メタルハライドランプ1を点灯させる。
調光制御回路部31は、内部に設定されている基準値を用いて、受け取った電圧値を所定の電圧値へと調整する。
また、この電子安定器25の回路図を図5に示す。
なお、力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部27とフルブリッジ回路部29とは、従来と同様であるためその詳細な説明を省略する。
電力調整回路部28は、メタルハライドランプ1に流れる電流を検出するための抵抗Rcを有している。
調光制御回路部31は、増幅部32と、比較部33と、駆動回路34とを有している。また、調光制御回路31は、抵抗Rcを流れる電流をモニタし、検出された電流を電圧に変換する(以下、この変換された電圧を「フィードバック信号35」と言う)。
増幅部32は、抵抗R1と、抵抗R2と、基準電圧Vrefと、誤差増幅器36とを有している。フィードバック信号35は、抵抗R1を介して誤差増幅器36に入力される。誤差増幅器36は、基準電圧Vrefと抵抗R1および抵抗R2とに基づいて、フィードバック信号35を増幅させる。ここで、基準電圧Vrefを変化させることによって、メタルハライドランプ1に流れる電流を所望の値に設定することができる。これにより、ランプ出力を変化させ、メタルハライドランプ1の調光を行うことができる。
比較部33は比較器37を有している。増幅したフィードバック信号35が比較器37に入力される。その後、比較器37は、フィードバック信号35と鋸波とを比較し、電力調整回路部28のスイッチ38をスイッチングするためのスイッチングパルス信号を生成する。
駆動回路34は、スイッチングパルス信号を所定の電圧レベルに調整し、調整されたスイッチングパルス信号をスイッチ38に出力する。スイッチングパルス信号によって電力調整回路部28のON/OFFが制御され、所望の値に設定された電流をメタルハライドランプ1に供給する。
次に、本発明の第3の実施の形態である照明装置(以下、「実施例12」という)を6000時間調光させずに点灯させた後、入力ランプ電力を定格ランプ電力の25%(38W)まで連続的に変化させたときの色温度の変化、およびランプ電圧の変動率を測定したところ、次のとおりの結果が得られた。
なお、「色温度の変化」とは、点灯初期(点灯経過時間100時間程度)の色温度に対する変化量を示す。
また、「ランプ電圧の変動率」とは、入力ランプ電力が定格ランプ電力の100%のときランプ電圧に対するその調光したときのランプ電圧の割合を示す。
なお、サンプル数は5台である。
その結果、実施例12では、入力ランプ電力を定格ランプ電力の25%(38W)まで連続的に変化させたが、いずれのサンプルにおいても色温度の変化は300K以下であり、その変化を目視ではほとんど認識することはできなかった。また、ランプ電圧の変動率は5%〜10%程度であり、その変動はほとんど見られなかった。
しかし、入力ランプ電力が定格ランプ電力の25%未満で点灯したところ、いずれのサンプルにおいてもアークの揺れが大きくちらつきが発生してしまった。また、調光後しばらく点灯し続けた後、5台中1台のものが不点灯になってしまった。これは、再点弧電圧が大きくなり、放電が維持できなくなったためであると考えられる。したがって、ちらつきおよび不点灯の発生を防止するために、定格ランプ電力の25%以上で調光点灯させることが好ましい。
以上のとおり本発明の第3の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第1の実施の形態にかかるメタルハライドランプ1を用いているので、高い発光効率を得ることができるとともに、点灯中、ランプ電圧の上昇に起因してメタルハライドランプ1が不点灯になるのを防止することができ、また個々のメタルハライドランプ1においてランプ電圧がばらつくのを抑えることができ、さらに水銀の封入量を削減することができるので、環境負荷を小さくすることができることに加えて、特に定格ランプ電力の25%から100%までの間で変化させて調光点灯させる場合にあっては、調光時の入力ランプ電力の変化に対するランプ電圧の変動を抑制することができるとともに、色温度の変化を抑制することができる。
また、特にメタルハライドランプ1を略矩形波電流によって点灯させることが好ましい。これにより、ランプ電圧の変動に対してランプ電力の変動を小さくすることができ、発光管6の温度を安定化させることができるとともに、その温度分布を均一化することができる。その結果、発光管6内の封入物の蒸気圧を安定化させることができ、ランプ電圧の上昇を抑制することができる。
ここで、前記メタルハライドランプ1において、調光時のランプ電圧の変動、および色温度の変化を確実に防止するために、水銀のハロゲン化物、例えばヨウ化第二水銀に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、封入された金属ハロゲン化物のうち、水銀のハロゲン化物以外の各金属ハロゲン化物、例えばヨウ化プラセオジウムおよびヨウ化ナトリウムにそれぞれ含まれる金属量の合計をHt(mol)としたとき、0.004<Hhg/Ht<0.22なる関係式を満たすことが好ましいことがわかった。
なお、上記第3の実施の形態では、電子安定器として図4および図5に示したものを用いた場合について説明したが、これ以外に公知の電子安定器を用いても上記と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記各実施の形態では定格ランプ電力が150Wのメタルハライドランプを一例に挙げて説明したが、150Wに限らず定格ランプ電力が例えば20W〜400Wのメタルハライドランプにおいて上記と同様の作用効果を得ることができる。
一般的に、定格ランプ電力が高いランプでは、電力損失が小さく発光効率が上昇する傾向にある。一方、定格ランプ電力が低い、例えば150Wのランプでは、電力損失の割合が大きく発光効率が低下する傾向にある。したがって、定格ランプ電力の値によって上記した作用効果の程度に差はであるものの、定格ランプ電力が同じ従来のランプの発光効率に比べれば、相対的にその発光効率を向上させることができる。
また、上記各実施の形態では、ランタノイド系ハロゲン化物として、ヨウ化プラセオジウムのみまたはヨウ化セリウムのみを封入した場合について説明したが、ヨウ化プラセオジウムおよびヨウ化セリウムの両方を封入した場合はもちろんのこと、ヨウ化プラセオジウムまたはヨウ化セリウムに加えてその他のランタノイド系ハロゲン化物としてランタン(La)やネオジウム(Nd)等を封入した場合でも、上記と同様の作用効果を得ることができる。
また、上記各実施の形態では、ヨウ化プラセオジウムまたはヨウ化セリウムのうち少なくとも一方をランタノイド系ハロゲン化物と、ヨウ化ナトリウムと、ヨウ化第二水銀またはヨウ化第一水銀を封入した場合について説明したが、所望の色温度、演色性を得るために公知の金属ハロゲン化物を適宜封入することができる。
また、上記各実施の形態では、金属ハロゲン化物として金属ヨウ化物を一例として説明したが、例えば金属臭化物等の金属ハロゲン化物であっても上記と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態では、図1および図2に示すとおりの形状を有した発光管6を用いた場合について説明したが、例えば図6〜図11に示すとおり形状を有した発光管39,40,41,42,43,44を用いてもよい。ただし、図6〜図11に示された発光管39,40,41,42,43,44はいずれもその発光管39,40,41,42,43,44の長手方向の軸(各図中、Bで示す)を中心軸とする回転体であり、またその厚みはいずれも省略されており、各図に示された発光管39,40,41,42,43,44においてその外面形状および内面形状は図示したとおりである。また、各図に示された発光管39,40,41,42,43,44において、必要に応じて細管部を形成してもよい。
特に、図6に示された発光管39は、発光管39の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭が楕円形である。この発光管39は、構造が簡単なため生産コストを低くすることができるとともに、大量生産した場合、個々の発光管39において色温度のばらつきを抑えることができる。そのため、例えば天井照明等の同一空間で複数使用する場合、この発光管39を用いた個々のランプまたは照明装置において、色温度のばらつきを目立ちにくくすることができる。
図7に示された発光管40は、発光管40の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭が長方形である。この発光管40形状は、特に寿命中の色温度の変化を小さくすることができる。
図8に示された発光管41は、発光管41の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭がその両端部で半円形であり、その半円をつなぐ部分が内側に凹んだ弓形状になっている。この発光管41は、始動時の光立ち上がりを早くすることができ、例えば設計にもよるが定格光出力に達するまでの時間が10〜20%程度短くすることができるとともに、水平点灯時のアーク湾曲が極めて少なく、点灯時のちらつきを抑制することができる。
図9に示された発光管42は、発光管42の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭がその両端部で半円形であり、その半円をつなぐ部分が直線状である。この発光管42は、寿命中の色温度の変化を最も小さくすることができる。
図10に示された発光管43は、発光管43の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭がその両端部で半円形であり、その半円をつなぐ部分が外側に膨らんだ弓形状になっている。この発光管43も、前記発光管39と同様に、大量生産した場合、個々の発光管43において色温度のばらつきを抑えることができる。そのため、例えば天井照明等の同一空間で複数使用する場合、この発光管43を用いた個々のランプまたは照明装置において、色温度のばらつきを目立ちにくくすることができる。
図11に示された発光管44は、発光管44の長手方向の軸を含む面で切った断面の外郭がその両端部で略台形であり、その略台形部をつなぐ部分が直線状である。この発光管44も、前記発光管41と同様に、始動時の光立ち上がりを早くすることができ、例えば設計にもよるが定格光出力に達するまでの時間が10〜20%程度短くすることができるとともに、水平点灯時のアーク湾曲が極めて少なく、点灯時のちらつきを抑制することができる。
本発明のメタルハライドランプ、およびこれを用いた照明装置は、高い発光効率を有しながらも、点灯中にランプ電圧が上昇するのを抑制し、不点灯になるのを防止するとともに、個々のランプにおいてランプ電圧がばらつくのを抑えることが必要な用途にも応用することができる。
本発明の第1の実施の形態であるメタルハライドランプの正面図 同じくメタルハライドランプに用いられている発光管の正面断面図 L/Dとランプの発光効率との関係を示す図 本発明の第3の実施の形態である照明装置のブロック図 同じく照明装置に用いられている電子安定器の回路図 本発明の各実施の形態のメタルハライドランプに用いられている発光管の変形例を示す概略図 同じくメタルハライドランプに用いられる発光管の変形例を示す概略図 同じくメタルハライドランプに用いられる発光管の変形例を示す概略図 同じくメタルハライドランプに用いられる発光管の変形例を示す概略図 同じくメタルハライドランプに用いられる発光管の変形例を示す概略図 同じくメタルハライドランプに用いられる発光管の変形例を示す概略図
符号の説明
1 メタルハライドランプ
2 フレア
3 外管
4,5 電力供給線
6,39,40,41,42,43,44 発光管
7 口金
8 アイレット部
9 シェル部
10 チューブ
11 ゲッター
12 円筒部
13 テーパ部
14 リング部
15 本管部
16 細管部
17 外囲器
18 電極
19 放電空間
20 電極軸
21 電極コイル
22 電極導入体
23 ガラスフリット
24a 第一の部材
24b 第二の部材
25 電子安定器
26 AC電源
27 力率補正および電磁波妨害フィルタ回路部
28 電力調整回路部
29 フルブリッジ回路部
30 イグナイタ
31 調光制御回路部
32 増幅部
33 比較部
34 駆動回路
35 フィードバック信号
36 誤差増幅器
37 比較器
38 スイッチ

Claims (10)

  1. 外囲器が透光性セラミックからなる発光管内に、一対の電極が配置されているとともに、セリウム(Ce)とプラセオジウム(Pr)のうち少なくとも一方を含むランタノイド系のハロゲン化物と、ナトリウム(Na)のハロゲン化物と、水銀(Hg)のハロゲン化物とがそれぞれ封入されており、前記発光管の内径をD(mm)、前記電極間の距離をL(mm)としたとき、L/D≧1なる関係式を満たすことを特徴とするメタルハライドランプ。
  2. 前記水銀のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、前記ランタノイド系のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHln(mol)としたとき、0.05≦Hhg/Hln≦2.00なる関係式を満たすことを特徴とする請求項1記載のメタルハライドランプ。
  3. 前記水銀のハロゲン化物がハロゲン化第一水銀であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のメタルハライドランプ。
  4. 4≦L/D≦10なる関係式を満たすことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のメタルハライドランプ。
  5. 管壁負荷が28W/cm2〜33W/cm2であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のメタルハライドランプ。
  6. 前記発光管全体を包囲する硬質ガラス製の外管を有しており、前記外管と前記発光管との間の空間の気圧が300Kにおいて5×104Pa以下であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の照明装置。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれかに記載されたメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプを点灯させるための電子安定器とを備えていることを特徴とする照明装置。
  8. 請求項1〜請求項6のいずれかに記載されたメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプを定格ランプ電力の25%から100%までの間で調光点灯することができる電子安定器とを備えていることを特徴とする照明装置。
  9. 前記メタルハライドランプにおいて、前記水銀のハロゲン化物に含まれるハロゲン量をHhg(mol)、封入された金属ハロゲン化物のうち、前記水銀のハロゲン化物以外の各金属ハロゲン化物に含まれる金属量の合計をHt(mol)としたとき、0.004<Hhg/Ht<0.220なる関係式を満たすことを特徴とする請求項8記載の照明装置。
  10. 前記メタルハライドランプが矩形波電流によって点灯されることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の照明装置。
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