JP2006120648A - メタルハライドランプ、放電ランプ点灯装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光束維持特性が優れたメタルハライドランプ、これを用いた放電ランプ点灯装置および照明装置を提供する。
【解決手段】メタルハライドランプは、長手方向の中央部の径が最大で両端に向かって順次径が小さくなっている放電空間部および放電空間部の長軸方向の両端に形成された一対の封止部を有する石英ガラスからなる透光性放電容器１a、管壁負荷が１０〜２０Ｗ／ｃｍ^２、ランプ電力が４００Ｗクラス以下であり、透光性放電容器内の電位傾度をＸ（Ｖ／ｍｍ）とし、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、電位傾度Ｘが７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９の条件を、透光性放電容器の放電空間部の石英ガラスの重量をＡ（ｇ）、下側封止部の石英ガラスの重量をＢ（ｇ）としたとき、重量Ａ＋Ｂが０．０１９×ＷＬ＋０．４８≦Ａ＋Ｂ≦０．０２９×ＷＬ＋２．１５の条件を、それぞれ満足する発光管を具備していることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタルハライドランプ、これを用いた放電ランプ点灯装置および照明装置に関する。

メタルハライドランプは、高ランプ効率で、しかも高演色であるという特徴を備えていて、広く普及しているが、近年の省エネルギー指向の観点からさらなる高ランプ効率のものが要求されている。

ところで、メタルハライドランプのランプ効率を大きく左右する要因として、発光管最冷部温度がある。一般に、メタルハライドランプを垂直点灯する場合、点灯中下側の電極周辺特に電極の根本付近が最冷部となっている。この最冷部温度が高いほど発光管に封入した金属ハロゲン化物の蒸気圧は高くなり、これに伴い金属の発光が強くなりランプ効率が高くなる。

最冷部の温度を高くする方策の一つとして、たとえば電極間距離を短くすることによって管壁負荷を高く設定することが考えられる。なお、この場合の管壁負荷とは、発光管の内表面積当たりのランプ電力をいう。

本件出願人により製造され、現在市販されている水銀灯安定器適合形の中形のメタルハライドランプ（ＨＬ−ネオハライドランプ）である定格ランプ電力２５０Ｗのランプ効率は、８６ｌｍ／Ｗである。また、同じく定格ランプ電力４００Ｗのランプ効率は、１００ｌｍ／Ｗである。

図１は、メタルハライドランプにおける管壁負荷とランプ効率の関係を示すグラフである。

図において、横軸は管壁負荷（Ｗ／ｃｍ^２）を、縦軸はランプ効率（ｌｍ／Ｗ）を、それぞれ示す。また、曲線Ａは定格ランプ電力２５０Ｗ、曲線Ｂは定格ランプ電力４００Ｗクラス、をそれぞれ示す。なお、図１は、本発明者らが種々の実験に基づいて作成したものである。

そうして、上述した現行のメタルハライドランプのランプ効率をそれぞれ５ｌｍ／Ｗ向上させて、直線ａ、ｂ以上のランプ効率にするためには、管壁負荷を定格ランプ電力２５０Ｗの場合には１６．５〜２１Ｗ／ｃｍ^２に、また定格ランプ電力４００Ｗの場合には１６〜２１．５Ｗ／ｃｍ^２に、それぞれすればよいことが図１から理解できる。

一方、定格ランプ電力２００Ｗ以下の小形メタルハライドランプが店舗などの屋内の低天井に多く用いられるようになってきている。従来のこのような用途のメタルハライドランプの主流は、発光金属としてＤｙを用いて、その連続発光を利用する構成である。このメタルハライドランプは、力率が悪いため、専用安定器を用いて点灯するように構成されており、そのランプ効率は７５ｌｍ／Ｗ程度である。

また、発光金属としてＳｃ−Ｎａを主成分としてさらにＬｉを添加して平均演色評価数Ｒａを８０程度まで高めたものもあるが、このものも専用安定器により点灯する構成である。

ところで、従来のこの種のハロゲン化物を封入したメタルハライドランプでは、石英ガラス管の両端をそのままピンチシールした構造（フルプレスタイプ）が主流になっている。このような構造では封止部が比較的大きくなるため、当該部分における熱損失が増加して、最冷部温度が低くなる傾向にある。

たとえば、特開昭５７−５３０６２号公報（特許文献１）などに開示されているように、上記の構造の発光管の封止部の熱損失を低減するために、封止部の電極側の断面積を小さくすることができる。これにより最冷部温度を上昇させて発光金属の蒸気圧を高めることにより、現在市販されているメタルハライドランプよりさらに高いランプ効率を見込むことが可能になる。
特開昭５７−５３０６２号公報

従来の中形メタルハライドランプにおいては、さらにランプ効率の向上が要求されるので、これに応えようとして管壁負荷を大きくすると、図４の曲線Ｆに示すように、光束維持率特性が現行品より低下してしまうことが分かった。これは管壁負荷を高く設定したために、点灯中上側の封止部付近の発光管の温度が高くなり、金属ハロゲン化物（特にハロゲン化スカンジウム）と発光管構成材料の石英とが反応してハロゲン化シリコンが生成され、さらにシリコンとハロゲンに解離してシリコンが電極先端付近に輸送され、さらに電極構成材料のタングステンとシリコンとが低融点の合金を形成し、この合金が飛散して発光管の内表面に付着して遮光されるためであると考えられる。

また、発光管の下側の封止部の断面積を小さくすると、０時間のランプ効率は向上するが、０−１００時間での光束低下が発生し、甚だしいものでは２０％も低下するものが発生する。このように断面積を小さくしないメタルハライドランプにおいても、０−１００時間の光束低下を生じるが、せいぜい１０％以内である。その原因として、以下のことが考えられる。すなわち、０−１００時間の光束低下の原因は、封入物が発光管内で落ちつくまである程度時間がかかるためである。さらに詳述すると、０時間では、封入物はエージングによって発光管内全体に分散しているが、使用される際の点灯方向や使用される照明器具との組み合わせにおいて、点灯、消灯を繰り返すことにより、封入物の溜まり具合が決まってくる。このときの封入物の溜まりにより実質的な封入量の低下が生じて１００時間における光束低下が生じる。特開平９−２２３４８３号公報に開示されているような溝（窪み）を設けた場合には、特に封入物の溜まりによる光束低下の割合が大きくなる。

一方、封止部の幅が広いメタルハライドランプであると、最冷部は封止部の肩に形成されやすくなるが、最冷部温度が低く、これに伴い封入物の蒸気圧が比較的低くなるため、アーク中に対流が生じやすい状態になっている。このため、１００時間経過後においても、その光束低下はそれほど問題にならない。

これに対して、封止部の断面積を小さくして、封止部の熱損失を少なくすることで最冷部温度を上昇させると、最冷部は電極軸の基端部付近に生じやすくなるとともに、最冷部温度が高く発光金属の蒸気圧が高くなるため、アーク中の対流が少なくなる。そして、点灯、消灯の繰り返しにより電極の後背部に溜まった封入物は、発光に寄与しなくなる。

以上を要約すると、優れた寿命特性を備えながら高いランプ効率のメタルハライドランプの実現が望まれている。

また、小形メタルハライドランプにおいても、中形と同様さらにランプ効率の向上が要求されるし、また併せてトータルコストの低減も要求される。

本発明は、中形および小形においてランプ効率を向上するとともに、光束維持特性が優れたメタルハライドランプ、これを用いた放電ランプ点灯装置および照明装置を提供することを目的とする。また、本発明は、トータルコストを低減した中形および小形のメタルハライドランプ、これを用いた放電ランプ点灯装置および照明装置を提供することを他の目的とする。

請求項１の発明のメタルハライドランプは、長手方向の中央部の径が最大で両端に向かって順次径が小さくなっている放電空間部および放電空間部の長軸方向の両端に形成された一対の封止部を有する石英ガラスからなる透光性放電容器、透光性放電容器の両端の封止部に封装されて透光性放電容器の放電空間部内に臨在する一対の電極、ならびに透光性放電容器の放電空間部内に封入された少なくとも発光金属のハロゲン化物および希ガスを含むイオン化媒体を備え、管壁負荷が１０〜２０Ｗ／ｃｍ^２、ランプ電力が４００Ｗクラス以下であり、透光性放電容器内の電位傾度をＸ（Ｖ／ｍｍ）とし、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、電位傾度Ｘが７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９の条件を、透光性放電容器の放電空間部の石英ガラスの重量をＡ（ｇ）、下側封止部の石英ガラスの重量をＢ（ｇ）としたとき、重量Ａ＋Ｂが０．０１９×ＷＬ＋０．４８≦Ａ＋Ｂ≦０．０２９×ＷＬ＋２．１５の条件を、それぞれ満足する発光管を具備していることを特徴としている。

本発明は、ランプ効率またはおよび演色性を向上するとともに、要すれば水銀灯安定器適合形に代表されるように安価な安定器に適合するように構成してトータルコストの低減を可能にしたものである。すなわち、本発明においては、管壁負荷を上記の範囲まで高くし、透光性放電容器の放電空間部の形状を長手方向の両端部近傍が中央部より小さくし、電極の放電空間への突出長を上記の範囲として発光管内の電位傾度を大きくし、かつ封止部の断面積を上記の範囲として封止部の熱損失を小さくすることによって、ランプ効率および演色性の改善を実現可能にしたものである。以下、本発明の各構成要件について分説する。

＜透光性放電容器について＞

透光性放電容器は、石英ガラスによって構成され、両端に封止部が形成されている。

また、透光性放電容器の両端の封止部は、ピンチシールによる構造を採用することができる。ピンチシール構造の封止部には、内部にモリブデン箔が気密に埋設され、モリブデン箔の一端に電極の軸の基端が溶接され、他端には導入線が溶接される。

＜電極について＞

一対の電極は、透光性放電容器両端の一対の封止部に封装されて透光性放電容器の内部に臨在している。電極の構造は、特に限定されないが、一般的にはタングステンの軸とその先端部に巻装されたタングステンのコイルとによって構成される。

＜イオン化媒体について＞

イオン化媒体は、少なくとも発光金属のハロゲン化物および希ガスを含んでいる。さらに好適には水銀がバッファガスとしてイオン化媒体に含まれる。

発光金属としては、Ｎａと希土類金属好ましくはＳｃとが用いられる。ハロゲンとしては、一般的にはＩが用いられ、要すればさらに適量のＢｒが添加される。

＜放電空間部の形状について＞

発光管の放電空間部の形状において、「長手方向の中央部の径が最大で両端に向かって順次小さくなっている」とは、回転楕円体形状に代表される形状であるが、これに限定されるものではなく、さらに紡錘形状やほぼ回転菱形体形状などであってもよいという意味である。なお、「回転菱形体」とは、一対の円錐体の底面を接合して一体化した基本形状をなしているような形状をいう。このように本発明の放電空間部形状であると、局部的な温度変化が少ないので、放電空間内の対流が少なくなる。

＜管壁負荷について＞

本発明において、管壁負荷は、定格ランプ電力を透光性放電容器の内表面積で除した値をいう。管壁負荷は、一般に高いほどランプ効率および演色性が改善される方向であるが、高すぎると光束維持率などの寿命特性が悪化するので、本発明においては、１０〜２０Ｗ／ｃｍ^２の範囲に規定している。この範囲であれば、寿命特性に問題はないとともに、ランプ効率および演色性の改善が容易になる。

＜電位傾度について＞

電位傾度Ｘは、定格ランプ電圧を電極間距離で除した値であるが、本発明において、これを７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９と規定したのは、以下の理由による。すなわち、電位傾度Ｘを７７／ＷＬ^０．５５未満にすると、電極間距離が大きくなって色分離が発生しやすくなる。また、２１０／ＷＬ^０．６９を越えると、初期のランプ効率は高くなる方向であるが、光束維持率が悪化する。さらに、電位傾度を大きくすることは、電極管距離を短くすることによっても実現できるが、この場合には所望のランプ電圧を確保するために、水銀蒸気圧を高める必要から水銀封入量を多くする必要があり、発光管が破裂する危険性が高くなる。しかも、たとえばナトリウムハロゲン化物をスカンジウムハロゲン化物に対してモル比で３倍以上とするようにＮａを多く封入する場合、アーク温度が低下するため、ランプ電圧が低下する傾向にあり、所定のランプ電圧を得るにはより多くの水銀を封入する必要がある。このため、従来この種ランプにおいては、電極間距離を大きくすることによって、水銀封入量を抑制していた。

ところが、電極間距離が大きくなると、発光金属としてＮａおよびＳｃを封入している場合、色分離が生じる傾向が強くなる。すなわち、発光管の上下における温度差が大きくなることによる熱拡散により、Ｎａイオンは点灯中上部に、Ｓｃなどは下部に多く存在する。なお、水銀はアークの中央に存在する。

これに対して、電位傾度が上記の範囲内であれば、現行の市販されている１００Ｗクラスの石英ガラス管の両端をそのままピンチシールした構造（フルプレスタイプ）のメタルハライドランプと同等以上の光束維持率が得られる。しかも、本発明によれば、適度な範囲において電位傾度を大きくすることと、その他の構成との組み合わせにより、上述した種々の問題を解決することができた。

＜透光性放電容器の重量Ａ＋Ｂについて＞

透光性放電容器における放電空間部の石英ガラスの重量Ａ（ｇ）と下側封止部の石英ガラスの重量Ｂ（ｇ）との和Ａ＋Ｂを前記のように規定している理由は、以下のとおりである。すなわち、重量Ａ＋Ｂは、封止部の熱損失を小さくするために前記条件を満足させる。この範囲であれば、最冷部温度を所定値範囲にして発光金属の蒸気圧を十分高く維持でき、所望の高いランプ効率を得ることができる。したがって、重量Ａ（ｇ）を大きくする場合には、重量Ａ＋Ｂの許容範囲内で重量Ｂ（ｇ）を小さくすればよい。反対に、重量Ａが小さいときには、放電空間が小さく最冷部の温度が高くなるので、重量Ａ＋Ｂの許容範囲内で重量Ｂを大きくすればよい。

なお、透光性放電容器の放電空間部の重量には、厳密には放電空間部の上下両端部に配設されている上側封止部および下側封止部との接合部における放電空間部の肉厚相当分を加味した領域を含むが、測定の簡便のために放電空間部と上側封止部および下側封止部とのそれぞれの形状線の接合部の位置を含む透光性放電容器の軸に対して直交する二つの平面に挟まれた部分の重量を放電空間部の重量というものとする。したがって、下側封止部の重量は、上記のうち下側の平面から下に位置する下側封止部の重量をいう。

ところで、重量Ａ＋Ｂ値が０．０１９×ＷＬ＋０．４８未満であると、定格ランプ電力当たりの放電空間部の体積が小さくなり、また下側封止部の熱損失が小さくなりすぎて放電空間部の温度が上昇しすぎてしまい、Ｎａ抜け速度の上昇や発光管リークの問題が生じるので、不可である。これに対して、重量Ａ＋Ｂ値が０．０２９×ＷＬ＋２．１５を超えると、発光管の表面積が増加し、また熱容量が増加するために、封止部の熱損失が増加して最冷部温度が低くなりすぎ、ランプ効率を所要の高さに維持できなくなるとともに、色分離を十分に少なくできないので、不可である。したがって、重量Ａ＋Ｂ値は、前記の数値条件内において放電空間内の温度を適切にすることができる。

＜ランプ電力について＞

ランプ電力は、４００Ｗクラス以下において本発明が成立する。すなわち、以上説明した管壁負荷、電位傾度およびＡ＋Ｂ値は、そのいずれも２００Ｗクラス以下だけでなく、４００Ｗクラス以下でも成り立つことは後述する図８および図９から明らかである。

＜その他の構成について＞

以上の説明の構成に対して、以下に示す各構成を単独で、または複数をまとめて組み合わせることができる。

１ 安価な安定器に適合させる構成について

水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するように構成するためには、ランプ力率をある程度高い値にする必要がある。なぜなら、安価な安定器の場合、二次電圧をあまり高くしないので、小形ではあるが、寿命中のアーク立ち消えの懸念があり、これを克服するためである。ランプ力率を高くするには、イオン化媒体の発光金属にＳｃ−Ｎａを主成分として用いることにより実現可能になる。

２ 専用安定器点灯形の構成について

ランプ電圧が高い従来の専用安定器点灯形に構成する場合は、発光金属はＳｃ−Ｎａ以外であってもよい。したがって、本発明においては、発光金属として一般的には希土類金属およびＮａを用いることができる。

３ Ｎａハロゲン化物の封入量について

Ｎａハロゲン化物を重量比でＳｃハロゲン化物の３倍以上封入して、高いランプ効率を得ることができる。

４ 外管について

一般照明用として用いる場合のように、必要に応じて発光管を外管内に収納することができる。この場合、外管内は、不活性ガスたとえば窒素を定常点灯時に約０．１ＭＰａの圧力を呈するように封入するか、真空にするか、またはわずかな酸素分圧の真空に近い雰囲気にすることができる。外管の一端または両端に受電手段たとえば口金を装着することができる。なお、口金が一端にのみ装着する片口金の場合、口金を点灯中上にするか、下にするかは、専ら使用目的に応じて任意に設定することができる。

＜本発明の作用について＞

本発明においては、透光性放電容器の放電空間部を中央部の径が最大で両端に向かって順次小さくなっている形状とし、管壁負荷、電位傾度Ｘおよび透光性放電容器の放電空間部および下側封止部の石英ガラスの重量Ａ＋Ｂ値の数値条件を前記のように規定したことにより、発光管の最冷部温度が上昇して放電媒体の蒸気圧が高くなり、また発光管内の温度差が小さくなって熱拡散および対流が少なくなるために、ＮａだけでなくたとえばＳｃなどのその他の発光金属が発光管内の上部までバランスよく拡散して色分離が少なくなる。また、発光金属の蒸気圧が上昇することによって発光金属による発光が強くなり、反対に水銀の発光が少なくなる。このため、ランプ効率が高くて、しかも色分離が少ないランプ電力４００Ｗクラス以下、好適には２００Ｗ以下のメタルハライドランプを得ることができる。さらに、所望により水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するランプ電力４００Ｗクラス以下、好適には２００Ｗ以下のメタルハライドランプを得ることができる。

さらにまた、ナトリウムハロゲン化物をスカンジウムハロゲン化物に対して重量比で３倍以上封入した場合であっても、水銀を過剰に封入することなく、所望のランプ電圧を有するとともに、ランプ効率の高いメタルハライドランプを得ることができる。

請求項２の発明のメタルハライドランプは、放電空間部および放電空間部の両端部に形成された一対の封止部を有する石英ガラスからなる透光性放電容器、透光性放電容器の両端の封止部に封装されて放電空間部内に臨在する一対の電極、ならびに透光性放電容器の放電空間部内に封入された少なくとも発光金属のハロゲン化物および希ガスを含むイオン化媒体を備え、ランプ電力が４００Ｗクラス以下であり、透光性放電容器の電極側の封止部の断面積をＳ（ｍｍ^２）とし、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、断面積Ｓが６．５log_ｅＷＬ−１５≦Ｓ≦７．０log_ｅＷＬの条件を、電極の放電空間部への突出長をＬ（ｍｍ）としたとき、突出長Ｌが１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦２．３６log_ｅＷＬ−４．０の条件を、それぞれ満足する発光管を具備していることを特徴としている。

＜ランプ電力について＞

本発明は、ランプ電力４００Ｗクラス以下の中形および小形、好適には２００Ｗクラス以下において、高いランプ効率を備えながら０−１００時間の光束維持率を向上するとともに、所望により水銀灯安定器適合形のように小形の安定器に適合させることが可能なメタルハライドランプである。

＜封止部の断面積について＞

本発明における封止部の断面積は、封止部の断面積を変えた試験を行った結果、特開昭５７−５３０６２号公報に開示されているのとは若干異なるが、以下のとおりに構成する。すなわち、断面積をＳ（ｍｍ^２）、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、Ｓ≦７．０log_ｅＷＬの条件を満足するように小さくすればよいことが分かった。しかし、断面積Ｓを小さくしすぎると、発光管リークが発生しやすくなるので、６．５log_ｅＷＬ−１５≦Ｓの条件をも満足する必要のあることも分かった。なお、上記封止部の断面積Ｓは、放電空間部の下端側において、放電空間部を画成する肉厚相当分を見込んだ封止部の位置において、発光管の長軸に直角な断面の面積をいう。

＜電極の突出長について＞

本発明においては、さらに電極の放電空間内の突出長Ｌ（ｍｍ）を以下に示す条件を満足するように構成することにより、ランプ効率を高い値に維持しながら０−１００時間の光束維持率低下の問題を解決することができた。すなわち、定格ランプ電力ＷＬ（Ｗ）としたとき、突出長Ｌを１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦２．３６log_ｅＷＬ−４．０に規制する。この範囲であれば、最冷部温度が高く、対流が少ない条件で、しかも電極軸の基端部付近になっても、電極軸の基端部付近の温度が十分に高くなるため、封入物が溜まることが少なくなる。

これに対して、上記条件の上限値を超えると、０−１００時間の光束低下が大きいので、不可である。すなわち、電極の突出長Ｌが大きすぎると、封止部の断面積Ｓを小さくしても、１００時間経過中に電極後背部に封入物が溜まり、ランプ効率が低下するためである。

反対に、上記条件の下限値未満であると、最冷部温度が高くなり過ぎて寿命中に発光管のリークやクラックなどの不具合が生じやすくなるから、これまた不可である。

なお、電極の放電空間内の突出長Ｌ（ｍｍ）を１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦３．２１log_ｅＷＬ−９．９の条件を満足するように構成することにより、一層確実に０−１００時間の光束低下を防止することができる。

＜その他の構成について＞

以上の説明の構成に対して、以下に示す各構成を単独で、または複数をまとめ

て組み合わせることができる。

１ 安価な安定器に適合させる構成について

請求項１と同様な理由である。

２ 専用安定器点灯形の構成について

請求項１と同様な理由である。

３ Ｎａハロゲン化物の封入量について

請求項１と同様な理由である。

４ 透光性放電容器の形状について

本発明において、透光性放電容器をその放電空間部を回転楕円体形状に構成することができ、この場合においても所期の作用効果を奏することを評価の結果確認した。しかも、石英ガラス管の両端を封止して、かつ封止部の断面積を規制した前述した透光性放電容器の場合より初期ランプ効率の高いメタルハライドランプを得ることができる。これは回転楕円体形状であると、透光性放電容器の温度分布が相対的に均一になって電極周辺の対流が少なくなる傾向があるため、電極の突出長を規制する手段がより効果的であるからと考えられる。

５ 管壁負荷について

本発明は、管壁負荷が１０〜２５Ｗ／ｃｍ^２の範囲に好適である。なお、管壁負荷は、石英ガラス管の両端を封止した透光性放電容器の場合には、電極間に位置する放電空間部の内表面積とする。放電空間部が回転楕円体形状をなす場合には、放電空間部の全内表面積とする。

＜本発明の作用について＞

本発明によれば、ランプ効率が高くて、０−１００時間の光束維持率が良好な４００Ｗクラス以下の中形および小形のメタルハライドランプを得ることができる。

また、所望によりランプ電圧を高くして水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するトータルコストを低くすることが可能なメタルハライドランプを得ることができる。

請求項３の発明のメタルハライドランプは、請求項１または２記載のメタルハライドランプにおいて、イオン化媒体は、発光金属として少なくともＮａおよびＳｃのハロゲン化物を含んでいることを特徴としている。

イオン化媒体は、その発光金属がＮａ−Ｓｃのハロゲン化物を主成分としていればよく、所要により副成分としてその他の発光金属を含むことが許容される。

そうして、本発明においては、ランプ電圧を高くできて水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するように構成しやすいとともに、優れたランプ効率および演色性のメタルハライドランプを得ることができる。

請求項４の発明のメタルハライドランプは、請求項１ないし３のいずれか一記載のメタルハライドランプにおいて、発光管は、ランプ電力が１００Ｗクラスのときに定格ランプ電圧が１１５Ｖ、同じく２００Ｗクラスのときに定格ランプ電圧が１２０Ｖ、その他のランプ電力のクラスときに定格ランプ電圧が１３０Ｖであり；発光管を内部に収納する外管を具備しており；始動時に発光管に高電圧パルスを印加するパルス発生装置を具備している；ことを特徴としている。

本発明は、日本における水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するメタルハライドランプの構成を規定している。

パルス発生装置は、それ自体が高電圧パルスを発生するのではなく、主としてスイッチング手段を含み、そのスイッチングによって安定器に流れる電流の急激な遮断を行い、安定器のインダクタンスから高電圧パルスを発生させて、発光管の電極に印加して、発光管内を絶縁破壊してメタルハライドランプを始動させるように作用するものである。

上記に規定するメタルハライドランプのランプ電圧は、水銀灯用安定器のように安価な安定器で安定に点灯するために必要な値である。

請求項５の発明の放電ランプ点灯装置は、請求項４記載のメタルハライドランプと；二次電圧が２００Ｖないし２１０Ｖで、定格電圧が１００Ｖまたは２００Ｖであり、交流電源およびメタルハライドランプの間に直列に介在して、メタルハライドランプに定格ランプ電圧を形成する安定器と；を具備していることを特徴としている。

本発明は、水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するメタルハライドランプと、これを点灯する水銀灯安定器のように安価な安定器とによって構成される放電ランプ点灯装置を規定している。

本発明において、「二次電圧」とは、出力端間にメタルハライドランプを接続しないで安定器の入力端間に定格電圧を印加したときに、出力端間に現れる出力電圧をいい、２次無負荷電圧と同義である。また、「定格電圧」とは、安定器の入力端間に印加すべき入力電圧の定格値をいう。一方、周知のようにメタルハライドランプ用の安定器には、チョークコイル形と漏れ変圧器形とがある。そして、前者はチョークコイルを主体とする構成なので、２次電圧は定格電圧と同じになる。このため、主として定格電圧が２００Ｖの場合に採用される。これに対して、後者は漏れ変圧器を主体とする構成なので、昇圧作用により定格電圧より高い２次電圧を得ることが可能である。このため、主として定格電圧が１００Ｖの場合に採用される。

そうして、本発明においては、水銀灯安定器のように安価な安定器を用いてメタルハライドランプを安定に点灯することができるので、高ランプ効率の放電ランプ点灯装置を低いトータルコストで得ることができる。

請求項６の発明の照明装置は、照明装置本体と；照明装置本体にメタルハライドランプが支持された請求項５記載の放電ランプ点灯装置と；を具備していることを特徴としている。

本発明において、「照明装置」とは、メタルハライドランプの発光を何らかの目的で利用するあらゆる装置を含む概念であり、たとえば照明器具、移動体用ヘッドライト、光ファイバー用光源装置、画像投射装置、光化学装置などに用いることができる。なお、「照明装置本体」とは、上記照明装置からメタルハライドランプを備えた放電ランプ点灯装置を除いた残余の部分をいう。

請求項１の発明によれば、ランプ電力４００Ｗクラス以下において、透光性放電容器の放電空間部が中央部の径が最大で両端に向かって順次径が小さくなっている形状であり、管壁負荷が１０〜２０Ｗ／ｃｍ^２、透光性放電容器内の電位傾度Ｘが定格ランプ電力ＷＬ（Ｗ）に対して７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９、放電空間部の重量Ａ（ｇ）、下側封止部の重量Ｂ（ｇ）としたときＡ＋Ｂが０．０１９×ＷＬ＋０．４８≦Ａ＋Ｂ≦０．０２９×ＷＬ＋２．１５を満足する発光管を具備していることにより、発光管内の対流が良好になってランプ効率を高くしたメタルハライドランプを提供することができる。

請求項２の発明によれば、ランプ電力４００Ｗ以下において、透光性放電容器における下側の封止部の断面積Ｓ（ｍｍ^２）を定格ランプ電力ＷＬ（Ｗ）に対して６．５log_ｅＷＬ−１５≦Ｓ≦７．０log_ｅＷＬ、電極の放電空間内への突出長Ｌ（ｍｍ）を１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦２．３６log_ｅＷＬ−４．０を満足する発光管を具備していることにより、ランプ効率が高くて、しかも０−１００時間の光束維持率特性が良好なメタルハライドランプを提供することができる。

請求項３の発明によれば、請求項１または２の効果に加えて発光金属としてＳｃおよびＮａのハロゲン化物を含んでいることにより、ランプ電圧を高くしてトータルコストの低い水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するメタルハライドランプを提供することができる。

請求項４の発明によれば、加えて発光管が１００Ｗクラスのときに定格ランプ電圧が１１５Ｖ、２００Ｗクラスのときに１２０Ｖ、その他のクラスのときに１３０Ｖであり、外管およびパルス発生装置を具備していることにより、日本における水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するメタルハライドランプを提供することができる。

請求項５の発明によれば、二次電圧が２００Ｖないし２１０Ｖで、定格電圧が１００Ｖまたは２００Ｖであり、水銀灯安定器のように安価な安定器に適合するメタルハライドランプに定格ランプ電圧を形成する安定器を具備していることにより、コストの低い放電ランプ点灯装置を提供することができる。

請求項６の発明によれば、請求項１ないし４の効果を有する照明装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図２は、本発明のメタルハライドランプの第１の実施形態を示す正面図である。

図３は、同じく発光管を示す拡大正面図である。

図において、１は発光管、２は外管、３は口金、４は下部支持構体、５は上部支持構体、６は接続導体、７はパルス発生装置である。

発光管１は、透光性放電容器１ａ、一対の電極１ｂ、図示しないイオン化媒体、モリブデン箔１ｃおよび導入線１ｄを備えている。

透光性放電容器１ａは、石英ガラス管の両端を封止して構成され、放電空間部１ａ１および一対の封止部１ａ２、１ａ３を備えている。なお、１ａ１１は、排気チップオフ部である。封止部１ａ２は、点灯中上側となり、放電空間部１ａ１の上端部が半球状をなすようにピンチシールにより形成されている。すなわち、放電空間部１ａ１の内径を２ｒとし、半球状部分の深さをｌとしたとき、ｒ＝ｌになっている。封止部１ａ３は、点灯中下側となり、放電空間部１ａ１の下端部が切頭円錐形状をなすようにピンチシールにより形成されている。そして、切頭円錐形状の開角が７０゜に設定されている。

一対の電極１ｂは、タングステンからなり、軸１ｂ１とその先端部に巻装されたコイル１ｂ２とを備えている。そして、軸１ｂ１の基端がそれぞれ封止部１ａ２、１ａ３内に埋設され、モリブデン箔１ｃに溶接されている。モリブデン箔１ｃは、封止部１ａ２、１ａ３内に気密に埋設されている。

導入線１ｄは、モリブデン箔１ｃに先端が溶接され、封止部１ａ２、１ａ３から外部に導出されている。

イオン化媒体は、発光金属のハロゲン化物、希ガスおよび水銀からなる。

外管２は、硬質ガラスからなり、ネック部にフレアステム２ａを封着して備えている。フレアステム２ａは、一対の導入線２ａ１、２ａ２を気密に導入している。

口金３は、Ｅ２６形口金であり、外管２のネック部２ａに固着され、一対の導入線２ａ１、２ａ２の一方がシェル部に、他方がセンターコンタクトに、それぞれ接続している。

下部支持構体４は、発光管１の下部を支持するとともに、下側の電極１ｂに電気的に接続するもので、枠形導体４ａおよび金属バンド４ｂを備えている。枠形導体４ａは、導入線２ａ１に溶接されている。発光管１の下部の導入線１ｄは、枠形導体４ａに溶接されている。金属バンド４ｂは、封止部１ａ３を抱持することにより、発光管１の下側を支持するとともに、枠形導体４ａに溶接されている。

上部支持構体５は、枠形導体５ａ、金属バンド５ｂおよびスプリング片５ｃを備えている。金属バンド５ｂは、封止部１ａ２を抱持することにより、発光管１の上側を支持するとともに、枠形導体５ａに溶接されている。スプリング片５ｃは、基端が枠形導体５ａに溶接され、先端が外管２の頂部内面に対して弾力的に当接して上部支持構体５を外管２内の所定の位置に保持する。発光管１の上部の導入線１ｄは、枠形導体５ａに溶接されている。

接続導体６は、下端が導入線２ａ２に溶接され、中間が外管２の内面側に沿って湾曲して延在するとともに、上端が上部支持構体５の枠形導体５ａに溶接されている。

パルス発生装置７は、バイメタル接点７ａおよび点灯管７ｂを直列に備え、始動時にのみ作動して図示しない安定器と協働して高電圧パルスを発生して、発光管１に印加する。

定格ランプ電力：２５０Ｗ

金属ハロゲン化物：ＳｃＩ＋ＮａＩ＝２０ｍｇ

電極間距離：２８ｍｍ

発光管内径：１６ｍｍ

管壁負荷：１７．８Ｗ／ｃｍ^２（＝２５０／（π×１．６×２．８））

１００時間でのランプ効率：９７ｌｍ／Ｗ

光束維持率：図４の曲線Ｃ

定格ランプ電力：４００Ｗ

金属ハロゲン化物：ＳｃＩ＋ＮａＩ＝３０ｍｇ

電極間距離：３６ｍｍ

発光管内径：２０ｍｍ

管壁負荷：１７．７Ｗ／ｃｍ^２（＝４００／（π×２×３．６））

１００時間でのランプ効率：１１２ｌｍ／Ｗ

光束維持率：図４の曲線Ｃとほぼ同様

図４は、本発明のメタルハライドランプの各実施例における光束維持率特性を比較例のそれと対比して示すグラフである。

図において、横軸は点灯時間（ｈ）を、縦軸は光束維持率（％）を、それぞれ示す。曲線Ｃは実施例１、曲線Ｄは実施例３（後述する。）、曲線Ｅは比較例１、曲線Ｆは比較例２を、それぞれ示す。

なお、比較例１は、現在市販されている２５０Ｗクラスのメタルハライドランプ（ＨＬ−ネオハライドランプ）である。また、比較例２は、上側の封止部が放電空間部の上側の端部が開角７０゜の切頭円錐形状になる構造である以外は、実施例１と同一仕様の試作品である。

図５は、本発明のメタルハライドランプの第２の実施形態における発光管を示す拡大正面図である。

図において、図３と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態は、上側の封止部１ａ２’を放電空間部１ａ１の上側の端部が開角９０゜の切頭円錐形状になるように構成している点で異なる。

封止部以外は実施例１と同一

１００時間でのランプ効率：９７ｌｍ／Ｗ

光束維持率：図４の曲線Ｄ

封止部以外は実施例２と同一

１００時間でのランプ効率：１１２ｌｍ／Ｗ

光束維持率：図４の曲線Ｄとほぼ同様

図６は、本発明のメタルハライドランプの実施例１、３および比較例２における発光管の各部の温度を示すグラフである。

図において、横軸は発光管の各部分を、縦軸は温度（℃）を、それぞれ示す。また、曲線Ｇは実施例１、曲線Ｈは実施例３、曲線Ｉは比較例２を、それぞれ示す。

図７は、本発明のメタルハライドランプの第３の実施形態における発光管を示す拡大正面図である。

図３と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態は、発光管１の放電空間部１ａが回転楕円体形状をなしている点で異なる。

また、本実施形態においては、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、透光性放電容器１ａの内部の電位傾度Ｘ（Ｖ／ｍｍ）を７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９とし、放電空間部１ａ１の重量をＡ（ｇ）、下側封止部１ａ３の重量をＢ（ｇ）としたとき、Ａ＋Ｂを０．０１９×ＷＬ＋０．４８≦Ａ＋Ｂ≦０．０２９×ＷＬ＋２．１５を満足するように設定される。なお、軸方向における放電空間部１ａ１の長さはＬｄｄ下側封止部１ａ３の長さはＬｓである。

図８は、請求項２の発明のメタルハライドランプにおける電位傾度の要件を説明するグラフである。

図９は、同じく発光管の放電空間部の重量Ａおよび下側封止部の重量Ｂの要件を説明するグラフである。

両図は、横軸がランプ電力ＷＬ（Ｗ）を示し、縦軸が図８は電位傾度Ｘ（Ｖ／ｍｍ）を、また図９はＡ＋Ｂ値（ｇ）を、それぞれ示す。

図８は、ランプ電力１００Ｗ、２００Ｗ、２５０Ｗ、３００Ｗおよび４００Ｗのそれぞれにおいて、電極間距離を変えて電位傾度の異なる複数の試作品を製作し、点灯した結果を記号で示している。図中、記号○は色分離および光束維持率ともに問題ないので可である、記号△は色分離が大きいので問題がある、記号×は点灯６０００時間における光束維持率が４０％を下回る結果なので不可である、をそれぞれ示している。

したがって、ランプ電力４００Ｗ以下において、曲線ａおよび曲線ｂの間の斜線を施した領域が発明の成立範囲であることが分かる。

図９は、同様にランプ電力１００Ｗ、２００Ｗ、２５０Ｗ、３００Ｗおよび４００Ｗのそれぞれにおいて、Ａ＋Ｂ値の異なる複数の試作品を製作し、点灯した結果を記号で示している。図中、記号○は色分離および発光管リークともに問題ないので可である、記号△は色分離が大きいので問題がある、記号×は６０００時間以内の点灯で発光管リークが発生したので不可である、をそれぞれ示している。したがって、ランプ電力４００Ｗ以下において、直線ｃおよび直線ｄの間の斜線を施した領域が発明成立範囲であることが分かる。

図１０は、本発明のメタルハライドランプの第４に実施形態における発光管を示す拡大正面図である。

図において、図３と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態は、下側封止部１ａ３の断面積Ｓ（ｍｍ^２）が定格ランプ電力ＷＬ（Ｗ）に対して６．５log_ｅＷＬ−１５≦Ｓ≦７．０log_ｅＷＬを満足するように設定されている。すなわち、断面積Ｓを所定範囲に小さく整形しており、図においては線ｙ−ｙにおける断面が円形をなしている。

また、下側封止部における電極１ｂの放電空間部１ａ内への突出長Ｌ（ｍｍ）を定格ランプ電力ＷＬ（Ｗ）に対して１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦２．３６log_ｅＷＬ−４．０を満足するように設定されている。

図１１は、請求項３の発明のメタルハライドランプにおける下側封止部の断面積Ｓの要件を従来技術のそれと対比して説明するグラフである。

図１２は、同じく電極の放電空間部への突出長Ｌの要件を説明するグラフである。

両図は、横軸がランプ電力ＷＬ（Ｗ）を示し、縦軸が図１０は封止部断面積Ｓ（ｍｍ^２）を、また図１電極突出長Ｌ（ｍｍ）をそれぞれ示す。

図１１において、曲線ｅおよび曲線ｆの間の斜線を施した領域は、請求項３の発明の成立範囲を示している。なお、曲線ｇは、従来技術における断面積と定格ランプ電力との関係を示す。また、図中において、記号○は初期光束および発光管リークともに問題ない、記号△は０時間の光束が目標値以下である、記号×は６０００時間以内の点灯で発光管リークが発生した、をそれぞれ示している。

図１２において、ランプ電力４００Ｗ以下であって、かつ曲線ｈおよび曲線ｉの間の斜線を施している領域は、請求項３の発明成立範囲を示している。なお、ランプ電力４００Ｗ超の範囲は未検討である。そして、曲線ｊおよび曲線ｉの間のクロス斜線を施している領域は、請求項３の発明の発明における、より好ましい範囲を示している。また、図中において、記号□は０−１００時間の全光束低下が５％未満である、記号○は０−１００時間の全光束低下が５％以上１０％未満である、記号△は０−１００時間の全光束低下が１０％以上である、記号×は６０００時間以内の点灯で発光管リークが発生した、をそれぞれ示している。

定格ランプ電力：１００Ｗ

金属ハロゲン化物：ＳｃＩ＝１．７ｍｇ、ＮａＩ＝８．３ｍｇ

水銀：１７．５ｍｇ

希ガス：Ａｒ６６６６Ｐａ

電極間距離：１６．５ｍｍ

発光管内径：１０．５ｍｍ

封止部断面積Ｓ：２０ｍｍ^２

電極長Ｌ（ｍｍ） ０時間光束（ｌｍ） １００時間光束（ｌｍ）

５ ９５００ ９２００

６ ９５００ ８５００

７ ９５００ ７５００

図１３は、本発明の放電ランプ点灯装置の一実施形態を示す回路図である。

図において、１１は交流電源、１２は水銀灯安定器、１３はメタルハライドランプである。

交流電源１１は、商用２００Ｖ電源である。

水銀灯安定器１２は、チョークコイル１２ａ、力率改善用コンデンサ１２ｂおよび放電用抵抗器１２ｃから構成されている。チョークコイル１２ａは、交流電源１１に対して、限流インピーダンスとしてメタルハライドランプ１３と直列に接続される。力率改善用コンデンサ１２ｂは、交流電源１１に対して、チョークコイル１２ａおよびメタルハライドランプ１３の直列回路と並列に接続されて、そこを流れる進相電流によって遅相の始動電流を相殺して低始動電流化を図る。放電用抵抗器１２ｃは、力率改善用コンデンサ１２ｂに並列接続されて、力率改善用コンデンサ１２ｂの残留電荷を放電させて電撃を防止する。

メタルハライドランプ１３は、本発明の各実施形態のものを用いる。

図１４は、本発明の照明装置の一実施形態としてのダウンライトを示す断面図である。

図において、２１はダウンライト本体、２２はランプソケット、２３はメタルハライドランプである。

ダウンライト本体２１は、枠体２１ａおよび反射板２１ｂを備えている。

枠体２１ａは、天井に装着される。

反射板２１ｂは、枠体２１ａ内に着脱可能に装着される。

ランプソケット２２は、枠体２１ａに装着される。

メタルハライドランプ２３は、本発明の各実施形態のものを用いる。

メタルハライドランプにおける管壁負荷とランプ効率の関係を示すグラフ 本発明のメタルハライドランプの第１の実施形態を示す正面図 同じく発光管を示す拡大正面図 本発明のメタルハライドランプの各実施例における光束維持率特性を比較例のそれと対比して示すグラフ 本発明のメタルハライドランプの第２の実施形態における発光管を示す拡大正面図 本発明のメタルハライドランプの実施例１、３および比較例２における発光管の各部の温度を示すグラフ 本発明のメタルハライドランプの第３の実施形態における発光管を示す拡大正面図 請求項２の発明のメタルハライドランプにおける電位傾度の要件を説明するグラフ 同じく発光管の放電空間部の重量Ａおよび下側封止部の重量Ｂの要件を説明するグラフ 本発明のメタルハライドランプの第４の実施形態における発光管を示す拡大正面図 請求項３の発明のメタルハライドランプにおける下側封止部の断面積Ｓの要件を従来技術のそれと対比して説明するグラフ 同じく電極の放電空間部への突出長Ｌの要件を説明するグラフ 本発明の放電ランプ点灯装置の一実施形態を示す回路図 本発明の照明装置の一実施形態としてのダウンライトを示す断面図

符号の説明

１…発光管
１ａ…透光性放電容器
１ａ１…放電空間部
１ａ２…封止部
１ａ３…封止部
１ａ１１…排気チップオフ部
１ｂ…電極
１ｂ１…軸
１ｂ２…コイル
１ｃ…モリブデン箔
１ｄ…導入線

Claims (6)

1. 長手方向の中央部の径が最大で両端に向かって順次径が小さくなっている放電空間部および放電空間部の長軸方向の両端に形成された一対の封止部を有する石英ガラスからなる透光性放電容器、透光性放電容器の両端の封止部に封装されて透光性放電容器の放電空間部内に臨在する一対の電極、ならびに透光性放電容器の放電空間部内に封入された少なくとも発光金属のハロゲン化物および希ガスを含むイオン化媒体を備え、管壁負荷が１０〜２０Ｗ／ｃｍ^２、ランプ電力が４００Ｗクラス以下であり、透光性放電容器内の電位傾度をＸ（Ｖ／ｍｍ）とし、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、電位傾度Ｘが７７／ＷＬ^０．５５≦Ｘ≦２１０／ＷＬ^０．６９の条件を、透光性放電容器の放電空間部の石英ガラスの重量をＡ（ｇ）、下側封止部の石英ガラスの重量をＢ（ｇ）としたとき、重量Ａ＋Ｂが０．０１９×ＷＬ＋０．４８≦Ａ＋Ｂ≦０．０２９×ＷＬ＋２．１５の条件を、それぞれ満足する発光管を具備していることを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 放電空間部および放電空間部の両端部に形成された一対の封止部を有する石英ガラスからなる透光性放電容器、透光性放電容器の両端の封止部に封装されて放電空間部内に臨在する一対の電極、ならびに透光性放電容器の放電空間部内に封入された少なくとも発光金属のハロゲン化物および希ガスを含むイオン化媒体を備え、ランプ電力が４００Ｗクラス以下であり、透光性放電容器の電極側の封止部の断面積をＳ（ｍｍ^２）とし、定格ランプ電力をＷＬ（Ｗ）としたとき、断面積Ｓが６．５log_ｅＷＬ−１５≦Ｓ≦７．０log_ｅＷＬの条件を、電極の放電空間部への突出長をＬ（ｍｍ）としたとき、突出長Ｌが１．２log_ｅＷＬ−２．５≦Ｌ≦２．３６log_ｅＷＬ−４．０の条件を、それぞれ満足する発光管を具備していることを特徴とするメタルハライドランプ。
3. イオン化媒体は、発光金属として少なくともＮａおよびＳｃのハロゲン化物を含んでいることを特徴とする請求項１または２記載のメタルハライドランプ。
4. 発光管は、ランプ電力が１００Ｗクラスのときに定格ランプ電圧が１１５Ｖ、同じく２００Ｗクラスのときに定格ランプ電圧が１２０Ｖ、その他のランプ電力クラスのときに定格ランプ電圧が１３０Ｖであり；
   発光管を内部に収納する外管を具備しており；
   始動時に発光管に高電圧パルスを印加するパルス発生装置を具備している；
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載のメタルハライドランプ。
5. 請求項４記載のメタルハライドランプと；
   二次電圧が２００Ｖないし２１０Ｖで、定格電圧が１００Ｖまたは２００Ｖであり、交流電源およびメタルハライドランプの間に直列に介在して、メタルハライドランプに定格ランプ電圧を形成する安定器と；
   を具備していることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
6. 照明装置本体と；
   照明装置本体にメタルハライドランプが支持された請求項５記載の放電ランプ点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

Images