JP2007080768A - メタルハライドランプおよび照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐薬品性、封止部信頼性の高い、メタルハライドランプを提供すること。
【解決手段】放電空間部とキャピラリー部を備えた透光性のアルミナからなる気密容器と；前記気密容器の内表面に形成されたアルミナと希土類元素との反応生成物からなる保護層と；前記気密容器のキャピラリー部の少なくとも先端側内部に充填された封止用フリットガラスと；前記キャピラリー部を介して放電空間部に配設された放電電極と；前記気密容器の放電空間部内に封入された金属ハロゲン化物および希ガスを含む放電媒体と；を具備することを特徴とするメタルハライドランプを使用する。
【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。

相対向する一対の放電電極を備えた発光管内に水銀、金属ハロゲン化物および始動用希ガスを封入してなるメタルハライドランプは、金属ハロゲン化物の分子及び原子発光スペクトルを利用して発光を行う。このようなメタルハライドランプは、高効率、高演色性等の優れた性質を有するため、屋外施設用、道路照明用のほか、複写用、光化学用、植物育成用、漁業用などの広い範囲で使用されている。
近年、メタルハライドランプの小型化、密閉化が進み、発光管への熱的負荷が増大しており、このため、従来から使用されている石英ガラス製の発光管ではなく、耐熱性に優れたセラミックス製の発光管が使用されるようになってきている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−６７１４７号公報

しかし、セラミックス製の発光管を用いたメタルハライドランプでは、発光管の内表面のアルミナが所望の発光色を得るために発光管内に封入された金属ハロゲン化物と反応し、生成された反応物質が均一な発光を妨げるという問題があった。
また、セラミックス製の発光管の場合、放電電極（給電体）は、発光管のキャピラリー部の所定の位置に保持した状態で、キャピラリー部と給電体間に溶融したフリットガラスを充填して給電体が封止されるが、キャピラリー部の内面が侵食されると封入物質の抜けが生じたり、封止性能が低下する等の恐れがあり、封止部の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は上述の従来の課題を解決すべくなされたものである。即ち、本発明は、放電による内表面の侵食に対する耐性が高く、封止部の信頼性の高い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。

請求項１記載の発明は、放電空間部とキャピラリー部を備えた透光性のアルミナからなる気密容器と；前記気密容器の内表面に形成されたアルミナと希土類元素との反応生成物からなる保護層と；前記気密容器のキャピラリー部の少なくとも先端側内部に充填された封止用フリットガラスと；前記キャピラリー部を介して放電空間部に配設された放電電極と；前記気密容器の放電空間部内に封入された金属ハロゲン化物および希ガスを含む放電媒体と；を具備することを特徴とするメタルハライドランプである。

本発明のメタルハライドランプに用いられる気密容器は、アルミナセラミックスのような透光性のセラミックスからなり、給電体が配置される複数のキャピラリー部と、放電空間部から構成されている。この気密容器の内面には、アルミナと希土類元素との反応生成物からなる保護層が形成されている。気密容器のセラミックスとしては通常アルミナセラミックスが用いられるので、上記保護層は、予め気密容器の内面に、公知の方法により希土類元素の層を形成し、この希土類元素の層の形成された気密容器を使用時に曝される温度、たとえば１１００℃より高い温度に加熱することにより、形成させることができる。このような気密容器を備えたメタルハライドランプは、通常１１００℃まで使用できる。

気密容器の内面の希土類元素の層は、例えば、希土類元素の酸化物又はハロゲン化物をスラリーにして、気密容器の内表面に塗布し、乾燥した後焼結する方法により形成させることができる。

また、このような保護層は、例えば、希土類元素のアルコキシド溶液を気密容器の内表面に塗布し、乾燥後焼結する方法によっても形成することができる。焼結温度は８００℃以上である。

さらに、このような保護層は、希土類元素のハロゲン化物のペレットを気密容器内に導入し、ランプを点灯した時に生じる熱により気密容器の内表面に接する部分に形成することもできる。

なお、希土類元素の層を焼結する際には、副生物の生成を抑制するため反応を不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましく、必要に応じて加圧下で行うことも可能である。

気密容器の内面に形成される反応性物の保護層は、気密容器がアルミナセラミックスの場合には、通常ガーネットの結晶構造（例えば、Ｄｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｄｙ_６Ａｌ_１０Ｏ_２４、これらは焼結温度で異なる）をとる。
このように形成された保護層は、基本的に気密容器内表面と封入物質の金属ハロゲン化物との反応生成物と同等の安定性を有するため、発光管内に封入される金属ハロゲン化物による侵食を抑制することができる。なお、保護層の厚さは、メタルハライドランプの大きさ（容量）にもよるが、気密容器の厚さは通常２〜３ｍｍ程度であるので、１μｍ以上あれば充分である。

気密容器は、ロングアーク形メタルハライドランプに用いられる細長い管状のものでもよいし、ショートアーク形メタルハライドランプに用いられる球状または楕円球状などで、その両端から細長い管状の封着部が延在しているものであってもよい。

気密容器は、必要に応じてこれを外囲器に収納することができる。外囲器内を排気して不活性ガスを適当な圧力で封入することにより、外囲器内の導体が酸化するのを防止できる。また、外囲器内を真空にすることにより、気密容器の表面の温度勾配を少なくすることができる。これにより、本発明に用いられる気密容器のクラックが発生しにくくなる。

メタルハライドランプの放電空間部に封入される放電媒体である金属ハロゲン化物を構成するハロゲンとしては、よう素、臭素、塩素またはフッ素のいずれか一種または組合せを用いることができる。

金属ハロゲン化物は、発光色、平均演色評価数Ｒａおよび発光効率などについて所望の発光特性を備えた放射を得るため、気密容器のサイズおよび入力電力に応じて、既知の金属ハロゲン化物の中から任意所望に選択することができる。このような金属ハロゲン化物を構成する金属としては、たとえば、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、スカンジウム（Ｓｃ）、および希土類金属からなるグループの中から選択された一種または複数種を用いることができる。

放電媒体を構成する水銀は、気密容器の内容積１ｃｃ当たり０．４ｍｇ以上、望ましくは１ｃｃ当たり２０．０ｍｇ以上が存在して十分な電位傾度を得るに足りる量が封入される。

放電媒体を構成する希ガスとしては、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどを用いることができる。

放電電極は、気密容器の放電空間部を挟んで対向する位置にあるキャピラリー部内に一対封装される。本発明のメタルハライドランプは、交流および直流のいずれで点灯するように構成してもよい。したがって、本発明における一対の放電電極は、交流で作動させる場合には同一構造でよいが、直流で作動させる場合には、一般に陽極の方が温度が高くなるので陰極よりも放熱面積の大きいものを用いることが望ましい。

キャピラリー部の少なくとも先端側内部に充填されて放電電極（給電体）を封止するフリットガラスは、気密容器のキャピラリー部の内表面と給電体間に充填され、加熱溶融されて給電体を封止（封着）している。

請求項１記載の発明によれば、気密容器の内表面にアルミナと希土類元素との反応生成物からなる保護層が形成されるので、封入ガス（物質）中の金属とアルミナとの反応を抑制することができ、放電媒体である金属ハロゲン化物による侵食を防止することができる。また、キャピラリー部の内面（フリットガラスとの界面（封止部））に保護層を形成した場合には、この界面における侵食が防止されて封入物質の抜けや、気密容器のキャピラリー部とフリットガラス間の封止（封着）性が改善され、封止部信頼性が向上する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のメタルハライドランプにおいて、前記保護層が、前記気密容器の放電空間部の内表面に形成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、放電空間部の内表面に保護層が形成されるので、封入ガス（物質）による該部の侵食を抑制することができ、耐薬品性が向上する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のメタルハライドランプにおいて、前記保護層が、前記気密容器のキャピラリー部の内表面に形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、前記キャピラリー部の内表面のフリットガラスに接する部分である界面、即ち封止部が、アルミナと希土類元素の反応生成物からなる保護層により形成されるので、封止部からの封入物質の抜けや、気密容器のキャピラリー部とフリットガラスとの封止性が改善され、封止部信頼性が向上する。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３記載のメタルハライドランプにおいて、前記希土類元素がテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）およびツリウム（Ｔｍ）から選択された少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする。

希土類元素のうち、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）およびツリウム（Ｔｍ）から選択される少なくとも１種の希土類元素は、アルミナと反応してアルミナとの反応生成物を形成し、かつランプ封入材として好適に用いることができるため、好ましい希土類元素である。

請求項４記載の発明によれば、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）およびツリウム（Ｔｍ）から選択される少なくとも１種の希土類元素との反応生成物からなる保護層が形成されるので、耐薬品性、及び／又は封止部信頼性が向上し、ランプの用途により好適なメタルハライドランプを得ることができる。

請求項５記載の発明は、給電用接点を備えた照明装置本体と；前記放電電極を前記給電用接点に接続して前記照明装置本体に支持された請求項１ないし４のいずれか１項記載のメタルハライドランプと；を具備してなることを特徴とする照明装置である。

本発明は、請求項１ないし４のメタルハライドランプを何らかの照明の目的のために使用する装置の全てに適応するものである。

したがって、請求項５の発明によれば、屋外および屋内における一般照明用の照明装置および反射鏡およびまたはレンズなどの光学系と組み合わせて用いる照明装置たとえば液晶プロジェクタ、オーバヘッドプロジェクタ、自動車用ヘッドライト、光ファイバー照明装置、などに好適に用いることができる。

請求項１ないし３に記載の発明によれば、耐薬品性及び／又は封止部信頼性を向上させ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４に記載の発明によれば、耐薬品性及び／又は封止部信頼性を向上させ、さらにランプの用途に好適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５に記載の発明によれば、メタルハライドランプの耐薬品性及び／又封止部信頼性を向上させた照明装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るメタルハライドランプについて説明する。

図１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１において、１は気密容器、２は放電電極、３は電流供給導体、４はフリットガラスである。

気密容器１の基材の材質は、透光性アルミナからなり、気密容器１の内表面は、アルミナと希土類元素の反応生成物の保護層よりなる。この反応生成物は、ガーネット結晶構造を有するものである。

気密容器１は、放電空間部１ａおよびキャピラリー部１ｂ、１ｂを備えている。放電空間部１ａは、ほぼ球状をなしている。キャピラリー部１ｂは、細長い円筒状をなし、放電空間部１ａの両端に対向して放電空間部と一体に成形されている。気密容器１は、放電空間部１ａの最大径部の外径が６ｍｍ、肉厚は約１ｍｍ、キャピラリー部１ｂの外径が２．５ｍｍ、容積１ｃｃである。アルミナと希土類元素の反応生成物の保護層の厚さは１μｍ以上である。

放電電極２は、タングステン棒でありキャピラリー部１ｂ内に挿入されていて、その先端が放電空間部１ａ内に突出している。そして、放電電極間距離は３ｍｍである。

給電導体３は、ニオブからなり、放電電極２の基端に溶接され、一部がキャピラリー部１ｂから外部に突出している。

フリットガラス４は、キャピラリー部１ｂと給電導体３との間を気密に封着しているもので、イットリア−シリコン−酸素系からなる。

放電媒体は、発光金属のハロゲン化物としてよう化ナトリウムＮａＩを１ｍｇ、よう化タリウムＴｌＩを０．８ｍｇ、水銀として２０．０ｍｇ 、希ガスとしてアルゴンおよびキセノンを数百ｔｏｒｒ封入している。

（第２の実施形態）
図２は、本発明のメタルハライドランプの第２の実施形態を示す正面図である。図２において、図１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、ロングアーク形のメタルハライドランプである点で第１の実施形態と異なる。なお、放電電極２とキャピラリー部１ｂとの間にセラミックスからなる中間筒体３ａを配設して、キャピラリー部１ｂと中間筒体３ａとの間に第１のキャピラリーを形成するとともに、中間筒体３ａと放電電極２との間に第２のキャピラリーを形成している。

（第３の実施形態）
図３は、本発明のメタルハライドランプの第３の実施形態を示す正面図である。

本実施形態は、２重管構造にして一般照明用として構成している。すなわち、５はガラス外管、６は口金、７はフレアマウントである。ガラス外管５は、硬質ガラスからなる。口金６は、Ｅ２６形口金である。

フレアマウント７は、フレアステム７ａ、支持枠７ｂおよび発光管７ｃからなる。フレアステム７ａは、そのフレアの部分でガラス外管５の開口端に封着している。支持枠７ｂは、フレアステム７ａに支持されている。

発光管７ｃは、図２に示す本発明のメタルハライドランプの第２の実施形態と同一構造である。そうして、本実施形態は投光器、街路灯など用の比較的定格消費電力の大きなメタルハライドランプに適している。

図４は、本発明の照明装置の第１の実施形態であるダウンライトの断面図である。図４において、１１はダウンライト本体、１２はソケット、１３はメタルハライドランプ、１４は反射体である。メタルハライドランプ１３は、図３に示す本発明のメタルハライドランプの第３の実施形態と同一構造である。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

（実施例１）
スラリー状にした酸化ジスプロシウム（Ｄｙ）を、気密容器の内表面に塗布し、焼成温度８００℃、不活性雰囲気下で反応を行い、気密容器の内表面に、アルミナとジスプロシウムの反応生成物からなる保護層を形成させた。Ｘ線回折による分析結果より、この反応生成物は、アルミナとジスプロシウムのガーネット結晶構造であることが確認された。この保護層の厚さは１μｍであった。次に、この気密容器中に、発光物質として、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：ヨウ化スカンジウム（ＳｃＩ_３）系金属ハロゲン化物［重量比１：３］を封入し、フリットガラスを加熱することにより封着して、１００Ｗセラミックメタルハライドランプを作成した。

（実施例２）
気密容器のうち放電空間部の内表面に、アルミナとジスプロシウム（Ｄｙ）との反応生成物からなる保護層を形成させた以外は実施例１と同様の方法により１００Ｗセラミックメタルハライドランプを作成した。

（実施例３）
気密容器のうちキャピラリー部の内表面のフリットガラスに接する部分に、アルミナとジスプロシウム（Ｄｙ）との反応生成物からなる保護層を形成させた以外は実施例１と同様の方法により１００Ｗセラミックメタルハライドランプを作成した。

（比較例１）
気密容器を、アルミナとした以外は、実施例１と同様に１００Ｗセラミックメタルハライドランプを作成した。

実施例１−３及び比較例１のように形成した１００Ｗセラミックメタルハライドランプについて、１５００時間の点灯試験を行い、メタルハライドランプの耐薬品性及び封止部信頼性を評価し、その結果を表１にまとめた。耐薬品性については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により気密容器の内表面を調べ、気密容器の内表面と封入物質の金属ハロゲン化物の金属との反応の有無を評価し、反応が起こった場合をＸ印、反応が起こらなかった場合を○印として評価した。また、封止部信頼性については、気密容器のキャピラリー部とフリットガラスとの界面の封止部における、封入物質等のリークの有無を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により評価し、リークが生じた場合をＸ印、リークが生じなかった場合を○印として評価した。なお、耐薬品性は、気密容器の内表面と封入物質の金属ハロゲン化物の金属との反応により発生する物質の目視評価等によっても評価できる。また、封止部信頼性は、例えばクラック発生により生じるリークによる不点の有無の目視評価等によっても評価できる。

実施例１の気密容器の内表面にアルミナとジスプロシウム（Ｄｙ）との反応生成物の保護層を形成させたメタルハライドランプでは、１５００時間の点灯試験の終了時において、耐薬品性、封止部信頼性については、特に問題は発生しなかった。これに対し、比較例１のアルミナだけで気密容器を形成させたメタルハライドバルブでは、１５００時間を経過した時点で放電空間部における薬品反応が確認され、また封止部リークにより生じる不点も確認された。
また、実施例２の放電空間部の内表面に、アルミナとジスプロシウム（Ｄｙ）との反応生成物の保護層を形成させたメタルハライドランプでは、１５００時間の点灯試験の終了時において、耐薬品性については特に問題は発生しなかった。実施例３のキャピラリー部の内表面のフリットガラスに接する部分に、アルミナとジスプロシウム（Ｄｙ）との反応生成物の保護層を形成させたメタルハライドランプでは、１５００時間の点灯試験の終了時において、封止部信頼性は特に問題は発生しなかった。

（実施例４−７）
実施例１のジスプロシウム（Ｄｙ）の代わりに、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）をそれぞれ用いた以外は、実施例１と同様に１００Ｗセラミックメタルハライドランプを作成した。このように作成した１００Ｗセラミックメタルハライドランプについても同様に、点灯試験を行い、メタルハライドランプの耐薬品性及び封止部信頼性を評価した。これらの実施例４−７についても、ジスプロシウム（Ｄｙ）と同様の結果となり、良好な耐薬品性及び封止部信頼性が得られた。

本発明のメタルハライドランプの第１の実施形態の概略構成を示す断面図である。 本発明のメタルハライドランプの第２の実施形態の概略構成を示す正面図である。 本発明のメタルハライドランプの第３の実施形態の概略構成を示す正面図である。 本発明の照明装置の第１の実施形態であるダウンライトの概略的に示す断面図である。

符号の説明

１…気密容器、１ａ…放電空間部、１ｂ…キャピラリー部、２…放電電極、３…電流供給導体、３ａ…中間筒体、４…フリットガラス、５…ガラス外管、６…口金、７…フレアマウント、７ａ…フレアステム、７ｂ…支持枠、７ｃ…発光管、１１…ダウンライト本体、１２…ソケット、１３…メタルハライドランプ、１４…反射体

Claims (5)

1. 放電空間部とキャピラリー部を備えた透光性のアルミナからなる気密容器と；
   前記気密容器の内表面に形成されたアルミナと希土類元素との反応生成物からなる保護層と；
   前記気密容器のキャピラリー部の少なくとも先端側内部に充填された封止用フリットガラスと；
   前記キャピラリー部を介して放電空間部に配設された放電電極と；
   前記気密容器の放電空間部内に封入された金属ハロゲン化物および希ガスを含む放電媒体と；
   を具備することを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 前記保護層が、前記気密容器の放電空間部の内表面に形成されている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. 前記保護層が、前記気密容器のキャピラリー部の内表面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のメタルハライドランプ。
4. 前記希土類元素が、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウムおよびツリウムから選択された少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載のメタルハライドランプ。
5. 給電用接点を備えた照明装置本体と；
   前記放電電極を前記給電用接点に接続して前記照明装置本体に支持された請求項１ないし４いずれか一項記載のメタルハライドランプと；
   を具備してなることを特徴とする照明装置。

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