JP2007305317A

JP2007305317A - セラミックメタルハライドランプ

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Publication number: JP2007305317A
Application number: JP2006129726A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hayakawa; 弘幸早川; Akiyoshi Maehara; 昭美前原
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: JP4710092B2

Abstract

【課題】ランプの寿命が進むに連れて、放電容器に主発光物質として封入した、反応性の強いツリウムがフリット材料の酸化物、主にディスプロシウム酸化物と徐々に反応してツリウム酸化物となる。それに連れてツリウムは発光に徐々に寄与しなくなり、光源色がシフトしたり、可視光スペクトル分布の視感度の良好な成分の発光が損なわれて全光束が減少したりする大きな問題を回避する
【解決手段】セラミック製の発光管の両端部に電極が配置されており、発光管両端部の細管と電極とがフリットによって封着され、発光管放電容器内には少なくともツリウムハロゲン化物を封入したセラミックメタルハライドランプにおいて、緑色にイオン発光、原子発光或いは分子発光をする物質を酸化物の状態で発光管放電空間内に配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、近年、商業空間を照明するのに目立って普及しつつあるセラミックメタルハライドランプに関するものであり、寿命中の諸変化を目立たぬ様に抑え、優れた寿命特性を得る事に鑑みた発明である。

発光管にセラミックを用いたランプは、管壁負荷を高める事が出来るため、発光管内の圧力を高める事が出来る。そのため高圧下でよりよく発光する物質としてディスプロシウムやツリウムなどの希土類が使用されている。ディスプロシウムやツリウムは発光効率を高め、色特性を良くする働きがある。例えばディスプロシウムは分子発光をするため、演色評価数を高くする役割をし、ツリウムは緑色の発光をするため、光束を高くする役割をする。セラミックメタルハライドランプはその発光効率の高さ、色特性の優れたところから、近年では商業空間を照明するのに、普及しつつある。求められる発光効率、色特性はその商業空間によって様々であるが、ランプ内にこれら発光物質を選択し封入することで、所望の発光効率や、色温度、平均演色評価数などをある程度制御している。

上記性能とするため、セラミック製の発光管内に水銀とナトリウム、ディスプロシウム、ツリウムのハロゲン化物を封入したセラミックメタルハライドランプを定格１５０Ｗで点灯させた。図５はこのセラミックメタルハライドランプの寿命中のカラーシフトに関するデータであって、（ｘ，ｙ）色度座標系の図に、その発光分布から（ｘ，ｙ）色度座標を評価し、プロットしたものを示している。その図５から解る通り初期色度特性は斜線で示す範囲内の所望の値になるように設計しているため、充分に顧客に満足を与えるものである。ところが寿命中の、時間毎の変化を記すと、図５の座標系のＢで示す曲線の通り、色度特性は著しい変化（カラーシフト）を示し、色度座標の変化は（０．０２６、０．００９）、色温度は３００Ｋ程も低い側に変化するなど大きな問題となった。
そこでその大きな変化の原因について調査したところ、以下の事が分かった。

セラミック製の発光管にはその両端に細管部が存在し、この細管部内部に電極が保持されている。そして、発光管放電空間と外部との気密を保つために、細管部と電極との間はフリットにより封着されている。発光物質であるハロゲン化ディスプロシウムは点灯中、このフリットと反応してしまい、発光に寄与するディスプロシウムが減ってしまうのである。そこで特許文献１には発光に寄与するディスプロシウムがフリットと反応しないように、フリット内にディスプロシウム酸化物を材料として加えることが記載してある。

特開昭５６−４４０２５号公報

しかし、ツリウムが発光物質として含まれる発光管はディスプロシウムよりもツリウムの方がより酸化反応が強いため、このディスプロシウム酸化物と、発光管封入物であるツリウムハロゲン化物が、寿命中に反応し、ツリウム酸化物とハロゲン化ディスプロシウムを生成する。そして、本来発光に寄与していたツリウムのハロゲン化物の蒸気圧が低下して、ツリウムの主発光である緑域(５００〜５７０ｎｍ）の主発光を利用していたものが、分光上その波長域の発光が減少する現象が現れ、代わってハロゲン化ディスプロシウムの増分によるディスプロシウムの発光が増加して、赤域発光が上昇するために分光スペクトル上の大幅な色変化を呈する事が判明した。そのため、色温度がこの様に変化する事で商品の見え方が大きく変化してしまうし、視感度上最良な緑域を主発光とするハロゲン化ツリウムを封入したにも拘らず、視感度の良好な緑域発光の成分低下のために、大幅な発光効率の低下を招く事も大きな問題となった。

上記では特許文献１の理由から発光物質としてディスプロシウムを用いたため、フリットにディスプロシウム酸化物を用いた。しかし、発光物質としてディスプロシウムを用いない場合もある。その場合はフリットの材料として、ディスプロシウム酸化物を用いる必要はない。このような構成のランプであっても、発光物質としてツリウムを用いた場合はその酸化力のため、フリット成分のＡＬ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などの酸素と結びつき、発光に寄与していたツリウムは減少してしまう。そのため、フリット材料としてディスプロシウム酸化物が用いられていない場合のランプでも、ツリウムの主発光の緑域が減少するため、色変化や発光効率の低下が問題となる。

本来希土類金属のツリウムや、ディスプロシウムをハロゲン化物とした場合のそれらの発光は、原子発光を主体とし分光スペクトルの上では青域にある。しかしアルカリ金属のハロゲン化物の発光を利用する事で複合分子を形成して、それら希土類金属の蒸気圧を数百倍から数千倍とする事が知られている。その様な場合は複合分子発光があり、希土類金属の分子発光を利用できる。そして、ツリウムの分子発光は主として５００〜５７０ｎｍ域（緑域）にあり、一方ディスプロシウムのそれは６００〜６５０ｎｍ域（赤域）にある。従って、それらと他の封入物とを組み合わせ、可視スペクトル上所望の発光をさせるランプを得る事が可能であるが、封入物と他の物質とが寿命中反応し、斯様な色温度変化やカラーシフトが起こり問題を発生させる場合もあり得る。
よって本発明は上記問題を鑑み、寿命中にセラミックメタルハライドランプの諸特性が変化する事による問題を解決すべく、諸値の変化を安定させて改善を図ろうとするものである。

特に、寿命が進むに連れて、放電容器に主発光物質として封入した、反応性の強いツリウムがフリット材料の酸化物、主にディスプロシウム酸化物と徐々に反応してツリウム酸化物となる。それに連れてツリウムは発光に徐々に寄与しなくなり、光源色がシフトしたり、可視光スペクトル分布の視感度の良好な成分の発光が損なわれて全光束が減少したりする大きな問題を回避する目的に関する発明である。

本発明は上記課題を解決するために、セラミック製の発光管の両端部に電極が配置されており、発光管両端部の細管と電極とがフリットによって封着され、発光管放電容器内には少なくともツリウムハロゲン化物を封入したセラミックメタルハライドランプにおいて、緑色にイオン発光、原子発光或いは分子発光をする物質を酸化物の状態で発光管放電空間内に配設した。
また、発光管放電空間内に配設する前記酸化物は酸化セリウムとする。

本発明によれば、セラミックメタルハライドランプの寿命中に発光物質であるハロゲン化ツリウムがフリットの材料であるディスプロシウム酸化物と反応を起こし、発光に寄与するツリウムが減少しても、発光管放電空間内に存在するセリウム酸化物が還元することにより、ハロゲン化セリウムとして発光に寄与することが出来る。そのため、寿命中に色特性の変化が起こらず、また視感度特性は良好になる。

本発明は、セラミック製の発光管の両端部細管内に一対の電極が配置され、その電極は細管内にフリットにより封着されている。発光管内には水銀、ハロゲン化物及び始動用補助ガスが封入されており、ハロゲン化物としてはツリウムハロゲン化物を用いる。フリット材にはディスプロシウム酸化物が用いられている。

このセラミック製の発光管内に点灯初期においては発光をねらいとしないセリウムの酸化物を配設する。そうすることで、初期においてはハロゲン化物として封入したツリウムの発光が起こるが、点灯中（寿命中）ツリウムが減少したとしても、酸化物として発光管内に配設したセリウムが発光管内に発光物質として分離するため、寿命中、発光色として緑色が減少することなく、安定した色のランプを提供することが出来る。ここで、酸化物としてセリウムを用いたのは、ツリウムと比較して安価なため、入手し易いからである。また発光が緑色である物質としてはセリウム以外にツリウムやプラセオジウム、スカンジウムなどが挙げられる。

実験として用いるランプと、その発光管について図２を用いて説明する。図２は定格１５０Ｗのセラミック製の発光管であって、この発光管は多結晶アルミナを鋳込成形することによって得た。発光管は最大外径約Φ１３ｍｍ、最大内径約Φ１１．５ｍｍの放電容器部１と、この放電容器部の両端部に、細管部２が一体的に取り付けられている。図３に細管部の拡大図を示す。この細管部には放電容器側よりタングステン電極３、該電極を保持し、電極からの熱を緩衝する中間材４と、細管部内で電力を供給する導電性サーメットロッド５と、更に発光管の外部において電力を供給するためのリード線からなる電極マウントが挿通されている。タングステン電極３の先端とする部分はアークによる熱で過熱される事から、冷却用に電極心棒の先端近傍に、螺旋状にして取り付けたコイル７を設けてある。また放電容器と先の中間材とを気密密閉のために用いるフリット８によって封止られている。

該放電容器内には発光物質として、アーク安定性を確保するためと、その橙色域にある強い発光を利用するためと、希土類金属ハロゲン化物との分子発光を得るためにナトリウムハロゲン化物（アルカリ金属のハロゲン化物の一種）を０．６ｍｇ封入し、希土類金属のその分子発光を利用するためにハロゲン化ディスプロシウムを０．５ｍｇとハロゲン化ツリウムを０．５ｍｇ封入する。そして始動用補助ガスとしてのアルゴンガスを１４ＫＰａ、緩衝ガスとして水銀を１４ｍｇ封入して発光管としてある。

硬質ガラス製外管内に、先の発光管を器具との光学的な位置が合致するように支持体を用いて取り付けして、電力供給用のリード線で該発光管に配線して、外部からの電力供給を受け得るランプとしてある。（基本構成を示した）

そこでこの様に構成したランプに、圧粉成形加工した丸薬状（ペレット状）のセリウムの酸化物（Ｃｅ_２Ｏ_３，ＣｅＯ_２）９を、その重量を約４ｍｇとしたものを、発光管内に排気する前工程に封入し同様のランプを作成して、寿命試験に供した。すると寿命中の（ｘ，ｙ）色度座標変化は、図１に示す様に、座標系のＡで示す曲線の通り、色度特性は１２０００時間の寿命中の変化は（０．００２，０．００３）、色温度変化は１００Ｋと極めて小さな範囲に収まり、極めて有効な手段である事が判明した。

その後の実験によって、該ペレット重量を可変して寿命試験してみたところ、封入したハロゲン化ツリウムのツリウムに対してセリウム酸化物のセリウムのモル比が１／２以上であれば、色度座標変化は少ない事も判明した。
またペレット状とはせず、そのまま粉体のままで封入する事でも同様の効果が認められた。酸化セリウムと同様に、軽希土類に相当する緑域に主たる発光成分を有する酸化スカンジウムを用いても、同様の効果が認められた。

次に、実施例１と同じ構成のランプを用いて、酸化セリウムを丸薬状として発光管内に配設する代わりに、電極コイルの隙間に以下の方法で配設した。その方法は酸化セリウムスラリ（スラリは溶質：平均粒径約６ミクロンの酸化セリウム粉体１グラムと、溶媒：純水２ｍｌに、結着剤として、ＰＶＡ＜ポリビニルアルコール＞２５ｍｇを、混合分散したもの）をディッピングして焼成後に約２ｍｇとなる様に吸い込ませ、該スラリの溶媒を飛散させる処理を施して、その酸化セリウムを保持した電極２本を用いて先の封入物と同様のセリウム酸化物を封入せずに類似ランプを作成し、先の寿命試験と同じ試験を実施してみたところ、酸化セリウムを丸薬や粉体のままで封入した場合と同様、極めて色度座標変化の少ない結果を得た。

同様に、酸化セリウムを丸薬状として発光管内に配設する代わりに、電極の材料として配設した。タングステン粉の重量に対して１〜２％の酸化セリウム粉体を混合し、所謂酸化セリウムタングステン棒としたものを電極心棒に用い、所望の形状として電極を構成している。この電極を用いて実施例１と同じ構成のセラミックメタルハライドランプを作成して寿命試験に供したところ、電極先端の消耗は僅かに増えるものの、その結果は先の例の結果と同様、極めて安定した色度座標変化の少ない結果を得た。

発光管の細管部内とその内部に挿通する電極とがフリット材料によって、封着されている。この封着用に用いるフリット材料には酸化珪素や酸化アルミニウムと共に酸化ディスプロシウムが使用されているが、これにディスプロシウムとセリウムがモル比で１：１となるように酸化セリウムを加えて、そのフリット材料の膨張率を放電容器や封入金属と巧く合う様に分量比率を調整し、セラミックメタルハライドランプに供して実験を試みたところ、これもまた寿命中極めて安定した寿命特性を示した。ここでは酸化ディスプロシウムと酸化セリウムを共に用いたが、発光物質としてハロゲン化ディスプロシウムが用いられない場合は酸化ディスプロシウムを用いる必要はない。

本発明のメタルハライドランプの寿命中の色度の変化を表す表メタルハライドランプの発光管の全体図発光管細管部の拡大図電極先端の拡大図従来のメタルハライドランプの寿命中の色度の変化を表す表

符号の説明

１発光管放電容器
２発光管細管部
３電極芯棒
４中間材
５サーメットロッド
６外部リード線
７コイル
８フリット材
９ペレット状の酸化セリウム
１０コイルの隙間に存在する粉体状の酸化セリウム

Claims

セラミック製の発光管の両端部に電極が配置されており、発光管両端部の細管と電極とがフリットによって封着され、発光管放電容器内には少なくともツリウムハロゲン化物を封入したメタルハライドランプにおいて、緑色にイオン発光、原子発光或いは分子発光をする物質を酸化物の状態で発光管放電空間内に配設した事を特徴とするメタルハライドランプ。
前記酸化物は、タングステンとの混合物として電極に用いられている事を特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。
前記電極のアーク側先端に電極コイルが形成されており、該電極コイルの隙間に前記酸化物が存在す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。
前記酸化物は、予めタブレット状、ペレット状或いは粉体の状態で封入されている事を特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。
前記酸化物をフリットの材料として用いた事を特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。
発光管放電空間内に配設する前記酸化物は酸化セリウムである事を特徴とする請求項１乃至５記載のメタルハライドランプ。