JP2010062010A

JP2010062010A - 高輝度放電灯用発光容器

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Publication number: JP2010062010A
Application number: JP2008226796A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Watanabe; 敬一郎渡邊
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: EP2172961B1; JP5243153B2; DE602009001080D1; ATE505809T1; EP2172961A1

Abstract

【課題】発光管からの発光を絞りつつ、発光の色温度安定性を向上させ、かつ点灯−消灯を反復したときの耐久性を維持することである。
【解決手段】高輝度放電灯用発光容器１は、透光性の多結晶セラミックスからなる発光管７であって、中央発光部７ｅ、中央発光部の両側にそれぞれ設けられ、中央発光部よりも肉厚の肉厚部７ｄ、および各肉厚部の外側にそれやそれ設けられている側端部７ｃを備えている発光管７、各側端部からそれぞれ突出する管状部３、発光管の内側空間に設けられている電極５、各管状部にそれぞれ挿通されており、電極を保持する電極保持部材２、管状部と電極保持部材との間を封止する封止材４、および肉厚部の外表面７ｂを、発光管の管軸を中心に全周にわたって被覆する遮光膜１１を備える。中央発光部７ｅ、側端部７ｃおよび管状部３の外表面が遮光膜によって被覆されていない。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度放電灯用発光容器に関するものである。

透光性を有するセラミックスは可視光を透過させることから、高輝度放電灯の発光容器として利用されてきた。特に透光性のアルミナセラミックスは、高輝度放電灯の発光容器として利用されている。

セラミックメタルハライドランプの色温度の安定性を向上させるために、プラズマアーク中のメタルハライドの蒸気圧を上げることが必要である。セラミックチューブの一部を酸化ジルコニウムでコーティングし、プラズマアークから放射される赤外線を発光管内部に反射することにより、発光管内部の温度を上げることにより、メタルハライド蒸気圧を向上させることを開示している（特許文献１、２）。特許文献１：２では、発光管の両方の端面（エンドプラグ）と、発光管に取り付けられた細長い管状部（脚部）の表面とを、酸化ジルコニウム皮膜によって被覆することによって、ハロゲン化金属充填物の液化と低温化を防止し、良好な演色性を確保している。
欧州特許 EP 0 869 540 A1 特開平１０−３３５０５９

また、発光管の内容積が１ｃｃ未満で150W以下のメタルハライドランプの色温度や発光効率が、点灯方向によって変化しないように、熱反射コーティングを発光管の両端に施すことが開示されている（特許文献３）。
米国特許 5,708,328

また、可視光の平均直線透過率が１５％以上の発光部と１５％未満のプラグエンド部を焼き嵌め法によって作製した自動車用ヘッドランプ用の高圧放電灯において、更に発光管の表面に遮光膜を形成することによって、不所望の方向への光放射を遮蔽することが、特許文献４の（００５４）に記載されている。
特開２００６−９３０４５

また、特許文献５には、自動車用ヘッドランプの高圧放電灯において、発光管の中央部を肉薄とすることで中央部に輝度中心を配置し、投射ビームの焦点への集光効率を向上させることが記載されている。
特開２００４−６１９８

高輝度放電ランプでは、まず水銀蒸気やアルゴンガス等の始動ガス中で電極間の放電を起こし、その放電エネルギーによる熱エネルギーを利用して、発光物質であるナトリウムや金属沃化物を蒸発させてガス化し、更に電極間で放電している電子のエネルギーで発光物質を励起し、発光物質の電子が励起状態から基底状態に戻る際に生じる光を光源として利用している。

このため、発光物質の蒸気圧が高いほど、放電している電子と発光物質の衝突確率が高くなり発光物質の励起が起こり易くなって発光効率が高くなる。発光物質の蒸気圧を高くするためには、発光物質の温度を上げることが必要であり、そのためには発光管内部のガス温度を高く保持することが重要である。

このように高輝度放電ランプでは電極間での電子放電を利用して発光が起こっており、発光している部分の温度が最も高く、電極の付け根や電極の後方部分の温度が低くなる。この温度の最も低い部分を最冷点と呼ぶが、ランプ内の発光物質の蒸気圧はこの最冷点によって支配されるため最冷点の温度を上げることが発光物質の蒸気圧を高くするために重要である。

最冷点の温度を高くするためには、従来技術のように、電極付け根のエンドプラグや環状部（脚部）の表面に遮光膜を設けることが有効である（特許文献１、２、３）。その結果メタルハライド蒸気の温度が向上してメタルハライド等の発光物質の蒸気圧が向上し、発光効率（lm/W）が改善され、同時に色温度安定性の良い高輝度放電灯ランプ用発光管を提供することが可能になる。

また、セラミック発光管は一般的に透光性ではあるものの透明でないため、プラズマアークで生成し放出される光によって発光管全体が発光するため、光源の大きさが発光管の大きさと同じになる。このため発光管と組合せて使用される照明器具の性能に合せて発光部位を制御することが難しい。一般照明用のランプの様に比較的大きな光源サイズが許容されるランプでは、照明器具に対して光源サイズが大きいことは余り問題にならないが、自動車用のヘッドランプやプロジェクター用のランプとしてセラミック発光管は光源サイズが大きくなりすぎて照明器具との組合せが困難である。

また、発光管の中央部の狭い領域から発光させることによって、投射ビームによる集光効率を高めることも知られている（特許文献４、５）。これらの文献に記載のように、発光管の両端部を肉厚にしたり、両端部に遮光膜を形成することも、結果的に最冷点の温度を上昇させるために有効である。

しかし、本発明者は、上記のような思想の高圧放電灯を多数試作して検討してみた結果、従来の常識とは異なり、色温度安定性、点灯を繰り返したときの耐久性などの点で、かえって不都合があることを発見した。

すなわち、発光管のエンドプラグと管状部を遮光膜で被覆し、かつ発光管の中央発光部を肉薄にすることで、中央発光部に輝度中心を配置できる。その上、中央発光部の両側からエンドプラグ、そして管状部からの光、熱放射を抑制して最冷点でのガスの滞留や液化を防止し、色温度安定性を向上させ得るはずである。

しかし、現実にこのような発光管を作製すると、色温度安定性が劣化し、また点灯−消灯を反復したときの耐久性が低下していることが判明した。

本発明の課題は、発光管からの発光を絞りつつ、発光の色温度安定性を向上させ、かつ点灯−消灯を反復したときの耐久性を維持することである。

本発明に係る高輝度放電灯用発光容器は、
可視光域の直線透過率が実質的に均一な特性を有する透光性の多結晶セラミックスからなる発光管であって、中央発光部、中央発光部の両側にそれぞれ設けられ、中央発光部よりも肉厚の肉厚部、および各肉厚部の外側にそれぞれ設けられている側端部を備えている発光管、
各側端部からそれぞれ突出する管状部、
発光管の内側空間に設けられている電極、
各管状部にそれぞれ挿通されており、電極を保持する電極保持部材、
管状部と電極保持部材との間を封止する封止材、および
肉厚部の外表面を、発光管の管軸を中心に全周にわたって被覆する遮光膜を備えており、
中央発光部、側端部および管状部の外表面が遮光膜によって被覆されていないことを特徴とする。

本発明によれば、発光管の中央発光部を相対的に肉薄として輝度中心を配置させることで、投射ビームへの集光効率を高くすることができる。このとき、中央発光部の両側の肉厚部の外表面を、発光管の管軸を中心に全周にわたって被覆する遮光膜を設けることで、中央発光部に発光を集中させることができる。

これとともに、中央発光部の両側を肉厚にし，かつ遮光膜を設けることで、発光管の最冷点におけるガスの液化や温度降下を適切に制御できることがわかった。このとき、側端部および管状部の外表面まで遮光膜によって被覆すると、封止材の温度が上がるため封止材が劣化し、この結果、色温度安定性が低下し、点灯−消灯反復時の耐久性が低下した。これはエンドプラグでのガス温度が予想よりも高く、また管状部内まで腐食性ガスが流れて封止部分を浸食しやすいためと考えられる。

そこで、本発明では、さらに側端部および管状部の外表面を遮光膜で被覆しないようにした。すると、色温度安定性は著しく向上し、かつ点灯−消灯反復時の耐久性は向上した。従来技術では、いずれも、側面部および管状部の表面を遮光膜で被覆して色温度安定性を得ることを発明の目的としている。

図１は、メタルハライドランプに使われる高輝度放電灯用発光容器１の模式的断面図であり、図２は、容器１の外観を示す正面図である。

発光容器１の発光管７は、中央発光部７ｅ、中央発光部７ｅの両側の肉厚部７ｄ、各肉厚部７ｄの外側の側端部７ｃを備えている。中央発光部７ｅは、本例では肉厚部７ｄに対して外側から凹んでおり、中央発光部の内面と肉厚部の内面とは滑らかに連続している。

各側端部の外側には、それぞれ管状部（脚部）３が取り付けられている。管状部３の内側空間３ａには電極保持部材２が挿通されており、電極保持部材２の内側末端には電極５が取り付けられている。電極保持部材２の外側端部は封止材４によって管状部３の内側壁面に対して封止されており、更に封止材１２によって管状部３の外側端面に対して封止されている。一対の電極５が発光管７の内側空間に位置しており、電極５間で放電を行えるように設計されている。

肉厚部とは、中央発光部の肉厚よりも大きな肉厚を有することを意味しており，本発明では中央発光部の両側に形成されている。中央発光部７ｅの肉厚ｔは、肉厚部７ｄの肉厚Ｔよりも小さい。

図１の実施形態では、中央発光部７ｅの外側面７ｆが肉厚部７ｄの外側面７ｂから凹んでおり、これによって中央発光部の肉厚が相対的に小さくなっている。中央発光部７ｅの内側壁面と肉厚部７ｄの内側壁面とは滑らかに連続しており、段差がない。しかし、中央発光部７ｅの内側壁面を肉厚部７ｄの内側壁面から凹ませることもできる。

各肉厚部７ｄの外表面７ｂは遮光膜１１によって被覆されている。遮光膜１１は、発光管の管軸Ｏを中心として、発光管を一周するように、肉厚部外表面７ｂを被覆する。各肉厚部７ｄと中央発光部との段差側面７ｇの表面も遮光膜１１によって被覆されても良い。中央発光部７ｅの外側面７ｆ、側端部７ｃの外側面７ａおよび管状部３の外側面３ｂは、遮光膜によって被覆されていない。

中央発光部７ｅを肉薄にして遮光膜を設けず、その両側の肉厚部７ｄを遮光膜１１で被覆することで、プラズマアークの発光領域６からの光の投射範囲が、投射角度θの範囲内に規制される。この投射範囲は、発光管７の全長Ｌに比べて小さい。

セラミック発光管は透光性ではあるものの透明でないため、プラズマアークで生成し放出される光によって発光管全体が発光するため、光源の大きさが発光管の大きさと同じになる。このため小さな光源サイズが求められる自動車用ヘッドランプやプロジェクターの光源ランプでは、照明器具の性能に合せた光源サイズにすることが難しい。しかし、本発明では、光源サイズを所定の大きさに限定することにより、照明器具の性能に合せたランプを提供することが可能となる。

例えば自動車用の発光管では透光部を小さくして、光源サイズがハロゲンランプのフィラメントの大きさと同等の2mmφｘ４mmの大きさとなるようにすることができる。更にプロジェクター用の光源に応用するためには、光源サイズが直径１mm以下となるようにできる。

本発明の高圧放電灯は、自動車用ヘッドランプ、ＯＨＰ（オーバーヘッドプロジェクター）、液晶プロジェクターなど、疑似点光源を適用可能な他の照明装置に適用可能である。

本発明において、中央発光部とは、発光管７のうち、両側の肉厚部の間に挟まれた、相対的に肉厚の小さい部分を意味する。また、肉厚部は、中央発光部と側端部との間の部分である。具体的には、図１に示すように、側端部７ｂの内側壁面１３から、中央発光部との段差１４までの間を、肉厚部とする。また、側端部は、発光管の両端を塞ぐ板状の部分を意味する。

本発明の放電灯においては、発光管７の全長Ｌに対する中央発光部の長さｐの割合は、適当な大きさの光源を得るという観点からは、９０％〜５％であることが好ましく、６０％〜１０％であることが更に好ましい。

また、各肉厚部の表面７ｂと７ｇのうち遮光膜が占める割合は、本発明の観点からは、３０％以上が好ましく、５０％以上が更に好ましい。各肉厚部の全外表面を遮光膜が被覆していてよい。
また、遮光膜が、発光管の外表面の表面積の２０％以上、９５％以下を被覆することが好ましい。

中央発光部の肉厚ｔは、発光量を増加させるという観点からは、１．５ｍｍ以下が好ましく、１．０ｍｍ以下が更に好ましい。また、中央発光部の肉厚ｔは、機械的強度の観点からは、０．３ｍｍ以上が好ましい。

肉厚部の肉厚Ｔは、色温度安定性の観点からは、０．５ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上が更に好ましい。しかし、肉厚部の肉厚Ｔが５ｍｍを超えると、点灯中の熱応力が大きくなって発光管の信頼性が低下するので、５ｍｍ以下が好ましい。

中央発光部の肉厚ｔを１としたときの肉厚部の肉厚Ｔの比率は、本発明の観点からは、１．１以上が好ましく、１．５以上が更に好ましい。また、中央発光部の肉厚ｔを１としたときの肉厚部の肉厚Ｔの比率は、段差部分への応力集中回避という観点からは、１０以下が好ましく、５以下が更に好ましい。

発光管の肉厚を部分的に厚くするためには、内側と外側の型形状を工夫して肉厚差を形成するか、透光部に相当する部分を外側から加工して肉厚を薄くすることにより、肉厚部が透光部より肉厚に成るようにすることが可能となる。肉厚を薄くするための加工は焼結前の成形体の状態で行う方（白加工：Green Machining）が焼結後に行うより容易である。

遮光膜は、直線透過率が３％以下であればよいが、１％以下が更に好ましい。また、遮光膜の材質は、光を吸収する黒色系の被覆材が望ましい。また発光管は使用中に温度が約１，０００℃程度になることがあるため、耐熱性に優れた材料であることが望ましい。更に発光管の熱膨張係数に近い材料であることが必要である。このような特性を満足する材料として、タングステンやモリブデン等の高融点金属とアルミナ等のセラミック材料からなるサーメット材料が肉厚部の被覆材料として好適である。

被覆材の厚みは遮光性能を充分にするために３ミクロン以上にすることが好ましい。また、１０ミクロンを超える肉厚になると、熱膨張のミスマッチにより厚くなりすぎて発光管から剥がれ易くなる。サーメット材はペースト状にして仮焼後の発光管の外側表面にスクリーン印刷法等の手法で所定の位置と肉厚で塗布され、乾燥後水素雰囲気焼成で発光管表面に被覆膜を形成することができる。

発光管を構成する半透明な透光性セラミックスとしては以下を例示できる。
多結晶Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ。又は表面粗度Ra≧1.0 μm の単結晶Ａｌ_２Ｏ_３、ＹＡＧ、Ｙ_２Ｏ_３。

また、半透明とは、以下の光透過率を意味している。
全光線透過率85％以上かつ直線透過率４５％以下

前記輝度中心とは、発光部において輝度の最も高い部分を意味する。輝度中心は一点である必要はなく、縦断面の方向に向かって延びていても良い。

高輝度放電灯とは、
水銀を発光物質に用いる水銀ランプ、ナトリウムを発光物質に用いる高圧ナトリウムランプ、金属沃化物を発光物質に用いるメタルハライドランプのことを言う。

多結晶セラミックスは所望の形状に適した押出し成形、ドライバッグ成形等のプレス成形、鋳込み成形、射出成形、ゲルキャスト成形等の成形法で成形される。

（実施例１）
透光性アルミナ用原料粉末を用いて、図１、図２に示すメタルハライドランプ用の高輝度放電灯用発光容器の成形体を、ゲルキャスト成形法により作成した。成形体においては、中央発光部７ｅの直径は３．９ｍｍ、肉厚は０．７ｍｍとし、各肉厚部７ｄの肉厚は、１．７ｍｍとした。管状部３の肉厚は０．５ｍｍとし、側端部の厚さは１．３ｍｍとした。

成形時には、外型と中型をそれぞれ準備し、外型と中型の間に形成される空隙に、ゲルキャスト成形用のスラリーを注型し硬化後離型した。金型の表面粗さは一様にＲａ０．１ミクロンであった。得られたオス成形体とメス成形体を嵌め合わせた状態で、大気中１３００℃で焼成してバインダーの除去と仮焼成して一体化し、一体化した仮焼体の肉厚部に相当する部分に、タングステン粉末とアルミナ粉末からなるペーストをスクリーン印刷法により塗布後乾燥した。このアルミナ仮焼結体を水素雰囲気中１，８００℃で3 時間焼成して、透光性多結晶アルミナセラミックからなる発光容器１を作成した。

焼結後の発光容器１の結晶の平均粒径は２５ミクロンである。管状部３の肉厚は０．４ｍｍである。発光管７の全長Ｌは１０ｍｍであり、中央発光部７ｅの直径は３ｍｍ、長さｐは４ｍｍであり、肉厚ｔは０．５ｍｍである。肉厚部７ｂの長さｎは２ｍｍであり、肉厚Ｔは１．３ｍｍである。肉厚部の表面には、タングステン−アルミナのサーメットからなる厚さ５ミクロンの遮光膜１１を形成した。遮光膜１１の直線透過率は２％以下である。遮光膜１１は、肉厚部７ｄの外表面７ｂと中央発光部との段差表面７ｇのうち１００％を被覆している。

この発光容器１の一方の管状部３に、タングステンからなるコイル部を備えた電極５とニオブからなる導入導体部とをモリブデンを介して接合した電極保持部材２を挿入した。導入導体部とモリブデンの接合部分の位置が、キャピラリー端部近傍で導入導体がキャピラリーの外側に出るように冶具で仮固定し、リング状の封止用フリット材料を導入導体から挿入してキャピラリー端部に置いた後、その部分を所定の温度まで加熱溶融して気密に封止した。

更にアルゴン雰囲気のグローブボックス内で、この片方の端部が気密封止された複合発光容器中に、もう一方の封止されていないキャピラリー側から水銀および発光金属としてNa、Tl、Dyのヨウ化物を適量入れ、先程と同様にタングステンからなるコイル部を備えた電極部とニオブからなる導入導体部をモリブデンを介して接合した金属部品を挿入し、導入導体部とモリブデンの接合部分の位置が、キャピラリー端部近傍で導入導体がキャピラリーの外側に出るように冶具で仮固定し、リング状の封止用フリット材料を導入導体から挿入してキャピラリー端部に置いた後、その部分を所定の温度まで加熱溶融して気密に封止した。

図１に、点灯時の発光管の断面図を示す。この発光管では従来のセラミック発光管の大きさより小さな発光管サイズを実現することが可能となる。

得られた放電灯について、以下の試験を行った。試験方法および結果を示す。
放電灯の電極保持部材に電流供給のためのリード線を溶接し、ガラス外球中に挿入してランプとし、所定の安定器電源を利用して電流を流すことにより、メタルハライド高圧放電ランプとして点灯させることができた。
（色安定性）
演色性の時間依存性を評価することにより、ランプの色安定性を評価した。ランプは初期状態で演色性指数Ra８５を示し、１，０００時間の点灯試験後もほぼ同等の演色性指数８３の値を示した。また同時に評価したランプ発光効率も初期状態で９０lm/W、１，０００時間の点灯試験後もほぼ同等の８８lm/Wのランプ発光効率を維持した。

（点灯−消灯耐久性）
点灯−消灯の繰り返しを行い、ランプの発光効率の変化を確認することによりランプの耐久性を評価した。初期のランプ発光効率９０lm/Wに対して１，０００サイクルの点灯−消灯試験後のランプ発光効率は８５lm/Wで点灯−消灯試験後もほぼ同等のランプ発光効率を維持した。

（比較例１）
実施例１において、前記遮光膜１１によって、肉厚部７ｄの外表面７ｂ上に加えて、側端部７ｃの外表面７ａおよび管状部３の外表面３ｂを被覆した。試験結果を以下に示す。

（色安定性）
実施例と同様に演色性の時間依存性を評価することにより、ランプの色安定性を評価した。ランプは初期状態で演色性指数Ra８５を示し、４００時間後には演色性指数が６０に低下し、５００時間でランプは不点灯となった。

（点灯−消灯耐久性）
実施例と同様に点灯−消灯の繰り返しを行い、ランプの発光効率の変化を確認することによりランプの耐久性を評価した。初期のランプ発光効率９０lm/Wに対して３００サイクルの点灯−消灯試験後のランプ発光効率は５０lm/Wに劣化し、３５０サイクル目で不点灯となった。

本発明の実施形態に係る発光容器１を模式的に示す断面図である。図１の容器１の外観を示す正面図である。

符号の説明

１発光容器２電極保持部材３管状部３ａ管状部３の内側面３ｂ管状部３の外側面４、１２封止材５電極６発光領域７発光管７ａ側端部７ｃの外表面７ｂ肉厚部７ｄの外表面７ｃ側端部７ｄ肉厚部７ｅ中央発光部７ｆ中央発光部の外表面７ｇ肉厚部７ｄと中央発光部７eとの段差外表面８凹部１１遮光膜１３側端部７ｂの内側壁面１４肉厚部７ｄと中央発光部との段差ｔ中央発光部の肉厚Ｔ肉厚部の肉厚Ａ発光Ｏ管軸 θ 投射角度

Claims

透光性の多結晶セラミックスからなる発光管であって、中央発光部、この中央発光部の両側にそれぞれ設けられ、前記中央発光部よりも肉厚の肉厚部、および前記各肉厚部の外側にそれぞれ設けられている側端部を備えている発光管、
前記各側端部からそれぞれ突出する管状部、
前記発光管の内側空間に設けられている電極、
前記各管状部にそれぞれ挿通されており、前記電極を保持する電極保持部材、
前記管状部と前記電極保持部材との間を封止する封止材、および
前記肉厚部の外表面を、前記発光管の管軸を中心に全周にわたって被覆する遮光膜を備えており、
前記中央発光部、前記側端部および前記管状部の外表面が遮光膜によって被覆されていないことを特徴とする、高輝度放電灯用発光容器。
前記中央発光部の肉厚が０．３ｍｍ〜１．５ｍｍであり、前記肉厚部の肉厚が０．５ｍｍ〜５．０ｍｍであり、前記肉厚部の肉厚が前記中央発光部の肉厚の１．１倍以上であることを特徴とする、請求項１記載の高輝度放電灯用発光容器。
前記遮光膜が、高融点金属とセラミックスとのサーメットからなり、前記遮光膜の厚さが３〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１または２記載の高輝度放電灯用発光容器。
前記遮光膜が、前記中央発光部の外表面、前記肉厚部の外表面、および前記中央発光部と前記肉厚部との段差面の表面積を合計した表面積の２０％以上、９５％以下を被覆することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の高輝度放電灯用発光容器。