JP2011238386A - セラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】
ハロゲン化金属としてヨウ化セリウムを発光管に添加しても、点灯初期からアークを安定させて点灯できるようにする。
【解決手段】
透光性セラミックで形成した発光管（１）が、透光性外管（１０）内に収納されると共に、ハロゲン化金属としてヨウ化セリウムが添加されたセラミックメタルハライドランプ（Ｌ）において、外管（１０）内には、口金（１１）が形成された基端（１０Ａ）側から先端（１０Ｂ）側まで長手方向に沿って延びる給電部材を兼ねた二本の並行支柱（１２Ｒ，１２Ｌ）を備えた閉ループ型の発光管支持フレーム（Ｆ）が、口金（１１）を介して電力供給を受けるステムリード（１８ｂ）に溶接固定され、さらに給電ワイヤ８Ａ８Ｂを加えた３本以上の給電部材が発光管周りに１８０度以上の範囲にわたって存在し、前記給電部材群の間隔は互いに等間隔とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、ハロゲン化金属としてヨウ化セリウムが添加されたセラミックメタルハライドランプに関するものである。

メタルハライドランプは、高圧ナトリウムランプや水銀ランプに比して、最も自然光に近い光が放射されるので演色性に優れており、オフィスや店舗のベース照明としても用いられている。
そして、一般には、ＩＳＯ８９９５演色区分１Ｂ以上である平均演色評価数Ｒａ＝８０以上、相関色温度は３０００〜４５００Ｋの範囲となる高演色で暖色から白色と言われる範囲の光源が使用されているが、省エネの観点から、より発光効率の高いランプが求められている。
しかしながら、高演色性と高効率は相反する効果であり、演色性を向上させれば発光効率が低下し、発光効率を高くすれば演色性が低下する。
このため、従来のメタルハライドランプは、高効率・高演色を謳っていても、効率重視型または演色性重視型のいずれかに分類されることとなる。
この場合に、一般に、平均演色評価数Ｒａ≧８０であれば高演色であると評価され（ＩＳＯ８９９５の演色区分１Ｂ以上）、発光効率η≧１００程度であれば高効率であると評価される。

例えば、特許文献１に開示されたＤｙ−Ｈｏ−Ｔｍ系メタルハライドランプの最高データは、平均演色評価数Ｒａ＝８７と優れるが、発光効率η＝９３（ｌｍ／Ｗ）とやや劣るため、演色性重視型ということができる。

また、特許文献２に開示されたＮａ−Ｃｅ系メタルハライドランプは、Ｃｅの強烈な緑色発光により平均発光効率η＝１２３（ｌｍ／Ｗ）と優れるが、平均演色評価数Ｒａ＝６０とやや劣るため、効率重視型ということができる（特許文献２［００４９］参照）。

さらに、特許文献２［００８２］には「ＮａＩ以外にも、所望のランプ特性に応じて適宜、ディスプロシウム（Ｄｙ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、タリウム（Ｔｌ）等を発光物質として添加してもよい。」と記載されているが、これらの物質を加えてＮａ−Ｃｅ系メタルハライドランプの発光封入物質の比率を調整しても、Ｃｅの強烈な緑色発光を抑えてＲａ＝７０以上にすることは困難であるだけでなく、発光物質としてＤｙ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｔｌを添加していくと、特許文献１のランプ特性に近づき発光効率は低下してしまう。

一方、従来の高演色セラミックメタルハライドランプは、発光管を収納する透光性外管を真空にして発光管の保温効果を高めることにより高演色性・高発光効率を実現しているが、この場合、消灯時に発光管が冷却されにくいことから、消灯後再度点灯されるまでの再始動時間が２５分から３０分ほどかかっており、これを１５分程度まで短縮することが望まれている。

始動パルス電圧を高めることで再始動時間を短縮することもできるが、試作ランプにおいて透光性外管内を真空とし、１５分以内に再始動できるパルス電圧を測定したところ、３ｋＶ以上の高電圧パルスが必要だとわかった。
最近の安全・安心指向重視の使用環境においては、始動電圧もせいぜい１〜１.５ｋＶ程度が適当と考えられている。水銀灯安定器で点灯する低始動電圧タイプの一般照明用ランプにおいては、３ｋＶの高電圧パルスを発生させることは安全性の面で避けることが望ましい。

そこで、本発明者は、メタルハライドランプにおいて相反する効果である高演色性及び高効率を両立させ、具体的には、平均演色評価数Ｒａ≧８０という高演色性を維持しつつ、発光効率η≧１００（ｌｍ／Ｗ）という高効率を達成すると共に、従来ランプと同程度の始動パルス電圧で再始動時間を短縮させるランプを開発した（特願２００９−１４８３５８号参照）。

このランプ２０は、図３に示すように、ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部２と、その両端に配置されるキャピラリ３Ａ、３Ｂとを透光性セラミックで形成した発光管１が、透光性外管１０内に収納されている。
発光管内径はキャピラリ３Ａ及び３Ｂの部分ではほぼ一定だが、発光部ではその中央部に向かって拡径している。このように発光管内径が拡径を始める位置を発光部２とキャピラリ３Ａまたは３Ｂとの境界としている。
発光部２の両端に形成されたキャピラリ３Ａ、３Ｂには、電極５Ａ、５Ｂを備えた一対の電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが挿通されて気密にシールされている。
そして、外管１０内には、口金１１が形成された外管１０の基端１０Ａ側から発光管１の両側を通り先端１０Ｂ側までその長手方向に沿って延びる二本の並行支柱１２Ｒ，１２Ｌの先端に位置決め金具１３が溶接された閉ループ型の給電兼用発光管支持フレーム２１が配されている。

この支持フレーム２１は、両端を外管先端側に折り曲げて形成された二本の並行支柱１２Ｒ，１２Ｌの先端側に、外管先端１０Ｂに内面当接されて支持フレーム２１の位置ずれを防ぐリング状の位置決め金具１３が溶接されて図３の方向から見て方形の閉ループ型に形成され、一対のサポートディスク１６Ａ、１６Ｂを介して発光管１を支持している。
支持フレーム２１は、閉ループ型に形成されているため剛性が高く、外力が作用しても変形しにくく、搬送中にランプ２０に外力が作用して振動したときなどに支持フレーム２１の変形などに起因して発光管１が位置ずれしたり、その両端に形成された強度的に弱いキャピラリ３Ａ、３Ｂが破損することがない。
特に、始動器内蔵型のランプにあっては、支持フレーム２１に回路部品が取り付けられるため、支持フレーム２１の剛性が高ければ、振動などの影響により始動回路が破壊されることが少ない。

そして、口金１１内側に形成されたステム１４には、当該口金１４を介して電力供給を受ける一対のステムリード１８Ａ，１８Ｂが立設されており、発光管１のキャピラリ３Ａから突出した一方の電極リード７Ａが一方のステムリード１８Ａに接続され、他方の電極リード７Ｂが、他方のステムリード１８Ｂに溶接された支持フレーム２１の先端側に取り付けられた金属リード２２を介して給電されるようになっている。

すなわち、導体である支持フレーム２１は口金１０が形成された外管１０の基端１０Ａ側から、発光管１の電極リード７Ｂが配置される先端１０Ｂ側まで延びているので、このフレーム２１を給電部材として用いることが従来の技術常識であった。

また、発光管内には、ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが封入されると共に、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが、全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入されている。
そして必要に応じ、例えば発光効率を向上させる場合には、ヨウ化セリウムが全ハロゲン化金属に対して５％以下のモル比率で封入される。

このランプ２０にヨウ化セリウムを加えた場合は、安定点灯すれば演色性・発光効率に優れたランプとなるが、垂直点灯させた場合に、点灯初期の数十時間の間、アークが安定せず、アークが曲がるアーク揺れを生じたり、ランプ電圧が大きく変化して、発光色が変化したり立消えを生ずる場合があることが判明した。これはセリウムを入れたランプで見られる特有な現象である。

すなわち、発光管１の先端側の電極５Ｂに対して閉ループ型の支持フレーム２１の先端側に接続した金属リード２２を介して給電しているため、ステム１４に立てられたステムリード１８Ｂから二本の並行支柱１２Ｒ、１２Ｌを介して金属リード２２に達する二つの給電ルートが形成されることとなる。
したがって、給電を開始し、例えば、図４に示すように、各並行支柱１２Ｒ、１２Ｌに矢印Ａ_１方向に電流が流れると、磁界Ｂ_１、Ｂ_２が形成され、その磁界Ｂ_１、Ｂ_２中に発光部２が位置する。

電極５Ａ、５Ｂ間のアークは矢印Ａ_２方向に電流が流れるため、アークに対しては、フレミング左手の法則により夫々の並行支柱１２Ｒ、１２Ｌから離れる方向に力Ｗ_１、Ｗ_２が働く。
すなわち、このとき、並行支柱１２Ｒ、１２Ｌの中間部分で全く反対方向の二つの磁界Ｂ_１、Ｂ_２が作用しているので、アークに対しても、反対向きの二つの力Ｗ_１、Ｗ_２が同時に作用する。
次いで、交流により極性が反転され、各並行支柱１２Ｒ、１２Ｌに反矢印Ａ_１方向に電流が流れ、電極５Ａ、５Ｂ間で反矢印Ａ_２方向に電流が流れても、並行支柱１２Ｒ、１２Ｌの中間部分で全く反対方向の二つの磁界が生成され、アークに対して夫々の並行支柱１２Ｒ、１２Ｌから離れる方向に力が働くので、同様の現象が生ずる。
そのため、アークは両側から押されるので、その力の方向（図４で見て左右方向）には行き場がなくなり、これに直交する方向（図４で見て紙面の手前側か又は奥側の方向）に曲がり不安定な状態になる。
しかも、セリウム入りの場合点灯初期には発光管内に存在する余剰添加物が均等に蒸発していないためか、アーク放電の道筋が安定しない。このように力のバランスが微妙に崩れることによりアークが行ったり来たりを繰り返してアーク揺れを生じていると考えられる。

特開２００３−１８７７４４号公報 特開２００３−０８６１３０号公報

そこで、本発明は、閉ループ型の支持フレームが形成されている場合に、ヨウ化セリウムを発光管に添加しても、点灯初期からアークを安定できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置される一対の電極アセンブリを挿通したキャピラリとを透光性セラミックで形成した発光管が、透光性外管内に収納されると共に、前記ハロゲン化金属として少なくともヨウ化セリウムが添加されたセラミックメタルハライドランプにおいて、前記外管の口金が形成された基端側から発光管の両側を通り先端側までその長手方向に沿って延びる給電部材を兼ねた二本の並行支柱を備えた閉ループ型の発光管支持フレームが、口金を介して電力供給を受けるステムリードに溶接固定されて外管内に配されると共に、前記並行支柱の基端側に、発光管の先端側電極に通電する給電部材が接続され、合計３本以上の給電部材群を有し、前記給電部材群は発光管発光部の範囲では、少なくともランプ電極軸に垂直な断面において１８０度の範囲にわたって存在し、前記給電部材群の間隔は互いに等間隔であることを特徴としている。

本発明に係るセラミックメタルハライドランプによれば、発光管を支持する閉ループ型の支持フレームが配されている場合に、この支持フレームが給電部材を兼ねていると同時に前記支持フレームの基端側に発光管の先端側電極に通電する給電部材が接続されている。
これにより、発光管の電極軸に垂直な断面において３箇所以上の位置で、同時に同方向に電流が流れるので、発光管アークの周りに同一方向の磁界が形成される。
そのためアークが形成される部分に３箇所以上の位置で形成された磁界の影響によりアーク位置が固定され、アークが不安定になることが少ない。
支持フレームが閉ループ型に形成されているため外力が作用しても変形しにくく、発光管の両端に形成された強度的に弱いキャピラリを支持する場合に、搬送中にランプに外力が作用して振動したときなどにフレームの変形などに起因して発光管が位置ずれしたり、破損したりすることがない。
また、始動器内蔵型のランプにあっては、閉ループ型の支持フレームに取り付けられた始動回路部品が、フレームの変形により破壊されることがない。

本発明に係るセラミックメタルハライドランプの一例を示す説明図。 給電部材の配置例を示す図。 従来のセラミックメタルハライドランプを示す説明図。 その通電時にアークに作用する力を示す図。

ヨウ化セリウムを発光管に添加しても、点灯初期からアークを安定できるようにするという目的を達成するために、ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置される一対の電極アセンブリを挿通したキャピラリとを透光性セラミックで形成した発光管が、透光性外管内に収納されると共に、前記ハロゲン化金属としてヨウ化セリウムが添加されたセラミックメタルハライドランプにおいて、前記外管の口金が形成された基端側から発光管の両側を通り先端側までその長手方向に沿って延びる給電部材を兼ねた二本の並行支柱を備えた閉ループ型の発光管支持フレームが、口金を介して電力供給を受けるステムリードに溶接固定されて外管内に配されると共に、前記並行支柱の基端側に、発光管の先端側電極に通電する給電部材が接続され、合計３本以上の給電部材群を有している。前記給電部材群は発光管発光部の位置において、少なくともランプ電極軸に垂直な断面において１８０度の範囲にわたって存在し、前記給電部材群の間隔は互いに等間隔である。

図１に示すセラミックメタルハライドランプＬは、片端に口金１１を形成した透光性外管１０内に、発光管１と、その電極５Ａ，５Ｂ間に始動電圧を供給する非線形セラミックコンデンサなどからなる始動器９が配されている。
発光管１は、楕円の長軸を回転軸として回転させたような略楕円球状に形成された発光部２の長軸方向両端側に、一対のキャピラリ３Ａ、３Ｂが角隅部のない遷移曲面４を介して連続的に形成されており、発光部２には、ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスが封入されている。
発光管内径はキャピラリ３Ａ及び３Ｂの部分ではほぼ一定だが、発光部ではその中央部に向かって拡径している。このように発光管内径が拡径を始める位置を発光部２とキャピラリ３Ａまたは３Ｂとの境界としている。

本例の発光管１は、発光部２とキャピラリ３Ａ、３Ｂを透光性アルミナの粉末圧縮体を型取りして一体成形した所謂１ピースタイプのものを用いている。
発光部２の両端に形成されたキャピラリ３Ａ、３Ｂには、電極５Ａ、５Ｂを備えた一対の電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが挿通されて、そのキャピラリ３Ａ、３Ｂの両端が、電気絶縁性を有するフリットガラスなどのシール材によって気密にシールされると同時に、該シール材によって電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが、キャピラリ３Ａ、３Ｂ内の定位置に固定されている。

なお、発光部２には、ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）が封入されると共に、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）が、全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入されている。
また、ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）が全ハロゲン化金属に対して５％以下のモル比率で封入されている。

また、外管１０内には、口金１１が形成された外管１０の基端１０Ａ側から先端１０Ｂ側までその長手方向に沿って延びる給電部材を兼ねた二本の並行支柱１２Ｒ，１２Ｌを備えた閉ループ型の発光管支持フレームＦが配されている。
この支持フレームＦは、金属線状部材１２の両端を外管１０の先端１０Ｂ側に向かって折り曲げることにより長さの等しい二本の並行支柱１２Ｒ，１２Ｌが形成され、その先端に、外管先端１０Ｂの内面に当接されてフレーム先端の位置ずれを防ぐリング状の位置決め金具１３が溶接されることにより、図１で見て方形の閉ループ型に形成されている。

そして、二本の並行支柱１２Ｒ，１２Ｌには、一対のサポートディスク１６Ａ、１６Ｂが取り付けられ、その中心に形成された挿通孔（図示せず）にキャピラリ３Ａ、３Ｂが挿通されて発光管１が取り付け支持されると共に、このディスク１６Ａ、１６Ｂに透光性スリーブ１７が発光部２を囲むように固定されている。

そして、口金１１内側に形成されたステム１４には、当該口金１４を介して電力供給を受ける一対のステムリード１８Ａ，１８Ｂが立設されており、発光管１のキャピラリ３Ａから突出した一方の電極リード７Ａは一方のステムリード１８Ａに接続される。他方の電極リード７Ｂは、他方のステムリード１８Ｂに溶接された支持フレームＦの口金１１側から並行支柱１２Ｒおよび１２Ｌを通り、支持フレームＦの先端側に取り付けられた金属リード２２を介して給電されるようになっている。
さらに電力供給リード７Ｂは、フレームＦの基端側に接続されている２本の給電ワイヤ８を介しても給電される。
この場合、給電ワイヤ８Ａおよび８Ｂは、支持フレームＦの並行支柱１２Ｒ，１２Ｌ間に形成されるベース部１２Ｃに接続することが好ましい。
さらに、前記始動器９は、電力供給リード７Ａ、７Ｂ間に電気的に接続されている。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
セラミックメタルハライドランプＬの口金１１を灯具ソケット（図示せず）に装着し、スイッチ（図示せず）をオンすると、電極５Ａ、５Ｂ間にランプ電流が流れて点灯する。
このとき、並行支柱１２Ｒおよび１２Ｌ並びに給電ワイヤ８Ａおよび８Ｂには、同時に同方向へ電流が流れる。

したがって、図２（ｂ）に示すように発光管の周囲に均等に給電部材が配置されているため、それぞれの給電部材の周りに磁界Ｂが形成され、それぞれの給電部材とアークとの間に反発力が生じる結果、全体としてアークは図２（ｂ）において四角形Ｍで示すように、発光管２の中心部に固定される。

また、並行支柱１２Ｒおよび１２Ｌを除く給電ワイヤ８は図２（ａ）に示すように１本のみであってもよい。この場合合計３本の給電部材が発光管発光部の範囲では、ランプ電極軸に垂直な断面において少なくとも１８０度の範囲にわたって存在し、前記給電部材群の間隔は並行支柱１２Ｒと給電ワイヤ８との間が約９０度、並行支柱１２Ｌと給電ワイヤ８との間も約９０度であり、互いに等間隔に配置されている。給電ワイヤ８が無いほうの並行支柱１２Ｒと１２Ｌとの間は約１８０度となっているが、この範囲は「給電部材が存在する範囲」に含まれないため等間隔かどうかは考慮されない。

図２（ａ）のような構成を採用すると、「給電部材が存在する範囲」が図でみて上側のみに存在するため、アーク位置は図２（ａ）において四角形Ｍで示すように、発光管２の中心部より少し下側にずれた位置に固定される。

また、図２（ｃ）のように給電ワイヤの数を増やし、並行支柱１２Ｒおよび１２Ｌ並びに給電ワイヤ８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄからなる給電部材６本を発光管のまわり３６０度の範囲に均等に配置すればアークは図２（ｃ）において四角形Ｍで示すように、発光管２の中心部に固定され、安定性はより好ましい。ただし発光部のまわりに給電部材である金属線が数多く存在すると、当然発光部からの放射光が遮光されるのでランプとしての発光効率が悪くなる上、ランプ部材が増えたことにより重量が増え製造コストも増加する。

本発明の構成を有するセラミックメタルハライドランプは、いずれの方向にランプ電流が流れても、アークに対しては、並行支柱および給電部材から離れる同一方向の力Ｗが作用するのみで、反対方向（並行支柱および給電部材に近づく方向）の力が同時に作用したり、交流ランプ電流により交番的に作用して複数の方向に順次引っ張られたりすることがないので、アークが不安定になりにくいという作用効果を奏する。

以上述べたように、本発明は、オフィスや店舗のベース照明として用いられるセラミックメタルハライドランプの用途に適用できる。

Ｌ………セラミックメタルハライドランプ
１………発光管
２………発光部
３Ａ、３Ｂ………キャピラリ
５Ａ、５Ｂ………電極
６Ａ、６Ｂ………電極アセンブリ
８………給電ワイヤ
１０………外管
１１………口金
１０Ａ………基端
１０Ｂ………先端
１２Ｒ、１２Ｌ………並行支柱
Ｆ………支持フレーム

Claims (2)

1. ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置される一対の電極アセンブリを挿通したキャピラリとを透光性セラミックで形成した発光管が、透光性外管内に収納されると共に、前記ハロゲン化金属として少なくともヨウ化セリウムが添加されたセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記外管の口金が形成された基端側から発光管の両側を通り先端側までその長手方向に沿って延びる給電部材を兼ねた二本の並行支柱を備えた閉ループ型の発光管支持フレームが、口金を介して電力供給を受けるステムリードに溶接固定されて外管内に配されると共に、前記並行支柱の基端側に、発光管の先端側電極に通電する給電ワイヤが接続され、合計３本以上の給電部材群を有し、前記給電部材群は発光管発光部の範囲では、少なくともランプ電極軸に垂直な断面において１８０度の範囲にわたって存在し、前記給電部材群の間隔は互いに等間隔であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
2. 前記発光管は、略楕円面状に形成された前記発光部の長軸方向両端側に前記キャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成された請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。

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