JP2014099300A - 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を維持し、発光管に黒化現象が生じない高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【解決手段】この高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ4は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にあり、ランプの全光線透過率は、９６〜９９％の範囲内にあり、前記発光管の直線透過率は、１０％以上である。
【選択図】図５

Description

本発明は、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプに関する。

高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）は、電極間の放電を利用して発光するため、白熱電球と比べて、光束が大きく大規模な空間の照明に適し、エネルギー効率が良いといった種々の特徴を備えている。ＨＩＤランプにおいて、発光物質として水銀に加えて金属ハロゲン化物を採用したメタルハライドランプは、水銀ランプと比較して自然光に近く優れた演色性と、高い発光効率とを有している。

従来、メタルハライドランプの発光管として石英製発光管が使用されていた。最近では、これに代わって透光性セラミックス製発光管が使用されている。透光性セラミックス製発光管は、石英製発光管と比較して、耐熱性が良好であるため長寿命化が図れ、更に、発光管内に封入された金属ハロゲン化物との反応がすくないため、種々の金属ハロゲン化物を使用できる長所を有している。

WO 2006-088128「定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプ」（国際公開日：2006/08/24）出願人：株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 特開2002-110100「高圧放電ランプ、高圧放電ランプ点灯装置および照明装置」（公開日：2002.04.12）出願人：東芝ライテック株式会社 特開2008-027745「メタルハライドランプおよび照明装置」（公開日：2008.02.07）出願人：オスラム・メルコ・東芝ライティング株式会社 特開2009-283433「高圧放電ランプおよび照明装置」（公開日：2009.12.03）出願人：東芝ライテック株式会社 特開2010-218988「高圧放電ランプおよび照明装置」（公開日：2010.09.30）出願人：東芝ライテック株式会社

（特許文献と本発明の対比）
特許文献１は、４５０Ｗ以上のセラミックハライドランプを対象にする。問題点として、アークの不安定によるちらつきを挙げている（段落0010）。これを解決するため、本管の内径Ｄ（ｍｍ）、電極突出長Ｌ（ｍｍ）、電極間距離Ｅ（ｍｍ）の関係を、Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）で表される管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ^３）が１５≦Ｇ≦４０の範囲であるとともに、０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．００３×Ｗ＋０．４６５と規定している（クレーム１）。本発明は、発光効率の低下を問題点とし、細管部内部における空隙を二次元及び三次元で規定している点で、特許文献１とは異なる。

特許文献２は、極隙間の幅寸法を絶対値で規定している（段落0041）。本発明は、発光効率の低下を問題点とし、細管部内部における空隙を二次元及び三次元で規定している点で、特許文献２とは異なる。

特許文献３は、定格ランプ電力４００Ｗを対象とし（段落0091）、本発明とは対象が異なる。特許文献４は、定格ランプ電力１００Ｗ以下を対象とし（段落0022,0024）、本発明とは対象が異なる。特許文献５は、定格ランプ電力１００Ｗを対象とし（段落0033）、本発明とは対象が異なる。

従来、セラミックメタルハライドランプは、１００〜３００Ｗクラスの低及び中ワットのランプが主流であった。このような状況の中で、本発明者等は、更に光束が大きく大規模な空間の照明に適した５００Ｗ以上の高ワットのランプの開発を目指している。
しかし、高ワットのセラミックメタルハライドランプでは、何らかの原因により発光効率が低下する現象が発生した。また、発生の頻度は高くは無いが、発光管が黒化する現象も見られた。この発光効率の低下及び発光管の黒化は、従来の低及び中ワットのランプでは見られなかった現象である。
そこで、発光効率低下及び発光管の黒化の原因を突きとめこれを解決して、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実現が望まれていた。

従って、本発明は、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
更に、本発明は、発光管に黒化現象が生じない高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ14は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にあり、ランプの全光線透過率は、９６〜９９％の範囲内にあり、前記発光管の直線透過率は、１０％以上である。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記メタルハライドランプは、定格ランプ電力が５００〜１０００Ｗの範囲にあってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記電流導入体は、金属製の棒状体の周囲に金属製コイルが巻き付けられたコイル棒であってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記細管部の内径は、２〜３ｍｍの範囲であってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記発光管に封入された水銀は最大１００ｍｇであり、希土類金属ハロゲン化物は最大１２ｍｇであってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記発光管の直線透過率は、１０〜３０％の範囲内であってよい。

本発明によれば、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することが出来る。
更に、本発明によれば、発光管に黒化現象が生じない高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することができる。

図１は、本実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを示す図である。 図２Ａは、発光管全体を説明する図である。 図２Ｂは、図２Ａにおいて破線の矩形で囲んだ細管部の拡大図である。 図３は、図２ＢのIII−III方向断面図である。 図４は、図２Ｂに示す細管部の拡大図である。 図５は、表１を図示したグラフである。 図６Ａは、本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ａに対応している。 図６Ｂは、本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ｂに対応している。 図７は、発光管の直線透過率の測定方法を簡単に説明する図である。 図８Ａは、直線透過率ＳＲが比較的高い発光管を使ったランプと比較的低い発光管を使ったランプとに対して、定格電力を印加して、熱画像カメラ（サーモグラフィー）を用いて夫々の発光管の熱画像を撮影して、発光管外表面温度を測定した結果である。 図８Ｂは、図８Ａのグラフを詳細に書き直したものであり、横軸に発光管の軸線方向の位置、具体的には発光管の軸線方向中心をゼロとし、その中心から距離ｍｍを左右にとり、縦軸に発光管外表面温度℃をとったグラフである。 図９は、図８Ｂのグラフと同様の高ワットランプの初期値データと、比較例として中ワットのランプの初期値データを実線示し、更に、直線透過率ＳＲ＝５．４％の発光管のランプの５００時間点灯後のデータを破線で示したグラフである。 図１０は、横軸に発光管の直線透過率ＳＲをとり、縦軸に１００時間経過後のランプ効率ηをとったグラフである。

以下、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態について、添附の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ符号を付与して、重複した説明を省略する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではないことを承知されたい。

［高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ］
図１は、本実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの構造を説明する図である。高ワットタイプとは、５００〜１０００Ｗクラスのランプであり、代表的には７００Ｗクラスのランプである。ランプ１０は、外球２の内部に、発光部となる発光管６を内封し、発光管６の周囲を内管（「スリーブ」ともいう。）８が取り囲んでいる。外球２の端部には、Ｅ形口金１２が接合されている。発光管６は、金属の線材や板を組み合わせた構造物に内管８を取り付けたマウント１４により、所定の位置に支持され、給電される。

これらの各要素について簡単に説明する。
発光管６に関しては、後で、図２及び図３に関連して詳しく説明する。

マウント１４は、一対の導入線が気密封着されたステム管１６と、概して逆Ｕ字形に整形された支柱１８とを主要部品として構成されている。

内管８は、透明石英ガラス管から成り、発光管６が破裂したときに外球２の損傷を防止するために発光管の周囲を囲むように配設されている。内管８には、その機械的強度を補強するため、周囲にワイヤ２０が螺旋状に巻かれている。

外球２は、例えば、ホウケイ酸ガラス等の透光性の硬質ガラスからなる。外球２は、最大口径の中央部２ａ、図で見て上部側の閉塞されたトップ部２ｂ及び下部側のネック部２ｃを有するＢＴ形をなしている。ネック部２ｃには、ステム管１６のフレア部が封止された封止部（図示せず。）がある。封止後、ステム管１６に設けられた排気管（図示せず。）を通じて外球内は排気され、アルゴン（Ａｒ），窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスが封入され、或いは真空にした気密雰囲気となっている。

この封止部を覆って、ねじ込み形口金１２が、耐熱性の接着剤を用いて接合され、或いはモールドにより形成された螺旋状のねじ溝に螺合されている。
図１に示すランプは、口金１２をソケット（図示せず。）に装着して、電源から所定の点灯回路装置（図示せず。）を介して通電され、発光管６の内部にある主電極間の放電により安定した点灯が持続される。

［発光管］
（発光管の構造）
図２Ａ及び図２Ｂは、発光管６の詳細を説明する図であり、ここで、図２Ａは、発光管全体を説明する図であり、図２Ｂは、図２Ａにおいて破線の矩形で囲んだ細管部６ｂの拡大図である。図２Ａに示すように、発光管６は、中央の略回転楕円形状の太管部（「発光部」ともいう。）６ａ及び両端の細管部（「キャピラリー」ともいう。）６ｂ，６ｃが一体に形成された透光性セラミックス（ＰＣＡ）製の容器である。尚、発光管６の形状は、これに限られず、円筒形状等の太管部６ａの両端に、太管部とは別の部材から成る細管部６ｂ，６ｃを夫々形成したものでもよい。

左右の細管部６ｂ、６ｃは同じ構造であり、これら細管部を、１対のリード線２２−１，２２−２が夫々通って太管部６ａの領域まで延びて、１対のタングステン（Ｗ）製の主電極２４−１，２４−２を形成している。太管部６ａの容器内には、発光及び放電媒体として、例えば、最大１００ｍｇ（好ましくは、約８５ｍｇ）の水銀と、最大１２ｍｇ（好ましくは、約７ｍｇ）の希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物と、希ガスとして所定圧力のアルゴン（Ａｒ）等とが封入され、発光効率、演色性，色温度等の特性の向上が図られている。

図２Ｂに示すように、太管部６ａに繋がる細管部６ｂの先端から、発光管の軸線に沿って、リード線２２−１が挿入され、これがサーメット（モリブデンとアルミナの合金）２６に繋がり、更に金属製コイル棒（「電流導入体」ともいう。）３０に繋がり、その先にタングステン電極棒２４−１が形成されており、サーメットにはニオブ製ストッパ部材３２が溶接されている。このように主電極２４−１、電流導入体３０，サーメット２６、リード線２２−１、ニオブ製ストッパ部材３２を一体的に接続したものを電極マウンドと呼ぶ。

金属製コイル棒３０は、代表的には、芯棒となるモリブデン製の棒状体３０−１の周囲にモリブデン製コイル３０−２が巻き付けられて形成されている。しかし、これに限定されない。例えば、金属製コイル棒３０は、タングステン（Ｗ）若しくはその他の金属又はモリブデン、タングステン、その他の金属の組み合わせ又は合金から形成してもよい。細管部６ｂの内部の先端部分は、ガラスフリット（シール材）２８によって封止され、更にリード線２２−１に通されたセラミックス製リング部材３４により補強されている。

ランプ製造時には、この電極マウントをニオブ製ストッパ部材３２が細管部６ｂの先端部に引っ掛かるように細管部６ｂに挿入し、細管部端部にガラスフリット２８及びセラミックス製リング部材３４を載せる。この状態で、細管部端部の周囲をヒータ（図示せず。）で加熱してガラスフリットを溶融する。溶融したガラスフリットは、細管部の内部に毛細管現象により浸透して固化し、発光管６の内部を外部から封止する。細管部６ｃも細管部６ｂと同様の構造である。

（発光効率低下の原因と対策）
図３は、図２ＢのIII−III方向断面図である。なお、図面の参照符号に関しては、適時、図４及び図６を参照されたい。細管部６ｂの内部にモリブデンコイル棒３０が挿入されている。モリブデンコイル棒３０を形成するモリブデン棒状体３０−１の周囲にモリブデンコイル３０−２がある。

金属ハロゲン化物は、発光管製作時には固体状態（粉末，ペレット等）で太管部６ａの内部に封入される。ランプ点灯中、発光管の内部は高温・高圧状態になるため、金属ハロゲン化物は液体と気体の混合状態となる。メタルハライドランプでは、気化された金属ハロゲン化物が、僅かではあるが細管部先端に向かって細管部内部の空隙に浸透し、比較的低温のモリブデンコイル棒３０付近に液化されて集積する傾向がある。この液化された金属ハロゲン化物が、細管部６ｂ，６ｃを形成する多結晶アルミナを浸食する。

この対策として、発光管の細管部６ｂとモリブデンコイル棒３０との隙間は、断面で見て、即ち二次元的に非常に小さくし、細管部内部の隙間は非常に狭い状態にしてある。更に、モリブデンコイル棒３０は、太管部の熱の伝達を減少し、且つ金属ハロゲン化物の侵入を阻止するため、棒状体３０−１の周囲にコイル３０−２を巻き付けた構造を採用している。

従来の低及び中ワットのランプでは、一般に、細管部の内径Ｌ6に対してモリブデンコイル棒３０の外径Ｌ14は、Ｌ14／Ｌ6＝０．９０〜０．９５としていた。Ｌ14／Ｌ6の比を小さくして細管部内部の隙間を大きくすると、製造時に細管部にモリブデンコイル棒３０を挿入しやすい等の利点がある反面、金属ハロゲン化物の侵入を招きやすい。反対に、Ｌ14／Ｌ6の比を大きくして細管部内部の隙間を小さくすると、ランプ点灯時に太管部からの熱で加熱され熱膨張したモリブデンコイル棒３０が細管部６ｂの内壁に接触し、これを損傷する。例えば、低及び中ワットのランプでは、内径Ｌ6＝１．２８ｍｍの細管部の中に、外径１．２ｍｍのモリブデンコイル棒を挿入している。Ｌ14／Ｌ6＝０．９３８である。

高ワットタイプのランプの設計では、発光管６に流す電流が大きくなるためモリブデンコイル棒３０を太くする必要があり、これを収納する細管部６ｂ，６ｃの内部空間も太くしなければならない。当初、必要とする電流容量からモリブデンコイル棒３０の太さを決定し、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比から細管部の内径Ｌ6を定めていた。
しかし、前述した通り、高ワットのセラミックメタルハライドランプでは、何らかの原因により発光効率が低下する現象が発生した。この発光効率の低下は、従来の低及び中ワットのランプでは見られなかった現象である。高ワットタイプのメタルハライドランプに関しては、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比では、細管部内部の空隙に金属ハロゲン化物が侵入し、発光効率を大きく低下させることが疑われた。

そこで、本発明者等は、金属ハロゲン化物が細管部内部の空隙に浸透するのを防止するため、次の２つの方策を講じた。
第１の方策として、二次元的に図３に示す細管部断面で見て、細管部内径に対してモリブデンコイル棒３０の外径を出来るだけ大きくして、隙間を狭くして、金属ハロゲン化物の侵入を阻止する。
そのため、細管部の内径Ｌ6に対するモリブデンコイル棒３０の外径Ｌ14を、少なくとも低及び中ワットのランプにおけるＬ14／Ｌ6＝０．９０〜０．９５を超える０．９６以上とした。ランプ点灯時のモリブデンコイル棒３０の熱膨張を考慮すると、０．９８以下であることが必要である。従って、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲とした。

第２の方策として、三次元的に細管部内部の空隙（細管部内部の空間からモリブデンコイル棒が占める空間を除いた残余の空間）を小さくし、添加物の侵入に供される空間を減少する。
図４は、図２Ｂに示す細管部６ｂの拡大図である。細管部６ｂは、太管部６ａとの境界ＣＢから端部６ｂｅまでの部分である。細管部６ｂと太管部６ａとの境界ＣＢは、太管部に向かって細管部の内部口径が拡がり始める箇所である。細管部６ｂ、６ｃの内径は、２〜３ｍｍの範囲内にある。ここで、細管部６ｂの内部空間を細管部内部空間ＣＡとし、細管部内部空間ＣＡの内、固化したガラスフリット２８が占める空間を封止領域ＳＡとし、残余の空間を非封止領域ＮＳＡとする。ＣＡ＝ＳＡ＋ＮＳＡの関係にある。更に、非封止領域ＮＳＡの内、モリブデンコイル棒３０が占める空間をモリブデンコイル棒領域ＭＡとし、残余の空間を細管部内部の空隙ＧＡとする。ＮＳＡ＝ＭＡ＋ＧＡの関係にある。

高ワットタイプのランプに関し、第１の方策である０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲内で、細管部内部の空隙ＧＡを変えた発光管を試作して、細管部内部の空隙ＧＡと発光効率ηの関係を調査した。発光効率ηは、光源の効率を表し、単位電力当たりの全光束（ルーメン毎ワット ｌｍ／Ｗ）である。表１はその実験データであり、図５はこれを図示したグラフである。

図５に示すように、非封止領域の空隙ＧＡが１７．５ｍｍ^３付近までは発光効率は１００（ｌｍ／Ｗ）以上を維持するが、これを超えると発光効率ηは急激に低下して、空隙ＧＡが２５．０ｍｍ^３付近になると５０〜６０（ｌｍ／Ｗ）と約半分に低下した。

この結果より、発光効率が急激に低下した原因の１つは、高ワットタイプのランプでは、細管部内部の間隙ＧＡが大きく、この間隙ＧＡに金属ハロゲン化物が侵入し易くなって、発光効率に大きく影響することが判明した。即ち、本発明者等は、当初、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比のモリブデンコイル棒を採用すれば、金属ハロゲン化物の細管部内部への浸透は防止できると予想していた。しかし、高ワットタイプのランプでは、この予想を超えて、金属ハロゲン化物が侵入して発光効率を低下させることが判明した。
間隙ＧＡに金属ハロゲン化物が入り込むと、太管部内の発光に寄与する金属ハロゲン化物の量が減少して光束が低下する。更に、太管部内の発光物質の割合が水銀リッチの状態となりアーク温度が上昇して、発光管６を形成するアルミナの温度を一層上昇させる。その結果、発光管６を形成するアルミナの還元により発光管６の周囲を取り囲む内管８を黒化して、ランプ照度が低下する。

これに対して、金属ハロゲン化物が間隙ＧＡに侵入しても太管部内に発光に十分な金属ハロゲン化物が残るように、予め発光管の金属ハロゲン化物を増量することも試みた。しかし、金属ハロゲン化物の増量は、放電時のアーク不安定を招き、ちらつきが発生する結果となった。

図５に示す結果より、１００（ｌｍ／Ｗ）以上の高い発光効率ηを維持するためには、非封止領域の空隙ＧＡの上限値は１７．５ｍｍ^３以下にする必要がある。空隙ＧＡの下限値は、点灯時にモリブデンコイル棒３０の熱膨張による細管部６ｂ，６ｃへの接触を回避し、且つランプ製造上の要請から５．０ｍｍ^３以上とした。従って、空隙ＧＡを、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲とすることとした。

この結果、第１の方策及び第２の方策により、高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、発光効率を高く維持することが出来た。

（発光管の形状例）
図６Ａ及び図６Ｂは、本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ａ及び図２Ｂに夫々対応している。図６Ａに示すように、発光管６の太管部６ａの外径寸法はＬ1＝φ２４ｍｍ、内径寸法はＬ2＝φ２１．８ｍｍ、電極間距離（「アーク長」に相当する。）はＬ3＝３４ｍｍ、両側の細管部６ｂ，６ｃの端部間距離はＬ4=１０７ｍｍである。

図６Ｂに示すように、細管部の外形寸法はＬ5＝φ４．５ｍｍ、内径寸法はＬ6＝φ２．３ｍｍである。細管部６ｂ，６ｃと太管部６ａとの境界ＣＢは、太管部に向かう細管部の内径が拡がり始める箇所と規定した。各細管部６ｂ又は６ｃの軸線方向寸法はＬ7＝２１．５ｍｍ、細管部の端部内側に溶着して封止領域を形成する各ガラスフリット２８の軸線方向寸法はＬ8＝４．５ｍｍである。モリブデンコイル棒３０に関しては、芯棒であるモリブデン棒状体３０−１の外径はＬ12＝φ１．０ｍｍ、モリブデンコイル棒３０の軸線方向寸法はＬ11＝１６ｍｍ、モリブデン製コイル３０−２の外径寸法はＬ13＝φ０．６２ｍｍ、モリブデン棒状体３０−１の周囲に巻回されたコイルの外径寸法は、最大Ｌ14max＝φ２．２４ｍｍである。この例では、Ｌ14／Ｌ6＝０．９７４となり、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にある。

［発光管の黒化現象］
（黒化現象）
以上の実施形態により、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することができた。しかし、このようなランプを量産した際に、何本かのランプに発光管が黒化する現象が生じた。このような発光管の黒化現象は、従来の低及び中ワットのランプでは見られなかった現象である。
発光管の黒化現象は、発光管が高温になるため発光管を形成するＰＣＡが還元されて発生する。黒化が発生する状況で発光管の温度を測定すると、ＰＣＡの実用最高温度１２３０℃を超えるものがあった。

この発光管の黒化現象に対する対策として、本発明者等は、発光管の温度上昇を抑制することを検討した。具体的には、次の提案に関して検討を加えた。
(1) 内管８の管径を太くして、内部に位置する発光管６の周囲のガス流の流れを多くする。しかし、この提案は、内管８を支持する支柱１８の間隔を拡大する必要があり、外球２のネック部２ｃの内径の制限もあり、この提案のみでは黒化現象の問題を解決することは困難であるとの結論に達した。
(2) 発光管６に、ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）を封入する。ヨウ化セリウムは、アークを細くする作用があり、これによりアークと発光管の内壁との接触を減少せしめ、発光管の温度上昇を抑制する。しかし、アークが細くなると、ランプ照度が低下する欠点もあり、この提案のみでは黒化現象の問題を解決することは困難であるとの結論に達した。
(3) 発光管の壁面負荷を下げることも検討した。しかし、壁面負荷を下げると必然的に最冷部温度が下がり、最冷部温度に左右されるランプ効率が低下する欠点もあり、この提案のみでは高い発光効率を維持しつつ黒化現象の問題を解決することは困難であるとの結論に達した。
(4) 発光管が発する光線が、発光管を通過する際に、散乱現象により発光管内部に戻ることなく、可能な限り発光管外部へ放射するようにして、発光管の温度上昇を抑制する。この提案に沿って、以下のような対策を行った。

（発光管の温度上昇の抑制策）
発光管が発する光線が、可能な限り発光管外部へ放射するようにするため、最初に、ランプの全光線透過率ＡＰを実際の製品のほぼ上限値の９６〜９９％と規定した。

更に、本発明者等は、発光管の直線透過率ＳＲに着目した。全光線透過率ＡＰに関しては、アークから一回目に発光管内壁に入射し散乱現象により発光管内部に戻った光線が、二回目以降に発光管内壁に入射し発光管を透過して外部に放射した場合、この光線は、全光線透過率ＡＰにはカウントされるが、同時に発光管の温度上昇の原因ともなっている。従って、全光線透過率ＡＰだけでは、発光管の温度上昇を抑制するファクターとならない。そこで、発光管内部のアークから発せられた光線が、一回目に発光管内壁に入射し、そのまま散乱せずに、入射光線の方向に向かって放射する光線の割合、即ち、直線透過率ＳＲを制御することにより、発光管の温度上昇を抑制することを試みた。

ここで、図７を参照しながら、発光管の直線透過率の測定方法を簡単に説明する。外光から遮蔽された箱３５を用意する。この箱３５は、３つの空間に隔壁３５−１で分割されている。左側の空間にハロゲン電球３６を、中央部の空間に被測定物である発光管管体６ｄを、右側の空間に照度計３８を夫々配置する。左側空間と中央部空間の間の隔壁には所定の小孔ｄ１、中央部空間と右側部空間の間の隔壁には所定の小孔ｄ１が形成されている。発光管管体６ｄと照度計３８の間は、所定の距離Ｌとする。この状態により、ハロゲン電球３６から発せられ、発光管管体６ｄを透過して照度計３８に達する光線の照度を測定している。なお、本出願書類では、「発光管管体の直線透過率」を、簡単に「発光管の直線透過率」と称する。

（発光管の直線透過率と温度上昇の関係）
最初に、発光管の直線透過率ＳＲと発光管の温度との間に相関関係があるか否かの確認実験を行った。図８Ａは、直線透過率ＳＲが比較的高い（１５．５％）発光管を使ったランプと比較的低い（５．４％）発光管を使ったランプとに対して、定格電力を印加して、熱画像カメラ（サーモグラフィー）を用いて夫々の発光管の熱画像を撮影して、発光管外表面温度を測定した結果である。グラフ縦軸は、左側の発光管の軸方向位置に対応し、グラフ横軸は、熱画像から求めた発光管外表面温度℃である。発光管の黒化現象は、最高温度ｔmaxの高低が問題となる。

図８Ａの結果から、直線透過率ＳＲが高い発光管の表面温度は、低い発光管の表面温度に比較して、最高温度ｔmaxが抑制されることが判明した。この結果より、発光管の直線透過率ＳＲと発光管の温度との間に相関関係があることが判明した。
図８Ｂは、図８Ａのグラフを詳細に書き直したものであり、横軸に発光管の軸線方向の位置、具体的には発光管の軸線方向中心をゼロとし、その中心から距離ｍｍを左右にとり、縦軸に発光管外表面温度℃をとったグラフである。表２は、グラフの元となったデータである。

図８Ｂ及び表２の結果から、ランプを点灯し発光管の温度が安定した時点（以下、初期値という。）の最高温度ｔmaxは、直線透過率ＳＲ＝５．４％では１，０８５℃に対し、ＳＲ＝１５．５％では１，０３３℃であり、５２℃の差があった。

図９は、図８Ｂのグラフと同様の高ワットランプの初期値データと、比較例として中ワット（３６０Ｗ）のランプの初期値データを実線示し、更に、直線透過率ＳＲ＝５．４％の発光管のランプの５００時間点灯後のデータを破線で示したグラフである。表３は、グラフの元となったデータである。

中ワット（３６０Ｗ）のランプでは、発光管外表面温度の初期値の最高温度ｔmaxは、８９８℃であり、グラフに示していないが、１０，０００時間経過後の最高温度ｔmaxも殆ど変化は見られず、発光管の黒化現象も発生していない。

ＳＲ＝１５．５％の発光管のランプの発光管外表面温度の初期値の最高温度ｔmaxは、１，００５℃であり、グラフに示していないが、１０，０００時間経過後の最高温度ｔmaxも殆ど変化は見られず、発光管の黒化現象も発生しなかった。

これに対して、直線透過率ＳＲ＝５．４％の発光管のランプの発光管外表面温度の初期値の最高温度ｔmaxは、１，０６４℃と高温であり、５００時間経過後には黒化現象が現れ、破線で示すように最高温度ｔmaxは、１，３０９℃に達していた。発光管を形成するＰＣＡの使用限界温度は、１，２３０℃程度と言われており、これを超す温度であった。

（直線透過率ＳＲとランプ効率ηの関係）
図９のグラフの結果より、直線透過率ＳＲ＝５．４〜１５．５％の間で、黒化現象が発生しない臨界点を特定する必要がある。そこで、発明者等が着目したのは、直線透過率ＳＲとランプ効率η［ｌｍ／Ｗ］との関係である。直線透過率ＳＲが高い発光管のランプに比較して、ＳＲが低い発光管のランプは、相対的に早く黒化現象が現れ、その結果、ランプ効率ηが早く低下することが予想された。

図１０は、横軸に発光管の直線透過率ＳＲ％をとり、縦軸に１００時間経過後のランプ効率η［ｌｍ／Ｗ］をとったグラフである。図１０より、直線透過率ＳＲが低くなるにつれ、ランプ効率ηも低下することが判明した。グラフ中の目標値は、本発明者等が定めた数値であり、具体的には１００［ｌｍ／Ｗ］である。図１０の結果より、直線透過率が１０％≦ＳＲであれば、目標値を実現できることが判明した。

最後に、直線透過率ＳＲが１０％に近いＳＲ＝８．４％の発光管のランプ及びＳＲ＝１１．２％の発光管の２種類のランプに関して、点灯５００時間経過後の発光管外表面温度の変化を調べたが、殆ど変化は無かった。また、発光管に黒化現象は見られなかった。ここで、ＳＲ＝８．４〜１１．２％の発光管のランプでは、黒化現象が発生しないことが分かった。従って、直線透過率ＳＲが１０％以上であれば、目標値を実現でき、且つ黒化現象が発生しないことが判明した。ＳＲ＝１１．２％以上に関しては、図１０に示すように直線透過率ＳＲが高くなるとランプ効率ηも高くなる傾向にあり、図９に示すように直線透過率ＳＲが高くなると発光管温度が低下する傾向にあるので、目標値を実現でき、且つ黒化現象が発生しないランプが実現できる。

発光管を製作する際、直線透過率ＳＲを所望の値にすることは、既に確立された技術である。一般に、発光管を形成するＰＣＡ（透光性セラミックス）のアルミナの粒径が大きいと、直線透過率ＳＲは高くなる傾向にある。更に、単結晶に近くなると、更に直線透過率ＳＲは高くなる。実際、直線透過率ＳＲ＝７０〜９０％の発光管も製作可能である。粒径の大小の制御は、主原料セラミックスに混入する添加剤、焼成温度、焼成時間等により行われる。

しかし、発光管の粒径が大きくなり、或いは単結晶になると、発光管は機械的強度が脆弱となり、またコストも高価になる。メタルハライドランプの発光管は、点灯時に内部が高温・高圧になるため、機械的強度が脆弱な発光管は、メタルハライドランプには適さない。メタルハライドランプには、多結晶の機械的強度が強い発光管が必要となる。この機械的強度を確保する観点から、直線透過率ＳＲの上限は、３０％以下であること必要である。更に、発光管の機械的強度及びコストの観点からは、２０％以下が好ましい。

従って、メタルハライドランプに適した発光管は、光線透過率ＡＰが９６〜９９％の範囲内にあり、且つ直線透過率ＳＲが１０〜３０％の範囲内にあること必要である。更に、直線透過率ＳＲが１０〜２０％の範囲内にあることが好ましい。

［まとめ］
以上、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。当業者がように成し得る本実施形態に対する追加・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

２：外球、 ２ａ：中央部、 ２ｂ：トップ部、 ２ｃ：ネック部、 ６：発光管，放電管、 ６ａ：太管部，発光部、 ６ｂ，６ｃ：細管部、 ６ｄ：発光管管体 ８：内管，スリーブ、 １０：メタルハライドランプ，ランプ、 １２：Ｅ形口金、 １４：マウント、 １６：ステム管、 １８：支柱、 ２０：ワイヤ、 ２２：リード線、 ２４：タングステン電極棒，主電極、 ２６：サーメット、 ２８：ガラスフリット、 ３０：金属コイル棒，モリブデンコイル棒、 ３０−１：金属製棒状体，モリブデン棒状体、 ３０−２：金属製コイル，モリブデン製コイル、 ３２：ニオブ製ストッパ部材、 ３４：セラミックス製リング部材、 ３５：箱、 ３５−１，３５−２：隔壁、 ３６：ハロゲン電球、 ３８：照度計、
ＡＰ：全光線透過率、 ＳＲ：直線透過率、 ＣＡ：細管部内部空間、 ＣＢ：境界、 ＣＢ：境界、 ＳＡ：封止領域、 ＮＳＡ：非封止領域、

Claims (6)

1. 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、
   前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、
   前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ14は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、
   前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にあり、
   ランプの全光線透過率は、９６〜９９％の範囲内にあり、
   前記発光管の直線透過率は、１０％以上である、セラミックメタルハライドランプ。
2. 請求項１に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記メタルハライドランプは、定格ランプ電力が５００〜１０００Ｗの範囲にある、セラミックメタルハライドランプ。
3. 請求項１又は２に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記電流導入体は、金属製の棒状体の周囲に金属製コイルが巻き付けられた金属コイル棒である、セラミックメタルハライドランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記細管部の内径は、２〜３ｍｍの範囲にある、セラミックメタルハライドランプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管に封入された水銀は最大１００ｍｇであり、希土類金属ハロゲン化物は最大１２ｍｇである、セラミックメタルハライドランプ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管の直線透過率は、１０〜３０％の範囲内にある、セラミックメタルハライドランプ。