JP2015069912A - 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するとともにさらにランプ寿命を延長でき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。【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、前記細管部の内径Ｌ６に対する金属コイル棒の外径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、非封止部領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ３≰ＧＡ≰１７．５ｍｍ３、導電性サーメット棒の外径は１．７ｍｍからＬ６の０．８７倍の範囲にある。【選択図】図２Ｂ

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。更に具体的には、発光管内の細管部に侵入する金属ハロゲン化物による電流導入体の断線を減少させ、長いランプ寿命を実現した高ワットタイプのメタルハライドランプに関する。なお「高ワットタイプ」とは一般に定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のランプを称し、低ワット及び中ワットタイプと称される定格ランプ電力４００Ｗ以下のランプと区別している。本明細書においてもこのクラス分けに準じる。

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、水銀ランプに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、石英製発光管に比較して、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。

特許文献１は、１５０Ｗを超える定格電力を有するセラミックメタルハライドランプを対象としている。そこでは定格電力４００Ｗのランプが実施例として記載されている。このようなセラミックメタルハライドランプでは、大きな電極電流が必要となるため大きな寸法の電極が要求され、結果として発光管細管部の内径がより大きくなって、電極の破損又は細管部の亀裂などの初期不良のリスクが増加するという課題があり、解決手段として導電性サーメット棒による封止部分と電極部との間に電極心棒より太い金属部分を設け、導電性サーメット棒の外径を前記金属部分の径と同じにするという技術が開示されている。特許文献２は、ガラスフリットによる封止部において、電流供給体の外径と発光管細管部外径及び内径の関係を規定することにより、ランプ製造工程で発光管細管部からクラックが生じることを防止するためにフリットの封止厚さを規定する技術を開示している。特許文献３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、アークが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≦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）。

特表２００３−５３２２５９「高圧放電ランプ」 特開２００４−１７９００６「金属蒸気放電灯」 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」

従来、セラミックメタルハライドランプは、３５〜１５０Ｗクラスの低ワットランプ及び１５０〜４００Ｗクラスの中ワットランプが主流であった。このような状況の中で、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４５０Ｗ以上の高ワットのランプの開発を目指している。

高ワットセラミックメタルハライドランプにおいても、低ワットランプおよび中ワットランプと同様に、ランプ寿命２万時間を越える仕様が要求されており、発明者等も目標定格寿命を２万時間として開発を進めていた。定格寿命とは、不慮の原因で早期に不点となるランプや暗くなってしまうランプを含めて、点灯本数の半数が正常な点灯状態（例えば定格光束の７０％以上の明るさを保持している）から外れてしまうまでの時間として定義されている。

発明者等はランプの定格寿命を超えて限界寿命を確認するためにライフテストを継続していたが、発明者等は不点となったランプの中に、電極マウントの中間が切断されたために不点となったランプが複数あることに気づいた。この種の不良は、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。

そこで本発明の目的は、電極マウント中間部すなわち電流導入体切断の原因を突きとめこれを解決して、定格ランプ寿命をさらに延長でき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である。

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、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプであって、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極マウントが通されており、前記電極マウントはタングステン心棒の端部にタングステンコイルが巻き付けられた電極部と、その電極部に接続された電流導入体とその電流導入体に接続された外部リードからなり、前記電流導入体は金属コイル棒または金属棒（電極部側）と導電性サーメット棒（外部リード側）とを突合せ溶接して形成され、前記細管部の内径Ｌ６に対する前記金属コイル棒または金属棒の外径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、非封止部領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にあり、前記導電性サーメット棒の外径は少なくとも１．７ｍｍであり且つ前記封止領域における前記導電性サーメット棒は前記細管部内径の０．８７倍以下の外径を有する。

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４５０〜１０００Ｗ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、前記金属コイル棒または金属棒は、金属製の無垢棒であってよいが、より好ましく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。

更に好ましくは、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記外部リードとしてニオブ（Ｎｂ）ワイヤを使用した電極マウントを使用する。

本発明によれば、高い発光効率を維持するとともにさらに定格寿命を延長でき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、発光管端部の拡大図である。 図３は、図２ＢのIII−III（IIIはローマ数字の３）方向断面図である。 図４Ａは、図２Ｂに示す細管部における導電性サーメット棒形状を示す拡大図である。 図４Ｂは、図２Ｂに示す細管部における導電性サーメット棒形状の変形例を示す拡大図である。 図５は、図４Ａの一部拡大図であり、金属コイル棒と導電性サーメット棒との突合せ溶接後の状態を示す軸方向に沿った断面図である。 図６は、表１を図示したグラフである。 図７は、表２を図示したグラフである。 図８は、本発明を適用し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発光管の発光管端部拡大図である。

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付いて、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から図４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対の電極マウント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、電極マウント２２−１が挿入され、これが導電性サーメット棒（モリブデンとアルミナの合金）２６に繋がり、更に金属コイル棒３０に繋がり、その先にタングステン電極棒２４−１が形成されている。導電性サーメット棒と金属コイル棒３０とはあらかじめ突合せ溶接され、この状態の部材を本明細書では電流導入体という。この電流導入体については後で詳しく説明する。

金属コイル棒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、更に電極マウント２２−１に固定されたニオブ（Ｎｂ）製ストッパ部材３２を介して、リング部材３４により補強されている。リング部材３４は例えばアルミナセラミックス製であってよい。

ランプ製造時には、このモリブデンコイル棒３０を細管部６ｂに挿入し、細管部端部にガラスフリット２８、ニオブ製ストッパ部材３２及びリング部材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（IIIはローマ数字の３）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４Ａ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。低及び中ワットタイプの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主電極２４の先端部径を太くする必要があり、これを挿入する細管部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主電極２４の先端部の太さを決定し、前記先端部径に対応させてモリブデンコイル棒外径Ｌ１４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、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。

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部領域ＳＡとし、残余の空間を非封止部領域ＮＳＡとする。ＣＡ＝ＳＡ＋ＮＳＡの関係にある。更に、非封止部領域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６はこれを図示したグラフである。

図６に示すように、非封止部領域の空隙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６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、非封止部領域の空隙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、高ワットタイプのセラミック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。

（電流導入体切断の原因と対策）
上記２つの方策により発光効率を高めることに成功した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプをライフテストにかけたところ、２万時間以上の点灯時間に亘って良好な特性を維持できることを確認した。

一般にランプの定格寿命とは、不良品が５０％を超えるまでの点灯時間を意味している。不良内容はランプ品種ごとにさまざまだが、発光効率が下がって定格発光光束値を下回る、またはランプが不点灯となるなどが主原因となることが多い。

本発明者らはライフテストを進めて不良ランプが発生するごとにその原因を解析した。その結果、不良原因の一つとして電流導電体が切断することによる不点灯が一定数含まれていることが判明した。

図８は、ライフテストに使用したランプの発光管端部形状の説明図である。図２Ｂに記載された発光管端部形状に対応するものであり、同じ役割を有する部材には図２Ｂに付した符号の番号に２００を加算した番号を付している。図２Ｂの発光管端部と異なる点は、導電性サーメット棒２６の外径が比較的細く、封止部にアルミナセラミック製の嵌挿部材３６が挿入されている点である。

ランプ点灯中に流れる通電電流値を考慮すれば、導電性サーメット棒の径は細くても問題ないが、主電極２４を挿入する都合上発光管細管部の内径が大きくなっているため、封止部の空隙が大きくなる。そのため封止に必要なフリットが多くなって大量生産時に封止長ばらつきが大きくなる、封止部リークが生じ易くなるなどの問題が生じる。図８に記載された発光管においては、このような問題を避けるために、封止部にアルミナセラミック製の嵌挿部材を挿入することで、封止に必要なフリット量を削減し、同時に導電性サーメット棒外壁面と嵌挿部材内壁面との間、ならびに嵌挿部材外壁面と細管部内壁面との間にあるフリットが充填された封止層の厚さを薄くしている。

しかし、本発明の課題となっている電流導入体の切断は、封止層あるいは固化フリットと細管部などの界面ではなく、電流導入体を構成する導電性サーメット棒と金属コイル棒との突合せ溶接部が破断することによって生じていた。この破断は金属ハロゲン化物によって、モリブデンおよびアルミナが侵食されたことによって生じたものであった。

一般にセラミックメタルハライドランプに使用しているフリットは、アルミナとニオブまたは導電性サーメット（アルミナ＋モリブデンかアルミナ＋タングステン）とを気密封止するための部材であり、モリブデン金属に封止用フリットが付着しても熱膨張率の差異が大きいために付着面にクラックや剥離が生じて気密封止することはできない。もちろん本明細書に上述したように金属コイル棒と細管部内壁との間にフリットを充填固化して「封止領域」とすれば、空隙が激減するため金属ハロゲン化物が発光管端部側に侵入することを抑制できる。しかし金属コイル棒の部分では気密状態にすることは不可能なので、ライフテスト中にはわずかながらも前記突合せ溶接部に金属ハロゲン化物が侵入し、ゆっくりと溶接部を侵食していったと考えられる。

この種の不良は低及び中ワットのセラミックメタルハライドランプでは生じていなかった。本発明の図８に示す発光管と比較して、低及び中ワットランプでは金属コイル棒外径と細管部内径との比率が小さく、金属ハロゲン化物が金属コイル棒を越えて前記突合せ溶接部に侵入しやすいはずである。しかし、少なくとも２万４千時間のライフテスト内で、低及び中ワットランプでは前記突合せ溶接部の破断という不良は見られなかった。

この違いについては、高ワットランプは発光管発光部から電極を経て電流導入体に伝わる熱量が比較的大きくなるという要因が考えられる。一般にセラミックメタルハライドランプ設計の段階では、金属ハロゲン化物によるフリットの侵食を抑制するために封止領域ＳＡの境界位置ではフリットと金属ハロゲン化物との反応速度が十分遅くなるような温度になるように、細管部長さや封止領域ＳＡの境界位置が決定される。本発明に係る高ワットセラミックメタルハライドランプも、細管部外壁で測定した細管部温度が、従来の低及び中ワットセラミックメタルハライドランプと同等になるような細管部長さに設計されていた。

しかし本発明に係る高ワットセラミックメタルハライドランプでは導電性サーメット棒と金属コイル棒との溶接面における温度が比較的高くなり、そこへ侵入した金属ハロゲン化物との反応速度が比較的速くなったと考えられる。

そこで、発明者等は、電流導入体の切断を防止するため、第３の方策を講じた。すなわち、電流導入体を構成する導電性サーメットと金属コイル棒との突合せ溶接部に注目し、前記金属コイル棒との溶接面における導電性サーメット棒の外径をより大きくする。ただし導電性サーメット棒の径を大きくすると、アルミナセラミック製の嵌挿部材の肉厚が比較的薄くなって製造工程中の取り扱いが難しくなるため、嵌挿部材無しで安定した封止が可能な程度の導電性サーメット棒外径を確保するとともに、ランプ製造中の封止工程において冷却後の発光管細管部割れが生じない程度のフリット層厚さを確保する。

最初にセラミックメタルハライドランプ封止部に関する先行文献に記載されている技術を適用できるか検討した。長時間点灯後の電流導入体突合せ溶接部に金属ハロゲン化物が侵入して電流導入体を切断するという現象及び対策については発見できなかった。サーメットの外径と細管部内径とに言及している文献については背景技術の項で挙げた先行文献のうち、特許文献１および特許文献２が見つかった。

ただし本発明に係る高ワットセラミックメタルハライドランプでは、空隙ＧＡを従来のセラミックメタルハライドランプより小さい範囲で厳格に規定する必要がある。電流導入体の先行技術である特許文献１に開示された技術を本発明が対象とする高ワットセラミックメタルハライドランプに適用しようとすると、導電性サーメット棒の外径を金属線コイル棒の外径とほぼ同じ径まで大きくしなければいけないが、金属線コイル棒の外径が金属線コイル棒の外径とほぼ同じ径であるため、導電性サーメット棒の外径を細管部内径とほぼ同じ径まで大きくしなければならないことになる。このような構造にした場合、特許文献２に記載されているように、発光管封止工程後の冷却時に細管部クラックが発生するという不具合が発生することとなる。また特許文献２には導電性サーメット外径の下限値についてどのように定めれば良いかは記載されていない。そこで発明者等は以下の実験により導電性サーメット棒の外径下限値および上限値を求めた。

高ワットタイプのランプに関し、第１および第２の方策を実施したうえで、導電性サーメット棒の外径を変え、ライフテストを行なった。電流導入体の切断による不点が発生する確率は比較的低いので、各仕様２０本の試作を行ない、外部モニターの協力を得て、同時にライフテストを実施した。表２はその実験データであり、図７はこれを図示したグラフである。

表２は、各仕様のランプのうち、電流導入体切断による不点が発生した時点の点灯時間を記載している。ただし比較例１は先行するライフテストのデータであり、実際には他のデータと同時に点灯したものではない。

例えば比較例１の仕様のランプは、２万時間で１本不点が発生し、２万２千時間でもう１本、２万５千時間でさらに１本の不点が発生したということを意味する。つまり３万時間点灯後には電流導入体切断による不良が３本発生し、他のランプは３万時間点灯を続けているか、他の原因で不良となっている。比較例２のランプは３万時間点灯後の電流導入体切断による不良は２本であり、比較例１より少ないが、比較例１と同等の２万１千時間点灯時に同種の不良が１本発生しており、良好なランプ仕様であるとは言えない。さらに比較例２の仕様では細管部内径２．３ｍｍに対して導電性サーメット棒外径１．４ｍｍであり、フリット層の厚さが比較的厚いため、封止部リークによる不良が１本だけ発生した。また、比較例３は製造工程中に発光管細管部にクラックが生じたランプが３本発生したため、実施できる仕様ではないと判断し、ライフテストは行なっていない。なお、導電性サーメット棒の外径が０．９５ｍｍである比較例１では３万時間点灯時点で３本の電流導入体切断が発生したのに対し、導電性サーメット棒の外径が１．７ｍｍから２．０ｍｍまでの仕様では切断が発生したランプは１本以下にすぎない。特に導電性サーメット棒の外径が１．８ｍｍである実施例８では３万時間までの点灯で電流導入体切断による不点は１本も無かった。これは導電性サーメット棒の外径が１．８ｍｍである仕様が最適値であることを表すわけではないが、導電性サーメット棒の外径が１．７ｍｍから２．０ｍｍまでの仕様では電流導入体切断が３万時間以内の点灯で発生する確率は２０分の１以下であると推測できる。

図７を参照すると電流導入体切断が発生するまでの平均点灯時間は導電性サーメット棒外径が太くなるほど長くなる。しかし導電性サーメット棒外径が最も太い比較例３はライフテスト前に不良が多発した。比較例３の不良は特許文献２に記載されているものと類似の、フリット層が薄すぎたために封止工程冷却時における細管部の歪が大きくなったためと考えられる。比較例３では細管部内径Ｌ６に対する導電性サーメット棒外径Ｌ１５の比は（２．１／２．３）＝０．９１であり、金属コイル棒の外径（許容範囲は０．９６≦Ｌ１４／Ｌ６≦０．９８）よりも導電性サーメット棒外径の方が細くなっているが、それでも封止工程で許容できる寸法仕様ではないことが分かった。

これらの結果から、金属コイル棒との溶接面における導電性サーメット棒の外径は少なくとも１．７ｍｍであり且つ前記封止領域における前記導電性サーメット棒は前記細管部内径の０．８７倍以下の外径を有する仕様であればランプを長時間点灯した場合の電流導入体切断による不点を激減することが可能となり、ランプ定格寿命をさらに延長することが可能となる。

また、導電性サーメット棒２６の長さは、図４Ａに示すとおりＬ２０の長さを有し細管部６ｂの端面より外側に突き出しているが、図４Ｂに示すように、導電性サーメット棒１２６の長さがＬ２１のようであり、導電性サーメット棒１２６の末端が細管部６ｂの端面より内側でニオブ（Ｎｂ）製の外部リード１３５と接続されていてもよい。

なお、導電性サーメット棒と金属コイル棒との溶接面における金属コイル棒の端面は、軸に垂直な平面となるように切断されている。従って金属コイル棒端面の形状は、図３に記載された断面と同じく、コイル３０−２が部分的に切断された面が見えており、導電性サーメット棒の端面全てが接触面になるわけではない。しかし、次の理由で、導電性サーメット棒端面全てを基準として考えても実用的な解が得られるということができる。

図５は、電流導入体を構成する導電性サーメット棒２６と金属コイル棒３０とを突合せ溶接した状態を示す図である。図５において左側の導電性サーメット棒２６はアルミナの粒子とモリブデンの粒子を混合して焼結したものであるが、突合せ溶接時に発生した熱により導電性サーメット棒のほうが主に溶融し、特にアルミナ成分が溶融して突合せ溶接部の周囲に流れていく。そして導電性サーメット棒の溶接側端面付近はアルミナが抜けてモリブデン成分が多くなっており、そのモリブデン成分も多少変形してモリブデンコイルの断面形状に合わせて変形する。このように突合せ溶接部ではモリブデンコイル全周がほとんど導電性サーメットに覆われているとみなすことができる。従って突合せ溶接部の侵食耐性に関しては、電流導入体の電極側部材として金属コイル棒を使用しても、金属無垢棒を使用した場合と同等と考えられる。

（発光管の形状例）
本実施形態に係る発光管の形状例は図２Ａ、図２Ｂ、図３、および図４Ａに示す形状であり、以下に実施例に用いた発光管の仕様を記載する。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。

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。導電性サーメット棒の外径はＬ１５＝φ１．７ｍｍであり、Ｌ１５／Ｌ６＝０．７４となっている。

［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、 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：電極マウント、 ２４：タングステン電極棒，主電極、 ２６：導電性サーメット棒、 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：リング部材、３５：外部リード、３６：嵌挿部材
ＣＡ：細管部内部空間、 ＣＢ：境界、 ＣＢ：境界、 ＳＡ：封止部領域、 ＮＳＡ：非封止部領域

特許文献１は、１５０Ｗを超える定格電力を有するセラミックメタルハライドランプを対象としている。そこでは定格電力４００Ｗのランプが実施例として記載されている。このようなセラミックメタルハライドランプでは、大きな電極電流が必要となるため大きな寸法の電極が要求され、結果として発光管細管部の内径がより大きくなって、電極の破損又は細管部の亀裂などの初期不良のリスクが増加するという課題があり、解決手段として導電性サーメット棒による封止部分と電極部との間に電極心棒より太い金属部分を設け、導電性サーメット棒の外径を前記金属部分の径と同じにするという技術が開示されている。特許文献２は、ガラスフリットによる封止部において、電流供給体の外径と発光管細管部外径及び内径との関係を規定することにより、ランプ製造工程で発光管細管部からクラックが生じることを防止するためにフリットの封止厚さを規定する技術を開示している。特許文献３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、アークが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／ｃｍ３）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）。

［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、４５０〜１０００Ｗ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。

Claims (4)

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極マウントが通されており、
   前記電極マウントはタングステン心棒の端部にタングステンコイルが巻き付けられた電極部と、その電極部に接続された電流導入体とその電流導入体に接続された外部リードからなり、
   前記電流導入体は金属コイル棒または金属棒（電極部側）と導電性サーメット棒（外部リード側）とを突合せ溶接して形成され、
   前記細管部の内径Ｌ６に対する金属コイル棒または金属棒の外径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、非封止部領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にあり、
   前記導電性サーメット棒の外径は少なくとも１．７ｍｍであり且つ前記封止領域における前記導電性サーメット棒は前記細管部内径の０．８７倍以下の外径を有す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４５０〜１０００Ｗ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に記載の高ワットタイプの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。
4. 請求項１に記載の高ワットタイプの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。