JP3990582B2 - メタルハライドランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルハライドランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光管材料として石英に代って半透明の多結晶体アルミナセラミック管を用いたメタルハライドランプの開発・展開が活発に進められている。このアルミナセラミック管の耐熱温度（１２００℃）は従来用いられていた石英の耐熱温度（１０００℃）に比して高いため、発光管の管壁負荷をより高く設定でき、よってランプ効率がより高いメタルハライドランプが得られる。この種のランプは今迄に主に一般屋内照明用のランプ入力７０〜１５０Ｗの低ワットタイプのものが開発・発売されているが、今後は一般屋外照明用の２００〜１０００Ｗの高ワットタイプのものも市場から強く要望されている。
【０００３】
店鋪などの屋内照明用に発売されている低ワットタイプのアルミナセラミック管を用いたメタルハライドランプでは、例えば１５０Ｗタイプの場合、ランプ効率９０ｌｍ／Ｗ、平均演色評価数Ｒａ９０、定格寿命時間６０００時間という優れた特性が得られている。但し、「寿命時間」は、ランプ光束がエイジング１００時間での初期値に比べて７０％に低下したときのエイジング時間である。
【０００４】
図８は、かかるランプの発光管の構成を示す断面図である。発光管１１５は、多結晶体アルミナセラミック材料からなる放電アーク領域となる発光部１１６とその両端に設けられた細管部１１７、１１８から構成されている。この発光部１１６と細管部１１７、１１８とは焼きばめによって一体化されている。発光部１１６の内部には一対のタングステン電極１１９、１２０が設けられている。そして、前記細管部１１７、１１８にはニオブあるいは導電性サーメットからなる給電体１２１、１２２がフリットにより気密封着され、給電体１２１、１２２の放電側先端部には前記タングステン電極１１９、１２０の延長された電極棒が接続されている。発光管１１５内には、ＤｙＩ₃、ＴｍＩ₃、ＨｏＩ₃、ＴｌＩ、ＮａＩなどの金属ハライドからなる発光物質と、緩衝ガスとしての水銀及びアルゴンなどの始動用希ガスがそれぞれ封入されている。
【０００５】
上記アルミナセラミック管を用いた低ワットメタルハライドランプの発光管形状は、基本的には屋内照明用の従来の石英発光管メタルハライドランプのものとほぼ同じである。即ち、図８の構成からなる例えば１５０Ｗタイプのアルミナセラミック発光管の典型的寸法としては、電極間距離Ｌｅが１０ｍｍ及び管内径φ_iが１０．６ｍｍであり、この場合の発光管形状を表す主要なパラメータであるいわゆる発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値が０．９４となる。また、ランプ点灯時における発光管の管壁負荷ｗｅは２７Ｗ／ｃｍ²である。但し、ランプワットをＷ_la及び発光管の内表面積をＳ_aとすると、管壁負荷ｗｅはｗｅ＝Ｗ_la／Ｓ_aにより規定される。
【０００６】
これに対して、従来の石英発光管ランプの典型的な１５０Ｗタイプにおいては、電極間距離Ｌｅが１３．５ｍｍ及び管内径φ_iが１３ｍｍで、Ｌｅ／φ_i値が１．０４となり、両者の発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値はほぼ同レベルに設定されている。このように、屋内照明用の低ワットタイプの従来のアルミナセラミック及び石英発光管メタルハライドランプの発光形状は、いずれも比較的太短形といえる。
【０００７】
その他に、アルミナセラミック管を用いた２０〜２５０Ｗタイプのいわゆるショートアーク形メタルハライドランプが、特開平１０−１４４２６１号公報等に開示されている。このランプの特徴は、図９に示すように、発光管１２３の放電発光部が円筒形の中央部１２４と半球形の両端部１２５及び１２６から構成されていることである。ここで、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値は図８の前記屋内照明用低ワットタイプに相当する０.６６〜１.２５の範囲に規定され、一方で管壁負荷ｗｅは２５〜３５Ｗ／ｃｍ²の比較的高い範囲に規定されている。このように、このランプはショートアーク形の特殊照明用高圧放電ランプに分類できて、発光管形状は前記屋内照明用の低ワットメタルハライドランプと同様の太短形である。また、発光物質としては前記と同様のＤｙＩ₃、ＴｍＩ₃、ＨｏＩ₃、ＴｌＩ、ＮａＩなどの金属ハライド物質が封入されている。
【０００８】
一方、アルミナセラミック管を用いた一般屋外照明用の高効率メタルハライドランプの発光管形状については、米国特許第５,９７３,４５３号公報に開示されている。このランプでは、特にランプの高効率を得るための発光物質として、比視感度の高い波長領域に発光スペクトルが放射されるセリウムハライド系物質が封入されている。具体的な発光物質としては、セリウム沃化物（ＣｅＩ₃）とナトリウム沃化物（ＮａＩ）とがモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃＝３〜２５の範囲で封入されており、これにより１５０Ｗタイプで１３０ｌｍ／Ｗという高いランプ効率と平均演色評価数Ｒａ５８の特性が得られている。この場合、前記発光管形状パラメータのＬｅ／φ_i値は、一般屋外照明用として要望される高効率・長寿命を達成するためにＬｅ／φ_i＞５の範囲に規定されている。後述するように、かかる発光管形状は従来の一般屋外照明用の高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプに共通した細長形である。また、管壁負荷ｗｅは３０Ｗ／ｃｍ²以下に規定されている。
【０００９】
なお、アルミナセラミック管が発明・開発され、最初に発光管材料として応用されたのは一般屋外照明用の高圧ナトリウムランプである。ここでも、アルミナセラミック管の前記特長が活かされて、例えば４００Ｗタイプで平均演色評価数Ｒａ２５は比較的低いながら、ランプ効率約１４０ｌｍ／Ｗ及び定格寿命時間１２０００時間という高効率・長寿命の高圧ナトリウムランプが開発され普及されてきた。ここで、高圧ナトリウムランプの発光管形状は細長形であり、この発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値はランプ入力が高いタイプになると増大されている。例えば、４００Ｗタイプの具体的寸法は電極間距離Ｌｅが８４ｍｍ及び発光管内径φ_iが７.６５ｍｍでＬｅ／φ_i値が１１.０に設定され、一方７００ＷタイプはＬｅ１３４ｍｍ及びφ_i９．７ｍｍでＬｅ／φ_i値が１３.０に設定されている。そして、発光管の管壁負荷ｗｅはそれぞれ４００Ｗタイプで約１５Ｗ／ｃｍ²及び７００Ｗタイプで約１３Ｗ／ｃｍ²に設定されている。
【００１０】
また、一般屋外照明用の高ワットタイプの従来の石英発光管メタルハライドランプにおいても、上記の屋内照明用の低ワットタイプの太短形に対して、基本的に比較的細長形の発光管形状が採用されている。ここでも、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値はランプワットが高くなるにつれて増大されている。例えば、３００Ｗ、４００Ｗ、７００Ｗ及び１０００Ｗタイプの典型的なＬｅ／φ_i値は、それぞれ２.１、２.２、２.５及び２.７に設定されている。また、ランプ定格寿命時間は通常９０００時間以上に規定されている。
【００１１】
以上のように、高圧放電ランプは、発光管形状の面から２つに分類できる。一つは、一般屋外照明用の高ワットタイプで細長形のいわゆるロングアーク形ランプである。もう一つは、店舗などの屋内照明用の低ワットタイプや映写、露光、スタジオなどの特殊用途照明用のランプであり、これらは発光管形状が比較的太短形でいわゆるショートアーク形ランプである。
【００１２】
前者の従来技術による一般屋外照明用の高ワットタイプの高圧ナトリウムランプ及びメタルハライドランプにおいて、細長形の発光管形状が採用されてきたのは、ランプ特性として高効率のほかに通常９０００時間以上の長寿命が求められているからである。即ち、高圧放電ランプの寿命は主に発光管両端部における電極物質の蒸発・飛散による発光管黒化に左右されており、従ってランプ入力が増大してもより細長形であればそれだけ発光管中央部への電極物質による黒化の影響を回避できて、ランプの長寿命が達成されるからである。更に、一般屋外照明用ランプの発光管の管壁負荷ｗｅ値は、耐久性・耐熱性に優れたアルミナセラミック管を用いても通常２３Ｗ／ｃｍ²以下（管壁温度でほぼ１１５０℃以下に相当）の範囲に設定されており、これも９０００時間以上の上記長寿命を得るための必要条件の一つである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、市場の要望に応えて一般屋外照明用として、アルミナセラミック管を用いて２００Ｗ以上の高ワットタイプのメタルハライドランプの開発に取組んだ。そこで、先ず高いランプ効率を得るため発光物質として、セリウム沃化物とナトリウム沃化物とを選択した。これにより、例えば従来の石英発光管メタルハライドランプで最主力の４００Ｗタイプを３００Ｗタイプでの置き換えが可能となる。
【００１４】
しかし、細長形のアルミナセラミック管を用いたメタルハライドランプにおいて、発光物質として、セリウム沃化物とナトリウム沃化物とを用いると従来の石英発光管メタルハライドランプや、アルミナセラミック発光管を用いた高圧ナトリウムランプ及び低ワット・メタルハライドランプでは経験されなかった“アルミナセラミック発光管割れ”及び“放電アーク立消え”という特有の問題が発生した。
【００１５】
上記の“発光管割れ”は、発光管の水平位置点灯において管中央部で多く発生し、特に製作された直後のランプの初期エイジング点灯６０分以内における発生割合が比較的高い。その割れ方は、ほぼ管径に沿って横断的に管全体が割れる場合が多く、また水平点灯時の発光管上側が部分的にクラックする場合もある。一方の“放電アーク立消え”は、製作された直後の初期エイジング点灯直後の３０〜３００秒の間における発生割合が高い。そして、かかる発光管割れ及び放電アーク立消えの２つの現象の発生は、発光管内に封入されているセリウム・ナトリウム沃化物（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質そのものに依存していると想定できた。例えば、両者の現象は、ＮａＩのみを封入したランプでは殆ど発生せず、従って両者はセリウム・ナトリウム沃化物（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質に特有の現象といえる。
【００１９】
そこで、本発明は前記従来の問題を解決するためになされたものであり、発光管割れ及び放電アーク立消えを確実に防止でき、かつ、高効率で長寿命なメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のメタルハライドランプは、内部に一対の電極が設けられ、且つ発光物質としてセリウム沃化物（ＣｅＩ₃）とナトリウム沃化物（ＮａＩ）とが封入された透光性セラミック製の発光管を備え、前記発光物質のモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜１０の範囲に規定され、且つ前記発光管の管壁負荷ｗｅが１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲において、ランプワットの値をＸ（Ｗ）とし、電極間距離をＬｅ、前記発光管の管内径をφ _i としたときのＬｅ／φ _i をＹとする、ＸＹ座標上の座標値（Ｘ，Ｙ）で表わされる点（２００，０．７５）、（３００，０．８０）、（４００，０．８５）、（７００，１．００）、（１０００，１．１５）、（１０００，２．１０）、（７００，２．００）、（４００，１．９０）、（３００，１．８０）、（２００，１．７０）を順に結んだ線で囲まれる範囲（具体的には、図４の斜線部分）に前記Ｌｅ／φ _i 及び前記ランプワットの値があるように規定されている。
【００２３】
これにより、ＣｅＩ₃を含む発光物質に特有の細く絞られた放電アーク領域の発光管上側への湾曲度合が軽減され、また発光管上側の局所的な温度上昇が低減されるので、従来の問題である発光管割れ及び放電アーク立消えがともに防止することができ、併せてＣｅＩ ₃ の比視感度の高い緑色スペクトル放射が増大するので、高効率を実現することができる。更に、発光管の管壁温度が発光物質とアルミナセラミック管の反応が十分抑えられる範囲に保たれ、且つ管端部の黒化現象も軽減されるので、長寿命で高効率なメタルハライドランプを得ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１及び図２は、それぞれ本発明の実施の形態１にかかるメタルハライドランプの発光管の構成及びランプ全体の構成を示す図である。
【００３２】
発光管１は、外囲器２が半透明の多結晶体アルミナセラミック材料からなり、管中央部が円筒形である発光部３とその両端の細管部４、５から構成されている。前記細管部４、５には、比抵抗値５.１×１０^-7ΩｍのＡｌ₂Ｏ₃−Ｍｏ系導電性サーメットからなる棒状の給電体６、７がＤｙ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂を主成分としたセラミックフリット８によりそれぞれ気密封着されている。給電体６、７の放電側先端部にはタングステン電極９、１０の延長された電極棒がそれぞれ接続されている。この場合、ランプ寿命を通じて前記細管部４、５との強固な気密封着を保つために、給電体６、７の熱膨張係数は、アルミナセラミックからなる細管部４、５の８.１×１０^-6／℃に対して６.９×１０^-6／℃の値に設定されている。また、前記セラミックフリット８は、ランプ点灯時の発光物質１１による侵蝕を抑制するために、低温部となる前記細管部４、５のタングステン電極９、１０との接合部近傍まで限定・充填されている。そして、発光管１内には、セリウム沃化物（ＣｅＩ₃）およびナトリウム沃化物（ＮａＩ）からなる発光物質１１と、緩衝ガスとしての水銀と始動補助用希ガスとしてアルゴン約１３ｋＰａとがそれぞれ封入されている。
【００３３】
完成ランプ１２としては、図２に示すように、前記発光管１が窒素６０〜８０ｋＰａが封入されている硬質ガラスからなる外管バルブ１３の内部に保持されて、更に口金１４が装備されたものから構成されている。
【００３４】
本発明者は、最初に図１及び図２の基本構成からなる主力品種である３００Ｗタイプのランプ１２において、特に（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質１１を封入したときに発生する“発光管割れ及び放電アーク立消え”の２つの現象を解明し、これらを防止できる手段を見出すための検討を行った。
【００３５】
具体的には、発光管割れを左右するものとして、（i）管中央の管内径φ_i及び電極間距離Ｌｅからなる発光管の形状パラメータＬｅ／φ_i値と、（ii）封入する（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質１１の組成、の２つのランプ構成要素を想定し、これら要素を変えた試験ランプ１２を準備してそのエイジング点灯時の発光管割れの現象を調べた。実際には、（i）発光管寸法として管中央の管内径及び電極間距離をそれぞれφ_i７.６〜２０.０ｍｍ及びＬｅ８〜６０ｍｍの範囲で組み合わせて、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値を０.４〜８.０の範囲で変化させ、（ii）前記（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）組成としてモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃を２〜５０の広い範囲で変化させた発光物質１１を１２ｍｇ封入して、発光管１を試作・準備した。そして、上項（i）の管内径φ_i及び電極間距離Ｌｅの組合せでは、発光管の管壁負荷ｗｅは１３〜２３Ｗ／ｃｍ²以下の比較的低い範囲に保たれるように設定された。このｗｅ下限値は、目標とする従来の石英発光管ランプに比べて３０％アップ相当の１１７ｌｍ／Ｗ以上の高いランプ効率を達成する面から設定され、またｗｅ上限値は、一般屋外照明用として要望されるランプ寿命時間９０００時間以上を達成する面から設定された。管内の水銀量は発光管単位容積当たり５〜２０ｍｇ／ｃｍ³の範囲で定常点灯時の平均ランプ電圧１２０Ｖ及び平均ランプ電流２.６Ａに相応するように調節されて封入された。
【００３６】
試験ランプ１２は、発光管を水平位置に保ってエイジング点灯を行い、その間の発光管割れ及び放電アーク立消えの発生状態を観測した。また、初期エイジングにおける効率などのランプ特性とエイジングによるランプ寿命特性を測定した。
【００３７】
上記の試験結果で、先ず試験ランプ１２における発光管割れ及び放電アーク立消え現象と、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値及び（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質の組成の２つのランプ構成要素との間に、明確な相関関係が確認された。
【００３８】
即ち、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値が１.８０より大きい範囲で、且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８未満の範囲に設定された前記試験ランプ１００灯のうち、発光管割れは２４灯において発生し、一方放電アーク立消えは３６灯において発生した。この場合、発光管割れが発生した前記２４灯のうち２２灯で放電アーク立消えも発光管割れに先立って発生している。これに対して、Ｌｅ／φ_i値が０.４０〜１.８０の範囲で、且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜５０の範囲に設定された前記試験ランプ８０灯では、発光管割れと放電アーク立消えは全く発生しなかった。ここで、前記２２灯において発光管割れと放電アーク立消えが共に発生したことは、２つの現象が基本的に同一原因によることを示している。また、２つの現象が発生したエイジング時間を調べてみると、前記３６灯の放電アーク立消えは全て初期エイジング点灯直後の３０〜３００秒の間に発生し、一方発光管割れは前記２４灯のうち６灯が初期エイジング６０分の間に発生した。
【００３９】
一方、試験ランプ１２の放電アークの状態を観測すると、２つの現象の発生が観測されたＬｅ／φ_i値が１.８０より大きく、且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８未満、即ちＣｅＩ₃がＮａＩに対して増量された範囲のランプでは、（ａ）発光している放電アーク領域は一様により細く絞られており、また、（ｂ）放電アーク領域の発光管上側への湾曲が大きいことが確認された。これとは対照的に、２つの現象とも未発生であったＬｅ／φ_i値が０.４０〜１.８０且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜５０のＮａＩが増量された範囲のランプでは、（ａ）放電アーク領域は管径方向に比較的太く拡がり、また、（ｂ）放電アーク領域の発光管上側への湾曲も小さいことが確認された。
【００４０】
次いで、初期ランプ効率の測定から、モル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が１０より大きくなると、Ｎａの黄色スペクトル放射が主に増えて従来の石英発光管ランプに比べて３０％アップ相当の１１７ｌｍ／Ｗより高いランプ効率は達成されなかった。これに対して、モル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜１０の範囲では比視感度の高いＣｅＩの緑色スペクトル放射が増大して、目標とするランプ効率１１７ｌｍ／Ｗ以上が得られた。
【００４１】
また、寿命特性の測定から、Ｌｅ／φ_i値が０.４０〜０.８０未満の小さい範囲に設定された試験ランプ１２に関しては、発光管割れ及び放電アーク立消えは共に未発生で防止されたが、エイジング点灯による発光管端部の電極付近における黒化が激しく、一般屋外照明用として適応できる定格寿命時間９０００時間以上は到底達成されないことがわかった。
【００４２】
以上の結果から、アルミナセラミック管を用いた３００Ｗタイプの（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系メタルハライドランプの発光管割れは、Ｌｅ／φ_i値が１.８０より大きく、且つ希土類元素のハライド物質であるＣｅＩ₃がＮａＩに対して増量された範囲では、放電アーク領域が細く絞られて水平点灯された発光管上側へと大きく湾曲され、これによる発光管上側の管壁温度が局所的に上昇することに起因するといえる。また、放電アーク立消えも、発光管割れと共に発生したことから、基本的には放電アーク領域が細く絞られて湾曲され、これにより放電アーク電圧が過度に上昇することに起因しているといえる。更に、一般に放電アーク領域に発光物質が分子として存在すると放電アーク立消えが発生し易くなることが知られており、特に本発明のＣｅＩ₃封入ランプでは、ＣｅＩ₃分子の存在（広がった特有の分子スペクトル放射が観測）が放電アーク立消えを助長しているといえる。
【００４３】
なお、Ｃｅなどの希土類元素が封入されると基本的にその放射に関与するエネルギー準位の平均励起電圧Ｖ_eが電離電圧Ｖ_iの０.５８５倍より低いので（即ち、Ｖ_e＜０５８５・Ｖ_i）、放電アーク領域が細く絞られることが知られている。放電アーク領域は、細く絞られるとアーク領域温度が高くなり大きな浮力が働き発光管上側へと湾曲され、併せてＬｅ／φ_i値１.８０より大きい細長形発光管ではそれだけ前記湾曲が助長される。更に、多結晶体アルミナセラミックの熱膨張係数８.１×１０^-6／℃は、従来の石英の熱膨張係数５．５×１０^-7／℃に比べて大きいゆえに、特にランプ点灯による急激で局所的な温度上昇に対してアルミナセラミック管の機械的強度は従来の石英に比べて比較的低いものであり、結果的に発光管割れが発生したといえる。また、発光管割れの発生割合が特に初期エイジング６０分の点灯直後に比較的高いのは、発光管内の発光物質の化学的混合状態や場所的な分布状態が過渡的なものであり、結果的に封入されたＣｅＩ₃の蒸気圧が急激により高いレベルまで上昇して、それだけ放電アーク領域の発光管上側への湾曲が増大したからといえる。
【００４４】
一方、Ｌｅ／φ_i値１.８０以下のいわゆる太短形の発光管で、且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８以上のランプで発光管割れが発生しなかったのは、ＮａＩの増量により放電アーク領域が太く拡がることは知られており、更に電極間距離Ｌｅの減少により放電アーク領域の湾曲度合がより軽減され、また管内径φ_iの増大により放電アーク領域の湾曲による発光管管壁温度の上昇も低減されるからといえる。
【００４５】
以上をまとめると、セリウム・ナトリウム沃化物（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質が封入されたアルミナセラミック発光管を用いた３００Ｗランプにおいて、（ａ）発光管割れは、ＣｅＩ₃封入による特有の放電アーク領域の絞りによる発光管上側への湾曲と、アルミナセラミック管の高い熱膨張係数ゆえの温度上昇に対する機械的強度の低さに起因し、また、（ｂ）放電アーク立消えは、前記放電アーク領域の湾曲に加えてＣｅＩ分子の存在による放電アーク電圧の上昇に起因するといえる。そして、上記２つの現象を防止できる第１の具体的手段としては、管壁負荷ｗｅ１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲において、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値を１.８０以下且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃を３．８以上の範囲に設定することが極めて有効であることがわかった。即ち、一般屋外照明用の従来の高圧放電ランプの発光管形状は細長形であったが、本発明の目的とするアルミナセラミック管による安全な（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系メタルハライドランプを得るには、基本的に太短形形状で管壁負荷ｗｅを比較的低い範囲に抑え、ＮａＩを増量することが必要条件となる。
【００４６】
一方、目標とする３０％アップのランプ効率１１７ｌｍ／Ｗ以上と寿命時間９０００時間を達成するには、モル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が１０以下で、形状パラメータＬｅ／φ_i値が０.８０以上の範囲に規定する必要がある。
【００４７】
結局、本発明が目的とするアルミナセラミック発光管を用いた安全で高効率・長寿命の３００Ｗタイプの（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系メタルハライドランプを得るには、基本的に発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値が０.８０〜１.８０且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜１０で、管壁負荷ｗｅ１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲に規定すればよいことが明らかとなった。
【００４８】
なお、発光管形状として、図３に示すような楕円形のアルミナセラミック発光管を用いて同様の検討を行ったところ、発光管の管壁負荷ｗｅを同じ１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲に保つ限り、図１の前記３００Ｗタイプと同様に発光管形状パラメータＬｅ／φ_i,max値０.８０〜１.８０（但し、φ_i,maxは発光管中心部の管内径）且つモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃３．８〜１０の範囲にそれぞれ設定することにより、本発明の目的とするランプが得られることがわかった。
【００４９】
上記本発明による主力品種である３００Ｗタイプの典型的なランプ１２を準備して、その発光管割れ及び放電アーク立消えの防止効果の確認と、寿命特性及びランプ効率などの特性測定を行った。この場合、ランプは図１及び図２の基本構成からなり、発光管１の具体的構成としては、電極間距離Ｌｅ２３.８ｍｍ、管内径φ_i１７.６ｍｍ、発光管形状パラメータＬｅ／φ_i１.３５及び管壁負荷ｗｅ１６.８Ｗ／ｃｍ²にそれぞれ設定し、 管内にはモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が８からなる発光物質１１を１２ｍｇ、水銀５３ｍｇをそれぞれ封入した。この結果、かかる本発明にもとづく発光管構成により、発光管割れ及び放電アーク立消えは共に発生せず、且つランプ効率は目標値を超えた１２３ｌｍ／Ｗという優れた値が得られた。また、ランプ定格寿命時間についても、目標値９０００時間を超えて１２５００時間を達成できることがわかった。なお、ランプの演色性としては一般屋外照明用として適応できる下限の平均演色評価数Ｒａ６０のレベルが得られた。但し、それぞれの値はランプ１０灯の平均値である
【００５０】
なお、発光物質１１としては（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系物質を主成分として、上記目標ランプ効率が満足される範囲において、ランプ演色性や寿命特性をより改良するために他の金属ハライド物質を付加してもよい。
【００５１】
本発明者は、次なる検討として前記３００Ｗタイプ以外の一般屋外照明用の２００Ｗ、４００Ｗ、７００Ｗ及び１０００Ｗタイプのメタルハライドランプに関しても、前記３００Ｗタイプと同様に、発光管割れ及び放電アーク立消えを防止でき、併せて従来の石英発光管ランプに比べて３０％アップの高効率と定格寿命時間９０００時間以上の長寿命を達成できるような発光形状パラメータＬｅ／φ_i値（あるいはＬｅ／φ_i,max値）及びＮａＩ／ＣｅＩ₃組成比の範囲を調べた。
【００５２】
各ワットタイプの試験ランプ１２は、図１又は図３の基本構成からなる発光部３と細管部４、５が一体成形された発光管１を用いて、ランプ１２としては図２の構成からなっている。この場合、前記３００Ｗタイプの試験と同様に、各タイプに相応して発光管１の電極間距離Ｌｅ及び管内径φ_iの組合せを変えて発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値（あるいはＬｅ／φ_i,max値）を比較的広い範囲で変えて設定した試験ランプ１２を準備した。この場合、目標とする定格寿命時間９０００時間以上を達成するために管壁負荷ｗｅとして上記３００Ｗタイプに準じた１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲に規定した。また、発光物質１１としても上記３００Ｗタイプと同様にセリウム・ナトリウム沃化物のＮａＩ／ＣｅＩ₃組成比を変えたものを封入した。
【００５３】
上記各ワットタイプ の試験ランプ１２についても、前記３００Ｗタイプと同様のエイジング点灯での発光管割れ及び放電アーク立消え現象を観測し、またランプ効率や寿命時間などの諸特性を測定した。
【００５４】
上記の観測・測定結果から、各ワットタイプの試験ランプ１２における発光管割れ及び放電アーク立消えを防止し、併せて従来の石英発光管ランプに比べて３０％アップの高効率と定格寿命時間９０００時間以上の長寿命を達成するには、（i）発光管の管壁負荷ｗｅ１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲において発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値（あるいはＬｅ／φ_i,max値）をランプワット２００Ｗ、４００Ｗ、７００Ｗ及び１０００Ｗに対して、それぞれ０.７５〜１.７０、０.８５〜１.９０、１.００〜２.００及び１.１５〜２.１０の範囲に規定し（その他のランプワットに対しては図４の斜線部分に相当）、且つ（ii）発光物質（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）のモル組成比 ＮａＩ／ＣｅＩ₃を３．８〜１０の範囲に規定すればよいことが明らかとなった。これからわかるように、ランプワットが１０００Ｗまで上昇しても、上記（i）の発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値は大きく増大されずに２.１０以下の範囲に抑えられることが必要である。
【００５５】
結局、一般屋外照明用の（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質を用いたアルミナセラミック発光管メタルハライドランプにおいては、その発光管形状はランプワット２００Ｗ〜１０００Ｗを通じて太短形になるといえる。
【００５６】
以上のように、アルミナセラミック発光管を用いた一般屋外照明用の高ワットタイプの（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系メタルハライドランプにおいて、上記本実施形態で示されたような主成分としてモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜１０の範囲に設定された発光物質を封入し、且つ発光管の管壁負荷ｗｅが１３〜２３Ｗ／ｃｍ²で発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値を例えば主力品種の３００Ｗタイプであれば０.８０〜１.８０の範囲にそれぞれ設定することにより、目的とする安全で高効率・長寿命のメタルハライドランプが得られる。
【００５７】
しかも、発光部と細管部とが一体成型されているため、従来のメタルハライドランプとは異なり焼きばめ部分がない。よって、発光部に部分的に肉厚の大きい箇所ができないため、熱ロスを少なくすることができ、セリウムの蒸気圧を高めることができ、ランプ効率を一層向上させることができる。
【００５８】
なお、セリウムの代わりにプラセオジウムを封入した場合でも上記と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２にかかるメタルハライドランプの発光管１の構成を示す図である。
【００６０】
発光部３と細管部４、５からなる外囲器２は、半透明の多結晶体アルミナセラミック材料からなる。発光部３は、管中央部が円筒形であり、その両端部は、略円錐形状でテーパを形成している。発光部３の両端には、細管部４、５が形成されている。実施の形態２は、発光部３と細管部４、５とが一体成型されているため、焼きばめ部分がない。そのため、図８に示す従来の発光管１１５のように、発光部３に部分的に肉厚の大きい箇所（例えば、発光部と細管部の連結箇所周辺）を作る必要がない。そのため、発光部３内の熱ロスが少なく、発光物質１１の蒸気圧を充分に高めることができ、ランプ効率が向上する。
【００６１】
細管部４、５には、比抵抗値５.１×１０^-7ΩｍのＡｌ₂Ｏ₃−Ｍｏ系導電性サーメットからなる棒状の給電体６、７がＤｙ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂を主成分としたセラミックフリット８によりそれぞれ気密封着されている。
【００６２】
給電体６、７の放電側先端部にはタングステン電極９、１０の延長された電極棒がそれぞれ接合・保持されている。この場合、ランプ寿命を通じて細管部４、５との強固な気密封着を保つために、給電体６、７の熱膨張係数は例えば、アルミナセラミックからなる細管部４、５の８.１×１０^-6／℃に対して６.９×１０^-6／℃の値に設定されている。また、セラミックフリット８は、ランプ点灯時の発光物質１１による侵蝕を抑制するために、低温部となる細管部４、５のタングステン電極９、１０との接合部近傍まで限定・充填されている。そして、発光管１内には、例えば、セリウム沃化物（ＣｅＩ₃）およびナトリウム沃化物（ＮａＩ）からなる発光物質１１と、緩衝ガスとしての水銀と始動補助用希ガスとしてアルゴン約１３ｋＰａが封入されている。なお、発光物質１１のモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃は６．０である。
【００６３】
完成したランプ１２は、図２に示すように、実施の形態２における発光管１が窒素６０〜８０ｋＰａが封入されている硬質ガラスからなる外管バルブ１３の内部に保持されて、更に口金１４が装備されたものから構成されている。
【００６４】
次に、実施の形態２のメタルハライドランプと、従来のメタルハライドランプの特性を実測値に基づいて評価した結果について説明する。
【００６５】
なお、従来のメタルハライドランプは、図２のランプ１２と基本構成は同様であり、実施の形態２における発光管１の代りに、図８に示した焼きばめで構成された従来の発光管１１５を用いて構成した。発光部３、１１６内部には、特にセリウム沃化物とナトリウム沃化物（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質を封入し、３００Ｗタイプとした。サンプルは各メタルハライドランプごとに１０本ずつ用意し、それらの測定値の平均値により、初期効率の比較を行った。
【００６６】
その結果、従来のメタルハライドランプの初期効率は１１０ｌｍ／Ｗであったのに対して、実施の形態２のメタルハライドランプの初期効率は１１６ｌｍ／Ｗであり、実施の形態２の方がランプ効率が高いことがわかる。
【００６７】
以上のように、実施の形態２のメタルハライドランプによれば、発光管１の外囲器２が、発光部３と細管部３との一体成型によって構成されている。それにより、気密性に優れているので、部分的に肉厚の大きい箇所を形成する必要がなく、熱ロスが少ない。そのために、セリウムの蒸気圧を十分に高めて、ランプ効率を向上させることができる。
【００６８】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３にかかるメタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。実施の形態３の発光管の基本構造は、実施の形態２の発光管と同様であり、異なる点は、発光部の両端部が円錐形状ではなく、略半球形状である点である。
【００６９】
図６に示すように、発光部３と細管部４、５とは一体成型されていて、発光部３の両端部が略半球形状になっている。そのため、点灯中、両端部の内面の温度が、さらに均一化され、例えば蒸気圧の低いセリウムでも確実に蒸発し、発光に寄与することとなり、発光効率が向上する。
【００７０】
また、実施の形態２の発光管１では、一対のタングステン電極９、１０が、上下方向に並ぶように配置された状態で点灯させた場合に、液状の発光物質１１が、下方の細管部５の隙間内に沈み込み、発光部３内の発光物質１１が減少することがあった。それによって、色温度等の特性が著しく変化するといった不都合があった。しかし、実施の形態３における発光管１は、発光部３の両端部が略半球形状であるため、液状の発光物質１１が、発光部３の両端部の内面に沿って流れにくく、内面にたまりやすい。そのため、一対のタングステン電極９、１０が、上下方向に並ぶように配置された状態で点灯させた場合でも、液状の発光物質１１が下方の細管部５の間隙内に沈み込み難い。そのため、発光部３内の発光物質１１の量が減少することがなく、色温度等の特性変化が少ない。
【００７１】
次に、この実施の形態３のメタルハライドランプの初期効率を測定した結果を示す。メタルハライドランプとしての基本構成は、図２に示したランプ１２と同様とし、図６に示す発光管１を用いて構成した。なお、その他の構成は、実施の形態２での実測例と同一の３００Ｗタイプのメタルハライドランプであり、セリウム沃化物とナトリウム沃化物（ＣｅＩ₃＋ＮａＩ）系発光物質を封入した。このメタルハライドランプを１０本用意し、それらの測定値の平均値を求めた。
【００７２】
その結果、初期効率は、１２０ｌｍ／Ｗであり、上述した実施の形態２のメタルハライドランプの初期効率（１１６ｌｍ／Ｗ）よりも、さらに効率が高くなっていることがわかった。
【００７３】
また、ライフ中の色温度の特性変化も抑制することができた。具体的には、実施の形態２では、初期の色温度は４２００Ｋ、Ｒａ７１であったが、６０００時間のライフ後には４６００Ｋ、Ｒａ６７と大きく特性が変化していた。それに比べて実施の形態３では、６０００時間のライフ後に大きな特性変化は確認されなかった。
【００７４】
また、図６において、発光部３の中央部分の肉厚ｔ１、発光部３の細管部４、５近傍の肉厚ｔ２をそれぞれ変化させたときのランプ効率およびライフ中の発光管破損確率を測定した。なお、上述と同様に、サンプルは各１０本ずつを用意し、それらの平均値を測定値とすることとした。また、ライフ中の発光管破損確率は６０００時間までを測定した。その結果を表１に示す。
【００７５】
【表１】

【００７６】
表１より、発光部３の中央部分の肉厚ｔ１を１．０ｍｍと一定にして、発光部３の細管部４、５近傍の肉厚ｔ２を変化させた場合、肉厚ｔ２が０．７ｍｍ以下となるとライフ中に発光管１の破損が確認された。これは、発光部３と細管部４、５の境界部分の肉厚が薄いために、その付近に存在する液状の発光物質１１の反応でその部分が脆化して耐圧性能が落ちるためである。
【００７７】
また、肉厚ｔ２の値が１．３ｍｍ以上になると、ランプ効率が大きく下降することが確認された。これは、発光部３と細管部４、５の境界部分の肉厚が厚いために、その部分の発光管温度が上がらず、蒸気圧の低い発光物質１１が充分に蒸発することなく、発光に寄与できなかったためである。
【００７８】
次に、発光部３の細管部４、５近傍の肉厚ｔ２を１．０ｍｍと一定にして、発光部３の中央部分の肉厚ｔ１を変化させた場合、肉厚ｔ１が０．７ｍｍ以下となるとライフ中に発光管１の破損が確認された。発光部３の肉厚が薄いことによる耐圧性能の低下が主要因である。
【００７９】
また、肉厚ｔ１が１．３ｍｍ以上となるとランプ効率が大きく下降することが確認された。これは、発光部３の肉厚が厚いために、透過率が低いことが主要因である。
【００８０】
以上の結果より、発光部３の最大肉厚に対する発光部３の最小肉厚の比を０．８０以上にすることにより、熱ロスを一層低減することができ、高効率を実現でき、また、ライフ中の発光管破損を抑制することが可能であることが分かった。
【００８１】
なお、実施の形態３では、発光部３の最大肉厚と最小肉厚に相当する箇所を、発光部３の中央部分と細管部４近傍としたが、発光部３全体における任意の箇所を選択しても、同様の効果が認められる。
【００８２】
また、発光物質１１のモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃を６．０としたが、３．８〜１０の範囲が、好ましい値である。また、ＮａＩ以外にも、所望のランプ特性に応じて適宜、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、タリウム（Ｔｌ）等を発光物質１１として添加してもよい。
【００８３】
また、セリウムの代わりにプラセオジウムを封入した場合でも上記と同様の効果が認められた。その場合のモル組成比ＮａＩ／ＰｒＩ₃は、４．５〜１２の範囲が好ましい。
【００８４】
以上のように、本発明の実施の形態３のメタルハライドランプによれば、発光部３の両端部を半球形状としたので、発光管１のそれぞれのタングステン電極９、１０に上下差が生じるようにして使用しても、液状の発光物質１１が、細管部４、５に沈み込むことはなく、減少しないので、発光効率が低下しないという効果を有する。
【００８５】
なお、発光部３の両端部の形状は、半球形状ではなく、断面形状において曲線状であってもよく、細管部４、５に液状の発光物質１１が流れていきにくければよい。
【００８６】
また、図７に示すように、発光部３の両端部の内側を一周するように、突起物１５を設ける構成としてもよい。このような構成とすることで、液状の発光物質１１が細管部４、５に流れていくことを阻止することができる。また、突起物１５ではなく、溝としてもよく、溝に液状の発光物質１１がたまって細管部４、５に流れていくことを阻止することができる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣｅＩ₃を含む発光物質に特有の細く絞られた放電アーク領域の発光管上側への湾曲度合が軽減され、また発光管上側の局所的な温度上昇が低減されるので、問題である発光管割れ及び放電アーク立消えをともに防止することができ、併せてＣｅＩ ₃ の比視感度の高い緑色スペクトル放射が増大するので、高効率化を実現することができ、更に発光管の管壁温度が発光物質とアルミナセラミック管の反応が十分抑えられる範囲に保たれ且つ管端部の黒化現象も軽減されるので、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかるメタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。
【図２】 本発明のメタルハライドランプのランプ全体の構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態１にかかるメタルハライドランプの他の発光管の構成を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１により規定されたランプワットに対する発光管形状パラメータＬｅ／φ_i値の範囲を示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態２にかかるメタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態３にかかるメタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態３にかかるメタルハライドランプの他の発光管の構成を示す断面図である。
【図８】 従来技術による低ワットタイプのアルミナセラミック管メタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。
【図９】 従来技術によるショートアーク形のアルミナセラミック管メタルハライドランプの発光管の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 外囲器
３ 発光部
４，５ 細管部
６，７ 給電体
８ セラミックフリット
９，１０ タングステン電極
１１ 発光物質
１２ ランプ
１３ 外管バルブ
１４ 口金
１５ 突起物

Claims (1)

1. 内部に一対の電極が設けられ、且つ発光物質としてセリウム沃化物（ＣｅＩ₃）とナトリウム沃化物（ＮａＩ）とが封入された透光性セラミック製の発光管を備え、
   前記発光物質のモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ₃が３．８〜１０の範囲に規定され、
   且つ前記発光管の管壁負荷ｗｅが１３〜２３Ｗ／ｃｍ²の範囲において、
   ランプワットの値をＸ（Ｗ）とし、電極間距離をＬｅ、前記発光管の管内径をφ _i としたときのＬｅ／φ _i をＹとする、ＸＹ座標上の座標値（Ｘ，Ｙ）で表わされる点（２００，０．７５）、（３００，０．８０）、（４００，０．８５）、（７００，１．００）、（１０００，１．１５）、（１０００，２．１０）、（７００，２．００）、（４００，１．９０）、（３００，１．８０）、（２００，１．７０）を順に結んだ線で囲まれる範囲に前記Ｌｅ／φ _i 及び前記ランプワットの値があるように規定されていることを特徴とするメタルハライドランプ。

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