JP4129279B2

JP4129279B2 - メタルハライドランプ、およびこれを用いた照明装置

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Publication number: JP4129279B2
Application number: JP2006519583A
Authority: JP
Inventors: 俊介柿坂; 雅人吉田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: CN100573805C; EP1763066A1; CN1938816A; EP1763066B1; US20070182333A1; WO2006001166A1; US20090085484A1; EP1763066A4; JPWO2006001166A1; US7965042B2

Description

本発明は、メタルハライドランプ、およびこれを用いた照明装置に関する。

従来から、店舗などで使用される光源として、発光管と、この発光管を取り囲む内管と、さらにこの内管を取り囲む外管とを有し、各管の長手方向の中心軸がそれぞれ略一致した三重管構造を有するメタルハライドランプが知られている（例えば、特許文献１参照）。発光管の内部には一対の電極が配置され、かつ金属ハロゲン化物（発光金属）、水銀および希ガスが封入されている。

内管は、その一方の端部に、排気管の残部であるチップオフ部を有し、他方の端部に、開口端部が圧潰されて形成された封止部を有している。また、内管の内部は、真空状態にあるか、または、窒素ガスが封入されている。

内管の材料には、発光管から放射される紫外線を遮断するために、例えば、セリウム（Ｃｅ）やチタン（Ｔｉ）が添加された、ＵＶカット機能付きの石英ガラスが多用されている。

外管は、その一方の端部が略半球状に閉塞されており、他方の端部の内側にはステムが封着されている。また、外管の他方の端部の外側には、口金が取り付けられている。ステム内には、ステム線が封着されている。ステム線の一方の端部は口金と電気的に接続されており、他方の端部は、外管内に導入されて内管を保持するとともに、電極に電力を供給する。

外管の材料には、発光管の破損時にその破片が当たったり、輸送時に外部から衝撃が加わったりしても、容易に破損しないように、耐衝撃性の高い硬質ガラスが多用されている。

上記三重管構造を有するメタルハライドランプは、万一発光管が破損しても外管については容易に破損しないので、安全性に優れている。そのため、上記メタルハライドランプは、前面ガラスなどを備えない下面開放型の照明器具との組みあわせに適している。

ところで、下面開放型の照明器具はスポットライト用の照明器具として使用されている。店舗などで使用されるスポットライト用照明器具は、高いコンパクト性が要求される。そのため、店舗などで使用されるスポットライト用照明器具に組み込まれる光源には、メタルハライドランプよりもコンパクトな、ハロゲン電球が使用されてきた。

しかし、メタルハライドランプは、ハロゲン電球に比して高効率で、長寿命である。そこで、ハロゲン電球に代えてメタルハライドランプを、スポットライト用の下面開放型の照明器具に組み込まれる光源として使用することが望まれている。メタルハライドランプの中でも、外囲器が透光性セラミックから構成された発光管を用いた、セラミックメタルハライドランプは、ハロゲン電球の代替ランプとして期待されている。例えば、消費電力が２０Ｗまたは３５Ｗのセラミックメタルハライドランプでは、発光管が非常にコンパクト（例えば、最大外径４ｍｍ〜６ｍｍ、全長２５ｍｍ〜３５ｍｍ）でありながら、ハロゲン電球の約１／３の消費電力で同等の明るさを得ることができるからである。
特開平８−２３６０８７号公報

しかし、従来のメタルハライドランプは、ランプ全体として見た場合、コンパクト性に欠けるという問題がある。この問題は、ランプが三重管構造を有することや、発光管の支持構造などが複雑であることなどに起因する。仮に、可能な限りコンパクト化を図ったとしても、点灯中における発光管の温度上昇によって、外囲器を構成するセラミックと封入物（発光金属）とが反応して、封入物の蒸気圧や組成比などが変化してしまう。その結果、所望のランプ特性が得られない。以上の理由により、高いコンパクト性が要求される照明器具、特に、スポットライト用の下面開放型の照明器具へ、メタルハライドランプを適用することについてはほとんど検討されておらず、コンパクトであり、かつメタルハライドランプを光源として用いたスポットライト用の下面開放型の照明器具を有する照明装置の実用化は、未だ、なされていない。

本発明は、所望のランプ特性を有し、例えば、スポットライト用の下面開放型の照明器具に組み込まれる光源として使用可能であって、安全かつコンパクトな、メタルハライドランプを提供する。

また、本発明は、例えば、スポットライト用途に適しており、安全かつコンパクトな照明装置を提供する。

本発明のメタルハライドランプは、外管と、前記外管内に配置され、少なくとも一方の端部に封止部を有し、石英ガラスからなる内管と、前記内管内に配置された発光管とを含み、前記外管の長手方向の中心軸と前記内管の長手方向の中心軸と前記発光管の長手方向の中心軸とが略同一軸上にあり、前記外管の最大外径をＡ（ｍｍ）、前記内管の最大外径をＢ（ｍｍ）、メタルハライドランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、下記の関係式を満たすことを特徴とする。０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５、０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、および１．１４≦Ａ／Ｂ（但し、Ｐは、２０≦Ｐ≦１３０である。）

本発明は、所望のランプ特性を有し、例えば、スポットライト用の下面開放型の照明器具に組み込まれる光源として使用可能であって、安全かつコンパクトな、メタルハライドランプを提供できる。また、本発明は、例えば、スポットライト用途に適しており、安全かつコンパクトな照明装置を提供できる。

本発明のメタルハライドランプの一例では、発光管の最大外径をＣ（ｍｍ）とした場合、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８を満たしていると好ましい。

本発明のメタルハライドランプの一例では、内管内に窒素ガスが封入されており、内管内の温度が２５℃のときに窒素ガス圧力は２０ｋＰａ以上であると好ましい。

本発明の照明装置の一例は、下面開放型の照明器具と、前記照明器具に取り付けられた、本発明のメタルハライドランプとを含む。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

（実施形態１）
実施形態１のメタルハライドランプは、消費電力７０Ｗのメタルハライドランプである。実施形態１のメタルハライドランプ（以下、単に「ランプ」という場合もある。）は、全長Ｌが１００ｍｍ〜１１０ｍｍである。図１に示したメタルハライドランプ１の全長Ｌは、例えば、１０５ｍｍである。メタルハライドランプ１は、外管２と、この外管２内に配置された内管３と、この内管３の内部に配置された発光管４と、外管２の片方の端部に取り付けられた口金５とを備えている。内管３は、少なくとも一方の端部に封止部１０を有し、石英ガラスからなる。

外管２の長手方向の中心軸Ｘと、内管３の長手方向の中心軸Ｙと、発光管４の長手方向の中心軸Ｚとは、略同一軸上にある。なお、「略同一軸上にある」とは、中心軸Ｘ、中心軸Ｙおよび中心軸Ｚが完全に同一軸上にある場合のみならず、例えば、ランプを組み立てる際に発生するばらつきなどによって、中心軸Ｘ、中心軸Ｙおよび中心軸Ｚのうちの少なくとも１つか他から若干ずれた場合なども含む。

外管２は、その一方の端部に、例えば略半球状の閉塞部６を有し、かつ他方の端部に開口部７を有している。外管２の直管状の部分８は、略円筒状であり、例えば、ホウ珪酸ガラス（歪点５１０℃）などの硬質ガラスからなる。なお、「略円筒状」とは、中心軸Ｘと直交する切断面の輪郭が、真円である場合のみならず、ガラスの加工上のばらつきなどによって真円になっていない場合や、楕円である場合をも含む。

外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）は、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、関係式０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５を満たすように設定されている。

外管２の厚みｔ_Aは、耐衝撃性、低コスト化、加工性および軽量化のため、例えば、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。厚みｔ_Aが薄すぎると、ランプへの組み立て前において（例えば、輸送時などにおいて）、外部から強い衝撃を受けたときに外管２が破損するおそれがある。一方、厚みｔ_Aが厚すぎると、コストアップするとともに、外管２の重量が重くなる。外管２の重量が重くなればなるほど、例えば、落下の際にランプに加わる衝撃が大きくなる。そのため、内管３の封止部１０のうちのセメント２４（後述する）によって固定された部分が破損し、または、発光管４の細管部１３が折損するおそれがある。さらに、閉塞部６の形成が行い難くなるおそれがある。

外管２内の気圧は、例えば、大気圧と等しい。

内管３は、その一方の端部に、例えば開口端部が圧潰されて形成された封止部１０を有し、他方の端部に、排気管（図示せず）の残部であるチップオフ部９を有している。内管３の直管状の部分１１は、略円筒状であり、例えば、ＵＶカット機能付きの石英ガラス（歪点１０７０℃）からなる。なお、ここで言う「略円筒状」は、外管２の直管状の部分８についての「略円筒状」と同義である。

内管３の最大外径Ｂは、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、関係式０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、および、関係式１．１４≦Ａ／Ｂを満たすように設定されている。

内管３の厚みｔ_Bは、外管２の場合と同様に、耐衝撃性、低コスト化、加工性（特に、封止部１０の形成についての加工性）および軽量化のため、例えば、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。厚みｔ_Bが薄すぎると、ランプへの組み立て前において（例えば、輸送時などにおいて）、外部から強い衝撃を受けたときに内管３が破損するおそれがある。一方、厚みｔ_Bが厚すぎると、コストアップするとともに、封止部１０の形成が行い難くなるおそれがある。

内管３内は、気密性が保たれており、例えば、真空状態（真空度１０^-3Ｐａ〜１０^-2Ｐａ）にあるか、または、窒素ガスなどの不活性ガスが封入されている。図１に示す例では、内管３内には窒素ガスが封入されているが、窒素ガス圧は、内管３内の温度が２５℃のときに２０ｋＰａ以上であると好ましい。ガス圧が、雰囲気温度が２５℃のときに２０ｋＰａ以上であると、窒素ガスが、内管３内（内管３と発光管４との間の空間）を対流して、発光管４が過度に高温となることを防止できる。その結果、発光管４内に封入された発光金属の蒸気圧を、適正に保つことができる。尚、上記ガス圧の下限について特に制限はないが、通常、内管３内の温度が２５℃のときに６０ｋＰａ以上であると好ましい。なお、「内管３内の温度」は、窒素ガスなどの不活性ガスを内管３内に封入する際に内管３がおかれた雰囲気の温度と等しく、上記雰囲気の温度が２５℃であれば、「内管３内の温度」も２５℃となる。

図１に示した例では、内管３は、一方の端部に封止部１０を有し、他方の端部にチップオフ部９を有しているが、内管３は、このような構造のものに限定されず、一方および他方の端部がともに開口端部が圧潰されて封止された構造をしていてもよい。

発光管４は、本管部１２と、本管部１２の両端部に連結された１対の細管部１３とを有する外囲器１４を備えている。外囲器１４は、例えば、多結晶アルミナなどの透光性セラミックからなる。透光性セラミックとしては、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム等が挙げられる。

発光管４の最大外径Ｃ（すなわち、本管部１２の最大外径Ｃ）は、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８を満たすように設定されていると好ましい。図１に示す例では、発光管４は、それぞれ別個に成形された本管部１２と１対の細管部１３とを、焼きばめなどによって一体化して得た外囲器を備えている。しかし、発光管４は、その形状および構造などについて、図１に示すものに制限されない。発光管４は、例えば、本管部と細管部とが一体成形されることによって得られる外囲器を備えていてもよいし、発光管４は、公知の形状や構造をしていてもよい。

本管部１２内には、一対の電極（図示せず）が配置されており、かつ、金属ハロゲン化物、希ガスおよび水銀がそれぞれ所定量封入されている。金属ハロゲン化物には、例えば、ヨウ化ナトリウム、またはヨウ化ジスプロシウムなどが用いられている。電極間の距離は、例えば、４．０ｍｍ〜７．０ｍｍである。

各細管部１３内には、一方の端部に電極が取り付けられた給電体（図示せず）が挿入されている。給電体の材料は、例えば、導電性サーメットである。給電体の一部は、フリットからなるシール材１５によって細管部１３に封着されているが、細管部１３内に配置された給電体の他の一部と細管部１３との間には、隙間が存在している。

給電体の、電極が取り付けられた一方の端部とは反対側の端部（他方の端部）は、細管部１３から突き出ており、１対の給電体は、それぞれ、電力供給線１６、１７に接続されている。電力供給線１６は、封止部１０内に封止された金属箔１８を介して外部リード線１９に、電力供給線１７は同じく封止部１０内に封止された別の金属箔１８を介して別の外部リード線（図示せず）に接続されている。そして、一方の外部リード線１９は、口金５のシェル部２０に、もう一方の外部リード線（図示せず）は、口金５のアイレット部２１にそれぞれ接続されている。

なお、電力供給線１６，１７には、それぞれ、一本の金属線を用いてもよいし、複数の金属線が接続されて一体化したものを用いてもよい。

口金５は、例えば、ステアタイトなどのセラミックからなる口金絶縁部２２と、Ｅ形の口金接続部２３とを有している。口金接続部２３は、照明器具のソケット（図示せず）に挿入されたときに、ソケットと電気接続される。

口金絶縁部２２は、カップ形状をしている。口金絶縁部２２には、外管２の開口部７と内管３の封止部１０とがそれぞれ挿入されており、内管３は外管２に、外管２は口金絶縁部２２に、それぞれ、例えば、耐熱温度１０００℃以上のセメント２４を用いて固着されている。

口金接続部２３は、シェル部２０と、このシェル部２０に絶縁部２５を介して設けられたアイレット部２１とを有している。

なお、口金５は、図１に示したものに限定されず、公知の形状や構造をしていてもよい。例えば、口金接続部２３は、Ｅ形以外に、ピン状のＰＧ形やＧ形などを用いることができる。また、口金５の材料についても特に制限はなく、公知の材料を用いることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２のメタルハライドランプについて説明する。実施形態２のメタルハライドランプは、消費電力２０Ｗのメタルハライドランプである。

実施形態２のメタルハライドランプは、実施形態１のメタルハライドランプと基本的構造は同じであるが、主として寸法が異なる。ここでは、図１を準用し、主たる寸法について説明する。

実施形態２のメタルハライドランプでは、全長Ｌは、８５ｍｍ〜１０５ｍｍ（例えば、９５ｍｍ）である。外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）は、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５なる関係式を満たすように設定されている。外管２の厚みｔ_Aは、上記と同様に耐衝撃性、低コスト化、加工性（特に、閉塞部６の形成についての加工性）および軽量化のため、例えば１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内で設定されていることが好ましい。内管３の最大外径Ｂは、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、かつ１．１４≦Ａ／Ｂなる関係式を満たすように設定されている。内管３の厚みｔ_Bは、耐衝撃性、低コスト化、加工性（特に、封止部１０の形成についての加工性）および軽量化のため、例えば１．０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内で設定されていることが好ましい。発光管４の最大外径Ｃ（すなわち、本管部１２の最大外径Ｃ）は、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、後述する理由により、０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８なる関係式を満たすように設定されていると好ましい。１対の電極間の距離は、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍである。

次に、実施形態１および実施形態２のメタルハライドランプにおいて、０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５、かつ０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、かつ１．１４≦Ａ／Ｂなる関係式を満たすように設計した理由について説明する。

まず、実施形態１のランプ（消費電力７０Ｗ）および実施形態２のランプ（消費電力２０Ｗ）について、表１に示すように、外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）のみを種々変化させたものを、それぞれ１０本ずつ作製した。

そして、作製した各ランプについて、公知の銅鉄安定器を用いて通常どおりに点灯させて安定点灯時における外管２の表面温度（℃）を調べた。その結果を表１に示している。

なお、消費電力７０Ｗのランプでは、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、内管３の最大外径Ｂを１３ｍｍ、本管部１２の最大外径Ｃを９．５ｍｍとした。一方、消費電力２０Ｗのランプでは、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、内管３の最大外径Ｂを１０ｍｍ、本管部１２の最大外径Ｃを５．２ｍｍとした。

外管２の表面温度は、ランプを裸状態で、かつ水平点灯させた状態で測定した。温度の測定点は、一対の電極間の中心点Ｏから鉛直線Ｓを引き、この鉛直線Ｓと外管２の外面との交点のうち、上側の交点Ｔを測定点とした。このとき、周囲の雰囲気温度は室温（２５℃）であった。また、表面温度の測定には、直径０．２ｍｍのＫ（ＣＡ）線からなる熱電対を用いた。外管２の表面温度の評価は、４２０℃以下の場合は「良好」とし、４２０℃を超える場合は「不良」とした。この判断基準は、外管２の材料として用いられている硬質ガラスの歪点（５１０℃）よりも、外管２の表面温度が９０℃以上低ければ、実際に市場で使用される厳しい環境下において、点灯中に、外管２の温度が歪点を越え、外管２が変形して外観不良に至ることはない、という発明者の経験則に基づくものである。

表１に示すように、実施例１および実施例２の、消費電力７０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａが２０ｍｍ以上であると、外管２の表面温度は良好であった。また、実施例３および実施例４の、消費電力２０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａが１７ｍｍ以上であると、外管２の表面温度は良好であった。

一方、比較例１の消費電力７０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａが１９ｍｍ以下であると、外管２の表面温度は不良であった。また、比較例２の消費電力２０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａが１６ｍｍ以下であると、外管２の表面温度は不良であった。

このような結果となった理由は、次のように考えられる。

比較例１および比較例２のランプでは、外管２の最大外径Ａが小さくなりすぎ、点灯中の発光管４内におけるアークに外管２が近づきすぎたため、アークの熱によって外管２の温度が過度に上昇したものと考えられる。このように、外管２の温度が過度に上昇すると、外管２が変形して外観不良を引き起こすおそれがある。一方、実施例１〜４のランプでは、発光管４内におけるアークと外管２との間の距離が適切に保たれたため、外管２の温度が過度に上昇することはなかったと考えられる。

ところで、市販されているスポットライト用の下面開放型の照明器具へのランプの適合率を考慮すると、外管２の最大外径Ａは２５ｍｍ以下にすべきであることがわかった。

したがって、これらの結果から、（１）点灯中において、外管２の温度の異常上昇による外管２の変形を阻止し、上記変形による外観不良の発生を防止し、かつ、（２）コンパクト化を図り、特に、スポットライト用の下面開放型の照明器具への適合性を高めるためには、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）は、関係式０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５を満たす必要があることがわかった。

ただし、ランプの消費電力Ｐが大きくなると、点灯中に、発光管４から放射される熱量が著しく大きくなり、上記関係式を満たしていても、上記（１）および（２）の作用効果を十分に得ることができないことがわかった。そこで、上記作用効果を十分に得ることが可能な消費電力Ｐの範囲を検討した結果、１３０Ｗ以下、実用的には２０Ｗ〜１３０Ｗであることがわかった。

ところで、外管２の最大外径Ａが、上記関係式を満たしていても、内管３の最大外径Ｂを種々変化させた場合に、一部のランプで立消えが発生することがあった。

そこで、立消えの原因を詳細に調査するべく、実施形態１のランプ（消費電力７０Ｗ）および実施形態２のランプ（消費電力２０Ｗ）について、表２に示すように、外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）と内管３の最大外径Ｂ（ｍｍ）とを種々変化させたものを、それぞれ１０本ずつ作製した。

そして、作製した各ランプについて、公知の銅鉄安定器を用いて、通常どおり５．５時間点灯した後、０．５時間消灯するという１サイクルを繰り返えし行い、総点灯時間３０００時間までに立消えが発生する確率を調べた。その結果を表２に示している。

なお、消費電力７０Ｗのランプでは、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、本管部１２の最大外径Ｃを９．５ｍｍとした。一方、消費電力２０Ｗのランプでは、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、本管部１２の最大外径Ｃを５．２ｍｍとした。

表２の「立消え発生確率」の欄において、分母は全サンプル数を、分子は立消えが発生したサンプル数をそれぞれ示している。

表２に示すように、実施例１、実施例５、実施例６および実施例７の、消費電力７０Ｗのランプように、内管３の最大外径Ｂを１３ｍｍ以上とし、実施例３、実施例８、実施例９および実施例１０の、消費電力２０Ｗのランプのように、内管３の最大外径Ｂを１０ｍｍ以上とすると、それぞれ、総点灯時間３０００時間後においても、立消えしないことが分かった。

一方、比較例３および比較例４の消費電力７０Ｗのランプのように、内管３の最大外径Ｂを１２ｍｍ以下とし、比較例５および比較例６の、消費電力２０Ｗのランプのように、内管３の最大外径Ｂを９ｍｍ以下とすると、１０本中３本または４本が、総点灯時間３０００時間の経過前に、立消えすることがわかった。

このような結果となった理由は、次のように考えられる。

比較例３、比較例４、比較例５および比較例６のランプでは、内管３の最大外径Ｂが小さすぎるため、点灯中に、内管３による発光管４への保温効果が異常に高まり、発光管４の温度が過度に上昇した。その結果、発光管４内に封入された発光金属と発光管４の外囲器１４を構成するセラミックとが反応して、放電空間内に余剰のハロゲンが発生した。そして、遊離ハロゲンが、点灯中に電子を捕獲して消滅させてしまい、再点弧電圧が上昇して、立消えが発生したと考えられる。一方、実施例１、実施例３、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例９および実施例１０のランプでは、点灯中における内管３による発光管４への保温の程度が適正であり、発光管４の温度が過度に上昇することはなかったものと考えられる。

したがって、これらの結果から、発光管４の外囲器１４を構成するセラミックと発光管４内に封入された発光金属との反応に起因して生じる立消えを抑制するためには、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、内管３の最大外径Ｂ（ｍｍ）は、少なくとも関係式０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂを満たす必要があることがわかった。また、ランプの消費電力Ｐが２０Ｗ以上１３０Ｗ以下である場合において、上記関係式を満たせば、十分な立消え抑制効果があることが確認できた。

ところが、内管３の最大外径Ｂを大きくしていくと、発光管４の破損に起因して外管２が破損するという予期せぬ問題が浮上した。

そこで、外管２の破損の原因を詳細に調査するべく、実施形態１のランプ（消費電力７０Ｗ）および実施形態２のランプ（消費電力２０Ｗ）について、表３に示すように、外管２の最大外径Ａ（ｍｍ）と内管３の最大外径Ｂ（ｍｍ）とを種々変化させたものを、それぞれ１０本ずつ作製した。

そして、作製した各ランプに、公知の銅鉄安定器を用いて、安定点灯時に流す通常のランプ電流の数倍〜数十倍のランプ電流を流し、ランプを過負荷状態で点灯させて、発光管４を強制的に破損させ、外管２の破損確率を調べた。その結果を表３にしている。

表３の「外管の破損確率」の欄において、分母は全サンプル数を、分子は外管２が破損したサンプル数をそれぞれ示している。

表３に示すように、実施例１、実施例３、実施例５、実施例９、実施例１１および実施例１２のランプでは、内管３の最大外径Ｂは、外管２の最大外径Ａに対してさほど大きくない。例えば、内管３の最大外径Ｂに対する外管２の最大外径Ａの比率（Ａ／Ｂ）は１．１４以上となっている。これらのランプでは、発光管４が破損しても、外管２については破損しなかった。

一方、比較例７、比較例８、比較例９および比較例１０のランプでは、内管３の最大外径Ｂが大きく、内管３の最大外径Ｂに対する外管２の最大外径Ａの比率（Ａ／Ｂ）は１．１３以下となっている。これらのランプでは、発光管４が破損すると、発光管４の破損に起因して、外管２も破損した。

このような結果となった理由については、次のように考えられる。

比較例７、比較例８、比較例９および比較例１０のランプでは、内管３の最大外径Ｂが大きいので、外管２と内管３とが接近している。そのため、発光管４の破損に伴い内管３も破損し、外管２も、飛散する内管３の破片により強い衝撃を直に受けて、破損したものと考えられる。一方、実施例１、実施例３、実施例５、実施例９、実施例１１および実施例１２のランプでは、外管２と内管３との間に適当な距離があるので、発光管４が破損して内管３が破損したとしても、外管２が、飛散する内管３の破片により強い衝撃を受けることはなかったと考えられる。

以上のことから、発光管４の破損に起因する外管２の破損を防止するためには、関係式Ａ／Ｂ≧１．１４を満たす必要があることがわかった。

立消えの発生を抑制するという観点からは、内管３の最大外径Ｂは大きいほどよく、発光管４の破損に起因する外管２の破損を防止する観点からは、内管３の最大外径Ｂは小さいほどよいが、表２および表３に示した結果から、立消え発生の抑制と外管２の破損防止とを両立可能な条件範囲があることがわかった。

また、上記した全実施例のランプについてランプ特性を測定した。いずれも、初期の発光光束が６０００ｌｍ以上であり、発光効率が８０ｌｍ／Ｗであり、総点灯時間が６０００時間の時の光束維持率が７０％以上であり、従来のメタルハライドランプと比べて遜色がなく、所望のランプ特性を有していることが確認できた。なお、「初期の発光光束」は、総点灯時間が１００時間の時の発光光束を示す。また、「光束維持率」は、総点灯時間が１００時間の時の発光光束を１００とした場合の百分率である。

以上のとおり、外管２の最大外径をＡ（ｍｍ）、内管３の最大外径をＢ（ｍｍ）、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）（ただし、２０≦Ｐ≦１３０）とすると、０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５、０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、かつ１．１４≦Ａ／Ｂなる関係式を満たせば、（１）外管２の過度な温度上昇に起因して生じる外管２の変形、（２）発光管４の過度な温度上昇に起因する立消え、および（３）発光管４の破損に起因する外管２の破損、が抑制され、所望のランプ特性を有する、コンパクトなランプを提供できる。このランプは、特に、下面開放型の照明器具に適している。

上記３つの関係式を満たすことを前提として、発光管４の最大外径Ｃ（ｍｍ）は、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８（ただし、２０≦Ｐ≦１３０）を満たしているとさらに好ましい。以下、その理由について説明する。

まず、実施形態１のランプ（消費電力７０Ｗ）および実施形態２のランプ（消費電力２０Ｗ）について、表４に示すように、発光管４の最大外径Ｃを種々変化させたものを、それぞれ１０本ずつ作製した。なお、電極間距離や、発光管４の長手方向の寸法については変化させていない。そのため、管壁負荷（ランプの管壁単位面積あたりの電気入力）が下がって発光金属の蒸気圧が低下し、ランプ電圧が下がる。よって、サンプルは、通常どおりのランプ電圧（９０Ｖ）が確保されるように、水銀封入量が適宜調整されている。通常、ランプ電圧を上げるためには、水銀封入量を増加させればよい。

そして、作製した各ランプを、公知の銅鉄安定器を用いて、通常どおりに点灯させ、垂直点灯時の色温度と水平点灯時の色温度との色温度変化（差）ΔＴ_C（Ｋ）を調べた。また、各ランプに、安定点灯時に流す通常のランプ電流の数倍〜数十倍のランプ電流を流し、ランプを過負荷状態で点灯させて、発光管４を強制的に破損させ、外管２の破損確率を調べた。これらの結果を表４にしている。

消費電力７０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａを２０ｍｍ、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の最大外径Ｂを１３ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、外囲器１４の全長Ｌを３９ｍｍ、電極間距離を５．０ｍｍとした。一方、消費電力２０Ｗのランプでは、外管２の最大外径Ａを２０ｍｍ、外管２の肉厚ｔ_Aを１．５ｍｍ、内管３の最大外径Ｂを１０ｍｍ、内管３の肉厚ｔ_Bを１．２５ｍｍ、外囲器１４の全長Ｌを３０ｍｍ、電極間距離を２．５ｍｍとした。

色温度変化ΔＴ_C（Ｋ）が３００Ｋ以下の場合は、色温度の安定性が「良好」であるとし、それより大きい場合は、色温度の安定性が「不良」であるとした。なお、色温度変化ΔＴ_C（Ｋ）が３００Ｋ以下であると、目視では色温度変化を実感できない。色温度は、色温度計（大塚電子（株）製、ＭＣＰＤ−１０００）を用いて測定した。

また、表４の「外管の破損確率」の欄において、分母は全サンプル数を、分子は外管２が破損したサンプル数をそれぞれ示している。

表４に示すように、実施例１３、実施例１４および比較例１２の、消費電力７０Ｗのランプでは、発光管４の最大外径Ｃを５．７ｍｍ以上とし、実施例１５、実施例１６および比較例１４の、消費電力２０Ｗのランプでは、発光管４の最大外径Ｃを３．２ｍｍ以上とした。こられのランプの色温度変化ΔＴ_C（Ｋ）は、３００Ｋ以下と小さく、色温度の安定性は良好であった。

一方、比較例１１の消費電力７０Ｗのランプでは、発光管４の最大外径Ｃを５．２ｍｍ以下とし、比較例１３の消費電力２０Ｗのランプでは、発光管４の最大外径Ｃを２．８ｍｍ以下とした。これらのランプの色温度変化ΔＴ_C（Ｋ）は大きく、色温度の安定性は不良であった。

このような結果となった理由は、次のように考えられる。

通常、ランプを垂直点灯させた場合は、発光金属の蒸気圧を決定する最冷点が、ランプを垂直に設置した状態において、本管部１２の内面のうちの底面または下方に位置する細管部１３内に形成される。一方、ランプを水平点灯させた場合は、最冷点が、ランプを水平に設置した状態において、本管部１２の内面のうちの底面に形成される。

そこで、比較例１１および比較例１３のランプでは、次のような現象が起こっていると考えられる。

比較例１１および比較例１３のランプでは、発光管４の最大外径Ｃが小さくなりすぎたことによって、水平点灯させた場合には、最冷点とアークとが近接して最冷点温度が上昇し、発光金属の蒸気圧が著しく上昇する。一方、垂直点灯させた場合には、発光管４の最大外径Ｃが小さくても、最冷点とアークとの距離は適当に確保されているので、発光金属の蒸気圧が著しく上昇することはない。このように、比較例１１および比較例１３ランプでは、発光金属の蒸気圧が、垂直点灯の場合と水平点灯の場合とで異なるので、色温度変化が大きくなったと考えられる。

これに対して、実施例１３、実施例１４、実施例１５、実施例１６、比較例１２および比較例１４のランプでは、発光管４の最大外径Ｃが十分に大きく、最冷点温度が上昇して発光金属の蒸気圧が著しく上昇するほどには、最冷点とアークとが近接しないので、色温度変化が小さかったものと考えられる。

以上のことより、垂直点灯した場合と水平点灯した場合との色温度変化（差）が大きくなることを抑制するためには、発光管４の最大外径Ｃ（ｍｍ）は、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃを満たす必要があることがわかった。また、ランプの消費電力Ｐが２０Ｗ以上１３０Ｗ以下である場合においても、上記関係式を満たせば、十分な、色温度変化の抑制効果があることが確認できた。

また、表４に示すように、実施例１３、実施例１４および比較例１１の、消費電力７０Ｗのランプのように、発光管４の最大外径Ｃが１０．７ｍｍ以下であり、実施例１５、実施例１６および比較例１３の、消費電力２０Ｗのランプのように、発光管４の最大外径Ｃが７．２ｍｍ以下であると、発光管４が破損しても、それに起因して外管２が破損することはないことがわかった。一方、比較例１２の消費電力７０Ｗのランプように、発光管４の最大外径Ｃが１１．０ｍｍ以上であり、比較例１４の消費電力２０Ｗのランプのように、発光管４の最大外径Ｃが７．５ｍｍ以上であると、発光管４の破損に起因して外管２も破損することがわかった。

このような結果となった理由は、次のように考えられる。

比較例１２および比較例１４のランプについては、発光管４の最大外径Ｃを大きくするとともに、ランプ電圧を所定の値（９０Ｖ）に維持するべく水銀の封入量を１０％〜３５％増加させた。そのため、点灯中の水銀蒸気圧が非常に高くなり、破損した発光管４の破片が激しい勢いで飛散し、その結果、外管２を破損させてしまったと考えられる。一方、実施例１３、実施例１４、実施例１５、実施例１６、比較例１１および比較例１３のランプについては、発光管４の最大外径Ｃはさほど大きくしていないので、増加させるべき水銀の封入量も少なくてすむ。そのため、発光管４が破損しても、その破片の飛散の勢いは、外管２を破損させるほどではなかったと考えられる。

以上のことから、発光管４の破損に起因する外管２の破損を確実に防止するためには、ランプの消費電力をＰ（Ｗ）とすると、発光管４の最大外径Ｃ（ｍｍ）は、関係式Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８を満たす必要があることがわかった。また、ランプの消費電力Ｐが２０Ｗ以上１３０Ｗ以下である場合において、上記関係式を満たせば、発光管４の破損に起因する外管２の破損を確実に防止できることも確認できた。

よって、発光管４の最大外径Ｃ（ｍｍ）が、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８を満たせば、垂直点灯した場合と水平点灯した場合との色温度変化を抑制でき、かつ、発光管４の破損に起因する外管２の破損を確実に防止できる。

なお、上記各実施例のランプは、銅鉄安定器を用いて点灯させたが、その他公知の電子安定器を用いて点灯させても、銅鉄安定器を用いて点灯させた場合と同様の作用効果を得ることができる。

また、実施形態１および実施形態２では、外管２に、図１に示すように一方の端部を除く部分が直管状のものを用いた場合について説明した。しかし、外管２は図１に示した形態に限定されず、図２に示すように、中央部のみがわずかに膨らんだものや、図３に示すように、中央部の外径が最も大きく、各端部に近づくに従って外径が徐々に小さくなるように全体的に膨らみを有するものを用いてもよい。図２および図３に示した外管２を用いても、図１に示したメタルハライドランプと同様の作用効果が得られる。

（実施形態３）
実施形態３では、実施形態１のメタルハライドランプを用いた照明装置の一例について説明する。図４に示すように、本実施形態の照明装置は、スポットライト用の下面開放型の照明器具２８と、照明器具２８に装着された、メタルハライドランプ１とを備えている。メタルハライドランプ１の消費電力は７０Ｗである。

図４に示した照明装置は、例えば、天井に取り付けられる。メタルハライドランプ１を点灯させるための安定器（図示せず）は、天井に取り付けられていてもよいし、天井内に埋め込まれていてもよい。安定器には、公知の種々の銅鉄安定器や、電子安定器を用いることができる。

本実施形態の照明装置は、光源として、高い安全性を有し、かつコンパクトなメタルハライドランプ１を用いている。そのため、本実施形態の照明装置は、装置自体のコンパクト化が可能であり、かつ、安全性が高い。

なお、図４に示した照明装置では、上記実施形態３では、照明器具として、スポットライト用の下面開放型の照明器具２８を用いているが、本実施形態の照明装置はこれに限定されず、これ以外に公知の種々の照明器具を用いてもよい。この場合においても、図４に示した照明装置と同様の作用効果が得られる。

本発明のメタルハライドランプは、所望のランプ特性を有し、コンパクトで、かつ安全性が高いので、例えば、スポットライト用の下面開放型の照明器具に組み込まれる光源などの、コンパクトで高い安全性が要求される用途に適用できる。

図１は、実施形態１および実施形態２のメタルハライドランプの一例を示す一部切欠正面図である。図２は、図１に示したメタルハライドランプを構成する外管の一例を示す正面断面図である。図３は、図１に示したメタルハライドランプを構成する外管の他の例を示す正面断面図である。図４は、実施形態３の照明装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１メタルハライドランプ
２外管
３内管
４発光管
５口金
６閉塞部
７開口部
８，１１直管状の部分
９チップオフ部
１０封止部
１２本管部
１３細管部
１４外囲器
１５シール材
１６，１７電力供給線
１８金属箔
１９外部リード線
２０シェル部
２１アイレット部
２２口金絶縁部
２３口金接続部
２４セメント
２５絶縁部
２８照明器具

Claims

外管と、
前記外管内に配置され、少なくとも一方の端部に封止部を有し、石英ガラスからなる内管と、
前記内管内に配置された発光管と、を含み、
前記外管の長手方向の中心軸と前記内管の長手方向の中心軸と前記発光管の長手方向の中心軸とが略同一軸上にあり、
前記外管の最大外径をＡ（ｍｍ）、前記内管の最大外径をＢ（ｍｍ）、メタルハライドランプの消費電力をＰ（Ｗ）とした場合、下記の関係式を満たすことを特徴とするメタルハライドランプ。
０．０６Ｐ＋１５．８≦Ａ≦２５、
０．０５Ｐ＋９．０≦Ｂ、
および１．１４≦Ａ／Ｂ
但し、Ｐは、２０≦Ｐ≦１３０である。
前記発光管の最大外径をＣ（ｍｍ）とした場合、関係式０．０５Ｐ＋２．２≦Ｃ≦０．０７Ｐ＋５．８を満たす請求項１に記載のメタルハライドランプ。
前記内管内には窒素ガスが封入されており、前記内管内の温度が２５℃のときに前記窒素ガス圧力は２０ｋＰａ以上である請求項１に記載のメタルハライドランプ。
下面開放型の照明器具と、
前記照明器具に取り付けられた、請求項１に記載のメタルハライドランプとを含むことを特徴とする照明装置。