以下、メタルハライド放電ランプに水銀を封入することによる問題と、従来の水銀を封入しない場合の問題とに分けて説明する。
1.水銀を封入することによる問題について。
現在、環境問題は、地球的規模で非常にクローズアップされており、照明分野においても、環境に悪影響を与える環境負荷物質である水銀をランプから減少し、さらには廃絶することは、非常に重要な課題であると考えられている。
したがって、従来のメタルハライド放電ランプの最大の問題点は、水銀を封入していることである。
また、水銀を封入して所望のランプ電圧を得るメタルハライド放電ランプにおいては、上記の他にも以下に示す多くの問題点がある。
その他の問題点1:始動時の分光特性の立ち上がりが悪い。
自動車の前照灯にメタルハライド放電ランプを用いる場合に、光束の瞬時立ち上がりが要求される。このために、始動ガスとしてキセノンを高圧で封入し、さらに点灯初期に大電流を流し、時間の経過とともに電流を絞っていく点灯方式が採用されている。このようにして瞬時立ち上がりは可能であるが、スイッチオン時には水銀は急速に蒸発するので、水銀がエネルギーを奪ってしまい、発光金属の蒸気圧の立ち上がりが遅いために、水銀発光の強い状態が10〜20秒後まで続く。水銀発光は、色特性的に劣るので、演色性も悪く、また色度も白色範囲に入らない。このように、分光特性の立ち上がりが甚だ悪い。したがって、所期の分光特性の発光になるまでに時間が長くかかる。
その他の問題点2:調光に適さない。
すなわち、発光管の温度が変化すると、発光の色温度が大きく変化し、これに伴い演色性も変化する。これを図28を参照して以下説明する。
図28は、従来のプロジェクション用の短アーク形メタルハライド放電ランプの発光スペクトル分布を示すグラフである。図において、横軸は波長(nm)を、縦軸は相対放射パワー(%)を、それぞれ示す。
この従来の短アーク形のメタルハライド放電ランプは、希ガスとしてアルゴン500Torr、ハロゲン化物としてヨウ化ジスプロシウム(DyI3)を1mgおよびヨウ化ネオジム(NdI3)を1mg、ならびに水銀(Hg)を13mg封入したものである。
発光スペクトルは、ジスプロシウムおよびネオジムによる連続発光と、それぞれ矢印の上に記号を付した元素による主な輝線スペクトルとからなり、水銀による輝線スペクトルが大きなパワーを有していることが分かる。
ところで、各発光金属による発光量は、そのランプ内の蒸気圧に比例的に変化する。
発光金属のハロゲン化物の蒸気圧は、水銀のそれに比較すると、著しく低いため、発光管の温度が変わると、発光金属は、そのハロゲン化物の蒸発量が変わってランプ内の蒸気圧が変化するから、発光量が変化する。
これに対して、水銀の蒸気圧は非常に高いので、発光管の温度が変化してもそれほど変化しないから、水銀の強い輝線スペクトルによる発光量は変化が少ない。
したがって、発光管への入力電力が少なくなると、相対的に水銀による発光が支配的になるために、発光の色温度が低くなるとともに、演色性が低下する。このことは、水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプは、調光に適さないことを意味する。
自動車用の前照灯の場合、欧米において採用されている日中の点灯(デイライト)のためには、調光が必要になるが、水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプにおいては、色特性が著しく低下してしまう。
その他の問題点3:特性のばらつきが大きい。
水銀を封入したメタルハライド放電ランプは、個々のランプの寸法ばらつきに伴い発光管の温度がばらつくため、同一入力でも特性のばらつきが発生しやすい。
また、長期寿命中の発光管黒化などによる最冷部温度の上昇によっても特性が変化しやすい。
このため、店舗などのように複数のメタルハライド放電ランプを用いて照明する場合に、特に問題になりやすい。
その他の問題点4:瞬時再始動が困難である。
短アーク形で小形のメタルハライド放電ランプにおいては、電極間距離が小さいので、所要のランプ電圧を得るために水銀蒸気圧を高く設定しており、水銀蒸気圧は、点灯中20気圧以上になる。
さらに、自動車用の前照灯においては、前記のように光束立ち上がりを速くするために、高圧のキセノンを封入しており、キセノンは点灯中35気圧程度になる。このように点灯中の水銀蒸気圧およびキセノン蒸気圧が非常に高くなっているので、再始動させるためには、非常に高くてパワーの大きいパルス電圧を印加しなければならない。これにより、点灯回路が高価になるのみでなく、回路、ランプおよびこれらを収納する器具を高電圧に対して絶縁する必要がある。
その他の問題点5:発光管が破裂しやすい。
上述したように、点灯時の水銀蒸気圧が高いため、初期歪ないし長期点灯中に歪が増大することにより、発光管が破裂しやすい。この問題はランプの信頼性を著しく低下させる。
その他の問題点6:投射用ではスクリーン照度が低い。
短アーク形のメタルハライド放電ランプの場合、このランプを光源として用いる液晶プロジェクタなどの光学系を介して集光し、離間位置の照射面、例えばスクリーンにおいて照度を大きく照明するような投射用の場合、放電ランプからの発光が如何にロスなく光学系を通過して照射面に到達するかが重要である。ロスを少なくして照射面の照度を向上するには、放電ランプのアークが細く絞られている必要がある。アークが絞られているということは、アーク温度の分布が急峻になっているということである。
ところが、水銀の発光は、吸収があって光学的に厚く、中・低温部分で発光の吸収によりエネルギーを吸収して温度が上昇するため、アーク温度の分布は放物線状に広がり、したがってアークを絞ることができない。
これに対して、発光金属としてスカンジウムや希土類金属を用いて、その発光を非常に多くすると、水銀が存在していても、アークを絞ることができることは知られている。しかし、上記の場合には、水銀の点灯圧力が高いと、対流が激しくなり、アークの不安定が生じて実用に供し得ない。
2.従来の水銀を封入しない場合の問題について。
前述した水銀を封入しないメタルハライド放電ランプにおいては、点灯中ヘリウムまたはネオンが著しく高い圧力になるので、これに耐えるようにすれば、確かに水銀を封入しないメタルハライド放電ランプを得ることができる。したがって、水銀を封入しないメタルハライド放電ランプが得られるという点においては、多いに評価できる。
しかしながら、点灯中の高圧力に従来の水銀を封入するメタルハライド放電ランプと同様な構造で実現することにはかなりの困難がある。例えば、小形のメタルハライド放電ランプにおいて、所要のランプ電圧が50〜60Vである場合、点灯中ヘリウムまたはネオンの圧力は150気圧を超えるであろうから、従来一般に使用されているような気密容器では、破裂に対する高い信頼性を得ることができない。
本発明は、環境負荷の大きい水銀を本質的に封入しないで所要のランプ電圧を形成することができ、水銀を封入したメタルハライド放電ランプとほぼ同等の電気特性および発光特性を有するメタルハライド放電ランプ、これを用いたメタルハライド放電ランプ点灯装置および照明装置を提供することを一般的な目的とする。
本発明は、環境負荷の大きい水銀を本質的には用いないで、水銀を封入したものとほぼ同等の電気特性を有するとともに、より優れた色度立ち上がり特性を有する白色発光のメタルハライドランプ、これを備えたメタルハライドランプ点灯装置および照明装置を提供することを具体的な目的とする。
また、本発明は、加えて光束の立ち上がり特性が良好で、瞬時再始動が容易で、調光が可能で、気密容器が破裂しにくくて、しかも、特性のばらつきが少ないメタルハライドランプ、これを備えたメタルハライドランプ点灯装置および照明装置を提供することを他の目的とする。
請求項1の発明の移動体前照灯用のメタルハライド放電ランプは、耐火性で透光性の気密容器と;気密容器内に封着した電極間距離6mm以下の一対の電極と;第1のハロゲン化物、第2のハロゲン化物および希ガスを含み、かつ、本質的に水銀を含まない構成で気密容器内に封入され、第1のハロゲン化物はナトリウムNaおよびスカンジウムScのハロゲン化物であり、第2のハロゲン化物は点灯中の蒸気圧が相対的に大きくて、かつ、第1のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物で、マグネシウムMg、鉄Fe、コバルトCo、クロムCr、亜鉛Zn、ニッケルNi、マンガンMn、アルミニウムAl、アンチモンSb、レニウムReおよびガリウムGaからなるグループの中から選択された1種または複数種の金属のハロゲン化物であり、希ガスは封入圧力が1気圧以上のキセノンである放電媒体と;
を具備し、点灯後1秒には日本工業規格JIS D 5500-1984において規定されている白色の色度範囲内に入る光の放射を生じるように動作させることを特徴としている。
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
〔気密容器について〕 耐火性で透光性の気密容器とは、放電ランプの通常の作動温度に十分耐える耐火性を備える材料であり、かつ、放電によって発生した所望波長域の可視光を外部に導出することができれば、どのようなもので作られていてもよい。例えば、石英ガラスや透光性アルミナ、YAGなどのセラミックスまたはこれらの単結晶などを用いることができる。
なお、必要に応じて、気密容器の内面に耐ハロゲン性または耐金属性の透明性被膜を形成するか、気密容器の内面を改質することが許容される。
〔電極について〕 本発明のメタルハライド放電ランプは、交流および直流のいずれで点灯するように構成してもよい。
したがって、一対の電極は、交流で作動する場合、同一構造とするが、直流で作動する場合、一般に陽極は温度上昇が激しいから、陰極より放熱面積の大きいものを用いる。
また、本発明はメタルハライド放電ランプが短アーク形である。
短アーク形とは、気密容器内に形成される電極間距離を小さくすることにより、アーク放電を電極によって安定させるいわゆる電極安定形のものである。このため、放電ランプの発光をなるべく点光源に近付けることができ、このため反射鏡またはレンズなどの光学系による集光を効率よく行うことができる。液晶プロジェクタなどの投射用や自動車用などの移動体の前照灯の場合、小形の短アーク形のメタルハライド放電ランプを用いるが、このようなメタルハライド放電ランプの電極間距離は、実際的には6mm以下が好適である。すなわち、電極間距離が6mmを超えると、点光源から離れてしまい、光学系の焦点特性が悪くなり、例えば液晶プロジェクタ用光源として用いた場合にスクリーン照度が低下してしまう。
したがって、本発明において小形で短アーク形のメタルハライド放電ランプとは、電極間距離が6mm以下のものをいう。しかし、好ましくは4mm以下、液晶プロジェクタなどの投射用において最適には1〜3mmである。なお、電極間距離は、電極の先端で計測する。
なお、長アーク形とは、気密容器内に形成される電極間距離を気密容器の内径より大きくすることにより、アーク放電を気密容器の内面で安定させるいわゆる管壁安定形のものをいう。長アーク形のメタルハライド放電ランプは、一般照明用などにおいて広く用いられている。
〔放電媒体について〕 本発明において、放電媒体は、前述したように本質的に第1のハロゲン化物、第2のハロゲン化物および希ガスを含んでいるとともに、点灯後1秒には色度範囲が所定の白色の色度範囲内に入る光の放射を生じさせるように点灯させることができる。
第1のハロゲン化物は、ナトリウムNa、スカンジウムScおよび希土類金属からなるグループの中から選択された1種または複数種のハロゲン化物である。希土類金属としては、ジスプロシウムDy、ホルミウムHo、ツリウムTmなどを用いることができる。なお、可視光を利用するために、可視光を効率よく発生する金属のハロゲン化物を第1のハロゲン化物とする場合、一般にそれらの金属のハロゲン化物は点灯中の蒸気圧が必ずしも高くない。
第2のハロゲン化物は、マグネシウムMg、鉄Fe、コバルトCo、クロムCr、亜鉛Zn、ニッケルNi、マンガンMn、アルミニウムAl、アンチモンSb、レニウムReおよびガリウムGaからなるグループの中から選択された一種または複数種のハロゲン化物を主体としている。これらの第2のハロゲン化物は、点灯中の蒸気圧が相対的に大きくて、かつ、第1のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくいという特徴を有している。なお、「蒸気圧が大きい」とは、水銀のように大きすぎる必要はなく、好ましくは点灯中の気密容器内の圧力は5気圧程度以下のことである。「第1のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくい」とは、絶対的な意味で可視光の発光が少ないという意味ではなく、相対的な意味である。なぜなら、確かにFeやNiは、紫外域発光の方が可視域発光より多い。したがって、これらの可視域発光の多い金属を単独で発光させると、エネルギーが当該金属に集中するので、可視域発光が多い。しかし、第2のハロゲン化物の金属が第1のハロゲン化物の金属よりエネルギー準位が高いために発光しにくいのであれば、第1および第2のハロゲン化物が共存している状態では、エネルギーが第1のハロゲン化物の発光に集中するので、第2のハロゲン化物を構成する金属の発光は少なくなる。したがって、これらの金属も本発明における第2のハロゲン化物として適当である。
また、第2のハロゲン化物は、上記のグループの中でも、鉄Fe、亜鉛Zn、マンガンMn、アルミニウムAlおよびガリウムGaからなる第2のグループの中から選択された一種または複数種のハロゲン化物が特に好適である。これらの金属は、また第2のハロゲン化物の主成分として用いるのに好適である。これに対して、マグネシウムMg、コバルトCo、クロムCr、ニッケルNi、アンチモンSbおよびレニウムReからなる第3のグループから選択された1種または複数種は、これを第2のハロゲン化物の副成分として添加することにより、さらにランプ電圧を高くすることができる。
表1は、第2のハロゲン化物を1気圧になる温度とともに、例示している。なお、これらの値は文献などによって多少異なり、したがって表1の温度値はおおよその値と理解すべきである。
[表1]
No. 第2のハロゲン化物 1気圧になる温度(℃)
1 AlI3 422
2 FeI2 827
3 ZnI2 727
4 SbI3 427
5 MnI2 827
6 CrI2 827
7 GaI3 349
8 ReI3 627
9 MgI2 927
10 CoI2 827
11 NiI2 747
表1に示す第2のハロゲン化物は、その殆どが水銀より蒸気圧が低く、またランプ電圧の調整範囲が水銀より狭いが、上述したように必要に応じてこれらを複数種混合して封入することにより、ランプ電圧の調整範囲を拡大することができる。たとえば、AlI3が不完全蒸発の状態になっていて、しかも、所望のランプ電圧が得られていない場合には、AlI 3 を追加してもランプ電圧は変わらない。
これに対して、AlI3の追加に代えてZnI2を添加すれば、ZnI2の作用により生じる分のランプ電圧が加算されるので、ランプ電圧を増加させることができる。
また、第2のハロゲン化物は、可視光の発光が禁止されるものではなく、放電ランプが放射する全可視光に対する割合が小さくて影響が少なければ、許容される。
さらに、本発明において第2のハロゲン化物は、気密容器の内容積1cc当たり0.05mg以上封入することが許容される。なお、たとえば前照灯用などの小形のメタルハライド放電ランプとして好適には1〜200mg封入することができる。
ハロゲンについて説明する。第1および第2のハロゲン化物を構成するハロゲンとしては、反応性が最も適当なのはヨウ素であり、臭素、塩素、フッ素の順に反応性が強くなっていくが、要すれば以上のいずれを用いてもよい。また、例えばヨウ化物および臭化物のように異なるハロゲンの化合物を併用することもできる。
希ガスは、始動用および緩衝ガスとして作用するガスであり、気密容器に封入されている。希ガスは、キセノン、アルゴンまたはクリプトンを一種または複数種を混合して用いることができる。
また、希ガスの封入圧力は1気圧以上である。これにより、メタルハライドランプの光束立ち上がり特性を向上させることができる。光束立ち上がり特性が良好であることは、自動車などの移動体の前照灯において極めて重要である。なお、好適には1〜15気圧である。光束立ち上がり特性が良好であることは、どのような使用目的であっても好都合であるが、特に自動車などの移動体の前照灯、液晶プロジェクタなどにおいて極めて重要である。
所定の白色の色度範囲について説明する。本発明においては、メタルハライド放電ランプの点灯により生じる光の色度が日本工業規格JIS D 5500−1984において規定されている白の色度の範囲に入るように点灯させる。上記規格は、自動車用ランプ類の規格を定めていて、その中で白の色度範囲を規定している。したがって、本発明のメタルハライド放電ランプは、上記の色度範囲を満足することを要件としていることによって、前照灯などの自動車用としてJIS規格に適合する色度の白の発光色が得られる。
水銀について説明する。本発明において、「本質的に水銀が封入されていない」とは、
水銀が封入されていても気密容器の内容積1cc当たり0.3mg未満(好ましくは0.2mg以下)であるという意味である。しかし、水銀を全く封入しないことは環境上望ましいことであるから、上記定義は水銀を全く封入していない状態を含む。従来のように水銀蒸気によってメタルハライドランプの電気特性を維持する場合には、短アーク形においては気密容器の内容積1cc当たり20mg以上、また長アーク形においては同じく5mg以上封入していたことからすれば、本発明は水銀を本質的に含まないといえる。
〔本発明の作用について〕 以上の説明から明らかなように、本発明においては、所望の発光を主として担当する金属のハロゲン化物である第1のハロゲン化物の他に、ランプ電圧を維持するために、前記特定グループから選択された金属のハロゲン化物を第2のハロゲン化物として、本質的には水銀に代えて封入している。これにより、ランプ電圧は、第2のハロゲン化物により所要値に維持することができる。なお、この場合のランプ電圧は、主として第2のハロゲン化物の蒸発量で決まる。第2のハロゲン化物が不完全蒸発の場合、蒸発量は第2のハロゲン化物の蒸気圧で決まる。ハロゲン化物の蒸気圧は最冷部温度で決まる。また、第2のハロゲン化物は、その点灯中の蒸気圧が水銀のそれよりは低いが、第1のハロゲン化物よりは明らかに高いし、また前述のようにそれが5気圧以下程度でも差し支えない。
したがって、本発明のメタルハライド放電ランプにおいては、水銀を本質的に封入することなく所望に作動し、水銀を封入した従来技術とほぼ同等の電気特性を有するようにランプ電圧を維持するとともに、従来技術より優れた発光特性すなわち白色の優れた色度立ち上がり特性および高い演色性を得ることができる。なお、ここで「ほぼ」とは、従来技術に比較して実用可能な範囲内で多少劣るような差があることを許容するという意味である。この程度のことは、メタルハライド放電ランプが電子化されている点灯装置によって点灯されることを考慮すれば、実用上全く差し支えない範囲である。しかし、前述したように所望により気密容器に保温手段を適用することにより、さらにランプ電圧を高くすることもできる。
以上の動作に基づいて、以下に列挙する本発明の目的を達成する主な効果および付随的な効果を奏する。また、電極間距離が6mm以下であることで、本発明のメタルハライドランプの発光が点光源に近づくため、自動車などの移動体の前照灯の用途に好適である。
1.始動時の色度立ち上がり特性が優れている。
水銀を本質的に封入していないことにより、始動時から第1のハロゲン化物を構成する発光金属による白色の発光が主として寄与するので、始動時の色度立ち上がり特性が優れ、発光の色度が始動とほぼ同時に前照灯用メタルハライドランプの規格に規定されている白色の色度(日本工業規格JIS D 5500-1984において自動車用ランプ類の解説の中で説明されている白の色度範囲)の範囲に入るように点灯させることができる。このため、始動時における発光の色度に違和感がない。
これに対して、水銀を封入している従来の前照灯用のメタルハライドランプの場合、始動時の10〜20秒間の発光は水銀発光が主であり、そのため演色性が悪いとともに、色度が所定の色度範囲から大きく逸脱する。
2.白色の発光が得られる。
第1のハロゲン化物がナトリウムNaおよびスカンジウムScのハロゲン化物を含んでいて、しかも、水銀を本質的に封入していないので、点灯直後から第1のハロゲン化物の金属が発光するため、白色の発光が得られる。白色光は、用途が広い。
3.始動時の光束立ち上がり特性を良好にすることができる。
キセノンなどの希ガスを1気圧以上の圧力で封入しているので、上記の色度立ち上がり特性に加えて、始動時の光束立ち上がり特性が良好になる。
したがって、本発明によれば、上記1〜3.の効果により、前照灯として好適なメタルハライド放電ランプを得ることができる。
4.反射鏡を用いた光学系において、高い集光効率が得られる。
本発明のメタルハライド放電ランプは、反射鏡を用いた光学系と組み合わせると、驚くべきことに極めて高い集光効率が得られることが分かった。その理由は、水銀に代えて第2のハロゲン化物を封入すると、図16に示すようにアークが絞られることが効果的に作用している。
このため、本発明のメタルハライド放電ランプをたとえば前照灯の光源として用いると、照射面照度を著しく向上させることができる。
5.瞬時再始動が容易になる。
本発明においては、第2のハロゲン化物の蒸気圧が、水銀に較べると、殆どの場合、明らかに低いので、瞬時再始動が容易になる。このため、再始動のために印加する始動パルス電圧の波高値を低減することができるので、点灯回路、イグナイタ、配線および照明器具の絶縁耐力を低くして安価にすることができる。
6.調光が可能になる。
ランプへの入力が変化した場合でも、発光の色温度および演色性の変化が少ないので、調光が可能となる。したがって、日中の点灯(デイライト)が可能になる。
7.気密容器の点灯中の破裂が少なくなる。
本発明においては、点灯中の蒸気圧が極端に高くならないで、水銀封入時の60%程度に低減させることが容易であるため、気密容器の点灯中の破裂が少なくなる。
8.形状および寸法などのばらつきに対する発光色のばらつきが少ない。
発光管の形状および寸法などのばらつきに対するランプ特性の変化が少ないので、発光色のばらつきが少ない。
9.直流点灯するのに好適である。
水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプを直流点灯すると、発光金属のナトリウムNaおよびスカンジウムScは正にイオン化されるので、陰極側に吸引され、陽極側は陰極側に比較して発光金属の濃度が小さくなる。一方、水銀も多少陰極側に吸引されるが、元々水銀の量は圧倒的に多いので、陽極側にも十分な量の水銀が存在する。その結果、陰極側は発光金属が十分発光するが、陽極側は発光金属の発光が著しく弱くなり、水銀の発光が主となる。このため、電極間に著しい色分離を来すので、実用に適さない。したがって、色分離を問題にする応用分野においては、水銀を封入するメタルハライド放電ランプは、専ら交流点灯により使用されている。
これに対して、本発明おいては、水銀を本質的に封入しない代わりに前記特定グループから選択された金属のハロゲン化物を第2のハロゲン化物を封入することにより、直流点灯を行なっても、電極間の色温度の差は小さく、十分に実用できる。これは第2のハロゲン化物は、可視域に発光しにくいので、第1のハロゲン化物の金属が陽極側でも強く発光するからである。
<その他の構成について> 本発明の必須構成要件ではないが、必要に応じて以下の構成を付加することができる。
1.外管について
外管は、その内部に発光管を収納する。外管を用いることにより、気密容器を機械的保護することができる。なお、要すれば、下記のように外管の内部を真空にすることができる。ここで、発光管は、気密容器、一対の電極および放電媒体により構成される。
2.保温手段について
保温手段は、発光管から発生した熱の損失を少なくするとともに、その結果、第2のハロゲン化物の蒸気圧を比較的少ない熱量でなるべく高い蒸気圧に維持する手段であり、発光管から発生した熱の損失を少なくすることができるのであれば、どのような構成であってもよいが、たとえば以下のような構成であることが許容される。
上記発光管を内部に収納する外管を配設するとともに、その外管内を真空にすることにより、発光管からの発生熱の対流および伝導による熱損失が低減して放電媒体が保温される。この場合、外管の具体的な構造、形状および構成材料は問わない。なお、外管内が真空であるとは、外管内が10Torr以下の圧力であることをいう。
また、発光管から外部に放射される熱線を反射して発光管へ戻すとともに、可視光を透過する熱線反射・可視光透過膜を備えることにより、放射による熱損失を低減して放電媒体を保温することができる。熱反射・可視光透過膜は、発光管と外管との間に配設した石英ガラスなどからなる円筒体や外管の内面、外面または内外両面に形成するか、発光管の外面に形成することができる。
さらに、上記の各手段を適宜組み合わせて実施することができるのはいうまでもない。
そうして、発光管から発生する熱の損失を少なくする保温手段を備えているので、発光管の内部で放電により発生した熱の損失が少ないから、発光管の熱損失が低減して発光効率が向上する。
3.ランプ電力について
ランプ電力は、前照灯、液晶プロジェクタなどの用途の場合、100W以下にするのがよい。
4.紫外線除去手段について
紫外線除去手段は、メタルハライド放電ランプから外部へ導出される光から紫外線を実質的に除去する手段である。なお、「紫外線を実質的に除去する」とは、実用上紫外線の量が許容される範囲にまで除去されていることを意味するもので、紫外線が完全に100%カットされていなければならないものではない。
また、紫外線除去手段は、紫外線が実質的に除去されていれば、どのような構造であってもよい。たとえば、紫外線カット性能を有する組成のガラス材料からなる外管内に発光管を収納する。なお、外管内は外気と連通していてもよいし、気密で、しかも内部を真空にしてあってもよい。また、「発光管」とは、気密容器、一対の電極および放電媒体から構成され、外管に対する用語として理解しやすい。
さらに、気密容器の内面または気密容器自体に紫外線除去性能を付与してもよい。気密容器の内面または外面の材料組織を紫外線遮断性の組織に置換したり紫外線遮断性の透光性材料の膜を被着させたりすることにより、紫外線遮断性能を付与できる。
さらにまた、発光管の外側に紫外線遮断性の筒体を配設することができる。
そうして、紫外線除去手段により外部へ導出される紫外線が実質的に除去されるので、照明装置たとえば前照灯が紫外線によって劣化するのを防止するとともに、人の眼を紫外線の照射から防止する。
〔実施に際して許容される態様について〕 本発明のメタルハライド放電ランプは、その実施に際して以下の各態様を採用することが許容される。
(第1の態様) 第1の態様は、次の構成である。すなわち、耐火性で透光性の気密容器と、気密容器に封着した一対の電極と、第1のハロゲン化物、第2のハロゲン化物および希ガスを含んで気密容器内に封入され、第1のハロゲン化物は、ナトリウムNaおよびスカンジウムScのハロゲン化物であり、第2のハロゲン化物は、蒸気圧が高くてランプ電圧を主として決定している金属ハロゲン化物である放電媒体とを具備し、本質的に水銀が封入されていないことを特徴としている。
この態様は、第1のハロゲン化物を、可視光を発光し、かつ、発光効率および演色性の点から一般的な各種用途に好適な金属のハロゲン化物範囲に特定したものである。この第1のハロゲン化物の範囲内で任意の1種または複数種を用いてメタルハライド放電ランプを構成することができる。また、第2のハロゲン化物は、本発明におけるように蒸気圧が高くてランプ電圧を主として決定している。そして、第2のハロゲン化物は、第1のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物でもある。
第1の態様において、希ガスの圧力を1気圧以上として光束立ち上がり特性を向上させることができる。
そうして、第1の態様によれば、第1のハロゲン化物を構成する金属をナトリウムおよびスカンジウムとしたことで、発光効率および演色性の点において一般的な各種用途に好適なメタルハライド放電ランプを提供することができる。
また、水銀を用いない、すなわち水銀を本質的に封入していない(以下、同じ。)ことにより、本発明の前述した作用および効果を奏する。
(第2の態様) 第2の態様は、次の構成である。すなわち、前記放電媒体は、セシウムCsのハロゲン化物を含んでいることを特徴とし、第1の態様との組み合わせが許容される。
第2の態様においては、セシウムのハロゲン化物を第3のハロゲン化物として封入していることにより、アークの温度分布が水銀を封入した場合のように平坦になって温度勾配が小さくなるために、発光管の熱損失が低減する。このため、セシウムのハロゲン化物を封入しない場合より発光効率が向上し、水銀を封入する場合に近づく。
さらに詳述すると、以下のとおりである。すなわち、ハロゲン化セシウムがアーク中で分解して生じるセシウムは、イオン化電圧が低く、アーク中の比較的温度が低い領域であるところの「アーク中の中温度部分」でもイオン化して電子を放出しやすい。このため、アーク中にセシウムが存在することにより、アーク中の中温度部分の電子濃度が高くなる。
ところで、電気伝導度(σ)は、電子密度に比例する。ある温度部分のエネルギー入力は、電界強度をEとすると、σE2であるから、電気伝導度(σ)が大きいほど、換言すれば電子密度が大きいほど大きい。
したがって、セシウムのハロゲン化物を封入すると、アーク中の中温度領域のエネルギー入力が大きくなり、その結果、アーク中の中温度領域の温度が上昇する。
これに対して、メタルハライド放電ランプへの全入力は一定のため、エネルギーバランスから、アークの高温度部分の温度は相対的に低下する。
以上の理由から、アークの温度分布が水銀を封入した場合のように平坦になって温度勾配が小さくなる。
一方、従来の水銀を封入したメタルハライド放電ランプにおいては、水銀も発光するが、水銀自体は前述したように発光効率が高くない。これに対して、第2の態様においては、水銀を本質的に封入していないので、発光効率が水銀より高い発光金属、例えばスカンジウムScおよびナトリウムNaを用いることにより、高い発光効率を有するメタルハライド放電ランプを実現することができる。
以上を要約すると、第2の態様によれば、セシウムのハロゲン化物を封入したことにより、アークの温度分布を平坦化して熱損失を低減して発光効率を向上したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
また、水銀を用いない、すなわち水銀を本質的に封入していない(以下、同じ。)ことにより、前述した本発明の作用および効果を奏する。
(第3の態様) 第3の態様は、次の構成である。すなわち、耐火性で透光性の気密容器、気密容器に封着した一対の電極、ならびに少なくとも発光金属のハロゲン化物からなる第1のハロゲン化物、蒸気圧が高くてランプ電圧を主として決定している金属ハロゲン化物からなる第2のハロゲン化物および希ガスを含んで気密容器内に封入された放電媒体を備えた発光管と、発光管を収納する外管と;発光管から発生した熱の損失を少なくする保温手段と、を具備し、本質的に水銀が封入されていないことを特徴としている。
本態様は、発光管から発生した熱の損失を少なくする保温手段を備えることにより、熱損失を低減して発光効率を向上するように構成したものである。
保温手段としては、発光管から発生した熱の損失を少なくすることができるのであれば、どのような構成であってもよいが、例えば以下のような構成であることが許容される。
外管内を真空にすることにより、発光管からの発生熱の対流および伝導による熱損失が低減して放電媒体が保温される。この場合、具体的な構造、形状および構成材料は問わない。なお、本発明において、外管内が真空であるとは、外管内が10Torr以下の圧力であることをいう。
また、発光管から外部に放射される熱線を反射して発光管へ戻すとともに、可視光を透過する熱線反射・可視光透過膜を備えることにより、放射による熱損失を低減して放電媒体を保温することができる。熱反射・可視光透過膜は、発光管と外管との間に配設した石英ガラスなどからなる円筒体や外管の内面、外面または内外両面に形成するか、発光管の外面に形成することができる。
さらに、上記の各保温手段を適宜組み合わせて実施することができるのはいうまでもない。
第3の態様において、希ガスの圧力を1気圧以上として光束立ち上がり特性を向上させることができる。
そうして、本態様においては、発光管から発生する熱の損失を少なくする保温手段を備えているので、発光管の内部で放電により発生した熱の損失が少ないから、発光管の熱損失が低減して発光効率が向上する。
以上を要約すると、第3の態様によれば、加えて発光管から発生した熱の損失を少なくする保温手段を備えたことにより、熱損失を低減して発光効率を向上したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
また、水銀を用いないことにより、前述した本発明における作用および効果を奏する。
(第4の態様) 第4の態様は、次の構成である。すなわち、耐火性で透光性の気密容器と、気密容器に封着した陽極および陰極と、第1のハロゲン化物、第2のハロゲン化物および希ガスを含んで気密容器内に封入され、第1のハロゲン化物は、ナトリウムNaおよびスカンジウムScおよび希土類金属のハロゲン化物であり、第2のハロゲン化物は、蒸気圧が高くてランプ電圧を主として決定している金属ハロゲン化物である放電媒体と、を具備し、本質的に水銀が封入されていないとともに直流で点灯されることを特徴としている。
水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプを直流点灯すると、発光金属の例えばナトリウムNaおよびスカンジウムScは正にイオン化されるので、陰極側に吸引され、陽極側は陰極側に比較して発光金属の濃度が小さくなる。一方、水銀も多少陰極側に吸引されるが、元々水銀の量は圧倒的に多いので、陽極側にも十分な量の水銀が存在する。その結果、陰極側は発光金属が十分発光するが、陽極側は発光金属の発光が著しく弱くなり、水銀の発光が主となる。このため、電極間に著しい色分離を来すので、実用に適さない。したがって、色分離を問題にする応用分野においては、水銀を封入するメタルハライド放電ランプは、専ら交流点灯により使用されている。
これに対して、本態様においては、水銀を本質的に封入しない代わりに第2のハロゲン化物を封入するとともに、直流点灯するように構成しているにもかかわらず、電極間の色温度の差は小さく、十分に実用できる。これは第2のハロゲン化物は、可視域に発光しにくいので、第1のハロゲン化物の金属が陽極側でも強く発光するからである。
また、自動車などの移動体の前照灯および液晶プロジェクタ用ランプなどでは、メタルハライド放電ランプを電子化された点灯装置を用いられているが、交流点灯の場合には、バッテリー電源の直流または商用周波数の交流を整流した直流を高周波交流に変換してからメタルハライド放電ランプに供給するのが一般的である。
これに対して、本態様においては、直流点灯する構成であるから、高周波交流に変換する必要がない。このため、電子化点灯装置の回路構成を簡素化して、小形、軽量、かつ、安価な点灯装置を用いることができる。
第4の態様において、希ガスの圧力を1気圧以上として光束立ち上がり特性を向上させることができる。
以上を要約すると、第4の態様によれば、直流で点灯するように構成したことにより、直流で点灯しても色分離の問題が少ないメタルハライド放電ランプを提供することができる。
さらに、水銀を用いないことにより、前述した本発明における作用および効果を奏する。
(第5の態様) 第5の態様は、次の構成である。すなわち、耐火性で透光性の気密容器と、気密容器に封着した一対の電極と、第1のハロゲン化物、第2のハロゲン化物および希ガスを含んで気密容器内に封入され、第1のハロゲン化物は、ナトリウムNaおよびスカンジウムScからなるハロゲン化物であり、第2のハロゲン化物は、蒸気圧が高くてランプ電圧を主として決定している金属ハロゲン化物である放電媒体と、を具備し、本質的に水銀が封入されていないとともに定格ランプ電力が100W以下の前照灯用であることを特徴としている。
自動車などの移動体の前照灯用で定格ランプ電力が100W以下のメタルハライド放電ランプは、電極間距離が小さくて管壁負荷が大きいという特徴がある。
このため、水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプの場合には、既述のように所要のランプ電圧を得るために水銀蒸気圧が20気圧以上の高圧になり、これに伴って気密容器が相対的に破損しやすい。
また、光束立ち上がり特性を向上させる必要からキセノンも高圧で封入し、点灯中35気圧程度になる。このため、始動ガスを絶縁破壊して始動させるのに高電圧で、しかもパワーの大きな始動用のパルス電圧を印加する必要がある。瞬時再始動時には、さらに高い始動用のパルス電圧が必要となるから、点灯回路、照明器具および配線の絶縁耐力のグレードを見合う高さにする必要があり、したがって、高価になる。
さらに、キセノンの高圧封入と、高い始動用パルス電圧の印加および点灯直後に大電流を流し、徐々に電流を低減させる手段の採用とにより、光束立ち上がり特性の問題は解決したが、色度立ち上がり特性が悪い。すなわち、最初キセノンが発光し、次に水銀が発光する。この水銀の発光は10〜20秒後まで続く。水銀の発光は、演色性が悪く、必要な白色範囲にも入らない。
これに対して、本態様においては、水銀を封入しないので、従来の60%程度の圧力にすることができ、気密容器の破損の問題、始動用のパルス電圧の問題が著しく軽減される。
また、第1のハロゲン化物をナトリウムNaおよびスカンジウムScからなるグループに限定したことにより、前照灯として必要な白色発光でありながら発光効率がすこぶる高い発光が得られる。
第5の態様において、希ガスの圧力を1気圧以上として光束立ち上がり特性を向上させることができる。
以上を要約すると、第5の態様によれば、加えて第1のハロゲン化物をナトリウムおよびスカンジウムに規定するとともに、定格ランプ電力を100W以下に規定したことにより、発光効率が高く、白色光であるとともに色度立ち上がり特性が良好で自動車などの移動体の前照灯用として好適な小形のメタルハライド放電ランプを提供することができる。
さらに、水銀を封入しないことにより、本発明における作用および効果を奏するので、本発明の構成は移動体の前照灯として甚だ好適なものである。
(第6の態様) 第6の態様は、次の構成である。すなわち、前記第2のハロゲン化物は、マグネシウムMg、鉄Fe、コバルトCo、クロムCr、亜鉛Zn、ニッケルNi、マンガンMn、アルミニウムAl、アンチモンSb、レニウムReおよびガリウムGaからなるグループの中から選択された1種または複数種の金属のハロゲン化物であることを特徴としていて、第1ないし第5のいずれか一記載の態様との組み合わせを許容する。
本態様は、第2のハロゲン化物として好適な金属を特定したものである。
第6の態様によれば、加えて水銀に代えることができる第2のハロゲン化物を形成する金属を効果的なものに規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第7の態様) 第7の態様は、次の構成である。すなわち、前記第2のハロゲン化物は、鉄Fe、亜鉛Zn、マンガンMn、アルミニウムAlおよびガリウムGaからなるグループの中から選択された1種または複数種のハロゲン化物を主体としていることを特徴としていて、第1ないし第6のいずれか一記載の態様との組み合わせを許容する。
本態様は、第2のハロゲン化物として最適な金属を特定したものである。ただし、これらの金属は、主成分として用いられて最適であるが、マグネシウムMg、コバルトCo、クロムCr、ニッケルNi、アンチモンSbおよびレニウムReのグループから選択された1種または複数種を副成分として添加することにより、さらにランプ電圧を高くすることができる。
第7の態様によれば、加え第2のハロゲン化物を形成する金属としてさらに効果的なものを規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第8の態様) 第8の態様は、次の構成である。すなわち、前記第2のハロゲン化物は、気密容器の内容積1cc当たり0.05〜200mg封入されていることを特徴としていて、第1ないし第7のいずれか一記載の態様との組み合わせを許容する。
本態様は、第2のハロゲン化物の一般的に適用可能な封入量の範囲を特定している。封入するハロゲン化物によっては、好適な範囲はさらに狭いが、全体としての範囲であることを留意すれば許容される。
第8の態様によれば、加えて第2のハロゲン化物の封入量の効果的な範囲を規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第9の態様) 第9の態様は、次の構成である。すなわち、第2のハロゲン化物は、第5の態様において、気密容器の内容積1cc当たり1〜200mg封入されていることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用として好適な第2のハロゲン化物の封入量を規定したものである。
第9の態様によれば、加えて移動体の前照灯用として効果的な第2のハロゲン化物の封入量を規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第10の態様) 第10の態様は、次の構成である。すなわち、第5の態様または第9の態様において、希ガスは、1〜15気圧の圧力で封入されていることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用として好適な希ガスの封入圧力を規定したものである。
第10の態様によれば、加えて移動体の前照灯用として効果的な希ガスの封入圧力を規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第11の態様) 第11の態様は、次の構成である。すなわち、第5、9または10の態様において、気密容器は、最大径部が内径3〜10mm、外径が5〜13mmであることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用としてのメタルハライド放電ランプにおける気密容器の好適な寸法を規定したものである。
第11の態様によれば、加えて移動体の前照灯用として効果的な気密容器のサイズを規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第12の態様) 第12の態様は、次の構成である。すなわち、第5または9ないし11のいずれか一の態様において、電極間距離が1〜6mmであることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用として好適な電極間距離を規定したものである。電極間距離が6mmを超えると、点光源から離れてしまい、集光作用が低下する。電極間距離は、さらに好ましくは1〜5mmである。
第12の態様によれば、加えて移動体の前照灯として効果的な電極間距離を規定したメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第13の態様) 第13の態様は、次の構成である。すなわち、第5または9ないし12のいずれか一の態様において、直流で点灯されるように構成されていることを特徴としている。
本態様は、直流点灯することにより、移動体の前照灯用として点灯装置を小形、軽量かつ安価にできるメタルハライド放電ランプを提供するものである。すなわち、自動車などの移動体は、前述のように一般的にバッテリー電源を備えているので、直流を交流に変換してからメタルハライド放電ランプに供給して点灯するより、直流を使用する方が点灯装置の回路構成が簡素化される。なお、直流を所望の電圧にするために、昇圧チョッパまたは降圧チョッパなどの制御手段を用いる場合であっても上記の効果は不変である。なぜなら、交流点灯の場合であっても上記制御手段を必要な場合には用いるからである。
このように直流点灯が可能なのは、水銀を封入しないことに伴い色分離が実用上差し支えない程度になるからである。
第13の態様によれば、加えて直流で点灯するように構成したことにより、移動体の前照灯用として点灯装置を小形、軽量、かつ安価にできるメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第14の態様) 第14の態様は、次の構成である。すなわち、第5または9ないし13のいずれか一の態様において、放電媒体は、セシウムのハロゲン化物を含んでいることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用としてのメタルハライド放電ランプにおいて、セシウムのハロゲン化物を封入してアークの勾配を平坦化して発光効率を向上するようにしたもので、これにより発光効率は従来の水銀を封入したものよりさらに高くすることができる。
第14の態様によれば、加えてセシウムのハロゲン化物を封入したことにより、移動体の前照灯用として発光効率が高いメタルハライド放電ランプを提供することができる。
(第15の態様) 第15の態様は、次の構成である。すなわち、第5または9ないし14のいずれか一の態様において、気密容器を収納し、内部が真空に維持された外管を備えていることを特徴としている。
本態様は、移動体の前照灯用としてのメタルハライド放電ランプにおいて、気密容器を内部が真空の外管に収納して気密容器の熱損失を低減することにより、発光効率を向上するようにしたもので、これにより発光効率は従来の水銀を封入したものよりさらに高くすることができる。
第15の態様によれば、加えて内部を真空にした外管内に発光管を収納したことにより、移動体の前照灯用として発光効率が高いメタルハライド放電ランプを提供することができ
る。
(第16の態様) 第16の態様は、次の構成である。すなわち、第5または9ないし15のいずれか一の態様において、外部に導出される光から紫外線を実質的に除去する紫外線除去手段を備えていることを特徴としている。
「紫外線を実質的に除去する」とは、実用上紫外線の量が許容される範囲にまで除去されていることを意味するもので、紫外線が完全に100%カットされていなければならないものではない。
紫外線除去手段は、紫外線が実質的に除去されていれば、どのような構造であってもよい。たとえば、発光管を紫外線カット性能を有する組成のガラス材料からなる外管内に発光管を収納する。なお、外管内は外気と連通していてもよいし、気密で、しかも内部を真空にしてあってもよい。
また、発光管の内面または自体に紫外線除去性能を付与してもよい。発光管の内面または外面の材料組織を紫外線遮断性の組織に置換したり紫外線遮断性の透光性材料の膜を被着させたりすることにより、紫外線遮断性能を付与できる。
さらに、発光管の外側に紫外線遮断性の筒体を配設してもよい。
そうして、本態様においては、外部に導出される紫外線を実質的に除去するので、前照灯が紫外線によって劣化したり、人の眼を紫外線の照射から防止したりする。
また、外管を用いる場合には、外管によって気密容器を機械的保護することも可能である。
以上を要約すると、第16の態様によれば、加えて紫外線カット性能を有する外管を備えていることにより、前照灯の劣化がないとともに紫外線を放射しないメタルハライド放電ランプを提供することができる。
本発明のメタルハライド放電ランプ点灯装置は、本発明のメタルハライド放電ランプと;メタルハライド放電ランプを点灯する電子化点灯装置と;を具備していることを特徴としている。
上記本発明のメタルハライド放電ランプ点灯装置は、本発明あるいは第1ないし第15の態様のいずれか一記載のメタルハライド放電ランプを、水銀を封入した従来技術とほぼ同等の電気特性および発光特性を得るように点灯させるのに好適なメタルハライド放電ランプ点灯装置を規定している。なお、ここで「ほぼ」とは、従来技術に比較して実用可能な範囲内で多少劣るような差があることを許容するという意味である。このことはまた、この種のメタルハライド放電ランプは電子化点灯装置によって点灯されることもあることを考慮すれば、実用上全く差し支えない範囲である。
そうして、本発明によれば、水銀を封入した従来技術によるメタルハライド放電ランプとほぼ同等の電気特性および発光特性を得るように本発明のメタルハライド放電ランプを点灯するメタルハライド放電ランプ点灯装置を提供することができる。
以上説明した本発明のメタルハライド放電ランプ点灯装置の実施に際して次の態様を採用することが許容される。
すなわち、本発明は、本発明あるいは第5ないし第15の態様のいずれか一記載のメタルハライド放電ランプと;メタルハライド放電ランプを点灯直後に定格ランプ電流の3倍以上の電流を供給し、時間の経過に伴い電流を低減するように構成されている点灯回路と;を具備していることを特徴としている。
第1の態様は、移動体の前照灯用として要求される光色立ち上がり特性を満足するメタルハライド放電ランプ点灯装置を規定している。
点灯回路は、交流動作および直流動作のいずれでもよい。
また、点灯回路は、上記の構成を具備していれば、回路構成は問わない。
そうして本態様によれば、点灯直後に定格ランプ電流の3倍以上の電流を流し、時間の経過とともに徐々に電流を絞る点灯回路を備えていることにより、瞬時光束立ち上がり特性および瞬時色度立ち上がりが良好で、移動体の前照灯用として好適なメタルハライド放電ランプ点灯装置を提供することができる。
本発明の照明装置は、照明装置本体と;照明装置本体に支持された本発明あるいは第1ないし第15の態様のメタルハライド放電ランプと;メタルハライド放電ランプを点灯する点灯装置と;を具備していることを特徴としている。
本発明は、本発明あるいは第1ないし第15の態様のいずれか一記載のメタルハライド放電ランプを何らかの照明の目的のために使用する装置の全てに適応するものである。短アーク形の場合には、特に反射鏡およびまたはレンズなどの光学系と組み合わせて用いる照明装置、例えば液晶プロジェクタ、オーバヘッドプロジェクタ、自動車などの移動体の前照灯、光ファイバー照明装置、スポットライトなどの店舗用照明器具などに好適である。
また、長アーク形の場合には、一般照明用の各種照明器具、例えばダウンライト、天井直付け灯、道路用照明器具、トンネル用照明器具および投光器など、さらには表示装置などに用いることができる。
点灯装置は、本発明あるいは第1ないし第15の態様のメタルハライド放電ランプを点灯するのであればどのような構成であってもよい。
本発明によれば、電極間距離6mm以下で、放電媒体がナトリウムNaおよびスカンジウムScからなるハロゲン化物である第1のハロゲン化物と、点灯中の蒸気圧が相対的に大きくて、かつ、第1のハロゲン化物の金属に比較して可視域に発光しにくい金属のハロゲン化物で、かつ前記特定グループの金属のハロゲン化物から選択された第2のハロゲン化物と、封入圧力が1気圧以上のキセノンである希ガスとを含んでいて、点灯後1秒には日本工業規格JIS D 5500-1984において規定されている白色の色度範囲内に入る光の放射を生じさせるように点灯させることにより、以下に列挙する従来のメタルハライド放電ランプより優れた発光特性および付随的な効果を有する移動体前照灯用のメタルハライド放電ランプを提供することができる。
1.始動時の色度立ち上がり特性が水銀を封入する従来のメタルハライド放電ランプより優れている。
2.白色の発光が高い発光効率で得られる。
3.始動時の光束立ち上がり特性が良好になる。
4.例えば自動車前照灯、液晶プロジェクタなどの反射鏡を用いた光学系において、高い集光効率が得られる。
5.瞬時再始動が容易になる。
6.調光が可能になる。
7.気密容器の点灯中の破裂が少なくなる。
8.形状および寸法などのばらつきに対する発光色のばらつきが少ない。
9.直流点灯するのにも好適である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
〔実施形態1について〕 実施形態1は、メタルハライド放電ランプの一例である。
図1は、本発明を実施するための第1の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す正面図である。図において、1は気密容器、2は電極、3は封着金属箔、4は外部リード線である。
気密容器1は、石英ガラスを内径14mmの回転楕円面形状に成形してなり、楕円の長軸方向の両端に一対の細長い封止部1a、1aを一体に備えている。
電極2は、電極軸2aおよび電極軸2aの先端部を少し突出させて電極コイル2bを巻回してなる。電極軸2aの基部は、封止部1a内において、封着金属箔3の一端に溶接されている。電極間距離は4mmに設定されている。
封着金属箔3は、モリブデン箔からなり、封止部1a内に気密に封着されるとともに、他端に外部リード線4が溶接されている。
気密容器1内には、放電媒体として、希ガス、第1のハロゲン化物および第2のハロゲン化物が封入されている。
希ガスとして、アルゴン500Torrを封入した。
第1のハロゲン化物として、ヨウ化ジスプロシウムDyI3を1mg、ヨウ化ネオジムNdI3を1mg封入した。
第2のハロゲン化物として、表1に示すハロゲン化物を8mg封入した。
そうして、得られた短アーク形のメタルハライド放電ランプについて、入力電力150W一定で点灯して,ランプ電圧、発光効率および色温度を、以下に示す従来例とともに測定した結果を表2に示す。
なお、従来例は、第2のハロゲン化物に代えて水銀13mgを封入した以外は本実施形態と同一仕様である。
[表2]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 色温度 スクリーン照度比
(V) (lm/W) (K)
1(従来例) − 75 71 8700 1.0
2 AlI3 62 72 9120 1.4
3 FeI2 70 70 9210 1.35
4 ZnI2 73 68 9160 1.42
5 SbI3 63 73 8930 1.35
6 MnI2 55 72 9040 1.42
7 CrI2 58 69 9100 1.45
8 GaI3 59 68 9030 1.39
9 ReI 3 61 70 9240 1.37
表2から、本実施形態においては、ランプ電圧50V以上、発光効率および色温度が従来例と同程度のメタルハライド放電ランプが得られた。
次に、上記の放電ランプを図2に示す光学系と組み合わせてスクリーン照度比を測定し、その結果を表2に併せて掲載した。
図2は、RGB色分離方式液晶プロジェクタの光学系の概念的説明図である。図において、5は図1に示すメタルハライド放電ランプ、6は反射鏡、7は紫外線・赤外線カットフィルタ、8a、8bは色分離ダイクロイックミラー、9B、9G、9Rは液晶パネル、10a、10bはミラー、11a、11bは色合成ミラー、12は投射レンズ、Bは青色光軸、Gは緑色光軸、Rは赤色光軸である。
液晶パネル9Bは青、9Gは緑、9Rは赤色のそれぞれの画像信号によって駆動される。
表2から明らかなように、本形態のメタルハライド放電ランプによれば、従来例に比較して約1.4倍のスクリーン照度が得られた。
次に、本形態のメタルハライド放電ランプおよび従来例のアーク温度分布をそれぞれ測定した結果を図3に基づいて説明する。
図3は、表1におけるランプ2(本形態)およびランプ1(従来例)のアーク温度分布を示すグラフである。図において、横軸は気密容器の電極間の中央断面におけるラジアル方向の位置を、縦軸はアーク温度(K)を、それぞれ示す。曲線Aは本形態のランプ2のアーク温度分布曲線、曲線Bは従来例のアーク温度分布曲線である。
図から本形態のメタルハライド放電ランプは、アークが絞られていることが分かる。
さらに、表2におけるランプ2および3(本形態)と、ランプ1(従来例)とについて、入力電力70W、90W、110Wおよび130Wで点灯したときの色温度を測定した結果を表3に示す。
[表3]
ランプ 70W 90W 110W 130W
1(従来例)6510K 6930K 7560K 8030K
2 8630K 8740K 8900K 9060K
3 8720K 8860K 9030K 9180K
前述したように、ランプ1(従来例)においては、入力を低減した場合、相対的に水銀による発光が支配的になるので、色温度が著しく低下する。
しかしながら、ランプ2および3(本形態)においては、水銀を本質的に封入していないし、また第2のハロゲン化物による可視光の発光が少ないから、入力を低減した場合にも発光金属による発光が主な発光である。そして、発光金属の蒸気圧が入力の低減に応じて蒸気圧が低下する分色温度が若干低下している。
上記の場合、150W(表2参照)から70W(表3参照)まで変化させたとき、従来例では2190K変化した。
これに対して、本形態においては500K以下の変化にとどまった。
次に、再始動について評価した結果を表4に示す。
[表4]
ランプ 再始動電圧(kV)
1(従来例) 12
2 4
3 3
4 5
5 3
6 4
7 4
8 5
9 3
10 6
表4に示すように、本形態においては、再始動電圧は低い。それは、第2のハロゲン化物の点灯中の蒸気圧が水銀に比較して低く、例えばランプ3の場合、0.6気圧であり、他のハロゲン化物でもせいぜい5気圧以内だからである。
これに対して、水銀を封入している従来例では28気圧であるので、表4に示すように再始動電圧が高い。
図4は、本発明を実施するための第1の形態におけるメタルハライド放電ランプを反射鏡と一体化して構成したプロジェクタ用ランプを示す一部断面正面図である。図において、図1と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
本形態は、図1に示したメタルハライド放電ランプ5と反射鏡6とが一体化したものである。
なお、5bは保温膜で、メタルハライド放電ランプ5における反射鏡6の投光開口側の電極を包囲する気密容器1の外面に形成している。
反射鏡6は、回転2次曲面を備え、ガラス成形により形成されているが、頂部にネック部6aを有し、反射鏡主体部6bの内面に可視光反射・赤外線透過性の多層干渉反射膜6cが被着されている。また、反射鏡主体部6bには、透孔6dが形成されている。
そして、メタルハライド放電ランプ5は、その口金5aをネック部6a内に口金セメント7を介して固着されている。さらに、給電線8が反射鏡6の透孔6dを通過して反射鏡6の背面側に導出されている。
9は電子点灯装置で、メタルハライド放電ランプ5に所要の電圧およびランプ電流を供給する。
〔実施形態2について〕 実施形態2は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の例である。
図5は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の一例としての図4に示すプロジェクタ用ランプを用いた液晶プロジェクタを示す概念図である。図において、図4と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。11は液晶表示手段、12は画像制御手段、13は光学系、14は本体ケース、15はスクリーンである。
液晶表示手段11は、投射すべき画像を液晶によって表示するもので、その背面からメタルハライド放電ランプ5から放射され、反射鏡6で集光された照明光を照射される。
画像制御手段12は、液晶表示手段11を駆動および制御するもので、要すればテレビジョン受信機能をも備えることができる。
本体ケース14は、以上の各要素を収納する。
光学系13は、液晶表示手段11を通過した光をスクリーン15に投射する。
〔実施形態3について〕 実施形態3は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
図6は、本発明を実施するための第2の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す中央断面正面図である。図において、図1と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。本形態は、気密容器1の内容積が0.05ccの小形のメタルハライド放電ランプである点において図1に示す第1の形態と異なる。
気密容器1は内径4mmである。
電極2は、電極コイルを装着していない。電極間距離は4.2mmである。
放電媒体は以下のとおりである。キセノン1気圧、第1のハロゲン化物はヨウ化スカンジウムScI3を0.14mg、ヨウ化ナトリウムNaIを0.86mg封入した。また、第2のハロゲン化物としては、表5に示すハロゲン化物を1mg封入した。
そうして、得られたメタルハライド放電ランプについて、入力電力35W一定で点灯して、ランプ電圧、発光効率、平均演色評価数(以下、「演色性」という。)Raおよび色温度を、以下に示す従来例とともに測定した結果を併せて表5に示す。
従来例は、第2のハロゲン化物に代えて水銀1mgを封入した以外は本形態と同一仕様である。
[表5]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1(従来例) − 83 80 63 4120K
2 AlI3 62 78 65 3860K
3 FeI2 70 73 71 4210K
4 ZnI2 75 78 65 3830K
5 SbI3 63 75 66 3790K
6 MnI3 55 72 68 3950K
7 CrI2 58 74 65 3860K
8 GaI3 59 76 66 3760K
9 ReI3 61 78 64 3840K
表5から明らかなように、本形態においては、ランプ電圧が50V以上で、発光効率は従来例より若干低いが、演色性が向上する傾向が見られた。
以上から、本形態は、定常時の特性が従来例とほぼ同等であると評価できる。
次に、表5における本形態のランプ3とランプ1(従来例)とについて、入力電力15W、20W、25Wおよび30Wで点灯したときの演色性および色温度を測定した結果を表6に示す。
[表6]
ランプ 15W 20W 25W 30W
1(従来例)演色性(Ra) 40 45 58 61
色温度(K) 5640 4970 4630 4350
3 演色性(Ra) 63 64 66 69
色温度(K) 4530 4440 4310 4240
表6に示すように、ランプ1の従来例では35W(表5参照)から15Wまで入力を変化させた場合、色温度が1520K変化し、演色性は23変化した。これでは変化が大きすぎて、実際上調光できない。
これに対して、本形態においては、色温度の変化は320K、演色性の変化はわずかに8であり、十分調光が可能である。
次に、再始動について評価した結果を表7に示す。
なお、ランプ10として、キセノンXeを100Torr封入した以外はランプ3と同一仕様の放電ランプを製作して、これについても再始動電圧を測定した結果を示している。
[表7]
ランプ 再始動電圧(kV)
1(従来例) 14
3 7
10 3
表7に示すように、本形態は、再始動電圧が従来例に比較して半分になる。特に希ガスの封入圧を低くして、光束立ち上がりを重視しない放電ランプ10においては、著しい改善が見られた。
図7は、本発明を実施するための第2の形態のメタルハライド放電ランプにおいて、キセノンXeの封入圧に対する光束立ち上がり時間の関係を示すグラフである。図において、横軸はXe封入圧(気圧)を、縦軸は光束立ち上がり時間(秒)を、それぞれ示す。
図から明らかなように、封入圧が1気圧以上になると、光束立ち上がり時間が著しく短縮されるが、1気圧未満では著しく長い。
図8は、同じく第2の形態のメタルハライド放電ランプにおいて、第2のハロゲン化物としてヨウ化鉄FeI2を用いた場合の封入量に対するランプ電圧の関係を示すグラフである。図において、横軸はFeI2の封入量(mg/cc)を、縦軸はランプ電圧(V)を、それぞれ示す。
図によれば、ランプ電圧が30Vを超えるのは気密容器の内容積1cc当たり1mg以上であることが分かる。
なお、気密容器の内容積1cc当たり200mg以上では未蒸発のFeI2が光を吸収するために発光効率が低下する。
〔実施形態4について〕 実施形態4は本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
図9は、本発明を実施するための第3の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す正面図である。本形態は、図6に示すのと同様な小形の短アーク形のメタルハライド放電ランプをさらに自動車などの移動体の前照灯に装着するように構成したものである。21は外管、22は口金、23は絶縁チューブである。
外管21は、紫外線カット性能を備えており、内部に図6に示すのとほぼ同様な構造のメタルハライド放電ランプ5’を収納していて、両端が封止部1aに固定されているが、気密ではなく、外気に連通している。一方の封止部1aが口金22に植立されている。他端から導出された外部リード線4は外管21に平行に延在して口金22内に導入され、図示しない端子に接続されている。
絶縁チューブ23は、外部リード線を被覆する。
〔実施形態5について〕 実施形態5は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例である。
図10は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例としての自動車など移動体用の前照灯を示す斜視図である。図において、31は反射鏡、32は前面カバーである。
反射鏡31は、プラスチックスの成形によって異形の回転放物面に形成され、頂部背面から図9に示すメタルハライド放電ランプ(図示しない。)を着脱するように構成されている。
前面カバー32は、透明性のプラスチックスの成形によりプリズムまたはレンズを一体に形成していて、反射鏡の前面開口に気密に装着される。
〔実施形態6について〕 実施形態6は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
図11は、本発明を実施するための第4の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す正面図である。図において、41は発光管、42は第1の支持バンド、43は第1の導体枠、44はフレアステム、45はバイメタルおよび始動抵抗、46は第2の支持バンド、47は第2の導体枠、48は導線、49は外管、50は口金である。
発光管41は、内径20mmの細長い石英ガラス管の両端に一対の主電極と一方の主電極に接近して1本の始動用補助極とを封着して、電極間距離42mmに設定されている。
第1の支持バンド42は、発光管41の図において上部側のピンチシール部を抱持して、第1の導体枠43に固定している。
第1の導体枠43は、フレアステム44に固定されるとともに発光管41の上部の主電極に電圧を印加する。
フレアステム44は、外管49のネック部に封着されている。
バイメタルおよび始動抵抗45は、始動回路を形成しており、始動時に始動用補助極に近接する主電極と反対の極性の電圧を印加する。
第2の支持バンド46は、発光管41の図において下部のピンチシール部を抱持して、第2の導体枠47に固定している。
第2の導体枠47は、外管49のトップ部に固定されている。
導線48は、一端がフレアステム44の導入線に接続し、他端が第2の支持バンド46に接続して、第2の導体枠47を介して発光管41の他方の主電極に接続している。
外管49は、上記の構成により内部に発光管41、バイメタルおよび始動抵抗45を封装している。図示しないが初期ゲッタを装着して内部の不純ガスを吸着さている。
ところで、発光管41内には、第1のハロゲン化物としてヨウ化スカンジウムScI3を3mg、ヨウ化ナトリウムNaIを15mg封入した。第2のハロゲン化物として表8に示すハロゲン化物を20mg封入し、さらに希ガスとしてアルゴン20Torrを封入した15種類のメタルハライド放電ランプを製作した。これらのランプの内、ランプ14はランプ2の仕様に加えてZnI2を5mg添加したものである。また、ランプ15はランプ10の仕様に加えてFeI2を5mg添加したものである。そのいずれも第2のハロゲン化物を複数種にしてランプ電圧を増大させようと企図したものである。
なお、比較のために、従来例として第2のハロゲン化物に代えて水銀を40mg封入した以外は、本形態と同じ仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、本形態および従来例についてランプ入力400W一定で点灯してランプ電圧、発光効率、色温度および演色性を、従来例とともに測定した結果を表8に示す。
[表8]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 色温度 演色性
(V) (lm/W) (K) (Ra)
1(従来例) − 132 101 4320 62
2 AlI3 112 96 4120 65
3 FeI2 118 95 4510 68
4 ZnI2 120 98 4160 65
5 SbI3 114 94 4040 69
6 MnI2 83 93 4210 64
7 CrI2 109 96 4260 68
8 GaI3 125 97 4130 67
9 ReI3 103 91 4240 69
10 MgI2 78 95 4140 66
11 CoI2 118 95 4480 68
12 NiI2 109 95 4410 69
13 AlI3+ZnI2 137 97 4150 65
14 MgI2+FeI2 105 95 4210 67
表8から明らかなように、従来例のランプ電圧は、水銀の封入量で決まる。
これに対して、本形態のランプ電圧は、主として第2のハロゲン化物の蒸発量により支配されている。この場合、発光管41に保温手段を配設すると、たとえばランプ3のヨウ化鉄FeI2を封入したものにおいても所要のランプ電圧を呈するのに必要な蒸発量を得ることができる。
したがって、発光管41の保温の程度を適当に設定することにより、従来例と同様なランプ電圧を得ることができる。
次に、発光特性について説明する。
ランプ3においては、可視域に少し第2のハロゲン化物の金属である鉄Feの発光が見られるが、水銀の発光がなくなる。
発光効率は、少し低下するが、演色性は少し上昇する。なお、鉄Feのハロゲン化物を単独で封入すると、強い紫外線を放射するが、第1のハロゲン化物と併せて封入することにより、強い紫外線の放射は大幅に弱められることが分かった。さらに、他の第2のハロゲン化物との混合使用によっても紫外線の放射は低減する。
上述したように、長アーク形のメタルハライド放電ランプにおいても、環境負荷の大きい水銀を使用しなくても、ランプの電気特性および発光特性を、水銀を封入する従来技術と同等にすることができることが確認された。
また、ランプ13およびランプ14に見られるように、第2のハロゲン化物として、複数の金属を併用することにより、ランプ電圧を水銀と同様なレベルに調整することも確認された。
次に、本発明の第4の形態と同一構造のメタルハライド放電ランプをランプ電力350W、300W、250Wおよび200Wで点灯したときの演色性および色温度の変化を従来例と比較して表9に示す。なお、ランプの項の数字は表8の同一数字と同一のランプを示す。
[表9]
ランプ 200W 250W 300W 350W
1 演色性(Ra) 38 46 54 60
(従来例) 色温度(K) 6010 5630 5160 4530
2 演色性(Ra) 60 61 62 64
色温度(K) 4560 4450 4220 4100
表9から明らかなように、従来例はランプ電力が低減するに伴い色温度が著しく高くなるとともに、演色性が大きく低下する。
これに対して、本形態のランプ2は演色性、色温度ともに変化が極めて少ない。
以上から本形態によれば、ランプ電力が変化しても演色性および色温度が殆ど変化しないので、調光が可能であることが確認された。
図12は、従来の長アーク形のメタルハライド放電ランプの分光分布を示すグラフである。図において、横軸は波長(nm)を、縦軸は相対放射パワー(%)を、それぞれ示す。
このメタルハライド放電ランプは、表8におけるランプ1であり、主な輝線スペクトルには矢印とその上に発光した元素の化学記号を付している。すなわち、このランプの発光は、主としてスカンジウムSc、ナトリウムNaおよび水銀Hgの発光により構成されている。
そうして、ランプ入力を低減していくと、ヨウ化スカンジウムScI3やヨウ化ナトリウムNaIは蒸気圧が低いので、蒸発量が減少する。
一方、水銀は蒸気圧が高いので、例えばランプ入力を200Wまで下げても全てが蒸発している。すなわち、ランプ電力を低減すると、相対的に水銀による発光が支配的になり、色温度が高くなっていく。このように従来例においては、ランプ電力を変化させて調光しようとすると、色温度の大きな変化が発生してしまう。
これに対して、第4の形態においては、ランプ電力を低減すると、ナトリウムNaとスカンジウムScとが同じような割合で減少していく。しかも、第2のハロゲン化物の可視域の発光はわずかであるので、メタルハライド放電ランプの発光特性には殆ど影響を与えない。したがって、上記形態においては、ランプ電力を低減しても色温度の変化が少ないのである。再び表8および表9に戻って説明すると、ランプ電力を400Wから200Wまで変化させたときに、色温度が従来例では1690K変化するのに対して、第4の形態においては440Kの変化にとどまった。
〔実施形態7について〕 実施形態7は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の冷である。
図13は、本発明を実施するための第5の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す要部断面正面図である。図において、51は気密容器、52は電極、53は保温手段、54は外管、55は支持バンド、56は口金、57は導入線である。
気密容器51は、石英ガラス製で、内径12mmである。気密容器51の両端にはピンチシール部51aが形成されている。
電極52は、気密容器51内の両端において縮径された部分の中心部に位置され、基端部がピンチシール部51aに埋設されることにより、気密容器51に対して固定されて、電極間距離が17mmに設定されている。
保温手段53は、気密容器51の電極を取り巻く部分の外面に配設されている。
外管54は、石英ガラスの筒体の両端をピンチシール部54aによってシールして形成されていて、支持バンド55、55を介することによって、内部に比較的狭い間隙を形成しながら気密容器51を収納している。
口金56は、外管54の両端のピンチシール部54aに口金セメントによって装着されている。
導入線57は、外管54のピンチシール部54aと気密容器51のピンチシール部51aとの間を接続している。
ところで、気密容器51内には、第1のハロゲン化物としてヨウ化スカンジウムScI3を1.5mg、ヨウ化ナトリウムNaIをを7.5mg、希ガスとしてアルゴンを20Torr封入するとともに、表10に示す第2のハロゲン化物をそれぞれ5mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。
なお、比較のために表10のランプ1に掲げた従来例として第2のハロゲン化物に代えて水銀を12.5mg封入した以外は形態と同じ仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、製作した各ランプをランプ入力100Wで点灯してランプ電圧、発光効率、色温度および平均演色評価数Raを測定した結果を表10に示す。
[表10]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 色温度 演色性
(V) (m/W) (K) (Ra)
1(従来例) − 122 71 4120 61
2 AlI3 112 67 4140 65
3 FeI2 110 66 4480 67
4 ZnI2 111 68 4160 64
5 SbI3 106 63 4140 68
6 MnI2 80 66 4250 64
7 CrI2 109 66 4230 68
8 GaI3 115 67 4180 67
9 CoI2 110 65 4380 66
10 NiI2 105 65 4460 68
表10から明らかなように、本形態においても水銀を使用しなくても電気特性および発光特性ともに水銀を封入したランプと同等にできることが確認された。
次に、上記形態において、ランプの点灯中の圧力についてランプ1およびランプ2を比較参照して説明する。
ランプ1の点灯中の圧力は水銀量(モル数)に、またランプ2の圧力はヨウ化アルミニウムAlI3量に、それぞれ比例関係で依存している。
モル数から見ると、ランプ1とランプ2とでは概ね5:1であり、点灯中の圧力も5:1である。ランプ1の推定圧力は約15気圧であるから、ランプ2は約3気圧程度になる。
メタルハライド放電ランプは、長期点灯中に発光管材料である石英ガラスとハロゲン化物との反応により、石英ガラスが脆くなり、そのため発光管内の圧力に耐えられないで破裂するという問題がある。
以上から理解できるように、本発明においては、水銀を本質的に封入しないことにより、点灯中の圧力が低いので、破裂の危険性が大幅に低減する。
さらに、前記形態において、分光特性の立ち上がりについてランプ1およびランプ2を用いた実験を行ったので、その結果を参照して説明する。
実験には光束の立ち上がりがスイッチオン後8秒で100%になるようにした点灯回路を用いた。そして、スイッチオン後1秒ごとに瞬間分光器を用いてランプ1とランプ2の可視域の分光分布を測定し、その結果に基づいて各時間点の色度座標を計算した。
図14は、本発明を実施するための第5の形態におけるメタルハライド放電ランプの分光特性の立ち上がりを従来例と比較して示す色度図である。図において、横軸は色度座標のx座標を、縦軸は同じくy座標を、それぞれ示し、枠で囲まれた座標領域は日本工業規格(JIS)で規定された自動車用前照灯の白色領域を示している。図中、曲線Cは本実施形態の分光特性の立ち上がりを示し、曲線Dは従来例の分光特性の立ち上がりを示す。なお、各曲線の測定値の傍らに付した数字は、スイッチオン後の経過時間を秒で表している。
従来例の場合、当初は水銀しか発光しないので、曲線Dに示すように分光特性は悪く、JISで規定された白色領域の外であり、白色領域に入るまで約1分間を要する。
これに対して、本形態の場合には、最初からナトリウムNaとスカンジウムScとが発光しているので、白色領域に入っている。
したがって、本形態は、スイッチオン後の光束立ち上がりと分光特性の立ち上がりとがともに早く要求される用途においても、本発明が好適であることを示している。
〔実施形態8について〕 実施形態8は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
図15は、本発明を実施するための第6の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す要部断面正面図である。図において、61は気密容器、62は電極、63は口金、64は外部リード線である。
気密容器61は、石英ガラスからなる回転楕円球状をなし、最大内径が32mmであり、その両端から細長い封止部61aが延在している。そして、封止部6a内において、モリブデンからなる封着金属箔を介して気密容器61を封止しながら電極62に対して電流を導入するように構成されている。
電極62は、電極軸62aおよびコイル62bからなり、電極軸62aの基端部は封止部61aに埋設されて支持されている。電極間距離は30mmである。
口金63は、封止部61aの端部に口金セメントによって装着され、中央に形成した通孔から外部リード線64を導出している。
外部リード線64は、絶縁被覆で覆われ、先端に接続端子64aを備えている。
ところで、気密容器61内には第1のハロゲン化物として臭化ジスプロシウムDyBr3、臭化ホルミウムHoBr3および臭化ツリウムTmBr3をそれぞれ4mg、希ガスとしてアルゴンを100Torr封入するとともに、第2のハロゲン化物として表11に示すハロゲン化物をそれぞれ30mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。
なお、比較のために従来例として、第1のハロゲン化物として本形態と同一物質をそれぞれ4mg、第2のハロゲン化物に代えて水銀を90mg封入した以外は本形態と同一の仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、得られたメタルハライド放電ランプについて、入力電力2kWの一定入力で点灯して、ランプ電圧、発光効率、色温度および平均演色評価数Raを従来例とともに測定した結果を表11に示す。
[表11]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 色温度 演色性
(V) (lm/W) (K) (Ra)
1(従来例) − 116 94 5120 91
2 AlI3 104 92 5020 92
3 FeI2 107 93 5220 90
4 ZnI2 112 92 5340 92
5 SbI3 106 89 5080 92
6 CrI2 109 90 5020 91
7 GaI3 115 90 5220 89
8 ZrI4 116 88 5430 93
表11から明らかなように、本形態においても電気特性および発光特性ともに水銀を封入する従来例とほぼ同等のメタルハライド放電ランプを得ることができるのを確認した。
本形態における点灯中の圧力について説明する。表11のランプ1およびランプ2を比較する。ランプ1の圧力は水銀量(モル数)に、またランプ2の圧力はヨウ化アルミニウムAlI3量に、それぞれ比例関係に依存しているから、モル数においては、ランプ1とランプ2とは6:1であり、したがってランプ2の点灯中の圧力はランプ1の1/6になる。ランプ1の点灯中の推定圧力は12気圧なので、ランプ2は2気圧程度となる。
ところで、本実施形態のメタルハライド放電ランプは、投光器に装着されて使用することができるように設計されているので、投光器をなるべくコンパクトにするため、これに伴ってランプもコンパクトになっている。そのため、管壁負荷が高く、発光管の作動中の温度も高い。このように高負荷のメタルハライド放電ランプは、長期点灯中に発光管材料である石英ガラスとハロゲン化物との反応が活発であり、そのため石英ガラスが脆くなり、発光管内の圧力に耐えることができないで、破裂することがあるという問題がある。
しかしながら、本形態においては、点灯中の圧力が小さいから、破裂の危険が著しく減少する。
また、上記の投光器はスポーツ競技場で使用されるが、このような用途においては瞬時再始動が要求される。そして、瞬時再始動時には高圧パルス電圧を印加する。ランプ1においては、35kVのパルス電圧を必要とするが、本形態においては、ランプ2ないし8のいずれにおいても点灯中の圧力が低いから、8kV以下のパルス電圧の印加で瞬時再始動が可能であった。
〔実施形態9について〕 実施形態9は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図11に示すの同様な構造およびサイズであるが、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI33mg、
ヨウ化ナトリウムNaI15mg
第2のハロゲン化物:表12に示すハロゲン化物20mg
第3のハロゲン化物:ヨウ化セシウムCsI3mg
希ガス :アルゴン20Torr
比較例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない以外は本実施形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない他は本形態と同一仕様の封入物に加えて水銀を40mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。また、比較例として、従来例と同一仕様に加えてヨウ化セシウムCsIを封入したものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力400W一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表12に示す。なお、本形態、従来例および比較例のいずれも発光管を収納する外管内は窒素を400Torr封入した。
[表12]
ランプ CsI 第2のハロゲン化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a なし − 101 62
b あり − 98 61
2 a なし AlI3 96 65
b あり 同上 106 67
3 a なし ZnI2 94 68
b あり 同上 108 70
4 a なし GaI3 97 67
b あり 同上 107 70
表12から明らかなように、水銀を封入している従来例においては、ヨウ化セシウムCsIを封入すると、発光効率が若干低下する。
また、水銀を封入しない比較例(ランプ2〜4のa)では、発光効率は水銀を封入している従来例よりは低い。
これに対して、本形態(ランプ2〜4のb)においては、発光効率が向上して従来例より良好になる。これは、従来例においてはナトリウムNaおよびスカンジウムScの発光に加えて水銀も発光しており、水銀は既述のように発光効率が低いからである。一方、本実施形態においては、発光のために消費されるエネルギーが水銀に分配されないで、全て発光金属の発光に回されるので、発光効率が明らかに向上する。
また、本形態においては、演色性も比較例(ランプ2〜4のa)より若干向上する。
〔実施形態10について〕 実施形態10は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態は、図11に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径12mm、電極間距離が17mmのサイズである。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI31.5mg、
ヨウ化ナトリ
ウムNaI7.5mg
第2のハロゲン化物:表13に示すハロゲン化物5mg
第3のハロゲン化物:ヨウ化セシウムCsI1.5mg
希ガス :アルゴン20Torr
比較例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない他は本形態と同一仕様の封入物に加えて水銀を12.5mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。また、比較例として、従来例と同一仕様に加えてヨウ化セシウムCsIを封入したものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力100W一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表13に示す。なお、本形態、従来例および比較例のいずれも発光管を収納する外管内は窒素を400Torr封入した。
[表13]
ランプ CsI 第2のハロゲン化物 発光効率 演色性
(lm/W) (Ra)
1(従来例) a なし − 71 61
b あり − 69 60
2 a なし AlI3 67 65
b あり 同上 77 66
3 a なし NiI2 65 68
b あり 同上 76 68
4 a なし MnI2 68 64
b あり 同上 77 63
本形態も実施形態9におけるのと同様の傾向が認められた
〔実施形態11について〕 本実施形態は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図11に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径25mm、電極間距離が60mmのサイズである。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化ジスプロシウムDyI312mg、
ヨウ化タリウムTlI3mg
第2のハロゲン化物:表14に示すハロゲン化物40mg
第3のハロゲン化物:ヨウ化セシウムCsI15mg
希ガス :アルゴン18Torr
比較例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない以外は本実施形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない他は本形態と同一仕様の封入物に加えて水銀を150mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。また、比較例として、従来例と同一仕様に加えてヨウ化セシウムCsIを封入したものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力1kW一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表14に示す。なお、本形態、従来例および比較例のいずれも発光管を収納する外管内は窒素を400Torr封入した。
[表14]
ランプ CsI 第2のハロゲン化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a なし − 81 92
b あり − 80 93
2 a なし AlI3 74 92
b あり 同上 88 93
3 a なし SbI3 76 91
b あり 同上 87 92
4 a なし FeI2 75 92
b あり 同上 86 92
本形態も実施形態9、10と同様の傾向が認められた。
〔実施形態12について〕 実施形態12は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図15に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径32mm、電極間距離が30mmのサイズである。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:臭化ジスプロシウムDyBr34mg、
臭化ホルミウムHoBr34mg、
臭化ツリウムTmBr34mg
第2のハロゲン化物:表15に示すハロゲン化物30mg
第3のハロゲン化物:ヨウ化セシウムCsI5mg
希ガス :アルゴン100Torr
比較例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない以外は本施形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、ヨウ化セシウムCsIを封入しない他は本形態と同一仕様の封入物に加えて水銀を90mg封入したメタルハライド放電ランプを製作した。また、比較例として、従来例と同一仕様に加えてヨウ化セシウムCsIを封入したものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力2kW一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表15に示す。
[表15]
ランプ CsI 第2のハロゲン化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a なし − 94 91
b あり − 93 92
2 a なし AlI3 87 92
b あり 同上 101 93
3 a なし MnI2 86 90
b あり 同上 100 92
4 a なし FeI2 88 92
b あり 同上 102 93
本形態も実施形態9ないし11とほぼ同様の傾向が認められた。
〔実施形態13について〕 実施形態13は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図11に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径20mm、電極間距離が42mmのサイズである。外管49内を10-4Torr以下の真空にした。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI33mg、
ヨウ化ナトリウムNaI15mg
第2のハロゲン化物:表16に示すハロゲン化物20mg
希ガス :アルゴン20Torr
比較例として、外管49内にガスとして窒素を400Torr封入した以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、さらに水銀を40mg封入し、外管49内を上記と同様にガスを封入したものと、比較例としてガスに代えて真空にしたものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力400W一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表16に示す。
[表16]
ランプ 外管内 第2のハロゲン化物化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a ガス − 101 62
b 真空 − 103 63
2 a ガス AlI3 96 65
b 真空 同上 106 67
3 a ガス FeI2 95 68
b 真空 同上 107 70
4 a ガス GaI3 97 67
b 真空 同上 108 69
表16から明らかなように、水銀を封入している従来例および比較例においては、発光効率、演色性Raともに外管49内がガス封入であると真空であるとそれほど差がない。
これに対して、水銀を封入していない場合には、外管内にガスを封入した比較例においては、発光効率が水銀を封入している従来例より低い。
外管内を真空にした本形態においては、発光効率が従来例より明らかに優れている。これは、従来例においてはナトリウムNaおよびスカンジウムScの発光に加えて水銀も発光しており、水銀は既述のように発光効率が低いからである。本形態においては、エネルギーが全て発光金属に回される。また、演色性においても本形態は若干優れている。
本形態も実施形態9ないし11とほぼ同様の傾向が認められた。
〔実施形態14について〕 本実施形態は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図11に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径12mm、電極間距離が17mmのサイズである。外管49内は10−4Torr以下の真空にした。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI31.5mg、
ヨウ化ナトリウムNaI7.5mg
第2のハロゲン化物:表17に示すハロゲン化物5mg
希ガス :アルゴン20Torr
比較例として、外管49内にガスとして窒素を400Torr封入した以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、さらに水銀を12.5mg封入し、外管49内を上記と同様にガスを封入したものと、比較例としてガスに代えて真空にしたものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力100W一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表17に示す。
[表17]
ランプ 外管内 第2のハロゲン化物化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a ガス − 71 61
b 真空 − 74 64
2 a ガス AlI3 67 65
b 真空 同上 77 67
3 a ガス NiI2 65 68
b 真空 同上 76 70
4 a ガス ZnI2 68 64
b 真空 同上 79 66
本形態も実施形態13とほぼ同様の傾向が認められた。
〔実施形態15について〕 本実施形態は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図11に示すメタルハライド放電ランプの構造において、発光管1が内径25mm、電極間距離が60mmのサイズである。外管49内は10−4Torr以下の真空にした。そして、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化ジスプロシウムDyI312mg、
ヨウ化タリウムTlI3mg
第2のハロゲン化物:表18に示すハロゲン化物40mg
希ガス :アルゴン18Torr
比較例として、外管49内にガスとして窒素を400Torr封入した以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
さらに、従来例として、さらに水銀を150mg封入し、外管49内を上記と同様にガスを封入したものと、比較例としてガスに代えて真空にしたものを製作した。
そうして、本形態、比較例および従来例について、ランプ入力1kW一定で点灯して、発光効率および演色性(平均塩色評価数)Raを測定した結果を表18に示す。
[表18]
ランプ 外管内 第2のハロゲン化物化物 発光効率(lm/W) 演色性(Ra)
1(従来例) a ガス − 81 92
b 真空 − 83 93
2 a ガス AlI3 74 92
b 真空 同上 88 93
3 a ガス SbI3 76 91
b 真空 同上 87 92
4 a ガス MnI2 75 92
b 真空 同上 86 92
本形態も実施形態13および14とほぼ同様の傾向が認められた。
〔実施形態16について〕 本実施形態は、本発明のメタルハライド放電ランプの他の例である。
図16は、本発明を実施するための第7の形態におけるメタルハライド放電ランプを示す正面図である。図11と同様部分については同一符号を付して説明は省略する。本実施形態は、長アーク形で直流点灯用に構成されている点で異なる。
すなわち、発光管41は、内径18mmで、一端に陰極41aおよび補助極41bを封着し、他端に陽極41cを封着している。
陰極41aは、直径1mm、長さ15mmのトリウム入りタングステン棒の内端に直径0.4mmのタングステン線を巻回することにより形成されている。
補助極41bは、0.3mmのタングステン線からなる。
陽極41cは、先端側が1.8mm、基端側が1.2mmに形成されたタングステン棒からなる。
陰極41a、補助極41bおよび陽極41cは、封止部41e内に気密に埋設されたモリブデンからなる封着箔41dにそれぞれ接続されている。
陽極41cは、封着箔41e、導体48’およびフレアステム44を介して口金50に接続している。
補助極41bは、始動抵抗器45’を介して導体48’に接続している。
陰極41aは、導体48”およびフレアステム44を介して口金50に接続している。
電極間距離は40mmに設定されている。
発光管41の陰極41a側の端部には、白金を主成分とする保温膜41fが形成されている。
外管49は、内径40mmのガラス管からなり、内部は真空にしてある。
放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI33mg、
ヨウ化ナトリウムNaI15mg
第2のハロゲン化物:表19に示すハロゲン化物20mg
希ガス :280Torr
また、比較例として第2のハロゲン化物に代えて水銀40mgを封入した以外は、本形態と同一仕様のランプを製作した。
そうして、本形態のランプをそれぞれ各5本、比較例のランプを3本製作して、定格出力360W一定で直流点灯して、ランプ電圧(V)、発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を平均値にして表19に示す。
[表19]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1(比較例) − 132 101 62 4320
2 AlI3 112 96 65 4120
3 ZnI2 120 98 65 4160
4 GaI3 125 97 67 4130
本形態は、表19から明らかなように、比較例に較べて発光効率は若干低下するが、その他の特性は遜色がない。
次に、表19のランプ3(本形態)およびランプ1(比較例)について、ランプ入力を200W、250Wおよび300Wにしたときの演色性Raおよび色温度(K)を測定した結果を表20に示す。
[表20]
ランプ 項目 200W 250W 300W
1(比較例) Ra 38 46 57
色温度(K) 6010 5680 5210
3 Ra 59 62 63
色温度(K) 4500 4210 4150
表20から明らかなように、比較例は、ランプ入力が定格値より少なくなるにしたがって演色性Raが低下し、色温度(K)が上昇した。これに対して、本形態はいずれも変化が少なかった。すなわち、本形態は調光が可能である。
また、本形態および比較例の各ランプについて、定格に対して10%増しの400Wにおいて2時間点灯−10分間消灯の条件による水平点灯を行ったときの発光管破裂の有無と、定格点灯において2秒消灯した後の瞬時再始動電圧の測定と、を行った。その結果、約2500時間の点灯を経過しても発光管の破裂はなく、瞬時再始動電圧の平均値は表21に示すとおりであった。
[表21]
ランプ 第2のハロゲン化物 再始動電圧(kV)
1(比較例) − 1.8
2 AlI3 0.89
3 ZnI2 0.8
4 GaI3 1.0
本形態は再始動電圧が比較例に較べて著しく低い。
〔実施形態17について〕 実施形態17は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図6に示す移動体の前照灯用に好適なメタルハライド放電ランプの構造およびサイズにおいて、放電媒体として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI30.14mg、
ヨウ化ナトリウムNaI0.7mg
第2のハロゲン化物:表19に示すハロゲン化物0.4mg
希ガス :キセノン5気圧
また、従来例として、さらに水銀を1mg封入したものを製作した。
そうして、本形態および従来例について、ランプ入力35W一定で点灯して、ランプ電圧、発光効率、演色性(平均塩色評価数)Raおよび色温度を測定した結果を表22に示す。
[表22]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1(従来例) − 83 87 63 4120
2 AlI3 65 81 68 3960
3 FeI2 70 79 71 4210
4 ZnI2 75 81 65 3830
5 MnI2 66 81 65 4230
6 GaI3 76 78 65 4330
従来例のランプ電圧は、水銀の封入量で決まるが、本形態では第2のハロゲン化物の蒸発量で決まる。したがって、発光管の保温を良好にしておくことにより、所要のランプ電圧を容易に得ることができる。表22から理解できるように、本形態においてはランプ電圧は従来例より低めになるが、50V以上であり、この種の小形のメタルハライド放電ランプは、電子化された点灯回路を用いて点灯するので、実用的に問題ない。特性面では、発光効率は少し劣るが、可視域に少し添加金属(アルミニウムAlなど)の発光があるので、演色性は向上する傾向がある。
図17は、実施形態17における表22のランプ2およびランプ1の色度の変化を示す色度図である。
この色度図は、日本工業規格JIS D 5500−1984において自動車用ランプ類の解説の中で説明されている白の色度範囲を示している。そして、図中曲線Eは、本実施形態の色度の変化を示す。曲線Fは、従来例の色度の変化を示す。各曲線の測定点の近くに付与した数字は、点灯開始後の経過時間(秒)を示している。これらの測定は、各ランプを電源入力直後に2.6Aのランプ電流を流し、徐々に電流を絞って35Wの定格ランプ電力に定電力制御するように設定した点灯回路を用いて点灯して行った。
図17から明らかなように、本形態においては、点灯後0.5秒以内に発光が白色範囲に入るのに対して、従来例では18秒後に白色範囲に入った。
次に、表22におけるランプ2および1をランプ入力15W、20W、25Wおよび30Wで点灯したときの平均演色評価数Raおよび色温度(K)を測定した結果を表23に示す。
[表23]
ランプ 項目 15W 20W 25W 30W
1(従来例) Ra 40 45 58 61
色温度(K) 5640 4970 4630 4350
2 Ra 63 64 65 66
色温度(K) 4280 4220 4110 4040
ランプ1(従来例)は、水銀の蒸気圧が高いので、ランプ入力15Wに低減しても水銀は全て蒸発している。このため、ランプ入力が少なくなるにしたがって水銀の発光が支配的になってきて色温度が上昇し、反対に演色性が低下していくので、従来例は実用的な意味で調光には向かないことが理解できるであろう。
これに対して、ランプ2(本形態)は、演色性および色温度とも変化が少なく、十分調光に適していることを理解できる。
さらに、本形態の瞬時再始動(ホットリスタート)の際の再始動電圧を測定した結果を表24に示す。測定は、ランプを30分間点灯して消灯し、10秒後に再始動させたときの再始動電圧を測定した。なお、消灯時間が長くなると、電極温度が低下して始動しにくくなる。一方、発光管内の水銀や金属ハロゲン化物の蒸気圧は消灯時間が長くなると、低下して始動しやすくなる。これらの相反する傾向の結果、再始動は消灯時間10秒程度が最も始動しにくい。
[表24]
ランプ 第2のハロゲン化物 再始動電圧(kV)
1(従来例) − 15.2
2 AlI3 8.7
3 FeI2 9.1
4 ZnI2 9.6
5 MnI2 9.3
6 GaI3 8.3
ランプ1(従来例)は、水銀蒸気圧がまだ高いため、始動電圧が高い。
これに対して、ランプ2〜6(本形態)は、定常点灯中においては第2の金属ハロゲン化物の金属蒸気圧が水銀のそれより明らかに低い。それでも消灯後10秒は、金属ハロゲン化物の金属蒸気圧と水銀との蒸気圧差が最も少なくなっているときである。このことは、本形態は、再始動特性が水銀を封入する従来例に比べてすこぶる良好であることを示している。
次に、本形態を直流点灯した場合の電極付近の色特性を測定した結果を表25に示す。なお、これはランプをランプ入力35Wで点灯したときにスクリーンに投影して、陽極付近と陰極付近との色温度(K)を測定して求めたものである。
[表25]
ランプ 第2のハロゲン化物 陽極側色温度(K) 陰極側色温度(K)
1(従来例) − 5330 3720
2 AlI3 4210 3840
3 FeI2 4420 4010
4 ZnI2 4080 3650
5 MnI2 4450 4060
6 GaI3 4530 4130
ランプ1(従来例)は、陽極側と陰極側との色温度の差が大きい。このような色温度差を前照灯の設計でカバーするのは無理である。
これに対して、ランプ2〜6(本形態)は、色温度差が小さいので、十分実用に適している。
〔実施形態18について〕 実施形態18は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図9に示す移動体の前照灯に装着するようにしたメタルハライド放電ランプにおいて、外管21の両端をそれぞれ発光管1の封止部1a、1aに気密に封着し、内部を真空にした構成を備えている。その他の構成は、放電媒体を含めて実施形態6と同一である。従来例においても第6の形態におけるものにおいて、外管内を真空にした。
そうして、本形態および従来例について、ランプ電圧(V)、発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を表12に示す。
[表26]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1(従来例) − 84 89 63 4010
2 AlI3 70 94 68 3890
3 FeI2 76 91 73 4120
4 ZnI2 81 91 68 3720
5 MnI2 71 92 67 4110
6 GaI3 80 90 65 4330
本形態においては、外管内を真空にしたことにより、ランプ電圧が高くなるとともに、発光効率が飛躍的に向上する。これに対して、従来例では若干改善される程度であった。
〔実施形態19について〕 実施形態19は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図6に示す移動体の前照灯用に用いることができるようにしたメタルハライド放電ランプと同じ構造およびサイズにおいて、放電媒体を以下のとおり封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI30.14mgおよび
ヨウ化ナトリウムNaI0.7mg
第2のハロゲン化物:ヨウ化亜鉛ZnI20.4mgおよび表27に示す添加ハロゲン 化物0.1mg
希ガス :キセノン5気圧
そうして、本形態について、ランプ電圧(V)、発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を表13に示す。
[表27]
ランプ 添加ハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1 MgI2 88 81 65 3890
2 NiI2 91 80 66 3990
3 CoI2 88 82 67 4020
4 CrI2 96 82 64 4110
5 SbI3 83 79 66 3810
6 ReI2 86 80 66 3960
第2のハロゲン化物は、一般に水銀より蒸気圧が低いが、同一圧力では水銀よりランプ電圧形成に大きく貢献する。
しかし、水銀は、蒸気圧が常に高いので、移動体の前照灯用などの定格ランプ電力が100W以下のような負荷が小さい小形のメタルハライド放電ランプにおいては、水銀は完全に蒸発する。このため、水銀の封入量によりランプ電圧を調節することができる。
これに対して、第2のハロゲン化物を水銀に代えて封入する本発明の場合には、封入したハロゲン化物が不完全蒸発の段階で蒸気圧が飽和してしまうため、ランプ電圧はそれ以上増加しない。
しかしながら、本形態のように第2のハロゲン化物を複数種封入することでランプ電圧をさらに上昇させることができる。すなわち、第2のハロゲン化物の一方のハロゲン化物が飽和したとき、添加した第2のハロゲン化物の蒸発がランプ電圧の増加に貢献する。したがって、第2のハロゲン化物は、1種のときより複数種混合したときの方がランプ電圧を高くすることができる。
〔実施形態20について〕 実施形態20は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
本形態のメタルハライド放電ランプは、図6に示す移動体の前照灯に用いることができるようにしたメタルハライド放電ランプと同じ構造およびサイズにおいて、放電媒体を以下のとおり封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI30.14mgおよび
ヨウ化ナトリウムNaI0.7mg
第2のハロゲン化物:表28に示すハロゲン化物0.4mg
第3のハロゲン化物:ヨウ化セシウムCsI0.1mg
希ガス :キセノン5気圧
また、従来例として、第2のハロゲン化物に代えて水銀1mgを封入した以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、本形態および従来例について、ランプ入力35W一定で点灯して、ランプ電圧(V)、発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を表28に示す。
[表28]
ランプ 第2のハロゲン化物 ランプ電圧 発光効率 演色性 色温度
(V) (lm/W) (Ra) (K)
1(従来例) − 83 86 63 4140
2 AlI3 63 93 68 3940
3 FeI2 68 92 70 4180
4 ZnI2 73 94 66 3800
5 MnI2 65 94 65 4200
6 GaI3 75 92 65 4310
本形態においては、ヨウ化セシウムCsIを第3のハロゲン化物として添加したことにより、演色性Raおよび色温度は殆ど変わらないが、アークの温度分布が平坦化されるために、熱損失が低下して発光効率が向上する。しかし、水銀を封入した従来例においては、第3のハロゲン化物を添加しても効率向上は見られない。
また、発光効率の低い水銀の発光がないことにより、発光効率は従来例より高くなる。
次に、ランプ3において、第3のハロゲン化物のヨウ化セシウムCsIの封入量を変化させた場合の発光効率(lm/W)を表29に示す。
[表29]
CsI封入量(mg) 発光効率(lm/W)
0.005 83
0.01 85
0.05 88
0.1 92
0.3 91
0.5 90
1.0 89
2.0 84
2.5 79
表29から、CsIの添加は0.01mgから効果がある。反対に、添加量が多すぎると、発光金属の蒸気圧を低くしてしまい効率低下を来す。
さらに、本形態について実施形態17におけるのと同一条件で瞬時再始動(ホットリスタート)の際の再始動電圧を測定した結果を表30に示す。
[表30]
ランプ 第2のハロゲン化物 再始動電圧(kV)
1(従来例) − 15.2
2 AlI3 9.2
3 FeI2 9.6
4 ZnI2 10.1
5 MnI2 9.8
6 GaI3 8.9
本形態においては、水銀を封入している従来例より格段と再始動電圧が低いが、第3のハロゲン化物であるヨウ化セシウムCsIを封入しない場合に較べると、若干再始動電圧が高くなる傾向がある。しかし、実用的には全く問題はない。
〔実施形態21について〕 実施形態21は、メタルハライド放電ランプの他の例である。
図18は、本発明を実施するための第8の形態におけメタルハライド放電ランプを示す正面図である。図において、図6と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。本形態は、移動体の前照灯用に好適なものである点で共通しているが、直流点灯するように構成している点で異なる。
すなわち、2Kは陰極、2Aは陽極である。
気密容器1は、内径4mm、長さ7mmの楕円球状をなし、両端に長さ30mmの封止部1aを備えている。
陰極2Kは、直径0.4mm、長さ6mmのトリウム入りタングステン棒からなる。その基端部は、封止部1a内に埋設された幅1.5mm、長さ15mm、厚さ15μmのモリブデン箔3の一端に溶接されている。
陽極2Aは、直径0.8mm、長さ6mmのタングステン棒からなる。その基端部は、上記と同様のモリブデン箔3の一端に溶接されている。
外部リード線4は、直径0.5mm、長さ25mmの導体からなり、モリブデン箔3の他端に溶接されている。
上記構造のメタルハライド放電ランプを製造するには、まず気密容器1の両端に封止部1aを形成するための封止管を接合したものを用意する。
次に、陰極2K、モリブデン箔3および外部リード線4の接続組立体を一方の封止管の中に挿入した後、酸水素バーナーを用いて封止管を加熱溶融し、ピンチシールにより封止して陰極2Kを気密容器1に封着する。
その後、窒素ガス雰囲気中で他方の封止管から第1および第2のハロゲン化物を気密容器1中に封入し、さらに陽極2A、モリブデン箔3および外部リード線4の接続組立体を封止管内に挿入し、所定の電極間距離4.2mmに設定する。
さらに、これらの組立体を封止管を介して排気系に装着して気密容器1内を排気し、続いてキセノンを2気圧導入した後、気密容器1を冷却しながら他方の封止管を酸水素バーナーで加熱溶融してからピンチシールにより陽極2Aを気密容器1に封着してメタルハライド放電ランプを完成する。放電媒体のうち、ハロゲン化物として以下のものを封入した。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI30.17mg、
ヨウ化ナトリウムNaI0.83mg
第2のハロゲン化物:ランプ2はZnI20.4mg
ランプ3はAl30.2mg
ランプ4はFeI20.4mg
また、従来例(ランプ1)として、第2のハロゲン化物に代えて水銀1mgを封入した以外は本形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、ランプ2(本形態)およびランプ1(従来例)について、ランプ入力を定格35Wに対して20W、25W、30Wおよび35Wで点灯したときの発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を表31に示す。
[表31]
ランプ ランプ電力 発光効率 演色性 色温度
(W) (lm/W) (Ra) (K)
1(従来例)20 45 4970
35 80 65 4100
2 20 64 4400
25 66 4310
30 69 4240
35 75 70 4190
図19は、本発明の第8の形態におけるメタルハライド放電ランプの分光特性の立ち上がりを従来例と比較して示す色度図である。図において、曲線Gは本形態の光束立ち上がりを示す。曲線Hは従来例の光束立ち上がりを示す。
本形態は、図に示されているように点灯初期の1秒には白色領域にある。従来例は、白色領域に入るまで約1分間を要した。
次に、各ランプについて定格ランプ電力の20%増しである42Wで60分間点灯して15秒消灯の点滅試験を行って気密容器の破裂の有無を調査した結果、いずれも1000時間経過では破裂したものはなかった。
さらに、消灯2秒後の瞬時再始動に必要な再始動電圧の測定とを行った結果を表32に示す。
[表32]
ランプ 再始動電圧(kV)
1 12
2 5
3 4
4 4.3
図20は、図18に示す本発明の第8の形態のメタルハライド放電ランプにおいて、希ガスの封入圧力を変化させた場合の光束立ち上がり時間との関係を示すグラフである。図において、横軸はキセノン封入圧力(気圧)を、縦軸は光束立ち上がり時間(秒)を、それぞれ示す。
図からキセノンの封入圧力が1気圧以上になると、急激に光束立ち上がり時間が短縮して、実用可能になることが分かった。
図21は、図18に示す本発明の第8の形態のメタルハライド放電ランプにおいて、第2のハロゲン化物としてZnI2の封入量(mg/cc)を変化させた場合のランプ電圧(V)の関係を示すグラフである。
図からZnI2を1mg/cc以上封入すれば、電子化点灯回路を用いて点灯する場合のランプ電圧の要望値である30V以上にできることを理解できる。
〔実施形態22について〕 実施形態221は、本発明のメタルハライド放電ランプを点灯する点灯回路の一例である。
図22は、本発明のメタルハライド放電ランプを点灯する点灯装置の一例を示す回路図である。本形態は、メタルハライド放電ランプを直流点灯するように構成したものである。図において、71は直流電源、72はチョッパ、73は制御手段、74はランプ電流検出手段、75はランプ電圧検出手段、76は始動手段、77はメタルハライド放電ランプである。
直流電源71は、バッテリーまたは整流化直流電源が用いられる。移動体の場合には、一般的にバッテリーが用いられる。しかし、交流を整流する整流化直流電源であってもよい。必要に応じて電解コンデンサ71aを並列接続して平滑化を行う。
チョッパ72は、直流電圧を所要値の電圧に変換するとともに、メタルハライド放電ランプ77を所要に制御する。直流電源電圧が低い場合には、昇圧チョッパを用い、反対に高い場合には降圧チョッパを用いる。
制御手段73は、チョッパ72を制御する。例えば、点灯直後にはメタルハライド放電ランプ77に定格ランプ電流の3倍以上のランプ電流をチョッパ72から流し、その後時間の経過とともに徐々にランプ電流を絞っていき、やがて定格ランプ電流にするように制御する。
ランプ電流検出手段74は、ランプと直列に挿入されてランプ電流を検出して制御手段73に制御入力する。
ランプ電圧検出手段75は、ランプと並列的に接続されてランプ電圧を検出して制御手段73に制御入力する。
制御手段73は、ランプ電流とランプ電圧との検出信号が帰還入力されることにより、定電力制御信号を発生して、チョッパ72を定電力制御する。また、制御手段73は、時間的な制御パターンが予め組み込まれたマイコンが内蔵されていて、点灯直後には定格ランプ電流の3倍以上のランプ電流をメタルハライド放電ランプ77に流し、時間の経過とともにランプ電流を絞るようにチョッパ72を制御するように構成されている。
始動手段76は、始動時に20kVのパルス電圧をメタルハライド放電ランプ67に供給できるように構成されている。
そうして、本例のメタルハライド放電ランプ点灯装置によると、直流点灯しながら点灯直後から所要の光束を発生する。これにより、自動車などの移動体用の前照灯として必要な電源投入後1秒後に定格に対して光束25%、4秒後に光束80%の点灯を実現することができる。
本例の場合、直流−交流変換回路が不要になるため、交流点灯に比較して約30%コスト低減が可能である。また、重量で15%軽減できる。これに伴い点灯回路が安価になる。
〔実施形態23について〕 実施形態23は、本発明のメタルハライド放電ランプを点灯する点灯回路の他の例である。
図23は、本発明のメタルハライド放電ランプを点灯する点灯装置の他の例を示す回路図である。図22と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。本形態は、メタルハライド放電ランプを交流点灯するように構成した点で異なる。
78は交流変換手段である。この交流変換手段78は、フルブリッジインバータからなる。すなわち、一対のスイッチング手段78a、78aの直列回路の一対をチョッパ72の出力端間に並列接続してブリッジ回路を構成し、発振器78bの発振出力を4個のスイッチング手段78aの対角方向のスイッチング手段に交互に供給してブリッジ回路の出力端間に高周波交流を発生するものである。
そして、高周波交流によってメタルハライド放電ランプ77が点灯されるようになっている。
この交流点灯形式の構成においても、図16と同様な制御が行われるようになっている。
〔実施形態24について〕 実施形態24は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例である。
図24および図25は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例としての移動体用の前照灯を示し、図24は全体の概念図、図25は光分配器の部分の概念図である。各図において、81は点灯回路、82は光分配器、83は主幹光ファイバー、84は光シャッター85は個別光ファイバー、86は灯器である。
点灯回路81は、図22または図23に示す点灯回路を用いることができる。
光分配器82は、ケース82a、集光反射面82b、メタルハライド放電ランプ82cおよび光コネクタ82dを備えている。そして、メタルハライド放電ランプ82cから発生した光を光コネクタ82dの部分から主幹光ファイバー83に分配する。
主幹光ファイバー83は、光分配器82から分配された光を光シャッター84に伝送する。
光シャッター84は、個別ファイバー85を介して各灯器86に選択的に伝送する。
灯器86は、ハイビーム灯器86a、ロービーム灯器86bおよびフォグ灯器86cが1組となり、その2組が自動車などの移動体の前部両側に配設される。
〔実施形態25について〕 実施形態25は、実施形態24に用いるのに好適なメタルハライド放電ランプの例である。
すなわち、定格ランプ電力が80W、電極間距離は集光効率を高めるために2mmに設定されている。その他の構造は、図6と同様に構成されているが、放電媒体として以下のものを封入している。
第1のハロゲン化物:ヨウ化スカンジウムScI30.3mg、
ヨウ化ナトリウムNaI1.5mg
第2のハロゲン化物:ランプ2はZnI21mg、AlI31mg、MnI21mg
ランプ3はZnI22mg、GaI31mg、CrI21mg
希ガス :キセノン5気圧
また、従来例として第2のハロゲン化物に代えて水銀15mgを封入した他は本実施形態と同一仕様のメタルハライド放電ランプを製作した。
そうして、本形態および従来例を定格80W一定で点灯してランプ電圧(V)、発光効率(lm/W)、演色性(平均演色評価数)Raおよび色温度(K)を測定した結果を表33に示す。
[表33]
ランプ ランプ電圧(V) 発光効率(lm/W) 演色性(Ra) 色温度(K)
1(従来例) 63 94 63 4020
2 58 88 68 3920
3 62 89 69 4110
表33から理解できるように、本形態においては、水銀を封入する従来例とほぼ同等の特性が得られる。また、本形態におけるシステムの場合、入力を変えて調光する必要が増し、その点で調光が可能であることは極めて有用である。
[実施形態26について] 実施形態26は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例である。
図26は、本発明のメタルハライド放電ランプを用いた照明装置の他の例としてのダウンライトを示す断面図である。
図において、91はメタルハライド放電ランプ、92はダウンライト本体である。
基体92aは、天井に埋め込まれるために、下端に天井当接縁eを備えている。
ソケット92bは、基体92aに装着されている。
反射板92cは、基体92aに支持されているとともに、メタルハライド放電ランプ91の発光中心がそのほぼ中心に位置するように包囲している。