JP5504682B2 - セラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Description

本発明は、オフィスや店舗等の一般照明として用いられるセラミックメタルハライドランプに関し、特に、相関色温度３０００〜４５００Ｋ、平均演色評価数Ｒａ≧８０、発光効率η≧１００（ｌｍ／Ｗ）の高演色性、高効率が求められる場合に用いて好適である。

メタルハライドランプは、高圧ナトリウムランプや水銀ランプに比して、最も自然光に近い光が放射されるので演色性に優れており、オフィスや店舗のベース照明としても用いられている。
そして、一般には、ＩＳＯ８９９５演色区分１Ｂ以上である平均演色評価数Ｒａ＝８０以上、相関色温度は３０００〜４５００Ｋの範囲となる高演色で暖色から白色と言われる範囲の光源が使用されているが、省エネの観点から、より発光効率の高いランプが求められている。
しかしながら、高演色性と高効率は相反する効果であり、演色性を向上させれば発光効率が低下し、発光効率を高くすれば演色性が低下する。
このため、従来のメタルハライドランプは、高効率・高演色を謳っていても、効率重視型または演色性重視型のいずれかに分類されることとなる。
この場合に、一般に、平均演色評価数Ｒａ≧８０であれば高演色であると評価され（ＩＳＯ８９９５の演色区分１Ｂ以上）、発光効率η≧１００程度であれば高効率であると評価される。

例えば、特許文献１に開示されたＤｙ−Ｈｏ−Ｔｍ系メタルハライドランプの最高データは、平均演色評価数Ｒａ＝８７、発光効率η＝９３（ｌｍ／Ｗ）であるので、演色性重視型ということができる。

また、特許文献２に開示されたＮａ−Ｃｅ系メタルハライドランプは、Ｃｅの強烈な緑色発光により平均発光効率η＝１２３（ｌｍ／Ｗ）と優れるが、平均演色評価数Ｒａ＝６０と演色性が劣るため、効率重視型ということができる（特許文献２［００４９］参照）。

さらに、特許文献２［００８２］には「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）等を発光物質として添加してもよい。」と記載されているが、これらの物質を加えてＮａ−Ｃｅ系メタルハライドランプの発光封入物質の比率を調整しても、Ｃｅの強烈な緑色発光を抑えてＲａ＝７０以上にすることは困難であるだけでなく、発光物質としてＤｙ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｔｌを添加していくと、特許文献１のランプ特性に近づき発光効率は低下してしまう。

特開２００３−１８７７４４号公報 特開２００３−０８６１３０号公報

本発明が解決しようとする課題は、メタルハライドランプにおいて相反する効果である高演色性及び高効率を両立させ、具体的には、平均演色評価数Ｒａ≧８０という高演色性を維持しつつ、発光効率η≧１００（ｌｍ／Ｗ）という高効率を達成することを技術的課題としている。

この課題を達成するために、本発明は、
ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置される一対の電極アセンブリを挿通したキャピラリとが、透光性セラミックで形成された発光管を備えたセラミックメタルハライドランプにおいて、
前記発光管は、略楕円面状に形成された前記発光部の長軸方向両端側に前記キャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成され、
前記発光部の内側寸法が、その有効長さをＬ、有効内径をＤとしたときに、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に設計されると共に、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されており、
前記ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが封入されると共に、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが、全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入されたことを特徴としている。

本発明のメタルハライドランプによれば、発光管に、少なくとも、ヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムの４種類のハロゲン化金属が封入されている。
ハロゲン化金属のうち、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）及びヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）が封入されたＴｍ−Ｔｌ−Ｎａ系のセラミックメタルハライドランプは一般に、緑色系の発光色を呈するＴｍＩ_３及びＴｌＩが発光効率を向上させており、黄色系の発光色を呈するＮａＩが演色性を向上させているが、全体としては、発光効率に優れる効率重視型のメタルハライドランプである。
本発明では、ＮａＩをモル比率で４０〜８０％とすると同時に、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）を加えている。
ＣａＩ_２を加えることにより赤色領域の発光が増えるため、発光効率は低下する傾向にあるが、演色性は向上する。発明者の実験によれば、ＣａＩ_２の封入比率が３０％未満であれば、発光効率の低下はわずかで、演色性向上の効果が大きいことが判明した。
そこで、ＣａＩ_２をモル比率で３０％を上限として添加している。

また、発光管は、略楕円面状に形成された発光部の長軸方向両端側に、一対のキャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成されているから、機械的強度を低下させることなく全体の肉厚を比較的薄く且つ均一にすることができ、したがって、部分的に厚肉部が形成される３ピースタイプまたは５ピースタイプとは異なり、発光部の温度分布が比較的均一になり、最冷温度も高く保持できるので壁面負荷を高くする必要がない。
また、発光部内の温度差が従来より小さくなり、その結果、ハロゲン化金属と発光部内壁面を構成する材料との化学反応速度が低く抑えられるので、ランプ寿命を伸ばすことができるという効果がある。

さらに、発光部の内側寸法が、その有効長さをＬ、有効内径をＤとしたときに、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に設計されると共に、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されている。
発明者の実験によれば、発光部が楕円球状に形成されていても、その縦横比や大きさが発光効率及び演色性に何らかの影響を及ぼすことが判明しており、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２
であり、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されていれば、そのメタルハライドランプの定格電力にかかわらず、平均演色評価数Ｒａ≧８０、発光効率η＝１００（ｌｍ／Ｗ）を達成することができた。

本発明に係るメタルハライドランプに用いる発光管を示す説明図。 メタルハライドランプＡの全体外観図。 メタルハライドランプＢの全体外観図。 メタルハライドランプＣの全体外観図。 発光効率ηとＬ／Ｄの関係を示すグラフ。 平均演色評価数ＲａとＬ／Ｄの関係を示すグラフ。 発光管のほかの実施形態を示す説明図。

本発明は、平均演色評価数Ｒａ≧８０という高演色性を維持しつつ、発光効率η≧１００（ｌｍ／Ｗ）という高効率を実現させるため、略楕円面状に形成された発光部の長軸方向両端側にキャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成された発光管を備え、発光部の内側寸法が、その有効長さをＬ、有効内径をＤとしたときに、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に設計されると共に、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されており、ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが封入されると共に、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムを全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入した。
本発明では、以下に示す三種類のメタルハライドランプＡ〜Ｃのそれぞれについて、定格電力や封入物のモル比を変えて実験を行った。

＜発光管について＞
各メタルハライドランプＡ〜Ｃには、図１に示す共通の発光管１が用いられている。
発光管１は、略楕円面状に形成された発光部２の長軸方向両端側に、一対のキャピラリ３Ａ、３Ｂが角隅部のない遷移曲面４を介して連続的に形成されており、発光部２には、ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスが封入されている。
本例の発光管１は、発光部２とキャピラリ３Ａ、３Ｂを透光性アルミナの粉末圧縮体を型取りして一体成形した所謂１ピースタイプのものを用いている。

発光部２の両端に形成されたキャピラリ３Ａ、３Ｂには、電極５、５を備えた一対の電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが挿通されて、そのキャピラリ３Ａ、３Ｂの両端が、電気絶縁性を有するフリットガラスなどのシール材によって気密にシールされると同時に、該シール材によって電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが、キャピラリ３Ａ、３Ｂ内の定位置に固定されている。

発光部２の内側寸法は、その有効長さをＬ、有効内径をＤとしたときに、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に設計されている。
有効長さＬは、直管状のキャピラリ３Ａ、３Ｂの内径が、発光部２に連続する遷移曲面４に移行して拡径開始する部分２Ａ及び２Ｂ間の距離で定義され、有効内径Ｄは、１ピースタイプの発光管にあっては、電極間中央部の最大内径で定義される。

また、発光管１は、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されている。
発光部各部の温度は発光管の壁面負荷、透光性外管内のガス圧力、発光管材質及び発光部の寸法比（Ｌ／Ｄ）によって決まる。
ここでランプ電力Ｐ_Ｌ（Ｗ）を発光部２の全内面積Ｓ（ｃｍ^２）で除した値を「壁面負荷」と定義している。

発光部２の肉厚分布は平均肉厚の±２０％以内に形成されている。
本例では、
平均肉厚ｔ_ａｖ＝０.８５ｍｍ
に対し、
最小肉厚ｔ_ｍｉｎ＝０.７８ｍｍ
最大肉厚ｔ_ｍａｘ＝０.９８ｍｍ
となっており、
許容最小肉厚ｔ_ａｖ−２０％＝０.６８ｍｍ
最大許容肉厚ｔ_ａｖ＋２０％＝１.０２ｍｍ
であるので、平均肉厚±２０％の許容肉厚寸法内で形成されている。

発光管１は、略楕円面状に形成された発光部２の長軸方向両端側に、一対のキャピラリ３Ａ、３Ｂが角隅部のない遷移曲面４を介して連続的に形成されているから、このように、肉厚分布を平均肉厚±２０％の範囲で均一に形成することができ、発光管発光部３内の最冷温度を８００℃以上に保持するために必要な管壁負荷を小さくできる。
したがって、発光部２内の温度差を従来より小さくでき、その結果、希土類金属ヨウ化物と発光部内壁面を構成する材料との化学反応速度を低く抑えてランプ寿命を伸ばすことができるという効果がある。
すなわち、発光部とキャピラリ部とを３ピースまたは５ピースの部品に分けて加工し、それらを発光管焼結時の収縮による焼ばめによって組み立てるタイプの発光管は、部品を焼ばめする際の機械的強度を確保するために、発光部の端部が発光部中央付近の１.５倍以上の厚肉になっているのが一般的である。

この場合、厚肉部の放熱が他所より大きいため、厚肉部の温度が上がりにくく、この部分の温度（発光部最冷温度）を８００℃以上に維持するためには壁面負荷を高めに設定しなければならず、その結果、発光部内における温度差が大きくなる。
一方、壁面負荷が高めに設定されることにより発光部最高温度が１２００℃を超えてしまい、その結果、当該高温部でハロゲン化金属と発光管内壁面を構成する材料との化学反応速度が高くなり、発光管内壁面の浸食が速まってランプ寿命が短くなるという問題を生ずる。
したがって、本発明のセラミックメタルハライドランプは、ランプ寿命を犠牲にすることなく、高効率、高演色性を実現することができる。

また、発光部２には、ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）が封入されると共に、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）が、全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入されている。
また、必要に応じて、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）が全ハロゲン化金属に対して３％以下のモル比率で封入され、ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）が全ハロゲン化金属に対して５％以下のモル比率で封入されている。

＜メタルハライドランプＡ＞
メタルハライドランプＡは、図２に示すように、片端に口金１１を形成した外管１０内に、上述した発光管１が配されると共に、電極５，５間に始動電圧を供給する非線形セラミックコンデンサなどからなる前記始動器１２が配されている。
そして、口金１１のステム１３には支柱１４、１５が立設され、サポートディスク１６、１６が支柱１５に取り付けられ、その中心に形成された挿通孔にキャピラリ３Ａ、３Ｂが挿通されて発光管１が取り付け支持されると共に、このディスク１６、１６に透光性スリーブ１７が発光部２を囲むように固定されている。
また、キャピラリ３Ａ、３Ｂの端末から突出する電力供給リード７、７が夫々の支柱１４、１５に直接溶接するか又はニッケルリボン線１８を介して溶接することにより口金１１に電気的に接続されると共に、前記始動器１２が当該電力供給リード７、７に電気的に接続されている。
なお、外管１０内は室温状態で０.６気圧、壁面負荷は１５〜２５（Ｗ／ｃｍ^２）であり、垂直方向（図２の方向）に配置して点灯させるタイプである。

＜メタルハライドランプＢ＞
メタルハライドランプＢは、図３に示すように、外管１０内に発光管２及び始動器１２が収納された基本構造においてメタルハライドランプＡと共通し、透光性スリーブ１６がなく、外管１０内が真空に維持されている点で異なるのみである。メタルハライドランプＡと共通する部分は同一符号を付して詳細説明を省略する。
なお、壁面負荷は１７〜２２（Ｗ／ｃｍ^２）であり、基本的に、水平方向（図３の方向）に配置して点灯させるタイプである。

＜メタルハライドランプＣ＞
メタルハライドランプＣは、両端に口金２１が形成された両口金形ランプであり、真空に維持された直管状の外管２０内に発光管１が収納され、発光部２を囲む透光性スリーブがなく、始動器も内蔵されていないタイプである。
発光管１のキャピラリ３Ａ、３Ｂの端末から突出する電力供給リード７、７が、口金２１に立設された各支柱２２，２２に固定されたＵ字状の板バネで形成されたサポート金具２３，２３に溶接されて、口金２１に電気的に接続している。
なお、壁面負荷は２４〜２９（Ｗ／ｃｍ^２）であり、基本的に、水平方向（図４の方向）に配置して、点灯させるタイプである。

＜実験結果＞
夫々のメタルハライドランプＡ〜Ｃにおいて、Ｌ／Ｄ＝２のときの、発光部２に封入するハロゲン化金属の組成比を変化させて、平均演色評価数Ｒａ、発光効率ηを測定した結果が表１である。
これより、いずれの場合も、平均演色評価数Ｒａ≧８０であり、ＩＳＯ８９９５の演色区分１Ｂ以上を維持しつつ、発光効率η＝１００（ｌｍ／Ｗ）を達成することができた。

また、図５及び図６は、メタルハライドランプＡにおいて、Ｌ／Ｄが異なる発光管１に所定のモル比率でハロゲン化金属を封入した場合に、Ｌ／Ｄと、平均演色評価数Ｒａ及び発光効率ηと、Ｌ／Ｄとの関係を示すグラフであって、図５が表１のＮｏ．１のモル比率で封入したときの測定結果、図６が表１のＮｏ．３のモル比率で封入したときの測定結果を示す。

これらのグラフより、少なくとも１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２の範囲において、平均演色評価数Ｒａ≧８０であり、発光効率η≧１００（ｌｍ／Ｗ）であった。グラフ掲載は省略するが、他の例においても同様の結果が得られた。
近時曲線は、いずれもＬ／Ｄ＝２近傍でピークとなっていることから、測定誤差などを考慮したときに、平均演色評価数Ｒａ及び発光効率ηが両方とも高レベルに維持するためには、Ｌ／Ｄ＝２の発光管１を用いるのが好ましい。

なお、上述した説明では、発光管１は１ピースタイプのものを用いたが、略楕円面状に形成された発光部の長軸方向両端側にキャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成されていれば、２ピースタイプのものであってもよい。
２ピースタイプの発光管３０は、図７に示すように、略半楕円面３１の頂点側に角隅部のない遷移曲面３２を介して一のキャピラリ３３を連続的に形成した漏斗状の発光管形成用半体３４を突合せ溶接して形成されている。

この場合、発光部３５の有効長さＬは図１の発光管１と同様、直管状のキャピラリ３３の内径が、発光部３５に連続する遷移曲面３２に移行して拡径開始する部分３５Ａ及び３５Ｂ間の距離で定義される。
有効内径Ｄは、突合せ溶接部３６が厚肉になるので、その溶接部３６における内側の膨らみがなかったとしたときの想定楕円面３７における電極間中央部の最大内径で定義される。
そして、有効長さＬと有効内径Ｄの比が、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に形成されている。

この２ピースタイプの発光管３０においては、突合せ溶接部３６の厚肉部を除いた発光部３５の肉厚分布が、前記厚肉部を除いて算出された平均肉厚の±２０％以内に形成され、厚肉部が前記平均肉厚の１〜１.５倍に形成されたものを、前記発光管１に替えてメタルハライドランプＡ〜Ｃに装着して点灯実験したところ、上記各実施例と同様に、平均演色評価数Ｒａ≧８０の高演色性と、η≧１００（ｌｍ／Ｗ）の高発光効率を両立させることができた。

以上述べたように、本発明は、高演色性及び高発光効率が要求されるセラミックメタルハライドランプの用途に適用できる。

Ａ〜Ｃ メタルハライドランプ
１ 発光管
２ 発光部
３Ａ、３Ｂ キャピラリ
４ 遷移曲面
６Ａ、６Ｂ 電極アセンブリ
Ｌ 有効長さ
Ｄ 有効内径

Claims (6)

1. ハロゲン化金属、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置される一対の電極アセンブリを挿通したキャピラリとが、透光性セラミックで形成された発光管を備えたセラミックメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管は、略楕円面状に形成された前記発光部の長軸方向両端側に前記キャピラリが角隅部のない遷移曲面を介して連続的に形成され、
   前記発光部の内側寸法が、その有効長さをＬ、有効内径をＤとしたときに、１.８≦Ｌ／Ｄ≦２.２に設計されると共に、点灯時の発光部最冷温度が８００℃以上で且つ発光部最高温度が１２００℃以下となる大きさに形成されており、
   前記ハロゲン化金属として、少なくともヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが封入されると共に、ヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムが、全ハロゲン化金属に対して夫々４０〜８０％及び３０％未満のモル比率で封入されたことを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
2. 前記ハロゲン化金属として、ヨウ化ディスプロシウムが全ハロゲン化金属に対して３％以下のモル比率で封入された請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。
3. 前記ハロゲン化金属として、ヨウ化セリウムが全ハロゲン化金属に対して５％以下のモル比率で封入された請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。
4. 前記発光管が発光部の両端側に一対のキャピラリを一体成形した１ピースタイプである場合に、発光部の肉厚分布が平均肉厚の±２０％以内に形成された請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。
5. 前記発光管が、略半楕円面の頂点側に角隅部のない遷移曲面を介して一のキャピラリを連続的に形成した漏斗状の発光管形成半体を突合せ溶接して形成した２ピースタイプである場合に、突合せ溶接部の厚肉部を除いた発光部の肉厚分布が、前記厚肉部を除いて算出された平均肉厚の±２０％以内に形成された請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。
   
6. 前記突合せ溶接部の肉厚が、前記平均肉厚の１〜１.５倍である請求項５記載のセラミックメタルハライドランプ。
   
   

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