JP5699714B2

JP5699714B2 - セラミックメタルハライドランプ及びそれを用いた照明器具

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Publication number: JP5699714B2
Application number: JP2011060201A
Authority: JP
Inventors: 泰笹井
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: CN102683161B; KR20120106564A; CN102683161A; JP2012195255A

Description

本発明はセラミックメタルハライドランプ及びそれを用いた照明器具に関し、特に、演色性、効率に優れた高色温度のセラミックメタルハライドランプに関する。

メタルハライドランプは店舗等の商業施設でダウンライト用のベース照明として使用されることが多い。特に、商業施設向け光源については、より爽やかな空間を演出するために高色温度（４２００Ｋ前後）の要求が多い。そして、従来では、平均演色評価数（Ｒａ）が９０以上であることが好ましいとされているが、近年では更なる性能向上が求められ、Ｒａ９５以上が要求されるようになってきている。また同時に、省エネとして効率１２０lm／Ｗ以上のものが求められている。

特許文献１には、高演色ランプとして、色温度３５００〜５０００Ｋにおいて、Ｒａが９１〜９５、発光効率が９５lm／Ｗ前後のランプが開示されている。具体的には、ハロゲン添加物として、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化タリウム及びハロゲン化カルシウムからなる金属ハロゲン化物、並びにハロゲン化ディスプロシウム、ハロゲン化ホルミウム及びハロゲン化ツリウムのうちの１つからなる希土類系ハロゲン化物を封入し、ハロゲン化物の総量に対するハロゲン化カルシウムの比率を５５〜７５mol％とするものである（同文献請求項１、段落００１３、００１６、図３等参照）。

特許文献２には、高効率ランプとして、色温度３０００〜４５００Ｋにおいて、Ｒａが８０〜８３、発光効率が１００〜１２０lm／Ｗ程度のランプが開示されている。具体的には、ハロゲン添加物として、ヨウ化ツリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カルシウム等を封入し、ハロゲン添加物の総量に対するヨウ化ナトリウム及びヨウ化カルシウムの比率をそれぞれ４０〜８０mol％及び０〜３０mol％とするものである（同文献請求項１、段落００２８、図５、図６等参照）。

特許文献３には、高演色・高ワットランプとして、色温度２５００〜４５００Ｋにおいて、Ｒａが７６〜８７以上のランプが開示されている。具体的には、ハロゲン添加物の希土類元素をホルミウム、ディスプロシウム又はツリウムとし、ホルミウムが特に好ましいものとして開示されている（同文献段落００２７参照）。

特開２００４−２８１２１６号公報特開２０１０−２５１２５２号公報特開２００３−１８７７４４号公報

しかし、上記のいずれの特許文献によっても、色温度４２００Ｋ前後のランプにおいて、Ｒａ９５以上の高演色でかつ発光効率１２０lm／Ｗの高効率なランプは達成されていない。
ここで、各特許文献が開示しているハロゲン添加物のうち希土類系ハロゲン化物に着目すると、いずれも、ヨウ化ツリウム、ヨウ化ホルミウム又はヨウ化ディスプロシウムが用いられている。一般的に、効率向上のためには、短波長側に発光スペクトルを持つヨウ化ホルミウムやヨウ化ディスプロシウムを用いずにヨウ化ツリウムのみを用いる（さらにヨウ化セリウムを用いる）のが好適であるとされている。一方、高色温度を４２００Ｋ前後にするためには、ヨウ化ホルミウム及びヨウ化ディスプロシウムを使用することが一般的であった。

そこで、本発明では、ヨウ化ホルミウムよりも発光スペクトルのピークが長波長側にあり（主な発光波長はＨｏが４１０ｎｍ、４１６ｎｍ、Ｄｙが４１９ｎｍ、４２１ｎｍである）、かつ長波長側にブロード発光があるヨウ化ディスプロシウムの封入量に着目した。これは、ヨウ化ディスプロシウムを用いた方が、比視感度曲線が５５５ｎｍに向かって大きくなる特性を持っているため光束（発光効率）の確保に有利であり、また、長波長側のブロード発光がＲａ向上にも有利であると考えられるからである。即ち、本発明は、高色温度（３８００〜４５００Ｋ）のセラミックメタルハライドランプにおいて、ヨウ化ディスプロシウムを主な希土類系ハロゲン添加物として使用して発光効率を向上させ、高演色（Ｒａ９５以上）かつ高効率（発光効率１２０lm／Ｗ以上）のランプを提供することを課題とする。

本発明の第１の側面は、セラミックス製の発光管を備え、色温度が３８００〜４５００Ｋのメタルハライドランプである。このメタルハライドランプにおいて、発光管における壁面負荷は２０〜３０Ｗ／ｃｍ^２であり、発光管に発光物質としてハロゲン添加物のヨウ化物が封入される。ハロゲン添加物のヨウ化物は（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）、（２）ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、（３）ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）、（４）ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、（５）ヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）、及び（６）ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）からなり、上記（１）〜（６）の総量に対して（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を７ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下とし、かつ、（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）に対する（３）ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）の封入ｍｏｌ比（ＣｅＩ_３／ＤｙＩ_３）を０．２以上０．６以下とした。

さらに、上記（１）〜（６）の総量に対して（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を７ｍｏｌ％以上１１ｍｏｌ％以下とすることが好ましい。また、定格ランプ電力は１００Ｗ±１０％である。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面のメタルハライドランプ、及びそのメタルハライドランプが取り付けられるリフレクタを備えた照明器具である。

本発明のセラミックメタルハライドランプの図である。本発明のセラミックメタルハライドランプの図である。本発明によるヨウ化ディスプロシウム量の決定を説明する図である。本発明によるヨウ化ディスプロシウム量の決定を説明する図である。本発明によるヨウ化ディスプロシウム対ヨウ化セリウム比の決定を説明する図である。本発明によるヨウ化ディスプロシウム量の決定を説明する図である。本発明の照明器具の図である。

図１に本発明のセラミックメタルハライドランプ（以下、「ランプ」という）の一例を示す。ランプ１は発光管１０（アルミナパイプ）を備え、発光管１０は本管部と本管部を挟む細管部で一体形成される。本管部と細管部が連続形成されることによって両者の境界部分で肉厚の不連続が生じない構成となっている。本管部内に一対の電極（不図示）が対向配置され、それらの電極が細管部内の導電体を介して導体棒１１ａ及び１１ｂに接続される。

導体棒１１ａ及び１１ｂはステム１２に接続されるとともに内管１３に包含され、内管１３は外管１４に包含される。内管１３及び外管１４はステム１２に固定され、ステム１２にはシェル部１５が設けられている。なお、図示しないが、導体棒１１ａ及び１１ｂの一方がシェル部１５の先端に、他方がシェル部１５の側部に電気的に接続される。

図２に本発明のランプの他の例を示す。ランプ２は発光管２０（アルミナパイプ）を備え、発光管２０は発光管１０と同様に本管部と本管部を挟む細管部で一体形成される。発光管２０は導体棒２１ａ及び２１ｂを介して口金２２に接続されるとともに内管２３に包含され、内管２３は外管２４に包含される。内管２３及び外管２４は口金２２に固定され、口金２２にはシェル部２５が設けられている。そして、導体棒２１ａ及び２１ｂの一方が口金２２の先端に、他方が側部のシェル部２５に電気的に接続される。

発光管１０及び２０の本管部内部には発光物質及びアルゴンガスが封入される。発光物質は水銀及びハロゲン添加物からなり、ハロゲン添加物は（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）、（２）ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、（３）ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）、（４）ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、（５）ヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）、及び（６）ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）からなる。本発明は上記のうち特に、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）の封入量（組成比率）を最適化するものである。

各成分の封入量を変化させて発光特性への影響を知るための実験を行った。
発光管の定格電力は１００Ｗ±１０％であり、発光管における壁面負荷は２０〜３０Ｗ／ｃｍ^２であり、発光管内容積は０．６７４ｃｃである。なお、壁面負荷とは、ランプ電力（Ｗ）を本管部の全内面積（ｃｍ^２）で除した値である。
単位容積あたりの添加物量は３．４ｍｇ／ｃｃであり、水銀封入量は１０ｍｇである。

なお、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の量は以下に示す条件Ａ〜Ｅについて検討した。以下、各ハロゲン添加物の量は、ハロゲン添加物（１）〜（６）の総量に対する該当ハロゲン添加物のｍｏｌ％で表すものとする。

ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の封入量はＲａに影響を与え、特に、可視域全域で発光がみられるのでＲａの向上に寄与する。
図３はヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の量に対するＲａのグラフである。プロットされているヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の量は、３．９ｍｏｌ％（Ａ）、７．４ｍｏｌ％（Ｃ）、及び１２．７ｍｏｌ％（Ｅ）である。図中の曲線はプロット点の近似曲線である。近似曲線より、Ｒａを９５以上とするためにはヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を約７ｍｏｌ％以上１３ｍｏｌ％以下とする必要がある。

図４にヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の量に対する発光効率のグラフを示す。プロットされているヨウ化ディスプロシウム量は、３．９ｍｏｌ％（Ａ）、７．４ｍｏｌ％（Ｃ）、１１．１ｍｏｌ％（Ｄ）、及び１２．７ｍｏｌ％（Ｅ）である。図中の曲線はプロット点の近似曲線である。近似曲線より、発光効率を１２０lm／Ｗ以上とするためにはヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を約６ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％とする必要がある。

次に、ヨウ化ディスプロシウム量に対するヨウ化セリウム量のｍｏｌ比（ＣｅＩ_３／ＤｙＩ_３）を決定する。ここで、ヨウ化セリウム量に対して発光効率は単調増加するが、ヨウ化セリウム量を増加させ過ぎると、ヨウ化ディスプロシウム分子の発光が阻害され、所望のＲａを得ることができなくなってしまう。また、ヨウ化セリウム量の増加により発光効率を上昇させるためには発光管内の温度を比較的高温に保持する必要があるため、壁面負荷が高くなり（例えば、３０Ｗ／ｃｍ^２以上に）ランプ寿命が短くなってしまうという問題がある。そこで、ヨウ化ディスプロシウム量に対するヨウ化セリウム量の封入比率を適切に設定する必要がある。

図５にヨウ化ディスプロシウム量対ヨウ化セリウム量のｍｏｌ比（ＣｅＩ_３／ＤｙＩ_３）に対する発光効率を示す。プロットしたｍｏｌ比は０．７４（Ａ）、０．６０（Ｂ）、０．３５（Ｃ）、０．２２（Ｄ）、及び０．１７（Ｅ）である。図中の曲線はプロット点の近似曲線である。近似曲線より、発光効率を１２０lm／Ｗ以上とするためには上記ｍｏｌ比を約０．２以上０．６以下とする必要がある。

以上より、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）の封入量（組成比率）について、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を７ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下とし、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）とヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）の封入ｍｏｌ比（ＣｅＩ_３／ＤｙＩ_３）を０．２以上０．６以下とすることが決定された。これにより、高色温度（３８００〜４５００Ｋ）のランプにおいて、高演色性（Ｒａ９５以上）と高効率（１２０lm／Ｗ以上）を同時に達成することができる。

なお、色温度３８００〜４５００Ｋの１００Ｗクラスのランプにおいては、他のハロゲン添加物の量について、発光効率と色温度に関係するヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）を１５〜２０ｍｏｌ％程度、発光効率と緑系の光色（Ｄｕｖ）に関係するヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）を２〜３ｍｏｌ％程度、色温度に関係するヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）を４０〜５０ｍｏｌ％程度、発光効率と赤色の特性（Ｒ９）に関係するヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）を１５〜２０ｍｏｌ％程度、緑系の光色（Ｄｕｖ）に関係するヨウ化タリウムは過剰に封入するとピンク系の光色が失われるため６〜９ｍｏｌ％程度とすればよいことが分かっている。

また、図６にヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）の量に対する色味（Ｄｕｖ）を示す。プロットされているヨウ化ディスプロシウム量は、３．９ｍｏｌ％（Ａ）、７．４ｍｏｌ％（Ｃ）、１１．１ｍｏｌ％（Ｄ）、及び１２．７ｍｏｌ％（Ｅ）である。図中の曲線はプロット点の近似曲線である。Ｄｕｖは０±３とするのが一般的であるが、商業施設向けでは、マイナス側、即ち、−３〜０が好まれる。近似曲線より、Ｄｕｖを−３以上０以下とするためにはヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）を４ｍｏｌ％以上１１ｍｏｌ％以下とすればよい。従って、Ｒａ及び発光効率に関する組成比率において、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）をさらに７ｍｏｌ％以上１１ｍｏｌ％以下とすることがより好ましい。

表２に、上記に従って実施例１〜３のランプ（１００Ｗタイプ）を作製した。以下に各実施例のハロゲン添加物の組成比率等を示す。

なお、実施例１では、ハロゲン添加物の絶対量は、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）０．３ｍｇ、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）０．８ｍｇ、ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）０．１ｍｇ、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）０．５ｍｇ、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）０．４ｍｇ、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）０．２ｍｇである。また、水銀封入量を１０ｍｇ、アルゴンガスを２０ｋＰａ（１５０Ｔｏｒｒ）封入し、壁面負荷を２５Ｗ／ｃｍ^２とした。

表３に各実施例の特性を示す。以下に示す各測定値は点灯開始後１００時間経過時の値である。

表３に示すように、各実施例において、高色温度（３８００〜４５００Ｋ）で高演色性（Ｒａ９５以上）と高効率（１２０lm／Ｗ以上）を同時に達成することができた。また、Ｄｕｖについても商業施設用に好適であるとされる−３〜０を達成することができた。
なお、本発明では、希土類系ハロゲン添加物としてヨウ化ホルミウム（ＨｏＩ_３）を含まない。これはヨウ化ホルミウムを封入すると発光効率が低下してしまうためである。

なお、ランプ電力１００Ｗに合わせた壁面負荷において、ランプ電力を９０〜１１０Ｗまで変化させたところ、ランプ電力１００Ｗの測定値に対してＲａが約±２％（ランプ電力に対して単調増加）、発光効率が約−１％（ランプ電力１００Ｗ時が最も高い）、Ｄｕｖが約±１３％（ランプ電力に対して単調減少）変化することが確認された。これは、定格１００Ｗランプ用に壁面負荷を設定した状態でランプ電力を９０〜１１０Ｗとしても所望の特性を得られることを意味するとともに、定格９０Ｗ又は１１０Ｗランプ用に壁面負荷を合わせて封入物の総量を決定すれば、所望の特性にさらに近い（定格１００Ｗランプとほぼ同等の）特性が得られることを意味している。即ち、本発明は定格ランプ電力が少なくとも１００Ｗ±１０％程度のランプに適用可能である。

図７に上記のランプ１又は２を用いた照明器具３０の図を示す。照明器具３０はランプ１又は２、及びそれが取り付けられるリフレクタ３１を備え、配線３２ａ及び３２ｂを介して高圧放電ランプ点灯装置３３に接続される。なお、点灯装置３３は照明器具３０と一体化されていてもよいし、個別のものとしてもよい。また、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。
上記より、高色温度（３８００〜４５００Ｋ）で高演色（Ｒａ９５以上）かつ高効率（１２０lm／Ｗ以上）のランプを具備した照明器具が構成され、商業施設用等における照明に適した照明器具を提供できる。

１、２．ランプ
１０、２０．発光管
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ．導体棒
１２．ステム
２２．口金
１３、２３．内管
１４、２４．外管
１５、２５．シェル部
３０．照明器具
３１．リフレクタ
３２ａ、３２ｂ．配線
３３．点灯装置

Claims

セラミックス製の発光管を備え、色温度が３８００〜４５００Ｋのメタルハライドランプであって、
前記発光管における壁面負荷が２０〜３０Ｗ／ｃｍ^２であり、
前記発光管に発光物質としてハロゲン添加物のヨウ化物が封入され、
前記ハロゲン添加物のヨウ化物が、（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）、（２）ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ_３）、（３）ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）、（４）ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、（５）ヨウ化カルシウム（ＣａＩ_２）、及び（６）ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）からなり、
前記（１）〜（６）の総量に対して前記（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）が７ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下であり、
前記（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）に対する前記（３）ヨウ化セリウム（ＣｅＩ_３）の封入ｍｏｌ比（ＣｅＩ_３／ＤｙＩ_３）が０．２以上０．６以下であり、定格ランプ電力が１００Ｗ±１０％であるメタルハライドランプ。
請求項１に記載のメタルハライドランプであって、さらに、前記（１）〜（６）の総量に対して前記（１）ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ_３）が７ｍｏｌ％以上１１ｍｏｌ％以下であるメタルハライドランプ。
請求項１又は２に記載のメタルハライドランプ、及び該メタルハライドランプが取り付けられたリフレクタを備えた照明器具。