JPH024099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は屋内照明に好適する100W以下の小形
メタルハライドランプに関する。

（発明に至つた背景） 近年省エネルギーの見地から、従来一般家庭等
の屋内用照明に多用されていた白熱電球に替わ
り、高効率で高演色性の小形メタルハライドラン
プの関発が要請されている。

従来においては200W以上の中、大形メタルハ
ライドランプが既に知られているが、これら中、
大形メタルハライドランプは光束値が白熱電球に
比べて格段に高く、演色性を要求される屋内で使
用されるとしても光量が多く活用できるように比
較的高い場所に設置して使用されている。しかし
ながら100W以下の小形になつてくると、白熱電
球と同様に比較的低い場所から直接被照射体を照
射して該被照射体をきわだたせるような使用形態
が生じてくる。このため、従来の中、大形メタル
ハライドランプにおいては大して重要とされなか
つた配光、特に直下照度がかなり大きな問題とし
て配慮されなければならない。

一般に高圧金属蒸気放電灯は、両端に相対する
電極を封着した発光管構造を有しており、屋内照
明としては両端封着部が上下方向の姿勢となる垂
直点灯で使用されることが多く、両電極間の高圧
放電によつて発せられる可視光により明るさを得
ている。したがつて放電空間から発せられる可視
光は封着部方向では明るさが減じられるものであ
り、この封着部による配光の不均一さは従来から
問題とされていたが、点灯位置が被照射体よりか
なり高位置に設置されることおよび複数個のラン
プと並併用されることなどにより、被照射面の照
度分布はかなり均等にすることができた。

しかしながら本発明で対象としている100W以
下のメタルハライドランプのように、直接被照射
体を照射し、かつ一般家庭のごとく比較的低い位
置に設置されて点灯されるものでは、従来構造の
ままであると被照射体に明るさのむらを発生する
不具合を生ずる。

（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、封着部方向の明る
さを増して配光特性の均一化が可能となり、省エ
ネルギーの観点から高効率さを損うことのない
100W以下の小形メタルハライドランプを提供し
ようとするものである。

（発明の概要） すなわち本発明は、発光管における軸方向中央
部の肉厚を最小にし、封止部に近づくにつれて肉
厚が連続的に増大されるようにし、この肉厚の大
きい方向に光の屈折を生じせしめて封着部方向の
光量を増すようにしたことを特徴とする。

（発明の実施例） 以下本発明の一実施例を図面にもとづき説明す
る。

図中１は石英ガラスなどの耐熱性透光物質から
なる発光管であり、両端にタングステン等の高融
点金属からなる電極２，３を封着してある。電極
２，３はモリブデン等の金属箔導体４，４に接続
されており、これら金属箔導体４，４は発光管１
の両端部に形成した封着部５，５内に封着されて
いる。金属箔導体４，４はウエルズ６，６に接続
されており、これらウエルズ６，６を介して電極
２，３に電圧が印加される。発光管１はその放電
空間部分が球状もしくは楕円球状となるように、
たとえば膨出成形されており、放電空間内におけ
るガスの対流を円滑に生じせしめるようになつて
いる。また封着部５，５は断面が円形もしくは楕
円形をなして棒状に延びており、これら封着部
５，５を通じて熱損失が小さくなるように考慮さ
れており、これによつて発光管１の最冷部温度の
上昇を図り、発光金属の蒸発を従して発光効率の
向上を可能にしている。発光管１内には水銀と、
始動用希ガスと、発光金属としての金属ハロゲン
化物、たとえば沃化ナトリウムおよび沃化スカン
ジウムが封入されている。

発光管１は外管７内に収容されている。外管７
は白熱電球と同様な形状および大きさを有し、一
端にねじ込み形口金８を被着してある。外管７の
ステム９にはリード線１０ａ，１０ｂが封着され
ており、一方のリード線１０ａには支持線１１を
介して一方の電極２が接続されているとともに、
他方のリード線１０ｂには発光管１から遠ざかる
ように弓形に曲成された導電ワイヤ１２を介して
他方の電極３が接続されている。なお外管７内は
真空もしくは窒素あるいは不活性ガスの雰囲気に
保たれており、また口金８には端子８ａが設けら
れている。

しかして発光管１は第２図に示されるように、
発光空間の周囲の肉厚分布が異なるように構成さ
れている。すなわち発光管１の肉厚ｔは、軸方向
に沿う発光管中心部に最小肉厚t_nioを形成すると
ともに、発光管１の封着部５，５に近接する部
分、つまり封着部５，５の根元部分に最大肉厚
t_naxを形成し、これらt_nio部分からt_nax部分の間は
連続的に肉厚が変化されている。このような肉厚
変化を無理なく形成するためにも、発光管形状は
球状または楕円球状が好ましく、球状もしくは楕
円球状であれば肉厚が連続して変化することとあ
いまつて発光管の機械的強度が向上する。

このような構造の肉厚分布をもつことにより、
該肉厚変化の光学的効果にもとづき配光特性が改
善される。すなわち、上記のごとき肉厚分布構造
によれば、光が肉厚の大きい方向へ屈折するとい
うレンズ作用により、封着部側の光量が増大す
る。第３図はその原理を一層詳しく説明するため
に示したもので、本図によつてその作用を説明す
る。第３図Ａは発光管の形状が従来の中、大形ラ
ンプのように筒形であり、しかも肉厚の変化がな
い場合を示し、また、第３図Ｂは発光管の形状が
球状であるが肉厚の変化がない場合、第３図Ｃは
本実施例のものに係り発光管の形状が球状であり
しかも中央部に比べて端部の肉厚が大きい場合を
各々示す。第３図ＡないしＣにおいては説明を簡
単にするため、中心点Ｏから同一方向に光線OA
が放出される場合を考えてみる。なお、第３図Ｂ
と第３図Ｃにおいてはバルブの内面を同一曲率半
径としてある。

第３図Ａの場合、OA方向の入射光はバルブ壁
の入射面に直角な法線Ｌ−Ｌに対してθ₁の入射角
をなしている。そして通常発光管を構成する物質
たとえば石英ガラスは発光管内部および外部の雰
囲気ガス中より、屈折率が大きいものであり、ま
た光の屈折の性質は屈折率の小さな所から屈折率
の大きい所へ入射した光は、入射角よりも小さな
角度をもつて透過してゆくものである。したがつ
て第３図Ａに示されたOA方向の入射光は、ガラ
ス壁内で法線Ｌ−Ｌとなす角度が小さくなるよう
な方向、つまりAB方向へ屈折され、かつＢ点か
ら外へ出る場合には屈折率が大きな方向へ透過す
るのでBC方向へ進むことになる。すなわち、第
３図Ａの例では、OA方向の入射光に対し、OA
方向の延長線OAD線よりも中心方向（図示下方
向）へ偏心した屈折光BCが放出される。

第３図Ｂの場合には、Ｏ点が曲率中心であるた
め、入射角は零であり、ガラス壁のＡ点に入射さ
れた光は屈折されることなくB′点に至り、かつ
ガラス壁の外面も曲率中心がＯ点であることから
B′点において屈折されず、よつてOA方向の入射
光は直進してB′C′方向へ放出される。

第３図Ｃの場合においては、OA方向の入射光
はB″点まで直進される。B″点における曲率中心
はＡ点の曲率中心とは異なる位置にあり、しかも
図示の上方が大きな肉厚となるように形成されて
おり、かつ屈折率の大きな所から小さな所へ光が
透過する場合に入射角よりも大きな角度で透過す
ることの理由により、B″C″方向の屈折光となる。
B″C″方向の屈折光は入射方向OAに対して角度θ₂
だけ図示の上方に向つて屈折される。このことが
レンズ効果と称するゆえんであり、したがつて第
２図の発光管１は端部に近づくにつれて肉厚を大
きくしてあるから、第３図Ｃのレンズ効果にもと
づき端部方向、つまり封着部５，５方向の光量が
増大される。

以上の説明においては中心点Ｏから出た１本の
光線について考察し、かつ発光管形状も球状の場
合について検討したが、複数の光線、中心点Ｏ以
外から出る光および発光管形状が楕円球状の場合
を考えても、その屈折作用は複雑になるが基本的
にはレンズ効果によつて封着部方向へ拡散される
ことは容易に理解される。

以上の原理にもとづき配光特性の改善結果を第
４図に示す。第４図中破線は円筒状構造の発光管
の例であり、実線は本実施例に係る肉厚分布およ
び球状構造の発光管の例を示す。いづれも
1000lmの照度（cd）の配光分布であり、かつ口
金を上方とした垂直点灯姿勢である。また実線の
ものは、最小肉厚t_nioと最大肉厚t_naxの比t_nio／
t_naxが0.5にした場合である。

第４図から判るように、図中上方は口金が存在
するので破線のものも実線のものと大差はない
が、本実施例の肉厚分布をもつ実線のものは水平
方向の照度がわずかに減少するものの、直下照度
は破線のものに比べて約３倍に上昇されており、
配光分布が均一化されている。本実施例に係るラ
ンプは、前述のレンズ効果に加えて、発光管が球
状形状のため筒状形のものに比べて同一内容積の
場合には水平方向への膨らみを有し、かつ封着部
の断面積も小さいことも、下方向への照度が向上
することに寄与していると考えてよい。また水平
方向の照度は、第４図にあつては1000lmの線上
で比較しているから破線のものに比べて低下して
いる様に見えるけれども、実質的には後述するよ
うに全光束が向上するので水平方向の照度の低下
はない。

第５図には40Wのメタルハライドランプにおい
て垂直点灯時の直下照度とt_nio／t_naxとの関係を
示す。第５図中白丸（〇）は発光管形状を筒形に
した従来構造のものであり、肉厚変化がないも
の、黒丸（●）は発光管形状を球状にしたもので
ある。第５図が示す通り、発光管の形状を単に球
状に成形するだけであつても封着部での遮光損失
が減少するから直下照度は約２倍に向上するが、
さらに肉厚分布をt_nio／t_naxを0.3ないし0.7の範囲
に規制すれば筒形発光管（〇印）のものに比べて
直下照度は2.5〜3.5倍に向上する。

t_nio／t_naxを0.7より大きくすると肉厚分布に対
する配光分布の均一化が小さくなるので所期の目
的を達成し難くなり、またt_nio／t_naxが0.3より小
さくなると肉厚分布が急激に変化しすぎる結果、
発光管の熱的歪が大きくなり、点灯中に発光管破
損の惧れも生ずるから好ましくない。

以上の結果は40Wの例であるが、100W以下の
小形メタルハライドランプにおいては発光管を筒
形に成形すると、封着部による配光不均一の影響
が中、大形ランプに比べて相対的に大きくなるの
に対し、本発明に係る効果はランプが小形化され
るほど大きな効果が現われる。100W級のメタル
ハライドランプにおいてt_nio／t_naxを0.3〜0.7の範
囲に選定すれば筒形のものに比べて約２〜３倍、
また20W級では同じく約３〜４倍の直下照度向上
を達成した。

さらに本実施例によると、前述した様に、発光
管端部における封着部の断面積が小さいので熱損
失が減少され、特に点灯時に下側に位置する封着
部根元の発光管内が最冷部となるが、この最冷部
は上記熱損失が少ない理由によつて従来よりも向
上し、もつて封入金属の蒸発量を大きくしてラン
プ効率の向上に寄与する。加えて発光管の形状を
球状または楕円球状とすることにより、発光管内
における蒸発物の対流が円滑に行われてこの対流
を促進し、ランプ効率は一層向上する。40Wのラ
ンプの場合、従来のものに対して約30％以上の効
率向上が可能になり、全体的に照度の向上が実現
できる。

なお、最小肉厚を考慮する場合には発光管の耐
圧強度について検討しておく必要がある。本実施
例のごとき、発光管形状を球状もしくは楕円球状
にすると、円筒形のものに比べて耐圧強度は著し
く増大する。ところで一般にメタルハライドラン
プのにおいては、発光管の内表面積Ｓ（cm²）でラ
ンプ電力W_L（ワツト）を除した値、つまり管壁負
荷W_L／Ｓ（ワツト／cm²）を増加すればランプ効率
が向上することは知られている。しかしながら小
形メタルハライドランプになると電極による熱損
失や対流による熱損失等による損失分が中、大形
ランプに比べて相対的に増加するから、ランプ効
率は中、大形ランプに比べて20〜40％も効率の低
下を招く傾向がある。このことに対し、小形メタ
ルハライドランプにおいては、前述のごとく発光
管形状を球もしくは楕円球とし、封止部の断面積
を小さくして熱損失を減少させてあり、加えて管
壁負荷W_L／Ｓを15（ワツト／cm²）以上とすること
により白熱電球に比し３〜４倍の光束を得ること
が確認できた。

このように管壁負荷を上げることは発光管内の
圧力が増大することになるので、発光管の肉厚に
ついてその最小値t_nioを一定基準以上に設定する
必要が生じてくる。管壁負荷を15（ワツト／cm²）
以上にすると発光管内の圧力は15atm〜20atm以
上に達する。寿命中における管壁の耐圧強度の劣
化、ランプ電圧上昇等による若干の圧力増加等を
考慮に入れて安全率を見込むと、発光管の耐圧強
度は50atmでも破損されないことを必要とする。
したがつて発光管の最小肉厚は耐圧強度50atmを
限界値として実験した。なお、一般にランプ入力
が小さくなるほど発光管形状は小形化され、かつ
小形化される程耐圧強度が増す。それゆえ、
100W以下の小形メタルハライドランプは以下の
値が要求されることを確認した。

100W≧W_L＞70Wではt_nio≧0.5mm 70W≧W_L＞40Wではt_nio≧0.4mm 40W≧W_Lではt_nio≧0.3mm さらにまた、一般に発光管１を囲繞する外管７
は内面にけい光体もしくはシリカ等の拡散物質を
塗布して拡散タイプとするか、もしくは拡散物質
を塗布しない透明（クリア）タイプとされる。拡
散タイプの場合には透明タイプに比べて配光特性
がかなり均一化されることは知られている。しか
しながら本発明による発光管の配光分布は、拡散
タイプの外管を使用しても何ら打ち消されるもの
ではなく、従来のものに比べて依然として有位性
をもつものであるから、外管については何ら制約
されるものではない。

（発明の効果） 以上詳述した通り本発明は、100W以下の小形
メタルハライドランプにおいて発光管の軸方向に
沿う中央付近の肉厚を最小にし、端部における封
着部近傍の肉厚を最大にしてこれらの間で肉厚が
連続的に変化されるようにしたから、発光管内で
生じた光は上記肉厚分布にもとづくレンズ効果の
ために、封着部方向へ屈折されて封着部方向の光
量が増大される。このため封着部方向の照度が向
上するので配光分布が均一化され、特に垂直点灯
時における直下照度が向上する。したがつて屋内
照明として白熱電球に代替して使用する場合に被
照射体の照度分布が向上し、かつ白熱電球に比べ
て格段に効率が優れており、省エネルギー照明と
してきわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す小形メタルハ
ライドランプの構成図、第２図はその発光管構造
を示す断面図、第３図ＡないしＣは本発明のレン
ズ効果を比較して示す説明図、第４図は配光分布
特性図、第５図はt_nio／t_naxと直下照度との関係
を示す特性図である。 １……発光管、２，３……電極、５……封着
部、６……ウエルズ、７……外管、８……口金。

【特許請求の範囲】

１ 少なくとも水銀が封入されているとともに高
電圧印加用の電極が配設された石英ガラス・パイ
プを、冷媒の強制流動空間および発光光線放出用
の透明ガラス板を有するランプハウス内に設置し
て構成される強制冷却型超高圧水銀ランプにおい
て、上記石英ガラス・パイプの外周表面のうち上
記透明ガラス板の存在側とは反対側のほぼ半周表
面に、酸化セリウムと弗化マグネシウムの多層膜
からなり、熱線の大部分は透過し近紫外光の大部
分は反射する選択光学膜を密着して形成したこと
を特徴とする強制冷却型超高圧水銀ランプ。