JPWO2005010921A1 - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

本発明のメタルハライドランプは、セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極とを備えている。このランプは、発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、およびＣａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］が、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０、および３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０の関係を満たす。

Description

本発明は、屋外・高天井等に用いられるメタルハライドランプに関する。

近年、メタルハライドランプの発光管材料として、セラミックを用いたセラミックメタルハライドランプの開発が盛んである。セラミック製の発光管は、石英製の発光管と比較して、発光材料との反応が少なく、耐熱性に優れているという特長がある。
この特長をいかして、石英に比べて高温で動作させることが可能となり、より高い効率で演色性に優れてメタルハライドランプを実現することができる。
セラミック発光管を用いたメタルハライドランプの一例として、特表２０００−５１１６８９号公報に開示されているようなランプがある。このランプは、セラミック発光管内にＮａ（ナトリウム）、Ｔｌ（タリウム）、Ｄｙ（ディスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）のうち少なくとも一つのハロゲン化物に加え、Ｃａｌ_２（沃化カルシウム）を封入することにより、平均演色評価数Ｒａが９０以上の良好な演色性と、相関色温度３９００Ｋ〜４２００Ｋの白色光を備えたメタルハライドランプである。
しかしながら、上記の特表２０００−５１１６８９号公報に記載されているメタルハライドランプの効率は、ランプの定格電力（ｌａｍｐ ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｎｇ）が１５０Ｗ（ワット）の場合に８５ＬＰＷ〜９０ＬＰＷ程度であり、石英管を使用する場合より高い効率を発揮する。ここで、「ＬＰＷ」とは「Ｌｕｍｅｎ Ｐｅｒ Ｗａｔｔ」の頭文字を取ったもので、「ｌｍ／Ｗ」の単位を有する。
近年、省エネルギーの観点から、従来のメタルハライドランプよりも効率の高い光源が望まれている。高圧ナトリウムランプの効率は約１１０ＬＰＷ（電力定格１８０Ｗの場合）と非常に高いが、Ｒａが約２５であり、演色性が乏しい。このため、高圧ナトリウムランプは、店舖や高天井等に用いられることはあまりなく、道路灯などに使用されている。
このように店舗や高天井の照明には、ランプの効率のみならず、演色性に優れていることも重視されるが、一般に、光源の高効率化を達成しようとすると、視感度の高い緑系の発光が強められるため、演色性が低下してしまう。すなわち、高効率化と高演色性の両立は非常に困難とされている。
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、平均演色評価数Ｒａが７０以上、好ましくは８５以上となる良好な演色性を保ちながら、従来のメタルハライドランプの効率（典型的には９０ＬＰＷ）に比べて１０％以上は高い効率（１００ＬＰＷ以上）を示すメタルハライドランプを提供することにある。１０％の効率向上（光束増加）は、人間が若干の明るさ増加を感じることができる最低レベルである。また、平均演色評価数Ｒａ７０以上という条件は、一般に工場などで作業をする場合に物の色を識別するに良好な演色性をもたらすものであると考える。

本発明のメタルハライドランプは、セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極とを備えたメタルハライドランプであって、前記発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、前記Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、前記Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］が、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０、および３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０の関係を満たしている。
好ましい実施形態において、前記Ｐｒのハロゲン化物、前記Ｎａのハロゲン化物、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量は、いずれも、１．０ｍｇ／ｃｍ^３以上である。
好ましい実施形態において、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦４．７である。
好ましい実施形態において、１１．９≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０である。
好ましい実施形態において、前記発光管の内径をＤ（ｍｍ）、前記電極先端間距離をＬ（ｍｍ）としたとき、４≦Ｌ／Ｄ≦９の関係を満たしている。
好ましい実施形態において、前記発光管を収納する外管を備え、前記発光管と前記外管との間が１ｋＰａ以下の減圧状態に保たれている。
好ましい実施形態において、平均演色評価数Ｒａが７０以上、ランプ効率が１００ＬＰＷ以上である。
本発明の照明装置は、上記いずれかのメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプの調光を行なう手段とを備えている。
好ましい実施形態において、前記手段は、前記メタルハライドランプの電極に電力を供給する電子安定器を有し、前記電子安定器は、前記電力を定格の２５％から前記定格までの範囲で調節することができる。

図１は、セラミック発光管の構成を内部に有する本発明のアーク放電ハロゲン化金属ランプの側面図である。
図２は、図１の発光管２０の拡大した断面図である。
図３は、本発明ランプについての、ランプ効率（ＬＰＷ）と、発光管電極間長さ対内径の比（Ｌ／Ｄ）との関係を示す図である。
図４は、本発明ランプについての、Ｃａのハロゲン化物量とＰｒのハロゲン化物量とのｍｏｌ比による、ランプ効率（ＬＰＷ）および平均演色評価数（Ｒａ）との関係を示す図である。
図５は、本発明の典型的なランプについて、３０Ｗから１５０Ｗまで調光した場合の色温度の変化を示す図である。
図６（Ａ）〜（Ｇ）は、本発明ランプの発光管の一実施形態の断面を示す図である。
図７は、本発明によるメタルハライドランプと電子安定器とを備えたシステム（照明装置）の構成例を示すブロック回路図である。

本発明のメタルハライドランプは、発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、Ｃａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］の間に以下の関係が同時に成立している。
３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０ ・・・（式１）
０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０ ・・・（式２）
本発明では、上記の式１および式２を満足する比率で、Ｐｒのハロゲン化物、Ｎａのハロゲン化物、およびＣａのハロゲン化物をセラミック製発光管内に封入している点に主たる特徴点を有している。このことにより得られる効果の詳細については、後述する実施例の作用効果を説明する際に併せて説明する。
以下、図面を参照しながら、本発明によるメタルハライドランプの好ましい実施形態を説明する。
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態のメタルハライドランプ１０の構成を示す図である。この図は、球状ホウケイ酸外管１１がエジソン型の金属口金１２にはめ込まれた状態を示している。
本実施形態のメタルハライドランプ１０は、透明な外管１１と、外管１１の内部に収容されたセラミック発光管２０とを備えている。
口金１２にはホウケイ酸ガラスフレア（外管長軸通過フレア）１６が取り付けられており、外管１１の長軸方向の軸（図１の点線１０４）に沿って外管１１の内部へと延びている。
口金１２の内側には、電気的に絶縁された一対の電極金属部分（不図示）が設けられており、各電極金属部分からは、ホウケイ酸ガラスフレア（外管長軸通過フレア）１６を通って、引き込み電極ワイヤ１４および１５（アクセスワイヤ）が外管１１の内部で平行に延びている。ワイヤ１４および１５は、例えばニッケルまたは軟鋼から形成されている。
ワイヤ１５のうち、外管長軸１０４に対して平行な部分は、ランプの動作時にワイヤ１５の表面から光電子が発生しないように、酸化アルミニウムセラミックチューブ１８の内部を通っている。また、ワイヤ１５の外管長軸１０４に対して平行な部分は、ガス不純物を捕捉（吸着）するためのゲッター１９を支持している。
セラミック発光管２０は、後述するように多様な構成をとり得る。図１に示す発光管２０の構成は一例に過ぎない。図示されている発光管２０は、可視光に対して半透明である多結晶アルミナ壁を有するシェル構造を有している。
この発光管２０は、本管２５と、１対の小さな内径／外径セラミック切頭円筒シェル部分２１（「チューブ２１」と称しても良い）とを有している。チューブ２１は、本管２５の２つの開口端部のそれぞれに焼き嵌めされている。
発光管２０は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（いわゆるＹＡＧ）、窒化アルミ、アルミナ、イットリア、ジルコニアなどの材料から好適に形成され得る。
次に、図２を参照しながら、発光管２０の構成を詳細に説明する。図２は、図１の発光管２０を拡大した断面図である。
図２に示す発光管２０の本管２５は、内径Ｄのシェル部分１０１、チューブ２１に接続される一対の円筒シェル部分１０２、および、シェル部分１０１と各円筒シェル部分１０２とを連結する一対の円錐シェル部分１０３を有している。
各チューブ２１からは、例えばニオビウムから形成されるリード線２６が外側にチューブ２１から延びている。２本のリード線２６は、それぞれ、図１に示すワイヤ１４、１５を電気的に接続され、ランプ電力を供給するための導線として用いられる。
２本のリード線２６の一方は、図１に示すようにワイヤ１４が外管長軸１０４と交差する位置で、溶接によってワイヤ１４に接続されている。２本のリード線２６の他方は、図１に示すようにワイヤ１５が外管長軸１０４と交差する位置で、溶接によってワイヤ１５に接続されている。このように発光管２０は、ワイヤ１４およびワイヤ１５との溶接部分の間に配置され、発光管２０の長さ方向の軸が外管長軸１０４とほぼ一致するように支持されている。こうして、ランプ動作に必要な入力電力は、ワイヤ１４、１５を介して発光管２０のリード線２６に供給される。
リード線２６は、ガラスフリット２７によってチューブ２１の内表面に固定され、封止されている。このため、リード線２６の熱膨張特性（線膨張係数）は、チューブ２１およびガラスフリット２７の熱膨張特性（線膨張係数）に近いことが好ましい。
チューブ２１の内側には、モリブデン引き込みワイヤ２９が配置されている。ワイヤ２９の一端は、リード線２６の一端に溶接によって接続され、他端はタングステン主電極軸３１の一端に溶接によって接続されている。主電極軸３１の他端（先端部分）には、タングステンコイルからなる電極３２が設けられ、溶接によって主電極３１と一体化されている。
リート線２６の直径は、例えば０．９ｍｍである。主電極軸３１の直径は、例えば０．５ｍｍである。これらのサイズは用途に応じて適宜適切な大きさに変更可能である。
本実施形態のランプの構成を規定するパラメータのうちで特に重要なもの、発光管２０の２つの電極３２の間の長さまたは距離「Ｌ（電極間距離）」、および、電極間における本管２５の内径「Ｄ」によって定義される比Ｌ／Ｄである。
本実施形態では、１対の電極３２の先端部の中心を結ぶ直線（「電極間直線」と称することにする）に沿って電極間距離Ｌが測定される。一方、本管２５の内径Ｄは、この電極間直線に実質的に直交する「平面」に沿って測定される。本明細書において、「実質的に直交する」場合には、上記の「平面」に対して「電極間直線」が正確に直交する場合のみならず、この「平面」と「電極間直線」とが直角から僅かにずれた角度で交差している場合を含む。具体的には、本管２５の形状や、本管２５の内部における電極３２の位置が図２に示すものから変化した場合、内径を規定する平面（本管２５の内壁面に垂直な面）と電極間直線との関係が「垂直」から外れる場合がある。このように内径Ｄを規定する面と電極間直線とが正確に直交しない場合でも、そのことに起因して発光特性の低下が通常のランプ設計において問題にならない程度であれば良い。
後述するように、Ｌ／Ｄは、発光管２０から放射される光の量、活性材料原子の励起状態の分布、材料輝線の広がり等に影響する常用なパラメータである。
以下、本実施形態に係るメタルハライドランプの具体的な実施例を説明する。なお、以下に説明する各実施例では、図６（Ｄ）に示す形状の発光管を使用している。この発光管は、管壁構造の両端が半球となるように切断された直円柱の断面を有している。

以下、本発明によるメタルハライドランプの第１の実施例を説明する。
本実施例のメタルハライドランプの基本的な構成は、図１および図２を参照して説明した通りのものであるが、本実施例では、ランプの定格電力を１５０Ｗに設定し、外管１１内を１ｋＰａの減圧状態に保持している。本実施例の発光管２０は、多結晶アルミナから構成されており、その内部には定格電力で点灯している時のランプ電圧が８０〜９５Ｖの範囲となるに適した量の水銀０．１〜４．０ｍｇと、封入ハロゲン化物を発光管内容積に合わせて総量５．５〜１９ｍｇ封入した。用意したハロゲン化物は、ヨウ化プラセオジムと、ヨウ化ナトリウムと、ヨウ化カルシウムがそれぞれ、ｍｏｌ比で１：１０：０．５、１：１０：２および１：１０：１０、すなわち、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比が、Ｈｃ／Ｈｐ＝０．５、２．０、１０の３通りである。発光管２０の内部には、更に、３００Ｋ（ケルビン）において２００Ｐａの圧力を示すＸｅ（キセノン）ガスが封入されている。
本実施例では、上記の構成を有するメタルハライドランプであって、発光管２０の内径Ｄに対する電極間距離Ｌの比Ｌ／Ｄを０．６から２０まで種々変化させたランプを用意し、各ランプを定格電力１５０Ｗで点灯させた状態でランプの光出力特性を評価した。
図３は、従来例と本発明の典型的なランプについて、ランプ効率［ＬＰＷ］と比Ｌ／Ｄとの関係を示している。
ここで、従来の高効率ランプ（以降、「従来ランプ」と称する）と本発明ランプとの相違点は封入物の種類のみにあり、その他の構成は同じである。従来ランプの封入物はＮａ、Ｔｌ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＴｍおよびＣａのヨウ化物であり、これらを特表２０００−５１１６８９号公報に記載されている第一の実施例にしたがって用いた。すなわち、Ｎａが２９ｍｏｌ％、Ｔｌが６．５ｍｏｌ％、Ｈｏが６．５ｍｏｌ％、Ｔｍが６．５ｍｏｌ％、Ｃａが４５ｍｏｌ％となるように発光管内容積に合わせてハロゲン化物の総量を５．５〜１９ｍｇ封入した。
従来ランプにおけるランプ効率は、図３に示すように、典型的にはＬ／Ｄによらず、約９０ＬＰＷである。ところが、本発明ランプにおいて、電極間距離Ｌと内径ＤとがＬ／Ｄ≧１．０という関係を満たす場合に、従来より約１０％以上の高い効率を得ることができることがわかった。さらに、Ｌ／Ｄがこの範囲にあるとき、Ｒａは７０から９０であり、非常に良好な演色性も得られることがわかった。
特にＬ／Ｄ≧４という関係を満たす場合、本発明ランプのランプ効率は１１３ＬＰＷとなるため、従来ランプのランプ効率９０ＬＰＷに比べて２５％以上も高い効率が得られる。つまり、Ｌ／Ｄ≧４のとき、ランプ効率が高いランプとして使用される高圧ナトリウム灯のランプ効率１１０ＬＰＷと同等以上の高い効率が得られることが分かった。また、高圧ナトリウム灯では、Ｒａの値が２０〜３０程度であるのに対し、本発明ランプのＲａは７０〜９０の非常に良好な値を示し、高効率と高演色の両立を実現している。
本発明ランプのランプ効率は、従来ランプのランプ効率に比べて２５％以上増加するので、発光性能を維持しつつ、従来の照明設計で用いられている照明の灯数を２５％低減することができる。さらに、Ｌ／Ｄ≧４の関係を満たす範囲では、発光管２０を水平となる状態で点灯した場合においても放電アークの湾曲が抑えられ、点灯中のちらつきを防止する効果が確認された。
電極間距離Ｌおよび内径Ｄは、７≦Ｌ／Ｄ≦９という関係を満たすことが更に好ましい。この場合、本発明ランプのランプ効率は最大化され、１２０ＬＰＷ以上の高い値を達成することができる。このとき、従来ランプの９０ＬＰＷに比べて、本発明ランプの高いものでは、約３５％もランプ効率を改善することができる。
なお、図３のグラフからは、Ｌ／Ｄ＞９という関係を満たすと、ランプ効率が低下傾向にあることがわかる。しかしながら、電極間距離Ｌと内径Ｄとが９＜Ｌ／Ｄ≦２０という関係を満たしていれば、本発明ランプのランプ効率は、従来ランプのランプ効率９０ＬＰＷよりも高いことが分かる。
電極間距離Ｌと内径ＤとがＬ／Ｄ＞２０という関係を満たすとき、電極間距離Ｌが非常に大きくなり、通常の点灯回路を用いた放電の始動および放電の維持が困難となるか、または、内径Ｄが小さくなり、管壁における電子の消滅に起因して放電の維持が困難となる。したがって、電極間距離Ｌと内径Ｄとは、Ｌ／Ｄ＜２０という関係を満たすことが好ましい。
なお、本実施例では、Ｈｃ／Ｈｐを０．５、２．０、および１０に３種類の値に設定したが、１．０≦Ｌ／Ｄ≦２０の範囲において、１００ＬＰＷ以上を実現するためには、Ｈｃ／Ｈｐ≦２．０に設定する心要がある。ただし、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０であれば、従来ランプよりもランプ効率を向上させることができる。
また、Ｌ／Ｄ≧４であれば、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５の範囲すべてにおいて１００ＬＰＷ以上の高いランプ効率を実現できる。
本発明の効果を得るためには、発光管内にハロゲン化プラセオジム、ハロゲン化ナトリウム、およびハロゲン化カルシウムを少なくとも１ｍｏｌ％以上は封入する必要がある。
なお、本発明の効果を得るためには、Ｐｒのハロゲン化物、Ｎａのハロゲン化物、およびＣａのハロゲン化物の封入量は、いずれも、１．０ｍｇ／ｃｍ^３以上に設定することが好ましく、２．０〜２５ｍｇ／ｃｍ^３。の範囲に設定することがより好ましい。
本実施例では発光管材料に透光性セラミックを使用しているが、例えば石英製の発光管を使用した場合、Ｐｒと石英が反応し、寿命早期に失透等の問題が発生する。また、Ｃａについても同様であり、石英製の発光管で本実施例の封入物を使用した場合には本発明の効果を得ることはできない。

以下、本発明によるメタルハライドランプの第２の実施例を説明する。
本実施例のランプが実施例１のランプと異なる点は、発光管２０内部に、水銀を０．５ｍｇ、封入ハロゲン化物として、ヨウ化プラセオジムと、ヨウ化ナトリウムの比が１：１０、合計９ｍｇとなるように封入し、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐが０．２から１８の範囲となるとなるようにヨウ化カルシウムを加えた。
また、２つの電極３２間の本管２５の内径Ｄは約４ｍｍである。発光管２０の放電領域２０１内における２つの電極３２間の電極間距離Ｌは、約３２ｍｍであり、同じ値のアーク長が得られる。その他の点は実験の形態１と同一である。従来、ランプの定格電力１５ＯＷの場合において、電極間距離Ｌは１０ｍｍ程度であったことを考慮すると、本発明ランプの電極間距離Ｌは極めて長い。定格電力１５０〜２００Ｗの場合、本発明ランプの電極間距離Ｌを２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。電極間距離Ｌが２０ｍｍを下まわると、同じ管壁負荷では内径Ｄが大きくなるため、アークが湾曲して、発光管が割れるおそれがある。一方、電極間距離Ｌが５０ｍｍを超えると、ランプの始動が困難になる。
本発明ランプを定格電力１５０Ｗで点灯させてランプの光出力特性を評価した。
図４は、本発明ランプについて、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐに対するランプ効率［ＬＰＷ］および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。図４に示すように、Ｈｃ／Ｈｐの比が高くなるほど効率が低下し、Ｈｃ／Ｈｐ＝１５のとき、効率は１１７ＬＰＷとなる。Ｈｃ／Ｈｐの比が１５を超えてさらに高くなると、効率は急激に低下する。
一方、ＲａはＨｃ／Ｈｐの比が高くなるに従って一律に上昇する。Ｈｃ／Ｈｐ＝０．４のとき。Ｒａは７０である。すなわち、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０の範囲では、従来ランプが示す効率９０ＬＰＷよりも２５％以上も高い効率（１１５ＬＰＷ以上の効率）と、Ｒａ７０以上の良好な演色性を兼ね備えることができる。
２５％の効率上昇は、人間がはっきりと明るさの向上を感じることができる量である。従来ランプより２５％の効率アップは画期的な効率であることを意味する。
なお、Ｈｃ／Ｈｐ＝４．７のとき、効率１２５ＬＰＷであることから、Ｈｃ／Ｈｐ≦４．７の範囲では、Ｒａ７０以上の良好な演色性を保ったまま、従来ランプと比べて約４０％も高い効率である１２５ＬＰＷを示している。
なお、Ｈｃ／Ｈｐ＝１１．９のとき、効率は１２０ＬＰＷであり、Ｒａが９０であることから、Ｈｃ／Ｈｐ≧１１．９の範囲では、従来ランプの効率（９０ＬＰＷ）より２５％以上も高い効率（１１５ＬＰＷ以上の効率）と、Ｒａが９０以上という非常に良好な演色性得ることができる。更に、ｄｕｖは０．００５以下という黒体軌跡に近い優れた白色光を呈していることも確認した。
また、本発明ランプでは、１１．９≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０の範囲で、従来ランプの演色性（Ｒａ９０〜９２）と同等の演色性を得ることができている。
実施例１について説明したように、ランプ効率は電極間距離Ｌと内径Ｄの比Ｌ／Ｄによって変化する。実施例２では、Ｌ／Ｄ＝８に設定しているが、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５であれば、実施例１で示したように、Ｌ／Ｄ≧１．０の範囲で従来ランプの効率９０ＬＰＷを超える高い効率が達成される。
実施例１、２のいずれの場合も、ヨウ化プラセオジムとヨウ化ナトリウムの比を１：１０に設定しているが、この比が、１：３〜１：２５の範囲内にあれば、同様に高い効率で良好な演色性を発揮させることができる。

以下、本発明によるメタルハライドランプの第３の実施例を説明する。
本実施例におけるランプの構成は、封入したハロゲン化物の比率を除いて、実施例２におけるランプの構成と同一である。
本実施例では、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐを０．４から１５．０の範囲で変化させ、また、Ｎａのハロゲン化物量（Ｈｎ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｎ／Ｈｐを３．０から２５．０の範囲で変化させた。
図５は、それらの内、Ｐｒ：Ｎａ：Ｃａを、１：３：０．４、１：３：２、１：１０：０．４、１：１０：１０、１：２５：２、１：２５：１５と変化させた例について、ランプへの入力電力（Ｗ）と色温度（Ｋ）の関係を示している。
図５においては、比較のため、従来ランプとして、実施例１と同様に特表２０００−５１１６８９号公報に記載されているランプに準じたランプ（従来ランプ）の入力電力と色度との関係をも示している。
図５に示すように、従来ランプへの入力電力を低下させると、色温度が上昇するが、本発明ランプでは、入力電力を定格電力の２５％に低下させた場合でも、色温度変化が約３００Ｋ以内に抑制され、優れた調光特性を有している。
図５に示すように、Ｈｎ／Ｈｐによってランプの色温度がほぼ決定され、Ｈｃ／Ｈｐによる色温度への影響は少ない。さらに、実施したＨｎ／ＨｐやＨｃ／Ｈｐの範囲であれば、これらの比によらず優れた調光特性が得られる。
従来ランプの色温度変動の原因は、封入しているＴｌと他の封入物（特にＤｙやＨｏのような３Ａ族）が、温度に強く依存して異なった蒸気圧特性を示すからである。このため、定格電力を下回る入力電力では、発光のバランスが崩れ、調光時の低温状態でも強く発光するＴｌが緑色の発光色を呈し、ランプの色温度が上昇する。
これに対し、本発明ランプでは、主な発光がＰｒおよびＮａから発せられるため、温度変化に対する蒸気圧変動は相対的にほぼ等しい。加えて、Ｃａのハロゲン化物を混合しているため、点灯条件の変動に対しても、封入物の発光バランスを安定させるという、ＰｒおよびＮａだけでは見られない優れた調光特性が得られる。
なお、本実施例では、Ｌ／Ｄを８に設定したが、Ｌ／Ｄが１．０≦Ｌ／Ｄ≦２０の関係を満足する限り、同様に良好な調光特性が得られた。
本実施例のメタルハライドランプを調光する際、電子安定器を使用して行なうことが好ましい。図７は、本発明によるメタルハライドランプと電子安定器とを備えたシステム（照明装置）の構成例を示すブロック回路図である。図７に示す電子安定器は、商用電源１から交流電流を受け取り、直流電流に変換する昇圧チョッパ２と、直流電流を周波数および波形の調整された交流電流に変換する点灯する回路部３とを備えており、点灯回路部３から出力される交流電流は、本発明に係るメタルハライドランプ７に供給される。
この電子安定器は、第１制御回路４、第２制御回路５、および設定部６を更に備えており、第１制御回路４は、昇圧チョッパ２の出力する電圧および電流の大きさは、第１制御回路４によって検知され、設定部６によって設定された値を示すように制御される。点灯回路部３の出力波形および周波数は、第２制御回路５によって制御される。
メタルハライドランプ７の調光は、設定部６によって設定された値を持つ出力が昇圧チョッパ２から得られるように第１制御回路４が昇圧チョッパ２の動作を制御することによって行なわれる。
このような構成を有する電子安定器を用いることにより、メタルハライドランプの寿命末期まで、安定した瞬時調光を行うことができるだけでなく、定格電力で点灯する場合にも、電源電圧変動による影響を少なくすることができる。
図７の装置では、ランプ７に入力する電力を定格ランプ電力の２５％まで低下しても、前述したように、色温度変化が約３００Ｋ以内に抑制され、優れた調光特性が得られる。
本発明のメタルハライドランプによれば、実施例１から３について説明したように、寿命中のランプ電圧上昇が少なく、寿命末期まで電気特性変化の少ない良好なランプ特性が得られる。
また、本発明のメタルハライドランプによれば、寿命中の光特性変化（特に色温度変化）が少なく、さらに製造時の色特性バラツキ（個体差）も小さいことが確認された。これは、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのハロゲン化物を混合して用いたことによって得られる本発明に特有の効果であり、調光時にも発光バランス安定の効果として発現される。
なお、実施例１〜３のいずれの場合も、特に好ましい例として、外管１１の内部を１ｋＰａの減圧状態に設定しているが、外管１１の内部を例えば５０ｋＰａ以下の窒素雰囲気に設定しても良い。その場合、ランプ効率が僅かに低下するが、実施例のランプと同様に、高効率かつ良好な演色性を兼ね備え、かつ、調光特性に優れたメタルハライドランプを提供することができる。なお、外管１１の内部を５０ｋＰａの窒素雰囲気に設定した場合、効率が１２０ＬＰＷを超える範囲でのみ、２〜３ＬＰＷ程度の効率低下が生じるため、外管１１の内部は１ｋＰａ以下の減圧状態に設定することが好ましい。
実施例１〜３のランプでは、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのハロゲン化物としてヨウ化物を用いたが、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａの臭化物または、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのヨウ化物および臭化物の組み合わせを用いてよい。このような場合にも、高効率かつ良好な演色性を兼ね備え、調光特性に優れたメタルハライドランプを提供することができる。
［発光管の形態］
前述したように発光管２０は、図１および図２に示す形態とは異なる他の幾何学的形状を有していてもよい。
図６（Ａ）〜図６（Ｇ）は、発光管２０が採用しえる種々の形態の例を示しており、発光管の長軸に沿った断面図である。管壁内表面および管壁外表面は、発光管の長軸を回転軸とする回転体の表面であるが、ここでは必ずしも必要でないので図示しない。
このような管壁内表面の内径Ｄは、電極間の（すなわち、電極先端間距離Ｌにわたる）断面図の内面積を求めて、この面積をＬで除算することにより求めることができる。他の種類の内表面は、その内径を求めるために、より煩雑な平均化手順を必要とする場合があり得る。
以下、各発光管の形状の説明とそれぞれの発光管を用いた時の特長を記す。この時、発光管形状以外の条件は等しい。
図６（Ａ）は、発光管中央部の断面が楕円形である発光管を示す。
図６（Ｂ）は、発光管中央部の両端が平坦となるように切断された、直円柱の断面を有する発光管を示す。この発光管形状は、点灯中の色温度の変化が小さいといった特徴を持つ。よって、発光色の変化が気になる場合に特に有効である。
図６（Ｃ）は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が凹状となる断面を有する発光管を示す。
図６（Ｄ）は、発光管中央部の両端が半球となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。
図６（Ｅ）は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が楕円形である断面を有する発光管を示す。
図６（Ｆ）は、実施例１および２で使用した形状である。
図６（Ｇ）は、発光管中央部の両端の直径が大きく、かつ、平坦となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。
図６（Ａ）と図６（Ｅ）の発光管は、大量に生産した場合の色温度の個々ばらつきが特に少ないといった特徴を持つ。そのため、大量に天井照明などで使用され、色温度バラツキが目立つ場合は、特に好ましい発光管形状となる。
図６（Ｃ）と図６（Ｇ）の発光管は、始動時の光立ち上がりが早いといった特徴を持つ。設計にもよるが、定格光出力に達するまでの時間が１０〜２０％程度短くできる。また、水平点灯時のアーク湾曲が特に少なく、点灯時のちらつきが特に少ないランプを得ることができる。
図６（Ｄ）と図６（Ｆ）の発光管は、点灯中の色温度の変化がもっとも少ないランプを得ることができる。
図６（Ｂ）の発光管は、構造が簡単なため生産コストが低いといった特徴がある。
さらに別の多くの構成が可能である。各構成は、それぞれ異なる理由から望ましい形態とされる。従って、各構成はそれぞれ利点および欠点を有する。つまり、特定の活性材料および他のランプ特性を考慮した場合には、多くの構成のうちある所定の発光管の構成が、他よりも多くの利点を有することになる。図６（Ａ）〜図６（Ｆ）に示すいずれの発光管構成においても、放電領域に提供される、本発明によるイオン化可能材料を用い、かつ、電極間距離Ｌと直径Ｄとが上述の関係（すなわち、Ｌ／Ｄ≧１．０）を満たす場合に、従来に比べて高いランプ効率を有するアーク放電ハロゲン化金属ランプが得られる。
なお、実施例１、２、３は発光管２０内に水銀を封入した場合の結果のみ記載したが、無水銀とした場合についても同様に本発明の効果を得ることができる。
本実施例１、２、３では、定格電力が１５０Ｗのランプであるが、本発明のメタルハライドランプの定格電力は１５０Ｗに限定されるものではない。定格電力が上昇すると、全消費電力に対する電極ロスなどのロス電力の割合が減少するために、ランプの発光効率は上昇する。これに対して、定格電力が低下すると、ロス電力の割合が増加するため発光効率は低下する。よって、本実施例の発光効率は、定格電力が１５０Ｗ程度のランプについての値であり、ランプの定格電力によって、その値は異なるが、効果には関係なく相対的に従来ランプと比較して発光効率が改善されたランプを得ることができる。
このように本発明によれば、従来に比べて高いランプ効率と良好な演色性を両立したメタルハライドランプが実現できる。さらに、本発明のメタルハライドランプはハロゲン化カルシウムとハロゲン化プラセオジムの混合による優れた効果として、最冷点温度の変動による影響が少ない設計になっており、調光時の色安定性に対しても有利に働く。

本発明にかかるメタルハライドランプは、効率および演色性の両方に優れ、しかも、製造時の特性バラツキや寿命中の特性変化が少なく、広い範囲で調光可能である。このため、本発明のメタルハライドランプは、街路灯照明などの屋外照明、高天井照明などの屋内照明として有用であり、店舗照明にも好適に使用され得る。

本発明は、屋外・高天井等に用いられるメタルハライドランプに関する。

近年、メタルハライドランプの発光管材料として、セラミックを用いたセラミックメタルハライドランプの開発が盛んである。セラミック製の発光管は、石英製の発光管と比較して、発光材料との反応が少なく、耐熱性に優れているという特長がある。

この特長をいかして、石英に比べて高温で動作させることが可能となり、より高い効率で演色性に優れてメタルハライドランプを実現することができる。

セラミック発光管を用いたメタルハライドランプの一例として、特許文献１に開示されているようなランプがある。このランプは、セラミック発光管内にＮａ（ナトリウム）、Ｔｌ（タリウム）、Ｄｙ（ディスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）のうち少なくとも一つのハロゲン化物に加え、ＣａＩ₂（沃化カルシウム）を封入することにより、平均演色評価数Ｒａが９０以上の良好な演色性と、相関色温度３９００Ｋ〜４２００Ｋの白色光を備えたメタルハライドランプである。
特表２０００−５１１６８９号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されているメタルハライドランプの効率は、ランプの定格電力（lamp power rating）が１５０Ｗ（ワット）の場合に８５ＬＰＷ〜９０ＬＰＷ程度であり、石英管を使用する場合より高い効率を発揮する。ここで、「ＬＰＷ」とは「Ｌｕｍｅｎ Ｐｅｒ Ｗａｔｔ」の頭文字を取ったもので、「ｌｍ／Ｗ」の単位を有する。

近年、省エネルギーの観点から、従来のメタルハライドランプよりも効率の高い光源が望まれている。高圧ナトリウムランプの効率は約１１０ＬＰＷ（電力定格１８０Ｗの場合）と非常に高いが、Ｒａが約２５であり、演色性が乏しい。このため、高圧ナトリウムランプは、店舗や高天井等に用いられることはあまりなく、道路灯などに使用されている。

このように店舗や高天井の照明には、ランプの効率のみならず、演色性に優れていることも重視されるが、一般に、光源の高効率化を達成しようとすると、視感度の高い緑系の発光が強められるため、演色性が低下してしまう。すなわち、高効率化と高演色性の両立は非常に困難とされている。

本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、平均演色評価数Ｒａが７０以上、好ましくは８５以上となる良好な演色性を保ちながら、従来のメタルハライドランプの効率（典型的には９０ＬＰＷ）に比べて１０％以上は高い効率（１００ＬＰＷ以上）を示すメタルハライドランプを提供することにある。１０％の効率向上（光束増加）は、人間が若干の明るさ増加を感じることができる最低レベルである。また、平均演色評価数Ｒａ７０以上という条件は、一般に工場などで作業をする場合に物の色を識別するに良好な演色性をもたらすものであると考える。

本発明のメタルハライドランプは、セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極とを備えたメタルハライドランプであって、前記発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、前記Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、前記Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］が、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０、および３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０の関係を満たしている。

好ましい実施形態において、前記Ｐｒのハロゲン化物、前記Ｎａのハロゲン化物、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量は、いずれも、１．０ｍｇ／ｃｍ³以上である。

好ましい実施形態において、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦４．７である。

好ましい実施形態において、１１．９≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０である。

好ましい実施形態において、前記発光管の内径をＤ（ｍｍ）、前記電極先端間距離をＬ（ｍｍ）としたとき、４≦Ｌ／Ｄ≦９の関係を満たしている。

好ましい実施形態において、前記発光管を収納する外管を備え、前記発光管と前記外管との間が1ｋＰａ以下の減圧状態に保たれている。

好ましい実施形態において、平均演色評価数Ｒａが７０以上、ランプ効率が１００ＬＰＷ以上である。

本発明の照明装置は、上記いずれかのメタルハライドランプと、前記メタルハライドランプの調光を行なう手段とを備えている。

好ましい実施形態において、前記手段は、前記メタルハライドランプの電極に電力を供給する電子安定器を有し、前記電子安定器は、前記電力を定格の２５％から前記定格までの範囲で調節することができる。

本発明にかかるメタルハライドランプは、効率および演色性の両方に優れ、しかも、製造時の特性バラツキや寿命中の特性変化が少なく、広い範囲で調光可能である。このため、本発明のメタルハライドランプは、街路灯照明などの屋外照明、高天井照明などの屋内照明として有用であり、店舗照明にも好適に使用され得る。

本発明のメタルハライドランプは、発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、Ｃａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］の間に以下の関係が同時に成立している。

３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０ ・・・（式１）
０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０ ・・・（式２）

本発明では、上記の式１および式２を満足する比率で、Ｐｒのハロゲン化物、Ｎａのハロゲン化物、およびＣａのハロゲン化物をセラミック製発光管内に封入している点に主たる特徴点を有している。このことにより得られる効果の詳細については、後述する実施例の作用効果を説明する際に併せて説明する。

以下、図面を参照しながら、本発明によるメタルハライドランプの好ましい実施形態を説明する。

まず、図１を参照する。図１は、本実施形態のメタルハライドランプ１０の構成を示す図である。この図は、球状ホウケイ酸外管１１がエジソン型の金属口金１２にはめ込まれた状態を示している。

本実施形態のメタルハライドランプ１０は、透明な外管１１と、外管１１の内部に収容されたセラミック発光管２０とを備えている。

口金１２にはホウケイ酸ガラスフレア（外管長軸通過フレア）１６が取り付けられており、外管１１の長軸方向の軸（図１の点線１０４）に沿って外管１１の内部へと延びている。

口金１２の内側には、電気的に絶縁された一対の電極金属部分（不図示）が設けられており、各電極金属部分からは、ホウケイ酸ガラスフレア（外管長軸通過フレア）１６を通って、引き込み電極ワイヤ１４および１５（アクセスワイヤ）が外管１１の内部で平行に延びている。ワイヤ１４および１５は、例えばニッケルまたは軟鋼から形成されている。

ワイヤ１５のうち、外管長軸１０４に対して平行な部分は、ランプの動作時にワイヤ１５の表面から光電子が発生しないように、酸化アルミニウムセラミックチューブ１８の内部を通っている。また、ワイヤ１５の外管長軸１０４に対して平行な部分は、ガス不純物を捕捉（吸着）するためのゲッター１９を支持している。

セラミック発光管２０は、後述するように多様な構成をとり得る。図１に示す発光管２０の構成は一例に過ぎない。図示されている発光管２０は、可視光に対して半透明である多結晶アルミナ壁を有するシェル構造を有している。

この発光管２０は、本管２５と、１対の小さな内径／外径セラミック切頭円筒シェル部分２１（「チューブ２１」と称しても良い）とを有している。チューブ２１は、本管２５の２つの開口端部のそれぞれに焼き嵌めされている。

発光管２０は、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（いわゆるＹＡＧ）、窒化アルミ、アルミナ、イットリア、ジルコニアなどの材料から好適に形成され得る。

次に、図２を参照しながら、発光管２０の構成を詳細に説明する。図２は、図１の発光管２０を拡大した断面図である。

図２に示す発光管２０の本管２５は、内径Ｄのシェル部分１０１、チューブ２１に接続される一対の円筒シェル部分１０２、および、シェル部分１０１と各円筒シェル部分１０２とを連結する一対の円錐シェル部分１０３を有している。

各チューブ２１からは、例えばニオビウムから形成されるリード線２６が外側にチューブ２１から延びている。２本のリード線２６は、それぞれ、図１に示すワイヤ１４、１５を電気的に接続され、ランプ電力を供給するための導線として用いられる。

２本のリード線２６の一方は、図１に示すようにワイヤ１４が外管長軸１０４と交差する位置で、溶接によってワイヤ１４に接続されている。２本のリード線２６の他方は、図１に示すようにワイヤ１５が外管長軸１０４と交差する位置で、溶接によってワイヤ１５に接続されている。このように発光管２０は、ワイヤ１４およびワイヤ１５との溶接部分の間に配置され、発光管２０の長さ方向の軸が外管長軸１０４とほぼ一致するように支持されている。こうして、ランプ動作に必要な入力電力は、ワイヤ１４、１５を介して発光管２０のリード線２６に供給される。

リード線２６は、ガラスフリット２７によってチューブ２１の内表面に固定され、封止されている。このため、リード線２６の熱膨張特性（線膨張係数）は、チューブ２１およびガラスフリット２７の熱膨張特性（線膨張係数）に近いことが好ましい。

チューブ２１の内側には、モリブデン引き込みワイヤ２９が配置されている。ワイヤ２９の一端は、リード線２６の一端に溶接によって接続され、他端はタングステン主電極軸３１の一端に溶接によって接続されている。主電極軸３１の他端（先端部分）には、タングステンコイルからなる電極３２が設けられ、溶接によって主電極３１と一体化されている。

リード線２６の直径は、例えば０．９ｍｍである。主電極軸３１の直径は、例えば０．５ｍｍである。これらのサイズは用途に応じて適宜適切な大きさに変更可能である。

本実施形態のランプの構成を規定するパラメータのうちで特に重要なもの、発光管２０の２つの電極３２の間の長さまたは距離「Ｌ（電極間距離）」、および、電極間における本管２５の内径「Ｄ」によって定義される比Ｌ／Ｄである。

本実施形態では、１対の電極３２の先端部の中心を結ぶ直線（「電極間直線」と称することにする）に沿って電極間距離Ｌが測定される。一方、本管２５の内径Ｄは、この電極間直線に実質的に直交する「平面」に沿って測定される。本明細書において、「実質的に直交する」場合には、上記の「平面」に対して「電極間直線」が正確に直交する場合のみならず、この「平面」と「電極間直線」とが直角から僅かにずれた角度で交差している場合を含む。具体的には、本管２５の形状や、本管２５の内部における電極３２の位置が図２に示すものから変化した場合、内径を規定する平面（本管２５の内壁面に垂直な面）と電極間直線との関係が「垂直」から外れる場合がある。このように内径Ｄを規定する面と電極間直線とが正確に直交しない場合でも、そのことに起因して発光特性の低下が通常のランプ設計において問題にならない程度であれば良い。

後述するように、Ｌ／Ｄは、発光管２０から放射される光の量、活性材料原子の励起状態の分布、材料輝線の広がり等に影響する常用なパラメータである。

以下、本実施形態に係るメタルハライドランプの具体的な実施例を説明する。なお、以下に説明する各実施例では、図６（Ｄ）に示す形状の発光管を使用している。この発光管は、管壁構造の両端が半球となるように切断された直円柱の断面を有している。

（実施例１）
以下、本発明によるメタルハライドランプの第１の実施例を説明する。

本実施例のメタルハライドランプの基本的な構成は、図１および図２を参照して説明した通りのものであるが、本実施例では、ランプの定格電力を１５０Ｗに設定し、外管１１内を１ｋＰａの減圧状態に保持している。本実施例の発光管２０は、多結晶アルミナから構成されており、その内部には定格電力で点灯している時のランプ電圧が８０〜９５Ｖの範囲となるに適した量の水銀０．１〜４．０ｍｇと、封入ハロゲン化物を発光管内容積に合わせて総量５．５〜１９ｍｇ封入した。用意したハロゲン化物は、ヨウ化プラセオジムと、ヨウ化ナトリウムと、ヨウ化カルシウムがそれぞれ、ｍｏｌ比で１：１０：０．５、１：１０：２および１：１０：１０、すなわち、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比が、Ｈｃ／Ｈｐ＝０．５、２．０、１０の３通りである。発光管２０の内部には、更に、３００Ｋ（ケルビン）において２００Ｐａの圧力を示すＸｅ（キセノン）ガスが封入されている。

本実施例では、上記の構成を有するメタルハライドランプであって、発光管２０の内径Ｄに対する電極間距離Ｌの比Ｌ／Ｄを０．６から２０まで種々変化させたランプを用意し、各ランプを定格電力１５０Ｗで点灯させた状態でランプの光出力特性を評価した。

図３は、従来例と本発明の典型的なランプについて、ランプ効率［ＬＰＷ］と比Ｌ／Ｄとの関係を示している。

ここで、従来の高効率ランプ（以降、「従来ランプ」と称する）と本発明ランプとの相違点は封入物の種類のみにあり、その他の構成は同じである。従来ランプの封入物はＮａ、Ｔｌ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＴｍおよびＣａのヨウ化物であり、これらを特許文献１に記載されている第一の実施例にしたがって用いた。すなわち、Ｎａが２９ｍｏｌ％、Ｔｌが６．５ｍｏｌ％、Ｈｏが６．５ｍｏｌ％、Ｔｍが６．５ｍｏｌ％、Ｃａが４５ｍｏｌ％となるように発光管内容積に合わせてハロゲン化物の総量を５．５〜１９ｍｇ封入した。

従来ランプにおけるランプ効率は、図３に示すように、典型的にはＬ／Ｄによらず、約９０ＬＰＷである。ところが、本発明ランプにおいて、電極間距離Ｌと内径ＤとがＬ／Ｄ≧１．０という関係を満たす場合に、従来より約１０％以上の高い効率を得ることができることがわかった。さらに、Ｌ／Ｄがこの範囲にあるとき、Ｒａは７０から９０であり、非常に良好な演色性も得られることがわかった。

特にＬ／Ｄ≧４という関係を満たす場合、本発明ランプのランプ効率は１１３ＬＰＷとなるため、従来ランプのランプ効率９０ＬＰＷに比べて２５％以上も高い効率が得られる。つまり、Ｌ／Ｄ≧４のとき、ランプ効率が高いランプとして使用される高圧ナトリウム灯のランプ効率１１０ＬＰＷと同等以上の高い効率が得られることが分かった。また、高圧ナトリウム灯では、Ｒａの値が２０〜３０程度であるのに対し、本発明ランプのＲａは７０〜９０の非常に良好な値を示し、高効率と高演色の両立を実現している。

本発明ランプのランプ効率は、従来ランプのランプ効率に比べて２５％以上増加するので、発光性能を維持しつつ、従来の照明設計で用いられている照明の灯数を２５％低減することができる。さらに、Ｌ／Ｄ≧４の関係を満たす範囲では、発光管２０を水平となる状態で点灯した場合においても放電アークの湾曲が抑えられ、点灯中のちらつきを防止する効果が確認された。

電極間距離Ｌおよび内径Ｄは、７≦Ｌ／Ｄ≦９という関係を満たすことが更に好ましい。この場合、本発明ランプのランプ効率は最大化され、１２０ＬＰＷ以上の高い値を達成することができる。このとき、従来ランプの９０ＬＰＷに比べて、本発明ランプの高いものでは、約３５％もランプ効率を改善することができる。

なお、図３のグラフからは、Ｌ／Ｄ＞９という関係を満たすと、ランプ効率が低下傾向にあることがわかる。しかしながら、電極間距離Ｌと内径Ｄとが９＜Ｌ／Ｄ≦２０という関係を満たしていれば、本発明ランプのランプ効率は、従来ランプのランプ効率９０ＬＰＷよりも高いことが分かる。

電極間距離Ｌと内径ＤとがＬ／Ｄ＞２０という関係を満たすとき、電極間距離Ｌが非常に大きくなり、通常の点灯回路を用いた放電の始動および放電の維持が困難となるか、または、内径Ｄが小さくなり、管壁における電子の消滅に起因して放電の維持が困難となる。したがって、電極間距離Ｌと内径Ｄとは、Ｌ／Ｄ＜２０という関係を満たすことが好ましい。

なお、本実施例では、Ｈｃ／Ｈｐを０．５、２．０、および１０に３種類の値に設定したが、１．０≦Ｌ／Ｄ≦２０の範囲において、１００ＬＰＷ以上を実現するためには、Ｈｃ／Ｈｐ≦２．０に設定する必要がある。ただし、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０であれば、従来ランプよりもランプ効率を向上させることができる。

また、Ｌ／Ｄ≧４であれば、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５の範囲すべてにおいて１００ＬＰＷ以上の高いランプ効率を実現できる。

本発明の効果を得るためには、発光管内にハロゲン化プラセオジム、ハロゲン化ナトリウム、およびハロゲン化カルシウムを少なくとも１ｍｏｌ％以上は封入する必要がある。

なお、本発明の効果を得るためには、Ｐｒのハロゲン化物、Ｎａのハロゲン化物、およびＣａのハロゲン化物の封入量は、いずれも、１．０ｍｇ／ｃｍ³以上に設定することが好ましく、２．０〜２５ｍｇ／ｃｍ³。の範囲に設定することがより好ましい。

本実施例では発光管材料に透光性セラミックを使用しているが、例えば石英製の発光管を使用した場合、Ｐｒと石英が反応し、寿命早期に失透等の問題が発生する。また、Ｃａについても同様であり、石英製の発光管で本実施例の封入物を使用した場合には本発明の効果を得ることはできない。

（実施例２）
以下、本発明によるメタルハライドランプの第２の実施例を説明する。

本実施例のランプが実施例１のランプと異なる点は、発光管２０内部に、水銀を０．５ｍｇ、封入ハロゲン化物として、ヨウ化プラセオジムと、ヨウ化ナトリウムの比が１：１０、合計９ｍｇとなるように封入し、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐが０．２から１８の範囲となるとなるようにヨウ化カルシウムを加えた。

また、２つの電極３２間の本管２５の内径Ｄは約４ｍｍである。発光管２０の放電領域２０１内における２つの電極３２間の電極間距離Ｌは、約３２ｍｍであり、同じ値のアーク長が得られる。その他の点は実験の形態１と同一である。従来、ランプの定格電力１５０Ｗの場合において、電極間距離Ｌは１０ｍｍ程度であったことを考慮すると、本発明ランプの電極間距離Ｌは極めて長い。定格電力１５０〜２００Ｗの場合、本発明ランプの電極間距離Ｌを２０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。電極間距離Ｌが２０ｍｍを下まわると、同じ管壁負荷では内径Ｄが大きくなるため、アークが湾曲して、発光管が割れるおそれがある。一方、電極間距離Ｌが５０ｍｍを超えると、ランプの始動が困難になる。

本発明ランプを定格電力１５０Ｗで点灯させてランプの光出力特性を評価した。

図４は、本発明ランプについて、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐに対するランプ効率［ＬＰＷ］および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。図４に示すように、Ｈｃ／Ｈｐの比が高くなるほど効率が低下し、Ｈｃ／Ｈｐ＝１５のとき、効率は１１７ＬＰＷとなる。Ｈｃ／Ｈｐの比が１５を超えてさらに高くなると、効率は急激に低下する。

一方、ＲａはＨｃ／Ｈｐの比が高くなるに従って一律に上昇する。Ｈｃ／Ｈｐ＝０．４のとき。Ｒａは７０である。すなわち、０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０の範囲では、従来ランプが示す効率９０ＬＰＷよりも２５％以上も高い効率（１１５ＬＰＷ以上の効率）と、Ｒａ７０以上の良好な演色性を兼ね備えることができる。

２５％の効率上昇は、人間がはっきりと明るさの向上を感じることができる量である。従来ランプより２５％の効率アップは画期的な効率であることを意味する。

なお、Ｈｃ／Ｈｐ＝４．７のとき、効率１２５ＬＰＷであることから、Ｈｃ／Ｈｐ≦４．７の範囲では、Ｒａ７０以上の良好な演色性を保ったまま、従来ランプと比べて約４０％も高い効率である１２５ＬＰＷを示している。

なお、Ｈｃ／Ｈｐ＝１１．９のとき、効率は１２０ＬＰＷであり、Ｒａが９０であることから、Ｈｃ／Ｈｐ≧１１．９の範囲では、従来ランプの効率（９０ＬＰＷ）より２５％以上も高い効率（１１５ＬＰＷ以上の効率）と、Ｒａが９０以上という非常に良好な演色性得ることができる。更に、ｄｕｖは０．００５以下という黒体軌跡に近い優れた白色光を呈していることも確認した。

また、本発明ランプでは、１１．９≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０の範囲で、従来ランプの演色性（Ｒａ９０〜９２）と同等の演色性を得ることができている。

実施例１について説明したように、ランプ効率は電極間距離Ｌと内径Ｄの比Ｌ／Ｄによって変化する。実施例２では、Ｌ／Ｄ＝８に設定しているが、Ｈｃ／Ｈｐ≦１５であれば、実施例１で示したように、Ｌ／Ｄ≧１．０の範囲で従来ランプの効率９０ＬＰＷを超える高い効率が達成される。

実施例１、２のいずれの場合も、ヨウ化プラセオジムとヨウ化ナトリウムの比を１：１０に設定しているが、この比が、１：３〜１：２５の範囲内にあれば、同様に高い効率で良好な演色性を発揮させることができる。

（実施例３）
以下、本発明によるメタルハライドランプの第３の実施例を説明する。

本実施例におけるランプの構成は、封入したハロゲン化物の比率を除いて、実施例２におけるランプの構成と同一である。

本実施例では、Ｃａのハロゲン化物量（Ｈｃ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｃ／Ｈｐを０．４から１５．０の範囲で変化させ、また、Ｎａのハロゲン化物量（Ｈｎ）とＰｒのハロゲン化物量（Ｈｐ）とのｍｏｌ比Ｈｎ／Ｈｐを３．０から２５．０の範囲で変化させた。

図５は、それらの内、Ｐｒ：Ｎａ：Ｃａを、１：３：０．４、１：３：２、１：１０：０．４、１：１０：１０、１：２５：２、１：２５：１５と変化させた例について、ランプへの入力電力（Ｗ）と色温度（Ｋ）の関係を示している。

図５においては、比較のため、従来ランプとして、実施例１と同様に特許文献１に記載されているランプに準じたランプ（従来ランプ）の入力電力と色度との関係をも示している。

図５に示すように、従来ランプへの入力電力を低下させると、色温度が上昇するが、本発明ランプでは、入力電力を定格電力の２５％に低下させた場合でも、色温度変化が約３００Ｋ以内に抑制され、優れた調光特性を有している。

図５に示すように、Ｈｎ／Ｈｐによってランプの色温度がほぼ決定され、Ｈｃ／Ｈｐによる色温度への影響は少ない。さらに、実施したＨｎ／ＨｐやＨｃ／Ｈｐの範囲であれば、これらの比によらず優れた調光特性が得られる。

従来ランプの色温度変動の原因は、封入しているＴｌと他の封入物（特にＤｙやＨｏのような３Ａ族）が、温度に強く依存して異なった蒸気圧特性を示すからである。このため、定格電力を下回る入力電力では、発光のバランスが崩れ、調光時の低温状態でも強く発光するＴｌが緑色の発光色を呈し、ランプの色温度が上昇する。

これに対し、本発明ランプでは、主な発光がＰｒおよびＮａから発せられるため、温度変化に対する蒸気圧変動は相対的にほぼ等しい。加えて、Ｃａのハロゲン化物を混合しているため、点灯条件の変動に対しても、封入物の発光バランスを安定させるという、ＰｒおよびＮａだけでは見られない優れた調光特性が得られる。

なお、本実施例では、Ｌ／Ｄを８に設定したが、Ｌ／Ｄが１．０≦Ｌ／Ｄ≦２０の関係を満足する限り、同様に良好な調光特性が得られた。

本実施例のメタルハライドランプを調光する際、電子安定器を使用して行なうことが好ましい。図７は、本発明によるメタルハライドランプと電子安定器とを備えたシステム（照明装置）の構成例を示すブロック回路図である。図７に示す電子安定器は、商用電源１から交流電流を受け取り、直流電流に変換する昇圧チョッパ２と、直流電流を周波数および波形の調整された交流電流に変換する点灯する回路部３とを備えており、点灯回路部３から出力される交流電流は、本発明に係るメタルハライドランプ７に供給される。

この電子安定器は、第１制御回路４、第２制御回路５、および設定部６を更に備えており、第１制御回路４は、昇圧チョッパ２の出力する電圧および電流の大きさは、第１制御回路４によって検知され、設定部６によって設定された値を示すように制御される。点灯回路部３の出力波形および周波数は、第２制御回路５によって制御される。

メタルハライドランプ７の調光は、設定部６によって設定された値を持つ出力が昇圧チョッパ２から得られるように第１制御回路４が昇圧チョッパ２の動作を制御することによって行なわれる。

このような構成を有する電子安定器を用いることにより、メタルハライドランプの寿命末期まで、安定した瞬時調光を行うことができるだけでなく、定格電力で点灯する場合にも、電源電圧変動による影響を少なくすることができる。

図７の装置では、ランプ７に入力する電力を定格ランプ電力の２５％まで低下しても、前述したように、色温度変化が約３００Ｋ以内に抑制され、優れた調光特性が得られる。

本発明のメタルハライドランプによれば、実施例１から３について説明したように、寿命中のランプ電圧上昇が少なく、寿命末期まで電気特性変化の少ない良好なランプ特性が得られる。

また、本発明のメタルハライドランプによれば、寿命中の光特性変化（特に色温度変化）が少なく、さらに製造時の色特性バラツキ（個体差）も小さいことが確認された。これは、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのハロゲン化物を混合して用いたことによって得られる本発明に特有の効果であり、調光時にも発光バランス安定の効果として発現される。

なお、実施例１〜３のいずれの場合も、特に好ましい例として、外管１１の内部を１ｋＰａの減圧状態に設定しているが、外管１１の内部を例えば５０ｋＰａ以下の窒素雰囲気に設定しても良い。その場合、ランプ効率が僅かに低下するが、実施例のランプと同様に、高効率かつ良好な演色性を兼ね備え、かつ、調光特性に優れたメタルハライドランプを提供することができる。なお、外管１１の内部を５０ｋＰａの窒素雰囲気に設定した場合、効率が１２０ＬＰＷを超える範囲でのみ、２〜３ＬＰＷ程度の効率低下が生じるため、外管１１の内部は１ｋＰａ以下の減圧状態に設定することが好ましい。

実施例１〜３のランプでは、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのハロゲン化物としてヨウ化物を用いたが、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａの臭化物または、Ｐｒ、Ｎａ、およびＣａのヨウ化物および臭化物の組み合わせを用いてよい。このような場合にも、高効率かつ良好な演色性を兼ね備え、調光特性に優れたメタルハライドランプを提供することができる。

［発光管の形態］
前述したように発光管２０は、図１および図２に示す形態とは異なる他の幾何学的形状を有していてもよい。

図６（Ａ）〜図６（Ｇ）は、発光管２０が採用しえる種々の形態の例を示しており、発光管の長軸に沿った断面図である。管壁内表面および管壁外表面は、発光管の長軸を回転軸とする回転体の表面であるが、ここでは必ずしも必要でないので図示しない。

このような管壁内表面の内径Ｄは、電極間の（すなわち、電極先端間距離Ｌにわたる）断面図の内面積を求めて、この面積をＬで除算することにより求めることができる。他の種類の内表面は、その内径を求めるために、より煩雑な平均化手順を必要とする場合があり得る。

以下、各発光管の形状の説明とそれぞれの発光管を用いた時の特長を記す。この時、発光管形状以外の条件は等しい。

図６（Ａ）は、発光管中央部の断面が楕円形である発光管を示す。

図６（Ｂ）は、発光管中央部の両端が平坦となるように切断された、直円柱の断面を有する発光管を示す。この発光管形状は、点灯中の色温度の変化が小さいといった特徴を持つ。よって、発光色の変化が気になる場合に特に有効である。

図６（Ｃ）は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が凹状となる断面を有する発光管を示す。

図６（Ｄ）は、発光管中央部の両端が半球となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。

図６（Ｅ）は、発光管中央部の両端が半球であり、発光管中央部の側面が楕円形である断面を有する発光管を示す。

図６（Ｆ）は、実施例１および２で使用した形状である。

図６（Ｇ）は、発光管中央部の両端の直径が大きく、かつ、平坦となるように切断された直円柱の断面を有する発光管を示す。

図６（Ａ）と図６（Ｅ）の発光管は、大量に生産した場合の色温度の個々ばらつきが特に少ないといった特徴を持つ。そのため、大量に天井照明などで使用され、色温度バラツキが目立つ場合は、特に好ましい発光管形状となる。

図６（Ｃ）と図６（Ｇ）の発光管は、始動時の光立ち上がりが早いといった特徴を持つ。設計にもよるが、定格光出力に達するまでの時間が１０〜２０％程度短くできる。また、水平点灯時のアーク湾曲が特に少なく、点灯時のちらつきが特に少ないランプを得ることができる。

図６（Ｄ）と図６（Ｆ）の発光管は、点灯中の色温度の変化がもっとも少ないランプを得ることができる。

図６（Ｂ）の発光管は、構造が簡単なため生産コストが低いといった特徴がある。

さらに別の多くの構成が可能である。各構成は、それぞれ異なる理由から望ましい形態とされる。従って、各構成はそれぞれ利点および欠点を有する。つまり、特定の活性材料および他のランプ特性を考慮した場合には、多くの構成のうちある所定の発光管の構成が、他よりも多くの利点を有することになる。図６（Ａ）〜図６（Ｆ）に示すいずれの発光管構成においても、放電領域に提供される、本発明によるイオン化可能材料を用い、かつ、電極間距離Ｌと直径Ｄとが上述の関係（すなわち、Ｌ／Ｄ≧１．０）を満たす場合に、従来に比べて高いランプ効率を有するアーク放電ハロゲン化金属ランプが得られる。

なお、実施例１、２、３は発光管２０内に水銀を封入した場合の結果のみ記載したが、無水銀とした場合についても同様に本発明の効果を得ることができる。

本実施例１、２、３では、定格電力が１５０Ｗのランプであるが、本発明のメタルハライドランプの定格電力は１５０Ｗに限定されるものではない。定格電力が上昇すると、全消費電力に対する電極ロスなどのロス電力の割合が減少するために、ランプの発光効率は上昇する。これに対して、定格電力が低下すると、ロス電力の割合が増加するため発光効率は低下する。よって、本実施例の発光効率は、定格電力が１５０Ｗ程度のランプについての値であり、ランプの定格電力によって、その値は異なるが、効果には関係なく相対的に従来ランプと比較して発光効率が改善されたランプを得ることができる。

このように本発明によれば、従来に比べて高いランプ効率と良好な演色性を両立したメタルハライドランプが実現できる。さらに、本発明のメタルハライドランプはハロゲン化カルシウムとハロゲン化プラセオジムの混合による優れた効果として、最冷点温度の変動による影響が少ない設計になっており、調光時の色安定性に対しても有利に働く。

本発明にかかるメタルハライドランプは、効率および演色性の両方に優れ、しかも、製造時の特性バラツキや寿命中の特性変化が少なく、広い範囲で調光可能である。このため、本発明のメタルハライドランプは、街路灯照明などの屋外照明、高天井照明などの屋内照明として有用であり、店舗照明にも好適に使用され得る。

セラミック発光管の構成を内部に有する本発明のアーク放電ハロゲン化金属ランプの側面図である。 図１の発光管２０の拡大した断面図である。 本発明ランプについての、ランプ効率（ＬＰＷ）と、発光管電極間長さ対内径の比（Ｌ／Ｄ）との関係を示す図である。 本発明ランプについての、Ｃａのハロゲン化物量とＰｒのハロゲン化物量とのｍｏｌ比による、ランプ効率（ＬＰＷ）および平均演色評価数（Ｒａ）との関係を示す図である。 本発明の典型的なランプについて、３０Ｗから１５０Ｗまで調光した場合の色温度の変化を示す図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、本発明ランプの発光管の一実施形態の断面を示す図である。 本発明によるメタルハライドランプと電子安定器とを備えたシステム（照明装置）の構成例を示すブロック回路図である。

Claims (9)

1. セラミックから形成された発光管と、一対の対向する電極とを備えたメタルハライドランプであって、
   前記発光管の内部に封入されたＰｒ（プラセオジム）のハロゲン化物、Ｎａ（ナトリウム）のハロゲン化物、およびＣａ（カルシウム）のハロゲン化物を有しており、
   前記Ｐｒのハロゲン化物の封入量Ｈｐ［ｍｏｌ］、前記Ｎａのハロゲン化物の封入量Ｈｎ［ｍｏｌ］、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量Ｈｃ［ｍｏｌ］が、
   ０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５．０
   および
   ３．０≦Ｈｎ／Ｈｐ≦２５．０
   の関係を満たす、メタルハライドランプ。
2. 前記Ｐｒのハロゲン化物、前記Ｎａのハロゲン化物、および前記Ｃａのハロゲン化物の封入量は、いずれも、１．０ｍｇ／ｃｍ^３以上である、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
3. ０．４≦Ｈｃ／Ｈｐ≦４．７である、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
4. １１．９≦Ｈｃ／Ｈｐ≦１５である、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
5. 前記発光管の内径をＤ（ｍｍ）、前記電極先端間距離をＬ（ｍｍ）としたとき、４≦Ｌ／Ｄ≦９の関係を満たす、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
6. 前記発光管を収納する外管を備え、
   前記発光管と前記外管との間が１ｋＰａ以下の減圧状態に保たれている請求項１に記載のメタルハライドランプ。
7. 平均演色評価数Ｒａが７０以上、ランプ効率が１００ＬＰＷ以上である、請求項１に記載のメタルハライドランプ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のメタルハライドランプと、
   前記メタルハライドランプの調光を行なう手段と、
   を備えた照明装置。
9. 前記手段は、前記メタルハライドランプの電極に電力を供給する電子安定器を有し、
   前記電子安定器は、前記電力を定格の２５％から前記定格までの範囲で調節することができる、請求項８に記載の照明装置。

Images