WO1999043020A1

WO1999043020A1 - Lampe a iodures metalliques exempte de mercure

Info

Publication number: WO1999043020A1
Application number: PCT/JP1999/000713
Authority: WO
Inventors: Kiyoshi Takahashi; Makoto Horiuchi; Mamoru Takeda; Takeshi Saito; Hideaki Kiryu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 1999-08-26
Also published as: EP1037258A4; CN1324643C; EP1037258B1; US6265827B1; CN1256790A; MY119744A; EP1037258A1; CN100339935C; DE69940721D1; CN1558445A; KR20000075542A

Description

無水銀メタルハラィドランプ

技術分野

本発明は、一般照明および、反射鏡などと組み合わされて自動車明

の前照灯などに使用される無水銀メタルハライドランプに関するものである。

田

背景技術

従来より、自動車前照灯などに使用されている光源として、メタルハライドランプがある。従来の一般的なメタルハラィドランプは、発光管内に希ガス（気体）、水銀（液体）、および金属ハロゲン化物

(固体）の 3 種の物質が封入されて構成されている。具体的には、例えば図 1 2 に示すように、ほぼ球形状の発光管 1 0 1 中に封入物

1 0 2 が封入されて構成されている。上記発光管 1 0 1 は、石英から成る透光性容器により形成されている。この発光管 1 0 1 の両端は、それぞれ封止部 1 0 3 , 1 0 3 によって封止されている。発光管 1 0 1 の内部には、 1 対のタングステン製の電極 1 0 4 , 1 0 4 が設けられている。この電極 1 0 4， 1 0 4 は、それぞれ封止部 1

0 3， 1 0 3 内に気密に封止されたモリブデン箔 1 0 5， 1 0 5 を介して、モリブデンから成る外部リード線 1 0 6 , 1 0 6 に接続されている。このメタルハラィドランプの主要寸法は以下のように設定されている。発光管の内容積 1 . 7 c c

電極間距離約 1 6 m m また、封入物 1 0 7 の成分は以下の通りである。

H g (水銀）： 2 1 . 5 m g ( 1 2 . 6 m g

Z e e )

T 1 I (ヨウ化タリウム）： 0 . 2 7 m g ( 0 . 1 6 m g / c c )

I n I (ヨウ化インジウム）： 0 . 0 4 m g ( 0 . 0 2 1 m g / c c j

N a I (ヨウ化ナトリウム）： 1 . 9 m g ( 1 . 1 4 m g Z e e )

X e (キセノン）： 1 2 k P a (常温）上記のように構成されたランプに通電して、ランプ電力が 1 0 0 Wで一定になるように電流を制御すると、電極 1 0 4 , 1 0 4間の放電により、約 6 2 0 0 ( 1 m ) の光束が放射される。このとき、全ての水銀と、 T 1 I 等の金属ハロゲン化物の一部が蒸発するとともに、約 1 0 0 Vの電圧降下（動作電圧）が電極 1 0 4 , 1 0 4 の先端部間に生じる。

ここで、上記希ガス（ X e ) は、主に始動（放電開始）を容易にするとともに始動直後の光出力を大きくするために封入される。金属ハロゲン化物（ T 1 I 等）は、安定点灯時に適切な光出力を得るために封入される。

また、水銀は、ランプが適切な状態で動作するのに必要な充分に高い電極間電圧（動作電圧）を得るために封入される。上記水銀による動作電圧の上昇作用は、より詳しくは、例えば、特開平 6 — 1 3 0 4 7等に開示されているように、次のように表される。

V i a = 2 0 + k (比例定数） X n H g ° ■ ^{5 6} x L

V 1 aは、動作電圧（ V )

n H gは、発光管の単位内容積あたりの水銀密度（ m g/ c c ) Lは、電極間距離（ mm)

である。すなわち、動作電圧は、電極間距離と、水銀原子密度の約 1 / 2 乗との積に比例する。なお、上記定数の「 2 0」は、電極付近の電圧と、希ガスおよびメタルハライドによる電圧との合計である。ここで、水銀を封入しない場合には、動作電圧が大幅に低下するため ( n H g = 0 となるので、動作電圧は 2 0 V程度になる。）、水銀を封入した場合と同じ電力で動作させるためには電流を増加させる必要があり（動作電圧が 1 0 0 Vの場合の 5倍で約 5 A )、それゆえ、電極への熱負荷が増大して電極の飛散による発光管の黒化が顕著になり、ランプの光束維持率が低くなる。具体的には、例えば数十時間程度で発光管が黒くなり寿命に達する。

そこで、一般的なランプでは、水銀量を調節して、動作電圧が例えば 7 0 ~ 1 0 0 V程度に高くなるようにし、ランプ電流を少なく抑えて、電極への熱負荷（ジュール損失）を低減するようになっている。これにより、数千時間（例えば約 6 0 0 0時間）におよぶ長ぃランプ寿命を得ることができる。

しかし、水銀は、上記のように動作電圧を上昇させ得る効果を有する反面、以下のような欠点を有している。

まず、ランプの発光効率の低下を招くため、明るいランプを得ることが困難になることである。なぜならば、水銀は、全ての元素のうちで希ガスについで高い励起電圧を有しており、金属ハロゲン化物として添加される他の金属元素よりも光を放射しにくいからである。このことは、図 1 3 に示す前記メタルハライドランプの分光分布からもわかる。すなわち、ランプの発光光は、複数本の線スぺクトルを有し、その主な波長は、 I nによる 4 1 0 . 1 n mと 4 5 1 . l n m、 T 1 による 5 3 5 . 0 n m、および N aによる 5 8 9 . 0 n mと 5 8 9 . 6 n mであり、水銀は発光にはほとんど寄与しないので、水銀による発光はほとんど観測されない。一方、上記のランプにおいて水銀を封入しない場合には、約 7 0 ( 1 m / W ) と高い発光効率（全光束は約 7 0 0 0 ( l m)) が得られる。

また、製造時に、液体である水銀を注入する工程を必要とするために、製造コストが高くなりがちである。

さらに、近年では、地球環境などに対する配慮から、水銀を含まないメタルハライドランプが望まれている。

そこで、水銀を封入することなく動作電圧を上昇させるために、例えば特開平 6 — 8 4 4 9 6号公報に、 X eの封入圧力を高く設定する技術が開示されている。より詳しくは、

発光管内に、

S c l ₃ 、 N a l などの金属ヨウ化物と、希ガスのみを含み、

水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、

ランプの電極間距離を L ( mm),

封入する希ガスが X eの場合、 X eの常温での封入圧力を P (気圧）としたとき、

P X L≥ 4 0

に設定することにより、動作電圧を 5 0 V以上にすることができる旨記載されている。

そこで、本願発明者らは、前記図 1 2 と同様の形状を有し、主要寸法、および封入物の成分を以下のように設定したランプを試作して動作電圧を測定した。発光管の内容積 0 . 0 2 5 c c

電極間距離約 4 mm また、封入物 1 0 7の成分は以下の通りである。

S c I (ヨウ化スカンジウム）： 0 . 0 4 m g

N a I (ヨウ化ナトリウム）： 0 . 2 1 m g

( S c l ₃ と N a l が合計で 0 . 2 5 m g )

X e (キセノン）： 1 0 a t m (常温）この場合、 P x L = 4 0 となるので、上記条件を満たしている。ところが、このランプを 3 5 Wのランプ電力で点灯させたところ、動作電圧は 3 5 Vであり、同公報に記載されている 5 0 Vには達しなかった。それゆえ、やはり、ランプ電流が大きいことに起因する電極の飛散により、電極材料が発光管の内壁に付着して管壁の黒化を生じ、ランプの放射光束が早期に減少した。すなわち、 5 0 V以上の動作電圧を得るためには、 P X L≥ 4 0 なる条件を満たす最小の X e圧（ l O a t m) では不十分で、本願発明者らの推定によれば、 1 0 a t mより遙かに高い 2 5 a t m程度を越える圧力に設定する必要がある。

しかしながら、 X eの封入圧力を上記のように高くすることは、以下のような新たな課題を生じる。

すなわち、 X eの電離電圧は、約 1 2 e V と高いため、 2 5 a t mを越える圧力下でランプの点灯開始時に放電を生じさせるためには、かなり高い始動電圧を印加する必要がある。具体的には、一般に、 7 ~ 1 0 a t m程度の圧力で X eが封入されたランプにおいては、放電を確実に起こすためには 3 0 k V以上の始動電圧が必要であるのに対し、封入圧力が 2 5 a t mを越える場合にはそれよりも遙に高い始動電圧が必要になる。そのために、始動電圧を発生する点灯回路の複雑化や大型化、製造コストの増大等を招くことになる。

また、 X eは、他の封入物と比較して励起ポテンシャルが高いため、 X e を高圧封入すると、発光効率の低下も招く。

さらに、封入圧力が上記のように高い場合には（点灯時の発光管内圧力はさらに高くなる）、発光管の破裂や、封入物質のリークを生じる可能性が増大する。

したがって、従来のメタルハライドランプでは、水銀を封入したり発光管の内圧を過度に高くしたりすることなく、ランプの動作電圧が高くなるようにして電流を少なく抑え、ランプ寿命が長くなるようにすることが困難であるという問題点を有していた。

また、従来の水銀を含まないメタルハライドランプは、水銀の発光がなくなるため、放射光における色度点の C I E 1 9 6 O u v色度図上での黒体軌跡からの色度偏差（ D U V ) が 0 . 0 1 1 であり、白色の自動車前照灯として使用する場合、日本電球工業会規格の自動車前照灯用 H I D光源（ J E L 2 1 5 ) に示されている規格より外れるという問題点も有していた。

発明の開示本発明は、上記の課題を解決し、水銀を封入したり発光管の内圧を過度に高くしたりすることなく、高いランプの動作電圧と長いランプ寿命が得られる無水銀メタルハライドランプの提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、

発光管内に、少なくとも、

希ガスと、

S c (スカンジウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、

N a (ナトリウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、金属およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と

が封入された無水銀メタルハライドランプであって、

上記金属は、金属単体での電離電圧が 5〜 1 0 e Vであり、かつ、上記金属またはそのハロゲン化物は、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 一 ⁵ a t m以上であることを特徴としている。具体的には、上記金属またはそのハロゲン化物としては、例えば Y (ィットリウム）、 I n (インジウム）、またはこれらのハロゲン化物を用いることができる。上記のような金属またはそのハロゲン化物を封入することによつて、高い圧力で希ガスを封入することなく、ランプの動作電圧を高くすることができ、ランプに流す電流を減少させることができるので、電極への熱負荷を軽減して、電極の飛散による発光管の黒化を抑制し、長いランプ寿命を得ることができる。

なお、上記のような条件を満たさない物質、すなわち、金属単体での電離電圧が 5 e V以下の物質、例えば C s I (ヨウ化セシウム：電離電圧 3 . 9 e V ) を添加した場合は、動作電圧が低下する。これは、電離電圧が低いため多量の電子がアーク中に供給される結果、ランプ電流が増大し、これに応じて動作電圧が低下するためである。また、金属単体での電離電圧が 1 0 e V以上の物質、例えば H g (水銀）を添加した場合は、ランプの効率が低下する。また、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 ⁵ 以下の物質、例えば、 B a

I (ヨウ化バリウム）を封入した場合は、動作電圧の上昇効果は得られない。

また、本発明は、上記ランプの放射光における色度点が、 C I E 1 9 3 1 x y色度図上で、

> 0 . 3 1 0

≤ 0 5 0 0

y≤ 0 1 5 0 + 0 6 4 0 x

y≤ ο 4 4 0

y≥ o 0 5 0 + 0 7 5 0 x

y≥ o 3 8 2 (ただし x≥ 0 . 4 4 )

を満たすように、上記各封入物の量、および定格電力が設定されていることを特徴としている。具体的には、例えば上記金属のハロゲン化物として、単位発光管内容積あたり 0 . 8 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下の Y I ₃ を封入するとともに、定格電力を、 2 5 W以上、 5 5 W以下に設定すればよい。また、本発明は、上記ランプの放射光における色度点の C I Ε 1 9 6 0 u v色度図上での黒体軌跡からの色度偏差が、 — 0 . 0 2 5以上、 0 . 0 1 以下となるように、上記各封入物の量、および定格電力が設定されていることを特徴としている。具体的には、例えば、

上記 S cのハロゲン化物が S c I ₃ であり、

上記 N aのハロゲン化物が N a I であるとともに、

上記 S c l ₃ の封入量、 N a l の封入量、および上記ランプの定格電力が、

A = S c I ₃ の封入重量/ ( S c I ₃ の封入重量 + N a I の封入重量）

B =定格電力/電極間距離（W/mm)

としたときに、

-0.025≤ D = -0.066 + 0.05 A +0.008 B +0.007 A ² -0.0009A B -0.0 003 B ² ≤ 0.01

となるように設定されていることを特徴としている。

このように設定されていることにより、特に白色感の高い光を発するランプを得ることができ、例えば自動車前照灯用として用いることなどができる。

また、本発明は、上記ランプの放射光の光束が約 1 1 0 0 ( l m) 以上、より好ましくは約 2 7 5 0 ( l m) 以上になるように、上記各封入物の量、および定格電力が設定されていることを特徴としている。具体的には、例えば、

上記 S cのハロゲン化物が S c I ₃ であり、

上記 N aのハロゲン化物が N a I であるとともに、上記 S c I の封入量、 N a l の封入量、および上記ランプの格電力が、

Cニランプ電力（ W)

としたときに、

1100≤ - 4054 + 2759 A +182 C - 1628 A ² +18 A C -0.7C ²

となるように設定されていることを特徴としている。

これにより、特に大きな光束の光を発するランプを得ることができ、例えば自動車前照灯用として用いることなどができる。

また、上記目的を達成するため、本発明は、

発光管内に、少なくとも、

希ガスと、

I n (ィンジゥム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、 T 1 (タリウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、 N a (ナトリウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方とが封入された無水銀メタルハライドランプであって、

上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 4 1 0 n m付近および 4 5 1 n m付近の波長で吸収スペクトルを生じる量であり、

上記 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 5 3 5 n m付近の波長で吸収スぺクトルを生じる量であり、

上記 N aまたはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 5 8 9 n m付近の波長で吸収スペクトルを生じる量であることを特徴としている。すなわち、本願発明者らは、上記のような吸収スペクトルが生るほど、つまり、従来公知の封入量からは予期できないほど多量の I n等を封入することによって、大幅にランプの動作電圧を上昇させ得ることを見出し、本発明を完成させた。これにより、やはり、高い圧力で希ガスを封入することなく、ランプの動作電圧を高くすることができ、ランプに流す電流を減少させることができるので、電極への熱負荷を軽減して、電極の飛散による発光管の黒化を抑制し、長いランプ寿命を得ることができる。

上記のような封入量は、具体的には、例えば上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g / c c以上、 1 2 m g/ c c以下、上記 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 6 m g/ c c 以下、上記 N aまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下などに設定すればよい。

X≥ 0 . 3 1 0

X ≤ 0 5 0 0

y≤ 0 1 5 0 + 0 6 4 0 x

y≤ o 4 4 0

y≥ o 0 5 0 + 0 7 5 0 x

y≥ o 3 8 2 (ただし x≥ 0 . 4 4 )

を満たすように、上記各封入物の量、および定格電力が設定されていることを特徴としている。

また、上記ランプの定格電力が、 2 5 W以上、 5 5 W以下に設定されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記希ガスとして X eが室温で 1 気圧以上、 2 5 気圧以下、封入されていることを特徴としている。

このような圧力で封入されることにより、発光管の破裂や、封入物質のリークが生じにくく、かつ、上記のように動作電圧の低い無水銀メタルハライドランプを得ることができる。

図面の簡単な説明図 1 は、実施の形態 1 〜 4 の無水銀メタルハライドランプの構成を示す断面図

図 2 は、実施の形態 1 の無水銀メタルハライドランプの放射光の色度点を示す説明図

図 3 は、実施の形態 1 の無水銀メタルハライドランプの Y I ₃ の封入量を種々に設定した場合の放射光の色度点を示す説明図図 4 は、実施の形態 2 の無水銀メタルハライドランプの放射光の色度点を示す説明図

図 5 は、実施の形態 3 の無水銀メタルハライドランプの S c I 重量比と、単位電力と、 D U V との関係を示す説明図

図 6 は、実施の形態 3 の無水銀メタルハライドランプの放射光の色度点の D U Vが— 0 . 0 2 5〜 0 . 0 1 である領域を示す説明.図図 7は、実施の形態 3の無水銀メタルハライドランプの S c l 重量比と、ランプ電力と、光束の大きさとの関係を示す説明図図 8は、実施の形態 3の無水銀メタルハライドランプの放射光の光束の大きさが 2 7 5 0 ( 1 m ) 以上である領域を示す説明図図 9は、実施の形態 4の無水銀メタルハライドランプの分光分布を示す説明図

図 1 0は、実施の形態 4の無水銀メタルハライドランプの放射光の色度点を示す説明図

図 1 1 は、実施の形態 4の無水銀メタルハライドランプのランプ電力と放射光の光束の大きさとの関係を示す説明図

図 1 2は、従来のメタルハライドランプの構成を示す断面図図 1 3は、従来のメタルハライドランプの分光分布を示す説明図

発明を実施するための最良の形態

(実施の形態 1 )

実施の形態 1 の無水銀メタルハライドランプは、図 1 に示すように、ほぼ球形状の発光管 2 0 1 中に封入物 2 0 2が封入されて構成されている。上記発光管 2 0 1 は、石英から成る透光性容器により形成されている。この発光管 2 0 1 の両端は、それそれ封止部 2 0 3 , 2 0 3 によって封止されている。発光管 2 0 1 の内部には、 1 対のタングステン製の電極 2 0 4 , 2 0 4が設けられている。この電極 2 0 4 , 2 0 4は、それぞれ封止部 2 0 3 ， 2 0 3 内に気密に封止されたモリブデン箔 2 0 5 , 2 0 5 を介して、モリブデンから成る外部リード線 2 0 6 , 2 0 6 に接続されている。このランプ主要寸法は以下のように設定されている。発光管の内容積約 0 . 0 2 5 c c 電極間距離約 4 mm また、封入物 2 0 2の成分は以下の通りである。

S c I (ヨウ化スカンジウム）：約 0 . 0 4 m g

N a I (ヨウ化ナトリウム）：約 0 . 2 1 m g

( S c l ₃ と N a l の合計は約 0 . 2 5 m gで、

S c I ₃ / ( S c I ₃ + N a I ) =約 0 . 1 6 )

Y I (ヨウ化イットリウム）：約 0 . 1 m g

X e (キセノン）：約 7 0 0 k P a (常温上記 X eは、始動ガスとして作用するものである。また、 Y I に含まれる Y (イットリウム）の単体での電離電圧は 6 . 4 e Vである。

上記のように構成されたランプを水平方向に保持し、ランプ電力が 4 5 Wで一定になるように電流を制御すると、ランプの両端の電圧（動作電圧）は 3 5 Vであった。すなわち、 Y I を含まないランプ（ X eが 7 0 0 k P a ) の場合には 2 8 Vであるのに対して、動作電圧を 7 V上昇させることができた。このように動作電圧が高いことにより、同じランプ電力で点灯させる場合のランプ電流を小さく抑えることができる。それゆえ、電極 2 0 4 , 2 0 4の熱負荷 (熱ロス）が軽減され、過度の温度上昇が防止されるので、発光管 2 0 1 の黒化現象が抑制されて光束維持率が良好となり、ランプ寿命が長くなる。 _ なお、上記のように封入物 2 0 2 に水銀を含めることなく動作電圧を上昇させるためには、 Y I ₃ に限らず、金属単体での電離電圧が 5 ~ 1 0 e Vで、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 一 ⁵ a t m以上の材料を含むものを用いればよい。ここで、 Yの単体での電離電圧は、上記のように 6 . 4 e Vである。また、ランプの点灯時の温度における蒸気圧は次のようにして求めることができる。すなわち、上記のランプの例では、点灯時における発光管 2 0 1 の外面の最冷点温度は、発光管 2 0 1 の下部で約 7 0 0 °Cであつた。そこで、石英の熱伝導率を考慮すると、発光管 2 0 1 の内面の温度は約 8 0 0 °Cと推定され、この温度における Y I ₃ の蒸気圧は約 1 0 一 ⁵ a t mである。

また、上記ランプの光束は約 4 7 0 0 ( 1 m ) であった。すなわち、例えば自動車前照灯用として一般的に使用されているハロゲンランプの光束が約 1 1 0 0 ( l m) であるのに対して、十分に大きな光束が得られる。したがって、自動車前照灯用として使用し得る光束の条件を満たしている。

次に、上記ランプの色特性について説明する。

上記ランプの放射光の色度点を C I E 1 9 3 1 x y色度図上にプロットしたものを図 2 に示す。同図中に実線で囲んだ領域 Pは、日本電球工業会規格の自動車前照灯用 H I D光源（ J E L 2 1 5 ) で規定されている白色光源の色度範囲であり、以下に示す式で表される。 X≥ 0 . 3 1 0

X < 0 . 5 0 0 y≤ 0 . 1 5 0 + 0 . 6 4 0 x

y≤ 0 . 4 4 0

y≥ 0 . 0 5 0 + 0 . 7 5 0 x

y≥ 0 . 3 8 2 (ただし x≥ 0 4 4 ) 同図より、本実施の形態のランプは自動車前照灯用白色光源の色度を満たしていることがわかる。

上記色度は、 Y I ₃ の添加量、およびランプ電力に応じて異なる。そこで、 Y I ₃ の添加量を種々に設定したランプについて、 4 5 W のランプ電力で点灯させた場合の色度を図 2 と同様にプロットしたものを図 3 に示す。すなわち、 Y I ₃ の添加量が多くなると、青領域に豊富な発光を生じる Yの発光の影響が大きくなり、色度における Xおよび yの値が小さくなる。そこで、同図からわかるように、 Y I ₃ の添加量が単位発光管内容積あたり 0 . 8 ~ 1 2 m g / c c (発光管内容積が 0 . 0 2 5 c cの場合、 0 . 0 2 ~ 0 · 3 m g ) の範囲で、上記規格における白色光源の色度が得られる。また、ランプ電力を種々に変化させたところ、 2 5 ~ 5 5 Wの場合に、同様の色度が得られた。 (実施の形態 2 )

実施の形態 2の無水銀メタルハライドランプとして、上記実施の形態 1 のランプにおける Y I ₃ に代えて、 I n I (ヨウ化インジゥム）が用いられる例を説明する。すなわち、このランプの封入物における金属ハロゲン化物としては、約 0 . 0 4 m gの S c l ₃ 、約 0 . 2 1 m gの N a l 、および約 0 . 2 m gの I n l が含まれている。その他の封入物、およびランプの形状は、実施の形態 1 と同じである。 _ 上記ランプを実施の形態 1 と同様に例えば 2 0 0 H zの矩形波電流、 4 5 Wのランプ電力で点灯させたところ、動作電圧は 5 5 Vであった。すなわち、前記のように Y I ₃ も I n I も含まないランプの場合には 2 8 Vであるのに対して、動作電圧を 2 7 V上昇させることができた。それゆえ、実施の形態 1 のランプよりも、さらにランプ寿命を長くすることができる。

また、上記ランプの光束は約 3 6 0 0 ( 1 m ) であった。すなわち、自動車前照灯用として一般的に使用されているハロゲンランプ (約 1 1 0 0 ( 1 m ) ) に比べれば十分に大きな光束が得られ、やはり、自動車前照灯用として使用し得る光束の条件を満たしている。ここで、上記 I n l に含まれる I (インジウム）の単体での電離電圧は 5 . 8 e Vである。また、発光管の内面の温度は実施の形態 1 と同様にして約 8 0 0 °Cと推定され、この温度における I n l の蒸気圧は約 2 a t mである。

また、上記ランプの放射光の色度点を図 2 と同様にプロットしたものを図 4 に示す。同図より、本実施の形態のランプも、自動車前照灯用白色光源の色度を満たしていることが確認される。 (実施の形態 3 )

実施の形態 3の無水銀メタルハライドランプとして、封入物中の S c I と N a I との割合を種々に設定した例を説明する。すなわち、このランプの封入物における金属ハロゲン化物としては、 Y I 3 が 0 . 4 m g、 S c l ₃ と N a l が合計で 0 . 2 5 m g (金属ハロゲン化物の合計は 0 . 6 5 m g ) 含まれている。ここで、 S c l と N a I の合計に対する S c I ₃ の重量比（この値が大きいほど、 99/00713

S c I ₃ の封入重量が大きい。以下「 S c I 重量比」という。）は、 0 . 0 1 6、 0 . 7 5、または 1 ( N a l を含まない）に設定されている。その他の封入物、およびランプの形状は、実施の形態 1 と同じである。

上記ランプを 3 5 Wのランプ電力で点灯させたときの動作電圧を下記（表 1 ) に示す。なお、同表には、併せて実施の形態 1 のランプ、および Y I ₃ を含まないランプの動作電圧も記載している。 (表 1 ) ランプ電力： 35(W)

同表から明らかなように、 S c I ₃ 重量比に係らず、 Y I ₃ を含まないランプよりも高い動作電圧を得ることができる。なお、同表においてはランプ電力が 3 5 Wの場合のみを示しているが、他のランプ電力でも同様の動作電圧上昇効果が得られる。ただし、ランプの色特性、および光束の大きさは、 S c l ₃ 重量比およびランプ電力に応じて異なる。そこで、以下、高い白色感と大きな光束が得られる条件について説明する。 _ まず、上記ランプの色特性について説明する。

上記種々の S c I ₃ 重量比に設定したランプを 2 0 - 5 5 Wのランプ電力で点灯させ、それそれの場合の放射光における色度点の C I E 1 9 6 O u v色度図上での黒体軌跡からの色度偏差（黒体軌跡からのずれ。以下「D U V」という。）を求めた。この結果に基づき、 S c I ₃ 重量比を横軸、単位電極間距離あたりのランプ電力（ランプ電力/電極間距離：以下「単位電力」という。）を縦軸としてプロットしたところ、図 5 に示すようになった。同図において、プロットの位置は実際の発光条件を示し、各プロットごとに、その発光条件での D U Vが付されている。また、 S c I ₃ 重量比、単位電力、および D U Vの 3つのパラメ一夕を最小 2乗法により 2次式で近似させたところ、発光条件に応じた D U Vは、次のように表し得ることがわかった。

D = -0.066 + 0.05 A +0.008 B +0.007 A ² -0.0009A B -0.0003 B ² ここで、

Aは、 S c l ₃ 重量比（ S c I ₃ / ( S c I ₃ + N a I )) Bは、単位電力（ランプ電力/電極間距離）（W/mm) Dは、 D U V

である。そこで、さらに、 D U Vが 0 . 0 0 5 きざみの所定の値になるような発光条件を求め、図 5 における上記発光条件の座標位置を曲線で結んで D U Vの等高線を描いた。また、図 6 に、 D U Vが一 0 . 0 2 5以上、 0 . 0 1 以下の領域 Qを斜線で示す。この領域 Qは、日本電球工業会規格の自動車前照灯用 H I D光源（ J E L 2 1 5 ) で規定されている白色光源の D U Vの範囲である。すなわち、発光条件を

となるように設定することにより、自動車前照灯用白色光源の D U Vを満たし、自動車前照灯の白色光源として使用できるランプが得られる。

次に、上記ランプの光束の大きさについて説明する。

上記色特性の場合と同様に、種々の S c l ₃ 重量比に設定したランプを 4 0 0 H zの矩形波電流、 2 0〜 5 5 Wのランプ電力で点灯させ、それぞれの場合の光束の大きさを測定した。この結果に基づき、 S c l ₃ 重量比を横軸、ランプ電力を縦軸としてプロットしたところ、図 7 に示すようになった。同図において、プロットの位置は実際の発光条件を示し、各プロットごとに、その発光条件での光束の大きさが付されている。また、 S c l ₃ 重量比、ランプ電力、および光束の大きさの 3つのパラメータを最小 2乗法により 2次式で近似させたところ、発光条件に応じた光束の大きさは、次のように表し得ることがわかった。

E = -4054 + 2759A +182 C -1628A ² +18A C -0.7C ² ここで、

Aは、 S c l ₃ 重量比（ S c I ₃ / ( S c I ₃ + N a I )) cは、ランプ電力（w)

Eは、光束の大きさ（ l m)

である。そこで、さらに、光束の大きさが 1 0 0 0 ( l m) きざみの所定の値になるような発光条件を求め、図 7 における上記発光条件の座標位置を曲線で結んで光束の大きさの等高線を描いた。また、図 8 に、光束の大きさが 2 7 5 0 ( l m) 以上の領域 Rを斜線で示す。この領域 Rは、日本電球工業会規格の自動車前照灯用 H I D光源（ J E L 2 1 5 ) で規定されている通常のメタルハライドランプの光束の大きさの範囲である。すなわち、発光条件を

1100≤ -4054 + 2759 A +182 C -1628 A ² +18A C -0.7C ² となるように設定することにより、従来のハロゲンランプより明るくなる。さらに好ましくは、上式の右辺の値が 2 7 5 0以上になるように設定することにより、自動車前照灯用白色光源として通常のメタルハライドランプを用いた場合に必要とされるのと同等以上の光束を有し、自動車前照灯の白色光源として使用できるランプが得られる。

(実施の形態 4 )

動作電圧を上昇させ得る無水銀メ夕ルハライドランプの他の例について説明する。

このランプは、電極間距離が約 4 . 2 m mである点を除き、実施の形態 1 のランプと同じ形状を有している。また、封入物の成分は以下の通りである。 . I n l (ヨウ化インジウム）：約 0 . 2 m g ( 8 . 0 m g / c c )

T 1 I (ヨウ化タリウム）：約 0 . 2 m g ( 8 . 0 m g

/ c c )

N a l (ヨウ化ナトリウム）：約 0 . 2 m g ( 8 . 0 m g / c c )

X e (キセノン）：約 7 0 0 k P a (常温）

(上記括弧内は単位発光管内容積あたりの封入量を示す。）上記ランプを 4 5 Wのランプ電力で点灯させたところ、動作電圧は 5 5 Vであった。このように動作電圧が高いために、数百時間以上にわたり、発光管の黒化等が生じることなく、明るい発光を保たせることができた。また、このときの分光分布は、図 9 に示すように、従来のランプとは全く異なるものであった。

上記のように、従来のランプのように水銀が封入されていないにも係らず高い動作電圧が得られるのは、多量のハロゲン化物が封入されているためである。すなわち、上記のような高い動作電圧を得るためには、発光分布において、

I n (インジウム）による、波長が 4 1 0 . l n m、 4 5 1 . 1 n m付近の吸収スぺクトル、

T 1 (タリウム）による、波長が 5 3 5 . O n m付近の吸収スぺクトル、および

N a (ナトリウム）による、波長が 5 8 9 . O n m, 5 8 9 . 6 n m付近の吸収スぺクトル

が生じる程度に、 I n、 T 1、および N aのハロゲン化物を封入すればよい。 . より具体的には、これらのハロゲン化物が多量に蒸発するように、単位発光管内容積当たり、

I nのノ、ロゲン化物を、約 0 . 2 m g/ c c以上

T 1のハロゲン化物を、約 l m g/ c c以上

N aのノヽロゲン化物を、約 2 m g/ c c以上

封入すればよい。

次に、上記ランプの色特性について説明する。

上記ランプを 3 5〜 4 5 Wのランプ電力で点灯させた場合の放射光の色度点を、実施の形態 1 と同様に、 C I E 1 9 3 l x y色度図上にプロットしたものを図 1 0 に示す。同図より、本実施の形態のランプは、日本電球工業会規格の自動車前照灯用 H I D光源（ J E L 2 1 5 ) で規定されている白色光源の色度を満たしていることがわかる。

なお、上記規格による色度を満たすための I n、 T 1、および N aのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積あたり、

I nのノヽロゲン化物を、約 4〜 1 2 m g/ c c

T 1のノ、ロゲンィ匕物を、約 2〜 1 6 m g / c c

N aのノヽロゲン化物を、約 4 ~ 1 2 m g / c c

に設定すればよい。これにより、 1 0〜 6 0 W程度のランプ電力で上記規格の色度を満たすことも十分可能である。

次に、上記ランプの発光効率について説明する。

上記ランプの発光効率は約 7 0 ( l m/W)、すなわち、 4 5 Wのランプ電力で 3 1 5 0 ( 1 m ) の全光束であった。ここで、例えば自動車前照灯用として一般的に使用されているハロゲンランプは、 5 5 Wの定格電力で約 1 1 0 0 ( l m) の全光束である。それゆえ、 P T/JP99 713 本実施の形態のランプでは、図 1 1 に示すように、 2 5 Wの定格電力であっても上記従来のハロゲンランプよりも大きな光束を得ることができる。また、より大きな定格電力に設定すれば、さらに大きな光束が得られ、一層明るい自動車前照灯を得ることができる。すなわち、例えば 2 5 - 5 5 W程度の定格電力に設定すれば、図 1 0 に示した色度も考慮した自動車前照灯用の光源に最適なランプを得ることができる。なお、自動車前照灯として用いる場合には、一般に、定格電力は従来のハロゲンランプの消費電力を越えない 5 5 W 以下に設定することが好ましい。なお、上記実施の形態 1 〜 3 においては、封入物中に Y I ₃ または I n I を含む例を示したが、これに限らず、金属または金属ハロゲン化物であって、金属単体の電離電圧が 5 〜 1 0 e Vであり、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 ― ⁵ a t m以上であれば、同様に動作電圧の上昇効果が得られる。具体的には、例えば、 Y B r (臭化イットリウム）や、 I n l ₃ ( 3 ヨウ化インジウム）、 S b I (ヨウ化アンチモン）、 I n B r (臭化インジウム）、 T 1 I (ヨウ化タリウム）等を含むようにしてもよい。また、これらの複数種類の組み合わせを含むようにしてもよい。

また、上記各実施の形態においては、ハロゲン化物のハロゲンとして I (ヨウ素）を用いる例を説明したが、 B r (臭素）や C 1 (塩素）など他のハロゲン、また、それらの組み合わせ、例えば Y I と Y B r ₃ や、 N a I と T 1 I と I n B rを用いた場合などにおいても同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態においては、ランプの始動を容易にするために、常温で 7気圧または 7 0 O k P aの X eを封入する例を示 P T/JP99/00713 したが、希ガスの種類および圧力は上記に限るものではない。す.なわち、 X eは、 R n (ラドン）を除く希ガス中で最も沸点が高いために高圧封入をしやすい点で適しており、また、特に自動車前照灯への利用を考慮しても適しているが、これに限らず、他の希ガス、例えば A r (アルゴン）ガスなどを用いても、動作電圧の上昇効果は得られる。一方、封入圧力も、上記に限らないが、始動時の光束の立ち上がり特性を考慮すると、 1 気圧程度以上の高圧が好ましく、また、ランプの破壊強度を考慮すると、 2 5 気圧以下程度が好ましい o

また、上記各実施の形態においては、封入物の封入量や封入比、およびランプ電力として、自動車前照灯用ランプに必要な色度および光束が得られるように設定する例を示したが、これに限るものではない。すなわち、上記の場合には特に高い白色感と大きな光束が得られるが、封入量や封入比、ランプ電力がこれらの範囲内でなくても、良好な白色感や比較的大きな光束を得ることはでき、また、動作電圧の上昇効果が得られるので、自動車前照灯用以外のランプとして用いることができる。

さらに、ランプの形状や大きさ等に関しても、上記のものに限るものではない。

産業上の利用可能性以上に説明したように、本発明によれば、無水銀メタルハライドランプは、発光管内に、希ガスと、 S c またはそのハロゲン化物と、 N a またはそのハロゲン化物と、金属単体での電離電圧が 5 〜 1 0 e Vであり、かつ、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 — ⁵ a t m以上である金属、またはそのハロゲン化物が封入されることにより、ランプの動作電圧を高くすることができ、ランプに流す電流を減少させることができるので、電極への熱負荷を軽減して、電極の飛散による発光管の黒化を抑制し、長いランプ寿命を得ることができるという効果を奏する。

また、発光管内に、希ガスと、 I n またはそのハロゲン化物と、 T 1 またはそのハロゲン化物と、 N a またはそのハロゲン化物とが封入されるとともに、 I n またはそのハロゲン化物、 T 1 またはそのハロゲン化物、および N a またはそのハロゲン化物の封入量が、それぞれ放射光の分光分布において、 4 1 0 n m付近および 4 5 1 n m付近、 5 3 5 n m付近、または 5 8 9 n m付近の波長で吸収スベクトルを生じる量に設定されることにより、やはり、ランプの動作電圧を高くして、長いランプ寿命を得ることができるという効果を奏する。

さらに、上記希ガスが X e であって、室温で 1 気圧以上、 2 5 気圧以下の封入圧で封入されることにより、発光管の破裂や、封入物質のリークが生じにくいようにすることができる。

したがって、本発明は、一般照明および、自動車の前照灯などの分野において有用である。

Claims

請求の範囲

( 1 )

発光管内に、少なくとも、

希ガスと、

N a (ナトリゥム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、金属およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と

が封入された無水銀メタルハライドランプであって、

上記金属は、金属単体での電離電圧が 5 ~ 1 0 e Vであり、かつ、上記金属またはそのハロゲン化物は、ランプの点灯時の温度における蒸気圧が 1 0 ― ⁵ a t m以上であることを特徴とする無水銀メタルノヽライドランプ。

( 2 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記金属またはそのハロゲン化物は、 Y (イットリウム）またはそのハロゲン化物であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 3 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記金属またはそのハロゲン化物は、 I n (インジウム）またはそのハロゲン化物であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 4 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、上記ランプの放射光における色度点が、 C I E 1 9 3 l x y色度図上で、

X≥ 0 . 3 1 0

X≤ 0 . 5 0 0

y≤ 0 . 1 5 0 + 0 . 6 4 0 x

y≤ 0 . 4 4 0

y≥ 0 . 0 5 0 + 0 . 7 5 0 x

y≥ 0 . 3 8 2 (ただし x≥ 0 . 4 4 )

を満たすように、

上記 S c またはそのハロゲン化物の封入量、 N aまたはそのハロゲン化物の封入量、金属またはそのハロゲン化物の封入量、および上記ランプの定格電力が設定されていることを特徴とする無水銀メタルハラィドランプ。

( 5 )

請求項 4の無水銀メタルハライドランプであって、

上記金属のハロゲン化物は、 Y I ₃ であり、

上記 Y I ₃ の封入量が単位発光管内容積あたり 0 . 8 m g/ c c 以上、 1 2 m g/ c c以下であるとともに、

上記ランプの定格電力が、 2 5 W以上、 5 5 W以下に設定されていることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 6 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記ランプの放射光における色度点の C I E 1 9 6 O u v色度図上での黒体軌跡からの色度偏差が、一 0 . 0 2 5以上、 0 . 0 1 以下となるように、上記 S c またはそのハロゲン化物の封入量、 N a またはそのハロゲン化物の封入量、金属またはそのハロゲン化物の封入量、および上記ランプの定格電力が設定されていることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 7 )

請求項 6の無水銀メタルハライドランプであって、

) 上記 S cのハロゲン化物が S c I ₃ であり、

上記 N aのハロゲン化物が N a I であるとともに、

A = S c I ₃ の封入重量/ ( S c I ₃ の封入重量 + N a I の封入

B =定格電力 /電極間距離（W/mm)

としたときに、

となるように設定されていることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 8 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記ランプの放射光の光束が約 1 1 0 0 ( l m) 以上になるように、

5 ( 9 )

請求項 8 の無水銀メタルハライドランプであって、上記ランプの放射光の光束が約 2 7 5 0 ( 1 m ) 以上になるように、

上記 S c またはそのハロゲン化物の封入量、 N aまたはそのハロゲン化物の封入量、金属またはそのハロゲン化物の封入量、および上記ランプの定格電力が設定されていることを特徴とする無水銀メ夕ルノヽライドランプ。

( 1 0 )

請求項 9の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 S cのハロゲン化物が S c I ₃ であり、

上記 N aのハロゲン化物が N a I であるとともに、

C二ランプ電力（W)

としたときに、

1100≤ -4054 + 2759 A +182 C - 1628 A ² +18A C -0.7C ²

( 1 1 )

発光管内に、少なくとも、

希ガスと、

I n (インジウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、 T 1 (タリウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方と、 N a (ナトリウム）およびそのハロゲン化物の少なくとも一方とが封入された無水銀メタルハライドランプであって、上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 4 1 0 n m付近および 4 5 1 n m付近の波長で吸収スぺクトルを生じる量であり、

上記 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 5 3 5 n m付近の波長で吸収スペクトルを生じる量であり、

上記 N aまたはそのハロゲン化物の封入量は、上記ランプの放射光の分光分布において、 5 8 9 n m付近の波長で吸収スぺクトルを生じる量であることを特徴とするメタルハライドランプ。

( 1 2 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 1 3 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 2 m g/ c c以上、 1 6 m g/ c c以下であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 1 4 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 N aまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。

( 1 5 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下であり、

( 1 6 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g/ c c以下であり、

( 1 7 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 2 m g/ c c以上、 1 6 m g/ c c以下であり、

上記 N aまたはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 4 m g/ c c以上、 1 2 m g / c c以下であることを特徴とする無水銀メタルハラィドランプ。

( 1 8 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記 1 またはそのハロゲン化物の封入量は、単位発光管内容積当たり 2 m g/ c c以上、 1 6 m g/ c c以下であり、

( 1 9 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記ランプの放射光における色度点が、 C I E 1 9 3 1 x y色度図上で、

X≥ 0 . 3 1 0

X≤ 0 . 5 0 0

y≤ 0 . 1 5 0 + 0 . 6 4 0

y≤ 0 . 4 4 0

y≥ 0 . 0 5 0 + 0 . 7 5 0 x

y≥ 0 . 3 8 2 (ただし x≥ 0 . 4 4 )

を満たすように、

上記 I nまたはそのハロゲン化物の封入量、 T 1 またはそのハロゲン化物の封入量、 N aまたはそのハロゲン化物の封入量、および上記ランプの定格電力が設定されていることを特徴とする無水銀メタルノヽライドランプ。

( 2 0 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハラィドランプであって、

( 2 1 )

請求項 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記希ガスは、少なくとも X e (キセノン）を含むとともに、上記 X eの封入圧力は、室温で 1 気圧以上、 2 5気圧以下であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。 ( 2 2 )

請求項 1 1 の無水銀メタルハライドランプであって、

上記希ガスは、少なくとも X e (キセノン）を含むとともに、上記 X eの封入圧力は、室温で 1気圧以上、 2 5気圧以下であることを特徴とする無水銀メタルハライドランプ。