JP2001102001A - 短アーク形のメタルハライド放電ランプ、メタルハライド放電ランプ装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】始動時の光立ち上がり特性が悪く環境負荷の大
きい水銀を本質的には用いないで、封着部のモリブデン
箔の腐食速度の遅い短アーク形のメタルハライド放電ラ
ンプ、これを用いたメタルハライド放電ランプ装置およ
び照明装置を提供すること。 【解決手段】１は気密容器、２は封着部が電解研磨によ
り鏡面仕上げとなっている電極、３はモリブデン箔、４
は外部リード線。気密容器１は、石英ガラスを外径７ｍ
ｍの回転楕円面形状に成形してなり、楕円の長軸方向の
両端に一対の細長い封止部１ａ、１ａを一体に備えてい
る。気密容器１内には、放電媒体として、希ガス、第１
のハロゲン化物および第２のハロゲン化物が封入されて
いる。希ガスとして、キセノン５気圧を封入した。第１
のハロゲン化物として、ヨウ化ナトリウムを３．５ｍ
ｇ、ヨウ化スカンジウムを０．５ｍｇ封入した。第２の
ハロゲン化物として、ＺｎＩ２を０．６ｍｇ封入した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は短アーク形のメタル
ハライド放電ランプ、これを用いたメタルハライド放電
ランプ装置および照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】相対向する一対の電極を備えた発光管内
に希ガス、発光金属のハロゲン化物および水銀を封入し
たメタルハライド放電ランプは、比較的高効率で、高演
色性であるため、広く使用されている。

【０００３】ランプの発光を集光してスクリーンに投射
する液晶プロジェクタなどにおいては、小形で短アーク
形のメタルハライド放電ランプが用いられている。ま
た、近時自動車用のヘッドライトとして、小形で短アー
クのメタルハライド放電ランプが使用されだしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】小形で短アークのメタ
ルハライド放電ランプの場合、電極間距離が短いほど所
要のランプ電圧を確保するためには、水銀の蒸気圧を高
くする必要がある。すなわち、メタルハライド放電ラン
プは、電気特性を所要に維持するために、水銀を封入し
ている。たとえば、発光管の内容積が１ｃｃ以下の小形
の短アークのメタルハライド放電ランプにおいては、点
灯中の水銀蒸気圧が２０気圧以上にもなる。 このた
め、以下に示す欠点がある。

【０００５】第１の問題点は、発光管の温度が変化する
と、発光の色温度が大きく変化し、これに伴い演色性も
変化することである。この従来の放電ランプは、希ガス
としてアルゴン５００ｔｏｒｒ、ハロゲン化物としてヨ
ウ化ジスプロシウムＤｙＩ3を１ｍｇおよびヨウ化ネオ
ジムＮｄＩ3を１ｍｇ、ならびに水銀１３ｍｇを封入し
たものである。

【０００６】ところで、発光金属による発光量は、その
蒸気圧に比例的に変化する。そして、発光金属の蒸気圧
は、水銀のそれに比較すると、著しく低いため、発光管
の温度が変わると、発光金属は、その蒸発量が変わって
蒸気圧が変化するから、発光量が変化する。

【０００７】これに対して、水銀の蒸気圧は非常に高い
ので、発光管の温度が変化してもそれほど変化しないか
ら、水銀の強い輝線スペクトルによる発光量は変化が少
ない。 したがって、発光管への入力電力が少なくなる
と、相対的に水銀による発光が支配的になるために、発
光の色温度が低くなるとともに、演色性が低下する。こ
のことは、水銀を封入する従来のメタルハライド放電ラ
ンプは、調光に適さないことを意味する。

【０００８】第２の問題点は、点灯中の水銀蒸気圧が非
常に高くなっているので、再始動させるためには、非常
に高くてパワーの大きい再始動電圧を要することであ
る。これにより、点灯回路が高価になるのみでなく、回
路、ランプおよびこれらを収納する器具を高電圧に対し
て絶縁する必要がある。

【０００９】第３の問題点は、発光管が破裂しやすくな
ることである。上述したように、水銀の点灯時の蒸気圧
が高いため、初期歪ないし長期点灯中に歪が増大するこ
とにより、発光管が破裂しやすい。

【００１０】水銀の蒸気圧が高いことに伴う上述の問題
の他に、水銀を封入すること自体の問題がある。すなわ
ち、水銀は環境負荷が大きいので、使用しなくて済むの
であれば、好都合である。

【００１１】第４の問題は、水銀を封入しているがため
に始動からの光出力特性が悪いということである。

【００１２】また、液晶プロジェクタなど光学系を介し
て集光し、離間位置の照射面たとえばスクリーンにおい
て照度を大きく照明する場合には、放電ランプからの発
光が如何にロスなく光学系を通過して照射面に到達する
かが重要である。

【００１３】ロスを少なくして照射面の照度を向上する
には、放電ランプのアークが細く絞られている必要があ
る。アークが絞られているということは、アーク温度の
分布が急峻になっているということである。

【００１４】ところが、水銀の発光は、吸収があって光
学的に厚く、中・低温部分で発光の吸収によりエネルギ
ーを吸収して温度が上昇するため、アーク温度の分布は
放物線状に広がり、したがってアークを絞ることができ
ない。

【００１５】これに対して、発光金属としてスカンジウ
ムや希土類金属を用いて、その発光を非常に多くする
と、水銀が存在していても、アークを絞ることができる
ことは知られている。

【００１６】しかし、上記の場合には、水銀の点灯圧力
が高いと、対流が激しくなり、アークの不安定が生じて
実用に供し得ない。また、水銀を使用しない分、ハロゲ
ン化物が多量に封入されるために、封入部分の腐食が、
水銀封入の場合に比して、シビアとなる。具体的には、
電極軸の表面には微細な凹凸が形成されているので、石
英ガラスとの封着が良好に行われず、封入されたモリブ
デン箔が腐食スピードが従来の水銀封入タイプのメタル
ハライドランプに比べると早くなるという問題がわかっ
た。

【００１７】本発明は、始動時の光立ち上がり特性が悪
く環境負荷の大きい水銀を本質的には用いないで、始動
特性が良く照射面照度を高くできるとともに、調光が可
能で、再始動電圧が低く、しかも気密容器が破裂しにく
く、封入物であるモリブデン箔の腐食速度を抑えられる
短アーク形のメタルハライド放電ランプ、これを用いた
メタルハライド放電ランプ装置および照明装置を提供す
ることを目的とする。

【課題を達成するための手段】請求項１の発明の短アー
ク形のメタルハライド放電ランプは、耐火ガラス性で透
光性の気密容器と；気密容器に封着され、封着部分が少
なくとも鏡面をなしている一対の電極と；気密容器に封
入され、電極と電気的に接続された一対のモリブデン箔
と；第１のハロゲン化物、第２のハロゲン化物および希
ガスを含んで気密容器内に封入され、第１のハロゲン化
物は、ナトリウムＮａ、スカンジウムＳｃおよび希土類
金属からなるグループの中から選択された１種または複
数種のハロゲン化物であり、第２のハロゲン化物は蒸気
圧が相対的に大きくい鉄Ｆｅ、亜鉛Ｚｎ、アルミニウム
Ａｌ、カドミウムＣｄ、マグネシウムＭｇ、コバルトＣ
ｏ、クロムＣｒ、ニッケルＮｉ、マンガンＭｎ、アンチ
モンＳｂ、ベリリウムＢｅ、レニウムＲｅおよびガリウ
ムＧａからなるグループの中から選択された１種または
複数種のハロゲン化物である放電媒体と；を具備し、本
質的に水銀が封入されていないことを特徴としている。

【００１８】本発明および以下の各発明において、特に
指定しない限り用語の定義および技術的意味は次によ
る。

【００１９】まず、気密容器について説明する。

【００２０】耐火ガラス性で透光性の気密容器とは、放
電ランプの通常の作動温度に十分耐える耐火性を備える
ガラス材料であり、かつ放電によって発生した所望波長
域の可視光を外部に導出することができれば、どのよう
なもので作られていてもよい。たとえば石英ガラスであ
る。

【００２１】なお、必要に応じて、気密容器の内面に耐
ハロゲン性または耐金属性の透明性被膜を形成するか、
気密容器の内面を改質することが許容される。

【００２２】次に、電極について説明する。

【００２３】本発明の短アーク形のメタルハライド放電
ランプは、交流および直流のいずれで点灯するように構
成してもよい。電極の表面は、その気密容器に封着され
る部分、すなわち密着する部分が鏡面となっていること
を要する。鏡面とは、正反射特性を持つという意味に近
似するが、要はマイクロｍオーダーでの凹凸状は許容す
るが、ｍｍオーダーでは、平面（曲面）であるものであ
る。

【００２４】一対の電極は、交流で作動する場合、同一
構造とするが、直流で作動する場合、一般に陽極は温度
上昇が激しいから、陰極より放熱面積の大きいものを用
いる。 短アーク形とは、気密容器内に形成される電極
間距離を小さくすることにより、放電ランプの発光をな
るべく点光源に近付けて反射鏡またはレンズなどの光学
系による集光を効率よく行おうとするものであり、本発
明においては実際的には電極間距離が６ｍｍ以下であ
る。すなわち、電極間距離が６ｍｍを超えると、放電媒
体の対流によるアークの上方への湾曲が大きくなりすぎ
る。

【００２５】したがって、本発明においては、短アーク
形とは電極間距離が６ｍｍ以下のものをいう。しかし、
好ましくは４ｍｍ以下、液晶プロジェクタなどの投射用
において最適には１から３ｍｍである。なお、電極間距
離は、電極の先端で計測する。

【００２６】モリブデン箔は、実質的に気密容器に密着
して封入されているもので、電極に電気的に接続されて
いる。さらに、放電媒体について説明する。 本発明に
おいて放電媒体は、前述したように第１のハロゲン化
物、第２のハロゲン化物および希ガスからなる。 第１
のハロゲン化物は、始動特性が良好で可視光を発光する
金属のハロゲン化物である。これらの金属の点灯中の蒸
気圧は必ずしも高くない。前記に特定された発光金属か
らなるグループの範囲内であれば、任意の１種または複
数種を用いることができる。 第２のハロゲン化物は、
点灯中の蒸気圧が相対的に大きい上記金属である。蒸気
圧が大きいとは、水銀のように大きすぎる必要はなく、
好ましくは５気圧程度以下である。

【００２７】また、第２のハロゲン化物は、可視光の発
光が禁止されるものではなく、放電ランプが放射する全
可視光に対する割合が小さくて影響が少なければ、許容
される。

【００２８】第１および第２のハロゲン化物を構成する
ハロゲンとしては、ヨウ素が反応性が最も適当であり、
臭素、塩素、フッ素の順に反応性が強くなっていくが、
要すれば以上のいずれを用いてもよい。また、たとえば
ヨウ化物および臭化物のように異なるハロゲンの化合物
を併用することもできる。

【００２９】希ガスは、始動用および緩衝ガスとして作
用するもので、気密容器を透過しなければ、特に限定さ
れないが、ネオンは石英ガラスを透過しやすいので、気
密容器を石英ガラスで形成する場合には、アルゴン、ク
リプトンまたはキセノンが推奨される。

【００３０】さらに、水銀について説明する。

【００３１】本発明において、本質的に水銀が封入され
ていないとは、気密容器の内容積１ｃｃ当たり0.1ｍｇ
未満、好ましくは０．２ｍｇ以下の水銀が存在している
ことを意味する。

【００３２】しかし、水銀を全く封入しないことは環境
上望ましいことである。

【００３３】従来のように水銀蒸気によって放電ランプ
の電気特性を維持する場合には、気密容器の内容積１ｃ
ｃ当たり２０ｍｇ以上封入していたことからすれば、本
発明は水銀量が実質的に少ないといえる。

【００３４】最後に、作用について説明する。

【００３５】以上の説明から明らかなように、本発明に
おいては、可視光の発光を主として担当する金属のハロ
ゲン化物である第１のハロゲン化物の他に、蒸気圧が比
較的大きい金属のハロゲン化物を第２のハロゲン化物と
して、水銀に代えて封入したので、ランプ電圧は、主と
して第２のハロゲン化物の蒸発量で決まる。第２のハロ
ゲン化物が不完全蒸発の場合、蒸発量は第２のハロゲン
化物の蒸気圧で決まる。蒸気圧は最冷部温度で決まる。

【００３６】しかしながら、水銀に比して反応性の高い
ものであるために、モリブデン箔との反応が著しく早く
なる。しかしながら、気密容器の封着部分は、電極が鏡
面部分をなしているため密着度が高まり、モリブデン箔
に至る隙間が従来よりも小さくなる。したがって、ハロ
ゲン化物が浸入する速度も遅くなり、寿命中モリブデン
箔の侵食によるランプ不点灯の現象は少なくなる。

【００３７】請求項２の発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプは、請求項１記載の短アーク形のメタル
ハライド放電ランプにおいて、１００Ｗ以下で点灯され
ることを特徴としている。

【００３８】請求項３の発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプは、請求項１または２に記載の短アーク
形のメタルハライド放電ランプにおいて、気密容器は、
その内容積が１ｃｃ以下であり；一対の電極は、その電
極間距離が６ｍｍ以下である；ことを特徴としている。

【００３９】本発明は、小形で、しかも短アーク形であ
って、従来用いられていた小形の白熱電球に置換し得る
点光源に近いメタルハライド放電ランプを得るのに好ま
しい具体的な数値範囲を規定したものである。

【００４０】気密容器の内容積は、上記の範囲内におい
て、液晶プロジェクタ、店舗用照明器具などの用途に
は、０．１から１ｃｃが適当である。また、自動車用ヘ
ッドライト、光ファイバー照明装置などの用途には、
０．００５から０．１ｃｃが適当である。

【００４１】なお、電極間距離については請求項１にお
いて述べたとおりである。

【００４２】請求項４の発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプは、請求項１ないし３のいずれか一記載
の短アーク形のメタルハライド放電ランプにおいて、少
なくとも一方の電極側の気密容器の周囲に保温手段が配
設されていることを特徴としている。

【００４３】本発明は、第２のハロゲン化物の蒸気圧に
よって電気特性を維持しようとするものであるが、第２
のハロゲン化物の蒸気圧は水銀に比較して低いので、保
温手段を併用することにより、蒸気圧をなるべく高くす
ることができる。

【００４４】保温手段としては、既知の構成を採用する
ことができ、反射鏡と組み合わせる場合には、反射鏡の
投光開口側の電極を包囲する気密容器の外面に保温膜を
形成するのがよい。

【００４５】請求項５の発明のメタルハライド放電ラン
プ装置は、回転２次曲面形状の反射鏡と；反射鏡のほぼ
焦点の位置に発光中心が位置するように一体化された請
求項１ないし４のいずれか一記載の短アーク形のメタル
ハライド放電ランプと；を具備していることを特徴とし
ている。

【００４６】請求項６の発明の照明装置は、照明装置本
体と；照明装置本体に支持された請求項１ないし４のい
ずれか一記載の短アーク形のメタルハライド放電ランプ
と；を具備していることを特徴としている。

【００４７】本発明は、請求項１ないし４の短アーク形
のメタルハライド放電ランプを何らかの照明の目的のた
めに使用する装置の全てに適応するものであるが、特に
反射鏡およびまたはレンズなどの光学系と組み合わせて
用いる照明装置、たとえば液晶プロジェクタ、オーバヘ
ッドプロジェクタ、自動車用ヘッドライト、光ファイバ
ー照明装置、店舗用照明器具などに好適である。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００４９】図１は、本発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプの第１の実施形態を示す正面図である。

【００５０】図において、１は気密容器、２は電極、３
はモリブデン箔、４は外部リード線である。

【００５１】気密容器１は、石英ガラスを内径１４ｍｍ
の回転楕円面形状に成形してなり、楕円の長軸方向の両
端に一対の細長い封止部１ａ、１ａを一体に備えてい
る。

【００５２】電極２は、電極軸２ａおよび電極軸２ａの
先端部を少し突出させて電極コイル２ｂを巻回してな
る。電極軸２ａの基部は、封止部１ａ内において、モリ
ブデン箔３の一端に溶接されている。電極間距離は４．
２ｍｍに設定されている。発光管の中央部の外径は７ｍ
ｍ、電極は軸径０．４ｍｍ、全長９ｍｍで軸全体を電解
研磨により鏡面仕上げとしている。 モリブデン箔３
は、封止部１ａ内に気密に封着されるとともに、他端に
外部リード線４が溶接されている。 気密容器１内に
は、放電媒体として、希ガス、第１のハロゲン化物およ
び第２のハロゲン化物が封入されている。

【００５３】希ガスとして、キセノン５気圧を封入し
た。 第１のハロゲン化物として、ヨウ化ナトリウムを
３．５ｍｇ、ヨウ化スカンジウムを０．５ｍｇ封入し
た。封入した。 第２のハロゲン化物として、ＺｎＩ２
を０．６ｍｇ封入した。 そうして、得られた短アーク
形のメタルハライド放電ランプについて、始動電流４Ａ
（定常電流１．２Ａ）で３分間点灯５分間消灯の点滅サ
イクルを行う試験を行った。 なお、比較例として、電
極を電解研磨していないものを使用した。なお、その他
の構成は同一である。 実験の結果、本発明のものは１
万４千回点滅できたのに対して、比較例は８千回であっ
た。

【００５４】図２は、本発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプの第２の実施形態を示す中央断面正面図
である。 図において、図１と同一部分には同一符号を
付して説明は省略する。 本実施形態は、気密容器１の
内容積が０．０５ｃｃの小形のメタルハライド放電ラン
プである点において異なる。 気密容器１は内径４ｍｍ
である。 電極２は、全体を鏡面仕上げとしていて、電
極コイルを装着していない。電極間距離は４．２ｍｍで
ある。 放電媒体は以下のとおりである。キセノン１気
圧、第１のハロゲン化物はヨウ化スカンジウムＳｃＩ3
を０．１４ｍｇ、ヨウ化ナトリウムＮａＩを０．８６ｍ
ｇ封入した。また、第２のハロゲン化物としては、１ｍ
ｇ封入した。

【００５５】図３は、本発明の短アーク形のメタルハラ
イド放電ランプの第３の実施形態を示す正面図である。
本実施形態は、図２に示すのと同様な小形の短アーク
形のメタルハライド放電ランプをさらに自動車用ヘッド
ライトに装着するように構成したものである。

【００５６】２１は外管、２２は口金、２３は絶縁チュ
ーブである。

【００５７】外管２１は、内部に図２に示すのとほぼ同
様な構造のメタルハライド放電ランプ５’を収納してお
り、両端封止形で、その一端が口金２２に植立される。
他端から導出された外部リード線４は外管２１に平行に
延在して口金２２内に導入され、図示しない端子に接続
されている。なお、このものは、モリブデン箔３自体も
鏡面仕上げしていて電極との間に隙間はさらに生じにく
くなっている。 絶縁チューブ２３は、外部リード線を
被覆する。

【００５８】図４は、本発明の照明装置の第１の実施形
態としての自動車用ヘッドライトを示す斜視図である。
図において、３１は反射鏡、３２は前面カバーであ
る。反射鏡３１は、プラスチックスの成形によって異形
の回転放物面に形成され、頂部背面から図９に示すメタ
ルハライド放電ランプ（図示しない。）を着脱するよう
に構成されている。

【００５９】前面カバー３２は、透明性のプラスチック
スの成形によりプリズムまたはレンズを一体に形成して
いて、反射鏡の前面開口に気密に装着される。

【００６０】

【発明の効果】請求項１ないし６の各発明によれば、水
銀に代えて蒸気圧が相対的に高くて、しかも可視光の発
光が少ない金属のハロゲン化物を、発光金属のハロゲン
化物とともに封入したことにより、環境負荷の大きい水
銀を本質的に用いないで、始動特性を高くできるととも
に、調光が可能で、再始動電圧が低く、しかもモリブデ
箔の腐食速度の遅い短アーク形のメタルハライド放電ラ
ンプを提供することができる。

【００６１】請求項４の発明によれば、加えて少なくと
も一方の電極側の周囲に保温手段が配設されることによ
り、第２のハロゲン化物の蒸気圧を好ましい高い範囲に
維持しやすい短アーク形のメタルハライド放電ランプを
提供することができる。

【００６２】請求項５の発明によれば、回転２次曲面形
状の反射鏡と一体化されて光学性能を発揮しやすくて、
しかも請求項１ないし４の効果を有するメタルハライド
放電ランプ装置を提供することができる。

【００６３】請求項６の照明装置によれば、請求項１な
いし４の効果を有する照明装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の短アーク形のメタルハライド放電ラン
プの第１の実施形態を示す正面図

【図２】本発明の短アーク形のメタルハライド放電ラン
プの第２の実施形態を示す中央断面正面図

【図３】本発明の短アーク形のメタルハライド放電ラン
プの第３の実施形態を示す正面図である。

【図４】本発明の照明装置の第１の実施形態としての自
動車用ヘッドライトを示す斜視図

【符号の説明】 １…気密容器 １ａ…封止部 ２…電極 ２ａ…電極軸 ２ｂ…電極コイル ２ｃ…鏡面部分 ３…モリブデン箔 ４…外部リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉田 淳 東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ラ イテック株式会社内 (72)発明者 松田 幹男 東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ラ イテック株式会社内 (72)発明者 蛭田 寿男 東京都品川区東品川四丁目３番１号東芝ラ イテック株式会社内 Ｆターム(参考） 5C039 HH03 HH04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】耐火ガラス性で透光性の気密容器と；気密
   容器に封着され、封着部分が少なくとも鏡面をなしてい
   る一対の電極と；気密容器に封入され、電極と電気的に
   接続された一対のモリブデン箔と；第１のハロゲン化
   物、第２のハロゲン化物および希ガスを含んで気密容器
   内に封入され、第１のハロゲン化物は、ナトリウムＮ
   ａ、スカンジウムＳｃおよび希土類金属からなるグルー
   プの中から選択された１種または複数種のハロゲン化物
   であり、第２のハロゲン化物は蒸気圧が相対的に大きい
   鉄Ｆｅ、亜鉛Ｚｎ、アルミニウムＡｌ、カドミウムＣ
   ｄ、マグネシウムＭｇ、コバルトＣｏ、クロムＣｒ、ニ
   ッケルＮｉ、マンガンＭｎ、アンチモンＳｂ、ベリリウ
   ムＢｅ、レニウムＲｅおよびガリウムＧａからなるグル
   ープの中から選択された１種または複数種のハロゲン化
   物である放電媒体と；を具備し、本質的に水銀が封入さ
   れていないことを特徴とする短アーク形のメタルハライ
   ド放電ランプ。
2. 【請求項２】１００Ｗ以下で点灯されることを特徴とす
   る請求項１記載の短アーク形のメタルハライド放電ラン
   プ。
3. 【請求項３】気密容器は、その内容積が１ｃｃ以下であ
   り；一対の電極は、その電極間距離が６ｍｍ以下であ
   る；ことを特徴とする請求項１または２に記載の短アー
   ク形のメタルハライド放電ランプ。
4. 【請求項４】少なくとも一方の電極側の気密容器の周囲
   に保温手段が配設されていることを特徴とする請求項１
   ないし３のいずれか一記載の短アーク形のメタルハライ
   ド放電ランプ。
5. 【請求項５】回転２次曲面形状の反射鏡と；反射鏡のほ
   ぼ焦点の位置に発光中心が位置するように一体化された
   請求項１ないし４のいずれか一記載の短アーク形のメタ
   ルハライド放電ランプと；を具備していることを特徴と
   するメタルハライド放電ランプ装置。
6. 【請求項６】照明装置本体と；照明装置本体に支持され
   た請求項１ないし４のいずれか一記載の短アーク形のメ
   タルハライド放電ランプと；を具備していることを特徴
   とする照明装置。