(57)【要約】【課題】先願である水銀フリーアークチューブの諸特性に近い特性をもつ低電力対応の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供する。【解決手段】ピンチシール部１３ａ，１３ｂに挟まれた密閉ガラス球１２内に電極１５ａ，１５ｂが対設され、主発光用金属ハロゲン化物，補助発光用金属ハロゲン化物および始動用希ガスが封入された、水銀を含まない水銀フリーアークチューブで、密閉ガラス球１２の電極間中央部位置における内径を１．５〜２．７ｍｍ、電極間距離を１．０〜４．０ｍｍ、密閉ガラス球１２内への電極突出長さを０．３〜１．８ｍｍに設定し、１５〜３０Ｗの低電力での安定放電を確保した。始動用希ガスの封入圧が高い（８〜２０気圧）ので、金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められて、光束が上昇し管電圧も上昇する。密閉ガラス球１２が小さく放熱量が減少し、電極温度が高温のまま保持されてバルブの再点弧電圧が上昇せず、アークがちらつかない。金属ハロゲン化物の封入量を特定し、水銀入りアークチューブや先願の水銀フリーアークチューブの色度とほぼ同じ色度の発光となる。【選択図】  図１
2004172056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端のピンチシール部に挟まれた横長回転楕円体形状の密閉ガラス球内に電極が対設され、主発光用金属ハロゲン化物と補助発光用金属ハロゲン化物のうちの少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が前記密閉ガラス球内に始動用希ガスとともに封入されるとともに、前記始動用希ガスの封入圧が８〜２０気圧の範囲に設定された、水銀を含まない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブであって、
前記密閉ガラス球の対向電極間中央部位置における内径が１．５〜２．７ｍｍ、前記電極間距離が１．０〜４．０ｍｍ、前記密閉ガラス球内への電極突出長さが０．３〜１．８ｍｍに設定されて、１５〜３０Ｗの低電力で安定放電することを特徴とする放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項２】
前記主発光用金属ハロゲン化物は、Ｎａ，Ｓｃ，Ｄｙのハロゲン化物から選ばれた一種以上であり、
前記補助発光用金属ハロゲン化物は、Ａｌ，Ｃｓ，Ｈｏ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｔｍ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上であり、
前記金属ハロゲン化物の総封入量は、１０〜３０ｍｇ／ｍｌで、前記金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が０〜５０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項３】
前記密閉ガラス球の電極間中央部位置における内径Ｄ１と電極先端位置における内径Ｄ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が０．５〜１．０、望ましくは０．７〜０．９に設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項４】
前記密閉ガラス球内の電極棒の外径ｄ（単位：ｍｍ）と供給される管電流Ｉ（単位：Ａ）との比（Ｉ／ｄ）が、１．０〜４．０（単位：Ａ／ｍｍ）に設定されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【請求項５】
前記アークチューブには、円筒型シュラウドガラスが溶着一体化されて前記密閉ガラス球を包囲する密閉空間が画成され、前記密閉空間には、１気圧以下の不活性ガスが封入されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両端のピンチシール部に挟まれた密閉ガラス球内に電極が対設された放電ランプ装置用アークチューブに係わり、特に密閉ガラス球内に主発光用金属ハロゲン化物，補助発光用金属ハロゲン化物および始動用希ガスを封入した水銀を含まない、低電力対応の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、自動車用灯具の光源として用いられる従来の放電ランプ装置である放電バルブを示す。放電バルブは、合成樹脂製の絶縁プラグ本体１に、発光部である密閉ガラス球２ａをもつアークチューブ２が一体化された構造で、絶縁プラグ本体１に固定された金属製支持部材８にアークチューブ２の後端部が把持され、絶縁プラグ本体１から延出する通電路でもある金属製のリードサポート９にアークチューブ２の前端部が支持されている。
【０００３】
アークチューブ２は、両端のピンチシール部２ｂ，２ｂに挟まれ、電極３，３が対設された密閉ガラス球２ａ内に、主発光用金属ハロゲン化物，緩衝用水銀および始動用希ガスが封入された構造で、電極３，３間の放電により生成されるアークによって発光し、白熱バルブに比べると大きな発光量が得られ、かつ寿命も長いなどの利点をもつ。このため、最近ではヘッドランプやフオグランプ用の光源として、この放電バルブが用いられる傾向にある。
【０００４】
符号４は、ピンチシール部２ｂから導出するリード線、符号５は、タングステン製電極３とリード線４を接続するモリブデン箔である。また、アークチューブ２には、紫外線遮蔽用のシュラウドガラス６が溶着一体化されて、密閉ガラス球２ａがシュラウドガラス６で画成された密閉空間に包囲された構造で、アークチューブ２の出射光から人体に有害な波長域の紫外線がカットされるとともに、密閉ガラス球２ａが高温に保持されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の密閉ガラス球２ａ内には緩衝作用を営む水銀が封入されているが、水銀は環境有害物質であり、地球上の環境汚染原因をできるだけ減らそうとする社会的ニーズに対して、この環境有害物質である水銀を含まない水銀フリーアークチューブを開発することが望ましい。
【０００６】
しかし、水銀は所定の管電圧を維持し、電極への電子の衝突量を減少させて電極の損傷を緩和する主に緩衝用物質として作用し、併せて、白色を構成する為の発光物質としても作用する。このため、密閉ガラス球内への封入物から水銀を除くと、管電圧が低下するので、管電力を維持する為には電流を増加させる必要があり、それだけ電極の負荷が増し、発光効率が低下する。さらに、所定の色度（白色光に対応する色度）が得られない等の問題が発生した。
【０００７】
そこで、発明者は、「水銀に代わって緩衝作用を営みかつ従来の水銀入りアークチューブと同等の色度を得る上で有効な補助発光用金属ハロゲン化物を選択して主発光用金属ハロゲン化物とともに密閉ガラス球に封入するとともに、密閉ガラス球に封入する希ガスの封入圧を従来の水銀入りアークチューブの場合（３〜６気圧）よりも高く（８〜２０気圧）設定することで、アークチューブの形状寸法を従来のものと変更させないで、従来の水銀入りアークチューブの諸特性に近い特性が得られる水銀フリーアークチューブ」を開発し、特願２００１−２８６２５２号（平成１３年９月２０日出願）として出願した。
【０００８】
その後、発明者が実験を重ねた結果、密閉ガラス球内に補助発光用金属ハロゲン化物を全く封入しなくても、密閉ガラス球内に封入する所定の主発光用金属ハロゲン化物の総量や比率や始動用希ガスの封入圧（８〜２０気圧）を調整することで、従来の水銀入りアークチューブの諸特性に近い特性が得られることが確かめられたので、特願２００１−２８６２５２号に基づく国内優先権の主張を伴う出願（特願２００２−２４３４８９号）を行った。
【０００９】
しかし、この特願２００２−２４３４８９号では、従来の水銀入りアークチューブの諸特性に近い特性をもつ水銀フリーアークチューブが得られるが、その消費電力は従来の水銀入りアークチューブの場合と同様の３５Ｗであり、放電バルブ（アークチューブ）の消費電力（３５Ｗ）を低減させたいという、ユーザーからのさらなる要望がある。即ち、近年の自動車電装品の増加に伴い、電装品における電力消費量の増加は、ハーネス長や重量の増加とともに、少なからず燃費改善の足かせとなっている。そして、アークチューブを光源とする放電バルブの消費電力３５Ｗは、ハロゲンバルブの消費電力６０Ｗに比べると低いものの、電装品の中では高い方であることから放電バルブの低電力化が要望されている。
【００１０】
そこで、発明者は、ユーザーからの低電力化というニーズに応えるべく、さらなる検討を行った。具体的には、特願２００２−２４３４８９号で示す構造の放電バルブにおいて、定常点灯時の消費電力が通常の３５Ｗから２５Ｗとなるようにアークチューブへの供給電流を定格値より下げたところ、管電圧（４２Ｖ）が４０Ｖに低下し、管電流（０．８３０Ａ）が０．６００Ａに下がって、光束（３２００ルーメン）および発光効率（９１ルーメン／Ｗ）が２０００ルーメンおよび８０ルーメン／Ｗにそれぞれ低下し、色度も低下した。
【００１１】
即ち、第１に、定常点灯時の消費電力が下がることで、当然のことながら光束が低下し、これに伴って発光効率も低下して、照射エリアの明るさが暗くなる。
【００１２】
第２に、管電圧の僅かな低下に対し管電流が大幅に低下するので、電極の温度が低下し、バルブの再点弧電圧が上昇して、ちらつきが発生する。
【００１３】
第３に、バルブの色度がｘ：０．３８０，ｙ：０．３９０からｘ：０．３６５，ｙ：０．３７５に低下し、青味がかった光となってしまう。
【００１４】
そこで、発明者は、密閉ガラス球全体を小さく（放電空間を小さくする）とともに、対向する電極間距離を狭めるように構成したところ、前記した問題が解消することが確かめられたので、本発明を提案するに至ったものである。
【００１５】
本発明は、前記従来技術の問題点および発明者の前記した知見に基づいてなされたもので、その目的は、低電力で安定放電する放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に係る放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいては、両端のピンチシール部に挟まれた横長回転楕円体形状の密閉ガラス球内に電極が対設され、主発光用金属ハロゲン化物と補助発光用金属ハロゲン化物のうちの少なくとも主発光用金属ハロゲン化物が前記密閉ガラス球内に始動用希ガスとともに封入されるとともに、前記始動用希ガスの封入圧が８〜２０気圧の範囲に設定された、水銀を含まない放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブであって、
前記密閉ガラス球の対向電極間中央部位置における内径を１．５〜２．７ｍｍ、前記電極間距離を１．０〜４．０ｍｍ、前記密閉ガラス球内への電極突出長さを０．３〜１．８ｍｍに設定して、１５〜３０Ｗの低電力で安定放電するように構成したものである。
【００１７】
（作用）  密閉ガラス球に封入する始動用希ガスの封入圧を従来の水銀入りアークチューブにおける封入圧（３〜６気圧）よりも高い圧力（８〜２０気圧）にすることで、放電時に電極から放出された電子が希ガス分子と衝突する割合が増え、点灯（放電）時の密閉ガラス球内が高温化され、主発光用金属ハロゲン化物（および補助発光用金属ハロゲン化物）の蒸気圧が高められて、光束が上昇し、かつ管電圧が上昇する。
【００１８】
また、電極間距離を、ＥＣＥ基準の４．２ｍｍより小さい１．０〜４．０ｍｍに設定し、密閉ガラス球内への電極突出長さを従来の突出長さ（１．０〜２．０ｍｍ）より小さい０．３〜１．８ｍｍの寸法に設定し、密閉ガラス球内部の軸方向長さを従来の密閉ガラス球内部の軸方向長さより短く形成したことに加えて、密閉ガラス球の対向電極間中央部位置における内径を従来の密閉ガラス球の最大内径よりも小さい１．５〜２．７ｍｍとしたので、密閉ガラス球の容積が小さくなる分、密閉ガラス球からの放熱量が減少し、管電圧が多少低下するものの、密閉ガラス球内の主発光用金属ハロゲン化物（および補助発光用金属ハロゲン化物）の蒸気圧が高められるため、光束がさらに上昇し、発光効率も上昇する。したがって、アークチューブに供給される電力が３５Ｗより低い電力であっても、３５Ｗが供給される場合とほぼ同等な発光効率が得られる。即ち、第１の問題が改善される。
【００１９】
また、密閉ガラス球からの放熱量が減少するため、点灯（放電）時の電極温度が高温のまま保持されて、バルブの再点弧電圧が上昇せず、アークがちらつかない。即ち、点灯（放電）時に電極の温度が低下しバルブの再点弧電圧が上昇してアークがちらつくという第２の問題が改善される。
【００２０】
また、ＥＣＥ基準より小さい電極間距離１．０〜４．０ｍｍに対し、密閉ガラス球内への電極突出長さは、従来の突出長さ（１．０〜２．０ｍｍ）より小さい０．３〜１．８ｍｍに設定されて、主発光用金属ハロゲン化物（例えばＮａＩ，ＳｃＩ３）の電極根元への凝縮が回避され、発光効率が向上する。さらに、低電力化したことで発光が色度ｘ：０．３６５，ｙ：０．３７５という青味がかった光となって白色領域から外れるという第３の問題については、発光用金属ハロゲン化物や補助発光用金属ハロゲン化物の封入量を特定することで、従来の水銀入りアークチューブや先願である水銀フリーアークチューブの発光とほぼ同じ色度をもつ光に改善できる。
【００２１】
また、たとえ密閉ガラス球内に補助発光用金属ハロゲン化物を全く封入しない場合であっても、密閉ガラス球内に封入する所定の主発光用金属ハロゲン化物の総量や比率や始動用希ガスの封入圧（８〜２０気圧）を調整することで、従来の水銀入りアークチューブや先願である水銀フリーアークチューブの諸特性に近い特性が得られる。
【００２２】
請求項２においては、請求項１に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記主発光用金属ハロゲン化物としては、Ｎａ，Ｓｃ，Ｄｙのハロゲン化物から選ばれた一種以上であり、
前記補助発光用金属ハロゲン化物としては、Ａｌ，Ｃｓ，Ｈｏ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｔｍ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上であり、
前記金属ハロゲン化物の総封入量が１０〜３０ｍｇ／ｍｌで、前記金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が０〜５０重量％となるように構成した。
【００２３】
（作用）主発光用金属ハロゲン化物としては、Ｎａ，Ｓｃ，Ｄｙのハロゲン化物から選ばれた一種以上であり、始動用希ガスとしては、例えば、Ｘｅである。
【００２４】
また、水銀に代わる補助発光用金属ハロゲン化物としては、Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｃｓ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｈｏ，Ｉｎ，Ｌｉ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｎｄ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｂ，Ｔｌ，Ｔｉ，Ｔｍ，Ｚｎ等のハロゲン化物の中から、一種以上の金属ハロゲン化物を選択して密閉ガラス球内に封入すればよいが、Ａｌ，Ｃｓ，Ｈｏ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｔｍ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上が特に好ましい。
【００２５】
また、密閉ガラス球内に補助発光用金属ハロゲン化物を封入することなく主発光用金属ハロゲン化物だけを始動用希ガスとともに封入し、主発光用金属ハロゲン化物の量や比率や始動用希ガスの封入圧（８〜２０気圧）を調整することで、管電圧を高めたり、色度の低下や光束の低下を抑制することもできるが、補助発光用金属ハロゲン化物を主発光用金属ハロゲン化物とともに封入した場合の方が、補助発光用金属ハロゲン化物を全く封入しない場合よりも、管電圧を高くできるし、可視光域における色度の低下をより有効に補うことができる。即ち、始動用希ガスの封入圧が高い（８〜２０気圧）ので、点灯（放電）時の密閉ガラス球内が高温化され、補助発光用金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められて、封入した補助発光用金属の各波長域の光の強さが有効に高められるとともに、低電力化による色度の低下が改善されて、従来の水銀入りアークチューブや先願である水銀フリーアークチューブにおける発光色とほぼ同じ白色の発光が得られる。
【００２６】
また、金属ハロゲン化物の総封入量が１０ｍｇ／ｍｌ未満では、管電圧や光束が十分に得られない。また、働程特性も悪化してしまう。一方、３０ｍｇ／ｍｌを越えると、ハロゲン化物溜りが残り、透過した光によって色ムラやグレア等の不具合が発生する場合がある。
【００２７】
また、金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が５０重量％を越えると、補助発光用金属ハロゲン化物の発光強度が増し、主発光用金属ハロゲン化物の発光強度が減少するので、光束が低下する，色度範囲から外れる，演色性が低下する等の不具合が発生する。このため、金属ハロゲン化物の総封入量は１０〜３０ｍｇ／ｍｌであって、金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が０〜５０重量％の範囲であることが望ましい。
【００２８】
請求項３においては、請求項１または２に記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記密閉ガラス球の電極間中央部位置における内径Ｄ１と電極先端位置における内径Ｄ２の比（Ｄ２／Ｄ１）を０．５〜１．０、望ましくは０．７〜０．９に設定するように構成した。
【００２９】
（作用）発明者の実験によれば、密閉ガラス球の電極間中央部位置における内径Ｄ１（ｍｍ）に対する電極先端部位置における内径Ｄ２（ｍｍ）の比（Ｄ２／Ｄ１）は、図２に示すように、アークの形状，放電の安定性，密閉ガラス球における失透現象および再点弧電圧に影響することが確認された。そして、アーク形状の適正化（アークの直線性）のためには、Ｄ２／Ｄ１が０．４〜１．１の範囲にあること、放電の安定性（ちらつきのない安定した放電）のためには、Ｄ２／Ｄ１が０．５〜１．０の範囲にあること、密閉ガラス球の失透現象の回避のためには、Ｄ２／Ｄ１が０．５〜１．２であること、再点弧電圧の適正化のためには、Ｄ２／Ｄ１が０．５以上であることが望ましいことが確認された。したがって、適正なアーク形状，放電の安定性，失透現象回避および適正再点弧電圧の全てを満足するには、Ｄ２／Ｄ１が０．５〜１．０の範囲にあること、望ましくは０．７〜０．９の範囲にあることが好ましい。
【００３０】
請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記密閉ガラス球内の電極棒の外径ｄ（単位：ｍｍ）と供給される管電流Ｉ（単位：Ａ）との比（Ｉ／ｄ）を、１．０〜４．０（単位：Ａ／ｍｍ）に設定するように構成した。
【００３１】
（作用）電極の温度は、電流密度及び電極表面積に比例するので、電極棒が均一の太さに形成されている場合には、電極棒の外径をｄ（単位：ｍｍ）、密閉ガラス球内への電極棒の突出長さをＬ（単位：ｍｍ）、管電流の大きさをＩ（単位：Ａ）、電極の温度Ｔ（単位：℃）、比例定数をｋ１とすると、Ｔ＝ｋ１（４Ｉ／πｄ２）πｄＬ＝ｋ１ＬＩ／ｄとなる。即ち、密閉ガラス球内への電極棒の突出長さＬを一定とすれば、電極の温度Ｔは管電流の大きさＩと電極棒の外径ｄの比Ｉ／ｄ（単位：Ａ／ｍｍ）で特定できる。
【００３２】
そして、電極の温度が低すぎると、バルブの再点弧電圧が上昇し、光がちらつくおそれがある。一方、電極の温度が高すぎると、電極が熱変形したり、電極表面のスパッタにより電極根元付近のガラス球が黒化したり、電極表面で電極構成材であるタングステンと封入物質（ハロゲン化合物）との化学反応が進行して電極が変形し、光束維持率（働程性能）が低下する。さらに、電極の消耗によりアークが消灯したり、ガラスとの熱膨張係数の違いによりガラスにクラックが発生する等の問題が発生する。
【００３３】
このため、密閉ガラス球内の電極棒の外径ｄ（単位：ｍｍ）と供給される管電流Ｉ（単位：Ａ）の比（Ｉ／ｄ）とを１．０〜４．０（単位：Ａ／ｍｍ）の範囲に調整することで、電極の温度が適正な所定値に保持されて、発光がちらつくという前記第３の問題が改善されるとともに、ガラス球が黒化したり、光束維持率（働程性能）が低下したり、アークが消灯したり、ガラスにクラックが発生する等の種々の問題も生じない。
【００３４】
請求項５においては、請求項１〜４のいずれかに記載の放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、前記アークチューブに円筒型シュラウドガラスを溶着一体化して前記密閉ガラス球を包囲する密閉空間を画成し、前記密閉空間に１気圧以下の不活性ガスを封入するように構成した。
【００３５】
（作用）密閉ガラス球を包囲する密閉空間に封入された不活性ガスの分子密度が低い分、密閉空間を介しての密閉ガラス球とシュラウドガラス間における熱伝達が抑制され、それだけ密閉ガラス球内の熱が外部に逃げにくく、密閉ガラス球内が高温に保持される。したがって、密閉ガラス球内の主発光用金属ハロゲン化物（や補助発光用金属ハロゲン化物）および始動用希ガスの蒸気圧が高められて、光束が上昇し管電圧も上昇して、発光効率がさらに上昇し、前記した第１の問題がさらに改善される。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３７】
図１は本発明の第１の実施例を示し、放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの縦断面図である。
【００３８】
この図において、アークチューブ１０は、電極１５ａ，１５ｂの対設された密閉ガラス球１２をもつアークチューブ本体１１に、円筒型の紫外線遮蔽用シュラウドガラス２０が溶着（封着）一体化されて、密閉ガラス球１２を紫外線遮蔽用シュラウドガラス２０が包囲密封した構造となっている。
【００３９】
アークチューブ本体１１は、円パイプ形状の石英ガラス管から加工されて、長手方向所定位置に横断面矩形状のピンチシール部１３ａ，１３ｂで挟まれた回転楕円体形状の密閉ガラス球１２が形成された構造となっている。ピンチシール部１３ａ，１３ｂには、矩形状のモリブデン箔１６ａ，１６ｂが封着されており、このモリブデン箔１６ａ，１６ｂの一方の側には、密閉ガラス球１２内に対設されたタングステン電極１５ａ，１５ｂが、他方の側には、アークチューブ本体１１外に導出するリード線１８ａ，１８ｂがそれぞれ接続されている。
【００４０】
また、アークチューブ本体１１には、密閉ガラス球１２より口径の大きい円筒型の紫外線遮蔽用シュラウドガラス２０が溶着一体化されて、アークチューブ本体１１のピンチシール部１３ａ，１３ｂから密閉ガラス球１２に至る領域が紫外線遮蔽用シュラウドガラス２０で包囲密封されるとともに、アークチューブ本体１１の非ピンチシール部である円パイプ形状の後方延出部１４ｂがシュラウドガラス２０の後方に突出している。シュラウドガラス２０は、ＴｉＯ２  ，ＣｅＯ２  等をドープした紫外線遮光作用のある石英ガラスで構成されており、放電部である密閉ガラス球１２における発光から人体に有害となる所定波長域の紫外線を確実にカットするようになっている。
【００４１】
密閉ガラス球１２内には、主発光用金属ハロゲン化物および補助発光用金属ハロゲン化物が始動用希ガスとともに封入され、始動用希ガス（Ｘｅ）の封入圧は８〜２０気圧とされて、従来の水銀入りアークチューブの諸特性とほぼ同等の特性を示す水銀フリーアークチューブが構成されている。
【００４２】
主発光用金属ハロゲン化物としては、Ｎａ，Ｓｃ，Ｄｙのハロゲン化物から選ばれた一種以上で、主に発光に寄与する物質であり、補助発光用金属ハロゲン化物としては、Ａｌ，Ｃｓ，Ｈｏ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｔｍ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上で、所望の光（白色光）を作る上での色調整用発光物質として作用すると共に、緩働物質として作用する。金属ハロゲン化物（主発光用金属ハロゲン化物と補助発光用金属ハロゲン化物）の総封入量は、１０〜３０ｍｇ／ｍｌで、金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合は、０〜５０重量％の範囲に設定されている。
【００４３】
金属ハロゲン化物の総封入量が１０ｍｇ／ｍｌ未満では、管電圧や光束が十分に得られない。また、働程特性も悪化してしまう。
一方、３０ｍｇ／ｍｌを越えると、ハロゲン化物溜りが残り、透過した光によって色ムラやグレア等の不具合が発生する場合がある。また、金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が５０重量％を越えると、補助発光用金属ハロゲン化物の発光強度が増し、主発光用金属ハロゲン化物の発光強度が減少するので、光束が低下する，色度範囲から外れる，演色性が低下する等の不具合が発生する。このため、金属ハロゲン化物の総封入量は１０〜３０ｍｇ／ｍｌであって、金属ハロゲン化物の総量に対する補助発光用金属ハロゲン化物の割合が０〜５０重量％の範囲に設定されている。
【００４４】
また、密閉ガラス球１２に封入した始動用希ガスの封入圧が従来の水銀入りアークチューブにおける封入圧（３〜６気圧）よりも高い圧力（８〜２０気圧）に設定されているため、放電時に電極から放出された電子が希ガス分子と衝突する割合が増え、点灯（放電）時の密閉ガラス球１２内が高温化され、主発光用金属ハロゲン化物および補助発光用金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められて、光束が上昇し、かつ管電圧も上昇するようになっている。
【００４５】
さらに、密閉ガラス球１２の対向電極１５ａ，１５ｂ間中央部位置における内径が１．５〜２．７ｍｍ、電極１５ａ，１５ｂ間距離が１．０〜４．０ｍｍ、密閉ガラス球１２内への電極１５ａ，１５ｂの突出長さが０．３〜１．８ｍｍに設定されて、１５〜３０Ｗの低電力で安定した放電ができるようになっている。
【００４６】
即ち、電極１５ａ，１５ｂ間距離を、ＥＣＥ基準の４．２ｍｍより小さい１．０〜４．０ｍｍに設定し、密閉ガラス球１２内への電極突出長さを従来の突出長さ（１．０〜２．０ｍｍ）より小さい０．３〜１．８ｍｍの寸法に設定し、密閉ガラス球１２内部の軸方向長さを従来の密閉ガラス球内部の軸方向長さより短く形成したことに加えて、密閉ガラス球１２の対向電極１５ａ，１５ｂ間中央部位置における内径を従来の密閉ガラス球の最大内径よりも小さい１．５〜２．７ｍｍとしたので、密閉ガラス球１２の容積が小さくなる分、密閉ガラス球からの放熱量が減少し、管電圧が多少低下するものの、密閉ガラス球１２内の主発光用金属ハロゲン化物および補助発光用金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められるため、光束がさらに上昇し、発光効率も上昇する。したがって、アークチューブに供給される電力が３５Ｗより低い電力（１５〜３０Ｗ）であっても、３５Ｗが供給される場合とほぼ同等な効率が得られる。
【００４７】
また、電極間距離は、ＥＣＥ基準より小さい１．０〜４．０ｍｍで、密閉ガラス球１２内への電極の突出長さは、従来の突出長さ（１．０〜２．０ｍｍ）より小さい０．３〜１．８ｍｍに設定されて、主発光用金属ハロゲン化物（例えばＮａＩ，ＳｃＩ３）の電極根元への凝縮が回避され、発光効率が向上する。
【００４８】
さらに、低電力化したことで発光が色度ｘ：０．３６５，ｙ：０．３７５という青味がかった光となってしまうが、発光用金属ハロゲン化物や補助発光用金属ハロゲン化物の封入量を特定することで、従来の水銀入りアークチューブや先願である水銀フリーアークチューブの発光とほぼ同じ色度をもつ光に改善できる。
【００４９】
また、密閉ガラス球１２を包囲するシュラウドガラス２０で画成された密閉空間には、１気圧以下の不活性ガスが封入されて、放電部である密閉ガラス球１２からの熱の幅射に対する断熱作用を営むように設計されている。
【００５０】
即ち、密閉ガラス球１２を包囲する密閉空間に封入された不活性ガスの分子密度が低い分、密閉空間を介しての密閉ガラス球１２とシュラウドガラス２０間における熱伝達が抑制され、それだけ密閉ガラス球１２内の熱が外部に逃げにくく、密閉ガラス球１２内が高温に保持される。したがって、密閉ガラス球１２内の主発光用金属ハロゲン化物や補助発光用金属ハロゲン化物および始動用希ガスの蒸気圧が高められて、光束が上昇し管電圧も上昇して、発光効率がさらに上昇する。
【００５１】
また、本実施例では、密閉ガラス球１２の電極１５ａ，１５ｂ間中央部位置における内径Ｄ１に対する電極１５ａ（１５ｂ）先端部位置における内径Ｄ２の比（Ｄ２／Ｄ１）が、０．５〜１．０の範囲に設定されて、適正なアーク形状，放電の安定性，密閉ガラス球の失透回避および適正再点弧電圧を満足するようになっている。
【００５２】
すなわち、図２は、密閉ガラス球１２の内径比Ｄ２／Ｄ１とアークの形状，放電の安定性，密閉ガラス球における失透現象および再点弧電圧との関係を示す図で、第１の実施例における水銀フリーアークチューブについての実験結果で、図中、○△×は左欄に記載のそれぞれの特性について、満足、ほぼ満足、不十分であることを示す。なお、この実験に用いた第１の実施例のアークチューブ（の密閉ガラス球１２）には、主発光用金属ハロゲン化物であるＮａＩおよびＳｃＩ３（ＮａＩ：ＳｃＩ３＝７０：３０重量％）が０．３ｍｇと、補助発光用金属ハロゲン化物であるＺｎＩ２が０．０５ｍｇと、Ｘｅガス（封入圧１０気圧）が封入された構造の製品１と、主発光用金属ハロゲン化物であるＮａＩおよびＳｃＩ３（ＮａＩ：ＳｃＩ３＝７５：２５重量％）が０．１ｍｇと、Ｘｅガス（封入圧１２気圧）が封入された（補助発光用金属ハロゲン化物を全く封入しない）構造の製品２とがある。
【００５３】
この図２に示すように、密閉ガラス球の内径の比Ｄ２／Ｄ１は、アークの形状，放電の安定性，密閉ガラス球における失透現象および再点弧電圧に影響する。そしてアークの形状については、Ｄ２／Ｄ１が０．４未満ではアークの曲がりが大きく、１．２以上ではアークの長手方向中央部が内側にへこみ、いずれの場合もアークの直線性が損なわれて配光の制御が難しくなる。このため、Ｄ２／Ｄ１は０．４〜１．１（望ましくは０．５〜０．９）が好ましい。
【００５４】
また、放電の安定性については、Ｄ２／Ｄ１が０．４以下では管壁が電極に近いため電極温度が十分に上がらず、電極からの電子の放出が低下して、アークがちらつく。一方、Ｄ２／Ｄ１が１．１を越えると、アークの長手方向中央部が管壁と接触してアークがちらつく。このため、Ｄ２／Ｄ１は０．５〜１．０（望ましくは０．６〜０．９）が好ましい。
【００５５】
また、密閉ガラス球の失透現象については、Ｄ２／Ｄ１が０．４以下では、Ｓｃがガラスと反応して管壁が白化し、光の透過性が低下する。このため、Ｄ２／Ｄ１は０．５以上（望ましくは０．７〜０．９）が好ましい。
【００５６】
また、再点弧電圧については、Ｄ２／Ｄ１が０．４以下では、管壁が電極に近いため、極性が切り替わる時に電極の温度が低下するので、再点弧電圧が上昇し、アークがちらつく。このため、Ｄ２／Ｄ１は０．５以上（望ましくは０．６〜１．０）が好ましい。
【００５７】
そして、本実施例では、適正なアーク形状，放電の安定性，密閉ガラス球の失透回避および適正再点弧電圧の全てを満足するべく、Ｄ２／Ｄ１が０．５〜１．０、望ましくは０．７〜０．９の範囲に設定されている。
【００５８】
また、電極１５ａ，１５ｂの温度が低過ぎると、再点弧電圧が低下し、ちらつきが発生するおそれがあり、一方、電極１５ａ，１５ｂの温度が高すぎると、ガラスにクラックが発生したり、電極が消耗しアークが消灯したり、電極が熱変形したり、電極表面のスパッタにより電極根元付近のガラス球が黒化したり、電極を構成するタングステンとハロゲンが反応して電極が変形し平均光束維持率が低下するなど種々の不具合が発生するおそれがある。
【００５９】
そこで、本実施例では、管電流の大きさＩ（単位：Ａ）と電極棒１５ａ（１５ｂ）の外径ｄ（単位：ｍｍ）の比Ｉ／ｄ（単位：Ａ／ｍｍ）を１．０〜４．０の範囲、好ましくは２．０〜３．５の範囲に設定することで、電極１５ａ，１５ｂの温度を適正値に保持するようになっている。
【００６０】
即ち、電極の温度は、電流密度及び電極表面積に比例するので、電極棒１５ａ（１５ｂ）の外径をｄ（単位：ｍｍ）、密閉ガラス球１２内への電極棒１５ａ（１５ｂ）の突出長さをＬ（単位：ｍｍ）、管電流の大きさをＩ（単位：Ａ）、電極の温度をＴ（単位：℃）、比例定数をｋ１とすると、Ｔ＝ｋ１（４Ｉ／πｄ２）πｄＬ＝ｋ１ＬＩ／ｄとなる。このため、密閉ガラス球１２内への電極棒１５ａ，１５ｂの突出長さＬを一定とすると、電極の温度Ｔは管電流の大きさＩと電極棒の外径ｄの比Ｉ／ｄ（単位：Ａ／ｍｍ）で特定できる。
【００６１】
そして、図３は、発明者が管電流の大きさと電極棒の径の比（Ｉ／ｄ）を変えて行ったアークチューブの評価試験結果を示す図で、ＥＵカーメーカーモード点滅で１５００時間点灯させた場合に、ピンチシール部１３ａ，１３ｂにおけるクラックの発生度、アークのちらつきの発生度、電極の変形の発生度、ガラス球の黒化する度合い、および光束維持率がどのように変化するかについての試験結果である。なお、この図３で示す試験には、図２で示すアークの形状，放電の安定性，密閉ガラス球における失透現象および再点弧電圧のための試験に用いたアークチューブと同一構造の２種類の製品（アークチューブ）１，２を使用した。
【００６２】
この図に示すように、アークのちらつきについては、Ｉ／ｄが２．０〜５．０の範囲では、試作品の全てについて、ちらつきが見られなかった。そして、Ｉ／ｄが１．５以下で、試作品の一部にちらつきが見られ、０．５以下では、試作品の全てにちらつきが見られた。
【００６３】
また、ピンチシール部１３ａ，１３ｂに発生するクラックについては、Ｉ／ｄが０．５〜４．０の範囲では、試作品の全てについてクラックは全く見られなかった。そして、Ｉ／ｄが４．５以上で、試作品の一部にクラックの発生が見られた。
【００６４】
また、電極の変形については、Ｉ／ｄが０．５〜３．５の範囲では、試作品の全てについて電極の変形は見られなかったが、４．０以上では試作品の一部において電極の変形が見られ、５．０以上では試作品の全てにおいて電極の変形が見られた。
【００６５】
また、ガラス球の黒化については、Ｉ／ｄが０．５〜３．５の範囲では、試作品の全てにおいてガラス球の黒化は見られなかった。そして、Ｉ／ｄが４．０で試作品の一部において黒化が見られ、５．０以上では試作品の全てにおいて黒化が見られた。
【００６６】
また、光束維持率については、Ｉ／ｄが０．５〜４．０の範囲では、平均光束維持率が７０％以上となるが、Ｉ／ｄが４．５以上では同７０％未満という低い値となる。
【００６７】
したがって、本実施例では、Ｉ／ｄが１．０〜４．０の範囲、好ましくは２．０〜３．５の範囲に設定されて、アークのちらつきが発生したり、ピンチシール部のガラスにクラックが発生したり、電極が変形したり、ガラス球が黒化したり、光束維持率が低下する等の不具合がないように構成されている。
【００６８】
図４は、本実施例のアークチューブを備えた放電バルブを点灯させるための交流点灯回路のブロック構成図で  この点灯回路は、バッテリ電圧を管電圧に変換するスイッチングレギュレータ３０と、放電バルブの管電圧と管電流を検出するとともに、放電バルブの管電圧が所定値となるようにスイッチングレギュレータ３０の出力をフィードバック制御する制御回路３２と、スイッチングレギュレータ３０からの出力（直流）を交流（矩形波）に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ３４と、スタータ回路３６とを備える。符号３１は、スイッチングレギュレータ３０に導かれる電流からノイズを除去するためのフィルター回路である。
【００６９】
本実施例に示すような交流点灯方式では、電流が一次側電極と二次側電極に交互に供給される（一次側電極と二次側電極が交互にプラスになる）ので、密閉ガラス球内の金属（ＮａやＳｃ等）の正イオンの分布は一次側電極付近と二次側電極付近で対称であり、発光色も対称かつ均一である。
【００７０】
そして、図２、３の実験に用いた第１の実施例の水銀フリーアークチューブ（製品１，２）では、管電圧４０Ｖ、光束２１００ルーメン、発光効率８５ルーメン／Ｗ、色度（ｘ：０．３８０，ｙ：０．３８５）という、光束を除いて先願である消費電力３５Ｗの水銀フリーアークチューブ（特願２００２−２４３４８９号）に近い特性が得られた。
【００７１】
また、本実施例の水銀フリーアークチューブは、先願である水銀フリーアークチューブよりも密閉ガラス球の容積が小さく電極間距離が短いので、金属（ＮａやＳｃ等）の正イオンの分布が、陰極付近にかたよらず、ガラス球内でほぼ均一に分布するので、直流点灯方式とした場合であっても、色分離が少なく、前照灯として好ましい配光を形成できる。
【００７２】
即ち、直流点灯方式では、図４に示す交流点灯回路におけるＤＣ／ＡＣコンバータ３４を外して、破線に示すように通電路を接続した構成とすればよい。この直流点灯方式では、交流点灯方式とは異なり、一方の電極からのみ電流を供給し、密閉ガラス球内の陽極付近と陰極付近の金属イオンの分布が異なるため、発光色も対称となりにくい（色分離し易い）ことから、直流点灯方式は使いにくい。しかし、本実施例の水銀フリーアークチューブは、先願である水銀フリーアークチューブより密閉ガラス球の容積が小さく、電極間距離が短いので、金属（ＮａやＳｃ等）の正イオンの分布が陰極付近にかたよらず、ガラス球内でほぼ均一に分布するので直流点灯方式とした場合であっても色分離が少ないため、前照灯に用いても問題がない。
【００７３】
このように、本実施例の水銀フリーアークチューブを備えた放電バルブは、交流点灯回路に使用できることは勿論、直流点灯回路においても使用できるという利点がある。
【００７４】
【発明の効果】
以上の説明から明かなように、請求項１に係る放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブによれば、密閉ガラス球全体の大きさおよび電極間距離を従来に比べて小さくするとともに、必要に応じて補助発光用金属ハロゲン化物を主発光用金属ハロゲン化物とともに密閉ガラス球内に封入し、密閉ガラス球内に封入する始動用希ガスの封入圧を従来の水銀入りアークチューブの場合より高く（８〜２０気圧）設定するという非常に簡単な構成で、１５〜３０Ｗの低電力で安定放電して照射エリアにおける適正な明るさを確保できる水銀フリーアークチューブが提供される。
【００７５】
請求項２によれば、従来の３５Ｗに比べると低電力（１５〜３０Ｗ）で安定放電して１５００〜３０００ルーメンの光束が得られる水銀フリーアークチューブが提供される。
【００７６】
請求項３によれば、密閉ガラス球の内周形状を所定の形状にすることで、適正なアーク形状，放電の安定性，密閉ガラス球の失透回避および適正再点弧電圧の全てを満足する水銀フリーアークチューブが得られる。
【００７７】
請求項４によれば、電極の温度が適正値に保持されるので、ちらつきが発生せず、またガラスにクラックが発生したり、アークが消灯したり、電極が変形したり、ガラス球が黒化したり、平均光束維持率が低下するなどの不具合がない。
【００７８】
請求項５によれば、密閉ガラス球を取り囲む密閉空間（１気圧以下の不活性ガス層）の断熱作用により、より適正な光束と高効率の低電力対応の水銀フリーアークチューブが得られる。
【００７９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの縦断面図である。
【図２】実験結果に基づいて密閉ガラス球の内径比Ｄ２／Ｄ１とアークの形状，放電の安定性，密閉ガラス球における失透現象および再点弧電圧との関係を示す図である。
【図３】管電流の大きさと電極棒の径の比（Ｉ／ｄ）の大きさを変えて行った第１の実施例のアークチューブの点灯試験結果を示す図である。
【図４】放電バルブを点灯させる点灯回路のブロック構成図である。
【図５】従来の放電ランプ装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  アークチューブ
１１  アークチューブ本体
１２  放電部である密閉ガラス球
１５ａ，１５ｂ  放電電極
１８ａ，１８ｂ  リード線
２０  円筒型シュラウドガラス
Ｄ１  電極間中央位置における密閉ガラス球の内径
Ｄ２  電極先端位置における密閉ガラス球の内径
Ｌ  密閉ガラス球内部の軸方向長さ
Ｌ１  電極間距離
Ｌ２  密閉ガラス球内への電極突出長さ
【図１】
2004172056.tif 000003
【図２】
2004172056.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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