(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が対設され、少なくともＮａおよびＳｃを含む金属ハロゲン化物が始動用希ガスであるＸｅガスとともに封入された内容積５０μｌ以下の密閉チャンバを備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記密閉チャンバの内径が２ｍｍ以上３ｍｍ以下で、
前記封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）によって特定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が１０００以上２０００以下となるように構成された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】
前記密閉チャンバの内径が２．７ｍｍ以下に構成された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】
前記密閉チャンバ内には、主発光用金属ハロゲン化物の他に緩衝用金属ハロゲン化物が封入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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極が対設され、少なくともＮａおよびＳｃを含む金属ハロゲン化物が始動用希ガスであるＸｅガスとともに封入された、内容積５０μｌ以下の密閉チャンバを備えたコンパクトな放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
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は、合成樹脂製の絶縁プラグ本体に、発光部となる密閉チャンバを構成する密閉ガラス球(例えば、内容積５０μｌ以下)を備えたアークチューブが一体化された構造で、例えば、絶縁プラグ本体に固定された金属製支持部材にアークチューブの後端部が把持され、絶縁プラグ本体から延出する通電路でもある金属製のリードサポートにアークチューブの前端部が支持されている。
【０００３】
アークチューブは、電極が対設された密閉ガラス球内に、主発光用の金属（Ｎａ，Ｓｃ等）ハロゲン化物と水銀とが始動用希ガス（Ｘｅガス）とともに封入された構造で、電極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】
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、白色を出す発光物質としても作用する、重要な封入物質であるものの、環境有害物質であることから、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応えるべく、水銀を含まない水銀フリーアークチューブの開発が進められている。
【０００５】
このような自動車用バルブ業界にあって、発明者等は、下記特許文献１に示すように、密閉ガラス球内に、主発光用金属（Ｎａ，Ｓｃ）ハロゲン化物に加えて、水銀に代わる緩衝物質として作用する緩衝用金属（例えば、Ｚｎ）ハロゲン化物を封入したり、始動用希ガス（Ｘｅガス）の封入圧を調整（高く）する等の構成を採用することで、水銀を全く含まなくても水銀入りアークチューブに近い諸特性をもつ水銀フリーアークチューブを提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６８３９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、さらに開発を進める課程で、前記特許文献１に示す構造では、幾分光束立ち上がりが改善されたといっても水銀入りアークチューブに比べると遅く、水銀入りでは、Ｈｇがすぐに発光して４秒で８０％の出力を得る（光束立ち上がりが早い）のに対し、水銀フリーでは、ＮａやＳｃの発光までに時間がかかり、４秒で２５％の出力しか得られない（光束立ち上がりが遅い）。そして、自動車用前照灯には、所定の配光ポイントにおける光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）があるが、水銀フリーアークチューブ（特許文献１）では、光束立ち上がりが遅いため、このバルブ（アークチューブ）を光源とする前照灯の光度立ち上がりも遅くなることは当然であるものの、図１０に示すように、バルブ（アークチューブ）の光束立ち上がりと前照灯の光度立ち上がり間にかなりの時間差（ズレ）Δｔがあり、この時間差（ズレ）Δｔが大きいことが前照灯の光度立ち上がりをさらに遅らせる原因、即ち、前照灯の光度立ち上がり規格をクリアできない原因であることが判った。
【０００８】
そこで、この時間差（ズレ）Δｔが発生するメカニズムについて検討したところ、図１１に示すように、点灯開始直後に気化した金属ハロゲン分子が管壁全体に付着して密閉ガラス球をすりガラス状に曇らせ、この曇りが晴れるまでアークの輝度が上がらないため、前照灯の光度立ち上がりが遅れるということがわかった。
【０００９】
即ち、点灯開始前には、封入金属ハロゲン化物は密閉ガラス球内の底部に固体として溜まっているが、点灯開始と同時に起動パルスが密閉ガラス球の管壁に沿って伝播され、底部に溜まっている金属ハロゲン化物を一瞬のうちに気化する。気化された金属ハロゲン化物は、温度の低い管壁に接触して凝固し、図１１（ａ）に示すように、密閉ガラス球全体をすりガラス状に曇らせて、電極間に発生しているアークＡの発光（光束）の輝度を低下させるべく作用する。このため、電極間にアーク（光束）が出ているものの、前照灯としての光度はほとんど上がらない。その後、アークＡが安定し管壁が暖まると、管壁表面に凝固している金属ハロゲン化物が昇華し、密閉ガラス球の曇りが上方から徐々に晴れていく。
【００１０】
詳しくは、点灯４秒後では、密閉ガラス球内上方ほど温度が高く対流が活発なため、図１１（ｂ）に示すように、管壁上部側から曇りが晴れるものの管壁側部では曇りが依然として残る（管壁側部に金属ハロゲン化物が凝固したままである）。この管壁側部に残っている曇り（管壁側部に凝固している金属ハロゲン化物）によってアークＡの輝点Ａ１が隠れるため、アークＡの発光（光束）の輝度は点灯時に比べて僅かに上がるものの、依然として低下したままとなる。特に、管壁上部は晴れているものの、アークチューブの発光を反射配光するリフレクターに対し、電極先端上側にくるアークＡの輝点Ａ１の側方（横方向）に曇りが残っているため、アーク（光束）の輝度が上がらず、当然のことながら前照灯として要求される規格光度に達しない。
【００１１】
そして、点灯１０秒後になると、図１１（ｃ）に示すように、管壁側部に凝固していた金属ハロゲン化物は全て昇華し、密閉ガラス球の曇りはすっかり消失し、アーク（光束）の輝度が上がり、安定したほぼ一定の前照灯の光度が得られる状態に移行する。
【００１２】
そこで、発明者は、前照灯の光度立ち上がり特性を改善するには、点灯開始直後に密閉ガラス球に発生した曇りをできるだけ早く消失させる（曇りが晴れる）ようにすればよいと考え、そのためには、光度立ち上がり規格である点灯４秒後までに密閉ガラス球の側方からアークＡの輝点Ａ１が鮮明に見える（視認できる）状態、換言すれば、曇り領域の上縁がアークの輝点よりも下方にくる形態になれば、アークの発光（光束）の側方（横方向）における輝度が増え、バルブ（アークチューブ）の光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）が短縮されて、前照灯の光度立ち上がりを改善できると考えた。
【００１３】
そして、金属ハロゲン化物の封入密度，始動用希ガス（Ｘｅガス）の封入圧等の仕様の異なる水銀フリーアークチューブを試作し、バラストの最大投入電力（光束立ち上がり時にバラストからアークチューブに４〜５秒にわたって供給する最大の投入電力）を変えて、所定の配光ポイントでの光度立ち上がり４秒後を評価するデータをとったところ、４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率（側方から見た密閉ガラス球の晴れ具合で、曇り領域の上縁が上下方向にどの程度下がっているかを示すもの）は、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、金属ハロゲン化物の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３）にほぼ反比例し、Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）の２乗および最大投入電力Ｗ（ワット）にそれぞれほぼ比例するという相関があることがわかった。
【００１４】
金属ハロゲン化物の封入密度ρが高いと、アークチューブの点灯開始直後に気化する金属ハロゲン化物の量が多く、管壁に金属ハロゲン化物が厚く付着するため、晴れ率に影響する（データからはほぼ反比例する）と考えられる（図８Ａ）。
【００１５】
また、Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）が高いと、アークチューブの点灯開始直後の発光量（発熱量）が多く、密閉ガラス球内温度が高くなるため、晴れ率に影響する（データからは圧力の２乗にほぼ比例する）と考えられる（図８Ｂ）。
【００１６】
また、最大投入電力が大きいと、アークチューブの点灯開始直後の発光量（発熱量）が多く、密閉ガラス球内温度が高くなるため、晴れ率に影響する（データからはほぼ比例する）と考えられる（図８（ｃ））。
【００１７】
そこで、金属ハロゲン化物の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）によって特定される式「Ｐ２・Ｗ／ρ」（以下、これを「晴れ性指標値」という）の値を求めて考察したところ、この「晴れ性指標値」が所定値以上（図６，７参照）であると、前照灯の光度立ち上がりが改善される（点灯４秒以内に密閉ガラス球の少なくとも上半分の曇りがなくなって、バルブ（アークチューブ）の光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）Δｔが短縮される）ということが判ったので、このたびの特許出願に至ったものである。
【００１８】
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、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、特に前照灯の光度立ち上がりを大幅に改善でき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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
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、電極が対設され、少なくともＮａおよびＳｃを含む金属ハロゲン化物が始動用希ガスであるＸｅガスとともに封入された内容積５０μｌ以下の密閉チャンバを備えた放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記密閉チャンバの内径が２ｍｍ以上３ｍｍ以下で、
前記金属ハロゲン化物の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），Ｘｅガスの封入圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）によって特定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上、望ましくは、１０００以上２０００以下となるように構成した。
【００２０】
(作用) 本発明に係る用水銀フリーアークチューブを光源として用いた前照灯では、図２に示すように、アークチューブを点灯すると、アークチューブの光束が徐々に立ち上がってほぼ一定の光束が得られる放電状態に移行し、前照灯の光度もアークチューブの光束の立ち上がりに僅かに遅れて立ち上がって、ほぼ光束一定の放電状態に対応するほぼ一定の光度が得られるが、アークチューブの光束の立ち上がりに対する前照灯の光度の立ち上がりの遅れ(ズレ)Δｔが特許文献１のアークチューブに比べて短いので、前照灯の光度の立ち上がり特性に優れる。
【００２１】
即ち、点灯開始前に密閉チャンバ内の底部に固体として溜まっていた封入金属ハロゲン化物は、点灯開始と同時に密閉チャンバの管壁に沿って伝播された起動パルスによって、一瞬のうちに気化する。気化した金属ハロゲン化物は、温度の低い管壁に接触して凝固（付着）し、図３（ａ）に示すように、密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）全体をすりガラス状に曇らせて、電極間に発生しているアークの発光（光束）の輝度を低下させるべく作用する。このため、電極間にアーク（光束）が出ているものの、前照灯としての光度はほとんど上がらない。この点灯開始直後における前照灯の光度特性は、特許文献１の水銀フリーアークチューブを光源とする前照灯の光度特性（図１０参照）と同じである。
【００２２】
点灯４秒後では、密閉チャンバ内上方ほど温度が高く対流が活発なため、図３（ｂ）に示すように、管壁上部に凝固（付着）している金属ハロゲン化物から徐々に昇華し、管壁上部では曇りが晴れるが管壁側部では曇りが依然として残る（管壁側部に金属ハロゲン化物が付着したままである）。しかし、密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）における封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）で設定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が「点灯４秒後における曇り領域の上縁がアークの輝点よりも下方となって、点灯４秒後の前照灯の光度値が規格値である６２５０ｃｄ以上」という条件を満足する下限値８００以上であるので、点灯４秒後には、密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）の側方からアークＡの輝点Ａ１が鮮明に見える（視認できる）状態となり、アークの発光（光束）の密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）側方（横方向）における輝度が増し、図２に示すように、アークチューブの光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）Δｔが短縮されて、前照灯の光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）を満足する。
【００２３】
その後、時間とともに密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）の曇りが下方に向かって徐々に晴れて行き、これに伴って前照灯の光度も上がる（アークの光束の立ち上がり特性に倣うように前照灯の光度が立ち上がる）。そして、点灯１０秒後になると、図３（ｃ）に示すように、管壁側部に凝固(付着)していた金属ハロゲン化物は全て昇華し、密閉チャンバの曇りはすっかり消失して、アーク（光束）の全周方向における輝度が上がり、図２に示すように、前照灯として安定したほぼ一定の光度が得られる放電状態に移行する。
【００２４】
詳しくは、水銀フリーアークチューブ点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率（側方から見た密閉ガラス球の晴れ具合で、曇り領域の上縁が上下方向にどの程度下がっているかを示すもの）は、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、金属ハロゲン化物の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３）にほぼ反比例し、Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）の２乗および最大投入電力Ｗ（ワット）にそれぞれほぼ比例するという相関がある。さらに、水銀フリーアークチューブ点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率が大きい方が点灯４秒後の前照灯の光度値（ｃｄ）も高い（点灯４秒以内に密閉ガラス球の少なくとも上半分の曇りがなくなって、バルブ（アークチューブ）の光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）Δｔが短縮される）という傾向がある。このため、水銀フリーアークチューブの光束の立ち上がり特性および同水銀フリーアークチューブを光源とする前照灯の光度立ち上がり特性は、水銀フリーアークチューブの密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）における封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）で設定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」で評価することができ、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が大きいほど、点灯４秒後のアークチューブの光束値および前照灯の光度値が大きい。
【００２５】
そして、図６，７および図９，図９Ａ，図９Ｂに示すように、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上であれば、点灯４秒後の光度値（ｃｄ）が規格値（６２５０ｃｄ）以上となって、前照灯の光度立ち上がりが改善されるともに、寿命（時間，耐久性）も改善される。
（作用）特に、密閉チャンバ内の封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）で設定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が、図６，７および図９Ａ，図９Ｂに示すように、「点灯４秒後における曇り領域の上縁がアークの輝点よりも確実に下方となって、点灯４秒後の前照灯の光度値が規格値の１０５％である６５６３ｃｄ以上」という条件を満足する下限値１０００以上であるので、点灯４秒後には、密閉チャンバの側方からアークの輝点が確実に鮮明に見える（視認できる）状態となり、密閉チャンバ側方（横方向）における輝度が確実に増し、バルブの光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）がさらに短縮されて、前照灯の光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）を確実に満足することは勿論、安定したほぼ一定の光度が得られる状態に移行するまでの時間もさらに短縮される。
また、前照灯の光度は、バラスト出力のばらつきによって変動し、リフレクター等の配光形成手段の寸法上の誤差や組み付け上の誤差等に起因する損失を伴うが、点灯４秒後の前照灯の光度値が規格値の１０５％である６５６３ｃｄ以上をクリアする水銀フリーアークチューブであるので、前照灯の光源として採用した場合は、規格以上の光度を保証できる。
一方、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が２０００を超えると、電極の消耗が激しく、ガラス球への負荷が増加して、アークチューブの寿命が短くなるので、アークチューブの耐久性(寿命)の面からは、２０００以下が望ましい（図７参照）。
また、請求項２においては、前記密閉チャンバの内径を２．７ｍｍ以下に構成した。
（作用）請求項１であっても、アーク曲がりが目立たないが、請求項２では、アーク曲がりがいっそう目立たない。
【００２６】
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、前記密閉チャンバ内に、主発光用金属ハロゲン化物の他に緩衝用金属ハロゲン化物を封入するように構成した。
（作用）主発光用金属ハロゲン化物（ＮａＩおよびＳｃＩ３）は、主に発光に寄与する物質であり、緩衝用金属ハロゲン化物は、Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｃｓ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｎｄ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｂ，Ｔｌ，Ｔｉ，Ｌｉ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上の金属ハロゲン化物で、水銀に代わり管電圧の大幅な低下を抑制する緩衝物質として作用するとともに、水銀に代わる発光物質としても作用する。特に、実施例に示すように、始動用希ガス（Ｘｅガス）の封入圧が高い（従来の水銀入りアークチューブの場合の３〜６気圧に比べて１３〜２０気圧と高い）場合は、点灯（放電）時の密閉チャンバ内が高温化され、緩衝用金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められて、Ｈｇが封入されていないことによる分光特性（４３５ｎｍおよび／または５４６ｎｍ付近の波長域の光の強さが低い）が改善されて、水銀入りアークチューブにおける発光色とほぼ同じ白色でほぼ同量の発光量が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から明かなように、本発明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、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上であるため、点灯開始直後に密閉チャンバの管壁に発生した曇りが上方から徐々に晴れて、点灯４秒後における曇り領域の上縁がアークの輝点よりも下方となって、密閉チャンバ側方（横方向）における輝度が増し、アークチューブの光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）が短縮されて、前照灯の光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）をクリアできることは勿論、前照灯の光度立ち上がり特性を大幅に改善できる放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供できる。
特に、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が１０００以上２０００以下であるため、アークチューブの光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）がよりいっそう短縮されて、前照灯の光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）を確実にクリアできることは勿論、前照灯の光度立ち上がり特性をいっそう改善できる長寿命の水銀フリーアークチューブを提供できる。
また、請求項２によれば、アーク曲がりが目立たない。
【００３１】
請求項３によれば、緩衝用金属ハロゲン化物が水銀に代わる緩衝物質や発光物質として作用するので、水銀入りアークチューブにおける発光色とほぼ同じ白色でほぼ同量の発光量が得られる、前照灯の光源として最適な放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブを提供できる。

【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例（基準仕様）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】同実施例に係る水銀フリーアークチューブの光束立ち上がりと同アークチューブを光源とする前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）を示す図である。
【図３】同実施例に係る水銀フリーアークチューブの密閉ガラス球に発生した曇りが消失するまで様子を示し、（ａ）は点灯直後の管壁に発生した曇りの様子を示すアークチューブの模式図、（ｂ）は点灯４秒後の曇りの様子を示すアークチューブの模式図、（ｃ）は点灯１０後の曇りの様子を示すアークチューブの模式図である。
【図４】基準仕様１個の他に仕様の異なるグループ１〜３までの全１３仕様のアークチューブについて、点灯４秒後の晴れ率（％），点灯４秒後の光束値，点灯４秒後の光度値，晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」，寿命時間などを求めた実験結果をグループ毎に示す図である。
【図５】仕様の異なるグループ４〜６までの全１０仕様のアークチューブについて、点灯４秒後の晴れ率（％），点灯４秒後の光束値，点灯４秒後の光度値，晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」，寿命時間などを求めた実験結果をグループ毎に示す図である。
【図６】仕様の異なる全９仕様のアークチューブについて、点灯４秒後の晴れ率（％），点灯４秒後の光束値，点灯４秒後の光度値，晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」，寿命時間などを求めた実験結果を晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」の大きさに沿って並べて、比較例と実施例として示す図である。
【図７】仕様の異なる全１４仕様のアークチューブについて、点灯４秒後の晴れ率（％），点灯４秒後の光束値，点灯４秒後の光度値，晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」，寿命時間などを求めた実験結果を晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」の大きさに沿って並べて、実施例として示す図である。
【図８】点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率と封入金属ハロゲン化物重量，Ｘｅ封入圧，最大投入電力および密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図で、（ａ）は封入金属ハロゲン化物重量との相関を示す図、（ｂ）はＸｅ封入圧との相関を示す図、（ｃ）は最大投入電力との相関を示す図、（ｄ）は密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図である。
【図８Ａ】点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率と封入金属ハロゲン化物の密度との関係を示す図である。
【図８Ｂ】点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率とＸｅ封入圧の２乗との関係を示す図である。
【図９】「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」と封入金属ハロゲン化物重量，Ｘｅ封入圧，最大投入電力および密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図で、（ａ）は封入金属ハロゲン化物重量との相関を示す図、（ｂ）はＸｅ封入圧との相関を示す図、（ｃ）は最大投入電力との相関を示す図、（ｄ）は密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図である。
【図９Ａ】「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」と封入金属ハロゲン化物の密度との関係を示す図である。
【図９Ｂ】「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」とＸｅ封入圧の２乗との関係を示す図である。
【図１０】特許文献１の水銀フリーアークチューブの光束立ち上がりと同アークチューブを光源とする前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）を示す図である。
【図１１】特許文献１の水銀フリーアークチューブの密閉ガラス球に発生した曇りが消失するまでの様子を示し、（ａ）は点灯直後の管壁に発生した曇りの様子を示すアークチューブの模式図、（ｂ）は点灯４秒後の曇りの様子を示すアークチューブの模式図、（ｃ）は点灯１０後の曇りの様子を示すアークチューブの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００３５】
図１，２，３は、本発明に係る放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブの基準仕様である一実施例を示し、図１は同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、図２は、同アークチューブの光束立ち上がりと同アークチューブを光源とする前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）を示す図、図３は、同アークチューブの密閉ガラス球に発生した曇りが消失するまでの様子を示す模式図で、（ａ）は点灯直後の管壁に発生した曇りの様子、（ｂ）は点灯４秒後の曇りの様子、（ｃ）は点灯１０後の曇りの様子をそれぞれ示す図である。
【００３６】
図１において、アークチューブ１０は、電極１５ａ，１５ｂの対設された密閉チャンバである密閉ガラス球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。
【００３７】
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、長手方向略中央部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が形成された構造で、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。
【００３８】
アークチューブ本体１１の両端側には、非ピンチシール部である円パイプ形状の後方延出部１４ｂが同軸状に形成されて、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、放電発光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。
【００３９】
密閉ガラス球１２内には、始動用希ガス（Ｘｅガス），主発光用金属ハロゲン化物（ＮａＩ，ＳｃＩ３）および緩衝用物質である水銀に代わる緩衝用金属ハロゲン化物（ＺｎＩ２）が封入され、始動用希ガス（Ｘｅ）の封入圧が１３〜２０気圧（本実施例では１４．５気圧）とされて、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。
【００４０】
即ち、主発光用金属ハロゲン化物であるＮａＩおよびＳｃＩ３は、主に発光に寄与する物質であり、緩衝用金属ハロゲン化物であるＺｎＩ２は、従来のアークチューブに封入されていた水銀に代わり管電圧の大幅な低下を抑制する緩衝物質として作用するとともに、水銀に代わる発光物質としても作用する。特に、始動用希ガス（Ｘｅガス）の封入圧が比較的に高い圧力（１４．５気圧）であるため、放電時に電極１５ａ，１５ｂ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内が高温となり、主発光用金属ハロゲン化物および緩衝用金属ハロゲン化物の蒸気圧が高められて、管電圧が上昇し、水銀入りアークチューブとほぼ同等な管電圧が得られるとともに、従来の水銀入りアークチューブにおける発光色とほぼ同じ白色（色度）が得られる。
【００４１】
なお、ＮａＩおよびＳｃＩ３とともに封入する緩衝用金属ハロゲン化物としては、Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｃｓ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｎｄ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｂ，Ｔｌ，Ｔｉ，Ｌｉ，Ｚｎのハロゲン化物から選ばれた一種以上の金属ハロゲン化物(例えば、ＺｎＩ2)であればよい。
【００４２】
また、金属ハロゲン化物（ＮａＩ，ＳｃＩ３およびＺｎＩ2）の総封入量は、０．３０ｍｇで、その中の０．０２７ｍｇが緩衝用金属ハロゲン化物（ＺｎＩ2）である。また、ＮａＩとＳｃＩ３の重量比は、７０：３０である。
【００４３】
また、密閉ガラス球１２の電極間中央部位置における外径Ｄ１は６．１０ｍｍ，同内径Ｄ２は２．５０ｍｍ（管壁の厚さは、１．８ｍｍ）で、密閉ガラス球１２の内容積は２２．１ｍｍ３（２２．１μｌ）で、金属ハロゲン化物（ＮａＩ，ＳｃＩ３およびＺｎＩ2）の封入密度ρは１３．５８ｍｇ／ｃｍ３である。
【００４４】
また、電極間距離Ｌ１は従来の水銀入りアークチューブと同様の４．０〜４．４ｍｍ、密閉ガラス球１２内への電極突出長さＬ２は１．０〜２．０ｍｍの範囲が望ましい。また、シュラウドガラス２０内には、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。
【００４５】
そして、本実施例の水銀フリーアークチューブ１０（を備えた放電バルブ）を光源として用いた前照灯では、アークチューブ１０を点灯すると、図２に示すように、アークチューブ１０の光束が徐々に立ち上がってほぼ一定の光束が得られる放電状態に移行し、前照灯の光度もアークチューブ１０の光束の立ち上がりに僅かに遅れて立ち上がって、アークチューブ１０のほぼ一定の光束に対応するほぼ一定の光度が得られるが、特許文献１のアークチューブ（を備えた放電バルブ）を光源とする前照灯の場合に比べて、アークチューブの光束の立ち上がりに対する前照灯の光度の立ち上がりの遅れ(ズレ)Δｔが短いので、前照灯の光度の立ち上がり特性に優れる。
【００４６】
即ち、点灯開始前に密閉ガラス球１２内の底部に固体として溜まっていた封入金属ハロゲン化物は、点灯開始と同時に密閉ガラス球１２の管壁に沿って伝播された起動パルスによって、一瞬のうちに気化する。気化した金属ハロゲン化物は、温度の低い管壁に接触して凝固（付着）し、図３（ａ）に示すように、密閉ガラス球１２全体をすりガラス状に曇らせて、電極１５ａ，１５ｂ間に発生しているアークＡの発光（光束）の輝度を低下させるべく作用する。このため、電極１５ａ，１５ｂ間にアーク（光束）が出ているものの、前照灯としての光度はほとんど上がらない。この点灯開始直後における前照灯の光度特性は、特許文献１の水銀フリーアークチューブを光源とする前照灯の光度特性（図１０参照）と同じである。
【００４７】
点灯４秒後では、密閉ガラス球１２内上方ほど温度が高く対流が活発なため、図３（ｂ）に示すように、管壁上部に凝固（付着）している金属ハロゲン化物が徐々に昇華し、管壁上部では曇りが晴れるが管壁側部では曇りが依然として残る（管壁側部に金属ハロゲン化物が付着したままである）。しかし、密閉ガラス球１２における封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）で設定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が「点灯４秒後における曇り領域の上縁がアークの輝点よりも下方となって、点灯４秒後の前照灯の光度値が規格値である６２５０ｃｄ以上」という条件を満足する下限値８００以上であるので、点灯４秒後には、密閉ガラス球１２の側方からアークＡの輝点Ａ１が鮮明に見える（視認できる）状態となり、アークＡの発光（光束）の密閉ガラス球１２側方（横方向）における輝度が増し、図２に示すように、アークチューブの光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）Δｔが短縮されて、前照灯の光度立ち上がり規格（点灯４秒後に６２５０ｃｄ以上）を満足する。
【００４８】
その後、時間とともに密閉ガラス球１２の曇りが下方に向かって徐々に晴れて行き、これに伴って前照灯の光度も上がる（アークの光束の立ち上がり特性に倣うように前照灯の光度が立ち上がる）。そして、点灯１０秒後になると、図３（ｃ）に示すように、管壁側部に凝固(付着)していた金属ハロゲン化物は全て昇華し、密閉ガラス球１２の曇りはすっかり消失して、アーク（光束）の全周方向における輝度が上がり、図２に示すように、前照灯として安定したほぼ一定の光度が得られる状態に移行する。
【００４９】
図４，５は、ＢＭとして示す基準仕様１個の他に、グループ１の３個、グループ２の４個、グループ３の５個、グループ４の２個、グループ５の４個、グループ６の４個を加えた全２３仕様のアークチューブについて、点灯４秒後の晴れ率（％），点灯４秒後の光束値，点灯４秒後の光度値，晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」，寿命時間などを求めた実験結果をグループ毎に示す図、図６，７は、図４，５に示す実験結果を晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」の大きさ順に並べ替えて、発明の実施例と比較例とに分けて示す図で、例えば、図４の「グループ３−３」と図７の「実施例３−３」のように、図４，５に示すグループ１〜６の数字と図６，７に示す実施例・比較例の１〜６の数字とが対応している。
【００５０】
但し、発光管（密閉ガラス球）の内容積（ｍｍ３）は、密閉ガラス球の電極間中心位置の内径から算出した値で、１８．７，２２．１，２５．８ｍｍ３の３種類である。
また、金属ハロゲン化物（ＮａＩ，ＳｃＩ３およびＺｎＩ2）の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３）は、４．５３〜２６．７４ｍｇ／ｃｍ３までの１１種類であり、各アークチューブにおける金属ハロゲン化物の総量に対するＺｎＩ2の割合は９％である。
【００５１】
また、Ｘｅガス封入圧Ｐ(気圧)は、１０．０〜２０．０気圧までの６種類であり、最大投入電力（ワット）は、３５〜１１０ワットまでの５種類である。
【００５２】
また、点灯４秒後の縦断面晴れ率（％）とは、点灯４秒後における密閉ガラス球に残る曇り領域上縁の上下方向の位置を示す値で、例えば「晴れ率６８％」は密閉ガラス球縦断面の上下方向６８％位置まで晴れていることを示す。
【００５３】
なお、点灯４秒後の光束値(ルーメン)とは、アークチューブ単体点灯４秒後の光束値で、積分球を用いて測定した実測値である。点灯４秒後の光束値(％)とは、アークチューブの放電が安定状態となった時（点灯５分以降）のアークチューブ単体の光束値に対する点灯４秒後の光束値の比率である。
【００５４】
点灯４秒後の光度値（ｃｄ）とは、アークチューブを光源とする前照灯の点灯４秒後の所定の配光ポイントにおける光度値である。点灯４秒後の光度値(％)とは、前照灯を点灯し、放電が安定状態となる点灯５分後の光度値に対する点灯４秒後の光度値（ｃｄ）の比率である。
【００５５】
晴れ性比例値(％)とは、点灯４秒後の光束値(％)に対する点灯４秒後の光度値（％）の比率で、この晴れ性比例値が高いことは、密閉ガラス球の側壁に残る曇りが少ないことを意味し、即ち、曇りによって放電光が拡散される割合が少ないので、前照灯の立ち上がり光度が速くなることを意味し、アークチューブの光束の立ち上がりに対する前照灯の光度の立ち上がりの遅れ(ズレ)Δｔが少ない（短い）ことを意味している。
【００５６】
前照灯の光度の立ち上がりの評価は、点灯４秒後の光度値（ｃｄ）が規格値（６２５０ｃｄ）および規格値の１０５％（６５６３ｃｄ）をクリアするか否かで評価し、点灯４秒後の光度値（ｃｄ）が規格値の１０５％（６５６３ｃｄ）以上の場合を○、規格値（６２５０ｃｄ）以上かつ規格値の１０５％（６５６３ｃｄ）未満の場合を△、規格値（６２５０ｃｄ）未満の場合を×で示す。
【００５７】
また、寿命時間は、耐久試験によってアークチューブの寿命を求めたもので、寿命が２５００時間以上の場合を○、２０００時間以上２５００時間未満の場合を△、２０００時間未満の場合を×で示す。
【００５８】
また、図８（ａ）〜（ｄ）は、点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率と封入金属ハロゲン化物重量，Ｘｅ封入圧，最大投入電力および密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図、図８Ａは、点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率と封入金属ハロゲン化物の密度との関係を示す図、図８Ｂは、点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率とＸｅ封入圧の２乗との関係を示す図、図９（ａ）〜（ｄ）は、「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」と封入金属ハロゲン化物重量，Ｘｅ封入圧，最大投入電力および密閉ガラス球内径（電極間中心位置における内径）との相関を示す図、図９Ａは、「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」と封入金属ハロゲン化物の密度との関係を示す図、図９Ｂは、「晴れ性指標値Ｐ２・Ｗ／ρ」とＸｅ封入圧の２乗との関係を示す図である。なお、図８、図８Ａ、図８Ｂ、図９、図９Ａ、図９Ｂにおいて、付されている実施例の数字は、図４，５に付されているの「グループ」の数字に一致している。例えば、図８（ｃ）における実施例６−１〜実施例６−４は、図５に示す「グループ６−１」〜「グループ６−４」に対応し、図８Ａにおける実施例１−１〜実施例１−３は、図４に示す「グループ１−１」〜「グループ１−３」に対応している。
【００５９】
これらの図４〜９および図８Ａ，８Ｂ，図９Ａ，図９Ｂのデータから、４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率は、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、金属ハロゲン化物の封入密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３）にほぼ反比例し、Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）の２乗および最大投入電力Ｗ（ワット）にそれぞれほぼ比例するという相関がある。
【００６０】
即ち、４秒後の縦断面晴れ率は、図８Ａに示すように、金属ハロゲン化物の封入密度ρにほぼ反比例する。金属ハロゲン化物の封入密度ρ（金属ハロゲン化物の封入量）が高い（多い）と、アークチューブの点灯開始直後に気化する金属ハロゲン化物の量が多く、管壁に金属ハロゲン化物が厚く付着するためと考えられる。
【００６１】
また、４秒後の縦断面晴れ率は、図８Ｂに示すように、Ｘｅガスの圧力Ｐの２乗にほぼ比例する。Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）が高いと、アークチューブの点灯開始直後の発光量（発熱量）が多く、密閉ガラス球内温度が高くなるためと考えられる。
【００６２】
また、４秒後の縦断面晴れ率は、図８（ｃ）に示すように、最大投入電力Ｗにほぼ比例する。最大投入電力が大きいと、アークチューブの点灯開始直後の発光量（発熱量）が多く、密閉ガラス球内温度が高くなるためと考えられる。
【００６３】
さらに、図６，７によれば、アークチューブ点灯４秒後の密閉ガラス球の縦断面晴れ率が大きい方が点灯４秒後の前照灯の光度値（ｃｄ）も高い（点灯４秒以内に密閉ガラス球の少なくとも上半分の曇りがなくなって、バルブ（アークチューブ）の光束立ち上がりに対する前照灯の光度立ち上がりの時間差（ズレ）Δｔが短縮される）という傾向がある。このため、水銀フリーアークチューブの光束の立ち上がり特性および同水銀フリーアークチューブを光源とする前照灯の光度立ち上がり特性は、水銀フリーアークチューブの密閉チャンバ（密閉ガラス球１２）における封入金属ハロゲン化物の密度ρ（ｍｇ／ｃｍ３），封入Ｘｅガスの圧力Ｐ（気圧）および最大投入電力Ｗ（ワット）で設定される晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」で評価することができ、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が大きいほど、点灯４秒後のアークチューブの光束値および前照灯の光度値が大きいことが判る。
【００６４】
そして、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上の場合に、点灯４秒後の光度値が規格（６２５０ｃｄ）を越え（図６参照）、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が１０００以上の場合に、点灯４秒後の光度値が規格の１０５％（６５６３ｃｄ）を越える（図７参照）ことが判る。したがって、図６，７に示すように、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上であれば、点灯４秒後の前照灯の光度の立ち上がり特性が優れている（点灯４秒後の光度値が規格以上となる）ので、本発明の実施例である。詳しくは、図６において「請求項１に対する実施例」として示す実施例１−３〜実施例２−３の５仕様、図７において「請求項３に対する実施例」として示す実施例３−４〜実施例２−２までの９仕様、および同図７において「請求項１に対する実施例」として示す実施例３−２〜実施例３−１までの５仕様が、いずれも晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が８００以上である。  特に、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が１０００以上であれば、点灯４秒後の前照灯の光度の立ち上がり特性がいっそう優れている（点灯４秒後の光度値が規格の１０５％以上となる）。即ち、図７において「請求項３に対する実施例」として示す実施例３−４〜実施例２−２までの９仕様、および同図７において「請求項１に対する実施例」として示す実施例３−２〜実施例３−１までの５仕様がいずれも晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が１０００以上である。
【００６５】
しかし、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が大きければよいとはいっても、２０００を超えると、アークチューブ構成部材（電極やガラス）への負担が激しくなりアークチューブの寿命がＥＣＥ規格の２５００時間よりも短くなるので、アークチューブの耐久性(寿命)の面からは、晴れ性指標値「Ｐ２・Ｗ／ρ」が２０００以下が望ましい。即ち、図７において「請求項３に対する実施例」として示す実施例３−４〜実施例２−２までの９仕様が最も望ましい。
【００６６】
一方、「比較例５−１」はＸｅガスの封入圧が１０気圧と低すぎて、放電電子の平均自由工程が長くなるため、アークチューブ内の発光が少なく、アークチューブ内温度の上昇が遅いので、また、比較例６−１，比較例６−２は最大投入電力が３５ワット，５０ワットと低すぎて、放電電子の数が少ないため、アークチューブ内の発光が少なく、アークチューブ内の温度上昇が遅いので、いずれの場合も点灯４秒後の光束値自体が上がらず、点灯４秒後の光度値も低い。比較例２−４は金属ハロゲン化物の封入密度が２２．６４ｍｇ／ｃｍ３と高過ぎて、密閉チャンバーの管壁に付着する金属ハロゲン化物の曇りが濃くなり、曇りによって拡散される光が多くなるため、点灯４秒後の光度値が規格に僅かに足らない。
【００６７】
実施例６−４では、最大投入電力が１１０ワットと大きすぎるため、電極の消失・損傷が激しく、寿命が２０００時間と非常に短い。また、実施例１−１，実施例２−１，実施例３−１では、いずれも金属ハロゲン化物の封入密度が非常に少ない（４．５３，４．５３，５．３５ｍｇ／ｃｍ３）ことから、放電電流が大きくなって、電極の消耗が激しいため、寿命が短い（２０００時間，２１００時間，２０００時間）と推測される。実施例３−２は、近い仕様の実施例３−３と比べて、金属ハロゲン化物の封入密度が少な目（実施例３−３の１６．５ｍｇ／ｃｍ３に対し１０．７０ｍｇ／ｃｍ３）のため、放電電流が若干大きくなるので、電極の消耗もわずかに早くなり、寿命が２５００時間に僅かに足らない。
【００６８】
実施例５−４は、Ｘｅガスの封入圧が高すぎる（２０気圧）ため、点灯中のアークチューブの温度がより高温となるため、金属ハロゲン化物とアークチューブ構成部材（電極やガラス）との化学反応が促進されるので、寿命が２１００時間と比較的短いと推測される。
【００６９】
なお、前記した実施例では、アーク曲がりが目立たないようにするために、密閉ガラス球１２の内径Ｄ２が２．３〜２．７ｍｍに形成されているが、密閉ガラス球１２の内径Ｄ２は２〜３ｍｍの範囲であればよい。
【００７０】
また、前記した実施例では、密閉ガラス球１２の内容積が１８．７〜２５．８ｍｍ３の範囲に形成されているが、２５．８ｍｍ３以上であっても５０ｍｍ３（μｌ）以下のコンパクトなものであればよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０  放電ランプ装置用水銀フリーアークチューブ
１１  アークチューブ本体
１２  密閉チャンバ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
ρ  封入金属ハロゲン化物の密度
Ｐ  封入Ｘｅガスの圧力
Ｗ  最大投入電力
Ｐ２・Ｗ／ρ  晴れ性指標値
Ｄ１  電極間中央部位置における密閉ガラス球の外径
Ｄ２  電極間中央部位置における密閉ガラス球の内径
Ｌ１  電極間距離
Ｌ２  密閉ガラス球内への電極突出長さ
【図１】
0005313710.tif 000002
【図２】
0005313710.tif 000003
【図３】
0005313710.tif 000004
【図４】
0005313710.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005313710.tif 000009
【図８Ａ】
0005313710.tif 000010
【図８Ｂ】
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【図９】
0005313710.tif 000012
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
0005313710.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
0005313710.tif 000016