光とハロゲン電球10nm(10×10-9m)~10万nmの波長をもつ電磁波を「光」といい、この波長域の電磁波を発生する放射体をすべて「光源」といいます。わたしたちが、ふつうに光といえば、可視光線をさしていますが、これは400nm~750nmの波長を持つ電磁波で、これより短かい波長(10nm~400nm)の光は紫外線、長い波長(750nm~10万nm)の光は赤外線と呼ばれています。光源を歴史的な視点から分類すれば自然光源(太陽・月など)、燃焼光源(たいまつ、ガス灯)、電気エネルギーとした光源(電気的光源...フィラメント電球、発光ダイオード)に分けられます。電気的光源は、その発光機構によって、さらに概略3つに分類されます。(1)熱幅射光源...電気エネルギーを熱エネルギー(例えばジュール熱)に変換し、固体の温度を上げ、その温度に相当する輻射線を利用する光源。〈例〉フィラメント電球(一般白熱電球、ハロゲン電球)(2)気体の発光光源...電気エネルギーで気体の原子または分子を励起し、励起状態からより低い状態へもどる時に発する光を利用する光源。〈例〉水銀ランプ、クセノンランプ(3)固体光源......固体の原子または分子、もしくはエネルギー帯中の電子を、電気的な方法で励起し、より低い状態へもどる時に発する光を利用する光源。LAMP)ハロゲン電球(ハロゲンランプ)とは、その封入ガスに微量のハロゲンガスを添加した白熱電球のことです。ハロゲンガスとは、沃素(Iodine,I)、臭素(Bromine,Br)、塩素(Chlorine,Cl)、弗素(Fluorine,F)などの総称で、かつてハロゲン電球は、沃素電球と呼ばれていたこともあります。Electric)のZublerとMosbyによって、沃素を用いて開発されました。白熱電球は、発熱体を電流によって白熱状態に加熱し光を放射します。ふつう白熱電球には、高融点(約3400°C)のタングステンフィラメントが使われています。置で切れてしまいます。これが白熱電球の自然寿命です。電球のバルブ内壁は、蒸発したタングステンの付着によって黒化していき、外部に放射される光がだんだん減少し、その減少率は20%近くにも達します。このような、タングステンの蒸発を防止するために、ハロゲンガスが有効であることが判明しました。ハロゲンガスの動作原理フィラメントから蒸発したタングステン(ゾーン1)は、ハロゲンガスと反応して(ゾーン2)、タングステン-ハロゲン化合物が生成されます。このタングステン-ハロゲンは、250°C以上1400°C以下でその状態を維持しています(ゾーン3)。したがって、バルブが250°C以上であれば、バルブ壁に付着することはなく、黒化もおこりません。タングステン-ハロゲンは熱対流によってフィラメント付近に運ばれると、高温のためにタングステンとハロゲンガスに分解され(ゾーン2)、タングステンはフィラメントに沈澱し、自由になったハロゲンガスは、再び次の反応を繰り返します。Cycle)といいます。現実のハロゲン電球では、フィラメント温度が均一でなく、分解されたタングステンはタングステンの蒸発の激しいフィラメントの高温部分には戻らず、温度の低い部分に戻りやすいため温度の高い部分のフィラメントがやせ細りついには断線することになり、有限の寿命となります。ハロゲン電球の使用材料(1)バルブ(石英ガラス)ハロゲンサイクルに必要な高温を維持するためには、一般に、石英ガラス管を使用します。Quartz)があります。不透明石英管は一部のヒーターいn使用されていますが、ほとんどのハロゲン電球では、透明石英管が使用されています。フィラメントの像を散らしたり、大きな放射面として使用するために、透明石英管をフロスト加工をほどこして使うことが増えてきています。最近では、自動車用ハロゲン電球においてアルミナシリケートガラス系の硬質ガラスが、バルブ材料として使用され始めています。(2)フィラメント(タングステン)ハロゲン電球のフィラメントには、線の柔軟性と高温での蒸発率の低いことからタングステン線が用いられます。仕様のタングステン線を使用します。このノンサグ性タングステン線はK2O-SiO2-Al2O3系のドープタングステン線と呼ばれています。(3)シール部(モリブデン)モリブデンは、シール部で、ハロゲン電球の内と外を電気的に接続する箔として使用されています。このモリブデン箔は、厚さ数10μmで図11のように、フェザーエッジになっています。これによって、シール部の気密性が保たれます。表3にモリブデンの特性を示しています。gas)と微量のハロゲンガスを、電球内に封入しています。現在、一般に使用されているハロゲンガスは、沃素(I2)系、臭素(Br2)系および塩素(Cl2)系の化合物です。選択する必要があります。長寿命が要求される場合には、加圧します。常温時に1~3気圧のガス圧で不活性ガスを封入し、高いガス圧によって、タングステンの蒸発を抑制して、長寿命をはかります。(5)ベース(BASE)ハロゲン電球のベースは、高温で使用されるため、材料は、通常、ステアタイトあるいは耐熱性金属が使用されます。ダブルエンドタイプのハロゲン電球には、従来、使いやすいR7Sベースが使われることが多かったのですが、最近では、ヒーターなどにおいてソケットが設計しやすく、接点の接触不良の心配の少ないリード線タイプベースの使用が増えています。リード線は、耐熱条件や使用環境によって、ニッケル裸より線、シリコン被覆電線、シリコン被覆ガラス編組電線、テフロン電線などが使用されます。一般に電球に入力される電力の75~95%が光と熱として放射されます。そのうち6~12%が可視光として放射され、残りは赤外線となります(図12)。この割合は電球の構造等によって変わります。ハロゲン電球の色温度と分光分布の関係は図13のようになります。同図が示すように色温度が高くなると短波長側、すなわち可視光側にピークが移り、光出力が増加します。ピークの波長は2897÷色温度(K)で求めることができます。放射される可視光の分光分布は、そのハロゲン電球の色温度を使って、プランクの放射側から計算することができます。電圧を変化させた時の分光分布エネルギーの変化は図14のようになります。効率と色温度の関係を図15に示します。複写機用の光源に使用されるセグメントタイプのフィラメント構造になった場合は、発熱体が小さくなり、不発光部などへの熱損失が大きくなります。そのため、一般ハロゲン電球に比べ同一効率なら色温度が少し高くなります。(3)電圧変化と諸特性変化ハロゲン電球においては、各特性の変化率(F/Fo)は、電圧の変化率(V/Vo)に対し、近似的に次の関係があります。表4は、Kの値を示しています。(但し、電球の構造によってKの値は若干変化します。)図15にその関係を図示します。し、寿命は次の関係があります。この式に基づけば、定格電圧に対し90%の電圧で点灯した場合に、寿命は約3倍に、また、110%で点灯すれば約1/3になります(図16)。ハロゲン電球には、定格電圧で最適なハロゲンサイクルが働くように、そのフィラメント温度(色温度)に合わせた濃度のハロゲンガスが封入されています。したがって、電圧を下げて使用した場合、フィラメント温度が低くなり相対的に濃い濃度のハロゲンガスとなり、フィラメントは浸食されて短寿命になりやすく、また過電圧で使用した場合には、フィラメント温度は高くなり相対的に薄い濃度のハロゲンガスとなりますのでバルブの黒化が起こりやすくなります。ハロゲン電球では電圧を変化させて使用するには、その適正範囲を考慮しなければなりません。実際に使用する電圧が、定格電圧と大きく異なる場合その使用電圧を定格値としたハロゲンガス濃度に再設計し直す方が良いと思われます。電球寿命(フィラメント寿命)は、フィラメントからのタングステンの蒸発速度に関連し、蒸発速度はフィラメント温度すなわち効率に比例しています。一般用ハロゲン電球および複写機露光用のハロゲン電球における効率と寿命(平均)の関係を図17-図19に示しています。用ハロゲン電球の方がはるかに長い寿命となります。これは前述(2)のように複写機露光用のハロゲン電球ではセグメントフィラメントのため、熱損失が大きいためです。機露光用ハロゲン電球においても、定格電圧が高い方が短い寿命となります。これは、電球寿命は効率だけではなく、フィラメントのタングステンワイヤーの線径(定格電圧が高くなると線径は細くなります。)にも影響されることを示しています。(6)シール部温度と寿命ハロゲン電球の寿命は、フィラメント溶断のほかに、シール部の故障も要因になります。シール部温度とシール部の寿命の関係を図20に示しています。的なデータで電球の種類によってその傾きは若干変わります。シール部温度が高くなれば寿命時間のバラツキの分布は大きくなります。モリブデンは350°C程度の高温になると非常に酸化しやすい性質があります。このため350°C付近でモリブデン箔に酸化が始まり、体積が増えていきます。石英ガラスがモリブデンの体積増に耐えられない時点で破損が起こり、モリブデン箔も切れてしまいます。したがってシール部は350°C以下であることが望まれます。(寿命5000時間のヒータにおいては300°C以下であることが望まれます。)ただし、定格寿命の短い高効率のハロゲン電球では、350°Cを超えるシール部温度であっても実用上使用可能な場合があります。シール部温度の測定は、通常、熱電対を使用して行ないます。測定の具体的な方法については参考資料13-(2)に示しています。ウシオでは、シール部温度測定のために熱電対付きのサンプル電球の供給も行っています。(7)バルブ温度と寿命ハロゲン電球の寿命は、バルブ温度によっても影響されます(図21)。このグラフは、一般的なパターンを示しています。実際には各電球の構造によっても多少の差異が生じます。温度限界は、下限で250°Cとなります。これはさらに低温になる場合、ハロゲンサイクルが適正に働かなくなり黒化しやすくなるためです。機用ハロゲン電球等では約550°C(ヒーターの場合は、約800°C)となります。これより高温になると、バルブの吸蔵不純ガスなどが放出され、黒化を早めたり、フィラメント溶断がおこりやすいなどの影響が出ます。したがって、高温に対しては、強制空冷や、より太いサイズのバルブ使用が必要となります。定格電圧より大幅に低い電圧で点灯したとき、バルブ温度が250°Cより低くなることがあります。常は黒化にはいたりません。そのほか、電球は構成材料と封入ガスとの化合物によって、バルブの冷たい部分に変色の起こることがあります。この変色は、フィラメント付近までにはいたらないので、電球の性能には影響を与えません。これもハロゲンサイクルが有効に動作するよう適正なバルブ温度を保つための工夫の一つです。(8)配光分布特性各種ハロゲン電球を組み込む照明装置は、それぞれの配光分布特性を考慮して設計されます。各ハロゲン電球の配光分布特性を図22に示します。......放射体そのものの温度です。...特定の波長での放射体の輝度が、ある温度の完全放射体(黒体)の同波長での輝度に等しいとき、この完全放射体の温度を、その放射体の輝度温度といいます。輝度温度を、光高温計で測定するとき、その波長(λ)は、655nmが用いられています。輝度温度は真温度より低くなります。......ある放射体の光色に等しい光色を持つ完全放射体の温度を、その放射体の色温度といいます。色温度は、真温度よりも高くなります。算出の3つがあります。色温度計(カラーメーター)を使えば、その被測定電球の色温度は直接表示されます。輝度温度から換算する場合は、光高温計(パイロメーター、PYRO-METER)を使い、フィラメントの輝度温度を測定して換算します。フィラメントの1ターン部だけの温度測定のため、電球の局部的な温度が測定可能です。分光分布法は、可視範囲の分光放射強度を測定し、色度座標から求めます。...ある放射の可視域での相対分光分布が、ある温度の黒体の分光分布に等しいかあるいは近似のとき、この温度をその放射体の分布温度といいます。JISC7527(ハロゲン電球)では「分布温度」を使っていますが、ハロゲン電球の場合、分布温度と色温度の値は等しいため、当資料では色温度で統一しています。C1602に規定するクロメルーアルメル熱電対を約150°の開き角度で点溶接したものであること。2熱電対の固定方法...封止部への熱電対の固定は規定に準ずること。電球シール部の外部導入線とモリブデン箔の溶接部上で、電球軸に垂直な方向に、最大厚さ0.5mm、直径約100mmのダイヤモンドカッターを用いて、注意深く外部導入線に達するまで切り込みを入れます。この際、切り込み角度αは、モリブデン箔を傷つけない角度にします(図49)。...熱電対の接点は、露出した外部導入線と接点を、確実に接触させ、上からセメントを盛り固めます。熱電対は、切り込みの中で両方向に引張り、切り込み全体にセメントを充填します(図50)。起音波ドリルを用いて、直径約1mmの穴を開け、外部導入線の表面を露出させます(図51)。...熱電対の接点は、露出した外部導入線と、確実に接触させ、接点の上からセメントを充填します(図52)。外部導入線と熱電対の接点部は通常ろうづけ、または溶接で固定するのが望ましい。5方法(III)...電球シール部の表面に、直接熱電対の接点を押し当て、この上からセメントで固定します。この場合の固定点は、温度の相関を確認して決定します(図53)。......測定にあたっては、熱的な平衡を得るため、0.5~1時間点灯した後で、熱電対の起電力を測定し、シール部温度を求めます。C-A熱電対の起電力は、次の式で求めることができます。使用して測定しています。受光角度特性をCOSθに近似させています。No.22近年注目されているプリント板の高精度投影露光に関する学会発表、エキシマVUV/O3洗浄装置などの技術論文の専門誌投稿、そして、小特集としてハロゲン電球の基礎をご紹介します。Reserved.本ウェブサイトはCookieを使用しています。以下の「同意する」をクリックされることにより、お客様は弊社のCookieポリシーに記載されたCookieの使用に同意したことになります。Cookieの使用に同意されないお客様は、お手数ですが、以下の「同意しない」をクリックし、移動先のCookieポリシーに記載の方法に従ってCookieに関する設定を変更ください。