JP2005122957A

JP2005122957A - 無水銀高圧放電ランプの点灯方法

Info

Publication number: JP2005122957A
Application number: JP2003354818A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Hataoka; 真一郎畑岡; 清 ▲高▼橋; Kiyoshi Takahashi; Yuriko Kaneko; 由利子金子; Makoto Horiuchi; 誠堀内
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】高圧放電ランプにおいてライフ特性を向上させる点灯方法を提供すること。
【解決手段】発光管内に常温で５気圧以上２０気圧以下の希ガスが封入された無水銀の高圧放電ランプにおいて、点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御する点灯方法によって、点灯初期のリークを抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、無水銀放電ランプの点灯装置に関するものである。

従来より、放電ランプの点灯制御方法として、点灯直後の立ち上がり時には定電流を供給し、その後、安定点灯時には定電力供給を行うのが一般的である。ランプを速やかに立ち上げるため、初期定電流としては、安定時の１．２〜２倍程度としている。

特に、速やかに立ち上げる必要のある自動車用ランプや、プロジェクタ用ランプにおいては、初期定電流を高く設定している。例えば、プロジェクタにおいて、安定時電流３Ａのランプにおいて、初期定電流をその２倍以上である６．５Ａに設定しているものも存在する。また、初期電流の設定の仕方に工夫を凝らしている点灯回路も存在する。電流初期の電極のスパッタリングを防止するために、アークスポット形成完了時（約１０秒）までの始動初期電流値を、立ち上がり時の電流値以下に設定している技術が開示されている（特許文献１）。
特開２００１−３０７８９６号公報

しかしながら、上記のような制御方法で、特に無水銀の高圧放電ランプを点灯すると、アーク揺れやランプリークを起こしやすいという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高圧放電ランプにおいてライフ特性を向上させる点灯方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の無水銀高圧放電ランプの点灯方法は、管内に発光物質が封入される発光管と、前記発光管の気密性を保持する一対の封止部と、前記発光管内に配置された一対の電極棒と、前記一対の電極棒のうち少なくとも一方の電極棒に接続された金属箔と、前記発光管内に封入された、常温で５気圧以上２０気圧以下の希ガスとを備えた無水銀高圧放電ランプの点灯方法であって、点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御する。

また、本発明の無水銀高圧放電ランプの点灯方法は、管内に発光物質が封入される発光管と、前記発光管の気密性を保持する一対の封止部と、前記発光管内に配置された一対の電極棒と、前記一対の電極棒のうち少なくとも一方の電極棒に接続された金属箔と、前記発光管内に封入された、常温で２０気圧以上の希ガスとを備える、無水銀高圧放電ランプの点灯方法であって、前記封止部は、前記発光管から延在した第１のガラス部と、前記第１のガラス部の内側の少なくとも一部に設けられた第２のガラス部とを有し、前記金属箔の長手方向の一部は、第２のガラス部で覆われており、光弾性効果を利用した鋭敏色板法を用いた測定手段で前記封止部を測定した場合に、前記第２のガラス部に圧縮応力が存在していることが確認される構成であり、点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御する。

発光管内に常温で５気圧以上２０気圧以下の希ガスが封入された無水銀の高圧放電ランプにおいて、点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御する点灯方法によって、点灯初期のリークを抑制できる。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態で用いたランプ１００の構成を模式的に示している。ランプ１００は、管内６に発光ガス（図示しない）が封入される発光管１と、発光管１から延在した封止部２とを備えた無水銀高圧放電ランプである。発光物質として、主として水銀を含まない発光ガスを利用していることを特徴とする。

ランプ１００の封止部２は、発光管１の内部６の気密性を保持する部位であり、ランプ１００は、封止部２を２つ備えたダブルエンド型のランプである。発光管部１は略球状であり、その外径は例えば５ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、ガラス厚は例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。発光管１内の放電空間の容積は、例えば０．０１〜１ｃｃ程度（０．０１〜１ｃｍ^３）である。本実施形態では、外径１０ｍｍ程度、内径５ｍｍ程度、放電空間の容量０．０６ｃｃ程度の発光管１をもちいた。発光管１内には、発光ガスとして、Ｘｅが常温で５気圧以上封入されている。また、必要に応じて、少量のハロゲンとが発光管１内に封入されている。

発光管１内に封入されるハロゲンは、ランプ動作中に電極棒３から蒸発したＷ（タングステン）を再び電極棒３に戻すハロゲンサイクルの役割を担っており、例えば、臭素である。封入するハロゲンは、単体の形態だけでなく、ハロゲン前駆体の形態（化合物の形態）のものでもよく、本実施形態では、ハロゲンをＣＨ_２Ｂｒ_２の形態で発光管６内に導入している。また、本実施形態におけるＣＨ_２Ｂｒ_２の封入量は、０．００１７〜０．１７ｍｇ／ｃｃ程度であり、これは、ランプ動作時のハロゲン原子密度に換算すると、０．０１〜１μｍｏｌ／ｃｃ程度に相当する。また、管壁負荷は、例えば、６０Ｗ／ｃｍ^２程度以上であり、特に上限は設定されない。例示的に示すと、管壁負荷は、例えば、６０Ｗ／ｃｍ^２程度以上から、３００Ｗ／ｃｍ^２程度の範囲（好ましくは、８０〜２００Ｗ／ｃｍ^２程度）のランプを実現することができる。冷却手段を設ければ、３００Ｗ／ｃｍ２程度以上の管壁負荷を達成することも可能である。なお、定格電力は、例えば、１５０Ｗ（その場合の管壁負荷は、約１３０Ｗ／ｃｍ^２に相当）である。

なお、発光管１に封入する発光ガスの圧力を常温で２０気圧以上封入しようと思うと、図２に示すような構成の高耐圧ランプにする必要がある。点灯中には動作圧が２００気圧以上と大きくなるために、通常の構成のランプでは、耐圧強度が持たないためである。

封止部２における第１のガラス部１１は、ＳｉＯ_２を９９重量％以上含むものであり、例えば、石英ガラスから構成されている。一方、第２のガラス部１０は、１５重量％以下のＡｌ_２Ｏ_３および４重量％以下のＢのうちの少なくとも一方と、ＳｉＯ_２とを含むものであり、例えば、バイコールガラス（Ｖｙｃｏｒｇｌａｓｓ；商品名）から構成されている。ＳｉＯ_２にＡｌ_２Ｏ_３やＢを添加すると、ガラスの軟化点は下げるため、第２のガラス部１０の軟化点は、第１のガラス部１１の軟化点温度よりも低い。なお、バイコールガラスとは、石英ガラスに添加物を混入させて軟化点を下げて、石英ガラスよりも加工性を向上させたガラスであり、例えば、ホウケイ酸ガラスを熱・化学処理して、石英の特性に近づけることによって作製することができる。バイコールガラスの組成は、例えば、シリカ（ＳｉＯ_２）９６．５重量％、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）０．５重量％、ホウ素（Ｂ）３重量％である。本実施形態では、バイコールガラス製のガラス管から、第２のガラス部１０は形成されている。なお、バイコール製のガラス管の代わりに、ＳｉＯ_２：６２重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１３．８重量％、ＣｕＯ：２３．７重量％を成分とするガラス管を用いても良い。

本実施形態のランプ１００に対して、光弾性効果を利用した鋭敏色板法による歪み測定を実行して、封止部２を観察すると、第２のガラス部１０に相当する部分に圧縮応力が存在していることが確認される。鋭敏色板法による歪み測定では、ランプ１００の形状を維持したまま、封止部２を輪切り状にした断面内の歪み（応力）の観測を行うことができないのであるが、第２のガラス部１０に相当する部分に圧縮応力が観測されたということは、第２のガラス部１０の全体または大半に圧縮応力が印加されている場合の他、第２のガラス部１０と第１ガラス部１１との境界部に圧縮応力が印加されている場合、第２ガラス部７のうちの第１のガラス部１１側の部分、または、第１ガラス部１１のうちの第２のガラス部１０側の部分に圧縮応力が印加されている場合のいずれか又はそれらが複合した形で、封止部２の一部に圧縮応力が印加されているということになる。また、この測定では、封止部２の長手方向に圧縮する応力（または歪み）は積分値で観測される。

封止部２の一部に印加されている圧縮応力は、実質的にゼロ（すなわち、０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を超えたものであればよい。なお、この圧縮応力は、ランプが点灯していない状態のものである。この圧縮応力の存在により、従来の構造よりも耐圧強度を向上させることができる。この圧縮応力は、約１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上（約９．８×１０^５Ｎ／ｍ^２以上）であることが好ましい。そして、約５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（約４．９×１０^６Ｎ／ｍ^２以下）であることが好ましい。１０ｋｇｆ／ｃｍ２未満であると、圧縮歪みが弱く、ランプの耐圧強度を十分に上げられない場合が生じ得るからである。そして、５０ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えるような構成にするには、それを実現させるのに、実用的なガラス材料が存在しないからである。ただし、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２未満であっても、実質的に０の値を超えれば、従来の構造よりも耐圧を上げることができ、また、５０ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えるような構成を実現できる実用的な材料が開発されたならば、５０ｋｇ／ｃｍ^２を超える圧縮応力を第２のガラス部１０が有していてもよい。

続いて動作原理について説明する。

本実施形態では、点灯初期に図３に示すような電流制御を行うことを特徴とする。点灯初期の電流Ｉを徐々に大きくし、定常時電流Ｉｓに近づけていく。点灯直後の電流値Ｉ_０は、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓを満たすことを特徴とする。Ｉ_０が、０．５Ｉｓより小さいと放電が開始することができず、０．８Ｉｓよりも大きいと、リークやアーク揺れを起こしやすいためである。また、電流を大きくする期間については、４０〜９０ｓと非常にゆっくり上げるのが好ましい。４０ｓ以下にすると、急速に温度を上げるため、リークやアーク揺れを起こしやい。９０ｓ以上にすると、光立ち上がりも９０ｓ以上となるため、実用的ではない。

本実施形態の効果を確認するために、図４に示される従来通りの制御方法で点灯を行った場合と、本実施形態の制御方法で点灯を行った場合で、比較を行った。Ｘｅを常温で１５気圧分封入したランプ１００を５本従来通りの方法で点灯させたところ、５本中３本がリークした。リークを起こさなかった２本についても、点灯初期のアークを観察すると、非常に大きなアーク揺れを起こした。また、常温で２５気圧分のＸｅを封入したランプ２００を３本、従来どおりの点灯方法で点灯させると、全数リークした。常温で２５気圧のＸｅは点灯中２５０気圧程度となるため、３００気圧以上の耐圧をもつ高耐圧封止ランプ２００にて試験を行ったにもかかわらず、ランプはリークしてしまった。

一方、本実施形態の制御方法では、常温でＸｅが１５気圧以上のランプ１００を３本、常温でＸｅが２５気圧以上のランプ２００を３本、いずれもリークすることなく点灯した。点灯開始後のアーク揺れについても抑制効果が見られた。

なお点灯電力はいずれのランプも１５０Ｗであった。

リーク、アーク揺れが抑制されるメカニズムについて、説明する。

ランプの点灯回路のスイッチを入れて放電が開始すると、発光管内の蒸気圧が上昇する。高圧水銀ランプの場合、主たる発光種である水銀は常温で液体であるため、水銀の蒸発とともに発光管内の蒸気圧は徐々に大きくなる。発光管内の蒸気圧が最大になるまでに、４０〜９０秒を要する。

しかしながら、無水銀の高圧放電ランプの場合、発光種が常温でガスである物質を使うため、点灯初期から蒸気圧は高く、発光管内の蒸気圧が大きくなるのも早い（約１０〜２０秒）。一方、発光管の温度は、点灯前は常温と低く、点灯後４０〜９０秒（発光管上部の温度は１０００℃以上）で最大になる。

気体が発光種となる無水銀の高圧放電ランプを、従来の点灯制御方法で点灯すると、発光管内の蒸気圧が急激に大きくなる。そのとき、発光管温度はまだ低いため、ランプは亀裂等によりリークしてしまうことになる。発光管は、温度が低いときよりも温度が高いときの方が、耐圧が大きくなるからである。例えば、歪点を超えると、石英ガラスは流動的な性質を帯びはじめるため（実際には流動はせず、歪を加えたり除去したりできる程度の流動性である）、ランプに亀裂が入りにくくなる。

また、急激に蒸気圧が大きくなると、アーク揺れに対しても悪影響を及ぼす。点灯初期のアークが不安定な時期（点灯初期約１０秒）に、蒸気圧が大きくなると、アーク揺れが激しく起こり、場合によっては立ち消えを起こす。

本実施形態の制御方法で点灯すると、点灯蒸気圧が徐々に大きくなることになり、発光管内の蒸気圧が最大になるまでの時間は、４０〜９０秒であった。このような制御方法では、リーク、アーク揺れを抑制することができる。

なお、点灯制御方法については、どのような回路構成であってもよい。また、図５に示すような電流制御であっても良い。発光管の蒸気圧を徐々に大きくし、最大になるまでの時間が４０〜９０秒になるようにすればよい。例えば、図６に示すように、電流検出回路Ｂにて電流を測定し、その値を制御回路ＡにフィードバックしてＤＣ電源の電圧を変化させる方法でもよい。

なお、本実施形態では、発光種として、Ｘｅを用いたが、常温で気体であるＡｒやＮｅのようなものであってもよい。

なお、点灯初期の電流制御を行う例として、特許文献１がある。図７ように、始動初期用電流値を、立ち上がり期間の略定電流よりも小さくし、通電時にスパッタが発生しないようにしている。これによれば、始動直後のアークスポットの位置が不安定な期間は、電流を適切に低く設定して、電極のスパッタを発生しないようにし、電極の負担を軽くすることができる。本実施形態におけるランプでは、Ｘｅ圧が常温で５気圧以上と大きいため、ここでいうスパッタは生じない。Ｘｅ圧が常温で５気圧以上の環境では、アーク放電経路が大きくなると放電しにくく、そのため、電極先端以外での放電はしないからである。本実施形態において、重要であるのは、約４０〜９０秒かけてゆっくりと電流を大きくすることであり、アーク放電が安定した後（約１０秒後）も、電流値を安定時の電流値よりも低くしておくことである。

本発明にかかる高圧放電ランプの点灯方法は、点灯直後の電流値を制御する構成を有し、無水銀の高圧放電ランプ等に有用である。

従来のランプの構成を示す模式図高耐圧構造を有するランプの構成を示す模式図本実施形態にかかる電流制御図従来の電流制御図本実施形態にかかる他の電流制御図本実施形態にかかる電流制御を行うための回路図特許文献１のランプ電流の波形を示す図

符号の説明

１発光管部
２側管部（封止部）
３電極棒
４金属箔
５外部リード線
６発光種（Ｘｅガス）
７コイル（電極先端）

Claims

管内に発光物質が封入される発光管と、
前記発光管の気密性を保持する一対の封止部と、
前記発光管内に配置された一対の電極棒と、
前記一対の電極棒のうち少なくとも一方の電極棒に接続された金属箔と、
前記発光管内に封入された、常温で５気圧以上２０気圧以下の希ガスとを備えた無水銀高圧放電ランプの点灯方法であって、
点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御することを特徴とする無水銀高圧放電ランプの点灯方法。
管内に発光物質が封入される発光管と、
前記発光管の気密性を保持する一対の封止部と、
前記発光管内に配置された一対の電極棒と、
前記一対の電極棒のうち少なくとも一方の電極棒に接続された金属箔と、
前記発光管内に封入された、常温で２０気圧以上の希ガスとを備える、無水銀高圧放電ランプの点灯方法であって、
前記封止部は、前記発光管から延在した第１のガラス部と、前記第１のガラス部の内側の少なくとも一部に設けられた第２のガラス部とを有し、前記金属箔の長手方向の一部は、第２のガラス部で覆われており、光弾性効果を利用した鋭敏色板法を用いた測定手段で前記封止部を測定した場合に、前記第２のガラス部に圧縮応力が存在していることが確認される構成であり、
点灯直後の電流値Ｉ_０を安定時の電流値Ｉｓに対して、０．５Ｉｓ≦Ｉ_０≦０．８Ｉｓとし、その後、電流値Ｉを連続的もしくは段階的に大きくし、約４０〜９０秒後に安定時の電流値Ｉｓとなるように制御することを特徴とする無水銀高圧放電ランプの点灯方法。