JP2005347060A - 高圧放電ランプ及び光源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 始動補助電極を用いることなく、低電圧にて始動する高圧放電ランプを得る。
【解決手段】 希ガスと共に少なくとも放射性同位元素からなるガス状の放射線源と水銀及び金属ハロゲン化物のうち少なくとも一方からなる添加物を封入した耐熱性の透光性材料からなる発光管を有する高圧放電ランプにおいて、発光管内に封入している放射能をＡ（Ｂｑ）、発光管の内容積をＶ（ｃｍ^３）、発光管内の放射性同位元素からなるガス状の放射線源を含む常温時の封入ガス圧をＰ（ｋＰａ）、発光管内の添加物総重量をＭ（ｍｇ）とした時、
式１：２＜Ｐ＜４０、及び、式２：Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
を満足するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧放電ランプにおいて、特に低電圧にて始動する高圧放電ランプおよび点灯装置および光源システムに関する。

従来、この種のランプは共に用いる点灯装置によって点灯させているが、ランプの始動性能に関しての種々の提案がなされている。
また、従来の照明用に用いられる高圧水銀ランプのように、主電極の他に該主電極の近傍に針状の始動補助電極を設置し対向する主電極と同電位に配線したものも公知である（例えば、特許文献１等）。

照明教室Ｎｏ．６７光源 （平成元年 照明学会発行） 特許第３２６４１８９号 特許第３２６０３５４号

特に高圧放電ランプの内、メタルハライドランプの始動に関しては、発光物質として封入している物質と反応してしまうために電子放射性に優れた各種酸化物が使えない事や、仮に使用可能なものでも電極に保持させて用いると点灯中に飛散してしまい、その飛散までの時間で始動性能が決定される。また飛散物が管壁に付着し、管壁温度上昇を招きランプ特性が変化したり、光束劣化を引き起したりする原因となって問題であった。

ランプ内に高い始動電圧を発生させるイグナイタを設け、それにより始動電圧を発光管に印加し点灯させるタイプの提案もあるが、部品そのものの信頼性に問題があったり、共に用いる熱応動スイッチが、寿命中に劣化したりして、部品による寿命でランプ寿命が決まってしまう等の欠点があった。

また、発光管材料としてセラミックを用いたメタルハライドランプであるセラミックメタルハライドランプに始動補助電極を設ける提案もなされているが（特許文献１，２）、高圧ナトリウムランプや、セラミックメタルハライドランプ並びにプロジェクタ等の光学装置に用いられるショートアークタイプの高圧水銀ランプには、主電極の他に該主電極の近傍に針状の始動補助電極を設けると、シール部構造が複雑になり、更に、熱損失が増えるため効率の低下をするなど問題があり、容易には始動補助電極を設けられない。

一方、照明用の高圧放電ランプは早くからランプを始動させるための始動電圧を低くする事が求められていたが、近年では前記ショートアークタイプの高圧水銀ランプも、始動時に印加される始動電圧を低くすることが強く望まれるようになってきている。この始動電圧の低下はランプ内の部品や始動電圧を発生させる点灯装置ならびにそれらが組み込まれた光源装置の部品として耐電圧が低い部品を選択でき、また、各配線間などの絶縁設計が容易になるため価格が安くなるばかりでなく、装置が小型化できるメリットがあるためである。

本発明は、これらの要望に答えるために、始動補助電極を用いることなく、低電圧にて始動する高圧放電ランプを得ようとするものであり、特に放射線源としてクリプトン８５（Ｋｒ８５）などの放射性同位元素からなるガスを必要量用いることで寿命中安定した始動特性を得ることを課題としている。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の側面は、希ガスと共に少なくとも放射性同位元素からなるガス状の放射線源と水銀及び金属ハロゲン化物のうち少なくとも一方からなる添加物を封入した耐熱性の透光性材料からなる発光管を有する高圧放電ランプにおいて、該発光管内に封入している放射能をＡ（Ｂｑ）、該発光管の内容積をＶ（ｃｍ^３）、該発光管内の放射性同位元素からなるガス状の放射線源を含む常温時の封入ガス圧をＰ（ｋＰａ）、該発光管内の添加物総重量をＭ（ｍｇ）とした時、
式１：２＜Ｐ＜４０、及び、式２：Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
を満足するようにした高圧放電ランプである。またさらに、式３：５≦Ｐ≦３０としたものである。さらに、両端に一対の電極を有する構成とした。また、前記の高圧放電ランプにおいてランプ印加電圧が３ｋＶ_０−Ｐ（Ｖ_０−Ｐ：ゼロ電圧に対するピーク電圧）以下で始動するようにした。またさらに、ランプ印加電圧が２ｋＶ_０−Ｐ以下で始動するようにした。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面の高圧放電ランプ、及び、高圧放電ランプ始動時に３ｋＶ_０−Ｐ以下の電圧を印加する点灯装置からなる照明器具である。また、筐体、並びに、筐体に内蔵される上記第１の側面の高圧放電ランプ及び高圧放電ランプ始動時に３ｋＶ_０−Ｐ以下の電圧を発生する点灯装置からなる光源装置である。

上記した本発明によると、始動時の印加電圧を２ｋＶ_０−Ｐ程度に低くしても、高圧放電ランプを始動させる方法において、発光管に始動補助電極を用いることなく、また、機械的な部品を付加する事なく、始動補助ガス及び、放射線源となる、気体を、Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０ で示す範囲で封入することで、良好に始動させることが出来る。また、ガス状の放射線源を利用する事で、封入した物質と反応したり、光学的にも影響せず寿命を通じても何等始動に問題を起こさずに、良好な光源を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面によって具体的に説明する。
図１．は本発明に従う消費電力７０Ｗの光透過性セラミック製の発光管を有するメタルハライドランプである。内容積０．５ｃｍ^３からなる発光管内には一対の電極がアーク長５ｍｍにて配置され、希ガスと共に放射線源としてクリプトン８５（Ｋｒ８５）と共に、発光金属として水銀及びヨウ化ナトリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ディスプロシウム、ヨウ化ホルミウムなどからなる金属ハロゲン化物が封入されている。外球は主に外管と口金、およびステム、支柱、発光管、トップハネで構成されている外球マウントからなる。外管はステムと封止され、内部は真空状態になっている。発光管と外管の間には、万が一発光管が破裂しても外管にひびがはいらないように、筒状のガラス管が配置されている。

次に前記ランプを使用した実験１を説明する。
封入ガス圧をＰ（ｋＰａ）、ランプ内容積をＶ（ｃｍ^３）封入した金属ハロゲン化物及び水銀からなる全添加物量をＭ（ｍｇ）、放射線源として採用したクリプトン８５（Ｋｒ８５）の放射能をＡ（Ｂｑ）として、前記ランプを用いて、封入ガス圧、添加物総量及び放射能Ａ（Ｂｑ）を変更した試作を行ない、始動試験を行った。始動試験に用いた点灯装置は外部イグナイタで、始動のための印加電圧が２ｋＶ_０−Ｐのものを用いて実験を行った。実験内容及び始動試験の結果を表１−１、１−２に示す。

尚、ガス封入圧Ｐは１０ｋＰａ及び２０ｋＰａとしたのは以下の通りである。ガス封入圧Ｐが２〜４０ｋＰａの範囲であるランプと、ガス封入圧Ｐが２ｋＰａ以下、４０ｋＰａ以上であるランプを試作して評価を行ったところ、ガス封入圧が２〜４０ｋＰａの範囲であるランプでは始動特性や寿命において問題もなく良好な結果が得られたのに対し、ガス封入圧が２ｋＰａ以下のガス封入圧の小さいランプでは、ランプ始動時にタングステンからなる電極の飛散が多く、電極周辺の管壁が電極飛散物の付着により早期に黒化して、明るさの低下を招いてしまい、また、ガス封入圧が４０ｋＰａ以上のランプでは始動性改善のために封入した放射線源の封入量に関わらず、始動性が極めて困難のランプもあり、始動上不具合が発生したためガス封入圧Ｐは
式１： ２＜Ｐ＜４０
を充足する範囲とした。

また、封入した放射能Ａ（Ｂｑ）の算出方法を簡単に説明する。
ガス捕集用の電離箱を用いても放射能測定を行えるが、今回は以下の手順にて算出した。
先ず、夫々５０、１００、５００、１０００Ｂｑ等の既知の放射能が封入されているガラス製容器からなる標準試料を柔らかい布等で覆った後に、１００ｍｍ×１５０ｍｍのポリプロピレン共重合体（ＰＰＣＯ）製の袋に密封し、外部から万力等で袋内のガラス製容器を割る。袋の外部から計測器：アロカ株式会社製のエネルギー補償型γ線用シンチレーションサーベイメータＭＯＤＬ ＴＣＳ−１７１の検出器（プローブ）を近づけて夫々の放射線の数（ＣＯＵＮＴ）を測定した後、既知の放射能と検出した放射線の数から検量線を作成する。次に、試作したランプも前記同様に袋に入れ割った後に計測器により放射線の数を計測し、先ほどの検量線より放射能Ａ（Ｂｑ）を算出している。

また、封入ガス圧、添加物総量、放射能、発光管内容積に対するランプ始動性との関係についての試験結果を、横軸に添加物総量Ｍ（ｍｇ）× 封入ガス圧Ｐ（ｋＰａ）／内容積Ｖ（ｃｍ^３）、縦軸に、放射能：Ａ（Ｂｑ）／内容積として図２に示した。なお、各仕様共に１０本のランプを作製して試験を行い、表中○印は１０本全てのランプが始動性に問題が無く点灯したものを表し、×印は１０本の内、１本でも始動に不具合があったものを表している。

同図から表１で問題なしとされた試作２、３、５、６、８及び９が含まれる範囲として式２が導き出された。
式２： Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
を充足すると低い印加電圧にて始動し、式２を充足しないと始動不具合が生じる事が解かった。これより、放射性同位元素からなるガスをどれだけ封入すれば始動上問題が無いか数値で得ることが出来た。

次に、ランプ電力による差を確認するため、消費電力１５０Ｗ（アーク長を９ｍｍ、内容積を１．０ｃｍ^３）の光透過性セラミック製の発光管を有するメタルハライドランプを用い、前記同様の試験を行った（実験２）。発光管内には前記同様に希ガスと共に放射線源としてクリプトン８５（Ｋｒ８５）と共に、発光金属として水銀及びヨウ化ナトリウム、ヨウ化タリウム、ヨウ化ディスプロシウム、ヨウ化ホルミウムなどからなる金属ハロゲン化物が封入されている。外球構造は大きさが異なるものの前記７０Ｗのランプと同様の構造をしている。前記同様の試験の結果を表２に示す。尚、試験に用いた点灯装置は、始動のための印加電圧は、前記試験同様に２ｋＶ_０−Ｐであるが、定格１５０Ｗ点灯用のものを用いた。

以上の結果から、実験１同様に、
式２：Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
を充足することで、始動に問題がない事が解かる。
また、実験１及び実験２より、５≦Ｐ≦３０の範囲で好適な結果が得られることが確認された。

次に、図３に示すような石英製の外球の無いショートアークタイプの高圧水銀ランプについても前記ランプ同様に実験を行った（実験３）。使用したランプは、両端に封止部１１ａ、１１ｂを有し、一対の電極１２ａ、１２ｂがアーク長約１．０ｍｍにて配置され、中央に内容積Ｖが０．０８ｃｍ^３の最大外径１０ｍｍからなる発光部１３を有し、発光部内部には、全添加物総量Ｍが２０ｍｇの水銀と微量のハロゲン化物及び、希ガスとともにＫｒ８５が封入されている定格ランプ電力１５０Ｗの高圧水銀ランプである。封入ガス圧Ｐ（ｋＰａ）を１０ｋＰａ一定とし、Ｋｒ８５の量、即ち放射能Ａ（Ｂｑ）を変化させ、印加電圧が２ｋＶ_０−Ｐの点灯装置を用いて、始動試験を行った結果、放射能Ａ（Ｂｑ）が６０Ｂｑ以下では始動しなかったものの、７０Ｂｑにて始動を確認した。この結果をまとめると表３の通りであり、前記実験同様に、
式２： Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
を充足することで、始動性を満足できる結果となった。

以上の結果から、式２にて示す直線よりも、放射能が大きければ、即ち、内容積当たりの添加物量及び封入ガス圧に応じて、内容積当たりの放射能を増すことにより、良好な始動性能が得られる事が解かった。

更に、図４に示すように実験３で始動特性が良好であったランプ１４を、ガラス製の反射鏡１５と組み込み合わせたランプユニット１６をプロジェクタ（筐体）内に組み込み、プロジェクタ内で寿命試験を行ってみたが、５０００時間の点灯寿命時間に対し、やはり始動性に関して何等問題は起こらなかった。

前記実験にて、印加電圧が２ｋＶ_０−Ｐの点灯装置を用いて、始動試験を行った結果、始動特性に問題がない事から、始動時の印加電圧が３ｋＶ_０−Ｐを発生する点灯装置にて十分に点灯できる。また、印加電圧を３ｋＶ_０−Ｐとした理由は、色特性に優れたセラミックメタルハライドランプ等は、店舗向けに小型化要求にマッチしたＥ２６の口金が使えるからであり、塵や埃の多い場所、水蒸気が多い場合などの過酷な条件下でも口金内で放電しない電圧とした。また、外球内に組み込まれた非線形コンデンサであるＦＥＣと呼ばれる点灯装置等でも、十分点灯できる。更に、液晶プロジェクタ用の光源としても、従来の印加電圧と比較して、大幅に電圧を低下出来るので、小型化に大変有利となった。
また、本発明によると、使用している放射能の使用量は環境上問題が無い程度であるが、ガス状の放射線源を用いているので、仮にランプ破裂等により放射線源が大気中に放出された場合にも、従来から使用されていた密封線源であったならば、その場所に留まってしまうが、ガスを用いる事で大気中に拡散希釈されるので環境への影響は更に少なくなる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、例えば以下のように変更することも可能である。

本実施例においては両端に一対の電極を有する高圧放電ランプを用いて説明したが、無電極放電ランプのように電極を持たないランプに同種の発光管を適用してもランプ特性の確保に関しては同様の効果を得ることができる。なお、無電極放電ランプの場合、ランプに印加する電圧はランプに巻き付けるコイルの入出力端間の電圧で決まる。

また、本実施例においては２ｋＶ_０−Ｐのパルス電圧を印加するイグナイタを用いたが、パルス幅が確保できれば２ｋＶ_０−Ｐ以下のパルス電圧を印加してもランプを始動することができる。さらに、充分に電圧印加時間の長いリードピークタイプの安定器を用いた場合、通常、始動時の印加電圧のピーク値は１ｋＶ_０−Ｐ程度となるが、このような印加電圧でも充分始動可能である。

さらに、本実施例においては高圧放電ランプを点灯するために別途点灯装置を接続するものを示したが、本実施例に係る高圧放電ランプと点灯装置とを一体化してダウンライトなどの一般照明用の光源装置を構成してもよいし、本実施例に係る高圧放電ランプ及び点灯装置を所定の筐体に内蔵してプロジェクタ等の光源システムを構成してもよい。

本発明は、高圧放電ランプ及びその点灯システムなどの一般照明用の光源装置や、小型化・低価格化が要請される液晶プロジェクタなどのバックライト用光源装置の用途に用いて好適である。

図１は本発明に係わる光透過性セラミック製の発光管を有するメタルハライドランプの全体図である。 図２は実験１の試験結果を表す図である。 図３は本発明に係わる石英製の発光管を有する高圧水銀ランプの全体図である。 図４は本発明に係わる高圧水銀ランプを組み込んだランプユニットの断面図である。

符号の説明

１ ．外管
２ ．口金
３ ．ステム
４ａ．支柱
４ｂ．支柱
５ ．発光管
６ .トップハネ
７ ．筒状ガラス管
８ ．Ｂａゲッター
９ ．Ｚｒ−Ａｌゲッター
１１ａ．封止部
１１ｂ．封止部
１２ａ．電極
１２ｂ．電極
１３ ．発光部

Claims (7)

1. 希ガスと共に少なくとも放射性同位元素からなるガス状の放射線源と水銀及び金属ハロゲン化物のうち少なくとも一方からなる添加物を封入した耐熱性の透光性材料からなる発光管を有する高圧放電ランプにおいて、
   該発光管内に封入している放射能をＡ（Ｂｑ）、該発光管の内容積をＶ（ｃｍ^３）、該発光管内の放射性同位元素からなるガス状の放射線源を含む常温時の封入ガス圧をＰ（ｋＰａ）、該発光管内の添加物総重量をＭ（ｍｇ）とした時、
   式１：２＜Ｐ＜４０、及び、式２：Ａ／Ｖ≧０．３×Ｍ×Ｐ／Ｖ＋６０
   を満足することを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 請求項１記載の高圧放電ランプであって、さらに、
   式３： ５≦Ｐ≦３０を満たすことを特徴とする高圧放電ランプ。
3. 請求項１又は２記載の高圧放電ランプであって、両端に一対の電極を有することを特徴とする高圧放電ランプ。
4. 請求項１から請求項３いずれか一項に記載の高圧放電ランプであって、ランプ印加電圧が３ｋＶ_０−Ｐ以下で始動することを特徴とする高圧放電ランプ。
5. 請求項１から請求項４いずれか一項に記載の高圧放電ランプであって、ランプ印加電圧が２ｋＶ_０−Ｐ以下で始動することを特徴とする高圧放電ランプ。
6. 請求項４又は請求項５記載の高圧放電ランプ、及び、該高圧放電ランプ始動時に３ｋＶ_０−Ｐ以下の電圧を印加する点灯装置、からなる照明器具。
7. 筐体、並びに、該筐体に内蔵される請求項４又は請求項５記載の高圧放電ランプ及び該高圧放電ランプ始動時に３ｋＶ_０−Ｐ以下の電圧を発生する点灯装置、からなる光源装置。
   

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