JP2017216161A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】臭素元素が発光管に封入された場合でも、性能の低下を抑制することができる放電ランプの提供。【解決手段】臭素元素が封入された発光管１０と、発光管１０の内方に配置され、エミッタが充填された電極３０とを備え、臭素元素よりも、エミッタにおける金属元素の原子数と金属元素の価数とを乗じた値の方が、原子数比で少ない。【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプに関する。

広範囲の照明等に用いられるメタルハライドランプなどの放電ランプにおいて、電子放出性能を向上させるために、電極にエミッタを含有させたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２５９７９０号公報

ここで、特許文献１に記載の発明では、ハロゲンとしてヨウ素を含む金属ハロゲン化物を発光管に封入し、電極にエミッタを含有させて実験を行い、放電ランプの性能を確認している。しかしながら、ハロゲンとして臭素を含む金属ハロゲン化物を発光管に封入した場合には、臭素は反応性が高いため、放電ランプの性能が低下する懸念がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、臭素元素が発光管に封入された場合でも、性能の低下を抑制することができる放電ランプを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る放電ランプは、臭素元素が封入された発光管と、前記発光管の内方に配置され、エミッタが充填された電極とを備え、前記臭素元素よりも、前記エミッタにおける金属元素の原子数と前記金属元素の価数とを乗じた値の方が、原子数比で少ない。

臭素元素が発光管に封入された場合でも、性能の低下を抑制することができる放電ランプが提供される。

本発明の実施形態に係る放電ランプ１の構成を示す概念図である。 図１の放電ランプ１における電極３０の構成を示す概念図である。 図２の電極３０のコイル３２に充填されるエミッタの濃度を示す概念図（変形例１）である。 図２の電極３０のコイル３２に充填されるエミッタの濃度を示す概念図（変形例２）である。 図２の電極３０のコイル３２に充填されるエミッタの濃度を示す概念図（変形例３）である。 本発明の実施形態に係る放電ランプ１の効果を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る放電ランプについて説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、以下の各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。

本発明者は、臭素元素が発光管に封入された放電ランプにおいては、電極のエミッタが発光管の黒化や発光強度の低下を招く懸念があることを見出した。つまり、本発明者は、臭素は反応性が高いため、放電ランプ点灯時の高温状態で臭素がエミッタと容易に反応し、生成された化合物が発光管の管壁に付着して、発光管の黒化を発生させると考えた。また、これにより、発光に寄与する物質である臭素が減少し、発光強度の低下を招くと考えた。

このため、本発明者は、電極へのエミッタの充填量を一定量以下に規定することで、上記懸念を払拭できると考えた。すなわち、臭素元素が発光管に封入された放電ランプでも、電極へのエミッタの充填量を一定量以下に規定することで、発光管の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。

よって、本発明者は、この構成により、臭素元素が発光管に封入された場合でも、放電ランプの性能の低下を抑制することができることを見出した。

図１は、本実施形態に係る放電ランプ１の構成を示す概念図である。図２は、図１の放電ランプ１における電極３０の構成を示す概念図である。

放電ランプ１は、例えば、高圧水銀蒸気中にメタルハライド（金属ハロゲン化物）を添加して、当該メタルハライドのアーク放電による発光を利用した、いわゆるメタルハライドランプである。具体的には、図１及び図２に示すように、放電ランプ１は、臭素元素が封入された発光管１０と、発光管１０の内方に配置され、エミッタが充填された電極３０とを備え、臭素元素よりも、エミッタにおける金属元素の原子数と金属元素の価数とを乗じた値の方が、原子数比で少ない。つまり、発光管１０内において、（臭素元素の原子数）＞（エミッタの金属元素の原子数×価数）となっている。

なお、エミッタは、電子の放出性能を向上させる電子放射物質であり、例えば、Ｓｃ（スカンジウム）やＤｙ（ジスプロシウム）などの希土類金属、または、Ｂａ（バリウム）などのアルカリ土類金属の酸化物が用いられる。また、金属元素とは、上記のＳｃ、Ｄｙなどの希土類金属元素や、Ｂａなどのアルカリ土類金属元素を示すが、エミッタとして動作するものであれば、特に限定されない。また、金属元素の価数とは、金属元素が常温かつ常圧においてとり得る酸化数のことを示す。一般的に、希土類金属元素では３価、アルカリ土類金属元素では２価をとることが多い。また、価数を複数とり得る元素である場合は、大きい方の価数をとったものとして計算するものとする。また、臭素元素の定量方法としては、所定の量の水を入れた水槽内で放電ランプの発光管の一部を破壊等することにより、水中に臭素を溶解させ、その後、当該水をクロマトグラフィー等で測定することにより定量することができる。

このように、臭素系封入物を用いた場合、エミッタが臭素と反応して、発光管１０の黒化や発光強度の低下を招く虞があるが、電極３０へのエミッタの充填量を一定量以下に規定することで、エミッタと臭素との反応を抑制し、発光管１０の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。つまり、エミッタと臭素とが反応し、生成された化合物が発光管１０の管壁に付着して、発光管１０の黒化を発生させるのを抑制することができる。また、エミッタが臭素と反応したとしても、放電ランプ１の寿命末期の経過時間まで、十分輝度を保つことができるだけの臭素量を維持し（つまり、エミッタが全量反応したとしても臭素を残留させることができ）、発光強度が低下するのを抑制することができる。これにより、臭素元素が発光管１０に封入された場合でも、放電ランプ１の性能の低下を抑制することができる。

また、電極３０へのエミッタの充填量が、モル比で当該臭素元素の封入量に対して３０％以下である。なお、上記のエミッタの充填量がモル比で臭素元素の封入量に対して３０％以下とは、電極３０に充填（塗布）されているエミッタのモル数が、発光管１０内の金属ハロゲン化物に含まれる臭素元素のモル数の３０％以下、つまり、当該エミッタのモル数を当該臭素元素のモル数で除した値が０．３以下であることをいう。

ここで、本発明者は、鋭意研究と実験の結果、反応速度を考慮した計算上、電極３０へのエミッタの充填量が、モル比で臭素元素の封入量に対して３０％以下の場合に、上記の効果を顕著に発揮できることを見出した。つまり、電極３０へのエミッタの充填量をこのように規定することで、発光管１０の黒化や発光強度の低下を効果的に抑制することができ、放電ランプ１の性能の低下を抑制することができる。

ここで、発光管１０は、例えば、透光性アルミナセラミックスまたは石英ガラスで構成されている。また、本実施形態では、発光管１０は、筒状の本体部１１と、本体部１１よりも開口面積（ＹＺ平面での切断面における空間の面積）が小さい筒状の端部１２と、本体部１１と端部１２とに接続され本体部１１から端部１２まで開口面積が小さく変化する中間部１３とを有している。具体的には、本体部１１は円筒状かつＸ軸方向に長尺の形状を有し、本体部１１の両端には中間部１３及び端部１２がそれぞれ設けられている。また、それぞれの端部１２は、円筒状の形状を有し、それぞれの中間部１３は、断面（例えばＸＺ平面での断面）において曲線状（円弧状）の外形を有している。また、発光管１０の両端には、口金２０が取り付けられている。なお、発光管１０の外面の端部１２側には、例えば金膜またはシリカ膜からなる赤外線反射膜（保温膜）が形成されていてもかまわない。

また、発光管１０内部には、緩衝ガス用の水銀と、主発光金属となる鉄、ハロゲンとしてのヨウ素と臭素とが封入され、さらに始動用の希ガスが封入される。ハロゲンは、例えば、ＦｅＩ_２、ＦｅＢｒ_２、ＨｇＩ_２、ＨｇＢｒ_２等の金属ハロゲン化物の形で発光管１０内に封入でき、水銀や鉄は金属ハロゲン化物や金属単体として封入でき、これらが適宜組み合わされて所定の量と比率になるように封入される。また、希ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ａｒ、Ｋｒ等を用いることができる。

ヨウ素と臭素は、発光管内容積あたりに換算した封入原子数について、ヨウ素を（Ｉ）、臭素を（Ｂｒ）と表すとき、（Ｂｒ）＋（Ｉ）が２×１０^−７〜１４×１０^−７（ｍｏｌ／ｃｃ）となる。また、好ましくは、（Ｂｒ）：（Ｉ）で表される原子比が１０：９０〜７０：３０の範囲になるように、上記封入物の割合を適宜調整して封入するが、これは添加金属の有無、希ガスの種類にはよらず同じであり、このような量と割合とすることで、特に３００〜４００ｎｍの発光強度を大きくできる。

また、本体部１１の両端に設けられた一対の電極３０は、電極芯３１とコイル３２とをそれぞれ有している。電極芯３１は、タングステン等の耐熱性金属で構成された棒状体である。コイル３２は、電極芯３１の先端部に巻回されたコイル体であり、タングステン等の耐熱性金属で構成されている。また、コイル３２の先端側（図２のＸ軸方向マイナス側）の部位を先端部分３２ａとし、基端側（図２のＸ軸方向プラス側）の部位を基端部分３２ｂとする。

本実施形態では、エミッタは、電極３０のコイル３２の先端部分３２ａと基端部分３２ｂとが略均等な濃度となるように、電極３０に薄く充填されている。つまり、エミッタは、図２のＬ_０の範囲において、Ｌ_１の範囲とＬ_２の範囲とで同じ濃度となっている。

なお、エミッタは、電極３０のコイル３２の先端部分３２ａと基端部分３２ｂとで異なる濃度となっていてもよい。図３Ａ〜図３Ｃは、図２の電極３０のコイル３２に充填されるエミッタの濃度を示す概念図（変形例１〜３）である。

図３Ａ〜図３Ｃに示すように、エミッタは、電極３０のコイル３２の先端部分３２ａよりもコイル３２の基端部分３２ｂの方が濃度が高いことにしてもよい。

このように、電極３０のコイル３２の先端部分３２ａは温度が高くなる部分であるので、コイル３２の先端部分３２ａにエミッタが充填されていると、当該エミッタと臭素との反応速度が速くなる。このため、コイル３２の先端部分３２ａよりも基端部分３２ｂの方のエミッタの濃度を高くすることで、エミッタと臭素との反応速度を遅くして、発光管１０の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。

具体的には、図３Ａ（変形例１）では、電極３０のコイル３２の先端部分３２ａには、エミッタが充填されていない。

このように、コイル３２の先端部分３２ａにエミッタが充填されていないことで、エミッタと臭素との反応速度を遅くして、発光管１０の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。

また、図３Ｂ（変形例２）では、図３Ａに比べ、エミッタが充填される領域が広がるとともに、コイル３２の基端部分３２ｂにおけるエミッタの濃度が低くなっている。

このように、エミッタが充填される領域が変化しても、エミッタの濃度を調整することで、エミッタと臭素との反応速度を遅くして、発光管１０の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。

また、図３Ｃ（変形例３）では、図３Ａ及び図３Ｂに比べ、コイル３２の先端部分３２ａにエミッタが充填されているが、コイル３２の先端部分３２ａから基端部分３２ｂに亘って濃度が高くなっている。

このように、エミッタの濃度に傾斜をつけることでも、エミッタと臭素との反応速度を遅くして、発光管１０の黒化や発光強度の低下を抑制することができる。なお、当該濃度の傾斜は、どのような曲線的な傾斜でもよく、また、直線的な傾斜でもよい。

次に、本実施形態に係る放電ランプ１（実施例１）と従来の放電ランプ（比較例１）とを比較した実験結果について、説明する。図４は、本実施形態に係る放電ランプ１の効果を説明するためのグラフである。なお、実施例１及び比較例１の放電ランプの構成は、以下の通りである。

（実施例１）
図１及び図２を基本構造とし、電極３０にエミッタを充填しない放電ランプを作製した。具体的には、石英製の発光管１０の発光長が２５０ｍｍ、発光管１０内径が２０ｍｍ、発光管内容積９０ｃｃで、ランプ電力が３ｋＷ、ランプ電圧が３７５Ｖ、ランプ電流が９Ａとなるように作製した。また、発光管内容積あたりに換算した封入原子数について、鉄を（Ｆｅ）、ヨウ素を（Ｉ）、臭素を（Ｂｒ）で表した場合、（Ｆｅ）を５．４×１０^−７（ｍｏｌ／ｃｃ）、（Ｂｒ）を４．５×１０^−７（ｍｏｌ／ｃｃ）、（Ｉ）を６．３×１０^−７（ｍｏｌ／ｃｃ）とした。

（比較例１）
上記実施例１における放電ランプの電極３０に、１．７×１０^−５モルのエミッタ（Ｓｃ_２Ｏ_３）を充填し、その他は、実施例１と同様の放電ランプを作製した。

以上の実施例１及び比較例１の放電ランプに対して、点灯時間に対するＵＶ３５光量維持率の変化を測定したところ、図４に示すように、実施例１は、比較例１に比べて、ＵＶ３５光量維持率の低下を大幅に抑制することができていた。なお、ＵＶ３５光量維持率とは、３５０ｎｍ近辺の紫外線に感度のあるセンサーを用いて測定した紫外線光出力（ＵＶ３５）の対１０時間値比を示す。

このように、電極３０へのエミッタの充填量を従来よりも低減させた方が、臭素とエミッタとの反応が抑制されるため、効果が高いことが分かる。なお、上記実施例１では、電極３０にはエミッタを充填していないが、電子の放出性能を向上させるために、微量のエミッタを充填することは許容される。具体的には、電極３０へのエミッタの充填量を臭素に対してモル比で５％以下という非常に少ない量としても、上記実施例１と同様の効果が得られる。

なお、上記実施形態では、電極３０にエミッタが充填されていることとしたが、電極３０にエミッタが充填されていなくともよい。つまり、上記の「モル比で５％以下」には、エミッタの充填量が０％の場合も含まれる。この場合、図４に示したように、従来の構成に対して顕著な効果を奏することができる。

また、上記実施形態において、電極３０の電極芯３１にもエミッタが充填（塗布）されていてもかまわない。この場合、上記の電極３０へのエミッタの充填量とは、電極芯３１及びコイル３２へのエミッタの充填量となる。なお、コイル３２の場合と同様に、電極芯３１に均等にエミッタが塗布されていてもよいし、電極芯３１の先端部分にはエミッタが塗布されていなくてもよいし、電極芯３１の先端部分よりも基端部分の方が濃度が高くエミッタが塗布されていてもよい。

１ 放電ランプ
１０ 発光管
１１ 本体部
１２ 端部
１３ 中間部
２０ 口金
３０ 電極
３１ 電極芯
３２ コイル
３２ａ 先端部分
３２ｂ 基端部分

Claims (4)

1. 臭素元素が封入された発光管と、
   前記発光管の内方に配置され、エミッタが充填された電極とを備え、
   前記臭素元素よりも、前記エミッタにおける金属元素の原子数と前記金属元素の価数とを乗じた値の方が、原子数比で少ない
   放電ランプ。
2. 前記電極へのエミッタの充填量が、モル比で前記臭素元素の封入量に対して３０％以下である
   請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記エミッタは、前記電極のコイルの先端部分よりも前記コイルの基端部分の方が濃度が高い
   請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記電極のコイルの先端部分には、エミッタが充填されていない
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電ランプ。

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