JP4366567B2

JP4366567B2 - 高圧放電灯及びその製造方法

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Publication number: JP4366567B2
Application number: JP2003131552A
Authority: JP
Inventors: 和久西田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: DE102004024211B4; US20050007022A1; US7298089B2; JP2004335348A; DE102004024211A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水銀ガスによるプラズマ放電によって光を放出する高圧放電灯及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在の一般的な高圧放電灯は、石英ガラス製の灯管の中央部に形成された略球状の放電空間内に水銀、ハロゲンガス、不活性ガスが封入されるともに、一対のタングステン製電極が対向状態で配置されている。これら電極は、灯管の両端に設けられた挿入口から挿入されており、それぞれの挿入口は、熱的緩衝材であるスリーブ状のモリブデン箔が被せられた電極の後部によって気密に封止されている。そして、電極にトリガー電圧が印加されると、放電空間内の不活性ガス雰囲気下において両電極間にグロー放電が誘発され、封入されている水銀が気化し、高圧の水銀ガスによるプラズマ放電によって高輝度で演色性の良好な光を放出する。
【０００３】
しかし、従来の高圧放電灯には、高温下の放電によって電極のタングステン（W）が気化して放電空間を形成している管壁の内表面に付着することによって管壁が黒化し、輝度が低下するといった問題があった。そこで現在では、上記のように、放電空間内にハロゲンガスを封入して上記黒化を防止することが一般的となっている。すなわち、放電空間内にハロゲンガスを封入しておくと、高温下において気化したハロゲンガスはハロゲンイオンを生成し、生成されたハロゲンイオンは気化したタングステンと結合し、そのタングステンを比較的低温の電極基部に沈着させるといったハロゲンサイクルを繰返すため、管壁の黒化が防止される。
【０００４】
以上のように、ハロゲンガスは黒化による輝度低下の防止に有効であるが、放電空間内に過剰に存在すると、上記電極やモリブデン箔を侵食し、ガス漏洩や灯管破裂を招く虞がある。そこで、ハロゲンガス濃度の最適化を図り、黒化による輝度低下と、ガス漏洩や灯管破裂とを同時に解決することを目的とした各種技術が開発されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１４９８９９号公報
【特許文献２】
特許第２８２９３３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
今日、高圧放電灯のさらなる小型化、高輝度化が求められており、この要求に応えるためには、入力電力を大きくするか、放電空間内に封入する水銀の量を増やすかのいずれかが必要となる。しかし、入力電力を大きくしたり、水銀の封入量を増やしたりすると、放電灯の電力負荷（熱負荷）は大きくなる。かかる電力負荷は管壁負荷（L）と呼ばれ、L＝Ｐ（放電灯への入力電力：Ｗ）／Ｓ（放電空間を形成している管壁の内表面積：mm²）と表される。一般的に、上記管壁負荷Lが大きくなると、時間当たりの放電灯の劣化（黒化、白化、電極消耗等）が早くなる傾向を示す。劣化の最大の原因は、上記ハロゲンサイクルが正常に機能しなくなることにある。すなわち、放電によって電極から飛び出したタングステン原子のモル数以上のモル数のハロゲンガス原子が放電空間内に存在する場合にハロゲンサイクルは正常に機能する。従って、タングステン原子のモル数に対して、ハロゲンガス原子のモル数が少ないと、一部においてハロゲンサイクルが機能しなくなる（ハロゲンガス原子と結合できないタングステン原子が発生する）。この結果、ハロゲンガス原子と結合できなかったタングステン原子が放電空間を形成している管壁の内表面に付着し、黒化が発生する。さらに、黒化が発生すると、失透（白化）や電極消耗が誘発される。
【０００７】
そこで、本発明は、放電灯の小型化、高輝度化といった要求に十分に応えつつ、黒化を初めとする劣化、ガス漏洩、灯管破裂といった問題を回避可能な高圧放電灯及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
放電灯の冷却条件が同一の場合、管壁負荷の大小に応じて放電空間内の温度も上下する。つまり、管壁負荷Lが大きいほど放電空間を形成している管壁の内表面の温度（以下「管壁温度」）も高くなる。一般的に、管壁温度が250℃を超えると上記ハロゲンサイクルが始まるが、各ハロゲンガスの最適ハロゲン効果は温度依存性を有しており、高温領域では塩素（Ｃｌ）系、低温領域ではヨウ素（Ｉ）系、中間領域では臭素（Ｂｒ）系の各ハロゲンガスが最も効果的であるとされている。また、ハロゲンガスの絶対量が多いほど、ハロゲンサイクルはその効果を発揮する。
【０００９】
本件発明者は、上記ハロゲン効果の温度依存性、およびハロゲンガスの絶対量とハロゲンサイクルとの関係に着目し、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、管壁負荷Lという従来とは全く異なる基準に基づいて、メインとなるハロゲンガス及びその封入量を定めることにより、管壁負荷Lの大小に係らずハロゲンサイクルを可及的に正常に維持可能な本発明を完成させるに至った。
【００１０】
具体的には、本発明の高圧放電灯は、水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置された高圧放電灯において、前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多い主ハロゲンガスとその含有量とが管壁負荷に基づいて定められていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の高圧放電灯の製造方法は、水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置された高圧放電灯を製造するに際して、管壁負荷に基づいて前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多くなる主ハロゲンガスとその含有量を定め、混合ハロゲンガス中の主ハロゲンガスの含有量が前記定められた含有量となる量の主ハロゲンガスを他のハロゲンガスとは別に、又は他のハロゲンガスと共に灯管内に封入することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高圧放電灯の実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態は本発明の好適な具体例であるが、本発明を何ら限定するものではない。
【００１３】
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態である高圧放電灯を示す模式的断面図である。この高圧放電灯は、石英ガラス製の灯管１の中央部に形成された略球状の放電空間１０内に一対の電極２ａ、２ｂが対向して配置されており、放電空間１０を形成している管壁の内表面積Ｓ（mm²）と入力電力Ｐ（W）との関係で規定される管壁負荷L（Ｗ/mm²）が0.8≦Ｌ＜1.0の関係を満たすように、上記内表面積Ｓと入力電力Ｐとが設定されている。
【００１４】
両電極２ａ、２ｂはタングステン製であり、灯管１の両端に設けられた挿入口３ａ、３ｂから灯管１内に挿入されている。両挿入口３ａ、３ｂは、熱的緩衝材としてのスリーブ状のモリブデン箔４が被せられた電極２ａ、２ｂの後部によって気密に封止されている。尚、本実施形態の高圧放電灯は交流高圧放電灯であるので、図１に示す電極２ａ、２ｂは同一形状であるが、直流高圧放電灯の場合は異なる形状となる。
【００１５】
上記のようにして形成された気密状態の放電空間１０内は、酸素（O）の分圧が所定値以下となるまで排気されており、水銀（Hg）、アルゴン（Ar）やキセノン（Xe）などの不活性ガス、及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが封入されている。ここで、管壁負荷Lが上記関係を満たす本実施形態の高圧放電灯では、通常使用時における管壁温度は700℃〜850℃となり、その温度は上記低温領域に属する。そこで、低温領域において良好なハロゲンサイクルを示すヨウ素系ハロゲンガスを含有量が最多となる主ハロゲンガスとして含み、その主ハロゲンガスに比して含有量が少ない補助ハロゲンガスとして臭素系ハロゲンガス及び／又は塩素系ハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが放電空間１０内に封入されている。より具体的には、混合ハロゲンガス中の含有量が１０^-8μmol/mm³〜1０^-6μmol/mm³となる量のヨウ素系ハロゲンガスと、含有量がヨウ素系ハロゲンガスに比べて１桁少なくなる量の臭素系ハロゲンガス及び／又は塩素系ハロゲンガスとを含む混合ハロゲンガスが放電空間１０内に封入されている。
【００１６】
尚、水銀は0.12mg／mm³〜0.25mg／mm³封入されており、不活性ガスはその分圧が6.0×１０^-4P a〜6.0×10^-3Paとなる量が封入されている。
【００１７】
管壁負荷L（Ｗ/mm²）を0.8≦Ｌ＜1.0とし、混合ハロゲンガス中のヨウ素系ハロゲンガスの含有量を１０^-4μmol/mm³〜1０^-9μmol/mm³まで変化させたときの輝度維持率の測定結果を図２に示す。図２のグラフから明らかなように、管壁負荷L（Ｗ/mm²）が0.8≦Ｌ＜1.0であり、主ハロゲンガスとしてのヨウ素系ハロゲンガスの含有量が１０^-8μmol/mm³〜1０^-6μmol/mm³である場合、輝度維持率は常に５０％以上となった。
【００１８】
以上の高圧放電灯は、図３に示す工程に従って製造することができる。
（１）灯管形成工程
所定長の石英ガラス管の長手方向中央部を略球状に成形して灯管１を形成する。
（２）電極組立工程
タングステン製の電極２ａ、２ｂのそれぞれにスリーブ状のモリブデン箔４を被せて電極アセンブリ５ａ、５ｂを製作する。
（３）予備アニーリング工程
灯管１、電極アセンブリ５ａ、５ｂを真空中1800℃において２時間加熱し、予備アニーリングを行う。
（４）電極組込み工程１
電極アセンブリ５ａを灯管１の一方の挿入口３ａに挿入した後に、真空高温下（例えば1600℃）において、所定時間（例えば１０分間）加熱して、挿入口３ａを封止する。
（５）排気工程
他方の挿入口３ｂから、灯管１内の酸素分圧が所定値（例えば2.0×10^-3Pa）となるまで酸素を排気する。
（６）水銀導入工程
挿入口３ｂから灯管１内に、0.12mg／mm³〜0.25mg／mm³の水銀を導入する。
（７）主ハロゲンガス導入工程
挿入口３ｂから灯管１内に、混合ハロゲンガス中の含有量が１０^-8μmol/mm³〜1０^-6μmol/mm³となる量のヨウ素系ハロゲンガスを導入する。この際、設定されている管壁負荷Ｌが大きければ大きいほど、ヨウ素系ハロゲンガスの含有量を上記範囲内で増加させ、管壁負荷Lが小さければ小さいほど、ヨウ素系ハロゲンガスの含有量を上記範囲内で減少させる。
（８）補助ハロゲンガス導入工程
挿入口３ｂから灯管１内に、混合ハロゲンガス中の含有量がヨウ素系ハロゲンガスに比べて１桁少ない所定量となる量の臭素系ハロゲンガス及び／又は塩素系ハロゲンガスを導入する。
（９）不活性ガス導入工程
挿入口３ｂから灯管１内に、分圧が6.0×10^-3Pa〜6.0×１０^-4Paとなる量の不活性ガスを導入する。
（１０）電極組込み工程２
電極アセンブリ５ｂを挿入口３ｂに挿入した後に、真空高温下（例えば1600℃）において、所定時間（例えば１０分間）加熱して、挿入口３ｂを封止し、放電空間１０を形成する。
【００１９】
上記排気工程以降の工程は、排気後の酸素分圧を維持しつつ実行する。また、前工程で導入された水銀やガスが挿入口３ｂから漏れないようにしつつ、次のガスを導入する。水銀導入工程、主ハロゲンガス導入工程、補助ハロゲンガス導入工程、不活性ガス導入工程の順序は相互に入れ替えることができる。また、主ハロゲンガス、補助ハロゲンガス、及び不活性ガスの一部又は全部を予め混合しておき、または同時に灯管内に導入して、１又は２以上の工程を省略することもできる。
【００２０】
（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態である高圧放電灯について説明する。この高圧放電灯は、第一実施形態である上記高圧放電灯と基本的構成を共通にするので、異なる点についてのみ説明する。
【００２１】
本実施形態の高圧放電灯では、管壁負荷L（Ｗ/mm²）が1.0≦Ｌ＜1.2の関係を満たすように、放電空間を形成している管壁の内表面積Ｓと入力電力Ｐとが設定されている。このため、通常使用時における管壁温度は850℃〜1000℃となり、その温度は上記中間領域に属する。そこで、中間領域において良好なハロゲンサイクルを示す臭素系ハロゲンガスを主ハロゲンガスとして含み、ヨウ素ハロゲンガス及び／又は塩素系ハロゲンガスを補助ハロゲンガスとして含む混合ハロゲンガスが放電空間に封入されている。より具体的には、混合ハロゲンガス中の含有量が１０^-7μmol/mm³〜1０^-5μmol/mm³となる量の臭素系ハロゲンガスと、含有量が臭素系ハロゲンガスに比べて１桁少なくなる量のヨウ素ハロゲンガス及び／又は塩素系ハロゲンガスとを含む混合ハロゲンガスが放電空間内に封入されている。
【００２２】
以上の高圧放電灯は、灯管内に導入するハロゲンガスの種類および量を上記の通りに変更すれば、第一実施形態に示した製造方法と実質的に同一の製造方法によって製造することができる。
【００２３】
管壁負荷L（Ｗ/mm²）を1.0≦Ｌ＜1.2とし、混合ハロゲンガス中の臭素系ハロゲンガスの含有量を１０^-3μmol/mm³〜1０^-8μmol/mm⁹まで変化させたときの輝度維持率の測定結果を図４に示す。図４のグラフから明らかなように、管壁負荷L（Ｗ/mm²）が1.0≦Ｌ＜1.2であり、主ハロゲンガスとしての臭素系ハロゲンガスの含有量が１０^-7μmol/mm³〜1０^-5μmol/mm³である場合、輝度維持率は常に５０％以上となった。
【００２４】
（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態である高圧放電灯について説明する。この高圧放電灯は、第一実施形態である上記高圧放電灯と基本的構成を共通にするので、異なる点についてのみ説明する。
【００２５】
本実施形態の高圧放電灯では、管壁負荷L（Ｗ/mm²）が1.2≦Ｌ≦1.4の関係を満たすように、放電空間を形成している管壁の内表面積Ｓと入力電力Ｐとが設定されている。このため、通常使用時における管壁温度は1000℃〜1150℃となり、その温度は上記高温領域に属する。そこで、高温領域において良好なハロゲンサイクルを示す塩素系ハロゲンガスを主ハロゲンガスとして含み、ヨウ素ハロゲンガス及び／又は臭素系ハロゲンガスを補助ハロゲンガスとして含む混合ハロゲンガスが放電空間内に封入されている。より具体的には、混合ハロゲンガス中の含有量が１０^-6μmol/mm³〜1０^-4μmol/mm³となる量の塩素系ハロゲンガスと、含有量が塩素系ハロゲンガスに比べて１桁少なくなる量のヨウ素ハロゲンガス及び／又は臭素系ハロゲンガスとを含む混合ハロゲンガスが放電空間内に封入されている。
【００２６】
以上の高圧放電灯は、灯管内に導入するハロゲンガスの種類および量を上記の通りに変更すれば、第一実施形態に示した製造方法と実質的に同一の製造方法によって製造することができる。
【００２７】
管壁負荷L（Ｗ/mm²）を1.2≦Ｌ≦1.4とし、混合ハロゲンガス中の塩素系ハロゲンガスの含有量を１０^-3μmol/mm³〜1０^-8μmol/mm³まで変化させたときの輝度維持率の測定結果を図５に示す。図５のグラフから明らかなように、管壁負荷L（Ｗ/mm²）が1.2≦Ｌ≦1.4であり、主ハロゲンガスとしての塩素系ハロゲンガスの含有量が１０^-6μmol/mm³〜1０^-4μmol/mm³である場合、輝度維持率は常に５０％以上となった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の高圧放電灯及びその製造は、水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置された高圧放電灯において、前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多い主ハロゲンガスとその含有量とが管壁負荷に基づいて定められることを特徴とする。従って、入力電力や水銀の封入量の増加によって管壁負荷Lが増大し、これに伴って管壁温度が上昇しても、それぞれの管壁負荷条件（管壁温度条件）において最も効果を発揮するハロゲンガスを主ハロゲンガスとする混合ハロゲンガスが最適量で封入されているため、ハロゲンサイクルは可及的に正常に維持される。この結果、放電灯の小型化、高輝度化の要求に応えつつ、灯管の黒化を初めとする各種劣化、ガス漏洩、灯管破裂等の問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高圧放電灯の実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】管壁負荷Lを0.8≦Ｌ＜1.0とし、混合ハロゲンガス中のヨウ素系ハロゲンガスの含有量を１０^-4μmol/mm³〜1０^-9μmol/mm³まで変化させたときの輝度維持率を示す図である。
【図３】本発明の高圧放電灯の製造工程図である。
【図４】管壁負荷Lを1.0≦Ｌ＜1.2とし、混合ハロゲンガス中の臭素系ハロゲンガスの含有量を１０^-3μmol/mm³〜1０^-8μmol/mm⁹まで変化させたときの輝度維持率を示す図である。
【図５】管壁負荷Lを1.2≦Ｌ≦1.4とし、混合ハロゲンガス中の塩素系ハロゲンガスの含有量を１０^-3μmol/mm³〜1０^-8μmol/mm³まで変化させたときの輝度維持率を示す図。
【符号の説明】
１灯管
２ａ電極
２ｂ電極
３ａ挿入口
３ｂ挿入口
４モリブデン箔
５ａ電極アセンブリ
５ｂ電極アセンブリ
１０放電空間

Claims

水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置され、前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多い主ハロゲンガス及びその含有量が管壁負荷に基づいて定められている高圧放電灯であって、
前記混合ハロゲンガスには、ヨウ素系ハロゲンガス、臭素系ハロゲンガス及び塩素系ハロゲンガスが一つ又は二つ以上含まれ、
管壁負荷Ｌ（Ｗ／ｍｍ²）が０．８≦Ｌ＜１．０であって、前記ヨウ素系ハロゲンガスが前記主ハロゲンガスとされ、前記混合ハロゲンガス中の前記ヨウ素系ハロゲンガスの含有量が１０^-8μｍｏｌ／ｍｍ³〜１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³である高圧放電灯。
水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置され、前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多い主ハロゲンガス及びその含有量が管壁負荷に基づいて定められている高圧放電灯であって、
前記混合ハロゲンガスには、ヨウ素系ハロゲンガス、臭素系ハロゲンガス及び塩素系ハロゲンガスが一つ又は二つ以上含まれ、
管壁負荷Ｌ（Ｗ／ｍｍ²）が１．０≦Ｌ＜１．２であって、前記臭素系ハロゲンガスが前記主ハロゲンガスとされ、前記混合ハロゲンガス中の前記臭素系ハロゲンガスの含有量が１０^-7μｍｏｌ／ｍｍ³〜１０^-5μｍｏｌ／ｍｍ³である高圧放電灯。
水銀、不活性ガス及び二種以上のハロゲンガスを含む混合ハロゲンガスが少なくとも封入された石英ガラス製の灯管内に、少なくとも一対の電極が対向状態で配置され、前記混合ハロゲンガス中の含有量が最も多い主ハロゲンガス及びその含有量が管壁負荷に基づいて定められている高圧放電灯であって、
前記混合ハロゲンガスには、ヨウ素系ハロゲンガス、臭素系ハロゲンガス及び塩素系ハロゲンガスが一つ又は二つ以上含まれ、
管壁負荷Ｌ（Ｗ／ｍｍ²）が１．２≦Ｌ≦１．４であって、前記塩素系ハロゲンガスが前記主ハロゲンガスとされ、前記混合ハロゲンガス中の前記塩素系ハロゲンガスの含有量が１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³〜１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³である高圧放電灯。