JP5311296B2 - 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置に関する。更に具体的には、本発明は、複数本（例えば、２本）の発光管を直列に接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置に関する。

最近、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプが、スポーツ施設、競技場の照明等に、ランプを水平に設置した形式（水平点灯）で使用されることが多い。このような高ワットタイプのランプに使用されている大きなサイズの発光管は、アーク長が長くなるため、アークが中心軸線から外れて湾曲して浮上し、セラミック容器を加熱しクラックの原因となるおそれがあった。

また、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、セラミック放電容器に封止する導電性材料の太さを太くしなければならないが、導電性材料が太いと、点灯中の温度により膨張したときに、セラミック放電容器と導電性材料との熱膨張率の差から、クラックが発生するおそれがある。

更に、比較的大きなサイズの発光管は、セラミック容器の製造が比較的困難であり、製造コストが高価になるという欠点もあった。

特開昭６１−２２７３６１号公報「高圧放電ランプ」（公開日：１９８６年１０月９日） 特許文献１には、外球内部に、直列接続された２本の酸化アルミニウム製の発光管を備えた高圧ナトリウム蒸気放電灯に関する記載がある。

特許文献１に倣って、例えば、７００Ｗ用発光管を、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して置き換えるアイデアが生まれた。これにより、アーク浮上の問題、高価な製造コストの問題等は解決される。

しかし、２本のセラミック製発光管を電気的に直列接続したセラミックメタルハライドランプを試作して従来の安定器を用いて点灯したところ、グロー放電からアーク放電に移行せずに、グロー放電のままランプが温度上昇し、消灯してしまうという問題があることが判明した。

従って、本発明は、スムーズに点灯可能な、複数本（例えば、２本）の発光管を直列接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置は、一次入力電圧を入力し、二次電圧を出力する安定器と、電気的に直列接続された複数本の発光管を外球内部に有し、前記安定器からの二次電圧を入力して点灯するランプとを備え、前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２^0.5を満たすものである。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞３^0.5を満たすものであってよい。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、更に、前記安定器からの二次出力電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であってよい。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、更に、前記安定器からの二次出力電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上であり、且つ各発光管のアーク放電移行電圧の総和未満であり、(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であり、且つ各発光管の絶縁破壊電圧の総和未満であってよい。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、前記三角波交流電圧は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax_(三角波)となり、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)となってよい。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、前記三角波は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax_(三角波)であり、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)≦５００Ｖであってよい。

更に、上記セラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記安定器からの二次出力電圧は、三角波交流電圧であってよい。

本発明によれば、スムーズに点灯可能な、複数本（例えば、２本）の発光管を直列接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置を提供することが出来る。

図１は、ＨＩＤランプ内の放電現象を簡単に説明する図である。 図２は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの中心軸線に沿った要部断面図である。 図３は、図２に示すランプに使用される発光管の中心軸線に沿った要部断面図である。 図４は、図３の発光管の特性を示す図表である。 図５は、セラミックメタルハライドランプ照明装置の回路の概略図である。 図６は、安定器二次電圧として検討した各種電圧波形を示す図である。ここで、（Ａ）は矩形波の電圧波形、（Ｂ）は正弦波の電圧波形、（Ｃ）は三角波の電圧波形である。 図７は、図６に示す各電圧波形をパラメータとした、安定器二次電圧の実効値−最大値の特性であり、ここに示した記号丸「○」はアーク放電に移行可、記号バツ「×」はアーク放電に移行不可の実験データを示している。 図８は、安定器二次電圧の波形の他の例である。

以下、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置の実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ符号を付与して、重複した説明を省略する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、本発明の技術的範囲を何等限定するものではないことを承知されたい。

［ＨＩＤランプ内の放電現象］
本発明の理解を容易にするため、最初に、ＨＩＤランプ（高輝度放電ランプ）の発光管内で発生する放電現象を簡単に説明する。ＨＩＤランプは、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等の総称であり、メタルハライドランプの内でセラミックス製発光管を備えたランプをセラミックメタルハライドランプと称している。

ＨＩＤランプに使用される発光管の電極間に印加された交流電圧を徐々に高くすると、或る限界を超えると電極間に強い光が観察される放電現象が生じる。図１は、発光管内の放電現象を簡単に説明する図であり、縦軸に発光管端子電圧Ｖをとり、これに対応する放電電流Ａを横軸にとって、放電の電流−電圧特性を説明する。なお、縦軸の発光管端子電圧Ｖに具体的な数値が記載されてないのは、発光管の定格電力、サイズ、電極間距離、封入ガスの種類及び圧力等により、その数値が異なるからである。

発光管端子電圧を徐々に高くすると、点(ｏ)〜(ａ)の領域は、放電開始前で光は全く発しない暗放電領域である。

点(ａ)を超えることを絶縁破壊という。安定器（図５参照）からランプに対して、ベース電圧（例えば、２００〜３００Ｖ）に対して瞬時的に非常に高圧なパルス電圧（例えば、３．７〜４．５ｋＶ）を重畳して印加し、絶縁破壊を行っている。なお、この高圧パルス電圧は、絶縁破壊後に直ちに終了する。

点(ｂ)〜(ｃ)の領域は、電圧が比較的高く電流が比較的小さなグロー放電領域であり、陰極電極からの２次電子放出のみを放電電流としている。

点(e)以降の領域は、電圧が比較的低く電流が比較的大きなアーク放電領域である。アーク放電維持電圧は、グロー放電維持電圧に比較して、低い電圧である。アーク放電領域では、陰極電極の冷電子放出又は熱電子放出を放電電流としている。ＨＩＤランプは、発光管内の金属電子高圧蒸気中のアーク放電を利用したランプである。

グロー放電からアーク放電に移行するためには、ピーク点(d)（以下、本出願書類では「アーク放電移行電圧」という。）を超える電極間電圧が必要である。従って、上述したグロー放電からアーク放電に移行しなかった問題は、アーク放電移行電圧を超える電圧が電極間に印加されなかったことによる。

なお、この問題は、特許文献１に開示する高圧ナトリウム蒸気放電灯では生じない。これは、セラミックメタルハライドランプに比較して、高圧水銀ランプ及び高圧ナトリウムランプでは、電極にエミッタが塗布されているためグロー放電電圧が比較的低く、これに伴いアーク放電移行電圧が比較的低いためであった。更に、高圧水銀ランプ及び高圧ナトリウムランプに使用されている発光管は石英製発光管である。石英製発光管は、セラミック製発光管に比較して、発光管内に封入された金属ハロゲン化物と反応し易い欠点を有する反面、熱衝撃に対して強固である長所を有するためであった。

［第１実施形態］
（高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ）
第１実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、２本の汎用発光管を使用した例である。

図２は、本実施形態に係る高ワットタイプ（例えば、７００〜１，０００Ｗ）のセラミックメタルハライドランプ１０の中心軸線に沿った要部断面図である。メタルハライドランプ１０は、口金１４を形成した外球１６内に、支柱１８に支持された２本の発光管１２−１，１２−２が、電気的に直列接続されている。支柱１８は、ステム２０に固定されている。外球１６内は、真空に保持されている。なお、図２には示されていないが、外球１６の内部には、安定器（図５参照）から出力される交流電圧に対して、絶縁破壊を行うための高圧パルス電圧を瞬時的に発生して重畳する始動回路（イグナイタ）が備えられている。

図３は、図２に示すランプに使用される発光管１２−１，１２−２の中心軸線に沿った要部断面図である。発光管１２−１，１２−２は、断面で見てほぼ楕円形状に形成された発光部１２ａと、その両端に夫々接合された細管部１２ｂ，１２ｃとが一体成型されている。発光部１２ａはセラミックスから形成され、中央部から細管接合部に向けて徐々に内径が小さくなっている。各細管部１２ｂ，１２ｃには、電極２２ａ、２２ｂが夫々挿入されている。両電極間の間隙が、アーク長Ｌに相当する。

上述したように、発光管は、高ワットタイプ（例えば、７００Ｗ発光管，１，０００Ｗ発光管）になるとサイズが大きくなるため、アーク長が長くなり、アークの浮上が起こり、セラミック容器を加熱しクラックの原因となる。また、大きなサイズのセラミック容器は、製造が比較的困難であり、製造コストが高価になるという欠点がある。これに対して、現在、比較的大量に使用され、従って市場に於いて比較的廉価に入手可能な発光管として、３６０Ｗ発光管があり、次に、２７０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等がある。図２のランプでは、このような汎用発光管を使用している。

図４は、図３の発光管の特性を示す図表である。ここには、汎用３６０Ｗ用発光管として４種類のデータ「３６０Ｗ−１〜４」が示されている。夫々のアーク長Ｌは、１６〜２２ｍｍの範囲にある。これ以降説明するデータは、発光管「３６０Ｗ−４」を使用して行った実験データである。

なお、比較のため、高ワットタイプの７００Ｗ発光管として４種類のデータ「７００Ｗ−１〜４」も添付する。これらのアーク長Ｌは、３９ｍｍと比較的長い。アーク長Ｌが長いため、水平点灯した場合、発光管内のガスの対流によりアークが浮上し大きく湾曲する。

図５は、セラミックメタルハライドランプ照明装置の回路の概略図である。電源２４は、商用交流電源２００Ｖ（特別な場合、１００Ｖ）である。安定器２６は、トランスとチョークコイルを使用して、所定の安定器二次電圧を出力する。

本発明者等は、２本の直列接続の発光管を、グロー放電からアーク放電にスムーズに移行させるために、次の条件を満たすことが必要であるとの結論に達した。図１を参照すると、(a)２本の発光管１２−１，１２−２の両端に印加される端子間電圧が、定常値として、各発光管のグロー放電維持電圧（点ｂ〜ｃ参照）の総和以上あり、(b)瞬時値として、各発光管のアーク放電移行電圧（点ｄ参照）の総和以上あること、である。

なお、２本の発光管１２−１，１２−２の電気的特性が全く同じであれば、安定器２６の二次出力電圧は、各発光管１２−１，１２−２の夫々の端子間電圧は１／２ずつ印加される。現実問題としては、各発光管の電気的特性にはバラツキがある。しかし、端子間電圧が、定常値として、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あれば、グロー放電は維持される。同様に、瞬時値として、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上あれば、必ず、一方の発光管はアーク放電に移行し、アーク放電に移行した発光管は負性抵抗を示し、これに印加される端子電圧は急激に低下する結果、更に大きな電圧が他方の発光管に印加することになり、他方の発光管もアーク放電に移行する。

このため、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上ある、安定器の二次出力電圧の検討を行った。

その結果、安定器の二次出力電圧の波形を変えることにより、この条件を満たすこととしたのである。即ち、通常の安定器の二次出力電圧の波形は、正弦波である。これを、例えば三角波に代えることにより、上記条件を満たしたのである。なお、説明のため、従来の正弦波に加えて、矩形波の例も交えて、三角波の利点を説明する。

図６は、安定器の二次出力電圧として検討した各種電圧波形を示す図である。ここで、（Ａ）は矩形波の電圧波形、（Ｂ）は正弦波の電圧波形、（Ｃ）は三角波の電圧波形である。三角波の場合、その波形には変形がある。波形が、正三角形の場合は、波形の高さｈと底辺ａの比は、ｈ／ａ＝３^0.5である。オシロ波形で時間軸を合わせた場合、正三角形に比べて、高さｈが比較的高い二等辺三角形の場合、ｈ／ａ＞３^0.5となる。正三角形に比べて、高さｈが比較的低い二等辺三角形の場合、ｈ／ａ＜３^0.5となる。本出願書類では、用語「三角波」は、正三角形波及びこのような変形の三角波を含むことを承知されたい。

矩形波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax_(矩形波)＝Ｖeff_(矩形波)となる。正弦波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax_(正弦波)＝２^0.5Ｖeff_(正弦波)＝１．４１４・Ｖeff_(正弦波)となる。これに対して、今回の実験で使用した三角波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax_(三角波)＝１．９４１・Ｖeff_(三角波)であった。

同じ実効値Ｖeff（例えば、２８０Ｖ）の場合、矩形波の最大値は、実効値と同じであり、Ｖmax_(矩形波)＝Ｖeff_(矩形波)＝２８０Ｖとなる。正弦波の最大値は、実効値の１．４１４倍であり、Ｖmax_(正弦波)＝１．４１４・Ｖeff_(正弦波)＝３９６Ｖとなる。これに対して、三角波の最大値は、実効値の１．９４１倍であり、Ｖmax_(三角波)＝１．９１４・Ｖeff_(三角波)＝５４３Ｖとなり、同じ実効値でも最大値が高くなり、比較的高いアーク放電移行電圧を容易に確保できる。

この結果より、従来使用されていた正弦波の最大値／実効値の比率（Ｖmax_(正弦波)／Ｖeff_(正弦波)＝２^0.5）より大きな比率の波形が必要であることが判明した。これが、三番目の条件、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２^0.5を満たすものである。このような波形として、典型的には、二次出力電圧の最大値と実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）が大きな三角波がある。

更に、小形で低出力の安定器とするためには、図１から分かるように、二次出力電圧の最大値Ｖmaxは、絶縁破壊電圧（図１の点ａ）より低くてよい（即ち、Ｖmax＜各発光管の絶縁破壊電圧の総和）。また、二次出力電圧の実効値Ｖeffは、アーク放電移行電圧（図１の点ｄ）より低くてよい（即ち、Ｖeff＜各発光管のアーク放電移行電圧の総和）。

図７は、図６に示す各電圧波形をパラメータとした、安定器二次電圧の実効値−最大値の特性である。ここに、２本の「３６０Ｗ用発光管−４」を使用して、アーク移行の可否の実験結果を表示してある。記号丸「○」はアーク放電に移行可、記号バツ「×」はアーク放電に移行不可の実験データを示している。

図７に示すように、三角波の二次出力電圧では、Ｖeff_(三角波)＝２６０Ｖ，２８０Ｖ，３００Ｖ，３２０，…で、アーク放電移行可が確認された。これに対して、正弦波では、Ｖeff_(正弦波)≧３００Ｖでアーク放電移行可となった。矩形波も同様に、Ｖeff₍矩形波₎≧３００Ｖでアーク放電移行可となった。二次出力電圧が三角波の場合、他の波形と比較して、同じ実効値でも高い最大値が得られ、アーク放電移行が実現できる。これは、比較的小型で、そのため廉価な安定器を使用できることを意味する。

なお、日本国内の法規制「電気設備技術基準」によれば、使用電圧が低圧の電路の電線相互間及び電路と大地との間の要求絶縁抵抗は、３００Ｖ以下とこれを超えるものとでは異なっている。要求絶縁抵抗が高くなると、安定器のコストが高くなり、好ましくない。従って、日本国内に於いては、７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)≦３００Ｖとしてもよい。但し、これは法規制に関する制限事項であり、発明の技術的内容に関する制限事項ではない。

以上、安定器の二次出力電圧の波形が三角波であるとして説明した。しかし、波形は三角波に限定されないことを承知されたい。安定器二次電圧に要求される条件は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２^0.5を満たすものである。図８は、安定器二次電圧の波形の他の例である。例えば、図８に示すような２種類の矩形波を重畳した二次出力電圧であっても、上記条件を満たすことができる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、図示していないが、発光管を３本以上電気的に直列接続した例である。例えば、１，０００Ｗの高ワットタイプのランプの発光管を、３本の汎用３６０Ｗ発光管で置き換えることができる。安定器の二次電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２^0.5を満たすものである。

この場合、汎用の発光管を利用できるメリットがある。反面、ディメリットとして、例えば、３本の３６０Ｗ用発光管のグロー放電維持電圧の総和及びアーク放電移行電圧の総和は、１，０００Ｗ用発光管のグロー放電維持電圧及びアーク放電移行電圧より夫々大きくなるため、それに応じた二次出力電圧が可能な安定器を用意しなければならない。

［第３実施形態］
第３実施形態は、図示していないが、異なる種類の複数本の発光管を電気的に直列接続した例である。例えば、現在、汎用発光管として、２７０Ｗ発光管、３６０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等が入手可能である。例えば、（２７０Ｗ発光管＋３６０Ｗ発光管＋４４０Ｗ発光管）を直列接続して、１，０００Ｗの高ワットタイプのランプを実現してもよい。この場合のメリット及びディメリットは、第２実施形態で説明したのと同様である。

［実施形態の利点・効果］
以上により、本実施形態の利点・効果として、次のことが判明した。

(1) 高ワットタイプのメタルハライドランプの発光管を、複数個の汎用発光管で置き換えることができる。

(2)この場合、複数個の汎用発光管は、２個又は３個以上でよい。

(3) この場合、複数個の汎用発光管は、異なる出力の発光管（例えば、２７０Ｗ発光管、３６０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等）を組み合わせてもよい。

(4)この場合、安定器二次電圧が、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２^0.5を満たすものであれば、ランプのスムーズな点灯が出来る。

(5) 安定器二次電圧として、三角波電圧が好ましい。グロー放電を維持するに必要最小の電圧と、アーク放電移行電圧を容易に確保できるからである。

(6) 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプとして、７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、実験で用いた三角波交流電圧は、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)となる。最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax_(三角波)となる。

［その他］
以上、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態について説明したが、これらは例示であり、本発明の範囲を何等制限するものではない。本実施形態に対して当業者が容易に成し得る追加・削除・変更・改良等は本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添附の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

１０：セラミックメタルハライドランプ、 １２，１２−１，１２−２：発光管、 １２ａ：発光部、 １２ｂ，１２ｃ：細管部、 １４：口金、 １６：外球、 １８：支柱、 ２０：ステム、２２ａ，２２ｂ：電極、 ２４：商用交流電源、 ２６：安定器、 ａ：絶縁破壊電圧、 ｂ〜ｃ：グロー放電領域、 ｄ：アーク放電移行電圧、 ｅ〜：アーク放電領域、

Claims (6)

1. 一次入力電圧を入力し、二次電圧を出力する安定器と、
   前記安定器からの二次電圧を入力して点灯するランプとを備えた高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置であって、
   前記ランプは、外球内部に、高ワットタイプランプ用の発光管に代えて、電気的に直列接続され同時に点灯する複数本の相対的に低出力の発光管を有し、
   前記安定器からの二次電圧は、
   (a) 実効値Ｖeffが、前記相対的に低出力の発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、
   (b) 最大値Ｖmaxが、前記相対的に低出力の発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であり、
   (c) 波形が、前記相対的に低出力の発光管のアーク放電移行電圧と発光管のグロー放電維持電圧との比に基づき、その最大値Ｖmaxと実効値Ｖeffが決定された波形であり、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞３ ^0.5 を満たすものである、照明装置。
2. 請求項１に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置において、更に、
   前記安定器からの二次出力電圧は、
   (a)実効値Ｖeffが、各発光管のアーク放電移行電圧の総和未満であり、
   (b)最大値Ｖmaxが、各発光管の絶縁破壊電圧の総和未満である、照明装置。
3. 請求項１又は２に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
   前記相対的に低出力の発光管は、各々、２７０〜４４０Ｗの発光管から選択された発光管である、照明装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
   前記安定器からの二次出力電圧は、三角波交流電圧である、照明装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
   前記複数本の相対的に低出力の発光管として、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、
   前記三角波交流電圧は、最大値Ｖmaxで表示すると、５００Ｖ≦Ｖ_{max(三角波)}となり、
   実効値Ｖeffで表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)となる、照明装置。
6. 請求項５に記載の高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
   前記三角波交流電圧は、実効値Ｖeffで表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff_(三角波)≦３００Ｖである、照明装置。

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