JPH06111769A

JPH06111769A - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JPH06111769A
Application number: JP4256287A
Authority: JP
Inventors: Koji Kawai; 浩司河合; Shigeki Ishihara; 繁樹石原; Naoki Masuda; 直樹増田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1994-04-22
Also published as: EP0670588A1; EP0670588B1

Abstract

(57)【要約】【目的】放電管の管壁黒化を防止し、長寿命のメタル
ハライドランプを提供することを目的とする。【構成】本発明によれば、タングステンを母材とする
１対の対向電極（２，３）を有する石英製放電管（１）
の内部に、不活性ガス、水銀、少なくとも１種の希土類
金属、臭素及びヨウ素が封入されたメタルハライドラン
プにおいて、放電時に電極から放出されたタングステン
をヨウ素を主とするハロゲンにより捕捉するよう、臭素
及びヨウ素の総量を希土類金属に対して過剰としたこと
を特徴とする。遊離したタングステンをヨウ素で捕捉す
ることで、放電管の構成成分である二酸化ケイ素とタン
グステンとの間の反応が防止され、管壁黒化が防止され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はメタルハライドランプに
関し、特に、放電管内に封入される封入物に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】メタルハライドランプは、水銀蒸気放電
管内に金属ハロゲン化物を封入することで、発光効率と
演色性を向上させたランプであり、一般照明用として広
く使用されている。従来一般のメタルハライドランプ
は、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス、スカンジウム
（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セ
リウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジウム
（Ｎｄ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈ
ｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）等の希土
類金属（以下、これらを総称して記号「Ｌｎ」で表す）
の少なくとも１種のハロゲン化物（ＬｎＸ₂，Ｌｎ
Ｘ₃：「Ｘ」は臭素（Ｂｒ）又はヨウ素（Ｉ）であ
る）、水銀（Ｈｇ）、及び、ナトリウム（Ｎａ）、リチ
ウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属（以
下、これらを総称して記号「ＮＡ」で表す）のヨウ化物
（ＮＡＩ）を、石英製の放電管内に封入して構成されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のメタルハライド
ランプにおいては、スパッタリングにより電極の母材で
あるタングステン（Ｗ）が遊離し、この遊離タングステ
ンが放電管の構成成分である二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）
と反応して放電管の内壁面に付着し、短期間で管壁黒化
を生じるという問題があった。管壁黒化は発光効率や光
束維持率を低下させ、光束維持率が７０％程度まで低下
すると、実用上不適当なものとなる。

【０００４】かかる問題に対しては、希土類金属に対し
て過剰量の臭素を放電管内に封入するという解決手段が
提案されている（特開昭５５−３２３３８号公報）。こ
の手段は、放電中に過剰の臭素とタングステンとを反応
させて化合物（ＷＢｒ₂，ＷＢｒ₃）を作ることで、放
電管の二酸化ケイ素とタングステンの反応を抑制しよう
とするものである。しかしながら、臭素は水銀とも反応
するため、フリーのタングステンが残り、これが放電管
の内壁面に付着する可能性がある。よって、臭素を過剰
に添加するという手段によっても、放電管は比較的短期
間で黒化してしまうという問題がある。

【０００５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、管壁黒化を防止して、長寿命のメ
タルハライドランプを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、タングステンを母材とする１対の対向電
極を有する石英製又はセラミックス製の放電管の内部
に、不活性ガス、水銀、少なくとも１種の希土類金属、
臭素及びヨウ素が封入されたメタルハライドランプにお
いて、放電時に電極から放出されたタングステンをヨウ
素を主とするハロゲンにより捕捉するよう、臭素及びヨ
ウ素の総量を希土類金属に対して過剰としたことを特徴
としている。

【０００７】ここで、「過剰」とは、臭素及びヨウ素と
全希土類金属とを反応させた場合に反応しない臭素又は
ヨウ素が存在することをいうものとする。

【０００８】

【作用】図１は本発明の作用を概念的に示したものであ
る。この概念図におけるメタルハライドランプは、石英
製の放電管１の内部に、アルゴンガス、希土類金属の臭
化物（ＬｎＢｒ₂，ＬｎＢｒ₃）、水銀、ヨウ化水銀
（ＨｇＩ₂）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を封入したも
のとする。この封入元素をみると、臭素及びヨウ素は希
土類金属に対しては過剰に封入されていることが判る。

【０００９】このような環境下で、タングステンを母材
とする１対の対向電極２，３間でアーク放電を開始する
と、電極２，３近傍の高温域（２０００℃以上）では封
入元素はすべて電離状態となる。また、電極２，３の構
成元素であるタングステンもスパッタリングにより放出
され、電離状態となる。

【００１０】次に、中温域（１０００〜２０００℃）で
は、臭素又はヨウ素とセシウム、及び、臭素又はヨウ素
と希土類金属とが再結合し、水銀及びタングステンは原
子状態となる。また、希土類金属及びセシウムと再結合
しなかった過剰の臭素及びヨウ素も原子状態となる。こ
こで、臭素の反応性はヨウ素よりも大きいため、臭素が
先にセシウム、希土類金属と結合する。よって、この中
温域では、原子状態のハロゲンの大部分はヨウ素と考え
られる。

【００１１】更に、放電管の管壁付近の低温域（８００
〜１０００℃）では、タングステンはヨウ素と結合す
る。ヨウ素は臭素と異なり、Ｈｇとは結合してもすぐに
分解してしまうため、遊離しているタングステンとヨウ
素とが量的に過不足ない場合、すべてのタングステンは
ヨウ素を主とするハロゲンにより捕捉される。よって、
タングステンが放電管の構成元素である二酸化ケイ素と
反応することはない。この後、低温域で生成された物質
は、熱対流により矢印で示す循環サイクルに入る。

【００１２】低温域で生成されるヨウ化タングステン
（ＷＩ₂，ＷＩ₃，ＷＩ₄）及び希土類金属のハロゲン
化物（ＬｎＸ₂，ＬｎＸ₃）は、管壁の二酸化ケイ素と
反応を生じるが、極めて微小な反応であるため、実用上
不適当な管壁黒化に至るまでには長期間を要する。この
ように、臭素とヨウ素を希土類金属に対して過剰に封入
することで、遊離したタングステンをヨウ素で捕捉して
ハロゲンサイクルにのせることができるので、管壁黒化
の抑制効果は非常に高いものとなる。

【００１３】上記の「過剰」なる条件をモル数の関係式
で示すならば次の通りとなる。

【００１４】〔Ｍ（Ｂｒ）＋Ｍ（Ｉ）〕／Ｍ（Ｌｎ）＞３（１）（式中、Ｍ（Ｂｒ）は臭素原子のモル数、Ｍ（Ｉ）はヨ
ウ素原子のモル数、Ｍ（Ｌｎ）は希土類金属原子のモル
数である）となる。

【００１５】ここで、封入元素としてセシウム等のアル
カリ金属が含まれている場合、アルカリ金属は希土類金
属よりも臭素又はヨウ素と結合し易いため、予めアルカ
リ金属のモル数を省いておく必要がある。従って、アル
カリ金属を含む場合、上記式は次のように書き換えるこ
とができる。

【００１６】〔Ｍ（Ｂｒ）＋Ｍ（Ｉ）−Ｍ（ＮＡ）〕／Ｍ（Ｌｎ）＞３（２）（式中、Ｍ（ＮＡ）はアルカリ金属原子のモル数であ
る）ところで、希土類金属の臭素、ヨウ素のハロゲン化
物（ＬｎＢｒ_aＩ_b）は、化学量的に２価又は３価のハ
ロゲン化物を作ることが知られているため、２≦ａ＋ｂ
≦３になることは明らかである。従って、Ｍ（Ｂｒ）／
Ｍ（Ｌｎ）＜１、即ちａ＜１とすると、希土類金属のハ
ロゲン化物の化学的性質はＬｎＩ₂又はＬｎＩ₃に近く
なる。

【００１７】図２は、臭素を全く添加せず、ヨウ素のみ
を過剰に放電管内に封入した場合の概念図であるが、低
温域では、ヨウ素は、希土類金属、セシウム、タングス
テンとそれぞれ結合する。しかし、希土類金属のヨウ化
物の結合性は、希土類金属の臭化物のそれに比べて小さ
いため、放電管の二酸化ケイ素との置換反応が多くな
る。よって、希土類金属が放電管の内壁面に付着し、臭
素を含む場合に比して寿命が短くなる傾向がある。従っ
て、管壁黒化を防止するためには、Ｍ（Ｂｒ）／Ｍ（Ｌｎ）≧１（３）の関係を満たすことが条件となるが、その上限について
は、種々の実験結果から「３」が好ましい。即ち、３≧Ｍ（Ｂｒ）／Ｍ（Ｌｎ）≧１（４) となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１９】本発明の実施例では、長径２５ｍｍ、短径
２１ｍｍ、内容積３．２ｃｃ、電極間距離７ｍｍのラグ
ビーボール状球体の石英製放電管を用いることとし、始
動補助用不活性ガスとしてアルゴンガスが５０〜３００
ｔｏｒｒ（６．６５〜３９．９ｋＰａ）の圧力で封入さ
れた。また、電極はタングステンを母材とするものであ
る。また、ランプのちらつきを防止するために、セシウ
ムが封入された。

【００２０】下記の表１には、希土類金属（Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｔｍ，Ｎｄ，Ｅｒ）、アルカリ金属（Ｃｓ）、ハロ
ゲン（Ｉ，Ｂｒ）、水銀（Ｈｇ）が上記の式（３）、式
（６）を満たす形で放電管内に封入された実施例１〜９
が示されている。これらの実施例１〜９では、希土類金
属及びアルカリ金属はヨウ化物、臭化物として封入した
が、金属単体で封入しても良い。また、ヨウ素及び臭素
はヨウ素ガス、臭素ガスの形で封入しても良い。

【００２１】尚、表において、電気特性は初期値を示
し、光束維持率は、オーバーヘッドプロジェクタに各実
施例のメタルハライドランプを搭載して投射した場合
に、所定時間経過後のスクリーン中心部の光束の初期値
に対する割合をいうものとする。また、判定結果は、４
８時間経過時に光束維持率が７０％以上であれば△、５
００時間経過時に７０％以上であれば〇、５００時間以
上経過後に光束維持率が８０％以上であれば◎とした。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１に示すように、実施例１〜９はいずれ
の場合も光束維持率が長時間にわたり高い値で保たれ、
管壁黒化が防止されていることが判る。特に、希土類金
属（ディスプロシウム、ホルミウム、ツリウム）を１
０．７５×１０^-6モル、セシウムを０．５１×１０^-6モ
ル、ヨウ素を３２．７６×１０^-6モル、臭素を２７．７
５×１０^-6モル封入した実施例１の場合、１０００時間
を越えても光束維持率は９１％を維持し、１６３０時間
経過後でも光束維持率が８５％という極めて優秀な結果
が得られた。

【００２４】次の表２は、従来技術によるメタルハライ
ドランプの性能を示す比較例である。

【００２５】

【表２】

【００２６】この表２の比較例１は、ヨウ素を封入せ
ず、臭素のみを希土類金属に対して過剰に封入した場合
である。これは特開昭５５−３２３３８号公報に示され
た手段に相当するものであり、３００時間経過後に光束
維持率が７０％あり、比較的良好な結果が得られてい
る。しかしながら、本発明の実施例１に見られるような
顕著な効果を得るには至っていない。

【００２７】また、比較例２，３は臭素を封入せずに実
験を行ったもので、従来一般のメタルハライドランプの
場合である。また、比較例４は、ヨウ素と共に臭素も封
入したメタルハライドランプであるが、そのモル数の関
係が上記の式を満たしていない。これらの比較例２〜４
では、４８時間経過後に光束維持率が７０％を下回り、
早期に管壁黒化が生ずることが判る。

【００２８】表１及び表２を比較すると、本発明による
メタルハライドランプの性能が飛躍的に向上しているこ
とが理解されよう。図３は、本発明の実施例１と従来例
である比較例２との寿命データを示すグラフであるが、
この図から本発明の優秀性が明確に認識できる。

【００２９】上記実施例ではハロゲンとしてヨウ素及び
臭素のみをランプ内に封入している。しかし、ハロゲン
元素であるフッ素（Ｆ）及び塩素（Ｃｌ）は臭素と同様
な性質を持つため、フッ素若しくは塩素、又は、フッ素
及び塩素を臭素に代えて用いても良く、或いは、臭素と
共に用いても良い。また、石英製放電管に替えてセラミ
ックス製放電管（主に透光性アルミナ管）でも同様な効
果が認められた。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、メタル
ハライドランプの管壁黒化が長期にわたり防止され、そ
の寿命が大幅に延びる、という顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるメタルハライドランプの作用を示
す概念図である。

【図２】ハロゲンとしてヨウ素のみ封入したメタルハラ
イドランプの作用を示す概念図である。

【図３】本発明によるメタルハライドランプと従来のメ
タルハライドランプの寿命試験の結果を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…放電管、２，３…電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タングステンを母材とする１対の対向電
極を有する石英製又はセラミックス製の放電管の内部
に、不活性ガス、水銀、少なくとも１種の希土類金属、
臭素及びヨウ素が封入されたメタルハライドランプにお
いて、放電時に前記電極から放出されたタングステンを
ヨウ素を主とするハロゲンにより捕捉するよう、臭素及
びヨウ素の総量を希土類金属に対して過剰としたことを
特徴とするメタルハライドランプ。
【請求項２】臭素、ヨウ素及び希土類金属の関係が、３≧Ｍ（Ｂｒ）／Ｍ（Ｌｎ）≧１〔Ｍ（Ｂｒ）＋Ｍ（Ｉ）〕／Ｍ（Ｌｎ）＞３（式中、Ｍ（Ｂｒ）は臭素原子のモル数、Ｍ（Ｉ）はヨ
ウ素原子のモル数、Ｍ（Ｌｎ）は希土類金属原子のモル
数である。）を満足することを特徴とする請求項１記載
のメタルハライドランプ。
【請求項３】放電管内に少なくとも１種のアルカリ金
属が封入されている場合に、臭素、ヨウ素、希土類金属
及びアルカリ金属の関係が、３≧Ｍ（Ｂｒ）／Ｍ（Ｌｎ）≧１〔Ｍ（Ｂｒ）＋Ｍ（Ｉ）−Ｍ（ＮＡ）〕／Ｍ（Ｌｎ）＞
３（式中、Ｍ（Ｂｒ）は臭素原子のモル数、Ｍ（Ｉ）はヨ
ウ素原子のモル数、Ｍ（ＮＡ）はアルカリ金属原子のモ
ル数、Ｍ（Ｌｎ）は希土類金属原子のモル数である。）
を満足することを特徴とする請求項１記載のメタルハラ
イドランプ。
【請求項４】フッ素及び／又は塩素を臭素に代えて、
或いは、臭素と共に放電管内に封入したことを特徴とす
る請求項１記載のメタルハライドランプ。