JPH0630244B2 - 高圧放電灯 - Google Patents

高圧放電灯

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JPH0630244B2
JPH0630244B2 JP60281721A JP28172185A JPH0630244B2 JP H0630244 B2 JPH0630244 B2 JP H0630244B2 JP 60281721 A JP60281721 A JP 60281721A JP 28172185 A JP28172185 A JP 28172185A JP H0630244 B2 JPH0630244 B2 JP H0630244B2
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arc tube
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成伍 和田
淳典 岡田
彰一 森井
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Matsushita Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、高圧放電ランプを高周波点灯する高圧放電灯
に関する。
(背景技術) 第1図は従来の高圧放電ランプの一例を示し、石英ガラ
ス等で形成された発光管1の両端には電極2a,2bが
対向して配設され、該両電極2a,2bは封止部3a,
3bに封入されたモリブデン箔等の金属箔4a,4bに
接続されている。金属箔4a,4bは発光管1の支持も
兼ねる支持導線5a,5bに接続されており、発光管1
は固定治具6a,6bを介して支持導線5a,5bに固
定されている。支持導線5a,5bは口金7を介して外
部回路に接続される。また、発光管1内には希ガス及び
発光物質が適量封入されており、発光管1を被う外管8
内にはガスが封入され、外管8の内面には螢光体9が塗
布されている。
かかる従来の高圧放電ランプを高周波電源で点灯する
と、発光効率が向上すると共に、点灯回路の電子化によ
る安定器の小型・軽量化、低損失化が図れるという利点
がある。しかし、一方では発光管内の音速と発光管形状
で決定される特定の周波数で音響的共鳴現象が発生し、
アーク柱の湾曲、揺らぎ、立ち消え、発光管の破壊等が
発生するといった欠点がある。
安定に点灯するためには、高圧放電ランプが安定に点灯
する周波数域を選択して点灯(例えば特開昭54−91
971号公報参照)すれば良いが、安定に点灯する周波
数域はランプの種類によって異なり、また、同一種類の
ランプに対しても、ランプ個体間にばらつきが有るた
め、特定の周波数を設定するのは困難であった。
また、 100KHz以上の周波数での高周波点灯、直流点灯
(例えば特開昭57−61295号公報参照)、矩形波
点灯(例えば特開昭57−61294号公報参照)ある
いは周波数変調方式で高周波点灯する(例えば特開昭5
6−48095)等により音響的共鳴現象を回避する方
法が提案されているが、かかる点灯方法においては、回
路構成の複雑化や放射電波雑音の発生等の問題がある。
(発明の目的) 本発明は、上記欠点を除去するために成されたもので、
その目的とするところは、高周波点灯時に、音響的共鳴
現象による不安定なアークが発光管に発生しない高圧放
電灯を提供するにある。
(発明の開示) 本発明は、管端部形状が電極封止端(管端頂部)から発
光管中央部に向かって広がりを持つ曲面部を有するよう
に形成された発光管を持つ高圧放電ランプを、あるいは
電極封止端(管端頂部)が発光管中心軸上から外れた所
に位置するように形成された発光管を持つ高圧放電ラン
プを、周波数変調方式で高周波点灯することにより、点
灯時に発生する音響的共鳴現象を回避したことを特徴と
する。
まず、音響的共鳴現象について説明する。音響的共鳴現
象は、発光管形状と封入物質で決まる固有振動数と、入
力電力の時間変化による発光管内の圧力変動とが一致し
た時に定在波が立つために生じる共鳴現象である。
発光管を円筒形状と仮定し、円筒座標系(r,θ,z)
を考える。なお、rは径方向、θは周方向、zは軸方向
の座標を表す。かかる場合、上記各方向に対する共鳴現
象の基本周波数Fr,Fθ,Fzは、次のようになる。
r方向共鳴:Fr=3.83C/(2πR) θ方向共鳴:Fθ=1.84C/(2πR) z方向共鳴:Fz=C/(2L) ただし Lは発光管長。
Rは発光管の半径。
Cは発光管内の音速であり、管内封入物と管内温度で決
まる。
γ=定圧比熱/定積比熱 P=気体定数 T=発光管内温度 M=封入物質の平均原子量 そして、この基本周波数の整数倍の周波数で共鳴現象が
発生する。音響的共鳴現象が発生すると、共鳴現象によ
って生じた力が、アーク柱自体が有する安定放電を持続
させようとする力に打ち勝って、アーク柱が変形する。
そこで、本発明者らは種々の発光管形状を持つ高圧放電
ランプを試作し、これらのランプを種々の高周波点灯方
式で点灯することにより、音響的共鳴現象発生の有無を
検討したところ、以下のことが判明した。
一般に、高周波点灯をするときには、可聴周波数領域を
避けて点灯する。また、 100KHz以上の周波数で点灯す
ると放射電波雑音が発生して問題となる。そこで、点灯
方式として20KHz以下及び 100KHz以上の周波数を含ま
ない領域で周波数変調方式により点灯したところ、発光
管形状を特定すれば音響的共鳴現象の回避に有効である
ことが判明した。第2図はかかる実験に用いた高圧放電
灯点灯装置の一例を示す回路図で、図中DCは直流電
源、FMは周波数変調信号発生装置、SWはスイッチン
グ素子、Zは限流要素、LAは高圧放電ランプ、COは
コンデンサである。
次に、種々の発光管形状を持つ 250Wの高圧放電ランプ
を上記点灯方式で点灯したところ、発光管の管軸方向端
部(以下、管端部という)の形状が音響的共鳴現象と大
きな関係があることが判明した。すなわち、管端部形状
が略平坦であれば、音響的共鳴現象は回避できることが
判明した(特願昭59−265052号)。
更に、管端部形状に注目して種々検討を重ねた結果、管
端部形状が電極封止端から発光管中央部に向かって広が
りを持つ曲面部を有するように形成された発光管を持つ
高圧放電ランプを、あるいは電極封止端が発光管中心軸
上から外れた所に位置するように形成された発光管を持
つ高圧放電ランプを、周波数変調方式で高周波点灯する
と音響的共鳴現象の回避効果が著しいことが判明した。
本発明は上記発見に基づいてなされたもので、以下、本
発明を実施例に基づき更に詳細に説明する。
種々の発光管形状の中で、製造上、最も容易な円筒形状
であって、管端部の形状、寸法を種々変化させた各種の
高圧放電ランプによる実験結果を第3図および第4図に
比較して示す。なお、第3図および第4図において横軸
は点灯周波数の中心周波数[KHz]であり、縦軸は周波
数変調幅[KHz]である。また、×印は音響的共鳴現象
が生じた場合、○印は音響的共鳴現象が生じなかった場
合を示す。
第3図(a)は従来例に係るもので、管端部形状が略球状
で、曲面部寸法Lr(第5図(a)参照)が約11mmの
場合である。同図より従来例では、音響的共鳴現象を回
避することは殆どできないことがわかる。第3図(b)は
管端部形状が略球状で、曲面部寸法Lrが従来例の略
半分の6mmであり、より平坦な形状に近づいている。こ
の場合には、音響的共鳴現象を回避する領域が、従来例
の略2倍にまで広がっており、管端部形状を平坦に近づ
けることの効果が現れている。次に、第4図(a)〜(c)に
示すものは、曲面部付法Lr(第5図(b)参照)を変
化させた場合の実験結果である。曲面部寸法Lrはそ
れぞれ、(a):0mm,(b):6mm,(c):9mmである。こ
こで、同図中(b)に示すものは、曲面部寸法が第3図(b)
に示す場合と同様6mmであるが、管端部形状が球状では
なく、電極封止端から発光管中央部に向かって広がりを
持つ曲面部を有するような形状、例えば、喇叭形状にし
たものである。この場合、音響的共鳴現象を回避する領
域が更に広がり、殆ど全領域で回避できることがわか
る。
また、第4図より明らかなように、中心周波数30KHz〜
60KHz、周波数変調幅0KHz〜10KHzの領域において、
管端部の曲面部寸法の差による音響的共鳴現象の回避効
果に大きな差があることが判る。
そこで、これらの関係を曲面部寸法と音響的共鳴現象発
生領域(以下、不安定領域と称す)との関係でみると、
第6図に示すようになる。すなわち、横軸に曲面部寸法
/管内径をとり、縦軸に不安定領域の割合(中心周波数
30KHz〜60KHz、周波数変調幅0KHz〜10KHzの領域に
おける不安定領域の割合)をとる。なお、第6図に示す
×印(不安定領域の割合が略100%の位置の)は、第
3図(a)に示す従来例に係るものである。
ここで、ランプ個体間のばらつき、回路定数のばらつき
を考慮し、音響的共鳴現象回避のための限界を、不安定
領域の割合で50%(望ましくは40%)とすると、第
6図より明らかなように、曲面部寸法/管内径の限界は
「0以上」、望ましくは「0.07以上」となる。
なお、第5図(a)は第3図で用いた発光管の形状、寸法
を示すものであり、第5図(b)は第4図で用いた発光管
の形状、寸法を示すものである。寸法はそれぞれ下記の
通りである。
管内径D:15mm 曲面部寸法Lr 第3図(a)に示すもの:11mm 第3図(b)に示すもの:6mm 曲面部寸法Lr 第4図(a)に示すもの:0mm 第4図(b)に示すもの:6mm 第4図(c)に示すもの:9mm 電極間距離Lp:55mm 次に、電極封止端から発光管中央部に向かって広がりを
持つ曲面は、発光管の全周に存在する必要はなく、第7
図に示すように一部であってもよい。かかる形状であっ
て、管内径D=18mm、曲面部寸法Lr=11mm、電
極間距離Lp=35mmなる発光管を具備した高圧放電ラ
ンプを点灯した結果を第8図に示す。かかる場合、不安
定領域の割合は46%であった。
また、電極封止端から発光管中央部に向かう曲線の広が
りは、必ずしも第5図(b)に示すように凹状である必要
はなく、第9図(a)、(b)に示すように凹状と凸状の組合
せであってもよい。
なお、上記実験結果は高圧放電ランプを垂直点灯した場
合のデータであるが、一般に、水平点灯の場合には、ア
ークに働く浮力がアーク安定化の力として働くので、音
響的共鳴現象によるアークの変形は、垂直点灯の場合よ
りも発生し難く、従って、本発明は点灯方向(垂直、水
平、傾斜)に関わりなく効果があるものである。実際
に、前記第8図に示す垂直点灯の場合の実験において使
用した高圧放電ランプを水平点灯すると第10図に示す
結果となり、不安定領域の割合は36%にまで減少す
る。
また、本発明によれば、管端部の曲面部寸法をより長く
とることが可能となるので、管内封入物質の蒸発を充分
に促進するのに有利となり、特に、管内に水銀、希ガス
と同時に金属ハロゲン化物を封入したメタルハライドラ
ンプの場合に有利となる。
次に、上述のことを 250W以下の小型の高圧放電ランプ
に適用したところ、 250Wの場合と同様に、発光管の管
端部形状を、電極封止端から発光管中央部に向かって広
がりを持つ曲面部を有するように形成することにより、
音響的共鳴現象を回避し得ることが明らかになった。
一般に、 250W以下の小型高圧放電ランプにおいては、
封入発光物質の蒸発を促進するために、管壁負荷を大き
くすると共に、管端部を高温にするために、発光管形状
は第11図に示すように球状あるいは楕円形状に構成され
ている。しかしながら、上記のような管端部断面形状が
球状に形成された高圧放電ランプを高周波点灯すると、
音響的共鳴現象の発生が盛んになる。これを回避するた
めには、前記管端部曲面部寸法を3mm±2mmに制限しな
ければならず、小型高圧放電ランプの場合には管端部を
高温に保つことが困難になり、封入発光物質の蒸発が不
十分になるために、発光効率が低下したり、発光色にむ
らができる等の欠点があった。
そこで、第12図に示すように、管端部形状を電極封止端
から発光端中央部に向かって広がりを持つ曲面部を有す
るように形成すると、音響的共鳴現象を回避するために
許容される管端部の前記曲面部寸法は0mm以上であれば
よく、自由に長くとることが可能となり、管端部温度を
高温に保ち、発光効率を低下させることなく、また発光
色むらを発生することなく音響的共鳴現象を回避するこ
とが可能になった。
なお、電極の挿入位置は必ずしも管端部でなくてもよ
く、例えば、第13図に示すように発光管中央部に挿入位
置をもつ、いわゆるシングルエンド型であってもよい。
次に、第2の発明について説明する。
第14図(a)に示すものは本発明に係るもので、前記第3
図〜第13図に示す発光管の管端部形状が、発光管中心軸
上に電極封止端(管端頂部)が位置している形状である
のに対して、電極封止端(管端頂部)は発光管中心軸上
から外れた所に位置するように形成され、しかも、曲面
部寸法Lr(第15図(a)参照)は前記第3図(a)と同様
6mmとしたものである。この場合には、音響的共鳴現象
を回避する領域が更に広がっていることがわかる。
更に、第14図(b)に示すものは曲面部寸法が9mmの場合
であるが、同様の効果がある。
本発明における電極封止端の発光管中心軸上からの偏在
の仕方は、第16図(a)〜(c)に示すように3通り考えられ
る。上記第14図(a)、(c)に示すものは第16図(b)の場合
に相当する。そこで、異なる実施例として、第16図(a)
に相当し曲面部寸法Lr(第15図(b)参照)が9mmの
場合の実験結果を第17図に示す。同図より第14図(a)、
(b)とほぼ同等の効果を奏することがわかる。
従って、電極封止端の発光管中心軸上からの偏在の仕方
にかかわらず、偏在しておれば音響的共鳴現象の防止効
果があると言える。
なお、電極封止端と発光管とを結ぶ面は、曲面形成であ
っても第16図(d)、(e)に示すように直面形成(偏心した
円錐状)であってもよく、偏在さえしておればよい。ま
た、管端部先端は尖っている必要はなく、第16図(e)、
(f)に示すように平坦であってもよい。
更に異なる実施例として、一方の管端部形状が本発明の
形状で、他方の管端部形状が従来例と同様に球状である
場合について考える。第18図はこのような発光管形状の
ランプを垂直点灯した場合の実験結果である。第18図
(a)に示すものは本発明の管端部形状を下端にした場
合、第18図(b)に示すものは球状管端部を下端にした場
合であり、曲面部寸法Lr(第15図(c)参照)は6mm
である。同図より明らかなように、垂直点灯の場合に
は、少なくとも下端が本発明に係る形状であれば音響的
共鳴現象の防止効果があると言える。また、本発明にお
いても前記第1の発明と同様、点灯方向(垂直、水平、
傾斜)に関わりなく効果があると言える。
なお、第15図(a)は第14図(a)および第14図(b)で用いた
ものであり、第15図(b)は第17図で用いたものであり、
第15図(c)は第18図で用いたものである。
寸法はそれぞれ下記の通りである。
管内径D:15mm 曲面部寸法Lr 第14図(a)に示すもの:6mm 第14図(b)に示すもの:9mm 第17図に示すもの:9mm 第18図に示すもの:6mm 電極間距離Lp:55mm 次に、上述のことを 250W以下の小型の高圧放電ランプ
に適用したところ、 250Wの場合と同様に、発光管の管
端部形状を、電極封止端が発光管中心軸から外れた所に
位置するように形成することにより、音響的共鳴現象を
回避し得ることが明らかになった。
そこで、第19図および第20図に示すように、発光管の管
端部形状を、電極封止端が発光管中心軸上から外れた所
に位置するような形状に構成すると、管端部の前記曲面
部寸法を長くとれるので、管端部温度を高温に保ち、発
光効率を低下させることなく、また発光色むらを発生す
ることなく音響的共鳴現象を回避することが可能になっ
た。
なお、本発明においても第1の発明と同様に、管端部に
曲面部寸法をより長くとることが可能となるので、管内
封入物質の蒸発を充分に促進するのに有利となり、特
に、管内に水銀、希ガスと同時に金属ハロゲン化物を封
入したメタルハライドランプの場合に有利となる。
次に、点灯動作時の水銀蒸気密度、アーク柱電界強度お
よびアーク柱内の単位体積当りの消費電力について検討
したところ、それぞれの値を所定値以下に制限すること
が、音響的共鳴現象の回避により有効であることが判明
した。
まず、点灯動作時の水銀蒸気密度について述べる。音響
的共鳴現象は、電界により加速されたイオンが中性原子
に衝突することにより圧力変動が発生し、発光管の共鳴
周波数と圧力変動の周波数が一致した時、定在波が発生
するために生じる現象である。従って、電界、イオン密
度、中性原子密度、イオン質量、中性原子量が大きいほ
ど発生しやすくなる。高圧放電ランプの場合、中性原
子、イオンとも水銀が主体となる。
そこで、点灯時のランプ電圧は同一に保ちながら、点灯
動作時の水銀蒸気密度が変化するような高圧放電ランプ
を試作し、周波数変調型の高周波点灯を行い、音響的共
鳴現象の発生領域を検討した。その結果を第21図に示
す。同図より明らかなように、水銀蒸気密度が大きくな
るほど音響的共鳴現象の発生領域が広くなる。そこで、
前述と同様の方法で、点灯動作時の水銀蒸気密度と不安
定領域の割合をプロットすると第22図に示すようにな
る。ここで、前記同様、音響的共鳴現象回避のための限
界を、不安定領域の割合で50%とすると、動作時の水
銀蒸気密度は7.5mg/cm3以下であればよい。なお、
実験に用いた発光管の形状は、前記第5図(b)と同様の
もので、それぞれの寸法は下記の通りである。
管内径D:15mm 曲面部寸法Lr:6mm 電極間距離Lp 第21図(a)に示すもの:80mm 第21図(b)に示すもの:60mm 第21図(c)に示すもの:40mm 第21図(d)に示すもの:20mm なお、点灯動作時の水銀蒸気密度は第21図(a)、(b)、
(c)、(d)に対応して、それぞれ1.95mg/cm3、2.83mg/c
m3、4.56mg/cm3、13.30mg/cm3であり、また、不安定
領域の割合はそれぞれ、1%,13%,29%,100
%である。
次に、点灯時のランプ電圧は同一に保ちながら、点灯動
作時のアーク柱電界強度が変化するような高圧放電ラン
プを試作し、周波数変調型の高周波点灯を行い、音響的
共鳴現象の発生領域を検討した。なお、実験に用いた発
光管の形状、寸法は、前記点灯動作時の水銀蒸気密度を
検討したものと同じであり、その結果も第21図と同じで
あるので省略する。第21図より明らかなように、アーク
柱電界強度が大きくなるほど音響的共鳴現象の発生領域
が広くなる。そこで、前述と同様の方法で、点灯動作時
のアーク柱電界強度と不安定領域の割合をプロットする
と第23図に示すようになる。ここで、前記同様、音響的
共鳴現象回避のための限界を、不安定領域の割合で50
%とすると、動作時のアーク柱電界強度は40V/cm以
下であればよい。
なお、点灯動作時のアーク柱電界強度は第21図(a)、
(b)、(c)、(d)に対応して、それぞれ13.3V/cm、18.8
V/cm、25.3V/cm、67.0V/cmである。但し、アーク
柱電界強度は(ランプ電圧[V]−20[V])/電極
間距離[cm]で表現するものとする。
更に、点灯動作中のアーク柱内の単位体積当りの消費電
力について説明する。発光管の管端部形状を相似形に保
ちながら、点灯動作時のアーク柱内の単位体積当りの消
費電力をが変化するような高圧放電ランプを試作し、周
波数変調型の高周波点灯を行い、音響的共鳴現象の発生
領域を検討した。その結果を第24図に示す。同図より明
らかなように、アーク柱内の単位体積当りの消費電力が
大きくなるほど音響的共鳴現象の発生領域が広くなる。
そこで、前述と同様の方法で、点灯動作時のアーク柱内
の単位体積当りの消費電力と不安定領域の割合をプロッ
トすると第25図に示すようになる。ここで、前記同様、
音響的共鳴現象回避のための限界を、不安定領域の割合
で50%とすると、動作時のアーク柱内の単位体積当り
の消費電力は350W/cm3以下であればよい。なお、
実験に用いた発光管の形状は、前記第5図(b)と同様の
ものであり、それぞれの寸法は下記の通りである。
管内径:D、曲面部寸法:Lr、電極間距離:Lpと
すると (a):D=18mm Lr=6mm Lp=75mm (b):D=15mm Lr=6mm Lp=55mm (c):D=14mm Lr=6mm Lp=24mm なお、点灯動作時のアーク柱内の単位体積当りの消費電
力は第24図(a)、(b)、(c)に対応して、それぞれ109
W/cm3、180W/cm3、382W/cm3であり、ま
た、不安定領域の割合はそれぞれ、2%,13%,,1
00%である。
(発明の効果) 本発明は上記のように、管端部形状が電極封止端から発
光管中央部に向かって広がりを持つ曲面部を有するよう
に形成された発光管を持つ高圧放電ランプを、あるいは
電極封止端が発光管中心軸上から外れた所に位置するよ
うに形成された発光管を持つ高圧放電ランプを、周波数
変調方式で高周波点灯することにより、音響的共鳴現象
を回避することが可能となり、アーク柱の湾曲、揺ら
ぎ、立ち消え、発光管の破壊等が防止でき、安定した点
灯を維持することができる高圧放電灯を提供できた。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の高圧放電ランプを示す正面図、第2図は
本発明に用いる周波数変調点灯装置の一例を示す回路
図、第3図(a),(b)は従来例に係る実験結果を示す図、
第4図(a)〜(c)はそれぞれ本発明に係る実験結果を示す
図、第5図(a),(b)は上記実験に用いた発光管の形状、
寸法を示す正面図、第6図は上記実験結果に基づいて作
成した曲面部寸法/管内径に対する不安定領域の割合を
示す図、第7図(a)は本発明に係る異なる形状の発光管
を示す正面図、第7図(b)は同上A−A′線断面図、第
8図は第7図に示す発光管に係る実験結果を示す図、第
9図(a)、(b)はそれぞれ本発明に係る異なる形状の発光
管を示す正面図、第10図は本発明に係る実験結果を示す
図、第11図は従来の小型高圧放電ランプに係る発光管の
断面図、第12図および第13図はそれぞれ本発明の小型高
圧放電ランプに係る発光管の断面図、第14図(a),(b)は
第2の発明に係る実験結果を示す図、第15図(a)〜(c)は
上記実験に用いた発光管の形状、寸法を示す正面図、第
16図(a)〜(f)は上記実験に用いた発光管の形状を示す
図、第17図および第18図(a),(b)は第2の発明の異なる
実施例に係る実験結果を示す図、第19図および第20図は
それぞれ第2の発明の小型高圧放電ランプに係る発光管
の断面図、第21図は更に異なる実施例に係る実験結果を
示す図、第22図および第23図はそれぞれ上記実験結果に
基づいて作成した不安定領域の割合を示す図、第24図は
更に異なる実施例に係る実験結果を示す図、第25図上記
実験結果に基づいて作成した不安定領域の割合を示す図
である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】管端部形状が電極封止端から発光管中央部
    に向かって広がりを持つ曲面部を有するように形成され
    た発光管を持つ高圧放電ランプを、周波数変調方式で高
    周波点灯したことを特徴とする高圧放電灯。
  2. 【請求項2】前記発光管の曲面部寸法を管内径で除した
    値が0以上である特許請求の範囲第1項記載の高圧放電
    灯。
  3. 【請求項3】水銀蒸気密度が 7.5mg/cm3以下に維持さ
    れる発光管を備えた特許請求の範囲第1項記載の高圧放
    電灯。
  4. 【請求項4】アーク柱電界強度が40V/cm以下に維持
    される発光管を備えた特許請求の範囲第1項記載の高圧
    放電灯。
  5. 【請求項5】アーク柱単位体積当りの消費電力が350
    W/cm3以下に維持される発光管を備えた特許請求の範
    囲第1項記載の高圧放電灯。
  6. 【請求項6】電極封止端が発光管中心軸から外れた所に
    位置するような管端部形状を有するように形成された発
    光管を持つ高圧放電ランプを、周波数変調方式で高周波
    点灯したことを特徴とする高圧放電灯。
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JPS568470A (en) * 1979-06-30 1981-01-28 Pentel Kk Aqueous ink
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