JPH07192703A

JPH07192703A - 無電極高輝度放電ランプ

Info

Publication number: JPH07192703A
Application number: JP6235805A
Authority: JP
Inventors: Timothy J Sommerer; ティモシー・ジョン・ソマーラー; Hsueh-Rong Chang; シューロン・チャン; Iii Arthur Klein; アーサー・クレイン、ザ・サード; Victor D Roberts; ヴィクトール・デイビッド・ロバーツ; Harald L Witting; ハラルド・ラッドウイグ・ウィッティング; George A Farrall; ジョージ・アルバート・ファーオール
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1995-07-28
Also published as: US5438235A; DE4433040A1

Abstract

(57)【要約】【目的】無電極ＨＩＤランプのアーク放電と誘導コイ
ルとの間の容量性電界結合を減じて、ランプの性能を改
善し、アーク管壁の損傷を低減し、ランプ寿命を伸ば
す。【構成】無電極ＨＩＤランプの誘導コイル１６とアー
ク管１４との間に静電遮蔽体５２が設けられる。一実施
例では、遮蔽体は薄い透明な酸化スズの導電層５６で被
覆された透明なガラス円筒５４で構成される。他の実施
例では、静電遮蔽体はアーク管を取り囲む光透過性の外
側ジャケット１５の内表面または外表面に施した透明ま
たは半透明な酸化スズの導電層６０である。誘導コイル
によって導電層に誘導される電流を最小にするように、
導電層は切れ目６２，６３により不連続になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に、無電極の高輝度
放電（ＨＩＤ）ランプに関するものであり、更に詳しく
はこのようなランプのプラズマアーク放電と誘導コイル
との間の容量性電界結合を小さくすることにより、ラン
プ性能を改善し、アーク管壁の損傷を低減し、ランプの
実用寿命を伸ばすための静電遮蔽体に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高輝度放電ランプの動作では、一般に電
流がガス中を流れることによって生じる励起の際、比較
的高圧の充てん物が可視放射を放出する。ある種類の高
輝度放電ランプには、１種以上のハロゲン化金属と不活
性緩衝ガスとの組み合わせを含む高圧ガス状ランプ充て
ん物の中にソレノイド状電界を形成することによりアー
ク放電を生じる無電極ランプが含まれる。詳しく述べる
と、充てん物が封入されたアーク管を取り囲む誘導コイ
ルの中の無線周波（ＲＦ）電流によってランプ充てん物
が励起され、すなわち放電プラズマが励起される。アー
ク管および誘導コイル組立体は本質的に、ＲＦエネルギ
ーをプラズマに結合する変圧器として動作する。すなわ
ち、誘導コイルは一次コイルとして動作し、プラズマは
単巻の二次コイルとして作用する。誘導コイルのＲＦ電
流は時間とともに変化する磁界を作成し、完全に自閉し
た電界すなわちソレノイド状電界をプラズマの中に発生
する。この電界により電流が流れるので、アーク管内に
ドーナツ形のアーク放電が生じる。

【０００３】無電極ＨＩＤランプの寿命を制限する現象
は、アーク管壁の損傷、特に、アークとコイルとの間の
容量結合された電界が最高となるプラズマアーク放電に
最も近い部分の損傷である。この損傷の多くは、誘導コ
イルとプラズマアーク放電との間の容量性電界内に形成
される繊維状の放電に帰することができる。したがっ
て、誘導コイルとプラズマアーク放電との間の電界強度
を小さくすることにより、ランプの実用寿命を伸ばし、
ランプからの発光出力を改善することが望ましい。

【０００４】

【発明の概要】無電極ＨＩＤランプの誘導コイルとアー
ク管との間に、静電遮蔽体が設けられる。一実施の態様
では、遮蔽体は透明または半透明の薄い導電層で被覆し
た透明なガラスの円筒で構成される。好ましい導電層は
酸化スズで構成される。別の実施の態様では、静電遮蔽
体はアーク管を取り囲む外側の光透過性のジャケットの
内表面または外表面に施した透明または半透明の薄い導
電層（たとえば、酸化スズ層）のコーティングで構成さ
れる。誘導コイルによって中に誘導される電流を最小に
するように、導電層は不連続になっている。導電層はほ
ぼ等電位の面を形成するように充分厚いので、アーク管
およびプラズマ放電が強い電界から遮蔽されて、アーク
管壁の損傷が低減され、ランプの寿命が伸びる。静電遮
蔽体は、好ましくは、アーク管に赤外放射を戻して効率
を高くする赤外反射体としても作用する。本発明の静電
遮蔽体の他の利点としては、色温度がより低くなり、効
率が更に改善され、ヨウ化金属の充てん物を用いるラン
プの中での遊離したヨウ素の生成速度がより低くなり、
アークの安定性が改善されるとともに、管壁の損傷が更
に低減される。

【０００５】本発明の特徴および利点は付図を参照する
本発明の以下の詳細な説明から明らかとなろう。

【０００６】

【詳しい説明】図１は、典型的な無電極ＨＩＤランプ１
０を示す。図示するようにＨＩＤランプ１０はアーク管
１４が含み、アーク管１４は溶融石英のような高温ガラ
ス、または多結晶アルミナのような光に対して透明また
は半透明なセラミックスで形成することが好ましい。通
常、図示するように、光に対して透明なエンベロープ１
５がアーク管１４を取り囲んでいる。これは、アーク管
からの熱損失を小さくし、アーク管を有害な表面の汚染
から保護するためである。誘導コイル１６がアーク管１
４のまわりに、すなわちエンベロープ１５の外側に配置
され、アーク管の中にドーナツ形のアーク放電２０を励
起するための無線周波（ＲＦ）安定器１８に結合されて
いる。ＲＦ安定器１８に対する適当な動作周波数は０．
１から３００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲にあり、典型
的な動作周波数はたとえば６．７８ＭＨｚと１３．５６
ＭＨｚである。

【０００７】例示のため、アーク管１４はほぼ楕円体と
して示してある。しかし、用途によっては、他の形のア
ーク管が望ましいことがある。たとえば、希望する場合
には、アーク管１４は球形であってもよいし、あるいは
へりを丸めた短い円筒すなわち「丸薬容器」の形状であ
ってもよい。適当なアーク管充てん物については、ここ
に引用する米国特許第４，８１０，９３８号に述べられ
ており、そこに記載の充てん物は、白色温度で高効率お
よび良好な演色機能を示す可視放射を発生するように重
量比で組合わされたハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化
セリウムおよびキセノンを含んでいる。たとえば、上記
特許に記載の充てん物の具体例は、等しい重量比のヨウ
化ナトリウムと塩化セリウムを約５００トルの分圧でキ
セノンと組合わせたもので構成されている。別の充てん
物が米国特許第４，９７２，１２０号に説明されてい
る。この特許の充てん物には、ハロゲン化ランタン、ハ
ロゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウムおよび緩衝ガ
スとしてのキセノンまたはクリプトンの組み合わせが含
まれている。たとえば、この特許に記載の充てん物の具
体例はヨウ化ランタン、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セリ
ウム、および２５０トルの分圧のキセノンの組み合わせ
で構成される。ハロゲン化金属充てん物は、例として示
しているに過ぎない。他の種類の充てん物、たとえばナ
トリウムが適当な場合もある。

【０００８】図１に示すように、ＲＦ安定器１８に結合
された誘導コイル１６を介して、ＲＦ安定器１８により
ＲＦ電力がＨＩＤランプに印加される。図１では誘導コ
イル１６は、ここに引用する米国特許第５，０３９，９
０３号に述べられているような構成の２ターンのコイル
で構成されている。このようなコイル構成は非常に効率
が高く、ランプからの光の阻止が最小限となる。この特
許の誘導コイルの全体的な形状はほぼ、左右対称な台形
をその台形と同じ平面内にあるがその台形と交差しない
コイル中心線のまわりに回転させることにより形成され
る表面の形状である。しかし、他の適当なコイル構成、
たとえば米国特許第４，８１２，７０２号に説明されて
いるコイル構成を用いてもよい。詳しく述べると、この
特許に述べられているコイルはコイル中心線の各々の側
がほぼＶ字形の横断面となるように配置された６ターン
を有している。別の適当な誘導コイルは、たとえばソレ
ノイドコイルである。更に別の適当な誘導コイルは、ア
ーク管の少なくとも一部に合致するが、それから間隔を
置いて配置されたらせん形のコイルである。

【０００９】図１に示すように、アーク管１４は細長い
管状の支持物２６によって外側エンベロープ１５の中に
支持される。一実施態様によれば、アーク管壁および管
状支持物はそれぞれ石英で構成される。管状支持物は、
外側エンベロープの上端の領域２７の開口を通って伸
び、その外周でエンベロープの上端に融合されて、真空
密の封止を形成する。外側エンベロープとアーク管との
間の空間２８は、たとえば窒素またはアルゴンのような
不活性ガスで充たすことができる。代案して、空間２８
を真空としてもよい。

【００１０】図１のランプではアーク管１４に対する管
状支持物２６は、ガスプローブ始動装置１２を含む種類
の放電始動補助装置としての役目を果たす。このような
始動補助装置については、ここに引用する米国特許第
５，０９５，２４９号に説明されている。この特許に記
載のようにガスプローブ始動装置は始動小室すなわち管
状支持物２６に結合された始動電極３０を含み、この管
状支持物２６はアーク管１４の外壁に取り付けられ、ガ
スが封入されている。詳しく述べると図示するように、
始動電極３０は始動小室すなわち支持物２６のまわりに
位置しており、それと接触している。しかし、他の適当
な構成（図示しない）として、電極を始動小室の内側ま
たは外側に配置し、しかも始動小室にきわめて接近して
配置するようにしてもよい。

【００１１】始動小室すなわち支持物２６内のガスは、
たとえば圧力が約０．５トルから５００トルの範囲のネ
オン、クリプトン、キセノン、アルゴン、ヘリウムまた
はそれらの混合物のような希ガスで構成することができ
る。圧力の好ましい範囲は約５トルから４０トルであ
る。始動を更に容易にするため、小室２６のガスはアー
ク管充てん物の圧力に比べて比較的低い圧力になってい
ることが好ましい。たとえば、、適当なアーク管充てん
物の圧力は約２００トル、小室２６内のガス圧力は約２
０トルとすることができる。

【００１２】ランプ１０を始動するために、始動回路４
０を介して電極３０に始動電圧が印加される。これによ
り、小室２６内のガスが絶縁破壊すなわち電離するの
で、導電性となる。始動小室内の放電の特性は小室２６
内のガスの圧力に応じてグロー放電またはアーク放電と
表すことができる。上記のガス圧力範囲の下端では、放
電はグローに近く、ガス圧力範囲の上端では放電はアー
クに近くなる。しかし、グロー放電とアーク放電を区別
する一般に認められた定義は無い。たとえば、ニューヨ
ークのアカデミックプレス発行のエム・エヌ・ヒルシお
よびエッチ・ジェー・オスカム編集の「Ｇａｓｅｏｕｓ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」Ｉ巻（１９７８）の１９−
２０頁所載のジョン・エッチ・インゴールド執筆の「直
流および低周波でのグロー放電（ＧｌｏｗＤｉｓｃｈ
ａｒｇｅｓａｔＤＣａｎｄＬｏｗＦｒｅｑｕｅ
ｎｃｉｅｓ）」に述べられているように、一つの定義は
電極に関連する現象に基づくものであり、もう一つの定
義は電子と粒子の温度に基づくものである。

【００１３】始動小室すなわち管状支持物２６内の放電
電流の結果、充分に高い始動電圧がアーク管１４の内表
面に容量結合されるので、その中の高圧ガス状充てん物
が絶縁破壊し、アーク放電２０が開始する。その後、時
間とともに変化する磁界およびそれによって生じるソレ
ノイド状磁界を介してコイル１６の電流によって放電２
０が維持される。

【００１４】本発明によれば無電極ＨＩＤランプには、
プラズマアーク放電と誘導コイルとの間の電界を低減す
るための静電遮蔽体が設けられる。これにより、アーク
管壁の損傷が避けられ、ランプの実用寿命が伸びる。こ
のような静電遮蔽体によって、効率の向上、色温度の低
下、および遊離ヨウ素生成速度の低下という付加的な利
点が得られる。

【００１５】図２は、本発明による誘導コイル１６と放
電２０との間の静電遮蔽体５２を用いる無電極ＨＩＤラ
ンプ５０の分解斜視図である。図２の実施態様では、静
電遮蔽体５２は（たとえば、ガラスで作られた）透明な
円筒５４の内表面に被覆された、高温安定性を示す薄い
透明または半透明な導電層５６で構成される。好ましい
導電層５６は、赤外反射体としての役目も果たす。適例
となる導電層５６は酸化スズで構成される。

【００１６】図示されるように導電層５６は、誘導コイ
ル１６によってその中に誘導される電流を最小限にする
ように不連続とされる。詳しく述べると、図示されるよ
うに導電層５６には、２つの縦の切れ目５７および５８
が形成される。導電層５６は比較的薄いが、ほぼ等電位
面を形成するのには充分な厚さを有する。これにより、
誘導コイルのＲＦ電流によって生じる強い電界から、ア
ーク管およびプラズマ放電が遮蔽される。一実施態様に
よれば、遮蔽体５２は誘導コイル１６と一体にすること
ができる。＜実施例１＞図３および４は、無電極ＨＩＤランプの中
のアーク放電に最も近い領域の写真であり、図３は静電
遮蔽体が無いランプの場合、図４は図２のような静電遮
蔽体があるランプの場合である。この２つのランプには
各々、８ｍｇのＣｓＩ₃／ＰｒＩ₃を１：１のモル比で
添加した。各ランプを内径が３４ｍｍの２ターンの銅の
誘導コイルで動作させた。コイルを３５０ワットで５０
０時間動作させた後、ランプの外側から損傷を見る光学
顕微鏡を使用して図３および４の写真を撮影した。図３
に示すように、静電遮蔽体無しのランプの（赤道領域と
呼ばれる）アーク放電に最も近い領域（赤道領域と呼ば
れる）は、ばら模様のようなパターンを生じていた。こ
れは、石英が不純物を核として凝集する場所でアーク管
壁の失透を示す。都合のよいことに、図４に示すよう
に、本発明による静電遮蔽体を設けたランプの赤道領域
には、このような損傷は無い。

【００１７】本発明の別の実施態様では、図５および６
に示すように、静電遮蔽体は外側ジャケット１５の内表
面上の不連続な酸化スズ層６０で構成することができ
る。代案として、希望する場合には、酸化スズ層を外側
ジャケット１５の外表面に設けてもよい。図２の遮蔽体
５２と同様に、酸化スズ層６０には２つの縦の切れ目６
２および６３を形成して、その中に誘導される電流を最
小限にしている。＜実施例２＞各々、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）および
ヨウ化ネオジム（ＮｄＩ₃）を添加した２つのランプＡ
およびＢを試験した。各ランプは、１９ｍｍ×２６ｍｍ
の楕円体のアーク管、および窒素ガスを充てんした外径
３３ｍｍの外側ジャケットを有する。周知のスプレー熱
分解手法を使用して、厚さが約４μｍの、フッ素を添加
した酸化スズの透明な薄い膜を、ランプＡの外側ジャケ
ットの外表面に形成した。膜の中の方位方向に循環する
電流に結合される電力を減らすように、酸化スズ膜に単
一の狭い縦の切れ目を残した。酸化スズ膜の抵抗率は５
×１０^-2オームｃｍと測定された。各ランプを内径３４
ｍｍの２ターンの銅コイル内に配置して試験を行った。
コイルの電力入力は３５０ワットとした。

【００１８】図７は、ランプＡおよびＢのランプ効率
（可視光出力を誘導コイルの入力電力で割ったもの）を
比較したグラフである。都合のよいことに、静電遮蔽体
付きのランプＡのランプ効率は、同じコイル電力におい
てランプＢよりも約６−７％高かった。図８は、ランプ
ＡおよびＢのアーク効率（可視光出力をアーク入力電力
で割ったもの）を比較したグラフである。静電遮蔽体付
きのランプの場合、アーク効率は約１０．５％だけ改善
された。

【００１９】図９は、ランプ効率の関数として色温度を
示す。遮蔽体付きのランプＡの色温度はランプＢの色温
度より約３００°Ｃだけ低かった。図１０は、ランプＡ
およびＢについてアーク電力の関数として演色評価数
（ＣＲＩ）を示す。アーク電力の関数としてのＣＲＩ
は、酸化スズ層付きのランプでも、酸化スズ層の無いラ
ンプでも同じような値である。たとえば、約３００ワッ
トのコイル電力では、ＣＲＩは６１から６３の範囲にあ
る。しかし、図１１のグラフに示されるように、所与の
ＣＲＩの値におけるランプ効率は、遮蔽体付きランプの
方が著しく高かった。

【００２０】静電遮蔽体を使用するランプで効率が大き
くなる一つの理由は、酸化スズ膜の赤外線反射率が大き
いことである。無電極ＨＩＤランプで使用されるアーク
管は通常、高温で３から１０μｍの範囲の波長の赤外線
を放出する。外側ジャケットを酸化スズで被覆すると、
赤外放射のいくらかがアーク管に反射され、このような
コーティングの無いランプと比べてアーク管壁の温度が
高くなる。ランプ効率は主として、ランプ内の放射種の
蒸気圧力を制御する充てん物の温度によって左右される
ので、赤外放射を反射してアーク管に戻すことにより、
与えられた入力電力でランプ効率が大きくなる。

【００２１】アーク管内に形成される遊離ヨウ素を５１
５ｎｍの波長での吸収分光によって測定した。結果を表
１に示す。１００時間で、遮蔽体付きのランプ（Ａ）で
見出された遊離ヨウ素のレベルは、遮蔽体なしのランプ
（Ｂ）の遊離ヨウ素のレベルより低かった。ランプＢ
は、４３４時間で０．１６のヨウ素吸光度で、アーク不
安定性を示した。同じ動作時間で、ランプＡはまだアー
クが安定であり、ヨウ素レベルはより小さく、０．０９
であった。

【００２２】

【表１】表１ランプ内の遊離ヨウ素レベルの比較ランプ１００時間４３４時間４３４時間後のアークＡ（遮蔽体あり）０．０６０．０９安定Ｂ（遮蔽体なし）０．０８０．１６不安定遊離ヨウ素レベルの低下は、静電遮蔽体による電界の低
下によるものである。詳しく述べると、アークと誘導コ
イルとの間の電界の低下により、アーク管壁への金属
（たとえば、ナトリウム）の拡散速度が低下する。した
がって、アークからのナトリウムの喪失、および遊離ヨ
ウ素の形成が低減される。その結果、アーク管壁の損傷
が更に低減され、ランプの寿命が伸びる。

【００２３】本発明の実施態様を図示し説明してきた
が、このような実施態様が例示のためのものに過ぎない
ことは明らかである。熟練した当業者は本発明を逸脱す
ることなく多数の変形、変更および置換を考えつき得よ
う。したがって、本発明は特許請求の範囲の記載により
定められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的な一例の無電極ＨＩＤランプの断面図で
ある。

【図２】本発明による静電遮蔽体を設けた無電極ＨＩＤ
ランプの分解斜視図である。

【図３】静電遮蔽体が無い場合の無電極ＨＩＤランプの
中のアーク放電に最も近い領域の結晶構造を示す顕微鏡
写真である。

【図４】静電遮蔽体がある場合の無電極ＨＩＤランプの
中のアーク放電に最も近い領域の結晶構造を示す顕微鏡
写真である。

【図５】本発明による静電遮蔽体を設けた無電極ＨＩＤ
ランプの代替実施態様を示す断面図である。

【図６】図５のランプの平面図である。

【図７】本発明による静電遮蔽体を有するランプＡおよ
び静電遮蔽体の無いランプＢのそれぞれについてランプ
効率とコイル電力の関係を示すグラフである。

【図８】ランプＡおよびＢのそれぞれについてアーク効
率とアーク電力の関係を示すグラフである。

【図９】ランプＡおよびＢのそれぞれについて色温度と
ランプ効率の関係を示すグラフである。

【図１０】ランプＡおよびＢのそれぞれについて演色評
価数とアーク電力の関係を示すグラフである。

【図１１】ランプＡおよびＢのそれぞれについて演色評
価数とランプ効率の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１４アーク管１５外側ジャケット１６誘導コイル２０アーク放電５０無電極ＨＩＤランプ５２静電遮蔽体５６導電層５７，５８切れ目６０酸化スズ層６２，６３切れ目

フロントページの続き (72)発明者シューロン・チャンアメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネクタデイ、ヒルサイド・アヴェニュー、４ビー37、1187番 (72)発明者アーサー・クレイン、ザ・サードアメリカ合衆国、ニューヨーク州、ロッテルダム・ジャンクション、リバービュー・ドライブ、1036番 (72)発明者ヴィクトール・デイビッド・ロバーツアメリカ合衆国、ニューヨーク州、バーント・ヒルズ、ギャリソン・ロード、３番 (72)発明者ハラルド・ラッドウイグ・ウィッティングアメリカ合衆国、ニューヨーク州、バーント・ヒルズ、ウエンディ・レーン、11番 (72)発明者ジョージ・アルバート・ファーオールアメリカ合衆国、ニューヨーク州、レックスフォード、ブラフ・ロード、51番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無電極高輝度放電ランプに於いて、充てん物が封入される光透過性のアーク管、上記充てん物内にプラズマアーク放電を励起するために
上記アーク管のまわりに配置された誘導コイル、および
ランプの動作中、上記アーク放電と上記誘導コイルとの
間の電界を最小にするための静電遮蔽体を含むことを特
徴とする無電極高輝度放電ランプ。
【請求項２】上記静電遮蔽体が、誘電体表面上に配置
された透明または半透明な導電層で構成されている請求
項１記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項３】上記導電層内に電流が流れないように、
上記導電層が不連続になっている請求項２記載の無電極
高輝度放電ランプ。
【請求項４】上記導電層が赤外反射体を更に含む請求
項２記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項５】上記導電層が酸化スズで構成されている
請求項４記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項６】上記アーク管が光透過性の外側ジャケッ
トにより囲まれており、上記外側ジャケットが上記アー
ク管と上記誘導コイルとの間に配置されている請求項１
記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項７】上記静電遮蔽体が、上記外側ジャケット
の内表面上の酸化スズ層で構成されている請求項６記載
の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項８】上記静電遮蔽体が、上記外側ジャケット
の外表面上の酸化スズ層で構成されている請求項６記載
の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項９】上記静電遮蔽体が上記誘導コイルと一体
になっている請求項１記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項１０】上記静電遮蔽体が、円筒形の遮蔽体で
構成されている請求項２記載の無電極高輝度放電ラン
プ。
【請求項１１】上記円筒形の遮蔽体がガラスを含む請
求項１０記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項１２】上記導電層が酸化スズで構成されてい
る請求項１１記載の無電極高輝度放電ランプ。
【請求項１３】上記導電層に少なくとも１つの縦の切
れ目が形成されている請求項９記載の無電極高輝度放電
ランプ。
【請求項１４】上記充てん物が少なくとも１種のハロ
ゲン化金属を含む請求項１記載の無電極高輝度放電ラン
プ。