JPH10172515A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】始動性が良く、外管を使用しない単管式の放電
ランプを提供する。 【解決手段】内部に一対の電極２ａ，２ｂが配置される
発光管１を透光性を有するアルミナ、イットリア、イッ
トリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ジル
コニアなどの透光性セラミックスで成形し、発光管端部
の封止部３を耐酸化性構造でシールし、発光管１内にネ
オンおよびアルゴンなどの他の希ガスを封入し、発光管
１の外表面最高温度が１２００℃以下になるように点灯
する。また、必要に応じて発光管１内に水素を封入す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧水銀ランプや
メタルハライドランプなどの放電ランプに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】高圧水銀ランプやメタルハライドランプ
などの放電ランプにおいては、石英ガラス製の発光管内
に、水銀とバッファーガスが封入されるが、バッファー
ガスとして一般的にアルゴンガスが使用されている。こ
のアルゴンガスは、水銀蒸気とともにペニング効果によ
って始動性を改善する働きがある。しかし、寒冷地など
において始動時に低温になると、水銀の蒸気圧が低くな
るため、十分なペニング効果が得られず、始動性が低下
する。

【０００３】一方、ペニング効果を有する希ガスとして
は、アルゴン以外に、ネオン・アルゴンやネオン・ヘリ
ウムなどの混合ガスが知られており、これらの混合ガス
は、アルゴンよりも優れたペニング効果を発揮する。こ
のため、寒冷地仕様の放電ランプなどにおいては、バッ
ファーガスとしてこれらの混合ガスが使用することが試
みられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ネオンやヘ
リウムは、アルゴンよりも発光管を透過するガス透過率
が高い。つまり、点灯時にネオンやヘリウムは、原子半
径が小さいために、高温になった石英ガラス製の発光管
の管壁内を拡散で通過してしまう。従って、発光管内の
ネオンやヘリウムは短時間で外部に逃散してしまう。例
えば、石英ガラス製の発光管の外表面最高温度が９５０
℃の場合、ネオンガスの圧力は点灯１００時間以内に初
期の圧力の０．５以下になり、ランプ寿命が著しく短く
なる。

【０００５】このため、発光管を外管で覆った二重管式
の放電ランプが実用化されている。この二重管式の放電
ランプは、発光管と外管の間にもネオンガスが封入され
ており、発光管の外側のネオンガスの圧力によって発光
管内のネオンガスが発光管を透過して逃散するのを抑制
するものである。しかし、二重管式の放電ランプは構造
が複雑で大型になるので、小型化や低コスト化の要請に
大きく逆行するものである。また、放電ランプをスポッ
ト照明や光ファイバーを用いた照明系などの光源ランプ
に使用するときは、発光部の大きさをできるだけ小さく
することが要求されるので、二重管式の放電ランプは極
めて不適である。

【０００６】そこで本発明は、始動性が良く、外管を使
用しない単管式の放電ランプを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、内部に一対の電極が配置され
る発光管を透光性セラミックスで成形し、発光管端部の
封止部を耐酸化性構造でシールし、発光管内にネオンお
よび他の希ガスを封入し、発光管の外表面最高温度が１
２００℃以下になるように点灯する。

【０００８】かかる放電ランプは、バッファーガスとし
て、ネオンおよび他の希ガス、例えばネオンとアルゴン
やネオンとヘリウムの混合ガスを使用するので、優れた
ペニング効果を得ることができ、始動性が良好である。
そして、発光管を、透光性を有するアルミナ、イットリ
ア、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡ
Ｇ）、ジルコニアなどの透光性セラミックスで成形する
が、かかる透光性セラミックスは、石英ガラスに比べて
高温強度が強くて密度が高い。このため、点灯時におい
て、ネオンやヘリウムは、原子半径が小さいにもかかわ
らず透光性セラミックスからなる発光管の管壁内を移動
しにくい利点を有する。例えば、透光性アルミナからな
る発光管の場合は、発光管の外表面最高温度が約１２５
０℃以内であれば、点灯１００時間におけるネオンガス
の圧力は、初期の圧力の０．８以上であり、大部分のネ
オンガスが残留していることが分かった。また、透光性
を有するイットリア、イットリウム・アルミニウム・ガ
ーネット、ジルコニアなどの透光性セラミックスで発光
管を成形した場合も、発光管の外表面最高温度が約１２
００℃以内であれば、大部分のネオンガスが残留するこ
とが分かった。従って、発光管の外表面最高温度が１２
００℃以下になるように点灯することによって、発光管
を外管で覆う二重管式にする必要がなく、単管式であっ
てもネオンガスの逃散を防止することができ、優れた始
動性を確保することができる。

【０００９】電極棒の端部を透光性セラミックス製の発
光管の端部に封止する封止部は、耐酸化性構造でシール
する必要がある。電極棒の端部に接続される封止部材
は、膨張係数がセラミックスに近く、シール材であるフ
リットガラスと良く濡れる特性を有するニオブ線やタン
タル線が用いられるが、ニオブやタンタルは大気中では
約３００Ｋで急速に酸化される。このため、電極棒の端
部に接続されたニオブ線やタンタル線の外側に白金合金
やサーメット、ニッケル・クロム合金、鉄クロム合金、
モリブデン、タングステン、白金被覆モリブデンなどの
耐酸化性のある材料からなるリード線を接続し、ニオブ
線やタンタル線をフリットガラスで完全に覆い、酸化し
ないようにする。そして、耐酸化性のある材料からなる
リード線がフリットガラスから外部に延び出すようにす
る。

【００１０】次に、請求項２の発明のように、発光管内
に封入されたイオン化物の蒸気圧を決める最冷点位置の
発光管外表面の温度を発光管外表面の最高温度の３００
Ｋ以内の温度にすると、安定したＵＶ放射変換効率が得
られる。ここで、このＵＶ放射変換効率は、ランプ入力
エネルギーに対する３５０ｎｍ〜４００ｎｍ放射エネル
ギーの比を言うが、この測定方法は、３５０ｎｍ〜４０
０ｎｍに感度を持った放射照度計を用いて一定距離にお
ける放射照度を測定し、更に当該ランプの配光分布を測
定して３５０ｎｍ〜４００ｎｍの全放射エネルギーを計
算し、この値とランプ入力エネルギーに対する比を求め
る。

【００１１】最冷点位置の発光管外表面の温度と発光管
外表面の最高温度の差が大きいと、点灯中のＵＶ放射変
換効率の変動が大きくなり、点灯時間の経過とともにＵ
Ｖ放射変換効率が大きく低下し、必要なＵＶ放射変換効
率が得られなくなる。これは、イオン化物を封入した場
合、この温度差が大きいと、熱平衡状態からずれが大き
くなり、イオン化物の蒸気圧を実質的に支配するイオン
化物凝集相の存在する場所が移動し、特定の波長を放射
する相対的な効率が低下するためと推測されるが、ＵＶ
放射変換効率の最大値が約２．４％の放電ランプの場
合、温度差が２００Ｋの場合は１．５％のＵＶ放射変換
効率を確保できるが、３００Ｋの場合は１．２％、つま
り上限値の約１／２になることが分かった。このため、
安定したＵＶ放射変換効率を得るためには、最冷点位置
の発光管外表面の温度を発光管外表面の最高温度の３０
０Ｋ以内の温度にする必要がある。

【００１２】バッファーガスとしてネオンとアルゴンの
混合ガスを使用するとき、その混合比によってランプの
始動性、つまり始動電圧が変化するが、請求項３の発明
のように、ネオンとアルゴンの混合ガスに対するアルゴ
ンのモル比が０．０１〜８％であれば、始動電圧を１０
０％アルゴンの場合に比べて１０％以上低下させること
ができる。

【００１３】次に、請求項４の発明のように、発光管内
に水素ガスを封入すると放射効率が上昇する。しかし一
方で、水素ガスを封入すると一般的に始動電圧が上昇す
る問題点がある。バッファーガスに１００％アルゴンを
使用するランプでは、始動電圧が約４００Ｖの場合、ア
ルゴンに対して水素ガスを１％添加すると、始動電圧は
約１０００Ｖに上昇してしまい、始動性が著しく悪化す
る。しかし、バッファーガスとしてモル比で９９％ネオ
ンと１％アルゴンの混合ガスを使用するときは、この混
合ガスに対して水素ガスを１％添加しても、始動電圧の
上昇巾は、例えば７０Ｖ（１６３Ｖ→２３１Ｖ）程度で
あり、ネオンとアルゴンの混合ガスを使用する場合は、
水素ガスを封入しても始動電圧が上昇することはほとん
ど問題にならないことが分かった。つまり、ネオンとア
ルゴンの混合モル比の範囲を適正に定めると、発光管内
に水素ガスを封入することにより、ほとんど始動性を悪
化させることなく、放射効率を上昇させることができ
る。

【００１４】請求項５の発明のように、水素のモル比を
０．０１〜３０％にすれば放射効率を５％以上上昇する
ことができる。しかし、始動性を悪化させないために、
ネオンに対するアルゴンのモル比を０．１〜８％にする
必要がある。

【００１５】ここで、水素はイオン半径が小さいので、
高温になった発光管の管壁を移動して外部に逃散し易
い。この水素の透過性は透光性セラミックスの種類によ
って大きく異なるので、水素の逃散を防止できる最高温
度を一律に定めることはできないが、請求項６の発明の
ように、点灯時の発光管外表面の最高温度が、１００時
間点灯後の発光管内の水素の圧力の、１時間点灯後の水
素の圧力に対する比が、０．８より大きくなる温度以下
で点灯することにより、ランプの寿命時間にわたり水素
の逃散を防止することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る交流点灯さ
れる放電ランプの封止部のシール構造の一実施例を示
す。内部に一対の電極２ａ，２ｂが対向配置された発光
管１は、透光性セラミックスにて、球形や楕円球形に成
形される。発光管１は外管で覆われておらず、単管式で
ある。透光性セラミックスとしては、アルミナ、イット
リア、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡ
Ｇ）、ジルコニアなどを挙げることができる。そして、
発光管１の両端に封止部３が一体に連設される。なお、
交流点灯される放電ランプは左右対称であるので、図１
においては、シール構造は片側のみを示す。また、直流
点灯する放電ランプであっても良いことは勿論のことで
ある。

【００１７】電極２ａ，２ｂの端部にニオブ線６が接続
され、ニオブ線６の端部に白金合金からなる外部リード
線７が接続されている。封止部３の端部はフリットガラ
ス８でシールされるが、酸化され易いニオブ線６はフリ
ットガラス８て完全に覆われており、耐酸化シール構造
になっている。そして、外部リード線７がフリットガラ
ス８から延び出している。また、電極２ａ，２ｂと封止
部内壁面４の間にアルミナセラミックス材５が充填され
ている。

【００１８】下記のとおり、かかる耐酸化シール構造を
有するランプ１、ランプ２、ランプ３の３種類の放電ラ
ンプを製作し、実際に点灯して各特性値を測定した。

【００１９】 〔ランプ１〕 発光管 材質 透光性多結晶アルミナ 外径４．２ｍｍ、 内容積０．０２５ｃｃ 電極 直径０．３ｍｍのタングステン棒、 発光長２．０ｍｍ 封入物 水銀・セシウム合金（重量比１０：１）ペレット１．０ｍｇ ヨウ化水銀ペレット ０．２５ｍｇ ヨウ化セシウムペレット １．５ｍｇ ヨウ化ガドリニウム ０．２５ｍｇ 封入ガス ネオン９９．１％−アルゴン０．９％の混合ガス ２０ｋＰａ ランプ電流 ０．５Ａ、 ランプ電圧 ５０Ｖ、 消費電力 ２５Ｗ

【００２０】かかるランプ１は、超高圧水銀ランプであ
り、これを交流電力で水平点灯したところ、１時間点灯
後の発光管外表面の最高温度は約９３０℃であり、イオ
ン化物の蒸気圧を決める最冷点位置の発光管外表面の温
度は約７７０℃であった。また、１時間点灯後のＵＶ放
射変換効率は約２．１％であった。ランプ寿命は約１０
００時間であるが、ＵＶ放射変換効率は、時間経過と共
に変動し、ＵＶ放射変換効率の範囲は、１．７〜２．４
％であった。初期のネオン分圧に対する１時間点灯後の
ネオンの分圧の割合は、１００％であり、寿命終了後の
ネオン分圧は９０％であった。

【００２１】次に、ランプ１をベースにしてのネオンと
アルゴンの混合ガス中のアルゴンの量を変化させたラン
プを製作して始動電圧を測定した。その結果を図２に示
すが、これから分かるように、始動電圧は、アルゴンの
モル比が０．１％まで低下し、それ以降は徐々に上昇
し、１０％を越えると急速に上昇する。そして、アルゴ
ンのモル比を０．０１〜８％にすれば始動電圧は約３６
０Ｖ以下になる。一方、１００％アルゴンの場合は、始
動電圧は約４００Ｖであるので、アルゴンのモル比を
０．０１〜８％にすれば始動電圧を約１０％低下するこ
とができる。更には、アルゴンのモル比を０．０３〜１
％にすれば始動電圧を約５０％も低下することができ、
きわめて好ましい始動性を得ることができる。

【００２２】 〔ランプ２〕 発光管 材質 透光性多結晶ＹＡＧ 外径４．４ｍｍ、 内容積０．０２５ｃｃ 電極 直径０．３ｍｍのタングステン棒、 発光長２．０ｍｍ 封入物 水銀・セシウム合金（重量比１０：１）ペレット１．０ｍｇ ヨウ化水銀ペレット ０．２５ｍｇ ヨウ化セシウムペレット １．５ｍｇ ヨウ化ガドリニウム ０．２５ｍｇ 封入ガス ネオン９８％−アルゴン１％−水素１％の混合ガス ２０ｋＰａ ランプ電流 ０．４Ａ、 ランプ電圧 ６０Ｖ、 消費電力 ２４Ｗ

【００２３】かかるランプ２は、超高圧水銀ランプであ
り、これを約２０ｋＨｚの高周波電力で垂直点灯したと
ころ、１時間点灯後の発光管外表面の最高温度は９１０
℃であり、イオン化物の蒸気圧を決める最冷点位置の発
光管外表面の温度は約７５０℃であった。また、１時間
点灯後のＵＶ放射変換効率は約２．４％であった。ラン
プ寿命は約６００時間であるが、ＵＶ放射変換効率は、
時間経過と共に変動し、ＵＶ放射変換効率の範囲は、
１．９〜２．６％であった。１時間点灯後の水素分圧に
対する１００時間点灯後の水素分圧の割合は８６％であ
り、寿命終了後の水素分圧の割合は６０％であった。

【００２４】次に、ランプ２をベースにしてネオンとア
ルゴンと１％水素の混合ガス中のアルゴンの量を変化さ
せたランプを製作し、始動電圧を測定した。その結果を
図３に示すが、これから分かるように、始動電圧は、ア
ルゴンのモル比が１％まで低下し、それ以降は上昇す
る。前述のとおり、水素を添加すると一般的に始動電圧
は上昇するが、１００％アルゴンであって水素を添加し
ない従来の放電ランプの始動電圧である４００Ｖ以下の
始動電圧を確保するためには、つまり、水素を添加した
にもかかわらず従来の放電ランプより始動電圧を下げる
ためには、アルゴン量は０．１〜８％にする必要があ
る。

【００２５】また、ランプ２をベースにして水素量を変
化させたランプを製作し、放射効率を測定したが、その
結果を図４に示す。これから分かるように、放射効率を
５％以上上昇させるためには、水素量を０．０１〜〜３
０％すればよい。更には、水素量を０．２〜１２％にす
れば、放射効率は１０％以上上昇し、きわめて好ましい
結果を得ることができる。

【００２６】 〔ランプ３〕 発光管 材質 透光性多結晶アルミナ 外径３．６ｍｍ、 内容積０．０１２ｃｃ 電極 直径０．３ｍｍのタングステン棒、 発光長３．０ｍｍ 封入物 水銀・ナトリウム合金ペレット ０．２５ｍｇ ヨウ化水銀ペレット ０．１ｍｇ ヨウ化ナトリウムとヨウ化ジスプロシウムの混合ペレット ０．３２ｍｇ ヨウ化タリウム ０．１ｍｇ 封入ガス ネオン９９％−アルゴン１％の混合ガス ２０ｋＰａ ランプ電流 ０．３Ａ、 ランプ電圧 ５０Ｖ、 消費電力 １５Ｗ

【００２７】かかるランプ３はメタルハライドランプで
あり、交流電源で水平点灯したところ、１時間点灯後の
発光管外表面の最高温度は９８０℃であり、イオン化物
の蒸気圧を決める最冷点位置の発光管外表面の温度は約
８６０℃であった。また、放射効率は６５ｌｍ／Ｗ、演
色評価指数は約８０、ランプ寿命は約６０００時間であ
った。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の放電ラン
プは、バッファーガスとして、優れたペニング効果が期
待できるネオンとその他の希ガスを使用するが、発光管
を透光性セラミックスで成形するとともに発光管端部の
封止部を耐酸化性構造でシールし、かつ発光管の外表面
最高温度が１２００℃以下の温度で点灯するので、発光
管内からネオンが逃散することを防止することができ、
始動性が良く、かつ外管を使用しない単管式の放電ラン
プとすることができる。また、水素を封入することによ
り、始動性をほとんど悪化させることなく放射効率を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】封止部のシール構造の説明図である。

【図２】ネオン−アルゴンに対するアルゴンの割合と始
動電圧の関係図である。

【図３】ネオン−アルゴン−水素に対するアルゴンの割
合と始動電圧の関係図である。

【図４】水素量と放射効率の関係図である。

【符号の説明】

１ 発光管 ２ａ，２ｂ 電極 ３ 封止部 ５ アルミナセラミック材 ６ ニオブ線 ７ 外部リード線 ８ フリットガラス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 幸裕 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシオ 電機株式会社内 (72)発明者 宮永 晶司 兵庫県姫路市別所町佐土1194番地 ウシオ 電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に一対の電極が配置される発光管が
   透光性セラミックスで成形され、発光管端部の封止部が
   耐酸化性構造でシールされ、該発光管内にネオンおよび
   他の希ガスが封入され、該発光管の外表面最高温度が１
   ２００℃以下の温度で点灯されることを特徴とする放電
   ランプ。
2. 【請求項２】 前記発光管内に封入されたイオン化物の
   蒸気圧を決める最冷点位置の発光管外表面の温度が、発
   光管外表面の最高温度の３００Ｋ以内の温度であること
   を特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 【請求項３】 前記発光管内にネオン以外の希ガスとし
   てアルゴンが封入され、ネオンとアルゴンの混合ガスに
   対するアルゴンのモル比が０．０１〜８％であることを
   特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
4. 【請求項４】 前記発光管内に水素ガスが封入されたこ
   とを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
5. 【請求項５】 前記発光管内にネオン以外の希ガスとし
   てアルゴンが封入され、ネオンとアルゴンの混合ガスに
   対するアルゴンのモル比が０．１〜８％であり、ネオン
   とアルゴンの混合ガスに対する水素のモル比が０．０１
   〜３０％であることを特徴とする請求項４記載の放電ラ
   ンプ。
6. 【請求項６】 点灯時の発光管外表面の最高温度が、１
   ００時間点灯後の発光管内の水素の圧力の、１時間点灯
   後の水素の圧力に対する比が０．８より大きくなる温度
   以下であることを特徴とする請求項４記載の放電ラン
   プ。