JPH1083797A

JPH1083797A - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JPH1083797A
Application number: JP8236350A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kai; 誠甲斐; Yuriko Kaneko; 由利子金子; Mamoru Takeda; 守竹田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ランプ電力、電極間距離、封入水銀量の上限
などの設計上の制限事項に対し、ランプ特性が最良にな
る（ランプ電圧上昇が少なく、色温度の変化が少ない、
光束維持率の良い）電極設計の指針を見い出す。【解決手段】電極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量ｍ
（ｍｇ）、電極先端部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯時
のランプ電圧Ｖ（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場合、
−１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用い、
ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入水銀
量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ／ｍ）を満たして点灯
するように電極先端部の断面積がＳなる電極を用いてラ
ンプを構成する。これにより、ランプ電圧の上昇を抑制
することで、光束低下や色温度変化を抑制することが可
能となり、ランプ長寿命化が実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高圧放電ランプ、特
にメタルハライドランプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、メタルハライドランプの設計
は、点灯回路設計側からの要望としてのランプ電力、光
学設計側からの要望としての電極間距離（アーク長）、
それと発光管の耐圧を保証するための封入水銀量の上限
などが制限される中で行われている。また一方でメタル
ハライドランプの設計において重要であるのが電極設計
であり、電極設計の良否がランプ特性（ランプ電圧変化
率や光束維持率など）に大きな影響を与えていることも
よく知られている。

【０００３】しかしランプ電力、電極間距離、封入水銀
量の上限などの設計上の制限事項に対し、ランプ特性が
最良になる（ランプ電圧変化が少なく、光束維持率の良
い）電極設計の確固たる指針はなく、未だ経験的に取り
組まれている部分が多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の項で述べ
たようにランプ電力、電極間距離、封入水銀量の上限な
どの設計上の制限事項に対し、ランプ特性が最良になる
（ランプ電圧変化が少なく、色温度の変化が少ない、光
束維持率の良い）電極設計の指針を見い出す必要があ
る。

【０００５】本発明はランプ電力、電極間距離、封入水
銀量の上限などが設計上制限される中において、電極形
状とランプ電界、電極形状とランプ電圧変化率およびラ
ンプ電界と最冷点温度との相関を見い出したことによ
り、ランプ電圧の変化を抑制するランプ設計手法を考案
し、それに基づくランプを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、次に示す手段を用いる。

【０００７】（１）電極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量
ｍ（ｍｇ）、電極先端部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯
時のランプ電圧Ｖ（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場
合、−１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用
い、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入
水銀量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ／ｍ）を満たして
点灯するように、電極先端部の断面積がＳなる電極を用
いてランプを構成する。

【０００８】（２）電極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量
ｍ（ｍｇ）、電極先端部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯
時のランプ電圧Ｖ（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場
合、−１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用
い、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入
水銀量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ／ｍ）を満たして
点灯させるために発光管管壁温度可変手段とランプ電圧
検出手段を設け、さらに前記ランプ電圧検出手段から得
た信号を基に前記発光管管壁温度可変手段を制御するた
めの演算制御手段を具備させてランプを構成する。

【０００９】（３）電極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量
ｍ（ｍｇ）、電極先端部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯
時のランプ電圧Ｖ（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場
合、−１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用
い、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入
水銀量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ／ｍ）を満たして
点灯させるために、発光管管壁加熱手段とランプ電圧検
出手段を設け、さらに前記ランプ電圧検出手段から得た
信号をもとに前記発光管管壁加熱手段を制御するための
演算制御手段を具備させてランプを構成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のメタルハライドランプの
実施の形態について図面を参照しながら説明する。

【００１１】（発明の実施の形態１）本発明のメタルハ
ライドランプの第１の実施の形態の様子を図１に示す。
これは対向する放電電極１の間に放電アーク３が発生し
安定点灯している様子である。放電電極１間にはランプ
電圧Ｖが印加されており、ランプ電流Ｉが流れている。
電極間距離はｄである。本発明の実施の形態において
は、放電電極１は柱状のものを用い、したがって、放電
アーク３を支える電極先端断面積Ｓは電極軸の断面積に
等しい。発光管内には水銀量ｍと少なくとも１つ以上の
ハロゲン化金属が封入されている。

【００１２】今、ランプ電力Ｐが２００Ｗで一定、発光
管形状が一定、電極間距離ｄ＝３ｍｍ、封入水銀量ｍ＝
４２ｍｇとし、ランプ電圧Ｖ＝７０Ｖ、使用する電極軸
の径を０．６５、０．８、１．２ｍｍの３種類（各サン
プル数＝３）として、点灯開始後１００ｈの点灯開始時
（０ｈ）に対するランプ特性の変化を測定する実験を行
った。図２は横軸に０ｈ、１００ｈそれぞれ測定時のラ
ンプ電流Ｉを電極先端断面積Ｓで除算した電流密度ｊを
とり、縦軸には測定時のランプ電圧Ｖを電極間距離ｄお
よび封入水銀量ｍで除算した封入水銀量あたりのランプ
電界Ｅをプロットしたものである。したがって、０ｈに
おいてｊ＝２．５Ａ／ｍｍ²あたりが電極軸径１．２ｍ
ｍ、ｊ＝５Ａ／ｍｍ²あたりが電極軸径０．８ｍｍ、ｊ
＝８．３Ａ／ｍｍ²あたりが０．６５ｍｍのサンプルを
示している。封入水銀量は点灯開始後１００ｈにおいて
も変化がないものとした。

【００１３】図２内の波線および実線は０ｈおよび１０
０ｈ各々の全プロット点を回帰直線で結んだものであ
る。０ｈの波線がほぼ水平となっているのは、０ｈにお
いては全ランプのランプ電圧Ｖ、ランプ電流Ｉがほぼ等
しく、電極軸径によって電流密度だけが異なっているこ
とを示す。ランプ電圧Ｖ、ランプ電流Ｉが全部等しいと
いうのは、本実験の条件でも述べたように、発光管形
状、電極間距離、封入水銀量が同じであるなら、不飽和
動作する水銀の蒸気圧によってほぼランプ電圧Ｖが決定
されるためで、さらにランプ電力が同じであるなら自ず
とランプ電流も等しくなる。すなわちこれは単なる設計
上の出発点である。

【００１４】これらランプを１００ｈ点灯させた後のプ
ロット点の変化を見ると、実線で示したものであるが、
右上がりの直線となる。この直線は次の近似式で表され
る。

【００１５】ｊ＝３０．５・Ｅ−１３．４（１）これら実験の結果から、（１）点灯開始１００ｈにおい
て、電流密度ｊと封入水銀量あたりの電界Ｅとの関係が
ある傾きを持った直線上に乗るようにランプ電流Ｉ、ラ
ンプ電圧Ｖは変化する。（２）設計上の出発点から、１
００ｈに乗るべき直線までのグラフ上における幾何学的
距離が長いランプほどランプ電流Ｉ、ランプ電圧Ｖの変
化率は大きい、ということがわかる。

【００１６】一般にランプ特性の改良にあたって望まれ
るものの一つに、点灯開始後１００ｈ程度までのランプ
電圧上昇の抑制があげられる。図２からランプ電圧上昇
の抑制に有効であるのは、１００ｈにおいて電流密度ｊ
も封入水銀量あたりの電界Ｅも変化のない実線と波線と
の交点、電流密度でｊ＝３．６Ａ／ｍｍ²である。図３
は図２で用いたランプと同じランプ電力、発光管形状、
電極間距離、封入水銀量で、電極軸径の条件のみ増やし
た多くのランプを、横軸に点灯開始０ｈにおける電流密
度をとり、縦軸に点灯開始１００ｈまでのランプ電圧変
化率をとってプロットし、回帰直線を引いたものであ
る。このグラフにおいてランプ電圧の変化がない条件、
すなわち変化率０％の点は、波線と実線との交点、電流
密度でｊ＝３．５Ａ／ｍｍ²である。これは図２から得
た結果とほぼ一致する。この場合変化率０％における電
極軸径は１．０２ｍｍとなる。

【００１７】図３においてランプ個々の特性のばらつき
を考慮して、電流密度とランプ電圧変化率との関係を斜
線で示した範囲内とする。これは実線に対して±２％の
ばらつきを示す。この範囲と、ランプ電圧変化率０％と
が重なる電流密度の範囲（矢印で示した範囲）を、図２
中に同様に示す。図２の斜線の範囲は前記電流密度の範
囲を限度に（１）式と平行な直線で挟まれる範囲であ
る。この範囲は、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（２）ただし、−１４．０≦ａ≦−１３．０と表される。ランプ個々の特性のばらつきを考慮する
と、（２）式で示す設計における許容範囲が有効である
と考える。なおａが以上の範囲であるとき、本例におけ
る電極軸径の設計値は０．９８〜１．１２ｍｍとなる。

【００１８】図２の実線が求められた後は、この実線上
に乗るように電流密度ｊと封入水銀量あたりの電界Ｅを
設計してやれば、ランプ電圧の変化を抑制することが可
能となる。すなわち、図２における設計の出発点である
波線の位置が上下に変化しても、ランプ電圧の変化を抑
制できるｊとＥの組み合わせが必ず定まるということで
ある。

【００１９】もう一つの設計例を述べる。図２の測定で
用いた発光管を用い、同じランプ電力Ｐ＝２００Ｗ（同
じ管壁負荷）において、電極間距離ｄ＝１．８ｍｍのラ
ンプを設計する。発光管の耐圧確保のため、封入水銀量
を６２ｍｇとする。不飽和動作する封入水銀量ｍとその
ときのランプ電界Ｅとは、Ｅｌｅｎｂａａｓの経験則
（「ザハイプレッシャーマーキュリーベイパー
ジスチャージ」（Ｅｌｅｎｂａａｓ：ＴＨＥＨＩＧ
ＨＰＲＥＳＳＵＲＥＭＥＲＣＵＲＹＶＡＰＯＵＲ
ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ，ＮＯＲＴＨ−ＨＯＬＬＡＮＤ
ＰＵＢＬＩＳＨＩＮＧＣＯＭＰＡＮＹ（１９５
１）））より、Ｅ∽ｍ^7/12を用いて、Ｖ／１．８／６２^7/12＝７０／３／４２^7/12 ∴Ｖ＝５２．７よって封入水銀量あたりの電界ＥはＥ＝Ｖ／ｄ／ｍ＝
０．４７２となる。

【００２０】このＥを（２）式に代入するとｊ＝１．０
１８となる。これは、図２の実線上のｊ＝１．０１８と
Ｅ＝０．４７２との交点上で点灯させるということであ
る。ランプ電力Ｐ＝２００Ｗ、ランプ電圧がＶ＝５２．
７Ｖであるのでランプ電流はＩ＝２００／５２．７＝
３．７９５Ａ、したがってｊ＝１．０１８を実現する電
極軸径は２．１７ｍｍと設計できる。

【００２１】（発明の実施の形態２）さて、すべてのラ
ンプ設計が発明の実施の形態１の項で述べた方法にした
がって実現すればよいが、必ずしもそうはいかない場合
が存在する。それは算出した電極軸径が太すぎて採用で
きない場合である。電極軸径は二つの理由から上限が定
まる。それは発光管の耐圧保証の観点と放電アークの太
さと光学設計との兼ね合いの観点である。図１に示すよ
うな一般的なメタルハライドランプは両側の電極根幹部
で発光管材料を溶融封止している。したがって電極軸径
があまりに太いと封止部に隙間が生じやすく、耐圧強度
が低下してしまう。

【００２２】これは同じ管壁負荷で同じ封入水銀量であ
っても電極軸径が太いランプは耐圧がもたなくなる場合
が発生することを意味する。さらに放電アークの太さと
光学設計との兼ね合いである。一般に電極軸径が太くな
るにつれて、電極間の放電アークも太くなる傾向があ
る。ランプを集光投射系のような光学系に組み込んで使
用する場合、放電アークが太くなると放電アークの輝度
が低下し、最終的に光学系から取り出せる光量が減少し
てしまう。したがってある程度軸径の細い電極を使用せ
ざるを得ない場合が発生する。

【００２３】図２を用いて説明する。設計に利用したい
ｊとＥは実線上の点なのであるが、各点の場合におい
て、その電極軸径より細くせざるを得ないということ
は、図２のグラフを実線で二分した右部分で点灯動作し
てしまう場合を意味する。この状況で実線上に動作点を
動かすためには、電界Ｅを増加させればよい（ランプ電
力一定条件であるので電流密度ｊは電界Ｅの増加に伴っ
て減少し、実際動作点は先の例の矢印のように左斜め上
方に変化させながら実線上にのせることになる）。

【００２４】ランプ電力、発光管形状、封入水銀量を固
定のままＥを変化させるのに、図４に示す封入水銀量あ
たりの電界Ｅと管壁温度との関係を利用する。この測定
は次の手順で行った。図２の測定で用いたランプを用
い、発光管下部直近に（ランプは水平点灯）細いノズル
を設置し、そこから空気を吹き付け、その空気の風量を
変えながらその吹き付け部の管壁温度とそれぞれの場合
のランプ電圧を測定したものである（ランプ電力一
定）。

【００２５】図４から測定部位の温度が４３０℃〜５３
０℃まで変化させる間に封入水銀量あたりの電界Ｅを
０．３９〜０．５３までほぼリニアに変化しており（実
線で示した回帰直線）、測定部位の温度が５３０℃〜６
７０℃までは温度変化に関わらず封入水銀量あたりの電
界Ｅはほとんど変化しないことがわかる。これは測定場
所を空冷することにより、５３０℃までは測定場所の温
度がランプ電圧を決定していた、つまり測定場所がラン
プ内蒸気圧を決定するのに大きく影響する場所となって
いたと考えられ、５３０℃以降は空冷の風量も減少して
いることから、ランプ内蒸気圧を決定するのに大きく影
響する場所は測定場所から他へ移動し、測定場所の温度
変化がランプ電圧の変化に影響を及ぼさなくなったもの
と考えられる。つまりランプ電力、発光管形状、封入水
銀量を固定のままＥを変化させるのにはランプ内蒸気圧
を決定するのに大きく影響する場所の温度を上昇させれ
ば良いのである。

【００２６】図２の実線上で動作させるためにランプ内
蒸気圧を決定するのに大きく影響する場所の温度を上昇
させて点灯させる必要がある場合の、発光管管壁加熱手
段を具備したメタルハライドランプの構成を図５および
図６に示す。

【００２７】図中、メタルハライドランプは引き出し線
４の部分を外部に残して、ヒーター用のワイヤ５をはさ
みこんだ二重管６の中に設置する。二重管６の内側の管
は発光管封止部と完全に密着し保温性を良くしている。
ヒーターワイヤ５は発光の取り出しの妨害にならないよ
うに二重管の中央部には設置せず、両側に二カ所設けて
いる。特にランプ内蒸気圧を決定するのに大きく影響す
る場所は電極根幹部に存在することも多いので、各ワイ
ヤの巻具合は電極根幹部に近づけるという意味と、発光
管を効果的に温めるという意味から、二重管の中央に向
かって密な巻き方とする。

【００２８】引き出し線４に接続してランプ電圧検出手
段７を設け、予めランプ電力Ｐ、電極管距離ｄ、封入水
銀量ｍ、電極先端断面積Ｓが入力され、図２の実線上で
点灯しているかどうかを判断する演算制御手段８にラン
プ電圧検出手段７から発せられるランプ電圧信号を入力
する。ランプ電圧信号の入力を受けた演算制御手段８
は、図２の実線上で点灯しているかどうかを判断し、そ
の結果を発光管管壁加熱手段９に信号として送る。点灯
している場合あるいは点灯していなくても加熱する必要
がない場合はヒートワイヤに電流は流れない。

【００２９】図２の実線上で点灯していない場合でかつ
加熱しなければならない場合はヒートワイヤに所定の電
流を流し発光管全体を加熱する。この場合発光管全体を
加熱することでランプ内蒸気圧を決定するのに大きく影
響する場所がどこにあろうと封入水銀量あたりのランプ
電界Ｅを上昇させることができる。ランプ電圧をモニタ
ーし、ランプ点灯開始時からランプ内蒸気圧を決定する
のに大きく影響する場所を所定の温度に維持し続けるこ
とで、ランプ電圧上昇を抑制することが可能となる。

【００３０】なお、本実施の形態において、二重管は円
筒状を想定したがこの形状に限定するものではない。ま
た二重管の外側の管の内壁に、発光の取り出しの妨害に
ならならない部分に赤外反射膜を塗布すれば二重管内の
温度上昇がより効率的に実現する。

【００３１】

【発明の効果】初期ランプ電圧の上昇は初期管壁黒化促
進による光束低下や色温度変化などランプ特性を悪くす
る要因と相関があることも経験的に指摘されている。つ
まりランプ電圧の上昇を抑制することにより、光束低下
や色温度変化を抑制することが可能となり、ランプ長寿
命化が実現する。

【００３２】また本設計方法は管壁負荷が同じランプに
幅広く適用することが可能であり、設計の自由度を著し
く増加させることができる。

【００３３】さらに点灯回路の設計においてもランプ電
圧動作保証範囲を小さくすることができ設計の容易性か
らも有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施の形態におけるメタルハライ
ドランプの模式図

【図２】本発明に利用する電流密度と封入水銀量あたり
の電界Ｅとの関係を表すグラフ

【図３】点灯開始０ｈにおける電流密度と点灯開始１０
０ｈまでのランプ電圧上昇率との関係を表すグラフ

【図４】本発明に利用する封入水銀量あたりの電界Ｅと
管壁温度との関係を表すグラフ

【図５】第２の発明の実施の形態におけるメタルハライ
ドランプの構造図

【図６】同メタルハライドランプの側面図

【符号の説明】

１放電電極２発光管管壁３放電アーク４引き出し線５ヒーターワイヤ６二重管７ランプ電圧検出手段８演算制御手段９発光管管壁加熱手段１０安定器１１電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光管の内部に、対向する一対の放電電極
を有し、水銀金属と少なくとも１つ以上のハロゲン化金
属が封入されているメタルハライドランプであって、電
極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量ｍ（ｍｇ）、電極先端
部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯時のランプ電圧Ｖ
（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場合、 −１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用い、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流
密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入水銀量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ
／ｄ／ｍ）を満たして点灯していることを特徴とするメ
タルハライドランプ。
【請求項２】発光管の内部に、対向する一対の放電電極
を有し、水銀金属と少なくとも１つ以上のハロゲン化金
属が封入されているメタルハライドランプであって、電
極間距離ｄ（ｍｍ）、封入水銀量ｍ（ｍｇ）、電極先端
部断面積Ｓ（ｍｍ²）、安定点灯時のランプ電圧Ｖ
（Ｖ）、ランプ電流Ｉ（Ａ）なる場合、 −１４．０≦ａ≦−１３．０で表される定数ａを用い、ｊ＝３０．５・Ｅ＋ａ（電流
密度ｊ＝Ｉ／Ｓ、封入水銀量あたりのランプ電界Ｅ＝Ｖ
／ｄ／ｍ）を満たして点灯させるために、発光管管壁温
度可変手段とランプ電圧検出手段を設け、さらに前記ラ
ンプ電圧検出手段から得た信号をもとに前記発光管管壁
温度可変手段を制御するための演算制御手段を具備して
いることを特徴とするメタルハライドランプ。
【請求項３】発光管管壁温度可変手段として発光管管壁
加熱手段を具備していることを特徴とする請求項２記載
のメタルハライドランプ。