WO2013038838A1 - 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置 - Google Patents

高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置 Download PDF

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将史 飯田
昭美 前原
亮 大河原
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岩崎電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a high watt type ceramic metal halide lamp lighting device. More specifically, the present invention relates to a high watt type ceramic metal halide lamp illumination device in which a plurality of (for example, two) arc tubes are connected in series.
  • high watt type ceramic metal halide lamps are often used in the form of horizontally installed lamps (horizontal lighting) for sports facilities and stadium lighting.
  • the arc tube of a large size used in such a high watt type lamp has a long arc length, so that the arc is curved and floats off the central axis, heating the ceramic container and causing cracks. There was a fear.
  • the high watt type ceramic metal halide lamp has to increase the thickness of the conductive material sealed in the ceramic discharge vessel, but if the conductive material is thick, when it expands due to the temperature during lighting, the ceramic Cracks may occur due to the difference in coefficient of thermal expansion between the discharge vessel and the conductive material.
  • the arc tube of a relatively large size has a drawback that it is relatively difficult to manufacture a ceramic container and the manufacturing cost is expensive.
  • Patent Document 1 includes two aluminum oxide arc tubes connected in series inside an outer sphere. There is also a description of high pressure sodium vapor discharge lamps.
  • Patent Document 1 for example, the idea of replacing a 700 W arc tube by electrically connecting two general-purpose type 360 W arc tubes in series was born. This solves the problem of arc levitation, expensive manufacturing cost, and the like.
  • an object of the present invention is to provide a high watt type ceramic metal halide lamp illuminating device in which a plurality of (for example, two) arc tubes that can be lit smoothly are connected in series.
  • a high watt type ceramic metal halide lamp illuminating device has a ballast for inputting a primary input voltage and outputting a secondary voltage, and a plurality of electrically connected arc tubes in an outer bulb.
  • the secondary output voltage from the ballast is at least the ratio of the maximum value / effective value (Vmax / Veff). > 2 0.5 is satisfied.
  • the ceramic metal halide lamp lighting apparatus of the high-wattage type the secondary output voltage from the ballast is at least, its waveform is the maximum value / ratio of the effective value (Vmax / Veff)> those satisfying 3 0.5 It may be.
  • the secondary output voltage from the ballast is further (a) effective value is more than the sum of glow discharge sustaining voltage of each arc tube, (b) The maximum value may be equal to or greater than the sum of arc discharge transition voltages of the arc tubes.
  • the secondary output voltage from the ballast further includes (a) an effective value equal to or higher than a sum of glow discharge sustaining voltages of the respective arc tubes, and It is less than the sum of arc discharge transition voltages of the arc tubes, and (b) the maximum value may be equal to or greater than the sum of arc discharge transition voltages of the arc tubes and less than the sum of dielectric breakdown voltages of the arc tubes.
  • the secondary output voltage from the ballast may be a triangular wave AC voltage.
  • the triangular wave AC voltage may be 500 V ⁇ Vmax ( triangular wave ) when represented by the maximum value, and 260 V ⁇ Veff ( triangular wave ) when represented by the effective value.
  • the triangular wave AC voltage may be 500 V ⁇ Vmax ( triangular wave ) when expressed as a maximum value, and 260 V ⁇ Veff ( triangular wave ) ⁇ 500 V when expressed as an effective value.
  • a high watt type ceramic metal halide lamp illumination device in which a plurality of (for example, two) arc tubes that can be smoothly turned on are connected in series.
  • FIG. 1 is a diagram for briefly explaining the discharge phenomenon in the HID lamp.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part along the central axis of the ceramic metal halide lamp according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part along the central axis of the arc tube used in the lamp shown in FIG.
  • FIG. 4 is a chart showing characteristics of the arc tube of FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a circuit of a ceramic metal halide lamp illumination device.
  • FIG. 6 is a diagram showing various voltage waveforms studied as a ballast secondary voltage.
  • (A) is a rectangular wave voltage waveform
  • (B) is a sine wave voltage waveform
  • (C) is a triangular wave voltage waveform.
  • FIG. 7 shows the characteristics of the effective value-maximum value of the secondary voltage of the ballast using the respective voltage waveforms shown in FIG. 6 as parameters.
  • the symbol “ ⁇ ” shown here indicates that arc discharge is possible, “ ⁇ ” indicates experimental data that cannot be transferred to arc discharge.
  • FIG. 8 is another example of the waveform of the ballast secondary voltage.
  • HID lamp discharge phenomenon in HID lamp
  • the HID lamp is a generic term for mercury lamps, metal halide lamps, high-pressure sodium lamps, and the like, and among the metal halide lamps, a lamp having a ceramic arc tube is called a ceramic metal halide lamp.
  • FIG. 1 is a diagram for briefly explaining the discharge phenomenon in the arc tube.
  • the arc-tube terminal voltage V is taken on the vertical axis, and the discharge current A corresponding thereto is taken on the horizontal axis to explain the current-voltage characteristics of the discharge. .
  • the specific value is not described in the arc tube terminal voltage V on the vertical axis because the value varies depending on the rated power of the arc tube, the size, the distance between electrodes, the type and pressure of the sealed gas, and the like. is there.
  • the areas of points (o) to (a) are dark discharge areas where no light is emitted before the start of discharge.
  • dielectric breakdown The process of exceeding point (a) is called dielectric breakdown.
  • a very high voltage pulse voltage eg, 3.7 to 4.5 kV
  • the base voltage eg, 200 to 300 V
  • dielectric breakdown The high voltage pulse voltage is immediately terminated after the dielectric breakdown.
  • the regions (b) to (c) are glow discharge regions where the voltage is relatively high and the current is relatively small, and only secondary electron emission from the cathode electrode is used as the discharge current.
  • the region after point (e) is an arc discharge region where the voltage is relatively low and the current is relatively large.
  • the arc discharge sustaining voltage is lower than the glow discharge sustaining voltage.
  • the discharge current is cold electron emission or thermal electron emission of the cathode electrode.
  • the HID lamp is a lamp that uses arc discharge in the metal electron high-pressure vapor in the arc tube.
  • arc discharge transition voltage a voltage between electrodes exceeding the peak point (d) (hereinafter referred to as “arc discharge transition voltage” in this application document) is required. Therefore, the problem of not shifting from the glow discharge to the arc discharge described above is that a voltage exceeding the arc discharge transition voltage was not applied between the electrodes.
  • the high watt type ceramic metal halide lamp according to the first embodiment is an example using two general-purpose arc tubes.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part along the central axis of the ceramic metal halide lamp 10 of a high watt type (for example, 700 to 1,000 W) according to the present embodiment.
  • a high watt type for example, 700 to 1,000 W
  • two arc tubes 12-1 and 12-2 supported by a support 18 are electrically connected in series in an outer sphere 16 that forms a base 14.
  • the support column 18 is fixed to the stem 20.
  • the outer sphere 16 is kept in a vacuum.
  • a high voltage pulse voltage for performing dielectric breakdown is instantaneously applied to the AC voltage output from the ballast (see FIG. 5) in the outer sphere 16.
  • a starting circuit (igniter) that generates and superimposes is provided.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part along the central axis of the arc tubes 12-1 and 12-2 used in the lamp shown in FIG.
  • the light emitting tubes 12-1 and 12-2 are integrally formed with a light emitting portion 12a formed in a substantially elliptical shape when viewed in cross section and thin tube portions 12b and 12c respectively joined to both ends thereof.
  • the light emitting part 12a is made of ceramics, and the inner diameter gradually decreases from the central part toward the thin tube joining part.
  • Electrodes 22a and 22b are inserted into the thin tube portions 12b and 12c, respectively. The gap between both electrodes corresponds to the arc length L.
  • the arc tube becomes larger in size when it becomes a high watt type (for example, 700W arc tube, 1,000W arc tube), the arc length becomes long, the arc floats, and the ceramic container is heated. Cause cracks.
  • a large-sized ceramic container is disadvantageous in that it is relatively difficult to manufacture and the manufacturing cost is high.
  • the general-purpose arc tube is used in the lamp of FIG.
  • FIG. 4 is a chart showing the characteristics of the arc tube shown in FIG.
  • four types of data “360W-1 to 4” are shown as arc tubes for general-purpose 360W.
  • Each arc length L is in the range of 16 to 22 mm.
  • the data described below is experimental data performed using the arc tube “360W-4”.
  • 700W-1 to 4 are also attached as a high-wattage 700W arc tube.
  • These arc lengths L are relatively long as 39 mm. Since the arc length L is long, when the lamp is lit horizontally, the arc rises and bends greatly due to the convection of the gas in the arc tube.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a circuit of a ceramic metal halide lamp lighting device.
  • the power source 24 is a commercial AC power source 200V (in a special case, 100V).
  • the ballast 26 outputs a predetermined ballast secondary voltage using a transformer and a choke coil.
  • the inventors of the present invention have concluded that the following conditions must be satisfied in order to smoothly transition two arc-connected arc tubes from glow discharge to arc discharge.
  • the voltage between terminals applied to both ends of the two arc tubes 12-1 and 12-2 is a steady value, and the glow discharge sustaining voltage of each arc tube (see points b to c). )
  • the instantaneous value is equal to or greater than the sum of arc discharge transition voltages (see point d) of each arc tube.
  • the secondary output voltage of the ballast 26 is between the respective terminals of the arc tubes 12-1 and 12-2.
  • the voltage is applied by half.
  • the inter-terminal voltage is equal to or higher than the sum of the glow discharge sustaining voltages of the arc tubes as a steady value, the glow discharge is maintained.
  • the instantaneous value is greater than or equal to the sum of the arc discharge transition voltages of each arc tube, one arc tube will always transition to arc discharge, and the arc tube that has transitioned to arc discharge will exhibit negative resistance.
  • a larger voltage is applied to the other arc tube, and the other arc tube also shifts to arc discharge.
  • the effective value is equal to or greater than the sum of glow discharge sustaining voltages of each arc tube
  • the maximum value is equal to or greater than the sum of arc discharge transition voltages of each arc tube, the secondary output voltage of the ballast was examined.
  • the waveform of the secondary output voltage of a normal ballast is a sine wave.
  • the above condition is satisfied by replacing this with, for example, a triangular wave.
  • a triangular wave for the sake of explanation, in addition to the conventional sine wave, the advantage of the triangular wave will be described using a rectangular wave example.
  • FIG. 6 is a diagram showing various voltage waveforms studied as the secondary output voltage of the ballast.
  • (A) is a rectangular wave voltage waveform
  • (B) is a sine wave voltage waveform
  • (C) is a triangular wave voltage waveform.
  • the waveform is deformed.
  • the waveform is an equilateral triangle
  • h / a> 30.5 is obtained in the case of an isosceles triangle having a relatively high height h compared to the regular triangle.
  • triangular wave includes equilateral triangular waves and triangular waves of such deformations.
  • Vmax ( rectangular wave ) Veff ( rectangular wave )
  • Vmax ( triangular wave ) 1.941 ⁇ Veff ( triangular wave ) .
  • a high arc discharge transition voltage can be easily secured.
  • the maximum value Vmax of the secondary output voltage may be lower than the breakdown voltage (point a in FIG. 1) (ie, Vmax). ⁇ Total of dielectric breakdown voltage of each arc tube>. Further, the effective value Veff of the secondary output voltage may be lower than the arc discharge transition voltage (point d in FIG. 1) (that is, Veff ⁇ the total arc discharge transition voltage of each arc tube).
  • FIG. 7 shows the characteristics of the effective value-maximum value of the secondary voltage of the ballast using the voltage waveforms shown in FIG. 6 as parameters.
  • the experimental results on whether or not arc transfer is possible are displayed using two “360W arc tube-4”.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates experimental data that can be transferred to arc discharge, and the symbol “ ⁇ ” indicates experimental data that cannot be transferred to arc discharge.
  • the waveform of the secondary output voltage of the ballast is a triangular wave.
  • the waveform is not limited to a triangular wave.
  • the conditions required for the ballast secondary voltage are: (a) the effective value is greater than or equal to the sum of glow discharge sustaining voltages of each arc tube, and (b) the maximum value is greater than or equal to the sum of arc discharge transition voltages for each arc tube. in and, (c) the waveform is, it satisfies the maximum value / ratio of the effective value (Vmax / Veff)> 2 0.5 .
  • FIG. 8 is another example of the waveform of the ballast secondary voltage.
  • the above condition can be satisfied even with a secondary output voltage in which two types of rectangular waves as shown in FIG. 8 are superimposed.
  • the second embodiment is an example in which three or more arc tubes are electrically connected in series.
  • a 1,000 W high watt type lamp arc tube can be replaced with three general purpose 360 W arc tubes.
  • the secondary voltage of the ballast is (a) the effective value is greater than or equal to the sum of glow discharge sustaining voltages of each arc tube, (b) the maximum value is greater than or equal to the sum of arc discharge transition voltages of each arc tube, ( c) the waveform is, satisfies the ratio (Vmax / Veff)> 2 0.5 of the maximum value / effective value.
  • the sum of the glow discharge sustaining voltages and arc discharge transition voltages of the three 360 W arc tubes are larger than the glow discharge sustain voltage and arc discharge transition voltage of the 1,000 W arc tube, respectively. Therefore, a ballast capable of a secondary output voltage corresponding to that must be prepared.
  • the third embodiment is an example in which a plurality of different types of arc tubes are electrically connected in series.
  • a 270W arc tube, a 360W arc tube, a 440W arc tube, etc. are currently available as general-purpose arc tubes.
  • a high-wattage lamp of 1,000 W may be realized by connecting (270 W arc tube + 360 W arc tube + 440 W arc tube) in series.
  • the advantages and disadvantages in this case are the same as those described in the second embodiment.
  • the arc tube of a high watt type metal halide lamp can be replaced with multiple general-purpose arc tubes.
  • the number of general-purpose arc tubes may be two or three or more.
  • the plurality of general-purpose arc tubes may be combined with arc tubes having different outputs (for example, 270W arc tube, 360W arc tube, 440W arc tube, etc.).
  • the ballast secondary voltage is (a) the effective value is greater than or equal to the sum of the glow discharge sustaining voltages of each arc tube, and (b) the maximum value is the sum of the arc discharge transition voltages of each arc tube. not less than, (c) the waveform is the maximum value / ratio of the effective value (Vmax / Veff)> as long as it satisfies the 2 0.5, smooth lighting of the lamp is possible.
  • a triangular wave voltage is preferable as the secondary voltage of the ballast. This is because the minimum voltage necessary for maintaining the glow discharge and the arc discharge transition voltage can be easily secured.
  • Electrode 24 Commercial AC power supply 26: Ballast a: dielectric breakdown voltage, b to c: glow discharge region, d: arc discharge transition voltage, e to: arc discharge region,

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)

Abstract

【課題】スムーズに点灯可能な、複数本（例えば、２本）の発光管を直列接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置を提供することを目的とする。 【解決手段】この高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置は、一次入力電圧(24)を入力し、二次電圧を出力する安定器(26)と、複数本の電気的に直列接続された発光管(12a,12b)を外球(16)内部に有し、前記安定器からの二次電圧を入力して点灯するランプ(10)とを備え、前記安定器からの二次電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである。例えば、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)となり、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)となる三角波交流電圧を使用することが好ましい。

Description

高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置
　本発明は、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置に関する。更に具体的には、本発明は、複数本（例えば、２本）の発光管を直列に接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置に関する。
　最近、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプが、スポーツ施設、競技場の照明等に、ランプを水平に設置した形式（水平点灯）で使用されることが多い。このような高ワットタイプのランプに使用されている大きなサイズの発光管は、アーク長が長くなるため、アークが中心軸線から外れて湾曲して浮上し、セラミック容器を加熱しクラックの原因となるおそれがあった。
　また、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、セラミック放電容器に封止する導電性材料の太さを太くしなければならないが、導電性材料が太いと、点灯中の温度により膨張したときに、セラミック放電容器と導電性材料との熱膨張率の差から、クラックが発生するおそれがある。
　更に、比較的大きなサイズの発光管は、セラミック容器の製造が比較的困難であり、製造コストが高価になるという欠点もあった。
特開昭６１－２２７３６１号公報「高圧放電ランプ」（公開日：１９８６年１０月９日）　特許文献１には、外球内部に、直列接続された２本の酸化アルミニウム製の発光管を備えた高圧ナトリウム蒸気放電灯に関する記載がある。
　特許文献１に倣って、例えば、７００Ｗ用発光管を、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して置き換えるアイデアが生まれた。これにより、アーク浮上の問題、高価な製造コストの問題等は解決される。
　しかし、２本のセラミック製発光管を電気的に直列接続したセラミックメタルハライドランプを試作して従来の安定器を用いて点灯したところ、グロー放電からアーク放電に移行せずに、グロー放電のままランプが温度上昇し、消灯してしまうという問題があることが判明した。
　従って、本発明は、スムーズに点灯可能な、複数本（例えば、２本）の発光管を直列接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置は、一次入力電圧を入力し、二次電圧を出力する安定器と、電気的に直列接続された複数本の発光管を外球内部に有し、前記安定器からの二次電圧を入力して点灯するランプとを備え、前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞３0.5を満たすものであってよい。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、更に、前記安定器からの二次出力電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であってよい。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、更に、前記安定器からの二次出力電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上であり、且つ各発光管のアーク放電移行電圧の総和未満であり、(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であり、且つ各発光管の絶縁破壊電圧の総和未満であってよい。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記安定器からの二次出力電圧は、三角波交流電圧であってよい。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記複数本の発光管として、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、前記三角波交流電圧は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)となり、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)であってよい。
　更に、上記高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置では、前記複数本の発光管として、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、前記三角波交流電圧は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)であり、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)≦５００Ｖであってよい。
　本発明によれば、スムーズに点灯可能な、複数本（例えば、２本）の発光管を直列接続した高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置を提供することが出来る。
図１は、ＨＩＤランプ内の放電現象を簡単に説明する図である。 図２は、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの中心軸線に沿った要部断面図である。 図３は、図２に示すランプに使用される発光管の中心軸線に沿った要部断面図である。 図４は、図３の発光管の特性を示す図表である。 図５は、セラミックメタルハライドランプ照明装置の回路の概略図である。 図６は、安定器二次電圧として検討した各種電圧波形を示す図である。ここで、（Ａ）は矩形波の電圧波形、（Ｂ）は正弦波の電圧波形、（Ｃ）は三角波の電圧波形である。 図７は、図６に示す各電圧波形をパラメータとした、安定器二次電圧の実効値－最大値の特性であり、ここに示した記号丸「○」はアーク放電に移行可、記号バツ「×」はアーク放電に移行不可の実験データを示している。 図８は、安定器二次電圧の波形の他の例である。
　以下、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置の実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ符号を付与して、重複した説明を省略する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、本発明の技術的範囲を何等限定するものではないことを承知されたい。
　［ＨＩＤランプ内の放電現象］
　本発明の理解を容易にするため、最初に、ＨＩＤランプ（高輝度放電ランプ）の発光管内で発生する放電現象を簡単に説明する。ＨＩＤランプは、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等の総称であり、メタルハライドランプの内でセラミックス製発光管を備えたランプをセラミックメタルハライドランプと称している。
　ＨＩＤランプに使用される発光管の電極間に印加された交流電圧を徐々に高くすると、或る限界を超えると電極間に強い光が観察される放電現象が生じる。図１は、発光管内の放電現象を簡単に説明する図であり、縦軸に発光管端子電圧Ｖをとり、これに対応する放電電流Ａを横軸にとって、放電の電流－電圧特性を説明する。なお、縦軸の発光管端子電圧Ｖに具体的な数値が記載されてないのは、発光管の定格電力、サイズ、電極間距離、封入ガスの種類及び圧力等により、その数値が異なるからである。
　発光管端子電圧を徐々に高くすると、点(ｏ)～(ａ)の領域は、放電開始前で光は全く発しない暗放電領域である。
　点(ａ)を超えることを絶縁破壊という。安定器（図５参照）からランプに対して、ベース電圧（例えば、２００～３００Ｖ）に対して瞬時的に非常に高圧なパルス電圧（例えば、３．７～４．５ｋＶ）を重畳して印加し、絶縁破壊を行っている。なお、この高圧パルス電圧は、絶縁破壊後に直ちに終了する。
　点(ｂ)～(ｃ)の領域は、電圧が比較的高く電流が比較的小さなグロー放電領域であり、陰極電極からの２次電子放出のみを放電電流としている。
　点(e)以降の領域は、電圧が比較的低く電流が比較的大きなアーク放電領域である。アーク放電維持電圧は、グロー放電維持電圧に比較して、低い電圧である。アーク放電領域では、陰極電極の冷電子放出又は熱電子放出を放電電流としている。ＨＩＤランプは、発光管内の金属電子高圧蒸気中のアーク放電を利用したランプである。
　グロー放電からアーク放電に移行するためには、ピーク点(d)（以下、本出願書類では「アーク放電移行電圧」という。）を超える電極間電圧が必要である。従って、上述したグロー放電からアーク放電に移行しなかった問題は、アーク放電移行電圧を超える電圧が電極間に印加されなかったことによる。
　なお、この問題は、特許文献１に開示する高圧ナトリウム蒸気放電灯では生じない。これは、セラミックメタルハライドランプに比較して、高圧水銀ランプ及び高圧ナトリウムランプでは、電極にエミッタが塗布されているためグロー放電電圧が比較的低く、これに伴いアーク放電移行電圧が比較的低いためであった。更に、高圧水銀ランプ及び高圧ナトリウムランプに使用されている発光管は石英製発光管である。石英製発光管は、セラミック製発光管に比較して、発光管内に封入された金属ハロゲン化物と反応し易い欠点を有する反面、熱衝撃に対して強固である長所を有するためであった。
　［第１実施形態］
　（高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ）
　第１実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、２本の汎用発光管を使用した例である。
　図２は、本実施形態に係る高ワットタイプ（例えば、７００～１，０００Ｗ）のセラミックメタルハライドランプ１０の中心軸線に沿った要部断面図である。メタルハライドランプ１０は、口金１４を形成した外球１６内に、支柱１８に支持された２本の発光管１２－１，１２－２が、電気的に直列接続されている。支柱１８は、ステム２０に固定されている。外球１６内は、真空に保持されている。なお、図２には示されていないが、外球１６の内部には、安定器（図５参照）から出力される交流電圧に対して、絶縁破壊を行うための高圧パルス電圧を瞬時的に発生して重畳する始動回路（イグナイタ）が備えられている。
　図３は、図２に示すランプに使用される発光管１２－１，１２－２の中心軸線に沿った要部断面図である。発光管１２－１，１２－２は、断面で見てほぼ楕円形状に形成された発光部１２ａと、その両端に夫々接合された細管部１２ｂ，１２ｃとが一体成型されている。発光部１２ａはセラミックスから形成され、中央部から細管接合部に向けて徐々に内径が小さくなっている。各細管部１２ｂ，１２ｃには、電極２２ａ、２２ｂが夫々挿入されている。両電極間の間隙が、アーク長Ｌに相当する。
　上述したように、発光管は、高ワットタイプ（例えば、７００Ｗ発光管，１，０００Ｗ発光管）になるとサイズが大きくなるため、アーク長が長くなり、アークの浮上が起こり、セラミック容器を加熱しクラックの原因となる。また、大きなサイズのセラミック容器は、製造が比較的困難であり、製造コストが高価になるという欠点がある。これに対して、現在、比較的大量に使用され、従って市場に於いて比較的廉価に入手可能な発光管として、３６０Ｗ発光管があり、次に、２７０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等がある。図２のランプでは、このような汎用発光管を使用している。
　図４は、図３の発光管の特性を示す図表である。ここには、汎用３６０Ｗ用発光管として４種類のデータ「３６０Ｗ－１～４」が示されている。夫々のアーク長Ｌは、１６～２２ｍｍの範囲にある。これ以降説明するデータは、発光管「３６０Ｗ－４」を使用して行った実験データである。
　なお、比較のため、高ワットタイプの７００Ｗ発光管として４種類のデータ「７００Ｗ－１～４」も添付する。これらのアーク長Ｌは、３９ｍｍと比較的長い。アーク長Ｌが長いため、水平点灯した場合、発光管内のガスの対流によりアークが浮上し大きく湾曲する。
　図５は、セラミックメタルハライドランプ照明装置の回路の概略図である。電源２４は、商用交流電源２００Ｖ（特別な場合、１００Ｖ）である。安定器２６は、トランスとチョークコイルを使用して、所定の安定器二次電圧を出力する。
　本発明者等は、２本の直列接続の発光管を、グロー放電からアーク放電にスムーズに移行させるために、次の条件を満たすことが必要であるとの結論に達した。図１を参照すると、(a)２本の発光管１２－１，１２－２の両端に印加される端子間電圧が、定常値として、各発光管のグロー放電維持電圧（点ｂ～ｃ参照）の総和以上あり、(b)瞬時値として、各発光管のアーク放電移行電圧（点ｄ参照）の総和以上あること、である。
　なお、２本の発光管１２－１，１２－２の電気的特性が全く同じであれば、安定器２６の二次出力電圧は、各発光管１２－１，１２－２の夫々の端子間電圧は１／２ずつ印加される。現実問題としては、各発光管の電気的特性にはバラツキがある。しかし、端子間電圧が、定常値として、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あれば、グロー放電は維持される。同様に、瞬時値として、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上あれば、必ず、一方の発光管はアーク放電に移行し、アーク放電に移行した発光管は負性抵抗を示し、これに印加される端子電圧は急激に低下する結果、更に大きな電圧が他方の発光管に印加することになり、他方の発光管もアーク放電に移行する。
　このため、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上ある、安定器の二次出力電圧の検討を行った。
　その結果、安定器の二次出力電圧の波形を変えることにより、この条件を満たすこととしたのである。即ち、通常の安定器の二次出力電圧の波形は、正弦波である。これを、例えば三角波に代えることにより、上記条件を満たしたのである。なお、説明のため、従来の正弦波に加えて、矩形波の例も交えて、三角波の利点を説明する。
　図６は、安定器の二次出力電圧として検討した各種電圧波形を示す図である。ここで、（Ａ）は矩形波の電圧波形、（Ｂ）は正弦波の電圧波形、（Ｃ）は三角波の電圧波形である。三角波の場合、その波形には変形がある。波形が、正三角形の場合は、波形の高さｈと底辺ａの比は、ｈ／ａ＝３0.5である。オシロ波形で時間軸を合わせた場合、正三角形に比べて、高さｈが比較的高い二等辺三角形の場合、ｈ／ａ＞３0.5となる。正三角形に比べて、高さｈが比較的低い二等辺三角形の場合、ｈ／ａ＜３0.5となる。本出願書類では、用語「三角波」は、正三角形波及びこのような変形の三角波を含むことを承知されたい。
　矩形波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax(矩形波)＝Ｖeff(矩形波)となる。正弦波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax(正弦波)＝２0.5Ｖeff(正弦波)＝１．４１４・Ｖeff(正弦波)となる。これに対して、今回の実験で使用した三角波電圧に関しては、実効値と最大値の関係は、Ｖmax(三角波)＝１．９４１・Ｖeff(三角波)であった。
　同じ実効値Ｖeff（例えば、２８０Ｖ）の場合、矩形波の最大値は、実効値と同じであり、Ｖmax(矩形波)＝Ｖeff(矩形波)＝２８０Ｖとなる。正弦波の最大値は、実効値の１．４１４倍であり、Ｖmax(正弦波)＝１．４１４・Ｖeff(正弦波)＝３９６Ｖとなる。これに対して、三角波の最大値は、実効値の１．９４１倍であり、Ｖmax(三角波)＝１．９１４・Ｖeff(三角波)＝５４３Ｖとなり、同じ実効値でも最大値が高くなり、比較的高いアーク放電移行電圧を容易に確保できる。
　この結果より、従来使用されていた正弦波の最大値／実効値の比率（Ｖmax(正弦波)／Ｖeff(正弦波)＝２0.5）より大きな比率の波形が必要であることが判明した。これが、三番目の条件、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである。このような波形として、典型的には、二次出力電圧の最大値と実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）が大きな三角波がある。
　更に、小形で低出力の安定器とするためには、図１から分かるように、二次出力電圧の最大値Ｖmaxは、絶縁破壊電圧（図１の点ａ）より低くてよい（即ち、Ｖmax＜各発光管の絶縁破壊電圧の総和）。また、二次出力電圧の実効値Ｖeffは、アーク放電移行電圧（図１の点ｄ）より低くてよい（即ち、Ｖeff＜各発光管のアーク放電移行電圧の総和）。
　図７は、図６に示す各電圧波形をパラメータとした、安定器二次電圧の実効値－最大値の特性である。ここに、２本の「３６０Ｗ用発光管－４」を使用して、アーク移行の可否の実験結果を表示してある。記号丸「○」はアーク放電に移行可、記号バツ「×」はアーク放電に移行不可の実験データを示している。
　図７に示すように、三角波の二次出力電圧では、Ｖeff(三角波)＝２６０Ｖ，２８０Ｖ，３００Ｖ，３２０，…で、アーク放電移行可が確認された。これに対して、正弦波では、Ｖeff(正弦波)≧３００Ｖでアーク放電移行可となった。矩形波も同様に、Ｖeff(矩形波)≧３００Ｖでアーク放電移行可となった。二次出力電圧が三角波の場合、他の波形と比較して、同じ実効値でも高い最大値が得られ、アーク放電移行が実現できる。これは、比較的小型で、そのため廉価な安定器を使用できることを意味する。
　なお、日本国内の法規制「電気設備技術基準」によれば、使用電圧が低圧の電路の電線相互間及び電路と大地との間の要求絶縁抵抗は、３００Ｖ以下とこれを超えるものとでは異なっている。要求絶縁抵抗が高くなると、安定器のコストが高くなり、好ましくない。従って、日本国内に於いては、７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)≦３００Ｖとしてもよい。但し、これは法規制に関する制限事項であり、発明の技術的内容に関する制限事項ではない。
　以上、安定器の二次出力電圧の波形が三角波であるとして説明した。しかし、波形は三角波に限定されないことを承知されたい。安定器二次電圧に要求される条件は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである。図８は、安定器二次電圧の波形の他の例である。例えば、図８に示すような２種類の矩形波を重畳した二次出力電圧であっても、上記条件を満たすことができる。
　［第２実施形態］
　第２実施形態は、図示していないが、発光管を３本以上電気的に直列接続した例である。例えば、１，０００Ｗの高ワットタイプのランプの発光管を、３本の汎用３６０Ｗ発光管で置き換えることができる。安定器の二次電圧は、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである。
　この場合、汎用の発光管を利用できるメリットがある。反面、ディメリットとして、例えば、３本の３６０Ｗ用発光管のグロー放電維持電圧の総和及びアーク放電移行電圧の総和は、１，０００Ｗ用発光管のグロー放電維持電圧及びアーク放電移行電圧より夫々大きくなるため、それに応じた二次出力電圧が可能な安定器を用意しなければならない。
　［第３実施形態］
　第３実施形態は、図示していないが、異なる種類の複数本の発光管を電気的に直列接続した例である。例えば、現在、汎用発光管として、２７０Ｗ発光管、３６０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等が入手可能である。例えば、（２７０Ｗ発光管＋３６０Ｗ発光管＋４４０Ｗ発光管）を直列接続して、１，０００Ｗの高ワットタイプのランプを実現してもよい。この場合のメリット及びディメリットは、第２実施形態で説明したのと同様である。
　［実施形態の利点・効果］
以上により、本実施形態の利点・効果として、次のことが判明した。
　(1) 高ワットタイプのメタルハライドランプの発光管を、複数個の汎用発光管で置き換えることができる。
　(2)この場合、複数個の汎用発光管は、２個又は３個以上でよい。
　(3) この場合、複数個の汎用発光管は、異なる出力の発光管（例えば、２７０Ｗ発光管、３６０Ｗ発光管、４４０Ｗ発光管等）を組み合わせてもよい。
　(4)この場合、安定器二次電圧が、(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、(b)最大値が、各発光管をアーク放電移行電圧の総和以上であり、(c) その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものであれば、ランプのスムーズな点灯が出来る。
　(5) 安定器二次電圧として、三角波電圧が好ましい。グロー放電を維持するに必要最小の電圧と、アーク放電移行電圧を容易に確保できるからである。
　(6) 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプとして、７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、実験で用いた三角波交流電圧は、実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)となる。最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)となる。
　［その他］
　以上、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態について説明したが、これらは例示であり、本発明の範囲を何等制限するものではない。本実施形態に対して当業者が容易に成し得る追加・削除・変更・改良等は本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添附の請求の範囲の記載に基づいて定められる。
　１０：セラミックメタルハライドランプ、　１２，１２－１，１２－２：発光管、　１２ａ：発光部、　１２ｂ，１２ｃ：細管部、　１６：外球、　１４：口金、　１８：支柱、　２０：ステム、　２２ａ，２２ｂ：電極、　２４：商用交流電源、　２６：安定器、
　ａ：絶縁破壊電圧、　ｂ～ｃ：グロー放電領域、　ｄ：アーク放電移行電圧、　ｅ～：アーク放電領域、

Claims (7)

  1. 　一次入力電圧を入力し、二次電圧を出力する安定器と、
    　電気的に直列接続された複数本の発光管を外球内部に有し、前記安定器からの二次電圧を入力して点灯するランプとを備え、
    　前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞２0.5を満たすものである、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  2. 　請求項１に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
    　前記安定器からの二次出力電圧は、少なくとも、その波形が、最大値／実効値の比率（Ｖmax／Ｖeff）＞３0.5を満たすものである、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  3. 　請求項１又は２に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、更に、
    　前記安定器からの二次出力電圧は、
    　(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上あり、
    　(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上である、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、更に、
    　前記安定器からの二次出力電圧は、
    　(a)実効値が、各発光管のグロー放電維持電圧の総和以上であり、且つ各発光管のアーク放電移行電圧の総和未満であり、
    　(b)最大値が、各発光管のアーク放電移行電圧の総和以上であり、且つ各発光管の絶縁破壊電圧の総和未満である、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
    　前記安定器からの二次出力電圧は、三角波交流電圧である、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  6. 　請求項５に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
    　前記複数本の発光管として、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに、２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、
    　前記三角波交流電圧は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)となり、
    　実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)となる、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
  7. 　請求項５に記載のセラミックメタルハライドランプ照明装置において、
    　前記複数本の発光管として、高ワットタイプの７００Ｗ用発光管の代わりに２本の汎用タイプの３６０Ｗ用発光管を電気的に直列接続して用いる場合、
    　前記三角波交流電圧は、最大値で表示すると、５００Ｖ≦Ｖmax(三角波)であり、
    　実効値で表示すると、２６０Ｖ≦Ｖeff(三角波)≦５００Ｖである、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ照明装置。
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