JP2007188903A - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】発光管の容器が破損した場合であっても、異常放電による２次的損傷が生じ難いメタルハライドランプを提供する。
【解決手段】本管部５a及び当該本管部５aの両端それぞれに設けられた細管部５ｂ、５ｃからなるセラミック製の発光管５と、前記本体部内に配置される一対の電極と、一端部に前記電極が接続され、かつ、他端部が前記細管部５ｂ、５ｃから延出されている給電体４ａ、４ｂと、前記給電体４ａに接続しており、発光管５に近接又は接触している始動用導線７とを有するメタルハライドランプであって、始動用導線７には、限流素子６が挿入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタルハライドランプ、特にメタルハライドランプ内に配置される始動用導線に関する。

従来のメタルハライドランプは、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、一端部が閉塞され、かつ他端部に口金が取り付けられている外管１０２と、この外管内で、後述のステム線によって支持され、かつ外囲器がセラミックからなる発光管１０５と、この発光管１０５を囲み、防爆用として配置されたガラス製のスリーブ１１０と、このスリーブ１１０を保持するためにスリーブ１１０の両端部に設けられた金属製のプレート１０８及び１０９とを備えている。

外管１０２は、点灯時において、１００ｋＰａとなるように窒素ガスが封入されている。
外管１０２の他端部には、電極に電流を供給するための２本のステム線１０３ａ、ｂを支持するガラス製のステム１０１が融着されている。
発光管１０５は、本管部とこの本管部の両端部に設けられた細管部とを有していると共に、その内部に発光物質としての金属ハロゲン化物、緩衝ガスとしての水銀、始動ガスとしての希ガスがそれぞれ所定量封入されている。

本管部内には、互いに対向するように配置された一対の電極が設けられている。
この電極の端部は、それぞれ細管部内にガラスフリットにより封着された給電体１０４ａ、ｂの一端部に電気的に接続されている。
給電体１０４ａ、ｂの他端部は、細管部の外部から導出され、各ステム線に電気的に接続されている。

メタルハライドランプを点灯するために、通常、イグナイタ（図外）、安定器（図外）及び電源回路（図外）などからなる駆動回路が用意される。
始動時において、イグナイタは、定常時において印加される正弦波電圧に、さらに、高電圧のパルスを重畳し、始動用導線１０７と電極１１４の近傍に微放電を発生させ、この微放電による初期電子をきっかけとして、図５（ａ）に示すように、低い始動電圧で発光管１０５内の対をなす電極間にアーク放電を発生させる。

このように、従来のメタルハライドランプは、始動用導線を備えて始動性を高めたものがある。（例えば、特許文献１参照）
特開平１０−２９４０８５号

しかしながら、従来のメタルハライドランプは、低電圧で始動ができる反面、以下のような問題点がある。
即ち、発光管１０５の内壁は、放電時において、高温、高圧となり、長時間使用されると、熱疲労などにより、図５（ｂ）に示すように、発光管１０５の容器が破損する場合がある。

発光管１０５の容器が破損すると、内部の希ガス、水銀及び金属ハロゲン化物が放出されるため、アーク放電は停止し、電流値は０となる。
このとき、イグナイタは、ランプ電圧が高くなったことを検知して、始動時と判断し、正弦波電圧に高電圧のパルスを重畳させる。
これにより、電極間距離（ｒ_a）よりも短い距離（ｒ_ｂ）で、一方の電極と対峙する始動用導線１０７の間で絶縁破壊が生じ、さらに、アーク放電、即ち、異常放電へと移行する。

なお、この異常放電を外管内放電と呼ぶこともある。
始動用導線１０７は、線径の細いモリブデン線などで構成されるので、上述の異常放電により、図５（ｂ）に示すように、放電の起点となっているＣ部が溶断することとなるが、溶断されたＣ部よりも上の導線部分は、電極１１３と繋がっているため、異常放電は継続する。

このため溶断は進行し、図５（ｃ）に示すように、Ｃ部よりも上の導線部分が溶されながらＤ部まで放電距離（ｒ_ｃ）が伸びて行くこととなる。
放電距離が距離（ｒ_ｃ）に達すると、異常放電を継続するために必要な電圧を供給することができなくなるため異常放電が停止する。
ここまでに至る過程において、異常放電に伴う大電流のため、安定器などが破損することが多く、又、異常放電により外管１０２は、高温となり、クラック及び破損が生じる可能性もある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、メタルハライドランプにおいて、発光管の容器が破損した場合であっても、異常放電による２次的損傷が生じ難いメタルハライドランプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るメタルハライドランプは、本体部及び当該本体部の両端それぞれに設けられた細管部からなるセラミック製の発光管と、前記本体部内に配置される一対の電極と、一端部に前記電極が接続され、かつ、他端部が前記細管部から延出されている給電体と、前記給電体の一方に接続しており、前記発光管に近接又は接触している始動用導線とを有するメタルハライドランプであって、前記始動用導線には限流素子が挿入されていることを特徴とする。

上述の構成により、異常放電が抑止され、異常放電による２次的損傷の発生が抑止される。
また、前記限流素子は、前記異常放電が生じないように電流を制限する抵抗体からなるとしてもよい。
これにより、前記限流素子に流れる電流の量が制限されるため、前記異常放電が抑止される。

また、前記限流素子の抵抗値は、１ｋΩ以上、１ＭΩ以下であるとしてもよい。
これにより、始動電圧の上昇を伴わない範囲で前記限流素子に流れる電流の量が制限されるため、始動性を維持しつつ、前記異常放電が抑止される。
また、前記限流素子は、コンデンサからなるとしてもよい。
これにより、交流駆動の場合において、前記限流素子に流れる電流の量が制限されるため、前記異常放電が抑止される。

また、メタルハライドランプの定格電力が５０Ｗ以上４００Ｗ以下であって、前記限流素子の２箇所にある端子同士の間隔は、４．５ｍｍ以上となっているとしてもよい。
これにより、前記限流素子の両端子間で異常放電が発生することが抑止される。
また、前記発光管は、外管内に収納されており、当該外管と前記発光管との間に少なくとも前記本体部を囲むスリーブと、前記スリーブを保持するために前記スリーブの両端部に配置された第１支持部材及び第２支持部材とを備え、前記限流素子は、前記第１支持部材と第２支持部材とで挟まれた空間以外の空間に位置しているとしてもよい。

これにより、発光管における放電に伴い発生する輻射熱や対流による熱の伝導が、第１支持部材もしくは第２支持部材により遮断されるため、前記限流素子への熱負荷が軽減される。
つまり、前記限流素子の熱による劣化が軽減される。
また、前記始動用導線の一端は、前記発光管が破損した場合であっても、形状変化を伴い難い前記発光管部分に巻きつけられているとしてもよい。

これにより、発光管の破損時に、始動用導線と第２電極との間隔の変化が抑制される。
つまり、放電距離は、異常放電の放電状態に影響を及ぼすため、前記異常放電を抑止する上で考慮された設計パラメータと現実のパラメータとのずれを小さくすることができ、より確実に前記異常放電が抑止される。

＜構成＞
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の実施の形態におけるメタルハライドランプ２０の概略図である。
図１（ａ）に示すように、メタルハライドランプ２０は、定格電力が１５０Ｗの高輝度放電ランプであって、ステム１と、外管２と、ステム線３ａ及び３ｂと、給電体４ａ及び４ｂと、発光管５と、限流素子６と、始動用導線７と、プレート８と、プレート９と、スリーブ１０と、絶縁体１１と、口金１２とを有する。

ステム１は、ステム線３ａ及び３ｂを支持するガラス製の部材である。
外管２は、硬質ガラスなどからなり、内部には、窒素などの不活性ガスが、例えば、点灯時（約３００℃）において１００Ｐａの圧力となるように封入されている。
口金１２は、照明器具用のソケットに接続するための２極端子である。
ステム線３ａは、一端が口金１２内部の一方の電極端子（図外）に接続されており、ステム１を貫通して他端が給電体４ａに溶接されている。

ステム線３ｂは、一端が口金１２内部の他方の電極端子（図外）に接続されており、ステム１を貫通して他端が給電体4ｂに溶接されている。
発光管５は、アルミナ（熱膨張係数８．１×１０^-6）などの透光性を有するセラミック材からなり、円筒状の本管部５aと、この本管部５aの両端部に設けられ、径が小さな円筒状の細管部５ｂ及び５ｃとからなる。

本管部５a内部の放電空間に、所定の金属ハロゲン化物、水銀及びネオン及びアルゴンなどの希ガスが、常温において１３ｋＰａの圧力で封入されると共に、一対の電極（電極１３及び電極１４）が対向配置される（図３参照）。
電極１３及び電極１４は、それぞれ給電体４ａ及び４ｂと接続された状態で、上述の各細管部内部に挿入されシール部材で封止されている。

スリーブ１０は、円筒状の石英からなり、発光管５が破損した場合、破片が周囲に飛散して、外管２を損傷させないようにするためのものである。
プレート８及び９は、ステンレス製の薄板からなり、スリーブ１０を発光管５から決められた間隔をおいて支持するためのものである。
また、プレート８及び９は、それぞれ給電体４ａ及び４ｂが貫通し、外周には外管２の内壁に近接する複数の爪部８ａ及び９ａを有している。

ここで、棒状の給電体４ａ及び４ｂが、発光管５の長手方向における中心軸上に挿入されているため、プレート８及び９は、給電体４ａ及び４ｂそれぞれを外管２のほぼ中心軸上に案内することにより、発光管５の前記中心軸を外管２のほぼ中心軸上に案内している。
また、プレート８及び９により、外管２の内側は、３つの領域に仕切られている。

発光管５を含まない２つの領域に着目すれば、プレート８及び９は、発光管５から照射される光、即ち、輻射熱を遮断していることとなる。
これにより、点灯時においては、上記２つの領域における温度は、発光管５を含む領域に比べて低くなる。
また、プレート８ａには、図１（ｂ）に示すように、始動用導線７が貫通する穴８ｂが設けられている。

絶縁体１１は、プレート９の電位を浮かせるために給電体４ｂとの間に挿入される絶縁部材である。
始動用導線７は、線径が０．２ｍｍのモリブデン線であり、一端が限流素子６に溶接され、細管部５ｂに巻き付けられ、中央が本管部５aの外周に接するように配置され、さらに、他端が電極１４の近傍の細管部５ｃに巻きつけられている。

なお、細管部５ｂ及び５ｃは、給電体４ａ及び４ｂがそれぞれ挿入されているため、本管部５ａが破損しても形状的には変化が生じ難く、したがって、細管部５ｂ及び５ｃに巻きつけられた始動用導線７もまた、前記破損が生じても位置的変化が生じ難い。
限流素子６は、抵抗値（Ｒ_Ｇ）が２０ｋΩの炭素皮膜抵抗器であり、一端が給電体４ａに、他端が始動用導線７に溶接されている。

限流素子６の両端には、図３（ａ）に示すように、それぞれキャップ端子６ａ及び６ｂが冠設されており、これらキャップ端子同士の間隔（Ｌ）は、以下の理由により４．５ｍｍが確保されている。
即ち、始動用導線７と電極１４との間で絶縁破壊が生じた場合、限流素子６のキャップ端子６ａ及び６ｂ間にも大きな電位差が生じるが、限流素子６を抵抗として正常に機能させようとすれば、この電位差によりキャップ端子６ａ及び６ｂ間に絶縁破壊を生じさせないことが前提となる。

キャップ端子６ａ及び６ｂ間で絶縁破壊が生じないようにするには、６ａおよび６ｂ間に一定の絶縁距離（ｒｄ）を確保すればよいことが判った。
また、発明者らは、メタルハライドランプ２０（定格電力１５０Ｗ）を含む、定格電力が５０Ｗ以上４００Ｗ以下のメタルハライドランプにおいて、上述の絶縁距離（ｒｄ）が４．５ｍｍであることを確認した。

プレート８は、図１（ｂ）に示すように、始動用導線７が貫通する穴８ｂが設けられており、この穴径は、上記と同じ理由により、始動用導線７との絶縁距離が上述の絶縁距離（ｒｄ）以上、即ち、４．５ｍｍ以上に確保されている。
メタルハライドランプ２０を駆動する駆動回路として、電力を供給する電源回路（図外）と、ランプ電圧及びランプ電流を調節するための安定器（図外）と、始動時において高電圧のパルスを印加するためのイグナイタ（図外）とが設けられている。

電源回路は、スイッチオンされると、図２（ａ）に示すように、周波数が６０Ｈｚ、ピーク電圧が３２５Ｖ（＋Ｖ_１、−Ｖ_１）の正弦波の電圧を発生させる。
イグナイタは、ランプ電圧が高いことを検知して作動する回路であって、図２（ｂ）に示すように、上述の正弦波のピーク点付近において高電圧のパルスを重畳してピーク電圧を４５００Ｖ（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）に高める。

始動時、発光管５内の電極１３及び電極１４間には、当初アーク放電は生じていないが、前記重畳された高電圧のパルスによって、始動用導線７と電極１４との近傍に微放電が発生し、前記電極間にアーク放電を発生させるきっかけとなる初期電子が生成される。
＜動作＞
図３（ａ）は、正常時における、メタルハライドランプ２０の動作状況を示す図である。

電極１３及び電極１４間にアーク放電が生じる前の始動時においては、４５００Ｖの高電圧パルス（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）が、電極１３と電極１４との間に印加されるが、放電に寄与する電子が本管部５ａ内に極めて少ないため、電極１３及び電極１４間にアーク放電は生じない。
一方、高電圧のパルス（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）が、始動用導線７と電極１４との間に印加されると、セラミック製の細管部５ｃにより空間的に隔絶されているものの、始動用導線７の端部と電極１４との間の電位傾度が極めて大きくなるため、電極１４の近傍で微放電が生じる。

この微放電時における電流は、上述のメカニズムから、極めて小さな値となる。
厳密には、限流素子６は、２０ｋΩの抵抗値を有するため電圧降下を生じるが、電流の値が極めて小さいことにより、この電圧降下の値は極めて小さい。
したがって、始動用導線７の前記端部に印加される電圧（＋Ｖ_ａ０、−Ｖ_ａ０）は、上述の高電圧のパルス（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）と殆ど変わらない。

つまり、限流素子６は、高電圧パルスの値に殆ど影響を与えない。
これにより、限流素子６の有無に関わらず、始動時において、イグナイタにより重畳された４５００Ｖの高電圧のパルス（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）によって、電極１４及び始動用導線７間で微放電が発生し、この微放電がアーク放電のきっかけとなる初期電子となって、電極１３及び電極１４間でアーク放電が発生する。

無論、限流素子６の抵抗値が、極めて大きな値をとる場合、限流素子６の抵抗値を無視できなくなる。電極１４付近の始動用導線７の端部と電極１４との間に印加される電圧は、減少するため、上述の微放電も発生しなくなり、アーク放電の初期電子を生成できなり、始動電圧が上昇することとなる。
上述の限流素子６の抵抗値は、始動電圧の上昇が起こらない範囲において、実験的に求められた値であり、厳密には、上述の２０ｋΩの値に限るものではなく、始動性評価において、基準をクリアできる最も大きな抵抗値（Ｒ２）以下、即ち、１ＭΩ以下の範囲にあればよいことが確認されている。
＜本管部５ａ破損時＞
続いて、本管部５ａが破損した場合について説明する。

図３（ｂ）は、本管部５ａ破損時における、メタルハライドランプ２０の動作状況を示す図である。
本管部５ａは、点灯時においては内部が高温高圧となる小さな圧力容器となり、熱疲労によって本管部５ａにクラックが生じることなどにより破損する場合がある。
この破損に伴い、外管２の内部には、発光管５から金属ハロゲン化物、水銀、ネオン及びアルゴンなどの希ガスが、外管２内に流出する。

そして、近接する始動用導線７と電極１４とを絶縁していた本管部５ａが損傷して脱落することにより、電位差のある始動用導線７及び電極１４同士が剥き出しの状態となる。
このとき、本管部５ａの破損により電極１３及び電極１４間のアーク放電は消滅し、ランプ電圧が上昇するが、ランプ電圧の上昇を検知したイグナイタは、正弦波電圧に高電圧パルス（＋Ｖ_０、−Ｖ_０）を重畳する。

このとき、重畳された４５００Ｖの高電圧パルスが電極１３及び電極１４間に印加されることとなる。
この結果、始動用導線７のうち、最も電極１４と距離的に近いＣ部と電極１４の間において、絶縁破壊が生じる。
このとき、高電圧パルスが印加された瞬間のみに放電（以下、「パルス放電」という。）が起こる状態となっている。

パルス放電においては、電流値が小さく、限流素子６による効果は得られない。
一方、パルス放電状態においても、高電圧パルスの印加は、停止されないため、より大きな電流が流れるアーク放電へと移行しようとする。
しかしながら、限流素子６により、始動用導線７を流れる電流は、アーク放電に必要な電流値以下に制限されるため、アーク放電は生じない。

発明者らは、アーク放電への移行に必要な電流値以下に制限するには、この抵抗値Ｒ１がメタルハライドランプ２０（定格電力１５０Ｗ）において、１ｋΩ以上必要であることを確認した。
したがって、本管部５ａが破損した場合、異常放電を防止し、かつ、始動性を現状レベルに維持するために必要な限流素子６の抵抗値の範囲は、１ｋΩから１ＭΩまでの範囲となる。

以上のように、本実施形態によれば、メタルハライドランプにおいて、発光管５の容器、つまり、本管部５ａが破損した場合であっても、電極１４と始動用導線７との間において、アーク放電、即ち、異常放電が生じない程度に電流の値を制限するため、過電流が流れず、安定器や外管２などの２次的損傷が防止される。
なお、本実施の形態では、メタルハライドランプ２０は、定格電力が１５０Ｗとしたが、これに限らず、５０Ｗ以上４００Ｗ以下の範囲のいずれかの値を定格電力としてもよい。

この場合も、本管部５ａが破損したときに、異常放電を防止し、かつ、始動性を現状レベルに維持するために必要な限流素子６の抵抗値の範囲は、１ｋΩから１ＭΩまでの範囲となる。
また、限流素子６は、炭素皮膜抵抗器としたが、これに限らず、チップ抵抗など、他の種類の抵抗器であってもよい。

また、本発明のメタルハライドランプ２０は、交流電圧が印加されているが、直流電圧が印加されてもよい。
また、メタルハライドランプ２０に、交流電圧が印加されている場合は、限流素子６の炭素皮膜抵抗器に代えて、コンデンサを用いてもよい。
つまり、交流駆動においては、コンデンサも抵抗と同様にインピーダンスを有するのものであるから、抵抗と同様、本管部５ａの破損時において、始動用導線７を流れる電流の値を制限することができる。

また、本実施の形態では、始動用導線７は、発光管５の外周に接するように配置されているとしたが、発光管５の外周に接しなくても、近接していればよい。
また、電極と給電体の構成は、上記実施の形態と異なっていてもよく、例えば、電極と給電体が単一の部材であってもよい。

本願発明は、始動用導線を用いて点灯を補助する高圧放電ランプに適用可能である。

（ａ）は、本発明の実施の形態におけるメタルハライドランプの概略図（側面図）である。 （ｂ）は、本発明の実施の形態におけるメタルハライドランプの概略図（上面図）である。 （ａ）は、定常時において、発光管内の２つの電極間に印加される電圧波形を示す図である。 （ｂ）は、始動時において、発光管内の２つの電極間に印加される電圧波形を示す図である。 （ａ）は、本実施の形態におけるメタルハライドランプの正常時においての動作状況を示す図である。 （ｂ）は、本実施の形態におけるメタルハライドランプの本管部破損時においての動作状況を示す図である。 （ａ）は、従来のメタルハライドランプの概略図（側面図）である。 （ｂ）は、従来のメタルハライドランプの概略図（上面図）である。 （ａ）は、従来のメタルハライドランプの正常時における状況を示す図である。 （ｂ）は、従来のメタルハライドランプの本管部破損時当初における状況を示す図である。 （ｃ）は、従来のメタルハライドランプの本管部破損時末期における状況を示す図である。

符号の説明

１ ステム
２ 外管
３ａ、３ｂ ステム線
４ａ、４ｂ 給電体
５ 発光管
５ａ 本管部
５ｂ、５ｃ 細管部
６ 限流素子
７ 始動用導線
８、９ プレート
８ｂ 穴
８ａ、９ａ 爪部
１０ スリーブ
１１ 絶縁体
１２ 口金
１３、１４ 電極
２０ メタルハライドランプ

Claims (4)

1. 本体部及び当該本体部の両端それぞれに設けられた細管部からなるセラミック製の発光管と、前記本体部内に配置される一対の電極と、一端部に前記電極が接続され、かつ、他端部が前記細管部から延出されている給電体と、前記給電体の一方に接続しており、前記発光管に近接又は接触している始動用導線とを有し、内部に始動用イグナイタを含む駆動回路を有さず、外部に設けられた始動用イグナイタを含む駆動回路により始動されるメタルハライドランプであって、
   前記始動用導線には、抵抗値が１ｋΩ以上、１ＭΩ以下である抵抗体が挿入されていることを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 定格電力が５０Ｗ以上４００Ｗ以下であって、
   前記抵抗体の２箇所にある端子同士の間隔は、４．５ｍｍ以上となっていることを特徴とする請求項１記載のメタルハライドランプ。
3. 前記発光管は、外管内に収納されており、
   当該外管と前記発光管との間に少なくとも前記本体部を囲むスリーブと、
   前記スリーブを保持するために前記スリーブの両端部に配置された第１支持部材及び第２支持部材とを備え、
   前記抵抗体は、前記第１支持部材と第２支持部材とで挟まれた空間以外の空間に位置していることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のメタルハライドランプ。
4. 前記始動用導線の一端は、前記発光管が破損した場合であっても、形状変化を伴い難い前記発光管部分に巻きつけられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のメタルハライドランプ。

Images