JP2014157671A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】高演色且つ高効率を達成することができる高圧放電ランプであって、始動用電圧が低電圧であっても、始動することができる始動補助光源を備えた高圧放電ランプを提供する。
【解決手段】高圧放電ランプは、１対の電極を備えた発光管と、該発光管の外部に配置された始動補助用の紫外線を発生する始動補助光源と、前記始動補助光源に始動用電圧パルスを印加する始動回路と、前記発光管、前記始動補助光源及び前記始動回路を収納する外バルブとを有する。前記始動補助光源は、希ガスを封入した気密容器と、該気密容器の内部に配置された内部電極と、前記気密容器の外部に配置された外部電極とを有し、前記内部電極にはエミッタが塗布されており、前記始動補助光源は、０．９〜１．５ｋｖの始動用電圧パルスが印加されることによって始動する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、高圧放電ランプに関し、特に、高圧放電ランプに用いる始動補助光源に関する。

メタルハライドランプは、高演色と高効率を達成することができる特徴を有するが、始動性が悪いという不利な点がある。従来、高圧放電ランプの始動性を向上させるために様々な工夫がされている。例えば、発光管の内部に金属ハロゲン化物以外に放射性物質を封入する例が知られている。しかしながら、近年、放射性物質に対して厳しい規制が設けられ、その取り扱いが困難となっている。始動性を向上させるために発光管の電極フィラメントにエミッタ（電子放出物質）を塗布してもよい。特許文献４（特表２０００−５０５９３９号公報）、特許文献５（特開平９−１５３３４３号公報）、特許文献６（特開２０１０−１５３３３９号公報）には、高圧放電ランプの発光管の電極に、アルカリ土類金属酸化物を含むエミッタを用いる例が記載されている。

特許文献１（特開平１１−１６２４１３号公報）に記載された高圧放電ランプでは、始動性を向上させるために、発光管の内部に主電極以外に補極を設ける。特許文献２（特開２０１１−４９０９３号公報）に記載された例では、始動性を向上させるために、発光管の外部に始動補助光源を設ける。特許文献３（特表２００３−５０２８０４号公報）に記載されたメタルハライドランプでは、発光管の内部に補極を設け、更に、発光管の外部に始動補助光源を設ける。

始動補助光源には様々な態様が知られているが、ＵＶエンハンサ（紫外線放射放電管）が広く知られている。特許文献３（特表２００３−５０２８０４号公報）に記載されたＵＶエンハンサは、希ガスを封入した気密容器と、気密容器の内部に配置された１対の内部電極とを有する。このような形式のＵＶエンハンサは、一旦放電すると、ランプが点灯した後でも、そのままグロー放電が持続するため、ＵＶエンハンサの寿命が短くなるという問題がある。そのため、この形式のＵＶエンハンサは現在では殆ど使用されていない。通常用いられるＵＶエンハンサは、希ガスを封入した気密容器と、気密容器の内部に配置された内部電極と、気密容器の外側に配置された外部電極とを有する。

特開平１１−１６２４１３号公報 特開２０１１−４９０９３号公報 特表２００３−５０２８０４号公報 特表２０００−５０５９３９号公報 特開平９−１５３３４３号公報 特開２０１０−１５３３３９号公報 特開２００９−２５９７６９号公報 特開２００８−１９２４７５号公報

高圧放電ランプでは、ランプと始動補助光源は並列に接続されており、始動回路からランプ及び始動補助光源に同一の電圧パルスが印加される。ここで、始動回路からランプ及び始動補助光源に印加する電圧を始動用電圧と称し、ランプ及び始動補助光源を始動させるために必要な電圧を、特に、始動開始電圧と称することとする。始動用電圧は、ランプ電力供給回路及び始動回路の構成によって決まる。

一方、発光管の始動開始電圧は発光管の構造、特に、発光管は封入された発光物質によって決まる。始動補助光源の始動開始電圧は始動補助光源の構造によって決まる。ランプの始動開始電圧と始動補助光源の始動開始電圧は必ずしも同一ではない。始動用電圧は、ランプの始動開始電圧と始動補助光源の始動開始電圧のいずれよりも高い必要がある。

高演色且つ高効率の高圧放電ランプでは、発光管に種々の発光物質を封入するためランプの始動開始電圧は比較的高くなる。そのため、始動用電圧は比較的高く設定される。本願の明細書では、始動用電圧が３ｋｖより大きい場合に高電圧と称し、３ｋｖ以下の場合に低電圧と称する。

特許文献７（特開２００９−２５９７６９号公報）には、始動用電圧を約５ｋＶ以下とし、始動開始電圧が３．０〜５．０ｋＶである高圧放電ランプの例が記載されている。特許文献８（特開２００８−１９２４７５号公報）には、始動用電圧を約３．５ｋＶとし、始動開始電圧が３．０ｋＶより小さい高圧放電ランプの例が記載されている。

始動用電圧を高くすると、ランプを構成する部材の劣化が早まり、ランプの寿命が低下する。従って、始動用電圧は、高演色且つ高効率の要請から比較的高く設定する傾向があるが、ランプ寿命の観点からは、出来るだけ低い方が好ましい。

本願の発明者は、始動用電圧と始動開始電圧について、以下のように、鋭意考察した。従来の技術では、ランプの始動開始電圧と始動用電圧の関係について考慮されているが、始動補助光源の始動開始電圧と始動用電圧の関係については十分な考慮がされていなかった。即ち、始動補助光源を用いる高圧放電ランプでは、始動補助光源の始動開始電圧と始動用電圧の関係についても考慮する必要がある。

上述のように、内部電極と外部電極を備えるＵＶエンハンサでは、内部電極と外部電極の間にグロー放電を起こさせて、始動補助用の紫外線を発生させる。そのために、始動補助光源の始動開始電圧は比較的高い。そのため、ＵＶエンハンサを用いる高圧放電ランプでは、始動用電圧は比較的高く設定する必要がある。しかしながら、始動用電圧を高くすると、始動補助光源を構成する部材の劣化が早まり、始動補助光源の寿命が低下する。従って、始動用電圧は、始動補助光源の寿命の観点からも、出来るだけ低い方が好ましい。またグロースタータなど他の始動方式を用いる場合であっても、点灯回路を構成する部材の劣化を低減するためには始動用電圧は低い方が好ましい。

特許文献３（特表２００３−５０２８０４号公報）には、始動用電圧が０．６ｋｖで始動するＵＶエンハンサの例が記載されている。しかしながら、特許文献３の例のように始動用電圧を低くできるような種類の発光封入物のみを選択すると、高演色且つ高効率を達成することが困難となる。

本発明の目的は、高演色且つ高効率を達成することができる高圧放電ランプであって、始動用電圧が低電圧であっても、始動することができる始動補助光源を備えた高圧放電ランプを提供することにある。

本発明によると、１対の電極を備えた発光管と、該発光管の外部に配置された始動補助用の紫外線を発生する始動補助光源と、前記始動補助光源に始動用電圧パルスを印加する始動回路と、前記発光管、前記始動補助光源及び前記始動回路を収納する外バルブとを有する高圧放電ランプにおいて、
前記始動補助光源は、希ガスを封入した気密容器と、該気密容器の内部に配置された内部電極と、前記気密容器の外部に配置された外部電極とを有し、前記内部電極にはエミッタが塗布されており、前記始動補助光源は、０．９〜１．５ｋｖの始動用電圧パルスが印加されることによって始動する。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記始動回路は、直列に接続した強誘電体セラミックコンデンサ（ＦＥＣ）と半導体スイッチとを有してよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記発光管は、発光及び放電媒体として、水銀と、希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物と、希ガスとして所定圧力のアルゴンとが封入されてよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記エミッタは、金属炭酸化物を含むエミッタ液を前記内部電極に塗布し、加熱及び乾燥させて形成されたものであってよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記金属炭酸化物は、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、及び、炭酸ストロンチウムを含んでよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記エミッタ液は、酸化バリウム、炭酸カルシウム、及び、炭酸ストロンチウムを含んでよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記発光管は、前記１対の電極に加えて補極を備えており、該補極には低温時に閉じ高温時に開くバイメタルが直列に接続されており、前記補極に流入する電流を制限するための電流制限抵抗が直列に接続されてよい。

本発明の実施形態によると前記高圧放電ランプにおいて、前記外部電極と、前記発光管の電極のうち、前記外部電極の電位極性と反対の電位極性を有する電極に接続されたリードの間の最短距離をＨとするとき、該最短距離Ｈは、始動用電圧パルスの最高電圧が２ｋＶである場合には２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってよい。

本発明によると、高演色且つ高効率を達成することができる高圧放電ランプであって、始動用電圧が低電圧であっても、始動することができる始動補助光源を備えた高圧放電ランプを提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係る高圧放電ランプの例を説明する図である。 図１Ｂは、本実施形態に係る高圧放電ランプの他の例を説明する図である。 図２は、本実施形態に係る高圧放電ランプの始動補助光源の例を説明する図である。 図３Ａは、本願の発明者が試作した始動補助光源の内部電極の第１の例を示す図である。 図３Ｂは、本願の発明者が試作した始動補助光源の内部電極の第２の例を示す図である。 図３Ｃは、本願の発明者が試作した始動補助光源の内部電極の第３の例を示す図である。 図３Ｄは、本願の発明者が試作した始動補助光源の内部電極の第４の例を示す図である。 図３Ｅは、本願の発明者が試作した始動補助光源の内部電極の第５の例を示す図である。 図４は、本実施形態に係る高圧放電ランプの始動回路の例を説明する図である。 図５Ａは、本実施形態に係る高圧放電ランプに接続された交流電源の電圧曲線の例を示す図である。 図５Ｂは、本実施形態に係る高圧放電ランプの始動回路の半導体スイッチの動作を示す図である。 図５Ｃは、本実施形態に係る高圧放電ランプに接続されるランプ電力供給回路の安定器に流れる電流の例を示す図である。 図５Ｄは、本実施形態に係る高圧放電ランプに接続されるランプ電力供給回路の安定器から出力される始動用電圧パルスの例を示す図である。 図６は、本実施形態に係る高圧放電ランプの発光管の電極間に絶縁破壊が生じた瞬間のＦＥＣの電極間電圧の変化を示す図である。 図７は、本実施の形態による高圧放電ランプの発光管の封止部の端面に配置された始動補助光源の例を説明する図である。

以下、本発明に係る高圧放電ランプ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参照符号を付して、重複した説明を省略する。

図１Ａを参照して本発明に係る高圧放電ランプを説明する。高圧放電ランプ１は、発光管５と、発光管５を支持する支柱となる線径約０．５〜１．０ｍｍのモリブデン線又はニッケル系合金線からなる給電ワイヤ１０、１１と、始動補助用の紫外線を放射する始動補助光源であるＵＶエンハンサ２０と、硬質ガラスからなる外バルブ２とを有する。

発光管５は、円筒状の放電容器７Ａと、その両端に延びる外径約２．０〜４．０ｍｍのキャピラリ状の封止部７Ｂ、７Ｃとを有し、高純度・高密度の透光性アルミナセラミックスによって一体的に形成されている。封止部７Ｂ、７Ｃによって、放電容器７Ａの両端は密封されている。放電容器７Ａの内部には、発光物質である水銀及び金属ハロゲン化物と始動用ガスとが封入されている。

ランプ定格電力が５０〜２００Ｗの場合、水銀の封入量は５〜１５ｍｇである。金属ハロゲン化物は希土類金属ハロゲン化物を含み、希土類金属ハロゲン化物の封入量は０．２〜５ｍｇである。例えば、ランプ定格電力が１００Ｗの場合、水銀の封入量は約１０ｍｇであってよく、希土類金属ハロゲン化物の封入量は約１ｍｇであってよい。始動用ガスとして、希ガス、即ち、所定圧力のアルゴン（Ａｒ）等が用いられる。

本実施形態では、希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物を封入することにより、発光効率、演色性、色温度等の特性の向上が図られている。

発光管５には、一対のタングステン製の電極６Ａ、６Ｂが設けられている。電極６Ａ、６Ｂには、それぞれ、線径約０．３〜０．７ｍｍのニオブ線又はモリブデン線からなる電極リード９Ａ、９Ｂが接続されている。電極リード９Ａ、９Ｂは、それぞれ、給電ワイヤ１０、１１に接続されている。給電ワイヤ１０、１１は、それぞれ、給電リード１３Ａ、１３Ｂに接続されている。

給電ワイヤ１０の先端には、ゲッター１４が装着されている。ゲッター１４は、ランプ点灯時の高熱によって外バルブ２の内部に配設された部材から発生する不純ガスを吸収する。

外バルブ２の端部には、熱間圧着によって形成されたピンチシール部２Ａが設けられ、ピンチシール部２Ａから給電リード１３Ａ、１３Ｂが露出されている。給電リード１３Ａ、１３Ｂは始動回路（図示せず）に接続される。始動回路については、図４以下に説明する。

図１Ｂを参照して本発明に係る高圧放電ランプの他の例を説明する。本例の高圧放電ランプ１は、発光管５と、発光管５を支持する支柱となる線径約０．５〜１．０ｍｍのニッケルメッキ鉄線からなる給電ワイヤ１０、１１と、始動補助用の紫外線を発生する始動補助光源であるＵＶエンハンサ２０と、硬質ガラスからなる外バルブ２とを有する。外バルブ２には口金３が設けられている。

発光管５は、円筒状の放電容器７Ａと、その両端に延びる板状のピンチシール部、即ち、封止部７Ｂ、７Ｃとを有し、高純度の石英ガラスによって一体的に形成されている。封止部７Ｂ、７Ｃによって、放電容器７Ａの両端は密封されている。放電容器７Ａの内部には、図１Ａの例と同様に、発光物質である水銀及び金属ハロゲン化物と始動用ガスとが封入されている。

ランプ定格電力が５００〜１０００Ｗの場合、水銀の封入量は７０〜１００ｍｇである。金属ハロゲン化物は希土類金属ハロゲン化物を含み、希土類金属ハロゲン化物の封入量は２〜１２ｍｇである。例えば、ランプ定格電力が７００Ｗの場合、水銀の封入量は約８５ｍｇであってよく、希土類金属ハロゲン化物の封入量は約７ｍｇであってよい。始動用ガスとして、希ガス、即ち、所定圧力のアルゴン（Ａｒ）等が用いられる。

発光管５には一対の主電極６Ａ、６Ｂと補極６Ｃが設けられている。電極６Ａ、６Ｂには、それぞれ、線径約０．３〜０．７ｍｍのニオブ線又はモリブデン線からなる電極リード９Ａ、９Ｂが接続されている。電極リード９Ａ、９Ｂは、それぞれ、給電ワイヤ１０、１１に接続されている。補極６Ｃには、電極リード９Ｃが接続されている。

給電ワイヤ１０、１１の間にＵＶエンハンサ２０が接続されている。ＵＶエンハンサ２０は希ガスを封入した石英ガラス製の気密容器２１と、気密容器２１の内部に配置された内部電極２２と、気密容器２１の外部に配置された外部電極２３とを有する。外部電極２３は気密容器２１を囲むコイル状部材によって形成されているが、外部電極２３の形状は特に限定されない。

内部電極２２は、給電ワイヤ１１に接続されている。外部電極２３は、電極リード２４を介して給電ワイヤ１０に接続されている。補極６Ｃと給電ワイヤ１０の間に抵抗２５とバイメタルスイッチ１５が直列に接続されている。バイメタルスイッチ１５は始動時の低温状態では閉じ、ランプが点灯した高温状態では開く。抵抗２５は、補極６Ｃに流れる電流を制限すると共に、バイメタルスイッチ１５に流れる短絡電流を制限する電流制限機能を有する。

高圧放電ランプ１の電源スイッチをオンにすると、始動回路（図示せず）からＵＶエンハンサ２０の内部電極２２と外部電極２３との間に始動用電圧パルスが印加され、気密容器２１内に封入された希ガスを励起する放電が生じて紫外線が発生する。紫外線は、発光管５の放電容器７Ａ内に封入した始動用ガスを励起する。それによって、主電極６Ａ、６Ｂと補極６Ｃが放電開始に必要な初期電子を放出して高圧放電ランプ１の始動が促進される。先ず、主電極６Ｂと補極６Ｃの間で放電が起き、次に、主電極６Ａ、６Ｂの間で放電が起きる。こうして、高圧放電ランプ１が始動されると、バイメタルスイッチ１５が開き、補極６Ｃに流れる電流は停止される。

図２を参照して本発明に係る高圧放電ランプの始動補助光源の例を説明する。ここでは、始動補助光源の例として、ＵＶエンハンサ２０を説明する。本実施形態によるＵＶエンハンサ２０は、希ガスを封入した気密容器２１と、気密容器２１の内部に配置された内部電極２２と、気密容器２１の周囲に配置された外部電極２３とを有する。内部電極２２は、電極リード２６を介して、給電ワイヤ１１に接続されている。外部電極２３は給電ワイヤ１０に接続されている。

本実施形態では、内部電極２２にはエミッタ（電子放出物質）が塗布されているが、これについては後に詳細に説明する。外部電極２３は帯状部材によって形成されているが、コイル状に形成してもよい。外部電極２３の形状は特に限定されない。

高圧放電ランプ１の電源スイッチをオンにすると、その始動回路（図示せず）からＵＶエンハンサ２０の内部電極２２と外部電極２３との間に始動用電圧パルスが印加され、気密容器２１内に封入された希ガスを励起する放電が生じて紫外線が発生する。紫外線は、発光管５内に封入した始動用ガスを励起する。図１Ａの例では、電極６Ａ、６Ｂが放電開始に必要な初期電子を放出して高圧放電ランプ１の始動が促進される。図１Ｂの例では、電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃが放電開始に必要な初期電子を放出し、先ず電極６Ｂ、６Ｃ間で放電が起き、次に、電極６Ａ、６Ｂ間で放電が起きる。

以下に、本願の発明者が内部電極２２にエミッタ（電子放出物質）を塗布する着想を得た経緯を説明する。本願の発明者は、先ず、始動用電圧の範囲、即ち、上限と下限を設定した。上述のように、ランプ及び始動補助光源を構成する部品の劣化を低減するためには、始動用電圧は低い方が良い。しかしながら、本実施形態では、発光効率、演色性、色温度等を向上させるために、発光管に希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物を封入する。そのため、始動開始電圧が比較的高くなる。そこで、本願の発明者は、本実施形態による高圧放電ランプでは、始動用電圧は少なくとも０．９ｋｖは必要であるとの結論に達した。

高圧放電ランプの始動回路に用いられる始動器として、ＦＥＣスタータが知られている。ＦＥＣスタータは、直列に接続された非線形強誘電体セラミックコンデンサ（ＦＥＣ）と半導体スイッチを含み、発光管に並列に接続される。ＦＥＣスタータでは、ＦＥＣの構造上の理由から、始動用電圧パルスとして出力可能な電圧は精々２ｋｖ程度である。従って、始動回路にＦＥＣスタータを用いる場合には、始動用電圧は２ｋｖより大きくすることはできない。また、始動開始電圧が２ｋｖより小さい場合には、グロースタータを用いることができる。即ち、始動用電圧の上限は、始動回路によって制限される。

そこで、ＦＥＣスタータ又はグロースタータを用いる場合を想定し、始動用電圧は２ｋｖより小さい値、即ち、１．５ｋｖ以下に設定することとした。以上より、本願の発明者は、高圧放電ランプの始動用電圧を０．９〜１．５ｋｖとした。

次に、本願の発明者は、始動用電圧０．９〜１．５ｋｖにて始動可能な始動補助光源を開発した。本願の発明者は、始動補助光源の内部電極に、エミッタ（電子放出物質）を塗布することを考えた。上述のように、特許文献４〜６には、高圧放電ランプの発光管の電極に、エミッタを塗布する例が記載されているが、始動補助光源の内部電極に、エミッタ（電子放出物質）を塗布することは記載されていない。特許文献３（特表２００３−５０２８０４号公報）には、気密容器の内部に１対の内部電極を有するＵＶエンハンサにおいて、この内部電極にエミッタを塗布することが記載されている。しかしながら、内部電極と外部電極を備えた始動補助光源において、内部電極にエミッタを塗布することは記載されていない。

そこで、本願の発明者は、内部電極と外部電極を備えた始動補助光源において、内部電極にエミッタを塗布したものと塗布しないものを用意し、高圧放電ランプの始動試験を行った。その結果、始動補助光源の内部電極にエミッタを塗布することによって、始動補助光源の始動開始電圧を低くすることができることを見出した。内部電極２２の形状は、棒状、帯状、コイル状、フィラメント状（２重コイル状）等の様々な形状が可能である。しかしながら、始動性の向上に関与するのは、内部電極２２の形状よりは、エミッタの有無が重要であることが判った。以下に、本願の発明者が行った実験について説明する。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ及び図３Ｅに、本願の発明者が試作したＵＶエンハンサ２０の内部電極の第１〜第５の例を示す。図３Ａに示す第１の内部電極２２Ａは円筒状の焼結電極である。図３Ｂに示す第２の内部電極２２Ｂはフィラメント状電極である。図３Ｃに示す第３の内部電極２２Ｃは、コイル状電極である。図３Ｄに示す第４の内部電極２２Ｄは、フィラメント状電極である。図３Ｅに示す第５の内部電極２２Ｅは、棒状電極である。上述のように、エミッタ（電子放出物質）を塗布した内部電極と、エミッタ（電子放出物質）を塗布しない内部電極を用意した。使用したエミッタ液は、酢酸ブチル、酢酸エチル、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム、酸化ジルコニウムを含む。酢酸ブチル、及び、酢酸エチルは溶剤である。これらの薬剤は、東和化工株式会社製の陰極材料として入手可能である。

気密容器２１は石英ガラス製である。内部電極２２Ａ〜２２Ｅは、タングステン（W）又はタングステート（Ba₂CaWo₆）によって形成され、モリブデン箔２７を介してモリブデン製電極リード２６に接続される。これらのＵＶエンハンサに内蔵型始動器を接続して、試験用高圧放電ランプを製造した。

上述のように、本願の発明者は、本実施形態による高圧放電ランプの始動用電圧を０．９〜１．５ｋｖに設定した。そこで、始動用電圧として少なくとも０．９〜１．５ｋｖを出力することができる始動回路を準備した。

始動器としてＦＥＣスタータ（始動用電圧パルスの最大値：０．９ｋＶ、１．２ｋＶ及び１．５ｋＶ）とグロースタータ（始動用電圧パルスの最大値：２．０ｋＶ）を用いた。ＦＥＣスタータは、非線形強誘電体セラミックコンデンサ（ＦＥＣ）と半導体スイッチを直列に接続した始動器であり、例えば、特開平１１−１６２４１３号公報に記載されている。グロースタータは、始動性を向上させるために、グロー放電を利用するものであり、例えば、特開平１０−１４９８０２号公報に記載されている。

グロースタータでは、発生するパルス電圧の値を制御できない。そのため、グロースタータを用いた高圧放電ランプでは、ランプの外部にサージキラーを設け、２ｋＶを超える高電圧パルスが発生した場合にはその高電圧パルスをバイパスさせるように構成されている。それによって、発光管及びＵＶエンハンサを含む点灯回路に過大な電圧が印加されることが回避される。試験用高圧放電ランプに、安定器を介して商業用交流電源に接続した。電源は定格の１０％減の１８０ｖである。

本願発明者が実施したＵＶエンハンサの始動試験の結果は次の通りである。試作したエミッタが塗布された内部電極を備えたＵＶエンハンサは、０．６〜２ｋＶ程度の始動用電圧パルスによって始動するが、始動用電圧パルスの電圧を０．９〜１．５ｋｖ程度とすると、確実に始動した。更に、始動用電圧パルスの電圧を１．０〜１．２ｋＶ程度とするとより確実に始動した。本願の発明者が行った実験の結果から、次の知見が得られた。ＵＶエンハンサを従来技術の場合と比較してより低電圧の始動用電圧パルスで始動させるには、ＵＶエンハンサの内部電極の形状よりも、エミッタの有無がより重要である。更に、図１Ｂに示した例のように補極を設ける場合であっても、図１Ａに示した例のように補極を設けない場合であっても、同様である。

従って、本願発明者が試作したＵＶエンハンサは、本実施形態による高圧放電ランプの始動用電圧である０．９〜１．５ｋｖにて確実に始動することが判った。本実施形態によるＵＶエンハンサでは、内部電極の形状及び構造は特に限定されないが、より多くのエミッタを塗布することが可能であり、且つ、エミッタが脱落し難いなら、どのような形状及び構造であってよい。

エミッタは、仕事関数が小さく、且つ、融点が低い金属酸化物を含むことが好ましい。表１にII族（アルカリ土属）の金属、及び、III族の金属のうちの主要な金属の仕事関数と融点を示す。

本実施形態によると、エミッタ液は、溶剤、有機バインダ、金属炭酸化物、金属酸化物等を含む。エミッタの金属成分として、仕事関数が小さい酸化バリウムを含むことが好ましいが、更に、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウムを含むとよく、酸化ジルコニウムを含んでもよい。このエミッタ液に内部電極を漬け、加熱し乾燥させることにより、金属酸化物が生成される。

図４を参照して本発明に係る高圧放電ランプの始動回路の例を説明する。高圧放電ランプ１は、外バルブ２と、その端部の口金３と、外バルブ２の内部に設けられた発光管５と、発光管５の電極６Ａ、６Ｂ、６Ｃに接続された始動回路を有する。始動回路は、口金３を介して、交流電源５１と安定器５２を有するランプ電力供給回路に接続されている。交流電源５１の電源電圧は２００Ｖ（最大値：±２８２Ｖ）とする。

始動回路は、バイメタルスイッチ４１と、カレントダンパと称する０.８〜１.０Ω程度の溶断抵抗４２と、強誘電体セラミックコンデンサ（以下、ＦＥＣと称する。）４３と、半導体スイッチ４４と、時定数調整抵抗４５を有し、これらは直列に接続されている。パルス位相安定用抵抗４６が半導体スイッチ４４に並列に接続されている。焦電流バイパス抵抗４７がＦＥＣ４３に並列に接続されている。

バイメタルスイッチ４１は、常温時導通−ランプ点灯時遮断型であり、始動時はオンであり、ランプが点灯するとオフとなる。

溶断抵抗４２は、発光管の点灯中に発光管内の金属蒸気が外管内に漏洩してＦＥＣ４３の電極間で沿面放電が生じたときに、この始動回路に流れる過電流により溶断されて、ランプ又は点灯回路が破損するのを防止する。

ＦＥＣ４３は、ランプ電力供給回路からの印加電圧が、予め設定された抗電圧を超えたときに、充電を行う。本例では、抗電圧は±４０Ｖである。ＦＥＣ４３が充電を行うことにより、安定器５２に流れる電流を変化させて安定器５２から高電圧の始動用電圧パルスを出力させる。

半導体スイッチ４４は、双方向２端子サイリスタなどからなり、ランプ電力供給回路からの印加電圧が、所定のブレークオーバー電圧に達したときに導通状態に切り換わるスイッチング素子として機能する。本例では、ブレークオーバー電圧を±２００Ｖに設定する。それによって、図４の回路ではＦＥＣ４３の抗電圧４０Ｖとブレークオーバー電圧２００Ｖを加えて、交流電源５１の電圧のピーク（±２８２Ｖ）に近い高電圧（±２４０Ｖ）をＦＥＣ４３に印加させることができる。

時定数調整抵抗４５は、発光管５の電極６Ａ及び６Ｂ間が絶縁破壊されたときに、ＦＥＣ４３から放電される電荷の放電時間を遅延させる機能を有する。焦電流バイパス抵抗４７は、ＦＥＣ４３が約９０℃のキュリー温度を超える際に発生する焦電流をバイパスさせてその特性劣化を防止する機能を有する。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄを参照して図４に示す始動回路の動作を説明する。図５Ａは、交流電源５１の電圧曲線を示す。図５Ｂは、半導体スイッチ４４の動作を示す。図５Ｃは、安定器５２に流れる電流Ｉｓを示す。図５Ｄは、安定器５２から出力される始動用電圧パルスＶｓを示す。これらのグラフの横軸は時間である。

図５Ａに示すように、時間t０〜t１、及び、t４〜t５では、交流電源５１からの電圧はＶ＝０〜±２４０Ｖであるが、半導体スイッチ４４への印加電圧は、ブレークオーバー電圧（±２００Ｖ）を超えていないものとする。また、ＦＥＣ４３への印加電圧は、抗電圧（±４０Ｖ）を超えていない。

図５Ｂに示すように、この期間では、発光管５の電極６Ａ、６Ｂ間は絶縁状態にあり、始動回路の半導体スイッチ４４も非導通状態（オフ）である。従って、始動回路及びランプ電力供給回路には電流は流れない。

時点ｔ１、及び、t５では、交流電源５１からの印加電圧は、ＦＥＣ４３の抗電圧（±４０Ｖ）と半導体スイッチ４４のブレークオーバー電圧（±２００Ｖ）の合計電圧（±２４０Ｖ）を超える。半導体スイッチ４４には、ブレークオーバー電圧（±２００Ｖ）を超える電圧が印加されるものとする。従って、図５Ｂに示すように、半導体スイッチ４４は導通状態（オン）となる。ＦＥＣ４３には、抗電圧（±４０Ｖ）を超える電圧が印加される。従って、ＦＥＣ４３は、充電を行う。

図５Ｃに示すように、時間t１〜t２、及び、t５〜t６では、ＦＥＣ４３にて充電動作が行われている一瞬の間に、安定器５２に電流が流れる。前の交流サイクルで逆分極飽和状態にあったＦＥＣ４３は、充電によって、正分極飽和状態に反転する。ＦＥＣ４３が正分極飽和状態に達した時点で、安定器５２に流れる電流が０となる。ＦＥＣ４３の上記充電動作により、安定器５２に流れる電流は急激に変化する。

図５Ｄに示すように、時間ｔ２〜ｔ３、及び、ｔ６〜t７では、安定器５２に流れる電流の変化によって、安定器５２から、始動用電圧パルスが出力される。安定器５２からの始動用電圧パルスと交流電源５１からの電圧の和である始動用電圧がＵＶエンハンサ２０と発光管５に印加される。ＵＶエンハンサ２０は始動用紫外線を放射する。紫外線は、発光管５内に封入した始動用ガスを励起する。主電極６Ａ、６Ｂと補極６Ｃが放電開始に必要な初期電子を放出する。発光管５の主電極６Ａ及び６Ｂの間の電位差より主電極６Ｂと補極６Ｃの間の電位差のほうが小さい。そのため、先ず、主電極６Ｂと補極６Ｃの間に絶縁破壊が起き、次に、主電極６Ａ及び６Ｂの間に絶縁破壊が起きる。即ち、主電極６Ａ及び６Ｂの間に電流が流れる。ＦＥＣ４３に蓄積された電荷は発光管５を介して放電され、ＦＥＣ４３の電極間の電位がゼロとなる。このような始動用電圧パルスの出力は、ランプの安定点灯が起きるまで、交流サイクルの半サイクル毎に生じる。高圧放電ランプ１が始動されると、発光管５内の温度が上昇し、バイメタルスイッチ１５が開き、補極６Ｃに流れる電流は停止される。また、バイメタルスイッチ４１が開き、始動回路がオフとなる。尚、電圧パルスが発生しても発光管５に絶縁破壊が起こらなかった場合、ＦＥＣ４３に蓄積された電荷はｔ３〜ｔ５の間に抵抗４６及び抵抗４７を介して低速放電される。

本実施形態では、上述のように、始動用電圧は、交流電源５１からの電圧（図５Ａ）と安定器５２からの始動用電圧パルス（図５Ｄ）の和であり、例えば０．６〜２ｋＶ程度であり、好ましくは、０．９〜１．５ｋｖ程度であり、より好ましくは、１．０〜１．２ｋＶ程度である。

図６は、発光管５の電極６Ａ、６Ｂ間に絶縁破壊が生じた瞬間のＦＥＣ４３の電極間電圧の変化を示す。縦軸はＦＥＣ４３の電極間電圧、横軸は時間である。時点ｔ＝０にて絶縁破壊が起きたものとする。絶縁破壊が起きる直前では、ＦＥＣ４３を含む始動回路の両端に、ランプ電力供給回路からの電圧が印加されている。この印加電圧は、図５Ａに示す交流電圧と図５Ｄに示す電圧パルスの和である。このとき、ＦＥＣ４３の電極間の電圧は、例えば、１．９ｋＶである。

上述のように絶縁破壊が起きると、ＦＥＣ４３に蓄積された電荷は発光管５を介して放電され、ＦＥＣ４３の電極間の電位が急速に低下する。本例では、時定数調整抵抗４５が設けられているから、ＦＥＣ４３の電極間の電位が１００％から３０％まで低下する時間が比較的長く、ＦＥＣ４３の強誘電体の電歪が緩和される。

安定器５２から出力される始動用電圧パルスは、ＦＥＣ４３の充電によって起きる。従って、始動用電圧パルスの電圧値を大きくするには、ＦＥＣ４３の静電容量を大きくすればよい。ＦＥＣ４３の強誘電体は薄いセラミック基板によって形成されている。ＦＥＣ４３の静電容量を大きくするには、セラミック基板の厚さを小さくし面積を大きくすればよいが、破損し易くなる。従って、ＦＥＣ４３の静電容量には限界がある。即ち、ＦＥＣ４３を用いた始動回路では、通常、安定器５２からの始動用電圧パルスの電圧の値は精々１．９〜２．０ｋＶである。

図７を参照して、発光管５の封止部７Ｃの端面付近に配置された始動補助光源の例及び位置を説明する。ここでは、始動補助光源として、ＵＶエンハンサ２０を用いた場合を説明する。ＵＶエンハンサ２０は、気密容器２１と、気密容器２１の内部に配置された内部電極２２と、気密容器２１の周囲に配置された外部電極２３とを有する。ＵＶエンハンサ２０は、主極用電極リード９Ｂと補極用電極リード９Ｃとの間に配置されている。

ＵＶエンハンサ２０の内部電極２２は主極用電極リード９Ｂと同電位であるが、外部電極２３は主極用電極リード９Ｂとは逆電位である。即ち、外部電極２３と主極用電極リード９Ｂは逆電位である。外部電極２３と口金側の主極用電極リード９Ｂの間の最短距離をＨとする。本実施形態では、両者の間の最短距離Ｈは、始動用電圧パルスの最高電圧が２ｋＶである場合には２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。

上述の例では、ＵＶエンハンサ２０の内部電極２２は発光管５の口金側の主極用電極リード９Ｂに接続され、ＵＶエンハンサ２０の外部電極２３は発光管５のトップ側の主極用電極リード９Ａに接続されているが、電気接続は逆にしてもよい。即ち、ＵＶエンハンサ２０の内部電極２２を発光管５のトップ側の主極用電極リード９Ａに接続し、ＵＶエンハンサ２０の外部電極２３を発光管５の口金側の主極用電極リード９Ｂに接続してもよい。この場合には、発光管５のトップ側の主極用電極リード９Ａと補極用リード９Ｃは、ＵＶエンハンサ２０の外部電極２３とは逆電位となる。従って、外部電極２３と補極用リード９Ｃの間の最短距離をＨとする。

本例では、外部電極２３はコイル状部材からなる。紫外線は、外部電極２３のコイル部材の間から封止部７Ｃの端面に入射する。本例では、気密容器２１を封止部７Ｃの端面に密着させてもよく、近接して配置してもよい。ＵＶエンハンサ２０の中心軸線は、封止部７Ｃの端面の長手方向に直交するように配置されている。尚、気密容器２１の周囲に、封止部７Ｃの端面と反対側に、紫外線が反射するための反射部材を設けてもよい。

以上、本実施形態に係る高圧放電ランプについて説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・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、添付の特許請求の記載によって定められる。

１…高圧放電ランプ、２…外バルブ、２Ａ…ピンチシール部、３…口金、５…発光管、６Ａ、６Ｂ…主電極、６Ｃ…補極、７Ａ…放電容器、７Ｂ、７Ｃ…封止部、８Ａ、８Ｂ…発光管支持板、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ電極リード、１０、１１…給電ワイヤ、１３Ａ、１３Ｂ…給電リード、１４…ゲッター、１５…バイメタルスイッチ、２０…ＵＶエンハンサ、２１…気密容器、２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ…内部電極、２３…外部電極、２４…電極リード、２５…抵抗、２６…電極リード、２７…モリブデン箔、４１…バイメタルスイッチ、４２…溶断抵抗、４３…強誘電体セラミックコンデンサ（ＦＥＣ）、４４…半導体スイッチ、４５…時定数調整抵抗、４６…パルス位相安定用抵抗、４７…焦電流バイパス抵抗、５１…交流電源、５２…安定器

Claims (7)

1. １対の電極を備えた発光管と、該発光管の外部に配置された始動補助用の紫外線を発生する始動補助光源と、前記始動補助光源に始動用電圧パルスを印加する始動回路と、前記発光管、前記始動補助光源及び前記始動回路を収納する外バルブとを有する高圧放電ランプにおいて、
   前記始動補助光源は、希ガスを封入した気密容器と、該気密容器の内部に配置された内部電極と、前記気密容器の外部に配置された外部電極とを有し、前記内部電極にはエミッタが塗布されており、前記始動補助光源は、０．９〜１．５ｋｖの始動用電圧パルスが印加されることによって始動することを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 請求項１記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記始動回路は、直列に接続した強誘電体セラミックコンデンサ（ＦＥＣ）と半導体スイッチとを有することを特徴とする高圧放電ランプ。
3. 請求項１又は２記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記発光管は、発光及び放電媒体として、水銀と、希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物と、希ガスとして所定圧力のアルゴンとが封入されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記エミッタは、金属炭酸化物を含むエミッタ液を前記内部電極に塗布し、加熱及び乾燥させて形成されたものであることを特徴とする高圧放電ランプ。
5. 請求項４記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記金属炭酸化物は、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、及び、炭酸ストロンチウムを含むことを特徴とする高圧放電ランプ。
6. 請求項４項記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記エミッタ液は、酸化バリウム、炭酸カルシウム、及び、炭酸ストロンチウムを含むことを特徴とする高圧放電ランプ。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の高圧放電ランプにおいて、
   前記発光管は、前記１対の電極に加えて補極を備えており、該補極には低温時に閉じ高温時に開くバイメタルが直列に接続されており、前記補極に流入する電流を制限するための電流制限抵抗が直列に接続されていることを特徴とする高圧放電ランプ。
   

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