JPH10261384A

JPH10261384A - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JPH10261384A
Application number: JP9062660A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kai; 誠甲斐; Mamoru Takeda; 守竹田; Yuriko Kaneko; 由利子金子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ランプ特性が最良になり、光束維持率の低下
を抑制する。【解決手段】電極間距離ｄ［ｍｍ］、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、７０．０≦Ｅ・ｊ≦１５
０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］（Ｅ：ランプ電界Ｅ＝Ｖ／
ｄ［Ｖ／ｍｍ］、ｊ：電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ［Ａ／ｍｍ
²］）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。本発明により、
点灯初期の管壁黒化が抑制されればランプ電圧の上昇や
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
に点灯時の所定条件を満たすメタルハライドランプに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、メタルハライドランプの設計は、
必要な光量を確保するためと点灯回路設計側からの制限
事項となるランプ電力や、特にプロジェクタ用光源とし
て用いる場合、光学設計側からの要望として、発光アー
ク部の輝度増加のために電極間距離（アーク長）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（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（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】前述したように、ラン
プ電力、電極間距離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（光束維持率の良い、放電アーク
部の輝度が高い）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、電極間距離などが設
計上制限される中において、電極間距離および電極形状
にそれぞれ関わるランプ電界と電流密度との積が、光束
維持率および電極先端部平均温度と相関があることを見
い出したことにより、放電アーク部の輝度が高く光束維
持率の低下を抑制する電極設計手法を考案し、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］、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、７０．０≦Ｅ・
ｊ≦１５０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］（Ｅ：ランプ電界
Ｅ＝Ｖ／ｄ［Ｖ／ｍｍ］、ｊ：電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ
［Ａ／ｍｍ²］）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］、電極先端部
断面積Ｓ［ｍｍ²］、電極先端部平均温度Ｔ［Ｋ］、安
定点灯時のランプ電圧Ｖ［Ｖ］、ランプ電流Ｉ［Ａ］な
る場合、７０．０≦Ｅ・ｊ≦１５０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ
³］（Ｅ：ランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ［Ｖ／ｍｍ］、ｊ：
電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ［Ａ／ｍｍ²］）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、か
つ、２３００≦Ｔ≦２７００［Ｋ］を満たして点灯する
ように電極の各部断面積が、先端部から発光管封止部ま
での間に先端部と異なる部分を有している電極を用いて
ランプを構成する。

【０００９】

【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。

【００１０】（発明の実施の形態１）本発明のメタルハ
ライドランプの発明の実施の形態の様子を図１に示す。
これは発光管２内に対向して設置された放電電極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。放電ア
ーク３を支える放電電極１の先端部断面積をＳとする。
発光管内には水銀金属と少なくとも１種以上のハロゲン
化金属が封入されている。

【００１１】いま、電極間距離ｄ＝１．８〜１３ｍｍ、
電極先端部断面積Ｓ＝０．１６９〜１．３２７ｍｍ
²（電極先端部は円形平面、直径φ＝０．５〜１．３ｍ
ｍ）の間で任意の組み合わせとし、封入ハロゲン金属お
よびランプ電力の異なる様々なメタルハライドランプに
おいて、点灯開始１００時間後の点灯開始０時間に対す
る光束維持率の様子を測定した。

【００１２】図２は横軸に点灯開始０時間におけるラン
プ電界Ｅ（＝ランプ電圧Ｖ／電極間距離ｄ［Ｖ／ｍ
ｍ］）と電流密度ｊ（＝ランプ電流Ｉ／電極先端部断面
積Ｓ［Ａ／ｍｍ²］）の積をとり、縦軸に光束維持率を
示している。

【００１３】点灯開始１００時間における光束維持率を
取り上げる理由は、点灯開始１００時間程度における光
束維持率低下の主たる原因が、発光管内壁の黒化（電極
材料が点灯中に蒸発・飛散し、発光管内壁に付着するこ
と）によって光透過率が減衰することによって生じ、こ
の黒化の進行程度が電極形状と関わりがあるためであ
る。

【００１４】図２は、封入ハロゲン金属及びランプ電力
の違いから３つの条件で分類している。丸（○）印はイ
ンジウム−ホルミウムで、ランプ電力２００Ｗ、菱形
（◇）印はインジウム−ツリウムでランプ電力２００Ｗ
でこれら２種類は開発試作品、黒菱形（◆）印はディス
プロシウム−タリウム−ナトリウム−ホルミウム−ツリ
ウムでランプ電力１５０Ｗ、これは市販商品（松下電器
製）である。これらそれぞれの電極間距離ｄおよび電極
先端部断面積Ｓを先に述べた範囲内で任意に組み合わせ
た条件で測定した。

【００１５】横軸にとったＥ・ｊは、単位が［Ｖ・Ａ／
ｍｍ³］即ち［Ｗ／ｍｍ／ｍｍ²］であり、これは電極先
端部前面がその単位面積当たりに受け取る、放電アーク
の単位長さ当たりのエネルギー密度である。図２の結果
より、Ｅ・ｊが大きくなるほど光束維持率が悪くなるこ
とがわかる。

【００１６】これはエネルギー密度Ｅ・ｊが大きくなる
と、特に電極先端部前面において放電アークから放電電
極へのエネルギーの移動が大きくなり、そのため電極先
端部の温度上昇が発生し電極材料が蒸発する、あるいは
高エネルギー密度の粒子が電極先端に衝突することによ
る電極材料の飛散が発生して発光管管壁の黒化が進行
し、光束維持率を悪くしているのである。なお中央の直
線は回帰直線である。

【００１７】図３は点灯開始０時間におけるＥ・ｊの値
に対する電極先端部平均温度の関係を表したグラフであ
る。対象としたランプは図２と同じものである。この図
からＥ・ｊが大きくなるほど、電極先端温度が上昇する
ことが確認される。なお、電極先端部平均温度の測定方
法は付記で述べる。

【００１８】図４は代表的なメタルハライドランプの点
灯時間の増加にともなう光束維持率の変化の様子を表し
たものである。Ａは点灯開始後１００時間で光束維持率
８０％のランプのものである。この場合光束半減寿命と
して約５０００時間が得られている。この５０００時間
という数字は電極間距離が一般的に１０ｍｍ以上である
一般照明用メタルハライドランプで平均的な数字であ
り、プロジェクタなどに組み込まれる電極間距離が３ｍ
ｍ程度のメタルハライドランプでは最高水準の数字であ
る。

【００１９】これをふまえ、図２において点灯開始１０
０時間において必要な光束維持率を８０％と設定した場
合、その際に満たすべきＥ・ｊの値は１５０Ｖ・Ａ／ｍ
ｍ³以下であることがわかる。

【００２０】電極間距離が一般的に１０ｍｍ以上である
一般照明用メタルハライドランプと呼ばれるもの（松下
電器製）では、図２中の黒菱形（◆）印のランプをはじ
め、ランプ電力７０〜１０００Ｗ、電極間距離１０〜８
０ｍｍにおいて、Ｅ・ｊの値は６９〜１２［Ｖ・Ａ／ｍ
ｍ³］で動作しており、点灯開始後１００時間における
光束維持率も９０％以上が確認されている。図２中、左
上方にプロットされることになる。

【００２１】しかしこのような電極間距離が１０ｍｍ以
上である一般照明用メタルハライドランプは発光部アー
クの輝度が低いため、プロジェクタ用光源として用いる
場合など投射光学系に組み込んで使用することができな
い。図５は放電アーク部の輝度と相関がある値としてラ
ンプ光束／電極間距離［ｌｍ／ｍｍ］を、横軸Ｅ・ｊの
値にして示したものである。

【００２２】先に述べたランプ電力７０〜１０００Ｗ、
電極間距離１０〜８０ｍｍ、Ｅ・ｊの値６９〜１２［Ｖ
・Ａ／ｍｍ³］で動作しているランプの光束／電極間距
離の値は４２０〜１０６０［ｌｍ／ｍｍ］であり、図５
中、黒菱形（◆）印を含んで左下方にプロットされる。
Ｅ・ｊの値が小さくなるとランプ光束／電極間距離も減
少する。４０インチクラスのプロジェクタに必要なスク
リーン照度を確保するためにはランプ光束／電極間距離
は少なくとも４０００［ｌｍ／ｍｍ］必要であるため、
図５より、その際に満たすべきＥ・ｊの値は７０Ｖ・Ａ
／ｍｍ³以上であることがわかる。図５中の直線は回帰
直線である。

【００２３】尚、図５において丸（○）印と菱形（◇）
印のランプが回帰直線の上下にばらついている理由は次
のようである。回帰直線の上部に急傾斜で右上がりの特
性を表す一連のランプは電極先端部断面積Ｓを同一と
し、電極間距離ｄが異なるサンプル群の結果であり、回
帰直線の下部に緩やかな傾斜で右上がりの特性を表す一
連のランプは電極間距離ｄを同一とし、電極先端部断面
積Ｓが異なるサンプル群の結果である。

【００２４】いずれの場合もランプ光束／電極間距離４
０００［ｌｍ／ｍｍ］を得るにはＥ・ｊの値は７０Ｖ・
Ａ／ｍｍ³以上必要となるので変わりはないが、電極間
距離ｄおよび電極先端部断面積Ｓのランプ光束／電極間
距離への影響の程度が異なることは興味深い。

【００２５】図２および図５より、点灯開始後１００時
間における光束維持率が８０％以上を満たし、かつラン
プ光束／電極間距離の値が４０００［ｌｍ／ｍｍ］を満
たすランプに有効なＥ・ｊの値は７０．０≦Ｅ・ｊ≦１
５０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］といえる。図６中、網掛け
で示した部分である。

【００２６】結果として７０．０≦Ｅ・ｊ≦１５０．０
［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］という点灯動作域は既存のメタルハ
ライドランプの点灯動作域と重複しない。これは光束維
持率が良いというのに加えて、ランプ光束／電極間距離
（≒発光アーク部の輝度）も高いという二つの要求を満
たそうというランプがこれまで存在していなかったとい
うことである。近年プロジェクタをはじめとするディス
プレイ機器の基幹部品として光源が用いられるようにな
ってきており、高輝度で光束維持率の優れた光源は今後
ますます重要となる。

【００２７】（発明の実施の形態２）さて、発明の実施
の形態１の項で述べたように、図２および図６にしたが
ってＥ・ｊの値を小さくしていく場合、光束維持率の低
下は抑制され、ランプの光束半減寿命は伸びるわけであ
るが、ランプ設計上実現しにくい場合が存在する。それ
はプロジェクター等に組み込まれる電極間距離が３ｍｍ
以下（１．５ｍｍ〜３ｍｍ）のメタルハライドランプで
ある。Ｅ・ｊの値はランプ電力（＝Ｖ×Ｉ）、電極間距
離ｄ、電極先端部断面積Ｓによって決定されるが、必要
な光量を確保するためと点灯回路設計側からランプ電力
が制限され、光学設計側からの要望としての電極間距離
ｄが制限されると、設計上のパラメータは電極先端部断
面積Ｓのみとなる。

【００２８】Ｅ・ｊの値を小さくしていくにはＳを大き
くすればよいのであるが、電極先端部断面積Ｓも次の理
由から上限が定まってしまう。それは放電アークの太さ
と光学設計との兼ね合いの観点である。一般に、放電を
支持する電極先端部断面積Ｓ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
てある程度先端断面積の小さな電極を使用せざるを得な
い場合が発生するのである。

【００２９】電極先端断面積Ｓを固定のまま、すなわち
Ｅ・ｊの値固定のまま光束維持率の低下をさらに向上さ
せる方法がある。電極先端部の温度をコントロールすれ
ばよい。

【００３０】図７は、点灯開始０時間における電極先端
部平均温度に対する点灯開始１００時間での光束維持率
を表したものである。対象としたランプは図２、図３と
同様である。図７より、発明の実施の形態１の項で述べ
た光束維持率８０％以上を実現するためには電極先端部
平均温度が３０００Ｋ以上では困難であることがわか
る。また、特に光束維持率８５％以上を実現するために
は、この図から電極先端部平均温度が２３００〜２７０
０Ｋであればよいことがわかる。この８５％という数字
は図４で説明される。点灯開始１００時間における光束
維持率が８５％以上を実現することにより、図４のＢに
示すように光束半減寿命はＡに比較してさらに２０００
時間近く伸びた７０００時間が実現するのである。

【００３１】つまり、図３において同じＥ・ｊの値でも
電極先端部平均温度に差が生じており、これが図２にお
いて同じＥ・ｊの値にもかかわらず光束維持率に差が生
じている原因である。図８に本項で訴求するＥ・ｊの値
に対する電極先端部平均温度の範囲を示す。図８中の網
掛けの部分である。この範囲内で動作するメタルハライ
ドランプは点灯開始１００時間において光束維持率８５
％以上が実現し、光束半減寿命７０００時間が得られ
る。

【００３２】Ｅ・ｊの値固定のまま、すなわちランプ電
力（＝Ｖ×Ｉ）、電極間距離ｄ、電極先端部断面積Ｓ固
定のまま光束維持率の低下を抑制するため、電極先端部
平均温度を所用の値に設定する方法として、放電電極の
各部断面積が先端部から発光管封止部までの間に先端部
と異なる部分を具備させる方法を用いる。図９はその一
例である。電極軸５となる円柱状の途中部分に電極コイ
ル６を溶接する。

【００３３】このようにすることで電極先端部断面積は
Ｓ_Aに対して、発光管封止部４（図１）までの間にＳ_Bな
る断面積をもつ部分が存在する。図９中、電極先端から
電極コイル６までの長さを突出長と呼ぶ。図１０はラン
プ電力、電極間距離ｄ、電極先端部断面積Ｓが等しいＥ
・ｊの値が１００〜１２０Ｖ・Ａ／ｍｍ³までの範囲の
ランプにおいて、突出長に対する電極先端部平均温度の
様子である。

【００３４】この場合、突出長を短くしていくことによ
り、電極先端部平均温度の低下が確認される。すなわち
電極先端部から発光管封止部までの間に先端部と異なる
断面積の部分を具備させ、その位置を適切に選択するこ
とにより、Ｅ・ｊの値固定のまま電極先端部平均温度を
所用の値に設定でき、光束維持率の低下を抑制すること
ができるのである。

【００３５】なお、放電を支持する電極先端部断面積Ｓ
［ｍｍ²］が、曲面を含んで形成されていても構わな
い。この様子を電極先端部が球状の場合である図１１で
説明する。この場合の電極先端部断面積Ｓは電極先端部
が放電アークを支持している部分の、放電アーク軸７に
対する鉛直方向の断面積８とする。放電を支持する部分
が曲面を含む場合、その部分のアーク軸に対する鉛直方
向の断面積８が放電を支持する最も最小面積となる。こ
の時、計算値としてのＥ・ｊの値は最も大きくなり、光
束維持率は図２より最も不利な条件となる。

【００３６】曲面を含んでおれば、実際の表面積９は少
なくとも鉛直方向の断面積８より大きくなり、光束維持
率も向上する方向に変化する。以上の理由により放電ア
ーク軸に対する鉛直方向の断面積を利用する。

【００３７】なお放電電極の各部断面積が、先端部から
発光管封止部までの間に先端部と異なる部分を具備させ
るには、図９のような電極コイル６を用いる方法の他
に、図１２のような単一材料から成り、各部断面積の凹
凸は全て一体切削加工により形成されている電極でも良
い。

【００３８】（付記）電極先端部平均温度の測定方法本測定方法は、特開平８ー１５２３６０号公報（特願平
６−２９５２４７号）「放射温度測定装置」および甲斐
と竹田による「メタルハライドランプの電極温度測定検
討」（１９９６年照明学会全国大会）で説明された方法
で、物体から発せられる任意の異なる二つの単色波長の
分光放射輝度比が物体の温度の関数になるという二色式
放射温度測定法の原理に基づいている。

【００３９】しかし点灯中の電極はアーク放電の鞘の中
に埋もれた状態であるため、熱放射検出時にアーク放電
からの放射が混在し、パイロメータなど従来の方法では
正しく放射輝度を検出することが困難であった。そこで
電極からの熱放射をアーク放電からの放射と混在させな
いで検出するために、電極近傍部位の分光分布を高分解
能分光器（分解能０．０１ｎｍ）を用いて測定すること
で、アーク放電からの放射が極めて少ない狭帯域な単色
二波長を見い出し、電極からの熱放射輝度をこの二波長
で測定した上でその輝度比から温度を求めた。

【００４０】発明の実施の形態の項で利用した電極先端
部平均温度は、上述した方法に基づき、電極からの熱放
射輝度を検出する手段として二次元受光器（ＣＣＤカメ
ラ）を用いて測定し、先端部の平均温度を算出したもの
である。

【００４１】

【発明の効果】発光管管壁の黒化は光束低下のみなら
ず、点灯中のランプ電圧の上昇や色温度変化等ランプ特
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。本発明により、点灯初期の管壁黒化が抑制され
ればランプ電圧の上昇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。

【００４２】また本発明は、封入ハロゲン金属、および
ランプ電力の異なるランプに幅広く適用することが可能
であり、設計の自由度および開発効率を著しく増加させ
ることができる。

【００４３】近年プロジェクタをはじめとするディスプ
レイ機器の基幹部品として光源が用いられるようになっ
てきており、本発明による高輝度で光束維持率の優れた
光源が搭載されることにより、その付加価値が大きく向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第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Ｅ・ｊと光束維持率（点灯開
始１００時間）との関係を表すグラフ

【図３】本発明に利用するＥ・ｊと電極先端部平均温度
との関係を表すグラフ

【図４】本発明に利用する点灯時間と光束維持率との関
係を表すグラフ

【図５】本発明に利用するＥ・ｊとランプ光束／電極間
距離との関係を表すグラフ

【図６】本発明に利用するＥ・ｊと光束維持率（点灯開
始１００時間）およびランプ光束／電極間距離との関係
を表すグラフ

【図７】本発明に利用する電極部平均温度と光束維持率
との関係を表すグラフ

【図８】本発明に利用するＥ・ｊと電極先端部平均温度
との関係を表すグラフ

【図９】本発明の第２の発明の実施の形態におけるメタ
ルハライドランプ用放電電極の構造図

【図１０】本発明に利用する突出長と電極先端部平均温
度との関係を表すグラフ

【図１１】本発明の第２の発明の実施の形態におけるメ
タルハライドランプ用放電電極の構造図

【図１２】本発明の第２の発明の実施の形態におけるメ
タルハライドランプ用放電電極の構造図

【符号の説明】

１放電電極２発光管３放電アーク４発光管封止部５電極軸６電極コイル７放電アーク軸８鉛直方向の断面積９表面積

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光管の内部に一対の放電電極を有し、水
銀と少なくとも１種以上のハロゲン化金属が封入された
メタルハライドランプであって、電極間距離ｄ［ｍ
ｍ］、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、点灯
時、７０．０≦Ｅ・ｊ≦１５０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］（Ｅ：ランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ［Ｖ／ｍｍ］、ｊ：電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ［Ａ／ｍｍ²］）を満た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】発光管の内部に一対の放電電極を有し、水
銀と少なくとも１種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［ｍ
ｍ］、電極先端部断面積Ｓ［ｍｍ²］、電極先端部平均
温度Ｔ［Ｋ］、安定点灯時のランプ電圧Ｖ［Ｖ］、ラン
プ電流Ｉ［Ａ］なる場合、点灯時、７０．０≦Ｅ・ｊ≦１５０．０［Ｖ・Ａ／ｍｍ³］（Ｅ：ランプ電界Ｅ＝Ｖ／ｄ［Ｖ／ｍｍ］ｊ：電流密度ｊ＝Ｉ／Ｓ［Ａ／ｍｍ²］）を満たし、かつ２３００≦Ｔ≦２７００［Ｋ］を満たし
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】放電電極の各部断面積が、先端部から発光
管封止部までの間に先端部と異なる部分を有しているこ
とを特徴とする請求項２記載のメタルハライドランプ。
【請求項４】放電を支持する電極先端部断面積Ｓ［ｍｍ
²］が、曲面を含んで形成され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。
【請求項５】放電電極が単一材料から成り、各部断面積
の凹凸は全て一体切削加工により形成されていることを
特徴とする請求項３記載のメタルハライドランプ。