(57)【要約】【課題】点灯中の立消え現象の発生確率の低減のために、放電容器の材料であるセラミックと放電容器に封入されたハロゲン化金属との化学反応進行が抑制できる高圧放電ランプの構成を提供すること。【解決手段】セラミック材料から構成される膨出部１ａと、当該膨出部１ａの両端に連結され、セラミック材料から構成されている細管部１ｂとを有する放電容器１とを備え、前記電極部３は、放電を維持する先端部１０１と、前記先端部１０１に連結され、前記先端部１０１の熱伝導率よりも低い導電性材料から形成されている中間部１００とを有し、前記中間部１００は、少なくとも前記膨出部１ａ内に位置することによって、放電容器１の膨出部１ａと細管部１ｂとの接合部付近のセラミックと放電容器１に封入されたハロゲン化金属との化学反応進行が抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック材料から構成される膨出部と、当該膨出部の両端に連結され、セラミック材料から構成されている細管部とを有する放電容器と、
前記膨出部内に一部が位置した一対の電極部と、
前記電極部のそれぞれに連結され、当該電極部に電力を供給する一対の給電導体と、
前記放電容器内に封入された発光金属と、を備え、
前記電極部は、放電を維持する先端部と、前記先端部に連結され、前記先端部の熱伝導率よりも低い導電性材料から形成されている中間部と、を有し、
前記中間部は、少なくとも前記膨出部内に位置する高圧放電ランプ。
【請求項２】
前記細管部と前記電極部との間には、隙間が形成されている請求項１に記載の高圧放電ランプ。
【請求項３】
前記先端部はタングステン材料で構成されており、
前記中間部は導電性サーメット材料で構成されている、請求項１または２に記載の高圧放電ランプ。
【請求項４】
前記放電容器における管壁負荷が０．３７Ｗ／ｍｍ２以上である、請求項１から３までの何れか一つに記載の高圧放電ランプ。
【請求項５】
前記発光金属は、金属ハロゲン化物を含む、請求項１から４までの何れか一つに記載の高圧放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック材料から構成される放電容器を用いた高圧放電ランプに関し、特に放電容器と発光金属との反応の抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のセラミック材料の放電容器を用いた高圧放電ランプは、石英ガラスの放電容器と比較して耐熱性、耐食性に優れている。このことから、特に発光金属としてハロゲン化金属が封入されるメタルハライドランプに多く利用されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の放電ランプの構成の断面図を示す。図５において、放電容器１は、膨出部１ａおよび一対の端部部分１ｂを備え、膨出部１ａはアルミナセラミックからなっている。細管部１ｂは封着部１ｂ１の部分においてセラミック封止用コンパウンドのシール４により給電導体２の封着金属部分２ａを封着する。耐ハロゲン化物部分２ｂはタングステン棒からなり、モリブデン線からなるコイル２ｂ１が巻装されている。電極３はタングステン線を耐ハロゲン化物部分２ｂの先端部に巻回することにより構成されている。セラミック封止用コンパウンドのシール４は放電容器１の細管部１ｂの封着部１ｂ１および給電導体２の封着金属部分２ａの間を所定位置まで気密に封着している。わずかな隙間５は放電容器１の細管部１ｂの内面と給電導体２の耐ハロゲン化物部分２ｂに巻装されたコイル２ｂ１との間に形成されている。なお、特許文献１では、細管部１ｂの封着部１ｂ１をサーメット材料で構成することにより、セラミック封止用コンパウンドのシール４によって封着された部分が、ランプ点灯中の熱衝撃によって透光性セラミックにクラックが生じることを防止している。
【０００４】
特許文献２では、放電容器内に存在する水素及び酸素に注目している。給電導体に水素及び酸素透過性材料を使用することにより、ランプ点灯中にこれらを放電容器外に逃すことができる構成を開示している。これは放電容器の黒色化、点弧電圧の上昇を抑制するためとしている。
【特許文献１】特開平１１−２１３９５２号公報（第８頁、図１）
【特許文献２】特開平６−１９６１３１号公報（第９頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、発光金属として金属ハロゲン化物を用いるメタルハライドランプにおいて、金属ハロゲン化物が給電導体である金属材料（たとえばニオブ）と化学反応し、侵食することが報告されている。
【０００６】
しかしながら、放電容器内の管壁負荷（放電容器の単位内表面積あたりの放電容器への投入電力の比率）が増加するにつれて、金属ハロゲン化物は、放電容器であるアルミナセラミックとも反応することがわかってきた。金属ハロゲン化物とアルミナセラミックとの化学反応は、発光現象とは直接かかわりなく、ランプ点灯中の放電容器内に存在する遊離ハロゲン量を増加させ、ランプ点灯中の点弧電圧の上昇を招く。点弧電圧が上昇すると、放電維持電圧が供給できなくなって消灯するという「立消え現象」が顕在化する。
【０００７】
上記の金属ハロゲン化物とアルミナセラミックとの化学反応は、放電容器内に封入された金属ハロゲン化物がアルミナセラミック放電容器内表面に凝集する部分の中で、かつ、もっとも放電容器の表面温度の高い部分から化学反応が始まる。本願発明者は、この化学反応が特許文献１に記載されているようなセラミック封止用コンパウンドによって封着される細管端部付近で生じるのはなく、放電容器の膨出部（一般的に「発光部」とも呼ばれる）と膨出部に連結した細管部との接合部付近に多いことに気づいた。なお、膨出部と細管部との接合部付近は金属ハロゲン化物が凝集し、かつアルミナセラミック放電容器内表面の比較的温度の高い部分である。
【０００８】
本発明の目的とするところは、上記従来の課題を解決するもので、点灯中の立消え現象の発生確率の低減のために、放電容器の材料であるセラミックと放電容器に封入されたハロゲン化金属との化学反応進行が抑制できる高圧放電ランプの構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の高圧放電ランプは、セラミック材料から構成される膨出部と、当該膨出部の両端に連結され、セラミック材料から構成されている細管部とを有する放電容器と、前記膨出部内に一部が位置した一対の電極部と、前記電極部のそれぞれに連結され、当該電極部に電力を供給する一対の給電導体と、前記放電容器内に封入された発光金属と、を備え、前記電極部は、放電を維持する先端部と、前記先端部に連結され、前記先端部の熱伝導率よりも低い導電性材料から形成されている中間部と、を有し、前記中間部は、少なくとも前記膨出部内に位置する。
【００１０】
また、好適な実施形態の一つとして、前記細管部と前記電極部との間には、隙間が形成されている。
【００１１】
また、好適な実施形態の一つとして、前記先端部はタングステン材料で構成されており、前記中間部は導電性サーメット材料で構成されている。
【００１２】
さらに、前記放電容器における管壁負荷が０．３７Ｗ／ｍｍ２以上である。
【００１３】
また、好適な実施形態の一つとして、前記発光金属は、金属ハロゲン化物を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の高圧放電ランプは上記構成よって、放電容器の膨出部と膨出部に連結された細管部との接合部付近のセラミックと放電容器に封入されたハロゲン化金属との化学反応進行が抑制できる。化学反応の進行が抑制できるので、放電容器内の遊離ハロゲン量の増加を抑制でき、遊離ハロゲンが原因で発生する高圧放電ランプの立消えの発生を未然に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの断面図である。放電容器１は膨出部１ａと、膨出部１ａの両端に連結された細管部１ｂとを有する。膨出部１ａと細管部１ｂとは、透光性のアルミナからなるセラミック材料から構成されている。膨出部１ａの内径は3.6ｍｍ〜7.0ｍｍ、全長は20  ｍｍ〜50ｍｍを用いることができる。本実施形態では、膨出部１ａ内部の内径は４.0ｍｍ、全長３０ｍｍものを用いた。細管部１ｂの内径は0.8ｍｍ〜2.0ｍｍ、全長は10ｍｍ〜20ｍｍを用いることができる。本実施形態では、細管部１ｂ内部の内径は1.0ｍｍ、全長15ｍｍものを用いた。
【００１７】
膨出部１ａ内には、対向して一対の電極部３の一部が位置しており、電極部３の間にアーク放電を発生させる。さらに膨出部１ｂ内に位置する電極部３の先には電極コイルが巻装されている。
【００１８】
電極部３のそれぞれには、一対の給電導体２が連結されている。給電導体２は、電極部３に電力を供給する役目を果たす。また、給電導体２は、細管部２の封着部１ｂ１においてセラミック封止用コンパウンドのシール４によって気密封着されている。給電導体２は点灯回路と接続され、本実施形態では１５０Ｗのランプ電力で点灯される。
【００１９】
放電容器１内には、発光金属（図示しない）として金属ハロゲン化物（ヨウ化ナトリウム、ヨウ化プラセオジウムなど）と水銀が封入されている。さらに放電容器１には、バッファガスとしてアルゴンが封入されている。
【００２０】
さらに、電極部３について説明する。
【００２１】
本実施形態では、電極部３は、放電を維持する先端部１０１と、先端部１０１に連結された中間部１００と、中間部１００と給電導体２とを連結する後端部１０２とで構成される。中間部１００は、先端部１０１の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する導電性材料から形成されている。本実施形態では、先端部１０１はタングステン材料から形成され、中間部１００は導電性サーメット材料から形成されている。また、後端部１０２は、タングステン材料から形成されており、耐ハロゲン化物部分２ｂを有する。耐ハロゲン化物部分２ｂには、たとえばモリブデンからなるコイル２ｂ１が巻装されている。電極部３の軸の直径は、0.3ｍｍ〜0.8ｍｍであり、全長は12ｍｍ〜24ｍｍのものを用いることができる。本実施形態では、直径0.5ｍｍ、全長17ｍｍのものを用いた。また、先端部１０１は長さ0.1ｍｍ〜1.0ｍｍを用いることができ、本実施形態では0.2ｍｍの長さのものを用いた。中間部１００は長さ1.0ｍｍ〜3.0ｍｍのを用いることができ、本実施形態では  2.0  ｍｍの長さのものを用いた。
【００２２】
さらに、細管部１ｂと電極部３との間にはわずかな隙間５が存在し、膨出部１ａ内の空間から連続につながっている。
【００２３】
なお、一般的に上記の高圧放電ランプ（メタルハライドランプ）は、点灯開始後数百時間オーダーで、膨出部１ａ内に封入された発光金属は徐々にわずかな隙間５内奥部に侵入していく。この時たとえば給電導体２がニオブなどの材料で構成されていると、ニオブとハロゲン化物との反応によりニオブとセラミック封止用コンパウンドのシール４との間に微小なクラックが発生し、封止部リークなどの不良モードが発生する。そこで、本実施形態では、そのようなクラックが生じないよう給電導体２にはアルミナセラミックとモリブデンとで構成された導電性サーメットを使用している。耐ハロゲン化部分２ｂのコイル２ｂ１がモリブデンで構成されていることからもわかるように、ニオブに比較してモリブデンはハロゲン化物に侵されにくい性質を持っている。
【００２４】
＜シミュレーションによる計算結果＞
図１に示すランプを点灯すると、次第に金属ハロゲン化物がわずかな隙間５内奥部に侵入していく。このとき重要なのが放電容器１、特に細管部１ｂの温度設計である。通常同様のわずかな隙間を有する細管部１ｂ構造を有する高圧放電ランプ（以降、「メタルハライドランプ」とも呼ぶ）の場合、ランプ寿命中に侵入していく金属ハロゲン化物の量を設計時に予め見積もり、膨出部１ａ内の金属ハロゲン化物の量が少なくなることによって生じるランプ寿命中の発光色変化が仕様範囲内に収まるように、金属ハロゲン化物の封入量を決定している。これはわずかな隙間５奥部に一度進入してしまった金属ハロゲン化物はその後発光に十分寄与できなくなるためである。このとき進入した金属ハロゲン化物と被反応材料（たとえば給電導体２がニオブでできている場合など）との反応進行の程度は、その部位における温度が高ければ高いほど進行してしまう。そのため、通常これら反応が生じるわずかな隙間５の奥部は、高温となる放電容器の膨出部から十分距離を隔てるかたちで細管部１ｂの長さが設計されていることが多い。本実施形態では細管部１ｂの長さは１５ｍｍである。本実施形態の場合、わずかな隙間奥部において金属ハロゲン化物と耐ハロゲン化物部分２ｂ、給電導体２あるいはセラミック封止用コンパウンドのシール４との反応は確認されなかった。
【００２５】
しかしながら、金属ハロゲン化物と著しく反応する部分が別に発生することがわかってきた。図２を用いて説明する。図２は図１の一部分の断面拡大図である。なお、図１と同一構成は、同一符号を用いて説明を省略する。
【００２６】
金属ハロゲン化物と著しく反応する部分は、膨出部１ａと細管部１ｂとの継ぎ目、いわば細管導入部１１０といえる部分である。この細管導入部１１０は、ランプ点灯中膨出部１ａ内に存在する金属ハロゲン化物が細管部１ｂに進入してくる入り口にあたる。膨出部１ａ内に比較して細管部１ｂ内は温度が低いために、金属ハロゲン化物は拡散あるいは対流によって細管部１ｂ内に進入してくる。この場合、コイル２ｂ１が存在することによって隙間５が急に狭くなるため、進入してきた金属ハロゲン化物はひとまず細管導入部１１０にその多くが滞留する。このとき細管導入部１１０の部位のセラミックの温度が高すぎると、セラミックと金属ハロゲン化物の反応が急激に進行する。
【００２７】
そこで、本発明者は、細管導入部１１０において金属ハロゲン化物とアルミナセラミックとの反応を抑制するために、進入してくる金属ハロゲン化物が細管導入部１１０のセラミック表面に凝集させない構成を見出した。その構成が、本実施形態の電極部３の構成である。膨出部１ａ内に一部が位置した電極部３において、電極部３を、放電を維持する先端部１０１と、先端部１０１に連結され、先端部１０１の熱伝導率よりも低い導電性材料から形成されている中間部１００とで構成する。
【００２８】
対向する電極部３の先端部１０１間に放電アークが発生し、そこで発生する熱エネルギーや荷電粒子の衝突エネルギーは先端部１０１に主に流入する。電極部３ならびにそれに連結する耐ハロゲン化部分２ｂ、給電導体２の温度分布は、この先端部１０１に流入してきたエネルギーの伝熱によって決定される。
【００２９】
本実施形態の構成による、細管導入部１１０に進入してくる金属ハロゲン化物を細管導入部１１０のセラミック表面に凝集させない原理を図３を利用して説明する。なお、同一構成は同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
細管導入部１１０のセラミック表面１１２に対峙する電極部３の電極部表面部分１０３の温度が相対的に低くなれば、金属ハロゲン化物がセラミック表面１１２の上に凝集することを低減できる。先端部１０１および後端部１０２はタングステンを使用し、中間部１００を導電性サーメットを使用した場合において、電極部３すべてをタングステン材料で構成した場合とで電極部３の電極部表面１１３（Ｂ−Ｂ‘）上近辺の温度を有限要素法を用いて計算した。その結果を図４に示す。また、図４には合わせてセラミック表面１１２（Ｃ−Ｃ’）上近辺の温度分布も示す。なお、本計算では、電極部３の軸の直径が0.5ｍｍ、長さが17ｍｍであり、先端部１０１が長さ0.2ｍｍ、中間部１００が長さ2.0ｍｍとして実施した。先端部101のコイル線径は0.2ｍｍとした。また、タングステンの熱伝導率は１０２．６［Ｗ／ｍＫ］、導電性サーメットの熱伝導率は３４．３［Ｗ／ｍＫ］として計算した。
【００３１】
図４は横軸が電極部３の軸方向の位置、縦軸が温度を示す。なお、横軸の基準を明確にするため、細管部１ｂが膨出部１ａに露出している面における電極部３の位置をＡ−Ａ‘として図４に示している。図４において、電極部表面１１３の温度を計算したものを実線で示し、セラミック表面１１２の温度を計算したものを破線で示す。図４から、中間部１００を設けることによって、膨出部１ａでは位置に対する温度の減少の傾きがきつく、急激に温度が下がっている。細管部１ｂでは中間部１００がある場合の方が電極部３の電極部表面の温度が低くなっている。一方、セラミック表面１１２の温度分布はほとんど変化がないことがわかる。
【００３２】
セラミック表面１０２の温度分布がほとんど変化がないのは次のような理由による。
【００３３】
従来例である図５と比較して、本実施形態である図１のランプは内径が小さい（従来例の膨出部の内径は９ｍｍであるのに対し、本実施形態では膨出部１ａの内径は４ｍｍである）。したがって、本実施形態の膨出部１ａの方が、発熱体である放電アークに近くなる。膨出部１ａの内壁が放電アークに近くなればなるほど、放電アークからセラミックへの伝熱量が相対的に増加する。つまり、細管導入部１１０にあるセラミック表面１１２の温度分布は、放電アークから膨出部１ａに伝熱したエネルギーがさらに伝熱して決定される寄与分が支配的であって、電極部表面１１３からの伝熱や熱輻射はほとんど影響を受けていないということである。
【００３４】
また、電極部表面１１３の温度を中間部１００がない状態に比較して低減するためには、中間部１００を少なくとも膨出部１ａ側（図２のＡ−Ａ‘から膨出部１ａ側）において置換しておくことが好ましい。すなわち、中間部は、少なくとも膨出部内に位置するように配置していれば良い。このような構成によって、先端部１０１から流入してきたエネルギーは、置換された熱伝導率の低い材料を有する中間部１００に伝導を阻害され、細管導入部１１０における電極部表面１１２の温度は置換されない場合に比較して低下する。
【００３５】
＜実験結果＞
このような有限要素法による計算結果を検証するために、電極部３の一部を中間部１００に置換したランプと置換しないランプにおいて、図１に示す給電導体２の端部２ｃの温度を測定した。なお、両ランプの違いは、電極部３の一部に中間部１００を置換しているのみあって、測定した高圧放電ランプのその他の構成は本実施形態の前半で説明した構成のものである。中間部１００が存在しない高圧放電ランプは５４５℃であるのに比較して、中間部１００に置換したランプは５３５℃と１０℃の温度低下が確認された。これは計算における導電性サーメットの置換の温度低減効果を裏付けるものと考えられる。
【００３６】
さらに、上記サンプルを破壊分析することによって、細管導入部１１０部分で発生するセラミックと金属ハロゲン化物との化学反応が減少していることを確認した。また、中間部100が存在するランプと存在しないランプを用いて、点灯寿命試験を行ったところ、点灯寿命試験中の立消え発生確率が、中間部100が存在するランプの方が低減することも確認された。
【００３７】
＜その他の特記事項＞
本発明において電極部３に中間部１００を置換するのに、先端部を置換しない理由は、次のようである。一般に高圧放電ランプの放電アークは放電アークを支持する電極表面の熱電子放出によって維持されているため、電極表面は非常に高温になる。そのため電極材料にはタングステンのような高融点材料が必要となるため、本願においても先端部をタングステンより融点の低い導電性サーメットに置換するのは好ましくない。
【００３８】
また、細管導入部１１０にて発生する化学反応が課題であるならば、その部分を閉塞するという考え方でコイル２ｂ１を膨出部側へ延在させる考えも出てくる。しかしそうするとコイル２ｂ１からの熱放散が増大し、ひいては先端部１０１の温度を必要以上に低下させてしまうため、ランプ始動不良が発生する可能性が高くなり好ましくない。
【００３９】
なお、図１において管壁負荷なる量を算出してみた。管壁負荷とは、ランプ電力を放電容器１内の膨出部内表面積で割ったもので、放電容器が受ける熱的負荷の大小の目安されるものである。図１において膨出部の内径は4ｍｍ、全長は30ｍｍであるので、管壁負荷は１５０Ｗ／（４π×３０＋２×２×２×π）ｍｍ２＝０．３７［Ｗ／ｍｍ２］であり、従来例の図５のランプ（膨出部の内径は９ｍｍ、全長は13ｍｍ）においては１５０Ｗ／（９π×１３＋２×４．５×４．５×π）ｍｍ２＝０．３０３［Ｗ／ｍｍ２］に比較して２３％以上負荷が大きい。なおこれはセラミックの温度が高くなることを示唆しており、本願発明は従来に比較して管壁負荷が大きなランプに有効であることを示している。
【００４０】
また上記説明と同様に導電性サーメット置換の有り無しでの比較を、膨出部１ａ内部の内径は５．２ｍｍ、全長２２ｍｍなる放電容器においても行った（管壁負荷は１５０Ｗ／（５．２π×２２＋２×２．６×２．６×π）ｍｍ２＝０．３７［Ｗ／ｍｍ２］）。図１の構成例と同様、細管導入部１１０部分で発生するセラミックと金属ハロゲン化物との化学反応が減少していることが破壊分析によって確認された。このときも前述と同様に、導電性サーメットが存在するランプと存在しないランプを用いて、点灯寿命試験を行ったところ、点灯寿命試験中の立消え発生確率が、導電性サーメットが存在するランプの方が低減することが確認された。
【００４１】
以上の上記二例から、少なくとも管壁負荷が０．３７［Ｗ／ｍｍ２］以上であるならば熱的負荷がさらに増大し、セラミックの温度はさらに上昇することが想像され、反応が促進されてしまうことは明らかである。このような高い管壁負荷を持つ高圧放電ランプにおいて、本願の構成は有効に効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明にかかる高圧放電ランプは放電容器と発光金属との反応の抑制技術に関するので、セラミック材料を放電容器として採用する高管壁負荷型の高圧放電ランプに特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの断面図
【図２】本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの拡大断面図
【図３】本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの拡大断面図
【図４】本発明の実施の形態１における高圧放電ランプの細管導入部１１０等の温度分布を示す図
【図５】従来の高圧放電ランプの断面図
【符号の説明】
【００４４】
１    放電容器
１ａ    膨出部
１ｂ    細管部
１００    中間部
１０１    先端部
１０２    後端部
１１０    細管導入部
１１２    セラミック表面
１１３    電極部表面
２    給電導体
２ｂ    耐ハロゲン化物部分
２ｂ１    コイル
２ｃ    給電導体の端部
３    電極部
４    シール
５    隙間
【図１】
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【図２】
2005122958.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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