(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極が気密封入された透光性の容器内に金属ハロゲン化物、水銀、希ガスを封入してなるメタルハライドランプを点灯するメタルハライドランプの点灯方法において、定格電力と、定格電力以下であって定格電力による点灯時の光束維持率以上を確保する電力を点灯手段からメタルハライドランプに供給するとともに、前記点灯手段の供給する電力を変えてメタルハライドランプを始動した場合に、ランプに供給される電力を、略安定する電極温度の電力に対する変化割合が急変する変曲点の電力以上の電力とすることを特徴とするメタルハライドランプの点灯方法。
【請求項２】
前記点灯手段より、始動から所定時間内に前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給す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の点灯方法。
【請求項３】
前記点灯手段より、始動時から前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給す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の点灯方法。
【請求項４】
前記点灯手段より、点灯中に前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給する時間を有す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の点灯方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルハライドランプを点灯するメタルハライドランプの点灯方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプは高輝度、高効率、高演色性という特長をもつことから幅広い分野で用いられている。一般的なメタルハライドランプには、ランプを始動させるための希ガスと、バッファガスの役割を果たす水銀と、所望の光を発する金属ハロゲン化物が封入されている。例えば、金属ハロゲン化物として、沃化ナトリウム、沃化タリウム、及び沃化インジウムが発光管に封入されたメタルハライドランプや、金属ハロゲン化物として沃化ナトリウム及び沃化スカンジウムが発光管に封入されたメタルハライドランプが広く利用されている。
【０００３】
メタルハライドランプにおいては各金属の発光量が金属ハロゲン化物の蒸発量に依存するが、それぞれの蒸発量は発光管の最冷点の温度変化によって大きく影響を受ける。また、封入された水銀や金属ハロゲン化物毎に温度に対する蒸気圧特性が異なる。ゆえに、メタルハライドランプに供給する電力を定格値から変化させた場合、発光管最冷点の温度変化を受けて金属の発光量や色バランスが個々に変動するので、全体としての光色が大幅に変化してしまう。このような理由により、近年までは光色特性をほぼ一定に保ったままメタルハライドランプに供給する電力を変化させることにより光出力を自由に変化させる点灯（いわゆる調光点灯）の実現は困難との見方が有力であった。
【０００４】
しかし、近年になって、このような光色の変化を低減させ、調光点灯を可能としたメタルハライドランプが考案されるようになってきた（例えば、特開平６−８４４９６号公報、特開平６−１１１７７２号公報、あるいは特開平８−２０３４７１号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のメタルハライドランプ点灯装置では、定格電力以下の電力をランプに供給して調光点灯を行うと、ランプ寿命が損なわれるのではないかとの危惧があった。現に米国では、既に調光点灯手段を備えたメタルハライドランプ用安定器が市販されており、ランプ寿命への影響を考慮し、調光点灯時のランプ電力を定格電力の５０％以上にする、及び、始動時に最低１５分間は定格電力で点灯を行う、との見解もあるが、この見解の根拠は必ずしも明確にはなっておらず、ランプ寿命に係る課題は残されたままとなっていた。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、光束維持率に悪影響を与えずにランプ寿命を増大させることができるメタルハライドランプの点灯方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、一対の電極が気密封入された透光性の容器内に金属ハロゲン化物、水銀、希ガスを封入してなるメタルハライドランプを点灯するメタルハライドランプの点灯方法において、定格電力と、定格電力以下であって定格電力による点灯時の光束維持率以上を確保する電力を点灯手段からメタルハライドランプに供給するとともに、前記点灯手段の供給する電力を変えてメタルハライドランプを始動した場合に、ランプに供給される電力を、略安定する電極温度の電力に対する変化割合が急変する変曲点の電力以上の電力とすることを特徴とし、調光点灯を行っても光束維持率が低下しないだけでなく、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率をさらに高め、ランプ寿命を増大させることができる。
【０００８】
また、請求項２の発明のように、前記点灯手段より、始動から所定時間内に前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給することが望ましい。
【０００９】
さらに、請求項３の発明のように、前記点灯手段より、始動時から前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給することが望ましい。
【００１０】
また、請求項４の発明のように、前記点灯手段より、点灯中に前記定格電力以下の電力をメタルハライドランプに供給する時間を有することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態により詳細に説明する。
【００１２】
（実施形態１）
上述したように、メタルハライドランプの調光点灯を行うとランプ寿命が低下するとの危惧があった。その理由は以下に述べる様に電極にあると考えられる。通常、メタルハライドランプの電極温度は、定格電力で点灯している際に、陰極時に熱電子が十分に放出し得る温度範囲になるような設計がなされている。しかしながら、調光点灯によって電極温度が低下しすぎると、以下に示すように陰極からの電子放出が不充分になる。
【００１３】
陰極時の熱電子放出電流密度Ｊと、電極の絶対温度Ｔとの関係は、外部電界Ｅが印加された場合のリチャードソン-ダッシュマン式、
Ｊ＝ＡＴ2exp｛−φ/ｋＴ＋(ｅ/２ｋＴ)・(ｅＥ/πε0)1/2｝  （１）
を用いて表すことができる。
【００１４】
上記式（１）において、Ａは電極の材質や表面状態に依存する定数であり、φは電極の仕事関数、ｋはボルツマン定数、ｅは電荷素量、ε0は真空の誘電率である。式（１）において、外部電界Ｅが小さく、式（１）の指数部の第２項が第１項に比べて無視できるとする。この時、必要な電流密度Ｊを得るためには、電極温度には熱電子が放出し得る閾値Ｔ0が存在し、Ｔ＞Ｔ0ではメタルハライドランプの点灯に必要な電流は容易に放出可能であるが、Ｔ＜Ｔ0では実質的に電流密度Ｊ＝０であることがわかる。従って、メタルハライドランプに供給する電力を低下させ過ぎると、電極温度が適正な温度範囲の下限Ｔ0よりも低下し、陰極時の熱電子放出が不充分になる。
【００１５】
実際には、電極温度がＴ0以下に低下した場合であっても、陰極近傍の電界Ｅ（陰極降下電圧）が強まり、式（１）の指数部第２項が大きくなる（ショットキー効果の増大）ことにより、すぐに電流密度Ｊがゼロにはならない。また、電界Ｅが強まると、熱電子放出機構に加え、電界電子放出機構によって、陰極から電子が供給される可能性も考えられるので、電極温度がＴ0以下に下がってもある程度までは放電が維持されると考えられる。しかしその一方、陰極降下電圧が大きくなると、イオンの衝撃による電極物質の飛散（スパッタリング）の確率が増大すると考えられる。従って、電極温度がＴ0より低下した状態でメタルハライドランプを点灯した場合には、発光管の黒化が早期に生じ、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率が低下する可能性が危惧される。さらに、発光管の黒化は点灯中の発光管温度の上昇を引き起こす。従って、定格電力のみの点灯に比べてランプ電圧の上昇や、発光管内部の不純物ガス濃度の上昇が早期に起こり、その結果、メタルハライドランプの不点灯が早期に生じることにより、ランプ寿命が低下する可能性が危惧される。
【００１６】
米国において、ランプ寿命に悪影響を与えないためには、調光点灯時の電力は定格電力の５０％以上にするとの見解がなされているのは、上記理由によると考えられる。しかし、熱電子放出が可能な電極温度範囲が、どのメーカのランプであっても、一律に定格電力の５０％以上であるとは考え難く、５０％という値の根拠は不明確である。そこで、ランプ毎に異なるであろう、ランプ寿命に悪影響が及ばない電力条件について規定できるようにするために、以下に述べる実験を実施した。
【００１７】
熱電子放出が可能な電極温度の下限Ｔ0がわかれば、光束維持率に悪影響が及ばない電力条件も得られると考えられるが、上述したことから、Ｔ＜Ｔ0における電流密度Ｊと電極温度Ｔの関係は、Ｔ＞Ｔ0における電流密度Ｊと電極温度Ｔの関係とは異なったものになると考えられる。そこで、点灯維持が可能な電力範囲に対して、電流密度Ｊと電極温度Ｔの関係について調べれば、上記下限Ｔ0に関する知見が得られると考えた。しかし、メタルハライドランプの点灯中は安定器インピーダンスによる電流制限の下にあり、電流密度Ｊを直接計ることは困難である。そこで、電流密度Ｊの変わりにランプ電流で代用し、ランプ電流と電極温度Ｔの関係について調べた。その結果、光束維持率に悪影響を与えない電力範囲と電極温度Ｔとの関係が明らかになった。以下、本実験の過程と得られた結果とについて本発明の実施形態１として説明する。
【００１８】
図１は本実施形態１を実現するための点灯装置の概略構成図である。ランプ１には松下電器産業株式会社製の４００Ｗメタルハライドランプ（品番：M400・L/BU-SC-P)を用いた。点灯手段たる安定器２としては、定格電力又は定格電力以下であって定格電力による点灯時の光束維持率以上を確保する電力をランプ１に供給できる様に、種々のインピーダンスの安定器を試作して用いた。但し、本実施形態に用いたランプ１、安定器２の組み合わせは一例に過ぎず、特に本実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態の点灯装置を用いて大きさの異なる種々の電力をランプ１に供給してランプ１を始動点灯させた。そして、ランプ１の点灯状態が安定した後における下側電極先端の、アーク端付近の電極表面温度をサーモグラフィ装置を用いて計測した。この様にして計測されたサーモグラフィ装置による相対的な電極温度を、ランプ電流及び電力に対してプロットし、ランプ電流、電力に対する電極温度の変化傾向を調べた結果を図２に示す。図２から明らかなように、全体的に見れば電力の低下とともに電極温度も低下する傾向を持つ。しかしながら、細かく見ると３００Ｗ〜２５０Ｗにかけて変化の傾きが緩やかな領域がある。そして、この領域より低い電力では、供給電力に対する変化割合が急に大きくなっていることがわかり、約２５０Ｗ付近に変曲点が存在することがわかる。
【００２０】
図２に見られるように、３００Ｗ〜２５０Ｗにかけては電極温度があまり変化しなかった。この電力範囲における電極近傍の放電状態を観察したところ、陰極輝点の大きさは、電力の低下と共に小さくなった。このことから、この電力範囲においては、電極は熱電子を充分放出し得る温度にあり、電子放出部分の面積が変化することにより、放電維持に必要な電子が供給されていることがわかった。一方、変曲点（２５０Ｗ）以下の電力における電極近傍の放電状態を観察したところ、陰極輝点が不安定でランプ１にちらつきが生じていた。陰極輝点が安定しないことから、変曲点よりも低電力側では熱電子放出に充分な電極温度が得られていないことがわかった。従って、図２で見出された変曲点よりも低電力側ではランプ寿命に悪影響が及ぶ可能性が危惧される。
【００２１】
そこで、上記実験結果から予想されること、すなわちランプ１に供給する電力が変曲点よりも高電力か低電力かということとランプ寿命との相関をみるために、ランプ１に供給する電力を４００Ｗ（定格電力）、２７０Ｗ、及び２１０Ｗとし、同種のランプ１を試料に寿命試験を実施した。本寿命試験では一回の点灯時間を５時間３０分とし、３０分間消灯の後に再び５時間３０分の点灯を行う点灯／消灯サイクルを繰り返し実施した。一定時間毎に試験を中断してランプ特性を計測し、その経時変化を調べた。その結果の一部を図３に示す。
【００２２】
図３は各ランプ１の光束維持率を点灯時間に対してプロットしたものだが、２７０Ｗ＞２１０Ｗ＞４００Ｗの順に光束維持率が高い値を示している。従って、定格電力以下の電力をランプ１に供給することには、ランプ１の光束維持率を損ねるどころか、場合によっては却って光束維持率を高める効果があることが見出された。その一方、２７０Ｗよりも２１０Ｗで点灯させたランプ１の方が、光束維持率が悪いという結果から、先に予想されたとおり、変曲点（２５０Ｗ）よりも低い電力領域では、光束維持率が低下に転じることが明らかになった。また、上述したように変曲点以下の電力においては、陰極輝点が不安定でランプ１にちらつきが見られ、点灯状態が不安定であった。これらのことから、図２で見出された変曲点以下の電力をランプ１に供給することは、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率が改善された場合であっても、許容される点灯条件の中に含めるべきではないことが明らかになった。
【００２３】
したがって、定格電力と、定格電力以下であって定格電力による点灯時の光束維持率以上を確保する電力をメタルハライドランプに供給可能な点灯手段たる安定器２を備えた本実施形態において、ランプ１に供給する電力を変えて始動した場合に、略安定した電極温度の、電力に対する変化割合が急変する変曲点の電力以上の電力を、安定器２からランプ１に供給すべき電力と規定することによって、調光点灯を行っても光束維持率が低下しないだけでなく、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率をさらに高め、ランプ寿命を増大させることができる。
【００２４】
（実施形態２）
ところで、既に説明したように、米国ではランプ寿命への影響を考慮して、始動の際には最低１５分間は定格電力で点灯を行うとの見解がなされているが、その根拠として以下の理由が考えられる。すなわち、定格電力以下の電力でランプを始動させると、定格電力で始動した場合に比べて電極温度が安定するまでに時間を要する。そこで、この時間内における電極物質のスパッタリングによる発光管黒化の増長によって、光束維持率が低下するというのがその理由と考えられる。しかし、１５分間という時間には然したる根拠が見出せない。また、調光点灯時の電力の如何にかかわらず、常に始動時にはランプに定格電力を供給しなければならいのかといった疑問が残る。そこで、調光点灯時の電力の如何にかかわらず、調光始動は常に避ける必要があるのか、もしも必要がある場合には、定格点灯を行う時間は何分間必要かを調べるために、以下に述べる実験を行った。
【００２５】
図４は本実施形態の点灯方法を実現する点灯装置の概略構成図である。交流２００Ｖの商用電源と安定器３とはスイッチ４を介する経路とスイッチ４を介さない経路で接続され、安定器３の出力側にランプ１が接続されている。而して、スイッチ４のオン・オフに応じて安定器３からランプ１に供給される電力が定格電力と、定格電力以下の電力とに切り換えられるようになっている。ここで、安定器３としては松下電工株式会社製４００Ｗ水銀灯調光用安定器（品番：YZ40121433）を用いた。ランプ１には松下電器産業株式会社製の４００Ｗメタルハライドランプ（品番：M400・L/BU-SC-P)を用いた。但し、本実施形態に用いた安定器３、ランプ１の組み合わせは一例に過ぎず、特に本実施形態に限定されるものではない。
【００２６】
本実施形態においては、一回の点灯時間を５時間３０分とし、３０分間消灯の後に再び５時間３０分の点灯を行う点灯／消灯サイクルを繰り返す形式の寿命試験を実施した。 本実施形態においては、一回の点灯時間内に定格電力またはそれ以下の電力を次のような時間条件の下にランプ１に供給した。
（ａ）定格電力（４００Ｗ）で始動させ、点灯中も４００Ｗの電力をランプ１に入力した。
（ｂ）定格電力（４００Ｗ）で始動させ、以後３０分間は定格電力で点灯し、その後は２７０Ｗ電力をランプ１に入力した。
（ｃ）定格電力（４００Ｗ）で始動させ、以後１５分間は定格電力で点灯し、その後は２７０Ｗの電力をランプ１に入力した。
（ｄ）定格電力（４００Ｗ）で始動させ、以後４分間は定格電力で点灯し、その後は２７０Ｗの電力をランプ１に入力した。
（ｅ）２７０Ｗの電力で始動させ、点灯中も２７０Ｗの電力をランプ１に入力した。
【００２７】
一定時間毎に試験を中断してランプ特性を計測し、その経時変化を調べた結果の一部を図５に示す。図５は、本実施形態に用いたランプ１の光束維持率の変化を示す図である。図５において曲線ａ〜ｅは上記条件（ａ）〜（ｅ）に対応している。図５より、光束維持率はｅ≒ｄ≒ｃ＞ｂ＞ａの順に良いことがわかる。さらに、全てのランプ１は試験開始から数１０時間の間に光量が５％程度低下したが、点灯条件（ｅ）、（ｄ）、（ｃ）の下に点灯させたランプ１では、点灯１００時間以後に光量の回復現象が見られたことがわかる。
【００２８】
本実施形態においては、ランプ１に供給する定格電力以下の電力として２７０Ｗを用いたが、ランプ１に供給する定格電力以下の電力は特に本実施形態に限定されるものではなく、実施形態１で説明した電力範囲内にあれば、程度の差こそあれ、特にどの電力であっても同様の結果が得られることが確認できた。
【００２９】
上述のようにランプ１を定格電力で点灯させ、かつ、所定時間内に定格電力以下の電力を供給させる、あるいは定格電力以下の電力でランプ１を始動させることにより、調光点灯を行っても光束維持率が低下しないだけでなく、定格電力のみの点灯に比べて、光束維持率をさらに高め、ランプ寿命を増大させることができる。
【００３０】
（実施形態３）
本実施形態の点灯方法を実現する点灯装置の構成は実施形態２と同一であるから図示並びに説明は省略する。
【００３１】
本実施形態においては、一回の点灯時間を５時間３０分とし、３０分間消灯の後に再び５時間３０分の点灯を行う点灯／消灯サイクルを繰り返す形式の寿命試験を実施した。また、一回の点灯時間内に定格電力以下の電力で点灯する時間を０または２時間とし、定格電力またはそれ以下の電力を、次のような時間条件の下にランプ１に供給した。
（Ａ）定格電力（４００Ｗ）で始動させ、点灯中も４００Ｗの電力をランプ１に入力した。
（Ｂ）定格電力（４００Ｗ）で始動・点灯させたが、始動の１時間後から３時間後までの２時間は２７０Ｗの電力をランプ１に入力した。
（Ｃ）定格電力（４００Ｗ）で始動・点灯させたが、始動の３時間３０分後から点灯終了までの２時間は２７０Ｗの電力をランプ１に入力した。
（Ｄ）２７０Ｗの電力で始動・点灯させたが、始動の２時間後から点灯終了までの３時間３０分は定格電力（４００Ｗ）をランプ１に入力した。
【００３２】
一定時間毎に試験を中断してランプ特性を計測し、その経時変化を調べた。その結果の一部を図６に示す。図６は、本実施形態に用いたランプ１の光束維持率の変化を示す図である。図６において曲線Ａ〜Ｄは上記条件（Ａ）〜（Ｄ）に対応している。図６より、上記（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の光束維持率は同程度であり、共に条件（Ａ）より優れていることがわかる。従って、定格電力のみの点灯を行った条件（Ａ）に比べて、定格電力での点灯の合間に定格以下の電力での点灯を２時間行った条件（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の方が光束維持率が増大していることがわかる。
【００３３】
本実施形態においては、定格以下の電力で点灯する時間を２時間としたが、特に２時間に限定されるものではない。程度の差はあるものの、どのような時間であっても定格電力での点灯の合間に定格以下の電力での点灯を行うことによって、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率が増大する効果が確認できた。
【００３４】
また、本実施形態ではランプ１に供給する定格電力以下の電力として２７０Ｗを用いたが、ランプ１に供給する定格電力以下の電力は特に本実施形態に限定されるものではなく、実施形態１で説明した電力範囲内にあれば、程度の差こそあれ、特にどの電力であっても同様の結果が得られることが確認できた。
【００３５】
上述のように点灯中に安定器３から定格電力以下の電力をランプ１に供給して点灯させる時間を設けることにより、調光点灯を行っても光束維持率が低下しないだけでなく、定格電力のみの点灯に比べて、光束維持率をさらに高め、ランプ寿命を増大させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上述のように、一対の電極が気密封入された透光性の容器内に金属ハロゲン化物、水銀、希ガスを封入してなるメタルハライドランプを点灯するメタルハライドランプの点灯方法において、定格電力と、定格電力以下であって定格電力による点灯時の光束維持率以上を確保する電力を点灯手段からメタルハライドランプに供給するとともに、前記点灯手段の供給する電力を変えてメタルハライドランプを始動した場合に、ランプに供給される電力を、略安定する電極温度の電力に対する変化割合が急変する変曲点の電力以上の電力とするので、調光点灯を行っても光束維持率が低下しないだけでなく、定格電力のみの点灯に比べて光束維持率をさらに高め、ランプ寿命を増大させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の点灯方法を実現するための点灯装置を示す概略構成図である。
【図２】  同上の説明図である。
【図３】  同上の寿命試験結果を示す図である。
【図４】  本発明の実施形態２の点灯方法を実現するための点灯装置を示す概略構成図である。
【図５】  同上の寿命試験結果を示す図である。
【図６】  本発明の実施形態３の寿命試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１  メタルハライドランプ
２  安定器
【図１】
0003994658.tif 000002
【図２】
0003994658.tif 000003
【図３】
0003994658.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003994658.tif 000007