JP4094845B2 - 高圧ガス放電ランプ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧ガス放電ランプ（ＨＩＤ（高強度放電）ランプあるいはＵＨＰ（超高動程）ランプ）に関するものであり、特に、約0.05〜0.5mg/mm³の水銀充填量を有する水銀高圧ランプに関するものであり、このランプは、電極ロッドを有する少なくとも１つの電極を具え、このロッドの端に例えば球状のように厚くした電極の一部分を設けてある。本発明はさらに、こうした高圧ガス放電ランプを有する照明装置、及びこうしたランプに適応した動作パラメータを有するランプ給電用の電源装置、並びにランプの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
こうしたランプの製法、動作特性、動作寿命、及びコストは実質的に、使用する電極の性質及び形状によって決まる。従って、これらの基準を考慮に入れた種々の方法で、多数の電極の幾何学的形状が開発されてきた。最も簡単な場合には、ランプが、各々をタングステンロッドによって形成した２つの電極を具えている。電極ロッドの自由端がガス雰囲気を有するランプ容器内に伸び、このガス雰囲気が、動作状態における光アークの形成を可能にする。それぞれの電極ロッドの他端は、ランプ容器を通って伸びる通しリード線経由で動作電圧を受ける接続ピンに接続してある。
【０００３】
その目的は例えば、電極の熱放射を改善して、前記通しリード線の過加熱を回避し、従って高いランプ電力において封印部がランプ容器側で損傷する恐れを回避することにあり、既知の解決法は、それぞれの電極の自由端に、この電極と同一材料の１つあるいはいくつかの巻線を設けることである。特にＡＣ動作のランプにおいて熱バッファの機能を達成するために、これらの巻線を前記電極ロッドに溶着することができる。これにより電極の動作寿命を伸ばすこともできる。この種の電極はタングステンから比較的容易に製造することができ、一般に知られている。
【０００４】
しかしこれらの電極に特有の欠点は、前記巻線と前記ロッドの間の熱接触、並びに個々のターン間の熱接触がランプの寿命期間中に変化し得るので、熱コンダクタンスが通常比較的小さく、かつ再現性がないということである。これらの影響は、特に短い光アーク（例えば約１mm）を有するランプの場合には、ランプ特性、即ち光出力パワー及び要求動作電圧を30％まで変化させ得るものである。これらのランプは前記溶着部も変化しがちな高温（3000Ｋ以上）で動作するので、これらの問題は、前記巻線を電極に溶着したか否かとはほぼ無関係に生じ、また短アークのランプ（例えばＵＨＰランプ）でも生じる。こうした問題を回避する目的で、適切な強度の固体タングステンロッドから形成した電極は高価であり、かつ製造するには複雑である。
【０００５】
溶解によって作製した球状部を自由端に有するタングステンロッドは、米国特許明細書第3,067,357号より既知である。溶解に必要な熱は、ランプの製造中または動作中に発生することができ、前記球状部の寸法、従って電極の間隔も、ランプ電流、ランプ内部の圧力、及び電極ロッドの径によって決まる。動作中には、この球状部の一定割合（50％）が常に溶融状態でなければならない。光アークが出る前記球状部の寸法は公差に比較的敏感であり、複雑かつ高価な製造及び組み立てプロセスではなく、前記の量の適切な調整によって達成されるので、この方法では電極の製造が実質的により簡単になり、そしてより安価になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこうしたランプの本質的な欠点は、前記球状部を生成して、それを要求された比率で溶融状態に保つために、ランプ電流を非常に精密に調整し、かつ厳密に一定に保たなければならないということである。電流がほんの２、３％高くなるだけで、球状部全体及びロッドの一部分が大きくなり、対の電極までの距離が大幅かつ恒常的に変化することになる。短い光アークの場合にはこの効果が強く、この種の電極を有する短アークのランプを安定に動作可能にするために、電流限界を非常に精密に観測しなければならない。これに加えて、これらの電流限界がスイッチオン期間中に、ランプ内部のガス蒸気の昇圧に応じて変化するということがある。
【０００７】
こうしたランプのさらなる欠点は、ランプの寿命期間中に電極間距離が増加するということである。このことは基本的に、壁面の黒色化を防止するための自由ヨウ素の雰囲気が、高温の電極チップから電極後背部へのタングステンの移動を加速するということによって生じる。またこの欠点は短アークのランプに特に強く影響し、これらのランプはこうした電極では最大寿命が200〜300時間にしかならない。
【０００８】
最後に、特にこうした電極を有する水銀高圧ランプ（約200bar（20MPa）の圧力を有するＵＨＰランプ）では、光アークが電極の前面を周期的に移動して、これらのランプを投射システムに用いることが不可能になる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って本発明の目的は、動作寿命期間全体にわたって変動のない安定した動作を、ほぼ恒久的な電極距離と共にもたらし、このために、ランプ電流の正確さ及び一定性について特別な要求を課す必要のない、冒頭段落に記載した種類の高圧ガス放電ランプ、及びこうしたランプを有する照明装置を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、こうした高圧ガス放電ランプを、特に簡単かつ安価に製造可能にする方法を提供することにある。
【００１１】
一方では、前者の目的は、請求項１による冒頭段落に記載の種類の高圧ガス放電ランプによって達成することができ、これは、厚くした電極の一部分をランプの動作パラメータに応じた寸法にして、通常のランプ動作中には前記厚くした電極の一部分が溶解しないが、ランプ動作の第１時間中には前記厚くした部分に電極チップが形成されて、光アークが当たる点の領域において電極チップが溶解するまで、この形成が行われるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
他方では、後者の目的は請求項１０に記載の、こうした種類のガス放電ランプ、並びにランプに給電する電源装置を有する記載の照明装置によって達成され、前記電源装置が前記ランプに適応した動作パラメータを有して、通常のランプ動作中には前記厚くした電極の一部分が溶解しないが、ランプ動作の第１時間中には前記厚くした部分に電極チップが形成されて、光アークが当たる点の領域において電極チップが溶解するまで、この形成が行われるようにする。
【００１３】
上述した動作パラメータは特に、動作電圧及び動作電流のレベル、並びにこれらの時間勾配及び周波数勾配である。
【００１４】
本発明は、こうした電極を有するランプの動作の第１時間中に電極チップが形成されて、このプロセスが、電極の端にあるこのチップが溶解し始める瞬間に自動的に終了するという予期せぬ認識にもとづくものである。
【００１５】
従ってこの解決法の特別な利点は、前記電極チップが長さに関して自己安定性であるということである。これにより、電極間隔の複雑な最適化を不要にすることができる。
【００１６】
これに加えて、ランプの寿命全体を通してこの自己安定効果が損なわれないままにして、最適な電極間距離が常に存在するようにすることができる。短アークのランプでは電極に高負荷をかけるので、この利点は、これらのランプとって特に重要なものである。さらにこうしたランプは、その安定した光アークにより投射応用に特に適している。
【００１７】
光アークが触れる領域で電極チップが溶解するということは真実である。しかし前記厚くした部分はチップに比べて実質的により大きい質量を有し、このため熱バッファまたは熱放射器として作用するので、電極の残りの部分が実質的に低温になって、ランプが非常に長い有効寿命を有するようになる。
【００１８】
上述した第２の目的を達成するために、請求項７は高圧ガス放電ランプの製造方法を提供するものであり、この方法は、電極を製造するために、電極ロッドの一端に厚くした部分を設けて、ランプ動作の第１時間中に、ランプの動作電流にほぼ相当する電流によって、この部分に電極チップを形成して、この時間中に、前記厚くした部分を前記電流に応じた寸法にすることを特徴とする。
【００１９】
通常非常に複雑である電極の製造が大幅に省略されるので、即ち電極ロッドに前記厚くした部分を製造することに限られるので、この方法の本質的な利点は、この方法が特に単純かつ安価であるということである。
【００２０】
従属請求項は、本発明のさらなる好適例に関するものである。
請求項２及び３による寸法は、電極チップの形成に特に有利であると判明したものである。
【００２１】
請求項４及び５による好適例は、発光効率及び寿命期間中のランプ容器の暗色化防止に関して、特に有利なものである。
本発明のさらなる詳細事項、特徴、及び利点は、以下の図面を参照した実施例の説明より明らかになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
以下に記述するランプの動作パラメータ、即ち動作電圧及び動作電流のレベル、並びにそれらの時間勾配及び周波数勾配は共に、所望の応用における、ランプ動作の第１時間中の電極チップの生成、及びその後の通常動作に関係する。従ってランプを電源装置と組合わせて、この電源装置によって、一般的に利用可能な幹線電圧を、前記特性を有するランプ用の動作電圧に変換することが好ましい。この種の電源装置は、例えばWO 95/35645、WO 00/36882、WO 00/36883に開示されており、これらは参考文献として本明細書に含める。
【００２３】
図１に、光放出窓付きの水晶ガラスまたはセラミック材料の楕円形ランプ容器２を有する短アークの高圧ガス放電ランプ１を例示する。この容器内のガスは水銀蒸気であり、約0.001〜10μmole/cm³の臭素（または塩素）を加えて、再現性のあるタングステンサイクルを生成可能にしている。電球２内に存在する酸素との組合わせで、ランプの動作中に前記容器が暗色化することも同時に防止される。
【００２４】
タングステン製の第１及び第２電極７、８のそれぞれの第１端が、ランプ容器２内に伸びている。これらの端は各々、ほぼ球状の電極の一部分９、１０を具え、これらの電極の他端はそれぞれ、例えばモリブデン製の導電箔５、６に電気的に接続してある。容器２は水晶の円筒部３、４の形態で長手方向に伸び、その中を真空気密にして箔５及び６を封入してある。接続ピン１１、１２をこの順に箔５、６に接続してこれらを通してランプ電流を供給し、これらのピンは外部に伸びている。
【００２５】
図２に、電極７、８のうちの１つを、作製中のいくつかの段階について拡大して示す。以下に例として電極７を参照して説明するプロセス及び手順は、ランプのＡＣ動作の場合には他の電極８にも当てはまる。
【００２６】
図２Ａに示すように製造は、約0.4mmの径を有するタングステンの電極ロッド２０から開始する。最も単純な場合は、約0.8〜1.7mmの径を有する球形の電極の一部分９を、前記ロッドの第１端に形成する。これらの寸法は約1.5〜2.5Ａのランプ電流に関連するものであり、他の電流には他の寸法が適切なことがある。一般的に適切な範囲は、約0.5〜８Ａ（50〜500ＷのＵＨＰランプ）のランプ電流の場合には、0.2〜0.7mmのロッド径及び0.5〜3.0mmの前記球状部の径であることが判明している。一般に、球状部の径がロッドの径の約1,5〜５倍であれば有利である。
【００２７】
球状部９は、ロッド２０の一端における溶解によって作製することができ、あるいは、例えば予備加熱したタングステンワイヤを機械的にアプセット（加圧して太くする）して、図２Ｂに示す電極が形成されるようにするような異なる方法によって作製することができる。球形の代わりに、例えば円錐部または他の「厚くした」部分、特に高周波のランプ動作電圧用に選択した平板化部のように、小球に類似の代替形状も可能である。
【００２８】
図１のランプは実質的に、この種の２つの電極７、８で製造する。球状部９（１０）の径がロッド２０の径に対して比較的大きいことにより、この球状部はランプの動作中に、慣例の電極チップの場合ほど強く加熱されないことになる。このことはとりわけ、電極チップから電極の後背部に向かうタングステンの移動が実質的に、冒頭段落に記載の既知の電極よりも少ないという利点を有する。
【００２９】
さらに、図２Ｃの球状部が、ランプ動作の第１時間中に変化するという予期せぬことが判明している。またこのことはＡＣ動作の場合には、両電極７（８）について正しい。そして光アークが当たる領域に電極チップが形成されて、これに対応して、この領域において球状部９（１０）が平板化される。
【００３０】
電極チップ１９が確立される形状は、前記第１段階（時間）における、前記厚くした部分の大きさ及びランプ電流の周波数に影響され得る。
【００３１】
この関係では、特に球状部９（１０）については、電極チップの厚さ即ちその径Ｄeは、前記第１段階における周波数ｆによって決まり、そしてＤeは球状部９（１０）の径Ｄkにほぼ無関係であるということが判明している。これらの径の相互関係を図３に示し、これは400μmの径を有する電極ロッドについて、形成中の電極チップ１９の径Ｄe[μm]（三角記号）を球状部９（１０）の種々の径Ｄk[μm]の関数としてプロットしたものである。
【００３２】
ここではランプが、約80Ｖにおいて、90Hzの周波数ｆを有するランプ電流、120Ｗの電力で動作している。そして同極性の電流パルスを、所定数のランプ電流の半サイクル、好適にはランプ電流の各半サイクルに重畳し、即ちランプ電流のサイクルに関連して同極性の電流パルスを重畳する。前記電流パルスの平均振幅とランプ電流の平均振幅との比は0.6〜２の間におくことができ、前記電流パルスの継続時間とランプ電流の半サイクルとの比は0.05〜0.15の間におくことができる。さらなる寸法ルールについては、前記電流パルスによってランプに供給する電力の比率が、前記半サイクル中にランプ電流によってランプに供給する電力の５〜15％に及ぶことが好ましいということが判明している。
【００３３】
こうしたランプ電流を発生する回路については、以下に図５を参照して詳細に説明し、これについてはWO 95/35645に開示されている。
【００３４】
よって90Hzの動作周波数では、チップが電極ロッドの径に近い径を有する。電極チップの径Ｄeについて判明している一般的な関係として、Ｄe＝ａ/√ｆであることが判明しており、ここでａはランプ毎に特有の比例定数であり、2000μmHz^0.5から10,000μmHz^0.5までの範囲にある（この場合には約4000μmHz^0.5）。
【００３５】
これとは対照的に、形成中の電極チップ１９の長さＬeは、球状部９（１０）の径Ｄkに依存する。この関係を図４に示し、ここでは400μmの電極ロッドについて、電極チップの長さＬe（矩形記号）を球状部９（１０）の種々の径Ｄkの関数としてプロットしてある。ここでもランプが、約80Ｖにおいて、90Hzの周波数ｆ及び図３についての記述に従った波形を有するランプ電流で、120Ｗの電力で動作している。
【００３６】
電極チップ１９の長さＬeは実際には、ランプ電流及びランプ電力にも明らかに依存する。これら２つの値が高くなるにつれて、出来上がるチップ１９がより短くなる。ランプ電流及びランプ電力が電極に入る総エネルギーを決定し、ここでも球状部９（１０）の大きさがエネルギー放射に影響する。この球状部の大きさを特定用途毎に選定して、長いランプ寿命が得られるようにする。
【００３７】
電極チップ１９が形成される前記第１時間の時間数は、約200μmのチップ長については約１時間であり、約１μmのチップ長については約50時間である。
【００３８】
上述した相互関係は、前記厚くした部分の形状に球形以外を選択した場合にも有効である。
【００３９】
チップ１９の作製中には、チップの前端が溶解するほど高温になるまで、チップの大きさが次第に増加する。この前端が一旦溶解すると、さらなる成長が観測されない。上述した相互関係に従い、チップ１９が約0.1〜1.0mmの長さに達するように前記動作パラメータを調整した場合には、これにより、ランプ動作の前記第１時間が完了した後の最終的な電極間距離が、最初にランプのスイッチをオンにする前の球状部９と１０の間隔よりも約0.2〜2.0mmだけ短くなる。
【００４０】
従って、比較的薄い電極ロッド２０、比較的大きな球状部９（１０）、及び薄い電極チップ１９によって形成した電極形状が生じる。球状部９（１０）の寸法は、良好な熱放射特性を有して、高信頼性で安定したランプ動作を数千時間にわたって達成するのに十分なくらい冷えるようなものにする。ランプ動作中に作製した電極チップ１９はその前端に溶融領域を有し、この領域は、光アークが当たる安定点が保護されるように十分小さいものである。このことは特に高圧ＵＨＰランプについて正しい。ランプ寿命期間を通して、光アークの安定性が既知の電極形状の場合よりも実質的に良好であることが、実験によって示されている。
【００４１】
また本発明によるこうした電極は、実装によって生じる問題、及び電極間の横方向の距離における公差の問題を解決することができる。ここでは前記球状部がまず最初に、水平の光アークを形成することが可能になる。そして前記動作の第１時間におけるランプの動作中に光アークが当たる点において、前記前端が溶解するまでチップが再び成長する。このことは電極の相互距離に依存するので、横方向の公差が排除される。
【００４２】
あるいはまた図２Ｂに示す電極の代わりに、前以て形成したチップを既に具えた電極を用いることができる。これにより、比較的大きな電圧変化、並びに前記動作の第１時間中に発生する電極間間隔の減少を大幅に低減することができる。こうするために、前以て形成したチップは、その後の通常動作中に自動的に生じる寸法と同様の寸法を有するべきである。
【００４３】
あるいはまた、例えばロッドと同一材料から成る１つあるいはいくつかの巻線を、図２Ａに示すロッドの一端に設けるように、電極の製造を実行することができる。そしてこうして巻線を設けたロッドの領域を全体的または部分的に溶解することによって、球状あるいは同様の（厚くした）部分を比較的簡単な方法で作製することができる。
【００４４】
本発明による電極そのものが、短アークのランプにおける電極上の高負荷、並びに電極間の非常に小さい距離の自己調整による特有の利点を有するが、これらの電極の利用は短アークのランプに限定されない。
【００４５】
電極チップの形成はランプ電流に依存し、つまりランプ電流の大きさ、即ち前記球状部の熱放射パワーに比例し、従ってこの部分での温度上昇に依存する。この温度は実際にはできる限り高くするが、この部分が溶解するほどには高くしない。実際に適切な電極の寸法は、実用上のすべてのランプ電力について最適なものについては、これらの動作パラメータ及びさらに前に記述したパラメータを適切に調整して互いに合わせることによって見出すことができる。
【００４６】
一般的な幹線電圧をランプ用の給電電圧に変換する電源装置は、ランプを動作させるために、上述した動作パラメータに設定することが好ましい。こうした（スイッチモードの）電源装置を図５に例示する。この場合の幹線電圧は、電源装置の入力端子Ｋ１、Ｋ２に印加するＡＣ電圧であるものとする。この電源装置はスイッチング装置Ａを具え、これによって幹線電圧をランプＬＡ用のＡＣ電圧に変換する。こうするために、幹線電圧をＤＣ電圧に変換する第１装置３０、及びこのＤＣ電圧をランプ用のＡＣ電圧に変換する転流器３１を設けている。
【００４７】
この電源装置はさらに制御装置Ｂを具え、これによって、例えばプログラム可能な半サイクル数、あるいはランプ電流の半サイクル毎に、サイクルに関連して同極性の追加的な電流パルスを重畳するように、スイッチング装置Ａをトリガする。図３を参照して上述したように、これに対応してランプ電流の時間勾配が増加することになり、このランプ電流によって、アークの不安定性のない特に安定した動作を達成することができる。こうした制御装置に適した回路は、WO 95/35645に開示されている。
【００４８】
あるいはまた制御装置Ｂが、半サイクルの開始時におけるランプ電流を、通常動作中の平均電流に対して低減するように動作して、これにより特定の電極について、光アークが特に安定しかつ広がって当たるようにすることもできる。こうした制御装置はWO 00/36883に記載されている。
【００４９】
最後に、制御装置Ｂが特定の動作状態または要求に応じてランプ電流に影響を与えることもでき、これらの状態は、例えば温度、またはランプに流れる電流、あるいは発生光の強度及び変動に対応するセンサー手段によって検出されたものである。このことに適した制御装置は、WO 00/36882に開示されている。
【００５０】
こうした電源装置によって、例えばランプ電圧の周波数のような上述した他の動作パラメータを、ランプの種類または特定の動作条件に最適に適応させることもできる。従って、この電源装置をランプと組合わせて、例えば投射目的のような特定用途向けに最適化した照明装置を形成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるランプの全体図である。
【図２】 図２Ａ〜図２Ｃは、電極の作製のいくつかの段階を示す図である。
【図３】 作製した電極チップの径と球状電極部の径との関係をプロットした図である。
【図４】 作製した電極チップの長さと電極の球状部の径との関係を示す図である。
【図５】 本発明によるランプ用の電源装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 高圧ガス放電ランプ
２ ランプ容器
３ 水晶の円筒部
４ 水晶の円筒部
５ 導電箔
６ 導電箔
７ 第１電極
８ 第２電極
９ 球状部
１０ 球状部
１１ 接続ピン
１２ 接続ピン
１９ 電極チップ
２０ 電極ロッド
３０ 第１装置
３１ 転流器
Ａ スイッチング装置
Ｂ 制御装置
Ｋ１ 入力端子
Ｋ２ 入力端子
ＬＡ ランプ

Claims (10)

1. 少なくとも１つの電極を有し、ランプ電流が０．５〜８Ａでランプ出力が５０〜５００Ｗの高圧ガス放電ランプであって、前記電極が、厚くされた電極部分を一端に備えた電極ロッドを有する高圧ガス放電ランプにおいて、
   前記厚くされた電極部分（９、１０）が球形状であり、0.5〜3.0mmの径を有し、
   前記厚くされた電極部分（９、１０）の径が、前記電極ロッドの径の1.5〜５倍であり、
   前記厚くされた電極部分（９、１０）は、通常のランプ作動中には溶解しないが前記ランプの作動の第１の時間中に電極チップが前記厚くされた電極部分（９、１０）に形成されるように寸法決めされている、
   ことを特徴とする高圧ガス放電ランプ。
2. 前記少なくとも１つの電極（７、８）がタングステン製であり、
   前記ガスが、再現性のあるタングステンサイクルを生成するために酸素、および臭素または塩素が加えられた水銀蒸気である、
   請求項１に記載の高圧ガス放電ランプ。
3. 0.001〜10μmole/cm³の臭素を加えられた、
   請求項２に記載の高圧ガス放電ランプ。
4. ランプ電流が０．５〜８Ａでランプ出力が５０〜５００Ｗの高圧ガス放電ランプの製造方法であって、
   電極ロッドが一端に厚くされた部分（９、１０）を備え、該厚くされた部分（９、１０）が球形状であり、0.5〜3.0mmの径を有し、前記厚くされた部分（９、１０）の径が前記電極ロッドの径の1.5〜５倍であり、
   前記ランプの作動の第１の時間中に、前記ランプ電流によって電極チップ（１９）を前記厚くされた部分（９、１０）に形成する、
   ことを特徴とする製造方法。
5. 少なくとも１つの巻線を前記電極に加え、その後に、該巻線を全体的または部分的に電極材料と共に溶解することによって、前記厚くされた部分（９、１０）を作製する、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記厚くされた部分に電極チップを仮形成して、前記ランプの作動の前記第１の時間中に、前記仮形成したチップから前記チップの最終形状を作製する、
   請求項４に記載の方法。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載の高圧ガス放電ランプ、該ランプにその作動電圧および作動電流で給電するスイッチモード電源装置を有する照明装置であって、
   前記厚くされた電極部分（９、１０）は、通常のランプ作動時間中には溶解せず、前記ランプの第１の時間中に、前記厚くされた電極部分（９、１０）に電極チップ（１９）が形成されるように構成されている、照明装置。
8. 前記スイッチモード電源装置が制御装置（Ｂ）を備え、該制御装置によって、プログラム可能な数の前記ランプ電流の半サイクルが、該半サイクルと同一極性の追加的電流パルスと重畳可能とされている、
   請求項７に記載の照明装置。
9. 前記スイッチモード電源装置が制御装置（Ｂ）を備え、該制御装置によって、半サイクルの開始時における前記ランプ電流を、通常作動の平均電流に対して低減可能にした、
   請求項７に記載の照明装置。
10. 前記スイッチモード電源装置が、制御装置（Ｂ）と前記ランプの作動状態を検出するセンサー手段を備え、安定したランプ作動を得るために、検出した作動状態に応じて、前記制御装置によって前記作動パラメータを変更可能にした、
    請求項７に記載の照明装置。

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