JP2005032552A

JP2005032552A - 熱源用ヒータランプ

Info

Publication number: JP2005032552A
Application number: JP2003196200A
Authority: JP
Inventors: Tadakazu Kawamura; 忠和河村
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】白熱ランプへの電圧印加時に発生する突入電流を低減し、しかも、発光管の黒化を抑制した長寿命の熱源用ヒータランプを提供することにある。
【解決手段】本発明の熱源用ヒータランプは、発光管１内にハロゲンが封入され、レニウムが含有されたタングステンフィラメント５が配置された熱源用ヒータランプにおいて、フィラメント５に含有されるレニウムの量が、０．５〜３ｗｔ％であることを特徴とする。さらには、発光管内１に、窒素ガスが１０ｖｏｌ％以上封入され、フィラメント５は複数のフィラメント素線を束ね合わせた構造であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ等におけるトナー像定着装置の加熱ローラ内に配置される熱源用ヒータランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電子写真複写機等のトナー定着装置の加熱ローラ内に熱源として白熱ランプが使用されている。白熱ランプは立上りが早く、フィラメントの設計によって配熱分布を変えることができ、広く一般的に熱源用ヒータランプとして使われている。
【０００３】
従来の熱源用ヒータランプは、石英などのガラスからなる管型の発光管内にタングステン製のフィラメントを挿通し、アルゴン、窒素、クリプトンなどの不活性ガスを封入したものである。
【０００４】
また、これらの不活性ガスと共に微量の臭素、塩素等のハロゲン化物を封入し、これから生ずるハロゲン化タングステンによってハロゲンサイクルを生じさせて、寿命末期まで発光管の内面の黒化を防止することを特徴としたハロゲンガスが封入された熱源用ヒータランプが知られている。しかし、この熱源用ヒータランプは、タングステンフィラメントの特性上、ランプに電圧を印加した瞬間に大電流が発生する。
【０００５】
表１は、タングステンとモリブデンと後述するレニウムの温度に対する電気比抵抗値を示すデータであり、表１を参照しながらフィラメントを構成する物質の特性を電気比抵抗に着目して説明を続ける。
【０００６】
【表１】

【０００７】
タングステンフィラメントは、表１に示すタングステンの電気比抵抗値に示すようにランプ点灯中タングステンの温度が２２３０℃の時、すなわち電圧印加中に相当する電気比抵抗値は７４．９μΩ・ｃｍであるのに対し、ランプ消灯中タングステンの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前に相当する電気比抵抗値は５．４８μΩ・ｃｍであり、電圧印加前の電気比抵抗値が電圧印加中の電気比抵抗値に比べ小さいため、タングステンフィラメントに電圧を印加した瞬間に大電流が発生し、この電流が突入電流と呼ばれ周辺機器の供給電圧を下げることにつながり、同じ給電回路に電気的につながっているモニターが立ち消えしたり、同じ給電回路に電気的につながっている照明機器にフリッカーとよばれるチラツキが発生する原因となっている。
【０００８】
この突入電流を抑える方法として、従来から白熱ランプに電流を供給する回路内に、交流で印加する電圧の位相角を制御して突入電流を抑えるゼロクロススイッチ回路を設ける方法や、交流印加電圧を序所に上げて突入電流を抑えるスローアップ回路を設ける方法や、抵抗を入れる技術が知られているが、このような回路は付加的構造を有する回路であり、回路設計が複雑になり、コストアップの要因となっていた。
【０００９】
また、異なった技術として、付加的な回路を設けるのではなく、タングステンフィラメント自体に改良を加え、タングステンフィラメントにモリブデンを含有した方法が知られている。
【００１０】
タングステンフィラメントにモリブデンを含有したフィラメントは、表１に示すモリブデンの電気比抵抗値に示すようにランプ消灯中モリブデンの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前に相当する電気比抵抗値は６．００μΩ・ｃｍであり、表１に示すタングステンの同温度の電気比抵抗値に比べ若干大きく、このような特性を有するモリブデンをタングステンフィラメントに含有することにより、フィラメントに電圧を印加する前の電気比抵抗値をタングステン単体のフィラメントより大きくして、突入電流のレベルを下げる技術が開発されている。
【００１１】
しかしながら、表１に示すように、電圧印加前のランプ消灯中に相当するモリブデンの温度が２０℃の時の電気比抵抗値は、同温度でのタングステンの電気比抵抗値に比べ、僅かに０．５２μΩ・ｃｍだけ高く、電圧印加中のランプ点灯中に相当するモリブデンの温度が２２３０℃の時の電気比抵抗値は、同温度でのタングステンの電気比抵抗値に比べ、２２．９μΩ・ｃｍだけ高いものであり、モリブデンとタングステンの電気比抵抗の物性の違いがそれほどないため、突入電流を抑えるためには、多量のモリブデンをタングステンフィラメントに含有させる必要がある。
【００１２】
この結果、白熱ランプの点灯中にフィラメントが高温になると、フィラメントに含有されたモリブデンも蒸発することになるが、モリブデンの含有量が多いために蒸発するモリブデンの量も多くなり、モリブデンとハロゲンが化合して発光管内の表面に赤色等の付着物が早期に形成されてしまうという問題があった。
【００１３】
一方、タングステンフィラメントにレニウムを含有したフィラメントは既に知られている。レニウムは電子放射性が高く、フィラメントを加熱して熱電子を放出させ、その電子を電子ビームとして利用する電子ビーム発生機の電子源として利用されている。
【００１４】
さらには、レニウムを含有したフィラメントは、高い延性が得られ理由から耐震性が要求される小型の自動車用の白熱電球に使われることがあった。
【００１５】
表１に示すように、レニウムの電気比抵抗値は、ランプ消灯中、すなわち電圧印加前に相当する２０℃での電気比抵抗値は１９．４μΩ・ｃｍであり、同温度でのタングステンの電気比抵抗値５．４８μΩ・ｃｍと比べ４倍近い高い値を示すことは知られている。
【００１６】
しかしならが、従来からレニウムが含有されたタングステンは、２０℃という室温時での電気比抵抗値に着目して利用されているものではなく、単に、電子ビーム発生機の分野では電子放射性を高めるためにフィラメントに２０ｗｔ％以上もの大量のレニウムを含有していた。
【００１７】
また、レニウムが含有されたタングステンフィラメントを使用している自動車用の白熱電球では、電力が、例えば２５Ｗというような低い電力で点灯するランプであり、フィラメントに流れる電流値は２Ａ程度と小さく、突入電流が起きても問題となる範囲ではなく、フィラメントに含有されるレニウムの量を考慮したものではなかった。
【００１８】
【特許文献１】
特開２００２−１５８４８号公報
【特許文献２】
特開２００３−７７４２３号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、白熱ランプへの電圧印加時に発生する突入電流を低減し、しかも、発光管の黒化を抑制した長寿命の熱源用ヒータランプを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の熱源用ヒータランプは、発光管内にハロゲンが封入され、レニウムが含有されたタングステンフィラメントが配置された白熱ランプにおいて、前記フィラメントに含有されるレニウムの量が、０．５〜３ｗｔ％であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２に記載の熱源用ヒータランプは、請求項１に記載の熱源用ヒータランプであって、特に、前記発光管内に、窒素ガスが１０ｖｏｌ％以上封入されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３に記載の熱源用ヒータランプは、請求項１に記載の熱源用ヒータランプであって、特に、前記フィラメントは複数のフィラメント素線を束ね合わせた構造であることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の熱源用ヒータランプの説明図である。
図１に示すように、本発明の熱源用ヒータランプ（以下、単に、ランプとも呼ぶ）は、石英ガラス製の管型の発光管１の両端に封止部２、２が形成され、これらの封止部２において、外部リード４、４とフィラメント５とが接続されたモリブデンからなる金属箔３が封止されている。発光管１内のフィラメント５は、不図示のサポータで発光管１の中心に長手方向に沿って保持されている。
【００２４】
フィラメント５は、タングステンに微量のレニウムが含有されたレニウムタングステンである。
図１に示すランプは、安定点灯時、定格電力７５０Ｗ、１００Ｖ、７．５Ａで点灯するものであり、１００Ｖの商業電源から直接電力を供給されるものであり、電子複写機等の加熱ローラ内に配置される熱源用ヒータランプであって、自動車用白熱ランプのように電圧電流を制御するバッテリーから電力を供給される照明用白熱ランプではない。
【００２５】
図１に示すランプと同じ定格電力値、電圧値、電流値、フィラメントの抵抗値を有し、タングステンフィラメントにレニウムを含有していないランプを基準ランプと位置付け、タングステンフィラメントに含有させるレニウムの量を調整して、点灯中、基準ランプと定格電力値、電圧値、電流値、フィラメントの抵抗値が等しくなる比較ランプを５本作製し、基準ランプと比較ランプのフィラメントの温度を変えた時に、その温度における基準ランプのフィラメントの抵抗値と比較ランプのフィラメントの抵抗値との抵抗比を調べる実験を行った。
なお、全てのランプはランプ点灯中は、同じ点灯性能を有するように、ランプ点灯中の電力値、電圧値、電流値、フィラメント抵抗値が等しくなるように設計されている。
【００２６】
実験結果を図２に示す。
図２では横軸にフィラメント温度（℃）をとり、縦軸に同じ温度での基準ランプのフィラメントの抵抗値に対する比較ランプのフィラメントの比抵抗値の抵抗比をとったデータである。
【００２７】
各グラフと、フィラメントに含有されるレニウムの含有量を整理した表を下記の表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
グラフａは、データの基準となるように、基準ランプのフィラメントの抵抗値に対する同じく基準ランプのフィラメントの抵抗値の比をとったデータであり、どの温度でも分母と分子の比抵抗値が常に同じになり抵抗比は常に「１」の値をとるものである。
【００３０】
グラフｂでは、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態に相当している時、抵抗比が１．２であり、フィラメントにレニウムを含有していない基準ランプのフィラメントの抵抗値に比べ１．２倍、比抵抗値が大きくなっていることがわかる。
【００３１】
グラフｃでは、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態に相当している時、抵抗比が１．３であり、フィラメントにレニウムを含有していない基準ランプのフィラメントの抵抗値に比べ１．３倍、抵抗値が大きくなっていることがわかる。
【００３２】
グラフｄでは、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態に相当している時、抵抗比が１．５であり、フィラメントにレニウムを含有していない基準ランプのフィラメントの抵抗値に比べ１．５倍、抵抗値が大きくなっていることがわかる。
【００３３】
グラフｅでは、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態に相当している時、抵抗比が１．７であり、フィラメントにレニウムを含有していない基準ランプのフィラメントの抵抗値に比べ１．７倍、抵抗値が大きくなっていることがわかる。
【００３４】
グラフｆでは、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態に相当している時、抵抗比が３．４であり、フィラメントにレニウムを含有していない基準ランプのフィラメントの抵抗値に比べ３．４倍、抵抗値が大きくなっていることがわかる。
【００３５】
また、どのグラフもフィラメントの温度が２２３０℃の時、すなわちランプの安定点灯時には抵抗比が１になり、全ての比較ランプはフィラメントに含有されるレニウムの量が変わっても、点灯中は、ランプ特性である電力値と電圧値と電流値とフィラメントの抵抗値が基準ランプと同じになるように設計してあり、レニウムを含有していない基準ランプと同じ点灯性能を有するものである。
【００３６】
グラフｂ〜ｆから理解できるように、タングステンフィラメントにレニウムを含有させると、フィラメントの温度が２０℃の時、すなわち電圧印加前の状態の時、フィラメントの抵抗値はタングステンフィラメントにレニウムを含有していない場合に比べ大きくなり、さらに、レニウムの含有量を多くするに従ってフィラメントの抵抗値は大きくなり、ランプを点灯する際に発生する突入電流がレニウムの物性によって効果的に抑えられることがわかる。
【００３７】
次に、タングステンフィラメントにレニウムを含有させる量と、ランプとしての性能との関係について、上述した基準ランプと比較ランプ１〜５を用いて、タングステンフィラメントに含有されるレニウムの量と、突入電流の値と、ランプから放射される光の強度との関係を調べる実験を行った。
実験結果を図３に示す。なお、図３にはランプとして機能するものには評価の欄で○を、機能しないものは×を記入している。
【００３８】
この実験では、全てのランプはフィラメントの温度が２０℃の時に、ランプを点灯させるために１００Ｖの電圧を印加し、突入電流を測定し、安定点灯後、１００時間経過した時点でのランプから放射される光放射強度を測定したものである。なお、光放射強度とは基準ランプの光放射強度を１００として相対値で示すものである。
【００３９】
図３からわかるように、基準ランプでは突入電流が６５．５Ａとなっており、点灯時の点灯電流７．５Ａと比較して約８．７倍の大きな電流が流れている。
一方、レニウムの含有量が増えるに従い、比較ランプ１〜５に示すように順々に突入電流の値が小さくなっている。
【００４０】
比較ランプ１では、タングステンフィラメントにレニウムが０．５ｗｔ％含有されており、突入電流は６０．２Ａと点灯時の電流７．５Ａと比較して約８倍に抑えられており、タングステンフィラメントにレニウムを含有させると突入電流が抑えられることがわかる。
【００４１】
比較用ランプ５では、タングステンフィラメントにレニウムが１５．０ｗｔ％含有されており、突入電流は３６．０Ａと点灯時の電流７．５Ａと比較して４．８倍に抑えられており、タングステンフィラメントにレニウムを大量に含有させると突入電流が十分に抑えられることがわかる。
【００４２】
しかしながら、レニウムの含有量が多くなるとフィラメントが高温になりタングステンに含有されたレニウムが蒸発して、発光管内のハロゲンと反応を起こし、発光管内の表面に黒化物が付着してしまい、光放射強度が低下することになる。
つまり、比較ランプ４、５ではレニウムの含有量が多すぎる結果、突入電流を下げる効果はあるが、点灯後短時間で光放射強度が低くなり、ランプとして機能しなくなる。
【００４３】
このような結果から、タングステンフィラメントに含有されるレニウムの量は、０．５〜３ｗｔ％であれば、突入電流を抑え光放射強度が十分に高い熱源用ヒータランプとなる。
また、熱源用ヒータランプの突入電流が十分に抑えられているので、同じ給電回路となっている共通する商業用電源に電気的につながっているモニターが立ち消えしたり、共通する商業用電源に電気的につながっている照明機器にフリッカーとよばれるチラツキが発生することがない。
【００４４】
また、レニウムを含有したタングステンフィラメントは、電子放射しやすい物質となっているので、フィラメントの両端部間で気中放電が起こりやすくなる。このためバッファーガスとして窒素を１０ｖｏｌ％以上封入すると気中放電を抑えることができる。
なお、発光管内には、窒素以外に、アルゴン、クリプトン、キセノンの単体、あるいは混合ガスが８９ｖｏｌ％以上封入され、ハロゲンガスが１ｖｏｌ％以下封入されている。
【００４５】
この窒素を１０ｖｏｌ％以上とは、タングステンフィラメントに含有されるレニウムの量が０．５〜３ｗｔ％の時に有効となる条件である。
【００４６】
さらに、より一層突入電流を下げるために、レニウムが含有されたタングステンフィラメントの形状を、図４に示すように、フィラメント素線を縒り線にした縒り線巻形にしたり、図５に示すように、複数のフィラメント素線を平行に配置した平行巻形が好ましい。
【００４７】
このようにフィラメントの形状を縒り線巻形状や平行巻形状にし、１本のフィラメント素線を巻いたフィラメントと同じ電気特性を出し、同じランプ特性となるランプにする場合、縒り線巻形状や平行巻形状のフィラメントでは１本のフィラメント素線を巻いたフィラメントより長さが短く、フィラメントの断面積の総和が小さくなる。そのためフィラメントの体積が減り、フィラメント全体の熱容量が小さくなり、フィラメントに電流が流れると１本のフィラメント素線を巻いたフィラメントと比較して短時間でフィラメントの温度が上昇するものである。
【００４８】
つまり、短時間でフィラメントの温度が上がるということは、電圧を印加した直後にフィラメントの比抵抗が大きくなり、大きな突入電流がフィラメントに入らなくなる。
【００４９】
上述した比較ランプ２と同じランプ特性である定格電力７５０Ｗ、１００Ｖ、７．５Ａで点灯するランプであって、レニウムを１．０ｗｔ％含有したタングステンフィラメントを使用し、フィラメントを１本のフィラメント素線から成形した基本形ランプと、図４に示すようにフィラメント５を複数のフィラメント素線５ａ、５ｂを縒り線にした縒り線形ランプと、図５に示すようにフィラメント５を複数のフィラメント素線５ａ、５ｂを平行巻きした平行巻形ランプとの、突入電流の大きさを調べる実験を行った。結果を図６に示す。
この実験においては、全てのランプはフィラメントの温度が２０℃の時に、ランプを点灯させるために１００Ｖの電圧を印加して突入電流を測定した。
【００５０】
図６から理解できるように、全てのランプは同じ含有量のレニウムを含むタングステンフィラメントであるが、フィラメントの形状を１本のフィラメント素線を巻いた基本形ランプでは突入電流値が５８．９Ａであるのに対し、複数のフィラメント素線を束ね合わせた構造の縒り線形ランプでは突入電流値が５０．２Ａ、同じく平行巻形ランプでは突入電流値が５１．３Ａであり、基本形ランプに比べて突入電流値を抑えることができる、ことがわかる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の熱源用ヒータランプによれば、発光管内にハロゲンが封入され、レニウムが含有されたタングステンフィラメントが配置された熱源用ヒータランプであって、フィラメントに含有されるレニウムの量が０．５〜３ｗｔ％であることにより、確実に突入電流を抑えることができる。
【００５２】
さらに、発光管内に窒素ガスが１０ｖｏｌ％以上封入されているので、発光管内のフィラメントの両端部間で気中放電が起こり、ランプが不点灯になることを防止することができる。
【００５３】
さらには、フィラメントは複数のフィラメント素線を束ね合わせた構造であるので、なお一層突入電流を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱源用ヒータランプの説明図である。
【図２】レニウムを含有していないフィラメントの電気比抵抗値と、レニウムが含有されたフィラメントの電気比抵抗値の比（抵抗比）と、温度との関係を示すデータ説明図である。
【図３】レニウムを含有していないフィラメントを有するランプと、レニウムを含有したフィラメントを有するランプの突入電流値とランプ性能評価を示すデータ説明図である。
【図４】フィラメント素線を縒り線状にしたフィラメントの説明図である。
【図５】フィラメント素線を平行にして巻いた並行巻き状のフィラメントの説明図である。
【図６】基本形ランプと縒り線形ランプと平行巻形ランプの突入電流値を示すデータ説明図である。
【符号の説明】
１発光管
２封止部
３金属箔
４外部リード
５フィラメント

Claims

発光管内にハロゲンが封入され、レニウムが含有されたタングステンフィラメントが配置された熱源用ヒータランプにおいて、
前記フィラメントに含有されるレニウムの量が、０．５〜３ｗｔ％であることを特徴とする熱源用ヒータランプ。
前記発光管内に、窒素ガスが１０ｖｏｌ％以上封入されていることを特徴とする請求項１に記載の熱源用ヒータランプ。
前記フィラメントは複数のフィラメント素線を束ね合わせた構造であることを特徴とする請求項１に記載の熱源用ヒータランプ。