JP4651434B2

JP4651434B2 - 放電管

Info

Publication number: JP4651434B2
Application number: JP2005102279A
Authority: JP
Inventors: 孝一今井; 陽一松山
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006286294A

Description

この発明は放電管に係り、特に、プロジェクターや自動車のメタルハライドランプ等の高圧放電ランプやガス調理器等の着火プラグに、点灯用又は着火用の定電圧を供給するためのスイッチングスパークギャップとして、或いは、サージ電圧を吸収するためのガスアレスタ（避***）として好適に使用できる放電管に関する。

この種の放電管として、本出願人は、先に特開２００３−７４２０号を提案した。この放電管60は、図５に示すように、両端が開口した絶縁材よりなる円筒状のケース部材62の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材64，64で気密に封止することによって気密外囲器66を形成し、該気密外囲器66内に、所定の放電ガスを封入してなる。

上記蓋部材64は、気密外囲器66の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部68と、ケース部材62の端面に接する接合部70を備えており、両蓋部材64，64の放電電極部68，68間には、所定の放電間隙72が形成されている。
また、上記ケース部材62の内壁面74の円周方向に、微小放電間隙76を隔てて対向配置された一対のトリガ放電膜78，78が、複数組形成されている。一対のトリガ放電膜78，78の内、一方のトリガ放電膜78は、一方の放電電極部68と電気的に接続され、他方のトリガ放電膜78は、他方の放電電極部68と電気的に接続されている。

上記放電電極部68の表面には、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜80が形成されている。このアルカリヨウ化物としては、ヨウ化カリウム（ＫＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、ヨウ化ルビジウム（ＲｂＩ）等のアルカリヨウ化物の単体又は混合物が該当する。
上記気密外囲器66内に封入する放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、Ｈ_２等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。

上記構成を備えた放電管60の放電電極部68，68間に、当該放電管60の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜78，78間の微小放電間隙76に電界が集中し、これにより微小放電間隙76に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部68，68間の放電間隙72へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。
特開２００３−７４２０号

ところで、上記放電管60の放電回数が増加すると、放電ガス中に含まれていた微量な不純ガスや気密外囲器66の封止工程で混入した不純ガスが、放電電極部68や被膜80の表面に吸着したり、或いは、放電時の衝撃により放電電極部68や被膜80がスパッタすることにより、放電電極部68や被膜80の仕事関数が変化し、その結果、初期放電開始電圧が上昇して、初期放電遅れを生じることがあった。この初期放電遅れは、特に、放電管60が暗中で使用される場合に顕著に発生していた。これは、暗中で放電管60が長時間放置されると、気密外囲器66内の放電の種火としての電子やイオンが減少するためである。
また、上記放電管60がスイッチングスパークギャップとして用いられる場合には、短い周期で繰り返し動作させた場合において、常に安定した放電開始電圧が得られる周波数特性に優れていることが求められる。
さらに、上記放電管60が自動車用ＨＩＤランプ（High Intensity Discharged Lamp）等として用いられる場合には、放電管60が半田付けされることがあるため、半田付け時の熱（例えば３５０℃で５秒間、全浸漬）によって放電開始電圧が変化しない耐熱性に優れていることが要求される。

この発明は、従来の上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、初期放電遅れを抑制することができると共に、周波数特性及び耐熱性に優れた放電管を実現することにある。

本発明者らは、放電電極の表面形状、及び放電電極の表面に形成する被膜の構成材料について種々検討を試みた結果、放電電極の表面に凹部を形成すると共に、該凹部内面に、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及びチタン（Ｔｉ）の混合物を含有する被膜を形成した場合に、初期放電開始電圧の上昇を効果的に防止できると共に、周波数特性及び耐熱性にも優れた放電管を実現できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明に係る放電型サージ吸収素子は、複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入してなる放電管において、上記放電電極の表面に凹部を形成すると共に、該凹部内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜を形成したことを特徴とする放電管。
上記臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合割合は、臭化セシウムが１０〜７０重量％、酸化マグネシウムが１０〜７０重量％、チタンが１０〜７０重量％と成すのが好ましい。

本発明に係る放電管にあっては、放電電極の表面に凹部を形成すると共に、該凹部内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜を形成したことにより、初期放電開始電圧の上昇を防止でき、初期放電遅れを抑制することができると共に、周波数特性及び耐熱性に優れた放電管を実現することができる。

本発明に係る放電管10は、図１及び図２に示すように、両端が開口した絶縁材としてのセラミックよりなる円筒状のケース部材12の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材14，14で気密に封止することによって気密外囲器16を形成してなる。

上記蓋部材14は、気密外囲器16の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部18と、ケース部材12の端面に接する接合部20を備えており、両蓋部材14，14の放電電極部18，18間には、所定の放電間隙22が形成されている。
放電電極部18と接合部20を備えた上記蓋部材14は、無酸素銅や、無酸素銅にジルコニウム（Ｚｒ）を含有させたジルコニウム銅で構成されている。尚、ケース部材12の端面と蓋部材14の接合部20とは、銀ろう等のシール材（図示せず）を介して気密封止されている。

また、上記ケース部材12の内壁面24には、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材14，14と微小放電間隙26を隔てて配置された線状のトリガ放電膜28が複数形成されている。図１及び図２においては、トリガ放電膜28を、ケース部材12の内壁面24の円周方向に、４５度間隔で８本形成した場合が例示されている。
上記トリガ放電膜28は、カーボン系材料等の導電性材料で構成されている。このトリガ放電膜28は、例えば、カーボン系材料より成る芯材を擦り付けることにより形成することができる。

上記放電電極部18の表面には凹部29が形成されており、該凹部29内面に、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及びチタン（Ｔｉ）の混合物が含有された被膜30が形成されている。
この被膜30は、臭化セシウムの粉末と酸化マグネシウムの粉末とチタンの粉末の混合物を、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーに添加したものを、放電電極部18表面に塗布することによって形成することができる。また、臭化セシウムの添加された上記バインダー中に、酸化マグネシウム粉末及びチタンの粉末を加えて混合したものを、放電電極部18表面に塗布して形成することもできる。
この場合、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合割合は、臭化セシウムが１０〜７０重量％、酸化マグネシウムが１０〜７０重量％、チタンが１０〜７０重量％と成すのが、初期放電開始電圧の上昇を効果的に防止すると共に、周波数特性及び耐熱性の向上を図る上で好ましい。
また、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物と、バインダーとの配合割合は、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が０．０１〜４０重量％、バインダーが９９．９９〜６０重量％と成される。
尚、バインダー中の珪酸ナトリウム溶液と純水との配合割合は、珪酸ナトリウム溶液が０．０１〜７０重量％、純水が９９．９９〜３０重量％の配合割合で混合される。

上記気密外囲器16内には、所定の放電ガスが封入されている。この放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、Ｈ_２等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。

本発明の上記放電管10にあっては、放電電極を兼ねた上記一対の蓋部材14，14間に、当該放電管10の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜28の両端と蓋部材14，14間の微小放電間隙26に電界が集中し、これにより微小放電間隙26に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部18，18間の放電間隙22へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。

而して、本発明の放電管10にあっては、放電電極部18の凹部29内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜30を形成したことにより、初期放電開始電圧の上昇を防止でき、初期放電遅れを抑制できる長寿命な放電管10を実現することができる。
すなわち、初期放電遅れは、「統計的遅れ」と「放電形成の遅れ」に起因して生じるものであり、上記「統計的遅れ」は、放電の種火となる初期電子が出現するまでの時間（初期電子の発生確率が影響するため統計学的な値となる）をいい、光電効果が得られない暗中で発生する。一方、初期電子が存在しても、放電形成においては多数の電子雪崩現象を繰り返すことによってグロー放電のような大電流の放電に成長するものであり、この成長に必要な時間を「放電形成の遅れ」という。
本発明の放電管10の被膜30中に含有された酸化マグネシウムは、仕事関数が低く電子を放出しやすいことから、気密外囲器16内に放電の種火となる初期電子を素早く大量に供給できるため、上記統計的遅れを防止でき、その結果、初期放電遅れを抑制できるのである。
また、酸化マグネシウムは、耐スパッタ性に優れているため、スパッタされた被膜30の構成材料が、トリガ放電膜28に付着・堆積する量が減少することも、初期放電遅れの抑制に寄与している。
尚、初期放電開始電圧は、放電管を繰り返し動作させた場合における初回の放電開始電圧のことをいい、この初期放電開始電圧に続く２回目以降の放電開始電圧を追随放電開始電圧という。

図３は、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜30を放電電極部18の凹部29内面に形成して成る本発明の放電管10と、比較例としてヨウ化カリウム（ＫＩ）の含有された被膜80を放電電極部68の表面に形成した従来の放電管60、さらに比較例として臭化セシウムのみを含有する被膜を放電電極部の表面に形成した放電管における、暗中での放電回数と初期放電開始電圧との関係を示すグラフである。これら放電管は、何れも放電開始電圧が８００Ｖに設定されているものを用いており、この場合、初期放電開始電圧が１０００Ｖを越えると使用に適さないものとなる。
尚、本発明の放電管10は、臭化セシウムの粉末２ｇ、酸化マグネシウムの粉末１ｇ、チタンの粉末１ｇの混合物をバインダー２０ｇ（珪酸ナトリウム溶液１２ｇ＋純水８ｇ）に添加したものを、放電電極部18表面に塗布して被膜30を形成した。従って、この場合の臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合割合は、臭化セシウムが５０重量％、酸化マグネシウムが２５重量％、チタンが２５重量％、すなわち重量比で２：１：１と成されている。
また、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物（４ｇ）と、バインダー（２０ｇ）との配合割合は、重量比で１：５と成されている。
図３のグラフに示される通り、従来の放電管60の場合（図３のグラフＢ）には、放電回数が約１０万回程度で初期放電開始電圧が１０００Ｖを越えて使用に適さなくなっている。また、臭化セシウムのみを含有する被膜を放電電極部の表面に形成した放電管の場合（図３のグラフＣ）は、従来の放電管60よりは初期放電開始電圧の上昇は抑制できるものの、初期放電開始電圧は徐々に上昇し、放電回数が約４５万回程度で初期放電開始電圧が１０００Ｖを越えて使用に適さなくなっている。
これに対し、本発明の放電管10の場合（図３のグラフＡ）には、放電回数が５０万回となっても初期放電開始電圧が殆ど一定であり、従って暗中においても放電遅れを生じることがなく長寿命化が実現されている。

また、本発明の放電管10は、放電電極部18の凹部29内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜30を形成したことにより、周波数特性に優れた放電管10を実現することができる。
すなわち、放電管10がスイッチングスパークギャップとして用いられる場合には、少なくとも周波数２００Ｈｚ（５ｍｓ）間隔で繰り返し動作させた場合でも安定した放電開始電圧が得られることが求められるが、更にその用途によっては４００Ｈｚ（２．５ｍｓ）以上の間隔で繰り返し動作させた場合でも安定した放電開始電圧が得られることが要求される。
図４は、放電開始電圧が８００Ｖに設定されている本発明の放電管10を、周波数５５０Ｈｚ（約１．８２ｍｓ）間隔で動作させた場合の放電開始電圧の推移を示すチャートであり、当該チャートに示される通り、本発明の放電管10は、放電開始電圧が常に８００Ｖで安定しており、周波数特性に優れていることがわかる。
本発明の放電管10は、上記被膜30中に絶縁物（酸化物）である酸化マグネシウムを含有させているので、規定電圧より低い電圧で放電が生成され難くなると共に、放電電極部18表面の凹部29内面に、上記被膜30を形成したことにより、放電電極部18表面の凹部29内面のみに放電が生成することとなる。
その結果、早期点弧や続流の発生が抑制され、短い周期で繰り返し動作させた場合においても、規定電圧（図４の場合、８００Ｖ）で安定的に放電生成が可能になると考えられる。

さらに、本発明の放電管10は、放電電極部18の凹部29内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜30を形成したことにより、耐熱性に優れた放電管10を実現することができる。
すなわち、放電管10が自動車用ＨＩＤランプ等として用いられる場合には、半田付け時の熱（例えば３５０℃で５秒間、全浸漬）によって放電開始電圧が変化しないことが求められる。本発明の放電管10は、耐熱性に優れたチタンを被膜30中に含有させることにより、被膜30の耐熱性が向上し、その結果、半田付け時の熱による放電開始電圧の変化を抑制できるのである。

本発明に係る放電管を示す概略断面図である。図１のＡ−Ａ概略断面図である。本発明に係る放電管と比較例の放電管における、放電回数と初期放電開始電圧との関係を示すグラフである。本発明に係る放電管を、周波数５５０Ｈｚ（約１．８２ｍｓ）間隔で動作させた場合の放電開始電圧の推移を示すチャートである。従来の放電管を示す断面図である。

符号の説明

10 放電管
12 ケース部材
14 蓋部材
16 気密外囲器
18 放電電極部
22 放電間隙
26 微小放電間隙
28 トリガ放電膜
29 凹部
30 被膜

Claims

複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入してなる放電管において、上記放電電極の表面に凹部を形成すると共に、該凹部内面に、臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合物が含有された被膜を形成したことを特徴とする放電管。
上記臭化セシウム、酸化マグネシウム及びチタンの混合割合は、臭化セシウムが１０〜７０重量％、酸化マグネシウムが１０〜７０重量％、チタンが１０〜７０重量％と成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電管。