JP4961655B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
本発明は、透光性セラミック管体の中に金属ハロゲン化物を充填してなる放電ランプに係わり、特に、ランプ出力を大きくした放電ランプに関する。
背景技術
この種の放電ランプの発光管は、多結晶アルミナ等の透光性セラミックからなる管体の両端をテーパー状に細くして両端部に細管部を形成し、電極に連なる電極リードを細管部内に挿通して封着ガラスで封止した構成となっている。
ところが、この種の放電ランプでは、発光管を例えば150W以上に大出力化することは極めて困難であった。その理由は、次の通りである。大出力化するには、管体が異常な高温になることを防ぐために管体の径を大きくしなくてはならない。すると、管体の細管部とそれ以外の部分との径寸法差が相当に大きくなり、急激な曲げ部分が生ずる。まず、このような形状はセラミックでは製造が困難であって高コストになる。また、その困難を克服して製造したとしても、放電ランプの点灯中に曲げ部分は極めて高温になるため、その曲げ部分に熱衝撃によるクラックが発生し易くなる。かといって、細管部の径を大きくすると、今度は電極リードとの隙間が大きくなるため、ここを封止する封着ガラス層の層厚が増大し、その封着ガラス層にクラックが発生してしまうという問題を生ずる。
そこで、本発明は発光管の管体の構造を改良することにより放電ランプの高出力化を可能にし、しかも、熱サイクルによるクラックの発生を防止して長寿命化も併せて可能にすることを目的とする。
発明の開示
上記の課題を解決するために本発明らは、発光管の管本体の形状について種々の検討を重ねた結果、その管本体を、径大部と、その両側に位置して先端側ほど径寸法が小さくなるテーパー部と、そのテーパー部の先端に連続する径小部とを備えた形状に構成し、かつ、そのテーパー部と径小部との境界部分を半径2mm以上の曲率で連なるように形成することで、150W以上の大出力化と長寿命化とを併せて実現できることを究明した。
テーパー部と径小部との境界部分の曲率半径は、大きいほどその部分に集中する熱応力を緩和でき、ランプ出力が大きくとも、クラックの発生を抑制できる。そのような観点からすれば、テーパー部と径小部との境界部分の曲率半径は5mm以上とすることがより好ましい。また、曲率半径は大きいほどよいが12mm以下が好ましく、特に9mm以下とすることがより好ましい。
また、管本体の径小部内にセラミック製の端板を嵌合して気密に固着し、この端板部をセラミック製の細管を気密に貫通させて固着し、その細管内に電極を備えた電気導入体を貫通させて封着ガラスにて気密に封止する構成とすることが、より好ましい。このような構成とすると、径小部の径寸法を大きくすることができ、その分、テーパー部の角度を緩やかにできる。このことは、テーパー部の壁面を電極から遠ざけることができることを意味し、テーパー部ひいてはテーパー部と径小部との境界部分の温度上昇を抑えることができるから、より大出力化を可能にできる。また、上記境界部分の温度上昇を抑制できてクラック発生防止に効果的であり、さらには、細管内の電気導入体の封着部分における信頼性を向上させることができるから、より長寿命化することが可能となる。ただし、本発明は、上述のように径小部に端板を嵌合した構造に限定されず、径小部に直接に電気導入体を挿通する構造にしてもよい。
なお、前記端板の厚さは2mm以上、3mm以下とすることがより好ましい。これは、2mmより薄いと、端板と細管との間の気密性を良好に保つのが難しくなり、3mmより厚いと、端板の熱容量が大きくなってセラミック管に大きな温度差が生じ、セラミック管に割れを生じさせるからである。また、発光管内部における径小部の端面と電極先端との間で表される電極突き出し長さを3mm以上、6mm以下とすることが、より好ましい。これは、3mmより短いと、ガラス封着材による封着部の温度が上昇しすぎ、点灯と消灯の繰り返しによる急激な熱膨張によってこの部分に割れが生じるためであり、6mmより長いと、細管内部の温度が上昇しにくくなり、十分な発光特性が得られなくな るからである。
発明を実施するための最良の形態
図1は本発明の第1実施形態に係る放電ランプを示している。これはガラス製の外球1内に金属棒製の支持フレーム2を介して発光管6を支持した構造であり、外球1内にパルス電圧を発生させるための始動器3、ゲッター4、及び始動を容易にするため金属線を発光管6に沿わせた補導体8が併せて封入されている。この外球1の端部には口金5が設けられている。
さて、発光管6の詳細な構造は図2に示してある。これは、透光性アルミナからなる管本体11と、その両端に透光性アルミナにより成型した端板13を介して取り付けられた細管12とから構成されている。管本体11は、内外径ともに他よりも大きい寸法で所定範囲内が直円筒状となっている径大部11Aと、その両端に連なり先端側ほど順次径が小さくなる筒状をなすテーパー部11Bと、そのテーパー部11Bの先端に連続して所定長さの直円筒状となっている径小部11Cとを一体に有する。これは例えばアルミナ粘土を押し出し成型で直円筒状に成型して所定寸法に切断し、これを成型型に収容して中間部を加圧空気で膨張させることによって所要の形状に成型した後に焼成したものである。ここで、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分は、図3に示すように、外周面が凹面によって滑らかに連続しており、その曲率半径Rは2mm以上に設定されている。
端板13は円板状をなし、管本体11の各径小部11Cの外側端面内に嵌合されて一体焼結により気密に固着されている。端板13の厚さ寸法は2mm〜3mmであり、径小部11Cの長さ寸法よりも薄く、従って径小部11Cの奥側には直線筒部11Dが形成されている。このように、テーパー部11Cの端部から所定長さの直線筒部11Dを隔てて端板13を取り付けることがクラックを防ぐ上でより好ましい。
端板13の中心には貫通孔13Aが形成され、ここにアルミナ製の前記細管12が貫通状態に固着されている。細管12の内部には電極20に接続した電気導入体24と27及び透光性アルミナ製のセラミックスリーブ30が封着ガラス40により気密的に固定されている。
電極20は、電極極芯21の先端に第1コイル22を巻回し、基端側に第2コイル23を巻き付けて構成してあり、第1コイル22部分が細管12から管本体11内に突出した状態となっている。この電極20の電極極芯21の基端部には棒状の電気導入体24と27とが順に突き合わせ状態で溶接されており、電気導入体27が細管12から外部に導出されている。第1コイル22の目的はランプ点灯時に電極先端部に形成されるアークスポットの高温から電極20を守ることである。第2コイル23の目的は電極先端部の熱を電極後方に逃がすことと、セラミックスリーブ30の位置決めの役を兼ねさせることである。
発光管6の管本体11を、上述のように端板13を使用した構造とすれば、製造が容易であって大幅なコストダウンを図ることができる。そして、管本体11のテーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分の曲率半径Rを2mm以上とすることでクラックの発生が防止される。また、図3において、上記端板13の内部端面と電極先端との間の距離Sで表される電極突き出し長を3mm〜6mmとすることにより、クラックの発生を防止しながら、十分な発光特性を得ることができる。
なお、図4に示すように、管本体11の径小部11Cの軸方向寸法を、端板13の厚さ寸法と同様な寸法にしてもよい。
(実施例1)
次に、図2及び図3に示した構造の発光管6を使用した実施例1について説明する。この放電ランプは消費電力が250Wである。管本体11の径大部11Aの内径は13mm、径小部11Cの内径は7mm、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分の曲率半径Rは2.5mm、端板13の厚さは2.5mm、端板13が取り付けられた部分とテーパー部11Bとの間の直線筒部11Dの長さは2mm、両端部の細管12の内径は1.5mm、電極突き出し長は4mm、電極間長は20mmである。電極極芯21の径は0.7mm、第1コイル22は径が0.25mmのタングステン線を電極極芯21に4ないし5ターン巻き付けてあり、その最大径は1.2mmである。電気導入体24はモリブデンからなり径0.5mm、長さ3mm、電気導入体27は径0.7mmのニオブ線である。セラミックスリープ30はアルミナからなり、内径0.75mm、外径1.4mm、長さ8mmである。電気導入体27は先端を細管12内に約3mm挿入した位置で封着ガラス40により固定されている。封着ガラス40としてはAl2O3−SiO2−Dy2O3系を用いた。封着ガラス40は細管12の端部から約5mm入ったところまでの、電気導入体24,27とアルミナスリーブ30との隙間及びアルミナスリーブ30と細管12との隙間を満たしている。
このように両端が密封された発光管6内には水銀約14mg、沃化ジスプロシウム約15mg、沃化タリウム約4mg、沃化ナトリウム約3mg、沃化セシウム約1mg及び始動ガスとして約8KPaのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管6を真空の外管1内に組み込んで放電ランプを完成させ、消費電力250Wで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は100時間エージング後の値で表す。
管電力:250W
管電流:2.56A
管電圧:113.7V
全光束:24100lm
平均演色評価数:83
色温度:4530K
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力250Wで寿命試験を実施したところ、約6,000時間経過後も何ら異常は発生しなかった。
(実施例2)
やはり図2及び図3に示した構造の発光管6を使用した実施例2について説明する。この放電ランプは消費電力が250Wである。管本体11の径大部11Aの内径は13mm、径小部11Cの内径は7mm、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分の曲率半径Rは2mm、端板13の厚さは2.5mm、端板13の取り付けられた部分とテーパー部11Bとの間の直線筒部11Dの長さは2mm、両端部の細管12の内径は1.5mm、電極突き出し長は4mm、電極間長は20mmである。電極極芯21の径は0.7mm、第1コイル22は径が0.25mmのタングステン線を電極極芯21に4ないし5ターン巻き付けてあり、その最大径は1.2mmである。電気導入体24はモリブデンからなり径0.5mm、長さ3mm、電気導入体27は径0.7mmのニオブ線である。セラミックスリーブ30はアルミナからなり、内径0.75mm、外径1.4mm、長さ8mmである。電気導入体27は細管12内に約3mm挿入した位置で封着ガラス40により固定されている。封着ガラス40としてはAl2O3−SiO2−Dy2O3系を用いた。封着ガラス40は細管12の端部から約5mm入ったところまでの、電気導入体24,27とアルミナスリーブ30との隙間及びアルミナスリーブ30と細管12との隙間を満たしている。
このように両端が密封された発光管6内には水銀約14mg、沃化ジスプロシウム約15mg、沃化タリウム約4mg、沃化ナトリウム約3mg、沃化セシウム約1mg及び始動ガスとして約8KPaのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管6を真空の外管1内に組み込んで放電ランプを完成させ、消費電力250Wで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は100時間エージング後の値で表す。
管電力:250W
管電流:2.60A
管電圧:111.8V
全光束:24000lm
平均演色評価数:85
色温度:4250K
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力250Wで寿命試験を実施したところ、約5,800時間経過後において封入ガスのリークが発生したことが認められ、試験後に発光管6の表面を子細に観察したところ、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分において数本の微細なクラックの発生が認められた。しかしながら、リーク発生までに至る時間としては、実用上の問題はないものと判断された。
(実施例3)
やはり図2及び図3に示した構造の発光管6を使用した実施例3について説明する。この放電ランプは消費電力が400Wである。管本体11の径大部11Aの内径は16mm、径小部11Cの内径は10mm、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分の曲率半径Rは5mm、端板13の厚みは2.5mm、端板13の取り付けられた部分とテーパー部11Bの端部との間の直線筒部11Dの長さは2mm、細管12の内径は2.0mm、電極突き出し長は5mm、電極間長は25mmである。電極極芯21の径は0.9mm、第1コイル22は径が0.45mmのタングステン線を電極極芯21に4ないし5ターン巻き付けてあり、その最大径は1.8mmである。電気導入体24はモリブデンからなり径0.5mm、長さ3mm、電気導入体27は径0.7mmのニオブ線である。セラミックスリーブ30はアルミナからなり、内径0.75mm、外径1.9mm、長さ8mmである。電気導入体27は細管12内に約3mm挿入した位置で封着ガラス40により固定されている。封着ガラス40としてはAl2O3−SiO2−Dy2O3系を用いた。封着ガラス40は細管12の端部から約5mm入ったところまでの、電気導入体24,27とアルミナスリーブ30との隙間及びアルミナスリーブ30と細管12との隙間を満たしている。このように両端が密封された発光管内には水銀約18mg、沃化ジスプロシウム 約22mg、沃化タリウム約6mg、沃化ナトリウム 約5mg、沃化セシウム 約3mg及び始動ガスとして約8KPaのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管6を真空の外管1内に組み込んでランプを完成させ、消費電力400Wで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は100時間エージング後の値で表す。
管電力:400W
管電流:4.36A
管電圧:105.3V
全光束:41500lm
平均演色評価数:85
色温度:4200K
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力400Wで寿命試験を実施したところ、約6,000時間経過後も何ら異常は発生しなかった。
(実施例4〜6及び比較例1〜4)
曲率半径Rのみが実施例3とは異なる400Wの発光管を作成して発光管にリークが起こるまでの時間と、曲率半径Rとの相関関係を調べた。曲率半径Rがそれぞれ4mm,3mm,2mmである実施例4,5,6と、曲率半径Rがそれぞれ1.5mm,1.0mm,0.5mm,0mmである比較例1〜4とについて、点灯試験の結果を次表に示す。なお、点灯試験は400W安定器を使用し、裸水平点灯で5.5時間点灯、0.5時間消灯の繰り返しで行った。
曲率半径R 点灯試験結果
実施例4 4mm 6,000時間で異常なし
実施例5 3mm 6,000時間で異常なし
実施例6 2mm 6,000時間で異常なし
比較例1 1.5mm 3,000時間以内にリーク
比較例2 1.0mm 2,000時間以内にリーク
比較例3 0.5mm 1,000時間以内にリーク
比較例4 0mm 1,000時間以内にリーク
リークが生じた発光管について、リーク箇所を調べると、いずれもテーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分にクラックが発生していた。この試験結果から、上記境界部分の曲率半径Rは2mm以上であればよいことが判る。
しかし、次のようなアルミナ管の製造上の技術的制約から曲率半径Rはあまり大きくすることはできない。すなわち、▲1▼曲率半径Rが12mmよりも大きいと、径小部11Cの軸方向寸法を十分に確保することができない。▲2▼曲率半径Rが9mm以上では、径小部11Cの内面の軸方向寸法は2mm以下となるため、端板13の厚さ寸法を2mm以上に確保することができない。
従って、テーパー部11Bと径小部11Cとの境界部分の曲率半径Rは2mm以上で12mm以下であることが好ましく、9mm以下であることがより好ましい。
産業上の利用可能性
本発明によれば、消費電力を大きくしても、点灯及び消灯に伴う熱サイクルで発光管にクラックが生ずることを長期間にわたり防止することができて寿命が長くなる放電ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施形態を示す放電ランプの概略的断面図
第2図は、発光管の断面図
第3図は、細管部分の拡大断面図
第4図は、本発明の他の実施形態を示す発光管の断面図
Claims (4)
- 透光性セラミック製の発光管内に金属ハロゲン化物を充填し、その発光管内に設けた電極間で放電を行わせる放電ランプにおいて、前記発光管の管本体を、径大部と、その両側に位置して先端側ほど径寸法が小さくなるテーパー部と、そのテーパー部の先端に連続する径小部と、その径小部の先端に位置する細管部とを備えて構成し、かつ、前記テーパー部と前記径小部との境界部分の外周面を半径2mm以上12mm以下の曲率で連なるように形成したことを特徴とする放電ランプ。
- 前記管本体は、両端の前記径小部内に気密に嵌合して固着されたセラミック製の端板部と、この端板部を気密に貫通して固着された前記細管部であるセラミック製の細管とを備え、前記発光管は前記細管内に前記電極を備えた電気導入体を貫通させて封着ガラスにて気密に封止して構成されていることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
- 請求項2において、前記端板部の厚さは2mm以上、3mm以下であることを特徴とする放電ランプ。
- 請求項2又は請求項3において、前記発光管内部における径小部の端面と前記電極先端との間で表される電極突き出し長さが3mm以上、6mm以下であることを特徴とする放電ランプ。
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