JP2004146125A

JP2004146125A - 反射鏡付きハロゲン電球

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Publication number: JP2004146125A
Application number: JP2002307551A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kawagoe; 川越　進也; Hiroshi Ikeda; 池田　拓
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】コストの増大や寿命および耐振動性の劣化を招くことなく、照明効率を向上させることができ、省エネルギー化が可能な反射鏡付きハロゲン電球を提供する。
【解決手段】内部に封入ガスが封入されたほぼ円筒形の発光部２と、２本のリード線により前記発光部２内部のほぼ中心軸に沿って保持された２重巻型コイル５とを備えたハロゲン電球１１０に、反射面が凹面状の反射鏡１２０が付設された反射鏡付きハロゲン電球１００であって、前記コイル５の１次のコイルの外径ＦＤ_１（ｍｍ）、と２ｎ次コイルのピッチＰ_２（ｍｍ）の比が、１．６≦Ｐ_２／ＦＤ_１≦２．５となるようにコイル形状を設定すると共に、反射鏡１２０の中心軸Ａに沿った方向におけるコイル５の配置位置が、前記反射鏡１２０の焦点Ｆの位置を含み、かつ、当該コイル５の前記中心軸方向における中央の位置Ｍが前記焦点Ｆの位置よりも前記反射鏡の口金１３０側に位置するように構成されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射鏡付きハロゲン電球に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にハロゲン電球は、通常の白熱電球に比してランプ効率が高く、また、反射鏡と組み合わせることにより配光制御が容易であることから、店舗等の一般照明用に広く使用されている。
このような反射鏡付きハロゲン電球を評価する場合に、所定距離離れた照射面における中心部分の照度（反射鏡の中心軸（光軸）の延長線と照射面の交叉する点における照度。以下単に「中心照度」という。）の大きさが一つの基準となっており、単位Ｗ当りの中心照度をより向上させることが従来から課題となっていた（以下、本明細書では、反射鏡付きハロゲン電球の１Ｗ当りの中心照度の大きさ（ｌｘ／Ｗ）を「照明効率」と定義する。）。
【０００３】
このような照明効率を向上させることができれば、所定の中心照度を得るための消費電力を少なくすることができ省エネルギー化に資することができる。
そして、照明効率を向上させるため、従来から次のような２つのアプローチが考えられている。
一つは、ハロゲン電球自体のランプ効率を向上させる方法であり、２つ目は、反射鏡による反射効率を向上させる方法である。
【０００４】
前者のハロゲン電球自体のランプ効率を向上させる方法として、例えば、特許文献１には、ハロゲン電球の発光部のバルブ形状を通常の円筒形から回転楕円体形にすると共に、その外周面に、赤外線を反射すると共に可視光を透過させる特殊な多層干渉膜（赤外線反射膜）を形成する構成が開示されている（以下、この構成を「回転楕円体型」という。）。
【０００５】
電球のコイルから発する光には赤外線が７０％以上含まれており、上記赤外線反射膜により当該赤外線が発光部内方に反射されることになるが、発光部の形状が回転楕円体をしているので、赤外線の反射方向が内部のコイル方向に集中し、これによりコイルがさらに加熱されてランプ効率が向上する。
ところが、このような構成によれば、発光部が外側に膨らむ回転楕円体形状にしなければならないため、その外径が大きくなるという問題がある。
【０００６】
図１７は、上記回転楕円体型のハロゲン電球を使用した反射鏡付きハロゲン電球２００の構成を示す図であり、説明の便宜上、反射鏡や口金はその断面で示している。同図に示すように反射鏡付ハロゲン電球２００は、回転楕円体型のハロゲン電球２１０に口金２３０と反射鏡２２０を取着して構成される。
反射鏡２２０の最大口径Ｄ０などの寸法は、ＪＥＬ（日本電球工業会）１１５の規格で定まっているため（例えば、Φ５０商用電圧反射形の定格出力１１０Ｖ／４０Ｗ、６５Ｗタイプのもので、Ｄ０＝５３ｍｍ以下）、その反射面２２１の形状も所望のビーム角に応じて特定されるが、上述のように回転楕円体型のハロゲン電球２１０は、発光部２１１の径が大きいため、反射鏡２２０の口金２３０側の開口部２２３の径Ｄ１も大きくせざるを得ない。したがって、その分だけ反射鏡２２０の反射面２２１の有効面積が、従来の円筒状のハロゲン電球を使用する場合に比べて約４％減少し、ハロゲン電球２１０自体のランプ効率は増すものの、照明効率の方は、期待したほど向上しないのが実情である。
【０００７】
その一方で、赤外線反射膜を発光部の外周面に形成するためコストが高くなるという問題もある。また、反射鏡の設計変更に伴う金型の変更などの製造コストの増加も避けられない。
反射鏡をΦ７０商用電圧反射形の規格に合わせると有効反射面積も大きくとれるので、反射効率も改善できるが、その分サイズが大きくなって使用用途が限られてしまうと共にやはり設計変更に伴う製造コストの増加も避けられない。
【０００８】
そこで、円筒状のバルブ形状を維持しつつ反射鏡による反射効率を向上させる方法によるアプローチが望まれるが、従来では、コイルのバルブ中心軸方向の長さ（以下、「コイル長」という。）をできるだけ短くして点光源に近付け、当該コイルを反射鏡の中心軸とほぼ同軸上であって、かつ、当該コイルの長手方向の中心位置が反射鏡の焦点位置に一致するようにして反射鏡付きハロゲン電球を組み立てていた。
【０００９】
ところが、所定の定格出力を得るためにはコイル素線は一定の長さだけ必要なので、実際にコイル長を短くするために、３重巻型コイルなどを採用し、低次コイル（３重巻型のコイルの場合には、１次コイルおよび２次コイル）のコイルピッチを小さくすると共に、最高次コイルのターン数を少なくしなければならない。
【００１０】
これによりコイル長を６．０ｍｍ程度に短くできると共に１ターン当りの発光量を大きくでき、これを反射鏡の中心軸（光軸）とほぼ同軸上であって、かつ、そのコイル長さ方向の中央の位置が、反射鏡の焦点の位置にくるようにすれば、確かに反射効率が向上すると思われる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１５１０１４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のコイル長が非常に短縮化されたハロゲン電球には耐振動性に問題があり、寿命も短いことが判明した。
すなわち、上述のように短いコイル長でターン数を少なくするためには低次コイルのピッチを非常に小さくしなければならず、コイル線が密になって点灯時の温度上昇が著しく、これによりコイル素線（タングステン）が蒸発しやすくなると共に、少しでも振動が加えられると隣接したターン間で短絡が生じ大電流が流れて溶断するおそれがあり、これらが原因で正規の寿命よりも短寿命になり、耐衝撃性も劣化するのである。
【００１３】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであって、コストの増大や寿命および耐振動性の劣化を招くことなく、照明効率を向上させることができ、省エネルギー化が可能な反射鏡付きハロゲン電球を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る反射鏡付きハロゲン電球は、内部に封入ガスが封入されたほぼ円筒形の発光部と、前記発光部内部であって当該発光部の中心軸とほぼ同軸上に配置されたｎ重巻型（ｎ＝２，３，４，・・・）コイルとを備えたハロゲン電球に、凹面状の反射面を有する反射鏡が組み合わされてなる反射鏡付きハロゲン電球であって、前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルの外径をＦＤ_ｎ（ｍｍ）、ｎ次コイルのコイルピッチをＰ_ｎ（ｍｍ）とした場合に、１．６≦Ｐ_ｎ／ＦＤ_ｎ−１≦２．５の関係を満たすと共に、前記反射鏡の中心軸に沿った方向におけるｎ重巻型コイルの位置が、前記反射鏡の焦点の位置を含み、かつ、当該ｎ重巻型コイルの前記中心軸方向における中央の位置が前記焦点の位置よりも前記反射鏡の前面開口部とは反対側に位置するように前記ハロゲン電球と反射鏡の位置関係が設定されていることを特徴としている。
【００１５】
ｎ重巻型コイルにおいてこのようにｎ次コイルのピッチＰ_ｎと（ｎ−１）次コイルの外径ＦＤ_ｎ−１との比Ｐ_ｎ／ＦＤ_ｎ−１、が１．６≦Ｐ_ｎ／ＦＤ_ｎ−１≦２．５の関係を満たすよう形成することにより、ピッチタッチが生じにくく耐衝撃性に優れると共に発光管光束の低下しないハロゲン電球を得ることができる。また、このハロゲン電球のｎ重巻型コイルの反射鏡の中心軸に沿った方向における位置が、前記反射鏡の焦点の位置を含み、かつ、当該ｎ重巻型コイルの前記中心軸方向における中央の位置が前記焦点の位置よりも前記反射鏡の広がる方向と反対側に位置するようにすることにより、中心照度の向上に寄与する範囲内により多くのｎ重巻型コイルの部分が位置することになり、中心照度の向上が望める。
【００１６】
ここで、前記コイルのコイル長は、１１ｍｍ未満であることが望ましい。
また、前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルのピッチＰ_ｎは、０．４６ｍｍ≦Ｐ_ｎ≦０．７４ｍｍの範囲内であることが望ましい。
さらに、前記ｎ重巻型コイルの（ｎ−１）次コイルの外径ＦＤ_ｎ−１は、０．２８ｍｍ≦ＦＤ_ｎ−１≦０．４５ｍｍの範囲内であることが望ましい。
【００１７】
また、前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルの外径ＦＤ_ｎは、１．５０ｍｍ≦ＦＤ_ｎ≦１．７６ｍｍの範囲内であることが望ましい。
また、前記反射鏡の最大口径は、ほぼ５０ｍｍであって、前記反射鏡の中心軸とほぼ同軸上で、かつ、当該反射鏡の焦点の位置を基準にして、この焦点位置から反射鏡の前面開口部の方向にほぼ０．５ｍｍの位置から、前記焦点位置から前記反射鏡の前面開口部と反対の方向にほぼ５．５ｍｍの位置までの特定範囲のほぼ全域に、前記ｎ重巻型コイルの少なくとも一部分が存するか、もしくは前記特定範囲内に前記ｎ重巻型コイル全部が含まれるように前記ｎ重巻型コイルのコイル長および前記ハロゲン電球の前記反射鏡に対する相対的位置が設定されていることを特徴とするようにしてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る反射鏡付きハロゲン電球ついて図面を用いて説明する。
（反射鏡付きハロゲン電球の全体構成）
図１は、本実施の形態における反射鏡付きハロゲン電球１００の構成を示す一部切欠断面図である。本実施の形態において反射鏡付きハロゲン電球１００は、定格出力が１１０Ｖ／６５Ｗであって、ビーム角が１０°に設定されている。
【００１９】
同図に示すように反射鏡付きハロゲン電球１００は、円筒形の発光部２を有するハロゲン電球１１０の外部リード線１２，１３側に口金１３０を取り付け、この口金１３０の開口部１３３に反射鏡１２０のネック部１２４を内挿してセメントなどの接着剤（不図示）で固着してなる。
本実施の形態においては、ハロゲン電球１１０のコイル５を所定の条件を満たすように形成し、当該コイル５の中心軸方向における中央の位置（以下、単に「コイル中心」という。）Ｍが、反射鏡１２０の焦点Ｆよりも所定量だけ口金１３０寄りに来るようにハロゲン電球１１０と反射鏡１２０の相対位置が設定されている点に特徴がある。詳しくは後述する。
【００２０】
ハロゲン電球１１０の外部リード線１２は、銅とニッケルとの合金からなる保護用電流ヒューズ１４を介して、引き出し線１３４の一端に接続される。この引き出し線１３４は、口金１３０の口金がいし１３７に設けられた貫通孔１３６を通って外部に引き出され、口金シェル１３１に接続される。また、外部リード線１３は、引き出し線１３５を介して、金属端子１３２に接続される。
【００２１】
反射鏡１２０としては、硬質ガラス製の反射鏡本体に形成された放物面もしくは楕円面などの凹曲面形状の内面１２１に、赤外線を透過させ可視光線を反射する多層干渉膜１２１ａが形成しされた公知のダイクロイックミラーが使用される。
このダイクロイックミラー型の反射鏡を付したハロゲン電球は、赤外線を後方に透過させるので、照射方向前方があまり熱くなることがなくなり、店舗のディスプレーなどにおける照明に適している。
【００２２】
本実施の形態によれば、ハロゲン電球１１０の発光部２は円筒形をしているため、従来技術における回転楕円体型のハロゲン電球２１０（図１７参照）に比べて外径ｄが小さく、そのため反射鏡１２０の小径部側の開口部１２３の内径Ｄ２もＤ１よりも小さくすることができ、その分有効反射面の面積が大きくなるので、同じ口径の場合には、より多くの光束を前方に反射させることができる。
【００２３】
また、ネック部１２４が後ろに長く伸びてハロゲン電球１１０を従来より口金１３０寄りに取り付けることができるようになっており、後述のランプ配置を可能とする。
反射鏡１２０の前面開口部１２５には、前面ガラス１４０が、その周囲を金属リング１４１により当該前面開口部の周縁部にかしめられて取着されている。この前面ガラス１４０は凸レンズの作用も有し、集光率を向上させるように作用すると共に、塵埃などが内部に混入しないように密閉するカバーの役目も果たしている。なお、図１では、図が複雑になるのを避けるため、前面ガラス１４０、金属リング１４１の断面を示す斜線を排し、それぞれ外形の輪郭を実線で示している。
（ハロゲン電球１１０の構成）
図２は、上記ハロゲン電球１１０の拡大図であり、内部の構造を説明するため、バルブ４の閉塞部１、発光部２およびステム８の部分は断面図で示している。
【００２４】
同図に示すように、ハロゲン電球１１０は、閉塞部１、円筒形の発光部２および封止部３が順次連接された石英ガラス製のバルブ４を備える。発光部２の内部にはタングステン製の２重巻型のコイル５が、当該コイル５の中心軸（２重巻型コイルの螺旋軸。以下同じ）と発光部２の円筒形の中心軸がほぼ一致した状態で配置されている。
【００２５】
コイル５は、その両端部が、石英ガラスからなるステム８に保持されたタングステン製のリード線６、７にそれぞれ接続され、それらに張架された状態で支持されている。また、コイル５の中間部は、ステム８に保持されたタングステン製のアンカー線９の端部に懸架されており、これにより、コイル５に撓みが発生するのを防止するようになっている。
【００２６】
リード線６，７の他端部は、封止部３に封止されたモリブデン箔１０、１１を介してモリブデン製の外部リード線１２，１３に接続されている。
発光部２の内部には、封入ガスとして、アルゴンガス、キセノンガス、およびクリプトンガスのうち少なくとも１種を含む母体ガスと。微量のハロゲン化合体（ＣＨ_２Ｂｒ_２）とが封入されている。また、母体ガスには、主成分であるアルゴンガス、キセノンガス、およびクリプトンガスの他に窒素ガスが１０〜２０％前後添加されている。これにより定常点灯時、コイル５の両端間でアーク放電が発生するのを防止することができる。なお、本実施の形態においては、具体的に発光部２内に主成分としてキセノンガスに窒素ガスを１２％添加した母体ガスを、常温時の圧力で０．５ＭＰａ封入している。
【００２７】
また、ハロゲン電球１１０の各部の詳細な寸法は以下の通りである。
バルブ４の全長（Ｌａ）　　　　　　　　３９．５ｍｍ
発光部２の外径（内径）　　　　　　　　１１ｍｍ（９ｍｍ）
外部リード線１２，１３の線径　　　　　　０．５ｍｍ
コイル５の素線径　　　　　　　　　　０．０５２ｍｍ
１次コイルのマンドレル（内径）　　　　０．２５ｍｍ
１次コイルの外径（ＦＤ_１）　　　　　　０．３５ｍｍ
１次コイルのピッチ（Ｐ_１）　　　　　　０．０９ｍｍ
２次コイルのマンドレル（内径）　　　　０．９３ｍｍ
２次コイルのピッチ（Ｐ_２）　　　　　　０．６８ｍｍ
２次コイル長（Ｌｃ）　　　　　　　　　　８．０ｍｍ
２次コイルの外径（ＦＤ_２）　　　　　　１．６３ｍｍ
但し、１次コイルピッチ（Ｐ_１）および２次コイルピッチ（Ｐ_２）は、リード線６、７に取り付ける前の値で示している。
（反射鏡に対するコイル位置の最適化）
次に反射鏡１２０に対するハロゲン電球１１０のコイル５の位置の最適化について説明する。
【００２８】
従来の反射鏡付きハロゲン電球の設計においては、反射鏡１２０の中心軸（光軸）に沿って焦点に対称となるようにコイル５を配置するのが一番望ましいとされていた。中心照度を向上させるには、焦点に点光源を置くのが理想的であり、コイルに物理的な長さがある以上、当該光源に対して対称的に配置するのが最適であると理解されていたからである（このようなコイル配置を以下、「焦点対称型配置」という。）
しかし、本願発明者らは、実際の反射鏡１２０は、ハロゲン電球１１０を取り付けるため口金１３０側にも開口部１２３があり、必ずしも上記のような焦点対称型配置が理想的とはいえないのではないかとの疑問を抱き、次のような条件でコンピュータによるシミュレーションを試みた。
【００２９】
図３は、反射鏡１２０の光軸上に１ターンのみの仮想コイル５０を配置したときのシミュレーション画像を示す図である。反射鏡１２０の最大口径は、５０ｍｍとし、最小口径（ネック側開口部径）は１６ｍｍとしている。また、ビーム角は１０°である。
また、光源の位置と中心照度の関係を明確に把握するため、仮想コイル５０は、２次巻型コイルを１次巻型コイルで近似すると共に、敢えて１ターンのみとしている。ここで当該仮想コイル５０の線径は０．４ｍｍであり、そのコイル外径２ｍｍに設定されている。
【００３０】
図４は、図３における反射鏡１２０をその光軸上で切断したときの縦断面図であり、Ｆは反射鏡１２０の焦点を示す。そして、２．２５ｍ先の照射面を想定し、仮想コイル５０の中心軸が常に反射鏡１２０の中心軸Ａに平行な状態で移動させ、各位置で上記照射面における中心照度を演算する処理を実行した。
なお、仮想コイル５０は、その中心の位置が、焦点を通るｘ軸（反射鏡１２０の中心軸）上、および、焦点を通りｘ軸と直交するｙ軸方向（ミラー径方向）に移動させた。
【００３１】
図５、図６は、このシミュレーションの結果を示すグラフである。
図５は、仮想コイル５０の中心をミラー中心軸上で移動させた場合の照射面中心照度（ｌｘ）の変化を示すグラフである。なお、同グラフにおいては、光軸Ａと反射鏡１２０の開口面が交わる点Ｂ（図４参照）を原点にしており、焦点Ｆは、点Ｂからほぼ１６．５ｍｍの距離に位置する。
【００３２】
同図に示すように中心照度は、焦点の反射鏡１２０の前面開口部１２５側（以下、単に「前方側」という。）約０．５ｍｍ手前から急速に立ち上がり、焦点Ｆの位置で最大照度に達した後徐々に低下して、焦点Ｆよりネック側へ（以下、単に「後方側」という。）約５．５ｍｍ程度を過ぎるとほとんど０になる。つまり、中心照度の向上に貢献しているのは、焦点の前方側０．５ｍｍから焦点の後方側５．５ｍｍのほぼ６ｍｍの範囲Ｒのみであり、これ以外の位置にあるコイルは中心照度の向上にほとんど寄与していないことが判明した（このように中心照度の向上に貢献するためのコイル位置のミラー中心軸方向における範囲Ｒを、以下「中心照度寄与範囲」という。）。
【００３３】
今、具体的にコイル長Ｌｃが、８ｍｍの場合において考えてみると、図７（ａ）に示すように、従来の焦点対称型の配置では、中心照度寄与範囲６ｍｍのうち４．５ｍｍ（中心照度寄与範囲の約７５％）しかコイルが重なっていない。一方コイルの方から考えれば、当該コイルが発する全光束のうち４．５／８＝０．５６すなわち約５６％しか、中心照度に寄与していないことになる。
【００３４】
しかし、図７（ｂ）に示すようにコイルをより後方側にずらして、中心照度寄与範囲内にコイルが１００％存在するようにすれば、コイルが発する全光束のうち、６／８＝０．７５、すなわち７５％が中心照度に寄与することになり、照明効率が向上する。
以上から、コイルの位置を従来の焦点対称型配置から、口金１３０方向にずらして中心照度寄与範囲内にあるコイルの割合ができるだけ大きくなるようにすることにより中心照度が向上することが分かる。
【００３５】
因みに、焦点対称型配置の場合における、コイル長と中心照度寄与範囲６ｍｍ内のコイルの存する範囲の割合との関係を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
当該表１から明らかなように、焦点対称型配置の場合、コイル長が短ければ、短いほど中心照度寄与範囲内にあるコイルの長さが短くなる。したがって、従来のように光源を点光源化するためコイル長を短くしても、焦点対称型配置である限り中心照度の向上に十分寄与していなかったことになる。
一方、コイル長が１１ｍｍになると焦点対称型配置であっても、中心照度寄与範囲のほぼ１００％の部分にコイルが存することになる。したがって、本発明のように焦点対称型配置よりもコイルを後方側にずらすことにより、照明効率の向上を達成することができるのは、コイル長がほぼ１１ｍｍ未満のときであるといえる。
【００３８】
他方、図６は、仮想コイル５０を焦点においてミラー径方向（図４のｙ軸方向）に移動させた場合の仮想コイル５０の中心の焦点からの距離（横軸）と照射面の中心照度との関係を示すグラフである。
同図に示すように仮想コイル５０が中心軸Ａとほぼ同軸上にあるときが中心照度が最も大きく、離れていくほど中心照度も低下していく。このシミュレーションの結果から、発光位置が中心軸Ａに近い方が望ましいことが理解され、通常の多重巻型コイルにおいては、その最高次コイルの各ターンのコイルの位置が中心軸にできるだけ近いこと、すなわち最高次コイルの外径ができるだけ小さいことが、中心照度の向上に際して望まれることが示唆される。
【００３９】
（コイル形状の最適化）
上記考察の結果から、コイル長を短くすると共に最高次のコイル外径を小さくし、中心照度寄与範囲内に当該コイルが１００％含まれるようにすれば、照明効率の向上が望めることが分かる。
しかし、従来技術でも述べたように単にコイル長を短くすることは耐衝撃性を劣化させると共にランプの短寿命化を招く結果にもなるので、次にコイル形状の最適化について実験を行った。
【００４０】
表２は、上掲のＪＥＬにおけるランプ特性値の規格であり、次に述べる実験において試験ランプを評価するに際し、上記規格値（特に発光管光束と寿命時間）を下回らないことが一つの基準となる。
【００４１】
【表２】

【００４２】
まず、定格出力が１１０Ｖ／４０Ｗおよび１１０Ｖ／６５Ｗのハロゲン電球について、様々な形状の２重巻型コイルを用いて試験ランプを作成した。
ここで、ｎ重巻型のコイルについて（ｎ＝２，３，４，・・・）、ｍ次コイル（ｍ＝１，２，３，・・・，ｎ）の外径をＦＤ_ｍ（ｍｍ）、そのコイルピッチをＰ_ｍ（ｍｍ）と定義すると、２重巻型コイルの場合においては、図８に示すように２次コイルの外径をＦＤ_２、そのコイルピッチをＰ_２、１次コイルの外径をＦＤ_１と表すことができる。
【００４３】
コイルの寿命は、特に最高次コイルの隣接するターン間の隙間の大小に依存すると考えられ、そしてその大きさは、２次コイルのコイルピッチＰ_２と１次コイルのコイル外径ＦＤ_１の相関関係に依存するので、まずこの関係について調べてみた。
（実験１）
定格出力が４０Ｗのハロゲン電球について、１次コイル外径ＦＤ_１を、０．３５ｍｍに固定し、２次コイルピッチＰ_２を０．４ｍｍ〜１．０５ｍｍまで変化させた試験ランプを複数作成し、これらを連続点灯してその寿命を測定する実験を行った。
【００４４】
次の表３はその実験結果である。
【００４５】
【表３】

【００４６】
同表では、２次コイルのコイルピッチＰ_２と１次コイルのコイル外径ＦＤ_１の相関関係を示すため、Ｐ_２／ＦＤ_１の値を計算して、コイルピッチＰ_２の値と対応させて表記している。
そして、図９は、Ｐ_２／ＦＤ_１の値を横軸にし、そのときの寿命時間を縦軸にして、表３の実験結果をプロットし、近似曲線で繋いだ場合のグラフである。同グラフに示すようにＰ_２／ＦＤ_１の値が１．６未満の場合には、急激に寿命時間が低下し、表２の規定値である３０００時間を大幅に下回ってしまう。
【００４７】
このように１次コイル径ＦＤ_１が２次コイルピッチＰ_２に比べて大きくなると、２次コイルにおいて隣接するターン間の間隙が必要以上に小さくなる。
通常、点灯時間が経過していくうちに、コイル素線材料であるタングステンの粒塊滑りが生じ、ピッチ間隔が乱れて隣接するコイルのターン同士が接触する現象（ピッチタッチ）が生じる場合があるが、上述のようにＰ_２／ＦＤ_１の値が１．６未満の場合には、ピッチタッチの発生が顕著になると解される。
【００４８】
このようにピッチタッチが生じると、ランプ電流が増加してコイル温度が上昇し、タングステンの蒸発が加速されて短寿命になるのである。
次に、ハロゲン電球の消費電力が６５Ｗのものについて、同様な実験を行ったところ、次の表４のような結果を得た。
【００４９】
【表４】

【００５０】
図１１は、図９と同様、Ｐ_２／ＦＤ_１の値を横軸にし、そのときの寿命時間を縦軸にして、表４の実験結果をグラフ化した図である。この場合でもやはり、Ｐ_２／ＦＤ_１の値がほぼ１．６未満になると、急激に寿命時間が低下し、表２の規定値である３０００時間を大幅に下回る結果となる。
したがって、規格値以上の寿命時間を得るためには、Ｐ_２／ＦＤ_１の値は１．６以上であることが望ましいといえる。
【００５１】
一方、この実験によりＰ_２／ＦＤ_１と発光管光束との間にも一定の関係があることが明らかになった。
図１０は、表３に示す４０Ｗのハロゲン電球の実験結果のうち、Ｐ_２／ＦＤ_１と発光管光束の関係をグラフ化したものであり、横軸がＰ_２／ＦＤ_１の値を、縦軸が発光管光束（ｌｍ）の値を、それぞれ示している。
【００５２】
同グラフに示すようにＰ_２／ＦＤ_１がほぼ２．５を超えると発光管光束が急速に低下し、５５０ｌｍを下回る結果になる。表２に示したように４０Ｗハロゲン電球の規格として発光管光束が５５０ｌｍ以上である必要があるため、Ｐ_２／ＦＤ_１の値は２．５以下であることが望ましい。
また、図１２は、表４に示す６５Ｗのハロゲン電球の実験結果のうち、Ｐ_２／ＦＤ_１と発光管光束の関係をグラフ化したものであるが、この場合でもＰ_２／ＦＤ_１がほぼ２．５を超えると発光管光束が急速に低下し、６５Ｗハロゲン電球の規格である１１００ｌｍを下回る結果になる。
【００５３】
したがって、６５Ｗの電球の場合でも、一定値以上の発光管光束を維持するため、Ｐ_２／ＦＤ_１の値は２．５以下であることが望ましいといえる。
このようにＰ_２／ＦＤ_１の値が一定値を超えると発光管光束が劣化するのは、次のような理由によるものと考えられる。
すなわち、Ｐ_２／ＦＤ_１が大きくなるとコイル径ＦＤ_１に比してコイルピッチＰ_２が大きくなって隣接するターン間の隙間も大きくなる。そのため、１ターンから放射される熱が隣のターンを熱するのにロスが大きくなるため、結果的にコイル温度を低下させることになり、発光間光束を低下させることになるからである。
【００５４】
発光間光束が低下すると、いくらコイル位置を調整しても中心照度を向上させることはできないので、この観点からＰ_２／ＦＤ_１は、２．５以下が望ましいといえる。
（耐衝撃性の観点からの考察）
次に、４０Ｗと６５Ｗの各ハロゲン電球において、２次コイルのピッチＰ_２を０．７ｍｍとし、１次コイル外径ＦＤ_１を、０．２〜０．６ｍｍまで変化させて、衝撃負荷実験を行った。
【００５５】
この実験は、本実施の形態においては点灯落下衝撃試験法により実行した。この試験方法は、ハロゲン電球を一定方向に維持した状態で、定格電圧で点灯し、床面への衝突時に４０Ｇの衝撃（人がランプ器具に頭をぶつけたときと同程度の衝撃）が加わるような高さからハロゲン電球を落下させ、何回目の落下によりハロゲン電球が不点灯にいたるかを確認する試験方法である。
【００５６】
次の表５は、４０Ｗのハロゲン電球における衝撃負荷実験の結果を示す。
【００５７】
【表５】

【００５８】
同表において、衝撃負荷回数は、ハロゲン電球が何回の落下まで点灯していたかを示すもので、この回数が多いほど耐衝撃性が高いと評価できる。
図１３は、この表をグラフ化したものであり、横軸がＰ_２／ＦＤ_１の値を示し、縦軸が衝撃負荷回数を示す。同図に示すようにＰ_２／ＦＤ_１の値が、１．６未満になると急激に耐衝撃性が劣化している。
【００５９】
同様に表６は、６５Ｗのハロゲン電球における衝撃負荷実験の結果を示すものであり、図１４がこれをグラフ化したものである。
【００６０】
【表６】

【００６１】
図１４から明らかなように、６５Ｗの電球の場合でもＰ_２／ＦＤ_１の値が、１．６未満になると急激に耐衝撃性が劣化しているのが分かる。
このように２次コイルのコイルピッチＰ_２を０．７ｍｍで一定の状態で、Ｐ_２／ＦＤ_１の値が小さくなると、ＦＤ_１の値が大きくなるため、コイルの各ターンの曲率半径が大きくなって剛性が小さくなり、衝撃を受けるとその際に生じる振動によりコイルの中心軸方向における各ターンの振幅も大きくなり、接触しやすくなる。一旦接触すると短絡が生じ、ランプ電流が増加して発熱によりコイルが蒸発しやすくなって、コイルが溶断してしまうと考えられる。
【００６２】
なお、同様な結果は、コイルピッチＰ_２の方を小さくする場合でも得られるものであり、Ｐ_２とＦＤ_１との相対比Ｐ_２／ＦＤ_１によって、耐衝撃性の値が左右される。
以上の実験から、耐衝撃性に優れ、しかも長寿命であると共に、発光管光束が劣化しないためのコイル形状は、２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＦＤ_１との比Ｐ_２／ＦＤ_１が、１．６以上２．５以下であると言える。
（比較実験）
次の３種類の２重巻型コイルを使用して試験ランプを作成し、反射鏡１２０の中心軸方向に各試験ランプを移動しながら中心光度を測定する比較実験を行った。なお、光源から照射面までの距離をｒとすると、光度Ｉ（ｃｄ）と照度Ｅ（ｌｘ）との関係は、Ｅ＝Ｉ／（ｒ^２）となり、中心照度は中心光度に正比例するので、ここでは便宜上中心光度を測定している。
【００６３】
【表７】

【００６４】
発明品および従来品Ｂは６５Ｗ仕様、従来品Ａは７５Ｗ仕様のものを使用した。但し、コイル形状のみに依存する中心光度の差異を明確にするため、各試験ランプの全光束量が等しくなるように印加電圧を調整している。
図１５は、この実験の結果を示すグラフであり、横軸が、中心照度寄与範囲内にコイルの存する割合を％で示す。また、縦軸は中心光度の大きさを示す。
【００６５】
既述の通り、中心照度寄与範囲内にコイルの存する割合が大きくなるほど、全体的に中心光度も高くなっている。ただ、従来品Ｂについて中心光度の変動が大きいのは、そのコイルのピッチが大きいため、焦点位置にコイルのどの部分が位置するかで大きく中心光度に影響するからであると考えられる。
また、従来品Ｂは、コイル長を６．５ｍｍと短くしながらも、中心光度が本発明品に及ばず、中心照度寄与範囲の全部にコイルが存する場合でも、中心光度が約１０％も本発明品の方が上回っている。これは、従来品Ｂの２次コイル径ＦＤ_２が大きいので、発光位置が反射鏡の中心軸からより離れており、このために中心光度が低下しているからであると考えられる（図６のシミュレーション結果参照）。
【００６６】
また、従来品Ａが、一番中心光度が低いのは、コイル長が８．５ｍｍと長く、中心照度寄与範囲に１００％存していたとしても、当該コイルが発する全光束に対して６／８．５＝７０．６％の光束しか中心照度の向上に寄与していないからであると考えられる。
この実験から、中心光度（照度）をできるだけ向上させるためには２次コイルのターン数をできるだけ多くしてそのコイルピッチを小さくすることが望ましいことが分かる。
【００６７】
また、図１６は、反射鏡付きハロゲン電球１００において、反射鏡１２０の中軸に沿って、各試験ランプを移動させたときの、中心光度の変化を示すグラフである。
同図において、横軸は、反射鏡１２０の中心軸上の位置を示し、縦軸は照射面における中心光度の大きさを示す。
【００６８】
同グラフから容易に分かるように、コイルピッチＰ_２およびコイル外径ＦＤ_２の一番大きな従来品Ｂにおける中心光度が一番変動している。このようにコイルピッチ、コイル径の大きなものは、当該コイルのどの位置が焦点付近に来るかによって、大きく中心光度が変化するものと考えられる。
このように微小な位置変化による中心光度の変動が大きいと、反射鏡付きハロゲン電球１００の組み立て時に少しでもハロゲン電球１１０の位置が設計位置よりもずれるとその中心光度にばらつきが生じ、望ましくない。
【００６９】
この結果からも、２次コイルのターン数を多くして２次コイルのピッチを小さくすると共に、２次コイル径ＦＤ_２を小さくすることが望ましいといえる。
（まとめ）
以上の実験結果をまとめると以下のようになる。
（１）コイルの位置について
コイルは、焦点対照型配置するのではなく、焦点を含み、やや反射鏡の小径部寄り（口金寄り）に存する中心照度寄与範囲にできるだけ多くのコイル部分が存するように配置するのが望ましい。
【００７０】
この中心照度寄与範囲は、ビーム角１０°、最大口径５０ｍｍの反射鏡において反射鏡の中心軸に沿った略６ｍｍの範囲であって、焦点を挟んでその約０．５ｍｍが前面開口部側（前面ガラス側）、約５．５ｍｍが小径部側（口金側）に存する。
コイル長が１１ｍｍ未満の場合には、中心軸方向におけるコイルの位置が焦点位置を含み、かつ、コイル中心の位置が、少なくとも焦点位置よりも小径部側にあれば、従来の焦点対称型配置に比べて中心照度の向上が望める。
【００７１】
なお、多少反射鏡の最大口径やビーム角が異なっても上述とほぼ同様な結果が得られた。
（２）コイルの形状について
２重巻型のコイルについて、１次コイル外径ＦＤ_１と２次コイルピッチＰ_２との比Ｐ_２／ＦＤ_１は、１．６以上２．５未満（以下、この条件を「最適コイル条件」という。）とすることにより、寿命時間、耐衝撃性、および発光管光束の全ての点において良好な結果が得られる。
【００７２】
また、上記最適コイル条件を満たす範囲内で、２次コイルピッチＰ_２を小さくして２次コイルのターン数を増やすことにより、発光管光束を大きくすることができ、同じ中心照度を得る場合に省エネルギー化とすることができると共に、コイルの中心軸方向における発光分布が均一化し、反射鏡と組み合わせたときにハロゲン電球１１０の取り付け位置に多少誤差があっても中心照度のばらつきがほとんど生じない。その結果、製品の照明効率の均一化のためにそれほど高度な組立精度が必要ではなくなり、生産性の向上およびコストダウンを図ることができる。
【００７３】
さらに２次コイルの外径ＦＤ_２を小さくするようにすれば、中心照度の向上に一層貢献する。
なお、コイル素線の線径は、ＪＥＬの規格により決まっており、これにより製造可能な１次コイルの外径ＦＤ_１の範囲もほぼ特定され、０．２８ｍｍ≦ＦＤ_１≦０．４５ｍｍとなる。この範囲は、具体的にはリード線の加工性等を考慮して決定される。
【００７４】
すなわち、コイル５は、その１次コイルの端部をリード線６，７の先端部に外挿して取り付けるようになっているので（図２参照）、当該１次コイルの内径は、リード線６，７の線径に依存する。そして、コイル５の素線径は上述のように規格で定まっているので、１次コイルの内径が定まれば、その外径ＦＤ_１も自ずから定まる。逆にいえば、１次コイル外径ＦＤ_１が決まれば、リード線に使用するタングステン棒の線径も定まることになる。
【００７５】
一方、リード線６，７は通常タングステン棒が使用されるが、このタングステン棒は加工性が悪く、経験的に１次コイル外径ＦＤ_１が０．２８ｍｍ未満であると、リード線として使用するタングステン棒が細くなり過ぎて加工時に折れやすくなり、反対に１次コイル外径ＦＤ_１が０．４５ｍｍを超えるとリード線（タングステン棒）も太くなって、これを曲げ加工するため過度の力を加える必要があり生産性が悪くなる。したがって、加工性及び生産性の観点から、１次コイル外径ＦＤ_１の範囲は、０．２８ｍｍ≦ＦＤ_１≦０．４５ｍｍとするのが望ましい。
【００７６】
このように１次コイル外径ＦＤ_１の範囲が定まると、１次コイルピッチＰ_２の範囲も上記最適コイル条件を満たす範囲内で求めることができ、０．４６ｍｍ≦Ｐ_２≦０．７４ｍｍとなる。
また、図６や図１５でも説明したように中心照度の向上および発光量の分布の均一化のため、２次コイルの外径ＦＤ_２もできるだけ小さいほうが望ましい。しかし、２次コイル外径ＦＤ_２が小さくなれば、各ターンの曲率が小さくなり、当該２次コイルの内径側における１次コイルのピッチがより小さくなってピッチタッチが生じやすくなるので、上記１次コイル外径ＦＤ_１の範囲において当該１次コイルのピッチタッチを避けるためには、形成され得る２次コイルの外径ＦＤ_２は、最小でも１．５０ｍｍ程度あることが望ましい。また、耐振性を考慮すれば、２次コイルの外径ＦＤ_２は最大であっても１．７６ｍｍ以下である方が望ましい。
【００７７】
一方、コイルから発する光束をできるだけ多く中心照度の向上に寄与させるという観点からは、コイル長をできるだけ短く設計して、コイルの全長が中心照度寄与範囲内に含まれるようにするか、それが無理な場合でも当該コイルのうちできるだけ多くの割合が上記中心照度寄与範囲に存するようにすることが望ましい。
【００７８】
定格出力に応じてコイル素線の長さはほぼ決まっており、また、１次コイルピッチＰ_１とコイル素線ＦＤ_０の間にも上記最適コイル条件の適用があると仮定し、さらにＦＤ_２を、そのとり得る最大値とした場合に、コイル長の最短長さを１１０Ｖ／４０Ｗのハロゲン電球について試算するとほぼ６．０ｍｍとなる。
但し、コイル素線の線径ＦＤ_０を０．０３８ｍｍ、コイル素線の全長を４１１ｍｍとし、Ｐ_１／ＦＤ_０、Ｐ_２／ＦＤ_１共に最小の１．６として計算した。
【００７９】
同様に１１０Ｖ／６５Ｗのハロゲン電球について最短コイル長を試算するとほぼ６．８ｍｍとなる。
但し、コイル素線の線径ＦＤ_０を０．０５２ｍｍ、コイル素線の全長を４５１ｍｍとし、Ｐ_１／ＦＤ_０、Ｐ_２／ＦＤ_１共に最小の１．６として計算した。
また、上記実施の形態においては、２重巻型のコイルについて説明したが、最適コイル条件については３重巻以上の多重巻型コイルについてもほぼ同様なことが言える。
【００８０】
すなわち、一般的に、ｎ重巻型のコイル（ｎ＝２，３，４、・・・）についていえば、１．６≦Ｐ_ｎ／ＦＤ_ｎ−１≦２．５の関係が成立すればよい。
ただし、この場合には、より低次（（ｎ−１）次、（ｎ−２）次、・・・、２次）のコイルについても上記最適コイル条件を満たすことが望ましいであろう。低次コイルは螺旋状に曲げられているため、内側よりも外側のコイルピッチの方が大きい。上記最適コイル条件が、主にピッチタッチの防止にあることを考えれば、最適コイル条件におけるコイルピッチは、内側のコイルピッチとする方が望ましいと考えられる。
【００８１】
また、Ｐ_ｎ、ＦＤ_ｎ、ＦＤ_ｎ−１の各範囲についても、それぞれ上述したＰ_２、ＦＤ_２、ＦＤ_１の範囲と同様な範囲内にあることが望ましい。
【００８２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、耐衝撃性に優れると共に長寿命であって、従来の回転楕円体型のハロゲン電球を使用したものに比べてコストダウンが図れ、かつ中心照度の高い反射鏡付きハロゲン電球を得ることができ、省エネルギー化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る反射鏡付きハロゲン電球の一部切欠き断面図である。
【図２】図１の反射鏡付きハロゲン電球に使用されるハロゲン電球の拡大断面図である。
【図３】コイルの最適位置を求めるシミュレーションの前提条件を説明するための反射鏡と仮想コイルの斜視図である。
【図４】コイルの最適位置を求めるシミュレーションにおいて、仮想コイルの移動範囲を説明するための図である。
【図５】仮想コイルをミラー中心軸上で移動させたときの照射面中心照度の変化を示すグラフである。
【図６】仮想コイルを反射鏡の焦点の位置でミラー径方向（ミラー中心軸に直交する方向）に移動させたときの照射面中心照度の変化を示すグラフである。
【図７】本発明における反射鏡の焦点とコイルの位置関係を、従来の焦点対称型配置の場合と比較して示す図である。
【図８】２重巻型コイルの各部の寸法の記号を説明するための図である。
【図９】４０Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１とランプ寿命との関係を示すグラフである。
【図１０】４０Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１と発光管光束との関係を示すグラフである。
【図１１】６５Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１とランプ寿命との関係を示すグラフである。
【図１２】６５Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１と発光管光束との関係を示すグラフである。
【図１３】４０Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１とランプが非点灯になるまでの衝撃負荷回数の関係を示すグラフである。
【図１４】６５Ｗ型のハロゲン電球について、２次巻型コイルにおける２次コイルピッチＰ_２と１次コイル外径ＰＤ_１の比Ｐ_２／ＦＤ_１とランプが非点灯になるまでの衝撃負荷回数の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明品と２つの従来品について、中心照度寄与範囲にコイルの存する割合と中心光度との関係とを比較して示す図である。
【図１６】本発明品と２つの従来品について、コイルの位置を反射鏡中心軸に沿って移動させたときの中心光度の変化を比較して示す図である。
【図１７】従来の回転楕円体型のハロゲン電球を使用した反射鏡付きハロゲン電球の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　閉塞部
２，２１１　　　　　発光部
３　　　　　　　　封止部
４　　　　　　　　バルブ
５　　　　　　　　コイル
６、７　　　　　　リード線
８　　　　　　　　ステム
９　　　　　　　　アンカー線
１０、１１　　　　　モリブデン箔
１２，１３　　　　　外部リード線
１００，２００　　　反射鏡付きハロゲン電球
１１０，２１０　　　　ハロゲン電球
１２０，２２０　　　　反射鏡
１２４　　　　　　　ネック部
１２５　　　　　　　前面開口部
１３０，２３０　　　　口金
１４０　　　　　　　前面ガラス

Claims

内部に封入ガスが封入されたほぼ円筒形の発光部と、前記発光部内部であって当該発光部の中心軸とほぼ同軸上に配置されたｎ重巻型（ｎ＝２，３，４，・・・）コイルとを備えたハロゲン電球に、凹面状の反射面を有する反射鏡が組み合わされてなる反射鏡付きハロゲン電球であって、
前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルの外径をＦＤ_ｎ（ｍｍ）、ｎ次コイルのコイルピッチをＰ_ｎ（ｍｍ）とした場合に、１．６≦Ｐ_ｎ／ＦＤ_ｎ−１≦２．５の関係を満たすと共に、
前記反射鏡の中心軸に沿った方向におけるｎ重巻型コイルの位置が、前記反射鏡の焦点の位置を含み、かつ、当該ｎ重巻型コイルの前記中心軸方向における中央の位置が前記焦点の位置よりも前記反射鏡の前面開口部とは反対側に位置するように前記ハロゲン電球と反射鏡の位置関係が設定されていることを特徴とする反射鏡付きハロゲン電球。
前記コイルのコイル長は、１１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の反射鏡付きハロゲン電球。
前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルのピッチＰ_ｎは、
０．４６ｍｍ≦Ｐ_ｎ≦０．７４ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または２記載の反射鏡付きハロゲン電球。
前記ｎ重巻型コイルの（ｎ−１）次コイルの外径ＦＤ_ｎ−１は、０．２８ｍｍ≦ＦＤ_ｎ−１≦０．４５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の反射鏡付きハロゲン電球。
前記ｎ重巻型コイルのｎ次コイルの外径ＦＤ_ｎは、
１．５０ｍｍ≦ＦＤ_ｎ≦１．７６ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の反射鏡付きハロゲン電球。
前記反射鏡の最大口径は、ほぼ５０ｍｍであって、前記反射鏡の中心軸とほぼ同軸上で、かつ、当該反射鏡の焦点の位置を基準にして、この焦点位置から反射鏡の前面開口部の方向にほぼ０．５ｍｍの位置から、前記焦点位置から前記反射鏡の前面開口部と反対の方向にほぼ５．５ｍｍの位置までの特定範囲のほぼ全域に、前記ｎ重巻型コイルの少なくとも一部分が存するか、もしくは前記特定範囲内に前記ｎ重巻型コイル全部が含まれるように前記ｎ重巻型コイルのコイル長および前記ハロゲン電球の前記反射鏡に対する相対的位置が設定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の反射鏡付きハロゲン電球。