JP2007087822A

JP2007087822A - コイル状フィラメントおよび白熱電球

Info

Publication number: JP2007087822A
Application number: JP2005276618A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sakai; 誠酒井
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】コイル状フィラメントに衝撃や振動が加わった場合にも、変形やピッチ間ショートなどが生じ難い、耐衝撃性や耐振動性の向上がはかれる三重コイル状フィラメントおよびこのコイル状フィラメントを用いた白熱電球を提供することを目的とする。
【解決手段】コイル内径を一次コイル≦二次コイル≦三次コイルの関係にあるようタングステン細線を巻回してコイル状フィラメントを形成したものにおいて、上記一次コイルの％マンドレルが１００〜４００％、上記二次コイルの％マンドレルが１００〜３００％、上記三次コイルの％マンドレルが１００％以下であるコイル状フィラメントおよびこのフィラメントを用いた白熱電球Ｌである。
【選択図】図１

Description

本発明は発光源として用いられる三重コイル状のフィラメントおよびこのコイル状フィラメントを透光性の気密容器内に封装した白熱電球に関する。

白熱電球（以下、電球と称する。）はガラスバルブからなる気密容器内にアルゴンなどの不活性ガスとともに高融点金属であるタングステン細線をコイル状に巻回したフィラメントを発光源として封装した構造が採られている。

そして、通電により発光するフィラメントは、不活性ガスにより蒸発が抑えられるが、不活性ガスの熱伝導および対流作用により熱損失が増えるため、表面積を小さくするとともに有効直径を大きくした二重コイル化して、発光効率の向上がはかられている。

近年においては地球環境の改善が叫ばれ、各分野において省資源、省エネルギー製品の研究、開発がすすめられており、電球もさらに効率向上を目指し従来の二重コイルから三重コイル化へと開発がすすめられている。

この三重コイル化も実用上は技術的難易度が高く種々研究された結果、近時ようやく製品化がなされた。しかし、電球に衝撃や振動が加わった場合にコイル状フィラメントに変形やピッチ間ショートなどが生じることによって断線しやすくなるので、コイル設計次第では定格寿命に達する前に早期に断線するおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、コイル状フィラメントに衝撃や振動が加わった場合にも、変形やピッチ間ショートなどが発生し難い、耐衝撃性や耐振動性の向上がはかれる三重コイル状フィラメントおよびこのコイル状フィラメントを用いた白熱電球を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のコイル状フィラメントは、コイル内径を一次コイル≦二次コイル≦三次コイルの関係にあるようタングステン細線を巻回してコイル状フィラメントを形成したものにおいて、上記一次コイルの％マンドレルが１００〜４００％、上記二次コイルの％マンドレルが１００〜３００％、上記三次コイルの％マンドレルが１００％以下であることを特徴としている。

一次（１ｓｔ）コイルの％マンドレル（コイル状フィラメントのコイル内径ＭＤとタングステン細線径ＷＤとの比率）が１００％未満であるとコイル加工の難易度が高くなるという不具合があり、また、４００％を超えると外径が著しく太くなるため、二次および三次での加工（コイリング）時にコイル同士が接触するという不具合があり、好ましい範囲は２５０〜３５０％の範囲内であった。

また、二次（２ｎｄ）コイルの％マンドレル（コイル状フィラメントのコイル内径ＭＤとタングステン細線径ＷＤとの比率）が１００％未満であると一次と同様にコイル加工の難易度が高くなるという不具合があり、また、３００％を超えると三次での加工（コイリング）時にコイル同士が接触するという不具合があり、好ましい範囲は１５０〜２５０％の範囲内であった。

さにに、三次（３ｒｄ）コイルの％マンドレル（コイル状フィラメントのコイル内径ＭＤとタングステン細線径ＷＤとの比率）が１００％以下であれば耐衝撃性を向上させる作用を奏するが、１００％以上となると従来品と同様に耐衝撃性が低下するなどの不具合があり、好ましい範囲は９５〜１００％の範囲内であった。

なお、上記で一次（１ｓｔ）コイルおよび二次（２ｎｄ）コイルの％Ｍｄは、従来品の範囲を含むものであるが、コイルの条件を種々変化させたもので製作して、振動試験等の評価によって確認したところ三次（３ｒｄ）コイルの％マンドレルのみが従来品の１００％以上〜５００％より小さい１００％未満であれば、本発明の作用効果を奏することが分かった。

本発明の請求項２に記載のコイル状フィラメントは、一次コイルおよび二次コイルの％ピッチが１８０％以上であることを特徴としている。

一次（１ｓｔ）コイルおよび二次（２ｎｄ）コイルの％ピッチ（コイル状フィラメントのコイルピッチ間隔とタングステン細線径との比率）を１８０％以上とすることにより、一次（１ｓｔ）コイルの場合は、コイル同士の接触および著しい接近を回避して、ホットスポットの発生やターンショートによる特性の低下を防ぐ作用を奏する。

また、二次（２ｎｄ）コイルの場合も、上記一次（１ｓｔ）コイルの場合と同様な作用を奏する。

本発明の請求項３に記載のコイル状フィラメントは、フィラメント細線の長さ２００ｍｍ当たりの質量（ｍｇ）を示すＭＧが３．０〜１５．０であることを特徴としている。

この発明が適用されるタングステン細線のＭｇ（タングステン細線２００ｍｍ当たりの重量ｍｇ（細線径に換算すると約０．０３２〜０．０７０ｍｍ））で、電圧１００Ｖ級（９０〜１１０Ｖ）の場合、１０〜１５０Ｗ（０．１〜１．５Ａ）程度の電球用フィラメントに適用できる。

そして、ＭＧ３．０（細線径が約０．０３２ｍｍ）未満のものには、コイルを高い精度で巻回できないとともに強度維持も困難となって使用できない。

また、Ｍｇ１５（細線径が約０．０７０ｍｍ）を超えたものには、三重コイルへの加工が困難になるため好ましくない。

本発明の請求項４に記載のコイル状フィラメントは、三重コイル形成後に２１５０±５０℃の温度で熱処理して二次再結晶化されていることを特徴としている。

二次再結晶化を２２００℃を超える温度で熱処理したコイル状フィラメントは、結晶成長がすすみ過ぎることによって点灯時に早期断線を招くなどの不具合がある。また、２１００℃未満の温度で熱処理したコイル状フィラメントは、点灯時にフィラメントの変形を誘発するなどの不具合がある。なお、ばらつきなどを考慮すると好ましい熱処理温度は、２１５０±４０℃であった。

本発明の請求項５に記載の白熱電球は、透光性の気密容器と、この気密容器内に配設された上記請求項１ないし４のいずれか一に記載のコイル状フィラメントと、上記気密容器内に封入された不活性ガスとを具備していることを特徴としている。

上記請求項１ないし４のいずれか一に記載の三重コイル状のフィラメントを用いた白熱電球は、請求項１ないし４の作用を奏するので、三重コイル状フィラメントの耐衝撃性や耐振性を高めることができた。

請求項１ないし４に記載の発明によれば、衝撃や振動が加わった場合でもコイル状フィラメントに変形やコイルピッチ間にショートなどが生じ難く、耐衝撃性や耐振性に優れた三重コイル状のフィラメントを提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、上記請求項１ないし４に記載の効果を呈する三重コイル状のフィラメントを備えた白熱電球を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は投光用の定格がたとえば１１０Ｖ４０Ｗのハロゲン電球Ｌの正面図、図２は図１中に示す三重コイル状のフィラメントの要部を拡大して示す説明図である。

図中、１は気密容器を構成する石英ガラスからなる直管円筒状のバルブで、一端部側には圧潰封止部２が形成され、また、他端部側には排気管３が接続してある。

上記封止部２内にはモリブデンＭｏなどからなる一対の金属箔４，４が埋設して気密封止され、この金属箔４，４の一端側にはバルブ１内方に延在してモリブデンＭｏ線などからなる長短２本の内部リード線４１，４２が、他端側には封止部２外に延在してモリブデンＭｏ線などからなる外部リード線４５，４５が接続してある。

また、上記バルブ１内には少量のＣＨ₂ Ｂｒ₂ やＣＨ₃ Ｂｒなどのハロゲン化物およびアルゴンＡｒやクリプトンＫｒと窒素Ｎ₂ などとを混合した不活性ガスが封入してある。

５はタングステンＷ細線を巻回した三重コイル状のフィラメントで、端部が上記内部リード線４１，４２の先端部に継線され、バルブ１の中心軸に沿って配設してある。６は石英ガラスなどの電気絶縁体からなるビードで、ビード６中には上記内部リード線４１，４２の中間部が埋設して固定されている。また、７はこのビード６に植設されたアンカで、ループ状などの係止構造をなす先端部がフィラメント５の中間部に巻回してフィラメント５を支承している。

また、上記内部リード線４１，４２と三重コイル状のフィラメント５との接続は、内部リード線４１，４２の先端部を巻回したコイル状部内にフィラメント５端部の二次コイル（２ｎｄ）（二重コイル部分）５２状部を挿入し、圧潰や溶接などの手段で固定している。

この三重コイル状のフィラメント５は、タングステン細線５０を巻回した一次コイル（１ｓｔ）５１を巻回して二次コイル（２ｎｄ）（二重コイル部分）５２を形成し、さらにこの二次コイル（２ｎｄ）５２を巻回して三次コイル（３ｒｄ）（三重コイル部分）５３とし製作され、熱処理することにより完成されたもので、従来の三重コイル状のフィラメントと細部のディメンションが後述する表１に示すように異なっている。

すなわち、この三重コイル状のフィラメント５の各部を、
ＭＧ；タングステン細線２００ｍｍ当たりの質量ｍｇ、
ＮＤ１；一次（１ｓｔ）コイルの内径ｍｍ、
％Ｍ（％マンドレル）；ＮＤ１／ＷＤ、
％Ｐ（％ピッチ）；Ｐ１／ＷＤ、
ＮＤ２；二次（２ｎｄ）コイルの内径ｍｍ、
％Ｍ（％マンドレル）；ＮＤ２／ＯＤ１、
％Ｐ（％ピッチ）；Ｐ２／ＯＤ２、
ＮＤ３；三次（３ｒｄ）コイルの内径ｍｍ、
ＯＤ３；三次（３ｒｄ）コイルの外径ｍｍ、
ＣＬ３；三次（３ｒｄ）コイルの全長ｍｍ、
％Ｍ（％マンドレル）；ＮＤ３／ＯＤ２、
％Ｐ（％ピッチ）；Ｐ３／ＯＤ３、
として説明する。

この本発明に関わる定格１１０Ｖ４０Ｗの電球Ｌに用いた三重コイル状のフィラメント５は、表１中の試料１に示すディメンションである。このフィラメント５は同一定格の電球において、電圧および電力を考慮すれば本発明品も従来品も同じ長さや外径のタングステン細線が用いられるが、三次（３ｒｄ）コイル５３のＯＤ３（３ｒｄコイルの外径ｍｍ）やＣＬ３（コイルの全長ｍｍ）を従来品と変えてある。

また、試料２は比較用の従来構造の三重コイル状のフィラメントのディメンションを示す。

上記試料１，２は、三重コイル状のフィラメントを用い、フィラメントを除いては同ロットの部材を用いほぼ同一条件で電球Ｌを製作した。本発明に関わる試料１を用いた電球は、電球に衝撃や振動が加わった場合でもコイル状フィラメント５に変形やコイルピッチ間にショートなどが生じ難く、耐衝撃性や耐振性に優れるとともに所定の発光効率および寿命特性が得られた。

これに対し、試料２の従来構造の比較用の電球は、定格寿命の５０％の時点で１／１０個がフィラメント５の断線を招く強度的に弱いものであった。

また、本発明の三重コイル状のフィラメント５は、２１５０±５０℃の温度で段階的に、たとえば２１５０℃の温度で熱処理して二次再結晶化することにより、耐衝撃性および耐振性に優れた強度が得られ早期断線を防止できる。

この二次再結晶化を２２００℃以上の温度で熱処理したコイル状フィラメントは、結晶成長がすすみ過ぎることによって早期に断線を招くなどの不具合がある。また、２１００℃未満の温度で熱処理したコイル状フィラメントは、点灯時にフィラメントの変形を誘発するなどの不具合があり、ばらつきなどを考慮すると好ましい熱処理温度は、２１５０±４０℃であった。

そして、このような熱処理した三重コイル状のフィラメント５は、フィラメント５の両端をつまみ引張ったときの断線位置は一次（１ｓｔ）コイル５１部分であり、また、引張ったときコイル状フィラメント５が断線に到るまでの伸び率は１５００％以上となり、従来の同定格のコイル状フィラメントに対し２倍以上の強度が得られた。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、白熱電球の気密容器を構成するバルブの形状は、直管円筒状のものに限らず、球状、長円状や楕円状などあるいはこれらの複数の形状が組合わせられた複合形状を有するものであってもよい。また、バルブのガラス材質は石英ガラスに限らず、所要の透光性と光屈折率と耐熱性を併有するものであれば他の硬質や軟質のガラス材質であってもよく、バルブの表面に多層光干渉膜からなる可視光透過赤外線反射膜あるいは紫外線吸収膜などが形成されていても構わない。

また、バルブ端部の封止部は、一端側に形成される片端封止であっても両端封止であってもよく、その形態は圧潰封止部に限らず、端部を収縮して形成した封止部、フレアステムやボタンステムを用いた封止部などでもよい。また、封止部内に封止される封止部材はモリブデン箔などの金属箔に限らず、線状の金属部材を用いるものであってもよく、コイル状フィラメントとの接続構造は上記実施の形態に限らない。

また、白熱電球の種類としては、投光用ハロゲン電球に限らず、他の用途やハロゲンを封入していない種類の電球でもよく、また、封止部への口金やホルダの取着の有無は問わない。

さらに、本発明の完成された白熱電球は、反射鏡に直接あるいは照明器具に取着されたりして使用される。

本発明の実施の形態を示す投光用ハロゲン電球の正面図である。図１中の三重コイル状のフィラメントの一部を拡大した説明図である。図１中の三重コイル状のフィラメントの各部を示す説明図である。

符号の説明

Ｌ：白熱電球（電球）
１：バルブ
２：圧潰封止部
４１，４２：内部リード線
５：三重コイル状のフィラメント
５１：一次コイル
５２：二次コイル
５３：三次コイル

Claims

コイル内径を一次コイル≦二次コイル≦三次コイルの関係にあるようタングステン細線を巻回してコイル状フィラメントを形成したものにおいて、上記一次コイルの％マンドレルが１００〜４００％、上記二次コイルの％マンドレルが１００〜３００％、上記三次コイルの％マンドレルが１００％以下であることを特徴とするコイル状フィラメント。
一次コイルおよび二次コイルの％ピッチが１８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のコイル状フィラメント。
フィラメント細線の長さ２００ｍｍ当たりの質量（ｍｇ）を示すＭＧが３．０〜１５．０であることを特徴とする請求項１または２に記載のコイル状フィラメント。
三重コイル形成後に２１５０±５０℃の温度で熱処理して二次再結晶化されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載のコイル状フィラメント
透光性の気密容器と；
この気密容器内に配設された上記請求項１ないし４のいずれか一に記載のコイル状フィラメントと；
上記気密容器内に封入された不活性ガスと；
を具備していることを特徴とする白熱電球。