JP2021140875A - ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、良好な電気的特性、形状の維持、及び耐久性を備えた新規な高ワット密度のフィラメントを提供することを目的とする。更に、本発明は、高ワット密度のフィラメントを使用した新規なランプを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るフィラメントは、電極間に橋渡しされ、通電中に発熱・発光するランプのフィラメントであって、前記フィラメントは、ワイヤー２本を並置したシングルコイルのフィラメントを更に二重巻きにしたダブルコイルの形状である。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ランプに関する。更に具体的には、本発明は、形状に特徴のあるフィラメントを備えたランプに関する。

本発明は、本出願人が開発・生産・販売するハロゲンランプのフィラメントに関連して完成されたものである。従って、この出願書類では、実施形態等においてハロゲンランプを例にとって説明する。

ハロゲンランプは、店舗のダウンライトや自動車の前照灯のような照明ランプの他、工業用の加熱、乾燥、焼き付け等の光加熱用ハロゲンランプとして、半導体アニール、塗装の乾燥等に利用されている。ハロゲンランプは、筒状のガラス管の内部にフィラメントを配置した構造である。

一般的なフィラメントの形状としては、ワイヤー1本をコイリングした（「巻回した」の意味。）シングルコイル（「一重巻きコイル」ともいう。）と、シングルコイルを1本のワイヤーに見立てて更に巻回したダブルコイル（「二重巻きコイル」ともいう。）が存在する。

また、特許文献1に開示するように、ワイヤー2本を並列にして、芯となるフィラメント材に巻回した構造のフィラメントも存在する。

特許第4470084号「電球」（発行日：2010.06.02）出願人：河北ライティングソリューションズ株式会社 特開2002-270137「電球」(公開日：2002.09.20) 出願人：フィリップスライティング株式会社 特開2005-32552「熱源用ヒータランプ」（公開日：2005.02.03）出願人：ウシオ電機株式会社

高ワットタイプのハロゲンランプを設計する際、一般にフィラメント形状はダブルコイルを用いている。しかし、フィラメントを高ワット密度にするほど全体の形状が太く大きくなる。この結果、高ワット密度のフィラメントは、変形し易く、耐久性が悪い傾向がある。ここで、本出願書類では、「ワット密度」とは、フィラメント巻き線のらせん軸（二重巻きの場合は、二重巻き後のらせん軸）に沿った単位長あたりのランプのワット数とする。

そこで、本発明は、良好な電気的特性、形状の維持、及び耐久性を備えた新規な高ワット密度のフィラメントを提供することを目的とする。
更に、本発明は、高ワット密度のフィラメントを使用した新規なランプを提供することを目的とする。

上記発明の目的に鑑みて、本発明に係るランプのフィラメントは、一面では、電極間に橋渡しされ、通電中に発熱・発光するランプのフィラメントであって、前記フィラメントは、ワイヤー２本を並置したシングルコイルのフィラメントを更に二重巻きにしたダブルコイルの形状である。

更に、上記ランプのフィラメントは、全体長を幾つかのブロックに分けて、巻回方向を複数回反転して形成されていてもよい。

更に、上記ランプのフィラメントは、らせん軸に沿ってコイル径が徐々に変化していてもよい。

本発明に係るランプは、一面では、不活性ガスに加えて、微量のハロゲン族元素から成るガスが封入された、石英ガラス管から形成されたＵ字状のバルブと、２本の外部リードに夫々接続された２本の内部リードと、前記２本の内部リードを橋渡しするように接続されたフィラメントとを備え、前記フィラメントは、上記のいずれか１つのフィラメントである。

更に、上記ランプは、ハロゲンランプであってよい。

更に、上記ランプにおいて、前記Ｕ字状のバルブは、円筒形の本体部と扁平な脚部から形成され、該本体部から脚部へ移行するバルブ周面に遮熱膜が形成されていてもよい。

更に、上記ランプにおいて、前記Ｕ字状のバルブの２つの脚部には、前記Ｕ字状のバルブは、円筒形の本体部と扁平な脚部から形成され、該本体部を通る内部リードの長さ方向中間に該本体部を実質的に閉塞する熱遮蔽板が配置されていてもよい。

本発明によれば、良好な電気的特性、形状の維持、及び耐久性を備えた新規な高ワット密度のフィラメントを提供することができる。

更に、本発明によれば、高ワット密度のフィラメントを使用した新規なランプを提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係るＵ字状のハロゲンランプのランプ軸線に沿った断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すハロゲンランプの平面図であり、フィラメントの形状を説明する図である。 図２Ａは、従来の一重巻きコイル（シングルコイル）のフィラメントを説明する図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す一重巻きコイルのフィラメントを更に二重巻きした（ダブルコイル）のフィラメントを説明する図である。 図３Ａは、ワイヤー２本を並置したシングルコイルのフィラメントを説明する図である。 図３Ｂは、本実施形態で採用するフィラメントであって、図３Ａに示すシングルコイルのフィラメントを更に二重巻きしたフィラメントを説明する図である。 図４Ａは、図１Ａのランプの側面図である。 図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ部分の拡大図である。 図５は、図３Ｂに示すフィラメントの第１の変形例を説明する図である。 図６Ａは、図３Ｂに示すフィラメントの第２の変形例を説明する図である。 図６Ｂは、図３Ｂに示すフィラメントの第３の変形例を説明する図である。

本発明に係るランプの実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。
［第１実施形態］
（ハロゲンランプ）
図１Ａは、本実施形態に係るＵ字状のハロゲンランプ１０のランプ軸線に沿った断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すハロゲンランプの平面図であり、フィラメントの形状を説明する図である。図１Ａにおいて、斜体表示の数字は、ランプ各部の寸法（単位：ｍｍ）を表示する。ハロゲンランプ１０は、石英ガラス管から形成されたバルブ２の内部に、不活性ガスに加えて、微量のハロゲン族元素（I, Br, CI, F）から成るガスが封入されている。なお、このタイプのハロゲンランプ１０は、図示のランプを上下反転した状態で使用される。

バルブ２は、円筒形の本体部２ｃと扁平に封止された脚部２ａ，２ｂから形成されている（図４Ａも参照）。本体部２ｃから扁平な脚部２ａ，２ｂへ移行する斜線のエリアは、フィラメント３ａの熱が端子１２へ移って破損することを防止するための遮熱膜５ａ，５ｂ塗布エリアである。バルブ２のチップ１４は、内部の脱気用吸気管の痕跡である。

バルブ２の内部には、フィラメント３ａが、２本の内部リード４ａ，４ｂを橋渡しするように接続されている。フィラメント３ａは、図１Ａでは図を見易くするためブロックで描かれているが、実際は、図１Ｂに示すようにフィラメント形状である。内部リード４ａ，４ｂは、夫々シール部６ａ，６ｂ内のモリブデン箔８ａ，８ｂを介して、外部リード１２ａ，１２ｂに接続されている。ランプ点灯時には、外部リード１２ａ，１２ｂから給電され、フィラメント３ａが、発光・発熱する。

フィラメント３ａは、典型的には、タングステンから形成されている。しかし、これに限定されない。フィラメント３ａの形状に関しては、後で、図２Ａ〜図３Ｂに関連して説明する。本実施形態の特徴の１つは、フィラメントの形状に関する。従って、本実施形態の範囲は、電極間に橋渡しされ、通電中に発光・発熱する新規な形状のフィラメントを備えた全てのランプに及ぶことを承知されたい。

図１Ａに示すハロゲンランプの仕様は次の通りである。

バルブ形状：Ｕ字状
バルブ材質：石英ガラス管
管径：φ13mm
ワークに対する平行部の寸法：50mm
ワークに対する垂直部の寸法：50mm（ガラス部のみ）
フィラメント長：35mm
定格電力：1300W
点灯姿勢：図1の180°回転した状態

（フィラメントの形状）
本実施形態の特徴の一つであるフィラメントの形状に関し、従来のフィラメントの形状を参照しながら説明する。
図２Ａは、従来のシングルコイル（一重巻きコイル）のフィラメント３００ａを説明する図である。１本のワイヤーをマンドレル（芯棒：図示せず。）に対して一方向に巻き付けて形成する。マンドレルから外されたフィラメント３００ａは、アニーリング処理を施して、スプリングバックを防止する。螺旋状のフィラメント３００ａの各部分は、１ターンした隣接部分とは離隔していて接触していない。接触して短絡電流が流れると、フィラメントの実質的な長さが短くなり、発光・発熱作用が低下するからである。

図２Ｂは、図２Ａに示すシングルコイルのフィラメント３００ａを更に二重巻きにした従来のダブルコイルのフィラメント３００ｂを説明する図である。フィラメント３００ｂは、フィラメントのワット密度を上げるため、フィラメント３００ａを二重巻きにしている。フィラメント３００ｂは、シングルコイルのフィラメント３００ａをマンドレルに対して一方向に巻き付けて形成する。マンドレルから外されたフィラメント３００ｂは、アニーリング処理を施して、スプリングバックを防止する。図では、明瞭に示されていないが、螺旋状のフィラメント３００ｂの各部分は、１ターンした隣接部分とは離隔していて接触していない。

一般に、フィラメント３００ｂを更に高ワット密度化するためには、フィラメント２３ａを三重巻きすることが考えられる。しかし、三重巻きのフィラメントは、フィラメント自体が太く大型化し、形状の維持が難しく、フィラメント各部を隣接部分と離隔して良好な電気的特性を維持することが困難であった。通常のフィラメントでは、特別な工夫を用いない限り、二重巻きが限度である。

図３Ａは、ワイヤー２本を並置したシングルコイル（一重巻きコイル）のフィラメント３００ｃを説明する図である。フィラメント３００ｃは、ワイヤー２本を並置して形成されている。２本のワイヤーの隣接する各部は、万一接触してもフィラメントの実質的な長さは変わらず、短絡にはならない。フィラメント３００ｃは、フィラメントの巻回に関しては、図２Ａのフィラメント３００ａと同一視できる。

ここで、図１Ａに示す新規なハロゲンランプ１０を検討した結果、約37 Ｗ／ｍｍのワット密度が必要である。この要求ワット密度に応えるために、最初に、ダブルコイルのフィラメント３００ｂのタイプで設計を試みた。しかし、全体のフィラメント外径が大きくなりバルブ管壁に接近または接触してしまう恐れがあり、点灯時にバルブが膨張してしまうことが懸念された。

そこで、図３Ａに示すワイヤー２本を並置したシングルコイル３００ｃをダブル巻きにすることを検討した。並列巻きダブルコイルにした結果、フィラメント外径は小さくなり、バルブとの距離を確保することができ、バルブ管壁の高温を抑制することができた。

図３Ｂは、このような本実施形態に係る並列巻きダブルコイルのフィラメント３ａを説明する図であり、図３Ａのフィラメント３ａを更に高ワット密度化したものである。フィラメント３ａは、フィラメントの巻回に関してフィラメント３００ｃと同一視できるので、二重巻きにしても、電気的特性、形状の維持、及び耐久性に関して、問題は生じない。

なお、スプリングバックを防止するアニーリング処理は、マンドレルに巻回する際、ワイヤーに通電してワイヤー自体を発熱させて巻回し、巻回後に通電を止めて冷却し又は常温に戻ってから、マンドレルから外すようにしてもよい。或いは、従来のように、フィラメント３ａをマンドレルから外した後に、アニーリング処理を施してもよい。

例えば、このフィラメント３ａを、図１に示すハロゲンランプ１０に使用した一例の仕様は、次の通りである。
フィラメント材質：タングステン
１本のワイヤー径：φ 0.149
ダブルコイル化したコイル径：φ 6
ワット密度：37 Ｗ／ｍｍ

試作段階において、従来のダブルコイルのフィラメント３００ｂを採用した1,100 Wランプに比較して、本実施形態に係る高いワット密度のフィラメント３ａを採用したランプは並列巻きダブルコイル３ａにすることで、1,300 Wランプを実現することができた。即ち、ランプ出力を200 W高くすることができた。更に、この並列巻きダブルコイルは、従来のダブルコイル３００ｂに比較して、コイル外径を約1ｍｍ小型化することができた。

しかし、このようにワット密度（約37 Ｗ／ｍｍ）のフィラメント３ａでは、フィラメントの発熱が、リード端子１２に伝わって端子１２を破損する恐れがある。そこで、フィラメントの発熱に対する対策が必要となる。発熱対策に関しては、第３実施形態で説明する。

［第２実施形態］
図１に示すフィラメント３ａの発熱が、リード端子１２に伝わるのを減らすため、次の２つの手段を採用している。

(1)バルブ外周面に形成された遮熱膜：
図１Ａに示す斜線のエリアが、遮熱膜５である。遮熱膜５ａ，５ｂは、バルブ２の外周面に、例えば、アルミナを主成分としたシリカとの混合物を塗布することにより形成される。バルブ本体部２ｃのフィラメントの放射熱が、バルブ脚部２ｂへ熱伝導するのを食い止めるため採用されている。

(2) 熱遮蔽板
図４Ａは、図１Ａのランプの側面図であり、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ部分の拡大図である。図４Ａに示すように、バルブ本体部２ｃの長さ方向中間に本体部を実質的に閉塞するように、内部リード４ａ，４ｂの途中に、サポートリング２２ａ，２２ｂの間に、熱遮蔽板２４が介在配置されている。サポートリング２２ａ，２２ｂは、フィラメントを引張って定位置に配置させ、且つ、リングが取り付いている非発光の線（内部リード線）が曲がらないようにするために、元々設置されていた。本実施形態では、このサポートリング２２ａ，２２ｂを利用して、円形に加工した熱遮蔽板２４を配置することで、内部リード４ａ，４ｂを経由する熱伝導を減少する効果が認められた。熱遮蔽板２４は、例えば、タングステンから形成される。

［第３実施形態］
フィラメント３ａの形状に関し、次の変形例がある。
ここで、図を簡略化して分かり易くするため、図５の上の図に示すように、図３Ａに示すフィラメント３００ｃ全体を１本の太線に置き換えて、変形フィラメントの形状を説明する。
図５の下の図に示すように、第１変形例のフィラメント３ｂは、フィラメントの途中で巻回方向を反転したフィラメントである。フィラメント３ｂは、一方の端部Ｓから中央部Mまでは時計方向に巻回され、中央部Ｍから他方の端部Ｅまでは反時計方向に巻回されている。

フィラメント３ｂは、アニーリング処理されるが、ランプの点灯・消灯を繰り返したとき、スプリングバックによりコイルの端部が円周方向に僅かに変形・移動が生じても、右半分と左半分の円周方向の移動方向が相殺され、内部リードへの接続部分にかかる応力が減殺される効果を有する。
図５では、中央部Ｍで巻回方向が反転する例を示しているが、これに限定されない。フィラメント３ｂの全体長を幾つかのブロックに分けて、巻回方向を複数回反転するようにしてもよい。

図６Ａに示すように、第２変形例のフィラメント３ｃは、一方の端部Ｓから他方の端部Ｅにかけて、コイル径を徐々に大きくしたフィラメントである。基部から先端部にかけて徐々に細く形成された（円錐形状の）マンドレル（図示せず。）を使用してコイルを巻回することにより、一方の端部から他方の端部に向けて、コイル径が徐々に大きくなるように変化したフィラメント３ｅを形成している。

図６Ｂに示すように、第３変形例のフィラメント３ｄは、左右の端部から中央部にかけて、コイル径を徐々に小さくしたフィラメントを説明する図である。円錐形状のマンドレルを使用して、中央から左部分と右部分のコイルを別個に巻回することにより、中央部に向かってコイル径が徐々に小さくなったフィラメント３ｄを形成している。

図には示していないが、左右の端部Ｓ，Ｅから中央部Ｍにかけて、コイル径を徐々に大きくしたフィラメントを形成する場合、マンドレルが金属製の場合はコイル巻回後にマンドレルを取り外すことが出来ない。この場合は、マンドレルを巻回後に除去可能な材質で形成する。例えば、マンドレルとして堅い木製等を利用し、コイル巻回後にマンドレルを燃焼させ残留の炭を除去することによりフィラメントを形成してもよい。マンドレルを熱可塑性樹脂で形成し、フィラメント巻回後に加熱溶融して除去してもよい。或いは、マンドレルを氷で形成し、巻回後に溶融してもよい。

図６Ａのフィラメント３ｃと図６Ｂのフィラメント３ｄは、上位概念で説明すると、らせん軸に沿ってコイル径が徐々に変化する形状のフィラメントである。

［まとめ］
以上、本発明に係るランプの本実施形態に関して説明したが、これらは例示であって、これに限定されない。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

２：バルブ，石英ガラス管、 ２ｃ：バルブ本体部、 ２ａ，２ｂ：バルブ脚部、 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３００ａ，３００ｂ，３００ｃ：フィラメント、 ４ａ，４ｂ：内部リード、 ５ａ，５ｂ：遮熱膜、 ６ａ，６ｂ：シール部、 ８ａ，８ｂ：モリブデン箔、 １２ａ，１２ｂ：外部リード，リード端子、 １４：チップ、 １６，２２ａ，２２ｂ：サポートリング、 ２４：熱遮蔽板

Claims (7)

1. 電極間に橋渡しされ、通電中に発熱・発光するランプのフィラメントであって、
   前記フィラメントは、ワイヤー２本を並置したシングルコイルのフィラメントを更に二重巻きにしたダブルコイルの形状である、フィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、
   前記フィラメントは、全体長を幾つかのブロックに分けて、巻回方向を複数回反転して形成されている、フィラメント。
3. 請求項１に記載のフィラメントにおいて、
   前記フィラメントは、らせん軸に沿ってコイル径が徐々に変化している、フィラメント。
4. 不活性ガスに加えて、微量のハロゲン族元素から成るガスが封入された、石英ガラス管から形成されたＵ字状のバルブと、
   ２本の外部リードに夫々接続された２本の内部リードと、
   前記２本の内部リードを橋渡しするように接続されたフィラメントとを備え、
   前記フィラメントは、請求項１〜３のいずれか１つのフィラメントである、ランプ。
5. 請求項４に記載のランプにおいて、
   前記ランプは、ハロゲンランプである、ランプ。
6. 請求項４に記載のランプにおいて、
   前記Ｕ字状のバルブは、円筒形の本体部と扁平な脚部から形成され、該本体部から脚部へ移行するバルブ周面に遮熱膜が形成されている、ランプ。
7. 請求項４に記載のランプにおいて、
   前記Ｕ字状のバルブの２つの脚部には、
   前記Ｕ字状のバルブは、円筒形の本体部と扁平な脚部から形成され、該本体部を通る内部リードの長さ方向中間に該本体部を実質的に閉塞する熱遮蔽板が配置されている、ランプ。
   

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