JP4848685B2 - セラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Description

本発明は、発光管が透光性セラミックで形成されたセラミックメタルハライドランプに関する。

図５は本願出願人の製品に係るセラミックメタルハライドランプの従来例を示す断面図であって、該ランプは、透光性セラミックで成る発光管１の放電空間２内に金属ハロゲン化物、水銀、始動用の希ガス等が封入され、発光管１の両端に設けたアルミナセラミック等の細管で成るキャピラリ３Ｌ、３Ｒ内に一対の電極アセンブリ４Ｌ、４Ｒが挿通されている。また、キャピラリ３Ｌ、３Ｒ内には、その内部に挿通された電極アセンブリ４Ｌ、４Ｒを固定すると同時にその内部を気密にシールするガラスフリット５が充填されている。なお、図５に示すランプは、発光管１とキャピラリ３Ｌ、３Ｒとが各々個別に成形されているが、それら発光管１とキャピラリ３Ｌ、３Ｒが透光性セラミックで一体成形されたランプもある。

電極アセンブリ４Ｌ、４Ｒは、夫々タングステンロッドで成る電極芯棒７の先端部付近にタングステン線８を密巻きして放熱コイル部９が形成された電極６Ｌ、６Ｒと、外周部にモリブデン線１０を密巻きして位置決めコイル部１１が形成されたモリブデンロッドで成る耐ハロゲン性中間材２７と、アルミナ粉末とモリブデン粉末とを混合燒結して成る導電性サーメット１２とが直列的に突合せ溶接され、該サーメット１２には、各キャピラリ３Ｌ、３Ｒの後端に係止される一対の位置決め用高融点金属棒１３、１３が溶接されている。これにより、電極６Ｌ、６Ｒは、双方の電極芯棒７の後端に溶接した中間材２７の外周部に形成された位置決めコイル部１１によって同軸的に配置されると同時に、双方の導電性サーメット１２に取り付けた位置決め用高融点金属棒１３、１３によって双方の電極先端部が一定の電極間距離を保って互いに対向するように配置されている。また、キャピラリ３Ｌ、３Ｒの後端から突出した導電性サーメット１２の端部には、電力供給線となる外部リード１４が溶接して接続されると共に、その接続箇所を保護するアルミナセラミック製の補強用リング１５が被せられて、該リング１５内にもキャピラリ３Ｌ、３Ｒ内と同じガラスフリット５が充填されている。

なお、本願出願人の製品に係る図５のランプは、電極６Ｌ、６Ｒの電極芯棒７の後端に溶接した中間材２７の外周部にモリブデン線１０を密巻きして位置決めコイル部１１が形成されているが、従来例としては、各電極の電極芯棒の後端側外周部にモリブデン線やタングステン線を密巻きして位置決めコイル部を形成するものもある（特許文献１参照）。
特開２００３−１８７７４８号公報

上記の如く構成されたセラミックメタルハライドランプは、その点灯始動時に片側電極６Ｌの電極芯棒７の後端部側が挿通されたキャピラリ３Ｌ内を放電起点Ｓとするアーク１６が発生する特性を有している。すなわち、ランプを点灯始動させると、片側電極６Ｌの電極芯棒７の後端に溶接した中間材２７に形成されている位置決めコイル部１１の先端とキャピラリ３Ｌの内壁とが近接する箇所を放電起点Ｓとして反対側電極６Ｒの電極先端部に収束するアーク１６が発生する。そして、時間の経過とともに放電起点Ｓ側の電極６Ｌが徐々に温められて該電極６Ｌの電極先端部から熱電子が放出されやすくなると、その電極先端部にアークの起点が移行して、電極６Ｌ及び６Ｒの電極先端部間の安定したアークが形成されるに至る。

このようにキャピラリ３Ｌ内を放電起点Ｓとするアーク１６が発生する初期放電の時間が長いと、そのキャピラリ３Ｌ内に電極芯棒７を挿通している電極６Ｌの材料であるタングステンが発光管１の内壁にスパッタリングされてその内壁に黒化が生じ、ランプ光束の低下を招くおそれがあると同時に、電極芯棒７が細くなって折れたり曲がったりする所謂電極細りを生じて早期不点となり、ランプ寿命が損なわれるおそれがある。

本発明は、ランプの点灯始動時に片側電極の電極芯棒の後端部側が挿通されたキャピラリ内を放電起点として反対側電極の電極先端部に収束するアークが発生する特性を有したセラミックメタルハライドランプに関して、そのアークが発生する初期放電の時間を短縮させることにより、当該初期放電に起因する発光管の黒化や電極細りを抑制して、ランプ寿命を向上させることを技術的課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、透光性セラミックで成る発光管の両端に設けたキャピラリ内に電極芯棒の後端側を挿通した一対の電極が、電極芯棒の先端側を発光管の放電空間内に突出させて電極先端部を互いに対向させるように配置され、ランプの点灯始動時に片側電極の電極芯棒の後端側が挿通されたキャピラリ内を放電起点とするアークが発生する特性を有したセラミックメタルハライドランプにおいて、前記片側電極の電極芯棒に、該電極芯棒の後端側を挿通したキャピラリの開口端付近で前記アークが接触するような状態となって該アークから高熱の給与を受ける段部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、セラミックメタルハライドランプの点灯始動時にキャピラリ内を放電起点としたアークが発生すると、そのアークから、キャピラリ内に電極芯棒の後端部側を挿通した片側電極に高熱が給与されて、該電極がその電極先端部から熱電子が放出されやすくなる温度まで瞬時に温められるので、キャピラリ内を放電起点とするアークが発生する初期放電の時間が著しく短縮されて、当該初期放電に起因する発光管の黒化や電極細りが抑制され、ランプ寿命が向上する。

本発明に係るセラミックメタルハライドランプの最良の実施形態は、透光性セラミックで成る発光管の両端に設けたキャピラリ内に電極芯棒の後端側を挿通した一対の電極が、電極芯棒の先端側を発光管の放電空間内に突出させて電極先端部を互いに対向させるように配置されると共に、ランプの点灯始動時に発生するアークの放電起点となるキャピラリ内に後端側を挿通した片側電極の電極芯棒に、キャピラリの開口端付近で前記アークから高熱の給与を受ける段部が形成されている。

そして、片側電極の電極芯棒に形成する段部は、その電極芯棒の外周部にタングステン線等の高融点金属線を巻いて形成されると共に、該段部と、キャピラリの開口端との間の距離（ｍｍ）が、ランプ電力（Ｗ）をＰとしたときに、０．００６Ｐ＋０．１以下に選定されている。

図１は本発明に係るセラミックメタルハライドランプの一例を示す断面図であって、本例のランプは、図５に示すランプと同様、透光性セラミックで成る発光管１の両端に設けたキャピラリ３Ｌ、３Ｒ内に電極芯棒７の後端側を挿通した一対の電極６Ｌ、６Ｒが、電極芯棒７の先端側を発光管１の放電空間２内に突出させて電極先端部を互いに対向させるように配置されると共に、電極芯棒７の先端部付近にタングステン線８を密巻きして放熱コイル部９が形成され、キャピラリ３Ｌ、３Ｒ内に挿通する電極芯棒７の後端に溶接した中間材２７の外周部にモリブデン線１０を密巻きして位置決めコイル部１１が形成され、ランプの点灯始動時に、片側電極６Ｌの電極芯棒７の後端側が挿通されたキャピラリ３Ｌ内を放電起点Ｓとするアーク１６が発生する特性を有している。

本例のランプが図５のランプと相違する点は、電極６Ｌの電極芯棒７がキャピラリ３Ｌの開口端１７から発光管１の放電空間２内へ突出する長さを図５の場合よりも短くして、その電極芯棒７の先端部付近でタングステン線８を密巻きして形成された放熱コイル部９の後端をキャピラリ３Ｌの開口端１７に近接させることにより、キャピラリ３Ｌの開口端１７付近でアーク１６から高熱の給与を受ける段部１８が形成されている点である。すなわち、図１のランプは、電極６Ｌの電極芯棒７に形成された放熱コイル部９の後端が、キャピラリ３Ｌの開口端１７付近でアーク１６から高熱の給与を受けて電極６Ｌを急速加熱する段部１８を形成している。

なお、本発明者らが、定格電力Ｐ（Ｗ）が種々異なる同型のランプについてキャピラリ３Ｌの開口端１７と電極６Ｌの電極芯棒７に形成した段部１８との間の距離Ｌ（ｍｍ）を様々に変化させた点灯実験を行ったところ、その距離Ｌが小さくなるに従って、キャピラリ３Ｌ内を起点Ｓとするアーク放電から電極６Ｌ及び６Ｒの電極先端部間のアーク放電へ移行するまでのアーク移行時間ｔ（ｓｅｃ）が短くなることが確認されると同時に、その距離Ｌが一定値以下になると、アーク１６が段部１８に接触するような状態となって、それまで数秒程度であったアーク移行時間ｔが約１秒前後まで一挙に短縮されることが確認された。すなわち、距離Ｌには、アーク移行時間ｔを急変させる臨界値Ｌｃなるものが存在することが判った。また、その臨界値Ｌｃは、ランプの定格電力Ｐに依存する傾向があることも判った。

そこで、以下のようにランプの定格電力Ｐと臨界値Ｌｃとの関係を求めた。
図２は、距離Ｌを様々に変化させた定格電力Ｐ＝７０Ｗ、１５０Ｗ、２５０Ｗ、４００Ｗのランプについて、その距離Ｌとアーク移行時間ｔとの相関関係を表すデータをまとめたグラフであり、各データをグラフ上にプロットすることによって、アーク移行時間ｔが急変する臨界値Ｌｃが存在することが判る。この臨界値Ｌｃ近傍の点を除いて距離Ｌが臨界値Ｌｃより小さいデータ群と、臨界値Ｌｃより大きいデータ群とに分け、夫々について最小二乗法により近似直線を求めて、その交点を臨界値Ｌｃとした。これより、各定格電力Ｐに対する臨界値Ｌｃは次表１のとおりとなった。

次いで、これらのデータをグラフ上にプロットすると、図３のように直線性を有するので、最小二乗法により次の近似式を得た。
Ｌｃ＝０.００６Ｐ＋０.１

これより、例えば定格電力Ｐ＝２００Ｗの場合、距離Ｌの臨界値Ｌｃは、
Ｌｃ＝０.００６×２００＋０.１＝１.３（ｍｍ）
となる。
そこで検証のため、定格電力２００Ｗのランプについて、臨界値Ｌｃより０.１ｍｍ小さい距離Ｌ＝１.２ｍｍのものと、臨界値Ｌｃより０.１ｍｍ大きい距離Ｌ＝１.４ｍｍのものとを各々１０本ずつ作製して、それらについて点灯実験を行ったところ、次表２のような結果が得られた。

すなわち、距離Ｌ＝１.４ｍｍのランプの平均アーク移行時間ｔは、５.２９秒であるのに対し、距離Ｌ＝１.２ｍｍのランプの平均アーク移行時間ｔは、僅か１.２７秒と、約４秒も短縮され、しかも、アーク移行時間の標準偏差σが、２.２５から０.３４に減少していることから、距離Ｌが臨界値Ｌｃ以下となると、アーク移行時間ｔが大幅に短縮されると同時にその移行時間ｔが一定でバラツキが小さいことが判る。
したがって、最短時間で電極先端部間のアーク放電に移行させるために、キャピラリ３Ｌの開口端１７と段部１８との間の距離Ｌ（ｍｍ）は、０．００６Ｐ＋０．１以下に選定されている

図４は、本発明に係るセラミックメタルハライドランプの他の例を示す要部の断面図であって、その要部となる電極６Ｌ部分を除く他の構成は図５に示す従来のランプと共通するので、その共通部分に関する説明は省略する。

図１に示す実施例１のランプは、電極６Ｌの電極芯棒７がキャピラリ３Ｌの開口端１７から発光管１の放電空間２内へ突出する長さを図５の場合よりも短くしているが、このようにすると、所望のランプ発光特性が得られないこともあるので、図４（ａ）及び（ｂ）に示す各ランプは、いずれも、電極６Ｌの電極芯棒７がキャピラリ３Ｌの開口端１７から発光管１の放電空間２内へ図５の場合と略同程度の長さ突出せられている。

そして、図４（ａ）の電極６Ｌは、高融点金属線であるタングステン線１９を電極芯棒７の先端部付近で３〜６ターン密巻きして放熱コイル部２０が形成されると同時に、そのタングステン線１９をキャピラリ３Ｌの開口端１７付近まで延長させるように線径の２倍以上のピッチで疎巻きして、その開口端１７付近でアーク１６から高熱の給与を受ける段部２１が形成されている。なお、放熱コイル部２０からキャピラリ３Ｌの開口端１７付近にかけてタングステン線１９を疎巻きにするのは、該タングステン線１９による放熱効果が過剰となってランプの発光特性が損なわれないようにするためである。

一方、図４（ｂ）の電極６Ｌは、電極芯棒７の先端部付近でタングステン線２２を３〜６ターン密巻きして放熱コイル部２３が形成されると共に、該放熱コイル部２３とは別個に、キャピラリ３Ｌの開口端１７付近でタングステン線（もしくはモリブデン線）２４を電極芯棒７の外周部に数ターン密巻きしてコイル部２５が形成され、該コイル部２５によって、キャピラリ３Ｌの開口端１７付近でアーク１６から高熱の給与を受ける段部２６が形成されている。なお、コイル部２５は、線径０．１ｍｍの極細のタングステン線２４で形成しても、アーク１６から高熱の給与を受けて電極６Ｌをその電極先端部から熱電子が放出されやすくなる温度まで瞬時に温める効果が十分認められるので、ランプの発光特性を損なわないようにするため、放熱コイル部２３を形成するタングステン線２２よりも細いタングステン線２４で形成している。

図４（ａ）及び（ｂ）の如く構成されたランプも、電極６Ｌの電極芯棒７に段部２１及び２６を形成することによって、キャピラリ３Ｌ内を起点とするアーク放電から電極先端部間の安定したアーク放電に移行するまでのアーク移行時間が短縮され、特に、段部２１及び２６とキャピラリ３Ｌの開口端１７との間の距離（ｍｍ）を０．００６Ｐ＋０．１以下に選定すれば、そのアーク移行時間が著しく短縮されて、発光管の黒化や電極細りが抑制され、ランプ寿命が向上する。なお、本発明の段部は、電極芯棒７の削り出し加工によって形成してもよいが、実施例の如く電極芯棒７の外周部にタングステン線等の高融点金属線を巻いて形成すれば加工コストが低減されるというメリットがある。

また、発光管とキャピラリとが一体成形されている場合は、両者の境界が必ずしも明確ではないが、キャピラリの内径が発光管の放電空間内に向かって拡径し始める箇所をキャピラリの開口端として、該開口端と前記段部との間の距離を０.００６Ｐ＋０.１以下に選定すれば、上記の如くアーク移行時間が著しく短縮される。

本発明は、セラミックメタルハライドランプを点灯始動してから電極先端部間の安定したアーク放電に移行するまでの時間を短縮させてランプ寿命の向上に資するものである。

本発明に係るセラミックメタルハライドランプの一例を示す断面図 本発明の作用効果を説明するためのグラフ 本発明の作用効果を説明するためのグラフ 本発明に係るセラミックメタルハライドランプの他の例を示す要部の断面図 従来のセラミックメタルハライドランプを示す断面図

符号の説明

１ 発光管
２ 放電空間
３Ｌ キャピラリ
３Ｒ キャピラリ
６Ｌ 電極
６Ｒ 電極
７ 電極芯棒
８ タングステン線（高融点金属線）
９ 放熱コイル部
１０ モリブデン線
１１ 位置決めコイル部
１６ アーク
Ｓ アークの放電起点
１７ キャピラリの開口端
１８ 段部
１９ タングステン線（高融点金属線）
２０ 放熱コイル部
２１ 段部
２２ タングステン線
２３ 放熱コイル部
２４ タングステン線（高融点金属線）
２５ コイル部
２６ 段部
２７ 中間材

Claims (6)

1. 透光性セラミックで成る発光管の両端に設けたキャピラリ内に電極芯棒の後端側を挿通した一対の電極が、電極芯棒の先端側を発光管の放電空間内に突出させて電極先端部を互いに対向させるように配置され、ランプの点灯始動時に片側電極の電極芯棒の後端側が挿通されたキャピラリ内を放電起点とするアークが発生する特性を有したセラミックメタルハライドランプにおいて、前記片側電極の電極芯棒に、該電極芯棒の後端側を挿通したキャピラリの開口端付近で前記アークが接触するような状態となって該アークから高熱の給与を受ける段部が形成されていることを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
2. 前記キャピラリの開口端と前記段部との間の距離（ｍｍ）が、ランプ電力（Ｗ）をＰとしたときに、０．００６Ｐ＋０．１以下に選定されている請求項１記載のセラミックメタルハライドランプ。
3. 前記段部が、電極芯棒の外周部に高融点金属線を巻いて形成されている請求項１又は２記載のセラミックメタルハライドランプ。
4. 前記高融点金属線を電極芯棒の先端部付近で密巻きして形成された放熱コイル部の後端が前記段部を成している請求項３記載のセラミックメタルハライドランプ。
5. 前記高融点金属線を電極芯棒の先端部付近で密巻きして放熱コイル部が形成され、更にその高融点金属線をキャピラリの開口端付近まで疎巻きして前記段部が形成されている請求項３記載のセラミックメタルハライドランプ。
6. 前記高融点金属線をキャピラリの開口端付近で電極芯棒の外周部に巻いて前記段部を成すコイル部が形成されている請求項３記載のセラミックメタルハライドランプ。

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