JP5229693B2 - 低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯 - Google Patents

Description

本発明は、高圧金属蒸気放電灯に関し、特に、非線形セラミックコンデンサを含む始動器を透光性外管に内蔵し、半導体スイッチを口金部に内蔵する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯に関するものである。以下の文中で単に「ランプ」と記載した場合には上記仕様の低始動電圧形金属蒸気放電灯を意味する。

低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯はＪＩＳＣ７６２１内に規定されている「始動器内蔵形ランプ」およびＪＩＳＣ７６２３内に規定されている「低始動電圧形メタルハライドランプ」を包括するものである。これらのランプの一種として、内部始動器として非線形セラミックコンデンサおよび半導体スイッチを含む始動器を採用し、前記半導体スイッチをランプの口金部に内蔵した高圧金属蒸気放電灯がある。一例として、この種の始動器を備えたセラミックメタルハライドランプの外観図を図１に示す。ランプ各部材の電気的接続関係は図４のようになっている。また口金内部の構造は例えば図５または図６のようになっている。

ランプのほぼ中央には発光管１０１があり、その周囲に透光性スリーブ１０８が透光性スリーブ固定板を介して金属製のフレーム１０９に固定されている。フレーム１０９はマウント支持板１１４およびステム１１５の導入線と接続することにより透光性外管１１１内に位置固定されている。フレーム１０９は位置固定用の部材であると同時に電気的接続用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力を口金１１２およびステム１１５の導入線を介して発光管の外部リード１０７まで伝えている。口金１１２は導電性材料からなるシェル１５１およびアイレット１５３という２つの給電端子と電気絶縁体からなる絶縁物１５２とからなり、前記シェル１５１およびアイレット１５３を絶縁物１５２で絶縁固定した構造となっている。

非線形セラミックコンデンサ１２１を含む内部始動回路は複数の回路抵抗素子とともにフレーム１０９に組み込まれている。また発光管１０１の温度を比較的高く保つ必要のあるランプ仕様の場合には、透光性外管１１１の内部を真空排気後、ゲッター１１３を活性化させて透光性外管１１１内の残留ガスを吸収させ、発光管を真空断熱により保温することができる。

図４に示した内部始動回路を構成する部品のうち、図４において点線に囲まれた部分は透光性外管１１１の内部に配置され、２点鎖線に囲まれた部分は口金内に配置されている。すなわち半導体スイッチ１２３は透光性外管の外に配置されている。なぜなら半導体スイッチ１２３は中央に通過電流を制御する複数の半導体を有し、その両端に一対の金属リード線を接続し、前記金属リード線の接続部を含む中央部をシリコン樹脂でモールディングした構造となっているため、許容雰囲気温度は２５０℃以下であり、透光性外管１１１の中へ入れて配置した場合この温度を超えることがあるため中に入れることができない。そのため図４のように透光性外管１１１のステム１１５から３本のステムリード線１４１，１４２，１４３を外部へ出している。口金１１２の内部でステムリード線Ｂ１４２は半導体スイッチ１２３の一方の端子に接続している。ステムリード線Ｃ１４３は半導体スイッチ１２３のもう一方の端子に接続するとともに口金内で外部給電端子であるアイレット１５３またはシェル１５１に接続している。ステムリード線Ａ１４１は口金内で残りの外部給電端子に接続している。

半導体スイッチ１２３の接続形態として、例えば特許文献１に開示されているような方法がある。これは図５のように、半導体スイッチ両端の金属リード線を適当な寸法に切断してコの字形に折り曲げ、ステムリード線Ｃ１４３を口金のアイレット１５３側に接続し、ステムリード線Ｂ１４２とステムリード線Ｃ１４３の間に半導体スイッチ１２３を接続するものである。図５においてΧで示した位置をスポット溶接している。この構造では、半導体スイッチ１２３はランプ中心軸と平行に位置固定され、リード線同士の接続であるから、リード線の弾性変形が振動や熱膨張などによる応力を吸収する形で作用するため半導体スイッチ１２３に過剰な力が加わることはない。

しかしこのような取付方法は組み立て作業性が悪く、量産工程では不適なため、現在量産されているものについては始動回路としては図４と同じだが、非線形セラミックコンデンサの取付方向を変えて図６のように半導体スイッチ１２３を固定した構成の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯に変わってきている。

この場合、ステムリード線Ｂ１４２と半導体スイッチの金属リード線とを溶接することで半導体スイッチ１２３を電気的接続すると共に機械的にも口金内部に位置固定し、さらに半導体スイッチ１２３の一方の金属リード線１２４とステム外部リード線Ｃ１４３とを共に口金のシェル１５１にハンダ１５４で固定する構成となる。透光性外管１１１のねじ部１５６の一部には、みぞ部１５５がモールド成形されている。このみぞ部１５５とシェル１５１内面との間にできた空間を通して金属リード線１２４およびステム外部リード線Ｃ１４３の端部をシェル１５１の端面位置まで出し、シェル１５１端面側からみぞ部１５５にハンダ１５４を所定量流し込んで、金属リード線１２４およびステム外部リード線Ｃ１４３とシェル１５１とを電気的に接続している。ハンダ１５４はさらに口金１１２と透光性外管１１１とを機械的にがたつきなく固定する役割も有している。

特開昭６２−２８３５４６号公報

図６の構造では、ランプ使用中に半導体スイッチが割れ、ランプが始動できなくなる場合があった。故障ランプの使用状況を解析すると、以下の３条件が重なった場合に半導体スイッチ割れが発生しやすいことがわかった。
（１）器具構造や電源電圧、周囲環境条件の影響でランプ口金部の温度が２００℃以上となっている。
（２）クレーンや電車などの振動発生源が近くにあり、器具およびランプに繰り返し振動が加わる
（３）ランプ製造時に口金をねじ込んだ際、半導体スイッチの金属リード線が動かされて前記金属リード線に曲げ応力が発生している。

前項の３条件が重なると、ランプ点灯を継続しているうちに半導体スイッチのシリコン樹脂が熱劣化して脆くなり、金属リード線の曲げ荷重によって発生した曲げ応力に耐え切れず半導体スイッチが割れると考えられる。

半導体スイッチの熱劣化を防ぐには材質の改良などが必要になるが現在の技術ではこれ以上の耐熱性向上は困難である。本発明では耐熱性向上とは別の解決手段として、半導体スイッチに生じる応力を低下させる構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためには、中央に通過電流を制御する複数の半導体を有し、その両端に一対の金属リード線を接続し、前記金属リード線の接続部を含む中央部をシリコン樹脂でモールディングした半導体スイッチを、口金内部に設置している低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、前記半導体スイッチの金属リード線のうち、少なくとも口金のシェルと接続するほうの金属リード線を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線とすればよい。

もしくは前記の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、前記半導体スイッチの一方の金属リード線と口金のシェルとの間を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線で接続し、前記柔線の長さは前記半導体スイッチから前記シェル接続部に至る電線全長の８０％以上とした構造とする。

上記の仕様で製造された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯は、高温雰囲気で振動が伝わる設置条件であっても半導体スイッチの耐久性が向上し、長寿命のランプとなる。

本発明を適用した低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の一例を示す概略図。 本発明を適用した低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の口金部構造を示す断面図。 本発明を適用した半導体スイッチのリード線曲げこわさＥＩと半導体スイッチのクラック確率との関係を示すグラフ。 低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯用始動回路の一例を示す回路図。 従来の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の口金部構造の一例を示す断面図。 従来の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の口金部構造の別例を示す断面図。

本発明を実施するためには、中央に通過電流を制御する複数の半導体を有し、その両端に一対の金属リード線を接続し、前記金属リード線の接続部を含む中央部をシリコン樹脂でモールディングした半導体スイッチを、口金内部に設置している低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、前記半導体スイッチの金属リード線のうち、少なくとも口金のシェルと接続するほうの金属リード線を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線とすればよい。

もしくは前記の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、前記半導体スイッチの一方の金属リード線と口金のシェルとの間を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線で接続し、前記柔線の長さは前記半導体スイッチから前記シェル接続部に至る電線全長の８０％以上とした構造とする。

さらに好ましくは、前記柔線は前記半導体スイッチのシリコン樹脂モールディング部から互いに反対方向に伸びている一対の金属リード線のうちシェル接続側金属リード線に溶接され、線同士が交差する角度はほぼ直角となっている構造とする。

前記柔線の材質は大気中で２５０℃までの温度条件にて、ランプ寿命である２万時間程度の間に変質劣化しない金属材料であればよい。例えば電子管材料として市販されているニッケル線や鉄ニッケル合金の電線が使用できる。

従来ランプの半導体スイッチを図６のように構成した場合、金属リード線１２４がハンダ１５４で固定されたときに強制的に自由位置から動かされ、たわみを生じたとすると、金属リード線接続部にはたわみ量に比例した曲げモーメントが発生する。この曲げモーメントは半導体スイッチの金属リード線接続部で最大となり、曲げモーメントにより半導体スイッチ内部に応力が生じてその最大応力値が材料の許容応力を上回ると半導体スイッチが割れる。

すなわち半導体スイッチの金属リード線取り出し部にかかる曲げモーメントをＭ（単位はＮ・ｍｍ）とし、前記金属リード線のシェル接続部にかかる荷重をＷ（単位はＮ）とし、同位置におけるたわみ量をｖ（単位はｍｍ）とし、半導体スイッチからシェル接続部に至る金属リード線の長さをＬ（単位はｍｍ）とし、金属リード線の弾性係数をＥ（単位はＮ／ｍｍ^２）とし、同じ金属リード線の断面２次モーメントをＩ（単位はｍｍ^４）とすると、半導体スイッチが受ける最大曲げモーメントは
Ｍ＝ＷＬ＝（３ＥＩｖ）／（Ｌ^２）
となる。

このように曲げモーメントはＥＩ（Ｎ・ｍｍ^２）に比例する。このＥＩは金属リード線の材質と線径とで決まる値であり、材料力学では「曲げこわさ」と称する。また本明細書の中では、曲げこわさＥＩの値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかい電線を「柔線」と定義している。

なお、曲げモーメントの式からわかるとおり、曲げモーメントの値は金属リード線の長さＬの２乗に反比例する。したがってＬが２倍になれば曲げモーメントの値は４分の１ になるが、図６の例でもわかるとおり、口金内部では寸法的な制約を受けるため他の部材に接触せずに金属リード線の長さを延ばすことは容易ではない。

本発明を適用したセラミックメタルハライドランプの一例を図１に示す。図１と同じランプにおける口金部分の内部構造図を図２に示す。ランプ各部材の電気的接続関係は従来ランプと同じく、図４のようになっている。

図１に示す部分のランプ構造は、従来のランプと変わるところはない。ランプのほぼ中央には発光管１０１があり、その周囲に透光性スリーブ１０８が透光性スリーブ固定板を介して金属製のフレーム１０９に固定されている。フレーム１０９はマウント支持板１１４およびステム１１５の導入線と接続することにより透光性外管１１１内に位置固定されている。フレーム１０９は位置固定用の部材であると同時に電気的接続用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力を口金１１２およびステム１１５の導入線を介して発光管の外部リード１０７まで伝えている。

非線形セラミックコンデンサ１２１を含む内部始動回路は複数の回路抵抗素子とともにフレーム１０９に組み込まれている。また発光管１０１の温度を比較的高く保つ必要のあるランプ仕様の場合には、透光性外管１１１の内部を真空排気後、ゲッター１１３を活性化させて透光性外管１１１内の残留ガスを吸収させ、発光管を真空断熱により保温することができる。

従来ランプと同様に、図４に示した内部始動回路を構成する部品のうち、図４において点線に囲まれた部分は透光性外管内部に設置されている。そして半導体スイッチ１２３は透光性外管の外側に置かれ、口金１１２の内部でステムリード線Ｂ１４２とステムリード線Ｃ１４３の間に半導体スイッチ１２３を接続している。

図２に示すとおり、半導体スイッチの金属リード線の一方は短く切断されてステムリード線Ｂに溶接され、もう一方の金属リード線１２４は短く切断されてその端部に柔線１２５をほぼ直角に接続している。柔線１２５はシェル１５１の端面側に伸びており、透光性外管１１１のねじ部１５６の一部に形成されたみぞ部１５５を通ってステムリード線Ｃ１４３と共にハンダ１５４で電気的に半導体スイッチ１２４からシェル１５１接続部に至る電線の全長のうち、柔線１２５の長さは以下の理由により全長の８０％以上を確保している。

予備実験として金属リード線１２４と柔線１２５の長さを変化させて半導体スイッチ割れの抑止効果を調べたところ、金属リード線全長の８０％以上が柔線となるように長さを決めれば本発明の効果が十分発揮されることがわかった。これは市販の半導体スイッチを購入し、半導体スイッチの金属リード線を短く切断して柔線を溶接することで容易に実施できる。

図３に柔線の曲げこわさＥＩと半導体スイッチの割れ確率との関係を示すグラフを示す。このデータは、カタログ等に掲載されているランプおよび器具の適正使用条件を越える悪条件の試験場所で半導体スイッチ割れの促進試験を行なったものである。この試験場所では、ランプ口金部の温度は半導体スイッチの許容温度を上回る２５０℃から２８０℃の範囲で変化しており、工場内を動き回るクレーンによりランプに振動が加わっている。また実験用のランプは、作成の際に柔線が透光性外管のみぞ部内で限界まで動いた状態でハンダを流し込み、ランプ製造後にＸ線画像によって柔線がみぞ中心からずれた位置で固定されていることが確認されたランプを使用した。

このような条件で、柔線の仕様を６種類とし、各仕様１００本、計６００本のランプを上記点灯条件の試験場所にランダムに配置して２０００時間までの不良発生状況を調べた。

柔線の仕様は表１のとおりである。材質は電子管用ニッケル線とりん青銅を採用し、それぞれ３種類の線径を揃えた。りん青銅の方が弾性係数Ｅの値が小さいため、線径がニッケルと同じ場合にはＥＩの値はニッケルより小さくなる。

（表１）
材質 縦弾性係数 直径 ＥＩ 割れ確率
［Ｎ／ｍｍ^２］ ［ｍｍ］ ［Ｎ・ｍｍ^２］ [%]
ニッケル 204000 0.6 1298 11
204000 0.55 916 3
204000 0.5 626 0
りん青銅 110000 0.7 1296 9
110000 0.6 700 0
110000 0.5 337 0

図３に示した結果から、半導体スイッチとシェルとを接続する柔線の曲げこわさＥＩが７００Ｎ・ｍｍ^２以下であれば半導体スイッチの割れは発生しないことがわかった。例えばニッケル製の柔線を使用する場合には直径０．５ｍｍの線を使用すればＥＩの値は６２６Ｎ・ｍｍ^２となり、半導体スイッチの割れを防止できることがわかった。またりん青銅性の柔線を使用する場合には弾性係数がニッケルの半分であるため、直径０．６ｍｍの線であってもＥＩの値は７００Ｎ・ｍｍ^２となり、割れは出なかった。

なお少なくとも一方の金属リード線自体を柔線にした半導体スイッチを採用すれば、半導体スイッチに柔線を溶接する工程を省くことができるため、製造時の工数や材料の削減ができる。ただし市販の半導体スイッチは、金属リード線に機械的構造部材としての役割を持たせているため、通常ＥＩの数値が１０００を越えるような「硬め」の部材を標準仕様としている。そのため少量生産品のランプに使用する場合には、上述のように市販の半導体スイッチを購入して柔線を接続するような構造が実用的である。しかし同じ仕様の部品を大量に使う大量生産品種のランプに採用する場合には特注で柔線を使用した半導体スイッチを製作し、それを使用した方が有利となる。この場合、口金内部の構造は従来ランプと同じ、図６の構造となるが、金属リード線１２４自体の曲げこわさＥＩが７００Ｎ・ｍｍ^２以下であれば半導体スイッチの割れは発生しない。

また本実施例では、柔線をステムリード線と共にハンダで固定することで、位置固定と電気的接続を同時に実現しているが、ハンダを使わずにプラズマ溶接やレーザー溶接を用いて柔線とシェルとを接続することもできる。

以上の実施例ではセラミックメタルハライドランプについて説明したが、石英ガラス製の発光管を有するメタルハライドランプや高圧ナトリウムランプなどであっても、同じ口金構造を有する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯であれば、全く同じ効果を得ることができる。

本発明は、通常より高温の雰囲気でしかも振動の影響を受ける設置条件であっても半導体スイッチの割れやその接続部の早期断線を防ぎ、ランプ本来の長寿命を有する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯を提供するものである。

１０１ 発光管
１０３ 非線形セラミックコンデンサ
１１１ 透光性外管
１１２ 口金
１１５ ステム
１２３ 半導体スイッチ
１２４ 金属リード線
１２５ 柔線
１４１ ステムリード線Ａ
１４２ ステムリード線Ｂ
１４３ ステムリード線Ｃ
１５１ シェル
１５２ 絶縁物
１５３ アイレット
１５４ ハンダ
１５５ みぞ部
１５６ ねじ部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 回路抵抗素子

Claims (4)

1. 中央に通過電流を制御する複数の半導体を有し、その両端に一対の金属リード線を接続し、前記金属リード線の接続部を含む中央部をシリコン樹脂でモールディングした半導体スイッチを、口金内部に設置している低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
   前記半導体スイッチの金属リード線のうち、少なくとも口金のシェルと接続するほうの金属リード線を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線としたことを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。
   
2. 中央に通過電流を制御する複数の半導体を有し、その両端に一対の金属リード線を接続し、前記金属リード線の接続部を含む中央部をシリコン樹脂でモールディングした半導体スイッチを、口金内部に設置している低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
   前記半導体スイッチの一方の金属リード線と口金のシェルとの間を、曲げこわさＥＩの数値が７００Ｎ・ｍｍ^２以下のやわらかさを有する柔線で接続し、前記柔線の長さは前記半導体スイッチから前記シェル接続部に至る電線全長の８０％以上としたことを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。
   
3. 請求項２に記載された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
   前記柔線は前記半導体スイッチのシリコン樹脂モールディング部から互いに反対方向に伸びている一対の金属リード線のうちシェル接続側金属リード線に溶接され、線同士が交差する角度は直角であることを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。
   
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
   前記金属リード線はニッケル線であることを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。

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