JPS6017849A - 小形金属蒸気放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はたどえげ直流などの極性の反転のない電源で点
灯される小形金属蒸気放電灯に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、省エネルギーの観点から発光効率の低い白熱電球
と代替して使用できるようなたとえばメタルハライドラ
ング等の発光効率の優れた金属蒸気放電灯の開発が積極
的に進められている。これ等金属蒸気放電灯は商用周波
数５　Ｑ　Ｈ２または６０Ｈｚの交流１００■または２
００■の一般供給電源で安定器を介して点灯するのが常
であり、また安定器は放電灯とは別の位置に設置すると
いう方法がとられている。しかしながら一般家庭および
店舗等の屋内用として多用される白熱電球の代替として
考えると、ランプと安定器とは一体化し、さらに安定器
を小形、軽量、低価格にすることが欠かせない条件であ
る。ところが、現在一般的であるチョークコイルな使用
した安定器では上記条件を満足させることは困難視され
ている。近年、トランジスタ、ＩＣ等の発達により上記
条件を満足させ得る安定器としての電子回路を構成する
ことが可能となってきた。このような電子回路の方式と
しては直流点灯方式や高周波点灯方式等が考えられるが
、高周波点灯方式によると特定の周波数帯域では音響共
振という現象を生じでアークがゆらぎ、立消えの原因と
なる。特にメタル・・ライドランプの場合は、その発光
管形状、封入物の影響で音響共振を生じる周波数帯域が
非常に広くなるため高周波点灯方式は不適当となる。し
たがって。

特にはメタルハライドランプ用の電子安定器としては直
流など極性の反転のない電源での点灯方式％式％ 本発明者等は直流など極性の反転のない電源を用いるメ
タルハライドランプ等の金属蒸気放電灯の開発過程にお
いて、従来の交流点灯用に設計された電極軸の先端部に
コイルを巻回した電極を有する放電灯を上記極性の反転
のない電源で点灯すると陰極近傍の発光管管壁に失透、
クラックを発生し９発光管がリークし不点となるランプ
が多発することを発見した。

しかも、この現（ρは陰極ど発光管管壁とがより接近し
てくる１００Ｗ以下のような小形のランプはど一層甚だ
しくなることが判明した。これらの現象につき、さらに
交流点灯のランプと比較観察したところ、ランプが定常
状態で安定した場合でも。

極性反転のない電源で点灯した場合には陰極の封止端側
にア・−クスポットが形成され、このスポットが陰極先
端に移行しない場合があることが判り、このままの状態
で長時間点灯を続けたものが殆んど上記のようなりラッ
クを発生させていることが判った。これに対し、交流点
灯の場合には始動直後には電極の封止端側から放電を開
始するものの短時間で全てのランプはアークスポットが
電極先端に移行し、クランクは発生しなかった。このよ
うな現象は次のような理由によるものと推察される。す
なわち、交流でも極性の反転のない電源の場合でも、始
動直後は１気圧以下の低圧状態であるため放電距離が長
くなる状態で放電は開始する。しか１．／　１時間と共
に発光管内の温度が上昇し１発光管内の圧力は上昇して
定格点灯時には１気圧以上の高圧たとえばメタルハライ
ドランプでは１０気圧前後あるいはそれ以上にもなる。

したがって、放電が安定を維持するため、よく知られて
いる法則Ｐｄ　＝　ｃｏｎｓｔ、　（Ｐは圧力、ｄは放
電距離）を満足するようにアークスポットは電極封止端
側から電極先端へ移行し、放電距離ｄが短かくなる方向
へ動く。このｆ３．象は交流の場合には両電極がそれぞ
れ陰極と陽極の両方の作用を各半サイクルで繰返すので
、陽極時にはアークがその電極全体に集中して電極先端
も加熱されるため、上記の圧力の増加と共にアークは電
極先端へ容易に移行するが、直流のように極性の反転の
ない場合には陰極側は了−りがスポット状となり電極封
止端側のと（一部にのみ集中し、その集中した個所のみ
が加熱される。しかもコイル部が放熱フィンのような役
割をするので電極先端は発光管内圧力が充分高まっても
電子放射を行うに充分なまでには昇温せず、しかも極性
の反転がないので一旦できたスポット位置からのアーク
の移動は何等かのきっかけが無いと起らない場合がある
ものと推察される。

したがって、アークスポットが陰極の封止端側に生じ、
しかもその陰極先端への移行がないと。

高温のアークの発光管管壁への接近、接触が長時間続き
、その結果管壁に失透、クラックが発生することになる
わけである。そのうえ、アークが陰極の刺止端側または
先端に発生することがあるということは、アーク長が異
なることであり、アーク長が異なればランプ電圧もそれ
につれて相違するから点灯ごとにランプ電圧が・一定し
ないという不都合をも生じる結果となる。

〔発明の目的〕 本発明は」−記畢情る考慮してなされたもので。

直流などの極性の反転のない電源で点灯しても。

発光管に失透、クラックが発生せず、しかもランプ電圧
の変動の少ない長寿命で安定１〜だ特性を有する１００
Ｗ（ワット）以下の小形の金属蒸気放電灯を提供するこ
とを目的どする。

〔発明の概要〕

本発明は陰極をコイルの一部が電極軸より突出するよう
に形成１−２．コイルの外径をＤ　（ｍｖｒ　）　、　
コイルの内径をｄ　（＋ｏｌ）、電極軸の径をｄｉ（朋
）、定常点灯時の放電１↓ｊ：流をＩｒ、（Ａ）とした
とき。

１．５≦Ｉ）／ｄ≦４ １４　≦ＩＬ／ｃ５”−３５０ で、かつ、上記コイルの電極軸からの突出長ｌをコイル
全長りの１／３以上にしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例を参照して説明する
。第１図は４０Ｗ（ワット）の小形メタルハライドラン
プの発光管（１）を示し、最大内径８ｍ１ｎのほぼ球状
に成形された石英ガラスからなる発光管バルブ（２）の
内部には始動用希ガスとしてアルゴンガス１．００トー
ル、水銀１０ｍｇおよび金属ハロゲン化物としてたとえ
ば沃化スカンジウムと沃化ナトリウムが合計２ｍｇ封入
され、かつ２発光管バルブ（２）の両端部には４　ｍｖ
ｉの間隔をおいて陽極（３）と陰極（４）とが対向封止
されている。陰極（４）は径ｄ１が０．１５ｍｒｎの高
融点金属たとえばタングステン製の電極軸（４ａ）に全
長りが１．５＋＋＋ｉ、外径りが０．３５ｍｍ、内径ｄ
が０．１５ｍｍのコイル（４ｂ）を巻装して構成され。

上記コイル（４ｈ）は線径０．１　ｍｍのタングステン
線を電極軸（４ａ）に−重に巻き、その一部は電極軸（
４ａ）より約１　ｍｒｎ突出１〜て内部が空電の突出部
（４Ｃ）を形成している。すなわち、コイル外径丁）（
ｍａ）ノ同内イ４．　ｄ　（＋ｎｍ）に対する比Ｄ／ｄ
　＝ニー　２．３３　、またコイルの市、（Ｍ　４１１
＋よりの突出長ｌ（朋）のコイル全長Ｌ（＋ｎｍ）に対
する比は約０．６７となっている。一方、陽極（３）は
線径００６朋のタングステン線を線径０．１９　ｍｍの
タングステン線に巻いてコイル状にしたものな更に径０
．２２ＷＩＸのタングステン製電極軸（３ａ）に二重コ
イル（３ｂ）状に巻回して構成され。

上記二重コイル（３ｂ）の全長は１．５朋である。陽極
（３）と陰極（４）は発光管バルブ（２）の両端封止部
（５）、　（６）内に気密に封着されるモリブデン箔（
７）、　（８）を介して外部リード線（９）、００にぞ
れぞれ接続されて発光管（１）が形成されている。この
発光管（１）は図示しないが通常は一端にに１金を取着
（また外管内に封装され、手記外部リード；腺（９）、
　（ｕυは口金及び端子にそれぞれ接続されてランプか
形成される。

このような構成のランプ（ｊたとえば第２図に示すよう
に直流１点灯電子回路式安定器（１１）を介して交流電
源０ｚに接続される。安定器（ＩＩ）はＡ、Ｃ／ＤＣコ
ンバータ（１３）、　回流検出回路ｎ４）を備えている
。（＋５）は始動回路で陰極（４）と陽極（３）間に始
動用パルス電圧を００口する。上記安定器（１］）およ
び始動回路６勺によって４発光管（１）には宇常時に放
電電流丁りが０．５６Ａ（アンペア）ＩＩ加されると共
に、安定点灯時にはランプ入力が４０＼Ｖ（ワット）と
なるように制御される。したがって、軸径０．１５　ｍ
ｍの上記電極断面の電流密度は放覗電流ＩＬ／（軸径ｄ
ｘ）２＝０．５６Ａ／　（０，１５ｍｙｎ）２→：２５
となっている。

上記ラング１０本につきこのような点灯装置％６．によ
り１００回の点滅試験を行なったところ、安定点灯時に
おいてアークが陰極（４）の根元部分（刊市端側）より
発生ずる現象は全く見られなかった。この理由は上記構
成の陰極（４）は電極軸（４ａ）がコイル（４１））を
貫通ぜず、先端部に空洞のコイル突出部（４ｃ）が形成
された形状であるから、上記電極先端部に電極軸が存在
する場合より熱容量が小さく、かりに始動時にアークが
陰極（４）の根元部分（封１に端側）でう６生しても、
陰極（４）の空洞先端部は温度が上昇し易く、速やかに
アークが弘１生じ易い温度にまで昇Ｙ品する。そして安
定点灯状態に移るにつれて発光Ｗ（］、）内のａ属が蒸
発して蒸気圧が上昇し、アークはできるだけその距離を
短かくしようとして遂には電極（３）、（４）先端間の
アークへと移行するに至る。したがりて、安定点灯時に
は陰極（４）の根元部分（封止端側）にはアーク発生個
所がないので。

発光管（１）の石英ガラスが異常加熱されて失透、クラ
ックを生じることがなく、長寿命が得られると共に１点
灯のたびにアーク長が変化することもないのでランプ電
圧が変化するという不都合も生じない。

しかも電、極軸にはコイルが設けであるから、グロー電
圧が低Ｆしグローからアークへの転移も良好で始動特性
も優れでいる。

次に好まし２い陰極４４り造の範囲をめるために。

上記実施例と同一の４０Ｗメタルハライドジンプについ
て陰極（４）の構造を種々変えた場合のランプ特性への
影響につき試験を突流した。表Ｉはその試験内容と結果
を示すもので、陰極構造の変動要因としては電極軸径ｄ
１（龍）、コイルの外径Ｄ（＋＋＋ａ、）。

内径ｄ（ａｍ）、全＋＝　Ｌ　（ｍｍ　）　＋　電極軸
（＝１．ａ　）からの突出長ｌ（ｒｔ＋１１＋、　）　
：（、；よびコイル形式（一層および４１層）を採り−
１−げ、評価とし、ではグロー放電力・らアーク放電へ
の転移の雌易度、アークスポットの陰極根元部（封止端
１１１　）から同先端部への移行の難易度環？考慮した
始−ｒｒｒｈ　ｖｉ性ならびに寿命特性を比較検討して
決定した。

表　１ 表■に４６いて第１ググト−プ（試験／１６１〜１６７
）す丁〉と（ＩＪｊｌ佳Ｚ〜２，５にとり、この１［（
になろ棹聞ハ星る。

この結果はｄｌＯ値が０．０４〜０．２朋の範囲のもの
が上記実施例と同様に始動時の陰極先端へのアークスポ
ットの移動が容易、確実であり、グロー放電からアーク
放電への転移も良好で、かつ寿命特性も問題なかった。

これに反し、ｄ１＝０２２（／１６３）のものは定常時
の放電電流ＩＬ”０．５６Ａに対して電極軸径ｄｌが太
過ぎてアークスポットの陰極根元部から先端への移行が
円滑でなく３本中２本は全く移行せず、残り１本も１０
０時間点灯後においても陰極根元部にアークスポットが
あり発光管クラックが発生した。一方、ｄｌ＝０．０２
ｍ１ｔ（４７）のものは細過ぎて寿命中の電極材料のタ
ングステンの飛散による発光管管壁の黒化が著るしく光
束維持率の低下が目立った。

コノ結果より、電極軸（４ａ）の径ｄ１は０．０４〜０
．２に規制すべきであるとの結論に達した。なお、グロ
ー放電からアーク放電への転移および電極材料の飛散は
電極軸（４ａ）の太さだけでなく、定常点灯時にこの電
極軸（４ａ）の単位面積当りに流れる放電電流ＩＮ、（
Ａ）に影響されるから、タングステン等の高融点金属拐
料からなる電極軸径ｄ１（ｍｍ）と−ト記放電電流ＩＬ
（Ａ）との関係を一般式で示すと上記結論から。

０．５６７（ｄ、　＝　０．０４２）　＝　３５００．
５６／（ｄ、＝０．２２）　＝　１４であるから。

１４≦工Ｌ／ｄマ≦３５０・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
　（１）となり、したがって入力（ワット）に関係なく
　Ｉｒ。

とｄｌの関係は上記（１）式を満足するようにすれば良
いことが判る。

次に第２グループ（試験／１６８〜Ａ１５）は電極軸径
ｄ１を上記第１グループにおいて評価が良好であった範
囲の下限値０．０４．ｍｔｎと上限値Ｑ、”；１ｍｍと
に設定した場合のコイル内径ｄとコイル外径りとの関係
を示すものである。なお２本試験に用いたランプは第１
図示のようにコイル内径ｄ＝電極軸径ｄ１なので２本試
験におけるコイル内径ｄはそれぞれ０．０４朋と０．２
ｍｍに設定したことになる。

このに’ｉ果はｄ　＝　Ｑ、２１１ＩＩＩＬのものは０
．３　ｍｍ≦Ｄりｏ、ｓ　ｍｍの範囲、またｄ＝０．０
４關のものは０．０６朋≦Ｄ’＝　Ｏ，１，６朋の範囲
では始動特性、寿命特性共に良好であった。これに対し
＋　ｄ＝０．２＋＋＋ｍではＤ＝０．９ｍｍの場合（ａ
ｇｃ＋）およびｄ　＝　０．０４　ｒｌＩｍではＤ−＝
ｏ、ｚｍｍ（／ｌ６１４）のものはいずれもｄに対する
Ｄが大き過ぎて始動時にアークスポットが陰極先端へ移
行しないものが発生し、安定点灯時でも陰極根元部にア
ークスポットが有り、クラックの発生が見られた。さら
にコイル（４ｂ）が大きいので電極軸（４ａ）から抜は
易いという不都合も生じた。一方＋　ｄ＝０．２ｍｍで
Ｄ＝０．２５（Ａｌｌ）およびｄ　＝”　０．０４．　
ｍｍでＤ＝０．０５ｍｍ（Ａ１５）のものは逆にｄに対
するＤが小さ過ぎるので、コイル自体の作用が充分でな
くグロー電圧が高いため始動特性が悪く、グロー放電の
アーク放電への転移に欠点があった。

上記の通りコイル内径ｄ＝０．２＋＋＋ｍではＱ、３ｍ
ｍ≦Ｄ≦０．８耶の範囲が、またｄ　＝　０．０４　ｍ
ｍでは０．０６　ｍｍ＜：、ｌ）　り０．１６ｍｍの範
囲が好ましい結果から、ｄとＤとの関係つまり１）／ｄ
の最適範囲の一般式をめると。

ｄ　＝　Ｑ、２ｈｌ虎では ０．３　ｍ２１／１０．２　ｍｍ≦１）／ｄ≦０．８　
ｍ’ｉｎ／　Ｑ、２７ｎｍであるから。

１５≦Ｔ）／ｄ≦４ またｄ　＝　０．０４龍では ｏ、０４ Ｑ、Ｑ　５　ｍｍ、／　Ｏ，ＣＩ　４　ｍｍ≦Ｄ／（１
≦０．１６　ｎ＋＋ＴＶ／’ｅｌ、＠　ｍｕであるから
。

１．５≦Ｄ／ｄ≦４となり。

結局はコイル内径ｄとコイル外径りとの関係は１．５≦
Ｉ）／（１≦４　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・　（２）とすれば良いことが判る。

次に第３グループ（試験層１６〜腐２２）は上記第１、
第２各グループの良好な組合せ、つまり電極軸径ｄ　Ｈ
＝　０．１５　ｍｍＨＯ，２ｍｍ　、　Ｑ、０４　ｍｍ
で、かつコイル内径に対する外径の比１）／ｄ　＝　２
．０〜２．５の範囲になるようにＤの値を設定し、さら
にコイルの全長りを２朋一定として、コイル（４１））
の電極軸（４ａ）からの突出長ｌを種々変化させた場合
である。

この結果からｄｌは上記のどの値においても、コイル突
出長ｌが０．５ｍｍと浅い場合には電極軸（４ａ）とコ
イル（４ｂ）との接触部分が−１４＜で、その分だけ熱
容量が大きくなり、したがって先端部分の昇温が充分で
なく、アークスポットが先端部へ移行しないことが有り
、寿命中介光管にクラックが発生するものが生じた。

さらに上記コイル突出長ｌとコイル全長りとの関係につ
き試験した結果を第４グループ（試験層２３〜Ｉ６２６
　）に示す。試験は電極軸径ｄｔ　＝　０．１５ｍｍ。

コイル外径Ｉ）”　０．３５＋ａ、　コイル内径ｄ＝Ｑ
、１５＋ｎｓｔで、つまりＤ／ｄ　＝　２．３３一定で
コイル全長りとコイル突出長ｌどの組合せを種々変えて
実施した。

この結果はＬ＝２５朋で＃＝１．０朋（４２４）つまり
４のＬに対する比１３／Ｌ　＝　０．４．　Ｌ＝　１．
０ｍｍでｌ＝ｏ、４ｍｍ（７１６２６）のａ／Ｌ＝０４
の場合はいずれも始動特性、寿命特性が良好であった。

これに反し、：（、＝＝２，５）ｉｌｌｌで１　＝　０
．８ｍｍ（］１ｉ２３　）の７　／Ｌ　＝　０．３２お
よびＬ　＝　１．Ｑ　ｍｍで＃＝０．３朋（Ａ２５）の
ｄ／Ｌ＝０．３の各場合つまりｌ／Ｌが０．３２以下で
は発光管にクラックが発生した。

以上の第３グループおよび第４グループの試験結果から
、コイル突出長ｌが浅すぎると不都合を生じること、ま
たその限界はコイル突出長ｌとコイル全長りとの関係に
おいて。

ｌ／Ｌ　＝　０．３３以−につまりｌｌ≧Ｌ／３　・・
・・・・・・・　（３）とする必要があることが判る。

なお、上記各グループの試験はコイル形式としては第一
図の一部コイルで実施したが、これら試験品の内の数種
類のものにつき、コイル形式な複層式のものたとえば二
重コイルについて更に追試験を実施した結果、コイル形
式−重コイルであろうと複層式のものであろうと評価に
変りがないことが判った。この結果は第５グループ（試
験７６２７〜／１６３０）として示し、扁２７は／１６
１に、扁２８は／Ｉ６２に、／１６２９は／１６３に、
さらに屑３０は扁２６にそれぞれ対応するように陰極構
造が設定されている。

つまり、−重コイルで評価が良好なもの（４１゜Ａ２，
４２６）は複層式コイル（席２７．應２８、ａｔ３０）
でも良好であり、−重コイルで評価不良のもの（／ｒ６
３）は複層式コイル（，４６２９）でも不良であった。

以上の結果より、陰極の構造をコイルの一部が電極軸よ
り突出させ、コイルの外径を１）（＋＋ｔｍ）、回内゛
径をｄ（ｍＩ＋＋）、同全長をＬ（ｍｖＬ）、同突出長
をｌ　（ｍＨ）　１電極軸径をｄｌ（”）ｌ定常点灯時
の放電電流をＩＬ（Ａ）としたとき。

１４≦ＩＬ／ｄキ≦３５０　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・　（１）１．５≦Ｄ
／ｄ≦４　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・　（２）退入≧Ｌ／３　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・−・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（３）を
満足すれば、直流など極性の反転のない電源で点灯使用
しても始動特性、寿命特性共に優れたランプが得られる
ことが判った。

次に１００Ｗのメタルハライドランプにつき上記４０Ｗ
ランプと場合と同様の検討を行なった。１００Ｗメタル
ハライドランプでは直流点灯用安定器としては定常時の
放電電流ＩＬが１．ＯＡ、ランプ入力１００Ｗになるも
のを使用した。この場合も上記（１）。

（２）？　（３）式を全て満足するようにすれば、４０
Ｗランプの場合と同様の結果が得られることを確認した
。

なお、上記実施例ではコイル内径ｄが実質的に電極軸ｄ
ｌと同一のものを使用したが２本発明はこれに限られる
ものではなく、コイル突出部の内径がコイルの電極軸に
巻回された部分の内径よりも大きく形成される等の他の
形状の陰極を有するものにも適用でき、このような場合
のコイル内径ｄは突出部の内径を指すものである。

さらに１本発明はメタルハライドランプだけでなく、仙
の金属蒸気放電灯たとえば高圧水銀灯や高圧ナトリウム
ランプ等においても同様の効果が得られろものである。

〔発明の効果１ 以上詳述したように９本発明によればｔＵ流点灯などの
極性の反転のない電源で点灯しても、始動特性、寿命特
性の優れた小形金属蒸気放電灯が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である小形メタルハライドラ
ンプの正面図、＠２図は同ランプの点灯１η２°昂５ 装置を恣抱壓へ、示すも （１）・・・発光管、　（２）・・・発光管バルブ、（
３）・・・陽極。 （４）・・・陰極、（４ａ）・・・陰イタ軸、（４ｂ）
・・コイル。 （１１）・・・安定器ｒ　０２１・・・電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発光管パルプの両端部に対向して陽極と陰極を封止し、
   内部に始勅用希ガスと少くとも水銀を含む封入物とを封
   入してなる発光管を有し、極性の反転のない電源で点灯
   される１００Ｗ（ワット）以下の小形金属蒸気放電灯に
   おいて、上記陰極はコイルの一部が電極軸より突出する
   構造をなし、上記コイルの外径をＤ　（ｍｍ　）　、コ
   イルの内径をｄ（ｍｍ）、’Ｎｊｔ極軸の径をｄｌ（”
   ）＋　定常点灯時の放電電流をＩＬ（Ａ、（アンペア）
   ）としたとき。 １．５≦Ｄ／ｄ≦４ １４≦■Ｌ／ｄ１≦３５０ で、かつ、上記コイルの電極軸からの突出長をｌ（ｍｍ
   　）コイルの全長なＬ　（關）としたとき。 ｌ≧Ｌ／３ としたことを特徴どする小形金属蒸気放電灯。