(57)【要約】【課題】  機械的強度を低下させることなく、必要とする高エネルギの始動パルスを発生させることができるようにする。【解決手段】  既存の平板型非線形コンデンサに対し、静電容量を低下させずに機械的強度を強くして、「クラック」「パルス不足」「欠け」を生じにくくするために、誘電体となる強誘電性セラミック基板（２）の両面に電極膜（３）が形成されると共に、該電極膜（３）にリード端子（５）を接続して成る非線形セラミックコンデンサ（１）において、強誘電性セラミック基板（２）の中心部の厚さ（Ｔｃ）を、外縁部の厚さ（Ｔｅ）に比して肉厚に形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体となる強誘電性セラミック基板の両面に電極膜が形成されると共に、該電極膜にリード端子が接続されて成る非線形セラミックコンデンサにおいて、
前記強誘電性セラミック基板は、中心部の厚さが、外縁部の厚さに対して肉厚に形成されたことを特徴とする非線形セラミックコンデンサ。
【請求項２】
前記強誘電性セラミック基板は、表面及び裏面のいずれか一方又は双方が膨出した凸曲面状に形成されてなる非線形セラミックコンデンサ。
【請求項３】
ランプ外管内部に発光管及び始動回路が並列に接続されて収納されると共に、前記始動回路に始動パルス発生用のコンデンサが介装された高圧金属蒸気放電灯において、
前記コンデンサは、誘電体となる強誘電性セラミック基板の両面に電極膜が形成されると共に、該電極膜にリード端子が接続された非線形セラミックコンデンサで成り、
前記強誘電性セラミック基板は、中心部の厚さが、外縁部の厚さに対して肉厚に形成されたことを特徴とする高圧金属蒸気放電灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電性セラミック基板を誘電体に使用した非線形セラミックコンデンサ及びそれを始動パルス発生用コンデンサとして内蔵する高圧水銀灯、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ等の高圧金属蒸気放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、１９９０年代前半に、一般照明用の高圧金属蒸気放電灯において、始動器としてランプ外管内に組み込んでいたグロースイッチ等に替えて、非線形コンデンサ（ferroelectric capacitor）を用いた世界初で唯一の電子式始動器内蔵型の高圧金属蒸気放電灯の開発実用化を成功した。
これは、機械的スイッチに替えてシャープなヒステリシス特性のセラミックコンデンサ
を内蔵させることにより、コンデンサに流れる急激な電流変化で高電圧の始動パルスを発生させランプを始動させるもので、始動パルスのピーク電圧、パルス幅、位相を完全制御することができ、寿命末期の不点灯時にはパルス停止機能により安定器の損傷を保護することができるというメリットを有する。
【０００３】
図４は、このような高圧金属蒸気放電灯１０の一般的回路構成を示すものであり、ランプ外管１１内に、一対の電極１２Ａ、１２Ｂを配した発光管１３と、非線形コンデンサＦＥＣと半導体スイッチＴＲとを直列接続した始動回路１４が並列に接続された状態で収容されている。
また、始動回路１４には、放電抵抗Ｒ１及びＲ２が非線形コンデンサＦＥＣ及び半導体スイッチＴＲと並列接続され、接続端子１５、１５を介して、交流電源１６及び安定器１７を備えた電源回路１８に接続されている。
【０００４】
そして、ランプ点灯開始前は電極１２Ａ、１２Ｂ間は非導通状態にあるので、電源回路１８から始動回路１４に交流電力が供給され、交流サイクルにより電源電圧が閾値を越えるたびに半導体スイッチＴＲがＯＮとなって、電源回路に一瞬だけ電流が流れる。
その結果、安定器１７から高電圧のパルスが出力され、電極１２Ａ、１２Ｂ間で放電開始され、放電灯１０が点灯する。
【０００５】
図５は、この始動回路１４に用いる非線形コンデンサＦＥＣとして、本出願人が開発した従来の単板型セラミックコンデンサ３１の構造を示す断面図である。
単板型セラミックコンデンサ３１は、誘電体となる平板セラミック基板３２の両面に電極膜３３が形成され、セラミック基板３２の外周面を除いて前記電極膜３３の上に、強誘電性結晶化ガラス層３４が被覆されている。
この強誘電性結晶化ガラス層３４の表層には、導電膜３５が電極膜３３に導通形成され、その導電膜３５に導電性接着剤でなる台座３６を介してリード端子３７が接続されている。
そして、必要に応じて、絶縁強化層となる低融点ガラス層３８が、前記台座３６を露出させた状態で強誘電性結晶化ガラス層３４の全面を覆うように積層形成されている。
【特許文献１】特許第２８７０１３６号
【０００６】
これによれば、セラミック基板３２の外周面が強誘電性結晶化ガラスで覆われることなく開放され、セラミック基板３２の自由振動が無理に抑えられることがないので、ピーク値が高くエネルギも大きい始動パルスを発生させることができる。
【０００７】
ところで、近年メタルハライドランプの性能向上が著しく、高発光効率と高演色性を高いレベルで実現させたランプが開発されている。
この種のランプは、従来のメタルハライドランプよりもさらに高エネルギの始動パルスを必要とするため、そのような高電圧の始動パルスを発生できる非線形コンデンサの開発が望まれている。
【０００８】
一般に、コンデンサの放電による電流変化により発生するパルス電圧ＶＰは、
ＶＰ＝αＸ（di/dt）
α：比例定数
Ｘ：安定器のリアクタンス
dt：時間
di：時間内に変化する電流変化量
で表される。
【０００９】
ここで電流変化量は、コンデンサの静電容量Ｃに依存し、静電容量Ｃは、
Ｃ＝ε０εＳ（Ｓ／Ｌ）  
Ｃ：静電容量
Ｓ：電極面積
Ｌ：電極間距離
εＳ：絶縁体の誘電率
ε０：真空の誘電率で8.854×10-12
で表される。
これより、非線形コンデンサＦＥＣにおいてはセラミック基板３２の厚さを薄く（距離Ｌを小さく）すればするほど静電容量は大きくなり、電極膜３３の面積Ｓを広くすればするほど静電容量は大きくなる。
【００１０】
しかしながら、セラミック基板３２を薄くすると、機械的強度が低下するだけでなく、電極膜３３、３３間に高電圧が印加されたときに、セラミック基板３２の絶縁が破壊されて電極間ショートを起こし、基板３２に「クラック」を生じることがある。
このクラックの生成過程を観察したところ、まず、台座３６の外周部の真下の部分で導電膜３５に亀裂が入る。これは、台座３６となる導電性接着剤の塗布部境界で生ずる電界集中に起因すると考えられる。
その後、非線形コンデンサＦＥＣ動作時の振動等により徐々にクラックが広がっていき、セラミック基板３２全体に亀裂が入り、コンデンサＦＥＣの崩壊に至ることが確認された。
【００１１】
一方、セラミック基板３２を厚くすると、機械的強度は維持できるものの、静電容量不足により、始動パルスの電圧が上がらない「パルス不足」を起こし、ランプが始動しないことがある。
【００１２】
また、セラミック基板３２の面積を広くすると、厚さに対する直径の比が大きくなるため、機械的強度が低下し、製造工程中及び使用中に外力が作用して「欠け」が生じやすくなるだけでなく、ランプ外管１１に内蔵することから面積を広くするにも限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで本発明は、機械的強度を低下させることなく、必要とする高エネルギの始動パルスを発生させることができるようにすることを技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために、本発明は、誘電体となる強誘電性セラミック基板の両面に電極膜が形成されると共に、該電極膜にリード線が接続されて成る非線形セラミックコンデンサにおいて、前記強誘電性セラミック基板は、中心部の厚さが、外縁部の厚さに対して肉厚に形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、強誘電性セラミック基板は、中心部の厚さが、外縁部の厚さに対して肉厚に形成されている。
発明者の実験によれば、電極間距離Ｌが一定でない非平板コンデンサの場合、コンデンサの容量は、中心部の距離（厚さ）には依存せず、主として外縁部近傍の電極間距離（厚さ）の最小値に依存することが判明した。
したがって、既存の平板型非線形コンデンサに対し、外縁部の厚さを等しくし、中心部の厚さを厚くすれば、静電容量を低下させずに機械的強度を強くすることができ、「クラック」「パルス不足」「欠け」を生じにくいという効果がある。
また、外縁部の厚さを薄くし、中心部の厚さを等しいか厚くすれば、機械的強度をそれほど低下させずに静電容量を大きくすることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本例では、高エネルギの始動パルスを発生する場合でも、「クラック」「パルス不足」「欠け」を起こさないようにするという目的を達成するために、誘電体となる強誘電性セラミック基板の両面に電極膜が形成されると共に、該電極膜にリード線が接続されて成る非線形セラミックコンデンサにおいて、強誘電性セラミック基板の中心部の厚さを、外縁部の厚さに対して肉厚に形成した。
【００１７】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係る非線形セラミックコンデンサの一例を示す説明図、図２は強度試験の説明図、図３は他の実施形態を示す説明図、図４は一般的な高圧金属蒸気放電灯を示す回路図である。
【実施例１】
【００１８】
本例の非線形セラミックコンデンサ１は、誘電体となるセラミック基板２の両面に電極膜３、３が形成され、セラミック基板２の外周面を除いて前記電極膜３の上に、強誘電性結晶化ガラス層４が被覆されている。
この強誘電性結晶化ガラス層４の表層には、導電膜５が電極膜３に導通形成され、その導電膜５に導電性接着剤で成る台座６を介してリード端子７が接続されている。
そして、絶縁強化層となる低融点ガラス層８が、前記台座６を露出させた状態で強誘電性結晶化ガラス層４の全面を覆うように積層形成されている。
【００１９】
そして、セラミック基板２は、その中心部の厚さＴｃが、外縁部の厚さＴｅに対して肉厚に形成され、本例では、表面及び裏面の双方が膨出した凸曲面状に形成されている。
より具体的には、本例の場合、セラミック基板２の外径Ｄ＝１８ｍｍ、電極膜３の直径ｄ＝１６ｍｍ、中心部の厚さＴｃが＝１.３５ｍｍ、外縁部の厚さＴｅ＝１.２ｍｍとなっている。
【００２０】
これを、外径Ｄが等しく、厚さＴ＝１.２ｍｍの平板セラミック基板を用いた平板型セラミックコンデンサ３１（図５参照）と比較したところ、生成されるパルス電圧及びパルスエネルギは同等以上であった。
【００２１】
即ち、平板セラミック基板を単に厚くするだけでは発生するパルス電圧は低くなるが、本実施例のように中心部を厚くした非線形セラミックコンデンサ１の平均パルス電圧を測定したところ９０９Ｖとなり、端縁部の厚さＴｅがセラミック基板２と等しい平板セラミック基板を用いた平板型セラミックコンデンサの平均パルス電圧８４５Ｖを上回り、同等以上のパルスを発生することがわかった。
さらに、セラミック基板２の平均絶縁破壊電圧も９.１ｋＶとなり、端縁部の厚さＴｅがセラミック基板２と等しい平板セラミック基板の平均絶縁破壊電圧８.３ｋＶより高くなっていることが確認できた。
【００２２】
次いで、セラミック基板２の強度測定を行った。
機械的強度は三点押曲げ法に準じた測定法により測定した。具体的には、図２に示すように、外縁部から２ｍｍの部分を支持する環状部材８にセラミック基板２を載せ、先端に円錐状のチップ９Ａを取り付けたプッシャ９Ｂで、セラミック基板２の破壊強度を測定した。
この結果、セラミック基板２の破壊強度は平均値で３１.４Ｎ、端縁部の厚さＴｅがセラミック基板２と等しい平板セラミック基板の平均値２９.０Ｎに比して、約８％強度が上昇した。
【００２３】
セラミック基板２を厚くすると、発生するパルス電圧は低くなるが、本実施例の仕様で、非線形セラミックコンデンサ１の平均パルス電圧を測定したところ９０９Ｖとなり、端縁部の厚さＴｅがセラミック基板２と等しい平板セラミック基板の平均パルス電圧８４５Ｖを上回り、同等以上のパルスを発生することがわかった。これは、セラミック基板２の表面積が平板型セラミックス基板に比して増大していることも影響しているものと思われる。
さらに、セラミック基板２の平均絶縁破壊電圧も９.１ｋＶとなり、端縁部の厚さＴｅがセラミック基板２と等しい平板セラミック基板の平均絶縁破壊電圧８.３ｋＶより高くなっていることが確認できた。
【００２４】
この非線形セラミックコンデンサ１を始動パルス発生用のコンデンサとして用いた高圧金属蒸気放電灯の回路図を図４を参照して説明する。
本例では、高圧金属蒸気放電灯として、発光管内部にナトリウム、タリウム、インジウム、スカンジウムなどの金属ハロゲン化合物を封入し金属蒸気中の放電による発光や同時に発生した紫外線による蛍光体の発光を利用するメタルハライドランプを例にとって説明する。
【００２５】
メタルハライドランプ１０は、ランプ外管１１内部に、一対の電極１２Ａ、１２Ｂを配した発光管１３と、始動回路１４が並列に接続された状態で収容されている。
始動回路１４は、始動パルス発生用コンデンサとなる非線形コンデンサＦＥＣと半導体スイッチＴＲとが直列接続されると共に、放電抵抗Ｒ１及びＲ２が非線形コンデンサＦＥＣ及び半導体スイッチＴＲと並列接続され、接続端子１５、１５を介して、交流電源１６及び安定器１７を備えた電源回路１８に接続されている。
そして、前記非線形コンデンサＦＥＣとして、本発明に係る非線形セラミックコンデンサ１が用いられている。
【００２６】
非線形セラミックコンデンサ１は、セラミック基板２の中心部が外縁部に比して肉厚に形成されているので、外縁部の厚さが等しい平板セラミック基板を使用した場合に比して、絶縁破壊電圧が高くなり、電極間ショートに起因する「クラック」を生じにくい。
特に、セラミック基板２を本例のように両面が膨出した凸曲面形状に形成した場合は、円錐面形状にする場合よりも、クラックを生ずるリード端子７の台座６の外周部の電極間距離を長くすることができるので、その分絶縁破壊電圧が高くなる。
【００２７】
また、セラミック基板２の中心部を肉厚にして機械的強度を高くすることにより、機械的強度の等しい平板セラミック基板と比較した場合は、外縁部の厚さを薄くすることができるので、より高いパルス電圧を出力させることができ、平面積及び外縁部の厚さが等しい平板セラミック基板と比しても、セラミック基板２の表面積が増えるので、同等以上のパルス電圧を出力させることができ、「パルス不足」を起こし難い。
【００２８】
さらにまた、中心部を肉厚にすることにより、機械的強度が向上するので、製造工程中や放電灯１０に組み込んで使用している間に「欠け」が生じることもない。
特に、両面が膨出した凸曲面形状に形成すると、基板製造用金型を作り易いだけでなく、基板成形時に材料粉末の流動性が良いため、成型時のトラブルも少ない。
したがって、非線形セラミックコンデンサ１を、図４に示す高圧金属蒸気放電灯１０の始動パルス発生用の非線形コンデンサＦＥＣとして用いることにより、機械的強度を低下させることなく高電圧・高エネルギの始動パルスを生成させることができ、ランプ点灯始動時の安定性が向上する。
【実施例２】
【００２９】
なお、上述の説明では、表裏両面が凸曲面状に膨出した強誘電性セラミック基板２を使用した場合について、図３（ａ）に示す非線形セラミックコンデンサ２１のように、表面及び裏面のうち片面のみを凸曲面状に膨出させた強誘電性セラミック基板２２を使用したり、図３（ｂ）に示す非線形セラミックコンデンサ２３のように、面及び裏面の双方又は一方を円錐面に形成した強誘電性セラミック基板２４を使用してもよい。なお、図１と共通する部分は同一符号を付して詳細説明を省略する。
そして、これらのコンデンサ２１及び２３を図４に示す高圧金属蒸気放電灯１０の始動パルス発生用の非線形コンデンサＦＥＣとして用いれば、上述と同様に、機械的強度を低下させることなく高電圧・高エネルギの始動パルスを生成させることができ、ランプ点灯始動時の安定性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上述べたように、本発明は、強誘電性セラミック基板を誘電体に使用した非線形セラミックコンデンサ及びそれを始動パルス発生用コンデンサとして内蔵する高圧金属蒸気放電灯の用途にすることが適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る非線形セラミックコンデンサの一例を示す説明図。
【図２】強度試験の説明図。
【図３】他の実施形態を示す説明図。
【図４】一般的な高圧金属蒸気放電灯を示す回路図。
【図５】従来の非線形セラミックコンデンサを示す説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１  非線形セラミックコンデンサ
２  強誘電性セラミック基板
３  電極膜
６  台座
７  リード端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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