(57)【要約】【課題】キセノンを封入したことで、効率を向上できる電球において、問題となるアークの発生による短寿命の問題を解決できるとともにコストを低減化できる電球を提供する。【解決手段】ガラスバルブ１内に、キセノンが体積比５０％以上９０％未満、クリプトンが５〜３０％、窒素が５〜２０％の混合ガスを封入したことにより、フィラメントのタングステンの蒸発を抑制できるとともにアーク放電開始電圧の低下を抑え、さらにキセノン量を減じて低価格化を図る。【選択図】図４
2007048641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスバルブと；
ガラスバルブ内に配設されたフィラメントと；
ガラスバルブ内に封入された、少なくともクリプトン、キセノンおよび窒素を含み、かつ、キセノンの体積比が５０％以上９０％未満である混合ガスと；
を具備していることを特徴とする電球。
【請求項２】
前記混合ガスは、クリプトンの体積比が５％〜３０％、キセノンの体積比が５０％以上９０％未満、窒素の体積比が５％〜２０％であることを特徴とする請求項１記載の電球。
【請求項３】
器具本体と；
この器具本体に設けられたソケットと；
このソケットに装着された請求項１または２記載の電球と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガラスバルブ内にフィラメントおよび不活性ガス等を封入した電球およびこの電球を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
白熱電球は、タングステン線を巻回したコイル状のフィラメントに通電してこれを発光させている。そして、フィラメントの温度が高いほど発光量は多くなるが、高温度になるほどフィラメントのタングステンの蒸発も促進される。タングステンの蒸発が進むと、フィラメントが次第に痩せて細くなる部分が生じ、この部分から断線して電球は寿命に至る。
【０００３】
そこで、タングステンの蒸発を抑制するために、一般の白熱電球のバルブ内には不活性ガスとしてのアルゴンとともに窒素が封入されている。これによって、フィラメントに高電圧を印加して高温度とし、発光効率の向上を図っている。そして、このバルブ内に封入される不活性ガスも、分子量が大きいほどタングステンの蒸発を抑制できることからアルゴン主成分に代えてクリプトン主成分、さらにはクリプトン主成分に変えてキセノン主成分を封入することが試みられ、これらのことはたとえば特許文献１〜３に記載されている。
【特許文献１】特開平４−１３８６５４号公報
【特許文献２】特許第３４１９７９３号公報
【特許文献３】特公平４−８０５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、キセノンは、第１にイオン化電圧が低いため、封入量が増加すると例えばフィラメントのコイル間で電源投入時等にアーク放電を発生させ、フィラメントを溶断させる問題がある。アーク放電は、フィラメントのコイル間の他、フィラメントをバルブ内に支持しているリード線間、フィラメントの両端間あるいはフィラメントとリード線間等でも発生することがあり、これらの場合も、フィラメントが溶断する等して電球を寿命に至らせる。これに対し、アーク放電開始電圧を大きくするために窒素を混合することが知られている。しかし、アーク放電開始電圧を十分大きくするために窒素を多く混合するとその分キセノンの封入量が減り、タングステンの蒸発抑制作用を十分に得られないことになる。
【０００５】
また、第２に、キセノンは他の不活性ガスに比して高価であるという問題がある。したがって、コスト的には封入するキセノン量を少なくしたいところであるが、その場合にはタングステン蒸発抑制の作用を得難くなる。
【０００６】
このように、キセノンおよび窒素だけではタングステンの蒸発抑制、アーク放電開始電圧およびコストの問題を同時に解決することは困難であった。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、フィラメントのタングステン蒸発を抑制しつつフィラメントのコイル間等における不所望なアーク放電を起こし難くして、良好な光出力特性および点灯寿命特性を発揮し、かつ、低価格化を図れる電球を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明の電球は、ガラスバルブと；ガラスバルブ内に配設されたフィラメントと；ガラスバルブ内に封入された、少なくともクリプトン、キセノンおよび窒素を含み、かつ、キセノンの体積比が５０％以上９０％未満である混合ガスと；を具備している。
【０００９】
本発明および以下の発明において、用語の定義および技術的な意味は次のとおりである。
【００１０】
ガラスバルブは、ＰＳ形、Ｓ形、Ｒ形、Ｇ形などその形状は限定されるものではなく、また、材質もソーダ石灰ガラスなどの軟質ガラスから硼ケイ酸塩ガラスなどの硬質ガラスあるいは石英ガラスなどを用いることができる。また、バルブにはシリカ膜などの散光処理がしてあってもよい。さらに、ガラスバルブの表面には必要に応じ光拡散膜や反射膜、着色膜等が形成してあってもよい。
【００１１】
フィラメントは、例えば、タングステン素線をコイル状に巻回した発光部が形成されている。発光部は、一重または二重もしくは三重のコイル状に巻回されて、通電時は高温となって白熱発光する。
【００１２】
混合ガスにおけるキセノンは、封入量が少ないとタングステンの蒸発速度の抑制作用が小さくなり、体積比で最低でも５０％は必要である。また、９０％以上では単価が高いキセノンを多く使用することになり、電球自体の価格を向上させてしまう。したがって、キセノン封入量の好ましい範囲は５０％以上９０％未満である。
【００１３】
また、クリプトンは、キセノンに比して分子量が小さいためタングステンの蒸発抑制作用はキセノンに劣るものの、不活性ガスとして一般的なアルゴンより優れている。したがって、ある範囲内であれば、キセノンの封入量を減らしても、クリプトンで補うことが可能である。また、クリプトンはキセノンに比して単位量当たりの価格が数１０分の１例えば４０分の１であるため、キセノンの一部でもクリプトンに置き換えることはコスト面で極めて有効である。
【００１４】
窒素は、相対的に安価であるとともにイオン化電圧が高く、アーク放電開始電圧を高める作用を行う。本発明においては、キセノンの体積比を５０％以上９０％未満とし、他にクリプトンを封入したことにより、例えばキセノンを体積比９０％以上封入する場合よりアーク放電開始電圧が大きくなっているから、同量の窒素を封入してもアーク放電開始電圧を大きくできる。
【００１５】
これらガラスバルブに封入する混合ガスの封入圧力は室温で、６５〜１０１ｋＰａ（パスカル）が好ましい。６５ｋＰａ未満であると、保温効果が損なわれるために光束など発光効率の低下や短寿命が発生し好ましくない。また、１０１ｋＰａを超えると、軟質ガラスでは破裂する虞があり好ましくない。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の電球において、混合ガスは、クリプトンの体積比が５％〜３０％、キセノンの体積比が５０％以上９０％未満、窒素の体積比が５％〜２０％であることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に加えて、クリプトンおよび窒素の体積比を特定したものである。この特定された範囲内で要求される寿命特性、アーク放電開始電圧、さらにはコストに応じて比率を設定することができる。これによって、一層確実に寿命特性およびアーク放電開始電圧を改善し、かつ、コスト低減が可能となる。
【００１８】
請求項３記載の照明装置は、器具本体と；この器具本体に設けられたソケットと；このソケットに装着された上記請求項１または２記載の電球と；を具備している。
【００１９】
照明装置はとしては、一般家庭や店舗などで使用されるペンダント、ブラケット、スタンドなどの照明器具の他、電球を使用するあらゆる照明装置を許容する。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、少なくともクリプトン、キセノンおよび窒素を含みキセノンの体積比を特定範囲としたことにより、効率向上および長寿命化を図りながら低価格化も可能な白熱電球を提供することができる。
【００２１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明に加えてクリプトンおよび窒素の体積比も特定したので、一層効率向上、長寿命化および低価格化が確実な白熱電球を提供できる。
【００２２】
請求項３の発明によれば、請求項１または２に記載の効果を奏する照明装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の電球の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は白熱電球を示す正面図、図２は図１の白熱電球のフィラメントの拡大断面図、図３は図２のフィラメントの中央部分の拡大図、図４は本実施形態の電球における混合ガスの成分を変化させた場合の特性を示す図である。
【００２４】
図中１はＰＳ３５型のガラスバルブ、２はこのバルブ１の開口端部に封着されたフレヤステム３を有するマウントである。フレヤステム３は、ステム管３Ｔの一端側に一対のリード線４，４、ケーングラス３Ｃおよび排気管（図示しない。）を気密に植設した圧潰封止部３Ｓを形成している。ケーングラス３Ｃの先端部にはモリブデン線などの高融点金属からなるアンカー５が植設されている。
【００２５】
また、６は１１０Ｖ６０Ｗ用の二重コイル状フィラメントで、タングステン素線を巻回した単コイル６Ｓをさらに巻いた二重コイル状の発光部６Ｃ、６Ｃを有し、この発光部６Ｃ、６Ｃの中間には二重コイル状部の約１〜２ターン分の長さを単コイル６Ｓのままとした支持部（飛び部）６Ｔが形成されている。また、コイル状をなす発光部６Ｃ、６Ｃの両端には同様に素線のままとしたレグ部６Ｌ，６Ｌが形成されている。
【００２６】
そして、この二重コイル状フィラメント６は、その両端のレグ部６Ｌ、６Ｌが上記リード線４、４の先端部分を折曲げ形成したフックに挟圧あるいは先端部分に溶接等の手段で継線されている。また、中間の支持部６Ｔにはアンカー線５の他端側に形成したループ部５Ｒが巻き付けられて、全体として逆Ｖ字形をなすＣＣ−２型のフィラメント６を構成している。すなわちフィラメント６は単コイル６Ｓからなるレグ部６Ｌ，６Ｌおよび支持部６Ｔがそれぞれアンカー５他端側の接続部７Ｌ，７Ｌおよびループ部５Ｒによって支持されている。本実施形態の場合、フィラメント６の全長２３ｍｍ、発光部６Ｃ、６Ｃの長さはそれぞれ１１ｍｍ、タングステンの素線の径は０．０４９ｍｍ、タングステン素線の全長は約５０２ｍｍのものを使用している。
【００２７】
また、上記バルブ１内にはキセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）および窒素ガス（Ｎ２）の混合ガスが常温で約８２．６ｋＰａで封入されている。また、バルブの内容積は２４．０ｃｍ３〜４９．０ｃｍ３である。
【００２８】
また、図中８はバルブ１端部の封着部に接着剤等を介し接合された口金で、上記リード線４、４と連接した外部リード線と接続している。そして、上記構成の電球１０は、図示しないソケット等に装着して通電され、リード線４、４を介し接続したフィラメント６の二重コイル状の発光部６Ｃ、６Ｃは高温となって発光しバルブ１外に光放射をする。
【００２９】
なお、前記口金８は、ねじ込みタイプのいわゆるＥ形口金であって、ねじが形成されたシェル部、頂部のアイレット部およびシェル部とアイレット部との間を絶縁する絶縁部からなる。この場合、キセノンガスが混合された高効率ランプであることが消費者から認識可能なように、口金８のシェル部を従来の銀色ではなく、金色等に色付けすることができる。口金８のシェルは一般には真鍮製であり、この外表面にニッケル鍍金することで表面が銀色に見えるが、このニッケル層の表面に０．０１〜１０μｍ、好ましくは０．０１〜１．０μｍ、最適には０．０５〜０．５μｍの金（Ａｕ）鍍金を施して、外観上金色のシェルを実現することができる。この金メッキの膜厚が０．０１μｍ未満だと金色が薄くて良好に視認できない。また、金メッキの膜厚が１０μｍを超えるとメッキがはがれやすく、またコストも上昇するので不可である。なお、金メッキの下地層はニッケルに限らず、導電性を有する鍍金可能な金属であればよい。
【００３０】
図２中Ａは、フィラメントの両端間の距離（接続部７Ｌ，７Ｌ間の直線距離）であり、Ｂはフィラメントの端部とアンカーが支持する支持部６Ｔの距離（接続部７Ｌとループ部５Ｒの直線距離）、Ｃはフィラメントの発光部の中心とガラスバルブの最短距離、θはフィラメントの各発光部６Ｃ、６Ｃが形成する最小角度を示している。
【００３１】
前記フィラメント６の両端間の距離Ａは、８〜１５ｍｍであり、フィラメント６の端部と支持部６Ｔとの距離Ｂは７〜１０ｍｍである。また、フィラメント６の各発光部６Ｃ、６Ｃが形成する最小角度θは、２５〜１２０°に設定されている。
【００３２】
つぎに、以上のように構成された電球１０に封入する混合ガスの成分を変化させた場合の実験結果を図４を参照して説明する。図４において、混合ガス比率（％）はバルブ内に封入される各ガスの体積比を示し、アーク電圧はアーク放電開始電圧を示している。
【００３３】
また、図４中のサンプル１（キセノン（Ｘｅ）９０％、クリプトン（Ｋｒ）０％、窒素（Ｎ２）１０％）は、寿命およびアーク電圧に関しては優れた特性であるが、高価なキセノンを多く使用するためコストが大きい。したがって、サンプル２〜１２についての特性、コストはこのサンプル１と相対評価したもので、○は優れている、△は同等ないしは若干劣る、×は劣ることを示している。
【００３４】
この実験結果によると、キセノン、クリプトンおよび窒素をそれぞれ含み、かつ、キセノンを５０％以上９０％未満とすることにより、寿命およびアーク放電開始電圧に関してはサンプル１に対して若干劣る〜優れている特性を示しながらコストを低減できることが明らかである。
【００３５】
特に、キセノンを８０〜８５％、クリプトンを５〜１０％、窒素を１０〜１５％とした場合には、アーク放電開始電圧およびコストにおいてサンプル１より優れた特性となり、しかも、寿命においてサンプル１と略同等の特性となったため、これらの範囲が最適である。
【００３６】
なお、本実施形態のように、内部にキセノンガスを封入している電球は、特に電位差が大きく温度が高温になるフィラメント６の両端部間付近で、アーク放電が発生しやすい。このため、フィラメント６の両端部間の距離（Ａ）を５〜２０ｍｍとなるように設定することが好ましい。フィラメント６の両端部間の距離が５ｍｍ未満であると、フィラメント６の両端部間でアーク放電が発生しやすく、２０ｍｍを超えるとフィラメント６の発光部６Ｃ、６Ｃがガラスバルブ１と近づいてしまいガラスバルブ１の温度が上昇し、ガラスバルブ１が劣化してしまうおそれがある。なお、距離（Ａ）の好ましい範囲は８〜１５ｍｍであり、最適範囲は１０〜１２ｍｍである。
【００３７】
また、フィラメント６の端部と支持部６Ｔとの距離（Ｂ）は７〜１０ｍｍ、特に８〜８．５ｍｍが好ましい。距離Ｂは、フィラメント６の発光部６Ｃ、６Ｃがガラスバルブ１に近づき過ぎないようにフィラメント６を部分的に屈曲させて非直線的にバルブ内に配設させたときの支持部６Ｔ−接続部６Ｌ間（支持部が複数存在する場合には隣接する支持部間）の距離を意味する。フィラメント６の両端部間の距離（Ａ）が５〜２０ｍｍとした場合に、距離Ｂが７ｍｍ未満であると、フィラメント全長が小さくなるので所定の光束で発光することができない。なお、フィラメント全長を確保した場合であってもフィラメントを複数回屈曲させる必要があるので、必要な発光部長さのフィラメントを一般電球用ガラスバルブ１内に配設するのが困難になってしまう。
【００３８】
また、距離Ｂが１０ｍｍを超える場合には、距離Ａを５〜２０ｍｍとした場合においてフィラメント６を一般電球用ガラスバルブ１内に配設するのが困難になってしまう。なお、支持部６Ｔ−接続部６Ｌ間（支持部が複数存在する場合には隣接する支持部間）は温度が上昇し、また電位差が大きくなる部分でもあるので、上記アーク放電が発生することも考えられる。この場合であっても、距離Ｂを７〜１０ｍｍ、好ましくは８〜８．５ｍｍとしているので、アーク放電の発生を抑制することが可能である。
【００３９】
また、フィラメント６の各発光部６Ｃ、６Ｃの形成する最小角度θ（発光部が２つの場合に形成される略Ｖ字状のフィラメントの場合には、フィラメントが形成する平面に直交する方向から見たときのフィラメントの各発光部が交わる角度）が２５〜１２０°となるようにアンカー５によって支持部６Ｔが支持される。この角度が２５°未満であると発光部６Ｃ、６Ｃ間の距離が近くなるのでアーク放電が発生しやすく、１２０°を超えるとフィラメントの発光部６Ｃ、６Ｃがガラスバルブ１と近づいてしまいガラスバルブ１の温度が上昇し、劣化してしまうおそれがある。角度θは、発光部６Ｃを３つ以上有する（支持部が複数存在する）フィラメントの場合には、複数存在することになるが、全ての角度θが２５〜１２０°となっていればよい。
【００４０】
また、ガラスバルブ１は、温度が高い状態が続くと劣化しやすく、特に２２０℃以上になるとガラスバルブ１の表面に外部雰囲気の水分とガラスバルブ１の表面成分が化学反応して歪などが生じてしまうおそれがある。このためガラスバルブ１の表面温度が高温にならないようにガラスバルブ１とフィラメント発光部６Ｃの中心の距離を１２ｍｍ以上とする必要がある。ここで「フィラメントの発光部の中心」とは、フィラメントの発光部分６Ｃの略中央であって、最も温度の高い点を示している。
【００４１】
しかし、フィラメント発光部６Ｃの中心とガラスバルブ１の距離が１６ｍｍより大きくなるとガラスバルブ１の寸法が大きくなり、あるいはフィラメント６が略平らに形成されてマウント２が広く大きくなりやすい。例えば、ＰＳ３５サイズのバルブを用いた場合では、フィラメント６をバルブネックよりも大きく形成しなければならないので製造が困難であり、またフィラメント６などが変形しやすい等の不具合が生じる。
【００４２】
また、フィラメントの発光部６Ｃにおける一次コイル径に対するコイル巻線間隔の割合（％Ｐ）が１４０％よりも小さくなると、光出力が大きくなるものの発光部６Ｃの温度が過度に上昇するのでタングステンの蒸発が促進され、一般電球に必要な寿命特性（例えばフィラメント断線までの点灯時間として２０００時間）を確保することが困難である。１８０％よりも大きくなると、フィラメントの発光部６Ｃの温度が適度に上昇しないので、希ガス封入白熱電球として要求される一般的な省電力特性（例えば１３lm／W）を満足することが困難である。
【００４３】
また、従来のクリプトン電球のランプ効率を損なうことなく高効率点灯を実現するためには、封入混合ガスの組成、混合比率、封入圧力とともにフィラメント６のコイル設計が重要である。本発明者は、これらを踏まえて最適なフィラメント６を検討した結果、タングステン素線の外径は０．０２〜０．０８ｍｍとし、フィラメントの１次巻線径に対する２次巻線ピッチの割合を１４０〜１８０％とするのが最適であるのが分かった。
【００４４】
タングステン素線の直径が０．０２ｍｍ未満であるとランプ効率が低下するとともに強度が低下するので好ましくない。直径が０．０８ｍｍを超えると所定の電力を投入するためにはフィラメントサイズが大きくなってしまい、白熱電球の小形化には不向きである。
【００４５】
また、キセノンガスの封入によってフィラメント６は高効率発光することになるが、バルブ１内は保温効果によって一層高温となる。ガラスバルブ１の内容積が２４．０ｃｍ３未満の場合には、バルブ１内の圧力が過度に上昇してバルブが破裂しやすくなるため不可である。ガラスバルブ１の内容積が４９．０ｃｍ３を超えると保温効果による高効率点灯が期待できず、また白熱電球が大形化するため好ましくない。
【００４６】
次に図５を参照して照明装置の実施形態を説明する。本実施形態の照明装置９は、吊下げ形照明器具である。図４において９１は器具本体、９２は器具本体９１に設けられたソケット、９３は器具本体９１に取付けられたセード、グローブや反射体等の制光体、９４はソケット９２に接続した給電線である。上記ソケット９２に上記電球１０の口金８が装着されている。
【００４７】
このような構成の照明装置（照明器具）９は、給電線９４を介して給電されると、ソケット９２に装着された電球１０が点灯する。そして、この電球１０は、上述したようにコイル状フィラメント６の熱損失が少なく、良好な発光特性および寿命を損なうことなく点灯する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の白熱電球の一実施形態を示す正面図。
【図２】同じくフィラメント部分の拡大図。
【図３】同じくフィラメントの中央部分の拡大図。
【図４】混合ガスの成分を変化させた場合の特性を示す。
【図５】図１の白熱電球を装着した本発明の照明装置の一実施形態を一部を断面して示す正面図。
【符号の説明】
【００４９】
１０：電球、１：ガラスバルブ、２：マウント、３：ステム、４：リード線、５：アンカー、６：フィラメント、６Ｃ：発光部、６Ｔ：支持部（飛び部）、７Ｌ：接続部、９：照明装置（照明器具）、９１：器具本体、９２：ソケット。
【図１】
2007048641.tif 000003
【図２】
2007048641.tif 000004
【図３】
2007048641.tif 000005
【図４】
2007048641.tif 000006
【図５】
2007048641.tif 000007