(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性セラミック製の発光管内に金属ハロゲン化物を充填し、その発光管内に設けた電極間で放電を行わせる放電ランプにおいて、前記発光管の管本体を、径大部と、その両側に位置して先端側ほど径寸法が小さくなるテーパー部と、そのテーパー部の先端に連続する径小部と、その径小部の先端に位置する細管部とを備えて構成し、かつ、前記テーパー部と前記径小部との境界部分の外周面を半径２ｍｍ以上１２ｍｍ以下の曲率で連なるように形成したことを特徴とする放電ランプ。
【請求項２】
前記管本体は、両端の前記径小部内に気密に嵌合して固着されたセラミック製の端板部と、この端板部を気密に貫通して固着された前記細管部であるセラミック製の細管とを備え、前記発光管は前記細管内に前記電極を備えた電気導入体を貫通させて封着ガラスにて気密に封止して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
【請求項３】
請求項２において、前記端板部の厚さは２ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることを特徴とする放電ランプ。
【請求項４】
請求項２又は請求項３において、前記発光管内部における径小部の端面と前記電極先端との間で表される電極突き出し長さが３ｍｍ以上、６ｍｍ以下であることを特徴とする放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、透光性セラミック管体の中に金属ハロゲン化物を充填してなる放電ランプに係わり、特に、ランプ出力を大きくした放電ランプに関する。
背景技術
この種の放電ランプの発光管は、多結晶アルミナ等の透光性セラミックからなる管体の両端をテーパー状に細くして両端部に細管部を形成し、電極に連なる電極リードを細管部内に挿通して封着ガラスで封止した構成となっている。
ところが、この種の放電ランプでは、発光管を例えば１５０Ｗ以上に大出力化することは極めて困難であった。その理由は、次の通りである。大出力化するには、管体が異常な高温になることを防ぐために管体の径を大きくしなくてはならない。すると、管体の細管部とそれ以外の部分との径寸法差が相当に大きくなり、急激な曲げ部分が生ずる。まず、このような形状はセラミックでは製造が困難であって高コストになる。また、その困難を克服して製造したとしても、放電ランプの点灯中に曲げ部分は極めて高温になるため、その曲げ部分に熱衝撃によるクラックが発生し易くなる。かといって、細管部の径を大きくすると、今度は電極リードとの隙間が大きくなるため、ここを封止する封着ガラス層の層厚が増大し、その封着ガラス層にクラックが発生してしまうという問題を生ずる。
そこで、本発明は発光管の管体の構造を改良することにより放電ランプの高出力化を可能にし、しかも、熱サイクルによるクラックの発生を防止して長寿命化も併せて可能にすることを目的とする。
発明の開示
上記の課題を解決するために本発明らは、発光管の管本体の形状について種々の検討を重ねた結果、その管本体を、径大部と、その両側に位置して先端側ほど径寸法が小さくなるテーパー部と、そのテーパー部の先端に連続する径小部とを備えた形状に構成し、かつ、そのテーパー部と径小部との境界部分を半径２ｍｍ以上の曲率で連なるように形成することで、１５０Ｗ以上の大出力化と長寿命化とを併せて実現できることを究明した。
テーパー部と径小部との境界部分の曲率半径は、大きいほどその部分に集中する熱応力を緩和でき、ランプ出力が大きくとも、クラックの発生を抑制できる。そのような観点からすれば、テーパー部と径小部との境界部分の曲率半径は５ｍｍ以上とすることがより好ましい。また、曲率半径は大きいほどよいが１２ｍｍ以下が好ましく、特に９ｍｍ以下とすることがより好ましい。
また、管本体の径小部内にセラミック製の端板を嵌合して気密に固着し、この端板部をセラミック製の細管を気密に貫通させて固着し、その細管内に電極を備えた電気導入体を貫通させて封着ガラスにて気密に封止する構成とすることが、より好ましい。このような構成とすると、径小部の径寸法を大きくすることができ、その分、テーパー部の角度を緩やかにできる。このことは、テーパー部の壁面を電極から遠ざけることができることを意味し、テーパー部ひいてはテーパー部と径小部との境界部分の温度上昇を抑えることができるから、より大出力化を可能にできる。また、上記境界部分の温度上昇を抑制できてクラック発生防止に効果的であり、さらには、細管内の電気導入体の封着部分における信頼性を向上させることができるから、より長寿命化することが可能となる。ただし、本発明は、上述のように径小部に端板を嵌合した構造に限定されず、径小部に直接に電気導入体を挿通する構造にしてもよい。
なお、前記端板の厚さは２ｍｍ以上、３ｍｍ以下とすることがより好ましい。これは、２ｍｍより薄いと、端板と細管との間の気密性を良好に保つのが難しくなり、３ｍｍより厚いと、端板の熱容量が大きくなってセラミック管に大きな温度差が生じ、セラミック管に割れを生じさせるからである。また、発光管内部における径小部の端面と電極先端との間で表される電極突き出し長さを３ｍｍ以上、６ｍｍ以下とすることが、より好ましい。これは、３ｍｍより短いと、ガラス封着材による封着部の温度が上昇しすぎ、点灯と消灯の繰り返しによる急激な熱膨張によってこの部分に割れが生じるためであり、６ｍｍより長いと、細管内部の温度が上昇しにくくなり、十分な発光特性が得られなくな  るからである。
発明を実施するための最良の形態
図１は本発明の第１実施形態に係る放電ランプを示している。これはガラス製の外球１内に金属棒製の支持フレーム２を介して発光管６を支持した構造であり、外球１内にパルス電圧を発生させるための始動器３、ゲッター４、及び始動を容易にするため金属線を発光管６に沿わせた補導体８が併せて封入されている。この外球１の端部には口金５が設けられている。
さて、発光管６の詳細な構造は図２に示してある。これは、透光性アルミナからなる管本体１１と、その両端に透光性アルミナにより成型した端板１３を介して取り付けられた細管１２とから構成されている。管本体１１は、内外径ともに他よりも大きい寸法で所定範囲内が直円筒状となっている径大部１１Ａと、その両端に連なり先端側ほど順次径が小さくなる筒状をなすテーパー部１１Ｂと、そのテーパー部１１Ｂの先端に連続して所定長さの直円筒状となっている径小部１１Ｃとを一体に有する。これは例えばアルミナ粘土を押し出し成型で直円筒状に成型して所定寸法に切断し、これを成型型に収容して中間部を加圧空気で膨張させることによって所要の形状に成型した後に焼成したものである。ここで、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分は、図３に示すように、外周面が凹面によって滑らかに連続しており、その曲率半径Ｒは２ｍｍ以上に設定されている。
端板１３は円板状をなし、管本体１１の各径小部１１Ｃの外側端面内に嵌合されて一体焼結により気密に固着されている。端板１３の厚さ寸法は２ｍｍ〜３ｍｍであり、径小部１１Ｃの長さ寸法よりも薄く、従って径小部１１Ｃの奥側には直線筒部１１Ｄが形成されている。このように、テーパー部１１Ｃの端部から所定長さの直線筒部１１Ｄを隔てて端板１３を取り付けることがクラックを防ぐ上でより好ましい。
端板１３の中心には貫通孔１３Ａが形成され、ここにアルミナ製の前記細管１２が貫通状態に固着されている。細管１２の内部には電極２０に接続した電気導入体２４と２７及び透光性アルミナ製のセラミックスリーブ３０が封着ガラス４０により気密的に固定されている。
電極２０は、電極極芯２１の先端に第１コイル２２を巻回し、基端側に第２コイル２３を巻き付けて構成してあり、第１コイル２２部分が細管１２から管本体１１内に突出した状態となっている。この電極２０の電極極芯２１の基端部には棒状の電気導入体２４と２７とが順に突き合わせ状態で溶接されており、電気導入体２７が細管１２から外部に導出されている。第１コイル２２の目的はランプ点灯時に電極先端部に形成されるアークスポットの高温から電極２０を守ることである。第２コイル２３の目的は電極先端部の熱を電極後方に逃がすことと、セラミックスリーブ３０の位置決めの役を兼ねさせることである。
発光管６の管本体１１を、上述のように端板１３を使用した構造とすれば、製造が容易であって大幅なコストダウンを図ることができる。そして、管本体１１のテーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分の曲率半径Ｒを２ｍｍ以上とすることでクラックの発生が防止される。また、図３において、上記端板１３の内部端面と電極先端との間の距離Ｓで表される電極突き出し長を３ｍｍ〜６ｍｍとすることにより、クラックの発生を防止しながら、十分な発光特性を得ることができる。
なお、図４に示すように、管本体１１の径小部１１Ｃの軸方向寸法を、端板１３の厚さ寸法と同様な寸法にしてもよい。
（実施例１）
次に、図２及び図３に示した構造の発光管６を使用した実施例１について説明する。この放電ランプは消費電力が２５０Ｗである。管本体１１の径大部１１Ａの内径は１３ｍｍ、径小部１１Ｃの内径は７ｍｍ、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分の曲率半径Ｒは２．５ｍｍ、端板１３の厚さは２．５ｍｍ、端板１３が取り付けられた部分とテーパー部１１Ｂとの間の直線筒部１１Ｄの長さは２ｍｍ、両端部の細管１２の内径は１．５ｍｍ、電極突き出し長は４ｍｍ、電極間長は２０ｍｍである。電極極芯２１の径は０．７ｍｍ、第１コイル２２は径が０．２５ｍｍのタングステン線を電極極芯２１に４ないし５ターン巻き付けてあり、その最大径は１．２ｍｍである。電気導入体２４はモリブデンからなり径０．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、電気導入体２７は径０．７ｍｍのニオブ線である。セラミックスリープ３０はアルミナからなり、内径０．７５ｍｍ、外径１．４ｍｍ、長さ８ｍｍである。電気導入体２７は先端を細管１２内に約３ｍｍ挿入した位置で封着ガラス４０により固定されている。封着ガラス４０としてはＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｄｙ２Ｏ３系を用いた。封着ガラス４０は細管１２の端部から約５ｍｍ入ったところまでの、電気導入体２４，２７とアルミナスリーブ３０との隙間及びアルミナスリーブ３０と細管１２との隙間を満たしている。
このように両端が密封された発光管６内には水銀約１４ｍｇ、沃化ジスプロシウム約１５ｍｇ、沃化タリウム約４ｍｇ、沃化ナトリウム約３ｍｇ、沃化セシウム約１ｍｇ及び始動ガスとして約８ＫＰａのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管６を真空の外管１内に組み込んで放電ランプを完成させ、消費電力２５０Ｗで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は１００時間エージング後の値で表す。
管電力：２５０Ｗ
管電流：２．５６Ａ
管電圧：１１３．７Ｖ
全光束：２４１００ｌｍ
平均演色評価数：８３
色温度：４５３０Ｋ
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力２５０Ｗで寿命試験を実施したところ、約６，０００時間経過後も何ら異常は発生しなかった。
（実施例２）
やはり図２及び図３に示した構造の発光管６を使用した実施例２について説明する。この放電ランプは消費電力が２５０Ｗである。管本体１１の径大部１１Ａの内径は１３ｍｍ、径小部１１Ｃの内径は７ｍｍ、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分の曲率半径Ｒは２ｍｍ、端板１３の厚さは２．５ｍｍ、端板１３の取り付けられた部分とテーパー部１１Ｂとの間の直線筒部１１Ｄの長さは２ｍｍ、両端部の細管１２の内径は１．５ｍｍ、電極突き出し長は４ｍｍ、電極間長は２０ｍｍである。電極極芯２１の径は０．７ｍｍ、第１コイル２２は径が０．２５ｍｍのタングステン線を電極極芯２１に４ないし５ターン巻き付けてあり、その最大径は１．２ｍｍである。電気導入体２４はモリブデンからなり径０．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、電気導入体２７は径０．７ｍｍのニオブ線である。セラミックスリーブ３０はアルミナからなり、内径０．７５ｍｍ、外径１．４ｍｍ、長さ８ｍｍである。電気導入体２７は細管１２内に約３ｍｍ挿入した位置で封着ガラス４０により固定されている。封着ガラス４０としてはＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｄｙ２Ｏ３系を用いた。封着ガラス４０は細管１２の端部から約５ｍｍ入ったところまでの、電気導入体２４，２７とアルミナスリーブ３０との隙間及びアルミナスリーブ３０と細管１２との隙間を満たしている。
このように両端が密封された発光管６内には水銀約１４ｍｇ、沃化ジスプロシウム約１５ｍｇ、沃化タリウム約４ｍｇ、沃化ナトリウム約３ｍｇ、沃化セシウム約１ｍｇ及び始動ガスとして約８ＫＰａのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管６を真空の外管１内に組み込んで放電ランプを完成させ、消費電力２５０Ｗで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は１００時間エージング後の値で表す。
管電力：２５０Ｗ
管電流：２．６０Ａ
管電圧：１１１．８Ｖ
全光束：２４０００ｌｍ
平均演色評価数：８５
色温度：４２５０Ｋ
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力２５０Ｗで寿命試験を実施したところ、約５，８００時間経過後において封入ガスのリークが発生したことが認められ、試験後に発光管６の表面を子細に観察したところ、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分において数本の微細なクラックの発生が認められた。しかしながら、リーク発生までに至る時間としては、実用上の問題はないものと判断された。
（実施例３）
やはり図２及び図３に示した構造の発光管６を使用した実施例３について説明する。この放電ランプは消費電力が４００Ｗである。管本体１１の径大部１１Ａの内径は１６ｍｍ、径小部１１Ｃの内径は１０ｍｍ、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分の曲率半径Ｒは５ｍｍ、端板１３の厚みは２．５ｍｍ、端板１３の取り付けられた部分とテーパー部１１Ｂの端部との間の直線筒部１１Ｄの長さは２ｍｍ、細管１２の内径は２．０ｍｍ、電極突き出し長は５ｍｍ、電極間長は２５ｍｍである。電極極芯２１の径は０．９ｍｍ、第１コイル２２は径が０．４５ｍｍのタングステン線を電極極芯２１に４ないし５ターン巻き付けてあり、その最大径は１．８ｍｍである。電気導入体２４はモリブデンからなり径０．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、電気導入体２７は径０．７ｍｍのニオブ線である。セラミックスリーブ３０はアルミナからなり、内径０．７５ｍｍ、外径１．９ｍｍ、長さ８ｍｍである。電気導入体２７は細管１２内に約３ｍｍ挿入した位置で封着ガラス４０により固定されている。封着ガラス４０としてはＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｄｙ２Ｏ３系を用いた。封着ガラス４０は細管１２の端部から約５ｍｍ入ったところまでの、電気導入体２４，２７とアルミナスリーブ３０との隙間及びアルミナスリーブ３０と細管１２との隙間を満たしている。このように両端が密封された発光管内には水銀約１８ｍｇ、沃化ジスプロシウム  約２２ｍｇ、沃化タリウム約６ｍｇ、沃化ナトリウム  約５ｍｇ、沃化セシウム  約３ｍｇ及び始動ガスとして約８ＫＰａのアルゴンガスが封入されている。
このように構成した発光管６を真空の外管１内に組み込んでランプを完成させ、消費電力４００Ｗで点灯姿勢水平で点灯したときの特性を測定したところ下記の通りであった。ランプ特性は１００時間エージング後の値で表す。
管電力：４００Ｗ
管電流：４．３６Ａ
管電圧：１０５．３Ｖ
全光束：４１５００ｌｍ
平均演色評価数：８５
色温度：４２００Ｋ
さらに、このランプについて、裸水平点灯、消費電力４００Ｗで寿命試験を実施したところ、約６，０００時間経過後も何ら異常は発生しなかった。
（実施例４〜６及び比較例１〜４）
曲率半径Ｒのみが実施例３とは異なる４００Ｗの発光管を作成して発光管にリークが起こるまでの時間と、曲率半径Ｒとの相関関係を調べた。曲率半径Ｒがそれぞれ４ｍｍ，３ｍｍ，２ｍｍである実施例４，５，６と、曲率半径Ｒがそれぞれ１．５ｍｍ，１．０ｍｍ，０．５ｍｍ，０ｍｍである比較例１〜４とについて、点灯試験の結果を次表に示す。なお、点灯試験は４００Ｗ安定器を使用し、裸水平点灯で５．５時間点灯、０．５時間消灯の繰り返しで行った。
曲率半径Ｒ        点灯試験結果
実施例４          ４ｍｍ        ６，０００時間で異常なし
実施例５          ３ｍｍ        ６，０００時間で異常なし
実施例６          ２ｍｍ        ６，０００時間で異常なし
比較例１        １．５ｍｍ      ３，０００時間以内にリーク
比較例２        １．０ｍｍ      ２，０００時間以内にリーク
比較例３        ０．５ｍｍ      １，０００時間以内にリーク
比較例４          ０ｍｍ        １，０００時間以内にリーク
リークが生じた発光管について、リーク箇所を調べると、いずれもテーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分にクラックが発生していた。この試験結果から、上記境界部分の曲率半径Ｒは２ｍｍ以上であればよいことが判る。
しかし、次のようなアルミナ管の製造上の技術的制約から曲率半径Ｒはあまり大きくすることはできない。すなわち、▲１▼曲率半径Ｒが１２ｍｍよりも大きいと、径小部１１Ｃの軸方向寸法を十分に確保することができない。▲２▼曲率半径Ｒが９ｍｍ以上では、径小部１１Ｃの内面の軸方向寸法は２ｍｍ以下となるため、端板１３の厚さ寸法を２ｍｍ以上に確保することができない。
従って、テーパー部１１Ｂと径小部１１Ｃとの境界部分の曲率半径Ｒは２ｍｍ以上で１２ｍｍ以下であることが好ましく、９ｍｍ以下であることがより好ましい。
産業上の利用可能性
本発明によれば、消費電力を大きくしても、点灯及び消灯に伴う熱サイクルで発光管にクラックが生ずることを長期間にわたり防止することができて寿命が長くなる放電ランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施形態を示す放電ランプの概略的断面図
第２図は、発光管の断面図
第３図は、細管部分の拡大断面図
第４図は、本発明の他の実施形態を示す発光管の断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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