JP2006302575A - ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 断線という問題が常に発生するフィラメントに替えて発光管内に配置した一対の電極を高温にすることにより、電極が発光部となって光を放射し、しかも、高光出化と長使用寿命化を同時に得ることができるランプを提供することにある。
【解決手段】 本発明のランプは、発光管内１に一対の電極３が対向配置され、発光管１内に希ガスとハロゲンが封入されたランプであって、電極３が放電によって熱せられ熱放射による発光部となっている。特に、電極３からの発光が、希ガスの発光より大きいことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光管内に配置された電極が発光部なって光を放射するランプに関する。

従来から、物体を高温にすると黒体放射に近似した放射スペクトルで発光することはよく知られている。
特に、金属の中でも融点が高く、しかも、蒸気圧の低いタングステンは、細い線状のフィラメントにし、通電により高温にでき、効率よく発光するために白熱ランプの発光部として広く用いられている。

このような白熱ランプは、フィラメントを高温にするほど明るくなり、高出力化を達成することができるが、同時にタングステンの蒸発量も増えるため、発光管が黒化したり、フィラメントがやせ細り断線に至る。

このような問題を解決するために、発光管内に、臭素やヨウ素などのハロゲンを封入することが行われている。これは、高温のフィラメントからタングステンが蒸発しても、発光管の内面に付着したままにならず、フィラメントに戻り発光管の透過性を保つことができる。

しかしながら、タングステンはフィラメントから蒸発した元の位置に正確に戻るものではなく、タングステンが蒸発してやせ細った部分が他の部分より高温になり、さらにやせ細り、やがては断線してしまうことになる。
つまり、フィラメントを高温に加熱して発光部として利用する白熱ランプでは、高い光出力を得るためにフィラメントを高温にするとフィラメントが短時間で断線するので、高出力化と長寿命化を同時に満足することができないという問題があった。

特開２００３−６８２５３号

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、断線という問題が常に発生するフィラメントに替えて発光管内に配置した一対の電極を高温にすることにより、電極が発光部となって光を放射し、しかも、高光出化と長使用寿命化を同時に得ることができるランプを提供することにある。

請求項１に記載のランプは、発光管内に一対の電極が対向配置され、発光管内に希ガスとハロゲンが封入されたランプであって、前記電極が放電によって熱せられ発光部となっていることを特徴とする。

請求項２に記載のランプは、請求項１に記載のランプであって、特に、前記電極からの発光が、前記希ガスの発光より大きいことを特徴とする。

請求項３に記載のランプは、請求項２に記載のランプであって、特に、前記電極の表面積Ｘ（ｍｍ^２）とランプ電流Ｙ（Ａ）の関係が、０．０５≦Ｙ／Ｘ≦５．０であることを特徴とする。

請求項４に記載のランプは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のランプであって、特に、前記一対の電極間に他の発光部となる高融点部材が配置されていることを特徴とする。

請求項５に記載のランプは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のランプであって、特に、前記電極および前記高融点部材が、９９．９９ｗｔ％以上のタングステンであることを特徴とする。

請求項６に記載のランプは、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のランプであって、特に、前記電極が略球状であることを特徴とする。

請求項７に記載のランプは、請求項１または請求項４に記載のランプであって、特に、前記電極離間距離、もしくは、前記電極と前記高融点部材の離間距離が１ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項８に記載のランプは、請求項１または請求項４に記載のランプであって、特に、前記電極及び前記高融点部材の一部に耐ハロゲン保護層が形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載のランプは、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のランプであって、特に、前記電極が融点を超えて点灯されることを特徴とする。

本発明のランプによれば、断線という問題が常に発生するフィラメントに替えて発光管内に配置した一対の電極を高温にすることにより、電極が熱せられて発光部となり光を放射し、しかも、電極を高温状態に保つことにより高い光出力が得られ、長使用寿命化を達成することができる。

前記電極の表面積Ｘ（ｍｍ^２）とランプ電流Ｙ（Ａ）の関係が、０．０５≦Ｙ／Ｘ≦５．０であることにより、電極が瞬時に溶融消滅することなく、確実に電極を発光させることができる。

一対の電極間に他の発光部となる高融点部材を配置することにより、発光部の形状を任意の形状にすることができ、用途に応じた光源設計が可能となる。

電極および高融点部材が、９９．９９ｗｔ％以上の高純度のタングステンであるので、点灯中、電極および高融点部材から不純物が放出されず、ハロゲンサイクルを常時に確実に機能させることができ、発光管の黒化を確実に抑制することができる。

電極が略球状であるので、点灯中、電極の温度が融点近くになっても、或いは融点に達しても、表面張力によって電極が略球状を自立的に保つものであり、電極の損耗を抑制することができる。

電極同士の電極離間距離、もしくは、電極と高融点部材の離間距離が１ｍｍ以下であるため、電極に投入される電力が電極もしくは高融点部材の加熱に高い割合で寄与し、電極もしくは高融点部材を効率よく加熱することができる。
また、電極離間距離、もしくは、電極と高融点部材の離間距離が１ｍｍ以下であるため、発光部を視覚的に連続した状態にすることができる。

電極及び高融点部材の一部である低温状態の非発光部分に耐ハロゲン保護層が形成されているので、発光管内に封入されたハロゲンによって、非発光部が侵食されることがないものである。

電極が融点を超えて点灯されても、表面張力によって電極形状を保つことができ、さらに、電極材料がハロゲンサイクルによって略均一に電極に戻るため、電極形状を長時間一定に保つことができる。
また、ランプに投入する電力を最大にでき、発光効率を極限まで高めることができる。

以下図面を用いて、本発明のランプを説明する。
図１は、本発明のランプの説明図である。
シリカガラスよりなる発光管１内に、直径０．３ｍｍの一対のタングステン製の電極支持棒２が封止されており、電極支持棒２の先端に、最大径が０．５ｍｍとなるタングステン製の球状の電極３が形成されている。

発光管１は、内容積０．２ｃｍ^３であって、発光管１内に希ガスとしてアルゴンを４００ｔｏｒｒ、ハロゲンである臭素を１．３μモル封入したものである。

電極３は電極支持棒２の先端を加熱溶融して、略球状に形成してもよく、或いは、予め略球状に形成した電極３を電極支持棒２に溶融接合してもよい。
電極支持棒２と発光管１との封止構造は、シュリンクシール、ピンチシールなど、どうような封止構造であってもよい。

一対の電極３の電極間距離は、０．７ｍｍであり、この電極３間に、１２Ｖ、２．５Ａ、３０Ｗの電力を投入することにより、電極３間で放電が起こり、放電によって発生するアークによって、更には、電極３に流れる電流によって、電極３自体が加熱され、電極を構成しているタングステン原子が熱振動し熱放射によって、エネルギーが光となって放射され、電極３が発光部となるものである。発光効率は３５ルーメン／Ｗである。
なお、発光管１内にアルゴンが封入されており、このアルゴン自体も放電によって加熱されて光を放射するものである。

本願発明のランプでは、電極３にタングステンを使用しているため黒体放射に対する割合である放射率は約０．４となる。一方、電極間の放電空間に存在するアルゴンは、電極間距離が０．７ｍｍであり、点灯中発光管内が１気圧程度となっているので、電極間に存在するアルゴンはアルゴンプラズマに換算して放射率は約０．０００１となる。また、点灯中の電極の温度は３３００Ｋであり、タングステンの温度は３３００Ｋとなっており、電極間に存在するアルゴンプラズマの温度は１００００Ｋになっている。
そして、タングステンとアルゴンプラズマの放射率と、タングステンとアルゴンプラズマの温度の関係から発光強度を比較すると、発光強度は放射率と温度の４乗に比例する関係があり、タングステンの発光強度は０．４×３３００^４、アルゴンプラズマの発光強度は０．０００１×１００００^４になり、タングステンの方が発光強度が大きくなる。
この結果、本願発明のランプは、電極からの発光が、発光管内に封入された希ガスであるアルゴンの発光より大きくなるものであり、電極の熱放射による発光を利用するランプである。

発光管１内には、臭素が封入されているので、電極３が高温になってタングステンが蒸発しても、蒸発したタングステンが電極３に戻り、発光管１の黒化を防止し、発光管１の透過性を保つことができる。

また、本発明のランプは、白熱ランプのフィラメントのように連続した通電路で抵抗加熱によって光を放射するものではなく、空間を介した不連続な位置関係にある一対の電極３間の放電によって電極３を加熱して光を放射するものであり、従来、フィラメントが断線し通電路が切断されるというような白熱ランプ特有の問題が発生せず、ランプへの投入電力を上げて高出力化できると共に、長寿命化も達成することができる。

図２は、本発明のランプから放射される光の分光分布図であって、波長７００ｎｍ以上の長波長側に発光強度が大きい連続スペクトルを有するものであり、７００ｎｍ付近にピーク波長を有する白熱ランプの分光分布と類似している。
この７００ｎｍ以上の放射強度の大きな連続スペクトルは、電極が加熱されて、加熱された電極自体から放射される光である。

本発明のランプは、放電空間に希ガスとしてアルゴンが封入されているが、このアルゴンは前述した通り発光物質として機能するものではなく、始動電圧を下げるための始動用ガスである。

電極からの発光が希ガスの発光より大きいものかどうか、調べる方法について説明する。
放電現象を利用し、封入ガス、或いは、封入ガスと封入金属からの発光を利用するランプは、ランプへの給電を停止すると、ランプからの発光は数百マイクロ秒で消えてしまう。

一方、本発明のランプは、電極自体を加熱し、加熱された電極から光が放射されるものである。
このようなランプの場合、ランプへの給電を停止しても直ぐには電極が冷えることがなく、徐々に電極の温度が下がり、電極から放射されるも光も徐々に低下するものである。

この現象を利用して、定常点灯時の発光強度をＡ、ランプへの給電を停止して１ミリ秒後の発光強度をＢとした場合、Ｂ／Ａの関係が、Ｂ／Ａ＞０．５であれば、電極からの発光が希ガスの発光より大きいと判定するものである。
図１に示すランプの場合、Ｂ／Ａ＝０．６５であり、電極からの発光が希ガスの発光より大きいものであり、加熱された電極から放射される光を利用する電極が発光部となっているランプである。

さらに、熱放射によって発光するランプは、発光部の表面積とランプ電流との間意に因果関係があり、以下（式１）の関係を満たす必要がある。
電極の表面積Ｘ（ｍｍ^２）、ランプ電流Ｙ（Ａ）とする。
０．０５≦Ｙ／Ｘ≦５．０・・・・（式１）

Ｙ／Ｘが０．０５を下回ると、電極が十分に加熱されず電極から放射される光が弱くなり実用的なランプとならない。
一方、Ｙ／Ｘが５．０を上回ると、電極の温度が上がりすぎ、瞬時に電極全体が溶け出しランプとして機能しないものである。
本発明の図１に記載のランプは、Ｙ／Ｘの値が、３．１８である。

図３は、本発明の他の実施例を示すランプであって、一対の電極３間に高融点部材４が配置されたランプである。
この高融点部材４は、先端部４ａは最大直径が０．５ｍｍとなる略球状体となっており、先端部４ａが一対の電極３間に位置し、先端部４ａに続く支持部４ｂの一部が発光管１に埋設され、高融点部材４を発光管１内に支持固定するものである。
なお、高融点部材４以外の電極構造、発光管封入物、投入電力量等は、図１に示すランプと同様である。

そして、電極３間に電圧を印加すると、先端部４ａもアークで発生する熱によって、また、先端部４ａ内を流れる電流によって、十分に加熱され、先端部を構成している原子が熱振動し熱放射によって、エネルギーが光となって放射され、先端部４ａ自体も発光部となるものである。

この結果、発光管１内に複数の発光部が存在することになり、高融点部材４の配置位置、数を変えることによって、発光部の形状を自由に変えることができ、例えば、発光部を一直線上に並べたり、発光部を多角形の頂点にして発光部を平面としたり、用途に適した発光部の形状を得ることができるものである。

さらに、電極３および高融点部材４が、９９．９９ｗｔ％以上の高純度のタングステンであることが好ましい。
このように、電極３および高融点部材４を高純度のタングステンを用いることにより、点灯中、電極および高融点部材から不純物が放出されず、ハロゲンサイクルを常時に確実に機能させることができ、発光管の黒化を確実に抑制することができる。

また、電極３が略球状であるので、点灯中、電極の温度が融点近くになっても、或いは融点に越えて電極３の表面が溶融しても、表面張力によって電極３が略球状を自立的に保つことができ、電極３の損耗を抑制することができ、発光管１の黒化を防止し、電極間距離の変動を抑えランプ特性の変動を抑制することができる。

電極３同士の電極離間距離、もしくは、電極３と高融点部材４の離間距離を１ｍｍ以下とすると、電極３に投入される電力が電極３もしくは高融点部材４の加熱に高い割合で寄与し、電極３もしくは高融点部材４を効率よく加熱することができ、ランプに投入される電力を効率よく光に変換することができ、ランプ効率を上げることができる。
さらには、電極離間距離、もしくは、電極３と高融点部材４の離間距離が１ｍｍ以下であるため、発光部を視覚的に連続した状態にすることができる。

図３に便宜上点線で示す非発光部である電極支持棒２の表面と、高融点部材４の支持部４ｂの表面に、厚さ５μｍ以上のレニウムメッキ層よりなる耐ハロゲン保護層５を設けることにより、発光管内に封入されたハロゲンによって、非発光部が侵食されることがなく、ランプの長寿命化を一層促進するものである。

本発明のランプの説明図である。 本発明のランプの分光分布を示す説明図である。 本発明の他の実施例のランプの説明図である。

符号の説明

１ 発光管
２ 電極支持棒
３ 電極
４ 高融点部材
４ａ 高融点部材の先端部
４ｂ 高融点部材の支持部
５ 耐ハロゲン保護膜

Claims (9)

1. 発光管内に一対の電極が対向配置され、発光管内に希ガスとハロゲンが封入されたランプであって、
   前記電極が放電によって熱せられ熱放射による発光部となっていることを特徴とするランプ。
2. 前記電極からの発光が、前記希ガスの発光より大きいことを特徴とする請求項１に記載のランプ。
3. 前記電極の表面積Ｘ（ｍｍ^２）とランプ電流Ｙ（Ａ）の関係が、０．０５≦Ｙ／Ｘ≦５．０であることを特徴とする請求項２に記載のランプ。
4. 前記一対の電極間に他の発光部となる高融点部材が配置されていることを特徴とする請求項１からは請求項３のいずれか一項に記載のランプ。
5. 前記電極および前記高融点部材が、９９．９９ｗｔ％以上のタングステンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のランプ。
6. 前記電極が略球状であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のランプ。
7. 前記電極離間距離、もしくは、前記電極と前記高融点部材の離間距離が１ｍｍ以下である請求項１または請求項４に記載のランプ。
8. 前記電極及び前記高融点部材の一部に耐ハロゲン保護層が形成されている請求項１または請求項４に記載のランプ。
9. 前記電極が融点を超えて点灯されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のランプ。
   

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