JP2012204115A - ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 紫外線カット膜付コンパクト三重管ランプにおける製造工程中の紫外線カット膜白濁を抑制する。
【解決手段】 発光管発光部の両端面を外径方向に延長した発光空間における「外管内表面と内管外表面との最少間隔」を含む断面において、内管外径をｏｄ［ｍｍ］とし、外管内径をＩＤ［ｍｍ］とし、外管外径をＯＤ［ｍｍ］とし、定格ランプ電力をＰ［Ｗ］とし、前記ランプ電力値の平方根をＰｓとした時に、｛ｏｄ（ＩＤ−ｏｄ）｝／｛Ｐｓ（ＯＤ−ＩＤ）｝≧３．４８、１≦（ＯＤ−ＩＤ）≦２、７０≦Ｐ≦１００、ＯＤ≦２９のランプとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光管を気密収容する内管と、その内管を収容する外管とが、口金に対して同心状に取り付けられたランプであって発光管から放射される紫外線をカットする紫外線カット膜付ランプに関する。

この種のランプは主に店舗等でのスポットライト用として使用される。そのため、万一、発光管が破損しても最外に位置する外管までもが破損しないように、発光管と最外の外管との間に発光管を取り囲む内管を設けている。特許文献１の図１にこの種のランプの例が記載されている。内管及び外管をその基端部側で取り付ける口金が、ソケットに電気接続される口金端子を備えた口金本体と、内管及び外管を保持した状態で口金本体の内側に装着される取付ベースを備え、当該取付ベースは、外管の開口端に挿通されて当該外管を外装する略円柱状の外周面が形成された支柱に、内管のピンチシール部を挿通保持する挿通孔が貫通形成され、前記内管は、その先端部に当該内管を外管に対して同心状に支持する金属薄板製のサポートが取り付けられると共に、ピンチシール部が取付ベースの挿通孔に挿入され、挿通孔には、底面開口部からモリブデン箔の外部リード溶接側端部と対向する位置に至るまでの間に無機接着剤が充填されて内管が取付ベースに固定される。さらに口金本体とその口金本体に対して同心状に取り付ける内管および外管の基端部との間には低温硬化型のペースト状耐熱性無機接着剤が塗布充填され、その無機接着剤を硬化温度に加熱することで内管と外管は口金に固定されている。低温硬化型のペースト状耐熱性無機接着剤としては、例えば１００〜３００℃程度の低温で硬化させることができ、硬化後には１０００〜２０００℃の高温に耐えることができる製品が市販されている。

さらに店舗等での使用に好ましい形態として、発光管から放射される紫外線が商品に照射されないよう、内管及びまたは外管に紫外線カット膜を設けたランプがある。この種のランプは例えば特許文献２に開示されているように、保護管（内管または外管）の外表面または発光管の外表面に酸化亜鉛微粒子の膜を設けることによって発光管からの紫外線をカットしている（特許文献２の段落０００４、０００５、０００６参照）。

コンパクト三重管ランプでは、発光管温度を高温に保持するため、内管寸法はできるだけ小さくしたい。一方、発光管からの発熱による変形を防止し、発光管破裂時の影響を小さくするためには発光管外表面および外管内表面からある程度の距離をとることが必要となる。そしてこのランプの命題が従来よりコンパクトなランプなので、外管寸法は極力小さく設計することが要求される。従ってコンパクト三重管ランプにおいては内管の寸法は設計自由度が小さい。特許文献３にはコンパクト三重管ランプの内管および外管寸法を決めるための設計指針が開示されているが、実際の破裂試験において外管の破損を防止するためにはさらに外管肉厚を厚くするか内管と外管の間隔を広げる必要がある。その結果、発光管と内管内表面との間隔は現実的には１．５〜３．０ｍｍ程度に制限される。

上記のような要求仕様を考慮して７３Ｗ〜１００Ｗクラスの紫外線カット膜付コンパクト三重管ランプを試作したところ、ランプ製造時の試験点灯工程で内管外面が白濁するという新たな問題が生じることが判明した。この白濁はその後長時間点灯を続けても消えることはなく、白濁したランプは商品価値を失う。そのため製造工程上、試験点灯後に全数目視検査を行って白濁したランプを取り除くという検査工程が必要となる。

特開２０１０−１８６６２１号公報 特開２００９−１５２１７１号公報 特開２００８−１０３９５号公報

本発明は、発光管を収容する内管と、その内管を収容する外管とが、口金に対して同心状に取り付けられ、前記内管の外表面には発光管から放射される紫外線をカットする紫外線カット膜が設けられたランプにおいて、その試験点灯工程で生じる内管外面の白濁を抑制することを技術的課題としている。

本発明にかかるランプは、発光管を気密収容する内管と、その内管を収容する外管とが、口金に対して同心状に取り付けられたランプであって、
前記内管の外表面には発光管から放射される紫外線をカットする紫外線カット膜が設けられており、
前記内管および前記外管の少なくとも一方が無機接着剤によって口金に固定されており、その無機接着剤は溶媒として水分を含む仕様の接着剤であり、
前記紫外線カット膜はバインダーとしてポリシロキサンを含む仕様の紫外線カット膜であり、
発光管発光部の両端面を外径方向に延長した２つの端面に挟まれた発光空間において、
同空間における平均内管外径をｏｄ［ｍｍ］とし、
同空間における平均外管内径をＩＤ［ｍｍ］とし、
同空間における平均外管外径をＯＤ［ｍｍ］とし、
定格ランプ電力をＰ［Ｗ］とし、前記ランプ電力値の平方根をＰｓとした時に、
｛ｏｄ（ＩＤ−ｏｄ）｝／｛Ｐｓ（ＯＤ−ＩＤ）｝≧３．４ （式１）
かつ
１≦（ＯＤ−ＩＤ）≦２ （式２）
かつ
７０≦Ｐ≦１００ （式３）
かつ
ＯＤ≦２９ （式４）
であることを特徴とする。

本発明によれば、コンパクト三重管において、発光管から放射される紫外線をカットでき、ランプ製造時の試験点灯工程における内管外面の白濁を抑制することができる。

本発明に係るランプの一例を示す全体図 図１のランプのＡ断面における部分拡大断面図 本発明に係るランプの他の例を示す全体図 図３のランプのＡ断面における部分拡大断面図 試作条件による白濁の有無を表した図表 白濁が生じる条件を表すパラメーターとその限界値を示すグラフ

本発明に係るコンパクト三重管ランプの構成は以下のとおりである。図１および図２に７３Ｗクラスのコンパクト三重管ランプの一例を示す。ランプ１は、ガラス製の内管４の内部に、セラミックメタルハライドランプなどの発光管３が収納され、口金６に取り付けられており、この内管４を収納するように外管５が口金に固着されている。内管４の外表面には、図１において便宜的に点線で示されている位置に紫外線カット膜４ｆが設けられており、外管５の外表面には同様に紫外線カット膜５ｆが設けられている。

内管４は片端が密封されており、他端にはピンチシール部７が形成され、このピンチシール部７から発光管３の一対のリード線（図示せず）をランプ本体外部に導出し、口金６は取付部１１と口金本体１２からなり、ランプ組立時には取付部１１に内管４と外管５を取り付け接着した後、口金本体１２に取付部１１を接着することによって口金６が一体化される。内管４のピンチシール部７から導出されたリード線は口金６の２箇所の給電端子にそれぞれ接続され、外部からの給電により発光管３が点灯する構造になっている。

図２は図１のＡ部を矢印方向から見た拡大断面図である。図２において、中央にある部材はランプ本体のピンチシール部７であり、その周囲が取付部１１に設けられたランプ挿入口１７である。ランプ挿入口１７の一部、例えば内管ピンチシール部７のピンチシール面２箇所に無機接着剤１８が充填され、取付部１１と内管４とが固定されている。

最外周には外管５の断面と重なって口金の取付部１１が見えている。取付部１１の外管側は外管５の内径寸法より小さくなっており、その外周部に設けられた２箇所の凹部１６に無機接着剤１９が充填され、取付部１１と外管５とが固定されている。

図３および図４は１００Ｗクラスのコンパクト三重管ランプの一例である。外管に膨らみ部分がないことと全体的に寸法が一回り大きいことを除いて７３Ｗクラスのランプと同じ構造となっている。構成部材についても、同じ符号を付けた部材は対応する７３Ｗクラスのランプ部材と同じ名称で同じ働きをするものである。

またコンパクト三重管ランプの製造工程は次のようになっている。
（１）発光管３をその保持部材および給電部材と共に内管４の中に収め、排気後にピンチシールなどの方法で気密封止する。これは「Ｇ８．５」という規格で市販されているメタルハライドランプと共通の製造方法を採用することができる。
（２）ピンチシールされた内管４の外面に紫外線カット膜４ｆをディップ法などにより塗膜し、数十分間試験点灯することにより紫外線カット膜４ｆを焼成する。
（３）内管４にスペーサー９を取り付け、外管５内に仮挿入するとともに、内管４に口金の取付部１１をセットする。内管４の位置決め後、ランプ挿入口１７と内管のピンチシール部７との隙間（図２および図４の１８）に無機接着剤を充填して乾燥固定する。さらに外管５と取付部１１の凹部１６との隙間（図２および図４の１９）に無機接着剤を充填して乾燥固定する。
（４）内管４のピンチシール部７から導出されたリード線を口金本体１２の２箇所の給電端子にそれぞれ接続し、口金本体１２と取付部１１とを無機接着剤にて接着固定する。この工程を終わった段階で、ランプは紫外線カット膜５ｆを除き図１の形態になっている。
（５）ランプの外面に紫外線カット膜５ｆをディップ法などにより塗膜し、２００℃で紫外線カット膜５ｆを乾燥させる。
（６）外管検査の後、数十分間試験点灯を行い、欠陥のないことを確認してから梱包する。

上記工程において、（５）項の無機接着剤加熱乾燥工程が終わった段階では内管および外管に白濁を生じているランプは無い。しかし（６）項の試験点灯終了後には内管の外表面が白濁しているランプが見つかることがある。

上記構成のコンパクト三重管ランプの試験点灯工程で生じる白濁について詳しく調査したところ、以下のことが判明した。この白濁は内管外表面に設けられた紫外線カット膜が白化したものであること。紫外線カット膜にバインダーとして配合されているポリシロキサンが、ランプ試験点灯工程で加熱されて高温になった内管の外表面で白化していること。
すでに商品化され量産されている定格電力が３５Ｗのランプおよび７３Ｗランプでは白濁が生じていないこと。そして定格電力が７３Ｗのランプであっても、現在市販されているタイプのランプでは試験点灯工程で白濁を生じなかったのに対し、試作品の７３Ｗランプには白濁を生じるものが混在していること。試作品の１００Ｗランプは白濁を生じるランプの割合が７３Ｗランプより多いこと。さらに白濁が生じたランプと同じ仕様の試作ランプであっても、試験点灯工程で白濁を生じなかったランプは、その後数千時間点灯を続けても白濁を生じないことが分かった。

本発明の発明者はこれらの現象について解析を行い、結果を次のように整理した。すなわち、
（１）白濁を生じていない定格電力が３５Ｗのランプは内管の表面温度が７３Ｗランプより低い。
（２）白濁が生じた定格電力が７３Ｗのランプは、白濁を生じていない定格電力が７３Ｗのランプよりも口金取付部と外管との接着面積を大きくした仕様である。そのため外管と内管との間の空間に対する接着剤の露出面積が大きくなっている。
（３）試作した定格電力が１００Ｗのランプは、外管および内管の寸法は７３Ｗランプより大きいが、外管と内管との間の空間に対する接着剤の露出面積も大きくなっている。
（４）紫外線カット膜にはバインダーとしてポリシロキサンが含まれており、湿気が多いところでは異常反応を生じて白化しやすいことが知られている。

上記の事実から本発明の発明者は以下の仮説を導き出した。
（１）口金取付部と内管および外管とを接着している無機接着剤は硬化のために炉体で乾燥させているが、水分が完全に抜け切ってはいない。
（２）内管外表面の紫外線カット膜は塗布後に外管無しの試験点灯工程で加熱することにより、ポリシロキサンを加水分解および脱水縮合により重合させているが、反応温度および反応時間が十分でないためバインダー内に未重合のポリシロキサンが残留していることが考えられる。
（３）ランプの試験点灯工程では、発光管を良好な発光特性になる程度に高温に保つ必要があるため、発光管の周囲を取り巻く内管の温度も高温になる。その際、内管の外表面温度が紫外線カット膜焼成温度より高温になると、紫外線カット膜焼成工程において未重合だったポリシロキサンがさらに反応しようとする。
（４）そこに無機接着剤に残っていた水分が蒸発し、内管と外管との隙間空間に広がると内管外表面でのポリシロキサン重合が異常反応となり、本来透明となるはずの紫外線カット膜が白化すると考えられる。

この仮説が正しいとして、この状況を原理的に解決するために、無機接着剤の乾燥については完全乾燥させてから次工程に送ることは不可能ではないが、炉体の追加や製造時間の増加が必要となり、製造コストが過大になる。紫外線カット膜の焼成についても、完全焼成を行ってから次工程へ送るために製造コストを過剰にかけることは得策ではない。

この仮説が正しいとすると、試験点灯工程で白濁を生じなかったランプがその後点灯を続けても白濁を生じない理由が合理的に説明できる。すなわち、本発明のようなランプに使用されている無機接着剤は硬化後には多孔質の構造体となっている。そのため、蒸発した水分は内管と外管との隙間空間に露出した部分から内管と外管との隙間空間に広がると同時に、内管のピンチシール部から導出されたリード線を口金本体の給電端子に接続するために口金本体に開けられた小孔からランプ外に放出される。また口金本体と外管端面との間や口金本体と取付ベースとの間からも水蒸気がランプ外に放出される。このようにランプ内管と外管との隙間空間における水蒸気分圧は、ランプを試験点灯した直後が最も高く、点灯時間が長くなるほど低下する。従ってコンパクト三重管ランプは通常点灯１００時間以内には水分が完全に外部へ放出され、試作時に紫外線カット膜が水分によって白濁しなければ、その後は紫外線カット膜が白濁することはない。

この仮説を証明するために以下の実験を行った。まず試作ランプの品種として、７３Ｗと１００Ｗの２種を用意した。３５Ｗランプはどのような外管仕様でも内管の紫外線カット膜が白濁することはないので実験から除外した。

７３Ｗランプについては、内管は外径１５．０ｍｍ、１５．５ｍｍ、１６．５ｍｍの３種を用意し、外管は内径１７．０ｍｍで外径２０．０ｍｍ、内径１７．２ｍｍで外径２０．０ｍｍ、内径１８．０ｍｍで外径２０．０ｍｍ、内径１８．０ｍｍで外径２１．０ｍｍ、
内径２１．０ｍｍで外径２３．４ｍｍ、内径２．０ｍｍで外径２５．０ｍｍ、内径２３．０ｍｍで外径２６．０ｍｍの７種を用意し、これらを組み合わせて７種のランプを各１０本試作した。

なお、７３Ｗランプの外管としては図１に記載されたランプと同様、外管中央付近に膨らみがある形状を採用している。この場合の外管内径または外径の寸法は、発光管外径において両端の実質円筒形状である細管部から発光管発光部へ移行する位置、すなわち発光管外径が拡径を始める位置を通り発光管軸に垂直な面を発光管発光部の端面とし、２つの端面に挟まれた空間を発光空間としている。図１および図３においてＣで示している領域が発光空間である。そして、その発光空間において変化している外管内径および外管外径の平均値を「平均外管内径」および「平均外管外径」と定義している。前項における外管の「内径」は「平均外管内径」であり、「外径」は「平均外管外径」である。

１００Ｗランプについては、内管は外径１７．５ｍｍ、１８．０ｍｍ、１７．７ｍｍ、１８．２ｍｍの４種を用意し、外管は内径２０．０ｍｍで外径２２．６ｍｍ、内径２２．０ｍｍで外径２５．０ｍｍ、内径２３．０ｍｍで外径２６．０ｍｍ、内径２３．２ｍｍで外径２６．０ｍｍ、内径２３．４ｍｍで外径２６．０ｍｍの５種を用意し、これらを組み合わせて６種のランプを各１０本試作した。

これらの試作ランプはすべて、試験点灯工程直前の状態まで従来の製造方法に従って製造された。これらのランプから、まず各仕様５本ずつそれぞれの定格ランプ電力で１００時間点灯させ、白濁の有無を観察した。そして残りの各仕様５本ずつのランプは、７３Ｗランプは定格９０Ｗ仕様の安定器に接続して点灯し、１００Ｗランプは定格７３Ｗ仕様の安定器に接続して点灯し、それぞれ１００時間後の白濁の有無を観察した。

上記実験の仕様と結果をまとめた表を図５に示す。実験したランプ仕様の範囲では、式１に示すパラメーターで白濁するか否かを判定できることがわかる。式１を導出するに当たり、本発明の発明者は白濁しにくさに影響を与える要素として以下の4点を見出した。
１） 内管外径が大きいこと。
２） 内管と外管との間隔が大きいこと。外管中央付近に膨らみがある仕様では、発光管発光部の両端面を外径方向に延長した２つの端面に挟まれた発光空間において、同空間における平均値を計算値として採用する。
３） ランプ電力が小さいこと（ランプ内管の表面に対して平方根で影響する）。
４） 外管肉厚が薄いこと。
上記要素のうち、数値が大きくなるほど白濁しにくくなるものは分子に、数値が小さくなるか、薄いほど白濁しにくくなるものは分母に配置した。

上記の４要素はいずれも内管の外表面温度に影響を与える。内管外径が大きければ発光管外表面との距離が大きくなるため、当然内管温度は比較的低くなる。内管と外管との間隔が大きければ内管の外部に存在する空気の量が多いために冷却されやすい。ランプ電力が小さければランプから発生する熱量が小さくなるため内管温度は比較的低くなる。外管肉厚が薄ければ、外管外表面温度と外管内表面温度との差が小さくなる。外管外表面の周囲は室温であり、ランプ仕様によっては変わらないため、外管肉厚が薄ければ外管内表面の温度は比較的低くなり、内管と外管との隙間空間の温度が全体的に下がるため、内管外表面の温度も比較的低くなる。また内管と外管との間隔が大きい場合、内管と外管との隙間空間の容積が大きいので、水分が蒸発した時に同量の蒸発量に対して前記隙間空間内の水蒸気圧力が比較的低くなり、内管外表面に設けられた紫外線カット膜に接触する水蒸気分子の数が抑えられる。このため内管外表面上の紫外線カット膜が白濁する確率が低くなる。

図５に示した結果を、点灯時のランプ電力を横軸に、式１の値を縦軸にとって整理すると図６のグラフとなる。内管が白濁した仕様のランプは黒い三角、白濁しなかった仕様のランプは黒丸で表している。この結果ランプ電力を変化させて点灯させても式１の値が３．４以上となる仕様のランプは白濁せず、式１の値が３．３以下となる仕様のランプは内管が白濁することがわかった。本発明に係るランプでは、外管の外径は２９ｍｍ以下としている。従来型のセラミックメタルハライドランプとして外管外径が３０ｍｍ以上のランプが市販されているため、外管外径は２９ｍｍ以下でないと「コンパクト」なランプとは言えない。また外管の肉厚は１ｍｍから２ｍｍの範囲としている。１ｍｍ未満ではコンパクト三重管ランプとして発光管が破裂した場合の外管破損を十分に防止することができず、一方外管肉厚が大きくなれば式１の値が小さくなるために白濁しやすくなり、２ｍｍを越えると式１、式３および式４の条件を満足する範囲で実用的な寸法のランプが得られない。この実験結果を元に、量産試作を兼ねた確認実験を行った。それらの仕様を以下の実施例にて説明する。

７３Ｗクラスのランプの例を以下に示す。構造は上述した図１および図２の説明と同じである。この例において、定格ランプ電力は７３Ｗ、内管外径は１４．９ｍｍ、発光空間内での外管平均内径は２１．９ｍｍ、同様に外管平均外径は２４．９ｍｍ。従って外管肉厚は１．５ｍｍ、（式１）の値は４．０７となる。
なお無機接着剤の露出面積は内管側が２４ｍｍ²、外管側が２２ｍｍ²である。

このランプを２０本試作し、最初の試験点灯を３０分行って外管および内管の状態を目視観察したところ、紫外線カット膜の白濁は見られなかった。さらに１００時間点灯した後に観察した際にも白濁したランプは１本もなかった。さらにライフテストを行って点灯を継続し、５千時間経っても白濁したランプは１本もなかった。

１００Ｗクラスのランプの例を以下に示す。構造は上述した図３および図４の説明と同じである。この例において、定格ランプ電力は１００Ｗ、内管外径は１４．９ｍｍ、外管内径は１９ｍｍ、外管外径は２２ｍｍ。従って外管肉厚は１．５ｍｍ、（式１）の値は４．４３となる。なお無機接着剤の露出面積は内管側が２７ｍｍ²、外管側が３５ｍｍ²である。

このランプを２０本試作し、最初の試験点灯を３０分行って外管および内管の状態を目視観察したところ、紫外線カット膜の白濁は見られなかった。さらに１００時間点灯した後に観察した際にも白濁したランプは１本もなかった。さらにライフテストを行って点灯を継続し、５千時間経っても白濁したランプは１本もなかった。

また、白濁を生じたことがない従来仕様の７３Ｗランプでは式１の数値が２．６〜３．０程度であっても紫外線カット膜の白濁は生じていない。これは従来仕様の７３Ｗランプでは無機接着剤の露出面積は内管側が２４ｍｍ²、外管側が１７ｍｍ²であり、無機接着剤の露出面積が小さいためであると考えられる。特に外管側の接着剤は、最初の乾燥工程においてすでに外管が内管周囲に取り付けられており、初期の水分が口金の取付部や外管内表面に付着していることも考えられる。このため外管側の無機接着剤露出面積が２０ｍｍ²を超えるほど大きい場合には、従来どおりの製造工程で製造した場合でも、７３Ｗランプの紫外線カット膜が白濁する恐れがあると考えられる。

以上のように、紫外線カット膜を内管外面に設けたコンパクト三重管は、製造工程中の試験点灯工程で紫外線カット膜が白濁するおそれがあるが、本発明を適用すれば、紫外線カット膜を内管外面、外管内面、外管外面に設けたランプであっても製造時に紫外線カット膜が白濁することはなく、当然出荷後にも白濁することのないランプを実現できる。

本発明は、発光管とその発光管を収容する内管とその内管を収容する外管とから成るコンパクト三重管型のメタルハライドランプの品質・信頼性の向上に資するものである。

１ ランプ（７３Ｗ）
３ 発光管
４ 内管
４ｆ 紫外線カット膜（内管）
５ 外管
５ｆ 紫外線カット膜（外管）
６ 口金
７ ピンチシール部
８ リード線
９ スペーサー
１１ 取付部
１２ 口金本体
１６ 凹部
１７ ランプ挿入口
１８ 無機接着剤（内管）
１９ 無機接着剤（外管）
２１ ランプ（１００Ｗ）

Claims (1)

1. 発光管を気密収容する内管と、その内管を収容する外管とが、口金に対して同心状に取り付けられたランプであって、前記内管の外表面には発光管から放射される紫外線をカットする紫外線カット膜が設けられており、前記内管および前記外管の少なくとも一方が無機接着剤によって口金に固定されており、その無機接着剤は溶媒として水分を含む仕様の接着剤であり、前記紫外線カット膜はバインダーとしてポリシロキサンを含む仕様の紫外線カット膜であり、発光管発光部の両端面を外径方向に延長した２つの端面に挟まれた発光空間において、同空間における平均内管外径をｏｄ［ｍｍ］とし、同空間における平均外管内径をＩＤ［ｍｍ］とし、同空間における平均外管外径をＯＤ［ｍｍ］とし、定格ランプ電力をＰ［Ｗ］とし、前記ランプ電力値の平方根をＰｓとした時に、
   ｛ｏｄ（ＩＤ−ｏｄ）｝／｛Ｐｓ（ＯＤ−ＩＤ）｝≧３．４ （式１）
   かつ
   １≦（ＯＤ−ＩＤ）≦２ （式２）
   かつ
   ７３≦Ｐ≦１００ （式３）
   かつ
   ＯＤ≦２９ （式４）
   であることを特徴とするランプ。

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