JPH04137422A - セラミック放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、外管内に透光性セラミックチューブからなる
Ｕ字形等の屈曲形発光管を収容した、高圧ナトリウムラ
ンプなどのようなセラミック放電灯に関する。

（従来の技術） たとえば高圧ナトリウムランプは、透光性アルミナチュ
ーブよりなる発光管の両端に電極を気密に封着し、この
発光管内に発光物質としてナトリウム、緩衝ガス用金属
として水銀、および始動用希ガスを封入して構成しであ
る。

透光性アルミナチューブは耐熱性に優れ、かつナトリウ
ムに対する耐蝕性に優れるので、この種の高圧ナトリウ
ムランプの発光管に好適する。しかしながら透光性アル
ミナチューブは通常のガラスと異なり高温下においても
軟化し難いので、従来の場合は押出し成形により成形さ
れた直線形チューブをそのままバルブとして使用してお
り、したがって発光管は直管形をなしている。

ところが、最近、高圧金属蒸気放電灯を屋内照明の光源
として採用する傾向にあり、このためランプの小形化が
余儀無くされている。

上記高圧ナトリウムランプを小形化する上では発光管サ
イズの縮小が重要なポイントとなり、その対策の１つと
して、バルブの途中をＵ字形などに屈曲することか考え
られる。発光管を屈曲形状にすると、従来と同等の電極
間距離を保っても、スペースの小形化が可能になり、外
管を小形にすることができる。このため、最近では発光
管を型成形によりＵ字形に形成し、高圧ナトリウムラン
プを小形化する研究が進められている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような高圧ナトリウムランプにおい
て、管壁負荷を高くした場合、例えば１５〜３０　Ｗ　
／　ｃｍ２の負荷で動作させると、上記発光管の屈曲部
の内側に黒化が、早期にかつ集中して発生する現象がみ
られる。そして、のような黒化の後、この箇所にクラッ
クを発生させることもある。

これは、屈曲部の曲率が小さい程、および管壁負荷が高
い程顕著に現われる。

このような黒化は発光管に封入したナトリウムＮａと、
発光管材料にアルミナＡ１□ｏ３の反応が原因している
と推察される。

すなわち、この点について検討してみると、通常放電中
のアークは電極間の最短距離を通ろうとし、発光管をＵ
字形とした場合はこのＵ字形屈曲部においてはアークが
屈曲部の内側へ近寄る傾向がある。

このようなアークの偏りは、発光管の屈曲部を局部的に
過熱する。つまり、最短距離を通ろうとして屈曲部の内
側へ近寄ったアークが屈曲部の内側の壁に接触し、この
アークが接触した部分が加熱される。

この場合、屈曲部内側の曲率半径が小さければ小さい程
屈曲部内側の壁は鋭角になり、この尖った先端がアーク
に局部的に触れるため、加熱箇所が１点に集中するよう
になり、温度上昇が著しくなる。この結果、同一負荷の
直管形発光管に比べて、上記屈曲部内側の加熱箇所は、
５０〜１１００ｄｅも温度が高くなる。

このような高温のもとではナトリウムＮａとアルミナＡ
ｌ２Ｏ，の反応が促進され、早期に黒化が進行すると考
えられる。

このような不具合を解消するには、管壁負荷を下げる、
屈曲部の曲率を大きくする等の対策が考えられるが、管
壁負荷を下げるとランプ効率の低下を招き、また屈曲部
の曲率を大きくするとランプが大形になり、いづれも本
ランプの開発の目的から外れてしまう欠点がある。

したがって、本発明の課題は、屈曲形発光管を用いた場
合は、屈曲部においてアークが屈曲部の内側へ偏ること
により、この内側壁が局部的に加熱されて早期黒化、場
合によってはクラックが発生する点である。

本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、発
光管の屈曲部での早期黒化を防止し、この種ランプの小
形化を推進できるセラミック放電灯を提供しようとする
ものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、発光管の端部に封装した電極にエミッター（
電子放射物質）を担持させ、このエミッターは少なくと
も酸化イツトリウムＹ２Ｏ９、酸化トリウムＴｈＯ□お
よび希土類酸化物の１種を主体としたエミッターに制限
し、バリウムＢａやカルシウムＣａを含まないようにし
たことを特徴とする。

（作用） 高圧ナトリウムランプの電極にエミッターを保持させる
ことは従来から知られている。しかしながら従来のエミ
ッターは、Ｂａ−Ｃａ−Ｗ系のものである。このような
エミッターの場合は、バルブのアルミナ温度が高くなる
と、ＢａＯやＣａＯが分解して酸素を放出し、この酸素
がナトリウムと反応し、ＮａＯを作り、これが黒化の原
因になる。

これに対し、本発明のエミッターは、酸化イツトリウム
Ｙ２Ｏ３、酸化トリウムＴｈｏ２または希土類酸化物を
主体としたエミッターであるがら、高温度でも分解し難
く、したがって酸素の放出が少ないのでナトリウムと反
応してＮａＯを作る割合が少なく、黒化の発生を軽減す
る。

（実施例） 以下本発明について、図面に示す一実施例にもとづき説
明する。

図は７０Ｗクラスの高圧ナトリウムランプを示し、１は
石英ガラスからなる外管である。この外管１は一端部に
ピンチシール部２を有し、このピンチシール部２にセラ
ミックなどからなる口金ベース３を被着しである。口金
ベース３には口金ビン４．４が突設されている。

外管１内は真空または不活性ガスが充填されており、本
実施例ではキセノンＸｅが７００　Ｔｏｒｒ封入されて
いる。

この外管１内には発光管５が収容されている。

発光管５は透光性アルミナチューブからなり、両端直線
部８．８間にＵ字形の屈曲部９を形成し、全体がＵ字形
に成形されている。

Ｕ字形をなす発光管５の両端開口部は、セラミックディ
スク６．６で閉塞され、このディスク６．６に電極７．
７を取付けて封装しである。

上記発光管５は、例えば内径を約４．０１１％肉厚０．
５■、屈曲部内側の曲率半径が５．０■、バルブ中心線
上を通る電極間距離が約１５ｍａ＋とされている。

上記発光管５を構成する透光性アルミナチューブは、そ
のほとんどがアルミナＡｌ２Ｏ３からなり、これに結晶
抑制剤としてＭｇＯが混合されてイル。但し、ＭｇＯ１
２３００〜６００ｐｐｍ程度含まれており、その他の含
有物としてＢａＯやＣａＯは５０　ｐｐａ＋以下に規制
されることが望ましい。なお、バルブの内周部分におい
てはバルブ構成物質の平均粒径は５〜１５μｍ程度の小
さなサイズに抑えられることが望ましい。

上記ＢａＯやＣａＯが５０　ｐｐｍを越えて多量に含ま
れると、アルミナの粒界にこれらの物質が析出し、Ｎａ
と反応し昌いアルミナとの混合酸化物をつくり、バルブ
の黒化を促す。

また、バルブ内面の平均粒径を５〜１５μｍ程度にすれ
ば、Ａｌ２Ｏ３チューブの機械的強度を向上させ、内周
部と外周部との温度差によるクラックの発生を低減させ
る事ができる。

このような発光管５内には、ナトリウムＮａが２５重量
％含まれたＨｇアマルガムが１ｏ■ｇ１およびキセノン
Ｘｅガスが１００　ｔｏｒｒ封入されている。

電極７．７は第２図および第３図に示すように構成され
ている。

すなわち７１は電極軸であり、軸径２Ｒが例えば０．５
ｍｆｆ１のタングステンからなる。この電極軸７１の先
端部には電極コイルが巻装されており、この電極コイル
は内側コイル７２の外側に外側コイル７３を重ね巻きし
て形成されている。

内側コイル７２は、線径０．２ｍｍのタングステンから
なるマンドレルワイヤ７２ａの外周に、線径２ｒ−０，
０５−１のタングステンからなるフィラメントワイヤ７
２ｂを巻回したダブルコイルからなる。なお、このフィ
ラメントワイヤ７２ｂは一部が放電空間側に露出してい
る。

外側コイル７３は、線径０．４厘■のタングステンワイ
ヤを上記ダブルコイルからなる内側コイル６２の外側に
巻回しである。

上記のような電極７において、電極軸７１と内側コイル
７２および外側コイル７３との間に形成される空隙に、
エミッター７５が充填されている。

エミッター７５は、平均粒径が０．５１程度の酸化イツ
トリウムＹ２０．からなり、この粉末を上記電極コイル
の間隙に担持させである。

上記のような発光管５は、両端部のセラミックディスク
６．６に上記電極７．７と接続されたニオブチューブか
らなる導電体１０．１０が支持されており、これら導電
体１０．１０はリード線兼用のサポートワイヤ１１．１
１に接続されている。

リード線兼用のサポートワイヤ１１．１１は、上記外管
１端部のピンチシール部２に封止されたモリブデンなど
の金属箔１２．１２１ご接続されており、これら金属箔
１２．１２は外部リード線１３．１３を介して前記口金
ビン４．４に接続されている。

したがって、発光管５は両端封止部が、外管１の圧潰封
止端部２側に向けられ、上記屈曲部９が外管トップ部側
に向けられて外管１に収容されているものである。

なお、サポートワイヤ１１．１１にはＺｒ−１などの粉
末を固めたゲッター１４が取着されている。

このような高圧ナトリウムランプは、ランプ電圧ＶＬ　
−１Ｏ０Ｖ％　ランプ電流ＩＬ−０．９２Ａランプ電カ
ーフ０Ｗで点灯される。

そして、このランプは、発光管５をＵ字形に曲げである
ので外管１の長さが従来の場合の約１／２となり、大幅
な小形化が可能となり、小さな器具へ取付けることがで
きる 上記構成の高圧ナトリウムランプによると、光出力が約
３４０１！■、平均演色評価数Ｒａが８３、色温度Ｔｃ
−２７００Ｋが得られた。

そして、寿命中３０００時間までは発光管５に黒化を生
じることはなく、またクラックの発生もない。

これに対して、エミッターとして、 Ｂａ２ＣａＷＯ６を用いた同一構造の高圧ナトリウムラ
ンプの場合は、点灯１０００時間程度で黒化およびクラ
ックを発生するものが約１０％の割合で発生した。

これは、本実施例の場合にエミッターとして酸化イツト
リウムＹ２０．を用いたことの効果であり、ｙ２ｏ、の
場合は高温度でも分解し難いから上記のような負荷が高
く、しかも屈曲部９の内側へ近寄ったアークが屈曲部９
の内側の壁を集中的に加熱するランプであっても、遊離
した酸素かナトリウムと反応することが少なくなり、よ
ってアルミナセラミックの黒化を防止するものと考えら
れる。

なお、エミッターとして酸化イツトリウムＹ２Ｏ３の外
に、酸化トリウムＴｈＯ２、酸化ランタンＬ　ａ　２０
　ｓ　、酸化スカンジウムＳｃＯ，、酸化ジスプロシウ
ムＤＶ２０ｓなどの希土類酸化物であってもよく、また
これらの混合物もしくは少なくともこれらを主体とする
エミッターであっても同様の効果がある。

ところで、上記のようなランプは、電極７を構成する電
極軸７１の軸径を２Ｒ，これに巻かれたダブルコイルか
らなる内側コイル７２を構成するフィラメントワイヤ７
２ｂの線径を２ｒ、ランプの定格電流を■、および始動
時のランプ電流を１、とじた場合、 ＩＬ／πＲ２≧２．８　（Ａ／５ｉ２）　　・・・（１
）■、／πｒ２≧１６５　（Ａ／ｍｍ２）　　−（２）
の条件を満足することが望ましい。

すなわち、従来のようなりａ−Ｃａ−Ｗ系のエミッター
は仕事関数が小さく、電極損失が少ないのでランプ効率
を向上させる利点をもつが、このようなエミッターに代
わって、ＢａやＣａを含まないＹ　２０　ｓ　、Ｔ　ｈ
　Ｏ２、Ｌ　Ａ　２０５、Ｓ　ＣＯ３、ＤＹ２０ｓ等の
希土類酸化物を主体とするエミッターを用いた場合は、
Ｂａ−Ｃａ−Ｗ系のエミッターに比べて仕事関数が大き
く、したがって電極損失による電圧降下が大きくなるた
めランプ効率が低下することが心配される。

そこで、電極損失を少なくし、仕事関数が大きくなる分
に見合う電圧降下分を補うことが望ましい。この対策と
して、電極軸６１の大きさを規制することが考えられ、
上記（１）式はその条件を示す。

すなわち、電極軸７１の径２Ｒを、 ＩＬ／πＲ２≧２．８　（Ａ／ａｍ’　）を満足する範
囲に設定すれば、電極軸７１先端部での温度が高くなり
、電極降下が小さくなるので、上記ＢａやＣａを含まな
いエミッターを用いたことによる電圧降下分を補うこと
ができ、ランプ効率を向上させることができる。

上記（１）式は実験により確かめられており、これにつ
いて説明する。

電極軸７１として軸径２　Ｒ＝　０　、　９　ａｍのタ
ングステンを用い、エミッター７５としてＹ２Ｏ，を使
用したランプについて、電極降下Ｖ、を調べたところ、
第４図に示す特性を得た。

Ｉｔ／πＲ２≧２．８　（Ａ／■■２）の場合、電極降
下Ｖ、の上昇分ΔＶ、を２Ｖ以下に抑制することができ
、このとき無効となる電力増加分はＩＷ径程度止めるこ
とができ、このレベルであれば殆ど無視できる程度にな
る。

また、ＩＬ／πＲ２≧１６５　（Ａ／ｍ１２）では、電
極降下ｖ１の上昇分Δｖｋは略０になる。

したがって、電極軸７１の軸径２Ｒを選定して、ＩＬ／
πＲ２≧２．　８　（Ａ／５ｍ２）の条件（−１式）を
満足すれば、ＢａやＣａを含まないエミッターを用いた
ことによる電圧降下分を補うことができ、ランプ効率の
低下を防止することができる。

一方、ＢａやＣａを含まないエミッターを用いたことに
より仕事関数が大きくなる場合、ランプ始動時のアーク
スポットの安定性に影響が生じる。

アークスポットが変動すると、電極を構成するタングス
テンやエミッターの飛散により発光管の端部に黒化が生
じる。

つまり、ランプ始動時にアークスポットが安定するのは
、最も温度上昇し易い点であり、これは最も細いワイヤ
でしかも放電空間側に向かって露出している場所である
。これはダブルコイルからなる内側コイル７２を構成す
るフィラメントワイヤ６２ｂであり、したがってフィラ
メントワイヤ７２ｂの線径２ｒがアークスポット安定化
のファクターとなる。

本発明者等は、電極軸７１の軸径２Ｒ、フィラメントワ
イヤ７２ｂの線径２ｒ、ランプの定格電流ｌＬおよび始
動時のランプ電流■、につき、これらを種々組み合わせ
たランプ作り、これらランプを１０００回の点滅テスト
を行って発光管に黒化が発生するか否かを測定した。

その結果を下記の表１および表２に示す。

表１は、ランプ定格電流■Ｌを０．９２Ａとし、始動時
のランプ電流１．を１，３Ａとした場合であり、Ｏ印は
１０００回の点滅テストで黒化なし、Ｘ印は黒化発生し
たランプを示す。

［表 １コ 表２は、ランプ定格電流ＩＬを１．８Ａとし、始動時の
ランプ電流■、を２．６５Ａとした場合であり、○印は
１０００回の点滅テストで黒化なし、Ｘ印は黒化発生し
たランプを示す。

［表 ２］ 上記表１および表２の結果からも、 ＩＬ／πＲ２≧２．８　（Ａ／ａｍ’　）　　・・・（
１）の条件のもとで、 Ｉ　＠　／　ｙｒ　ｒ　２≧１６５　（Ａ／５ｗ２）　
　−（２）を満足すれば、アークスポットが安定し、発
光管の黒化を防止することができる。

なお、これら（１）式および（２）式の条件は、屈曲形
発光管を有する小形高圧ナトリウムランプのみの条件で
はなく、直管形発光管を有する高圧ナトリウムランプで
もその効果を発揮できる。

次に、他のランプについて、調べた結果を説明する。

このランプは１５０Ｗクラスの高圧ナトリウムランプで
あり、その構造は第１図ないし第３図と同様である。

石英ガラスからなる外管１は、高さ８４ｍｌ１１とされ
、キセノンＸｅガスが７００　ｔｏｒｒ封入されている
。

透光性アルミナチューブからなるＵ字形の発光管５は、
内径が４．５ｍｍ、肉厚０．６＋ｕｉ、屈曲部内側の曲
率半径が５．０■、バルブ中心線上を通る電極間距離が
約２２ｍｍとされている。

電極７を構成する電極軸７１は軸径２Ｒが０．７■であ
り、電極コイルの内側コイル７２は、線径０．２ａ＋ｍ
のタングステンからなるマンドレルワイヤ７２ａの外周
に、線径２ｒ−０，０５ｍｍのタングステンからなるフ
ィラメントワイヤ７２ｂを巻回してダブルコイルとなっ
ている。

外側コイル７３は、線径０．４■のタングステンワイヤ
である。

この電極７には、Ｌ　ａ　２０３　　Ｙ２０３Ｄ　３／
　２０３からなるエミッター７５が充填されている。

このような発光管５内には、ナトリウムＮａが２５重量
％含まれたＨｇアマルガムか１５ａ＋ｇ、およびキセノ
ンＸｅガスが１００　ｔｏｒｒ封入されている。

このような高圧ナトリウムランプは、ランプ電圧ＶＬ＝
１００Ｖ、ランプ電流ＩＬ−１，８Ａ、ランプ電力−１
４２Ｗで点灯され、全光束７１００ｊ！ｓ、平均演色評
価数Ｒａ８３、色温度２７００Ｋが得られる。

そしてこのランプは平均寿命６０００時間を達成するこ
とができる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、電極に担持される
エミッターとして、酸化イツトリウムＹ２Ｏ３、酸化ト
リウムＴｈ０２または希土類酸化物を主体としたエミッ
ターを用い、ＢａやＣａ系エミッターを使用しないよう
にしたから、この種のエミッターであれば高温度で分解
し難く、したがって管壁負荷が比較的高く、かつ屈曲部
の曲げ内側がアークで加熱される傾向にあるランプにお
いて、ナトリウムと反応してＮａＯを作る割合を抑制し
、発光管の黒化を軽減することができるとともに、クラ
ックの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す高圧ナトリウムランプ
の正面図、第２図はその電極の断面図、第３図は電極の
内側コイルを構成するダブルコイルを示す斜視図、第４
図は電極降下の測定図である。 １・・・外管、５・・・発光管、７・・・電極、８・・
・直線部、９・・・屈曲部、７１・・・電極軸、７２・
−・内側コイル、７３・・・外側コイル、７５・・・エ
ミッター出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 手 続 補 正 書 平成 年 月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外管内に透光性セラミックチューブよりなる発光管を収
   容し、この発光管は電極を封装した両端部間に屈曲部を
   設けてなり、上記外管内を真空または希ガス雰囲気とし
   たセラミック放電灯において、 上記電極には、少なくとも酸化イットリウム、酸化トリ
   ウムおよび希土類酸化物の１種を主体としたエミッター
   を担持させたことを特徴とするセラミック放電灯。