JP5565344B2 - ハロゲン電球 - Google Patents

Description

本発明は、タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなるフィラメントを備えたハロゲン電球に関し、商業ディスプレイなどに使用される６０Ｗタイプと同程度の明るさを有する定格電力約５０Ｗの省エネ型ハロゲン電球に関する。

ハロゲン電球は、バルブ内に封入する窒素やアルゴン等の不活性ガスに、ヨウ素、臭素などのハロゲンガスを微量添加したものである。
点灯時には、白熱したタングステンフィラメントから昇華するタングステンが、ハロゲンと反応してハロゲン化タングステンとなり、再び高温のフィラメントに戻るハロゲンサイクルを生じる。
これにより、長寿命を図ると共に、蒸発したタングステンがバルブ内面に付着しないため、バルブ黒化による明るさの低下もなく、寿命末期まで一定の明るさを維持することができる。

図５には、そのようなハロゲン電球１の一般構成を示す説明図であって、バルブ２の片端が加熱圧着されて封止部３が形成され、当該封止部３には、フィラメント４の両端を支持すると共に当該フィラメント４に給電する一対の内部リード５Ａ，５Ｂと、外部から電力の供給を受ける一対の外部リード６Ａ，６Ｂを溶接する一対のモリブデン箔７Ａ、７Ｂが封止されている。

内部リード５Ａ，５Ｂは、円柱状のガラスビーズ８に貫通されて、一方の内部リード５Ａはバルブ２の先端側まで延設される支柱を兼用し、バルブ２の光軸方向に沿って配されたフィラメント４の先端側４ａを支持すると共に、他方の内部リード５Ｂがフィラメント４の基端側４ｂを支持している。

また、両端を前記内部リード５Ａ，５Ｂに支持されるフィラメント４は、タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなる。
そして、外力により、フィラメント４が撓んだり振動したりしないように、その中間部４ｃが、ガラスビーズ８に取り付けられたアンカー９の先端のフック９ａに引っ掛けられて支持されている。
そして、図６に示すように、例えばエジソンベースの口金１０が形成された反射鏡１１に取り付けられて使用される。

図７はこの種のハロゲン電球１を使用した店舗用のスポットライト１２を示し、ダウントランスが内蔵されたスライドベース１３に、照明方向調整支柱１４が取り付けられ、その先端に、反射鏡付きハロゲン電球１を内蔵した照明ヘッド１５が左右回動可能に、且つ、上下傾動可能に取り付けられている。
そして、店舗では、このスポットライト１２を天井１６に設けた配線ダクト１７に設置し、店舗内の商品配置やディスプレイのレイアウトに応じて最適な照明効果が得られるように、配線ダクト１７に沿ってスライドベース１３をスライドさせて位置決めを行い、照明ヘッド１５を左右回動させ、あるいは、上下に傾動させて照射方向を調節して使用している。

ところで、近年、省エネの要請により、例えば、定格電力が６０Ｗのハロゲン電球を使用している場合に、定格電力５０Ｗで、６０Ｗランプ相当の明るさが得られる低電力タイプのハロゲン電球が望まれている。
この要望にこたえるべく、出願人が、省エネタイプのハロゲン電球を試作して点灯試験を行ったところ、６０Ｗ相当の明るさが得られる省エネ型の５０Ｗランプは、全体的な傾向としてフィラメントの溶断事故が発生し易く、ランプ寿命が短くなるという問題を生じた。

そして、発明者らが研究を重ねた結果、フィラメントの溶断を起こすのは、点灯した状態で隣接する二次コイル同士が接触する程度にフィラメントの変形を生じることが原因であることが判明した。

フィラメント４の変形は、例えば、点灯させた状態でスポットライト１２を配線ダクト１７に沿ってスライドさせるときに配線ダクト１７とのガタでノッキングを起こしたり、照明ヘッド１５の照射方向を調整するときに照明ヘッド１５がスムースに動かずに回転方向にノッキングを起こしたり、玉切れした反射鏡付きランプを交換するときに、電源を切らずに、新しいランプを回しながらソケットに装着している途中で接点が接触して点灯されたときに、ソケットとのガタツキや手で急旋回させることに起因してフィラメントに外力が作用したときに、その慣性力により生ずるものと考えられる。

図８はフィラメント４の変形の様子を示す説明図であって、図８（ａ）に示すように、光軸Ｘに対して横方向Ａに慣性力が作用したときは、アンカー９のフック９ａに引っ掛けられている中間部４ｃが拘束されたままフィラメント４が撓むように変形するため、その中間部４ｃで二次コイルが接触しやすい。
また、図８（ｂ）に示すように、光軸Ｘに対して縦方向に外力が作用して、コイル状のフィラメント４がばね変形した場合に、例えば上向き（Ｂ方向）に縦波が伝播すると、やはりアンカー９のフック９ａに引っ掛けられている中間部４ｃや、コイル先端側４ｄに変形が集中して二次コイルが接触しやすい。

そして、このようにフィラメント４の二次コイル同士が接触した場合、非点灯状態であればコイルが離れて元に戻るため問題は生じないが、点灯状態ではフィラメント４が白熱して２４００〜２７００℃に達しており、この状態で二次コイル同士が接触すると接触部分が溶接されて短絡するためフィラメント４の抵抗が低下し、その結果、過電圧が印加されて過電流が流れることとなるため、フィラメント４が溶断されやすくなり、ランプ寿命が短縮されるという問題を生じた。

このような問題は、従来の６０Ｗのハロゲン電球では生じなかったため、発明者は従来の６０Ｗのランプと、省エネタイプの５０Ｗハロゲン電球とを比較するため、衝撃実験を行った。
図９は、このとき使用した衝撃試験機を示す説明図である。
衝撃試験機２１は、ベース２２に立てられた支柱２３に摺動自在に配されて重力落下する落下テーブル２４に、反射鏡付きのハロゲン電球１を下向きに装着するソケット２５と、衝撃を測定する加速度センサ２６が固定されている。
実験は、ソケット２５に装着したハロゲン電球１を点灯させた状態で高さＨから落下テーブル２４を落下させ、その高さＨを徐々に上げてランプ１に与える衝撃を強くしていく。

このとき、点灯回路に電流計を接続し（図示せず）、ハロゲン電球１に流れる電流をモニタしながら、衝撃を加えた時の電流値の変化を計測する。
衝撃がフィラメントコイルに加わり、そのフィラメント４が短絡すると、ランプ１に流れる電流値が高くなるので、その電流変化の有無にて短絡したか否かの判断をする。
そして、落下した瞬間に電流が上昇したときの加速度（衝撃）をそのランプ１の耐衝撃力とする。

この実験の結果、従来の６０Ｗランプの耐衝撃力の平均値が２９Ｇであったのに対し、省エネ型の５０Ｗランプの耐衝撃力が２６Ｇであった。
したがって、その分、耐衝撃性に劣ることが判明した。

このため、省エネ型ランプでも対衝撃性を向上させるため、フィラメント４の二重巻きコイル部のコイル長及びコイル外径の寸法を規定したハロゲン電球が提案されている（特許文献１）。
しかしながら、本発明者が特許文献１に従ってハロゲン電球を試作したところ、所定の効果が得られるものもあれば、得られないものもあった。
すなわち、５０Ｗの省エネ型ランプでも従来の６０Ｗランプの平均光度（狭角：５９００ｃｄ、中角：３２００ｃｄ、広角：１５００ｃｄ）が得られるものの耐衝撃性が劣っていたり、従来の６０Ｗランプの平均耐衝撃力２９Ｇはクリアしているものの必要な光度が得られないとうものもあった。
さらに実験を重ねた結果、その原因はコイルピッチにあり、耐衝撃性は二次コイルのコイルピッチに依存し、しかも、そのコイルピッチは単に所定の数値範囲内にあれば足りるものではなく、コイル外径に依存することが判明した。

特開２００９−２５２６８０号公報

そこで本発明は、従来の６０Ｗのハロゲン電球と同等以上の耐衝撃性を有するとともに、６０Ｗ相当の光度が得られる省エネ型の５０Ｗのハロゲン電球を提供することを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなるフィラメントを備えた定格電力約５０Ｗのハロゲン電球において、
前記フィラメントは、二次コイルのコイル長Ｌ及び二次コイルの外径Ｄが式１及び２の範囲にあり、一次コイルの外径をｄ（ｍｍ）、二次コイルのピッチ距離をＰ（ｍｍ）としたときに、Ｐ／ｄ×１００で定義される二次コイルのコイルピッチＹ（％）が、二次コイルの外径Ｄ（ｍｍ）に対し式３の関係にあることを特徴とする。
８.０５≦Ｌ≦９.１５………（式１）
１.２１≦Ｄ≦１.５１………（式２）
１８９Ｄ−７０.６９≦Ｙ≦２１７.６７Ｄ−８１.３７７………（式３）

本発明に係る５０Ｗの省エネ型ハロゲン電球によれば、衝撃試験において、従来の６０Ｗランプの平均２９Ｇより高い平均３３Ｇの耐衝撃力が得られた。
また、実際の点灯試験において、通常の点灯状態でランプを動かすときに生じ得るノッキングや外力によっては、フィラメントの短絡に起因して溶断事故を生ずることがなかった。
さらに、光度を比較しても、従来の６０Ｗと同等の光度が得られた。

本発明に係るハロゲン電球に用いるフィラメントの寸法図。 フィラメントの二次コイルのコイル外径とコイルピッチの関係を示すグラフ。 良品データを示す一覧表。 不良品データを示す比較例。 ハロゲン電球の一般的構成を示す説明図。 反射鏡付きハロゲン電球を示す説明図。 ハロゲン電球の使用状態を示す説明図。 フィラメントの挙動を示す説明図。 衝撃試験機を示す説明図。

本例では、定格電力約５０Ｗの省エネ型ハロゲン電球において、従来の６０Ｗのハロゲン電球と同等以上の耐衝撃性を有するとともに、６０Ｗ相当の光度が得られるようにするという目的を達成するために、タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなるフィラメントを備え、前記フィラメントは、二次コイルのコイル長Ｌ及び二次コイルの外径Ｄが式１及び２を満たし、一次コイルの外径をｄ（ｍｍ）、二次コイルのピッチ距離をＰ（ｍｍ）としたときに、Ｐ／ｄ×１００で定義される二次コイルのコイルピッチＹ（％）が、二次コイルの外径Ｄ（ｍｍ）に対し式３の関係にある。
８.０５≦Ｌ≦９.１５………（式１）
１.２１≦Ｄ≦１.５１………（式２）
１８９Ｄ−７０.６９≦Ｙ≦２１７.６７Ｄ−８１.３７７………（式３）

本発明に係るハロゲン電球１の構成は、図５に示す通りであるので、共通部分は同一符号を付してその詳細説明は省約する。
ハロゲン電球１は、定格電圧１１０Ｖ、定格電力約５０Ｗに設計されている。ここで、定格電力約５０Ｗとは、４６Ｗ〜５４Ｗの範囲であればよい。
そして、このハロゲン電球１のフィラメント４は、タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなる。

図１は本発明のハロゲン電球１に使用するフィラメント４を示し、その素線の線径ｔ（ｍｍ）及び素線長ｌ（ｍｍ）が、
０.０４０≦ｔ≦０.０４７
３６３≦ｌ≦４６７
である。そして、この素線を、巻回して形成される一次コイルは、コイル外径ｄ（ｍｍ）が、
０.２７≦ｄ≦０.５１４
を満たすように形成され、さらに、一次コイルの隣接するコイルピッチ距離をｐ（ｍｍ）としたときに、ｙ＝ｐ／ｔ×１００で定義される一次コイルのコイルピッチｙ（％）が、
１６０≦ｙ≦２２０
を満たすように形成されている。つまり、素線径ｔに対して素線間に０.６〜１.２倍の隙間が形成されていることになる。

このように形成された一次コイルをさらに巻回して形成される二次コイルは、コイル長をＬ（ｍｍ）及びコイル外径Ｄ（ｍｍ）が、
８.０５≦Ｌ≦９.１５………（式１）
１.２１≦Ｄ≦１.５１………（式２）
を満たすように形成され、さらに、Ｙ＝Ｐ／ｄ×１００で定義される二次コイルのコイルピッチＹ（％）と二次コイルのコイル外径Ｄが、
１８９Ｄ−７０.６９≦Ｙ≦２１７.６７Ｄ−８１.３７７………（式３）
の関係を満たすように形成されている。

ここで、二次コイルのコイル外径Ｄを１.２１（ｍｍ）より小さくするとフィラメント４の剛性は向上するが、コイル長Ｌをこの範囲に抑えようとすると、隣接するピッチ間が短くなるためわずかな変形量で二次コイル同士が短絡しやすくなり、結果的に耐衝撃性に劣る。
二次コイルのコイル外径Ｄを１.５１（ｍｍ）より大きくすると隣接するピッチ間が大きくなるが、フィラメント４の剛性が低下するため、変形量が大きくなり、結果的に剛性が低下して、やはり二次コイル同士が短絡しやすくなる。さらに、短絡しない場合でも、ピッチ間が大きくなることにより放熱量が増大し、点灯時にフィラメント温度が上がらず、所望の光度を得ることができない。

また、コイルピッチＹは大きければ、大きな変形量を許容できる反面、放熱量が大きくなるため光度を維持することができなくなり、小さければ大きな変形量を許容することができないものの放熱を抑えて高光度を維持することができる。
そして、適正なコイルピッチＹ（％）は二次コイルのコイル外径Ｄに依存し、コイル外径Ｄが小さければコイルピッチも相対的に小さくなり、コイル外径Ｄが大きくなればコイルピッチも相対的に大きくなる。

そして具体的には、コイルピッチＹ＜１８９Ｄ−７０.６９であるときは、二次コイルのコイル外径Ｄに比してコイルピッチＹが小さすぎて、変形を許容することができず、コイルピッチＹ＞２１７.６７Ｄ−８１.３７７であるときは、二次コイルのコイル外径Ｄに比してコイルピッチＹが大きすぎて放熱量が多くなって光度低下を招く。

以上の知見に基づき、効果を確認するために、各サイズのフィラメント４を用いて、その他の条件は一定にしたハロゲン電球１について、点灯試験及び衝撃試験を行い、その双方について所定の効果（耐衝撃力：２９Ｇ以上、光度：狭角４４２５ｃｄ以上、中角２４００ｃｄ以上、広角１１２５ｃｄ以上）が得られたものを良品と判断した。

図２は、フィラメント４の二次コイルのコイル外径ＤとコイルピッチＹの関係を示すグラフであって、グラフ中の枠線Ｆで囲まれた部分が、式２及び３の条件を満たす範囲である。
なお、図３及び図４はそのときに用いたフィラメント４のサイズを示す一覧表であり、図３のデータが良品と判断された本発明の実施例に係るもの、図４のデータが不良品と判断された比較例である。

図２に示された枠線Ｆ中、Ｄ＝１.２１の縦線が式２の下限を示し、Ｄ＝１.５１の縦線が式２の上限を示す。また、Ｙ＝１８９Ｄ−７０.６９の一次直線が式３の下限を示し、Ｙ＝２１７.６７Ｄ−８１.３７７の一次直線が式３の上限を示す。

そして、この図２のグラフ上に、図３及び図４のデータをプロットしていくと、図３のデータは、枠線Ｆ上及びその内部にプロットされ、図４のデータは枠線Ｆの外側にプロットされていることがわかる。
これより、６０Ｗと同等の光度で点灯可能な５０Ｗの省エネ型ハロゲン電球を製造する場合、そのフィラメント４の寸法を式１〜３を満たす範囲で設計すれば、光度低下もなく、耐衝撃性に優れたハロゲン電球１が得られる。

さらに、良品と判断されたハロゲン電球１を配線ダクト１７に装着して、点灯状態で移動させたり、照明ヘッドを上下左右に回転させて照射方向を調整したりしても、フィラメント４が溶断することがなかった。

本発明は、６０Ｗタイプと同程度の光度を有する定格電力約５０Ｗの省エネ型ハロゲン電球の用途に適用できる。

１ ハロゲン電球
４ フィラメント
ｔ 素線径
ｄ 一次コイルの外径
Ｄ 二次コイルの外径
Ｌ 二次コイルのコイル長
Ｙ 二次コイルのコイルピッチ
Ｐ 二次コイルのピッチ距離

Claims (3)

1. タングステン素線を螺旋状に巻いてコイル状に形成した一次コイルをさらに螺旋状に巻いて二次コイルが形成された二重巻きコイルからなるフィラメントを備えた定格電力約５０Ｗのハロゲン電球において、
   前記フィラメントは、二次コイルのコイル長Ｌ及び二次コイルの外径Ｄが式１及び２の範囲にあり、一次コイルの外径をｄ（ｍｍ）、二次コイルのピッチ距離をＰ（ｍｍ）としたときに、Ｐ／ｄ×１００で定義される二次コイルのコイルピッチＹ（％）が、二次コイルの外径Ｄ（ｍｍ）に対し式３の関係にあることを特徴とするハロゲン電球。
   ８.０５≦Ｌ≦９.１５………（式１）
   １.２１≦Ｄ≦１.５１………（式２）
   １８９Ｄ−７０.６９≦Ｙ≦２１７.６７Ｄ−８１.３７７………（式３）
2. 前記タングステン素線の線径が、０.０４ｍｍ以上０.０４７ｍｍ以下である請求項１記載のハロゲン電球。
3. 前記一次コイルの外径ｄが、０.２７ｍｍ以上０.５１４ｍｍ以下である請求項１又は２記載のハロゲン電球。
   
   
   

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