説明

セラミックメタルハライドランプ

【課題】発光管を破損するような過大なランプ電流は瞬時に遮断する機能を備えたセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【解決手段】外球の内部にセラミックス製発光管を備えたセラミックメタルハライドランプにおいて、該セラミックス製発光管は、発光部と、その両端に夫々接合された細管部とが一体成型された発光管であり、前記発光管に直列に接続された過電流制御手段を備え、前記過電流制御手段は、ヒューズから成り、該ヒューズの特性は、(式1)で規定した溶断限界を超えるランプ電流が流れると瞬時に溶断する、セラミックメタルハライドランプ。
【数1】

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、セラミックメタルハライドランプに関する。更に具体的には、本発明は、発光管の破裂を防止する手段を備えたセラミックメタルハライドランプに関する。
【背景技術】
【0002】
図1は、従来のメタルハライドランプ照明装置100の回路を示す図である。メタルハライドランプ照明装置100は、商用交流周波数の交流電源2から、ヒューズ4を備えた安定器6を経て、セラミックメタルハライドランプ8に電力が供給されて点灯する。このヒューズ4は、過電流が安定器6やランプ8に流れた時に溶断し、これらが損傷するのを防止している。
【0003】
しかし、安定器6の寿命等により内部のコイルが短絡した場合、ランプ8に過大な電流が流れることがある。このような過大な電流によって、ヒューズ4が溶断する前に、ランプ8に過電流が流れてしまうおそれがある。メタルハライドランプの発光管12は、高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ等の他の高輝度ランプ(HIDランプ)に比較して、高温高圧状態にある。従って、メタルハライドランプでは、安定器6に設けられたヒューズ4では防ぎきれなかった発光管12の破裂という問題が生じている。
【0004】
セラミックス製の発光管を備えたメタルハライドランプは、特に、セラミックメタルハライドランプと称している。セラミック製発光管は、従来のメタルハライドランプで使用されていた石英ガラス製発光管に比較して、温度変化に対して脆弱な面を有しているので、発光管の破裂は、一層問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004-281098号公報「メタルハライドランプ」(公開日:2004年10月07日)、(特許第4471070号) 特許文献1では、安定器のヒューズとは別にランプ内に溶断線を設け、前記「溶断線13のしきい値電流Ithは、図2に示す直線T1と直線T2の間のドットハッチングの領域に設定すべきであることが分かる。」(段落0032)と記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本出願人の使用しているセラミック製発光管は、細管と発光部が一体成型されており、特許文献1に記載されたランプに使用されている発光管(テーパーエンド型)に比較して破裂しにくいが、破裂するときには細管と発光部との境界付近から破裂する傾向を有している。
【0007】
即ち、このセラミック製発光管は、両端に電極が挿入された細管を有し、発光部が透光性セラミックスからなり、細管と発光部が一体成型され、発光管の破裂は発光部と細管部との境界付近を起点として発生している。
【0008】
これは細管部に著しい過電流が流れたとき、内部を通る電流供給体(モリブデンコイル棒)が急速に加熱されて膨張し、高温の電流供給体が発光管細管部の接近した部分に接触又は急加熱することで、発光管にクラックが生じ、破裂に至ると考えられる。
【0009】
このような発光管を備えたランプに関しては、発光管自体が異なるため、特許文献1にて開示された溶断線(ヒューズ)では確実なランプ破裂防止を保証できなく、新たな溶断線(ヒューズ)の規定方法を確立する必要があった。
【0010】
また特許文献1には、ヒューズ溶断までの時間に関する記載が無いので、この点に関しても検討する必要があった。
【0011】
このため、本発明は、発光管を破損するような過大なランプ電流が流れると瞬時に遮断する機能を備えたセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【0012】
更に、本発明は、発光管を破損するような過大なランプ電流が流れると瞬時に遮断すると共に、通常のランプ電流のバラツキに対してはランプ点灯を維持する機能を備えたセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的に鑑みて、本発明は、外球の内部に、発光部と、その両端に夫々接合された細管部とが一体成型されたセラミックス製発光管と、前記発光管に直列に接続された過電流制御手段とを備えたセラミックメタルハライドランプであって、前記過電流制御手段は、ヒューズから成り、前記ヒューズは、(式1)で規定した溶断限界を超えるランプ電流が流れると瞬時に溶断する特性を有している。
【0014】
【数1】

更に、上記セラミックメタルハライドランプでは、前記ヒューズは、更に、(式2)で規定した誤作動限界のランプ電流が流れても溶断せず誤作動は発生しない特性を有する、セラミックメタルハライドランプであってよい。
【0015】
【数2】

更に、上記セラミックメタルハライドランプでは、前記ヒューズは、ニッケルNi、ニッケル合金又はニクロム製の単線又は撚り線であってよい。
【0016】
上記セラミックメタルハライドランプでは、前記発光管の肉厚は、0.6〜1.3mmであってよい。
【0017】
更に、上記セラミックメタルハライドランプでは、前記セラミックメタルハライドランプの定格電力は、35〜1,000Wであり、定格ランプ電圧は、85〜150Vであってよい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、本発明は、発光管を破損するような過大なランプ電流が流れると瞬時に遮断する機能を備えたセラミックメタルハライドランプを提供することができる。
【0019】
更に、本発明によれば、発光管を破損するような過大なランプ電流が流れると瞬時に遮断すると共に、通常のランプ電流のバラツキに対してはランプ点灯を維持する機能を備えたセラミックメタルハライドランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】図1は、従来のメタルハライドランプ照明装置の回路を示す図である。
【図2】図2は、セラミックメタルハライドランプの中心軸線に沿った要部断面図である。
【図3】図3は、セラミックメタルハライドランプ照明装置の回路を示す図である。
【図4A】図4Aは、定格点灯中のランプに過電流を流し、発光管を破裂させる実験のデータである。
【図4B】図4Bは、始動時(冷間時)のランプに過電流を流し、発光管を破裂させる実験のデータである。
【図4C】図4Cは、ヒューズの溶断限界特性及び誤作動限界特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明に係るセラミックメタルハライドランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ符号を付与して、重複した説明を省略する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、本発明の技術的範囲を何等限定するものではないことを承知されたい。
【0022】
[セラミックメタルハライドランプ]
(ランプの構成)
図2は、セラミックメタルハライドランプ8の中心軸線に沿った要部断面図である。メタルハライドランプ8は、口金14を形成した外管16内に、ステム20に固定された支柱18に支持された発光管12、発光管に始動電圧を供給する非線形セラミックコンデンサFEC22等のランプ内始動器が配置されている。外管16内は、真空に保持されている。
【0023】
発光管12は、断面で見てほぼ楕円形状に形成された発光部12aと、その両端に夫々接合された細管部12b,12cとが一体成型されている。発光管12の肉厚は、0.6〜1.3mm程度である。発光部12aはセラミックスから形成され、中央部から細管接合部に向けて徐々に内径が小さくなっている。各細管部12b,12cには、電極及び電流供給体が挿入されている。
【0024】
このセラミックメタルハライドランプの定格電力P0は、35〜1,000Wの範囲にあり、定格ランプ電圧V0は、85〜150Vの範囲にある。
【0025】
(ランプ回路)
(回路構成)
図3は、図2に示すセラミックメタルハライドランプを使用した照明装置10の回路を示す図である。図1の従来のメタルハライドランプ照明装置100の回路と比較して、発光管12に対して、過電流制御手段(「ヒューズ」ともいう。)24を設けた点で相違する。
【0026】
図3に示すように、商用交流電源2に対して、安定器6及び図2に示すメタルハライドランプ8が直列に接続されている。メタルハライドランプ8内では、発光管12及び過電流制御手段24が直列に接続され、この直列回路に対して、非線形セラミックコンデンサFEC22及び抵抗Rs28の直列回路が並列接続され、同様に抵抗Rc26が並列接続されている。セラミックメタルハライドランプ8を示す破線ブロックの入口がランプの口金部分にあたる。
【0027】
過電流制御手段(ヒューズ)24に関しては、後で説明する。
【0028】
始動時には、FEC22に交流電圧が加わり、その特性を利用してスイッチング素子としてパルス電圧を発生する。即ち、半サイクルごとに急激な電流変化(dI/dt)が生じてパルス電圧が発生する。FEC22の作用により始動回路に発生した高電圧パルスが支柱18(図2参照)から発光管12に印加される。高電圧パルスが印加された発光管12の内部では絶縁破壊が起こり、アーク放電が発生して、発光管12が点灯する。
【0029】
[過電流制御手段]
(ランプ電流と過電流制御手段)
安定器6は、チョークコイル6aを主体としており、1次側(交流電源側)と2次側(ランプ側)の間に設けられてランプ8に流れる電流を制御している。安定器(具体的には、チョークコイル)6を小型化・低価格化するためには、ランプ電流Iを小さく押さえることが必要となる。しかし、ランプ電流Iが小さいと、ランプ側では、必要な電力値を得るためにランプ電圧Vを高くする必要があるが、ランプ電圧Vが高くなりすぎて電源電圧に近くなるとランプの立ち消え等の問題が生じてくる。
【0030】
一方、ランプ側では、反対にランプ電流Iを大きくしたいが、この場合は、安定器6のコイルの大型化・高価格化につながる。
【0031】
このため、セラミックメタルハライドランプ照明装置の設計思想の相違により、同じ定格ランプ電力P0でも、「定格ランプ電流I0×定格ランプ電圧V0の組み合わせ」が複数存在している。例えば、定格電力150Wのランプの場合、定格ランプ電圧130V仕様、90V仕様、70V仕様等のランプが存在し、これに対応して定格ランプ電流は1.15A、1.67A、2.14Aと異なった電流値となっている。
【0032】
過電流制御手段であるヒューズ(「溶断線」ともいう。)24は、溶断特性の良好なニッケルNi、ニッケル合金、ニクロム等の単線又は撚り線であってよい。本実施形態では、Ni線を使用している。
【0033】
過電流制御手段24は、ジュール熱I2Rによる温度上昇によって溶断する。即ち、温度上昇は、ヒューズに流れる電流(即ち、実際にランプに流れているランプ電流)Iの二乗に比例している。従って、定格ランプ電力P0を基準にして溶断電流値を規定すると、この定格電力に対する「定格ランプ電流I0×定格ランプ電圧V0の組み合わせ」が複数存在するため、ランプ電流Iが一定しないという問題がある。定格ランプ電流I0は、ランプが正常な状態の時にランプに流れる電流値であり、定格ランプ電流I0が大きいランプでは異常時に流れるランプ電流Iも大きくなる。
【0034】
従って、ヒューズ24の溶断特性は、定格ランプ電流I0を基準に規定する必要がある。
【0035】
(ヒューズの特性)
図4A〜4Cを参照されたい。ヒューズ24の特性は、発光管12を破損するような過大なランプ電流Iは瞬時に遮断することが求められる。更に、ヒューズ24の特性は、発光管12を破損するような過大なランプ電流Iに対しては瞬時に遮断すると共に、通常のランプ電流Iのバラツキに対してはランプ点灯を維持することが求められる。
【0036】
最初に、ヒューズ24の特性を規定するため、発光管12が破裂する最小破裂電流を実験により求めた。このため、2つの状況の実験を行った。第1は、図4Aに示す定格点灯中のランプ8に過電流を流し、発光管12を破裂させる実験である。第2は、図4Bに示す始動時(冷間時)のランプ8に過電流を流し、発光管12を破裂させる実験である。各々、各定格電流の各ランプ通過電流に関して、10本のランプを実験した。実験の結果、発光管の破裂は、いずれも1〜2秒の間で発生した。2つの状況の実験の結果を合わせて、最小破裂電流(▲)(図4A及び4B中の○でデータが囲まれている。)を求め、図4Cのグラフにプロットしている。
【0037】
次に、通常のランプ電流Iのバラツキに対してはランプ点灯を維持するように、発光管12には異常は無いが、発光管12を流れる可能性のある最大正常電流を求めた。発光管12に流れる最大電流は、ランプの始動時に流れる「始動時電流」である。これは、安定器二次短絡電流に近い値である。ランプ仕様では、電源電圧の最大変動は、定格電源電圧±6%と規定されている。従って、安定器二次短絡電流の1.06倍を最大正常電流(◆)として、グラフにプロットしている。
【0038】
この結果、最小破裂電流(▲)特性及び最大正常電流(◆)によって、ヒューズ24の特性を規定すればよいことが分かる。
【0039】
具体的には、発光管12を破損するような過大なランプ電流Iに対しては瞬時遮断する特性として、最小破裂電流(▲)より低いランプ電流値Iに対応したヒューズの溶断限界特性を規定する。
【0040】
更に、発光管12を破損するような過大なランプ電流Iに対しては瞬時遮断すると共に、通常のランプ電流Iのバラツキに対してはランプ点灯を維持する特性として、最小破裂電流(▲)より低いランプ電流値Iに対応したヒューズの溶断限界特性を規定すると共に、最大正常電流(◆)より高いランプ電流Iに対応したヒューズの誤作動限界特性を規定すればよい。
【0041】
溶断限界特性を超えるランプ電流Iが流れたヒューズは、瞬時に(例えば、1秒未満で)溶断する特性が求められる。これは、発光管の破裂が1〜2秒の間に発生するので、発光管の破裂前にヒューズが溶断することで、発光管の破裂を未然に防ぐためである。ヒューズの溶断の応答(レスポンス)の確認実験を行ったところ、一定の電流が流れた場合、レスポンスの良好な、即ち、瞬時に(例えば、1秒未満で)溶断するヒューズが複数存在することを確認できた。
【0042】
誤作動限界特性に達しないランプ電流Iが流れたヒューズは、60秒以上溶断しない特性が求められる。ランプ及び安定器が正常な状態であれば、安定器二次短絡電流に近い始動電流は、60秒以上流れることはないからである。
【0043】
ここで、実際に市場で入手し得るNi製ヒューズに関して、複数のメーカのヒューズを入手して調査したところ、ヒューズの素材の純度の相違、製造上のバラツキ等により、標準偏差の4倍(4σ)で最大±20%のバラツキが有ることが判明した。従って、ヒューズ24の溶断限界特性は、(溶断限界+20%)でも最小破裂電流(▲)を下回るように規定した。ヒューズの誤作動限界特性は、(誤作動限界−20%)でも最大正常電流(◆)を上回るように規定した。
【0044】
これらの結果、(式1)で規定した溶断限界を超えるランプ電流Iが流れると、ヒューズ24は瞬時に溶断し、発光管12が破裂することは無い。
【0045】
【数1】

更に、(式2)で規定した誤作動限界のランプ電流Iが流れても、ヒューズ24が溶断する誤作動は発生しない。
【0046】
【数2】

(式1)及び(式2)の示す意味は、例えば、定格電流I0=2.00Aの場合、(式1)より溶断限界特性からI=12.5Aが得られる。この溶断限界特性を超えるランプ電流(I=12.5Aを超える電流)が流れると、このヒューズ24は瞬時に(例えば、1秒未満で)溶断する特性を有する。
【0047】
更に、(式2)より誤作動限界特性からI=7.4Aが得られる。この誤作動限界特性に達しないランプ電流(I=7.4A未満の電流)が流れても、ヒューズ24は60秒以上溶断せず、結果的に溶断しない特性を有する。
【0048】
(式1)と(式2)の間の領域(即ち、ランプ電流I=12.5〜7.4Aの範囲)では、ヒューズ24の特性は、特に規定されない。
【0049】
なお、参考のため、(溶断限界+20%)及び(誤作動限界−20%)もグラフにプロットしてある。(溶断限界+20%)は、最小破裂電流(▲)より低く、一方、(誤作動限界−20%)は、最大正常電流(◆)より高いことが分かる。
【0050】
[本実施形態の利点・効果]
以上、本発明に係るセラミックメタルハライドランプの実施形態について説明したが、これらは例示であり、本発明の範囲を何等制限するものではない。本実施形態に対して当業者が容易に成し得る追加・削除・変更・改良等は本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添附の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【符号の説明】
【0051】
2:商用交流電源、 4:ヒューズ、 6:安定器、 6a:チョークコイル、 8:セラミックメタルハライドランプ、 12:発光管,セラミックス製発光管、 12a:発光部、 12b,12c:細管部、 14:口金、 16:外管、 18:支柱、 20:ステム、 22:非線形セラミックコンデンサFEC、 24:過電流制御手段,溶断線,ヒューズ、 26,28:抵抗、

【特許請求の範囲】
【請求項1】
外球の内部に、発光部と、その両端に夫々接合された細管部とが一体成型されたセラミックス製発光管と、
前記発光管に直列に接続された過電流制御手段とを備えたセラミックメタルハライドランプであって、
前記過電流制御手段は、ヒューズから成り、
前記ヒューズは、(式1)で規定した溶断限界を超えるランプ電流が流れると瞬時に溶断する特性を有する、セラミックメタルハライドランプ。
【数1】

【請求項2】
更に、前記ヒューズは、(式2)で規定した誤作動限界のランプ電流が流れても溶断せず誤作動は発生しない特性を有する、請求項1に記載のセラミックメタルハライドランプ。
【数2】

【請求項3】
前記ヒューズは、ニッケルNi、ニッケル合金又はニクロム製の単線又は撚り線である、請求項1〜2のいずれか一項に記載のセラミックメタルハライドランプ。
【請求項4】
前記発光管の肉厚は、0.6〜1.3mmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のセラミックメタルハライドランプ。
【請求項5】
前記セラミックメタルハライドランプの定格電力は、35〜1,000Wであり、定格ランプ電圧は、85〜150Vである、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセラミックメタルハライドランプ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4A】
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【図4B】
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【図4C】
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【公開番号】特開2013−37925(P2013−37925A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−173623(P2011−173623)
【出願日】平成23年8月9日(2011.8.9)
【特許番号】特許第5126559号(P5126559)
【特許公報発行日】平成25年1月23日(2013.1.23)
【出願人】(000000192)岩崎電気株式会社 (533)
【Fターム(参考)】