JP2007042428A

JP2007042428A - 放電管

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Publication number: JP2007042428A
Application number: JP2005225264A
Authority: JP
Inventors: Masumi Nakamichi; 眞澄中道
Original assignee: U Tec Co Ltd
Current assignee: U Tec Co Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP4675180B2

Abstract

【課題】管内に電極を設けずに両端を封口した蛍光管１の端部の外周に外部コイル４を配置することにより、製造が容易で低コストとなる放電管を提供する。
【解決手段】管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した蛍光管１の一端部の外周に外部コイル４を配置すると共に、この蛍光管１の他端部の外側に外部電極６を配置し、これらの外部コイル４と外部電極６との間に交流電源５を接続した構成とする。また、この蛍光管１の両端部の外周にそれぞれ外部コイル４，４を配置し、これらの外部コイル４，４に交流電源５又は交流電源５，５を接続した構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、放電管の内部に電極を形成しない放電管に関するものである。

照明用として広く普及している蛍光ランプの蛍光管や、液晶ディスプレイのバックライト等として広く普及している冷陰極管の蛍光管は、いずれも管内に電極（蛍光ランプの場合はフィラメント）を配置している。これらの蛍光管は、直管型やＵ字管又はＷ字管等の各形状の円筒状のガラス管の内壁面に蛍光体を塗布すると共に、このガラス管の内部に低圧の例えばアルゴンガスと水銀蒸気からなる放電ガスを封入して両端を封口したものである。また、電極は、このガラス管の内部の両端部にそれぞれ配置され、これらの両端の封口の際にリード材だけが封止されて外部に引き出されるようになっている。

ここで、冷陰極管の発光原理を図１に基づいて説明する。直管型の蛍光管１の内部の両端部に配置された電極２，２に高電圧を印加すると、電場Ｅが発生し管内に存在する電子ｅが加速されて、矢印（１）に示すように水銀原子Ｈｇに衝突する。すると、この水銀原子Ｈｇは、衝突した電子ｅの運動エネルギーを吸収して、矢印（２）に示すように最外殻電子ｅを放出するので、矢印（３）に示すようにイオン化して水銀イオンＨｇ^＋となる。しかも、電子ｅは、水銀原子Ｈｇとの衝突のたびに新たな電子ｅを発生させるので、電子なだれによって数が急激に増大する。また、このようにして励起状態となった水銀イオンＨｇ^＋は、矢印（４）に示すように一定の時定数に従って電子ｅと再結合することにより基底状態である水銀原子Ｈｇに戻ると共に、矢印（５）に示すように、このときのエネルギーを波長２４５ｎｍの紫外線として放出する。そして、この水銀原子Ｈｇが発した紫外線が蛍光管１の内壁面に形成された蛍光体層３によって可視光に変換されて、矢印（６）に示すように外部に放射されることになる。

なお、上記冷陰極管は、点灯開始時に高電圧を印加することにより電子ｅを加速させて放電を開始させるのに対して、蛍光ランプは、電極であるフィラメントを加熱して大量の熱電子を放出させることにより放電を開始させる点が異なるだけであり、発光原理自体は同じである。

しかしながら、上記のように、蛍光管１の内部に電極２，２が存在すると、放電プラズマ中でイオン化した水銀イオンＨｇ^＋やアルゴンイオンが矢印（７）に示すように負極となる電極２に衝突するので、この電極２の金属材料がスパッタされて金属Ｍが放出される。そして、この金属Ｍが水銀原子Ｈｇと結合しアマルガムを生成するために、点灯時間の経過に伴ってこれら電極２の金属材料と水銀原子Ｈｇが徐々に消耗されることになる。特に冷陰極管では、点灯開始時に１０００Ｖ以上の高電圧を印加する必要があるので、電極２でのスパッタ効果が激しくなり、水銀原子Ｈｇ等の消耗も非常に顕著となる。従って、蛍光管１の内部に電極２，２を設けた蛍光ランプや冷陰極管では、電極２でのスパッタ効果による水銀原子Ｈｇ等の消耗がランプ寿命を制限する主な要因となっていた。

そこで、従来から、蛍光管の内部に電極を形成しない蛍光ランプの提案が種々なされている。この蛍光ランプは、外部から蛍光管の内部に電場を発生させて、この管内の電子を加速させるようにしたものであり、この加速された電子が水銀原子に衝突することにより発光が行われる。そして、この蛍光管の内部に電場を発生させる方式としては、コイルが発生する磁束を利用した誘導結合型のものが、高い発光効率を得られるために有望視されている。

上記誘導結合型の蛍光ランプとしては、例えば図２に示すようなものが従来から提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この蛍光ランプの蛍光管１は、４本の筒状のガラス管１ａ〜１ｄを繋ぎ合わせて、管内をループ状に形成したものを用いている。そして、この管内に電場を発生させるために２個の外部コイル４，４をループ状の蛍光管１の対称位置となる２本のガラス管１ａ，１ｃの外周に配置している。これらの外部コイル４，４は、円環状のフェライトコア４ａ，４ａにそれぞれ巻線を巻回したものである。また、これらの外部コイル４，４には、それぞれ交流電源５，５が接続されている。従って、この蛍光ランプは、外部コイル４，４に交番電流が流れることによりフェライトコア４ａ，４ａ内に生じた磁束によって、ループ状の蛍光管１の管内に電場が発生する。すると、図１に示した冷陰極管の発光原理の場合と同様に、蛍光管１の管内に存在する電子がこの電場によって加速されて水銀原子に衝突することにより発光することになる。

ところが、上記従来の蛍光ランプは、蛍光管１がループ状に形成されているため、ガラス管１ａ〜１ｄの接合作業が高い技術と手間を必要とし、製造コストが上昇するという問題があった。しかも、１本のガラス管を無端の円環状に形成することは、さらに製造コストを上昇させることになる。また、外部コイル４のフェライトコア４ａは、例えば２分割しておき、ガラス管１ａやガラス管１ｃの外周で重ね合わせるように配置しなければならないので、組み立て作業が面倒になりコストが上昇するだけでなく、重ね合わせ部の磁気ギャップによって磁束の漏れが多くなり発光効率が低下するという問題もあった。

また、上記誘導結合型の蛍光ランプとしては、電球型の蛍光管１を用いたものも提案されている。しかしながら、この電球型の蛍光管１の外周に外部コイル４として巻線のみを巻回した蛍光ランプの場合には、この外部コイル４に電流を供給する交流電源５の周波数を極めて高くする必要があるので、この交流電源５が大型で重く高価になるという問題があった。さらに、この電球型の蛍光管１のガラス管壁の一部を内側に窪ませて凹部を形成し、この凹部の中に外部コイル４を配置した蛍光ランプの場合には、複雑な形状の蛍光管１の作製が容易ではないために、製造コストが極めて高くなるという問題があった。
特開平１１−１９１３９８号公報

本発明は、両端を封口した放電管の端部の外周に外部コイルを配置することにより、この放電管の内部に電極を設ける必要がなくなるだけでなく、放電管内の水銀やこの電極の消耗をなくして長寿命化を可能にすると共に、製造が容易で低コストの放電管を提供しようとするものである。

請求項１の放電管は、管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の一端部の外周に外部コイルを配置すると共に、この放電管の他端部の外側に外部電極を配置し、これらの外部コイルと外部電極との間に交流電源を接続したことを特徴とする。

請求項２の放電管は、管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の両端部の外周にそれぞれ外部コイルを配置し、これらの外部コイルに交流電源を接続したことを特徴とする。

請求項３の放電管は、管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の両端面に、内側に向けて窪んだ凹部を形成すると共に、これら両端面の凹部に、交流電源に接続された外部コイルをそれぞれ挿入配置したことを特徴とする。

請求項４の放電管は、前記放電管が、管状の内壁面の全部又は一部に蛍光体層を形成した蛍光管であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、交流電源の電圧を外部コイルと外部電極との間に印加することにより放電管内に放電が発生し、これによって外部コイルに電流が流れて磁束が発生し、放電管内に電場が誘導されるので、この電場により加速された電子の衝突により放電ガス中の金属原子が励起されて発光を維持することができるようになる。しかも、放電管の内部には電極が設ける必要がないので、製造工程を簡素化できるだけでなく、この放電管の寿命を延長することもできる。さらに、この放電管は、両端を有する直管型やこれを曲げたＵ字管型等であるため、従来からの一般的な放電管の製造工程を利用できるだけでなく、外部コイルをこの放電管の端から容易に嵌め込むことができるようになるので、組み立てコストを低減することもできるようになる。

請求項２の発明によれば、交流電源の電圧を両端部の外部コイルに印加することにより放電管内に放電が発生し、これによって外部コイルに電流が流れて磁束が発生し、放電管内に電場が誘導されるので、この電場により加速された電子の衝突により放電ガス中の金属原子が励起されて発光を維持することができるようになる。また、各外部コイルに交流電源が接続されている場合には、これらの外部コイルに電流が流れて磁束が発生し、放電管の両端部で電場が誘導されるので、この放電管内に放電が発生すると共に、この誘導電場により加速された電子の衝突により放電ガス中の金属原子が励起されて発光を維持することができるようになる。

しかも、放電管の内部には電極が設ける必要がないので、製造工程を簡素化できるだけでなく、この放電管の寿命を延長することもできる。さらに、この放電管は、両端を有する直管型やこれを曲げたＵ字管型等であるため、従来からの一般的な放電管の製造工程を利用できるだけでなく、外部コイルをこの放電管の端から容易に嵌め込むことができるようになるので、組み立てコストを低減することもできるようになる。

請求項３の発明によれば、交流電源からの電流が両端の凹部内の外部コイルに流れることにより、これらの外部コイルに磁束が生じて、放電管の両端部で電場が誘導されるので、この放電管内に放電が発生すると共に、この誘導電場により加速された電子の衝突により放電ガス中の金属原子が励起されて発光を維持することができるようになる。しかも、放電管の内部には電極が存在しないために、この放電管の寿命を延長することができる。さらに、外部コイルは、この放電管の両端面の凹部に挿入するだけでよいので、組み立てコストを低減することもできるようになる。

請求項４の発明によれば、長寿命で製造コストの安い蛍光管を提供することができるようになる。

以下、本発明の最良の実施形態について図３〜図１２を参照して説明する。なお、これらの図においても、図１及び図２に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。

本実施形態は、照明用や液晶ディスプレイのバックライトとして用いられる蛍光ランプについて説明する。この蛍光ランプに用いられる蛍光管１は、内壁面に蛍光体層が塗布等により形成された直管型の細長い円筒状のガラス管の両端を封口したものである。また、この蛍光管１の内部には、低圧のアルゴンガスと水銀蒸気からなる放電ガスが封入されている。そして、この蛍光管１の内部には電極は設けない。

なお、本発明の放電管に用いる放電ガスとしては、希ガスと金属蒸気との混合ガスであればよく、本実施形態のようなアルゴンガスと水銀蒸気に限らず、他の組み合わせを用いることもできる。また、本実施形態のように照明用やバックライトとして用いる蛍光管１の蛍光体層は、紫外線を可視光領域内の広範囲な波長領域の光に変換するものを用いることが好ましいが、用途によっては、可視光領域内に限らない特定の波長領域の光に変換するものであってもよい。さらに、例えば紫外線ランプ等の用途に用いる放電管の場合には、蛍光管１に代えて、内壁面に蛍光体層を形成しない放電管を用いることもできる。

また、本実施形態では、直管型の放電管（蛍光管１）を用いる場合を示したが、両端を有する管状のものであればよいので、直管型のものを曲げたＵ字管型等であってもよく、管の横断面形状も円形には限らない。さらに、この放電管は、本実施形態のようなガラス管に限らず、例えば石英ガラス管等を用いることもできる。

〔第１実施形態〕
第１実施形態（請求項１を引用した請求項４に対応）の蛍光ランプを図３〜図５に示す。この蛍光ランプは、図３に示すように、上記蛍光管１の一端部の外周に外部コイル４を配置すると共に、他端部の下方に外部電極６を配置したものである。外部コイル４は、円環状のフェライトコア４ａに巻線を巻回したものであり、この巻線に電流を流すと、磁束はほぼフェライトコア４ａ内にのみ生じて、ほどんど漏れ磁束が生じない。この外部コイル４は、フェライトコア４ａの内径孔に蛍光管１の一端部を挿入することにより、この蛍光管１の外周に配置される。外部電極６は、図３の正面図と図４の平面図に示すように、細長い導電性の金属板であり、蛍光管１の他端部の下方にある程度の隙間をあけて沿うように配置される。これら外部コイル４の巻線の一端と外部電極６との間には、交流電源５が接続される。また、外部コイル４の巻線の他端は開放されている。交流電源５は、以下の実施形態でも同様であるが、例えば数十ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の周波数のものであり、少なくとも放電の開始時には、外部コイル４と外部電極６との間に正負のピーク・ツー・ピークで２０００Ｖ程度の高電圧を印加することが好ましい。

上記蛍光ランプは、交流電源５による電圧が外部コイル４と外部電極６との間に印加されると、蛍光管１の内部に発生した電場によって、この蛍光管１の内部に存在する電子が加速され、この電子が放電ガスの水銀原子やアルゴン原子に衝突することにより電子なだれが起こり放電が開始される。すると、蛍光管１の内部がプラズマ状態となって電気抵抗が低下するので、外部コイル４に大きな電流が流れるようになり、フェライトコア４ａに交番磁束が生じることにより、この磁束に誘導されて蛍光管１の内部の電場が維持される。従って、蛍光管１の内部では、外部コイル４によって誘導された電場によって電子が加速され続けるので、この電子が放電ガス中の水銀原子に衝突し励起することにより、管全体が発光を維持することができるようになる。

上記蛍光ランプは、外部コイル４と蛍光管１との間は電磁誘導により結合され、この蛍光管１の内部は低抵抗のプラズマ状態となる。また、蛍光管１と外部電極６との間は、空間によって絶縁されているが、実際には、図３に示すように浮遊容量Ｃ_ｆを介して結合されていると考えられる。従って、この蛍光ランプの点灯時の等価回路は図５に示すものとなり、外部コイル４とプラズマ状態になった蛍光管１の抵抗と浮遊容量Ｃ_ｆとが直列に交流電源５に接続されたものとなる。なお、外部コイル４の巻線の開放された他端からは、若干電磁波が発生することになると思われるが、回路上の最適化とある程度の電磁シールドを設けることにより、他への影響は十分に低減することができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態（請求項１を引用した請求項４に対応）の蛍光ランプを図６に示す。この蛍光ランプは、図３及び図４に示した第１実施形態における外部電極６を、蛍光管１の他端部の外周を取り巻く導体によって構成したものである。この外部電極６は、例えば若干太めの導線を蛍光管１の外周に１回程度巻き付けたものでもよいし、ある程度幅のある導電板をガラス管壁の外表面にほぼ全周にわたって張り付けたようなものであってもよく、ガラス管壁の外表面に成膜した導電膜であってもよい。また、この外部電極６として、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等からなる透明電極をガラス管壁の外表面に成膜した場合には、蛍光管１が発した光をこの外部電極６を通して外部に照射することもできるので、発光光を有効利用することができるようになる。なお、外部コイル４や交流電源５の構成は、第１実施形態の場合と全く同じである。

上記蛍光ランプも、第１実施形態の場合と同様に、交流電源５による電圧が外部コイル４と外部電極６との間に印加されると、蛍光管１の内部で放電が開始される。そして、外部コイル４に流れた電流による磁束に誘導されて蛍光管１の内部で電場が維持されることにより、この蛍光管１の内部の放電ガス中の水銀原子が励起され続けて、管全体が発光を維持することができるようになる。

また、上記蛍光ランプも、外部コイル４と蛍光管１との間は電磁誘導により結合され、この蛍光管１の内部は低抵抗のプラズマ状態となる。そして、本実施形態の場合には、外部電極６が蛍光管１のガラス管壁の外表面に直接接しているが、プラズマ状態の管内とこの外部電極６の間は、ガラス管壁を介した浮遊容量を介して結合されていると考えられる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態（請求項２を引用した請求項４に対応）の蛍光ランプを図７及び図８に示す。この蛍光ランプは、図７に示すように、上記蛍光管１の両端部の外周にそれぞれ外部コイル４，４を配置したものである。各外部コイル４は、第１実施形態のものと同じ構成であり、それぞれフェライトコア４ａの内径孔に蛍光管１の端部を挿入することにより、この蛍光管１の外周に配置される。本実施形態では、これら外部コイル４，４の巻線の一端同士の間に交流電源５が接続され、これらの巻線の他端は開放されている。

上記蛍光ランプも、第１実施形態の場合と同様に、交流電源５による電圧が外部コイル４，４の間に印加されると、蛍光管１の内部で放電が開始される。そして、外部コイル４に流れた電流による磁束に誘導されて蛍光管１の内部に電場が維持されることにより、蛍光管１の内部の放電ガス中の水銀原子が励起され続けて、管全体が発光を維持することができるようになる。

また、上記蛍光ランプは、両端部の外部コイル４，４と蛍光管１との間がそれぞれ電磁誘導により結合され、この蛍光管１の内部は低抵抗のプラズマ状態となる。従って、この蛍光ランプの点灯時の等価回路は図８に示すものとなり、２個の外部コイル４，４とプラズマ状態になった蛍光管１の抵抗が直列に交流電源５に接続されたものとなる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態（請求項２を引用した請求項４に対応）の蛍光ランプを図９及び図１０に示す。この蛍光ランプも、図７に示した第３実施形態と同様に、上記蛍光管１の両端部の外周にそれぞれ外部コイル４，４を配置したものである。ただし、図９の蛍光ランプは、これらの外部コイル４，４が直列に交流電源５に接続されている。即ち、一方の外部コイル４の巻線の一端と他方の外部コイル４の巻線の一端同士が接続されると共に、これらの外部コイル４，４の巻線の他端の間に交流電源５が接続される。これに対して、図１０の蛍光ランプは、これらの外部コイル４，４にそれぞれ交流電源５，５が接続されている。

上記蛍光ランプは、いずれも交流電源５又は交流電源５，５からの電流が直ちに外部コイル４，４に流れるので、これらの外部コイル４，４に発生した磁束に誘導されて蛍光管１の内部に電場が発生する。そして、これにより、蛍光管１の内部で放電が開始されると共に、この蛍光管１の内部の放電ガス中の水銀原子が励起され続けて、管全体が発光を維持することができるようになる。

〔第５実施形態〕
第５実施形態（請求項３を引用した請求項４に対応）の蛍光ランプを図１１に示す。この蛍光ランプは、蛍光管１の両端面のガラス壁に、それぞれ内側に向けて窪んだ凹部を形成し、これらの凹部に外部側から外部コイル４，４を挿入配置したものである。各外部コイル４は、円環状ではなく円柱状のフェライトコア４ａの周側面に巻線を巻回したものであり、それぞれに交流電源５が接続されている。

上記蛍光ランプは、交流電源５，５からの電流が外部コイル４，４に流れることにより、磁束Φがフェライトコア４ａ，４ａを通って蛍光管１の内部に生じる。そして、この磁束Φに誘導された電場Ｅが、磁束Φに直交する方向に発生し、これによって蛍光管１の内部で放電が開始されると共に、この蛍光管１の内部の放電ガス中の水銀原子が励起され続けて、管全体が発光を維持することができるようになる。

上記蛍光ランプは、外部コイル４，４の磁束Φの漏れが大きくなるので、発光効率はある程度低下するが、蛍光管１の外部に突起物がないため、密着させたりほとんど隙間なく並べることができ、配置スペースの無駄をなくすことができるようになる。

〔全実施形態〕
上記第１〜第５の実施形態によれば、蛍光管１の内部に電極が存在しないために、この電極を管内に組み込んで封止する工程が不要となり、この蛍光管１の製造が容易となる。しかも、管内の電極に水銀イオンやアルゴンイオンが衝突してスパッタされるようなことがなくなるので、水銀等の消耗もなくなり、蛍光管１の大幅な長寿命化を図ることができるようになる。そして、蛍光管１が長寿命になると、蛍光ランプの交換作業回数も減少するので、メンテナンス性の向上を図ることもできる。

また、上記実施形態によれば、蛍光管１は、両端を有する管状であるため、この蛍光管１の製造に従来からの一般的な工程を利用できるだけでなく、端部に外部コイル４を嵌め込んだり、端面の凹部に挿入するだけで容易に組み立てることができるので、製造コストを大幅に低減することができるようになる。しかも、特に上記実施形態のように直管型の蛍光管１を用いた場合には、多数本を接近して配置することにより、面光源状の照明やバックライトを構成することができるようになり、実用性の高いものとなる。ただし、Ｕ字管型の蛍光管１を用いた場合であっても、図１２に示すように、外部コイル４，４を嵌め込んだ端部が互い違いとなるように各蛍光ランプを並べれば、十分に接近して配置することはできる。

さらに、上記実施形態の蛍光ランプは、蛍光管１と外部コイル４，４や外部電極６とを分解して仕分けることが容易となり、分離された蛍光管１には金属部品が使われていないので、リサイクルの処理効率も向上させることができるようになる。特に、法令によって規制されることの多い水銀が放電ガスとして封入された蛍光管１を外部コイル４，４や外部電極６とは分離して処理できるので、廃棄処理の安全性と効率の向上を図ることもできる。

なお、上記実施形態では、発光効率の向上を図るために、外部コイル４にフェライトコア４ａを用いる場合を示したが、透磁率の高い材質を用いたコアであれば、必ずしもフェライトに限定されるものではない。また、外部電極６も、導電性のものであればよいので、金属板や導線に限らず、金属箔や金属線をネット状にしたもの等でもよく、例えば蛍光管１の外表面に金属酸化物を焼結させた導電膜等を用いることもできる。

従来例を示すものであって、冷陰極管の発光原理を説明するための縦断面正面図である。従来例を示すものであって、ループ状の蛍光管を用いた蛍光ランプを示す全体図である。本発明の第１実施形態を示すものであって、蛍光ランプの正面図である。本発明の第１実施形態を示すものであって、蛍光ランプの平面図である。本発明の第１実施形態を示すものであって、蛍光ランプの等価回路図である。本発明の第２実施形態を示すものであって、蛍光ランプの正面図である。本発明の第３実施形態を示すものであって、蛍光ランプの正面図である。本発明の第３実施形態を示すものであって、蛍光ランプの等価回路図である。本発明の第４実施形態を示すものであって、蛍光ランプの正面図である。本発明の第４実施形態を示すものであって、蛍光ランプの他の構成例の正面図である。本発明の第５実施形態を示すものであって、蛍光ランプの縦断面正面図である。本発明の実施形態を示すものであって、Ｕ字管型の蛍光管を用いた蛍光ランプの配置例を示す平面図である。

符号の説明

１蛍光管
２電極
３蛍光体層
４外部コイル
４ａフェライトコア
５交流電源
６外部電極

Claims

管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の一端部の外周に外部コイルを配置すると共に、この放電管の他端部の外側に外部電極を配置し、これらの外部コイルと外部電極との間に交流電源を接続したことを特徴とする放電管。
管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の両端部の外周にそれぞれ外部コイルを配置し、これらの外部コイルに交流電源を接続したことを特徴とする放電管。
管状の内部に低圧の放電ガスを封入して両端を封口した放電管の両端面に、内側に向けて窪んだ凹部を形成すると共に、これら両端面の凹部に、交流電源に接続された外部コイルをそれぞれ挿入配置したことを特徴とする放電管。
前記放電管が、管状の内壁面の全部又は一部に蛍光体層を形成した蛍光管であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の放電管。