JP2007172892A - 放電灯 - Google Patents

Abstract

【課題】水銀を実質的に使用することなく、且つ一般の蛍光灯と同程度またはやや低い照度を得ることができて低コストで構成することができる放電灯を提供する。
【解決手段】内周面に蛍光材１１が設けられると共に、直列に接続された複数の蛍光管１０と、各蛍光管１０の両端に配置された冷陰極１２，１２と、各蛍光管１０内に封入されて、水銀を実質的に含まず、主としてアルゴンガスからなる封入ガスと、からなり、アルゴンガスの封入分圧が６００〜２０００Ｐａ以上となった放電灯により解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水銀をほとんどまたは全く必要とせずに、従来の蛍光灯とほぼ同等の照度が得られる放電灯及び点灯装置に関する。

従来の放電灯において、室内照明に使用される蛍光灯では水銀蒸気が必要不可欠となっており、また、主として屋外で使用されるネオン管においても、水銀は必須要素として使用されているが、環境保護の観点から水銀の使用は極力避けるべきである。

水銀を使用しないランプとしては、希ガス放電灯を利用したものが知られており（例えば、特許文献１、特許文献２）、冷陰極キセノン希ガス放電灯が公知となっている。キセノン希ガス放電灯は、バルブ内にキセノンＸｅまたはキセノンを主体とする希ガスが封入されており、水銀を用いないこと、およびキセノンガスが温度変化の影響を受け難いことから温度特性が安定しており、周囲温度の低い雰囲気で使用しても光束の立上がり特性に優れているなどの利点がある。

このようなキセノン希ガス放電灯は、ＰＰＣ複写機やファクシミリなどのいわゆるオフィスオートメーション機器の原稿読取用光源、あるいは、液晶表示装置または車載表示装置の背面照明用光源の小型の照明として使用されている。

特開平８−３２９８８８号 特開平７−３２６３２５号

しかしながら、上記希ガス放電灯で使用されるキセノンは高価であり、また、使用できる放電管の管径は小さく（例えば通常１０ｍｍ以下）または管長が短く（例えば３００ｍｍ以下）、小型の照明用であり、一般照明用の電灯として使用することはできない。

そこで本発明は、水銀を実質的に使用することなく、且つ一般の蛍光灯と同程度またはやや低い照度を得ることができて低コストで構成することができる放電灯を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は、アルゴンを主たる封入ガスとして使用することにより、キセノンを封入ガスとするのと比較して、高い照度を発揮し、実用化に供することができることを見出し、本発明を完成させたものであり、本発明による放電灯は、内周面に蛍光材が設けられると共に、直列に接続された複数の蛍光管と、各蛍光管の両端に配置された冷陰極と、各蛍光管内に封入されて、水銀を実質的に含まず、主としてアルゴンガスからなる封入ガスと、からなり、前記アルゴンガスの封入分圧が６００〜２０００Ｐａ以上であることを特徴とする。

任意には、前記複数の蛍光管全体に印加される電圧が（実効値）１ｋＶ以上であり、１管当たりの電圧が（実効値）１ｋＶ以下となった電圧とするとよい。

任意には、前記複数の蛍光管全体に印加される電圧を、正弦波、鋸波及び矩形波のいずれかとするとよい。

任意には、複数の蛍光管全体に印加される電圧を、交互に極性変化するものとするとよい。

また、蛍光管の内径を１０ｍｍより大きく、管長を３００ｍｍ以上とすることができる。

冷陰極は、鉄製の釣鐘型電極の先端にセラミック製保護環が装着されてなるものとすることができる。

任意には、前記冷陰極の外周囲には、耐熱性保護環が径方向に突出するように取り付けられており、該耐熱性保護環が蛍光管の内周面と冷陰極との間に配置されるとよい。

また、直列に接続された各蛍光管には、それぞれスイッチで接断されるバイパス線路が並列に接続されると共に、各蛍光管の近傍には蛍光管の光量を検出する検出手段が配置されており、検出手段で検出される光量が所定値以下となった場合に、スイッチが作動されてバイパス線路を接続することができる。

また、前記放電灯と、該放電灯の直列に接続された複数の蛍光管に電圧を印加する点灯回路とを備えた点灯装置とすることができる。

アルゴンガスを主たる封入ガスとして使用することにより、キセノンを主たる封入ガスとするのと比較して、非常に高い照度を発揮することができ、一般の室内照明またはそれよりもやや低い照度で足る場所の照明として使用することができ、且つ安価に構成することができる。さらには、この蛍光管を直列に接続することにより、効率を上げて実用的なものとすることができる。水銀を実質的に含まないために、廃棄、再生が容易であり、環境に適した製品とすることができる。

請求項２記載の発明によれば、複数の蛍光管全体に印加される電圧を（実効値）１ｋＶ以上とし、１管当たりの電圧を（実効値）１ｋＶ以下とすることにより、効率良く発光させることができるようになる。

請求項３記載の発明によれば、電圧を正弦波、鋸波及び矩形波のいずれかとすることにより、効率良く発光させることができ、特に、鋸波または矩形波においては、それに含まれる高周波成分により、輝度を高めることができる。

長い直列接続の場合に、漏れ電流が増加し、高圧側と低圧側との電流差による各蛍光管の管電圧がバラつき、その影響で各蛍光管の電極の温度差も生じることで、各蛍光管の明るさが異なってしまうことが発生するが、請求項４記載の発明によれば、管電流を双方向とすることができ、各蛍光管の発光量の偏りを低減することができる。

請求項５記載の発明によれば、蛍光管の内径を１０ｍｍより大きく、管長を３００ｍｍ以上とすることにより、一般の室内照明に適した寸法とすることができる。

請求項６記載の発明によれば、冷陰極を鉄製の釣鐘型電極とすることにより、適度な陽光柱を発生させることができ、蛍光材が励起されて効果的に可視光を発することができる。

請求項７記載の発明によれば、冷陰極の外径が蛍光管の内径よりもわずかに小さい場合に、耐熱性保護環がスペーサ材として機能することにより、冷陰極の偏心に起因する冷陰極と蛍光管との間の放電を防ぐことができ、放電により蛍光管が黒ずんで見栄えが悪化することを防ぐことができる。

請求項８記載の発明によれば、直列に接続される蛍光管の１つに不良が発生した場合であっても、それを検出手段によって検出して、その不良の蛍光管のバイパス線路を接続することで、他の蛍光管にその影響が及ぶことを防ぐことができる。

請求項９記載の発明によれば、新規な放電灯を備えた点灯装置とすることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。

図１は、本発明の放電灯の全体構成を表している。図において、１０は蛍光管であり複数の蛍光管１０が直列に接続されている。各蛍光管１０は、その管径が通常の冷陰極蛍光管で使用される管径に比較して十分に大きく、具体的には１０ｍｍより大きく、また、管長も３００ｍｍ以上となっていると好ましく、その内周面には蛍光材よりなる膜１１が形成されている。この蛍光材は、熱陰極を利用した通常の蛍光灯に使用される蛍光材を使用することができる。

各蛍光管１０内部の両端部には、一対の冷陰極１２，１２が配置される。冷陰極１２，１２は、鉄製の釣鐘型電極１４を使用することができ、その先端に、端部からの放電を阻止するためのセラミック製保護環１６を設けることができる。冷陰極１２のステム１８が蛍光管１０の端部と共に閉じ込まれて蛍光管１０は密閉され、端部には口金１９が装着される。

図８は、冷陰極１２の最大外径と蛍光管１０の内径との差異が小さい場合に、釣鐘型電極１４が偏心し、釣鐘型電極１４が蛍光管１０に近接すると放電が発生して蛍光管１０が黒ずむおそれがある場合に適したものであり、このような偏心を防ぐために、冷陰極１２の外周面にその外径方向に突出するようにして、雲母等からなる耐熱性保護プレート環１７が取り付けられている。具体的に耐熱性保護プレート環１７は、釣鐘型電極１４の先端と、セラミック製保護環１６の鍔部１６ａとの間に挟着されて、固定される。この耐熱性保護プレート環１７は、冷陰極１２の外周面と蛍光管１０の内周面との間に配置されてスペーサ材として機能するために、冷陰極１２の外周面が直接蛍光管１０の内周面に接触することを防ぐことができる。冷陰極１２の最大外径と蛍光管１０の内径との差異が大きい場合には、耐熱性保護プレート環１７は省略可能である。

蛍光管１０内に封入される封入ガスは、主としてアルゴンガスであり、好ましくは１００％アルゴンガスである。水銀は含まれないか、含まれていたとしても発光に寄与しておらず、つまり実質的に含んでいない。アルゴンガスの封入分圧は、２００Ｐａ以上５０００Ｐａ以下、好ましくは、６００〜２０００Ｐａとするとよい。

この直列となった蛍光管１０に印加される電圧は、１ｋＶ以上の高電圧となっており、各蛍光管１０当たり１ｋＶ以下となっている。電圧に応じて、蛍光管の照度を変化させることができる。

また、その周波数は、２０ｋＨｚ以上の高周波交流電圧とするか、または、５０Ｈｚから１５ｋＨｚの範囲の低い周波数とすることもできる。そして、その波形は、正弦波、鋸波または矩形波のいずれかとなっているとよい。高周波にすると蛍光灯の輝度が上がるが、点灯回路から蛍光管までの分布容量によって効率が落ちる。しかしながら、５０Ｈｚから１５ｋＨｚの範囲の低い周波数であっても、波形を鋸波または矩形波とすると、高周波成分を含ませることができる。この周波数を適度に可変することにより、高輝度、高効率化を図ることができる。

こうして、アルゴンを主たる封入ガスとした放電灯とすることにより、従来の希ガス放電灯で使用されるキセノンよりも、高い照度を発揮し、１管当たり４００Ｌｘ以上の照度を出すことができるようになり、室内照明またはそれよりもやや低い照度で足る場所の照明としての使用が可能になる。

図２は、放電灯と共に点灯装置を構成する点灯回路２０の一例を表す回路構成図である。この例では、商用電源２１（１００Ｖ）がノイズフィルタ２２を介してトライアック２４に接続されて、整流回路２６を通して、リーケッジトランス２８の一次側に接続されている。トライアック２４によって位相角制御された電圧が、整流回路２６によって平滑化されて直流電圧に変換される。トライアック２４の調節により、直流電圧が制御される。

リーケッジトランス２８には、一対のＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子３０、３０が接続されており、高周波発振器３２からの制御信号に応じて、スイッチング素子３０、３０のＯＮ／ＯＦＦがプッシュプルされる。リーケッジトランス２８の二次側は、前記直列接続された蛍光管１０に接続される。リーケッジトランス２８の漏れインダクタンスにより電流を安定化して過電流が防止される。このリーケッジトランス２８により、蛍光管１０に印加される電圧は、矩形波が崩れた正弦波の高圧交流電圧となる。

図３ないし図７は、放電灯と共に点灯装置を構成する別の点灯回路２０’の回路構成図である。この例の点灯回路２０’では、プリレギュレータ部４２と、バイポーラ直流高圧発生部４４と、コントローラ部４５と、スイッチング部４６と、発振部４８と、を備えている。

また、各蛍光管１０と並列にスイッチＳ（Ｓ１・・・Ｓｎ）で接断されるバイパス線路が並列接続されている。さらには、蛍光管１０の近傍には、フォトセンサＰ（Ｐ１・・・Ｐｎ）が配置されて、蛍光管１０からの光を検出している。フォトセンサＰは、例えば、蛍光管１０を支持する灯具内に組み込むことが可能であり、灯具に形成された開口を介して蛍光灯１０の光を検出する。各フォトセンサＰからの信号は、コントローラ部４５へと送出される。また、コントローラ部４５には、各スイッチＳを作動させるリレーＲＹ（ＲＹ１・・・ＲＹｎ）が接続される。

プリレギュレータ部４２は、図４に示したように、商用電源２１（１００Ｖ）と、ノイズフィルタ２２と、整流回路２６と、力率補正コントローラ２７と、昇圧チョッパー２９とを有する。力率補正コントローラ２７には、検出用電流と検出用電圧が入力されて、整流回路２６によって全波整流された後の波形に基づき、昇圧チョッパー２９を駆動することで、ＡＣラインの電流波形を電圧波形（正弦波）に近づけて、力率１に近づける。こうして、電力の利用効率を上げて、高周波ノイズを低減する。そして、平滑化されて直流電圧に変換されて、Ｖ_０と０の電圧が出力されて、次のバイポーラ直流高圧発生部４４に入力される。

バイポーラ直流高圧発生部４４は、図５に示したように、昇圧トランス５０と、ＭＯＳＦＥＴよりなる一対のスイッチング素子５２と、スイッチング素子５２を駆動するパルス幅コントローラ５４とを備える。昇圧トランス５０の二次側には、倍電圧整流回路５６が接続されており、これによって、Ｖ_０が昇圧された高圧の両極性の直流電圧ＨＶ、−ＨＶが出力される。また、＋側電圧と−側電圧の検出電圧とコントローラ部４５からの指令電圧との差及び二次側の検出電流がパルス幅コントローラ５４に入力されて、設定電圧となるように、スイッチング素子５２の駆動が調整される。

スイッチング部４６には、直流電圧発生部４４からの＋ＨＶ電圧と−ＨＶ電圧が供給される。スイッチング部４６は、図６に示したように、＋ＨＶ電圧入力端と、蛍光管の各直列端との間に接続され、カスケード接続されたＭＯＳＦＥＴからなる多段スイッチング素子５８Ａ、５８Ｂと、−ＨＶ電力入力端と、蛍光管の各直列端との間に接続され、カスケード接続されたＭＯＳＦＥＴからなる多段スイッチング素子５８Ａ’、５８Ｂ’と、多段スイッチング素子と蛍光管の各直列端との間に接続されたバラストコンデンサ５９、５９と、を備える。スイッチング素子はＩＧＢＴから構成することも可能である。

発振部４８は、図７に示すように、発振器６０と、アンプ６２と、パルストランス６４とを備える。発振器６０は位相の９０度異なる２つのパルス列のドライブ信号Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’を発振する。このパルス列のパルス幅及び周波数はコントローラ部４５からの信号によって調整可能となっている。

発振器６０からの矩形状ドライブ信号は、増幅された後、図６の多段スイッチング素子の入力端Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’に入力される。多段スイッチング素子５８Ａと５８Ａ’、多段スイッチング素子５８Ｂと５８Ｂ’が、交互にＯＮ／ＯＦＦされたフルブリッジインバータを構成して、直列の蛍光管１０に矩形波高圧電圧が印加される。

印加電圧は管接続数に比例し、各管電圧は負性抵抗特性の為、管電流に反比例する。よって、管電圧を上げて、管電流をできるだけ下げることが重要となる。バイポーラ直流高圧発生部４４で±ＨＶの電圧を発生させることにより、２ＨＶ（実効値）の高圧を印加することができる。両極性とすることにより、サージ電流も抑えることができる。

また、直列に接続された蛍光管に高圧電圧２ＨＶが、極性が交互に変わって印加されて、管電流が双方向に流れるために、サージ電流が発生しても、各管の発光量の偏りを低減させることができる。

直列に接続された蛍光管に印加される電圧の実効電圧をＶとし、接続する蛍光管の数をｎとしたときに、１管当たりの電圧は、Ｖ／ｎとなり、１管当たりの電圧は小さくなる。実効電流Ｉとしたときの１管当たりの電力Ｐ＝ＶＩ／ｎは小さくなるために、ｎが大きくなれば効率は良くなる。但し、照度と蛍光管の数ｎとの関係は、高圧発生部４４で発生する高圧電圧、スイッチング部４６を駆動するための発振器６０からのドライブ信号のパルス幅、周波数によっても変化する。よって、蛍光管の数ｎに応じた最適な照度となる高圧電圧、ドライブ信号のパルス幅、周波数の関係を予め求めておき、コントローラ部４５のメモリに記憶しておき、接続される蛍光管の数ｎに応じた適切な高圧電圧、パルス幅、周波数となるようにコントローラ部４５が指令電圧をバイポーラ直流高圧発生部４４に送出し、パルス幅可変信号、周波数可変信号を発振部４８に送出して、制御している。

ところで、直列に蛍光管を接続しているために、１本でも不良が発生した場合に、全ての蛍光管に影響を及ぼすことを避ける必要がある。そのため、各蛍光管１０の近傍に配したフォトセンサＰからの信号がコントローラ部４５へと入力されて、コントローラ部４５において、光量が所定値に達していないことが検知されると、該当する蛍光管に対応するリレーＲが励磁されてスイッチＳがＯＮとなり、その蛍光管をバイパスするようになっている。不良の蛍光管をバイパスすることによって、蛍光管の本数ｎが変化するので、コントローラ部４５は、そのメモリに記録されていた本数に該当する電圧、ドライブ信号のパルス幅、周波数の関係を求め、指令電圧としてバイポーラ直流高圧発生部４４に送出し、パルス幅可変信号、周波数可変信号として発振部４８に送出する。こうして、蛍光管の数が変化しても、その変化に応じた自動調整をすることができる。

本発明の放電灯の蛍光管の断面図及び全体構成図である。 本発明の放電灯のための点灯回路の一例を表す回路図である。 本発明の放電灯のための点灯回路の他の例を表す回路図である。 図３のプリレギュレータ部の詳細回路図である。 図３のバイポーラ直流高圧発生部の詳細回路図である。 図３のコントローラ部の詳細回路図である。 図３の発振部の詳細回路図である。 本発明の冷陰極に耐熱性保護環が取り付いた場合の例を表す断面図である。

符号の説明

１０ 蛍光管
１１ 蛍光材
１２ 冷陰極
１４ 釣鐘型電極
１７ 耐熱性保護環
２０ 点灯回路
Ｐ フォトセンサ

Claims (9)

1. 内周面に蛍光材が設けられると共に、直列に接続された複数の蛍光管と、
   各蛍光管の両端に配置された冷陰極と、
   各蛍光管内に封入されて、水銀を実質的に含まず、主としてアルゴンガスからなる封入ガスと、からなり、
   前記アルゴンガスの封入分圧が６００〜２０００Ｐａ以上であることを特徴とする放電灯。
2. 前記複数の蛍光管全体に印加される電圧が（実効値）１ｋＶ以上であり、１管当たりの電圧が（実効値）１ｋＶ以下となった電圧であることを特徴とする請求項１記載の放電灯。
3. 前記複数の蛍光管全体に印加される電圧は、正弦波、鋸波及び矩形波のいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の放電灯。
4. 前記複数の蛍光管全体に印加される電圧は、交互に極性が変化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の放電灯。
5. 前記蛍光管の内径が１０ｍｍより大きく、管長が３００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の放電灯。
6. 前記冷陰極は、鉄製の釣鐘型電極からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の放電灯。
7. 前記冷陰極の外周囲には耐熱性保護環が径方向に突出するように取り付けられており、該耐熱性保護環が蛍光管の内周面と冷陰極との間に配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の放電灯。
8. 前記直列に接続された各蛍光管には、それぞれスイッチで接断されるバイパス線路が並列に接続されると共に、各蛍光管の近傍には蛍光管の光量を検出する検出手段が配置されており、検出手段で検出される光量が所定値以下となった場合に、スイッチが作動されてバイパス線路を接続することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の放電灯。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の放電灯と、前記直列に接続された複数の蛍光管に電圧を印加する点灯回路とを備えた点灯装置。

Images