JP2007287534A - 希ガス蛍光ランプおよび希ガス蛍光ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を発揮するとともに、配光特性を改善した一般照明用の希ガス蛍光ランプを提供すること。
【解決手段】略円形または略多角形の底面形状をもつ柱体形状または錘台形状の外部電極１の近傍に、少なくとも一方の端部に放電ガス中に露出した内部電極３を封装したガラス管２よりなる発光管を配置することにより、高い発光効率を発揮するとともに配光特性を改善した一般照明用希ガス蛍光ランプを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は水銀を用いないで環境負荷を減らした放電光源、特に一般用照明光源に関する。

一般照明用蛍光ランプは、その高い効率と比較的安価なことから広く用いられている。蛍光ランプはその発光主体である蛍光体を励起するための紫外線源として、環境負荷物質である水銀を用いた低圧グロー放電を使用している。このため環境問題の観点からは、水銀を使用せずに現行の蛍光ランプと同等の効率を有する光源の開発が求められている。

上記目的を達成するためには、蛍光体を有効に励起、発光できる波長（およそ１００ｎｍから３００ｎｍ程度）の紫外線を効率よく放射する放射源が必要である。ところが一般照明用光源としては高い発光効率とともに、光出力自体の大きさも要求される。言い換えれば比較的大きな電力でも高い効率を維持することが必要であり、この目的ではガス放電を用いた電力−光変換手段が好適となる。

水銀以外の、放電による紫外線放射媒体として注目されるのは、希ガスを主体とした低圧ないし中圧（概ね大気圧以下）での放電プラズマである。紫外線１光子は最終的に蛍光体によって可視光の１光子に変換されるため、紫外線のエネルギーと可視光のエネルギーの差に相当するエネルギーは損失となる。このため放電によって得られる紫外線の波長は可視光に近い方が望ましい。このことから、希ガス放電の中でもキセノンを主体とした放電プラズマが、放射される紫外線の波長が比較的長いため有望とされる。

キセノン放電では特に、励起状態のキセノン原子と基底状態のキセノン原子が不安定に結合するエキシマ（ｅｘｃｉｍｅｒ；励起二量体）が解離する際に放出される、１７２ｎｍ付近のブロードな放射の効率が高いことが知られている。一般にエキシマの生成、放射解離はパルスアフターグロー中で特に効率が高い。このため通常のグロー放電よりも、電極と放電空間との間に、電流を遮断する電荷障壁となる誘電体層を設けた、いわゆる誘電体バリア放電の方が高い効率を期待できる。

このため、キセノンを主体とした希ガス放電を応用した希ガス蛍光ランプとしては、発光管のガラス管壁を電荷障壁となる誘電体層として利用した構成のものが、従来から精力的に研究されてきた。

そのような構成の例として、特許文献１に開示されたランプの構造を図３に示す。

図３は、誘電体バリア放電を用いた一般照明用希ガス蛍光ランプの発光管の断面図である。図３において、鉛ガラス等のガラス部材による発光管２の外表面に、外部電極１が接着されている。発光管２の内部にはキセノンなどの希ガスが所定の圧力で封入される。発光管２の内表面の、外部電極１によって被覆された面に対応する部分に、図に示したように蛍光体層が形成された、開口角θのいわゆるアパーチャ型蛍光ランプの構成をとっている。また、発光管２の内部には、中心からやや外部電極１の接着された面の側に偏心して、内部電極３が発光管２の長手方向（紙面に垂直方向）に延在している。ランプの動作時には外部電極１と内部電極３との間で、発光管２の管壁を電荷障壁とした誘電体バリア放電が発生し、封入されたキセノンなどの希ガスから効率よく紫外線を放射させ、それによって蛍光体層を励起し発光するものである。

一般照明用途として用いる場合には、例えば図４に示すように複数の発光管２を、開口部が外を向くような方向に円形に配置し、その外側をグローブ８が包囲する構成とする。

また図５は特許文献２に開示された、一般照明用の希ガス蛍光ランプの別の構成を表す図である。図５においては、発光管２は内面に蛍光体層を形成し、キセノンを封入したＵ字型の軟質ガラス管により構成される。発光管２は複数本（図５の構成においては４本）が円形に並べられる。発光管２のＵ字型の内周部分と外周部分に、アルミ箔製のリボン状の外部電極１が一対、対向して設けられ、内部電極に相当する部材を持たない構成をとっている。外部電極１は光取り出し効率を向上させるため、リボン状ではなくメッシュ状とすることも可能である。
特開平１０−１７２５１９号公報 特開２００３−１４２０３６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された図３及び図４のような構成を使用した場合、蛍光体層が外部電極１の存在する側にしか形成されず、また外部電極１が蛍光体層の発光を透過しないため、蛍光体層の発光はアパーチャの設けられた方向に集中する傾向がある。これは、輝度を高めるために外部電極１の内側面（発光管２に接する面）に反射板機能を持たせた場合に、さらに顕著になる。発光管２に接着された外部電極１が収束系の光学系（凹面鏡）として作用するため、外部電極１に対向する方向への光出力が際立って強くなる。この結果、一般照明として使用した場合、明暗のコントラストがつきすぎる、すなわち配光特性の悪化を招くことになる。これを避けるためには開口角θを大きく取るように、外部電極１の被覆面積を小さくする必要がある。しかしこうすることで、同時に蛍光体層の形成面積も小さくなり、発光効率の低下を招く。

またこの問題を避けるために、図５のような構成とした場合、外部電極１が発光管２からの光出力を吸収するため、光取り出し効率が低下する問題が生じる。一般に金属メッシュ面の幾何学的な光透過率は９０％前後であり、依然として無視できないロスを生じる。光取り出し効率を向上させるために外部電極１を細くしたり、また目の粗いメッシュ構造を使用することは可能である。しかしこの場合には、電極面積が小さくなることから投入できる電力が低下し、十分な光出力が得られなくなる。さらに一般の電球形蛍光ランプでも問題になるように、円形に並べられた複数の発光管２の、円の内側に放射される光は、おのおのの発光管２において反射と再吸収を繰り返すためロスが大きくなる。また、図５のように一対の外部電極を対向させる構成では、内部電極を備えた構成に比べて放電開始、維持に必要な印加電圧が高くなる。従ってパッシェンの法則からガス圧を高くする、あるいは発光管２の直径を大きくすることが難しく、あまり大きな光出力を得られないという欠点がある。

このように、希ガス蛍光ランプを一般照明用途に使用しようとする場合、高効率を得るために誘電体バリア放電方式を採用しなければならないことから、電極配置に起因する配光特性や光取り出し効率と、発光効率とがトレードオフの関係にあるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、配光特性を改善した、効率の高い無水銀の一般照明用希ガス蛍光ランプを提供することである。

上記従来の課題を解決するため、本発明に係る希ガス蛍光ランプでは、金属導体よりなり略円形または略多角形の底面形状をもつ柱体形状または錘台形状の外部電極と、内面に蛍光体層を形成し、希ガスを主体とした放電ガスを封入し、かつ少なくとも一方の端部に放電ガス中に露出した内部電極を封装したガラス管よりなる発光管とを有し、前記発光管は前記外部電極の近傍に配置されたことを特徴とするものである。

好適な実施の形態において前記発光管は、その中心軸が前記外部電極の長手方向の軸を含む平面内にあることを特徴とする。

また別の好適な実施の形態では、前記発光管は前記外部電極の周囲を巻回する同心螺旋状形状であってもよい。

前記発光管は、前記外部電極と接触していない構成とすることも可能である。この場合、前記発光管の少なくとも一方の前記内部電極を封装した端部と前記外部電極との距離を、前記発光管の他の部分と前記外部電極との距離よりも大きくしてもよい。

さらに、前記外部電極の前記発光管と相対する表面を可視光反射面としたり、また全可視光帯域において略完全拡散面としてもよい。

さらに前記発光管の少なくとも一方の前記内部電極を封装した端部の近傍に、前記内部電極および前記外部電極と電気的に接続されて前記内部電極と前記外部電極との間に交流電力を供給する電力供給手段を内蔵するとともに少なくとも前記外部電極を物理的に支持するハウジングを備え、前記ハウジングは前記電力供給手段と前記ハウジングの外部を電気的に接続する端子部を具備するとともに、前記端子部を通して前記電力供給手段に高周波電力を供給する高周波電力発生手段を備える構成をとることも出来る。

また前記ハウジング内部に、前記内部電極および前記外部電極と電気的に接続されて前記内部電極と前記外部電極との間に高周波電力を供給する高周波電力発生手段を内蔵し、また商用電源からの電力を前記高周波電力発生手段に供給する端子部を具備することも可能である。

以上のように、本発明は、金属導体よりなり略円形または略多角形の底面形状をもつ柱体形状または錘台形状の外部電極の近傍に前記発光管を配置することにより、前記外部電極が前記発光管に対して拡散系の光学系を形成することになる。その結果ランプ側面方向の配光特性をより均一にし、かつ効率のよい希ガス蛍光ランプを提供することが出来る。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における希ガス蛍光ランプを示すものである。

図１において、外部電極１は断面を円形に整形した、円柱状のアルミ薄板より形成される。発光管２はホウケイ酸ガラスを材料とし、内面には３波長蛍光体よりなる蛍光体層（図示しない）を形成するとともに、内部にキセノンを主体とする希ガス（図示しない）を１６０Ｔｏｒｒ封入している。発光管２の端部にはニッケル等の高融点かつ電気伝導性の高い金属よりなる、カップ状の内部電極３が気密に封装されている。外部電極１の外表面、すなわち発光管２と相対する表面には高輝度反射コーティングが施されており、発光管２からの光出力を吸収することがほとんどないため、ランプの放射光束を向上させることが出来る。

外部電極１と内部電極２とは、それぞれハウジング６に内蔵された高周波電力発生手段５に電気的に接続される。高周波電力発生手段５は、やはりハウジング６の端部に備えられた、汎用的に使用されるＥ２６口金に適合する端子部７を介して供給される商用交流電力によって動作し、周波数２５ｋＨｚ、電圧４ｋＶ_ｐ−ｐの矩形交番電圧を内部電極２と外部電極１との間に印加する。この場合、外部電極１を規準電位（接地電位）とすることが望ましい。電圧印加時には、発光管２のガラス管壁が電荷障壁として作用するため、内部電極２と外部電極１との間で誘電体バリア放電を実現することが出来る。端子部７は商用交流電力を供給するとともに、ランプ全体を物理的に支持する働きも有する。

外部電極１はハウジング６に固定され、また発光管２は、接着性を付加したシリコーンゴム製のスペーサ４を介して外部電極１に接触することなく所定の距離を置いて固定されている。これによって、動作時に発光管２と外部電極１との間でコロナ放電を生じることを避けることが可能である。

また、発光管２及び外部電極１は、白熱電球の外観形状に似せた、乳白ガラス製のグローブ８の内部に収容されている。これによって、動作時に発光管２と外部電極１との間にかかる高電圧に触れることによる障害を避ける事が出来ると同時に、一般用照明としての外観上の違和感を低減することが出来る。

上記のような本構成においては、外部電極１は発光管２から見て凸形状の反射面を形成する。このため発光管２の外部電極１に相対する面から放射される可視光放射の大部分は発光管２に返ることなくランプ外部に放射される。これによって、発光管２から放射される可視光放射は再び発光管２によって吸収されることなく、複数の発光管２の間の方向へと放射されるため、ランプを側面から見た場合の明暗のムラを小さくすることができ、配光特性に優れた希ガス蛍光ランプを実現することが出来る。

また、このような構成をとることにより希ガス蛍光ランプの発光効率自体をも向上させることも可能となる。このことを以下に簡単に説明する。

先に述べたように、キセノンを用いた希ガス蛍光ランプにおいて蛍光体を励起する紫外線は、キセノン励起原子より放射される１４７ｎｍの共鳴輝線と、キセノンエキシマが解離する際に放射される１７２ｎｍ付近をピークとする連続放射からなる。特にエキシマからの連続放射は効率が高く、これを有効に発生させることがランプ効率向上のためには重要である。エキシマは励起状態にあるキセノン原子が、基底状態のキセノン原子２つとの衝突反応（三体衝突過程）によって形成される。一方、キセノン励起原子は比較的低エネルギーの電子との衝突で容易に電離される（累積電離）ため、電流密度が高いプラズマ中ではエキシマの形成効率が低下する。従って、エキシマからの連続放射を効率よく得るためには電流密度が低い方がよい。

一方、誘電体バリア放電では、電荷障壁となる発光管２の管壁に蓄積される電荷量によって放電電流が決まる。言い換えれば印加する電圧が一定であれば、内部電極３と外部電極１との間の電気容量が小さいほど、蓄積可能な電荷量が小さくなるため、放電プラズマ中の電流密度を低下させることが出来る。

本実施の形態においては外部電極１が発光管２に対して凸面を形成するため、発光管２と外部電極１との幾何学的な平均距離は、例えば特許文献１に開示された構成に比べて非常に大きくなる。このことは配光面での利点と同時に、内部電極３と外部電極１との距離を離し、その間の電気容量を低下させる効果をももたらしている。それに加えて本実施の形態では、発光管２と外部電極１との間にコロナ放電が生じないように、発光管２と外部電極１との間に一定の間隔を設けている。このため電気容量はさらに小さくなる。従って本実施の形態による希ガス蛍光ランプは、例えば特許文献１や特許文献２に開示されたように、外部電極１を発光管２の外表面に密着させた構成のランプに比べて発光効率を高くすることが可能である。

なお上の説明で明らかなように、外部電極１と発光管２との距離を取ることで、同じ印加電圧であれば放電電流が小さくなるため、ランプに投入可能な電力が小さくなる。このため、発光効率は高くすることが出来るものの光出力自体は小さくなる。従ってこの発光管２と外部電極１との距離は所望の電力及び光出力の大きさによって設計されるべきものであり、印加電圧を調整することでコロナ放電の発生を抑制できる範囲であれば、距離を設けることは必ずしも必須ではない。

なお、本実施の形態では発光管２の形状を外部電極１に平行に配置した直管形状としたが、例えばＵ字状の曲げ管など他の形状での実施も可能である。Ｕ字状にした場合には、発光管２一本あたりの放電長を長くして光出力を大きく出来るとともに、両端部に内部電極３を封装すれば、引加電圧を低減することが可能である。

また、図１に示した本実施の形態の構成では、発光管２と外部電極１との距離は一定であるが、必ずしもそうである必要は無い。例えば内部電極３側の端部の発光管２と外部電極１との距離を、他の部分よりも大きくすることで、より高電圧がかかる内部電極３近傍でのコロナ放電を抑制することが可能となる。これは同時に、局所的により電流が大きくなりやすい内部電極３近傍での電気容量を小さくすることにもなり、先に説明した理由に基づいて発光効率を向上させることも可能になる。またこのようにすることによって、ランプ頂上方向への配光特性を改善することも可能となる。

さらに、本実施の形態では外部電極１の、発光管２に相対する外表面に高輝度反射コーティングを施した。しかしながら、高輝度反射コーティングによる反射面とする代わりに、白色樹脂コーティングなどによって略完全拡散面とすることで、明暗のムラを抑えつつ、部材コストを低減することも可能である。

また、図１に示した本実施の形態では、４本の発光管２を離角９０°毎に離して配置する構成としたが、本数や配置はこれに限定されるものではない。所望の光出力を得るために本数を増やしたり、また用途に応じて特定方向に複数の発光管２を偏って並べるような構成とすることも可能である。この場合、外部電極１は必ずしも軸対称な形状である必要は無く、例えば半円柱のような非対称な形状でも差し支えない。

本実施の形態においては、高周波電力発生手段５をハウジング６の内部に内蔵し、端子部７から商用電源電力を供給する構成としている。しかし、高周波電力発生手段５をランプから離れた別の場所に設置し、高周波電力発生手段５によって発生した高周波電圧を端子部７を介して外部電極１と内部電極３に印加する構成とすることも可能である。こうすることで、高周波電力発生手段５の設計に寸法的な自由度が広がり、電気的な損失の低減や、コスト削減が可能となる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における希ガス蛍光ランプの発光管２及び外部電極１の構成を示すものである。図示していない部分の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様とすることが出来るので説明を省略する。

図２において、発光管２は外部電極１の周囲を巻回する、外部電極１と同心の螺旋状（スパイラル）形状としており、少なくとも外部電極１の外側に露出している部分全長に渡って、内面に蛍光体層（図示しない）が形成されている。発光管２は外部電極１の頂上部付近の発光管折り曲げ部１ａで折り曲げられて、外部電極１の内部を通ってハウジング（図示しない）に固定される。発光管２と外部電極１は、シリコーンゴム製のスペーサ４を介して所定の距離に固定されている。このような構成とすることで、コンパクトさを犠牲にせずに発光管２の長さを長くすることで発光長を確保し、光出力を大きくすることが可能となる。また、発光管折り曲げ部１ａが外部電極１の軸方向にも光を放射するため、ランプ頂上方向の配光特性も改善される。

なお、図２に示した本実施の形態の構成では、発光管１は内部電極３が封装された端部から順に外部電極の頂上方向へと一重に巻回され、発光管折り曲げ部１ａから外部電極１の内部へと帰還させる一重螺旋状としているが、これに限定されるものではない。例えば発光管１の両端部から二重螺旋状に巻回することで、ランプ全長を外部電極１の外側に露出することができ、また発光管１の両端部に内部電極３を封装することで光出力を向上することが可能である。

また、本実施の形態においても発光管２と外部電極１との距離は、必ずしも一定距離に制限されるものではない。例えば発光管２の螺旋の巻回半径を、図２における内部電極３を封装した端部を大きくし、そこから外部電極１の頂上方向に向かって徐々に小さくしていくことで、実施の形態１に説明したようにコロナ放電を抑制し、ランプ頂上方向の配光特性を改善し、またランプの発光効率を高めることが可能になる。同様に、発光管２の螺旋の巻回半径は一定としながら、外部電極１の外径がランプ頂上方向よりもランプ底部（内部電極３が封装されている側）の方が小さくなるような逆円錐台形状とすることでも、内部電極３の近傍でのコロナ放電の発生を抑制することが可能である。

本発明の希ガス蛍光ランプは、水銀を使用せずに高効率で配光特性に優れ、かつコンパクトな蛍光ランプを実現するものであり、一般照明用の蛍光ランプ、特に電球形蛍光ランプ等として有用である。

本発明の実施の形態１における希ガス蛍光ランプの構成を示す図 本発明の実施の形態２における希ガス蛍光ランプの発光管部分の構成を示す図 従来の希ガス蛍光ランプの発光管断面を示す図 従来の希ガス蛍光ランプの構成を示す断面図 従来の希ガス蛍光ランプの構成を示す図

符号の説明

１ 外部電極
２ 発光管
２ａ 発光管折り曲げ部
３ 内部電極
４ スペーサ
５ 高周波電力発生手段
６ ハウジング
７ 端子部
８ グローブ

Claims (9)

1. 金属導体よりなり略円形または略多角形の底面形状をもつ柱体形状または錘台形状の外部電極と、
   内面に蛍光体層を形成し、希ガスを主体とした放電ガスを封入し、かつ少なくとも一方の端部に放電ガス中に露出した内部電極を封装したガラス管よりなる発光管とを有し、
   前記発光管は前記外部電極の近傍に配置されたことを特徴とする希ガス蛍光ランプ。
2. 前記発光管はその中心軸が前記外部電極の長手方向の軸を含む平面内にあることを特徴とする、請求項１に記載の蛍光ランプ。
3. 前記発光管は前記外部電極の周囲を巻回する同心螺旋形状であることを特徴とする、請求項１に記載の希ガス蛍光ランプ。
4. 前記発光管は、前記外部電極と接触していないことを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の希ガス蛍光ランプ。
5. 前記発光管の少なくとも一方の前記内部電極を封装した端部と前記外部電極との距離が、前記発光管の他の部分と前記外部電極との距離よりも大きいことを特徴とする、請求項１から請求項４に記載の希ガス蛍光ランプ。
6. 前記外部電極の前記発光管と相対する表面が、可視光反射面であることを特徴とする、請求項１から請求項５に記載の希ガス蛍光ランプ。
7. 前記外部電極の前記発光管と相対する表面が、全可視光帯域において略完全拡散面であることを特徴とする、請求項１から請求項５に記載の希ガス蛍光ランプ。
8. 前記発光管の少なくとも一方の前記内部電極を封装した端部の近傍に、少なくとも前記外部電極を物理的に支持するハウジングを備え、
   前記ハウジングは前記内部電極及び前記外部電極と前記ハウジングの外部を電気的に接続する端子部を具備するとともに、
   前記端子部を通して前記内部電極と前記外部電極とに高周波電力を供給する高周波電力発生手段を備えることを特徴とする、請求項１から請求項７に記載の希ガス蛍光ランプ点灯装置。
9. 前記発光管の少なくとも一方の前記内部電極を封装した端部の近傍に、前記内部電極および前記外部電極と電気的に接続されて前記内部電極と前記外部電極との間に高周波電力を供給する高周波電力発生手段を内蔵するとともに少なくとも前記外部電極を物理的に支持するハウジングを備え、
   前記ハウジングは商用電源からの電力を前記高周波電力発生手段に供給する端子部を具備することを特徴とする、請求項１から請求項７に記載の希ガス蛍光ランプ点灯装置。

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