JP2007509477A - 照明器具と照明器具の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光管の寿命を延ばし、節電を可能にする運転方法とそのための器具を得る。
【解決手段】この蛍光管用照明器具は、標準の蛍光管を一定数収納することが可能で、またその照明器具は、蛍光管のための接続／固定装置を含む支え台が取り付けられたシャーシ、ならびに蛍光管の作動安定化のためのバラストを含む。その運転方法は、バラストが電極間の励起電圧を用いて蛍光管に作用し、その励起電圧が、可変長さのオフ時間のある非周期的短パルスだけから成ることを特徴とする。また、好ましくは、バラストが、交番電圧パルスを発生する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的には、蛍光管用の照明器具に関するものであり、より特定的には照明器具内の蛍光管の新規な運転方法に関するものである。

蛍光管は、管に充填されたガス内に発生した紫外線によって励起されたときに可視光線を発生して反応する、蛍光被覆で内面が覆われたガラス製の放電管である。このガスにはきわめて低圧の水銀蒸気が含まれる。

添付の図１は、単一の蛍光管の照明器具の製造と作動の原理を示している。水銀原子を励起して紫外線放射を引き起こすために、蛍光管のそれぞれの端に置かれた電極間の電流を利用する。これらの電極は白熱させなければならない予熱陰極である。商用電源の交流電圧が使用され、電流制限のためにインダクタンスの高いコイルで構成された「バラスト」が回路内に含まれている。

蛍光管の両電極間の導通への起動には、予熱電極を接続するために蛍光管と並列に設置された「スタータ」と呼ばれる専用の装置（図１の下部）が必要である。スタータは、静止時に開いている温度に反応するバイメタル接点を含むフィラメントランプとすることができる。スイッチを入れて回路に電流が流れたとき、スタータでフィラメントが点火しランプが加熱すると同時に蛍光管の電極が白熱させられる。温度が十分になったとき、バイメタル接点が閉じ、スタータでフィラメントが、短絡して急速に冷却し、また、バイメタルが再び開くようになる。このとき、回路を流れる電流が突然遮断され、自己誘導作用のためにコイル出力の電圧が大幅に上昇し、陰極の白熱によって予熱されていた蛍光管の電極間に水銀蒸気が導通する。このときからスタータは、蛍光管自体の導通によって短絡されているので、不活性になる。蛍光管が導通している限り、電流はいっさい新たに通過することはない。陰極の両フィラメントは白熱状態のままであるのであり、なぜなら蛍光管を通る電流がそれぞれの電極の大部分も通過する構造になっているからである。偶発的な水銀イオンも両フィラメントに衝突し、陰極の予熱作用の維持に貢献する。

導通が開始され、電流が安定したら、蛍光管の抵抗はきわめて小さくなる。「バラスト」コイルはそのインピーダンス値によって電流を制限する役割を有する。この種の装置は「インダクティブ−マグネット」装置と呼ばれる。

しかるに、上述の図１に示した単純型に対して、大きく進化する可能性のあるバラストの進化には注目すべきである。

一般的に、バラストは蛍光管内の電流を安定させる直列インピーダンスである。通常、したがって、上述のごとく、蛍光管にはバラストとしてインダクタが用いられるが、それは蛍光管と直列に結線された、損失の少ないリアクタンスとして作動するからである。一部の磁気式バラストは、蛍光管のための直列インピーダンスとは別の機能も、例えば、増加電圧を提供するための変圧器機能も提供する。

節電への配慮のために、その他のタイプのバラスト、すなわち半導体部品を用いる電子回路的方法に基づくバラストも少しずつ開発されている。これらのより複雑なバラストを用いて、商用電源周波数５０／６０Ｈｚ以外の周波数の利用も可能になった。２５ｋＨｚ周辺の周波数が使用されるようになった。電子バラストの実例は、２０００年４月公開の国際公開第００／２１３４２号パンフレット、１９９９年２月公開の国際公開第９９／０５８８９号パンフレット、１９９７年９月公開の国際公開第９７／３３４５４号パンフレット、１９９９年１１月公開の国際公開第９９／６０８２５号パンフレット、１９９８年８月公開の国際公開第９８／３４４３８号パンフレット、および、１９９９年１１月公開の欧州特許出願公開第Ｏ−９５５７９４−Ａ２号明細書に見ることができる。様々なこれらの解決法は、主として節電と蛍光管の寿命の延長に関するもので、波形、電圧幅、などさまざまパラメータの最適化に関するものである。

米国特許第６，２６２，５４２号明細書には、蛍光管を通る電流が安定化され、可変デューティ比、すなわち可変オフ時間の方形信号が用いられる電子バラストシステムが記載されている。特筆すべき興味深い点は、ランプを通る電流ではなく、ランプの作動を安定化する回路内の指令信号である。また、この米国特許第６，２６２，５４２号明細書に記載の結線が陰極の両フィラメントを必ず電流が通過するものであることも注目される。

米国特許第４，９０２，９３９号明細書には点灯時と消灯時に最大および最小光度の間で蛍光管のフリッカ、ちらつきを防止することを目的とする電子伝達回路が記載されている。したがって蛍光管の効率向上が目的ではない。蛍光管の作動の実電圧が商用電源の電圧から直接派生した正弦波電圧である点において、本発明とは大きな差がある。
国際公開第００／２１３４２号パンフレット 国際公開第９９／０５８８９号パンフレット 国際公開第９７／３３４５４号パンフレット 国際公開第９９／６０８２５号パンフレット 国際公開第９８／３４４３８号パンフレット 欧州特許出願公開第Ｏ−９５５７９４−Ａ２号明細書 米国特許第６，２６２，５４２号明細書 米国特許第４，９０２，９３９号明細書

既知の電子バラストのいくつかが、蛍光管の運転方法によって節電を可能にし、あるいは、蛍光管の寿命を長くすることを標榜してはいるものの、この分野ではさらに多くの研究の余地がある。本発明は、根本的に新規な蛍光管運転方法を提案するものであり、大半の照明器具に用いられている従来のインダクティブ−マグネットバラストに対して４０〜５０％程度の節電を可能にする。

くわえて、蛍光管の寿命は、３倍までにも延び、蛍光管から放射される光はフリッカ、ちらつきはないし、ストロボ効果の影響も受けない。

上述の利点は、本発明に従って、蛍光管のための照明器具の運転方法において、前記照明器具が水銀ガスと両端の予熱電極とを備えた標準の蛍光管を一定の数収納することが可能で、蛍光管のための切替／固定装置を含む支え台が取り付けられたシャーシ、ならびに蛍光管の作動安定化のためのバラストから成ることを特徴とする運転方法によって得られる。この運転方法の特徴点としては、バラストが、可変長さのオフ時間のある非周期的短パルスだけから成る電極間励起電圧を用いて蛍光管において効果を発生する点において異なり特徴づけられる。

推奨実施形態において、バラストは完全な性質の交番波形の電圧パルスを発生する。他方で、バラストはプログラムされたアルゴリズムを用いて電圧波形過程の時間応答と間隔を指示することができる。これはまた、蛍光管内のガスを通過するバラストが電流の実時間サンプリングに従ってそれぞれのオフ時間を制御するならば利点となる。蛍光管の支え台の特別結線は、蛍光管を電流が通ること回避するための有効時間内に蛍光管電極の両フィラメントを短絡させるためにバラストによって活性化され、それにより、両フィラメントの電圧の損失が避けられる。蛍光管のガスを通る導通がそれぞれの蛍光管内の電極間の電圧を上げることを可能にするコンデンサの一時的接続によって有利に引き起こされることが可能で、また導通が成されると直ちにコンデンサは切断される。この場合、コンデンサが切断される前にコンデンサを通る電流が最低に下がるように、バラストがガスを通る電流を変成することが有利である。

バラストは、好適には、性能の記録と故障遠隔監視のために、専用のオンライン接続経由、あるいは、場合によっては無線結合経由で外部の運転センターと通信することができる。

本発明は、その別の側面において、水銀ガスと両端の予熱電極とを備えた標準の蛍光管を一定数収納することが可能で、蛍光管のための切替／固定装置を含む支え台が取り付けられたシャーシ、ならびに蛍光管の作動安定化のためのバラストから成ることを特徴とする照明器具も含まれる。

本発明による照明器具は、バラストが可変長さのオフ時間のある非周期的短パルスの形で電極間励起電圧発生のためのコンバータ回路を含む点が異なっている。本発明の特に好適な実施形態において、バラストは交番波形の電圧パルスを発生するのに特に適合し得る。くわえて、バラストはプログラムされたアルゴリズムを用いて電圧エクスカーションの時間応答と間隔を制御するのに適合している。さらに好適な実施形態において、バラストは蛍光管内のガスを通過するバラストが電流の実時間サンプリングに従ってそれぞれのオフ時間を制御するのに適合している。蛍光管の支え台は、蛍光管の電極の両フィラメントを短絡させるためバラストによって活性化されることができる特別結線を備えており、それは蛍光管を通る電流を回避するためである。ガスを通る導通の開始を可能にするそれぞれの蛍光管内の電極間の電圧を上げるために接続することが可能なコンデンサがあり、このコンデンサは、導通が成されると直ちに切断することができる。この場合、コンデンサが切断される前にコンデンサを通る電流が最低に下がるように、導通が成立したら直ちに発射電流を変更するようにさらに適合させることができる。

数多くの照明器具が一箇所にまとめられているとき、成された性能の記録と故障遠隔監視のために、外部の運転センターと通信するためのオンライン接続、あるいは、場合によっては無線結合をバラストが有することがとくに適切である。

一つの実施態様において、バラストは二つの部分から成り、第一の部分は通常商用電源電圧で作動するための標準バラスト、第二の部分は本発明の明細書に記載のごとく非周期的短パルスで作動するために、とくに変圧のために取り付けられた部品である。

本発明は第三の側面においても、すなわち通常作動状態の蛍光管のための供給電圧信号としても呈示され、該信号はパルスの形で形成され、可変長さ潜伏間隔がある非周期的短パルスから成ることを特徴とする。好適には、信号パルスは交番波形、すなわち信号は正負の方向に等しい振幅を含んでいる。

以下に、実施形態の実例を用いて、および、添付の図面を参照して、本発明を詳しく説明するものである。
・図１は、慣例的なインダクティブ−マグネットのバラストとスタータとを備えた蛍光管の簡単な概略図である。
・図２は、本発明による新規なバラストを、従来のインダクティブ−マグネットのバラストとの比較により表している。
・図３は、本発明による新規なバラストが既存の照明器具内にどのように設置されるかを概略的に示している。
・図４は、照明器具のシステムがどのようにして遠隔監視対象になるかを概略的に示している。

最初に言及する添付の図１は、蛍光管を備えた直列インダクティブ−マグネット型バラストのもっとも単純な形を示している、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源電圧が蛍光管に送られる。必要に応じて、一部の小さな変更を加えれば、今日大半の照明器具に用いられているのは、このタイプのバラストである。かなり以前から、新規な電子バラストを商品化するための努力がなされているが、これらのバラストを備えた照明器具はコストが高くなり、これらの新技術の普及を大いに妨げている。

本発明が特徴とするところは、新しいバラストを設置したときに照明器具から旧磁気バラストを引き抜くことなしに、既存の照明器具において、従来の磁気バラストを本発明対象の新規なバラストに交換するためのものであることによってこれまで既知の電子バラストと区別される新規な種類の電子バラストである。

図２は、本発明対象の新規なバラストの作動を概略的に示している。従来の磁気バラストを備えた蛍光管の作動は図２の上部に示した。予熱電極の間を遷移する電子の衝突による水銀原子の励起が偶発的でしかも比較的稀に発生することが示されている。なお、図示されており、発光を引き起こす唯一の衝突を参照のこと。

反対に、図２の下部に示されているのは、全く種類の異なる作動電圧で発生する新規なバラストの作用を示している。後者はもっと多数の衝突を引き起こし、その結果、もっと多くの水銀原子を励起する。この現象は、より高い紫外線放射にいたる三つの衝突によって図示されている。効率は、従来の磁気バラストの印加出力単位（ワット）あたり６５ルーメンの典型的レベルから、新規なバラストを用いた場合の１２０ルーメン／ワットの典型的レベルになる。

効率に与える新規なバラストの効果に関する要点は、蛍光管に印加される励起電圧、すなわち電極間の電圧が高周波の交番波形電圧であって、可変長さのオフ時間がある非周期的短パルスを含んでいることである。この特別な電圧信号は、蛍光管を通る電流値のサンプリングに従って閉じられる（オフ時間）ように管理される。電流の強さはガスプラズマ内の共鳴状態に依存するが、なぜならばかかる共鳴が存在するとき、電子と水銀原子の間の衝突数が増加するからである。この共鳴現象を利用して、消費電力を大幅に減らすことができる。高周波電圧は共鳴状態を維持するのに必要なだけ使用され、共鳴現象が発光を維持している限り電圧は切断される。電流の強さの測定は共鳴状態を瞬時に反映し、バラストのマイクロプロセッサが同時に反応して電圧を調整する。

電圧のパルスは、好適には完全に交番波形タイプである、すなわち正負方向に振幅が等しい電圧を使用するが、先に述べたごとく、それは非周期的パルスである。この信号の時間的応答の全体がバラストのマイクロプロセッサに組み込んだ、プログラムされたアルゴリズムによって制御される。

制御アルゴリズムは蛍光管のプラズマを通過する電流の測定を好適には参照し、獲得した電流値に応じて、パルス間のそれぞれのオフ時間の長さをとくに調整する。電流は常に実時間でサンプリングされる。

図３に見るごとく、既存の照明器具は、照明器具に適合するようにとくに構想された、交換用部品キットを備えている。この新規なキットはいわゆる電子バラストに加えて、元の支え台の代わりに挿入される新規な蛍光管の支え台を備えている。古い構成部品、すなわち磁気バラストとスタータとはその場に残され、新規のバラストはラピッドコネクタによって商用電源に単に接続されるだけである。

新しい支え台は、電流が電極の両フィラメントを通過するのを回避するために、蛍光管内の電極の両フィラメントを短絡させるために新規なバラストによって活性化されることができる特別コネクタを好適には含んでいる。両フィラメントについての電圧損失は、このようにして回避される。

蛍光管内の導通を開始させるために、蛍光管の電極間の電圧を上げるために短い間コンデンサが接続される。水銀蒸気を介して導通が発生したとき、コンデンサは接続を切られる。バラストは、導通が実現されると、コンデンサを通る電流がコンデンサ切断前の低いレベルに下がるように水銀蒸気を通る電流を変化させる。

上述の蛍光管の新規な運転方法は、新規な電圧信号が光発生のエネルギー効率を向上させるプラズマ内の分子励起の際に、電子と水銀原子の間の衝突数を増やそうとする原理に基づいている。使用された高周波の交番波形信号は、正確に制御されたオフ時間を含み、この信号は、必要以上のエネルギーが使用されないようにすることに貢献する。

プロセスは、電圧変動と、電子と水銀原子の間で得られた衝突率とを結合する状態と物理パラメータを監視するプログラムされた関数に従って、蛍光管を通る電流の常時監視とオフ時間の調整とによって最適化される。

プログラミングは、照明器具に取り付けた新規なバラスト内に置かれた電子装置内に含まれる。この電子装置はプロセスの全ての制御指令関数を含む「マクロチップ」という電子構成部品の形を取る。電子装置は、プログラムへのいっさいの不所望のアクセスを防止するために、正確な条件においてしかアクセスできなくする暗号化関数も含んでいる機密保持されコピーできない構成部品内にソフトウェアを組み込むシステムの中央装置にあたるコントローラで構成される。

ここで注目すべき点として、周波数または時間に応じた電圧の変動は、商用電源周波数よりもはるかに高い範囲内にあることのである。さらに特筆すべきは、使用された電圧変動は非正弦波形であり非周期的であることである。電圧は蛍光管を通って電流が全く発されない不感時間も含んでいる。この特定の作動モードの故に、蛍光管の水銀蒸気を介して電流を維持するために、電流は、電極、すなわちそのフィラメントの一方の端から他方の端へ通過する必要がない。

本発明による運転方法は、上述のごとく作動するのであり、陰極によって発生した電子と蛍光管内にあるガスの水銀原子の間の衝突数を増加させる共鳴現象の出現が作動温度を下げるようになる。電子バラストは、さらに、制御された予熱動作が陰極に適用されるので最適作動を確保し、またならびに、蛍光管内の温度にかかわらず水銀蒸気を通る導通の開始を助長する特定の励起モードを確保する。このようにして、定格運転状態は、この方法によって維持された共鳴現象が安定する限りにおいて、次第に達成される。数分を要する、この段階的な変化段階の間、蛍光管を通る電流は増加し、発光も、連続的過程を経て増加する。この段階の終わりに、存在する環境条件に応じて共鳴現象は安定する。消費電流は次第に減少し、約１５分後に平均値に達する。

本発明による運転方法の使用により、電極の温度は４０℃も、より下げることが可能で、これは蛍光管の寿命に大きな影響がある。

図４は、それぞれが新規なバラストを組み込んだより多くの数の照明器具が運転中央装置に特別な通信バスを介してどのように接続されるかを示している。運転中央装置は図４に示すごとくその場に、あるいは遠隔場所に置くことができる。図示した場合、ＧＳＭ電話を利用した、ＳＭＳメッセージ形式の無線結合が用いられる。このタイプの運転中央装置において、現場の照明システムの性能を記録し、万一の故障に備えて作動は常時遠隔監視することができる。これによって保守が必要なときに、より迅速に介入する可能性を提供しながら、使用者に、運転に関する正確な統計、とりわけ電力消費量を明らかにする正確な運転報告の提供が可能になる。

従来のマグネット式バラストとスタータとを備えた蛍光管の概略図 本発明による新規なバラストの概略図 本発明による新規なバラストが既存の照明器具内に設置された概略図 照明器具のシステムがどのようにして遠隔監視対象になるかの概略図

Claims (19)

1. 蛍光管用照明器具の運転方法において、前記照明器具は水銀ガスと両端の予熱電極とを備えた標準の蛍光管を一定数収納することが可能で、また該照明器具は、蛍光管のための接続／固定装置を含む支え台が取り付けられたシャーシ、ならびに蛍光管の作動安定化の確保のためのバラストを含むものであって、該バラストが電極間の励起電圧を用いて蛍光管に作用し、該励起電圧が、可変長さのオフ時間のある非周期的短パルスだけから成ることを特徴とする、蛍光管用照明器具の運転方法。
2. 前記バラストが、交番電圧パルスを発生することを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
3. 前記バラストが、プログラムされたアルゴリズムを用いて電圧信号ならびにオフ時間を制御することを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
4. 前記バラストが、蛍光管内の前記水銀ガスを通過する電流値取得に応じてそれぞれのオフ時間を制御することを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
5. 蛍光管の接続／固定用の特別結線が両フィラメントを通過する電流を解消し、それによって電圧損失を回避するために有効時間内に蛍光管の電極の両フィラメントを短絡させるために前記バラストによって活性化されることを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
6. 蛍光管の前記水銀ガスを通る導通はそれぞれの蛍光管内の電極の間の電圧を上げることを可能にするコンデンサの一時的接続によって引き起こすことが可能であり、また導通が成立すると直ちにコンデンサは切断されることを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
7. 前記コンデンサが切断される前にコンデンサを通る電流が最低に下がるように、前記バラストが前記水銀ガスを通る電流を修正することを特徴とする、請求項６に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
8. 前記バラストの作動パラメータの記録と故障遠隔監視のために、有線接続経由で、あるいは場合によっては無線結合経由で遠隔運転センターと前記バラストが通信することを特徴とする、請求項１に記載の蛍光管用照明器具の運転方法。
9. 蛍光管用照明器具において、前記照明器具が、水銀ガスと両端に予熱電極とを備えた標準の蛍光管を一定数収納することが可能であり、また、蛍光管のための接続／固定装置を備える支え台が取り付けられたシャーシ、ならびに、蛍光管の作動安定化をするバラストを含んでいるものであって、該バラストが、可変長さのオフ時間のある非周期的短パルスの形で蛍光管の端子に供給される励起電圧の制御回路を含むことを特徴とする、蛍光管用照明器具。
10. 前記バラストが交番波形で電圧パルスを発生するのに適合していることを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
11. 前記バラストがプログラムされたアルゴリズムを用いて電圧信号ならびにオフ時間を発生することを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
12. 前記バラストが蛍光管内の前記水銀ガスを通過する電流の実時間サンプリングに従ってそれぞれのオフ時間を制御するのに適合していることを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
13. 蛍光管のための接続／固定装置を含む支え台が特別結線を備えていて、該特別結線が蛍光管の電極の両フィラメントを短絡させるために前記バラストによって活性化されることで、該電極の両フィラメントを通る電流を解消するようになっていることを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
14. 前記水銀ガスを通る導通の開始を可能にするために、蛍光管それぞれの電極間の電圧を上げるためにコンデンサを接続することが可能であり、かつ、導通が得られると直ちに前記コンデンサは切断することができることを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
15. 前記コンデンサが切断される前にコンデンサを通る電流が最低に下がるように、導通が得られたら直ちに蛍光管の前記水銀ガスを通過する電流を修正するように前記バラストが適合化されていることを特徴とする、請求項１４に記載の蛍光管用照明器具。
16. 前記バラストが、バラストの作動パラメータ性能を記録し故障を遠隔監視する目的で、遠隔運転センターと通信することを可能にする有線接続または無線結合を有することを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
17. 前記バラストが二つの部分から成り、第一の部分は商用電源電圧だけで作動する標準バラスト、第二の部分は本願発明対象を特徴づける非周期的短パルスで作動するためにとくに取り付けられたバラストであることを特徴とする、請求項９に記載の蛍光管用照明器具。
18. パルスの形で形成された通常作動状態の蛍光管の供給電圧信号において、この信号が、非周期的短パルスと可変長さのオフ時間とから成ることを特徴とする、蛍光管の供給電圧信号。
19. 前記信号パルスが交番波形であること、すなわち、値は等しいが極性が正と負の振幅を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の蛍光管の供給電圧信号。
    
    

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