JP2011090954A - 無電極放電ランプ及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い無電極放電ランプを提供する。
【解決手段】外管バルブ２の表面積を増加させるために、この外管バルブ２の表面に沿って上下方向に突条７ａを形成した。ただし、この外管バルブ２のうちで、結合部５ａの近傍２ｂ及びバルブ頂部２ｃの近傍には、上記突条７ａを形成していない。これにより、外管バルブ２の内壁面２ｄに蛍光体膜１１を形成する際、バルブ頂部２ｃの近傍や結合部５ａの近傍２ｂにスラリー（蛍光体と、結着剤と、溶媒との懸濁液）１１ａが滞留することがないので、これらの部位の蛍光体膜１１が厚くなることを防止でき、蛍光体膜１１の厚さが不均一になるのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無電極放電ランプ及びそれを用いた照明器具に関するものである。

従来、透光性材料から電球状に形成された外管バルブ（以下、単にバルブとも記す）及び、外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んだキャビティを有する気密容器と、キャビティの内部に収納された誘導コイルとを備え、気密容器の内部に水銀蒸気を含む放電ガスを封入した無電極放電ランプ（以下、単にランプとも記す）が提供されている（例えば特許文献１参照）。この種の無電極放電ランプを点灯するにあたっては、誘導コイルに高周波電流を通電し、気密容器内部に高周波電磁界を発生させる。このとき、気密容器内部の電子は高周波電磁界によって加速され、加速された電子が気密容器内部の放電ガスに衝突することで、放電ガスが電離して気密容器内にプラズマが発生する。このプラズマ中では、水銀原子がプラズマ中の荷電粒子（電子やイオン）によって励起され、励起された水銀原子は紫外線を放射する。そして、この紫外線が気密容器の内面に形成された蛍光体膜によって可視光に変換されることで、当該無電極放電ランプは発光する。この無電極放電ランプは、例えば、誘導コイルに高周波電流を通電する点灯回路とランプから放射された光の配光を制御する反射鏡とを備えた照明器具に取り付けられて、使用される。

上記のように、無電極放電ランプは気密容器内部に電極を持たない構造となっているため、電極の劣化による不点灯がなく、電極を有する一般的な放電ランプに比べて長寿命であるという特徴がある。

今回、このような無電極放電ランプのランプ効率を向上させるために、ランプで消費される電力（ランプ電力）を変化させたときのランプからの光出力を測定し、この測定結果から、ランプ電力Ｐ［Ｗ］と、ランプ効率Ｅ（＝ランプからの光出力／ランプ電力）［ｌｍ／Ｗ］と、管壁負荷Ｌ（＝ランプ電力／外管バルブの表面積）［Ｗ／ｃｍ^２］との関係を調べた。その結果を、図５に示す。

ここで、本測定に用いた無電極放電ランプの気密容器は、ガラス製で内壁面に保護膜及び蛍光体膜を形成した最大径１８０ｍｍの電球状の外管バルブと、外管バルブの内部へ落ち窪んだ円筒状で、外壁面に保護膜及び蛍光体膜が形成されたガラス製のキャビティとからなる。また、キャビティの底面からキャビティの内部を通って外方へ突設された排気細管の内部には、重量が２０ｍｇで重量比が５０：５０のＺｎ−Ｈｇ（亜鉛−水銀）アマルガムが封入され、気密容器の内部にはアルゴンガスが封入されており、キャビティの内部に配設された誘導コイルには、点灯回路から１３５ｋＨｚの高周波電流が通電される。なお、一般に、無電極放電ランプのランプ効率は気密容器内の水銀蒸気圧に依存することが知られており、さらに、水銀蒸気の供給源として上記のようなＺｎ−Ｈｇアマルガムを用いた場合には、水銀蒸気圧は外管バルブの最冷部（外管バルブの表面の中で最も温度が低い部分）の温度に依存することが知られている（特許文献１参照）が、本測定における最冷部の温度は、最大値と最小値の間でも１．５℃の差であったためほぼ一定とみなし、特に補正などは行っていない。

図５の結果から、同一のランプでは、ランプ電力Ｐを小さくして管壁負荷Ｌを小さくすると、ランプ効率Ｅが向上することがわかる。よって、ランプ電力Ｐを一定とすると、管壁負荷Ｌを小さくするために発光面積（外管バルブのうちで蛍光体膜が形成されている部分の面積）を増加させれば、ランプ効率Ｅを向上させることができると期待される。

発光面積を増加させる手段としては、まず、外管バルブの径を大きくすることが考えられる。しかし、バルブ径を大きくすると、反射鏡による配光の制御が困難になるために器具効率（照明器具からの光出力／ランプ単体での光出力）が低下してしまうというおそれがある。また、バルブ径を大きくすると、水銀原子から放射された紫外線の自己吸収が起こりやすくなったり、ランプ始動時に立ち消えがおこりやすくなる、などの問題もある。よって、ランプ効率を向上させるために外管バルブの径を大きくしすぎることは、好ましいものではない。

そこで、発光面積を増加させる別の手段が必要となるが、この手段としては、外管バルブに凹凸を設けることによってバルブの表面積を増加させることが考えられる。

ところで、バルブの内壁面には蛍光体膜が形成されているのであるが、その形成手順は以下の通りである。

すなわち、まず、水銀が放射した紫外線を吸収する蛍光体と、結着剤（たとえば、ニトロセルロースやエチルセルロース）と、この結着剤を溶解する溶媒（たとえば、酢酸ブチル）との懸濁液であるスラリー１１ａを、鉛直上向きに配置したバルブ２の開口部２ａから適量導入して、バルブ頂部２ｃ近傍の凹みに溜める（図６（ａ））。次に、バルブ２の内側面２ｄの全域にスラリー１１ａが塗布されるように、バルブ２を揺動させてスラリー１１ａの液面を動かす。引き続いて、バルブ２を上下にひっくり返し、鉛直下向きに配置したバルブ２の開口部２ａからスラリー１１ａの余剰分を排出する（図６（ｂ）の矢印）。なお、バルブ２の開口部２ａは、気密容器を作製する工程でキャビティの開口部に溶接されることになるので、この部分のスラリー１１ａを取り除いておく。その後、バルブ２の開口部２ａが鉛直下向きのままバルブ２を静置し、バルブ２の開口部２ａから、バルブ２内部のスラリー１１ａを乾燥させる気体（たとえば、空気、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスなど）を導入するためのパイプ３０の先端部を挿入し、パイプ３０と接続させた圧縮ボンベ（図示せず）から前記気体を図６（ｃ）の矢印の向きに流入させて、バルブ２内壁面のスラリー１１ａを乾燥させる。最後に、バルブ２の内側面２ｄに塗布され乾燥させたスラリー１１ａを適宜の温度（たとえば、６６０℃）で焼付して、蛍光体膜が形成される。

特開２００８−２４３６２４号公報

バルブ２の蛍光体膜は、上述のような工程で形成されるのであるが、前述のように凹凸が設けられたバルブ２に蛍光体膜を形成すると、蛍光体膜の厚さが不均一になりやすいという課題があった。すなわち、凹凸が設けられた上記のバルブ２では、スラリー１１ａを溜めておくバルブ頂部２ｃの近傍にも凹凸があるので、スラリー１１ａを排出するためにバルブ２を引っ繰り返しても、このバルブ頂部２ｃ近傍の凹凸部分にスラリー１１ａが残留しやすい。また、スラリー１１ａの余剰分を排出するためにバルブ２を引っ繰り返したとき、バルブ２の開口部２ａの近傍２ｂではスラリー１１ａの流れ具合が悪くなるので、この部位に設けられた凹凸部分にスラリー１１ａが残留しやすい。よって、これらの部位では、蛍光体膜の膜厚が厚くなりやすかった。さらに、バルブ２にランダムに凹凸を形成した場合には、スラリー１１ａを排出するときに当該凹凸部分にスラリー１１ａが残留しやすく、蛍光体膜の膜厚が不均一になりやすかった。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、蛍光体膜の膜厚を不均一にすることなく、従来よりも蛍光体膜の表面積を増加させた無電極放電ランプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、透光性を有する略球状の外管バルブ及び、この外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んで形成されて結合部で前記外管バルブと一体に結合されたキャビティを有し、水銀を含む放電ガスが内部に封入された気密容器と、この気密容器の内壁面に形成された蛍光体膜と、前記キャビティ内に配設されて前記気密容器内に誘導電磁界を発生させ、この電磁界の作用により前記放電ガスを励起発光させる誘導コイルとを備え、前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記結合部から最も離れた部位であるバルブ頂部の近傍とを除く部位に、当該外管バルブの表面積を増大させるための凹凸を形成したことを特徴とする。

請求項１の発明では、外管バルブに凹凸を設けることによって、発光面積（蛍光体膜の表面積）を増加させることができる。また、蛍光体膜を形成する際にスラリーを溜めておくバルブ頂部近傍には凹凸が形成されておらず、結合部近傍にも凹凸が形成されていないので、これらの部位の蛍光体膜の膜厚が厚くなることがなく、蛍光体膜を均一に形成することができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記バルブ頂部の近傍とを除く部位に、前記バルブ頂部と前記結合部とを結ぶ方向に延びる複数の突条を、互いに間隔を空けて設けたことを特徴とする。

請求項２の発明では、バルブ頂部と結合部とを結ぶ方向に複数の突条が設けられているので、例えば外管バルブにランダムに凹凸を形成した場合と比較して、スラリーを排出するときに凹凸部分にスラリーが滞留しにくくなっている。従って、蛍光体膜の膜厚が不均一になるのを防ぐことができる。

請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記外管バルブと前記キャビティとの結合部は略円状であって、前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記バルブ頂部の近傍とを除く部位に、前記バルブ頂部と前記結合部の中心とを結ぶ軸の周りに周回する複数の突条を、互いに間隔を空けて設けたことを特徴とする。

請求項３の発明では、バルブ頂部と結合部の中心とを結ぶ軸の周りに、複数の突条が設けられているので、例えば外管バルブにランダムに凹凸を形成した場合と比較して、スラリーを排出するときに凹凸部分にスラリーが滞留しにくくなっている。従って、蛍光体膜の膜厚が不均一になるのを防ぐことができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか一項記載の無電極放電ランプと、この無電極放電ランプから放射された光の配光を制御する反射鏡と、前記誘導コイルに高周波電流を通電する点灯回路とを備えていることを特徴とする。

請求項４の発明では、光源として請求項１〜３のいずれか記載の無電極放電ランプを用い、ランプから放射された光の配光を反射鏡によって制御することで、所望の配光特性を持たせた発光効率の高い照明装置を提供することができる。

本発明は、蛍光体膜の膜厚を不均一にすることなく、従来よりも蛍光体膜の表面積を増加させた無電極放電ランプを提供することができる。

（ａ）は本発明の実施形態１における無電極放電ランプ１の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面矢視図である。 本発明の実施形態１における無電極放電ランプ１の断面図である。 同上における照明器具の側面図である。 本発明の実施形態２における無電極放電ランプ１の側面図である。 従来の無電極放電ランプにおいて、ランプ電力Ｐとランプ効率Ｅ、及びランプ電力Ｐと管壁負荷Ｌの関係を示す図である。 同上において、バルブ２の内側面２ｄに蛍光体膜を形成するときの手順を示す図である。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。なお、特に断りがない限り、下記説明中の上下左右は図２中の上下左右に対応する。

本実施形態の無電極放電ランプ１は、外管バルブ２、キャビティ３、及び排気細管４からなる気密容器５と、円筒状のキャビティ３に挿入される円筒状のカプラ６とを備え、気密容器５の内部には、水銀蒸気を含む放電ガス及びアルゴンなどの希ガスが封入されている。

外管バルブ２は透光性を有するガラス（例えば硬質ガラスなど）製であって、球面の一部が下方へ向かって開口した、いわゆる電球状に形成されている。この外管バルブ２のうちで、結合部５ａの近傍２ｂとバルブ頂部２ｃの近傍とを除く部位には、バルブ頂部２ｃと結合部５ａとを結ぶ方向（上下方向）に延びる複数の突条７ａが、互いに間隔を空けて形成されている（隣接する突条７ａ同士の間は、溝状になっている）。この突条７ａは、基準となる外管バルブ２の球面に対して、この球の径が最大となるＸ−Ｘ線部分で最も突出し、この球面との接続部分では外管バルブ２に滑らかに繋がっている。すなわち、外管バルブ２の断面をみると、水平方向断面では基準となる円（図１（ｂ）の一点鎖線）から複数の凹凸が交互に形成されており（図１（ｂ）参照）、鉛直方向断面では、円の左右両側部が外方へ膨らんだ形状となっている（図２参照）。この突条７ａの大きさとしては、突条７ａの幅が狭すぎたり突出高さが高すぎる場合には、外管バルブ２の加工性が困難になったり蛍光体膜１１の膜厚が不均一になりやすくなり、逆に幅が広すぎたり突出高さが低すぎる場合には、蛍光体膜１１の面積を増加させる効果が小さくなってしまうので、例えば、突条７ａがなく同程度のバルブ径を有する外管バルブに比べて、外管バルブ２の表面積が１０〜２０％程度増加するような大きさにすればよい。なお、突条７ａの突出高さが高すぎず、且つ突条７ａの幅が狭すぎない場合には、従来通り、金型加工によって比較的容易に外管バルブ２を作製することが可能である。

キャビティ３は円筒状のガラス部材であって、結合部５ａで外管バルブ２と一体に結合されている（キャビティ３の開口部と外管バルブ２の開口部２ａとを結合した部位が、気密容器５の結合部５ａに対応する）。また、キャビティ３の底面３ａの中央部からは、キャビティ３の内部を通り下方へ向かってガラス製の排気細管４が突設されている。この排気細管４の内部には、位置決め用の円柱状の２つのガラスロッド８に挟まれて、金属容器９が封入されている。そして、この金属容器９には、Ｚｎ−Ｈｇアマルガム（重量比５０：５０）が収納されるとともに小さな貫通孔が形成されており、このアマルガムによって気密容器５内部の水銀蒸気圧が制御されるようになっている。またガラスロッド８は、排気細管４に形成された窪み部４ａによって位置決めされている。

そして、外管バルブ２の内面及びキャビティ３の外面（気密容器５において放電ガスに接する面）には、シリカやアルミナからなり水銀蒸気から気密容器５を保護するための保護膜１０が形成され、さらに、保護膜１０を覆って、気密容器５内の放電ガスから放射された紫外線を可視光に変換するための蛍光体膜１１が形成されている。この蛍光体膜１１の形成手順は、発明が解決しようとする課題において記載した手順と同様であるので、説明は省略する。なお、本実施形態では突条７ａを設けているため外管バルブ２に凹凸があるが、この突条７ａは、スラリー１１ａが残留しやすいバルブ頂部２ｃの近傍や結合部５ａの近傍２ｂには設けられていないので、これらの部位の蛍光体膜１１が厚くなることはない。また、突条７ａと外管バルブ２の接続部分は滑らかに繋がっているので、この接続部分でも余剰なスラリー１１ａは残留しにくくなっている。よって、従来の外管バルブ２と同様、蛍光体膜１１の厚さが不均一になりにくくなっている。

上記の気密容器５は、両端が開口した円筒状の口金１２に、結合部５ａを口金１２の内部に挿入した形で固定されている。

カプラ６は、銅などの熱伝導率の高い材料から円筒状に形成された放熱パイプ１３と、放熱パイプ１３の上部に嵌装された円筒状のフェライトコア１４と、円筒状であって放熱パイプ１３及びフェライトコア１４を収納する収納筒１５と、収納筒１５の外周においてフェライトコア１４の周りに巻回された誘導コイル１６とを備えている。このカプラ６は、口金１２に固定されるように構成されており、カプラ６を口金１２に固定した際には、カプラ６の内部に排気細管４が挿通されるとともにカプラ６の先部（図２における上端部）がキャビティ３内に位置するようになっている。

上記のような本実施形態の無電極放電ランプ１は、例えば図３に示すような照明器具に利用される。図３に示す照明器具は、無電極放電ランプ１と、カプラ６の誘導コイル１６に高周波電力を供給する高周波電源部（図示せず）を有する点灯回路部１７と、無電極放電ランプ１から放射された光を反射する反射鏡１８とを備えている。

点灯回路部１７は、例えば、商用電源により得られた交流電圧を所定の高周波電圧に変換して誘導コイル１６に高周波電力を供給する高周波電源部や、調光用のパルスジェネレータから指示されるデューティ比に応じて高周波電源部の出力をオンオフ制御する調光制御回路（図示せず）などにより構成されている。なお、点灯回路部１７としては従来周知のものを採用できるから、詳細な説明は省略する。

反射鏡１８は、図３における下面が開口したドーム状であって、反射鏡１８の開口面を閉塞する形でガラス製の透光板１９が取り付けられている。この反射鏡１８は、無電極放電ランプ１から放射された光を図３における下方へ反射して、透光板１９の下部を均等に照射するように形成されている。

以上述べた本実施形態の照明器具において、点灯回路部１７から誘導コイル１６に高周波電流を流すと、誘導コイル１６の周りに高周波電磁界が発生する。気密容器５内の電子は、この高周波電磁界により加速され、加速された電子が水銀原子に衝突することで、水銀原子が電離する。これにより放電が開始され、上記のような電離が繰り返されることで放電が維持されて、気密容器５内にプラズマが発生する。プラズマが生じると、高周波電磁界によるエネルギーのほとんどが電子で費やされるようになり、高周波電磁界により加速された電子が水銀原子に衝突することで、水銀原子が電離あるいは励起される。そして、励起された水銀原子が基底状態に戻るときに、励起状態と基底状態とのエネルギー差に相当する波長の紫外線（波長が２５４ｎｍの紫外線、および波長が１８５ｎｍの紫外線）が放射される。このような紫外線は、気密容器５の内面に形成された蛍光体膜１１により可視光に変換されて、外管バルブ２から外方に放射される。

本実施形態では、外管バルブ２に突条７ａを形成したことにより、突条７ａを設けていない外管バルブよりも外管バルブ２の表面積が増加している。よって、外管バルブ２に形成された蛍光体膜１１の表面積、すなわち発光面積が増加するので、ランプ効率を向上させることができる。また、突条７ａはバルブ頂部２ｃの近傍や結合部５ａの近傍２ｂには設けられていないので、これらの部位にまで凹凸を形成した場合に比べて、これらの部位にスラリー１１ａが残留しにくくなっている。よって、これらの部位の蛍光体膜１１の膜厚だけが厚くなってしまうのを防ぐことができ、蛍光体膜１１の膜厚が不均一になるのを防ぐことができる。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を、図４を参照して説明する。本実施形態は、外管バルブ２に設けられた突条７ｂの形成方向が異なる以外は上記実施形態１と同様であるので、共通の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の外管バルブ２は、結合部５ａの近傍２ｂとバルブ頂部２ｃの近傍とを除く部位に、バルブ頂部２ｃと結合部５ａの中心とを結ぶ軸（一点鎖線Ａで図示）の周りに周回する（図４の左右方向に延びる）複数の突条７ｂが、互いに間隔を空けて設けられていることを特徴とする。

本実施形態でも、上記実施形態１と同様に、突条７ｂを設けたことによって外管バルブ２の表面積が増加している。よって、外管バルブ２に形成された蛍光体膜１１の表面積が増加するので、ランプ効率を向上させることができる。また、突条７ｂはバルブ頂部２ｃの近傍や結合部５ａの近傍２ｂには設けられていないので、これらの部位の蛍光体膜１１の膜厚が厚くなってしまうのを防ぐことができ、蛍光体膜１１の膜厚が不均一になるのを防ぐことができる。

１ 無電極放電ランプ
２ 外管バルブ
３ キャビティ
５ 気密容器
７ａ 突条
１６ 誘導コイル

Claims (4)

1. 透光性を有する略球状の外管バルブ及び、この外管バルブの外面から内部に向かって落ち窪んで形成されて結合部で前記外管バルブと一体に結合されたキャビティを有し、水銀を含む放電ガスが内部に封入された気密容器と、この気密容器の内壁面に形成された蛍光体膜と、前記キャビティ内に配設されて前記気密容器内に誘導電磁界を発生させ、この電磁界の作用により前記放電ガスを励起発光させる誘導コイルとを備え、
   前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記結合部から最も離れた部位であるバルブ頂部の近傍とを除く部位に、当該外管バルブの表面積を増大させるための凹凸を形成したことを特徴とする無電極放電ランプ。
2. 前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記バルブ頂部の近傍とを除く部位に、前記バルブ頂部と前記結合部とを結ぶ方向に延びる複数の突条を、互いに間隔を空けて設けたことを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ。
3. 前記外管バルブと前記キャビティとの結合部は略円状であって、
   前記外管バルブのうちで、前記結合部の近傍と前記バルブ頂部の近傍とを除く部位に、前記バルブ頂部と前記結合部の中心とを結ぶ軸の周りに周回する複数の突条を、互いに間隔を空けて設けたことを特徴とする請求項１記載の無電極放電ランプ。
4. 請求項１〜３の何れか一項記載の無電極放電ランプと、この無電極放電ランプから放射された光の配光を制御する反射鏡と、前記誘導コイルに高周波電流を通電する点灯回路とを備えていることを特徴とする照明器具。

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