JP3611569B2 - 電球形無電極放電ランプおよび無電極放電ランプ点灯装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電球形無電極放電ランプおよび無電極放電ランプ点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護と経済性の視点から、白熱電球に比べて効率が約５倍高く、寿命も約６倍長い有電極の電球形蛍光ランプが、住宅やホテルなどにおいて白熱電球代替用として広く利用されてきている。さらに、最近、従来から存在する有電極の電球形蛍光ランプの他に、無電極の電球形蛍光ランプが普及し始めている。無電極蛍光ランプは、電極が無いことから寿命が有電極蛍光ランプに比べて更に２倍以上長いため、今後ますます普及していくことが期待される。
【０００３】
従来白熱電球にはさまざまな形状のものが創案され、実用化されているが、もっとも広く使用されているのは洋ナシ型の形状を持つものである。これはJIS C 7710-1988において定義されたＡ型と呼ばれる形状であり、国際的にもIEC 60887-1988によって同様に定義されていて、この規格に従って米国や欧州などにおいても同様の規格が設けられている。白熱電球を点灯させる灯具もこのＡ型の白熱電球の使用を前提としたものが多い。そのため電球形蛍光ランプも、特にこうしたＡ型の白熱電球に近似した形状、大きさのものを提供することが実用上求められている。
【０００４】
一般的に用いられる上記Ａ型の白熱電球のサイズは、例えば入力１００Ｗの白熱電球の場合で直径６０ｍｍ、バルブ頂上から口金先端までの高さ１１０ｍｍ程度の大きさであり、白熱電球を代替するためには、電球形蛍光ランプのサイズは前述のサイズを著しく越えないことが重要である。
【０００５】
白熱電球と異なり、上記蛍光ランプは放電によって励起された水銀が放出する紫外線を、外管バルブ（発光管）に塗布された蛍光体で可視光に変換することで光源として機能する。この水銀が放出する紫外線のなかでも特に波長が２５３．７ｎｍの輝線が、蛍光体での可視光への変換効率も高い。すなわち、蛍光ランプの効率は、２５３．７ｎｍの紫外輝線の放射効率によって決定される。蛍光ランプでのこの効率は、ランプ内での水銀の原子の密度、言い換えると蒸気圧で決定され、約６ｍＴｏｒｒ（約７９８ｍＰａ）の時に最高効率となる。これは、水銀液滴の摂氏４０℃前後での飽和蒸気圧に相当する。このため、効率の高い蛍光ランプを設計するためには、外管バルブの少なくとも最も温度が低くなる箇所（以下最冷点と呼ぶ）の温度を摂氏４０℃近傍になるようにすることが望ましい。最冷点において過剰な水銀蒸気が液滴となるからである。
【０００６】
ところが一般に、白熱電球の代替を目的とした電球形蛍光ランプでは、直管蛍光ランプなどに比べると、ランプに投入される電力に対してランプのサイズが小さい。そのため動作時には発光管の温度が高くなり、摂氏４０℃近傍にすることが原理的に困難である。つまり、直管蛍光ランプなどに比べ、電球形蛍光ランプは単位表面積当たりの電力が大きいので、ランプ表面からの放熱が十分に行われず、発光管の温度が高くなるのである。
【０００７】
従来このような課題に対する対策としては、例えば特許文献１に開示されたような、アマルガムを使用する方法がある。これは、動作時に温度上昇によって最適値よりも過剰になった水銀蒸気をアマルガムに吸着させることによって、動作時の水銀蒸気圧を最適値付近にコントロールする方法で、水銀蒸気圧制御機能を有するＢｉ−Ｉｎ系やＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系等のアマルガムが用いられる。
【０００８】
また、別の対策方法としては、特許文献２に開示されたような、発光管の最も温度が低くなる部分に、発光管の外側に向かって隆起部を設けて局所的に放熱を高めることで、その部分の温度を摂氏４０℃付近となるようにする方法がある。
【特許文献１】
特開平１１−３１４７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２５９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、アマルガムを使用する方法では、ランプの温度が低い消灯状態からランプを点灯した場合、アマルガムの温度が上昇して吸着された水銀が再度放出されるまでに時間がかかるため、点灯してからランプが十分な明るさを得るまでの明るさの立ち上がりに数分以上の時間がかかるという課題があった。
【００１０】
また、明るさの立ち上がりを向上させるためにアマルガムを使用せずに水銀液滴を発光管に封入し、発光管外壁上に隆起部を設ける方法では、最冷点の温度を摂氏４０℃付近にコントロールする効果はあるものの、隆起部分のガラスが強度的にどうしても弱くなり割れやすくなる。さらには白熱電球にはそのような隆起部が存在しないため、白熱電球を代替して使用する場合、審美的観点から好ましくない、という課題があった。
【００１１】
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来とは異なるアプローチで最冷点の温度を好適な範囲に制御した電球形無電極放電ランプ及び無電極放電ランプ点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による第一の電球形無電極放電ランプは、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、前記点灯回路に電気的に接続された口金とを備え、前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１３】
ある実施形態において、前記直径Ｄｃと、前記間隔Δｈとが、Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１４】
前記発光管の前記最大直径は６５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記発光管の最冷点となる前記頂部又はその近傍に隆起部を設けないことが好ましい。
【００１５】
ある実施形態において、前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面よりも、前記点灯回路側の方へ８ｍｍ以上２０ｍｍ以下の距離だけ離れた範囲内に位置している。
【００１６】
本発明による第二の電球形無電極放電ランプは、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、前記点灯回路に電気的に接続された口金とを備え、前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、前記発光管の最大直径は、５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１７】
ある実施形態において、前記直径Ｄｃと前記間隔Δｈとが、Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１８】
前記発光管の前記最大直径は６０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
ある実施形態において、前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面上に実質的に存在している。
【００２０】
ある実施形態において、前記水銀は、アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている。
【００２１】
ある実施形態において、前記希ガスの封入圧力は、６０Ｐａ以上３００Ｐａ以下である。
【００２２】
ある実施形態において、前記発光管の内表面に蛍光体層が形成されている。
【００２３】
本発明による第一の無電極放電ランプ点灯装置は、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、前記凹入部に挿入された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路とを備え、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］の関係を満たす。
【００２４】
本発明による第二の無電極放電ランプ点灯装置は、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、前記凹入部に挿入された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路とを備え、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状である略円筒形状を有し、前記発光管の最大直径は、５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００２５】
ある実施形態において、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径Ｄｃは、前記凹入部のうち前記誘導コイルの長手方向における略中央部が位置する部位の直径よりも大きい。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように本発明によれば、従来とは異なるアプローチで最冷点の温度を好適な範囲に制御した電球形無電極放電ランプ及び無電極放電ランプ点灯装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本願発明者は数多くの実験を繰り返すことで、アマルガムを使用せずに、かつランプの外観に影響を与えることなく、最冷点の温度を好適な範囲に制御できるランプ内部の構造物の寸法の最適な範囲を見出した。
【００２８】
ここで、図２を参照しながら、安定点灯時の発光管の最冷点の温度がどのように決まるかを説明する。図２は無電極蛍光ランプが「ベース（高周波電源回路２０３及び口金２０２）を上にした」状態で点灯されている様子を表している（以降はベースアップ点灯と呼ぶ）。白熱電球は、通常はこのようなベースアップ点灯で使用される。図２において発光管１０１はＪＩＳ Ｃ ７７１０-１９８８において定義されたＡ型形状の白熱電球に近似した略回転楕円体形状であり、光透過性のガラス、例えばソーダライムガラスによって形成される。凹入部１０２は発光管１０１と同じ材質で形成された略円筒形状であり、その開口端１０３において発光管１０１と溶着されている。発光管１０１は、排気管１０４から一旦真空に排気されたのち、放電ガスとして少量の液状水銀（図示せず）と希ガス、例えばＫｒが室温時に６０Ｐａから１００Ｐａの圧力で封入されている（図示せず）。なお、ここで水銀は最初に水銀蒸気圧制御機能を有しないＺｎ−Ｈｇにより発光管１０１内に入れられるが、Ｚｎ−Ｈｇから高温により放出された水銀は再度Ｚｎ−Ｈｇに吸着されることはなく、一旦使用をはじめた無電極蛍光ランプでは、水銀元素の形態として封入されている。つまり、Ｚｎ−Ｈｇが水銀の供給源であっても実質的に水銀元素の形態として封入されていることになる。発光管１０１の内壁面には、ソーダライムガラスに含まれるナトリウムと水銀とが反応して黒化することを防ぐために、アルミナの保護膜（図示せず）が塗布され、その上から蛍光体膜（蛍光体層）１１０が塗布されている。また、凹入部１０２の発光管１０１側の面には、アルミナよりなる可視光反射膜（図示せず）が塗布され、さらにその上に蛍光体膜（蛍光体層）１１０が塗布されている。
【００２９】
凹入部１０２の内側には、Ｍｎ−Ｚｎ系の軟磁性フェライトからなる磁芯（コア）１０６上に、絶縁被覆された銅のより線（リッツワイヤ）からなる励起コイル（巻線）１０５が、ソレノイド状に巻回されている。励起コイル１０５の両端線１０７は、電気絶縁性の樹脂部材によって構成されたハウジング２０１の内部に配設された高周波電源回路（点灯回路）２０３に接続されている。
【００３０】
通常の白熱電球用ソケットから直接給電できる口金２０２を介して供給された商用電源電力は、高周波電源回路２０３を通して周波数が約４００ｋＨｚの高周波電流に変換されて励起コイル１０５に投入される。励起コイル１０５にこの高周波電流を与えることで、発光管１０１内部に誘導電場（図示せず）が生じる。この誘導電場の中で放電ガス中の電子が加速されて希ガスや水銀の原子と衝突し、励起と電離を繰り返すことで持続放電が生起し、図２に示すようにプラズマが発生する。
【００３１】
ここで高周波電源回路２０３が励起コイル１０５に印加する高周波電圧の周波数は約４００ｋＨｚとしているが、実用的に一般的に使用されているＩＳＭ帯の１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚに比べると、これは低い周波数である。この理由は、まず、１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚのような比較的高い周波数領域で動作させる場合、高周波電源回路２０３から発生するラインノイズを抑制するためのノイズフィルタが大型となり、高周波電源回路２０３の体積が大きくなってしまうからである。また、ランプから放射または伝播されるノイズが高周波ノイズの場合、高周波ノイズには非常に厳しい規制が法令にて設けられているため、その規制をクリアするには高価なシールドを設けて使用する必要があり、コストダウンを図る上で大きな障害となるからである。一方４０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の周波数領域で動作させる場合には、高周波電源回路２０３を構成する部材として、一般電子機器用の電子部品として使用されている安価な汎用品を使用することができるとともに、寸法の小さい部材を使用することが可能となるため、コストダウンおよび小型化を図ることができ、利点が大きいからである。ただし、本構成においては約４００ｋＨｚに限らず、４０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲での別の周波数領域や、１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚのような比較的高い周波数領域においても動作させることができる。
【００３２】
図２において、発光管１０１内部で最も温度が高くなるのは、一般に励起コイル１０５からの誘導電場のエネルギーが、放電ガス中でジュール加熱の形で消費されるプラズマ部分である。このプラズマ部分で発生した熱は、発光管１０１外表面から外気へと放出される。従って、発光管１０１の中でプラズマ部分から最も離れていて、かつ外気と接している部分、すなわち発光管１０１の頂部が最冷点となる。安定点灯時には、発生する熱量と、外気へと放出される熱量とがつりあうことによって、最冷点の温度が決定される。なお、安定点灯時というのは、点灯後十分な時間（通常は数分から数十分）が経過し、プラズマ部分や励起コイル１０５、高周波電源回路２０３からの発熱と外気による冷却とが平衡状態に達して発光管１０１の温度部分布が一定して、それによって定まる蒸気圧の水銀が発光に寄与する状態をいう。
【００３３】
次に、このような構成よりなる無電極蛍光ランプにおいて、最冷点温度がランプ効率にどのような影響を与えるかを説明する。図３は、図２に示すような無電極蛍光ランプを実際に試作し、周囲の環境温度を変化させて強制的に最冷点の温度を制御し、その時のランプの全光束を測定する実験をおこなった結果である。図３において横軸は最冷点の温度（℃）、縦軸は全光束（ｌｍ）である。また本実験で用いた無電極蛍光ランプは、図２に示す構造を有しており、発光管１０１の最大直径（Ｄ）は７５ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は９０ｍｍであり、発光管１０１内部には微量の水銀液滴と、Ｋｒガスを室温時に８０Ｐａとなるように封入した。発光管１０１の最大直径は、発光管１０１の回転対称軸に直交する平面内におけるもので、発光管１０１の外壁側におけるものである。凹入部１０２の直径（外径）は２１ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った凹入部１０２の頂上部までの高さは５８ｍｍであった。発光管１０１や凹入部１０２の厚みは約０．８ｍｍと小さいので、各直径や高さは厚み分を誤差として無視をして内径部分等を直径や高さにしてもよいし、厳密に厚み分まで換算して各直径や高さの値を算出してもよい。なお、凹入部１０２は、略円筒形状であるので、凹入方向の何れにおいても略同じ直径を有しており、凹入部の１０２の開口部と反対側に位置する部位の直径も２１ｍｍである。また口金２０２を通して投入した電力は２０Ｗであり、高周波電源回路２０３での損失を加味した発光管１０１への実際の投入電力は約１８Ｗであった。このような条件で点灯した場合の発光管１０１での単位表面積あたりの電力、すなわち安定点灯時の管壁負荷は約０．０７４Ｗ／ｃｍ2である。なお、管壁負荷の計算に当たっては、厳密にいえば発光管１０１のプラズマにおいて消費される電力を、発光管１０１の内表面積で割る必要がある。しかしながら、現実にはプラズマでの消費電力を正確に測定することは一般的に困難である。このため、ここでは正確に測定可能な、高周波電源回路２０３から励起コイル１０５に投入される電力を、発光管１０１の内表面積で割り算した値をもって管壁負荷と呼ぶこととする。
【００３４】
図３から明らかなように、最冷点が４０℃付近において無電極蛍光ランプの発光効率は最高となり、最冷点温度が上昇するにつれて急激に低下する。この実験に用いたランプでは、常温すなわち環境温度２５℃における最冷点温度は４７．２℃で、全光束は１３８０ｌｍであり、最冷点温度４０℃での全光束最高値より６％以上低い値となった。もし最冷点の温度を少なくとも４６℃以下にすることができれば、全光束の低下を最高値の約５％以内に抑えることが可能である。このため、本願発明者は、最冷点温度が決定されるメカニズムに立ち返って、最冷点温度の抑制手段の検討を行った。
【００３５】
上記メカニズムを考える上で重要なのは、発光管１０１内での熱の移動がどのように行われるかということであるが、本実験で用いられた発光管１０１内の圧力は８０Ｐａと小さいので、従来は発光管１０１内部の熱の移動は、熱伝導によるものがほとんどであると考えられてきた。即ち、液晶プロジェクター用の高圧水銀灯に代表される高輝度放電ランプとは異なり、蛍光ランプ内のような低圧放電プラズマでは放電ガスの圧力が数百分の1気圧と非常に低いために、蛍光ランプの発光管内での、熱の散逸機構としての対流は従来無視されてきたのである。ここで本願発明者は、今まで熱移動に寄与すると考えられることのなかった対流に着目した。
【００３６】
上記蛍光ランプの発光管１０１内の対流を考えてみると、まず発光管１０１内の放電ガスはプラズマ部分で加熱され、ハウジング２０１側へと上昇する。一方発光管１０１の管壁の、外気と接する領域では、外気への熱伝達によって放電ガスが冷却されるため、放電ガスはハウジング２０１側から発光管１０１頂部へと降下する。この結果、安定点灯中には発光管１０１内には図２中の矢印のような対流が存在すると考えられる。したがって、プラズマ部分で発生した熱は、放電ガスからの熱伝導のみでなく、この対流によっても移送されるので、こうしたプラズマ部分からの熱の移送経路が最も長くなり、かつ外気と接している部分、すなわち発光管１０１の頂部がやはり最冷点となるわけである。安定点灯時には、この最冷点へ熱伝導と対流によって移送される熱量と、発光管１０１外表面から外気へと放出される熱量とがつりあうことによって、最冷点の温度が決定されると考えることができる。
【００３７】
なお、図２ではベースアップ点灯時について説明したが、逆向きに点灯した場合、つまりハウジング２０１が下になるように点灯された場合には、対流の向きが逆になるものの、やはり熱源であるプラズマ部分から遠くかつ外気と接触している発光管１０１の頂部がベースアップ点灯時と同様に最冷点となる。最冷点への熱の移送経路も同様である。
【００３８】
ここで本願発明者は、なんらかの方法で、発光管１０１中の最高温部分であるプラズマ部分から最冷点への対流を妨げてやることで、最冷点の温度を制御することが可能なのではないかと発想したのである。
【００３９】
上記発想を確認するため熱流体シミュレーション技術を使用して、安定点灯時の発光管１０１内での放電ガスの動きを計算した。その結果、図２の凹入部１０２頂上付近に模式的に表したごとく、凹入部１０２の頂上付近では放電ガスの流れが大きく乱されることがわかった。この結果から、凹入部１０２を最冷点に近づけることで、プラズマ部分から最冷点への対流による熱移送を妨げ、最冷点の温度上昇を抑制することができるのではないかとの着想を得た。
【００４０】
そこで、発光管１０１の大きさを一定として、凹入部１０２の長さの異なる無電極蛍光ランプを多数試作し、最冷点温度と、凹入部１０２の頂上と発光管１０１の頂部の間隔Δｈとの相関を調べる実験を繰り返した。
【００４１】
図４にその結果を示す。図４において横軸はΔｈ、縦軸は最冷点の温度を示している。２本の線のうち、実線で示したのは凹入部１０２の直径（頂面近傍部分）が２１ｍｍの場合であり、点線は凹入部１０２の直径が２５．４ｍｍの場合のデータである。図４から明らかなように、Δｈが小さいほど、つまり凹入部１０２の頂上部と発光管１０１の頂部との間隔が狭いほど最冷点の温度が低下し、またその効果は凹入部１０２の直径（頂面近傍部分）が大きいほうが顕著であることがわかった。つまり、凹入部１０２の頂面近傍部分（開口部と反対側に位置する部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有していると言える。
【００４２】
なお、本実験において、凹入部１０２の直径を２１ｍｍと２５．４ｍｍとの２種類とした理由を述べる。凹入部１０２は、その内側に励起コイル１０５および磁芯１０６を収容し、さらにその内側に排気管１０４が配置されるが、図２に示すような無電極蛍光ランプでは、ランプの始動時にはプラズマが存在しないため、放電を開始するために上記励起コイル１０５には安定点灯時の１０倍以上の電流が流れる。このような大電流が励起コイル１０５に流れると、磁芯１０６の、励起コイル１０５の巻回面に平行な断面積が十分に大きくない場合には、磁芯１０６内で過大な励磁場による飽和という現象を起こすため磁芯として機能しなくなる。その結果発光管１０１内に十分な誘導電場を発生させることができずランプが点灯できなくなる。このため、おのずから凹入部１０２の直径には下限が生じる。また、逆に凹入部１０２の直径が大きすぎる場合には、点灯時にプラズマが存在する空間、すなわち凹入部１０２と発光管１０１の外壁との間隔が小さくなる。この結果、この部分でのプラズマの両極性拡散損失が増大し、安定放電を維持することが困難となる。これらの理由から、通常の白熱電球代替を目的とした無電極蛍光ランプのサイズと消費電力を勘案すると、実用的に使用可能な凹入部１０２の直径は２１ｍｍから２５．４ｍｍの範囲の中およびその近傍にあると考えられる。なお、磁芯１０６として軟磁性フェライト以外の材質、例えば積層した薄い珪素鋼板やダストコアを用いることも可能であり、このような場合には凹入部１０２の直径を２１ｍｍ以下にすることができる可能性もある。
【００４３】
図４から、最冷点温度が４６℃以下となる領域をＤｃとΔｈの関係として表現すると、図６の点線で示した関係より下側の領域となり、数式表現としては、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
を満たす関係であればよいという結論を得た。
【００４４】
なお、発光管１０１の全体的な温度は、概ね発光管１０１の単位面積あたりの投入電力、つまり管壁負荷によって決まるため、白熱電球の代替を目的として無電極蛍光ランプを設計する際には管壁負荷が大きく、一般的にここで検討された課題を有している。また、このようなＤｃとΔｈの関係としたので、最冷点、即ち発光管１０１の頂部又はその近傍に冷却のための隆起部を設けなくてもよく、従って、隆起部を設けることに起因する強度の低下及び審美的観点からの不都合も生じない。
【００４５】
ここまでに説明したように、最冷点の温度を抑制するためには、Δｈは小さく、Ｄｃは大きくすればより大きな効果を得ることができる。しかしながら、より大きな効果を得るためにΔｈをどんどん小さく、またＤｃを大きくしていった場合、今度は発光管１０１の頂部、最冷点の近傍に、凹入部１０２の輪郭の影ができるという新たな課題が生じる。これは最冷点近傍から見た場合、Δｈが小さくなれば、またＤｃが大きくなれば、プラズマ部分から放射される紫外線が凹入部１０２の頂上部でさえぎられる割合が大きくなるために生じる効果である。
【００４６】
本願発明者はこの影響を最小限に止め得るΔｈとＤｃとの関係をも調べるために、ΔｈとＤｃとが異なる多くの無電極蛍光ランプを使用して、発光管１０１の側面の最も明るい部分と最冷点付近の影が生じる部分それぞれの輝度を測定して、影の強さとΔｈ、Ｄｃとの関係を調べる実験も行った。発光管１０１の側面での輝度をＳｓ、発光管１０１頂部の影になる部分の輝度をＳｔとして、その明るさのコントラストを、
Ｃ＝（Ｓｓ−Ｓｔ）／（Ｓｓ＋Ｓｔ）
で定義して、Δｈとコントラストとの関係を調べたのが図５である。図５において横軸はΔｈ、縦軸は上式で定義したコントラストであり、コントラストの値は大きいほど発光管１０１の側面と頂部とで明るさの差が激しい、すなわち影が目立つということを表している。実線で示したのはＤｃが２１ｍｍの場合の結果であり、点線で示したのはＤｃが２５．４ｍｍの場合の結果である。図５に示すように、Δｈが小さいほど、またＤｃが大きいほど、コントラストの値が大きくなり、輪郭影の影響が顕著になることがわかった。
【００４７】
ここで、コントラストがどの程度になると違和感を持つかという主観評価実験を行ったところ、コントラストの値が０．７程度になると、被験者８人中２人が違和感を感じたという結果を得た。
【００４８】
このコントラスト値が０．７以下となる領域を、ΔｈとＤｃの関係として表現したものが、図６の実線の関係であり、この線よりも上の領域では、凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限に抑え得るといえる。この領域を数式で表現すると、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
との関係式を得る。以上から、ΔｈとＤｃを図６の点線と実線に囲まれた領域内の関係となるように設計すれば、外観上凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限にしつつ、最冷点温度を４６℃以下に抑制して好適なランプ効率を得ることができる。
【００４９】
なお、この輪郭影の影響を抑えることがどこまで重要かは、このような無電極蛍光ランプの実使用時の使用形態にも依存する。例えば開口部に拡散板を備えたような器具内での使用であったり、また人間の視線より低い位置に設置されるような場合には、輪郭影の影響はさほど重要ではない。このため、凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限にするための条件は、必ずしも必須のものではない。
【００５０】
また、図１２に示す米国特許第５２９１０９１号公報における無電極蛍光ランプや、図１３に示す米国特許第５８２５１３０号公報における無電極蛍光ランプのような従来の公知の無電極蛍光ランプは、上記二つの式を満たす形状を有していない。
【００５１】
次に、本願発明者は、発光効率をより高くするためにプラズマの発生位置に着目した。つまり、プラズマの発生する中心部がハウジング２０１に近すぎれば発光管１０１の管壁での両極性拡散が強くなり、プラズマを維持するために消費される電力が増加して効率が低下する。また逆に、プラズマの発生する中心部が最冷点に近すぎると、凹入部１０２による対流抑制の効果が相殺されて最冷点の温度が上昇し、やはり効率が低下することになると考えたのである。プラズマの発生する中心部は、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部にほぼ対応すると考えられ、この部分が発光管１０１の最大直径となる部分に一致すると、管壁での両極性拡散による損失が最も少なくなると推定した。
【００５２】
図１１は、発光管１０１内部のガスの流れをコンピュータでシュミレーションし、発光管１０１縦断面のうち半分を示した図である。ガスの流れを矢印で示している。励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２と、発光管１０１の最大直径部分１１４との距離ΔＣ［ｍｍ］は、最大直径部分１１４からベース側に向かう側を負としている。この図ではΔＣ＝−８［ｍｍ］としている。図より明らかなように、ガスの流れは、凹入部１０２と発光管１０１との中間であってかつ発光管１０１の最大直径部分１１４に当たるところを中心とした渦を形成している。この流れは、凹入部１０２に沿ってハウジング２０１の方へ向かい、ハウジング２０１が発光管１０１と重なる辺りで凹入部１０２から発光管１０１内壁側に向かい、それから発光管１０１内壁に沿って発光管１０１頂部（最冷点）の方に向かっていく。そして凹入部１０２の頂上に対応する辺りで発光管１０１内壁から凹入部１０２の方に向かい、再び凹入部１０２に沿ってハウジング２０１側へと向かっていく。
【００５３】
ここで、図１１では、ＤｃとΔｈの関係が
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
を満たしているため、ガスの流れは、凹入部１０２の頂上部分と発光管１０１の頂部との間の領域１１６には入り込まないことがわかる。つまり、高温のガスの流れが最冷点にまで達しておらず、凹入部１０２による対流制御が功を奏しているがわかる。
【００５４】
上記シュミレーションはガスの流れに関するものであるが、それとは別に、最も発光効率のよいプラズマ発生位置を上記推定に従って調べるため、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置を種々変更して実験した。その結果、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２及び発光管１０１の最大直径部分１１４の距離ΔＣとランプの全光束との関係を表したものが図９である。この図から明らかなように、ΔＣが−８〜−３０ｍｍであると実用上問題のない発光効率となり好ましい。ΔＣが−１２〜−１６ｍｍであると発光効率がより大きくなるためより好ましく、ΔＣが−１４ｍｍのときに光束が最大になり発光効率が最もよくなるためさらに好ましい。ここで、上記推定と異なって、ΔＣ＝０［ｍｍ］のときに光束が最大にならなかったのは、ΔＣが−１４ｍｍよりも大きくなることによって、励起コイルの巻位置中心が最冷点の方に近づくと、高温のガスが最冷点に近づくことになるが、管壁負荷が大きいために、最冷点温度が上がってしまい効率が下がることが理由であると考えられる。つまり、従来考慮されることのなかった励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置およびＤｃとΔｈの関係双方ともに考慮して、最適な効率となるように設定したので、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置が発光管１０１の最大直径部分１１４からマイナス側へずれたのである。
【００５５】
これまで説明してきた無電極蛍光ランプは、１００Ｗの白熱電球に相当するいわゆる高ワットタイプと呼ばれるものであるが、６０Ｗの白熱電球に相当するいわゆる低ワットタイプと呼ばれるものは、サイズや管壁負荷が高ワットタイプのものと異なるため、ＤｃとΔｈの関係を別途検討した。以下に、低ワットタイプの無電極蛍光ランプについて説明する。
【００５６】
低ワットタイプの無電極蛍光ランプも、形状は高ワットタイプのものとほぼ同じであり図２に示す形状である。発光管１０１の最大直径（Ｄ）は６５ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は７２ｍｍであり、発光管１０１内部には微量の水銀液滴と、Ｋｒガスを室温において８０Ｐａとなるように封入した。凹入部１０２の直径（プラズマ部分と接する外直径で表す）は２１ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った凹入部１０２の頂上部までの高さは５８ｍｍであった。また口金２０２を通して投入した電力は１２Ｗであり、高周波電源回路２０３での損失を加味した発光管１０１への実際の投入電力は約１１Ｗであった。このような条件で点灯した場合の発光管１０１での単位表面積あたりの電力、すなわち安定点灯時の管壁負荷は約０．０６Ｗ／ｃｍ2である。
【００５７】
高ワットタイプと同様にして、低ワットタイプでも最冷点温度および発光管１０１頂部での凹入部１０２の輪郭影の影響と、ΔｈおよびＤｃの関係とを調べる実験を行った。その結果得られた好適なΔｈとＤｃの範囲は図７の２本の直線にはさまれた領域である。図７の詳細な説明は図６と同様であるので省略する。この図から得られる好適なΔｈとＤｃの関係の数式表現は、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
および、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
である。
【００５８】
また、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置を種々変更して実験した結果、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２及び発光管１０１の最大直径部分１１４の距離ΔＣとランプの全光束との関係を表したものが図１０である。この図から明らかなように、ΔＣがほぼ０ｍｍであると光束が最大になり発光効率が最もよくなるため好ましい。なお、低ワットタイプでは高ワットタイプと異なり管壁負荷が小さいので、上記の推定の通りΔＣ＝０［ｍｍ］のときに光束が最大になった。
【００５９】
以下、消費電力１００Ｗの白熱電球相当の無電極蛍光ランプおよび消費電力６０Ｗ相当の無電極蛍光ランプの構成についてより詳細に説明する。なお、本発明は、これらの例に限定されない。
【００６０】
＜１００Ｗ用白熱電球相当の無電極蛍光ランプ＞
図１は上記の検討結果を採用した、本発明にかかる無電極蛍光ランプの、一つの好適な実施の形態の例を示している。図２において説明した構成と同じ構成要素には同じ図番を付し、説明を省略する。
【００６１】
図１において、発光管１０１と励起コイル（巻線）１０５及び磁芯（コア）１０６からなる誘導コイルと高周波電源回路（点灯回路）２０３と口金２０２とは一体に構成されており、発光管１０１は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、発光管１０１のうちの高周波電源回路２０３側には、誘導コイルが挿入される凹入部１０２が設けられており、この凹入部１０２は、高周波電源回路２０３側に開口部を有する略円筒形状を有し、且つ、凹入部１０２のうち開口部と反対側に位置する部位（頂上部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有している。また、磁芯１０６内には金属、好ましくは熱伝導率の高い銅またはアルミニウム製の放熱チューブ１０８が配設され、放熱チューブ１０８は同じく銅またはアルミニウム製の放熱部材１０９に接続されている。これらによって、点灯中の磁芯１０６および励起コイル１０５の温度を低く保つ。通常の白熱電球用ソケットに直接接続できる口金２０２によって供給された商用電源電力は、高周波電源回路２０３によって周波数４００ｋＨｚの高周波電流に変換され、励起コイル１０５の両端線１０７から励起コイル１０５へと投入される。また、放熱部材１０９に発生する渦電流を低減させる目的で、放熱部材１０９と磁芯１０６の図での最上部との間には空間が設けられている。口金２０２を通じてランプ全体で消費される電力は２０Ｗであり、これは消費電力１００Ｗの白熱電球代替用の電球形蛍光ランプとして好適なものである。このときの、高周波電源回路２０３における損失を考慮した、発光管１０１での管壁負荷の値は約０．０８５Ｗ／ｃｍ2となった。
【００６２】
この例において、発光管１０１の最大直径（Ｄ）は７０ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は８０ｍｍ、凹入部１０２の直径Ｄｃは２３ｍｍ、Δｈは１５ｍｍであり、この構成は先に説明した図６の２本の直線の間の領域にある。すなわち、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
および
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満足しており、凹入部１０２の輪郭影の影響を最大限に抑えつつ、最冷点温度を４６℃以下に抑制することが可能となっている。なお、凹入部１０２は、略円筒形状であるので、凹入方向の何れにおいても略同じ直径を有しており、凹入部の１０２の開口部と反対側に位置する部位の直径も２３ｍｍである。また、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部と発光管１０１の最大直径部分との距離ΔＣが−１４ｍｍ±２ｍｍ、より好ましくは−１４ｍｍ±１ｍｍであり、最冷点温度制御とプラズマの抵抗とのバランスをとって発光効率を大きくしている。
【００６３】
この例では、１００Ｗ相当の白熱電球に近似した形状及びサイズのまま、凹入部１０２の直径Ｄｃ及び凹入部１０２の頂面とそれに対向する発光管１０１の頂部との間隔Δｈを一定の関係とすることにより、無電極蛍光ランプの最冷点温度を制御することができ、アマルガムを用いなくても発光効率を高めることができる。また、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部を発光管１０１の最大直径部分から一定の距離範囲内にしているので、発光効率を高くすることができる。つまり、白熱電球代替を目的とした本発明の実施形態の電球形無電極放電ランプでは、凹入部の直径及び凹入部頂上と発光管頂部との距離を一定の関係とすることで、白熱電球に近似した外観、サイズを損なうことなく、最冷点の温度を制御することが可能となる。これによって、アマルガムを使用する必要がなくなり、明るさの立ち上がりとランプ効率を両立した電球形の無電極放電ランプとすることができる。
【００６４】
＜６０Ｗ用白熱電球相当の無電極蛍光ランプ＞
図８は本発明にかかる好適なもう一つの実施の形態の例を示している。図８では、発光管１０１と励起コイル（巻線）１０５及び磁芯（コア）１０６からなる誘導コイルと高周波電源回路（点灯回路）２０３と口金２０２とは一体に構成されており、発光管１０１は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、発光管１０１のうちの高周波電源回路２０３側には、誘導コイルが挿入される凹入部１０２が設けられており、この凹入部１０２は、高周波電源回路２０３側に開口部を有する略円筒形状を有し、且つ、凹入部１０２のうち開口部と反対側に位置する部位（頂上部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有していて、消費電力６０Ｗの白熱電球に相当する電球形蛍光ランプとして好適な構成となるような実施の形態の例である。この例では、より消費電力の小さいランプに好適なように、発光管１０１の最大直径（Ｄ）を６５ｍｍとし、また凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）も７２ｍｍとしてランプの小型化を図っている。また口金２０２を通してランプ全体に供給される消費電力は１１Ｗとしている。この場合の高周波電源回路２０３における損失を考慮した発光管１０１の管壁負荷は約０．０６Ｗ／ｃｍ2となった。また、消費電力が小さくなったことから、金属製の放熱チューブ１０８および放熱部材１０９は使用していない。しかしながら、小型の灯具内での使用など、使用条件によって温度が上昇する可能性がある場合には、これらの部材を使用することももちろん可能である。
【００６５】
本実施の形態において、凹入部１０２の直径Ｄｃは２１ｍｍ、Δｈは１２ｍｍであり、この構成は図７の２本の直線の間の領域にある。即ち、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
および、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満足しており、凹入部１０２の輪郭影の影響を最大限に抑えつつ、最冷点温度を４５℃以下に抑制することが可能となっている。また、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部と発光管１０１の最大直径部分との距離ΔＣが０ｍｍ±２ｍｍ、より好ましくは０ｍｍ±１ｍｍである。つまり、１００Ｗ用に比べて管壁負荷が小さいため、プラズマの抵抗が最小となるΔＣ＝０ｍｍにおいて最冷点温度も好適に制御できて、発光効率を大きくしている。
【００６６】
本例では、６０Ｗ相当の白熱電球に近似した形状及びサイズのまま、凹入部１０２の直径Ｄｃ及び凹入部１０２の頂面とそれに対向する発光管１０１の頂部との間隔Δｈを一定の関係とすることにより、実施の形態１と同様に無電極蛍光ランプの最冷点温度を制御することができ、アマルガムを用いなくても発光効率を高めることができる。また、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部を発光管１０１の最大直径部分と実質的に一致しているので、発光効率を高くすることができる。即ち、６０Ｗ相当の白熱電球代替を目的とした本実施の形態の電球形無電極放電ランプでは、凹入部の直径及び凹入部頂上と発光管頂部との距離を一定の関係とすることで、白熱電球に近似した外観、サイズを損なうことなく、最冷点の温度を制御することが可能となる。これによって、アマルガムを使用する必要がなくなり、明るさの立ち上がりとランプ効率を両立した電球形の無電極放電ランプとすることができる。
【００６７】
＜改変の形態＞
図１４は本発明にかかる好適なもう一つの実施の形態の例を示している。本形態では、凹入部１０２が２種類の径の円筒を組み合わせて形成されている。凹入部１０２のうち、開口部と反対側に位置する部位、即ち凹入部１０２の頂面部分１２２の直径Ｄｃは、励起コイル１０５が位置している部分の直径よりも大きい。このような構成にすることにより、励起コイル１０５の長手方向中央部１３０における凹入部１２１と発光管１０１内壁との距離を十分大きくとることができて両極性拡散によるプラズマの損失を低減させることが可能となるのとともに、頂面部分１２２の直径Ｄｃを放電ガスの対流を抑制するための十分な大きさを確保することができる。
【００６８】
なお、ここまでに述べた例では、発光管１０１の内面には蛍光体膜を塗布した場合（図示はしていない）を記述しているが、蛍光体膜を塗布せず、また発光管１０１を紫外線を透過する材質、例えば適切な純度の溶融石英やフッ化マグネシウムを使用して、水銀からの紫外線を直接利用するような無電極ランプとしても、最冷点温度を抑制することで紫外線の強度を最適化することが可能である。
【００６９】
また、ここまでの実施の形態の例では、ランプ本体と高周波電源回路２０３が一体となっている場合を述べてきたが、高周波電源回路２０３を別体としてランプ本体から離して設置するような形態も同様に実施可能である。
【００７０】
さらに、凹入部１０２の頂上部分にもアルミナなどによりなる可視光反射膜や蛍光体膜、またはその両方を塗布することで、発光管１０１頂部の凹入部１０２の輪郭影の影響を軽減することが可能である。
【００７１】
また、図１や図８では、凹入部１０２の頂上は角が四角い形状を記載しているが、必ずしも鋭利な角を持つ必要はない。角が丸い、或いは傾斜した頂上部とすることも可能である。
【００７２】
さらに、これまでの実施の形態の例では凹入部１０２の内部に励起コイル１０５を挿入する形態を説明してきたが、駆動周波数を更に高い、例えば１３．５６ＭＨｚを使用し、励起コイル１０５を発光管１０１の外側に巻回するような構成においても、凹入部１０２の最冷点温度に対して与える影響は同様であり、同様の効果を得ることが出来る。また、励起コイル１０５を凹入部１０２内に挿入する形態でも、駆動周波数が高い、例えば１３．５６ＭＨｚを使用する場合には、磁芯１０６は必ずしも必要ではない。また、励起コイル１０５で生じた高周波磁場が金属製の放熱部材１０９内で渦電流損失を生じるのを抑制するため、電気伝導性の低い磁性体、好ましくはＭｎ−Ｚｎ系またはＮｉ−Ｚｎ系の軟磁性フェライトよりなる円板を放熱部材１０９と発光管１０１の図での最上部との間に配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、無電極放電ランプ点灯装置の発光効率を高めるという点で有用であり、特に電球形無電極放電ランプに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の好適な一実施の形態による無電極蛍光ランプの模式図である。
【図２】無電極放電ランプの内部での放電ガスの対流の様子を示す模式図である。
【図３】無電極放電ランプの最冷点温度と全光束との関係をしめすグラフである。
【図４】無電極放電ランプにおけるΔｈと最冷点温度の関係を示すグラフである。
【図５】無電極放電ランプにおける、Δｈと凹入部の輪郭影のコントラストとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明によるΔｈとＤｃの、高ワットタイプの無電極放電ランプの好適な範囲を示すグラフである。
【図７】本発明によるΔｈとＤｃの、低ワットタイプの無電極放電ランプの好適な範囲を示すグラフである。
【図８】本発明による好適な実施の形態の一つを表す無電極蛍光ランプの模式図である。
【図９】高ワットタイプの無電極放電ランプにおける励起コイル巻き付け中心位置と発光管最大直径位置との差△Ｃと光束との関係を示すグラフである。
【図１０】低ワットタイプの無電極放電ランプにおける励起コイル巻き付け中心位置と発光管最大直径位置との差△Ｃと光束との関係を示すグラフである。
【図１１】コンピューターシュミレーションによる発光管内のガスの流れを示す模式図である。
【図１２】公知の無電極蛍光ランプの一例を示す図である。
【図１３】公知の無電極蛍光ランプの他の例を示す図である。
【図１４】本発明による好適な実施の改変の形態を表す無電極蛍光ランプの模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０１ 発光管
１０２ 凹入部
１０３ 凹入部の開口端
１０４ 排気管
１０５ 励起コイル（巻線）
１０６ 磁芯（コア）
２０２ 口金
２０３ 高周波電源回路（点灯回路）
【０００１】
本発明は、電球形無電極放電ランプおよび無電極放電ランプ点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護と経済性の視点から、白熱電球に比べて効率が約５倍高く、寿命も約６倍長い有電極の電球形蛍光ランプが、住宅やホテルなどにおいて白熱電球代替用として広く利用されてきている。さらに、最近、従来から存在する有電極の電球形蛍光ランプの他に、無電極の電球形蛍光ランプが普及し始めている。無電極蛍光ランプは、電極が無いことから寿命が有電極蛍光ランプに比べて更に２倍以上長いため、今後ますます普及していくことが期待される。
【０００３】
従来白熱電球にはさまざまな形状のものが創案され、実用化されているが、もっとも広く使用されているのは洋ナシ型の形状を持つものである。これはJIS C 7710-1988において定義されたＡ型と呼ばれる形状であり、国際的にもIEC 60887-1988によって同様に定義されていて、この規格に従って米国や欧州などにおいても同様の規格が設けられている。白熱電球を点灯させる灯具もこのＡ型の白熱電球の使用を前提としたものが多い。そのため電球形蛍光ランプも、特にこうしたＡ型の白熱電球に近似した形状、大きさのものを提供することが実用上求められている。
【０００４】
一般的に用いられる上記Ａ型の白熱電球のサイズは、例えば入力１００Ｗの白熱電球の場合で直径６０ｍｍ、バルブ頂上から口金先端までの高さ１１０ｍｍ程度の大きさであり、白熱電球を代替するためには、電球形蛍光ランプのサイズは前述のサイズを著しく越えないことが重要である。
【０００５】
白熱電球と異なり、上記蛍光ランプは放電によって励起された水銀が放出する紫外線を、外管バルブ（発光管）に塗布された蛍光体で可視光に変換することで光源として機能する。この水銀が放出する紫外線のなかでも特に波長が２５３．７ｎｍの輝線が、蛍光体での可視光への変換効率も高い。すなわち、蛍光ランプの効率は、２５３．７ｎｍの紫外輝線の放射効率によって決定される。蛍光ランプでのこの効率は、ランプ内での水銀の原子の密度、言い換えると蒸気圧で決定され、約６ｍＴｏｒｒ（約７９８ｍＰａ）の時に最高効率となる。これは、水銀液滴の摂氏４０℃前後での飽和蒸気圧に相当する。このため、効率の高い蛍光ランプを設計するためには、外管バルブの少なくとも最も温度が低くなる箇所（以下最冷点と呼ぶ）の温度を摂氏４０℃近傍になるようにすることが望ましい。最冷点において過剰な水銀蒸気が液滴となるからである。
【０００６】
ところが一般に、白熱電球の代替を目的とした電球形蛍光ランプでは、直管蛍光ランプなどに比べると、ランプに投入される電力に対してランプのサイズが小さい。そのため動作時には発光管の温度が高くなり、摂氏４０℃近傍にすることが原理的に困難である。つまり、直管蛍光ランプなどに比べ、電球形蛍光ランプは単位表面積当たりの電力が大きいので、ランプ表面からの放熱が十分に行われず、発光管の温度が高くなるのである。
【０００７】
従来このような課題に対する対策としては、例えば特許文献１に開示されたような、アマルガムを使用する方法がある。これは、動作時に温度上昇によって最適値よりも過剰になった水銀蒸気をアマルガムに吸着させることによって、動作時の水銀蒸気圧を最適値付近にコントロールする方法で、水銀蒸気圧制御機能を有するＢｉ−Ｉｎ系やＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系等のアマルガムが用いられる。
【０００８】
また、別の対策方法としては、特許文献２に開示されたような、発光管の最も温度が低くなる部分に、発光管の外側に向かって隆起部を設けて局所的に放熱を高めることで、その部分の温度を摂氏４０℃付近となるようにする方法がある。
【特許文献１】
特開平１１−３１４７６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２５９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、アマルガムを使用する方法では、ランプの温度が低い消灯状態からランプを点灯した場合、アマルガムの温度が上昇して吸着された水銀が再度放出されるまでに時間がかかるため、点灯してからランプが十分な明るさを得るまでの明るさの立ち上がりに数分以上の時間がかかるという課題があった。
【００１０】
また、明るさの立ち上がりを向上させるためにアマルガムを使用せずに水銀液滴を発光管に封入し、発光管外壁上に隆起部を設ける方法では、最冷点の温度を摂氏４０℃付近にコントロールする効果はあるものの、隆起部分のガラスが強度的にどうしても弱くなり割れやすくなる。さらには白熱電球にはそのような隆起部が存在しないため、白熱電球を代替して使用する場合、審美的観点から好ましくない、という課題があった。
【００１１】
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来とは異なるアプローチで最冷点の温度を好適な範囲に制御した電球形無電極放電ランプ及び無電極放電ランプ点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による第一の電球形無電極放電ランプは、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、前記点灯回路に電気的に接続された口金とを備え、前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１３】
ある実施形態において、前記直径Ｄｃと、前記間隔Δｈとが、Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１４】
前記発光管の前記最大直径は６５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記発光管の最冷点となる前記頂部又はその近傍に隆起部を設けないことが好ましい。
【００１５】
ある実施形態において、前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面よりも、前記点灯回路側の方へ８ｍｍ以上２０ｍｍ以下の距離だけ離れた範囲内に位置している。
【００１６】
本発明による第二の電球形無電極放電ランプは、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、前記点灯回路に電気的に接続された口金とを備え、前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、前記発光管の最大直径は、５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１７】
ある実施形態において、前記直径Ｄｃと前記間隔Δｈとが、Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００１８】
前記発光管の前記最大直径は６０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
ある実施形態において、前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面上に実質的に存在している。
【００２０】
ある実施形態において、前記水銀は、アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている。
【００２１】
ある実施形態において、前記希ガスの封入圧力は、６０Ｐａ以上３００Ｐａ以下である。
【００２２】
ある実施形態において、前記発光管の内表面に蛍光体層が形成されている。
【００２３】
本発明による第一の無電極放電ランプ点灯装置は、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、前記凹入部に挿入された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路とを備え、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］の関係を満たす。
【００２４】
本発明による第二の無電極放電ランプ点灯装置は、水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、前記凹入部に挿入された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路とを備え、前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状である略円筒形状を有し、前記発光管の最大直径は、５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］の関係を満たす。
【００２５】
ある実施形態において、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径Ｄｃは、前記凹入部のうち前記誘導コイルの長手方向における略中央部が位置する部位の直径よりも大きい。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように本発明によれば、従来とは異なるアプローチで最冷点の温度を好適な範囲に制御した電球形無電極放電ランプ及び無電極放電ランプ点灯装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本願発明者は数多くの実験を繰り返すことで、アマルガムを使用せずに、かつランプの外観に影響を与えることなく、最冷点の温度を好適な範囲に制御できるランプ内部の構造物の寸法の最適な範囲を見出した。
【００２８】
ここで、図２を参照しながら、安定点灯時の発光管の最冷点の温度がどのように決まるかを説明する。図２は無電極蛍光ランプが「ベース（高周波電源回路２０３及び口金２０２）を上にした」状態で点灯されている様子を表している（以降はベースアップ点灯と呼ぶ）。白熱電球は、通常はこのようなベースアップ点灯で使用される。図２において発光管１０１はＪＩＳ Ｃ ７７１０-１９８８において定義されたＡ型形状の白熱電球に近似した略回転楕円体形状であり、光透過性のガラス、例えばソーダライムガラスによって形成される。凹入部１０２は発光管１０１と同じ材質で形成された略円筒形状であり、その開口端１０３において発光管１０１と溶着されている。発光管１０１は、排気管１０４から一旦真空に排気されたのち、放電ガスとして少量の液状水銀（図示せず）と希ガス、例えばＫｒが室温時に６０Ｐａから１００Ｐａの圧力で封入されている（図示せず）。なお、ここで水銀は最初に水銀蒸気圧制御機能を有しないＺｎ−Ｈｇにより発光管１０１内に入れられるが、Ｚｎ−Ｈｇから高温により放出された水銀は再度Ｚｎ−Ｈｇに吸着されることはなく、一旦使用をはじめた無電極蛍光ランプでは、水銀元素の形態として封入されている。つまり、Ｚｎ−Ｈｇが水銀の供給源であっても実質的に水銀元素の形態として封入されていることになる。発光管１０１の内壁面には、ソーダライムガラスに含まれるナトリウムと水銀とが反応して黒化することを防ぐために、アルミナの保護膜（図示せず）が塗布され、その上から蛍光体膜（蛍光体層）１１０が塗布されている。また、凹入部１０２の発光管１０１側の面には、アルミナよりなる可視光反射膜（図示せず）が塗布され、さらにその上に蛍光体膜（蛍光体層）１１０が塗布されている。
【００２９】
凹入部１０２の内側には、Ｍｎ−Ｚｎ系の軟磁性フェライトからなる磁芯（コア）１０６上に、絶縁被覆された銅のより線（リッツワイヤ）からなる励起コイル（巻線）１０５が、ソレノイド状に巻回されている。励起コイル１０５の両端線１０７は、電気絶縁性の樹脂部材によって構成されたハウジング２０１の内部に配設された高周波電源回路（点灯回路）２０３に接続されている。
【００３０】
通常の白熱電球用ソケットから直接給電できる口金２０２を介して供給された商用電源電力は、高周波電源回路２０３を通して周波数が約４００ｋＨｚの高周波電流に変換されて励起コイル１０５に投入される。励起コイル１０５にこの高周波電流を与えることで、発光管１０１内部に誘導電場（図示せず）が生じる。この誘導電場の中で放電ガス中の電子が加速されて希ガスや水銀の原子と衝突し、励起と電離を繰り返すことで持続放電が生起し、図２に示すようにプラズマが発生する。
【００３１】
ここで高周波電源回路２０３が励起コイル１０５に印加する高周波電圧の周波数は約４００ｋＨｚとしているが、実用的に一般的に使用されているＩＳＭ帯の１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚに比べると、これは低い周波数である。この理由は、まず、１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚのような比較的高い周波数領域で動作させる場合、高周波電源回路２０３から発生するラインノイズを抑制するためのノイズフィルタが大型となり、高周波電源回路２０３の体積が大きくなってしまうからである。また、ランプから放射または伝播されるノイズが高周波ノイズの場合、高周波ノイズには非常に厳しい規制が法令にて設けられているため、その規制をクリアするには高価なシールドを設けて使用する必要があり、コストダウンを図る上で大きな障害となるからである。一方４０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の周波数領域で動作させる場合には、高周波電源回路２０３を構成する部材として、一般電子機器用の電子部品として使用されている安価な汎用品を使用することができるとともに、寸法の小さい部材を使用することが可能となるため、コストダウンおよび小型化を図ることができ、利点が大きいからである。ただし、本構成においては約４００ｋＨｚに限らず、４０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲での別の周波数領域や、１３．５６ＭＨｚまたは数ＭＨｚのような比較的高い周波数領域においても動作させることができる。
【００３２】
図２において、発光管１０１内部で最も温度が高くなるのは、一般に励起コイル１０５からの誘導電場のエネルギーが、放電ガス中でジュール加熱の形で消費されるプラズマ部分である。このプラズマ部分で発生した熱は、発光管１０１外表面から外気へと放出される。従って、発光管１０１の中でプラズマ部分から最も離れていて、かつ外気と接している部分、すなわち発光管１０１の頂部が最冷点となる。安定点灯時には、発生する熱量と、外気へと放出される熱量とがつりあうことによって、最冷点の温度が決定される。なお、安定点灯時というのは、点灯後十分な時間（通常は数分から数十分）が経過し、プラズマ部分や励起コイル１０５、高周波電源回路２０３からの発熱と外気による冷却とが平衡状態に達して発光管１０１の温度部分布が一定して、それによって定まる蒸気圧の水銀が発光に寄与する状態をいう。
【００３３】
次に、このような構成よりなる無電極蛍光ランプにおいて、最冷点温度がランプ効率にどのような影響を与えるかを説明する。図３は、図２に示すような無電極蛍光ランプを実際に試作し、周囲の環境温度を変化させて強制的に最冷点の温度を制御し、その時のランプの全光束を測定する実験をおこなった結果である。図３において横軸は最冷点の温度（℃）、縦軸は全光束（ｌｍ）である。また本実験で用いた無電極蛍光ランプは、図２に示す構造を有しており、発光管１０１の最大直径（Ｄ）は７５ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は９０ｍｍであり、発光管１０１内部には微量の水銀液滴と、Ｋｒガスを室温時に８０Ｐａとなるように封入した。発光管１０１の最大直径は、発光管１０１の回転対称軸に直交する平面内におけるもので、発光管１０１の外壁側におけるものである。凹入部１０２の直径（外径）は２１ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った凹入部１０２の頂上部までの高さは５８ｍｍであった。発光管１０１や凹入部１０２の厚みは約０．８ｍｍと小さいので、各直径や高さは厚み分を誤差として無視をして内径部分等を直径や高さにしてもよいし、厳密に厚み分まで換算して各直径や高さの値を算出してもよい。なお、凹入部１０２は、略円筒形状であるので、凹入方向の何れにおいても略同じ直径を有しており、凹入部の１０２の開口部と反対側に位置する部位の直径も２１ｍｍである。また口金２０２を通して投入した電力は２０Ｗであり、高周波電源回路２０３での損失を加味した発光管１０１への実際の投入電力は約１８Ｗであった。このような条件で点灯した場合の発光管１０１での単位表面積あたりの電力、すなわち安定点灯時の管壁負荷は約０．０７４Ｗ／ｃｍ2である。なお、管壁負荷の計算に当たっては、厳密にいえば発光管１０１のプラズマにおいて消費される電力を、発光管１０１の内表面積で割る必要がある。しかしながら、現実にはプラズマでの消費電力を正確に測定することは一般的に困難である。このため、ここでは正確に測定可能な、高周波電源回路２０３から励起コイル１０５に投入される電力を、発光管１０１の内表面積で割り算した値をもって管壁負荷と呼ぶこととする。
【００３４】
図３から明らかなように、最冷点が４０℃付近において無電極蛍光ランプの発光効率は最高となり、最冷点温度が上昇するにつれて急激に低下する。この実験に用いたランプでは、常温すなわち環境温度２５℃における最冷点温度は４７．２℃で、全光束は１３８０ｌｍであり、最冷点温度４０℃での全光束最高値より６％以上低い値となった。もし最冷点の温度を少なくとも４６℃以下にすることができれば、全光束の低下を最高値の約５％以内に抑えることが可能である。このため、本願発明者は、最冷点温度が決定されるメカニズムに立ち返って、最冷点温度の抑制手段の検討を行った。
【００３５】
上記メカニズムを考える上で重要なのは、発光管１０１内での熱の移動がどのように行われるかということであるが、本実験で用いられた発光管１０１内の圧力は８０Ｐａと小さいので、従来は発光管１０１内部の熱の移動は、熱伝導によるものがほとんどであると考えられてきた。即ち、液晶プロジェクター用の高圧水銀灯に代表される高輝度放電ランプとは異なり、蛍光ランプ内のような低圧放電プラズマでは放電ガスの圧力が数百分の1気圧と非常に低いために、蛍光ランプの発光管内での、熱の散逸機構としての対流は従来無視されてきたのである。ここで本願発明者は、今まで熱移動に寄与すると考えられることのなかった対流に着目した。
【００３６】
上記蛍光ランプの発光管１０１内の対流を考えてみると、まず発光管１０１内の放電ガスはプラズマ部分で加熱され、ハウジング２０１側へと上昇する。一方発光管１０１の管壁の、外気と接する領域では、外気への熱伝達によって放電ガスが冷却されるため、放電ガスはハウジング２０１側から発光管１０１頂部へと降下する。この結果、安定点灯中には発光管１０１内には図２中の矢印のような対流が存在すると考えられる。したがって、プラズマ部分で発生した熱は、放電ガスからの熱伝導のみでなく、この対流によっても移送されるので、こうしたプラズマ部分からの熱の移送経路が最も長くなり、かつ外気と接している部分、すなわち発光管１０１の頂部がやはり最冷点となるわけである。安定点灯時には、この最冷点へ熱伝導と対流によって移送される熱量と、発光管１０１外表面から外気へと放出される熱量とがつりあうことによって、最冷点の温度が決定されると考えることができる。
【００３７】
なお、図２ではベースアップ点灯時について説明したが、逆向きに点灯した場合、つまりハウジング２０１が下になるように点灯された場合には、対流の向きが逆になるものの、やはり熱源であるプラズマ部分から遠くかつ外気と接触している発光管１０１の頂部がベースアップ点灯時と同様に最冷点となる。最冷点への熱の移送経路も同様である。
【００３８】
ここで本願発明者は、なんらかの方法で、発光管１０１中の最高温部分であるプラズマ部分から最冷点への対流を妨げてやることで、最冷点の温度を制御することが可能なのではないかと発想したのである。
【００３９】
上記発想を確認するため熱流体シミュレーション技術を使用して、安定点灯時の発光管１０１内での放電ガスの動きを計算した。その結果、図２の凹入部１０２頂上付近に模式的に表したごとく、凹入部１０２の頂上付近では放電ガスの流れが大きく乱されることがわかった。この結果から、凹入部１０２を最冷点に近づけることで、プラズマ部分から最冷点への対流による熱移送を妨げ、最冷点の温度上昇を抑制することができるのではないかとの着想を得た。
【００４０】
そこで、発光管１０１の大きさを一定として、凹入部１０２の長さの異なる無電極蛍光ランプを多数試作し、最冷点温度と、凹入部１０２の頂上と発光管１０１の頂部の間隔Δｈとの相関を調べる実験を繰り返した。
【００４１】
図４にその結果を示す。図４において横軸はΔｈ、縦軸は最冷点の温度を示している。２本の線のうち、実線で示したのは凹入部１０２の直径（頂面近傍部分）が２１ｍｍの場合であり、点線は凹入部１０２の直径が２５．４ｍｍの場合のデータである。図４から明らかなように、Δｈが小さいほど、つまり凹入部１０２の頂上部と発光管１０１の頂部との間隔が狭いほど最冷点の温度が低下し、またその効果は凹入部１０２の直径（頂面近傍部分）が大きいほうが顕著であることがわかった。つまり、凹入部１０２の頂面近傍部分（開口部と反対側に位置する部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有していると言える。
【００４２】
なお、本実験において、凹入部１０２の直径を２１ｍｍと２５．４ｍｍとの２種類とした理由を述べる。凹入部１０２は、その内側に励起コイル１０５および磁芯１０６を収容し、さらにその内側に排気管１０４が配置されるが、図２に示すような無電極蛍光ランプでは、ランプの始動時にはプラズマが存在しないため、放電を開始するために上記励起コイル１０５には安定点灯時の１０倍以上の電流が流れる。このような大電流が励起コイル１０５に流れると、磁芯１０６の、励起コイル１０５の巻回面に平行な断面積が十分に大きくない場合には、磁芯１０６内で過大な励磁場による飽和という現象を起こすため磁芯として機能しなくなる。その結果発光管１０１内に十分な誘導電場を発生させることができずランプが点灯できなくなる。このため、おのずから凹入部１０２の直径には下限が生じる。また、逆に凹入部１０２の直径が大きすぎる場合には、点灯時にプラズマが存在する空間、すなわち凹入部１０２と発光管１０１の外壁との間隔が小さくなる。この結果、この部分でのプラズマの両極性拡散損失が増大し、安定放電を維持することが困難となる。これらの理由から、通常の白熱電球代替を目的とした無電極蛍光ランプのサイズと消費電力を勘案すると、実用的に使用可能な凹入部１０２の直径は２１ｍｍから２５．４ｍｍの範囲の中およびその近傍にあると考えられる。なお、磁芯１０６として軟磁性フェライト以外の材質、例えば積層した薄い珪素鋼板やダストコアを用いることも可能であり、このような場合には凹入部１０２の直径を２１ｍｍ以下にすることができる可能性もある。
【００４３】
図４から、最冷点温度が４６℃以下となる領域をＤｃとΔｈの関係として表現すると、図６の点線で示した関係より下側の領域となり、数式表現としては、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
を満たす関係であればよいという結論を得た。
【００４４】
なお、発光管１０１の全体的な温度は、概ね発光管１０１の単位面積あたりの投入電力、つまり管壁負荷によって決まるため、白熱電球の代替を目的として無電極蛍光ランプを設計する際には管壁負荷が大きく、一般的にここで検討された課題を有している。また、このようなＤｃとΔｈの関係としたので、最冷点、即ち発光管１０１の頂部又はその近傍に冷却のための隆起部を設けなくてもよく、従って、隆起部を設けることに起因する強度の低下及び審美的観点からの不都合も生じない。
【００４５】
ここまでに説明したように、最冷点の温度を抑制するためには、Δｈは小さく、Ｄｃは大きくすればより大きな効果を得ることができる。しかしながら、より大きな効果を得るためにΔｈをどんどん小さく、またＤｃを大きくしていった場合、今度は発光管１０１の頂部、最冷点の近傍に、凹入部１０２の輪郭の影ができるという新たな課題が生じる。これは最冷点近傍から見た場合、Δｈが小さくなれば、またＤｃが大きくなれば、プラズマ部分から放射される紫外線が凹入部１０２の頂上部でさえぎられる割合が大きくなるために生じる効果である。
【００４６】
本願発明者はこの影響を最小限に止め得るΔｈとＤｃとの関係をも調べるために、ΔｈとＤｃとが異なる多くの無電極蛍光ランプを使用して、発光管１０１の側面の最も明るい部分と最冷点付近の影が生じる部分それぞれの輝度を測定して、影の強さとΔｈ、Ｄｃとの関係を調べる実験も行った。発光管１０１の側面での輝度をＳｓ、発光管１０１頂部の影になる部分の輝度をＳｔとして、その明るさのコントラストを、
Ｃ＝（Ｓｓ−Ｓｔ）／（Ｓｓ＋Ｓｔ）
で定義して、Δｈとコントラストとの関係を調べたのが図５である。図５において横軸はΔｈ、縦軸は上式で定義したコントラストであり、コントラストの値は大きいほど発光管１０１の側面と頂部とで明るさの差が激しい、すなわち影が目立つということを表している。実線で示したのはＤｃが２１ｍｍの場合の結果であり、点線で示したのはＤｃが２５．４ｍｍの場合の結果である。図５に示すように、Δｈが小さいほど、またＤｃが大きいほど、コントラストの値が大きくなり、輪郭影の影響が顕著になることがわかった。
【００４７】
ここで、コントラストがどの程度になると違和感を持つかという主観評価実験を行ったところ、コントラストの値が０．７程度になると、被験者８人中２人が違和感を感じたという結果を得た。
【００４８】
このコントラスト値が０．７以下となる領域を、ΔｈとＤｃの関係として表現したものが、図６の実線の関係であり、この線よりも上の領域では、凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限に抑え得るといえる。この領域を数式で表現すると、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
との関係式を得る。以上から、ΔｈとＤｃを図６の点線と実線に囲まれた領域内の関係となるように設計すれば、外観上凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限にしつつ、最冷点温度を４６℃以下に抑制して好適なランプ効率を得ることができる。
【００４９】
なお、この輪郭影の影響を抑えることがどこまで重要かは、このような無電極蛍光ランプの実使用時の使用形態にも依存する。例えば開口部に拡散板を備えたような器具内での使用であったり、また人間の視線より低い位置に設置されるような場合には、輪郭影の影響はさほど重要ではない。このため、凹入部１０２の輪郭影の影響を最小限にするための条件は、必ずしも必須のものではない。
【００５０】
また、図１２に示す米国特許第５２９１０９１号公報における無電極蛍光ランプや、図１３に示す米国特許第５８２５１３０号公報における無電極蛍光ランプのような従来の公知の無電極蛍光ランプは、上記二つの式を満たす形状を有していない。
【００５１】
次に、本願発明者は、発光効率をより高くするためにプラズマの発生位置に着目した。つまり、プラズマの発生する中心部がハウジング２０１に近すぎれば発光管１０１の管壁での両極性拡散が強くなり、プラズマを維持するために消費される電力が増加して効率が低下する。また逆に、プラズマの発生する中心部が最冷点に近すぎると、凹入部１０２による対流抑制の効果が相殺されて最冷点の温度が上昇し、やはり効率が低下することになると考えたのである。プラズマの発生する中心部は、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部にほぼ対応すると考えられ、この部分が発光管１０１の最大直径となる部分に一致すると、管壁での両極性拡散による損失が最も少なくなると推定した。
【００５２】
図１１は、発光管１０１内部のガスの流れをコンピュータでシュミレーションし、発光管１０１縦断面のうち半分を示した図である。ガスの流れを矢印で示している。励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２と、発光管１０１の最大直径部分１１４との距離ΔＣ［ｍｍ］は、最大直径部分１１４からベース側に向かう側を負としている。この図ではΔＣ＝−８［ｍｍ］としている。図より明らかなように、ガスの流れは、凹入部１０２と発光管１０１との中間であってかつ発光管１０１の最大直径部分１１４に当たるところを中心とした渦を形成している。この流れは、凹入部１０２に沿ってハウジング２０１の方へ向かい、ハウジング２０１が発光管１０１と重なる辺りで凹入部１０２から発光管１０１内壁側に向かい、それから発光管１０１内壁に沿って発光管１０１頂部（最冷点）の方に向かっていく。そして凹入部１０２の頂上に対応する辺りで発光管１０１内壁から凹入部１０２の方に向かい、再び凹入部１０２に沿ってハウジング２０１側へと向かっていく。
【００５３】
ここで、図１１では、ＤｃとΔｈの関係が
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
を満たしているため、ガスの流れは、凹入部１０２の頂上部分と発光管１０１の頂部との間の領域１１６には入り込まないことがわかる。つまり、高温のガスの流れが最冷点にまで達しておらず、凹入部１０２による対流制御が功を奏しているがわかる。
【００５４】
上記シュミレーションはガスの流れに関するものであるが、それとは別に、最も発光効率のよいプラズマ発生位置を上記推定に従って調べるため、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置を種々変更して実験した。その結果、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２及び発光管１０１の最大直径部分１１４の距離ΔＣとランプの全光束との関係を表したものが図９である。この図から明らかなように、ΔＣが−８〜−３０ｍｍであると実用上問題のない発光効率となり好ましい。ΔＣが−１２〜−１６ｍｍであると発光効率がより大きくなるためより好ましく、ΔＣが−１４ｍｍのときに光束が最大になり発光効率が最もよくなるためさらに好ましい。ここで、上記推定と異なって、ΔＣ＝０［ｍｍ］のときに光束が最大にならなかったのは、ΔＣが−１４ｍｍよりも大きくなることによって、励起コイルの巻位置中心が最冷点の方に近づくと、高温のガスが最冷点に近づくことになるが、管壁負荷が大きいために、最冷点温度が上がってしまい効率が下がることが理由であると考えられる。つまり、従来考慮されることのなかった励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置およびＤｃとΔｈの関係双方ともに考慮して、最適な効率となるように設定したので、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置が発光管１０１の最大直径部分１１４からマイナス側へずれたのである。
【００５５】
これまで説明してきた無電極蛍光ランプは、１００Ｗの白熱電球に相当するいわゆる高ワットタイプと呼ばれるものであるが、６０Ｗの白熱電球に相当するいわゆる低ワットタイプと呼ばれるものは、サイズや管壁負荷が高ワットタイプのものと異なるため、ＤｃとΔｈの関係を別途検討した。以下に、低ワットタイプの無電極蛍光ランプについて説明する。
【００５６】
低ワットタイプの無電極蛍光ランプも、形状は高ワットタイプのものとほぼ同じであり図２に示す形状である。発光管１０１の最大直径（Ｄ）は６５ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は７２ｍｍであり、発光管１０１内部には微量の水銀液滴と、Ｋｒガスを室温において８０Ｐａとなるように封入した。凹入部１０２の直径（プラズマ部分と接する外直径で表す）は２１ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った凹入部１０２の頂上部までの高さは５８ｍｍであった。また口金２０２を通して投入した電力は１２Ｗであり、高周波電源回路２０３での損失を加味した発光管１０１への実際の投入電力は約１１Ｗであった。このような条件で点灯した場合の発光管１０１での単位表面積あたりの電力、すなわち安定点灯時の管壁負荷は約０．０６Ｗ／ｃｍ2である。
【００５７】
高ワットタイプと同様にして、低ワットタイプでも最冷点温度および発光管１０１頂部での凹入部１０２の輪郭影の影響と、ΔｈおよびＤｃの関係とを調べる実験を行った。その結果得られた好適なΔｈとＤｃの範囲は図７の２本の直線にはさまれた領域である。図７の詳細な説明は図６と同様であるので省略する。この図から得られる好適なΔｈとＤｃの関係の数式表現は、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
および、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
である。
【００５８】
また、励起コイル１０５の磁芯１０６への巻位置を種々変更して実験した結果、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部１１２及び発光管１０１の最大直径部分１１４の距離ΔＣとランプの全光束との関係を表したものが図１０である。この図から明らかなように、ΔＣがほぼ０ｍｍであると光束が最大になり発光効率が最もよくなるため好ましい。なお、低ワットタイプでは高ワットタイプと異なり管壁負荷が小さいので、上記の推定の通りΔＣ＝０［ｍｍ］のときに光束が最大になった。
【００５９】
以下、消費電力１００Ｗの白熱電球相当の無電極蛍光ランプおよび消費電力６０Ｗ相当の無電極蛍光ランプの構成についてより詳細に説明する。なお、本発明は、これらの例に限定されない。
【００６０】
＜１００Ｗ用白熱電球相当の無電極蛍光ランプ＞
図１は上記の検討結果を採用した、本発明にかかる無電極蛍光ランプの、一つの好適な実施の形態の例を示している。図２において説明した構成と同じ構成要素には同じ図番を付し、説明を省略する。
【００６１】
図１において、発光管１０１と励起コイル（巻線）１０５及び磁芯（コア）１０６からなる誘導コイルと高周波電源回路（点灯回路）２０３と口金２０２とは一体に構成されており、発光管１０１は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、発光管１０１のうちの高周波電源回路２０３側には、誘導コイルが挿入される凹入部１０２が設けられており、この凹入部１０２は、高周波電源回路２０３側に開口部を有する略円筒形状を有し、且つ、凹入部１０２のうち開口部と反対側に位置する部位（頂上部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有している。また、磁芯１０６内には金属、好ましくは熱伝導率の高い銅またはアルミニウム製の放熱チューブ１０８が配設され、放熱チューブ１０８は同じく銅またはアルミニウム製の放熱部材１０９に接続されている。これらによって、点灯中の磁芯１０６および励起コイル１０５の温度を低く保つ。通常の白熱電球用ソケットに直接接続できる口金２０２によって供給された商用電源電力は、高周波電源回路２０３によって周波数４００ｋＨｚの高周波電流に変換され、励起コイル１０５の両端線１０７から励起コイル１０５へと投入される。また、放熱部材１０９に発生する渦電流を低減させる目的で、放熱部材１０９と磁芯１０６の図での最上部との間には空間が設けられている。口金２０２を通じてランプ全体で消費される電力は２０Ｗであり、これは消費電力１００Ｗの白熱電球代替用の電球形蛍光ランプとして好適なものである。このときの、高周波電源回路２０３における損失を考慮した、発光管１０１での管壁負荷の値は約０．０８５Ｗ／ｃｍ2となった。
【００６２】
この例において、発光管１０１の最大直径（Ｄ）は７０ｍｍ、凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）は８０ｍｍ、凹入部１０２の直径Ｄｃは２３ｍｍ、Δｈは１５ｍｍであり、この構成は先に説明した図６の２本の直線の間の領域にある。すなわち、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
および
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満足しており、凹入部１０２の輪郭影の影響を最大限に抑えつつ、最冷点温度を４６℃以下に抑制することが可能となっている。なお、凹入部１０２は、略円筒形状であるので、凹入方向の何れにおいても略同じ直径を有しており、凹入部の１０２の開口部と反対側に位置する部位の直径も２３ｍｍである。また、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部と発光管１０１の最大直径部分との距離ΔＣが−１４ｍｍ±２ｍｍ、より好ましくは−１４ｍｍ±１ｍｍであり、最冷点温度制御とプラズマの抵抗とのバランスをとって発光効率を大きくしている。
【００６３】
この例では、１００Ｗ相当の白熱電球に近似した形状及びサイズのまま、凹入部１０２の直径Ｄｃ及び凹入部１０２の頂面とそれに対向する発光管１０１の頂部との間隔Δｈを一定の関係とすることにより、無電極蛍光ランプの最冷点温度を制御することができ、アマルガムを用いなくても発光効率を高めることができる。また、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部を発光管１０１の最大直径部分から一定の距離範囲内にしているので、発光効率を高くすることができる。つまり、白熱電球代替を目的とした本発明の実施形態の電球形無電極放電ランプでは、凹入部の直径及び凹入部頂上と発光管頂部との距離を一定の関係とすることで、白熱電球に近似した外観、サイズを損なうことなく、最冷点の温度を制御することが可能となる。これによって、アマルガムを使用する必要がなくなり、明るさの立ち上がりとランプ効率を両立した電球形の無電極放電ランプとすることができる。
【００６４】
＜６０Ｗ用白熱電球相当の無電極蛍光ランプ＞
図８は本発明にかかる好適なもう一つの実施の形態の例を示している。図８では、発光管１０１と励起コイル（巻線）１０５及び磁芯（コア）１０６からなる誘導コイルと高周波電源回路（点灯回路）２０３と口金２０２とは一体に構成されており、発光管１０１は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、発光管１０１のうちの高周波電源回路２０３側には、誘導コイルが挿入される凹入部１０２が設けられており、この凹入部１０２は、高周波電源回路２０３側に開口部を有する略円筒形状を有し、且つ、凹入部１０２のうち開口部と反対側に位置する部位（頂上部分）は、放電ガスの対流を抑制する機能を有していて、消費電力６０Ｗの白熱電球に相当する電球形蛍光ランプとして好適な構成となるような実施の形態の例である。この例では、より消費電力の小さいランプに好適なように、発光管１０１の最大直径（Ｄ）を６５ｍｍとし、また凹入部１０２の開口端１０３から測った発光管１０１の高さ（ｈ）も７２ｍｍとしてランプの小型化を図っている。また口金２０２を通してランプ全体に供給される消費電力は１１Ｗとしている。この場合の高周波電源回路２０３における損失を考慮した発光管１０１の管壁負荷は約０．０６Ｗ／ｃｍ2となった。また、消費電力が小さくなったことから、金属製の放熱チューブ１０８および放熱部材１０９は使用していない。しかしながら、小型の灯具内での使用など、使用条件によって温度が上昇する可能性がある場合には、これらの部材を使用することももちろん可能である。
【００６５】
本実施の形態において、凹入部１０２の直径Ｄｃは２１ｍｍ、Δｈは１２ｍｍであり、この構成は図７の２本の直線の間の領域にある。即ち、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
および、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満足しており、凹入部１０２の輪郭影の影響を最大限に抑えつつ、最冷点温度を４５℃以下に抑制することが可能となっている。また、磁芯１０６における励起コイル１０５が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部と発光管１０１の最大直径部分との距離ΔＣが０ｍｍ±２ｍｍ、より好ましくは０ｍｍ±１ｍｍである。つまり、１００Ｗ用に比べて管壁負荷が小さいため、プラズマの抵抗が最小となるΔＣ＝０ｍｍにおいて最冷点温度も好適に制御できて、発光効率を大きくしている。
【００６６】
本例では、６０Ｗ相当の白熱電球に近似した形状及びサイズのまま、凹入部１０２の直径Ｄｃ及び凹入部１０２の頂面とそれに対向する発光管１０１の頂部との間隔Δｈを一定の関係とすることにより、実施の形態１と同様に無電極蛍光ランプの最冷点温度を制御することができ、アマルガムを用いなくても発光効率を高めることができる。また、励起コイル１０５の巻き付け長手方向の中心部を発光管１０１の最大直径部分と実質的に一致しているので、発光効率を高くすることができる。即ち、６０Ｗ相当の白熱電球代替を目的とした本実施の形態の電球形無電極放電ランプでは、凹入部の直径及び凹入部頂上と発光管頂部との距離を一定の関係とすることで、白熱電球に近似した外観、サイズを損なうことなく、最冷点の温度を制御することが可能となる。これによって、アマルガムを使用する必要がなくなり、明るさの立ち上がりとランプ効率を両立した電球形の無電極放電ランプとすることができる。
【００６７】
＜改変の形態＞
図１４は本発明にかかる好適なもう一つの実施の形態の例を示している。本形態では、凹入部１０２が２種類の径の円筒を組み合わせて形成されている。凹入部１０２のうち、開口部と反対側に位置する部位、即ち凹入部１０２の頂面部分１２２の直径Ｄｃは、励起コイル１０５が位置している部分の直径よりも大きい。このような構成にすることにより、励起コイル１０５の長手方向中央部１３０における凹入部１２１と発光管１０１内壁との距離を十分大きくとることができて両極性拡散によるプラズマの損失を低減させることが可能となるのとともに、頂面部分１２２の直径Ｄｃを放電ガスの対流を抑制するための十分な大きさを確保することができる。
【００６８】
なお、ここまでに述べた例では、発光管１０１の内面には蛍光体膜を塗布した場合（図示はしていない）を記述しているが、蛍光体膜を塗布せず、また発光管１０１を紫外線を透過する材質、例えば適切な純度の溶融石英やフッ化マグネシウムを使用して、水銀からの紫外線を直接利用するような無電極ランプとしても、最冷点温度を抑制することで紫外線の強度を最適化することが可能である。
【００６９】
また、ここまでの実施の形態の例では、ランプ本体と高周波電源回路２０３が一体となっている場合を述べてきたが、高周波電源回路２０３を別体としてランプ本体から離して設置するような形態も同様に実施可能である。
【００７０】
さらに、凹入部１０２の頂上部分にもアルミナなどによりなる可視光反射膜や蛍光体膜、またはその両方を塗布することで、発光管１０１頂部の凹入部１０２の輪郭影の影響を軽減することが可能である。
【００７１】
また、図１や図８では、凹入部１０２の頂上は角が四角い形状を記載しているが、必ずしも鋭利な角を持つ必要はない。角が丸い、或いは傾斜した頂上部とすることも可能である。
【００７２】
さらに、これまでの実施の形態の例では凹入部１０２の内部に励起コイル１０５を挿入する形態を説明してきたが、駆動周波数を更に高い、例えば１３．５６ＭＨｚを使用し、励起コイル１０５を発光管１０１の外側に巻回するような構成においても、凹入部１０２の最冷点温度に対して与える影響は同様であり、同様の効果を得ることが出来る。また、励起コイル１０５を凹入部１０２内に挿入する形態でも、駆動周波数が高い、例えば１３．５６ＭＨｚを使用する場合には、磁芯１０６は必ずしも必要ではない。また、励起コイル１０５で生じた高周波磁場が金属製の放熱部材１０９内で渦電流損失を生じるのを抑制するため、電気伝導性の低い磁性体、好ましくはＭｎ−Ｚｎ系またはＮｉ−Ｚｎ系の軟磁性フェライトよりなる円板を放熱部材１０９と発光管１０１の図での最上部との間に配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、無電極放電ランプ点灯装置の発光効率を高めるという点で有用であり、特に電球形無電極放電ランプに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の好適な一実施の形態による無電極蛍光ランプの模式図である。
【図２】無電極放電ランプの内部での放電ガスの対流の様子を示す模式図である。
【図３】無電極放電ランプの最冷点温度と全光束との関係をしめすグラフである。
【図４】無電極放電ランプにおけるΔｈと最冷点温度の関係を示すグラフである。
【図５】無電極放電ランプにおける、Δｈと凹入部の輪郭影のコントラストとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明によるΔｈとＤｃの、高ワットタイプの無電極放電ランプの好適な範囲を示すグラフである。
【図７】本発明によるΔｈとＤｃの、低ワットタイプの無電極放電ランプの好適な範囲を示すグラフである。
【図８】本発明による好適な実施の形態の一つを表す無電極蛍光ランプの模式図である。
【図９】高ワットタイプの無電極放電ランプにおける励起コイル巻き付け中心位置と発光管最大直径位置との差△Ｃと光束との関係を示すグラフである。
【図１０】低ワットタイプの無電極放電ランプにおける励起コイル巻き付け中心位置と発光管最大直径位置との差△Ｃと光束との関係を示すグラフである。
【図１１】コンピューターシュミレーションによる発光管内のガスの流れを示す模式図である。
【図１２】公知の無電極蛍光ランプの一例を示す図である。
【図１３】公知の無電極蛍光ランプの他の例を示す図である。
【図１４】本発明による好適な実施の改変の形態を表す無電極蛍光ランプの模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０１ 発光管
１０２ 凹入部
１０３ 凹入部の開口端
１０４ 排気管
１０５ 励起コイル（巻線）
１０６ 磁芯（コア）
２０２ 口金
２０３ 高周波電源回路（点灯回路）
Claims (11)
- アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、
前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、
前記点灯回路に電気的に接続された口金と
を備え、
前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、
前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、
前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、
前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、
前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、
安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、
前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、
前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
の関係を満たし、
前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、
前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面よりも、前記点灯回路側の方へ８ｍｍ以上２０ｍｍ以下の距離だけ離れた範囲内に位置している、電球形無電極放電ランプ。 - 前記直径Ｄｃと前記間隔Δｈとが、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満たす、請求項１に記載の電球形無電極放電ランプ。 - 前記発光管の前記最大直径は６５ｍｍ以上８０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の電球形無電極放電ランプ。
- アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入された発光管と、
前記発光管の近傍に設けられた誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と、
前記点灯回路に電気的に接続された口金と
を備え、
前記発光管と前記誘導コイルと前記点灯回路と前記口金とは一体に構成されており、
前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、
前記発光管のうちの前記点灯回路側には、前記誘導コイルが挿入される凹入部が設けられており、
前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、且つ、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位は、前記放電ガスの対流を抑制する機能を有しており、
前記発光管の最大直径は、５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、
安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、
前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、
前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
の関係を満たし、
前記誘導コイルは、コアと、当該コアに巻き付けられた巻線とから構成されており、
前記コアにおける前記巻線が巻き付けられている部分の、長手方向についての中心部位は、前記発光管の前記最大直径が存在する平面上に実質的に存在している、電球形無電極放電ランプ。 - 前記直径Ｄｃと前記間隔Δｈとが、
Δｈ≧１．１６×Ｄｃ−１７．４［ｍｍ］
の関係を満たす、請求項４に記載の電球形無電極放電ランプ。 - 前記発光管の前記最大直径は６０ｍｍ以上７０ｍｍ以下である、請求項４または５に記載の電球形無電極放電ランプ。
- 前記希ガスの封入圧力は、６０Ｐａ以上３００Ｐａ以下である、請求項１から６の何れか一つに記載の電球形無電極放電ランプ。
- 前記発光管の内表面に蛍光体層が形成されている、請求項１から７の何れか一つに記載の電球形無電極放電ランプ。
- 前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径Ｄｃは、前記凹入部のうち前記誘導コイルの長手方向における略中央部が位置する部位の直径よりも大きい、請求項１から８の何れか一つに記載の電球形無電極放電ランプ。
- アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、
前記凹入部に挿入された誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と
を備え、
前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、
前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状であり、
前記発光管の最大直径は、６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下であり、
安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０７Ｗ／ｃｍ2以上０．１１Ｗ／ｃｍ2以下であり、そして、
前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、
前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、
Δｈ≦１．１５×Ｄｃ＋１．２５［ｍｍ］
の関係を満たし、
前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径Ｄｃは、前記凹入部のうち前記誘導コイルの長手方向における略中央部が位置する部位の直径よりも大きい、無電極放電ランプ点灯装置。 - アマルガムの形態でなく、水銀元素の形態で前記発光管に封入されている水銀と希ガスとを含む放電ガスが封入され、凹入部を有する発光管と、
前記凹入部に挿入された誘導コイルと、
前記誘導コイルに高周波電力を供給する点灯回路と
を備え、
前記発光管は、略球形状あるいは略回転楕円形状を有しており、
前記凹入部は、前記点灯回路側に開口部を有し、横断面が略円形の筒形状でありする略円筒形状を有し、
前記発光管の最大直径は、
５５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、
安定点灯時における前記発光管の管壁負荷は、０．０５Ｗ／ｃｍ2以上０．０７Ｗ／ｃｍ2未満であり、そして、
前記発光管の前記最大直径（Ｄ）に対する、前記凹入部における前記開口部の端面を基準とした前記発光管の高さ（ｈ）の比（ｈ／Ｄ）は、１．０以上１．３以下であり、
前記凹入部のうちの前記開口部と反対側に位置する前記凹入部の頂面と、前記凹入部の前記頂面と対向する前記発光管の頂部との間隔をΔｈとし、前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径をＤｃとしたときに、
Δｈ≦１．９２×Ｄｃ−２２．４［ｍｍ］
の関係を満たし、
前記凹入部のうち前記開口部と反対側に位置する部位の直径Ｄｃは、前記凹入部のうち前記誘導コイルの長手方向における略中央部が位置する部位の直径よりも大きい、無電極放電ランプ点灯装置。
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