JP3826158B2 - 無電極放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、バルブの凹部に配置された誘導コイルが発生する電磁界により発光する無電極放電ランプに関する。

近年、地球環境保護の観点から、白熱電球と比較して高効率・長寿命の放電ランプが広く利用されている。さらに、従来の放電空間内に電極を有するランプと比較して圧倒的な長寿命を有する無電極放電ランプの研究・実用化が盛んに行われている。無電極放電ランプは、従来の放電ランプにおいて寿命を制限する主要因となっていた電極が放電空間の内部に存在しないため、ランプの寿命が飛躍的に伸びるという特徴を持っており、今後の普及が期待されている。

このような無電極放電ランプでは、バルブの凹部に配置された誘導コイルが発生する高周波電磁界で放電空間内に放電プラズマを発生させ、それによって発光する。誘導コイルは、磁性材料からなる磁心に巻回された巻線から構成され、有限長のソレノイド形状である。一般に、磁心としてフェライト材料が多く用いられる。巻線に供給される数１０kHzから数１０MHzの高周波でランプが駆動される。

特許文献１には、図１４に示す代表的な誘導コイルの構造が開示されている。図１４に記載の無電極低圧水銀蒸気放電ランプは、水銀とクリプトンが充填されたガラス製の放電容器ないしはバルブ１０１を備える。バルブ１０１に設けられた管状の凹部１０２に、誘導コイル１０３と磁心１０４が収容されている。磁心１０４の断面積は、２０mm^２から６０mm^２である。誘導コイル１０３は、磁心１０４に１０から１５ターン直接巻回された巻線１０５からなる。

特許文献２には、図１５に示す磁心に誘導コイルの巻線が直接巻回された構造と、図１６に示す磁心と誘導コイルの巻線の間にボビン（コイル巻枠）を設けた構造との双方が開示されている。図１５では、バルブ（図示せず）を支持する基体２０１に一対のフィンガ２０２が一体形成されている。このフィンガ２０２は誘導コイル２０３が巻き付けられた筒状の磁心２０４の中を通って延在する。フィンガ２０２の基体２０１とは反対側の端部に設けられた突出部２０２ａが、磁心２０４を支持する。磁心２０４は、がたつきを防止するためにばね座金２０５によって支持されている。図１６では、バルブを支持する基体３０１に一体形成されたコイル巻枠３０２に誘導コイル３０３が巻き付けられている。磁心３０４はコイル巻枠３０２の内周面に形成された溝内に保持されている。

しかしながら、上記従来の無電極放電ランプには以下のような課題がある。

磁心がNi−Znフェライトのように電気伝導性が比較的低い材料からなる場合、磁心と巻線の間の絶縁性を特に考慮しなくても、絶縁破壊の可能性は低い。しかしながら、駆動回路の駆動周波数が５０kHZ以上１MHz以下の場合、例えばMn−ZnフェライトやCu−Znフェライト、珪素鋼板、パーマロイのような比較的電気伝導性が高い材料が磁心として用いられる可能性がある。これらの比較的電気伝導性の高い材料を磁心に用いる場合、磁心と巻線の間の絶縁信頼性の確保が必須となる。

しかし、図１４や図１５に図示されているような磁心に直接巻線を巻回する誘導コイルでは、絶縁信頼性の確保が非常に困難である。特に、巻線の巻き始めと巻き終わりの部分は、巻線が急激にないしは鋭く折れ曲がる部分が発生しやすい。この折れ曲がりのために、巻線に絶縁被覆を被せたとしても、絶縁被覆の偏平ないしは偏肉が発生しやすいばかりか、絶縁被覆が損傷しやすい。その結果、磁心と巻線との間あるいは巻線間での絶縁破壊が容易に発生してしまう。

さらに、誘導コイルの巻数は、ランプの駆動周波数が低いほど多くなる傾向にあることが知られている。これは、放電プラズマの発生及び維持のために必要なバルブ内部の誘導電界が駆動周波によってほとんど変わらない一方、誘導コイルから発生する磁束による誘導電界は駆動周波数に比例するためである。このため、駆動周波数が低くなるほど、誘導コイルの巻数を増やして磁束を増やす必要がある。具体的には、駆動周波数が低い場合、巻線の間隔（巻きピッチ）を縮小したり、巻線を多層に巻くことにより、巻数を増やす必要がある。従って、１ＭＨｚ以下の比較的低い周波数の場合、巻線間の絶縁対策が必須である。

図１６に示すような、磁心３０４と誘導コイル５０３の間にコイル巻枠３０２を設けた構造は、誘導コイル３０３の巻線と磁心３０４の絶縁破壊を防げる。しかし、この場合、コイル巻枠３０２の肉厚の分だけ誘導コイル３０３の外径が太くなり、バルブの凹部を大きくしなければならなくなる。バルブ全体の大きさは普及している照明器具の寸法によって制限される。従って、凹部を大きくすると結果的にバルブ内の放電空間が狭くなるので、放電プラズマの拡散損失が大きくなり、発光効率に悪影響を及ぼす可能性がある。

特開昭６０−７２１５５号公報 特開平１０−９２３９１号公報

本発明は、磁心に誘導コイルの巻線を直接巻き付けるコンパクトな構造で、かつ巻線間及び巻線と磁心との間の絶縁信頼性が高い無電極放電ランプを提供することを課題とする。

本発明は、内部に放電ガスが封入され、かつ凹部を有するバルブと、前記凹部内に配置された磁心と、前記磁心に電気絶縁性の被膜を有する巻線を巻回してなる、前記凹部内に配置された誘導コイルと、前記磁心が固定された固定部材とを備え、前記固定部材は、前記磁心の軸線方向に延在する延在部と、当該延在部よりも前記磁心に近接して位置し、前記磁心を保持する保持部と、前記保持部と前記磁心との境界から前記延在部の方に前記巻線の直径の１倍以上２倍以下の距離を隔てて位置する、前記巻線を屈曲させるための屈曲部とを有し、かつ前記誘導コイルの前記巻線は、前記被覆を介して前記磁心に巻回した巻回部と、前記延在部に沿って前記磁心へ向かって延びる直線部とを有する、無電極放電ランプを提供する。

前記屈曲部は、例えば引掛部又は溝構造である。

好適には、前記誘導コイルの前記巻線が、前記引掛部又は溝構造で折れ曲がり部を有する。

引掛部又は溝構造（屈曲部）は保持部と磁心との境界から延在部の方に巻線の直径の１倍以上２倍以下の距離を隔てて位置する。従って、屈曲部において巻線が折れ曲がり部を有する場合でも、巻線の折れ曲がり部と磁心の間には保持部が介在し、それによって巻線と磁心との間の絶縁破壊が防止される。屈曲部から保持部の先端までの長さは、巻線と磁心との間の絶縁破壊防止に最低限必要な長さ、すなわち巻線の直径の１倍以上２倍以下に設定されている。従って、コイル巻線枠を設ける場合とは異なり、誘導コイルの外形寸法（例えば、外径）を低減してコンパクトな構成できる。その結果、凹部の寸法を小さくでき、バルブの放電空間を広くできることから、比較的少ない投入電力でプラズマ放電を容易に発生させることができる。

好適には、前記誘導コイルに高周波電力を供給する駆動回路の駆動周波数は５０kHz以上１MHz以下である。駆動回路の損失には、個々の回路素子の抵抗成分によるもののほか、スイッチング素子におけるスイッチング損失がある。駆動周波数を１MHz以下に設定すれば、スイッチング損失を低減してバルブ内の放電プラズマに対して効率的に電力を投入できる。

駆動回路の駆動周波数を５０kHz以上１MHz以下に設定する場合、磁心が低損失かつ高透磁率の磁性材料からなることが好ましい。例えば、前記磁心が、Ｍｎ−Ｚｎフェライトであることが好ましい。また、磁心はＣｕ−Ｚｎフェライト、珪素鋼板、パーマロイなどの５０kHz以上１MHzで低損失かつ高透磁率である他の磁性材料であってもよい。Ｍｎ−Ｚｎフェライトを含む５０kHz以上１MHzで低損失かつ高透磁率の磁性材料は、一般に導線性が高い。従って、これらの磁性材料を磁心に使用する場合、本発明による巻線と磁心の絶縁信頼性向上の効果が特に顕著である。

巻線の巻回部の層数は偶数であることが好ましい。巻回部の層数は偶数とすれば、巻線の巻き始めと巻き終わりの両方が固定部材の近傍に位置し、被覆が極端に薄くなるような折り曲げを巻線に設ける必要がなく、絶縁信頼性がさらに向上する。

前記駆動回路は、第１の出力を有する第１の出力端子と前記第１の出力よりも低い第２の出力を有する第２の出力端子とを備える。前記巻線の前記巻回部が、巻き始め側の端部において、前記駆動回路の前記第２の出力端子（低圧側の出力端子）に接続されていることが好ましい。巻回部の巻き始め側を低圧側の第２の出力端子に接続すれば、巻線と磁心の間の電位差を低減できる。その結果、巻線の被覆の厚さを薄くできるので、誘導コイルの外形寸法（例えば外径）を低減できる。

巻回部の巻き始め側を低圧側の第２の出力端子に接続する場合、絶縁破壊を確実に防止するには、前記保持部の外形と前記磁心の外形との段差が、前記巻線の直径の３０％以上１１０％以下であることが好ましい。

前記巻線の前記巻回部が、巻き始め側の端部において、前記駆動回路の前記第１の出力端子（高圧側の端子）に接続されてもよい。この場合、巻線と磁心間の絶縁破壊を確実に防止するには、前記保持部の外形と前記磁心の外形との段差が、前記被覆を有した巻線の直径の１０％以上３０％以下であることが好ましい。

前記巻線が、前記直線部よりも前記駆動回路側にダミー巻き部をさらに有してもよい。ダミー巻き部を設けることにより、巻線が磁心や固定部材から外れるのを確実に防止できる。

固定部材の延在部にダミー巻き部を屈曲させる第２の屈曲部を設ければ、巻線が磁心や固定部材から外れるのをより確実に防止できる。

本発明によれば、無電極放電ランプの誘導コイルの巻線間及び磁心と巻線の間の絶縁性能を確保でき、高い信頼性を実現できる。また、コンパクトに構成できるため、凹部の寸法を小さくでき、バルブの放電空間を広くできることから、比較的少ない投入電力でプラズマ放電を容易に発生させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明による無電極放電ランプの実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る無電極放電ランプの構成を示している。放電容器ないしはバルブ１は、ソーダガラスなどの透光性物質で形成され、気密に封止されている。放電空間であるバルブ１の内部には、放電ガスが封入されている。放電ガスは、典型的には水銀蒸気と種々の希ガスの混合物であるが、必ずしもこれに限定されない。例えば、金属ハロゲン化物やナトリウム、カドミウムなどでも良く、所望の発光スペクトルを得るために適宜物質が選択される。本実施形態では、水銀とクリプトンガスとを１５０Ｐａで封入している。バルブ１内面には蛍光体が塗布されている。

バルブ１は凹部２を有している。この凹部２はバルブ１の透光性物質の一部によって形成されており、バルブ１の底部から内側に向かって突出する管状の部分である。凹部２の内部ないしはキャビティはバルブ１の内部に対して遮断され、外気と連通している。

バルブ１の凹部２内には、略円筒形状の磁心３と、この磁心３に巻線４を複数回巻回してなる誘導コイル５とが収容されている。

図６を参照すると、巻線４は各々薄い電気絶縁性の絶縁被覆９ａを有する線径の細い細線９を多数束ねたリッツ線である。また、磁心３と巻線４の間の絶縁を確保するために、束ね細線９の外側にさらに樹脂の絶縁被覆１１が施されている。樹脂製の絶縁被覆１１は、ランプ点灯中に発生する高温の放電プラズマからの熱により、徐々に耐圧劣化する。従って、絶縁被覆１１は、ランプ点灯中の巻線４の温度とランプ始動時に誘導コイル５に発生する高電圧を考慮して、材質及び被覆の厚さを適正に設計する必要がある。絶縁被覆１１に適した材料としては、例えば、高温における優れた絶縁耐圧維持性能を有する樹脂被覆材料であるフッ素樹脂系の材料（ＰＦＡ）がある。

本実施形態では、磁心３は略円筒形状である。磁心３の形状は円筒形状に限定されず、円柱形状、多角柱形状のような他の形状であっても良い。また、磁心３は固定部材７によって固定されている。固定部材７には一対の端子８Ａ、８Ｂが取り付けられている。各端子８Ａ、８Ｂの一端は誘導コイル５の巻線４に接続され、他端は駆動回路１２に接続されている。なお、固定部材８の構造の詳細は後に詳述する。

駆動回路１２は商用電源から電力供給を受けるための口金１３に接続されるとともに、ケース１４で覆われている。また、ケース１４は、後述する固定部材７の基板部７ａを保持している。また、ケース１４は、例えばＰＢＴ（テレフタル酸ポリブチレン）のような材料で形成されている。

以下、本実施形態の無電極放電ランプの動作を説明する。駆動回路１２は、口金１３を介して商用電源から供給される電力を５０kHz以上１MHz以下の高周波電力に変換し、該高周波電力を誘導コイル５に供給する。誘導コイル５に高周波電力が供給されると、誘導コイル５から磁界が発生する。この磁界によってバルブ１の内部に誘導電界が発生し、この誘導電界によりバルブ１の内部に放電プラズマが形成される。放電プラズマ中で励起された水銀などの放電物質は可視光又は紫外線を発生し、バルブ１の外表面を通して外部に放射される。

次に、駆動回路１２の駆動周波数について説明する。駆動回路１２の損失は、駆動回路１２に使われている各素子の抵抗成分によるもののほかに、スイッチング素子（図８の符号３６，３７参照）におけるスイッチング損失がある。一般に、スイッチング損失は駆動周波数が高いほど増加することが知られている。つまり、駆動周波数を高くするほどバルブ１（放電プラズマ）に投入される電力が低下するばかりか、スイッチング素子３６，３７における発熱が増加することになる。このスイッチング損失を低減するには、駆動回路１２の駆動周波数は１MHz以下に押さえることが好適である。また、駆動周波数が５０kHz未満であると誘導コイル５から発生する誘導電界が非常に弱くなり、放電プラズマを発生及び維持することが困難となる。従って、駆動回路１２の駆動周波数は５０kHz以上に設定することが好ましい。以上の理由から、駆動回路１２の駆動周波数は、５０kHz以上１MHz以下が好ましい。

次に、磁心３の材質について説明する。本実施形態では、磁心３はＭｎ−Ｚｎフェライトである。５０kHz以上１MHz以下の駆動周波数で駆動される場合、Ｍｎ−Ｚｎフェライトが低損失かつ高透磁率の観点から磁心３の材料として最も好ましい。しかし、Ｍｎ−Ｚｎフェライトに限らず、５０kHz以上１MHz以下で高透磁率、低損失である材料であれば、本発明の効果がある。５０kHz以上１MHz以下で高透磁率、低損失である材料としては、Ｃｕ−Ｚｎフェライトや珪素鋼板やパーマロイなどがある。なお、これらの磁心材料はいずれも導電性を有している。

次に、図２から図４を参照して、磁心３、誘導コイル５、及び固定部材７の詳細な構成について説明する。

固定部材７には磁心３の基端側が固定されている。固定構成については、後に詳しく説明する。固定部材７は絶縁材料からなり。また、固定部材７は、端子８Ａ，８Ｂが取り付けられた円板形状の基板部７ａを備える。基板７ａには磁心３の軸線Ｌ方向に延在する略円筒形状の延在部７ｂが一体形成されている。延在部７ｂの基端側が基板７ａに接続している。延在部７ｂよりも磁心３に近接する位置には、延在部７ｂと連続して略円筒状の保持部７ｃが設けられている。この保持部７ｃは磁心３を保持（固定）する機能と、巻線４と磁心３を電気的に絶縁する機能とを有する。さらに、延在部７ｂと保持部７ｃの境界には、巻線４を屈曲させるための屈曲部の一例である引掛突起（引掛部）７ｄ，７ｅが設けられており、この引掛突起７ｄ，７ｅに巻線４が引っ掛けられている。これらの引掛突起７ｄ，７ｅは、磁心３の軸線Ｌに対して直交する方向に延在部７ｂと保持部７ｃの境界から突出している。さらに、平面視では、これらに一対の引掛突起７ｄ，７ｅは軸線Ｌに対して互いに対称な位置に配置されている。

図３Ａから図３Ｃに、本実施形態における巻線４の巻き方を示す。なお、図３Ａは、磁心３、誘導コイル５（巻線４）、及び固定部材７を模式的に示す図であり、巻線４の全体ではなく巻き始め側の端部（巻き始め端部４ａ）付近のみを示している。また、図３Ｂは、図３Ａの矢印ｂ方向から見た図である。この図３Ａも巻き始め端部４ａ付近のみを示している。さらに、図３Ｃは、図３Ａの矢印ｃ方向から見た図である。この図３Ｃは巻線４の全体ではなく巻き終わり側の端部（巻き終わり端部４ｂ）付近のみを示している。なお、説明に不要な部分は適宜省略している。

図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、端子８Ａには絶縁被覆１１を有する巻線４の一端を巻き付けてハンダで固着している。巻線４は端子８Ａから基板部７ａに沿って延在部７ｂに向かって延び、延在部７ｂの付近の引掛７ｆを経て磁心３に向かって折り曲げられている。折り曲げられた巻線４は、延在部７ｂに沿って磁心３に向かって延びる（直線部１８Ａ）。さらに、巻線４は、引掛突起７ｄに引っ掛けられることで折り曲げられ、それによって軸線Ｌに沿う方向から軸線Ｌと交差する方向に延在方向が変わる（折れ曲がり部１９Ａ）。引掛突起７ｄから延びる巻線４は、磁心３を取り囲むようにソレノイド状に磁心３の直接巻き付けられる（巻回部２０）。

図２及び図４を併せて参照すると、巻回部２０では、巻線４は磁心３の基端側（固定部材７に近い側）から磁心３に対して巻き始めている。続いて、巻線４は磁心３の基端側から磁心３の先端側（固定部材７に対して遠い側）に向かって磁心３に対して巻回されている。さらに、磁心３の先端側で巻線４を巻回する向きが折り返され、磁心３の先端側から基端側に向かって磁心３に対して巻線４が巻回されている。このように巻線４を巻回することにより、巻回部２０は、磁心３の外周面に直接接触する第１層目の巻線層（下層）２０Ａと、この第１層目の巻線層２０Ａの上に積層された第２目の巻線層（上層）２０Ｂを備える。

第２層目の巻線層２０Ｂの下端を構成する巻線４は、固定部材７上に形成された引掛突起７ｅに引っ掛けられることで折り曲げられ、それによって軸線Ｌと交差する方向から軸線Ｌに沿う方向に延在方向が変わる（折れ曲がり部１９Ｂ）。引掛突起７ｅから延びる巻線４は、延在部７ｂに沿って磁心３から離れる向きに延びる（直線部１８Ｂ）。さらに、巻線４は延在部７ｂの下端と基板部７ａの接合部分で折り曲げられ、引掛７ｇを介して基板部７ａに沿って端子８Ｂに向かって延びている。端子８Ｂには巻線４の他端を巻き付けてハンダで固定している。

延在部７ｂ上の巻線４は直線部１８Ａ，１８Ｂであるので、これらの部分が誘導コイル５の電磁界を乱すことがなく、誘導コイル５からの電磁界の電力はバルブ１に効率良く投入される。

ここで、巻回部２０を２層構造とした理由は、以下のとおりである。仮に巻回部２０が奇数層の巻線層を備えるとすると、上述した方法で磁心３に巻線４を巻回していくと、固定部材７から遠い磁心３の先端近傍で巻線４の巻き終わりがきてしまう。従って、巻き終わり部分の巻線４を端子８Ｂのところまで、長い距離を巻回部２０の表面に沿って巻線４を配索する必要がある。このような配索を行うためには、磁心３の先端近傍で巻線４を鋭く折り曲げて折り返す必要がある。その結果、巻線４の絶縁被覆１１が引き延ばされて極端に薄くなる部分が発生する。このような絶縁被覆１１が薄くなった折り曲げ部分では、磁心３と巻線４の間で絶縁破壊を発生する可能性が極めて高くなり、信頼性が低下する。このような信頼性の低下を招かないためには、巻回部２０の層数は偶数とし、巻き始め端部４ａと巻き終わり端部４ｂの両方を、磁心３の基端側、すなわち固定部材７の近傍に配置する必要がある。換言すれば、巻回部２０の層数は偶数とすれば、巻線４の巻き始め端部４ａと巻き終わり端部４ｂの両方が固定部材に近傍に位置し、絶縁被覆１１が極端に薄くなるような折り曲げを巻線４に設ける必要がなく、絶縁信頼性が向上する。

次に、誘導コイル５の互いに隣接する巻線４間の絶縁について説明する。

本発明者は、絶縁被覆１１として最小厚さ０．０７mmのＰＦＡ被覆を検討した。駆動回路１２の駆動周波数は約５００ｋＨｚ、巻回部２０の巻数数は７０ターン、ランプの始動時に誘導コイル５の両端に発生する始動電圧は最大７．５ｋＶであった。また、上記ＰＦＡ被覆の絶縁耐圧は約１５ｋＶであった。

巻回部２０の第１層目及び第２層目の巻線層２０Ａ，２０Ｂ間の絶縁は、上述の絶縁耐圧を有するＰＦＡ製の絶縁被覆１１によって達成される。２層の巻線層２０Ａ，２０Ｂの巻線４間に発生する最大電圧は７．５ｋＶである。これに対し、第１層の巻線層２０Ａと第２層の巻線層２０Ｂ間の絶縁耐圧は、第１層目の巻線４の絶縁被覆１１の絶縁耐圧である１５ｋＶと、第２層目の巻線４の絶縁被覆１１の絶縁耐圧である１５ｋＶとを加算した３０ｋＶである。従って、第１層目及び第２層目の巻線間の絶縁耐圧は、巻線層２０Ａ，２０Ｂの巻線４間に発生する最大電圧を充分に上回る。

上述のように充分に高い絶縁耐圧に設定した理由は以下のとおりである。巻線４の絶縁被覆１１は、ランプの寿命中に高温で劣化し、絶縁耐圧が低下していく。例えば、誘導コイル５の巻線４の温度が最高２２０℃になると想定し、熱加速試験により絶縁寿命を検討した結果、被覆の絶縁耐圧半減時間は約３５０００時間程度であった。また、ランプの設計寿命は３００００時間であった。すなわち、絶縁被覆に必要な初期耐圧は、耐圧寿命３５０００時間を確保するためには、７．５ｋＶの倍の１５ｋＶである。ただし、絶縁破壊は確実にランプの不点灯につながるので、安全係数を考慮すると、巻線４間の最大電圧の２倍の耐圧を確保することが好ましい。

次に、磁心３と巻線４の間の絶縁について説明する。

図４及び図５を参照すると、上述のように固定部材７は、固定部材７に一体に成形された延在部７ｂと保持部７ｃとを有する。また、延在部７ｂと保持部７ｃの境界には、引掛突起７ｄ，７ｅが存在する。保持部７ｃは、巻線の折り曲げ部１９Ａ，１９Ｂと磁心３との間の絶縁破壊を防止するために存在する。巻線４の折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂは、最も絶縁被覆１１の薄くなる絶縁破壊発生の確率が高い危険部位であることが、本発明者の実験により確認された。この折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂと磁心３の間に絶縁物である保持部７ｃが存在することによって、磁心３と巻線４の間の絶縁を実現している。従って、折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂと磁心３の間に確実に保持部７ｃを介在させ、それによって折れ曲がり部９の絶縁破壊を防止するためには、引掛突起７ｄ、７ｅが保持部７ｃと磁心３との境界から延在部７ｂの方向に被覆を有した巻線４の直径の１倍以上の距離を隔てて位置することが好ましい。

比較のため、引掛突起７ｄ、７ｅを保持部７ｃと磁心３との境界位置に設け、折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂが磁心３に接触するように巻線４を磁心３に巻き付けた。この場合、磁心３と接触する巻回部２０の第１層目の巻線層２０Ａ側を後述する駆動回路１２の高圧出力端子４２Ａに接続すると、点灯と同時に電流が磁心３にリークして無電極放電ランプが点灯しなくなった。これは、引掛突起７ｄ、７ｅの折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂでは巻線４の絶縁被覆１１が扁平して薄くなった部分が磁心３上にあることが原因と考える。これに対して、引掛突起７ｄ、７ｅを上記境界から巻線４の直径の１倍離れた位置に設けた場合、巻回部２０の第１層目の巻線層２０Ａ側を駆動回路１２の高電圧側に接続しても、点灯直後に無電極放電ランプが点灯しなくなることはなかった。

巻線４と磁心３の間の絶縁破壊防止のみを考慮すれば、磁心３の全面を覆うように保持部７ｃを設けても良い。このような構成は、従来技術のコイル巻枠３０２（図１６）に相当する。しかし、かかる構成では、誘導コイル５の外径が大きくなるので、凹部２の直径を大きく設定する必要が生じ、コンパクトな無電極放電ランプを実現できないの。よって、保持部７ｃの長さ、換言すれば保持部７ｃと磁心３との境界から引掛突起７ｄ，７ｅまでの距離は、巻線４の直径の２倍以下に設定することが好ましい。保持部７ｃの長さを巻線４の直径の２倍以下に設定すれば、凹部２の直径を小さくでき、バルブ１の放電空間を広げることができ、プラズマ放電を容易にすることができる。

以上に詳述したように、引掛突起７ｄ、７ｅを保持部７ｃと磁心３との境界から延在部７ｂの方に巻線４の直径の１倍以上２倍以下の位置に設定することにより、すなわち保持部７ｃの長さを巻線４の直径の１倍以上２倍以下に設定することにより、巻線４の折れ曲がり部１９Ａ，１９Ｂと磁心３の間の絶縁破壊を防止し、かつ、コンパクトな無電極放電ランプを実現できる。通常、巻線４の直径は０．５mm〜１．２mm程度であり、保持部７ｈの長さは０．８mm〜２mm程度の範囲に設定される。

巻線４に絶縁被覆１１を設けず、磁心３と巻線４の間の全領域にボビン（図１６のコイル巻枠３０２）を設けて巻線４と磁心３の間の絶縁を確保する場合、ボビンの肉厚は約０．８mm必要であった。このようにボビンの肉厚が非常に厚くなる理由は、樹脂材料を溶かしたときの粘性が非常に高く、肉厚を薄くしようとすると金型の中に樹脂がうまく流れないためである。本実施形態のように、巻線４に絶縁被覆１１を設け、かつ磁心３に巻線４を直接巻きつけることによって、ボビンを設ける場合と比較して誘導コイル５の直径を約１．５mm細くすることが可能となる。

保持部７ｃは、磁心３を固定部材７に固定するための固定部を兼ねている。図４及び図５を参照すると、保持部７ｃの内周に磁心３の基端側が挿入され、磁心３の外周面と保持部７ｃの内周面とが互いに固定されている。磁心３の固定方法としては、例えば、磁心３と保持部７ｃの隙間に塗布された接着剤による接着がある。接着剤としては耐熱性に優れるエポキシ系やシリコーン系の接着剤が考えられる。本発明者の実験の結果、保持部７ｃに対する磁心３の固定部の温度は巻回部２０の温度よりも１５℃から２０℃低く、また、ランプ組み立て後の誘導コイル５には大きな力が加わることがないため、上述の接着剤による接着で充分な固定強度が得られることが確認できた。

別の固定方法として、以下に説明する樹脂成型の工夫による固定方法がより好ましい。まず、焼結後の磁心３の保持部７ｃと接触する部分のみを、粗面となるように後加工する。その後、加工済みの磁心３を固定部材７の成型金型の所定位置（保持部７ｃの内側に相当する）に配置する。次に、固定部材７を形成する樹脂を溶かして金型に流し込んで成型する。すると、図７に示すように磁心３の粗面の隙間に樹脂が流れ込んで、磁心３を咥え込むことになる。この加工により、接着よりも固定強度の高い磁心３の固定構造を実現できる。

次に、図８を参照して駆動回路１２を説明する。この図８に示す駆動回路１２の構成は、最も一般的なものである。駆動回路１２は、概ね３つの部分、すなわち直流電源３１、インバータ回路３２、及び整合回路３３から構成され、整合回路３３の出力部分に誘導コイル５が電気的に接続されている。直流電源３１は、商用電源から供給された正弦波交流を整流する整流素子３４と、整流された正弦波を平滑するコンデンサ３５を備える。インバータ回路３２は、２つのスイッチング素子３６，３７と、スイッチング素子３６，３７を制御する発振回路３８を備える。整合回路３３は、複数の受動素子３９，４０，４１を備える。直流電源３１で生成された直流電力は、インバータ回路３２において、交互にオン・オフするスイッチング素子３６，３７によって所望の周波数の高周波交流に変換される。インバータ回路３２で生成された高周波交流電力は、整合回路３３を介して誘導コイル５に供給され、それによってバルブ１内の放電空間に放電プラズマが発生する。整合回路３３は、該高周波交流電力を効率よく誘導コイル５に供給するためにインピーダンス整合を取る役割を果たしている。図８から理解されるように、整合回路３３の出力端子４２Ａ，４２Ｂのうち、一方は高圧出力端子（第１の出力端子）４２Ａであり、他方は接地電位の低圧出力端子（第２の出力端子）４２Ｂである。これらの出力端子４２Ａ，４２Ｂが誘導コイル５に電気的に接続される。

以下に詳述するように、誘導コイル５の２つの端子８Ａ，８Ｃを、それぞれ出力端子４２Ａ，４２Ｂのどちらに繋ぐか（以下、誘導コイル５の極性と呼ぶ）によって絶縁被覆の設計に違いが発生する。前述のように端子８Ａは誘導コイル５を構成する巻線４の巻き始め端部４ａに接続されている。換言すれば、端子８Ａは巻回部２０の第１層目の巻線層２０Ａ側に接続されている。一方、端子８Ｂは巻線４の巻き終わり端部４ｂに接続されている。換言すれば、端子８Ｂは巻回部２０の第２層目の巻線層２０Ｂ側に接続されている。

まず、巻回部２０の第１層目及び第２層目の巻線層２０Ａ，２０Ｂ間の線間絶縁及び隣り合う巻線４間の絶縁に関しては、端子８Ａ，８Ｂを出力端子４２Ａ，４２Ｂのいずれに接続するかにかかわらず、上述した論理のみで絶縁被覆１１の厚さを決定すればよい。

しかしながら、磁心３と巻線４の間の絶縁に関しては、誘導コイル５の極性によって必要な絶縁被膜１１の厚さが異なる。詳細には、誘導コイル５の第１層目の巻線層２０Ａと磁心３の間の絶縁は、巻線４の絶縁被覆１１のみによって達成される。一方、第２層目の巻線層２０Ｂと磁心３の間の絶縁は、第１層目の巻線層２０Ａを構成する巻線４によって得られる両者の距離的な隔たりによる絶縁効果と絶縁被覆による絶縁効果の合算である。これは第１層目の巻線層２０Ａと磁心３との間の絶縁が確保されれば、第２層目の巻線層２０Ｂと磁心３との間の絶縁も確保されることを意味する。従って、誘導コイル５を構成する巻線４の巻き始め端部４ａ（端子８Ａ）を低圧出力端子４２Ｂに接続する場合は、上述した論理のみで絶縁被覆１１の厚さを設計できる。一方、端子８Ａを高圧側出力端子４２Ａに接続する場合は、磁心３と巻線４の間に発生する高電圧を考慮して、さらに絶縁被覆１１の厚さを厚くする必要がある。

誘導コイル５をコンパクトに構成するためには絶縁被覆１１の厚さは可能な限り薄いことが好ましい。従って、誘導コイル５を構成する巻線４の巻き始め端部４ａ（端子８Ａ）を駆動回路１２の低圧出力端子４２Ｂに接続し、巻き終わり端部４ｂ（端子８Ｂ）を高圧出力端子４２Ａに接続すれば、絶縁被覆１１の厚さを薄く設定できるので好ましい。しかしながら、巻線４の巻き終わり端部４ｂ（端子８Ｂ）を駆動回路１２の低圧出力端子４２Ｂに接続し、巻き始め端部４ａ（端子８Ａ）を高圧出力端子４２Ａに接続する場合であっても、絶縁被覆１１の扁平や傷が生じないように十分注意して巻線４を加工すれば、ランプが使用に充分耐え得る程度の絶縁性が得られる。

次に、図４及び図５を参照して誘導コイル５の極性と、保持部７ｃの外径と磁心３との外径との間の段差ｔについて説明する。

保持部７ｃと磁心３の境界部分では、保持部７ｃの角部７ｈと巻線４のこすれにより、絶縁被覆１１に特に傷が発生しやすい。前述したように、絶縁被覆１１の傷は絶縁破壊による信頼性低下を招く。このため、保持部７ｃの外径と磁心３の外径との間の段差ｔの設計に注意する必要がある。

本発明者の実験の結果、段差ｔの好適な値は、誘導コイル５の極性に依存する。まず、巻き始め端部４ａ側の端子８Ａを駆動回路１２の低圧出力端子４２Ａに接続する場合、すなわち磁心３と接する第１層目の巻線層２０Ａが低圧側の場合、磁心３と巻線層２０Ａ間の電圧差が小さいため、段差ｔが比較的小さくても絶縁破壊を発生しにくく、むしろ巻回部２０の二層目と保持部７ｃとの間の段差ｔを小さく保つことによって絶縁被覆１１の傷を回避することが好適であることが分かった。その結果、段差ｔの好適な範囲は、保持部７ｃの外径を磁心３の外径よりも大きくするとともに、巻線４の直径の３０％以上１１０％以下であることが分かった。この範囲であれば、巻線４と磁心３の間の絶縁破壊が発生しないことが分かった。

一方、巻き始め端部４ａ側の端子８Ａを駆動回路１２の高圧出力端子４２Ａの出力に接続する場合、すなわち磁心３と接する第１層目の巻線層２０Ａが高圧側の場合、磁心３と巻線層２０Ａ間の電圧差が大きい。本発明者の実験の結果、この極性の場合段差ｔが比較的大きいと絶縁破壊を発生しやすいことが判った。これは、段差ｔが大きいと、保持部７ｃと磁心３の境界で巻線４が大きく曲がるため、この部分で絶縁被覆１１が扁平し、損傷しやすいからである。従って、巻き始め端部４ａ側の端子８Ａを高圧出力端子４２Ａに接続する場合には、低圧出力端子４２Ｂに接続する場合よりも、段差ｔをさらに小さくすることが好適である。段差ｔの好適な範囲は、被覆を有した巻線４の直径の１０％以上３０％以下である。この範囲内であれば磁心３と巻回部２０の間の絶縁破壊が発生しなかった。さらに、角部７ｈにアールをつけて丸みをもたせると、絶縁被覆１１に傷が発生しにくくなり、さらに絶縁信頼性を向上することができる。

なお、第１実施形態における駆動回路１２の駆動周波数は約５００ｋＨｚであったが、本発明の効果は駆動周波数によって左右されず、特に５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下で顕著な効果が得られる。その理由は、上述したように、上記周波数帯で好適に用いられている磁心３の材質は導電性が高いためである。また、第１実施形態の無電極放電ランプは電球形蛍光灯であるが、本願発明の効果は電球形の構成に限定されない。さらに、本実施の形態１では巻線４は端子８Ａ、４ｃを介して駆動回路１２に接続されているが、端子を使わず、誘導コイル５を構成する巻線４を直接駆動回路１２に接続してもよい。以上の点は、第２実施形態についても該当する。

（第２実施形態）
図９から図１２は、本発明の第２実施形態に係る無電極放電ランプを示す。なお、第２実施形態における無電極ランプの動作は第１実施形態と同一であるため省略する。

本実施形態は、誘導コイル５を構成する巻線４の巻き始め端部４ａ側に、延在部７ｂの基板部７ａ側に１回巻き付けた部分（ダミー巻き部５１）が設けられている点が第１実施形態と異なる。また、延在部７ｂにダミー巻き部５１用の引掛突起（第２の屈曲部）７ｉが設けられている。この引掛突起７ｉは軸線Ｌに対して直交する方向に突出している。引掛突起７ｉは引掛突起７ｄと軸線Ｌ方向に並んで配置されている。巻き始め端部４ａ側では、端子８Ａからの巻線４を延在部７ｂの基板部７ａ側に１回巻き付けてダミー巻き部５１を設け、ダミー巻き部５１の終端で巻線４を引掛突起７ｉで折り曲げ、延在部７ｂに沿って巻回部２０に向けて延びる巻線４の直線部１８Ａを形成している。なお、巻回部２０における巻線４の巻き方は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

ダミー巻き部５１は磁心３から最も離れた延在部７ｂの領域（直線部１８Ａよりも駆動回路側）に設けられている。このことにより、ダミー巻き部５１は誘導コイル５のインダクタンスにほとんど寄与しない。ダミー巻き部５１が誘導コイル５に影響与えないためには、直線部１８Ａの長さは１０mm以上あれば良い。ダミー巻き部５１を有することによって、第１実施形態のように引掛７ｆのみによって延在部７ｂとの境界で折り曲げた巻線４を基板部７ａに沿って配索するよりも、引掛７ｆ及び引掛突起７ｄから巻線４が外れにくくなる。また、ダミー巻き部５１の終端の巻線４を引掛突起７ｉに引っ掛けて折り曲げることで、巻線４が引掛７ｆ及び引掛突起７ｄにおいてより外れにくくなる。従って、ダミー巻き部５１と引掛突起７ｉを設けることで、生産性を高めることができる。

本実施形態では、巻き始め端部４ａ側にのみダミー巻き部５１を設けているが、巻き終わり端部４ｂ側にも同様のダミー巻き部を設ければ、巻き終わり端部４ｂ側での巻線４が引掛突起７ｅや引掛７ｇから外れにくくなり、生産性の観点からさらに好ましい。

（実験例）
本発明による誘導コイル５の外径を細くする効果を検証するために、本発明者は以下の二種類のランプを試作評価した。

図１６の構造の無電極放電ランプ（比較例）を試作した。磁心３０４の外径は１３．６mm、コイル巻枠３０２の肉厚は０．８mmとし、絶縁被覆を施していない線を７０ターン二層分割巻きした誘導コイル２０３を用いた。なお、誘導コイル２０３の最大外径は１８．４mmであった。バルブは、外径６０mmのものを用い、クリプトンガス２００Ｐａと水銀を封入した。凹部の内径は１９．３mmであった。

また、図９（第２）の構造の無電極放電ランプ（実験例）を試作した。巻回部２０の巻数は、比較例と同じく７０ターン二層巻き、捨て巻線１２は、巻き始めに１．５ターン、巻き終わりにも１．５ターンを配した。磁心３の外径は１２．２mm、絶縁被覆１１の厚さは０．０８mmとし、巻線４の絶縁被覆も含めた直径は０．７mmとした。また、端子８Ａを駆動回路１２の低圧出力端子４２Ｂに接続し、段差ｔは０．３mmとした。その結果、誘導コイル５の最大外径は１５．６mmであった。バルブ１は、凹部２の内径を１６．３mmとした点を除き、比較例と同じ設計とした。前述のように比較例では凹部の内径は１９．３mmであるので、実験例のバルブ１の凹部２の内径は比較例よりも３．０mmだけ細い。なお、比較例及び実験例のいずれについても、駆動回路１２の駆動周波数は約５００ｋＨｚとした。

比較例及び実験例のランプ評価した結果、放電プラズマを維持するために必要な最低電力は、比較例が７Ｗ、実験例が６Ｗであった。この最低電力の１Ｗの差は、主に放電プラズマ中の電子の拡散による損失減少分である。すなわち、凹部２をわずか３mm細くするだけで、放電の発生及び維持しやすさに極めて大きな差が発生することが判った。以上のように、本願発明によれば、磁心３に巻線４を直接巻きながら、絶縁性能を確保することによって、誘導コイル５を細くし、凹部２を細くすると、放電プラズマが発生しやすくなり、発光効率を向上できる。

図１３は本発明の変形例を示す。この変形例では、巻線を屈曲させる屈曲部の一例として、固定部材７の延在部７ｂから保持部７ｈにかけて巻線４を収容するための溝構造６０が形成されている。この溝構造６０は巻線４の直線部１８Ａ（図２参照）を収容するための磁心３の軸線Ｌ方向に延びる第１の直線部６０ａ、延在部７ｂと保持部７ｈの境界において軸線Ｌに沿う方向から軸線Ｌと交差する方向に曲がった屈曲部６０ｂ、並びに屈曲部６０ｂから保持部７ｈの先端まで延びる第２の直線部６０ｃを備える。屈曲部６０ｂが第１及び第２実施形態における引掛突起７ｄと同様の機能を有し、この屈曲部６０ｂで巻線４が折れ曲がっている。

本発明は駆動周波数が比較的低い無電極放電ランプ、及びそのような無電極放電ランプを用いた照明器具の分野等で好適に利用される。

本発明の第１実施形態に係る無電極放電ランプの一部断面正面図。 本発明の第１実施形態に係る無電極放電ランプの部分拡大斜視図。 本発明の第１実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の模式図。 本発明の第１実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の図３Ａの矢印ｂ方向から見た模式図。 本発明の第１実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の図３Ａの矢印ｃ方向から見た模式図。 本発明の第１実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の断面図。 本発明の第１実施形態に係る磁心３の固定構造を示す図４の部分拡大図。 本発明の第１実施形態に係る巻線４の模式的な断面図。 本発明の第１実施形態に係る保持部７ｃの代案の部分拡大断面図。 本発明の第１実施形態に係る駆動回路１２の回路図。 本発明の第２実施形態に係る無電極放電ランプの一部断面正面図。 本発明の第２実施形態に係る無電極放電ランプの部分拡大斜視図。 本発明の第２実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の模式図。 本発明の第１実施形態に係る誘導コイル５、磁心３、及び固定部材７の断面図。 固定部材の変形例を示す模式的な部分斜視図。 従来の無電極放電ランプの構造図。 従来の誘導コイルの一例を示す構造図。 従来の誘導コイルの他の例を示す構造図。

符号の説明

１ バルブ
２ 凹部
３ 磁心
４ 巻線
４ａ 巻き始め端部
４ｂ 巻き終わり端部
５ 誘導コイル
７ 固定部材
７ａ 基板部
７ｂ 延在部
７ｃ 保持部
７ｄ，７ｅ，７ｉ 引掛突起
７ｆ，７ｇ 引掛
７ｈ 角部
８Ａ，８Ｂ 端子
９ 細線
９ａ 絶縁被覆
１１ 絶縁被覆
１２ 駆動回路
１３ 口金
１４ ケース
１８Ａ，１８Ｂ 直線部
１９Ａ，１９Ｂ 折れ曲がり部
２０ 巻回部
２０Ａ，２０Ｂ 巻線層
３１ 直流電源
３２ インバータ回路
３３ 整合回路
４２Ａ 高圧出力端子
４２Ｂ 低圧出力端子
５１ ダミー巻き部
６０ 溝構造

Claims (12)

1. 内部に放電ガスが封入され、かつ凹部を有するバルブと、
   前記凹部内に配置された磁心と、
   前記磁心に電気絶縁性の被膜を有する巻線を巻回してなる、前記凹部内に配置された誘導コイルと、
   前記磁心が固定された固定部材と
   を備え、
   前記固定部材は、前記磁心の軸線方向に延在する延在部と、当該延在部よりも前記磁心に近接して位置し、前記磁心を保持する保持部と、前記保持部と前記磁心との境界から前記延在部の方に前記巻線の直径の１倍以上２倍以下の距離を隔てて位置する、前記巻線を屈曲するための屈曲部とを有し、かつ
   前記誘導コイルの前記巻線は、前記被覆を介して前記磁心に巻回した巻回部と、前記延在部に沿って前記磁心へ向かって延びる直線部とを有する、無電極放電ランプ。
2. 前記屈曲部は、引掛部又は溝構造である、請求項１に記載の無電極放電ランプ。
3. 前記誘導コイルの前記巻線が、前記引掛部又は溝構造で折れ曲がり部を有する、請求項２に記載の無電極放電ランプ。
4. 駆動周波数が５０kHz以上１MHz以下であり、前記誘導コイルに高周波電力を供給する駆動回路をさらに備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無電極放電ランプ。
5. 前記磁心が、Ｍｎ−Ｚｎフェライトである、請求項４に記載の無電極放電ランプ。
6. 前記巻線の前記巻回部の層数が偶数である、請求項４又は請求項５に記載の無電極放電ランプ。
7. 前記駆動回路が、第１の出力を有する第１の出力端子と前記第１の出力よりも低い第２の出力を有する第２の出力端子とを備え、
   前記巻線の前記巻回部が、巻き始め側の端部において、前記駆動回路の前記第２の出力端子に接続されている、請求項４又は請求項５に記載の無電極放電ランプ。
8. 前記保持部の外形と前記磁心の外形との段差が、前記巻線の直径の３０％以上１１０％以下である、請求項７に記載の無電極放電ランプ。
9. 前記駆動回路が、第１の出力を有する第１の出力端子と前記第１の出力よりも低い第２の出力を有する第２の出力端子とを備え、
   前記巻線の前記巻回部が、巻き始め側の端部において、前記駆動回路の前記第１の出力端子に接続されている、請求項４又は請求項５に記載の無電極放電ランプ。
10. 前記保持部の外形と前記磁心の外形との段差が、前記被覆を有した巻線の直径の１０％以上３０％以下である、請求項９に記載の無電極放電ランプ。
11. 前記巻線が、前記直線部よりも前記駆動回路側にダミー巻き部をさらに有する、請求項４又は請求項５に記載の無電極放電ランプ。
12. 前記固定部材の延在部は、前記ダミー巻き部を屈曲させる第２の屈曲部を備える、請求項１１に記載の無電極放電ランプ。

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