JP3873484B2 - 低圧放電ランプおよび照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低圧放電ランプに係り、さらに詳しくは商用周波数点灯での電極消費電力が低減させた低圧放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低圧放電ランプは、一般照明を始めとして、最近ではＯＡ機器用光源、巨大画面用の画素光源など広範囲に利用されている。ところで、低圧放電ランプは、一般的に、内壁面に蛍光体膜が設けられた透光性管（たとえばガラスバルブ）内に、水銀および少なくとも１種の希ガスなどの放電媒体が充填され、この放電媒体中で陽光柱放電が生ずるように構成されている。具体的には、内壁面に蛍光体層が設けられた気密封止型のガラス管と、前記ガラス管内に封入された水銀および少なくとも１種の希ガスと、前記ガラス管内に封入され、かつ希ガス中で陽光柱放電を発生する一対の電極とを具備した構成を成している。
【０００３】
上記低圧放電ランプは、通常、商用周波数の交流による点灯で電極が予熱され、電極のエミッション（始動）を経て、電気エネルギーを放電媒体に供給することで保たれる。たとえば、低圧蛍光ランプの場合、対向する電極に通電することによって陰極が予熱され、担持している電子放射性物質（エミッタ）から熱電子を放出し、ガラス管内でプラズマ放電を開始する。そして、この放電エネルギーで励起された水銀原子の共鳴放射により主に紫外線（254 nm）が放射され、この紫外線がガラス管内壁面の蛍光体膜によって長い波長に変換され、蛍光ランプとして機能する。ここで、放電媒体が直接可視光を発光する場合は、蛍光体膜の形設を省略できる。
【０００４】
なお、従来、電子放射性物質（エミッタ）としては、酸化バリウム，酸化カルシウム，酸化ストロンチウム中の少なくとも１種の酸化物に、少量の酸化ジルコニウムを添加したものが使用されている。また、蛍光ランプの発光波長は、蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の種類に依存し、近紫外〜可視〜近赤外までのものが得られている。さらに、上記透光性管（たとえばガラスバルブ）は、直管型のものに限らず、円形状，Ｕ形状，鞍形状などとすることも可能で、最近では小型化が進み、形状も複雑なものが多くなってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、低圧放電ランプ（たとえば蛍光ランプ）は、陰極降下および陽極降下による損失で、電極消費電力が左右される。たとえば陽極では、
電流＝陽極の面積×電子密度×電子の速度× 1/4
で決まる電流が流れる（放電電流）。ここで、電子の速度は熱速度もしくは陽極降下部での加速電圧で決まり、また、電子密度は数 kHz以上ではほとんど時間的に変動しなくなり、さらに、陰極サイクルで生成された高密度のプラズマは、陽極サイクルでも高い値を維持したままで、上記式において、電子密度が高くなる。したがって、電極は必要な放電電流を捕集することができるので、陽極降下がゼロになり高周波点灯での発光効率が高くなるが、商用周波数点灯では、陽極降下がゼロになる程、陽極サイクルでの電子密度が高くならない。
【０００６】
一方、上記式から分かるように、陽極の面積を大きくすることにより、電子密度が低くい場合でも放電電流を捕集できるので、陽極降下をゼロにすることが可能と考えられる。しかし、実際上、陽極降下のゼロ化には、陽極を必要以上に大きく設定せざるを得ないが、効率面で依然問題がある。
【０００７】
すなわち、単純な板状の陽極やカップ状の陽極では、電子が陽光柱に近い端部で専ら捕集され、全面積が有効に使用されない。特に、カップ状陽極の場合は、負グロー付近の発光が犠牲になるので、光効率の低下を招来するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に対処してなされたもので、放電電流を効率よく捕集し、陽極降下のゼロ化を図った低消費電力型の低圧放電ランプ、および照明装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、放電媒体を封有する透光性管、および前記透光性管の両端部にそれぞれ封装された一対の放電電極と；を備えた低圧放電ランプであって、前記放電電極は、一対のインナーリードで両端側を接続支持されて電子放射物質が塗布されたフィラメントと；前記フィラメントを囲繞し、かつ一対のインナーリードのうちの一方に接続する導電性を有する筒体と；前記放電電極本体近傍の放電が陽光柱に接続する開口部を有し、かつ筒体の対向開口部に配置された絶縁体と；を具備していることを特徴とする低圧放電ランプである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の低圧放電ランプにおいて、放電媒体を封有する透光性管の内壁面には、蛍光体膜が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の低圧放電ランプにおいて、放電電極の筒体は、透光性材料製で少なくとも内壁面に透明導電性膜が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３いずれか一記載の低圧放電ランプにおいて、放電電極の筒体の開口部に配置された絶縁体は、少なくとも陽極柱と対向する面に金属酸化物膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項１ないし４の発明は、透光性管内に封装された放電電極の構造に特徴がある。すなわち、放電フィラメントを導電性を有する筒体で囲繞し、かつその筒体を一対のインナーリードのうちの一方に接続するとともに、前記筒体の対向する開口部に放電電極近傍の放電が陽光柱に電気的に接続する開口部を有する絶縁体を配置した構成を採っている。
【００１４】
ここで、放電電極本体は、一般的に、たとえばタングステン製のダブルコイル、スティックコイルなどのフィラメント型である。そして、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウムなどに、少量の酸化ジルコニウムを添加したものを始め、蒸気圧の低いバリウムのタングステン酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物などを電子放射性物質（エミッタ）として塗布（担持）てしいる。 なお、電極本体として、放電による加熱で熱電子を放出するエミッタ物質を焼結指せた焼結体（セラミック）電極であってもよい。
【００１５】
また、放電電極本体を囲繞する導電性を有する筒体は、たとえばニッケル、鉄、ステンレス鋼などの金属製、もしくは少なくとも内壁面に酸化錫や酸化インジウム膜などが被覆形成された透光性のガラス製である。そして、この筒体自体は、単純な円筒型でもよいが、両開口端を縮径（絞る）しておくことが好ましい。
【００１６】
なお、筒体が全体的に導電性を有する金属製の場合は、外周面を絶縁体で被覆しておくことが好ましく、また、導電性を有する筒体とインナーリードとの電気的な接続の位置などは、特に限定されない。
【００１７】
さらに、前記筒体の対向する開口部に配置する絶縁体は、たとえばマイカなど耐熱性絶縁体、あるいは表面に金属酸化物などの耐熱絶縁性膜を被覆形成したものである。そして、この絶縁体は、前記放電電極近傍の放電が陽光柱に電気的に接続するように、ほぼ中央部が開口されている必要がある。
【００１８】
請求項１ないし４の発明において、低圧放電ランプ、たとえば蛍光ランプは、一般的に、ガラスバルブである気密封止型の透光性管の内壁面に蛍光体膜を設けたものである。また、蛍光体膜を形成する蛍光体は、たとえば SrB₄ O ₇ ：Eu²⁺、Sr₁₀（PO₄ ）₆ Cl₁₂：Eu²⁺、（Sr，Ca）₁₀（PO₄ ）₆ Cl₁₂：Eu²⁺、（Sr，Ca，Ba）₁₀（PO₄ ）₆ Cl₁₂：Eu²⁺、（La，Ce，Tb）PO₄ 、 Y₂ SiO ₅ ：Ce，Tb、Zn₂ SiO ₄ ：Mn、 Y₂ O ₃ ：Eu³⁺、 YVO₄ Y(P,V)O ₄ ：Eu³⁺など、通常、蛍光ランプの構成に使用されているいずれの蛍光体であってもよい。
【００１９】
また、前記気密封止型の透光性管内に、封入されたる放電媒体としては、水銀の他、たとえばネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびこれら希ガスの混合ガスなどが挙げられる。一方、透光性管は、直管型のものに限らず、円形状，Ｕ形状，鞍形状などであってもい。
【００２０】
請求項５の発明は、点灯器具と；この点灯器具に装着した請求項１ないし請求項４いずれか一記載の低圧放電ランプと；を具備して成ることを特徴とする照明装置である。
【００２１】
ここで、点灯器具は、点灯回路を内蔵したしたもので、一般的には低圧放電ランプを着脱できる分離型に構成されているが、両者を一体的に組み込んだ構成を採ることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図１ないし図５を参照して、本発明の一実施形態例を説明する。
【００２３】
図１、図２、図３は、第１の実施例に係る低圧放電ランプの要部構成を示すもので、図１は一部切り欠き断面図、図２は放電電極部の構成断面図、図３は放電電極部の展開斜視図である。図において、１は放電媒体（希ガス、水銀など）を封有する直管型のガラス管、２は前記ガラス管１内壁面に形成されている蛍光体膜、３は前記ガラス管１の両端部にそれぞれ封装された一対の放電電極、４は口金である。
【００２４】
ここで、ガラス管１は、たとえば内径24mm，長さ1200mmの直管であり、蛍光体膜２は、青色、緑色、赤色に発光領域を有する３種の蛍光体を混合した３波長形蛍光体層である。また、放電電極３は、タングステン製のトリプルコイルにアルカリ土類の酸化物を塗布して成る放電電極本体3aと、内径16mm，高さ12mmで両端開口が縮径された厚さ 0.2mm程度のニッケル製筒体3bと、厚さ 1mm，外径15.5mm程度で、かつほぼ中央部に径 5mm程度の円形に開口3c′したマイカ製の絶縁性円板3cとで構成されている。
【００２５】
すなわち、一対のインナーリード3d，3d′で両端側を接続支持された放電電極本体3aが、一方のインナーリード3dに接続させたニッケル製筒体3bで囲繞され、かつ前記放電電極本体3aの放電が陽光柱に電気的に接続するように、前記ニッケル製筒体3bの対向開口部に、前記絶縁性円板3cを一体的に配置した構成と成っている。ここで、インナーリード3dに対するニッケル製筒体3bの接続は、ニッケル製筒体3bに予め接続用舌片3b′を設けておき、この接続用舌片3b′をインナーリード3dにスポット溶接することで行われている。また、ニッケル製筒体3bに対する絶縁性円板3cの一体的な配置は、ニッケル製筒体3bの開口縮径部での挟着などによって行うことができる。
【００２６】
さらに、放電電極本体3aなどは、ガラス管１の開口端部に、インナーリード3d，3d′を気密にアウターリードとして導出する排気管3e付きフレア3fを封着し、放電電極３の封装・排気後に、排気管3eを封じ切ることで行われている。また、口金４は、前記アウターリードに電気的に接続する端子ピン4a，4bを突設・具備している。
【００２７】
上記構成の蛍光ランプ５は、端子ピン4a，4bを介して各放電電極３に通電すると、この放電電極３間で放電が開始し、紫外線を放出する。そして、この紫外線が蛍光体膜２によって可視光に変換され、発光効率の高い蛍光ランプとして機能する。すなわち、この種の蛍光ランプは、図４に構成例を側面的に示すように、点灯器具６に組み込み・装着して、光源として利用される。図４において、6aは点灯回路6bを内蔵した点灯器具本体、6cは蛍光ランプ５の両端側の各端子ピン4a，4bが係合して電気的に接続するとともに、機械的に保持するソケット部である。
【００２８】
そして、この照明装置による点灯過程では、絶縁性円板3cが電気的に絶縁性であるため、この絶縁性円板3cで電子の捕集が起こらずに、絶縁性円板3cの開口3c′を介してニッケル製筒体3b内側に、電子が侵入することになる。このとき、絶縁性円板3cの開口3c′が、ガラス管１の断面積に比べて小さいため、前記絶縁性円板3cの開口3c′を抜ける部分での電界強度が急激に上昇し、電子密度が高くなる。
【００２９】
したがって、電子は電子密度が十分高い状態で、ニッケル製筒体3b内に捕集されるため、陽極降下がなくとも放電に必要な電流が集められる。また、この放電電極３の構造では、陽光柱に対向するニッケル製筒体3bの端部に、電子が捕集されることもないので、ニッケル製筒体3b内壁面の全てを有効に活用できる。すなわち、この発明に係る放電電極３を封装して成る蛍光ランプは、陽極降下の解消による高効率化と、放電電極３の面積最小化による有効な光利用効率の向上とを、同時に達成することができる。
【００３０】
第２の実施例として、上記蛍光ランプの構成において、ニッケル製筒体3bの代りに、ガラス筒体を基材にし、その内壁面に導電性透明膜（たとえば酸化インジウム膜）を設けたものを使用した場合は、負グローの発光をより有効に利用できるので、さらなる効率の向上を図ることができる。また、絶縁性円板3cもマイカ製の代りに、ソーダガラス製もしく鉛ガラス製などであってよく、これらガラス製の場合は、表面をアルミナやイットリアなどの金属酸化物膜で被覆しておくと、水銀のガラス侵入を防止できるので、長時間点灯でも透明性が保持され、光束維持率の改善が図られる。
【００３１】
図５は第３の実施例に係る低圧放電ランプの要部構成を示す断面図である。
【００３２】
この実施例の放電ランプは、直管状の外径がたとえば 3〜15mm程度の透光性容器を成すガラスバルブ１の両端に、ジュメット線（導入線…アウターリードとインナーリードとを形成する）７が接続された熱陰極としてのセラミック電極８が 260mmの離隔距離で対向して封着され、かつガラスバルブ１内には放電媒体であるアルゴンガスおよび水銀蒸気の混合ガスが封入ガスとして封入されている。
【００３３】
ここで、セラミック電極８は対向する先端が開口したニッケル製の有底円筒状の保持具8a、この保持具8a内に同軸的に装着され、かつ同様に開口した有底円筒状のカップ8b、前記カップ8b内に収納された熱電子放射体としての顆粒（直径10〜 100μm 程度）8c、および前記カップ8bの開口部に配置された絶縁性円板8dで構成されている。なお、絶縁性円板8dはセラミック電極８から約 5mm程度の間隔をおいて、かつ保持具8aの開口端面を被覆する程度の外径を有して、カップ8bの開口部に対応して配設されている。また、円板8dには、放電が陽光柱に電気的に接続するように、中央部に径 5mm程度の円形に開口8d′が設けられている。
【００３４】
前記保持具8aは、ニッケル製に限られず、たとえばタンタル、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、タングテン、もしくはこれらのうちの１種以上を含む合金、あるいは前記金属の窒化物や酸化物を含んだものを素材としてもよい。さらに、熱電子放射体は、たとえばバリウムタンタル酸に少量の酸化ジルコンを混合したものを主体とし、表面に耐スパッター性を向上させるために炭化タンタルなどからなる導電性のの薄膜を被覆したものが挙げられる。
【００３５】
また、前記保持具8a内に同軸的に装着されたカップ8bは、保持具8aの開口端面から突出させた複数の延出部8a′の折り曲げで係止されている。すなわち、保持具8aの延出部8a′を内側にほぼ直角に折り曲げ、カップ8bの開口端面を係止し、カップ8bの軸方向への移動や離脱を防止する一方、グロー放電などにも寄与する。 次に、この放電ランプの動作について説明する。
【００３６】
放電ランプが点灯する際、対向する熱陰極８，８間でそれぞれ熱電子を放出し、熱陰極８，８間で放電し、水銀により 254nmの波長の紫外線を照射し、この紫外線を蛍光体膜２で可視光に変換する。また、熱陰極８は始動開始時には冷陰極としてグロー放電し、高い陰極降下電圧で加速されたイオンがセラミック電極８の全体を加熱して温度を上昇させる。
【００３７】
一方、熱電子放射体8cは顆粒状で熱容量が小さい上に隣接する顆粒8cとの熱抵抗も高いので昇温し易く、その後、顆粒8cが集中的に加熱されて熱電子が十分放出できるような温度に達すると、グローからアークへ移転して、顆粒8cに陰極輝点が形成されて陰極に転移し、熱陰極として動作して陰極降下電圧は15 V程度まで低下する。
【００３８】
この点灯動作では、熱陰極８の陽光柱に接続する側が、絶縁性円板8dによって電気的に絶縁性であるため、この絶縁性円板8dで電子の捕集が起こらずに、絶縁性円板8dの開口8d′を介してカップ8b内側に、電子が侵入することになる。このとき、絶縁性円板8dの開口8d′が、ガラス管１の断面積に比べて小さいため、前記絶縁性円板8dの開口8d′を抜ける部分での電界強度が急激に上昇し、電子密度が高くなる。
【００３９】
したがって、電子は電子密度が十分高い状態で、カップ8b内に捕集されるため、陽極降下がなくとも放電に必要な電流が集められる。また、この熱陰極８の構造では、陽光柱に対向するカップ8bの端部に、電子が捕集されることもないので、カップ8b内の全てを有効に活用できる。すなわち、この発明に係る熱陰極８を封装して成る放電ランプは、電極降下の解消による高効率化と、熱陰極８の面積最小化による有効な光利用効率の向上とを、同時に達成することができる。
【００４０】
上記では、ガラス管１の内壁面に蛍光体膜２を形設した構成の蛍光ランプなどについて説明したが、放電媒体としてキセノンを含む希ガスを封入した構成、あるいはナトリウム封入した構成の場合も同様に、低消費電力・高効率発光型で、長寿命であった。
【００４１】
本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で、いろいろの変形を採ることができる。たとえば、ガラス管の外径、肉厚、長さ、あるいは筒体の形状、肉厚、長さ、蛍光体層を形成する蛍光体の種類など適宜選択できる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、放電電極部における発光の遮りなどの低減、および電極消費電力の低減化が同時に達成され、経済的な低圧放電ランプを提供できる。
【００４３】
請求項２の発明によれば、低消費電力・高効率発光型の蛍光ランプを提供できる。
【００４４】
請求項３の発明によれば、放電電極部における発光の遮りが、より効果的に低減されるので、電極消費電力の低減化が同時に達成されされことと相俟って、さらに実用性のすぐれた低圧放電ランプを提供できる。
【００４５】
請求項４の発明によれば、電極消費電力の低減化が、より長期間に亘って保持されるので、耐久性のすぐれた低消費電力・高効率発光型の蛍光ランプを提供できる。
【００４６】
請求項５の発明によれば、光効率が高く、かつ電極消費電力が低減化された低圧放電ランプを光源とするため、経済的にも有効な照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る蛍光ランプの概略構成を示す一部切り欠き断面図。
【図２】実施例に係る蛍光ランプの放電電極部の構成を拡大して示す断面図。
【図３】実施例に係る蛍光ランプの放電電極封止部の構成を拡大して示す斜視図。
【図４】実施例に係る照明装置の概略構成を示す側面図。
【図５】実施例に係る放電ランプの要部構成を示す断面図。
【符号の説明】
１……ガラス管
２……蛍光体膜
３……放電電極
3a……放電電極本体（コイル）
3b……導電性筒体（カップ）
3b′……接続用舌片
3c……絶縁性円板（マイカ板）
3c′……絶縁性円板の開口（穴）
3d，3d′……インナーリード
3e……排気管
3f……フレア
４……口金
4a，4b……端子ピン
５……低圧蛍光ランプ
６……点灯器具
6a……点灯器具本体
6b……点灯回路
6c……ソケット部
７……導入線（インナーリードとアウターリード）
８……熱陰極（セラミック電極）

Claims (5)

1. 放電媒体を封有する透光性管、および前記透光性管の両端部にそれぞれ封装された一対の放電電極と；を備えた低圧放電ランプであって、
   前記放電電極は、一対のインナーリードで両端側を接続支持されて電子放射物質が塗布されたフィラメントと；前記フィラメントを囲繞し、かつ一対のインナーリードのうちの一方に接続する導電性を有する筒体と；前記放電電極本体近傍の放電が陽光柱に接続する開口部を有し、かつ筒体の対向開口部に配置された絶縁体と；
   を具備していることを特徴とする低圧放電ランプ。
2. 放電媒体を封有する透光性管の内壁面には、蛍光体膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の低圧放電ランプ。
3. 放電電極の筒体は、透光性材料製で少なくとも内壁面に透明導電性膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の低圧放電ランプ。
4. 放電電極の筒体の開口部に配置された絶縁体は、少なくとも陽光柱に対向する面に金属酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一記載の低圧放電ランプ。
5. 点灯器具と；この点灯器具に装着した請求項１ないし請求項４いずれか一記載の低圧放電ランプと；を具備して成ることを特徴とする照明装置。

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