JP4147876B2

JP4147876B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP4147876B2
Application number: JP2002274507A
Authority: JP
Inventors: 卓住友
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP2004111301A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、一般照明用として好適に使用される、可視光を出射する光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可視光、とくに白色光を放射する蛍光灯は、一般に水銀蒸気や希ガスの放電により紫外線が発生し、発生した紫外線が蛍光体層を照射することにより、蛍光体層に含まれている蛍光体が励起して可視光を放射する、というものである。そうして、蛍光灯の放電容器内に放射された可視光を、該放電容器を透過させて外部に導出し、照明などに利用する。
【０００３】
一般照明用としては、熱陰極蛍光灯が利用されている。熱陰極蛍光灯は、放電容器内の内部に、一対の内部電極が設けられ、水銀および希ガスが封入されたものである。放電容器内に配置される電極はフィラメントよりなり、該フィラメントから放出された熱電子が希ガスを励起して放電を生じ、この放電で発生した熱によって、放電容器内の水銀を蒸発させる。水銀蒸気による放電が支配的になると、励起された水銀から、波長が１５４ｎｍや２６５ｎｍの紫外線が放射され、係る紫外線が蛍光体を照射して、蛍光体から可視光が放射される。
【０００４】
液晶パネルのバックライト用光源などに使用される冷陰極蛍光灯は、基本的な構造および発光の動作機構においては、上記熱陰極蛍光灯と略同様である。すなわち、放電容器内の内部に、一対の内部電極が設けられ、水銀および希ガスが封入されている。熱陰極蛍光灯はフィラメントから放射される熱電子を利用するが、冷陰極蛍光灯では、冷陰極から放射される二次電子を利用しており、両蛍光灯は係る点において異なっている。
【０００５】
上述した、水銀が封入された蛍光灯は、常温下において液体である水銀を加熱して、気化した水銀蒸気を利用するというものであり、従って、蛍光灯を点灯した際、電源投入から所望の光量が得られるまでの時間（すなわち、立ち上がり時間）が長くなる、といった欠点を有している。また、蛍光灯の周囲温度により水銀蒸気量が変化するため、周囲温度特性が悪いという欠点も有している。
【０００６】
水銀が封入されていない蛍光灯としては、例えば、希ガス蛍光灯が知られている。外部電極型の希ガス蛍光灯は、放電容器内部に希ガスのみが封入されており、放電容器外面に一対の外部電極を配設して、該電極には数ｋＶオーダーの高電圧が印加され、誘電体バリア放電を発生させる。係る放電で得られる希ガスから放射されるエキシマ分子発光により、蛍光体を励起して該蛍光体から可視光が放射される。
また、内部電極型の希ガス蛍光ランプでは、電極は冷陰極であり、希ガスの放電で発生する紫外線を蛍光体に照射し、該蛍光体から可視光が放射される。
このような水銀を封入しない希ガス蛍光灯によれば、立ち上がり時間が短く、周囲温度特性に優れている、という利点を有しているが、水銀が封入された蛍光灯に比較すると発光効率が低いため、一般照明用の光源としては不向きである。よって、複写機等の読み取り用光源といった分野での利用が盛んである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１８８８９８号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５１５７２号公報
【特許文献３】
特開平９−９２２２７号公報
【特許文献４】
特開平５−２５１０４７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、省エネルギーの観点から照明を必要なときだけ点灯して使用する、というオフィスも少なくなく、このため、蛍光灯においては、点灯／消灯を頻繁に繰り返し使用されるケースが多くなってきた。
その結果、水銀が封入された蛍光灯においては、連続点灯している場合に比較し、水銀の蒸発が不十分な状態になり易く、ランプ点灯直後十分な照度が得られない、という欠点が、更に顕著に生じるようになってきた。
【０００９】
また、蛍光灯が冷房の吹き出し口の近傍等に配置されている場合には、当該蛍光灯の放電容器の温度が低下し易くなり、所望の水銀蒸気を得ることができなくなって、立ち上がり時間が更に長くなったり、ちらつきを生じたりしてしまう。
なお、上述のような問題は、オフィス照明以外においても低温下で使用される照明装置、例えば、大型冷蔵庫や大型冷凍庫内における照明においても同様に生じている。
【００１０】
上記事情に鑑み、立ち上がり時間の短縮化および照度安定化の改善を図る目的で、水銀が封入されていない希ガス蛍光灯を利用することを検討しても、希ガス蛍光灯の大出力化を図るには、放電容器のサイズを大きくして、従来以上に高い電圧を印加しなければならず、実際には大変困難である。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、低温下でも立ち上がり時間が短くて、周囲温度が変動してもチラツキの発生がなくて、かつ、発熱量の少ない、オフィス用の照明用として最適な光源装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本願発明の光源装置は、可視光を取出すための窓と、一酸化炭素が放電ガスとして封入され、紫外線及び可視光に対して透過性を有する放電容器と、放電容器の外部に配置され、紫外光照射により可視光を放射する蛍光体と、マイクロ波電力を供給する電力供給手段と、を具備した光源装置であって、マイクロ波電力が投入されることにより、一酸化炭素が放電状態に至り、一酸化炭素の分子ラインを起源とする波長２５０〜３００ｎｍの範囲および波長２００ｎｍ以下の範囲の紫外線と、波長４００〜８００ｎｍの範囲の可視光とが、前記放電容器の外部に放射されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る光源装置であり、オフィス用の照明装置を想定した構成例を簡単に示す断面図である。
【００１３】
マイクロ波発振器１１は、導波管１２の一端部に配設されており、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する。発生したマイクロ波は、アンテナ（図示省略）により導波管１２に放射され、該導波管１２から共振器１３ａ，１３ｂ，１３ｃに分岐して伝播される。
係る共振器１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおける紙面上の下方の底面は、金属メッシュにより窓１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成され、該共振器１３ａ，１３ｂ，１３ｃの内部における空洞部には、ランプ２０ａ，２０ｂ，２０ｃが格納されている。
【００１４】
また、上記マイクロ波発振器１１と導波管１２との間には、方向性結合器１５が配設されている。係る方向性結合器１５は、ランプ２０ａ，２０ｂ，２０ｃが故障し不点灯となった場合などでランプ交換を行う場合に、マグネトロンとランプ負荷との整合が崩れて反射波が増大し、その反射波がマイクロ波発振器１１を破壊する、といったような不具合を防止するためのものであり、反射波の電源への帰還を防ぐことを目的とする。
【００１５】
図２は、本発明に係るランプを拡大して示す図であり、放電容器を管軸方向に切断した断面図である。
ランプ２０ａは、内部に放電ガスとしての一酸化炭素（ＣＯ）が封入された放電容器２１と、該放電容器２１の外部に配置された外管２２と、該外管２２における内表面に塗布された蛍光体２３とからなる。放電容器２１は、外径２６ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒管の両端が封止された密閉容器からなり、材質は、紫外線に対して透過性を有する誘電体、具体的には、合成石英からなる。係る放電容器２１には、放電ガスとしての一酸化炭素が常温換算で例えば１３０Ｐａ封入される。なお、係る一酸化炭素に適宜の不活性ガスを混合してもよい。
【００１６】
外管２２は、波長３５０ｎｍ以下の紫外線に対して透過性を有さない材質からなり、例えば、溶融石英、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラスなどからなり、内径約３０ｍｍ、外径３４ｍｍ、長さ１６０ｍｍである。
【００１７】
放電容器２１の内部には電極は配設されておらず、電力供給はマイクロ波により行われる。
この理由は、一酸化炭素の放電中の挙動に深く関与する。
一酸化炭素は、放電中、炭素と酸素に分離した状態となり、分離した炭素は、放電容器２１の内面に付着、堆積して光の透過性を格段に低下させる、という好ましくない現象を生じる。その結果、放電容器の光透過性が損なわれるようになるが、一方で、一酸化炭素から分離した酸素が、堆積した炭素をエッチングして、放電容器中に浮遊し、放電容器２１の光透過性を回復させるように働き、ある量の炭素堆積状態で平衡状態に達すると、安定な放電を維持できるようになる。つまり、一酸化炭素における放電では、放電容器２１内面との反応においては平衡状態に達するようになる。
【００１８】
しかるに、放電容器内に電極が配置されている場合は、放電灯電極として一般に使用されるタングステンでは、炭素を吸収する性質を有しているため、放電で解離した炭素は電極に吸収されて、酸素比率の非常に多い放電となってしまって、結果、所望の紫外線は放射されなくなってしまう。つまり、一酸化炭素ガスの放電では、電極との反応においては平衡状態に達しない。
本願発明に係る光源装置におけるランプにおいては、放電容器内部に電極を有さない構造であり、従って上記のような電極による炭素吸収がないので、紫外線の放射が維持されるようになり、蛍光体に照射する紫外線放射量を安定して供給でき、結果、可視光の高出力化を図ることができる。
【００１９】
前記マイクロ波発振器１１から導波管１２に進行波電力５０〜５００Ｗのマイクロ波電力が投入されると、一酸化炭素ガスが放電状態に至り、４ｔｈｐｏｓｉｔｉｖｅ分子ラインを起源とする紫外線、すなわち、２５０〜３００ｎｍ範囲および波長２００ｎｍ以下の紫外線が放射される。
そして更に、この紫外線と同時に、波長４００〜８００ｎｍ範囲の可視光が放射される。
【００２０】
以上のようにして得られた可視光および紫外線は、合成石英を透過して、放電容器２１の外部に出射される。
【００２１】
そして、放電容器２１を透過した、波長２５０〜３００ｎｍの範囲および波長２００ｎｍ以下の紫外線は、外管２２の内表面に塗布された蛍光体２３を照射する。
【００２２】
係る蛍光体２３は、上記した一酸化炭素の放電から得られる紫外線、すなわち、波長が２５０〜３５０ｎｍの紫外線および波長２００ｎｍ以下の紫外線に対応して、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲および短波長側に励起スペクトルが存在するものが使用される。
蛍光体の一例としては、ハロりん酸塩蛍光体（（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_ｌ２：Ｅｕ^２＋など）、りん酸塩蛍光体（Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ^２＋など）、けい酸塩蛍光体（Ｓｒ_２Ｓｉ_３Ｏ_８・２ＳｒＣ_ｌ２：Ｅｕ^２＋など）などがある。蛍光体の発光の主波長は蛍光体により様々であるが、数種の蛍光体の組み合わせにより、波長４００〜８００ｎｍ範囲の可視光放射が得られるようになる。
【００２３】
そして、ランプ２０における外管２２から、一酸化炭素の放電より生じた４００〜８００ｎｍにわたる可視光と、前記蛍光体２３の紫外線照射により得られた４００〜８００ｎｍの可視光とが、照明装置における窓１４ａ，１４ｂ，１４ｃから出射されることとなる。
【００２４】
蛍光体による可視光の放射が、前記放電ガスの放電により生じた可視光と共に、共振器に形成された窓から出射して、オフィス内を明るく、鮮明に照射することができる。
【００２５】
以上のように、本発明に係る照明装置によれば、一酸化炭素を封入した放電容器をマイクロ波により放電励起することにより、可視光が得られ、同時に放射される紫外光を蛍光体により可視光に変換することにより、より一層の可視光の出力アップを図ることができるようになる。その結果、ランプ点灯初期から照度が安定し、立ち上がり特性と周囲温度特性に優れた高出力の光源装置を得ることができる。
【００２６】
なお、本発明においては、上記構成に限定されることなく、適宜変更が可能であるということはいうまでもない。例えば、上記実施形態においては、蛍光体、放電容器とは別体の外管に塗布されているが、放電容器の外表面に直接塗布されていてもよい。また、光透過性を有する板状の部材などに蛍光体を塗布して共振器内に配置してもよい。放電容器の形状も、上記のように管状に限定されることなく矩形箱状のものを用いても良い。更には、マイクロ波に代えてＭＨｚの高周波を印加して点灯する方法でも同様の作用／効果が奏され、従って、マイクロ波電力に代えてＭＨｚ帯の高周波電力にて点灯することも可能である。而して、効率的の点からみるとマイクロ波で点灯するのが良い。なお、ＭＨｚ帯の高周波電力で点灯する場合には、ランプは放電容器の外側に電極が配置した構成とされる。
【００２７】
【実施例】
上記実施形態に係る光源装置の発光状態について、実施例をもとに説明する。マグネトロンからなるマイクロ波発振器により、導波管に進行波電力３００Ｗのマイクロ波電力を投入したところ、一酸化炭素が放電を開始して、該放電容器から可視光が放射されることが目視で確認された。
【００２８】
一酸化炭素の放電で放射された光の放射光量を、放射光量測定装置で測定したところ、表示値は９７ｍＷ／ｃｍ^２であった。
一酸化炭素の放電により放射された放射光は、色度点（ｘ，ｙ）＝線（０．２９，０．３２）、色温度８３００Ｋ・平均演色評価指数（Ｒａ）９６であり、一般照明用として十分利用可能な可視光であり良好な特性を有していることが分かった。
なお、放射光の可視域発光スペクトルを図３に示す。縦軸は放射光量の相対値である。
【００２９】
更に、放射光量測定装置センサーに紫外線カットフィルターを装着して、放射光量を測定したところ表示値は５２ｍＷ／ｃｍ^２となった。つまり、可視光出力と同程度の紫外線出力が放射されていることが確認された。
この放射光を蛍光体（２５４ｎｍを励起波長中心波長とする一般蛍光体）に照射すると蛍光体から強い可視光放射が得られた。
【００３０】
更に、放電容器外面に蛍光体を塗布し、該蛍光体からの発光も含めた放射光量を測定した。その結果、１２１ｍＷ／ｃｍ^２の可視光放射が得られた。
【００３１】
光源装置の周囲温度を約０℃とした状態でマイクロ波電力を投入したところ、瞬時に光量は立ち上がり、ちらつきなどもまったく生じなかった。このように、本実施例に係る光源装置によれば、周囲温度が比較的低温下であっても、立ち上がり特性に優れた大出力の光源装置とすることができた。
【００３２】
【比較例】
図２で示したものと同様の構成のランプについて、放電容器の外表面に、一対の外部電極を設け、７０W、ピーク電圧３．５ｋＶ（ピーク電圧９００ｍＡ）、周波数７０ｋＨｚの電圧を印加して点灯した。その結果、薄い青色の放電が生じたが、４ｔｈｐｏｓｉｔｉｖｅ分子ラインを起源とする紫外線は微弱であり、十分な可視光を得ることは出できなかった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、一酸化炭素を封入した放電容器をマイクロ波により放電励起することにより可視光が得られ、同時に放射される紫外光を蛍光体により可視光に変換することにより、立ち上がり特性と周囲温度特性に優れた高出力の可視光源を得ることが可能であり、一般照明用として好適な、光源装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光源装置の概略説明図である。
【図２】ランプの管軸方向断面図である。
【図３】実施例に係るランプの、一酸化炭素放電による連続光発光スペクトルである。
【符号の説明】
１１マイクロ波発振器
１２導波管
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ共振室
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ窓
１５方向性結合器
１６無反射終端
２０ａ，２０ｂ，２０ｃランプ
２１放電容器
２２外管
２３蛍光体

Claims

可視光を取出すための窓と、一酸化炭素が放電ガスとして封入され、紫外線及び可視光に対して透過性を有する放電容器と、放電容器の外部に配置され、紫外光照射により可視光を放射する蛍光体と、マイクロ波電力を供給する電力供給手段と、を具備した光源装置であって、
マイクロ波電力が投入されることにより、一酸化炭素が放電状態に至り、一酸化炭素の分子ラインを起源とする波長２５０〜３００ｎｍの範囲および波長２００ｎｍ以下の範囲の紫外線と、波長４００〜８００ｎｍの範囲の可視光とが、前記放電容器の外部に放射されることを特徴とする光源装置。