JP4203387B2 - 無電極放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、バルブの凹入部に配置された誘導コイルから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、電球と比較して高効率・長寿命の蛍光ランプが広く利用されている。さらに、従来の有電極蛍光ランプの他に無電極ランプが研究されている。無電極ランプは、従来の有電極ランプにおいて寿命を制限する要因となっていた電極を有さないため、ランプの寿命が有電極ランプと比較して更に数倍長いという利点を有しており、今後の普及が期待されている。

このような無電極ランプでは、バルブの凹入部内に配置された誘導コイルによって発生する高周波電磁界で放電プラズマを引き起こす。誘導コイルは有限長のソレノイド形状を有しており、開磁路を形成するため、磁界が誘導コイルの外部に漏れ出すこととなる。

磁界が誘導コイルの外部に漏れ出すことを防止するため、特許文献１は、図１３に示すような短絡金属環を用いることを教示している。これによれば、バルブ１の外周面に短絡金属環９を配置し、誘導コイル３から発生した実質上全ての磁界が金属環９内に電流を誘導することによって、ランプ外部に漏洩する磁束を抑制し、器具干渉を抑制している。その結果、ランプが金属器具に取り付けられた場合と取り付けられていないときで実質的に変化を生じないようにしている。
特開平７−２６２９７２号公報

本発明者は、駆動周波数が比較的低い電力（例えば１ＭＨｚ以下）で無電極ランプを動作させる場合、特許文献１に開示されているような短絡金属環をバルブの近傍に設けると、ランプの始動時に誘導コイルに発生する始動パルス電圧が大きく低下し、最悪の場合にはランプの始動・点灯維持が困難となることを見出した。また、本発明者は、このような短絡金属環をランプに設けない場合でも、無電極放電ランプを金属製の照明器具などに取り付けて使用すると、同様の問題が発生することに見出した。

このように無電極放電ランプの近傍に短絡金属環や照明器具などの金属環が存在すると、ランプの始動時に誘導コイルに発生する始動パルス電圧が大きく低下し、最悪の場合にはランプの始動・点灯維持が困難となる。この現象を本明細書では「器具干渉」と称することにする。器具干渉が生じる理由は、漏れ磁界が金属環と鎖交することにより、誘導コイルと金属環との間に相互誘導が生じるためであると考えられる。すなわち、誘導コイルの巻線をコイル磁心の一次巻線と考えると、金属短絡環や照明器具などの金属環は、コイル磁心の二次巻線に相当する。これらの金属環における損失を最小化するために、金属環の抵抗値を充分に小さくすると、誘導コイルのＱ値が非常に低くなる。また、照明器具の金属部分と誘導コイルとの距離が近い場合、不可避的に相互誘導が大きくなり、誘導コイルのＱ値が低くなる。すると、ランプの始動時において、放電開始に必要な始動電圧を誘導コイルの両端に発生しにくくなり、ランプの始動性が悪くなる場合がある。

このように器具干渉における相互誘導の大きさによっては、ランプの始動時に誘導コイルに発生する始動パルス電圧が大きく低下し、最悪の場合にはランプの始動・点灯維持が困難となる。

このランプ始動性の問題は、前述したように、放電に用いる高周波電力の周波数（駆動周波数）が低い場合に特に顕著に生じることになる。駆動周波数が高い場合は、放電が容易に発生するため、誘導コイルのＱ値が低下しても、特に問題にはならないからである。今後、放電に用いる高周波電力の周波数を更に低くすることが検討されている。このため、器具干渉などによる誘導コイルのＱ値低下を避ける技術の開発が強く求められる。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、誘導コイルの高いＱ値を維持することによってランプの始動性を確保しながら、器具干渉を低減した無電極放電ランプを提供することにある。

本発明による無電極放電ランプは、内部に放電用物質が封入され、かつ、所定方向（長軸方向）に沿って内部に突出する凹入部を有するバルブと、前記凹入部に配置され、磁心および前記磁心に巻回された巻線を有する誘導コイルと、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数の電力を前記誘導コイルに供給する駆動回路とを備えた無電極放電ランプであって、前記所定方向に垂直な方向における前記バルブの外径は６５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、前記磁心の前記所定方向における長さＬは、前記巻線の前記所定方向における長さＬ’の１．０５倍以上であり、かつ４１ｍｍ以下に設定されている。

好ましい実施形態において、前記磁心の長さＬは、前記巻線の長さＬ’の１．０７倍以上であり、かつ、３９ｍｍ以下に設定されている。

好ましい実施形態において、前記磁心の長さＬは、１５ｍｍ以上に設定されている。

好ましい実施形態において、前記バルブは、前記所定方向に関して略軸対称な形状を有している。

本発明の無電極放電ランプは、内部に放電用物質が封入され、かつ、所定方向に沿って内部に突出する凹入部を有するバルブと、前記凹入部に配置され、磁心および前記磁心に巻回された巻線を有する誘導コイルと、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数の電力を前記誘導コイルに供給する駆動回路とを備えた無電極放電ランプであって、前記所定方向に垂直な方向における前記バルブの外径は６５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、前記誘導コイルを直径８５ｍｍの鉄製の筒の中央に配置して測定したときにおける前記誘導コイルのＱ値が１００以上である。

好ましい実施形態において、前記巻線の中心と前記磁心の中心との距離が１ｍｍ以下である。

好ましい実施形態において、前記巻線の軸方向長さは３８ｍｍ以下である。

好ましい実施形態において、前記駆動回路が供給する電力の周波数は、１００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下である。

好ましい実施形態において、前記巻線はリッツ線からなる。

前記封入ガスは、圧力が４０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下の範囲で封入されたクリプトンガスまたはアルゴンとクリプトンの混合ガスである。

好ましい実施形態において、商用電力を受け取るための口金を有し、電球形形状を有している。

本発明によれば、誘導コイルのＱ値を高く維持することにより、ランプ始動性を確保しながら、器具干渉による影響を低減した無電極放電ランプを提供できる。また、磁心の軸方向長さを必要最小限の大きさに抑えることにより、ランプの全体重量を軽くすることができるばかりでなく、磁心のコストを最小限に抑えることができる。

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形態を説明する。

まず、図１を参照する。図１は、本実施形態に係る無電極放電ランプの構成を示している。本実施形態のランプは、ソーダガラスなどの透光性物質から形成されたバルブ（エンベロープ）１を含んでいる。バルブ１の内部には放電用物質が封入されている。本明細書において、放電用物質とは、放電によって所定波長の輻射を生じる物質を意味する。放電物質は、典型的には、種々のガスの混合物であるが、ランプ動作時に気相化すれば、常温では液相状態にある物質を含んでいても良い。バルブ１に封入される放電物質の好ましい例は、水銀と希ガス（アルゴンガスなど）の混合物であるが、必ずしもこれに限定されない。

バルブ１の内面には、不図示の蛍光体層が形成されており、バルブ１内の放電ガスから発生した紫外光を可視光に変換する。蛍光体層は、蛍光体をバルブ１の内面上に塗布することによって形成される。

バルブ１は凹入部（reentrant portion）２を有している。この凹入部２は、バルブ１の壁の一部に設けられ、バルブ１の底部からその内部へ向かって図１のＺ軸方向に突出する管状の部分である。本願明細書では、このＺ軸方向を「軸方向」と称することとする。本実施形態のバルブ１はＺ軸方向に関して対称な形状を有している。凹入部２の内部には、バルブ１の外部から誘導コイル３が挿入されている。ここで、凹入部２の内部とは、バルブ１の内部とは連通しておらず、バルブ１に封入された放電物質に接触しない空間である。この意味で、凹入部２の内部は、閉じたバルブ１の外部空間内に位置している。

誘導コイル３は、略筒状をした磁心３ｂと、磁心３ｂの外周にソレノイド状に巻回された巻線３ａとから構成されている。磁心３ｂのＺ軸方向のサイズ（軸方向長さ）を「Ｌ」、巻線３ａのＺ軸方向のサイズ（軸方向長さ）を「Ｌ’」で表すこととする。なお、磁心３ｂの軸方向長さＬは、磁心３ｂの「高さ」または「コア長さ」と称され、巻線３ａの軸方向長さＬ’は巻線の「軸長」と称される場合がある。

巻線３ａは、誘導コイル３に対して高周波電流を供給するための駆動回路４に接続されている。駆動回路４は、高周波回路４ｂと、誘導コイル３と高周波回路４ｂの間のインピーダンス整合をとるための整合回路４ａとを備えており、ケース５で覆われている。ケース５は、電気絶縁性が高く、耐熱性の樹脂（例えばテレフタル酸ポリブチレン）から形成されている。駆動回路４への電力入力は、口金６を介して供給される。

次に、図１に示す無電極放電ランプの動作を説明する。

口金６から供給される電力により、高周波回路４ｂが動作する。高周波回路４ｂは、商用周波数の電力を例えば５０ｋＨｚから１ＭＨｚの高周波交流電力に変換する。高周波回路４ｂによって適切な周波数を持つように変換された高周波交流電流は、整合回路４ａを介して誘導コイル３に供給される。誘導コイル３に高周波電力が供給されると、誘導コイル３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、バルブ１内に放電プラズマが形成される。

バルブ１内に形成された放電プラズマ中では、水銀が励起され、紫外線放射が生じる。水銀から放射された紫外線は、バルブ１の内面に形成された蛍光体層によって可視光に変換され、バルブ１の外表面を通して外部に放射される。この発光原理自体は、従来技術におけるものと同様である。

次に、本実施形態のランプにおける器具干渉を説明する。

図１に示すように電球形状に形成された無電極放電ランプは、一般に、白熱電球の代替品として使用される。このため、本実施形態のランプは、図２に示すような天井埋め込み型の金属製ダウンライト器具で用いられる場合が多い。このようなダウンライト器具は、ランプの光を床方向に効率的に取り出せるように、金属製の反射鏡８を備えている。

無電極放電ランプの近傍に反射鏡８などの金属器具が存在すると、誘導コイル３によって発生した磁界がランプの外部にまで広がり、反射鏡８と鎖交することになる。反射鏡８は、磁心３ｂに対して距離をもって巻回された１ターンの短絡環として機能するため、結果的に、巻線３ａおよび反射鏡８は、それぞれ磁心３ｂに対して巻回された一次巻線および二次巻線に相当することになる。このため、誘導コイル３と反射鏡８の間には相互誘導が発生する。

図３（ａ）は誘導コイル３の等価回路を示し、図３（ｂ）は誘導コイル３と反射鏡８との間に相互誘導が存在する場合の等価回路を示している。図３（ｂ）において破線で囲んだ部分が金属反射鏡８に相当する部分である。

図３（ｂ）の等価回路に基づいて、誘導コイル３の見かけの入力インピーダンスＺ’を求めると、下記の数１の等式が得られる。

ここで、ωは駆動周波数（各周波数に換算した値）、ｊは複素数、Ｍは相互誘導、rcは誘導コイルの抵抗成分、Lcは誘導コイルのインダクタンス成分、Lfは器具の自己インダクタンス成分、rfは器具の抵抗成分、kfは器具と誘導コイルの結合係数である、
上式によれば、相互誘導の効果により、入力インピーダンスＺ’の実数部が、器具挿入前の誘導コイルの抵抗成分ｒｃから大幅に上昇することがわる。

次に、円筒形状フェライト（初透磁率２３００）から形成した磁心３ｂの回りにソレノイド状の巻線３ａを配した誘導コイル３を試作した。磁心３ｂに用いた円筒形状フェライトは、内径８．５ｍｍ、外径１３．５ｍｍ、軸方向長さＬ６０ｍｍのサイズを有し、その初透磁率は２３００であった。また、巻線３ａは、直径０．０８ｍｍの細線を２８本束ねたリッツ線を軸方向に沿って２４ｍｍの範囲内にソレノイド状に５０ターン配した。すなわち、巻線３ａの軸方向長さＬ’は２４ｍｍであった。磁心３ｂおよび巻線３ａの各々の中心軸は一致させた。ここで、巻線３ａにリッツ線を用いた理由は、巻線間の近接効果の影響を抑制し、単線を用いた場合よりも巻線抵抗を低下できるためである。

図４は、上記構成を有する誘導コイル３の抵抗成分を基準とし、誘導コイル３を鉄製の円筒の中に挿入したときの見かけ上の抵抗上昇分を示すグラフである。ここで、「鉄製の円筒（鉄器具）」は、図２に示す金属製の反射鏡８に相当するものである。

鉄器具内に挿入されない状態で測定された誘導コイル３の抵抗成分は１．４８Ωであったのに対し、直径８５ｍｍの鉄器具に挿入した場合、図４に示されるように誘導コイル４の抵抗成分は４．３Ωだけ上昇した。

この抵抗成分の増加に伴い、誘導コイル３のＱ値も、例えば駆動周波数が５００ｋＨｚのときには３５６から８０へ大幅に低下する。誘導コイル３のＱ値が低下すると、ランプの始動時に誘導コイル３に発生する始動電圧が急激に低下するため、ランプが始動しにくくなるという不具合を生じることがある。この点については後に詳述する。

本願発明者らは、磁心３ｂの軸方向長さＬを短くすることにより、上記の相互誘導による誘導コイル３の抵抗上昇を抑制できることを見出し、本発明を想到するにいたった。従来、相互誘導を考慮しなくてもよい状況で、磁心３ｂの軸方向長さＬを大きくするほど、Ｑ値が大きくなることが知られていた。このため、相互誘導を考慮すべき場合でも、磁心３ｂの軸方向長さＬを大きくすることがランプ始動性を高めることにつながると予想され得るが、実際には意外にも反対に磁心３ｂの軸方向長さＬを小さくすることがランプ始動性を高めることにつながることがわかった。以下、この点を説明する。

図１４は、誘導コイル３のＱ値の鉄器具の直径に対する依存性を示すグラフである。図１４のグラフにおける「器具なし」とは、鉄器具がない場合を意味する。具体的には、鉄器具の直径が充分に大きく、鉄器具との間で干渉が生じない状態である。グラフでは、鉄器具の直径が３００ｍｍのとき、器具干渉を無視できるため、このときのＱ値が「器具なし」の場合におけるＱ値をみなすことができる。

図１４のグラフからわかるように、器具なしの場合、磁心３ｂの軸方向長さＬ（図１４における「コア長さ」）が長いほど、Ｑ値が大きい。しかし、鉄器具の直径が小さくなる伴い、干渉の影響が大きくなるため、状況が反転する。すなわち、器具干渉が生じる状況では、磁心３ｂの軸方向長さＬ（図１４における「コア長さ」）が長いほど、Ｑ値が小さくなる。このことは、従来全く知られていなかったことであり、本発明は、この知見に基づいてなされたものである。

図５は、誘導コイル３と金属反射鏡８との間の相互誘導を解析する際に用いたモデルを示している。図５に示すように、誘導コイル３と反射鏡８とは同心に配置している。両者の相互誘導Ｍは、理論的には次式にて表される。

ここで、μは透磁率、ａは金属反射鏡８に相当する円筒の半径、ｍは当該円筒の軸方向長さの半分の大きさ、Ｓは巻線３ａの断面積、ｌは巻線３ａの軸方向長さＬの半分の大きさを示す。

上記の理論式から、巻線３ａの軸方向長さＬ’（＝２ｌ）を短くするほど、相互誘導Ｍが小さくなることがわかる。しかし、プラズマは巻線３ａのすぐ脇の領域に強く発生するため、巻線３ａの軸方向長さＬ’を短くすると、プラズマの高さ（軸方向サイズ）が低くなる。その結果、プラズマ密度が上昇しすぎて放電の効率に悪影響を及ぼす可能性がある。また、プラズマがバルブ１の一部に集中することにより、輝度ムラが生じる可能性もある。これらの点を考慮すると、巻線３ａの長さＬ’を短縮することは避けながら、磁心３ｂの軸方向長さＬをのみを変更することが好ましい。

図６は、異なる軸方向長さＬを有する複数の磁心３ｂについて、誘導コイル３の抵抗上昇と鉄筒の直径との関係を示すグラフである。図６のグラフを得るために用いた巻線３ａは、Φ０．０８ｍｍの細線を２８本束ねたリッツ線で形成し、巻線３ａの軸方向長さＬ’を２４ｍｍに固定した。磁心３ｂの内径は８．５ｍｍ、外径は１３．５ｍｍに設定し、その軸方向長さＬのみを３０ｍｍ、３５．４ｍｍ、４５ｍｍ、及び６１．５ｍｍと変化させた。

図６からわかるように、磁心３ｂの軸方向長さ（図６の「コア長さ」）Ｌが短いほど、誘導コイル３の抵抗上昇（入力インピーダンスの上昇）を抑制できる。すなわち、巻線３ａの軸方向長さＬ’が磁心３ｂの軸方向長さ（コア長さ）Ｌに近づくほど、誘導コイル３の抵抗上昇が抑制される。

このように、磁心３ｂの軸方向長さＬは誘導コイル３の抵抗に大きな影響を与える。以下、磁心３ｂの軸方向長さＬの好ましい範囲について、その下限値および上限値を説明する。

まず、磁心３ｂの軸方向長さＬの下限値を説明する。巻線３ａの軸方向長さＬ’よりも磁心３ｂの軸方向長さＬが短いと、次に述べる不都合を生じる。すなわち、磁心３ｂの軸方向長さＬのバラツキにより、磁心３ｂの端部付近に巻回された巻線３ａが空芯の状態になったり、磁心３ｂを有したりする場合が生じる。そのようなバラツキが生じると、誘導コイル３のインダクタンスが大幅に変化する。誘導コイル３のインダクタンスが大きく変動すると、整合回路４ａと誘導コイル３からなる駆動回路４の負荷回路が大きなバラツキを持つことになり、駆動回路４の設計が極めて困難になる。このため、磁心３ｂの軸方向長さＬは巻線３ａの軸方向長さＬ’よりも必ず長くする必要がある。

一般に、フェライトなどの磁心は磁性粉末を高温で焼結することによって形成される。焼結時の収縮率は、粉末をプレスした際の粉末充填率や湿度のバラツキなどによって変化し、その結果、焼結後の磁心の軸方向長さは±５％程度のバラツキを持つ。従って、磁心３ｂの軸方向長さＬは、巻線３ａの軸方向長さＬ’の１．０５倍以上に設定する必要がある。さらに誘導コイル３を組み立てるときのバラツキを考慮すると、巻線３ａの軸方向長さＬ’の１．０７倍以上に設定することが好ましい。また、前述したように、巻線３ａの軸方向長さＬ’が短すぎると不都合が生じるため、磁心３ｂの軸方向長さＬの下限の絶対値を１５ｍｍ以上に設定することが好ましい。

なお、ランプが電球形状を有する場合、現在市販されている電球形蛍光ランプの寸法を考慮すると、ランプの全長は長くても１４０ｍｍ程度にすることが好ましい。全長のうち、発光部（バルブ１が露出している部分）の占める割合は全体の５０％以上にすることが好ましい。また、凹入部２の上端とバルブ１の上端の距離を１０ｍｍ以上確保すれば、凹入部２の影がバルブ１の頂上部分から見えないようにできる。これらの事項を考慮すると、磁心３ｂの軸方向長さＬは６０ｍｍ以下に設定することが好ましい。磁心３ｂの軸方向長さＬを６０ｍｍ以下にするためには、巻線３ａの軸方向長さＬ’は５６ｍｍ以下にする必要がある。ただし、金属製の反射鏡との間の相互誘導を考慮すると、後述するように、磁心３ｂの軸方向長さＬを更に短く（具体的には４１ｍｍ以下）に設定することが好ましい。

図７は、巻線３ａの中心と磁心３ｂの中心との距離（長軸方向のずれ量）と誘導コイル３のインダクタンス（Ｌ値）との関係をしめすグラフである。なお、巻線３ａの中心軸と磁心３ｂの中心軸とは一致させている。磁心３ｂの寸法は、内径が８．５ｍｍ、外径が１３．５ｍｍ、軸方向長さＬが３０ｍｍである。巻線３ａの軸方向長さＬ’は２４ｍｍである。

図７からわかるように、巻線３ａの中心と磁心３ｂの中心とが上下にずれる量が大きくなるほど、誘導コイル３のインダクタンスは低下する傾向にある。インダクタンスの低下は、巻線３ａに一定の起磁力を印加した場合に発生する磁束が低下することを意味する。インダクタンスはできる限り高い値であることが望ましいため、巻線３ａの中心と磁心３ｂの中心は一致しているか、近接していることが好ましい。より具体的には、中心間の距離を１ｍｍ以下に設定することが好ましい。

また、前述のように、磁心３ｂの長さが寸法公差内で最も短くなる場合において巻線３ａの端部が空芯とならないように必要がある。したがって、巻線３ａと磁心３ｂとの間における中心位置の１ｍｍのずれを許容するためには、磁心３ｂの長さを巻線３ａの軸長の１．０５倍プラス１ｍｍ以上に設計することが好ましい。更に誘導コイル３の組み立てバラツキを考慮すれば、磁心３ｂの長さは巻線３ａの軸長の１．０７倍プラス１ｍｍ以上に設計することが望ましい。

次に、磁心３ｂの軸方向長さＬの好ましい範囲の上限値を述べる。

前述したように、磁心３ｂの軸方向長さＬが小さくなるほど、反射鏡８との相互インダクタンスによる抵抗上昇を抑制できる。しかし、その反面、軸方向長さＬが大きくなるほど、誘導コイル３の組み立てバラツキによるインダクタンスのバラツキを抑制しやすい。これらの点を考慮し、抵抗上昇の許容限界によって磁心３ｂの軸方向長さＬの上限値を決定できる。

図８は、本発明に係るランプを直径８５ｍｍの鉄筒に挿入した場合において、ランプの始動時に誘導コイル３に発生する始動パルスと誘導コイル３のＱ値との関係を示す。この関係は、回路シミュレータによるシミュレーションの結果、得られたグラフである。ここで、駆動回路４の駆動周波数を４８０ｋＨｚに設定した。

図８のグラフからわかるように、誘導コイル３のＱ値が低下するにつれて始動パルスが低下する。そこで、バルブ１の放電開始に必要な始動パルスの閾値からＱ値の許容範囲を求める必要がある。

以下の表１に放電ガスの圧力と放電始動に必要なパルス電圧との関係を示す。

なお、ここで用いたバルブ１の外径は、軸方向（図１のＺ軸方向）に垂直な方向に６５ｍｍおよび７５ｍｍに設定した。これは、６５ｍｍおよび７５ｍｍが、実用的なバルブの外径の上限および下限に相当しているからである。また、凹入部２の内径は１９ｍｍに設定し、駆動回路４の駆動周波数は４８０ｋＨｚとした。誘導コイル３は、内径８．５ｍｍ、外径１３．５ｍｍ、軸方向長さ４５ｍｍの円筒形状フェライトからなる磁心３ｂと、巻Φ０．０８ｍｍの細線を２８本束ねたリッツ線を、巻線の軸長２４ｍｍの中に５０ターンを配した線３ａとから構成した。

表１に示すように放電ガスの圧力を４０Ｐａから２５０Ｐａに選定した理由は、放電ガスの圧力が４０Ｐａ以下の場合、放電を維持するために非常に大きな電力を投入する必要があり、また２５０Ｐａ以上の圧力にすると発光効率の低下が著しくなるためである。従って、電球形状の無電極ランプを構成する場合の圧力としては４０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下が実用の範囲であると考えられる。

圧力が４０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下のクリプトンガスまたはクリプトン／アルゴン混合ガスを用いた場合、表１からわかるように、すべてのバルブにおいて放電開始に必要な誘導コイル３の電圧は２．５ｋＶ前後でほとんど一定である。図８のグラフによれば、始動時に誘導コイル３に発生する電圧を２．５ｋＶ以上確保するために必要なＱ値の範囲は１００以上である。このため、Ｑ値が１００以上になるようにすることが好ましい。

次に、図９に磁心３ｂの軸方向長さＬを変化させた場合の誘導コイル３のＱ値の変化の一例を示す。ここで、巻線３ａはΦ０．０８ｍｍの細線を２８本束ねたリッツ線を、軸方向長さ２４ｍｍの範囲内に５０ターン配したものである。磁心３ｂの寸法は、いずれも、内径８．５ｍｍ、外径１３．５ｍｍとした。なお、磁心３ｂの外径を１４ｍｍから１１．５ｍｍまで変化させたが、ほとんど同一の特性になったため、ここでは記載しない。

図９からわかるように、直径８５ｍｍの鉄器具に挿入した時に誘導コイル３のＱ値を１００以上にできる磁心３ｂの軸方向長さＬの上限は４１ｍｍである。

以上の理由から、磁心３ｂの軸方向長さＬの上限値は４１ｍｍに設定することが好ましい。また、磁心３ｂの軸方向長さの公差５％を考慮し、バラツキを含めて最大でも４１ｍｍ以下となるようにするためには、磁心３ｂの軸方向長さを３９ｍｍ以下に設定することが更に好ましい。磁心３ｂの軸方向長さＬが４１ｍｍのとき、巻線３ａの軸方向長さＬ’を３８ｍｍとすると、磁心３ｂの軸方向長さＬの公差を５％、巻線３ａと磁心３ｂの中心位置ずれ１ｍｍとしても、磁心３ｂの軸方向長さＬを４１ｍｍ以下にできる。

なお、本実施形態では駆動回路４の駆動周波数を４８０ｋＨｚに設定しているが、駆動周波数の範囲は、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚの範囲から任意に選択される。ランプの放電開始に必要な誘導コイル３の始動電圧は、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚの範囲ではほとんど変化せず、例えば１ＭＨｚで駆動する場合の始動電圧は、４８０ｋＨｚのときの始動電圧に比べて約５％低下する程度である。このため、駆動周波数が上記の範囲内にある限り、始動電圧は駆動周波数に対してほぼ一定と考えて差し支えない。

また、誘導コイル３のＱ値は周波数の関数であり、駆動周波数を変化させると、同じ誘導コイル３であってもＱ値は変化する。しかしながら、前述の方法と同様の方法により、直径８５ｍｍの金属器具においてランプを始動できるＱ値の許容範囲を求めると、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚの範囲内ではほとんど変化しなかった。例えば駆動周波数が１ＭＨｚの場合におけるＱ値の下限は９３以上であった。従って、本願発明の範囲内であるＱ値１００以上の範囲内であれば、５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲で、同様の器具始動性能を確保できる。

なお、本実施形態では巻線３ａの軸方向長さを２４ｍｍとしているが、巻線３ａの軸方向長さＬ’は、２４ｍｍに限定されない。図１０は、巻線３ａの軸方向長さＬ’を変化させて、金属器具に誘導コイル３を挿入した時の抵抗上昇を示している。ここで用いた磁心３ｂの寸法は、内径８．５ｍｍ、外径１３．５ｍｍ、軸方向長さ４５ｍｍである。

図１０のグラフからわかるように、巻線３ａの軸方向長さＬ’を変化させても、誘導コイル３の抵抗上昇はまったく同一の曲線となる。すなわち、金属器具挿入時の誘導コイル３の特性変化は、磁心３ｂの寸法によって決定されることがわかる。従って、磁心３ｂの寸法が本発明の範囲内であれば、巻線３ａの軸長を変えても同一の効果を得ることができる。

さらに、本実施形態では、巻線３ａの巻数を５０ターンとしたが、本発明の効果は巻線３ａの巻数によって左右されない。図１１は、巻数を変えて、金属器具挿入時の抵抗変化を測定した結果を示している。図１１からわかるように、巻数を変えると、誘導コイル３の抵抗の絶対値は変化するものの、Ｑ値はまったく同一の曲線となる。従って、磁心３ｂの寸法が本発明の範囲内であれば、同様の金属器具対策効果が得られる。また、巻線３ａは、リッツ線に限定されず、単線であっても同様である。

磁心３ｂの材料はフェライトに限定されない。磁心３ｂの材料としては、アモルファスやパーマロイなどの金属系磁性材料でもよく、さらに１００ｋＨｚ以下の低周波の場合は珪素鋼でもよい。また、磁心３ｂはランプの動作中、非常に高温になるため、磁心３ｂのキュリー温度は２００℃以上３００℃以下であることが好ましい。キュリー温度が３００℃以上の材料でも構わないが、誘導コイル３の温度が３００℃以上に達すると、巻線３ａの被覆の絶縁寿命が耐えられないためである。

また、図１２に示すように、磁心３ｂの熱を放熱するために熱伝導部材７を配してもよい。熱伝導部材７を配置する場合、磁心３ｂを筒状にし、筒の内部に熱伝導部材７の一部を挿入し、筒の内部で磁心３ｂと熱伝導部材７の一部が熱接触するように配置することが好ましい。その理由は、誘導コイル３から発生する磁束に対し、熱伝導部材が出来るだけ影響しないようにするためである。熱伝導部材７の材料としては、熱伝導率が非常に高い金属が最も好ましく、例えば銅、アルミ、真鍮、モリブデンなどが最も好ましい。また、アルミナや窒化アルミなどの高熱伝導性セラミックスも、熱伝導部材７として使用可能である。この場合は、熱伝導部材７の肉厚を金属の場合と比べて極めて分厚くする必要が生じるため、製品重量が重くなるだけでなく、コスト上昇の要因となる。

なお、駆動周波数が１ＭＨｚを越えると、放電そのものが発生しやすく、本発明を用いなくても充分な始動性が得られる。逆に、駆動周波数が５０ｋＨｚを下回ると、放電を維持するために非常に大きな電力が必要となるばかりか、発光効率が極めて悪くなり、実用性に乏しい。本発明の効果が顕著に得られる駆動周波数は、１００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下である。

また、本実施形態では、本発明の効果は、ランプを鉄製の反射鏡８に挿入する場合に限定されない。反射鏡８またはそれと同様の器具の材料としては、鉄以外にも、アルミや、樹脂にアルミを蒸着したものなどが考えられ、いずれの材料の場合でも抵抗上昇抑制の効果は得られる。なぜなら、反射鏡８と誘導コイル３との間に生じる相互誘導は、それらの材料に限定される現象ではないからである。

本実施形態のランプは電球形状を有しているが、本願発明の効果は電球形状を有する場合に限定されない。ただし、電球形状を有する場合、金属製の反射鏡を備えた器具に取り付けられて使用される場合が多いため、本願発明の効果が最大限に発揮される。

本発明は、駆動周波数が比較的低い商用電力で動作する照明器具の分野で好適に利用される。

本発明の実施形態に係る無電極放電ランプの概略図である。 本発明の実施形態に係る金属製器具の断面図である。 本発明の実施形態に係る誘導コイルの等価回路である。 本発明の実施形態に係る誘導コイル抵抗値の特性例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る解析モデルを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る誘導コイル抵抗値の特性例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る磁心と巻線の中心間距離とインダクタンスの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る誘導コイルのＱ値と始動パルスの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る誘導コイルの磁心の長さとＱ値の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る誘導コイルの抵抗値の特性例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る誘導コイルの抵抗値の特性例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る無電極放電ランプの他の実施形態を示す概略図である。 従来の無電極放電ランプを示す概略図である。 異なる長さの磁心を有する無電極放電ランプにおいて、誘導コイルのＱ値と鉄器具の直径との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ バルブ
２ 凹入部
３ 誘導コイル
３ａ 巻線
３ｂ 磁心
４ 駆動回路
４ａ 整合回路
４ｂ 巻線
５ ケース
６ 口金
７ 熱伝導部材
８ 反射鏡
９ 金属短絡環
Ｌ 磁心３ｂのＺ軸方向の長さ（コア長さ）
Ｌ’ 巻線３ａのＺ軸方向の長さ（巻線の軸長）

Claims (11)

1. 内部に放電用物質が封入され、かつ、所定方向に沿って内部に突出する凹入部を有するバルブと、
   前記凹入部に配置され、磁心および前記磁心に巻回された巻線を有する誘導コイルと、
   ５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数の電力を前記誘導コイルに供給する駆動回路と
   を備えた無電極放電ランプであって、
   前記所定方向に垂直な方向における前記バルブの外径は６５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、
   前記磁心の前記所定方向における長さＬは、前記巻線の前記所定方向における長さＬ’の１．０５倍以上であり、かつ４１ｍｍ以下に設定されている無電極放電ランプ。
2. 前記磁心の長さＬは、前記巻線の長さＬ’の１．０７倍以上であり、かつ、３９ｍｍ以下に設定されている請求項１に記載の無電極放電ランプ。
3. 前記磁心の長さＬは、１５ｍｍ以上に設定されている請求項１または２に記載の無電極放電ランプ。
4. 前記バルブは、前記所定方向に関して略軸対称な形状を有している請求項１から３のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
5. 内部に放電用物質が封入され、かつ、所定方向に沿って内部に突出する凹入部を有するバルブと、
   前記凹入部に配置され、磁心および前記磁心に巻回された巻線を有する誘導コイルと、
   ５０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数の電力を前記誘導コイルに供給する駆動回路と
   を備えた無電極放電ランプであって、
   前記所定方向に垂直な方向における前記バルブの外径は６５ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、
   前記誘導コイルを直径８５ｍｍの鉄製の筒の中央に配置して測定したときにおける前記誘導コイルのＱ値が１００以上である無電極放電ランプ。
6. 前記巻線の中心と前記磁心の中心との距離が１ｍｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
7. 前記巻線の軸方向長さは３８ｍｍ以下である請求項１に記載の無電極放電ランプ。
8. 前記駆動回路が供給する電力の周波数は、１００ｋＨｚ以上７００ｋＨｚ以下である請求項１から７のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
9. 前記巻線はリッツ線からなる請求項１から８のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
10. 前記封入ガスは、圧力が４０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下の範囲で封入されたクリプトンガスまたはアルゴンとクリプトンの混合ガスである請求項１から９のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
11. 商用電力を受け取るための口金を有し、
    電球形形状を有している請求項１から１０のいずれかに記載の無電極放電ランプ。

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