JP4737064B2 - 無電極蛍光ランプ及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、希ガス及び発光材料を封入したバルブ内には電極を持たず、誘導コイルに高周波電流を通電することによって発生した高周波電磁界をバルブに印加することで、バルブ内で放電を起こし発光させる無電極蛍光ランプ及びこれを用いた照明器具に関するものである。

ガラス管内に一対の電極を配設した一般の蛍光ランプに対してガラス製のバルブ内に電極を持たない無電極蛍光ランプと呼ばれるものがある。図６は特許文献１（特開２００５−１９７０３１号公報）に開示されている無電極蛍光ランプの断面図であり、図７はそのランプ部１とカプラ部１０を分離した状態の断面図である。

この無電極蛍光ランプは、ランプ部１とカプラ部１０とで構成される。ランプ部１はガラスのような透光性材料によって電球形状に形成されたバルブ２と、バルブ２の底に取り付けられた略円筒形の口金３とを有する。バルブ２の底には内部に落ち窪んだ円筒形の空洞部（キャビティ）４が封着され、キャビティ４の底には内部空間がバルブ２内の放電空間と連通した管状部（排気管）５が溶着されている。そして、バルブ２の壁面とキャビティ４の壁面で囲まれた放電空間に希ガス（例えば、アルゴンガス）が封入されるとともに、放電空間の内壁に蛍光体を塗布することで蛍光体膜６ａ，６ｂが形成されている。６ａはバルブ２の放電空間側である内壁に塗布された蛍光体膜であり、６ｂは空洞部（キャビティ）４の放電空間側である周壁に塗布された蛍光体膜である。

排気管５はバルブ２内を排気するために用いられ、その下端部がバルブ２の底から外部に引き出され、バルブ２内を排気した後、アマルガムを収納した金属容器７とガラス製のロッド８を収めた状態で下端部が封止されてバブル２が密閉される。また、排気管５の上部及び中間部には内向きに突出する突部５ａ，５ｂが形成されており、中間部の突部５ｂとロッド８の間に金属容器７が保持される。金属容器７は内部を空洞としたカプセル状に形成され、側面に貫設した２つの孔（図示せず）を通して内部に収納されたアマルガム表面から出入りする水銀を通過させている。アマルガムは、例えばＺｎ−ＨｇやＢｉ−Ｉｎ−Ｈｇ等が用いられる。尚、排気管５の上部に形成されている突部５ａには、コ字状に形成された支持体９の一端部が係止され、排気管５からバルブ２内に導出された支持体９の他端部には仕事関数が小さい金属化合物（例えば、水酸化セシウム）を塗布したフラグ９ａが固着されている。フラグ９ａに塗布された金属化合物は無電極蛍光ランプの始動時における電子の数を増やす役割を担っている。

一方、カプラ部１０は、下端に外鍔部１１ａを有する円筒形の放熱シリンダ１１と、放熱シリンダ１１の上端面に固定された円筒形のフェライトコア１２と、フェライトコア１２の外周に巻回されたソレノイド（誘導コイル）１３とを具備する。そして、排気管５をフェライトコア１２の内側に挿通するようにして放熱シリンダ１１、フェライトコア１２並びに誘導コイル１３をキャビティ４内に挿入してカプラ部１０がランプ部１に装着される（図６参照）。

この無電極蛍光ランプは、高周波電源を備えた点灯装置にカプラ部１０が接続され、高周波電源からカプラ部１０の誘導コイル１３に高周波電流（例えば、周波数が１３０ｋＨｚの正弦波電流）を流すことでバルブ２内の放電空間に放電を生じさせて点灯するものである。

このように無電極蛍光ランプはバルブ２内に電極を持たないため、電極切れやエミッタ（熱電子放射物質）の消耗による不点が起こらず、一般の蛍光ランプに比較して長寿命という特徴を有している。

このようなキャビティ構造を有する無電極蛍光ランプの発光効率の改善手段として、特表平９−５１１８６９号公報では、バルブ内壁とキャビティ周壁に塗布する蛍光体の種類を変え、バルブ内壁に塗布する蛍光体の変換効率よりも高い変換効率を有する蛍光体をキャビティ周壁に塗布することが提案されている。

また、特開平９−７３８８４号公報では、キャビティ周壁に塗布する蛍光体の膜厚を、バルブ内壁に塗布する蛍光体の膜厚よりも厚くすることが提案されている。
特開２００５−１９７０３１号公報 特表平９−５１１８６９号公報 特開平９−７３８８４号公報

特許文献２の手段では、一本のランプに２種類の蛍光体を塗布する必要があり、蛍光体の混入、誤塗布、コスト等の製造上の課題がある。

特許文献３の手段では、バルブ内壁に塗布する蛍光体の膜厚を１５μｍ、キャビティ周壁に塗布する蛍光体の膜厚を３０μｍとすることが提案されているが、発光効率の改善効果が十分ではない。

本発明は、１種類の蛍光体で発光効率を改善した無電極蛍光ランプとその照明器具を提供することを目的とする。

請求項１の無電極蛍光ランプは、上記の課題を解決するために、図１に示すように、透光性材料からなり内部に希ガスおよび蒸気化し得る金属が封入されるとともに内部に落ち窪んだ空洞部（キャビティ）４を有するバルブ２と、空洞部４内に収められる誘導コイルとを備え、バルブ２の内壁に形成された蛍光体膜６ａの平均膜厚を１０μｍ〜２５μｍとし、空洞部４の放電空間側の表面に形成された蛍光体膜６ｂの平均膜厚が、バルブ２の内壁に形成された蛍光体膜６ａの膜厚の８倍〜２０倍であることを特徴とするものである。

請求項２の照明器具は、請求項１に記載の無電極蛍光ランプと、その誘導コイルに高周波電流を流す高周波電源とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、バルブ内壁に形成される蛍光体の膜厚を特定し、また、空洞部の放電空間側の表面に形成される蛍光体の膜厚をバルブ内壁に形成される蛍光体の膜厚よりも十分に厚くすることにより、１種類の蛍光体で発光効率を改善することが出来る。

請求項２の発明によれば、効率の良い照明器具を提供できる効果がある。

図１は本発明の無電極蛍光ランプの一実施形態の要部構成を示す断面図である。バルブ２の放電空間側である内壁には保護膜６２を介して蛍光体膜６ａが塗布されており、キャビティ４の放電空間側である外壁には保護膜６４を介して蛍光体膜６ｂが塗布されている。ここで、保護膜６２、６４は、例えば、アルミナやシリカ等の金属酸化物で構成されている。

本発明では、バルブ２の内壁に形成された蛍光体膜６ａの平均膜厚を１０μｍ〜２５μｍとし、キャビティ４の放電空間側の表面に形成された蛍光体膜６ｂの平均膜厚が、バルブ２の内壁に形成された蛍光体膜６ａの平均膜厚の８倍〜２０倍であることを特徴とする。その他の構成は図６及び図７の従来例と同様である。

なお、図１では、発明の特徴を分かりやすく表現するために、蛍光体膜６ａ，６ｂの一部分のみを極端に厚く描いてあるが、実際の製品では、図６及び図７で説明したように、バルブ２の放電空間側である内壁の全域にわたり蛍光体膜６ａが薄く形成され、また、キャビティ４の放電空間側である外壁の全域にわたり蛍光体膜６ｂが薄く形成されるものであることは言うまでもない。

カプラ部１０の誘導コイル１３に高周波電流を流すと、誘導コイル１３の周囲には高周波電磁界が発生する。この高周波電磁界により、バルブ２内の電子が加速され、電子の衝突により電離が起こり、放電が発生する。また、放電空間では、水銀原子は励起され、励起された水銀原子が基底状態に戻る時に紫外放射を起こす。この紫外放射は、バルブ２の内壁に塗布された蛍光体膜６ａおよびキャビティ４の周壁に塗布された蛍光体膜６ｂによって可視光に変換される。変換された可視光は、バルブ２を透過して外部に放出される。

蛍光体膜６ａ，６ｂを塗布する本来の目的は、上述のように放電空間で発生した紫外放射を可視光に変換することであるが、バルブ２内にキャビティ４を設けた構成のランプにおいては、バルブ２の内壁に塗布された蛍光体膜６ａとキャビティ４の周壁に塗布された蛍光体膜６ｂには、発光以外にそれぞれ異なった効果がある。本発明では、これらの異なった効果に着目し、その効果を利用することによって、発光効率を高めることを可能とした。

図２により、バルブ２の内壁に形成した蛍光体膜６ａの効果に関して説明する。バルブ２の内壁に形成した蛍光体膜６ａは本来の働きである紫外放射を可視光に変換する機能を有し、一部は蛍光体膜６ａとバルブ２を透過してバルブ外に、残りの部分はバルブ内部に放射される。図２に示すように、キャビティ４からの発光（点線の矢印）は、バルブ２の内壁に形成された蛍光体膜６ａとバルブ２を透過してバルブ外に放射される。このことより、キャビティ４からの放射光にとっては、バルブ２の内壁の蛍光体膜６ａの膜厚が薄い方が透過率が良くなるので効率は良くなる。ただし、発光に寄与する蛍光体膜厚より薄くすると、透過率は向上するが、バルブ２の内壁での発光が減少し、全体の発光効率は低下する。

キャビティ４の周壁の蛍光体膜厚を一定とし、バルブ２の内壁の蛍光体膜厚を変えた無電極蛍光ランプを作製し、その特性を測定した。その結果を図３に示す。図３において、横軸はバルブ２の内壁に塗布した蛍光体膜６ａの平均膜厚、縦軸は最大光量を１とした相対光量である。この結果から明らかなように、バルブ２の内壁に塗布された蛍光体膜６ａの膜厚が１０μｍ以下になると急激に光量が低下することが判明した。この結果より、最大光量の９５％以上を確保するためのバルブ２の内壁に塗布する蛍光体膜６ａの平均膜厚を１０μｍ〜２５μｍとした。

図４により、キャビティ４の周壁に形成した蛍光体膜６ｂの効果に関して説明する。キャビティ４の蛍光体膜６ｂは本来の働きである紫外放射を可視光に変換する機能により、一部は蛍光体膜６ｂとキャビティ４の周壁を透過してカプラ１０側に、残りの部分は、バルブ内部に放射される。図４に示すように、バルブ２の内壁からの発光（点線の矢印）は、キャビティ４の周壁に形成した蛍光体膜６ｂによって反射し、バルブ２の内部に戻される。このように、キャビティ４の周壁に形成した蛍光体膜６ｂはバルブ２の内壁からの発光を反射する機能をも有している。バルブ２の内壁に形成した蛍光体膜６ａの膜厚を１０μｍ〜２５μｍの間で変化させ、また、キャビティ４の周壁に形成した蛍光体膜６ｂの膜厚も変えた種々の組み合わせのバルブを試作し、その特性を調べた結果を図５に示す。

図５において、横軸は、キャビティ４の周壁に形成した蛍光体膜６ｂの平均膜厚をバルブ２の内壁に塗布した蛍光体膜６ａの平均膜厚で割った値である。左側の縦軸は、最大光量を１とした相対光量であり、グラフでは実線で示す。この結果から明らかなように、バルブ２から放出される光量は、膜厚比（キャビティ蛍光体平均膜厚／外管蛍光体膜厚）が５以上では光量がほとんど変化しないことが判明した。このことから、光量を確保するためには、膜厚比が５以上になるように蛍光体を塗布すれば良いことが判る。また、右側の縦軸は、カプラ部のフェライトコアの温度変化（ｄｅｇ）を今回の試作で最もフェライトコアの温度が高くなった膜厚比が２．２６のランプのフェライトコア温度からの変化量で表したものであり、グラフでは破線で示す。

通常、蛍光ランプは周囲温度が２５℃で最大光量が得られるように設計する。本発明の無電極蛍光ランプも蛍光ランプであるので同様である。また、通常の蛍光ランプの光量は周囲温度の影響を受ける。この点も同様である。

本発明の無電極蛍光ランプはその構成上、さらに周囲温度の影響を受ける部材として、カプラ部１０のフェライトコア１２が挙げられる。フェライトコアにはキューリ点（温度）と呼ばれる磁性体の特性を損なう温度が存在するので、この温度以下で使用しないといけない。ランプを器具に入れるとランプの周囲温度が上昇するので、２５℃で光量が最大になるようにフェライトコアを設計しても十分ではなく、器具内での温度上昇を考慮する必要がある。通常、一般の照明器具の器具内でのランプの周囲温度は、使用環境等を考慮しても最高でも６０℃程度である。つまり、２５℃で最大光量になるように設計する際に、器具内でプラス３５ｄｅｇの温度上昇を考慮しなくてはならない。図５より、膜厚比が８以上の場合、フェライトコアの温度が４０ｄｅｇ以上低下することが期待でき、器具内温度上昇を補償、または、フェライトコアの温度設計が容易になる。

本発明では、光量確保のためには膜厚比が５以上有れば良いが、器具内でのカプラ部のフェライトコアの温度上昇も加味して、膜厚比を８以上とした。更に、キャビティ周壁に塗布する蛍光体膜６ｂを厚くしていくと蛍光体膜６ｂがキャビティ周壁から剥がれ落ちることがあることを考慮し、剥がれ落ちない限界から上限の膜厚比を２０とした。

このような構造により、放電空間で発生した紫外線を変換した可視光を、空洞部４内へ透過することなく反射し、バルブ２を通過してランプ外部へ放出することができ、効率の高い光源を提供することができる。

本発明の無電極蛍光ランプはその誘導コイルと共に器具本体内に収納され、照明器具として使用される。誘導コイルに高周波電流を流す高周波電源は、器具本体に内蔵しても良いし、器具本体とは別に設けて高周波ケーブルを介して給電しても良い。

本発明の無電極蛍光ランプの一実施形態の要部構成を示す概略断面図である。 バルブの内壁に形成された蛍光体膜の効果の説明図である。 バルブの内壁に形成された蛍光体の膜厚と光量の関係を示す特性図である。 キャビティの周壁に形成された蛍光体膜の効果の説明図である。 キャビティの周壁に形成された蛍光体の膜厚とバルブの内壁に形成された蛍光体の膜厚の比と光量の関係を示す特性図である。 従来の無電極蛍光ランプの断面図である。 同上のランプ部とカプラ部を分離した状態の断面図である。

符号の説明

２ バルブ
３ 口金
４ キャビティ（空洞部）
５ 排気管
６ａ 蛍光体膜（バルブ側）
６ｂ 蛍光体膜（空洞部側）
１０ カプラ部

Claims (2)

1. 透光性材料からなり内部に希ガスおよび蒸気化し得る金属が封入されるとともに内部に落ち窪んだ空洞部を有するバルブと、空洞部内に収められる誘導コイルとを備え、バルブ内壁に形成された蛍光体の平均膜厚を１０μｍ〜２５μｍとし、空洞部の放電空間側の表面に形成された蛍光体の平均膜厚が、バルブ内壁に形成された蛍光体膜厚の８倍〜２０倍であることを特徴とする無電極蛍光ランプ。
2. 請求項１に記載の無電極蛍光ランプと、その誘導コイルに高周波電流を流す高周波電源とを備えたことを特徴とする照明器具。

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