JP2010080241A - 無電極放電灯装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】ループ形状のバルブを備え且つ広い動作温度範囲で光出力が安定させることができる無電極放電灯装置および照明器具を提供することにある。
【解決手段】無電極放電灯装置１００は、ガラスで形成され且つ内部に放電ガスおよび水銀蒸気が封入されたループ形状のバルブ１と、バルブ１において管軸方向に沿って離間した２つの部位を覆う形で配置された２つのフェライトコア３と、フェライトコア３に巻回されたランプ点灯用誘導コイル２と、高周波電源４ａを含む点灯装置４とを備える。バルブ１の一部には、水銀蒸気を供給するための水銀アマルガム５が収納されたアマルガム収納部１ａが形成されてなるものであって、水銀アマルガム５を加熱するためのアマルガム用誘導コイル２１が、フェライトコア３の一部に巻回されるとともにアマルガム収納部１ｃの周囲に巻回されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ループ形状のバルブを備えた無電極放電灯装置および照明器具に関するものである。

従来から、図６に示すように、透光性材料で形成され且つ内部にアルゴンなどの希ガスからなる放電ガスと水銀蒸気とが封入されたループ形状のバルブ１と、バルブ１において管軸方向に離間した２つの部位を囲む形で配置されるとともに２つのランプ保持具３２’それぞれの内側に配置された２つのフェライトコア（図示せず）と、各フェライトコアそれぞれに巻回された２つの誘導コイル（図示せず）と、各誘導コイルに接続され且つ誘導コイルに高周波電流を通電する高周波電源（図示せず）を含む点灯装置（図示せず）とを備える無電極放電灯装置が提案されている（特許文献１参照）。ここで、バルブ１、各フェライトコア及び各誘導コイルから無電極放電ランプが構成されている。

図６に示す構成の無電極放電灯装置では、高周波電源から数百ｋＨｚの高周波電流が誘導コイルに通電されると、電磁誘導によって無電極放電ランプを構成するバルブ１の内部に発生する誘導電界がバルブ１内部に封入された放電ガスに作用して放電が発生し、バルブ１の内部に存在する水銀が励起されることにより紫外線が発生する。なお、無電極放電ランプにおいてバルブ１の内面に蛍光体が塗布されているものは、バルブ１の内部で発生した紫外線がバルブ１の内面に塗布された蛍光体により可視光に変換されてバルブ１の外部に放射されるので、無電極蛍光ランプとして使用される。一方、バルブ１が紫外線透過率の高い材料で形成され且つバルブ１の内面に蛍光体が塗布されていないものは、無電極紫外線ランプとして使用される。これらの無電極蛍光ランプや無電極紫外線ランプは、バルブ１の内部に短寿命の原因となる電極（図示せず）が存在しないので寿命が長い。

一般的に、無電極放電ランプでは、バルブの内部の放電空間に水銀蒸気を供給するために、バルブの内部に水銀アマルガムが封入されていることが多い。バルブの内部に純水銀ではなく水銀アマルガムが封入されていることが多い理由として、バルブの内部に水銀アマルガムが封入されている場合は、純水銀が封入されている場合に比べて、比較的広い動作温度範囲において、バルブの内部の水銀蒸気圧を安定させ、光出力の温度依存性を小さくすることができる点が挙げられる。

図６に示す構成の無電極放電灯装置では、バルブ１の内部に水銀蒸気を供給するための水銀アマルガム（図示せず）が封入されており、バルブ１の内部の水銀蒸気圧を安定した光出力が得られる圧力に維持するために、水銀アマルガムの温度を常温（２５℃）よりも高い規定温度（例えば、７０℃）以上に常に維持しておく必要がある。ここで、図６に示す構成の無電極放電灯装置では、周囲温度（以下、動作温度と称す）が常温よりも低い低温の場合や、定格点灯時に比べて低い供給電力で点灯している場合（調光点灯時）に、水銀アマルガムの温度が前記規定温度未満となり、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が極端に低下して発光効率が大幅に低下することがあった。更に、図６に示す構成の無電極放電灯装置では、長期に亘り、低温で動作した場合、水銀が蒸発せず、希ガスのみの放電となる場合があった。従って、水銀アマルガムは、温度の高い箇所に配置する必要がある。

そこで、図６に示す無電極放電灯装置では、水銀アマルガムを、バルブ１におけるフェライトコア３の近傍に形成されたアマルガム収納部１ｃの内側に配置し、フェライトコア３で発生した熱を、アルミニウムなどの金属で形成された熱伝達部３ａを介して水銀アマルガムに伝達させることにより、水銀アマルガムの温度を前記規定温度以上に維持している。
特開平１１−１９１３９８号公報

しかしながら、図６に示す構成の無電極放電灯装置では、特に動作温度が低温の場合には、フェライトコアで発生した熱が水銀アマルガムに達するまでに放熱されてしまい、水銀アマルガムに十分に伝達されず、水銀アマルガムの温度を前記規定温度以上に維持することができず、光出力が安定しないおそれがあった。

本願発明は、前記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ループ形状のバルブを備え且つ広い動作温度範囲で光出力が安定させることができる無電極放電灯装置および照明器具を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、透光性材料で形成され且つ内部に放電ガスおよび水銀蒸気が封入されたループ形状のバルブと、磁性材料で形成され且つバルブの一部を覆う形で配置されたフェライトコアと、フェライトコアに巻回されたランプ点灯用誘導コイルと、ランプ点灯用誘導コイルに高周波電流を通電して電磁誘導により放電ガスを励起して発光させる高周波電源とを備え、バルブの一部には、水銀蒸気を供給するための水銀アマルガムが内側に収納されたアマルガム収納部が形成されてなり、高周波電源が、バルブの内部の水銀蒸気圧の低下に伴いランプ点灯用誘導コイルを流れる高周波電流が低下したときにランプ点灯用誘導コイルに供給する電力を維持するためにランプ点灯用誘導コイルの両端間の電圧を上昇させるものであって、水銀アマルガムを加熱するためのアマルガム用誘導コイルが、フェライトコアの一部に巻回されるとともにアマルガム収納部の周囲に巻回されてなることを特徴とする。

この発明によれば、アマルガム用誘導コイルが、フェライトコアに巻回されるとともにアマルガム収納部に巻回されていることにより、アマルガム用誘導コイルに電流が流れたときにアマルガム用誘導コイルに発生する熱が確実且つ効率的に水銀アマルガムに伝達されるので、広い動作温度範囲に亘って水銀アマルガムを常温よりも高い規定温度以上に維持してバルブの内部の水銀蒸気の圧力を維持することができるから、広い動作温度範囲において光出力を安定させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明の無電極放電灯装置を備えることを特徴とする。

この発明によれば、請求項１の発明の無電極放電灯装置を備えるので、広い動作温度範囲で高い光出力を得ることができるから、温度環境が大きく変化しても比較的安定した光束を得ることができる。

請求項１の発明によれば、アマルガム用誘導コイルに電流が流れたときにアマルガム用誘導コイルに発生する熱が確実且つ効率的に水銀アマルガムに伝達されることにより、広い動作温度範囲に亘って水銀アマルガムを常温よりも高い規定温度以上に維持してバルブの内部の水銀蒸気の圧力を維持することができるので、広い動作温度範囲において光出力を安定させることができる。

（実施形態１）
以下、本実施形態について、図１に基づいて説明する。

本実施形態の無電極放電灯装置１００は、内部に放電ガスおよび水銀蒸気が封入されたループ形状のバルブ１と、バルブ１において管軸方向に離間した２箇所それぞれを囲む形で配置された２つのフェライトコア３と、各フェライトコア３に巻回された２つのランプ点灯用誘導コイル２と、定電圧を出力し且つランプ点灯用誘導コイル２に高周波電流を通電する高周波電源４ａを有する点灯装置４とを備える。ここで、バルブ１、フェライトコア３及びランプ点灯用誘導コイル２から無電極放電ランプが構成されている。

バルブ１は、透光性材料であるガラスで形成されている。バルブ１は、第１のＵ字管１１の両端部と、第１のＵ字管１１に比べて管軸方向の長さが短い第２のＵ字管１２の両端部とを接合することにより形成される。しかして、平行する２つの直線部１ａと、２つの直線部１ａの一端部同士（図１における左端部同士）と他端部同士（図１における右端部同士）とを接続する２つのＣ字状の曲部１ｄとからなるループ状のバルブ１が形成される。

バルブ１の内面には、蛍光体（図示せず）が塗布されている。従って、本実施形態の無電極放電灯装置１００が備える無電極放電ランプでは、バルブ１の内部に封入された水銀蒸気中に含まれる水銀を発光させることにより紫外線が発生すると、当該紫外線は蛍光体により可視光に変換されバルブ１の外部へ放射されるので、無電極蛍光ランプとして使用することができる。なお、ランプ点灯用誘導コイル２に高周波電流を通電したときにバルブ１の内部に発生するプラズマの形状もバルブ１の管軸方向に沿ったループ形状であって、バルブ１の内部全体に亘って発生することになる。また、本実施形態では、バルブ１の内面に蛍光体が塗布されたものについて説明したが、バルブ１が紫外線の透過率の高い透光性材料で形成されるとともにバルブ１の内面に蛍光体が塗布されていない紫外線ランプであってもよい。

第２のＵ字管１２において、管軸方向の略中央部には、バルブ１の外部へ突出する形でアマルガム収納部１ｃが形成されており、アマルガム収納部１ｃの内側には、バルブ１の内部の放電空間に水銀蒸気を供給するための粒状の水銀アマルガム５が配置されている。ここに、アマルガム収納部１ｃは、バルブ１の第２のＵ字管１２に対応する部分に一端部が溶着された内部空間が、バルブ１の内部の放電空間に連通する細長の排気管の内側に、水銀アマルガム５を配置した状態で、排気管の他端部を封止することにより形成される。ここで、アマルガム収納部１ｃは、水銀アマルガム５が配置される部位の径に比べて前記一端部の径を絞ることによって、水銀アマルガム５がアマルガム収納部１ｃからバルブ１の内部の放電空間に転がり出すのを防止することができる。

なお、本実施形態では、アマルガム収納部１ｃに粒状の水銀アマルガム５が配置される場合について説明したが、図２に示すように、水銀アマルガム５が、水銀蒸気透過用孔（図示せず）のある金属ホルダ５ａに収納された状態で、アマルガム収納部１ｃの内側に配置されるものであってもよい。

バルブ１の内部には、放電ガスとして、Ａｒガスが封入されている。なお、バルブ１の内部に封入する放電ガスとしては、例えば、クリプトン等であってもよい。

フェライトコア３は、トロイダル状に形成され、バルブ１のうち第１のＵ字管１１と第２のＵ字管１２との接合部分である２つの部位を囲む形で配置されている。詳細には、フェライトコア３が、バルブ１における互いに平行する２つの直線部１ａそれぞれにおいて、図１における左端部を囲む形で配置されている。また、フェライトコア３は、磁性材料で形成されるとともに、一部にランプ点灯用誘導コイル２が巻回されている。

点灯装置４は、高周波電源４ａを備え、高周波電源４ａとランプ点灯用誘導コイル２とはリード線３４を介して電気的に接続されており、高周波電源４ａは、ランプ点灯用誘導コイル２に高周波電流を通電する。ランプ点灯用誘導コイル２に高周波電流が通電されると、電磁誘導によりバルブ１の内部に誘導電界が発生し、バルブ１内の放電ガスおよび水銀蒸気が励起され紫外線を発する。ここで、高周波電源４ａは、バルブ１の内部の水銀蒸気圧の低下に伴い、ランプ点灯用誘導コイル２を流れる高周波電流（以下、第１のコイル電流と称す）が低下したときに、ランプ点灯用誘導コイルに供給する電力を維持するためにランプ点灯用誘導コイルの両端間の電圧（以下、コイル電圧と称す）を上昇させる。

ところで、本実施形態の無電極放電灯装置１００では、図１に示すように、水銀アマルガム５を加熱するためのアマルガム用誘導コイル２１が、２つのフェライトコア３のうち図１における下側に配置されたフェライトコア３に巻回されるとともに、アマルガム収納部１ｃの周囲に巻回されている。従って、アマルガム用誘導コイル２１に電流が流れたときにアマルガム用誘導コイル２１に発生する熱が確実且つ効率的に水銀アマルガム５に伝達されるので、フェライトコア３で発生する熱により、水銀アマルガム５を加熱する場合に比べて、確実に水銀アマルガム５を加熱することができる。

また、本実施形態では、水銀アマルガム５を加熱するためのアマルガム用誘導コイル２１が、フェライトコア３の一部に巻回され且つアマルガム収納部１ｃに巻回されてなる比較的簡単な構造なので、組立作業性の向上を図ることができる。

次に、本実施形態の無電極放電灯装置１００の動作について説明する。

動作温度が常温（２５℃）のときや定格点灯時では、無電極放電ランプで消費される電力（以下、ランプ消費電力と称す）が、結合係数やフェライトコア３による損失を無視すると、ランプ点灯用誘導コイル２に流れる高周波電流とランプ点灯用誘導コイル２の両端間の電圧との積、即ち、ランプ点灯用誘導コイル２に供給する電力と略等しくなる。例えば、定格点灯時のランプ消費電力が１５０Ｗの無電極放電ランプでは、アマルガム用誘導コイル２１で消費される電力は数Ｗ程度であり、ランプ点灯用誘導コイル２に供給する電力において、ランプ消費電力が支配的となる。一方、動作温度が常温以下の低温のときや調光点灯時では、水銀アマルガム５の温度が、安定した光出力が得られる水銀蒸気圧を維持できる常温よりも高い規定温度以下に低下して、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が急激に低下する。バルブ１の内部の水銀蒸気圧が低下すると、バルブ１の内部に流れる放電電流（以下、ランプ電流と称す）が減少するとともに、第１のコイル電流が減少することになる。ここにおいて、上述のように、高周波電源４ａは、バルブ１の内部の水銀蒸気圧の低下に伴い、第１のコイル電流が低下したときに、ランプ点灯用誘導コイルに供給する電力を維持するために、コイル電圧を上昇させるので、第１のコイル電流が減少すると、コイル電圧が増加する。

ここで、アマルガム用誘導コイル２１は、点灯用誘導コイル２と同様に、フェライトコア３に巻回されているので、コイル電圧が増加すれば、アマルガム用誘導コイル２１の両端間の電圧も増加する。すると、動作温度が変化したときのアマルガム用誘導コイル２１の両端間の電気抵抗値の増加量は、バルブ１の内部に発生するプラズマの電気抵抗値よりも十分小さいので無視できると考えられるので、アマルガム用誘導コイル２１を流れる電流（以下、第２のコイル電流と称す）は、ランプ点灯用誘導コイル２のコイル電圧が高い分だけ増大する。従って、動作温度が常温以下の低温のときや調光点灯時では、第２のコイル電流が増大するので、アマルガム用誘導コイル２１の発熱量が増加して、アマルガム用誘導コイル２１が巻回されたアマルガム収納部１ｃがより加熱される。

次に、本実施形態の一実施例について説明する。

本実施例では、バルブ１として、透光性材料であるパイレックス（登録商標）で形成された外径が３８ｍｍの直管型の管体に曲げ加工を施すことで形成された第１のＵ字管１１と第２のＵ字管１２とを接合してなるものであって、断面の外径が３８ｍｍで管軸方向の長さが５００ｍｍのループ形状のものが使用されている。また、水銀アマルガム５は、水銀含有量が約１０ｍｇのＢｉ−Ｉｎ−Ｈｇ合金からなるものであり、バルブ１の内部には、バルブ１の内部に存在する水銀による紫外線の発光量が最大となるようにＡｒガスが約１３３Ｐａだけ封入されている。フェライトコア３には、内径が４２ｍｍ、外径が７２ｍｍで幅が３３ｍｍのものが使用されている。本実施例の点灯装置４は、周波数が約１３５ｋＨｚの高周波電流を発生させる高周波電源４ａを備えている。

また、本実施例のアマルガム用誘導コイル２１は、ニクロム線で形成されており、フェライトコア３の一部に３ターンだけ巻回するとともに、アマルガム収納部１ｃに3ターンだけ巻回されている。

次に、常温下において、ランプ点灯用誘導コイル２に供給する電力（ランプ入力）を種々変化させながら、無電極放電ランプからの光出力を測定する点灯実験を本実施例と比較例について行った結果について説明する。図３では、ランプ入力が１１０Ｗのとき（定格点灯時）の光出力を１として、種々のランプ入力における相対的な光出力（相対光出力）を示す。比較例の無電極放電灯装置は、アマルガム用誘導コイル２１がフェライトコア３とアマルガム収納部１ｃとに巻回されていない点が本実施例と相違する。図３に示すように、比較例では、ランプ入力が定格点灯時よりも小さい場合、特に、ランプ入力が８０Ｗ以下に低下すると、バルブ１内の水銀蒸気圧が急激に低下して、相対光出力が低下するのに対して、本実施例では、ランプ入力が８０Ｗ以下に低下しても、バルブ１内の水銀蒸気圧が大きく低下することがなく、相対光出力が大きく低下することがないことを確認できた。

図３に示す結果の考察を示す。本実施例において、定格点灯時は、ランプ電流が大きく第１のコイル電流も大きいので、点灯装置４によりコイル電圧は低く抑えられるから、第２のコイル電流は比較的小さく、アマルガム用誘導コイル２１の発熱量も小さい。ここで、ランプ入力を減少させていくと、水銀アマルガム５の温度が低下してバルブ１の内部の水銀蒸気圧が低下していくとともに、ランプ電流が減少し第１のコイル電流も減少する。一方、コイル電圧は、上述のように、点灯装置４がランプ点灯用誘導コイル２の供給する電力が一定となるように制御されていることによりランプ点灯用コイル電流の減少とともに増加する。その結果、第２のコイル電流が増加して、一部がアマルガム収納部１ｃに巻回されたアマルガム用誘導コイル２１の発熱量が増加するので、アマルガム収納部１ｃの内側に配置されている水銀アマルガム５が加熱されやすくなり、バルブ１の内部の水銀蒸気圧の急激な低下を抑制し、相対光出力の大きな低下が抑えられたと考えられる。つまり、本実施形態では、上述の高周波電源４ａを使用し、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が低いほどアマルガム用誘導コイル２１に流れる電流が増加して水銀アマルガム５が加熱されやすくなる構成とすることにより、調光点灯時のように、ランプ入力が低く、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が低い場合であっても、水銀アマルガム５を常温よりも高い規定温度以上に維持することができる。また、動作温度が常温よりも低い低温であって、バルブ１の内部の水銀の蒸気圧が低い場合も同様に、水銀アマルガム５を常温よりも高い規定温度以上に維持することができる。つまり、本実施形態では、常温よりも低い低温を含む広い動作温度範囲に亘って水銀アマルガムを常温よりも高い規定温度以上に維持してバルブの内部の水銀蒸気圧を維持することができるので、広い動作温度範囲において光出力を安定させることができる。

しかして、常温以下の低温を含む広い動作温度範囲に亘って水銀アマルガムを常温よりも高い規定温度以上に維持してバルブの内部の水銀蒸気圧を維持することができるから、広い動作温度範囲において光出力を安定させることができる。また、ランプ電流が増加して第２のコイル電流が低下することで水銀アマルガム５の加熱が抑制されることにより、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が極度に上昇するのを抑制することができるので、バルブ１の内部の水銀蒸気圧が高すぎることによる光出力の低下を抑制することができるから、広い動作温度範囲で光出力を安定させることができる。

なお、本実施形態の無電極放電灯装置１００では、バルブ１内における水銀アマルガム５が内側に配置されたアマルガム収納部１ｃの内側にプラズマを発生させるものとしてもよい。この場合、アマルガム用誘導コイル２１は、電気抵抗の小さいＣｕやＡｇ等で形成されてなるものとしてもよい。また、アマルガム収納部１ｃをより効率的に加熱するためにアマルガム収納部１ｃに巻回されるアマルガム用誘導コイル２１のターン数を適宜増やしてもよい。

また、本実施形態では、アマルガム用誘導コイル２１が、２つのフェライトコア３の一方に巻回された例について説明したが、図４に示すように、２つのフェライトコア３の両方に巻回されたものであってもよく、この場合、フェライトコア３に巻回されるアマルガム用誘導コイル２１のターン数を増やしてアマルガム収納部１ｃにおける発熱量を増やすことができる。また、アマルガム収納部１ｃに巻回されるアマルガム用誘導コイル２１のターン数が大きいほど水銀アマルガム５をより効果的に加熱することができる。

更に、アマルガム用誘導コイル２１が巻回されたアマルガム収納部１ｃに、アルミナ繊維等の断熱材（図示せず）を被装することでアマルガム収納部１ｃの内側の保温効果を向上させるようにしてもよい。

（実施形態２）
図５に実施形態１で説明した無電極放電灯装置１００を備えた照明器具３０を示す。この照明器具は、例えば、トンネル灯として使用される。

本実施形態の照明器具３０は、平面視長方形状の主片３１ａと主片３１ａの長手方向の両端部を折曲してなる２つの側片３１ｂとを有する断面コ字状の器具本体３１と、器具本体３１内部に収納される２つの無電極放電灯装置１００（図１参照）とを備える。無電極放電灯装置１００は、図５に示すように、バルブ１のアマルガム収納部１ｃが器具本体３１の両端側に位置するように配置されている。各無電極放電灯装置１００において、ランプ点灯用誘導コイル２およびアマルガム用誘導コイル２１が巻回された２つのフェライトコア３（図１参照）それぞれは、第１のランプ保持具３２の内側に配置されている。ここで、第１のランプ保持具３２は、器具本体３１の主片３１ａに固定されている。また、無電極放電灯装置１００のバルブ１においてアマルガム収納部１ｃが形成された側と反対側の一部が主片３１ａに固定された第２のランプ保持具３３に支持されている。しかして、各無電極放電灯装置１００が備える無電極放電ランプは、２つの第１のランプ保持具３２と第２のランプ保持具３３とにより器具本体３１に固定されている。また、器具本体３１において、一端が主片３１ａの長手方向の両端部に連続する２つの側片３１ｂの他端には、器具本体３１の長手方向において互いに離れる方向に延出した鍔部３１ｃ，３１ｃが設けられており、ガラスなどで形成された透光性の板３５は、２つの鍔部３１ｃ，３１ｃに当接する形で固定されている。

しかして、本実施形態の照明器具は、実施形態１で説明した無電極放電灯装置１００を備えるので、広い動作温度範囲で高い光出力を得ることができるから、照明器具を使用する温度環境が変化しても比較的安定した光束を得ることができる。

実施形態１の無電極放電灯装置の概略平面図である。 同上の要部説明図である。 同上の無電極放電灯装置の概略平面図である。 同上の動作説明図である。 実施形態２の照明器具を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。 従来例を示す概略平面図である。

符号の説明

１ バルブ
１ｃ アマルガム収納部
２ ランプ点灯用誘導コイル
３ フェライトコア
４ 点灯装置
４ａ 高周波電源
５ 水銀アマルガム
２１ アマルガム用誘導コイル
３０ 照明器具
１００ 無電極放電灯装置

Claims (2)

1. 透光性材料で形成され且つ内部に放電ガスおよび水銀蒸気が封入されたループ形状のバルブと、磁性材料で形成され且つバルブの一部を覆う形で配置されたフェライトコアと、フェライトコアに巻回されたランプ点灯用誘導コイルと、ランプ点灯用誘導コイルに高周波電流を通電して電磁誘導により放電ガスを励起して発光させる高周波電源とを備え、バルブの一部には、水銀蒸気を供給するための水銀アマルガムが内側に収納されたアマルガム収納部が形成されてなり、高周波電源が、バルブの内部の水銀蒸気圧の低下に伴いランプ点灯用誘導コイルを流れる高周波電流が低下したときにランプ点灯用誘導コイルに供給する電力を維持するためにランプ点灯用誘導コイルの両端間の電圧を上昇させるものであって、水銀アマルガムを加熱するためのアマルガム用誘導コイルが、フェライトコアの一部に巻回されるとともにアマルガム収納部の周囲に巻回されてなることを特徴とする無電極放電灯装置。
2. 請求項１記載の無電極放電灯装置を備えることを特徴とする照明器具。

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