(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイル電極蛍光灯を並列接続してなる省電高輝度集積型蛍光灯であって、前記コイル電極蛍光灯のそれぞれは、両端を密封されたガラス管の内面に、ＰＬ（Photoluminescence）蛍光体粉とＣＬ（Cathodoluminescence）蛍光体粉の混合粉から形成された蛍光膜を形成し、前記ガラス管の内部に放電ガスを充填し、前記ガラス管の両端の外周にコイル電極を巻回状に配置し、交流電源により前記コイル電極に交流電圧を印加し、前記放電ガスを発光させて点灯させる外部コイル電極蛍光灯であって、前記蛍光膜は前記コイル電極が対向する位置のガラス管内面にも形成され、前記蛍光膜の表面において、ＰＬ（Photoluminescence）蛍光体粒子と、該ＰＬ蛍光体粒子と粒子径が近似しているＣＬ（Cathodoluminescence）蛍光体粒子とが管軸方向に交互に隣り合わせに配置され、前記コイル電極は電線の周囲を絶縁層により被覆した絶縁被覆電線を巻回状に形成されることを特徴とする省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項２】
前記コイル電極蛍光灯として、寿命の尽きた内部電極付き蛍光灯を再生使用し、前記内部電極付き蛍光灯に前記コイル電極を設ける請求項１に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項３】
前記ＰＬ蛍光体粉がハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉である請求項１または２に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項４】
前記ＰＬ蛍光体粉が希土類ＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉である請求項１または２に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項５】
前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立する請求項１から４のいずれかに記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項６】
前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の２次側電力をＷ２ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２ｎ＝ｃｎ＋ｄｎ×ｎ（ｃｎ，ｄｎ：定数）が近似式として成立する請求項１から５のいずれかに記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項７】
前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立し、前記定数ｂｎ及びｄｎはｂｎ＞ｄｎである請求項６に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項８】
前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大５（Ｗ）のずれ幅を有する請求項５から７のいずれかに記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項９】
前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大０．６（Ｗ）のずれ幅を有する請求項５から７のいずれかに記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項１０】
Ｎ（２以上の自然数）本の前記コイル電極蛍光灯を並列接続してなる省電高輝度集積型蛍光灯であって、前記交流電源の２次側電圧を印加したとき、前記交流電源の１次側電力をＷ１Ｎ（Ｗ）とすると、Ｗ１Ｎ＝ａＮ＋ｂＮ×Ｎ（ａＮ、ｂＮ：定数）が近似式として成立する請求項１から９のいずれかに記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項１１】
前記交流電源の２次側電圧を印加したとき、前記交流電源の２次側電力をＷ２Ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２Ｎ＝ｃＮ＋ｄＮ×Ｎ（ｃＮ、ｄＮ：定数）が近似式として成立する請求項１０に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【請求項１２】
前記定数ｂＮ及びｄＮはｂＮ＞ｄＮである請求項１１に記載の省電高輝度集積型蛍光灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面に蛍光膜が塗着されたガラス管の両端外周に、外部電極としてのコイル電極を巻回状に配置したコイル電極蛍光灯を並列接続してなる省電高輝度集積型蛍光灯に関するもので、更に詳細には、本発明は、消費電力を大きく低減し且つ長寿命化を実現できるコイル電極蛍光灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯を提供する。
【背景技術】
【０００２】
[従来蛍光放電灯管の概説]
近年、地球の温暖化が進み、世界規模で炭酸ガス放出が問題化している。炭酸ガスを大量に放出する原因の一つに、化石燃料を使用する発電所が排出する炭酸ガスがある。夜の暗闇を昼間の明るさ（単位面積当たり単位時間に平均1022光子数）に照明する光源は、発電所で発電した電力を大量に使用する（約四分の一）。環境保護の観点から照明光源に使用するランプの稼動電力の大幅な低減が緊急課題になり、新聞やＴＶニュースの話題になっている。照明光源にはタングステン線を高温度に加熱し、熱放射に伴う可視光を利用する電球が、製造単価が低く、広範囲の輝度が得られるので現在でも広く使用されている。タングステン電球のエネルギー変換効率 は０．８％である。電球のエネルギー変換効率の低さから、電球に変わる光源として注目を集めているのが、蛍光放電灯管である。蛍光放電灯管のエネルギー変換効率は公称２０％と言われていることから、室内外の照明光源として蛍光放電灯管への変換が進められている。蛍光放電灯管にも種類があるが、現在注目されている蛍光放電灯管は、直径20 mm以下のガラス管を使用して作られる省電型蛍光放電灯管である。１蛍光放電灯管から発する光量は、蛍光膜の面積に比例するので、蛍光膜の面積の大きい管径が太い蛍光放電灯管を使用した方が省電型であると考えられるが、市販されている省電型蛍光放電灯管は直径が20 mm以下のガラス管を使用して作られている。しかし、その科学的な説明理由は出版された科学論文や放電ハンドブック等で見つけられない。
【０００３】
省電型蛍光放電灯管では、紫外線で発光する蛍光体粉に、資源の存在を示すクラーク数が小さく(存在比が0.003 %以下)、しかも散在する砂粒の中に低濃度（５重量％以下）で存在する希土類元素を化学的手法で濃縮し、精製して得られる非常に高価な希土類元素を原料として使用する。１種類の蛍光体粉では白色が得られないので、個別に３色に発光する蛍光体粉を製造し、その蛍光体粉を機械的に混合して白色発光する蛍光体粉を塗布した蛍光膜を使用する。従来の蛍光放電灯管 (直径30 mm) で使用していた蛍光膜は単独で白色に発光し、しかも資源の豊富なハロ燐酸カルシウム[3Ca3(PO4)2CaFCl:Sb3+:Mn2+] 蛍光体であるが、この蛍光膜は直径20 mm以下の蛍光放電灯管では明るく発光しない経験則に従い、ハロ燐酸カルシウム蛍光体を省電型蛍光放電灯管に使用していない。希土類を使用した蛍光膜は、直径を20 mm以下とする蛍光放電灯管であり、直径30 mmの蛍光放電灯管の明るさよりも明るく発光するので選択している。しかし、その科学的な根拠は誰も与えていない。
【０００４】
特に直径10 mmの直線型蛍光放電灯ガラス管を多数回曲げるか，螺旋状に曲げ電球型ガラス球に収納した蛍光放電灯管が省電型蛍光放電灯と呼称して市販されている。だが、蛍光放電灯管の公示消費電力は、点灯ランプ単独の消費電力であり、点灯に必要な電源回路の消費電力が含まれていない。金属電極を内蔵した蛍光放電灯管の点灯において、電源装置のコンセントの所で測定する消費電力（電圧×電流×力率＝ワット）を含めると、蛍光放電灯の実質消費電力は、表示電力の約１．１から１．５倍になる。公称１２ワットの省電型蛍光放電灯の実質消費電力は１３から１８ワットである。公称ワット数が同じなのに実質消費電力が製造者により変動する理由も分かっていない。消費電力の低減を問題にするには、本来ならばこの実質消費電力を問題とすべきである。
【０００５】
[電極電圧降下：熱陰極管（第１世代）と冷陰極管（第２世代）]
現在市販されている蛍光放電灯管は、ガラス管内に配置された電子放射と電子収集の役割を果たす金属電極(陰極と陽極)、放電ガスとなるアルゴン（Ａｒ）ガスと水銀（Ｈｇ）滴、及び管内壁面に適度の厚さに塗布された蛍光膜を含む単純な構造になっている。この構造を基本とする蛍光放電灯管でガスを放電させているのは、運動エネルギーを持ってガス空間を移動する電子によるガス原子の非弾性衝突である。ガス空間を移動する電子経路には、必然的に、陰極直前に現れる陰極電圧降下と陽極直前に現れる陽極電圧降下が存在する。両者を合計すると放電路で発光に関与しない電力は、ガス放電の電力の約半分になる。蛍光放電灯管の放電から電圧降下を消去できれば、ガスの放電に必要な電力は半減すると考えられた。この計算には点灯に関与する電源装置の消費電力は考慮されていない。
【０００６】
上記したように蛍光放電灯管の発光には、電子をガス空間に供給しなければ発光は起こらない。真空中又は低圧力にあるガス空間に電子を供給する手段として、Edisonの発見（１８８４年）になる熱電子放射を使用する熱陰極蛍光放電灯管（ＨＣＦＬ）(第一世代電子供給源)と、Flower Nordheim による金属-真空間のトンネル効果による電子放射の発見（１９２８年）から釣鐘型金属電極（第二世代電子供給源）が開発され、金属電極を使用した冷陰極蛍光放電灯管（ＣＣＦＬ）が市場に存在する。使い分けは、管径が10 mm以下と細い蛍光放電灯管にはＣＣＦＬが使われ、１0 mm以上の蛍光放電灯管にはＨＣＦＬが使われている。
【０００７】
蛍光放電灯管中のガス放電は電極に交流電界を印加して発生させているので、ＨＣＦＬとＣＣＦＬは管の放電管の両端に上記した電極を据え付けて使用したとき、蛍光放電灯管には陰極と陽極の区別がなく、蛍光放電灯管の両端の電極で同じ現象が発生する。交流の半周期に限定してガス放電を検討する時、陰極と陽極の区別が生じる。蛍光放電灯管の放電現象の検討は、多くの場合、交流の半周期に現れる現象を検討していた。その代表が蛍光放電灯管中の放電は、陰極から放射された電子が、陰極と陽極間の電界(一方向)により放電路を一方向に動き、ガス原子と衝突してガス放電が発生すると考えている。一方向に進む電子がガス原子と遭遇する確率は、蛍光放電灯管中に存在するガス原子数を求めると計算できる。管中にあるガス原子のモル数、アボガドロ数、放電管の体積と電子の一方向に動いたときの体積を求めると、一方向に進む電子がガス原子と衝突する確率が算出できるが、この計算も行われていなかった。確率を計算すると、電子がガス原子に遭遇する確率は１０００ｍの移動で一個である。蛍光放電灯管の長さは１ｍよりも短いので、蛍光放電灯管中で陰極-陽極間の一方向電場で加速した電子はガス原子と衝突できず、従ってガス原子は発光しない。このように蛍光放電灯管の放電機構を検討する上で大切な基本を明確にしていない誤りを犯していた。電子の移動は、交流の一周期間で検討すべきでなく、交流電界の電場中で電子がどのように移動するかを検討すべきであった。
【０００８】
[本発明者達による第３世代電子源の発見：電極電圧降下とスパッタリングの完全な解消]
金属電極を使用した蛍光放電灯管の場合、陰極と陽極直前に出現する電圧降下は、電極に印加する交流の周波数に無関係に存在し、検出される。電圧降下は省電を検討するときに重要な解決課題となっていたが、電圧降下が検出されてから１００年以上経過した今日でも解決不能として残されていた。放電路の電圧降下は電子放射と電子収集で金属電極表面が放電空間と電気絶縁されずに対向している事実、換言すれば金属電極表面に必然的に現れる正孔の存在に原因する。この事実は、本発明者が出願しているＰＣＴ／ＪＰ２００７／７０４３１（特許文献１）とＰＣＴ／ＪＰ２００７／７４８２９（特許文献２）に詳細に記述されている。電子放射源と収集源に、放電空間に電気絶縁されずに露出する金属電極を使用しなければ、陰極と陽極直前に出現する電圧降下は放電路から消える。本発明者は上記ＰＣＴ出願において、電子をガス空間に放出する「第三世代電子源」を発見し、前記電圧降下現象を解消することに初めて成功した。
【０００９】
第三世代電子源は、二つの方法で作ることができ、両者の効果は同じである。第一の方法は、金属内部電極に蛍光体粒子を適度な厚さに塗布した蛍光体粒子層絶縁型内部電極である。第二の方法は金属内部電極を使用せずに作られた蛍光放電灯管で、蛍光膜がある部分のガラス管外壁に外部電極を取り付ける方法で実現し、ガラス管絶縁型外部電極又は単に外部電極と称する。勿論、外部電極に対向したガラス管内面には蛍光体粒子層が形成されている。前記両電極とも、放電空間に対し金属電極表面が電気絶縁されており、本発明では前記両電極を纏めて放電空間絶縁型電極と称する。第三世代電子源が出来る理由は次のようになる。放電空間絶縁型電極対に直流電源からの電位を印加する。電極からの電界影響下にある蛍光体粒子は誘電分極する。誘電分極した粒子内の電荷による電位は、電極電位よりも高い。誘電分極した粒子の先端部分の高電位にある表面に交流電界を印加すると、粒子の先端部分のガスが電離する。放電ガスの電離により出来た自由電子と自由陽イオンを誘電分極した粒子表面に個別に集める。即ち、電極が正なら、蛍光体粒子層は負正に誘電分極し、正分極電荷の高電位にあるその表面に前記自由電子が集積する。また、電極が負なら、蛍光体粒子層は正負に誘電分極し、負分極電荷の高電位にあるその表面に前記自由陽イオンが集積する。個別箇所のガス空間に集められた電子と陽イオンをそれぞれ第三世代電子源と電子収集源（陽イオン源）とする。
【００１０】
粒子先端部分のガスを電離させる一手法として放電ガスであるＡｒガスに電離の容易なガスを混合すると良いことを見出した。電離を容易にするガスの選択に、選択したガスのイオン化電圧は関係ないようだ。電離の容易なガスとしてネオンガス（Ｎｅ）が経験的に知られている。この事実を追認した。放電ガスの基本はＡｒガスであり、ＡｒガスとＮｅガスの混合ガスを使用すると、放電空間絶縁型電極を使用した蛍光放電灯管をガス放電させるに必要な交流電源の周波数を商業周波数以下に下げることが出来る。Ｎｅガスの混合割合は、ガス圧で計測してＡｒガス１に対して0.1から２前後の範囲にあれば良好な結果が得られる。より好ましい混合割合は0.5から1.3の範囲にあり、最も好ましい範囲は0.8から1.1の範囲にある。
【００１１】
外部電極に直流電位を印加した状態では、誘電分極した蛍光体粒子表面上に集積した電子は動かない。即ち、第三世代電子源から電子を取り出すことは出来ない。従って、外部電極蛍光放電灯管は直流電源の接続では放電しない。外部電極に交流電位を印加した時にのみ外部電極蛍光放電灯管は放電する。その理由を以下に述べる。外部電極に印加する電位の極性が変わった時、蛍光体粒子の誘電分極の極性が逆転する。質量の軽い電子は僅かな電位差がガス空間にあるとその電位差に吸引され容易にガス空間中を移動する。一方、質量が電子の千倍以上と大きな陽イオンの移動距離は電子の移動距離よりも小さいので、ガス空間に拡散し、陽イオン群として留まる。ガス空間中の陽イオン群の正電位によりガス空間中に移動した電子は吸引され、陽イオン群に向かってガス空間中を移動する。陽イオン群に到達した電子は陽イオンと再結合してガス原子に帰還する。陽イオン群の移動距離は、電極に印加する電位の周波数に逆比例して変わる。高周波電位の印加で移動距離は短くなり、移動電子の距離は周波数の増加により長くなる。実用的には、放電による発光の認知に目の残像効果が働かない周波数（３０Hz）以上の交流電位を外部電極蛍光放電灯管の電極に印加すると、外部電極蛍光放電灯管の全長に亘り蛍光膜からフリッカーの無い発光が得られることを本発明者達は経験的に見出した。外部電極蛍光放電灯管は交流電界の印加時にガス空間に移動した電子の振る舞いによりガスの放電で発生している。
【００１２】
従来は交流の半周期内での電子の動きを考えていたので、電子源と電子収集源（陽イオン源）の間（一方向電位）で、電子源から取り出した電子の移動だけが考慮され、一方向の電子移動だけを考えていた。事実は電子源から取り出された電子は、電極間に形成している交流電界中に入り、交流電界と共鳴して放電路を移動しながらガス原子と非弾性衝突（ガス原子の励起とイオン化）する。放電路を移動してガス原子と衝突する電子だけに着目し、移動電子は衝突により散乱されるので、電子はガス原子と弾性衝突と考えていたが、電子がガス原子と弾性衝突する考えは誤りである。電子の衝突を受けたガス原子は、熱放出を伴い電子をガス空間に放出する（イオン化）か、最外殻電子を励起順位に上げるので、衝突を受けたガス原子の状態変化を伴う。電子の衝突は非弾性衝突に属する。励起したガス原子のみが光を放出する。検出した光を従来の研究者や技術者はガス放電と解釈しているので、移動電子によるガス原子の非弾性衝突による発光とイオン化の区別が解明できていなかった。非弾性衝突した電子は、瞬時の間、交流電界中で移動方向を無作為に変え（散乱）るが、消えることなく交流電界中に残り、交流電界の次の波と共鳴し、加速された後、再度他のガス原子と非弾性衝突する。例えば、細い菅径にある外部電極CCFLを周波数２0 kHzで操作している場合を考えると、陽光柱内では、同一電子による非弾性衝突の繰り返しが単位時間に単位長当たり５ x 10５回も起こり、一個の電子が 5 x 105個のガス原子と非弾性衝突する。電子収集源（陽イオン源）に到達した電子は陽イオンと再結合してガス原子に帰還する。上述した電極構造になる蛍光放電灯管には、放電路に金属電極は存在せず、従って放電路に陰極と陽極直前に出現する電圧降下は存在しない。その結果、蛍光放電灯管中で無駄に使用していた電圧降下による電力が消去され、蛍光放電灯管の放電電力は半分になると考える。
【００１３】
蛍光放電灯管を点灯するときに資源節約も大切な因子である。資源節約の問題は点灯可能な時間（寿命）に関わる。第三世代電子供給源を使用すると、蛍光放電灯管の寿命を決めていた金属電極のスパッタリングと蛍光膜表面の残留ガスの吸着が解消する。その結果点灯寿命が半永久（初期輝度を2,000,000時間以上保持）となる外部電極蛍光放電灯管が得られる。従来の金属電極を使用した蛍光放電灯管の寿命は約2000時間である。
【００１４】
先ず、従来の金属内部電極を使用した蛍光放電灯管の点灯寿命を決めていた因子を明らかにする。金属電極表面が電子を放射すると、不可欠に表面結合電子(電子雲)が金属電極表面に形成される。金属電極表面に固着した電子雲は、蛍光放電灯管に印加する高周波の存在に無関係であり、高い負電荷（105 V/cm）を持つ。質量の大きなＡｒ＋、Ｈｇ＋と陽イオン化した残留ガスは、高周波電界(103V/cm)では大きくその位置を動かさないが、それらの陽イオンは、印加周波数に無関係に恒常的に存在する電子雲の強い負電荷による静電引力に吸引され、高速に加速する。加速された陽イオンが金属表面の微小面積に衝突し、金属電極の局所を金属が蒸発する高温度に瞬時の間加熱する。その結果、金属電極の蒸発（スパッタリング）が発生する。蒸発した金属原子は蛍光膜上に付着するので、電極周辺の蛍光膜は時間と共に黒化する。陽イオン衝突による金属電極の蒸発がＨＣＦＬとＣＣＦＬ蛍光放電灯管の寿命を決め、点灯不良になる寿命は2000時間前後であった。
【００１５】
第三世代電子供給源を使用すると、陽イオンが存在しても、陽イオンを吸引する電子雲は菅中に存在せず、金属電極の蒸発は完全に消失するので、寿命は2,000,000時間以上となる。
【００１６】
特許文献1 : ＰＣＴ／ＪＰ２００７／７０４３１号公報（本発明者の先願）
特許文献2 : ＰＣＴ／ＪＰ２００７／７４８２９号公報（本発明者の先願）
特許文献3 : ＵＳＰ１，６１２，３８７号公報
特許文献4 : 実開昭６１−１２６５５９号公報
特許文献5 : 特開平４−２８４３４８号公報
特許文献6 : 特開２００７−９５５３１号公報
特許文献7 : 特開２００２−８４０８号公報
特許文献8 : 特開２００３−２２９０９２公報
特許文献9 : 特開２００３−３２１０公報
非特許文献1 : Journal Physics D Applied Physics, 32, (1999), pp 513-517
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上のように開発してきた蛍光放電灯であるが、特に、第三世代電子源として、金属内部電極を使用せずに、蛍光膜を内面に形成した蛍光ガラス管外壁に外部電極を取り付けた蛍光放電灯を実現する。上記蛍光放電灯管の作成で外部電極の形成が消費電力及び寿命に影響する。その観点から、外部電極型蛍光放電灯に関する従来技術（特許文献３〜７）を検討し、従来技術の個々の問題点を説明する。なお、外部電極型蛍光放電灯は内部電極を使用しない意味から無電極蛍光放電灯とも称する。
【００１８】
外部電極の形成には、導体膜形成によるものやキャップ構造のもの等がある。導体膜形成による従来技術は、例えば、特許文献３〜６に開示されている。実開昭６１−１２６５５９号公報（特許文献４）には、蛍光ランプ管の両端外周に金属導体が形成された無電極蛍光ランプが開示されている。また、特開平４−２８４３４８号公報（特許文献５）には、同様に、金属塗膜電極を外部電極とした無電極蛍光ランプが開示されている。特許文献４の場合、金属導体についての具体的記述は見られないが、特許文献５の場合には、銀ペースト膜を使用した外部電極が記載されている。更に、特開２００７−９５５３１号公報（特許文献６）には、蛍光ガラス容器の両端外周に、２層構造の外部電極を形成した無電極蛍光ランプが開示されている。これには、銀ペースト膜及び鉛フリー半田膜の積層電極が記載されている。
【００１９】
キャップ構造のものによる従来技術は、例えば、特許文献７に開示されている。特開２００２−８４０８号公報（特許文献７）には、蛍光ガラス管の両端外周に、エンドキャップ型の外部電極を嵌着した無電極蛍光ランプが開示されている。これにはキャップ電極材としてアルミニウム、銀、銅を使用することが記載されている。
【００２０】
上記の特許文献３〜７に開示された金属導体膜又は金属キャップによる外部電極では、以下の問題を生ずる。つまり、電極導体とガラス外周面の間で通電によるミクロな放電現象が生じるため、アーク放電による高熱が発生する。特に金属キャップによる外部電極では、キャップ内の金属粒子間のアーク放電により局所的に高熱が発生する。ガラスの軟化点以上の高温度に局所的に加熱されたガラス管は大気圧により加圧されガラス管壁を貫通するピンホールが形成される。ピンホールの形成によりガラス管の真空が破断されると、空気が蛍光放電灯管内に入り、ガス放電が不可能となり、蛍光放電灯の寿命が短くなる問題を生じた。
【００２１】
上記の特許文献３〜７に開示された金属導体膜又は金属キャップは面状にガラス面に接触あるいは装着されるが、導線をコイル状に巻着して、線状にガラス面に接触あるいは装着される外部電極（コイル電極）を用いる放電灯がある。例えば、特開２００３−２２９０９２公報（特許文献８）や特開２００３−３２１０公報（特許文献９）には、タングステン線等をガラス管両端に巻き付けたコイル電極蛍光放電灯が開示されている。金属導体膜等における面接触と比べて、コイル電極を使用すると、ガラス面に線接触して放電現象が緩和されると考えられるが、実際は、巻線コイルのうちガラス面に触れていない箇所からも、コイル線間のガラス面に向けてアーク放電が発生して、導体膜等と同様の真空破断が生じた。
【００２２】
以上のように、金属導体膜等の外部電極の形成には膜形成コストがかかるため、コイル電極蛍光放電灯が製造コスト面で有利であるが、コイル電極を使用する場合であっても、外部電極における放電現象が寿命及び省電力に影響を与える課題を克服する必要があった。
【００２３】
従って、本発明の目的は、ガラス面との放電現象を生じず、省電力化及び長寿命化を図ることのできるコイル電極蛍光放電灯を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は上記課題を解決するために為されたものであり、本発明の第１形態は、複数のコイル電極蛍光灯を並列接続してなる省電高輝度集積型蛍光灯であって、前記コイル電極蛍光灯のそれぞれは、両端を密封されたガラス管の内面に、ＰＬ（Photoluminescence）蛍光体粉とＣＬ（Cathodoluminescence）蛍光体粉の混合粉から形成された蛍光膜を形成し、前記ガラス管の内部に放電ガスを充填し、前記ガラス管の両端の外周にコイル電極を巻回状に配置し、高周波電源により前記コイル電極に高周波電圧を印加して前記放電ガスを発光させて点灯させるコイル電極蛍光灯であって、前記蛍光膜は前記コイル電極が対向する位置のガラス管内面にも形成され、前記蛍光膜の表面において、ＰＬ（Photoluminescence）蛍光体粒子と、該ＰＬ蛍光体粒子と粒子径が近似しているＣＬ（Cathodoluminescence）蛍光体粒子とが管軸方向に交互に隣り合わせに配置され、前記コイル電極は電線の周囲を絶縁層により被覆した絶縁被覆電線を巻回状に形成される省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００２５】
本発明の第２形態は、前記第１形態において、前記コイル電極蛍光灯として、寿命の尽きた内部電極付き蛍光灯を再生使用し、前記内部電極付き蛍光灯に前記コイル電極を設ける省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００２６】
本発明の第３形態は、前記第１または第２形態において、前記ＰＬ蛍光体粉がハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉である省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００２７】
本発明の第４形態は、前記第１または第２形態において、前記ＰＬ蛍光体粉が希土類ＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉である省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００２８】
本発明の第５形態は、前記第１〜４形態のいずれかにおいて、前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記高周波電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００２９】
本発明の第６形態は、前記第１〜５形態のいずれかにおいて、前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記高周波電源の２次側電力をＷ２ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２ｎ＝ｃｎ＋ｄｎ×ｎ（ｃｎ，ｄｎ：定数）が近似式として成立する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３０】
本発明の第７形態は、前記第６形態において、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立し、前記定数ｂｎ及びｄｎはｂｎ＞ｄｎである省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３１】
本発明の第８形態は、前記第５〜７形態のいずれかにおいて、前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大５（Ｗ）のずれ幅を有する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３２】
本発明の第９形態は、前記第５〜７形態のいずれかにおいて、前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大０．６（Ｗ）のずれ幅を有する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３３】
本発明の第１０形態は、前記第１〜９形態のいずれかにおいて、Ｎ（２以上の自然数）本の前記コイル電極蛍光灯を並列接続してなる省電高輝度集積型蛍光灯であって、前記高周波電源の２次側電圧を印加したとき、前記高周波電源の１次側電力をＷ１Ｎ（Ｗ）とすると、Ｗ１Ｎ＝ａＮ＋ｂＮ×Ｎ（ａＮ、ｂＮ：定数）が近似式として成立する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３４】
本発明の第１１形態は、前記第１０形態において、前記高周波電源の２次側電圧を印加したとき、前記高周波電源の２次側電力をＷ２Ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２Ｎ＝ｃＮ＋ｄＮ×Ｎ（ｃＮ、ｄＮ：定数）が近似式として成立する省電高輝度集積型蛍光灯である。
【００３５】
本発明の第１２形態は、前記第１１形態において、前記定数ｂＮ及びｄＮはｂＮ＞ｄＮである省電高輝度集積型蛍光灯である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の第１形態によれば、コイル電極蛍光放電灯において、前記蛍光膜は前記コイル電極が対向する位置のガラス管内面にも形成されているので、前記ガラス管の全長を亘って蛍光放電領域として利用でき、高照度で照明することができ、しかも効率的照明により省電力化にも寄与することができる。また、前記コイル電極は電線の周囲を絶縁層により被覆した絶縁被覆電線を巻回状に形成されてなるので、電極用の前記電線は前記絶縁層を介して前記ガラス管に巻き付けられ、前記電線と前記ガラス管の表面との間において放電現象が全く発生しない。また、巻回された前記絶縁被覆電線を熱収縮性樹脂（以後、被覆絶縁層と呼ぶ）で覆った後、加熱して前記熱収縮性樹脂を収縮させた場合には、前記絶縁被覆電線はガラス管外壁に圧着により密着する。従って、放電現象が発生しないからピンホールが形成されず、封入ガス中への空気の侵入が皆無となり、蛍光放電灯の寿命が短くならずに済み、長寿命化を図ることができる。更に、電力の効率的な消費により省電力化を実現することができる。
【００３７】
本発明における前記絶縁層には、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリビニルブチラール等の被覆材を用いて形成することができる。前記絶縁被覆電線として、より具体的には、ビニル被覆電線やエナメル電線を使用することができる。商用電源を使用する場合、電線の直径が例えば、０．２ｍｍ〜３ｍｍにおいては、前記絶縁層の厚さは０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍであればよい。前記コイル電極は、前記ガラス管の外周面に密着形成して、ガラス管を保持するようにすれば、ガラス管の保持部を不要にすることができる。
【００３８】
本形態においては、前記コイル電極を用いて、蛍光放電灯の両端の電極は内部の放電空間に対し電気的に絶縁された放電空間絶縁型電極から構成されるから、金属電極から放電空間内への電子注入は一切無くなり、電子注入に伴う電極電圧降下も無くなり、電極電圧降下に伴う無駄な電力消費を消尽することに成功した。また、前記電子注入が無いから、陽イオンが金属電極に衝突して生じるスパッタリング現象も無く、電極損耗を消尽して蛍光放電灯管の長寿命化に成功したものである。
放電発光を駆動する電子は、高周波電圧の印加による放電ガスの電離により生成され、生成された電子と陽イオンが前記放電空間絶縁型電極の近傍に電気力で集積し、第３世代電子源（単に電子源とも称する）及び陽イオン源となる。本発明者はこの電子源を第３世代電子源と称し、前記第３世代電子源から電子が前記陽イオン源に前進する過程で放電ガスと衝突して発光し、電子と陽イオンが衝突して電気的に中性の放電ガスに帰還する。しかも再び交流電圧により電離し、発光し、中性ガス化するサイクルを反復する。
【００３９】
また、本発明の第１形態によれば、前記蛍光膜の表面において、ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が管軸方向に交互に分散配置されたコイル電極蛍光灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯を提供できる。ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子をガラス管軸方向に交互に分散配置するから、急速点灯とガラス管内の全領域発光を可能にしたコイル電極蛍光放電灯管を実現できる。負電荷を持った蛍光体粒子として、光発光蛍光体（ＰＬ蛍光体）が存在する。光発光蛍光体の粒子内部に存在する発光中心（不純物）の多くは遷移元素で作られ、発光中心となる遷移元素には電子がトラップされており、このトラップされた電子に起因して内部持続分極 (PIP)が形成され、内部持続分極の電子が蛍光膜表面に出現して前記負電荷を構成する。一方、低電圧で発光する陰極線発光（ＣＬ）発光蛍光体ではPIPが形成されないので、このＣＬ蛍光体粒子の表面には負電荷が存在しない。前記電子源から取り出された電子をＣＬ蛍光膜表面上に導入すると、電子は表面伝導により加速する。前記加速電子の軌道は蛍光膜上の負電荷を持ったＰＬ蛍光体粒子によりガス空間に曲げられ、蛍光放電灯管のガスを瞬時に点灯放電させる蛍光放電灯管が実現できる。従って、加速電子を曲げたい位置に光発光蛍光体を配置しておけば、その位置の光発光蛍光体の負電荷が、前記加速電子に対し曲げ作用を行う。蛍光体の選択により、前記負電荷の大小を可変調整でき、これにより蛍光膜上の表面伝導電子と放電ガスとの衝突を加速して、放電空間内の急速点灯を実現でき、蛍光放電灯管に従来から存在した遅延点灯を無くすことができる。
【００４０】
負電荷を持たない蛍光体粒子には、電子線発光蛍光体（ＣＬ蛍光体）が含まれる。特に、低電圧電子線発光蛍光体は表面汚染が少なく、負電荷に帯電しない性質を有し、チャージアップしない特性を有する。前記蛍光膜の表面に負電荷を持たない蛍光体粒子（ＣＬ蛍光体）と負電荷を持った蛍光体粒子（ＰＬ蛍光体）を交互に配置させて、前記蛍光膜表面の複数箇所で前記加速電子を前記負電荷を有した蛍光体粒子により、電子をガス空間側に曲げる急速点灯と全面発光する高効率な蛍光放電灯管が提供される。本形態では、負電荷を持たない蛍光体領域ではクーロン反発力が発生しないから、蛍光膜を表面伝導する電子は加速される。他方、負電荷を持つ蛍光体領域では、加速電子はクーロン反発力により放電空間に曲げられ、放電ガスを強制的に放電させ、放電灯管は急速点灯する。しかも、本形態では、多数の負電荷領域が電子の表面伝導方向に点在するから、放電灯管の多数領域で放電が生起し、放電灯管の全体が明るく発光することができる。換言すると、前記負電荷性蛍光体粒子を蛍光膜上に加速電子の進行方向に沿って多数点在させると、加速電子と負電荷とのクーロン反発力により、多数の負電荷位置にて加速電子が放電空間中に強制的に曲げられ、加速電子と放電ガスとの多領域における全空間衝突により放電空間全領域での放電が生起し、急速点灯と全空間点灯が同時達成できる放電灯管を実現できる。
【００４１】
本発明の第２形態によれば、前記蛍光放電灯管として寿命の尽きた内部電極付き蛍光放電灯管を再生使用し、前記内部電極付き蛍光放電灯管に前記外部電極を設ける蛍光放電灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯を提供できる。従来の寿命が尽きた内部電極付き蛍光放電灯管は、スパッタリングにより内部電極が損耗したものが殆んどであり、その場合に放電ガスは漏洩しておらず、健在である。本発明の外部電極方式では、放電空間に放電ガスが存在しておれば蛍光管として駆動することが可能である。従って、寿命の尽きた内部電極付き蛍光放電灯管の外周に外部電極を設ければ、立派に蛍光管として再生することが本発明者等により初めて発見された。日本及び世界で廃棄される蛍光放電灯管の本数はほぼ無数であり、これらの蛍光放電灯管を本発明に利用すれば、極めて安価に、しかも環境に優しく、資源の無駄を省いた集積型蛍光放電灯を提供できる。
【００４２】
本発明の第１形態によれば、前記蛍光膜が、ＰＬ蛍光体粉とＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成されるコイル電極蛍光灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯が提供できる。ＰＬ蛍光体粉とＣＬ蛍光体粉を混合し、この混合粉を蛍光放電灯管の内面に塗布して蛍光膜を形成すれば、蛍光膜の表面には、ＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に出現する。ＰＬ蛍光体粉の粒子表面に微小径にあるＣＬ蛍光体粉を付着させた場合、その効果は非常に小さく実用にならない。ＰＬ蛍光体粉の粒子径とＣＬ蛍光体粒子径が近似していることが必要条件である。ＰＬ蛍光体粒子は負電荷を有し、ＣＬ蛍光体粒子は負電荷を有さないから、前記第１形態で説明した、蛍光膜上のＰＬ蛍光体粒子が露出する無数点で電子軌道が放電空間側にクーロン曲回し、急速点灯と全面点灯を実現できる。
【００４３】
本発明の第３形態によれば、前記ＰＬ蛍光体粉がハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉であるコイル電極蛍光灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯が提供される。ハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉と電子線照射下で発光するＣＬ蛍光体粉の混合粉を用いると、ハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉の製造単価が十分の一前後になるので、コイル電極蛍光放電灯の製造コストを低減できる効果がある。即ち、ハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体はクラーク数が低い希少な希土類元素を用いないから、蛍光体コスト低減できる。しかも、表面に負電荷を有するハロ燐酸カルシウムＰＬ蛍光体粉と表面に負電荷を有さないか僅かに負電荷を有する１５０Ｖ以下の低電圧で発光するＣＬ蛍光体粉の混合粉から蛍光膜を形成すると、必然的にガラス管軸方向の蛍光膜表面にＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に無数に分散して存在することになる。無数のＰＬ蛍光体粒子の位置でその負電荷により伝導電子が曲げられて発光し、その領域は蛍光膜の全面であるから、急速点灯と全面発光が可能になる。ＣＬ蛍光体粉として安価なＺｎＯ蛍光体粉を使用すれば、一層の低価格化を実現できるが、本発明はＺｎＯ蛍光体粉に限定されず、１５０Ｖ以下の低電圧で発光するＣＬ蛍光体粉であれば同じような効果を期待できる。
【００４４】
本発明の第４形態によれば、前記ＰＬ蛍光体粉が希土類ＰＬ蛍光体粉であり、前記ＣＬ蛍光体粉が低電子線発光するＣＬ蛍光体粉であるコイル電極蛍光灯を備える省電高輝度集積型蛍光灯が提供できる。前記蛍光膜を、希土類ＰＬ蛍光体粉とＣＬ蛍光体粉の混合粉から形成するから、希土類蛍光膜を使用したコイル電極蛍光放電灯の製造コストを低減できる効果がある。希土類ＰＬ蛍光体粉は表面に負電荷を有する高性能のＰＬ蛍光体粉であるが、近年の希土類元素物質の高騰により、希土類蛍光膜を使用した蛍光放電灯管の製造コストは上昇しつつある。そこで、本形態のＣＬ蛍光体粉として、価格が比較的に安くて安定したＣＬ蛍光体であるＺｎＯ蛍光体を使用すれば、混合蛍光体粉の製造コストを低減させることを企図している。特に、ＺｎＯ蛍光体は紫外線により励起されてから発光するまでの減衰時定数が極めて短いから高速発光が可能であり、３０Ｖ以下の低電圧でも明るいＣＬを発光する特性を有する。しかも、表面に負電荷を有する希土類ＰＬ蛍光体粉と表面に負電荷を有さないＺｎＯ蛍光体粉の混合粉から蛍光膜を形成すると、必然的にガラス管軸方向の蛍光膜表面にＰＬ蛍光体粒子とＣＬ蛍光体粒子が交互に無数に分散して存在することになる。無数のＰＬ蛍光体粒子の位置でその負電荷により伝導電子が曲げられて発光し、その領域は蛍光膜の全面であるから、急速点灯と全面発光が可能になる。
【００４５】
本発明の第５形態によれば、前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立するので、前記近似式に基づき、前記コイル電極の巻数によって前記交流電源の１次側電力を適宜選択することができ、蛍光放電灯の消費電力設計を簡易に行うことができる。逆に、１次側消費電力に合わせて、前記近似式に基づき、前記コイル電極の巻数を適宜調整して簡単に電極設計を行うことができる。
【００４６】
本発明の第６形態によれば、前記コイル電極蛍光灯は、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の２次側電力をＷ２ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２ｎ＝ｃｎ＋ｄｎ×ｎ（ｃｎ，ｄｎ：定数）が近似式として成立するので、前記近似式に基づき、前記コイル電極の巻数によって前記交流電源の２次側電力を適宜選択することができ、蛍光放電灯の消費電力設計を簡易に行うことができる。逆に、２次側消費電力に合わせて、前記近似式に基づき、前記コイル電極の巻数を適宜調整して簡単に電極設計を行うことができる。
【００４７】
本発明の第７形態によれば、前記コイル電極の巻数をｎ、前記交流電源の１次側電力をＷ１ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として成立する場合、前記第７形態における前記定数ｂｎ及びｄｎはｂｎ＞ｄｎであるので、この関係を利用して、前記コイル電極の巻数に応じて前記交流電源の１次及び２次側電力を精度よく選択することができ、逆に、１次及び２次側消費電力に合わせて、前記コイル電極の巻数を最適に調整することができる。
【００４８】
本発明の第８形態によれば、前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大５（Ｗ）のずれ幅を有するので、前記ずれ幅の範囲内で前記交流電源の１次側電力を適宜選択して、それに応じて前記電線の断面直径ｄを前記範囲内で可変でき、前記コイル電極の形成自由度が大きい利点を有する。
【００４９】
本発明の第９形態によれば、前記巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、前記電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大０．６（Ｗ）のずれ幅を有するので、前記ずれ幅の範囲内で前記交流電源の２次側電力を適宜選択して、それに応じて前記電線の断面直径ｄを前記範囲内で可変でき、前記コイル電極の形成自由度が大きい利点を有する。
【００５０】
本発明の第１０形態によれば、前記第１形態において、Ｎ本の前記コイル電極蛍光放電灯を並列接続して前記交流電源の２次側電圧を印加したとき、前記交流電源の１次側電力をＷ１Ｎ（Ｗ）とすると、Ｗ１Ｎ＝ａＮ＋ｂＮ×Ｎ（ａＮ、ｂＮ：定数）が近似式として成立するので、この１次側電力の近似式に基づき、Ｎ本の前記コイル電極蛍光放電灯を並列接続した高輝度発光を可能にした省電高輝度集積型蛍光灯を実現することができる。
【００５１】
金属内部電極を用いた蛍光放電灯管により高輝度発光させる場合には、消費電力が極めて高く、消費電力が増大する結果となっていた。本形態によれば、前記並列接続構成により、放電空間内の保熱効果が高まり、高輝度発光を可能にすることができる。同時に、全本数を同時点灯させても、前記消費電力の低減化を達成し、消費電力の問題を一気に解決して省電化と高輝度発光を同時的に達成した画期的な集積型蛍光放電灯が実現できる。
【００５２】
特に、蛍光放電灯管の放電空間絶縁型電極に交流電源を接続した時、電源回路の入力側で検出する電流は、蛍光放電灯管内に交流電界を形成するに要する電流であり、電流の大きさは放電灯管の管径や放電灯管の長さに無関係で、検出電流の値は蛍光膜の物性だけにより決まり、その値は０．１Ａから１Ａの範囲で蛍光膜の物性により変る。高周波電界を形成する電力は、蛍光放電灯管の輝度と無関係であり、蛍光放電灯管の消費電力を決めている。蛍光放電灯管の発光に関与する電子は、第三世代電子源から交流電界中に取り出した電子で、その量は蛍光放電灯管の点灯電力とは分離して測定でき、その値は最大１ｍＡであり、高周波電界形成に要する電流（１Ａ）の千分の一以下であるので、蛍光放電灯管の消費電力への関与は無視できる。蛍光放電灯管の輝度は、蛍光放電灯管の保熱効果に依存した水銀蒸気圧できめられている事実を見出した。蛍光放電灯管の輝度が蛍光放電灯管の消費電力と関係すると従来は考えていたが、その関係は小さい。発明者達は従来の常識を基本から修正する新発見により、消費電力を極度に低減する蛍光放電灯を提供できるようになった。
【００５３】
また、放電空間絶縁型電極の使用により、同一蛍光膜で作られた蛍光放電灯管の複数本を束状に配置した蛍光放電灯管群を作り、束状に配置した各蛍光放電灯管中に高周波電界を形成すると、蛍光放電灯管群の全管に交流電界を形成する電力が著しく減少する。即ち、蛍光放電灯の点灯に要する消費電力が、蛍光放電灯を束状に配置し、集積すると著しく減少する事実の発見である。更に詳細に述べれば、放電空間絶縁型電極を取り付けた１本の蛍光放電灯管の電極に交流電源を接続し、交流電界を前記蛍光放電灯管内に形成すると、１蛍光放電灯管の消費電力はｗワットである。前記蛍光放電灯管の近隣に同種蛍光膜で作られた蛍光放電灯管の複数本（ｎ）を束状に配置すると、束状に配置（集積型）した全蛍光放電灯管内に同強度の交流電界が誘発する。集積型蛍光放電灯管の全てに高周波電界を形成するに要する消費電力Ｗは、実験に使用した蛍光放電灯管では、１本の蛍光放電灯管の供給電力に一本当り１ワットを加算した合計電力となることをみいだした。即ち、Ｗ＝ｎｗではなくＷ＝ｎ＋ｗとなり、全体消費電力≪一本消費電力×本数の関係が成立し、集積型蛍光放電灯は低消費電力で点灯する。Ｗ＝ｎ＋ｗの関係は、蛍光放電灯管の管径と蛍光放電灯管の管長に無関係に成立する。
【００５４】
集積型蛍光放電灯の各放電灯管の交流電界に第三世代電子源から電子を注入し、注入電子により充填ガスを発光させると、蛍光膜が電子線発光蛍光体粒子と光発光蛍光体粒子の配列で作られている場合、集積蛍光放電灯からの輝度は、放電空間絶縁型電極を取り付けた蛍光放電灯管１本の輝度の集積本数倍になる。著しく低い消費電力（Ｗ＝ｎ＋ｗ）で高輝度な集積型蛍光放電灯が得られる。蛍光膜が光発光蛍光体だけで作られている場合、及び使用する蛍光体粒子表面が電気絶縁体の微細粒子で汚染している場合、集積蛍光放電灯の輝度は集積本数倍にならず、Ｗ＝ｎｗとなり蛍光放電灯管を集積する利点はなくなる。
【００５５】
本発明の第１１形態によれば、前記第１０形態において、Ｎ（２以上の自然数）本の前記コイル電極蛍光放電灯を並列接続して前記交流電源の２次側電圧を印加したとき、前記交流電源の２次側電力をＷ２Ｎ（Ｗ）としたとき、Ｗ２Ｎ＝ｃＮ＋ｄＮ×Ｎ（ｃＮ、ｄＮ：定数）が近似式として成立するので、この２次側電力の近似式に基づき、あるいは、前記１次側電力の近似式と併用して、Ｎ本の前記コイル電極蛍光放電灯を並列接続した高輝度発光を可能にした省電高輝度集積型蛍光灯を実現することができる。
【００５６】
本発明の第１２形態によれば、前記第１１形態において、前記定数ｂＮ及びｄＮはｂＮ＞ｄＮであるので、この関係を利用して、コイル電極蛍光放電灯の集積数に応じて前記交流電源の１次及び２次側電力を精度よく選択し、逆に、１次及び２次側消費電力に合わせて、コイル電極蛍光放電灯の集積数を最適に調整して、Ｎ本の前記コイル電極蛍光放電灯を並列接続した高輝度発光を可能にした省電高輝度集積型蛍光灯を実現することができる。
【００５７】
１本の放電灯の場合には、前記コイル電極の電線の一端側は電源に接続され、その反対側の電線は開放端となる。省電高輝度集積型蛍光灯の場合には、各放電灯のコイル電極の電線の一端側を電源側に共通接続して並列化でき、あるいは、コイル電極の電線の一端側を別の放電灯のコイル電極の起端側として、各放電灯に一本の電線を連続的に巻回して構成することもできる。
【００５８】
本発明の他の形態によれば、本発明に係わる省電高輝度集積型蛍光灯は、外部コイル電極蛍光放電灯管の両端に、従来の蛍光放電灯管の点灯器具のソケットに嵌め合わせが適合する口金を取り付ける。前記コイル電極蛍光放電灯管の点灯に必要な電源の大きさは、従来の蛍光放電灯管の点灯に要する電源の大きさの数分の一以下と小さく、従来の蛍光放電灯管の点灯装置の収納庫に収納できる。従って、従来使用している点灯器具を全面的に変えることなく、従来の蛍光放電灯管の点灯器具をそのまま利用して、前記コイル電極蛍光放電灯管を従来の蛍光放電灯管と置換するだけの手間と小型な点灯電源を点灯器具内部に収納する簡単な工事により、コイル電極蛍光放電灯管を設置し、点灯が実現できる利便性と経済性を持つ。
【００５９】
[本発明の更なる詳細説明：検出電流と点灯の関係]
本発明に係るコイル電極蛍光放電灯において重要な高輝度化の開発経緯を以下に説明する。
発明者達は、高周波電源を第三世代電子源による蛍光放電灯管の電極に印加すると、電源回路の入力側で検出する電流に発光に関与しない高周波電界を形成する電流と、電子源から供給されてガス原子の発光に関与する電子電流の２種類が存在する事を発見した。高周波電界形成に必要な電流の大きさは、ガス原子を発光させるに必要な電子電流の大きさの千倍以上で１Ａ付近にある。従って、高周波電界形成電流は蛍光放電灯の発光には寄与せず、蛍光放電灯管の点灯時の消費電力のみを決める事実を発見した。ガス放電は電子源からの電子が高周波電界との共鳴でガス空間を移動して起しているが、この電子電流は電流量が小さく（１ｍＡ以下）、蛍光放電灯管の点灯に必要な実質電力に影響を与えていない。上記した発見は蛍光放電灯管の全機能を最適化し、今までに得られなかった水準の省電力で高輝度な蛍光放電灯管を開発する上で重要な事項である。
【００６０】
更に、次の現象を発見した。一個の蛍光放電灯管中に形成する高周波電界は、複数の同種蛍光放電灯管を前記蛍光放電灯管の周辺に置くと、周辺に置かれた蛍光放電灯管内にも高周波電界が誘起される。最初の蛍光放電灯管の電極に接続した電源回路に流れる電流値は周辺に置かれた蛍光放電灯管数で僅かに増加するだけである。蛍光放電灯管が高周波電界を持っただけでは、蛍光放電灯管は発光しない。蛍光放電灯管を発光させるには、高周波電界中に電子を注入しなければならない。電子を高周波電界中に注入できる条件を調べた。
【００６１】
外部電極蛍光放電灯管で、第三世代電子源からの電子が蛍光放電灯管内に形成した高周波電界中に注入できるか、出来ないかは前記電極蛍光放電灯管中に形成している高周波電界の大きさで顕著に変わる。前記電極蛍光放電灯管中に形成する高周波電界の大きさを、電源回路の入力側で検出する電流のモニターで検討する。外部電極に高周波電位を印加したとき、電源回路で検出する電流は蛍光膜の汚染（帯電）状態で大きく変る。蛍光膜を構成する蛍光体粒子表面が電気絶縁物の微細粒子で重度に汚染されていると電源で検出される電流は１Ａ付近である。蛍光体粒子表面に電気絶縁物の汚染がないと検出電流は最小になり、０.１Ａ付近まで減少する。検出電流が０.７Ａ以上の蛍光放電灯管の点灯は難しい。即ち検出電流が０.７Ａ以上であると、第三世代電子源からの電子は高周波電界中に注入できない。検出電流が０．５Ａ以下であると、蛍光放電灯管に形成している高周波電界中に電子が容易に注入できる。その結果、前記外部電極型蛍光放電灯管は点灯する。
【００６２】
集積型蛍光放電灯を形成するために、検出電流が０．５Ａ以下の外部電極蛍光放電灯管の電極を並列に接続すると、並列に接続された外部電極蛍光放電灯管に第三世代電子供給源から交流電界中に電子の注入が許容される。注入された電子はガス原子と非弾性衝突し、ガスを放電させるので並列接続の全蛍光放電灯管の蛍光膜は均一輝度で発光する。即ち、並列接続された複数の外部電極型蛍光放電灯管の点灯に要する消費電力は、外部電極型蛍光放電灯管を単独で点灯した場合より僅かに増加させただけで、発光強度のみが並列接続蛍光放電灯管数に比例して増加する。検出電流が０．５Ａ以下の外部電極型蛍光放電灯管の電極を並列に接続すると、大きな省電型蛍光放電灯が可能となる。ここで注意しなければならないことがある。市販蛍光放電灯管の多くは外部電極蛍光放電灯管に改変しても検出電流が０．７Ａ以上であり、第三世代電子供給源から改変蛍光放電灯管中の高周波電界に電子注入ができない。その結果、改変蛍光放電灯管を検出電流が０．５Ａ以下の蛍光放電灯と並列接続しても改変蛍光放電灯管は発光しない。参考として記すと、外形が３０ｍｍの市販蛍光放電灯管を外部電極型蛍光放電灯管に改変し、外部電極を並列接続しても、改変蛍光放電灯管は発光しない。
【００６３】
第三世代電子源からの電子を高周波電界に注入する最適条件が複雑であった。蛍光体粒子表面に電気絶縁物の汚染が全然ないと、高周波電界に注入した電子は選択的に蛍光膜の表面伝導を取り、陽イオン源に到達し消滅する。その結果、表面伝導電子はガス原子と衝突せず、蛍光放電灯管の発光は起こらない。蛍光膜に突起を作ると、表面伝導している電子が突起した蛍光体粒子と衝突する。印加する電界の半周期をゼロ電位にすると一方向にのみ進む電子の動きのみとなり、突起した蛍光体粒子の陰極側のみが明るく発光し、陽極側では発光しない。突起した蛍光体粒子の発光は電子線照射によるＣＬ発光と同定できる。この観察により、蛍光膜上を一方向に加速されて動く表面伝導電子の存在を確認できる。蛍光体粒子表面が電気絶縁物で重度に汚染していると、第三世代電子源からの電子は汚染物の帯電電荷の負電界からのクーロン反発を受け、ガス空間に入れずガスの発光は起こらない。粒子表面が適度に汚染された蛍光体粒子と、汚染が無い粒子の混合粉で蛍光膜が作られている時のみ、電子がガス空間に侵入し、加速され、蛍光体粒子表面が帯電している負電荷の所で電子軌道をガス空間に曲げ、ガス原子と非弾性衝突する。その結果、蛍光放電灯は発光する。非弾性衝突した電子は軌道を散乱されるが高周波電界にある放電路に留まり、次の波の高周波電界により軌道修正され、加速されて他のガス原子と非弾性衝突する。この繰り返しにより蛍光放電灯管中の陽光柱が成立する。
【００６４】
上記した複雑な蛍光膜の特性は、次の方法で制御できる。蛍光放電灯管の蛍光膜を同一粒子径にある低電圧電子線発光（CL）蛍光体と光発光（PL）蛍光体の混合で作る時、第三世代電子源からの電子は容易に蛍光膜上に侵入でき、並列接合した蛍光放電灯管の全てが同一輝度で発光する。蛍光放電灯管中に高周波電界を形成するに要する電源回路の検出電流は０．５Ａ以下である。この発見により、複数本の外部電極蛍光放電灯管を適度の隙間を置いて束ねて集積すれば、電源回路に流れる電流値を僅かに変えるだけで、集積蛍光放電灯の輝度のみが束ねた蛍光放電灯管数に比例して増加する。蛍光膜は白色の体色を持ち、蛍光膜で発光した可視光に対して光吸収を持たないので、束ねた蛍光放電管に間隙を設けると、内部に置かれた蛍光放電灯管の蛍光膜で発光した光が全て外部に取り出せる。一個の蛍光放電灯管の消費電力を僅かに増加させただけで複数個の蛍光放電灯管が発光するので、集積により小電力で高輝度に発光する集積型蛍光放電灯管が開発できた。即ち、１０本の蛍光放電灯管の集積で作られた集積型蛍光放電灯の電力消費は、１０本点灯に必要な電力の五分の一になり、輝度のみが１０倍になる。
【００６５】
そればかりではない。金属電極の使用で寿命の尽きた蛍光放電灯管の外壁に新たに外部電極を設置すると、寿命の尽きた蛍光放電灯管は再点灯する。寿命が尽きた蛍光放電灯管は、外部電極を放電灯ガラス管端に設置すると、完全に再生し、新規に製造した外部電極蛍光放電灯管と同輝度で発光する。しかも、蛍光放電灯管内で寿命に影響を与える因子が全て消去される結果、外部電極蛍光放電灯管の寿命は半永久的になり、蛍光放電灯管の資源回収周期が非常に長くなる。このように第三世代電子源の使用は、蛍光放電灯管の省電だけでなく、資源の節約と寿命の尽きた蛍光放電灯管の破棄による水銀による土壌汚染問題の防止にも大いに貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】コイル電極蛍光放電灯を示す構成図である。
【図２】図１に示されたコイル電極蛍光放電灯の概略断面図である。
【図３】高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極の巻数ｎの関係を示す図である。
【図４】高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極用電線の線径ｄの関係を示す図である。
【図５】高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）と点灯時間の関係を示す図である。
【図６】蛍光放電灯が単体のときの、点灯時初期の１次側電力の巻数に対する変化を示す図である。
【図７】蛍光放電灯が単体のときの、点灯時初期の２次側電力の巻数に対する変化を示す図である。
【図８】ｎ本のコイル電極蛍光放電灯を並列接続して高周波電源６の２次側電圧を印加して同時点灯させる集積コイル電極蛍光放電灯の構成図である。
【図９】共通電線により各コイル電極蛍光放電灯のコイル電極を形成して並列接続した集積コイル電極蛍光放電灯の構成図である。
【図１０】図８の集積コイル電極蛍光放電灯及び個々の構成放電灯に対する電力測定結果を示す図である。
【図１１】コイル電極蛍光放電灯数Ｎを１、２、３としたときの、高周波電源６の１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）の変化を示す図である。
【図１２】複数の市販の内部電極型蛍光放電灯と、それに使用されている高周波電源につき、コイル電極による集積蛍光放電灯化した場合の２次側電力変化を示す図である。
【図１３】７本のコイル電極蛍光放電灯２３を束状に配置、集積した集積蛍光放電灯を示す図である。
【図１４】本発明において蛍光膜表面に導入する電子の挙動が、蛍光膜の荷電状態による変わる様子を説明する模式図である。
【図１５】本発明において低電圧電子線発光ＣＬ蛍光体粉と光発光ＰＬ蛍光体粉の混合粉で作られる最適な蛍光膜の状態を示す模式図である。
【図１６】本発明において、従来の蛍光放電灯点灯器具のソケットに嵌め合せが容易に出来る口金を取り付けたコイル電極蛍光放電灯管を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ コイル電極蛍光放電灯
２ ガラス管
３ コイル電極
４ コイル電極
５ 電圧印加線
６ 交流電源
７ 商用電源
８ 蛍光膜
９ 電線
１０ 絶縁層
１１ 蛍光体粒子層
１２ 蛍光体粒子層
１３ 電圧印加線
１４ａ ガラス管
１４ｂ ガラス管
１４ｎ ガラス管
１５ａ コイル電極
１５ｂ コイル電極
１５ｎ コイル電極
１６ａ コイル電極
１６ｂ コイル電極
１６ｎ コイル電極
１７ａ ガラス管
１７ｂ ガラス管
１７ｎ ガラス管
１８ａ コイル電極
１８ｂ コイル電極
１８ｎ コイル電極
１９ａ コイル電極
１９ｂ コイル電極
１９ｎ コイル電極
２０ 電圧印加線
２１ 電圧印加線
２２ 蛍光放電灯収納部
２３ コイル電極蛍光放電灯
２４ コイル電極
２５ コイル電極
２６ PIP鞘
２７ PL蛍光体粒子
２８ CL蛍光体粒子
２９ コイル電極蛍光放電灯
３０ コイル電極
３１ コイル電極収納庫
３２ 口金
ＣＣＦＬ 冷陰極蛍光放電灯管
ＣＬ 電子線発光（Cathodoluminescence）
ｅ 電子（放出電子）
ＦＬ 蛍光放電灯
ＨＣＦＬ 熱陰極蛍光放電灯管
ＬＣＤ 液晶ディスプレイ
ＰＩＰ 永続性内部分極
ＰＬ 光発光（Photoluminescence）
ＳＢＥ 表面結合電子（surface-bound-electrons）
ＵＶ 紫外線
【発明を実施するための形態】
【００６８】
同一直径にあるガラス管を使用した蛍光放電灯管の複数を重ねて束ねると、束ねた蛍光放電灯管を集積した蛍光放電灯ができる。集積した蛍光放電灯からは集積本数の倍数で明るい発光が得られる。従来例で示したように、金属電極（即ち、非表面絶縁内部電極）を内蔵した蛍光放電灯管の使用では、集積した各個の蛍光放電管にそれぞれの駆動電源を接続するので、消費電力が集積する放電灯管の倍数で増加する。これでは蛍光放電灯管を個別に発光させた場合と同じであり、何らの利点が得られない。又、並列接続しても、金属陰極から電子を取り出す高電力を必要とするので、大きな点灯回路を必要とするので、実用性が無い。
【００６９】
本発明者等は、第三世代電子源を使った蛍光放電灯管を使用すると、話が変ることを発見した。第三世代電子源を使用する蛍光放電灯管を複数本束ね、電極を並列接続してできる集積蛍光放電灯は、点灯に要する電力が１灯を点灯する電力を僅かに増加するだけで、発光輝度が集積する蛍光放電灯管数により顕著に増加する。
【００７０】
本実施形態においては、金属内部電極を使用せず、第三世代電子源として、コイル電極を外部電極とした蛍光放電灯を提供する。この場合、管内壁面に塗布する蛍光膜は、管端まで塗布することが可能である。放電に必要な電極は放電灯のガラス管端の外壁面に付ける。この構造からなるコイル電極蛍光放電灯では第三世代電子源が放電に関与する。
【００７１】
第三世代電子源を内蔵した外部電極蛍光放電灯管を使用する特徴の一つは、放電灯を点灯する電源回路の小型化である。点灯電源回路の小型化できる理由の第一は、金属陰極電極から電子の取り出しに要する高電圧回路が不必要である。第二の理由は蛍光膜に注入する電子が容易にガス放電をする。従来の蛍光放電灯管の点灯にはガス原子の最外殻電子により形成された負電界（１０５Ｖ ｃｍ-１）に打ち勝つエネルギーを持った電子を作らなければ、電子がガス空間に入り放電を開始できない難しさがあった。この難しさは外部電極蛍光放電灯管では消えるので、点灯に要した大型で大電力を消費するガス放電の点灯電気回路の工夫は不要である。第三の理由は第三世代電子源から高周波電界に注入する電子流は１ｍＡ以下であり、小型の集積回路の使用が可能となる。電源回路に流れる最大電流は蛍光放電灯管中に高周波電界を形成するに要する電力であり、１．０Ａ以下に限定されるので、電源回路の容積は小さくなる。これらを総合すると、外部電極蛍光放電灯の電源回路は、金属電極使用の従来の蛍光放電灯（直径２０ｍｍ）の点灯回路の容積を大幅に縮小し、５分の１以下になる。
【００７２】
第三世代電子源を使用した蛍光放電灯管の電極に交流電源を印加すると、蛍光膜を構成する蛍光体粒子表面の汚染状態により変わる電流が電源回路に流れる。この電流の変化は高周波電源（３０ｋＨｚ以上で数ｋＶｐ）の電圧を印加するとき、顕著になり測定が容易になる。この理由で、以下の説明では蛍光膜を構成する蛍光体粒子表面の汚染状態により変わる電源回路の電流変化を述べるが、現象は上記高周波電源に特有でなく、通常の交流電源周波数（５０Ｈｚ叉は６０Ｈｚ）でも発生するので、本発明は交流電源の使用で外部電極蛍光放電灯を発光させる全交流電源が包含される。高周波電界の形成は、直管型蛍光放電灯管では容易であるが、曲管型蛍光放電灯管では高周波電界が曲部で阻害され易く、管全体に瞬時に及ばない場合がある。しかし、高周波電界の形成が管全体に及ぶ曲管型蛍光放電灯管も本発明に包含される。この理由で、本発明の以下の説明では、直管型蛍光放電灯管を使用する。蛍光体粒子表面が重度に汚染している時、高周波電界形成に起因した大きな電流が電源回路に流れても、外部電極蛍光放電灯は点灯しない。だが蛍光放電灯管内に高周波電界は形成している。この事実は、蛍光放電灯管の菅軸方向の中心部分で、菅壁から１０ｃｍ離れた場所の小面積でも高周波電界が検出できるので確認できる。上述した事実は、外部電極蛍光放電灯管内の高周波電界形成で電源回路に流れる電流は直接に蛍光放電灯管のガス放電に関与していない事実を示す。
【００７３】
使用する蛍光体粒子表面が電気絶縁物で汚染している場合、電気絶縁物は一般に帯電している。蛍光体粒子表面が汚染した物質の帯電による負電荷がガス空間にも広がっている。第三世代電子源から取り出した電子の運動エネルギーはゼロに近いので、運動エネルギーの小さな電子は汚染した物質の帯電負電荷によりクローン反発を受け、ガス空間に入れず、蛍光放電灯管は放電しない。従来の放電ガス点灯方式 (瞬間的に高電圧を印加する)を瞬時の間採用すると、汚染物質の帯電は一部分消失するので、第三世代電子源の電子がガス放電路に侵入でき、ガス放電が見られるが、その強度は弱く、時間の経過と共に放電が消える。ガス放電が現れても高周波電界形成に起因した電源回路に流れる電流は不変である。外部電極蛍光放電灯に高周波を印加した時に流れる電源電流は、ガス放電に必要な電子流よりも遥かに大きい事を示す。その電源電流（即ち点灯回路の電力）は、蛍光膜を構成する蛍光体粒子の特性により顕著に変わる。即ち、１本の蛍光放電灯管の消費電力ｗ（ワット）は、同種型の蛍光放電灯管でも、ｗ＝４〜７（ワット）の範囲で揺らぐ。
【００７４】
蛍光膜が、蛍光体粒子表面の汚染がない低電圧電子線で発光するＣＬ蛍光体を２０％以上含むと、電源回路に流れる電流は半分以下に減少する。電源回路に流れる電流が０．５Ａ以下である場合、外部電極蛍光放電灯管は電源からの高周波印加で瞬時に点灯する。陽光柱内で発光に関与する電子は放電路で消えることなく繰り返し使用される(１０５回)ので、単位時間当たりに必要な電子数は極度に少ない。励起したガスは放電するとガス原子に帰り、再励起の機会を持つ。電子の非弾性衝突によるガス励起は、統計学では置換型サンプリングとして取り扱う。この事を考慮し,単位時間当たりにガス励起に関与する最大電子数(電流)を計算すると，電源回路の入力側で計測した電源電流の千分の一前後（〜１ｍＡ）である。この電子数で単位時間に励起するガス原子数は、単位放電空間当たり１０２２個前後になる。励起ガスは一個のＵＶ光子を放出して基底状態に帰る。ガス内で放出されたＵＶ光は蛍光膜で可視光に変換されるが、その量子効率は実用蛍光膜では1であるので、励起ガス数は蛍光膜から放出する光子数に相当する。蛍光放電灯から単位放電空間当たり１０２２個前後の可視光の光子数の放射は、昼間の照度で部屋を照明する光源として十分な光子数である。以上の計算より、外部電極型蛍光放電灯管に流れる電流は、外部電極蛍光放電灯管内に形成する高周波電界に必要な電源電流で主に決まり、ガス原子を励起する電子数でない事が明白に成る。発明者達は蛍光放電灯管の放電を論ずる上で放電管内を移動する電子数と高周波電界を形成する電源電流の差が果たす重要な役割を上述した計算と実験事実で発見し、省電力になる蛍光放電灯管を得るには、蛍光放電灯内で高周波電界を形成する蛍光膜の最適化が必要であることを明らかにした。
【００７５】
外部電極型蛍光放電灯管で消費される電力は蛍光膜の電気特性の影響を受けて決まるので、蛍光膜の選択で外部電極型蛍光放電灯管の消費電力を最低化できる。又蛍光膜の汚染度合で外部電極型蛍光放電灯管の消費電力が変動するので、同じ種類の蛍光体粉を使用しても、製造ロットが異なると、外部電極型蛍光放電灯管を点灯する電力が変動する。更に同種類の蛍光体を使用し、蛍光膜の発光色を変えても点灯電力が変動する。同一混合蛍光体粉を使用しても、外部電極蛍光放電灯の点灯電力は管毎に僅かに変動する。蛍光放電灯の製造時の製品管理には、蛍光体粒子表面の汚染変動を考慮しなければならない。
【００７６】
前記した外部電極型蛍光放電灯管で第三世代電子源から高周波電界中に流れる電流は、電源回路と接続する外部電極と外部電極型蛍光放電灯管内のガスとの間に電気絶縁体が介在するので、ガス空間で放電に関与する電子は電源回路から直接供与を受けず、ガス空間で自己調達するのは明白である。電極に接続した時に電源回路に流れるのは高周波電界形成に必要な電力であり、それに必要な電流が点灯電源回路で検出される。従来の蛍光放電灯管のガス放電では高周波電界形成に必要な電力とガス放電に関与する電子流が分離できず、注入電子とガス原子の励起数を最適化が出来なかった。本発明者等は、前述した第３世代電子源を用いることにより、蛍光放電灯管を点灯する時に電源回路に流れる高周波電界形成に必要な電力とガス放電に関与する電子流を分離できた。これは蛍光放電灯管のガス放電を研究する上で大きな発見である。
【００７７】
蛍光放電灯管を点灯する電源回路の大きさについて検討する。従来の金属電極蛍光放電灯管では、金属電極から抽出した電子の運動エネルギーをガス空間を満たしているガス原子の最外殻電子による負電界より大きくしなければ、抽出電子はガス原子空間に入れず、ガス放電の点灯が困難であった。金属電極蛍光放電灯管の点灯で主要な役割を果たしていた複雑で大容積を占めていた電源回路の細工は、第三世代電子供給源を使用すると蛍光放電灯管では不必要である。それ故、点灯に要した不必要な主要回路が電源回路から取り除け、それだけでも電源回路の消費電力は従来の五分の一以下となる。それに付随して電源回路装置の容積は従来の蛍光放電灯管の五分の１以下となり、小さな空間に収納出来る。と同時に電源回路の製造単価も極度に低減する。
【００７８】
第三世代電子源を使用すると、外部電極蛍光放電灯管中に形成する高周波電界が蛍光膜の電気特性で大きく変わると述べた。外部電極蛍光放電管中の高周波形成電力を減少するには、蛍光膜を構成する蛍光体粒子の電気特性が大切である。本発明者達は、蛍光膜が低電圧電子線で発光する電子線発光（ＣＬ）蛍光体を３０重量％前後含み、光発光（ＰＬ）でのみ明るく発光するPL蛍光体を７０重量％含むとき、外部電極蛍光放電管中の高周波電界形成電力が最小であった。即ち外部電極蛍光放電灯管の点灯電力が最低になる。点灯電力は青色と緑色発光蛍光体粒子の表面状態により変動する。希土類蛍光体の内、赤色蛍光体に酸化イットリウム蛍光体を使用すると，電子線発光の臨界電圧は１１０Vであるので、この赤色混合希土類蛍光体粉を使用して蛍光膜を作るとき、酸化イットリウム赤色蛍光体粉の使用が多いとき、蛍光放電灯管の点灯電力は減少する。電球色にする蛍光体粉は酸化イットリウム蛍光体を使用せず、他の赤色成分蛍光体（臨界電圧が高い）を使用するので、電源回路の電流は増加する。電源回路の電流を減少させるには、酸化イットリウム赤色蛍光体の臨界発光電圧１１０Ｖは未だ高い。ＣＬ蛍光体の効果は、２０Ｖ前後で発光するＣＬ蛍光体を混合するとき、電源回路の電流は最小になる。
【００７９】
そのようなＣＬ蛍光体として、ＺｎＯ低電圧ＣＬ蛍光体（臨界電圧１０ｅＶ）がある。ＺｎＯ蛍光体を３０重量％含んだ、表面処理の無い白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体で作られた蛍光膜を使用すると、細管の蛍光放電灯管でも明るく発光する。本発明で使用する外部電極型蛍光放電灯管では、ＺｎＯ低電圧ＣＬ蛍光体を３０重量％含んだ白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体を照明目的で使用する。演色性を問題にする蛍光放電灯管では、従来の希土類混合蛍光体に、更にＺｎＯ低電圧ＣＬ蛍光体を１０重量％添加した蛍光膜を使用すると発光色を変えずに高周波形成電力を減少させる蛍光膜が得られる。また、白色発光ハロ燐酸カルシウム蛍光体に酸化イットリウム赤色蛍光体を２０重量％混合すると演色性を改善した安価な蛍光膜が得られる。
【００８０】
一個の外部電極蛍光放電灯管の点灯電力（駆動回路を含む）は、通常の金属電極を付けた蛍光放電灯の点灯に必要な電源回路の消費電力の２分の一以下になる。集積蛍光放電灯の場合、消費電力の少ない１本の外部電極蛍光放電灯管を点灯し、更にその周辺に別の同種蛍光膜で作られた外部電極蛍光放電灯管を置くと、第二の外部電極蛍光放電灯管内にも高周波電界が誘起される。２本の外部電極蛍光放電灯管の電極を電気的に並列接続すると、第二の蛍光放電灯管も点灯し、第一の外部電極蛍光放電灯管と同じ輝度で発光する。しかも電源回路に流れる電力を電源の入力側で計測すると、一個の外部電極蛍光放電灯管の点灯で消費した電力より僅かに増加するだけである。更に第三、第四と同種蛍光膜で作られた外部電極蛍光放電灯管数を増加した時、並列接合した外部電極蛍光放電灯管のいずれもが同一輝度で発光する。
【実施例】
【００８１】
以下に、本発明に係るコイル電極蛍光放電灯の実施例を図面に従って詳細に説明する。  図1は、コイル電極蛍光放電灯を示す構成図である。図２は、コイル電極を示す概略断面図である。この蛍光放電灯管１は、内面に蛍光膜８が形成され、両端を密封したガラス管２と、ガラス管２の両端外周に巻回状に配置したコイル電極３、４と、商用電源７からの供給電源により高周波電圧を生成する高周波電源６からなる。ガラス管２の内部は、放電ガスを充填する放電空間が空洞として形成されている。ガラス管２内部には放電ガスとなるアルゴン（Ａｒ）ガスが充填され、かつ水銀（Ｈｇ）滴が封入されている。コイル電極３、４は電線をガラス管外周面の左右端部に４回巻き付けてなり、放電空間絶縁型電極の一種である。図２の（２Ｂ）に示すように、各コイル電極は電線９の周囲を絶縁層１０により被覆した絶縁被覆電線からなり、終端は開放端で、巻き線側は電圧印加線５として高周波電源６の出力側に接続されている。コイル電極３、４にはエナメル被覆電線又はビニル被覆電線を使用する。外部電極としてコイル電極３、４を使用するので、キャップ電極や電極膜と比べて、ガラス管端部の巻回だけで簡単に製造することができる。
【００８２】
上記構成のコイル電極蛍光放電灯において、コイル電極３、４に高周波電源６による高周波電圧を印加して前記放電ガスを放電させて点灯させることができる。図２の（２Ａ）に示すように、ガラス管２の内面に形成された蛍光膜８はコイル電極３、４の対向面にも延長されており、この延長部分を蛍光体粒子層１１、１２と称する。蛍光膜８は、ＰＬ蛍光粉とＣＬ蛍光粉の混合蛍光体から形成されている。放電空間に面する蛍光膜８の表面には、ＰＬ蛍光体粒子が管軸方向に分散して配置されている。
【００８３】
コイル電極蛍光放電灯１における第３世代電子源と陽イオン源の動作を説明する。高周波電源６により印加される高周波電圧のある瞬時において、コイル電極３には正電位、コイル電極４には負電位が印加したと考える。そのとき、蛍光体粒子層１１、１２は絶縁体であるから、逆極性で誘電分極する。即ち、コイル電極３に対向する蛍光体粒子層１１は負正で誘電分極し、コイル電極４に対向する蛍光体粒子層１２は正負で誘電分極する。蛍光体粒子層１２に誘電分極した正電荷の電位はコイル電極３の正電位よりも数倍高い。高周波電界により放電ガスであるＡｒはイオン化され、ｅ-とＡｒ＋になり、クーロン引力により電子ｅ-は管内で最も正電位が高い蛍光体粒子１１側に集積して電子源が形成され、この電子源が本発明における第３世代電子源を構成する。逆に、Ａｒ＋はクーロン引力によりコイル電極４側にあり、管内で最も負電位が高い蛍光体粒子層１２側に集積して陽イオン源が形成される。電子源の電子ｅ-は、陽イオン源に向かい、消滅することなく放電空間内のガス原子と非弾性衝突を繰り返し、電子軌道を描きながら前進し、Ａｒ＋と結合して中性のＡｒに戻る。本発明では、電子は外部回路から注入されないから、電極電圧降下は全く生じないので、その分だけ消費電力を低減できる。また、コイル電極３、４はガラス管壁でガス空間と隔離しているので陽イオン衝突が無く、スパッタリングが生起せず、長寿命化が達成される。つまり、本発明では、電極電圧降下の消尽とスパッタリングの消尽が実現できる。
【００８４】
本発明に係るコイル電極蛍光放電灯における種々の電極形成条件を調べた。
図３は高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極３、４の巻数ｎの関係を示す。この実験では巻数ｎを１、５、１０に変えたときの１次側電力を測定した。コイル電極を付与する蛍光放電灯管として、内部電極付き蛍光放電灯管を使用しコイル電極蛍光放電灯に改変した例を（（３Ａ）〜（３Ｃ）参照）に、また、寿命が尽きて破棄された内部電極付き蛍光放電灯管をコイル電極蛍光放電灯に改変した（（３Ｄ）〜（３Ｆ）参照）例を示す。絶縁被覆電線の金属電線の直径を、０．２６、０．５、０．８、１．６Φ（ｍｍ）と変えている。（３Ａ）〜（３Ｃ）は点灯初期時の電力、３０分後、６０分後の電力を示す。（３Ｄ）〜（３Ｆ）は、不良品における点灯時初期、３０分後、６０分後の電力を示す。
【００８５】
図３の測定結果から、１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極３、４の巻数ｎの間には、点灯後の経時変化に伴い線形性が保持されているのは明白である。つまり、コイル電極蛍光放電灯が１本の場合に、各電線径に対して電線巻数ｎを１、５、１０に変えたときの１次側電力を測定した結果、Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ（ａｎ，ｂｎ：定数）が近似式として得られる。前記１次側電力が巻数ｎと近似的に線形関係にあることは、本発明者等により初めて発見された事実である。前記近似的線形関係は線径ｄにより変化し、線径ｄにより１次側電力Ｗ１ｎにはΔＷだけのずれ幅があることが判明した。関数形とずれ幅ΔＷについては、図６を用いて詳細を後述する。
【００８６】
図４は高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極用絶縁被覆電線の線径ｄの関係を示す。この実験では線径ｄを０．２６、０．５、０．８、１．６φ（ｍｍ）に変え、交流電源６の１次側電力を測定した。巻数ｎを１、５、１０と変え、図３の実験と同様に、コイル電極を巻回した新品蛍光放電灯管と（（４Ａ）参照））、寿命の尽きた蛍光放電灯管をコイル電極蛍光放電灯管に改変した例（（４Ｂ）参照）を示す。（４Ａ）、（４Ｂ）は夫々、新品と寿命の尽きた蛍光放電管をコイル電極蛍光放電灯管に改変し、点灯６０分後の電力を夫々示す。この結果より、与えられた巻数ｎの場合、改変前の蛍光放電灯管に無関係で１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）が安定し、点灯駆動状態が得られることが分かった。即ち、１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）は線径ｄには殆んど依存しないことが分かった。
【００８７】
図５は高周波電源６の１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）と点灯時間ｔの関係をコイル巻線の金属線の直径ｄをパラメーターとして測定した結果である。コイル巻線の金属線の直径ｄを０．２６、０．５、０．８、１．６φ（ｍｍ）に変え、巻数ｎを１、５、１０変えた時に現れる１次側電力変化を、点灯時、３０分後、６０分後で測定してある。図３及び図４の実験と同様に、コイル電極を巻回した蛍光放電灯管として、新品の蛍光放電灯管を改変した場合（（５Ａ）〜（５Ｄ）参照）と、寿命の尽きた蛍光放電灯管を改変した(再生)場合（（５Ｅ）〜（５Ｈ）参照）を示す。この実験結果から、新品と再生品は、線径ｄ及び巻数ｎによる変化は有るが、与えられたdとｎでは１次側電力が大幅に変化することなく安定した点灯駆動状態が得られることがわかった。
【００８８】
図６は単体のコイル電極蛍光放電灯管を使用し、点灯時初期の１次側電力Ｗ１ｎ（変数ｙで表示）と巻数ｎ（変数ｘで表示）の変化を調べ、ｙとｘの間に線径関係が有ることを明らかにした。高周波電源の一次側電力Ｗ１ｎは線径ｄに依存して変わるが、与えられたｄでは、一次側電力ｙは巻数ｘの一次関数で近似に表わされることが分かった。例えば、最小の線径ｄ＝０．２６φの場合、ｙ＝１．２６ｘ＋２．７２で表される実験式を得た。測定値の隔たりは最小二乗法により適合性を検定した。その他のｄによる実験式は図６に記載された通りである。従って、実験式に基づき、コイル電極の巻数ｎを決めると、高周波電源６の１次側電力を決定でき、コイル電極蛍光放電灯管の消費電力の設計を簡易に行うことができる。逆に、１次側費電力に合わせて、前記実験式に基づき、前記コイル電極の巻数を適宜決定して簡単に電極設計を行うことができる。
【００８９】
また、図６から分かるように、１次側電力Ｗ１ｎ（Ｗ）とコイル電極の巻数ｎの相関実験から、次の事実が判明した。即ち、巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、電線の線径、即ち断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲で変えたとき、１次側電力Ｗ１ｎの変動幅ΔＷは巻数ｎの増加とともに増大し、巻数ｎ＝１０では最大５（Ｗ）のずれ幅ΔＷを有する。換言すれば、前記１次側電力Ｗ１ｎは前記近似式の値と最大５（Ｗ）となる。従って、前記最大変動幅の範囲内で高周波電源６の１次側電力を適宜選択し、それに応じて線径ｄを前記範囲内で可変することができ、コイル電極の形成の自由度が大きい事を明らかにした。
【００９０】
次に、単体であるコイル電極蛍光放電灯の高周波電源６の２次側電力Ｗ２ｎ（Ｗ）の変化についても調べた。
図７は蛍光放電灯が単体のときの、点灯時初期の２次側電力Ｗ２ｎ（変数ｙで表示）と巻数ｎ（変数ｘで表示）の変化を示し、ｙとｘの一次関数である実験式を得た。例えば、ｄ＝０．２６φの場合、ｙ＝０．２５ｘ−０．１２の実験式が得られた。他のｄについては図７に記載した通りである。従って、２次側電力についても、１次側電力と同様にＷ２ｎ＝ｃｎ＋ｄｎ×ｎ（ｃｎ，ｄｎ：定数）が成立している。この実験式式に基づき、コイル電極の巻数によって高周波電源６の２次側電力を適宜決定することができ、コイル電極蛍光放電灯の消費電力を簡易に設計できる。逆に、２次側消費電力に合わせて、前記近似式に基づき、コイル電極の巻数を適宜決定して簡単に電極設計を行うことができる。
【００９１】
また、図7に示されたコイル電極用電線の線径ｄと２次側電力Ｗ２ｎ（Ｗ）の相関実験から、次の事実が判明した。即ち、巻数ｎが１≦ｎ≦１０の範囲において、電線の断面直径ｄ（ｍｍ）を０．２６（ｍｍ）≦ｄ≦１．６（ｍｍ）の範囲に可変したとき、勾配はｄの増加により大きくなる。この事実は２次側電力Ｗ２ｎの値はｄの値により増加し、ｄ＝０．２６に対する変動幅ΔＷは巻数ｎ＝１０で最大０．６（Ｗ）となる。換言すれば、前記２次側電力Ｗ２ｎは前記実験式の値は、同じ巻数ｎであってもｄの値により０．６（Ｗ）増加する。従って、前記ｄ値による変動幅ΔＷの範囲内で前記交流電源の２次側電力を適宜決定し、それに応じて電線の断面直径ｄを前記範囲内で可変できる。コイル電極蛍光放電灯のコイル電極の選択の自由度が大きい利点を明らかにした。
【００９２】
図６及び図７から分かるように、上記の１次側電力Ｗ１ｎ又は２次側電力Ｗ２ｎについて成り立つ実験式は、いずれも、線径ｄ、コイル電極の巻数ｎ及び点灯時間ｔの間で相関があり、相関関係は一般式 Ｗ＝ｆ（ｄ，ｎ，ｔ）で表現できる。が、線径ｄ及び時間ｔとの相関関係はｎの値に比して小さいことが分かったので、上式はＷ＝ｆ（ｎ）で表現しても大きな誤りが無いことが明らかになった。相関関係を導入すると、1次側電力 Ｗ１ｎ＝ａｎ＋ｂｎ×ｎ、２次側電力 Ｗ２ｎ＝ｃｎ＋ｄｎ×ｎで表わせる。しかも。図６及び図７の実験式は一次関数で表され、前記勾配ｂｎ及びｄｎはｂｎ＞ｄｎの関係にあることが分かった。更に詳細には、ｂｎ／ｄｎ＝２〜７の範囲にあることが分かった。コイル電極蛍光放電灯の種類を変更すると、前記範囲は更に広がる。従って、この関係を利用して、コイル電極の巻数に応じて高周波電源６の１次及び２次側電力を精度よく選択することができ、逆に、１次及び２次側消費電力に合わせて、コイル電極の巻数を最適に決定することも可能になる。
【００９３】
上記コイル電極蛍光放電灯の応用として、複数管からなる集積蛍光放電灯の実施例を説明する。  図８はｎ本のコイル電極蛍光放電灯を並列接続して交流電源６の２次側電圧を印加して同時点灯させる集積コイル電極蛍光放電灯を示す。各ガラス管１４ａ、１４ｂ〜１４ｎは夫々の両端に、絶縁被覆電線からなるコイル電極対１５ａ及び１６ａ、・・・、１５ｎ及び１６ｎが形成されており、各コイル電極対には電圧印加線１３を通じて２次側電圧が供給される。この場合、電圧印加線１３に対して各コイル電極蛍光放電灯管のコイル電極は並列接続されている。
【００９４】
図９はコイル電極の電線の一端側を別の放電灯のコイル電極の起端側とし、各放電灯に一本の絶縁被覆電線を連続的に巻回して並列化した集積コイル電極蛍光放電灯を示す。各ガラス管１７ａ、１７ｂ〜１７ｎは夫々の両端にコイル電極対１８ａ及び１９ａ、・・・、１８ｎ及び１９ｎが形成されており、各コイル電極対には電圧印加線２１を通じて２次側電圧が供給される。この場合、絶縁被覆電線からなる電圧印加線２１を各コイル電極の電線に使用し、単一電線により集積コイル電極蛍光放電灯を並列接続している。
【００９５】
図１０及び図１１には、複数本のコイル電極蛍光放電灯から構成される集積コイル電極蛍光放電灯につき、蛍光放電灯の構成数（以下、蛍光灯管本数という）に対する、高周波電源６の１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）の変化を、コイル電極蛍光放電灯単体を含めて調べた。
【００９６】
図１０は、図８の並列接続方式による集積コイル電極蛍光放電灯に対する電力測定結果を示す。この測定では８本のコイル電極蛍光放電灯を並列接続した集積コイル電極蛍光放電灯を用いた。（１０Ａ）は、蛍光灯番号１〜８の蛍光灯単体に関して、点灯初期の１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）を示す。各コイル電極蛍光灯管の消費電力は、単体の場合変動は無視できる範囲にある。
【００９７】
（１０Ｂ）は、（１０Ａ）に示されるコイル電極蛍光灯管を並列接続して集積数（上限８）を増加した場合における、点灯初期の１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）を示す。１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）（変数ｙで表現）は蛍光灯管本数Ｎ（変数ｘで表現）の増加と共に増加し、線形依存性を示した。１次側電力ｙのコイル電極蛍光灯管本数ｘに対する実験式は、ｙ＝１．６７ｘ＋４．７８で表される。２次側電力の実験式は、ｙ＝０．２３ｘ−０．１３で表されることが分かった。
【００９８】
図１１は、図９の１本電線による接続方式による、集積コイル電極蛍光放電灯管で得たＷ１ＮとＷ２Ｎの測定結果を示す。コイル電極蛍光放電灯管数Ｎ＝１、２、３（総本数は３本）としたとき、交流電源６の１次側電力Ｗ１Ｎ及び２次側電力Ｗ２Ｎの変化を示す。この場合も、１次側電力Ｗ１Ｎ（Ｗ）及び２次側電力Ｗ２Ｎ（Ｗ）は集積コイル電極蛍光放電灯のコイル電極蛍光放電灯管数ｎに一次関数の依存性を示す。即ち１次側電力ｙはコイル電極蛍光放電灯管数ｘに対し、ｙ＝５．７６ｘ＋０．０４が成り立つ。また、２次側電力ｙはコイル電極蛍光放電灯数ｘに対して、ｙ＝０．９４ｘ−０．３４が成り立つ。
【００９９】
次に、図１０及び図１１の測定結果を纏める。１次側電力に関し、Ｗ１Ｎ＝ａＮ＋ｂＮ×Ｎ（ａＮ、ｂＮ：定数）が近似式として成立するので、この１次側電力の近似式に基づき、Ｎ本のコイル電極蛍光放電灯管を並列接続して高輝度発光を可能にした集積コイル電極蛍光放電灯管を実現することができる。同様に、交流電源６の２次側電圧についても、Ｗ２Ｎ＝ｃＮ＋ｄＮ×Ｎ（ｃＮ、ｄＮ：定数）が近似式として成立するので、この２次側電力の近似式に基づき、あるいは、前記１次側電力の近似式と併用して、Ｎ本のコイル電極蛍光放電灯を並列接続して高輝度発光を可能にした集積コイル電極蛍光放電灯を実現することができる。なお、集積コイル電極蛍光放電灯管の場合においても、前記勾配ｂＮ及びｄＮはｂＮ＞ｄＮの関係にある。図１０及び図１１の具体例では、ｂＮ／ｄＮ＝５〜７であり、蛍光灯の種類が変化すれば、この範囲は更に広がる。この関係を利用して、構成蛍光放電灯管数に応じて、１次及び２次側電力を精度よく選択することができ、逆に、１次及び２次側消費電力に合わせて、構成蛍光放電灯数を最適に調整することも可能になる。
【０１００】
集積コイル電極蛍光放電灯管の２次側電圧に関し、各社の蛍光灯を比較検討した。図１２は複数の市販の内部電極型蛍光放電灯と、それに使用されている高周波電源につき、コイル電極による集積蛍光放電灯化した場合の２次側電力変化を示す。Ｍ社製の内部電極型蛍光放電灯にコイル電極を施し、そのＭ社高周波電源を使用した場合には、２次側電力ｙはコイル電極蛍光放電灯数管数ｘに対して、ｙ＝０．７６ｘ−０．０２が成立する。Ｄ社製の内部電極型蛍光放電灯管にコイル電極を施し、そのＤ社交流電源を使用した場合には、２次側電力ｙはコイル電極蛍光放電灯管数ｘに対し、ｙ＝０．４２ｘ−０．２２が成立する。Ａ社製の内部電極型蛍光放電灯管にコイル電極を施し、電源にＡ社電源を使用した場合、２次側電力ｙはコイル電極蛍光放電灯管数ｘに対し、ｙ＝０．２３ｘ−０．１３が成り立つ。各社蛍光灯の勾配ｄＮが異なる理由は、各社蛍光灯の蛍光膜材料が相違することと考えられる。従って、より小さな勾配ｄＮを与える蛍光膜材料を選択することにより、一層の省電効果を奏することが可能になる。従って、図１０及び図１１に示した測定結果と同様に、各社蛍光灯の２次側電力につき、構成蛍光放電灯数に対する線形依存性が認められる。このことは同時に、各社蛍光灯の１次側電力も線形依存性を有することを意味する。これにより、他社市販の良品である内部電極型蛍光放電灯や廃棄品を再生して集積蛍光放電灯管を構成する場合においても、上記線形関係式に基づき、Ｎ本のコイル電極蛍光放電灯管を並列接続して、高輝度発光を可能にした集積コイル電極蛍光放電灯管を実現することが可能になる。
【０１０１】
上記図８又は図９の集積蛍光放電灯は、各コイル電極蛍光放電灯を平面型に並置した構成を有するから、天井や壁面に配置される照明用平面型光源に最適である。また、光源として無駄な容積を有さないから、室内インテリアの多様性に貢献できる。更に、この平面型光源は、液晶バックライトのような平型光源に好適である。
【０１０２】
図１３は、蛍光放電灯収納部２２内において７本のコイル電極蛍光放電灯管２３を相互にスペーサ（図示せず）により所定間隔だけ離間して束状に配置、集積した大型ランプ構造の集積蛍光放電灯を示す。各コイル電極蛍光放電灯管２３は両端にコイル電極２４、２５を有する。７本のコイル電極蛍光放電灯管２３の左右端に設けたコイル電極２４、２５は、並列接続部（図示せず）を介して電圧印加線２０に接続され、高周波電源６の高周波電圧が、コイル電極蛍光放電灯管２３の夫々に並列的に印加される。この集積型蛍光放電灯は、複数本のコイル電極蛍光放電灯管２３を束状に配置することにより、各コイル電極蛍光放電灯管２３からの放射熱量を間隙内に蓄積して、各コイル電極蛍光放電灯管２３内部の冷空気の対流による冷却を防止し、適度な温度に保持する作用を有する。
【０１０３】
コイル電極蛍光放電灯２３の内部には、上述のように、放電ガスとしてＡｒガス、及びＨｇ滴が包含されている。Ａｒは常時ガス状態で存在するが、Ｈｇは室温では僅かな量が蒸発し、多くは水銀滴として存在する。蛍光放電灯管の蛍光膜を発光させる254ｎｍ紫外線は、Ａｒガス中に気体として存在するＨｇ原子が励起した時に発生する。従ってＨｇ滴がＡｒガス中に蒸発する量により２５４ｎｍ紫外線強度が変わる。それにはＡｒガスの温度を上昇させて制御する。経験的には、Ｈｇ蒸気圧が０．７Ｐａ〜１．５Ｐａ程度であるとき、最適な光出力が得られるとされる。その最適温度範囲は放電ハンドブック等によると４０℃〜４５℃であるが、本発明者等の研究によれば７０℃前後に昇温しても差し支えない。高温度にすると３６５ｎｍの紫外線量が介入してくるが、２５４ｎｍ紫外線量も増加するので蛍光膜からのＰＬ輝度が著しく増加する。温度の上限は７０℃前後にある。１本の蛍光放電灯管では、放電管表面が冷空気と接触し、空気対流により常時放熱する。放電管の冷却を防止して最適温度を維持するためには、放熱量に相当する熱量をＡｒガス中で常時発生させる電力を印加しておかなければならない。従来の蛍光放電灯管の駆動では、冷却で損出する熱量でＡｒガスを加熱していた。換言すれば、蛍光放電灯管の消費電力でこの放熱電力だけ無駄に使用している。蛍光放電灯管内で熱を発生するのは、ガス原子のイオン化である。ガス原子のイオン化には、放電灯内の電子の運動エネルギーをイオン化電圧以上に加速する必要があり、それには放電灯管電極にＭＨｚにある高周波電界の印加か、又は高電圧の印加を必要とする。  本実施形態では、蛍光放電灯管を束状配置することによって蛍光放電灯管を相互に保熱し、更に蛍光放電灯収納管２２内に収納することにより保熱作用により束状配置した蛍光放電灯管内のガス温度を最適温度に速やかに上昇させ、ガス空間中の水銀蒸気圧を最適値にすることができる。
【０１０４】
図１４は、本発明において蛍光膜表面に導入する電子の挙動が、蛍光膜の荷電状態により変わる様子を説明する模式図である。ＦＬ管（蛍光放電灯管）内のガス放電に影響を与える蛍光膜の４つの荷電状態と電子軌道の変化を図１４に図解する。図１４（Ａ）は、ガラス管２の内壁面に市販放電灯用 (ＰＬ) 蛍光体粉を塗布して出来た蛍光膜２７の部分図である。市販ＰＬ用蛍光体の全粒子は持続性内部分極 (PIP)を製造時から保持して居ることを本発明者は発見し、粒子外にPIPの負電荷 (約 150 V )の電界を及ぼすことを想到するに到った。当然の理で市販PL蛍光体を使って作った蛍光膜２７の上面はPIPの負電荷で覆われる。そこに初速ゼロに近い電子源からの電子ｅが近づくと、電子ｅはPIPの負電界から静電反発を受け、蛍光膜上に入れない。それだけではない。ガス空間はガス原子の最外殻を充填している外殻電子による負電界で満ち、その電界強度は１０５Ｖ／ｃｍであるので、電子ｅはガス空間にも入れない。ガス原子は放電しない。即ちガス放電は点灯しない。
【０１０５】
図１４（Ｂ）に蛍光体粒子がPIPを持たない蛍光体を使用して作られた蛍光膜２８上には初速ゼロに近い電子が容易に導入でき、導入電子は蛍光膜表面を伝導する状態を矢印で示す。PIPを持たない蛍光体としては、種々検討した結果、15 V以下の低電子線の照射下で発光するCL蛍光体がある。代表的な蛍光体は、緑白色に発光するか、又は390 nmにピークを持って鋭い線状発光する酸化亜鉛 (ZnO) 蛍光体、ナトリウム塩化物を融剤に使わずに作られた青色発光硫化亜鉛(ZnS:Ag:Cl) 蛍光体、緑色発光硫化亜鉛 (ZnS:Cu:Al) 蛍光体，及び特殊条件下で作られたMgO粒子がある。蛍光膜に照射する電子のエネルギーを120Vまで上げると、酸化亜鉛過剰で製造された珪酸亜鉛 (Zn2SiO4:Mn) 蛍光体、表面を化学エッチングして作られた硫酸化イットリウム (Y2O2S:Eu or Tb)蛍光体、融剤を使用しないで作られた酸化イットリウム (Y2O3:Eu or Dy) 蛍光体、及び融剤を使用して粒子径を大きくした後に、表面に析出した融剤を酸で除去して表面を清浄にした酸化イットリウム蛍光体等が加わる。図１４（Ｂ）の例はZnO蛍光体で蛍光膜を作った場合を示す。蛍光膜表面に入った低速電子は、ＰＩＰ負電界が存在しないため、容易に蛍光膜上に入り、放電管の他端にある陽イオン源Ｂの電界により加速され、蛍光膜表面上を一方向に進み、ガス原子と衝突することなく、陽イオン源Ｂに到達し再結合によりガス原子に戻る。通常のFL管（管長50 cm）で一方向に進む電子軌道にガス原子が存在する確率は計算できる。その値は10-6であり、一方向に進む加速電子がガス原子と衝突する確率はゼロと考えて良い。表面伝導する電子によるガス原子の発光はない。CL蛍光体による蛍光膜表面を一方向に伝導する電子の検出は、蛍光膜上に故意に蛍光膜の突起を作り、印加電界の半周期をゼロ電位にすると、蛍光膜の突起した陰極側の側面に電子が周期的に衝突し、明るくＣＬ発光するが、陽極側の側面には電子が衝突しないので発光しない。この事実を肉眼観測により確認できる。
【０１０６】
図１４（Ｃ）は上記した発見を確認する目的で、蛍光放電灯管の蛍光膜の終端の小面積にZnO蛍光体粒子２８（ＰＩＰ無し）を塗布し、残りの大面積に市販ＰＬ蛍光体粒子を配列した蛍光膜２７（ＰＩＰ有り）で蛍光放電管内壁面を覆う。実験的には先ず市販ＰＬ蛍光体粒子をガラス内壁面に塗布し、乾燥してから結合剤を焼却する。ガラス端の蛍光膜を柔らかい布でふき取った後、ZnO蛍光体粒子２８を拭き取ったガラス内面に塗布する。乾燥してから結合剤を焼却する。この方法により、図１４（Ｃ）の蛍光膜が出来る。この蛍光膜による蛍光放電灯管の特徴は、蛍光放電灯管を長くすると、Ａｒガス中を移動する電子が、電極端から遠ざかるに従いＰＩＰの作用を強く受ける結果、陽光柱径が狭められ、蛍光放電灯管の中央部分が暗くなる。中央部を明るく発光させるには、電極に印加する電位を増加させるので、消費電力が増加する。
【０１０７】
この蛍光膜に本発明になる電子源を設置し、初速ゼロに近い電子を導入する。電子はZnO蛍光体粒子２８の配列した所で加速され、ガス原子の励起可能なエネルギーを持つ。加速電子は、しかし市販蛍光膜２７上に立ち入ることが出来ず、電子軌道を曲げてガス空間に入る。ガス空間に入った電子はガス原子と非弾性衝突し、ガス原子を励起し、ガス空間の放電を点灯する。この現象が蛍光放電灯管のガス放電の瞬時点灯となる。非弾性衝突した電子は、ガス空間から消えること無く高周波の波に乗り、高周波電界から適切なエネルギーを獲得し、次のガス原子を非弾性衝突で励起する。放電路を伝播する高周波の波と共鳴した電子はこの繰り返しによりガス原子を励起しながら放電管中を管端まで移動し、最後にイオンと結合して消える。蛍光放電管中を高周波の波と共鳴して移動する電子は、我々の眼で観察したとき、蛍光放電灯管は均一強度で発光する蛍光膜として観察される。
【０１０８】
放電路中を移動する電子は加速によりエネルギーを持ち、ガス原子と非弾性衝突をする。非弾性衝突した電子の軌道方向は無作為である。無作為方向に散乱された電子の中には蛍光膜に接近する機会を持つ電子があるが、蛍光膜にはPIP２６の負電荷が存在するので、その電子は蛍光膜に接近できず、陽光柱内に戻る。高周波の波に共鳴しているガス原子を発光させる電子の活動範囲は、ガス放電管の全空間ではなく、蛍光膜から一定の距離を保持した放電管の中央のガス空間内に限定される。それがPIP鞘２６に収められた陽光柱である。ガス原子は電気的に中性であり、電界や電荷の影響を受けず、放電管内に均一濃度で分布する。PIP鞘２６に収められた陽光柱と蛍光膜の間にガス原子（未励起ガス原子）が均一濃度で分布している。陽光柱で発光した光がガス原子の励起準位から基底準位への電子遷移で発生しているならば、発光した光はガス原子による吸収が許容となる。その場合陽光柱内で発光した光は陽光柱と蛍光膜間に介在するガス原子により吸収され、蛍光膜に届くのは吸収された残量になる。蛍光放電灯の場合、低圧Hg蒸気の発光を利用する。発光はHgの励起準位6pから基底準位6sへの電子遷移であるので、陽光柱と蛍光膜間に存在するHg蒸気により吸収を受ける。光は電荷を持たない粒子であるのでPIPの影響を受けず、陽光柱と蛍光膜間に存在するHg蒸気により吸収を受けた残量だけが蛍光膜に到達する。ハロ燐酸カルシウム蛍光体で蛍光膜を作った場合に相当する。ハロ燐酸カルシウム蛍光膜のＰＩＰ強度は管径を小さくしても変わらないので、陽光柱の直径が萎縮する。その結果、ハロ燐酸カルシウム蛍光膜で作られた蛍光放電灯管は管径を細くすると発光が著しく減少する。与えられた蛍光放電灯管で蛍光膜に到達する紫外線量を増加させるには、蛍光膜がPIP負電荷で覆われないようにすると良い。即ち、PIP鞘を作らないようにすると良い。更に次の事実を明らかに出来た。蛍光体粒子は大きな光屈折率を持った粒子であるので、紫外線の一部が蛍光膜の表層に配列した蛍光体粒子に突入し、発光中心に直接吸収されて可視光を発光する。表層粒子で反射した紫外線は散乱光となり蛍光膜の深部にある蛍光体粒子に突入するので，深部にある蛍光体粒子も発光する。蛍光膜は最適な層数でつくられる。
【０１０９】
最後に、図１４(Ｄ)に図示したように、PIPを持つ市販PL蛍光体２７とPIPを持たない低電圧CL蛍光体２８をガラス管内面に交互に配列する。PIP２６の作用は大いに減殺され，ガス放電の点火が早く、陽光柱の広がりによる輝度上昇が見られた。ここで低電圧CL蛍光体２５の選択が必要になった。低電圧CL蛍光体２５の候補は前記した。これ等の蛍光体のどれでもが使用できるとは限らない。市販されているこれ等の蛍光体の中には、表面処理と言って絶縁体の微細粒子が表面に付着している。他の場合、蛍光体製造時の処理が不十分で残留物が粒子表面に残っている。陽光柱から散乱により蛍光体粒子に照射した電子は、蛍光体粒子内に入り、蛍光体粒子から二次電子を真空中に放出する。その時蛍光体粒子の中に正孔を残す。この正孔と二次電子が真空中で結合し、金属陰極の場合と同様な機構で粒子表面に表面結合電子（SBE）を形成する。不純物が付着していると、その不純物の表面にもSBEが形成する。CL蛍光体粒子の発光は、電子の入射で蛍光体粒子内に沢山できる正孔と電子が発光中心で再結合して発光する。CL蛍光体粒子の表面が清浄であると、CL蛍光体粒子の表面にあるSBEは結合相手である蛍光体粒子内の正孔をCL発光により失う。相手を失った真空中の電子は自由電子となり、加速され電子軌道を陽光柱に曲げられ放電に寄与する。問題は粒子表面に付着している不純物上にできたＳＢＥである。PIPと等価の作用をもつ。困ったことに不純物上のSBEの消去はできない。この理由で、低電圧CL蛍光体の選別が大切となる。最も確かな低電圧CL蛍光体はZnO蛍光体である。ここでCL蛍光体の方がPL蛍光体より明るい理由を説明する。蛍光体粒子内に突入した１個の入射電子により作られる電子と正孔対数は入射電子が結晶格子と非弾性散乱する数に相当する（約1,000個）。一方、PL蛍光体粒子では一個の光子は一個の発光中心しか励起できない。CL蛍光体が明るい理由である。
【０１１０】
図１５は、本発明において低電圧電子線発光ＣＬ蛍光体粉と光発光ＰＬ蛍光体粉の混合粉で作られる最適な蛍光膜の状態を示す模式図である。蛍光放電灯管の内壁面にPL蛍光体２７と低電圧CL蛍光体２８を隣り合わせにして蛍光膜を製造するのは至難の業である。出版された論文、Journal Physics D Applied Physics, 32, (1999), pp 513-517（非特許文献１）によれば、FLの最適蛍光膜厚は蛍光体粒子の５層で出来ている。この蛍光膜に照射する電子の突入できる粒子は、最上層に配列した粒子だけである。散乱紫外線は粒子の荷電に影響を受けず、蛍光膜中に突入する。突入深度は粒子層数にして５層である。この理由で、市販蛍光体粒子２４を５層になるようにガラス管内壁面に塗布し、乾燥後低電圧CL蛍光体２８を市販蛍光体層２７の上に散布するように塗布すると、本発明になる蛍光膜が製造できる。このようにして作られた蛍光膜の模式図を図１５（Ａ）に示す。
【０１１１】
蛍光膜を2度に分けて塗布するのは、作業工程が複雑になる。蛍光体スラリーの一回塗布で蛍光膜を作る方法を考案した。市販PL蛍光体の平均粒子径を4 μmとする。低電圧CL蛍光体の粒子径を2 μmとする。粒子径が異なる2種類の蛍光体粉を、重量比でPL蛍光体：CL蛍光体＝７：３の割合で秤量し、秤量粉体を混合瓶に入れ、均一に混ざるまで混合し、蛍光体塗布液を作り放電管ガラス内壁面に塗布する。塗布液が乾燥しないとき、ガラス管壁に近い所には大きなPL蛍光体粒子２７が選択的に集まり、蛍光膜の表面に小さなCL蛍光体粒子２８が多く集まるので、図１５（Ｂ）に示した蛍光膜が得られる。図１５（Ｂ）の蛍光膜を使い蛍光放電灯管を作ると、表面層にあるCL蛍光体粒子はSBEを形成しないので、陽光柱内で高エネルギーを持った電子はCL蛍光体粒子に達する。その結果、陽光柱が蛍光膜の所まで接近して紫外線を放射する。この紫外線は未励起Hg原子が介在せず、より多くの紫外線がPL蛍光体層に入射する。その結果、蛍光膜のPL強度が増加する。ここに使用するCL蛍光体粒子の大きさは、PL蛍光体の平均粒子径が４μmであるとき、平均値で１μm〜３μmであるとき、良好な結果が得られた。この粒子径はPL蛍光体の粒子径により変わる。注意することは、CL蛍光体粒子が１μm以下と小さい時、粒子は蛍光膜の表面に配列せず、蛍光膜の乾燥時に蛍光膜の底に集まり、CL蛍光体粒子の効果は減退する。更に１μm以下と小さいCL蛍光体粒子をPL蛍光体粒子表面に付着させた場合、僅かな効果は期待できても、本発明になる蛍光膜構成の効果とは比較にならない程度であるので、実用では大きな差となる。
【０１１２】
本発明の重要な点を下記に記しておく。集積蛍光放電灯の最外周に配置した蛍光放電灯管の保熱管２２の外壁（ガラス管外壁）は温度の低い周囲空気に露出する。ガスのイオン化で加熱されたArガスにより加熱されるガラス管壁と室温との間にかなりの温度差（２０oC以上）があるので、空気対流によりガラス管壁は熱を失う。第三世代電子源からの電子を使用すると、単位時間当たりのガスのイオン化量が少ないので、蛍光放電灯管の温度が上がらず、最適水銀蒸気圧を与える温度より低い３０oC前後であった。一方、内側に配置した蛍光放電灯管は外側に配置した蛍光放電灯管により熱的に保護され、空気対流は少なく、外壁温度が４５oCから７０oC前後に上昇する。同量の電子数で水銀蒸気を励起し発光させているので、水銀蒸気の励起数は管中の水銀蒸気数に比例して増減する。蛍光放電灯管内の水銀蒸気数が少ないと暗くなり、水銀蒸気数が多くなると明るく発光する。集積蛍光放電灯では温度差による大きな輝度差が発生し、最外部に配列した蛍光放電灯管の発光は暗い。最外部に配列した蛍光放電灯管の保温をするには、集積蛍光放電灯をよりやや太いガラス管内２２に挿入し、ガラス管端を断熱材で封じると、最外部に配置した蛍光放電灯管は内部配置蛍光放電灯と熱平衡状態になり、集積蛍光放電灯管の全てが均一輝度で発光する。その結果、累積蛍光放電灯の輝度は、集積した蛍光放電灯管数の倍数で増加する。
【０１１３】
上述した結果は次の分野への応用ができることを示す。集積蛍光放電灯はコイル電極型蛍光放電灯管を束ねて作るほかに、この束を解き、平面に配列する。このとき各コイル電極型蛍光放電灯管を放電灯管の外径より僅かに大きな内径にある保熱管（ガラス管）内に挿入し、ガラス管の両端を断熱材で封じ、蛍光放電灯管を外部空気と断熱すると、各蛍光放電灯管の温度は最適な水銀蒸気圧を与える温度に保温できる。空気に露出した蛍光放電灯管で最適な水銀蒸気圧を与える温度に保温するに必要なガスのイオン化エネルギーは必要でなくなる。その結果、平面上に配列した外部電極蛍光放電灯管（EEFL）の点灯に必要な消費電力は数分の一と少なくても高輝度な平面型光源が得られる。この平面型光源をLCDのバックライトに使用した時、点灯速度がミリ秒単位であるので、平面上に配列した集積蛍光放電灯を幾つかのブロックに分割し、分割した各集積蛍光放電灯を順次に線走査できる。バックライトを分割して線順次走査すると、LCDのスクリーンには、LEDをバックライトに使用した場合よりも遥かに高輝度であり、炭の黒さを基準としたコントラストにより、鮮明な映像が映し出される。上述した効果は、内部電極の表面に電気絶縁体である蛍光体粒子を適度の厚さに塗布した蛍光体粒子層絶縁型内部電極による蛍光放電灯管でも得られるのは勿論である。更に、平面上に配列した集積蛍光放電灯を幾つかのブロックに分割し、各ブロックを順次に発光させると、点灯電力を更に減少させた平面型照明光源が得られる。
【０１１４】
本実施形態に係る集積コイル電極蛍光放電灯の管軸方向の長さは限定されず、任意の長さにしても放電に関与する電子数は同じで、ガス原子と非弾性衝突してガス原子を発光させる繰り返し数のみが増えるだけであるので、消費電力は殆ど変らず、発光する蛍光膜の面積のみが増加する。その結果、輝度のみが集積蛍光放電灯の軸方向の長さに比例して増加する。家庭の居間や、高層ビルの事務所の照明光源として天井に配置して使用するときには、長い集積蛍光放電灯の使用を推奨する。適度の照度を得るに必要な蛍光放電灯数は、集積蛍光放電灯を使用すれば大幅に減少する。更に集積蛍光放電灯は駆動電源回路の電力を含め、同一照度を得るに必要な使用電力を従来の金属電極による蛍光放電灯の点灯の１０分の一以下に出来る。その上で、集積蛍光放電灯は点灯時の蛍光放電灯管のガラス管表面温度は水銀蒸気圧を最適にする５０oCから７０oC前後に保たれるが、集積蛍光放電灯を挿入する外管２２で熱遮蔽されているので、空気の熱対流が抑制される。外管内を真空にして魔法瓶構造にすると熱遮蔽の効果は強調される。夏場の事務室の冷房電力をも大幅に節減する利点を持つ。
【０１１５】
蛍光放電灯管の管径を20 mmよりも太くすると、蛍光放電管中に形成する陽光柱内に励起されないHｇガスが存在し、陽光柱内でHgが発光した254 nm紫外線を自己吸収する結果、発光効率が低下する。この理由で、集積蛍光放電灯には、管径20 mm以上の蛍光放電灯管を使用しない方が好ましい。しかし、使用は限定されず、管径20 mm以上の蛍光放電灯管を使用し、集積蛍光放電灯を作っても差し支えない。
【０１１６】
上記したコイル電極蛍光放電灯管の両菅端に、従来の蛍光放電灯点灯装置のソケットに嵌め合わせ可能な口金を装着すると、従来の蛍光放電灯点灯装置を置換する必要がなく、省電で寿命の長いコイル電極蛍光放電灯管を装着できる利便性が実現する。コイル電極蛍光放電灯管を点灯するに必要な電源は小型化でき、従来の蛍光放電灯点灯装置内部に収納可能である。上記したように開発したコイル電極蛍光放電灯管は大きな工事費を使わずに、従来の蛍光放電灯管と置換して点灯できるので、その経済的な効果と、資源節約、CO2ガスの放出を大きく抑制できる照明光源を提供する。
【図１】
0005600590.tif 000002
【図２】
0005600590.tif 000003
【図３】
0005600590.tif 000004
【図４】
0005600590.tif 000005
【図５】
0005600590.tif 000006
【図６】
0005600590.tif 000007
【図７】
0005600590.tif 000008
【図８】
0005600590.tif 000009
【図９】
0005600590.tif 000010
【図１０】
0005600590.tif 000011
【図１１】
0005600590.tif 000012
【図１２】
0005600590.tif 000013
【図１３】
0005600590.tif 000014
【図１４】
0005600590.tif 000015
【図１５】
0005600590.tif 000016
【図１６】
0005600590.tif 000017