(57)【要約】      （修正有）【課題】蛍光灯管寿命をＬＥＤ並みに伸ばし、消費電力を半減以下にすることでＬＥＤ、ＥＬ以上の照明効果と経済性が向上する安定器を提供する。【解決手段】蛍光灯管の消費電力を低減するため、高周波電圧を蛍光灯管の両端の電極の一方に陰極を繋ぎ、もう一方に陽極を繋ぐ、この接続は複数の場合は直列接続とする。蛍光灯管流す電流は定電流制御をしているため、直列接続することで複数の蛍光灯管を１本の蛍光灯管として電子放電を可能としている。高周波電圧により蛍光灯管内部のエミッタ端子（電極柱）から電子放電する。電子放電の起動は定電流コントロールで制御された高周波電圧で瞬間起動することとなる。プログラム式安定器に高周波電圧を印加させるホットコールド式を加味し、安定器コイルの電流変化を定電流コントロールさせながら高周波電圧で蛍光灯管を放電起動させることで起動時消費電力の低減と点灯中の消費電力を大幅に抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光灯管の単一電極に導電させ消費電力を低減させるための蛍光灯管用安定器
【請求項２】
前項の安定器は蛍光灯管内に配設された放電生起用の内部電極一端子電極から高周波電圧により蛍光灯管を放電発光させることを特徴とする蛍光灯管用の安定器。
【請求項３】
前項安定器は蛍光灯管を直列導通接続して高周波電圧を印加し複数の蛍光灯管を直列導通放電発光させることを特徴とする安定器。
【請求項４】
前項安定器は蛍光灯管に放電させる電流を一定値に制御することを特徴とする安定器。
【請求項５】
前項安定器に電流抑制スイッチを保持していることを特徴とする安定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、照明に用いられる蛍光灯管の消費電力を低減するために電流を一定に制御し、基本放電方法を変え、放電に必要な電力を低減点灯するにもかかわらず、従来の蛍光灯管の明るさで発光させる安定器に関する。
【背景技術】
【０００２】照明の歴史は焚き火の燃えさしから始まった松明、植物油、石油、蝋燭、石炭ガスなどの燃焼と進み、照度の向上を果たしてきた。光源の照度変革の歴史を大きく変えたのは近代科学の基礎となる電子の発見であった。電子の発見後は電子の動きを利用したタングステン電球と蛍光灯管が開発され世界中で広く実用されている。最近では同じ電子を利用する発光ダイオード（ＬＥＤ）、無機電界発光（ＥＬ）有機電界発光（ＯＬＥＤ）が提案され、その評価が進められている。しかし電子を利用した各種光源も一長一短である。【０００３】タングステン電球は、電子の動きの抵抗から発生するジュール熱によりタングステン金属を高温度（３，０００℃近く）に加熱して得られる光を利用する。入力電力に対する可視光へのエネルギー変換効率は約０．８％と低いが、変換効率を金属の軟化点である高温度まで保持できるので、入力電力の増減により広範囲の光度が得られる。この理由で現在でも照明光源として広範囲で利用されている。タングステン電球は最も安価に製造できる光源で、世界で手軽な照明光源として使用されている。短所は消費電力の多さと短寿命約５００時間である。加熱した金属は蒸発するので、点灯時間が経過するとタングステンフィラメント線が細くなり、電気抵抗の増加により断線する。【０００４】蛍光灯放電管は、Ｈｇガスの不可紫外線発光を、ガラス管内壁面に塗布した蛍光膜により可視光に変換した光源で、エネルギー変換効率は約２０％である。タングステン電球と比べエネルギー変換効率はよいが製造コストが高くなる。熱の発生が少ないのとタングステン電球より寿命が長いので事業所などの主照明につかわれている。
蛍光灯管の放電は放電に必要な電子を冷陰極電極か熱陰極電極から取り出している。これらの電極に共通する事項は、電極から取り出した電子が高エネルギーを持ち、ガス空間に強引に突入させる方式であるから電子がガス放電に必要なエネルギー値に減少するまで、複雑な現象が介入し、おおきな陰極電圧降下をひきおこしていたことである。この陰極電圧降下は発光にまったく関与しないので完全なエネルギー損失となる。前記ガス放電に必要なエネルギー値は蛍光灯管全体の点灯に要するエネルギーの約４０％となる。
蛍光灯管の寿命は主に電子を放出する電極の陽イオンによるスパッターに原因する。蛍光灯管寿命はタングステン電球よりも長く一般に３，０００〜６，０００時間前後である。そして蛍光灯管の放電発光には必ず蛍光ランプの点灯には、ランプの放電を開始し、放電の安定を維持する蛍光灯安定器を必要する。基本放電安定器はラピット式、グロー式、プログラム式、インスタント式、電子式とある。インスタント式には瞬間高電圧を印加するホット、ホットコールドケソード式，バックライトに使うクールケソード式（一般的にＣＣＦＬと呼ばれている）、フィラメントがなく、外部に電極を有し瞬間１，５００Ｖ以上の高電圧を印加するＥＥＦＬ式がある。【０００５】ＬＥＤは近代電子産業技術の応用例として開発された。ＬＥＤは無機元素の薄膜を多層に重ね合わせた素子でつくられる。ＬＥＤを発光させるにはＬＥＤの薄膜層に電子を注入し、発光中心で注入電子と正孔が再結合したときに発光する。ＬＥＤの問題は注入電子の約半数が発光に寄与するが、残り半数の電子は発光中心で発光できず、熱に変換する。発光強度は注入する電子数に比例するが、ＬＥＤの温度も比例して高温度となる。ＬＥＤを７０℃前後に加熱しても発光強度の経時変化は無視できる。ＬＥＤを１００℃以上に加熱すると薄膜中心（不純物）が熱により薄膜内から薄膜外に拡散するので発光中心数が時間の経過とともに減少する。発光強度は温度と時間の経過により急激に減少する。実用ＬＥＤ輝度の操作条件では、ＬＥＤは２０℃前後になる。目が輝度を視認するときに現れる残存効果を利用し、パルス発光で温度上昇を防ぐが、本質的な解決策でない。発熱の問題を基本から変えることはできない。さらに演色性については蛍光灯管にはおよばないのが現状である。【０００６】ＥＬも無機材料素子の薄膜の積層でつくられ、動作原理はＬＥＤと同じで注入電子と正孔が発光中心で再結合して発光する。各薄膜層の厚みはＬＥＤよりも遥かに厚いので、ＥＬを発光させるには高電圧の印加が必要である。発光強度は入力電力に比例して増加する。ＥＬの主課題は、高輝度を得ようとすると薄膜層が放電破壊する。放電破壊がＥＬの最大輝度を規制する。
寿命の問題は発光中心の拡散による輝度劣化である。ＥＬの研究開発は５０年あまりもつづけられ、その間上記問題は本質的に改善に苦慮しているのが現状である。【０００７】上記にある開発照明光源のＬＥＤ、ＥＬは実用投入されているが発熱の問題、演色性、色温度など蛍光灯管との比較では解決すべき主要な問題が残っている。残る照明光源は、蛍光灯管である。蛍光灯管はの開発研究は５０年余と長く、さらに蛍光灯管の基本となる放電の研究は１００年以上と長い。この事実から蛍光灯管の技術は開発済みと一般的に考えられ、今後新照明光源のＬＥＤ、ＥＬに市場は変わっていくと考えられている。現状はパルス発光のＬＥＤ照明の直線光、演色性、色温度による物体のさまざまな見え方が蛍光灯管と比べおおきな隔たりがあることが判明してきている。光の見え方違いによる作業障害、演色性不足・照度不足による事物の再現色性の劣化、色温度の違いによる精神的影響などＬＥＤの問題点がうきぼりとなっている。市場に投入されているＬＥＤ導入の要因は半減以下の電力消費、蛍光灯管にくらべ数倍の寿命があるということで導入している事業所がふえているが、演色性、色温度など長期間事業をするための影響などは一般的に考慮されてないのが現状である。
したがって本発明者は蛍光灯管寿命をＬＥＤ並みに伸ばし、消費電力を半減以下にすることでＬＥＤ、ＥＬ以上の照明効果と経済性が向上することとなる。本発明者は前記条件を安定器の改良で解決する手段を開発した。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】本発明の目的は、照明に用いられる蛍光灯管の消費電力を低減するために電流を一定に制御し、基本放電方法を変え、放電に必要な電力を低減点灯するにもかかわらず、従来の蛍光灯管の明るさで発光させる安定器を提供することにある。
現在使用されている蛍光灯管は簡単である、真空封印したガラス管内には適量のＡｒガスとＨｇが含まれ、金属電極がガラス管の量端に内臓され、ガラス管の内壁には紫外線を可視光線に変換する蛍光膜が塗布されている。金属電極は金属棒の伝導体を介して外部電源と接続する。放電は金属柱から接続するフィラメントにサイン波の交流電位を印加し、フィラメントから電子を真空中に取り出し、取り出した電子を加速し、蛍光灯管の両端にある電極間の空間に介在するＡｒとＨｇガスに衝突させ、放電を引き起こす。放電では励起Ｈｇガスが放射する不可視の２５４ｍｍ紫外線の発生は蛍光灯管の内壁面に塗布した、蛍光膜上に照射する。蛍光膜が不可視紫外線光を可視光線に変換し、蛍光管が光る。蛍光灯管フィラメントから真空中に電子を放射する材料は加熱したタングステンフィラメントを超酸化物で覆うと熱電子が容易に放射されるエミッタと呼ばれるＢａ酸化物がおおわれているものが多く採用されている。
しかし、蛍光灯管の放電は放電に必要な電子を冷陰極電極か熱陰極電極から取り出す、これらの電極に共通する事項は、電極から取り出した電子が高エネルギーを持ち、ガス空間に強引に突入させる方式であるから電子がガス放電に必要なエネルギー値に減少するまで、複雑な現象が介入し、おおきな陰極電圧降下をひきおこしていたことである。課題として、この陰極電圧降下は発光にまったく関与しないので完全なエネルギー損失となる。前記ガス放電に必要なエネルギー値は蛍光灯管全体の点灯に要するエネルギーの約４０％となる。また、蛍光灯管の可視光に変換した光源で、エネルギー変換効率は約２０％である。
【０００９】蛍光灯管の寿命の課題として、金属陰極を使用した蛍光灯管の電極では熱陰極蛍光灯管、冷陰極蛍光灯管に関係なく金属陰極素材が蒸発する問題が存在する。陰極電極の蒸発は、ガス中から質量の大きな陽イオンが陰極に衝突する。陽イオンの衝突により、金属電極の極小部分では金属が蒸発する高温度まで瞬時に過熱される。蒸発した金属元素は温度が低い電極周辺のガラス管内壁に塗布した蛍光膜上に堆積する。この現象をスパッタリングと呼び、金属元素のスパッタリングでできた薄膜内には、蛍光灯管（放電管内）にあるＡｒガスとＨｇ蒸気が吸着され、蛍光灯管内のガス量の減少が点灯時間の経過により進み、蛍光灯管の寿命を短くする要因である。
【００１０】基本的放電はラピット式、グロー式、プログラム式、インスタント式、電子式とある。インスタント式には瞬間高電圧を印加するホットコールドケソード式、バックライトに使うクールケソード式（一般的にＣＣＦＬと呼ばれている）、フィラメントがなく外部に電極を有し瞬間１，５００Ｖ以上の高電圧を印加するＥＥＦＬ式の安定器はあるが基本式放電は放電のためのエミッタを加熱工程でのエネルギー損失、点灯中の電流変異によるエネルギー損失を起こしている。
前記の損失要因を安定器の改良により解決することが必要と考えた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明は、照明に用いられる蛍光灯管の消費電力を低減するため、放電のためのエミッタ加熱工程でのエネルギー損失、点灯中の電流変異によるエネルギーを損失している損失要因を安定器の改良により解決するために、電流を一定に制御し基本放電方法を変え、放電に必要な電力を低減点灯するにもかかわらず、従来の蛍光灯管の明るさで発光させる安定器に関する。
【００１２】蛍光灯管の放電は放電に必要な電子を冷陰極電極か熱陰極電極から取り出して、電極から取り出した電子が高エネルギーを持ち、ガス空間に強引に突入させる方式であるから電子がガス放電に必要なエネルギー値に減少するまで、複雑な現象が介入し、おおきな陰極電圧降下をひきおこしていたことである。この陰極電圧降下は発光にまったく関与しないので完全なエネルギー損失となる。前記ガス放電に必要なエネルギー値は蛍光灯管全体の点灯に要するエネルギーの約４０％となる。また、蛍光灯管の可視光に変換した光源で、エネルギー変換効率は約２０％である。すなわち、全体エネルギーの１０％以下で発光がなされている。エネルギー損失を防ぐためには、高周波電圧をかけ、エミッタを加熱せず通電から直接放電することでエネルギー損失を大幅に減少することを発見した。
【００１３】また、エミッタからのスパッタリング現象を低減する方法として蛍光灯管の陰極と陽極の直前の狭いエミッタで印加電圧が大きく変化すると、発光と無発光が繰り返され、不規則発光が陰極側で発生する。この陰極電圧降下の解消が蛍光灯管の省エネルギーにつながる。したがって高周波電圧をかけながらも陰極電圧降下を抑えるため安定器側で一定電流を保持し、定電流コントロールすることで大幅に改善することを発見した。本発明はエミッタからのスパッタリング現象を低減するができ、フィラメントタングステンの劣化を低減することできる、その結果蛍光灯管寿命を大幅に長期化できた。これはＬＥＤの長寿命化に匹敵することとなる。
【００１４】本発明は高周波電圧を蛍光灯管の両端の電極の一方に陰極を繋ぎ、もう一方に陽極を繋ぐ、この接続は複数の場合は直列接続とする。蛍光灯管に流す電流は定電流制御をしているため、直列接続することで複数の蛍光灯管を１本の蛍光灯管として電子放電を可能としている。
高周波電圧により蛍光灯管内部のエミッタ端子（電極柱）から電子放電する。電子放電の起動は定電流コントロールで制御された高周波電圧で瞬間起動することとなる。プログラム式安定器に高周波電圧を印加させるホットコールド式を加味し、安定器コイルの電流変化を定電流コントロールさせながら高周波電圧で蛍光灯管を放電起動させることで起動時消費電力の低減と点灯中の消費電力を大幅に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】本発明はホットコールドケソード式の定電流コントロールで制御された高周波電圧で瞬間起動し、陰極電圧降下を低減させるプログラミング制御を行うことで、大きな省エネ効果を生むこととなる。すなわち、蛍光灯管の点灯に必要な開始電圧を高周波電圧で一電極柱に集中一瞬放電させることによりエミッタに余熱電圧をかけることなく、高周波電圧の印加とともにエミッタ電極柱より起動放電発光させる。電流は定電流コントロールするプログラミング部分で一定制御されているため、高周波電圧をかけながらも陰極電圧降下を抑制することができる。蛍光灯管の陰極と陽極の直前の狭いエミッタで印加電圧が大きく変化すると、発光と無発光が繰り返され、不規則発光が陰極側で発生する陰極電圧降下現象で損失するエネルギーを、高周波電圧の断続時の降下時に定電流コントロールすることで前記現象を抑制することができる。このため蛍光灯管の起動時のエネルギー損失、高周波電圧の断続時の陰極電圧降下時エネルギー損失を抑制することで、大幅なエネルギー損失を防ぐことができ、本来蛍光灯管全体の点灯に要するエネルギー損失約４０％を約半減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【実施例１】本発明にかかる蛍光灯管の消費電力を低減させるための蛍光灯管用安定器の構成について以下に詳しく説明する。【００１６】本発明安定器から印加した電圧をコントロールする定電流プログラミングコントローラ２で瞬間高周波電圧をかけるホットコールドケソード式コンデンサ１により、蛍光灯管のエミッタ５部分を加熱することなく蛍光灯管エミッタ電極柱４より放電発光させる。放電は高周波電圧を印加すると、蛍光灯管内部のＡｒ６をイオン化し、このイオン化による放出される電子を用いてＨｇ７を励起して紫外線を発光させる。高周波電圧は０．４ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの周波数と８０Ｖから１，２００Ｖの電圧により、蛍光灯管を好適な照度で安定して点灯させることができる。高周波で点灯をするラピッドスタート方式では、フィラメントに３〜６Ｖの予熱電圧が放電開始後も継続的に予熱されていると、不要な電力が浪費されているが、本発明は、フィラメントに予熱電圧を加えず瞬間高圧を発生させて点灯電流制御を介して一定の電流が適切な照度で安定して点灯させることができる。【００１７】図１は本発明にかかわる安定器の構成概略図である。蛍光灯管のエミッタ５部分を加熱することなく蛍光灯管エミッタ電極柱４より放電発光させるホットコールドケソード式高周波印加用コンデンサ１、高周波電圧の断続時の陰極電圧降下時エネルギー損失を抑制するともに蛍光管放電起動をする定電流プログラミングコントローラ２、過電流を防ぐ電流制御スイッチ３とから構成する。【００１８】プログラミングされたホットコールドケソード高周波電圧印加用コンデンサ１は蛍光灯管のエミッタ５を余熱せず、高周波電圧を印加することにより、蛍光管放電起動し水銀蒸気の蒸気が蛍光灯管ガラス内面に形成された蛍光膜８に到達し可視光線に変換される。４０Ｗ蛍光灯管で周波数が５０〜７０ｋＨｚ電圧振幅が８００〜１，０００Ｖで電力消費量は約２０Ｗｈとなった。従来のグロー放電式蛍光灯管では約５０Ｗｈ、インバータタイプの蛍光灯管で約３６Ｗｈとなることと比較して、本発明の安定器により従来形安定器の約半分の消費電力になることがわかった。また、直列する複数蛍光灯管を安定して発光させるには高周波電圧上げることで解決することがわかった。実験によれば４０Ｗ蛍光灯管を５本直列導通させて、高周波電圧を５８ｋＨｚで電圧を１、３００Ｖで消費電力が９０Ｗｈとなった。インバータータイプの安定器の場合は２００Ｗｈとなることから、本発明により大幅な省エネルギー化が図られたことがわかる。【００１９】本発明の安定器は高周波電圧で放電起動後は定電流プログラミングコントローラー２で一定電流を制御することで、安定的かつ省エネルギーで電圧をコントロールし、高周波電圧の断続時の陰極電圧降下時エネルギー損失を抑制する役目をはたす。また、高周波電圧の断続でおきる高電流を制御する電流制御スイッチ３を設けることで、過電流と漏電を回避する役目をはたす。定電流プログラミングコントローラ２の制御電流は蛍光灯管４０Ｗ２灯及び１１０Ｗ１灯で８０〜２５０ｍＡでコントロールする、直列複数導通接続の場合は複数合計の制御消費電力量によって定電流プログラミングコントロールする。４０Ｗ２灯複数導通接続の場合は約２００ｍＡで制御し、消費電力が約２０Ｗｈとなる。したがって入力電圧と直列複数蛍光灯管の定格Ｗ数の約半減するよう消費電力を抑制する定電流プログラミングコントロールした。なお、定電流プログラミングコントロールすることにより、消費電力コントロールも可変することができる。
【実施例】
【実施例２】
【００２０】本発明安定器から印加した電圧をコントロールする定電流プログラミングコントローラ１１で瞬間高周波電圧をかける高周波式コンデンサ９により、蛍光灯管のエミッタ１３部分を加熱することなく蛍光灯管エミッタ電極柱１２より放電発光させる。したがって蛍光灯管内の電極フィラメントが断線していた場合も一端子電極から放電発光することがわかった。このことは、蛍光灯管内部金属電極の金属中がある間は、放電発光することとなり、従来蛍光灯管の約８，０００時間といわれている寿命が大幅に延長することとなる。本発明者の実験によると約３０，０００時間をこえ、なおも通常どおり点灯し続けている実験結果を得ている。放電は高周波電圧を印加すると、蛍光灯管内部のＡｒ１４をイオン化し、このイオン化による放出される電子を用いてＨｇ１５を励起して紫外線を発光させる。高周波電圧は０．４ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの周波数と８０Ｖから１，２００Ｖの電圧により、蛍光灯管を好適な照度で安定して点灯させることができる。【００２１】図２は本発明にかかわる安定器の構成概略図である。蛍光灯管のエミッタ１３部分を加熱することなく蛍光灯管エミッタ電極柱１２より放電発光させる高周波印加用コンデンサ９、高周波電圧の断続時の陰極電圧降下時エネルギー損失を抑制するため高周波電圧を断続させず、高周波電圧を連続コントロールする高周波連続コントロールスイッチ１０。高周波コンデンサ９で放電起動し、安定点灯をコントロールする定電流プログラミングコントローラ１１、から構成する。【００２２】プログラミングされた高周波電圧印加用コンデンサ９は蛍光灯管のエミッタ１３を余熱せず、高周波電圧を印加することにより、蛍光管放電起動し水銀蒸気の蒸気が蛍光灯管ガラス内面に形成された蛍光膜１６に到達し可視光線に変換される。４０Ｗ蛍光灯管で周波数が５０〜７０ｋＨｚ電圧振幅が８００〜１，０００Ｖで電力消費量は約２０Ｗｈとなった。従来のグロー放電式蛍光灯管では約５０Ｗｈ、インバータタイプの蛍光灯管で約３６Ｗｈとなることと比較して、本発明の安定器により従来形安定器の約半分の消費電力になることがわかった。また、直列する複数蛍光灯管を安定して発光させるには高周波電圧上げることで解決することがわかった。実験によれば４０Ｗ蛍光灯管を５本直列導通させて、高周波電圧を５８ｋＨｚで電圧を１、３００Ｖで消費電力が９０Ｗｈとなった。インバータータイプの安定器の場合は２００Ｗｈとなることから、本発明により大幅な省エネルギー化が図られたことがわかる。【００２３】本発明の安定器は高周波電圧で放電起動後は定電流プログラミングコントローラー１１で一定電流を制御することで、安定的かつ省エネルギーで電圧をコントロールし、高周波電圧を連続抑制コントロールするため、高周波電圧の断続時の陰極電圧降下時エネルギー損失を抑制する役目をはたす。定電流プログラミングコントローラ１１の制御電流は蛍光灯管４０Ｗ２灯及び１１０Ｗ１灯で８０〜２５０ｍＡでコントロールする、直列複数導通接続の場合は複数合計の制御消費電力量によって定電流コントロールする。【００２４】図３は４０Ｗ２灯蛍光灯管１を本発明安定器２に導通接続の場合は約２００ｍＡで制御し、消費電力が約２０Ｗｈとなった。したがって入力電圧と直列複数蛍光灯管の定格Ｗ数の約半減するよう消費電力を抑制する定電流コントロールする。なお、高周波電圧印加用コンデンサ９を可変することにより蛍光管の数量を４本あるいは５本と複数可変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】安定器の構成概略図および蛍光管作用図  １：ホットコールドケソード式高周波印加用コンデンサ  ２：定電流プログラミングコントローラ  ３：電流制御スイッチ  ４：エミッタ電極柱  ５：エミッタ  ６：Ａｒ  ７：Ｈｇ  ８：形成された蛍光膜
【図２】安定器の構成概略図および蛍光管作用図  ９：高周波印加用コンデンサ  １０：高周波連続コントロールスイッチ  １１：定電流プログラミングコントローラ  １２：エミッタ電極柱  １３：エミッタ  １４：Ａｒ  １５：Ｈｇ  １６：形成された蛍光膜
【図３】安定器の接続例  １：蛍光管  ２：本発明安定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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