(57)【要約】【課題】高温においても追加の冷却部材を使用せずに、磁気飽和を回避できる無電極放電ランプを提供する。【解決手段】エンベロープ３に設けられた凹部キャビティ２内に誘導コイル１を備えた無電極放電ランプにおいて、誘導コイル１の磁心１ｂに巻回された巻き線１ａは中間部分１０１を隔てた二つの第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂに分割されている。また、誘導コイル１によって生じる放電プラズマの中心は、巻き線１ａにおける中間部分１０１の間に存在する。このような構成を採用することにより、磁心１ｂの局所発熱を抑制でき、磁気飽和を回避できる。【選択図】図１
2005158356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性ガラスから形成されたエンベロープと、
前記エンベロープの内部に充填された可電離性の封入ガスと、
前記エンベロープの内側に向けて陥入した凹部キャビティと、
前記凹部キャビティの内部に配置された誘導コイルであって、軟磁性材料から形成された磁心、および前記磁心を巻回する巻き線を有する誘導コイルと、
前記誘導コイルの巻き線に高周波電流を供給する電源回路と、
を備え、
前記巻き線は、
単位長さあたりの巻き数Ｎａ［turns/cm］がＮ１［turns/cm］以上の第１ソレノイド部分と、
単位長さあたりの巻き数Ｎｂ［turns/cm］がＮ１［turns/cm］以上の第２ソレノイド部分と、
単位長さあたりの巻き数Ｎｃ［turns/cm］が０以上Ｎ２［turns/cm］以下（Ｎ１＞Ｎ２）であり、前記第１ソレノイド部分と前記第２ソレノイド部分とを電気的に接続し、かつ、長軸方向長さが前記磁心の直径の２０パーセント以上である中間部分と、
を有しており、前記電源回路から供給される高周波電流によって前記エンベロープ内にトロイダル状放電プラズマによる単一の放電ループを形成する、無電極放電ランプ。
【請求項２】
前記放電ループの電子密度が最大となる点を結ぶ曲線を含む平面は、前記誘導コイルの巻き線に含まれる前記中間部分と交差する請求項１に記載の無電極放電ランプ。
【請求項３】
Ｎ１は２０［turns/cm］以上であり、Ｎ２は０より大きく１０［turns/cm］以下である請求項１または２に記載の無電極放電ランプ。
【請求項４】
Ｎｃ［turns/cm］は、Ｎａ［turns/cm］の２０パーセント以下となるように設定されている請求項１から４のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項５】
前記巻き線の中間部分は、前記磁心を巻回することなく前記磁心の長軸方向に沿って延びている請求項１から３のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項６】
前記巻き線の第１ソレノイド部分の長軸方向長さおよび巻き数Ｎａは、前記巻き線の第２ソレノイド部分の長軸方向長さおよび巻き数Ｎｂと略等しい請求項１から４のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項７】
前記巻き線の中間部分の長軸方向長さは、前記第１ソレノイド部分の長軸方向長さよりも小さい請求項１から６のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項８】
前記磁心は、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトから形成されている請求項1から７のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項９】
前記磁心は、Ｎｉ−Ｚｎ系のフェライトから形成されている請求項1から７のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項１０】
前記巻き線はリッツ線である請求項1から９のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【請求項１１】
前記磁心は、内部に長軸方向に延びる空洞を有し、
前記空洞の内部に熱伝導部材が形成されている、請求項1から１０のいずれかに記載の無電極放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無電極放電ランプに関し、特に、磁心および誘導コイルの温度上昇が抑制された構造を持つ無電極放電ランプに関している。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業製品の分野においては、省エネルギーや省資源を実現し、地球環境を保護することが大きな社会的要請となっている。照明用光源の技術分野においても、こうした要請に応えるため、効率が高く寿命の長い光源の開発が急務となっている。
【０００３】
現在普及している照明用光源には、金属フィラメントの熱放射を利用する白熱電球や、プラズマ放電を用いて電気エネルギーを光に変換する放電ランプがある。白熱電球と放電ランプとを比較すると、光への変換効率は放電ランプが白熱電球に比べて数倍高い。また、放電ランプの中でも、特に水銀プラズマからの紫外線（主に２５３．７ｎｍ）を蛍光体によって可視光に変換する蛍光ランプは、変換効率が高いだけではなく、寿命も白熱電球よりも５倍程度長い。このため、白熱電球を代替し得るコンパクト蛍光ランプが注目されている。
【０００４】
蛍光ランプの最大の寿命抑制要因は、プラズマと接触する位置に設けられた電極である。このため、さらに寿命を延ばすため、このような電極を使用しない、いわゆる「無電極放電ランプ」が発達してきている。
【０００５】
従来の無電極放電ランプとしては、ソレノイドコイルを発光管内に挿入して高周波電流を流し、電磁誘導によって放電プラズマを生起するものがある。ソレノイドコイルを使用する従来の無電極放電ランプの一例が特許文献１に開示されている。以下、図１０を参照しながら、特許文献１に開示された無電極放電ランプを説明する。
【０００６】
図１０の無電極放電ランプは、水銀および希ガスからなる放電ガスが封入（図示せず）された球状のエンベロープ３を有している。このエンベロープ３には、凹部キャビティ２が形成されており、円筒形状の磁性材料（Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライト）からなる磁心１ｂに巻き線１ａを巻回した誘導コイル１が凹部キャビティ２内に配設されている。
【０００７】
誘導コイル１には、ハウジング４内に収められた電源回路５から１００ｋＨｚの高周波電流が供給される。高周波電流が供給された誘導コイル１は、交流磁界を発生する。この交流磁界により、エンベロープ３内に誘導電界が生じ、それによって封入ガスが電離されて放電プラズマを生じる。
【０００８】
封入ガス中の水銀は、放電プラズマ中で励起されることにより、２５３．７ｎｍおよび１８５ｎｍの紫外輝線で主に発光する。これらの紫外線は、エンベロープ３および凹部キャビティ２の内面に塗布された蛍光体層（図示せず）によって可視光に変換され、照明の用に供されるものである。
【０００９】
図１０の無電極放電ランプでは、エンベロープ３の内部に電極が存在しないため、通常の蛍光ランプに比べてさらに数倍寿命が長く、また電極近傍での電力消費がないため効率も高い。このため、このような構成の無電極放電ランプを小型化し、白熱電球用のＥ２６口金にそのまま取り付け可能な電球代替のコンパクト蛍光ランプとした製品が、近年製品化され始めている。このような蛍光ランプは、省エネルギー・省資源の観点から、さらなる普及が望まれている。
【００１０】
上述のようなソレノイドコイルを用いる無電極放電ランプでは、誘導コイル１の特性を上げるため、軟磁性体の磁心１ｂが使用される。特許文献１に記載されている無電極放電ランプでは、駆動周波数が約１００ｋＨｚであるため、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトから形成された磁心１ｂが使用されている。しかしながら、Ｍｎ−Ｚｎ系をはじめとするフェライト材料の磁気特性は、比較的大きな温度依存性を持つという問題がある。
【００１１】
フェライト製磁心が持つ磁気特性の温度依存性のうち、特に問題となるのが、磁気飽和である。飽和磁束密度の値は、磁性材料の温度が上昇するにつれて低下し、高温では磁気飽和が生じやすくなる。特にランプの始動時には、ランプに放電を生起させるために必要な強い誘導電界を供給するために、コイルに流れる電流が安定点灯時に比べてきわめて大きくなる。このため、飽和磁束密度が低下する高温では容易に磁気飽和を生じる。磁気飽和が生じると誘導コイルのＱ値が低下するため、無電極放電ランプの始動が不可能となる。図１０のような構成の無電極放電ランプにおいては、高温のプラズマが磁心１ｂのごく近傍に生じるため、磁心１ｂの温度が上昇しやすい。このため特に、しばらく点灯をつづけて温度が上昇した後、一旦消灯後再点灯を試みた場合（高温再始動）に、点灯に失敗する可能性が高くなる。これはダウンライト器具のようにランプ周辺が狭囲され、熱がこもりやすい環境下において顕著となる。
【００１２】
一方、もう一つの重要な問題として、磁心１ｂの断面積がある。磁心１ｂに巻き線１ａを巻回して電流を流した場合、磁心１ｂ内をとおる励磁界の大きさ（言い換えれば磁力線の本数）は、巻き線１ａに流れる電流で決まる。このため、磁心１ｂの断面積を大きくすれば、単位断面積あたりの励磁界の大きさが小さくなり、飽和を避ける事ができる。しかしながら、磁心１ｂの断面積を大きくするには、凹部キャビティ２の直径を大きくする必要がある。一方でエンベロープ３の最大直径は、白熱電球のサイズを著しく超えて大きくすることはできない。したがって必然的に、放電プラズマを維持するエンベロープ３と凹部キャビティ２で挟まれた放電空間の距離が小さくなる。これは放電プラズマの物理からみた場合、エンベロープ３と凹部キャビティ２との距離が小さくなれば、それぞれの壁への両極性拡散が強くなり、プラズマの維持が困難となることを意味する。つまり壁へと急速に消失しようとするプラズマを維持するために余計な電力を必要とし、ランプとしての効率を低下させることになる。こうした観点からは、凹部キャビティの直径、すなわち磁心１ｂの断面積は小さい方が望ましい。
【００１３】
このため、特許文献１に記載されている無電極放電ランプでは、磁心１ｂの温度上昇を抑制するために、磁心１ｂの内部に銅チューブからなる熱伝導部材７を挿入している。熱伝導部材７は、銅から形成された放熱手段８に接続されている。磁心１ｂに生じた熱は、熱伝導部材７を介して放熱手段８によって放熱され、これによって磁心１ｂの温度上昇を抑制しようとしている。
【００１４】
特許文献２は、磁心部分に放熱体を併置することによって磁心部分の温度上昇を抑制する無電極放電ランプを開示している。
【特許文献１】特開２００２−９３３８０号公報
【特許文献２】特表平１１−５０１１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されているような従来の構成では、磁心１ｂの熱を放出するために、熱伝導部材７および放熱手段８のような追加の部材を配設する必要がある。これは製造コストの上昇を招き、またこれらの部材を配設するための空間、および製造公差分の空間を設ける必要が生じる。このことは、白熱電球を代替することを目的とするコンパクト蛍光ランプにおいては、先に述べた効率の観点から、また小型化に当たっては非常に大きな障害となる。さらには熱伝導性の良い銅などの非鉄金属資源を余計に使用することになり、省資源という本来のコンセプトから言っても望ましいものではない。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するためになされものであり、その目的は、特別な熱伝導、放熱用の部材を用いることなく、磁心の飽和を回避し、安価かつ小型のコンパクト蛍光ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の無電極放電ランプは、透光性ガラスから形成されたエンベロープと、前記エンベロープの内部に充填された可電離性の封入ガスと、前記エンベロープの内側に向けて陥入した凹部キャビティと、前記凹部キャビティの内部に配置された誘導コイルであって、軟磁性材料から形成された磁心、および前記磁心を巻回する巻き線を有する誘導コイルと、前記誘導コイルの巻き線に高周波電流を供給する電源回路とを備え、前記巻き線は、単位長さあたりの巻き数Ｎａ［turns/cm］がＮ１［turns/cm］以上の第１ソレノイド部分と、単位長さあたりの巻き数Ｎｂ［turns/cm］がＮ１［turns/cm］以上の第２ソレノイド部分と、単位長さあたりの巻き数Ｎｃ［turns/cm］が０以上Ｎ２［turns/cm］以下（Ｎ１＞Ｎ２）であり、前記第１ソレノイド部分と前記第２ソレノイド部分とを電気的に接続し、かつ、長軸方向長さが前記磁心の直径の２０パーセント以上である中間部分とを有しており、前記電源回路から供給される高周波電流によって前記エンベロープ内にトロイダル状放電プラズマによる単一の放電ループを形成する。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記放電ループの電子密度が最大となる点を結ぶ曲線を含む平面は、前記誘導コイルの巻き線に含まれる前記中間部分と交差する。
【００１９】
好ましい実施形態において、Ｎ１は２０［turns/cm］以上であり、Ｎ２は０より大きく１０［turns/cm］以下である請求項１または２に記載の無電極放電ランプ。
【００２０】
好ましい実施形態において、Ｎｃ［turns/cm］は、Ｎａ［turns/cm］の２０パーセント以下となるように設定されている。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記巻き線の中間部分は、前記磁心を巻回することなく前記磁心の長軸方向に沿って延びている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記巻き線の第１ソレノイド部分の長軸方向長さおよび巻き数Ｎａは、前記巻き線の第２ソレノイド部分の長軸方向長さおよび巻き数Ｎｂと略等しい。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記巻き線の中間部分の長軸方向長さは、前記第１ソレノイド部分の長軸方向長さよりも小さい。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記磁心は、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトから形成されている。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記磁心は、Ｎｉ−Ｚｎ系のフェライトから形成されている。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記巻き線はリッツ線である。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記磁心は、内部に長軸方向に延びる空洞を有し、前記空洞の内部に熱伝導部材が形成されている。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の無電極放電ランプによれば、巻き線のソレノイド部分が単位長さあたりの巻き数が相対的に大きな２つの部分に分けられるため、発熱ポイントを分散させることができ、その結果、ランプ動作時に磁心の温度上昇を抑えることができるとともに、温度上昇よる磁束飽和を回避することが可能となる。
【００２９】
また、巻き線における第１および第２ソレノイド部分の巻き数を相等しくし、中間部分の長軸方向サイズを前記第１ソレノイド部分の長軸方向サイズ以下にすることにより、ソレノイド部分を２分割することによる効率低下を回避することができる。
【００３０】
更に、磁心の内部に長軸方向の空洞を設け、前記空洞内部に熱伝導部材をさらに具備すると、磁心の温度抑制効果が高められるため、より大出力の無電極放電ランプを実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本発明の無電極放電ランプの第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態における無電極放電ランプの長軸方向に沿った縦断面を示している。
【００３２】
本実施形態の無電極放電ランプは、ソーダガラスなどの透光性物質から形成されたエンベロープ（バルブ）３を有している。このエンベロープ３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。エンベロープ３に封入される放電物質の好ましい例は、微量の液体状水銀およびクリプトンガスである。クリプトンガスの充填圧力は、例えば１００Ｐａ程度に設定される。
【００３３】
エンベロープ３の内表面には、不図示のアルミナ層（透明保護膜層）が形成されており、その上には蛍光体層が積層されている。また、エンベロープ３の一部には凹入部（reentrant portion）が形成されており、これによって凹部キャビティ２が形成されている。より具体的に説明すれば、凹部キャビティ２はエンベロープ３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「長軸方向」と称することとする。本実施形態のエンベロープ３はＺ軸方向に関して略対称な形状を有している。
【００３４】
凹部キャビティ２の内部には、エンベロープ３の外部から誘導コイル１が挿入されている。ここで、凹部キャビティ２の内部とは、エンベロープ３の内部とは連通しておらず、エンベロープ３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、凹部キャビティ２の内部は、閉じたエンベロープ３の外部空間内に位置している。凹部キャビティ２におけるエンベロープ３の内面と対向する側の表面には、アルミナよりなる白色反射層が形成されており、その上には蛍光体層が積層されている。
【００３５】
誘導コイル１は、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライト材料から形成された略円筒状の磁心１ｂと、磁心１ｂの外周にソレノイド状に巻回された巻線１ａとから構成されている。図１では、誘導コイル１の構造を示すため、誘導コイル１の左半分の部分については、その断面を模式的に示し、誘導コイル１の右半分の部分については、その表面を模式的に示している。なお、本明細書においては、磁心１ｂのＺ軸方向に垂直な面で切り取ったときの断面の直径を「コア径」と称する場合がある。このコア径は、例えば８ｍｍ〜１６ｍｍ程度に設定される。
【００３６】
本実施形態の巻き線１ａは、図１に示されるように、間隙を間に挟んで直列的に配列された２つのソレノイド状部分（第１ソレノイド部分１ａａおよび第２ソレノイド部分１ａｂ）に分かれており、第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとは、Ｚ軸方向に沿って延びる中間部分１０１によって電気的に接続されている。
【００３７】
巻き線１ａの第１ソレノイド部分１ａａ、第２ソレノイド部分１ａｂ、および中間部分は、いずれも、直径０．０８ｍｍの銅細線に絶縁被覆を施したものを３５本束ねたリッツ線から構成されている。このようなリッツ線を磁心１ｂの周りにソレノイド状に巻回させることにより、上記構成を有する巻き線１ａが得られる。
【００３８】
本実施形態では、巻き線１ａの中間部分は、単純に第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとを電気的に接続するため、ソレノイド状には巻回されていない。しかが、この中間部分は、第１ソレノイド部分ａａや第２ソレノイド部分１ａｂに比べて単位長さあたりの巻き数が小さくないようなソレノイドであってもよい。
【００３９】
第１ソレノイド部分１ａａにおける単位長さあたりの巻き数をＮａ［turns/cm］、第２ソレノイド部分１ａｂにおける単位長さあたりの巻き数をＮｂ［turns/cm］、中間部分における単位長さあたりの巻き数をＮｃ［turns/cm］とした場合、Ｎｃ＜ＮａおよびＮｃ＜Ｎｂが満足される必要がある。より詳細には、Ｎａ、Ｎｂは、いずれも、ある値Ｎ１以上に設定され、しかも、Ｎｃは、ある値Ｎ２以以下に設定される（Ｎ１＞Ｎ２）。最も好ましいのは、Ｎｃを零にする場合であり、本実施形態は、この場合に相当する。巻き線１ａにおける中間部分の役割については、のちに詳しく説明する。
【００４０】
上記構成を有する巻線１ａは、誘導コイル１に対して高周波電流を供給するための電源回路５に接続されている。電源回路５は、高周波回路と、誘導コイル１と高周波回路の間のインピーダンス整合をとるための整合回路とを有しており、ハウジング（ケース）４で覆われている。ハウジング４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。電源回路５への電力入力は、口金６を介して供給される。
【００４１】
ランプ点灯中は、誘導コイル１の巻き線１ａに供給される高周波電流によって、エンベロープ３内に交流磁界が生じ、さらに誘導電界が生じる。本実施形態では、高周波電流の周波数は例えば４８０ｋＨｚに設定される。交流誘導電界はエンベロープ３内に充填された放電ガスを電離し、凹部キャビティ２を巻回するトロイダル状の放電プラズマを形成する。
【００４２】
本実施形態の無電極放電ランプは、放電プラズマの電子密度が最大となる点（図１中に黒点で示す）を結ぶ線を含む平面（図１中に破線で示す）が、中間部分１０１で誘導コイル１と交差するように構成されている。言い換えると、巻き線１ａの中間部分１０１が放電プラズマの中心部分と対向するように巻き線１ａが構成されている。
【００４３】
次に、図２から図７を参照しながら、本実施形態のランプの動作を説明する。
【００４４】
まず、図２を参照して、従来の問題点を詳しく説明する。図２は、例えば特許文献１に開示されているような従来の無電極放電ランプに広く使用される誘導コイル１の構造図である。
【００４５】
図２に示される磁心１ｂは、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトによって形成され、ソレノイド状の単一の巻き線１ａが巻回されている。巻き線１ａに高周波電流を供給することにより、図２に破線で示すような交流磁界が生じる。ランプ点灯中、高周波電流が巻き線１ａにおいてジュール熱を発生する。また、励磁界が振動することにより、磁心１ｂ内部でヒステリシス損失などのエネルギー損失も発生する。これらのジュール熱やヒステリシス損失などにより磁心１ｂの温度は上昇する。
【００４６】
一方、高温の放電プラズマからは凹部キャビティ２を通して磁心１ｂに熱が流入する。放電プラズマの温度（ガス温度）は、放電プラズマ内で誘導電界のエネルギー損失がもっとも大きくなる中心部分で最も高くなる。放電プラズマの「中心部分」とは、厳密には電離によって発生する電子密度がもっとも高くなる部分として定義すべきであるが、実際には電子密度の測定は容易ではない。放電プラズマの「中心部分」では、電子による放電ガスの電離・励起が最も頻繁に行われていると考えてよい。このため、本明細書では、放電プラズマから放射される可視光を観測した場合において、もっとも輝度が高くなる部分を放電プラズマの「中心部分」と定義する。この中心部分の位置は、磁心１ｂと巻き線１ａの相対的な位置関係や、放電ガス中の対流の影響で若干の移動が生じるが、誘導コイル１の形状、およびそこで生じる交流磁界の分布の対称性から、巻き線１ａの長軸方向での中心位置と概略一致する。以上のことから、放電プラズマから磁心１ｂへの熱流入は、放電プラズマの中心に対向する部分、すなわち巻き線１ａの長軸方向での略中心部分付近でもっとも大きくなる。
【００４７】
磁心１ｂは、有限の大きさの比透磁率μをもち、その大きさはＭｎ−Ｚｎ系フェライトでは室温で２０００〜３０００程度である。ただし、ここでいう比透磁率の値は、厳密には初透磁率と呼ばれる値であって、室温でかつ励磁界が非常に小さい場合の値である。この値は、例えば方向性珪素鋼鈑やスーパーマロイなどの１０００００から１００００００といった値に比べてかなり小さい値である。こうした比較的低い比透磁率の磁心１ｂ中では、有限の長さを持つ巻き線１ａによって生じる磁界の分布は一様にはならず、巻き線１ａの直下付近、特に長軸方向の中心近傍の直下が最大となる。
【００４８】
図３は、図２に示されているような形状の誘導コイル１内部の磁界分布を示している。この磁界分布は、コンピュータによる電磁界シミュレーションによって求めたものである。図３における等高線の分布から明らかなように、巻き線１ａの中央部直下付近において、磁界の強度が最大になっている。このことは、巻き線１ａの中央部直下では交流磁界の振幅が最大となり、その結果、ヒステリシス損失による発熱も最大となることを示している。すなわち、磁心１ｂに巻回された巻き線１ａの、長軸方向の中央部近傍においては、
（１）放電プラズマからの熱流入が最も大きい
（２）ヒステリシス損失による発熱が最も大きい
（３）対称性から、巻き線１aのジュール発熱による熱流入も最も大きい
という理由で、温度が最も上昇しやすいことが予想される。
【００４９】
一方、Ｍｎ−Ｚｎ系やＮｉ−Ｚｎ系のフェライト材では、磁気飽和を起こす磁界強度、すなわち飽和磁束密度は温度の上昇とともに低下することが知られている。したがって、上述の巻き線１ａの中央部付近では、磁心１ｂの飽和磁束密度の値が局所的に低くなっているものと考えられる。温度が高くなれば、飽和磁束密度の値が小さくなること、さらに巻き線１ａによって生じる磁界強度が最大となることから、この部分においては磁気飽和が非常に生じやすい条件がそろっていることがわかる。
【００５０】
本願発明者は、磁心１ｂの内部での磁界分布が一様でないという事実に注目した。上記の三つの発熱原因において、温度上昇に対して支配的なのは放電プラズマからの熱流入とヒステリシス損失である。上述の理由から、ヒステリシス損失が最大となる位置は、磁界強度が最大となる巻き線１ａの中央部直下である。従って、なんらかの方法で巻き線の中央部とプラズマの中心部分の位置をずらすことで、両者の発熱部位を別にして巻き線中央部直下での温度上昇を抑制できないかとの着想を得た。
【００５１】
図４は、本実施形態における誘導コイル１の構造を示している。
【００５２】
本実施形態の構成によれば、誘導コイル１の磁心１ｂに巻回された巻き線１ａは、中間部分１０１によって隔てられた二つの第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとに分割されている。さらに、トロイダル状の放電プラズマの中心部分を結んだ曲線を含む平面（破線にて表示）は、中間部分１０１で磁心１ｂと交わる。このように第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとを離して巻回した場合でも、その対称性から、放電空間側の誘導電界が最大になる部分は、巻き線１ａが単一のソレノイドである場合と変わらない。
【００５３】
また、放電プラズマ中の電子は十分高い移動度で放電空間を飛行するため、放電プラズマは、第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂの近傍に別々に局在して分裂することはなく、単一のトロイダル形状を維持することができる。したがって、図４の構成において、放電プラズマからの熱流入が最も大きくなるのは、巻き線１ａの長軸方向の中央付近、すなわち中間部分１０１に中央部付近となる。一方、巻き線１ａが第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとに分割され、それらの間に中間部分１０１が存在することにより、交流磁界によって磁心１ｂ内に生じる発熱部位が二つに分かれる。
【００５４】
なお、単一のトロイダル形状をもつプラズマを形成する代わりに、２つのプラズマを形成しようとすると、第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとの間隔を極めて大きくしたり、あるいは、プラズマ形成空間を２つの分離するための特殊なセパレータをエンベロープ内に配置する必要がある。第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとの間隔を大きくすることは、無電極放電ランプの小型化に反することであり、好ましくない。また、セパレータを用いた場合、セパレータによる壁面効果によって安定した放電を維持しにくくなるという不都合も生じる。また、そもそも本実施形態では、プラズマの中心部分をソレノイド部分の中心部分（発熱ポイント）からシフトさせることによって、磁心１ｂの昇温を抑制すること意図しているため、形成されるプラズマは単一で、かつ、中間部分１０１に対向する位置にあることが望まれる。
【００５５】
磁心１ｂ内での磁界の強度および局所的な発熱量を測定することは困難である。こので、本願発明者は、コンピュータによる電磁界シミュレーション技術を使用し、図４の磁心１ｂ内での磁界強度を評価した。図５は、その結果を示す。等高線の分布から明らかなように、巻き線１ａを第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂと分割した効果によって、磁界強度が最大となる部位が二つに別れ、しかも放電プラズマからの熱流入が最大となる部位から外れている。
【００５６】
図６は、磁心１ｂの表面から深さ約１ｍｍの仮想面上での、長軸方向を横軸とした場合の磁界強度の分布を示すグラフである。図５の等高線に対応して、磁界強度には２つのピークが存在している。二つのピークの間の部分、すなわち放電プラズマからの熱流入が最大となる部分での磁界強度は、ピーク値に対して約１０％低くなっている。このため、ヒステリシス損失による発熱量も、２つのピークの間で小さくなることが予想される。
【００５７】
さらに重要なことは、図４の構成によれば、巻き線１ａを二つのソレノイド部分１ａａ、１ａｂに分割したことにより、巻き線１ａが形成する磁力線の総数は、巻き線１ａの総巻き数が同じであれば単一巻き線の場合と変わらないのに対し、巻き線１ａの直下における局所的な磁界強度は、分割した場合の方が小さくなるということである。
【００５８】
これらのことから、図４の構成によれば、放電プラズマからの熱流入が最大と成る部位と巻き線１ａによる発熱部位とが一致することを防ぐことができる。その結果、磁心１ｂ内での温度上昇のピーク値を抑えることが可能となり、さらには局所的な磁界強度のピーク値も抑制することが可能となる。これら二つの効果により、磁気飽和の発生を抑制することが可能となる。
【００５９】
なお、これまでの説明において、第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとの間に中間部分１０１を設けても、放電空間内の誘導電界強度は影響を受けないと述べてきたが、実際には中間部分１０１が著しく長くなった場合にはやはり効率の低下を生じる。これを避けるためには、中間部分１０１の長さは、巻き線の第１ソレノイド部分１ａａおよび第２ソレノイド部分１ａｂのそれぞれの長軸方向（Ｚ軸方向）のサイズ以下に設定することが望ましい。
【００６０】
逆に、中間部分１０１の長軸方向長さが短すぎると、発熱ポイントを分散させることによる効果が小さくなる。以下、中間部分１０１の長軸方向の好ましい下限値を求める。
【００６１】
図７は、第１ソレノイド部分１ａａが形成する磁界の強度分布（一点鎖線）と第２ソレノイド部分１ａｂが形成する磁界の強度分布（破線）とを示すグラフである。このグラフは計算機シミュレーションによって得られたものである。
【００６２】
図７のグラフでは、横軸は、長軸方向の或る位置からの距離を示し、縦軸は磁界強度を示している。図７において斜線で示されている２つの矩形領域は、それぞれ、第１ソレノイド部分１ａａおよび第２ソレノイド部分１ａｂを模式的に表現している。第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとの間は、単位長さあたりの巻き数Ｎｃが零の中間部分である。図７に示されている中間部分における「磁界の和」とは、第１ソレノイド部分１ａａが形成する磁界と第２ソレノイド部分１ａｂが形成する磁界との和（合成磁界）を意味している。
【００６３】
中間部分における「磁界の和」は、第１ソレノイド部分１ａａと第２ソレノイド部分１ａｂとの間隔が広くなるほど、小さくなる。磁心１ｂで生じる損失は、巻き線１ａを流れる電流の２乗に概ね比例する。中間部分における「磁界の和」の最小値が、ソレノイド部分１ａａ、１ａｂにおける磁界の√１／２となるとき、中間部分の中心における損失は、ソレノイド部分１ａａ、１ａｂにおける損失の半分になる。中間部分の十分に温度を低下させて本発明の効果を充分に得るためには、中間部分における「磁界の和」の最小値が、ソレノイド部分１ａａ、１ａｂにおける磁界の√１／２以下となることが好ましい。
【００６４】
中間部分における「磁界の和」の最小値が、ソレノイド部分１ａａ、１ａｂにおける磁界の√１／２に等しくなるときの、中間部分の長軸方向長さをＬ√1/2と標記することとする。通常の無電極放電ランプに要求されるサイズや放電条件を考慮すると、このＬ√1/2は、磁心１ｂの直径の２０パーセント以上である。したがって、例えばコア径（直径）が１４ｍｍの場合、約３ｍｍ以上の長軸方向長さを中間部分１０１に与えることが好ましい。
【００６５】
図７の例における中間部分１０１は、巻き数Ｎｃが零であるが、本発明の効果は、この場合に限定されない。巻き数Ｎｃが大きくなると、中間部分１０１での磁界が強くなり、損失ひいては発熱が大きくなる。このため、中間部分１０１の長軸方向のサイズが一定であれば、中間部分１０１における単位長さあたりの巻き数Ｎｃは０または０に近いほど好ましい。しかし、巻き数ＮｃがＮａの２０パーセント以下であれば、本発明の効果は充分に得ることが可能である。
【００６６】
図８（ａ）から（ｃ）は、いずれも、本発明の無電極放電ランプにおける巻き線の単位長さあたりの巻き数分布の例を示めすグラフである。本実施形態は、図８（ａ）に示される巻き数分布を有しているが、図８（ｂ）や図８（ｃ）に示すような巻き数の分布を有していても良い。図８（ｂ）は、中間部分１０１における単位長さあたりの巻き数Ｎｃが０よりも大きい場合を示しており、図８（ｃ）は、単位長さあたりの巻き数Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃの各々が長軸方向に沿って変化する勾配部分を有している場合を示している。図（８ｃ）に示されるように、単位長さあたりの巻き数は、中間部分１０１における場合はもちろん、ソレノイド部分１ａａ、１ａｂにおいても、一定である必要はない。このため、本命最初における「単位長さあたりの巻き数」とは、着目する部分における平均値を意味するものとする。
【００６７】
なお、放電プラズマの中心を中間部分１０１と対向する位置に配置するためには、第１ソレノイド部分１ａａの単位長さあたりの巻き数Ｎａと第２ソレノイド部分１ａｂにおける単位長さあたりの巻き数Ｎｂとを相互に略等しくすることが望ましい。しかし、巻き線１ａの、磁心１ｂの長軸方向の長さに対する相対的な巻き位置が中心から著しく異なる場合や、放電プラズマの対流と浮力による位置移動が著しい場合には、あえて第１ソレノイド部分１ａａの巻き数Ｎａと第２ソレノイド部分１ａｂの巻き数Ｎｂとを異なる値に設定し、それによって放電プラズマの発生する位置をコントロールしてもよい。
【００６８】
また、巻き線１ａにおいて、中間部分１０１に比べて単位長さあたりの巻き数が相対的に大きなソレノイド部分の数は２つに制限されない。その数は３以上であってもよい。発熱ポイントが分散されるだけでも、磁心１ｂの温度上昇を抑制する効果が充分に得られるからである。
【００６９】
なお、本実施形態では、巻き線１ａの構成材料としてリッツ線を使用しているが、本発明はこのような場合に限定されない。絶縁被覆を施した単線銅線を使用したり、また中空の銅線を使用してもよい。
【００７０】
磁心１ｂとして、本実施形態では、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトから形成されたものを使用しているが、さらに高周波で駆動する場合には、Ｎｉ−Ｚｎ系の材料を使用してもよい。Ｎｉ−Ｚｎ系材料は、熱伝導率が低いため、ヒステリシス損失による温度上昇が局在化しやすい。このため、本発明による効果がさらに大きくなることが期待できる。
【００７１】
（実施形態２）
次に、図９を参照しながら、本発明による無電極放電ランプの第２の実施形態を説明する。本実施形態の無電極放電ランプは、基本的には第１の実施形態における無電極放電ランプの構造と基本的には同一の構造を有しており、異なる主要な点は、以下に説明する熱伝導部材７および放熱部８を備えている点にある。したがって、ここでは、図１に示されている構成要素と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、第１の実施形態について説明した事項については繰り返さない。
【００７２】
本実施形態の無電極放電ランプでは、磁心１ｂの内部に長軸方向（Ｚ軸方向）に添って伸びる円筒形の空洞９が設けられている。そして、その空洞９の中に円筒状の熱伝導部材７が磁心１ｂの内壁面に熱的に接触するように配置されている。熱伝導部材７は、熱伝導率の比較的高い金属、例えば銅やアルミニウムから好適に形成される。この熱伝導部材７は、凹部キャビティ２の外部において、円盤状の放熱部８と熱的に接触されている。放熱部８は熱伝導部材７と同じ材料から形成されている。放熱部８により、放熱面積が大きくなるため、熱伝導部材７によって運ばれてきた磁心１ｂの熱を効率良く放出することができる。また、放熱部８と磁心１ｂとの間には、空隙が設けられている。このため、誘導コイル１によって生じた交流磁界が、金属製の放熱部８に鎖交しにくくなり、渦電流損失を回避している。
【００７３】
本実施形態によれば、２０Ｗを超えるような高い入力の放電ランプにおいても磁気飽和を抑制することが可能となる。なお、熱伝導部材７および放熱部８を金属から形成しているが、温度条件によっては、熱伝導率を高めたセラミック材料を使用してもよい。この場合、金属を使用したときに生じる渦電流損失をなくすことができる。また、温度条件によっては放熱部８を用いる必要がない場合があり、その場合には放熱部８を設ける必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の無電極放電ランプは、追加の冷却部材を使用せずに磁心の磁気飽和回避可能な誘導コイルを有しているため、電球代替のコンパクト蛍光ランプ等として有用である。また、本発明の無電極放電ランプの用途は、照明に限定されず、表面改質装置等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明による無電極放電ランプの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】従来の無電極放電ランプにおける誘導コイル付近の構造を示す図である。
【図３】従来の無電極放電ランプにおける磁心内の磁界強度の分布を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における誘導コイル付近の構造を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における無電極放電ランプの磁心内での磁界強度分布を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における無電極放電ランプの磁心内での磁界強度分布をグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態における第１ソレノイド部分１ａａが形成する磁界の強度分布（一点鎖線）と第２ソレノイド部分１ａｂが形成する磁界の強度分布（破線）とを示すグラフである。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、いずれも、本発明の無電極放電ランプにおける巻き線の単位長さあたりの巻き数分布の例を示すグラフである。
【図９】本発明による無電極放電ランプの第２の実施形態を示す断面図である。
【図１０】従来の無電極放電ランプの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  誘導コイル
１ａ  巻き線
１ａａ  巻き線１の第１ソレノイド部分
１ａｂ  巻き線１の第２ソレノイド部分
１ｂ  磁心（コア）
２  凹部キャビティ（凹入部）
３  エンベロープ（バルブ）
４  ハウジング（ケース）
５  電源回路
６  口金
７  熱伝導部材
８  放熱部材
９  空洞
１０１  中間部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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