以下に、本発明に係るコイル電極蛍光放電� ��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� �である。この蛍光放電灯管1は、内面に蛍光� ��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� ��ル電極3、4と、商用電源7からの供給電源に� ��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� �放電空間が空洞として形成されている。ガ� �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� �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� �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� �波電源6の出力側に接続されている。コイル� ��極3、4にはエナメル被覆電線又はビニル被� �電線を使用する。外部電極としてコイル電� �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。

 上記構成のコイル電極蛍光放電灯におい� ��、コイル電極3、4に高周波電源6による高周� ��電圧を印加して前記放電ガスを放電させて� ��灯させることができる。図2の(2A)に示すよ� �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� ��から形成されている。放電空間に面する蛍� ��膜8の表面には、PL蛍光体粒子が管軸方向に� ��散して配置されている。

 コイル電極蛍光放電灯1における第3世代電� �源と陽イオン源の動作を説明する。高周波� �源6により印加される高周波電圧のある瞬時� ��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� �、蛍光体粒子層11、12は絶縁体であるから、� ��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� ��で誘電分極する。蛍光体粒子層12に誘電分� �した正電荷の電位はコイル電極3の正電位よ� ��も数倍高い。高周波電界により放電ガスで� ��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� ��積して電子源が形成され、この電子源が本� ��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� ��は外部回路から注入されないから、電極電� ��降下は全く生じないので、その分だけ消費� ��力を低減できる。また、コイル電極3、4は� �ラス管壁でガス空間と隔離しているので陽� �オン衝突が無く、スパッタリングが生起せ� �、長寿命化が達成される。つまり、本発明� �は、電極電圧降下の消尽とスパッタリング� �消尽が実現できる。

 本発明に係るコイル電極蛍光放電灯におけ� ��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W _1n (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� ��された内部電極付き蛍光放電灯管をコイル� ��極蛍光放電灯に改変した((3D)~(3F)参照)例を� �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� ��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� ��後、60分後の電力を示す。

 図3の測定結果から、1次側電力W _1n (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� �nを1、5、10に変えたときの1次側電力を測定� �た結果、W _1n =a _n +b _n ×n(a _n ,b _n :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� �る。前記近似的線形関係は線径dにより変化� ��、線径dにより1次側電力W _1n 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� �細を後述する。

 図4は高周波電源6の1次側電力W _1n (W)とコイル電極用絶縁被覆電線の線径dの関� �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� ��た。巻数nを1、5、10と変え、図3の実験と同� ��に、コイル電極を巻回した新品蛍光放電灯� ��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� ��)を示す。(4A)、(4B)は夫々、新品と寿命の尽� ��た蛍光放電管をコイル電極蛍光放電灯管に� ��変し、点灯60分後の電力を夫々示す。この� �果より、与えられた巻数nの場合、改変前の� ��光放電灯管に無関係で1次側電力W _1n (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W _1n (W)は線径dには殆んど依存しないことが分か� �た。

 図5は高周波電源6の1次側電力W _1n (W)と点灯時間tの関係をコイル巻線の金属線� �直径dをパラメーターとして測定した結果で� ��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� �様に、コイル電極を巻回した蛍光放電灯管� �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� �実験結果から、新品と再生品は、線径d及び� ��数nによる変化は有るが、与えられた dとn� �は1次側電力が大幅に変化することなく安定� ��た点灯駆動状態が得られることがわかった� ��

  図6は単体のコイル電極蛍光放電灯管を使� ��し、点灯時初期の1次側電力W _1n (変数yで表示)と巻数n(変数xで表示)の変化を� �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W _1n は線径dに依存して変わるが、与えられたdで� ��、一次側電力yは巻数xの一次関数で近似に� �わされることが分かった。例えば、最小の� �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� �図6に記載された通りである。従って、実験� ��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� ��極蛍光放電灯管の消費電力の設計を簡易に� ��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。

 また、図6から分かるように、1次側電力W _1n (W)とコイル電極の巻数nの相関実験から、次� �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)� ��0.26(mm)≦d≦1.6(mm)の範囲で変えたとき、1次� �電力W _1n の変動幅δWは巻数nの増加とともに増大し、� �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W _1n 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� �記範囲内で可変することができ、コイル電� �の形成の自由度が大きい事を明らかにした� �

 次に、単体であるコイル電極蛍光放電灯の� ��周波電源6の2次側電力W _2n (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W _2n (変数yで表示)と巻数n(変数xで表示)の変化を� �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� ��れた。他のdについては図7に記載した通り� �ある。従って、2次側電力についても、1次側 電力と同様にW _2n =c _n +d _n ×n(c _n ,d _n :定数)が成立している。この実験式式に基づ� ��、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� �電極蛍光放電灯の消費電力を簡易に設計で� �る。逆に、2次側消費電力に合わせて、前記� ��似式に基づき、コイル電極の巻数を適宜決� ��して簡単に電極設計を行うことができる。

 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W _2n (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� ��面直径d(mm)を0.26(mm)≦d≦1.6(mm)の範囲に可変� ��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W _2n の値はdの値により増加し、d=0.26に対する変� �幅δWは巻数n=10で最大0.6(W)となる。換言すれ� ��、前記2次側電力W _2n は前記実験式の値は、同じ巻数nであってもd� ��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� �電力を適宜決定し、それに応じて電線の断� �直径dを前記範囲内で可変できる。コイル電� ��蛍光放電灯のコイル電極の選択の自由度が� ��きい利点を明らかにした。

 図6及び図7から分かるように、上記の1次側� ��力W _1n 又は2次側電力W _2n 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 W _1n =a _n +b _n ×n、2次側電力 W _2n =c _n +d _n ×nで表わせる。しかも。図6及び図7の実験式� ��一次関数で表され、前記勾配b _n 及びd _n はb _n >d _n の関係にあることが分かった。更に詳細には 、b _n /d _n =2~7の範囲にあることが分かった。コイル電� �蛍光放電灯の種類を変更すると、前記範囲� �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� �、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。

 上記コイル電極蛍光放電灯の応用として、� ��数管からなる集積蛍光放電灯の実施例を説� ��する。
 図8はn本のコイル電極蛍光放電灯を並列接� �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� �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� �極対には電圧印加線13を通じて2次側電圧が� �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。

 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� �対18a及び19a、・・・、18n及び19nが形成され� �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� �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。

 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� �灯管本数という)に対する、高周波電源6の1� �側電力W _1N (W)及び2次側電力W _2N (W)の変化を、コイル電極蛍光放電灯単体を含 めて調べた。

 図10は、図8の並列接続方式による集積コイ� ��電極蛍光放電灯に対する電力測定結果を示� ��。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� ��関して、点灯初期の1次側電力W _1N (W)及び2次側電力W _2N (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 。

 (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W _1N (W)及び2次側電力W _2N (W)を示す。1次側電力W _1N (W)及び2次側電力W _2N (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� �る実験式は、y=1.67x+4.78で表される。2次側電� ��の実験式は、y=0.23x-0.13で表されることが分� ��った。

 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W _1N とW _2N 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� ��6の1次側電力W _1N 及び2次側電力W _2N の変化を示す。この場合も、1次側電力W _1N (W)及び2次側電力W _2N (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� ��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。

 次に、図10及び図11の測定結果を纏める。1� �側電力に関し、W _1N =a _N +b _N ×N(a _N 、b _N :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� �光放電灯管を並列接続して高輝度発光を可� �にした集積コイル電極蛍光放電灯管を実現� �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、W _2N =c _N +d _N ×N(c _N 、d _N :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� �側電力の近似式と併用して、N本のコイル電� ��蛍光放電灯を並列接続して高輝度発光を可� ��にした集積コイル電極蛍光放電灯を実現す� ��ことができる。なお、集積コイル電極蛍光� ��電灯管の場合においても、前記勾配b _N 及びd _N はb _N >d _N の関係にある。図10及び図11の具体例では、b _N /d _N =5~7であり、蛍光灯の種類が変化すれば、こ� �範囲は更に広がる。この関係を利用して、� �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� �及び2次側消費電力に合わせて、構成蛍光放� ��灯数を最適に調整することも可能になる。

 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� ��数の市販の内部電極型蛍光放電灯と、それ� ��使用されている高周波電源につき、コイル� ��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� �灯にコイル電極を施し、そのM社高周波電源� ��使用した場合には、2次側電力yはコイル電� �蛍光放電灯数管数xに対して、y=0.76x-0.02が成� ��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� �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� ��内部電極型蛍光放電灯管にコイル電極を施� ��、電源にA社電源を使用した場合、2次側電� �yはコイル電極蛍光放電灯管数xに対し、y=0.23 x-0.13が成り立つ。各社蛍光灯の勾配d _N 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d _N 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� �に、各社蛍光灯の2次側電力につき、構成蛍� ��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� �並列接続して、高輝度発光を可能にした集� �コイル電極蛍光放電灯管を実現することが� �能になる。

 上記図8又は図9の集積蛍光放電灯は、各� �イル電極蛍光放電灯を平面型に並置した構� �を有するから、天井や壁面に配置される照� �用平面型光源に最適である。また、光源と� �て無駄な容積を有さないから、室内インテ� �アの多様性に貢献できる。更に、この平面� �光源は、液晶バックライトのような平型光� �に好適である。

 図13は、蛍光放電灯収納部22内において7� �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� ��に配置、集積した大型ランプ構造の集積蛍� ��放電灯を示す。各コイル電極蛍光放電灯管2 3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� ��ル電極24、25は、並列接続部(図示せず)を介� ��て電圧印加線20に接続され、高周波電源6の� ��周波電圧が、コイル電極蛍光放電灯管23の� �々に並列的に印加される。この集積型蛍光� �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� ��して、各コイル電極蛍光放電灯管23内部の� �空気の対流による冷却を防止し、適度な温� �に保持する作用を有する。

 コイル電極蛍光放電灯23の内部には、上述� �ように、放電ガスとしてArガス、及びHg滴が� ��含されている。Arは常時ガス状態で存在す� �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� �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� �254nm紫外線強度が変わる。それにはArガスの� ��度を上昇させて制御する。経験的には、Hg� �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� ��、本発明者等の研究によれば70℃前後に昇� �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� ��加するので蛍光膜からのPL輝度が著しく増� �する。温度の上限は70℃前後にある。1本の� �光放電灯管では、放電管表面が冷空気と接� �し、空気対流により常時放熱する。放電管� �冷却を防止して最適温度を維持するために� �、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� ��れば、蛍光放電灯管の消費電力でこの放熱� ��力だけ無駄に使用している。蛍光放電灯管� ��で熱を発生するのは、ガス原子のイオン化� ��ある。ガス原子のイオン化には、放電灯内� ��電子の運動エネルギーをイオン化電圧以上� ��加速する必要があり、それには放電灯管電� ��にMHzにある高周波電界の印加か、又は高電� ��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� ��ることによって蛍光放電灯管を相互に保熱� ��、更に蛍光放電灯収納管22内に収納するこ� �により保熱作用により束状配置した蛍光放� �灯管内のガス温度を最適温度に速やかに上� �させ、ガス空間中の水銀蒸気圧を最適値に� �ることができる。

 図14は、本発明において蛍光膜表面に導入� �る電子の挙動が、蛍光膜の荷電状態により� �わる様子を説明する模式図である。FL管(蛍� �放電灯管)内のガス放電に影響を与える蛍光� ��の4つの荷電状態と電子軌道の変化を図14に� ��解する。図14(A)は、ガラス管2の内壁面に市� ��放電灯用 (PL) 蛍光体粉を塗布して出来た� �光膜27の部分図である。市販PL用蛍光体の全� ��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� ��想到するに到った。当然の理で市販PL蛍光� �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� ��静電反発を受け、蛍光膜上に入れない。そ� ��だけではない。ガス空間はガス原子の最外� ��を充填している外殻電子による負電界で満� ��、その電界強度は10 ⁵ V/cmであるので、電子eはガス空間にも入れな� ��。ガス原子は放電しない。即ちガス放電は� ��灯しない。

 図14(B)に蛍光体粒子がPIPを持たない蛍光体� �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� �体がある。代表的な蛍光体は、緑白色に発� �するか、又は390 nmにピークを持って鋭い線� ��発光する酸化亜鉛 (ZnO) 蛍光体、ナトリウ� ��塩化物を融剤に使わずに作られた青色発光� ��化亜鉛 (ZnS:Ag:Cl) 蛍光体、緑色発光硫化亜� �� (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120 Vまで上げると、酸化亜鉛過剰 で製造された珪酸亜鉛 (Zn ₂ SiO ₄ :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 (Y ₂ O ₂ S:Eu or Tb)蛍光体、融剤を使用しないで作ら� �た酸化イットリウム (Y ₂ O ₃ :Eu or Dy) 蛍光体、及び融剤を使用して粒子� ��を大きくした後に、表面に析出した融剤を� ��で除去して表面を清浄にした酸化イットリ� ��ム蛍光体等が加わる。図14(B)の例はZnO蛍光� �で蛍光膜を作った場合を示す。蛍光膜表面� �入った低速電子は、PIP負電界が存在しない� �め、容易に蛍光膜上に入り、放電管の他端� �ある陽イオン源Bの電界により加速され、蛍� ��膜表面上を一方向に進み、ガス原子と衝突� ��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)� �一方向に進む電子軌道にガス原子が存在す� �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� ��体による蛍光膜表面を一方向に伝導する電� ��の検出は、蛍光膜上に故意に蛍光膜の突起� ��作り、印加電界の半周期をゼロ電位にする� ��、蛍光膜の突起した陰極側の側面に電子が� ��期的に衝突し、明るくCL発光するが、陽極� �の側面には電子が衝突しないので発光しな� �。この事実を肉眼観測により確認できる。

 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� �光体粒子28(PIP無し)を塗布し、残りの大面積� ��市販PL蛍光体粒子を配列した蛍光膜27(PIP有� �)で蛍光放電管内壁面を覆う。実験的には先� ��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� �蛍光膜を柔らかい布でふき取った後、ZnO蛍� �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� ��による蛍光放電灯管の特徴は、蛍光放電灯� ��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� �ける結果、陽光柱径が狭められ、蛍光放電� �管の中央部分が暗くなる。中央部を明るく� �光させるには、電極に印加する電位を増加� �せるので、消費電力が増加する。

 この蛍光膜に本発明になる電子源を設置� ��、初速ゼロに近い電子を導入する。電子はZ nO蛍光体粒子28の配列した所で加速され、ガ� �原子の励起可能なエネルギーを持つ。加速� �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。

 放電路中を移動する電子は加速によりエネ� ��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� ��る。無作為方向に散乱された電子の中には� ��光膜に接近する機会を持つ電子があるが、� ��光膜にはPIP26の負電荷が存在するので、そ� �電子は蛍光膜に接近できず、陽光柱内に戻� �。高周波の波に共鳴しているガス原子を発� �させる電子の活動範囲は、ガス放電管の全� �間ではなく、蛍光膜から一定の距離を保持� �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� ��ガス原子(未励起ガス原子)が均一濃度で分� �している。陽光柱で発光した光がガス原子� �励起準位から基底準位への電子遷移で発生� �ているならば、発光した光はガス原子によ� �吸収が許容となる。その場合陽光柱内で発� �した光は陽光柱と蛍光膜間に介在するガス� �子により吸収され、蛍光膜に届くのは吸収� �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 ⁶ pから基底準位 ⁶ sへの電子遷移であるので、陽光柱と蛍光膜� �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� ��り吸収を受けた残量だけが蛍光膜に到達す� ��。ハロ燐酸カルシウム蛍光体で蛍光膜を作� ��た場合に相当する。ハロ燐酸カルシウム蛍� ��膜のPIP強度は管径を小さくしても変わらな� ��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� ��電灯管は管径を細くすると発光が著しく減� ��する。与えられた蛍光放電灯管で蛍光膜に� ��達する紫外線量を増加させるには、蛍光膜� ��PIP負電荷で覆われないようにすると良い。� ��ち、PIP鞘を作らないようにすると良い。更� ��次の事実を明らかに出来た。蛍光体粒子は� ��きな光屈折率を持った粒子であるので、紫� ��線の一部が蛍光膜の表層に配列した蛍光体� ��子に突入し、発光中心に直接吸収されて可� ��光を発光する。表層粒子で反射した紫外線� ��散乱光となり蛍光膜の深部にある蛍光体粒� ��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。

 最後に、図14(D)に図示したように、PIPを� �つ市販PL蛍光体27とPIPを持たない低電圧CL蛍� �体28をガラス管内面に交互に配列する。PIP26� ��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� �った。低電圧CL蛍光体25の候補は前記した。� ��れ等の蛍光体のどれでもが使用できるとは� ��らない。市販されているこれ等の蛍光体の� ��には、表面処理と言って絶縁体の微細粒子� ��表面に付着している。他の場合、蛍光体製� ��時の処理が不十分で残留物が粒子表面に残� ��ている。陽光柱から散乱により蛍光体粒子� ��照射した電子は、蛍光体粒子内に入り、蛍� ��体粒子から二次電子を真空中に放出する。� ��の時蛍光体粒子の中に正孔を残す。この正� ��と二次電子が真空中で結合し、金属陰極の� ��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、� �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� ��と、CL蛍光体粒子の表面にあるSBEは結合相� �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� ��選別が大切となる。最も確かな低電圧CL蛍� �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� ��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� ��ある。

 図15は、本発明において低電圧電子線発� �CL蛍光体粉と光発光PL蛍光体粉の混合粉で作� ��れる最適な蛍光膜の状態を示す模式図であ� ��。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� �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 5 13-517(非特許文献1)によれば、FLの最適蛍光膜� ��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� �うにガラス管内壁面に塗布し、乾燥後低電� �CL蛍光体28を市販蛍光体層27の上に散布する� �うに塗布すると、本発明になる蛍光膜が製� �できる。このようにして作られた蛍光膜の� �式図を図15(A)に示す。

 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� ��体の平均粒子径を4 μmとする。低電圧CL蛍� �体の粒子径を2 μmとする。粒子径が異なる2� ��類の蛍光体粉を、重量比でPL蛍光体:CL蛍光� �=7:3の割合で秤量し、秤量粉体を混合瓶に入� ��、均一に混ざるまで混合し、蛍光体塗布液� ��作り放電管ガラス内壁面に塗布する。塗布� ��が乾燥しないとき、ガラス管壁に近い所に� ��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� �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� �ので、陽光柱内で高エネルギーを持った電� �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� ��多くの紫外線がPL蛍光体層に入射する。そ� �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� �均粒子径が4μmであるとき、平均値で1μm~3μm� ��あるとき、良好な結果が得られた。この粒� ��径はPL蛍光体の粒子径により変わる。注意� �ることは、CL蛍光体粒子が1μm以下と小さい� �、粒子は蛍光膜の表面に配列せず、蛍光膜� �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� ��、僅かな効果は期待できても、本発明にな� ��蛍光膜構成の効果とは比較にならない程度� ��あるので、実用では大きな差となる。

 本発明の重要な点を下記に記しておく。集� ��蛍光放電灯の最外周に配置した蛍光放電灯� ��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� ��室温との間にかなりの温度差(20 ^o C以上)があるので、空気対流によりガラス管� ��は熱を失う。第三世代電子源からの電子を� ��用すると、単位時間当たりのガスのイオン� ��量が少ないので、蛍光放電灯管の温度が上� ��らず、最適水銀蒸気圧を与える温度より低� ��30 ^o C前後であった。一方、内側に配置した蛍光� �電灯管は外側に配置した蛍光放電灯管によ� �熱的に保護され、空気対流は少なく、外壁� �度が45 ^o Cから70 ^o C前後に上昇する。同量の電子数で水銀蒸気� �励起し発光させているので、水銀蒸気の励� �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� �なり、水銀蒸気数が多くなると明るく発光� �る。集積蛍光放電灯では温度差による大き� �輝度差が発生し、最外部に配列した蛍光放� �灯管の発光は暗い。最外部に配列した蛍光� �電灯管の保温をするには、集積蛍光放電灯� �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。

 上述した結果は次の分野への応用ができ� ��ことを示す。集積蛍光放電灯はコイル電極� ��蛍光放電灯管を束ねて作るほかに、この束� ��解き、平面に配列する。このとき各コイル� ��極型蛍光放電灯管を放電灯管の外径より僅� ��に大きな内径にある保熱管(ガラス管)内に� �入し、ガラス管の両端を断熱材で封じ、蛍� �放電灯管を外部空気と断熱すると、各蛍光� �電灯管の温度は最適な水銀蒸気圧を与える� �度に保温できる。空気に露出した蛍光放電� �管で最適な水銀蒸気圧を与える温度に保温� �るに必要なガスのイオン化エネルギーは必� �でなくなる。その結果、平面上に配列した� �部電極蛍光放電灯管(EEFL)の点灯に必要な消� �電力は数分の一と少なくても高輝度な平面� �光源が得られる。この平面型光源をLCDのバ� �クライトに使用した時、点灯速度がミリ秒� �位であるので、平面上に配列した集積蛍光� �電灯を幾つかのブロックに分割し、分割し� �各集積蛍光放電灯を順次に線走査できる。� �ックライトを分割して線順次走査すると、LC Dのスクリーンには、LEDをバックライトに使� �した場合よりも遥かに高輝度であり、炭の� �さを基準としたコントラストにより、鮮明� �映像が映し出される。上述した効果は、内� �電極の表面に電気絶縁体である蛍光体粒子� �適度の厚さに塗布した蛍光体粒子層絶縁型� �部電極による蛍光放電灯管でも得られるの� �勿論である。更に、平面上に配列した集積� �光放電灯を幾つかのブロックに分割し、各� �ロックを順次に発光させると、点灯電力を� �に減少させた平面型照明光源が得られる。

 本実施形態に係る集積コイル電極蛍光放電� ��の管軸方向の長さは限定されず、任意の長� ��にしても放電に関与する電子数は同じで、� ��ス原子と非弾性衝突してガス原子を発光さ� ��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� ��積のみが増加する。その結果、輝度のみが� ��積蛍光放電灯の軸方向の長さに比例して増� ��する。家庭の居間や、高層ビルの事務所の� ��明光源として天井に配置して使用するとき� ��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� ��。更に集積蛍光放電灯は駆動電源回路の電� ��を含め、同一照度を得るに必要な使用電力� ��従来の金属電極による蛍光放電灯の点灯の1 0分の一以下に出来る。その上で、集積蛍光� �電灯は点灯時の蛍光放電灯管のガラス管表� �温度は水銀蒸気圧を最適にする50 ^o Cから70 ^o C前後に保たれるが、集積蛍光放電灯を挿入� �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。

  蛍光放電灯管の管径を20 mmよりも太く� �ると、蛍光放電管中に形成する陽光柱内に� �起されないHgガスが存在し、陽光柱内でHgが� ��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 。

 上記したコイル電極蛍光放電灯管の両菅端� ��、従来の蛍光放電灯点灯装置のソケットに� ��め合わせ可能な口金を装着すると、従来の� ��光放電灯点灯装置を置換する必要がなく、� ��電で寿命の長いコイル電極蛍光放電灯管を� ��着できる利便性が実現する。コイル電極蛍� ��放電灯管を点灯するに必要な電源は小型化� ��き、従来の蛍光放電灯点灯装置内部に収納� ��能である。上記したように開発したコイル� ��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� ��で、その経済的な効果と、資源節約、CO ₂  ガスの放出を大きく抑制できる照明光源を� ��供する。